基于Pyrosim的風(fēng)速對礦井火災(zāi)蔓延規(guī)律影響研究

田水承 竇培謙 張成鎮(zhèn)，3

（1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054；2.中國勞動關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京100048；3.長江航運公安局九江分局，江西九江332000）

礦井火災(zāi)是礦井五大災(zāi)害之一［1］。據(jù)統(tǒng)計礦井 火災(zāi)主要是由于運輸皮帶和機電設(shè)備著火導(dǎo)致的［2］，礦井火災(zāi)不僅會使設(shè)備設(shè)施燒毀，而且可能會引發(fā)次生災(zāi)害；另一方面，礦井巷道狹窄且相對封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣及溫度蔓延迅速，瞬間會惡化井下工作環(huán)境，引發(fā)井下礦工恐慌，甚至導(dǎo)致窒息事故。目前，對于礦井火災(zāi)的研究主要包括火災(zāi)原因分析［3］、風(fēng)險評價［4］等，仿真模擬及實驗研究較為缺少。張辛亥［5］采用火災(zāi)動力學(xué)軟件（FDS）研究頂棚煙道對巷道火災(zāi)煙氣流動的影響；李宗翔［6］采用實驗和TF1M3D仿真平臺對下行風(fēng)流火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律進行研究，通過綜述發(fā)現(xiàn)以往礦井火災(zāi)仿真研究中火源的反應(yīng)類型設(shè)置較為簡單，很難反應(yīng)真實的火災(zāi)情況。為此，本項目采用Pyrosim火災(zāi)仿真模擬軟件構(gòu)建礦井巷道模型，根據(jù)實際情況設(shè)置火源及反應(yīng)類型，設(shè)置不同風(fēng)速工況條件，以研究礦井在不同風(fēng)速下火災(zāi)煙霧及溫度的蔓延規(guī)律。

1 模型構(gòu)建

1.1 礦井巷道火災(zāi)模型建立

構(gòu)建一個水平的礦井巷道模型，其總體框架是50 m×3 m×3 m的礦井巷道，如圖1所示，模型的左下角為模型的原點（0，0，0），模型內(nèi)置材料有煤炭、石頭、泡棉、松木。模型中設(shè)置有監(jiān)測火災(zāi)蔓延的探測器如溫度探測器、煙霧濃度探測器等，溫度探測器設(shè)有6個，設(shè)置的具體位置坐標為（5，1.5，1.6）、（10，1.5，1.6）、（15，1.5，1.6）、（25，1.5，1.6）、（35，1.5，1.6）、（45，1.5，1.6），煙霧濃度探測器也設(shè)有6個，且設(shè)置位置與溫度探測器相同。將探測器設(shè)置在高為1.6 m處，是因為在火災(zāi)時人員疏散逃生口鼻處的高度都接近于1.6 m［7］；同時，為更加直觀觀測火災(zāi)隨時間的蔓延情況在模型中Y=1.5 m及Z=1.6 m平面都分別設(shè)置溫度切片和煙霧濃度切片；此外，在模型X=0 m及X=50 m兩平面分別設(shè)置通風(fēng)口。

1.2 網(wǎng)格劃分與火源設(shè)置

礦井巷道模型單元網(wǎng)格大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m，共28 800個網(wǎng)格。1 m×1 m火源中心設(shè)置在（5，1.5，1）處的松木基座上，考慮到礦井外因火災(zāi)大多是由于運輸皮帶和機電設(shè)備著火導(dǎo)致故火源的反應(yīng)類型為聚氨酯燃燒反應(yīng)［8］。礦井火災(zāi)發(fā)展過程屬于t2火模型［9］，該模型公式為Q=αt2，其中Q為熱釋放速率，kW；α為增長系數(shù)，kW/s2；t為時間，s。根據(jù)t2火模型等級劃分，礦井外因火災(zāi)屬于中速，α取值為 0.011 27 kW/s2［10］；根據(jù)典型火災(zāi)場所的最大熱釋放速率，礦井外因火災(zāi)的最大熱釋放速率為1 500 kW，依據(jù)t2火模型公式，合院式古建筑火災(zāi)360 s左右可達到最大熱釋放速率，火源熱釋放速率隨時間的變化如圖2所示。數(shù)值模擬時間為1 000 s，環(huán)境初始溫度為20 ℃，分別設(shè)置0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s 6種不同風(fēng)速的工況分別進行礦井巷道數(shù)值模擬，如圖3所示。

2 礦井火災(zāi)溫度蔓延規(guī)律

數(shù)值模擬結(jié)束后，對各工況下數(shù)值模擬出來的數(shù)據(jù)進行分析處理，其中各工況下各監(jiān)測點溫度隨時間的變化情況如圖3所示。由圖3可知，火災(zāi)發(fā)生后各監(jiān)測點的溫度在火源未達到最大熱釋放速率前呈二次函數(shù)升高，在火源熱釋放速率達到最大值后各監(jiān)測點溫度緩慢升高直至穩(wěn)定。0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s工況下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨監(jiān)測點距離火源距離的增大而減低，但2 m/s和3 m/s工況下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度不是隨監(jiān)測點距離火源距離的增大而減低，2 m/s工況下10 m處監(jiān)測點穩(wěn)定溫度低于20 m處監(jiān)測點穩(wěn)定溫度，3 m/s工況下20 m處監(jiān)測點穩(wěn)定溫度最低，且40 m處監(jiān)測點穩(wěn)定溫度高于30 m處監(jiān)測點穩(wěn)定溫度。

進一步分析2 m/s和3 m/s工況下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度不隨監(jiān)測點距離火源距離的增大而減低的原因，將各監(jiān)測點數(shù)值模擬數(shù)據(jù)穩(wěn)定溫度階段中900～1 000 s的溫度數(shù)據(jù)取平均值進行分析，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨風(fēng)速呈波動變化，隨風(fēng)速的增加穩(wěn)定溫度都具有先升后降再升的趨勢，且趨勢隨著距離的增加而減弱；通過縱向比較各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度的變化，也存在一定的規(guī)律，各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨風(fēng)速增加而降低的最低點會隨著距離的增加而增大，如5 m處最低點為風(fēng)速2 m/s，10 m和20 m處最低點為風(fēng)速3 m/s左右，30 m處最低點為風(fēng)速4 m/s，40 m處最低點為風(fēng)速5 m/s。

更進一步分析2 m/s和3 m/s工況下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度不隨監(jiān)測點距火源距離的增大而減低的原因，所以將各工況下數(shù)值模擬數(shù)據(jù)穩(wěn)定溫度階段中900～1 000 s的溫度數(shù)據(jù)取平均值隨距離增大的變化進行分析，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速為0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s工況下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨監(jiān)測點距離火源距離的增大而減低，而2 m/s風(fēng)速下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨監(jiān)測點距離火源距離的增大呈波動變化，3 m/s風(fēng)速下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨監(jiān)測點距離火源距離的增大先快速降低后緩慢升高至穩(wěn)定，通過比較發(fā)現(xiàn)3 m/s工況下利于礦井人員逃生，穩(wěn)定溫度隨距離火源距離的增大快速下降，下降后的溫度在人的承受極限內(nèi)，故最利于井下人員疏散逃生，相比4 m/s和5 m/s的風(fēng)速更加經(jīng)濟。

為歸納出各工況下穩(wěn)定溫度隨距離的變化規(guī)律，本文對圖5中各工況下監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨距離的變化曲線進行擬合，0.5 m/s時擬合曲線函數(shù)為T=144.03d-0.177，相關(guān)性系數(shù)R2=0.99；1 m/s時擬合曲線函數(shù)為T=212.11d-0.296，相關(guān)性系數(shù) R2=0.99；4 m/s時擬合曲線函數(shù)為T=190.24 d-0.44，相關(guān)性系數(shù)R2=0.97；5 m/s時擬合曲線函數(shù)為T=156.42 d-0.373，相關(guān)性系數(shù)R2=0.97。各曲線呈冪函數(shù)分布，且擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)R2都大于0.95，具有顯著的相關(guān)性，而2 m/s和3 m/s風(fēng)速下溫度波動大擬合出的冪函數(shù)相關(guān)性系數(shù)為0.5左右，故在此不與討論。將以上4種工況下擬合的冪函數(shù)（T=ad-b）系數(shù)進行進一步的擬合，其系數(shù)a擬合曲線如圖6所示，擬合函數(shù)為a=-14.738v2+78.29v+125.86；系數(shù)b擬合曲線如圖7所示，擬合函數(shù)為b=-0.034 8v2+0.230 7v+0.083 2。故構(gòu)建出的各工況下穩(wěn)定溫度與風(fēng)速、距離的函數(shù)公式為

溫度切片可以更加直觀地觀察溫度在平面的分布情況，如圖8、圖9所示，為Tecplot軟件處理后各工況下Z=1.6 m平面和Y=1.5 m平面在950 s時溫度的分布情況。由圖8可知，在Y=1.5 m平面上隨著風(fēng)速的增加豎直平面內(nèi)距離火源相同距離的穩(wěn)定溫度越低。

由圖9可知，在Z=1.6 m平面上隨著風(fēng)速的增加水平平面內(nèi)的穩(wěn)定溫度越低，且3 m/s風(fēng)速下的穩(wěn)定溫度巷道兩側(cè)溫度較巷道中間溫度高，有利于井下人員逃生，這與數(shù)據(jù)分析的結(jié)果相吻合。

3 礦井火災(zāi)煙霧蔓延規(guī)律

為探究各工況下數(shù)值模擬煙霧的蔓延規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)束后，對各工況下數(shù)值模擬出來的數(shù)據(jù)進行分析處理，其中各工況下各監(jiān)測點煙霧濃度隨時間的變化情況如圖10所示。由圖10可知，在火災(zāi)熱釋放速率達到最大值時，各工況下各監(jiān)測點煙霧濃度都開始處于穩(wěn)定，故圖10中只畫出500 s內(nèi)的煙霧濃度變化情況。對于5 m處監(jiān)測點其煙霧濃度上升迅速，各工況下的穩(wěn)定煙霧濃度都能接近達到100%；10 m處監(jiān)測點其煙霧濃度上升也較為迅速，除3 m/s風(fēng)速下穩(wěn)定煙霧濃度達到80%，其他工況下的穩(wěn)定煙霧濃度都能接近達到100%；20 m、30 m和40 m處監(jiān)測點其煙霧濃度較前2監(jiān)測點處上升較為緩慢，各監(jiān)測點穩(wěn)定煙霧濃度隨著風(fēng)速的增大而降低，而3 m/s、4 m/s和5 m/s工況下的穩(wěn)定煙霧濃度變化不大，都分布在60%～80%內(nèi)，所以3 m/s風(fēng)速最有利于礦井人員的逃生，且相對4 m/s和5 m/s更加經(jīng)濟。

為更加直觀觀察模型內(nèi)橫豎平面內(nèi)能見度隨時間的變化情況，在此，選取2 m/s風(fēng)速下的能見度切片進行觀察，如圖11、圖12所示，為Tecplot軟件處理后各時刻Y=1.5 m平面和Z=1.6 m平面在2 m/s風(fēng)速下的能見度情況。Y=1.5 m豎直平面300 s內(nèi)各時刻下能見度，由圖11可知，相同位置隨時間的增加能見度越來越低，能見度由30 m逐漸降到1 m以內(nèi)，200 s左右高1.6 m處的能見度就已經(jīng)降到了4 m以內(nèi)。

圖12為Z=1.6 m水平平面200 s內(nèi)各時刻下的能見度情況。由圖可知，相同位置隨時間的增加能見度也越來越低，高1.6 m平面在50 s時平面內(nèi)的能見度都在28 m左右，在100 s時該平面內(nèi)大部分的能見度大致在15～20 m左右，在150 s時該平面內(nèi)大部分的能見度大致在5～10 m左右，在200 s時該平面內(nèi)大部分的能見度大致在4 m左右，這與豎直平面觀察的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

（1）火源及反應(yīng)類型的設(shè)置能很好地反應(yīng)真實的礦井外因火災(zāi)?；鹪丛O(shè)置為t2火，火災(zāi)系數(shù)α取值為0.011 27 kW/s2，最大熱釋放速率為1 500 kW，反應(yīng)類型設(shè)置為聚氨酯燃燒反應(yīng)。以上設(shè)置都較好地符合礦井外因火災(zāi)的特性，從而保證了數(shù)值模擬結(jié)果能夠反映礦井外因火災(zāi)的真實情況。

（2）3 m/s風(fēng)速最利于礦井下火災(zāi)人員逃生，且最為經(jīng)濟。對數(shù)值模擬結(jié)果溫度的數(shù)據(jù)及切片分析，發(fā)現(xiàn)3 m/s風(fēng)速下各監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨監(jiān)測點距離火源距離的增大先快速降低后緩慢升高至穩(wěn)定，溫度的下降速度較其他工況下快，穩(wěn)定溫度巷道兩側(cè)溫度較巷道中間溫度高，且穩(wěn)定溫度與4 m/s和5 m/s工況下的穩(wěn)定溫度相近都在人的承受極限內(nèi)；對數(shù)值模擬結(jié)果煙霧濃度的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)3 m/s風(fēng)速下穩(wěn)定煙霧濃度相比于其他工況的穩(wěn)定煙霧濃度低，且最經(jīng)濟；故通過2種方式都證明了3 m/s風(fēng)速最利于礦井下火災(zāi)人員逃生，且最為經(jīng)濟。

（3）得出礦井火災(zāi)穩(wěn)定溫度函數(shù)公式，其與火源距離呈冪函數(shù)關(guān)系，且系數(shù)與風(fēng)速呈二次函數(shù)關(guān)系。對各工況下監(jiān)測點穩(wěn)定溫度隨距離的變化曲線進行擬合，發(fā)現(xiàn)各曲線呈冪函數(shù)分布，且0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s風(fēng)速下擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)R2都大于0.95，具有顯著的相關(guān)性。于是對擬合出的冪函數(shù)系數(shù)進行深入分析發(fā)生其系數(shù)呈二次函數(shù)分布，故得出礦井火災(zāi)穩(wěn)定溫度與火源距離和風(fēng)速間的函數(shù)公式。