海拔高度對(duì)礦井無軌運(yùn)輸車輛火災(zāi)影響模擬研究*

耿 萌，劉 劍，王 東

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

在現(xiàn)階段的煤炭開采中，埋藏淺部煤炭資源可開采的儲(chǔ)量逐漸減少，因此向高海拔地區(qū)開采礦產(chǎn)資源的發(fā)展態(tài)勢越發(fā)明顯[1-2]。而高海拔地區(qū)空氣稀薄，低溫缺氧，氣壓低，導(dǎo)致高海拔地區(qū)火災(zāi)發(fā)展規(guī)律不同于低海拔地區(qū)[3-4]，因此，進(jìn)一步明確高海拔地區(qū)的礦井火災(zāi)發(fā)展規(guī)律對(duì)開展火災(zāi)防治工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦井火災(zāi)時(shí)期巷道內(nèi)煙氣流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行大量模擬研究：文獻(xiàn)[5]通過數(shù)值模擬與SIMPLE算法相結(jié)合的方式，研究火災(zāi)巷道內(nèi)煙氣溫度場的分布情況；文獻(xiàn)[6-7]利用數(shù)值模擬的方法，分別研究傾斜巷道、水平巷道內(nèi)煙氣逆流層的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[8]應(yīng)用TF1M3D仿真軟件及實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)真實(shí)礦井火災(zāi)進(jìn)行研究，確定下行風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)流紊亂的規(guī)律；文獻(xiàn)[9]模擬研究巷道火災(zāi)時(shí)期，煙氣速度場、溫度場以及瓦斯分布隨入口風(fēng)速的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[10]利用風(fēng)門的開合對(duì)巷道內(nèi)的風(fēng)流進(jìn)行控制，模擬火災(zāi)時(shí)期采取控制措施前后巷道內(nèi)CO濃度、煙氣密度、溫度及煙氣速度的變化情況，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]通過控制變量的方式分別研究入口風(fēng)速、火區(qū)溫度及巷道傾角對(duì)煙氣逆退與臨界風(fēng)速的影響情況。

目前，已有文獻(xiàn)主要集中于對(duì)低海拔礦井火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的研究，而對(duì)高海拔地區(qū)的礦井火災(zāi)研究較少。本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法，建立實(shí)際尺寸的巷道火災(zāi)模型，在一定程度上還原無軌運(yùn)輸車輛火災(zāi)的動(dòng)態(tài)燃燒過程，通過研究不同海拔高度下無軌運(yùn)輸設(shè)備的燃燒特性、巷道內(nèi)煙氣運(yùn)移情況、溫度分布與CO濃度的變化規(guī)律，為高海拔地區(qū)的礦井火災(zāi)的研究工作提供參考依據(jù)。

1 高海拔礦井火災(zāi)模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

實(shí)際的無軌運(yùn)輸車輛火災(zāi)是1個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的燃燒過程，主要包括煙氣組分變化及高溫?zé)熈髟诹鲃?dòng)過程中的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象[12]。針對(duì)本文所研究的問題，現(xiàn)提出如下假設(shè)：

1)火災(zāi)發(fā)生前，巷道內(nèi)的風(fēng)流為定常流動(dòng)，巷道壁面溫度恒定，且與風(fēng)流溫度相等；

2)燃燒產(chǎn)生的煙氣為多組分的理想氣體；

3)火災(zāi)時(shí)期，煙氣的流動(dòng)過程為可壓縮風(fēng)流的不可壓縮流動(dòng)；

4)高溫?zé)熈髟谙蚧鹪瓷?下風(fēng)側(cè)流動(dòng)時(shí)，不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在對(duì)可燃物燃燒過程進(jìn)行計(jì)算求解時(shí)，需遵守流體力學(xué)的基本守恒定律。

質(zhì)量守恒方程如式(1)所示：

(1)

動(dòng)量守恒方程如式(2)所示：

(2)

能量守恒方程如式(3)所示：

(3)

組分守恒方程如式(4)所示：

(4)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度，m/s；為哈密頓算子；f為施加在流體上的外力矢量，kg/(s2·m)；P為壓力，Pa；τ為黏性力張量，kg/(s2·m)；g為重力加速度，m/s2；w為渦度；h為比焓，kJ；qr為熱輻射通量，kW/m2；T為溫度，K；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；i為第i種組分；Yi為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為擴(kuò)散系數(shù)，為質(zhì)量生成速率，kg/(s·m3)；hi為第i種組分的比焓，kJ。

1.2 無軌運(yùn)輸車輛火災(zāi)模型的建立

所選取的下行通風(fēng)巷道模型長190 m，寬4.5 m，高4.6 m，巷道傾角設(shè)為14°。巷道壁面材質(zhì)設(shè)置為混凝土，斷面設(shè)置為直墻半圓拱，其中墻高2.3 m。采用抽出式通風(fēng)方法，巷道右側(cè)為出風(fēng)口，入口初始風(fēng)速為v=1 m/s。巷道模型如圖1所示。

圖1 巷道模型Fig.1 Roadway model

1.3 火源設(shè)置

無軌運(yùn)輸設(shè)備燃燒的主要物質(zhì)為油料，因此，不對(duì)車輛金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將其簡化為油料模型，放置在距入口105 m處的巷道底板中軸線處，尺寸為0.6 m×0.6 m×0.4 m，在其上方設(shè)置1個(gè)高溫?zé)嵩磳⑵潼c(diǎn)燃，應(yīng)用液體燃料的熱解模型來實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ァ，F(xiàn)定義油料的各項(xiàng)熱性質(zhì)描述含炭燃料的傳熱與熱解，其熱物性參數(shù)見表1。

表1 油料的熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of oil

1.4 網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置

網(wǎng)格尺寸的劃分決定了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，不同網(wǎng)格尺寸下燃燒物附近煙氣溫度分布情況如圖2所示。由圖2可知，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，火源附近煙氣的溫度值逐漸升高，但變化幅度逐漸減小。當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.2 m時(shí)，其火區(qū)內(nèi)煙氣溫度與網(wǎng)格尺寸為0.15 m時(shí)相差較小。綜合考慮模擬時(shí)間與精度，確定網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，網(wǎng)格總數(shù)為793 800。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下煙氣溫度變化情況Fig.2 Change of smoke temperature under different grid sizes

在發(fā)生火災(zāi)前，單純進(jìn)行巷道內(nèi)通風(fēng)模擬，當(dāng)巷道內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)期再進(jìn)行點(diǎn)火[13]，滿足前文假設(shè)中的定常流動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)通風(fēng)時(shí)間為500 s，總模擬時(shí)間為2 500 s。各工況下的初始邊界設(shè)置見表2。

表2 邊界條件設(shè)置參數(shù)Table 2 Parameters of boundary conditions setting

1.5 測點(diǎn)及切片設(shè)置

巷道火災(zāi)時(shí)期，高溫?zé)熈髟诟∩Φ淖饔孟轮饕e聚在巷道頂板處。因此，在火源附近的頂板處布置煙氣參數(shù)測點(diǎn)，以燃料為中心點(diǎn)，在其兩側(cè)每隔1 m布置1個(gè)測點(diǎn)用來監(jiān)測各項(xiàng)煙氣參數(shù)。同時(shí)，為觀測火災(zāi)時(shí)期CO濃度在巷道垂向上的分布規(guī)律，分別設(shè)置相應(yīng)的切片，用以觀測其分布情況。測點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)移情況

不同發(fā)展階段下巷道火災(zāi)煙氣蔓延情況如圖4所示。由圖4可知，由于受機(jī)械風(fēng)壓的橫向推力作用，燃燒生成的煙氣羽流向下風(fēng)側(cè)偏移。在火災(zāi)發(fā)展60 s時(shí)，各海拔高度下的高溫?zé)煔庵饕仨敯逑蚧鹪聪嘛L(fēng)側(cè)開始運(yùn)移；隨著火勢的發(fā)展，燃燒產(chǎn)生大量的高溫?zé)熈髟诨鹪瓷戏降捻敯逄幉粩喾e聚，使得其頂板處壓力逐漸增加，此時(shí)風(fēng)流開始出現(xiàn)沿頂板向上風(fēng)側(cè)流動(dòng)的趨勢。

圖4 不同時(shí)期巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)移情況Fig.4 Fire smoke migration in roadways in different periods

當(dāng)t=120 s時(shí)，低海拔地區(qū)的巷道內(nèi)最先發(fā)生煙流逆退。隨著燃燒的進(jìn)行，各海拔高度下巷道內(nèi)煙流逆退的距離不斷增加，且低海拔地區(qū)巷道內(nèi)煙氣逆退的速度更快。

當(dāng)t=360 s時(shí)，海拔高度0 m時(shí)巷道內(nèi)煙氣的逆退距離最長約68 m；海拔高度5 000 m時(shí)，煙氣逆推距離最短約46 m，降幅達(dá)到32.4%。顯然，煙氣逆退的距離隨海拔的升高呈現(xiàn)出遞減的趨勢。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是高海拔地區(qū)大氣稀薄，整體氧氣含量較低。當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)量與可燃物尺寸確定時(shí)，高海拔地區(qū)井巷內(nèi)可燃物的燃燒速率相對(duì)較慢，單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量少。此外，由于高寒地區(qū)空氣密度小，造成空氣卷吸量減小,產(chǎn)煙量不足，火羽流受浮升力作用減弱，因此蔓延速度降低。

2.2 可燃物的熱釋放速率隨海拔高度的變化規(guī)律

熱釋放速率作為分析火災(zāi)規(guī)模的重要參數(shù)，其數(shù)值的大小直接影響著各項(xiàng)模擬結(jié)果。通過監(jiān)測火源處的燃燒情況，得出不同海拔高度下無軌運(yùn)輸設(shè)備實(shí)際燃燒時(shí)熱釋放速率的變化規(guī)律及熱釋放速率達(dá)到峰值的時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 可燃物的熱釋放速率變化曲線Fig.5 Change curves of heat release rate of combustibles

圖5結(jié)合圖6可知，海拔越高，火源達(dá)到最大熱釋放速率所需的時(shí)間越長，可燃物燃燒的越久。海拔高度0 m時(shí)，火源達(dá)到最大熱釋放速率約需890 s，可燃物燃盡大概需要1 510 s；海拔5 000 m時(shí)，火源達(dá)到最大熱釋放速率約需1 060 s，可燃物燃盡的時(shí)間約為1 850 s。模擬結(jié)果驗(yàn)證海拔越高，可燃物的燃燒速率越慢，火源的熱釋放速率越小。

圖6 可燃物的最大熱釋放速率及其達(dá)到的時(shí)間Fig.6 Maximum heat release rate of combustibles and time to reach

2.3 煙氣最高溫度隨海拔高度變化情況

各海拔高度下，火災(zāi)煙氣的溫度峰值在巷道縱向上的分布情況如圖7所示。由圖7可知，可燃物燃燒時(shí)巷道頂板處煙氣的溫度峰值隨海拔的升高而降低。其中，海拔高度為0，1 700，3 000，4 000，5 000 m時(shí)，在火源下風(fēng)側(cè)2 m處燃燒產(chǎn)生的最高溫度分別為1 078，1 049，1 019，971，945 ℃。

圖7 各海拔高度下煙氣溫度峰值變化規(guī)律Fig.7 Change of peak smoke temperature values under various altitudes

在火源兩側(cè)的對(duì)稱位置處，下風(fēng)側(cè)各位置處煙氣的最高溫度要略高于上風(fēng)側(cè)等距測點(diǎn)的最高溫度，且火源上風(fēng)側(cè)煙氣的最高溫度隨著與火源距離的增加，溫度降幅逐漸減小。由于存在機(jī)械風(fēng)壓的橫向推力作用，各海拔高度下煙氣的溫度峰值點(diǎn)會(huì)向火源下風(fēng)側(cè)發(fā)生偏移，偏移距離約2～3 m。

為定量分析海拔高度與煙氣溫度峰值的關(guān)系，繪制散點(diǎn)圖并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，火災(zāi)時(shí)期巷道內(nèi)煙氣的最高溫度隨海拔高度的升高呈現(xiàn)出線性降低的趨勢。且海拔每升高1 000 m，煙氣的溫度峰值約下降3%。

圖8 海拔高度與火災(zāi)煙氣溫度峰值的擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between altitude and peak fire smoke temperature

2.4 CO濃度隨海拔高度變化情況

模擬得出礦井火災(zāi)時(shí)期各海拔高度下巷道頂板處CO濃度變化規(guī)律，如圖9所示。由圖9可知，礦井火災(zāi)時(shí)期，巷道頂板處CO濃度隨海拔的升高而降低。其中，海拔高度為0，1 700，3 000，4 000，5 000 m時(shí)，火源下風(fēng)側(cè)2 m處燃燒產(chǎn)生的CO濃度最高，其濃度值分別為1 182×10-6，1 179×10-6，1 155×10-6，1 147×10-6，1 137×10-6mol/mol。由文獻(xiàn)[14-15]可知，當(dāng)CO濃度超過500×10-6mol/mol時(shí)，會(huì)造成人員中毒甚至死亡。由此可見，低海拔地區(qū)的礦井在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，CO的生成量更多，對(duì)于人員的逃生和救援難度更大。造成高海拔地區(qū)CO生成量較低的主要原因是高海拔地區(qū)燃燒速率低，煙氣總生成量降低，煙氣組分中的一氧化碳含量也隨之降低。

圖9 各海拔高度下CO濃度變化規(guī)律Fig.9 Change of CO concentration under various altitudes

通過繪制散點(diǎn)圖并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后得出礦井火災(zāi)時(shí)期，CO濃度隨海拔高度的變化情況，如圖10所示。由圖10可知，火災(zāi)時(shí)期巷道內(nèi)CO濃度均隨海拔高度的升高而呈線性降低趨勢。且海拔每升高1 000 m，CO濃度約降低0.98%。

圖10 海拔高度與CO濃度的擬合關(guān)系Fig.10 Fitting relationship between altitude and CO concentration

巷道垂向斷面上CO濃度的分布云圖如圖11所示。由圖11可知，巷道內(nèi)的CO濃度在其垂向上均呈現(xiàn)出分層分布，且由于浮升力的作用，高溫風(fēng)流主要聚集在巷道拱頂處。隨著海拔高度的增加，巷道頂板處CO的污染區(qū)域逐漸減小。對(duì)于同一海拔高度，下行風(fēng)巷道內(nèi)火源的下風(fēng)側(cè)CO的污染區(qū)域要明顯大于上風(fēng)側(cè)。其中，上風(fēng)側(cè)10 m處CO主要集中在拱頂部位，火源處的CO主要分布在拱頂及其兩側(cè)，下風(fēng)側(cè)10 m處的CO幾乎布滿整條巷道。因此，下行風(fēng)火災(zāi)巷道內(nèi)CO對(duì)火源下風(fēng)側(cè)人員的影響要大于上風(fēng)側(cè)，且隨著海拔的升高，CO濃度在巷道垂向斷面上的分布范圍逐漸減小。

圖11 巷道垂向斷面上CO濃度分布云圖Fig.11 Cloud map of CO concentration distribution on vertical sections of roadway

3 結(jié)論

1)巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣的逆退距離隨海拔高度的升高而減小，海拔高度為5 000 m時(shí)煙流逆退距離較海拔0 m降低32.4%。因此，在礦井火災(zāi)時(shí)期，低海拔地區(qū)巷道內(nèi)火源上風(fēng)側(cè)高溫?zé)煔鈱?duì)人員的威脅要遠(yuǎn)高于高海拔地區(qū)。

2)隨著海拔高度的升高，可燃物的燃燒特性變化明顯。高海地區(qū)低壓低氧的環(huán)境可降低燃料的熱解速率，且可燃物燃燒產(chǎn)生的熱釋放速率要小于低海拔地區(qū)，可燃物的燃燒時(shí)間更長。

3)巷道內(nèi)煙氣的溫度峰值與CO濃度均隨海拔的升高而降低，且均與海拔高度大致呈線性函數(shù)關(guān)系，海拔每升高1 000 m，煙流最高溫度降低3%，CO濃度降低0.98%。由CO濃度分布云圖可知，CO濃度在垂向上分布呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象，具有“上高下低”的分布規(guī)律，且隨著海拔高度的增大，CO的污染區(qū)域逐漸減小。