基于礦井三維通風的火災模擬研究

＊田曉波

（中煤大同能源有限責任公司塔山煤礦 山西 037000）

礦井火災是傳統(tǒng)的煤礦五大災害之一，煤礦一旦發(fā)生火災，危險極大。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017—2022年我國煤礦企業(yè)共發(fā)生8起井下火災事故，死亡人員高達86人，而在礦井火災中遇難的人員，90%以上是因CO中毒而死亡。所以準確把握好火災時期CO氣體的擴散趨勢與擴散時間，及時通知井下附近工作人員正確撤離，能夠保證礦井安全生產(chǎn)[1]。

因此模擬井下火災，確定一定時間內(nèi)CO氣體的蔓延方向，從而判定井下不同位置發(fā)生火災時的安全空間顯得尤為重要。Ventsim三維通風仿真模擬軟件是礦井通風及火災研究領(lǐng)域使用最廣泛的軟件之一，包含通風風網(wǎng)解算及通風動態(tài)模擬等多種功能，對礦井通風調(diào)節(jié)起到重要作用。本文采用Ventsim軟件對井下火災進行模擬，對污染CO氣體擴散方向與各巷道濃度進行相關(guān)研究與分析，為救援方案提供理論依據(jù)[2-4]。

1.中煤塔山三維通風系統(tǒng)模擬

(1)中煤塔山礦井30503工作面概況

中煤塔山礦井30503工作面走向長1869.48m，傾向長198.3m，布置在3～5#煤層，供風量為2230m3/min，盤區(qū)布置有三條大巷，分別為1045回風大巷，沿煤層頂板布置，專用于回風；1045皮帶大巷，主要用于煤炭運輸；1045輔助運輸大巷，用于進風、運輸人員、材料、設備等，三條大巷的方位角為99°25'09''。在大巷北翼，布置30503工作面。該工作面通風是全負壓通風系統(tǒng)，采用一進兩回“U”型的通風方式，即布置膠帶順槽、回風順槽，均沿3～5號煤層底板布置。

(2)建立中煤塔山礦井三維礦井通風系統(tǒng)

如圖1所示，通過Ventsim軟件繪制了中煤塔山礦井三維立體通風系統(tǒng)圖，然后將礦井相關(guān)參數(shù)按1:1還原中煤塔山礦的通風系統(tǒng)。由于礦井火災產(chǎn)生的主要有害氣體是CO，因此通過合理運用Ventsim軟件的污染源模擬功能，以中煤塔山礦三維通風系統(tǒng)圖為基礎(chǔ)進行井下火災中有害氣體模擬，從而獲得相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析[5-6]。

圖1 中煤塔山礦井三維立體通風系統(tǒng)圖

2.礦井火災模擬條件

由于井下火災發(fā)生地點以及火災的發(fā)展過程具有隨機性，為了簡化，本文根據(jù)中煤塔山礦井的實際情況，給出了以下幾點模擬條件[7-8]：

(1)燃燒地點的選擇

①選取采煤工作面為火災用風研究地點，采煤工作面煤質(zhì)主要為高熱值煤，易發(fā)生自燃，因此選擇采煤工作面為用風研究地點。

②選取回風巷道為火災回風研究地點，礦井回風有運煤皮帶，易發(fā)生火災，因此選擇回風巷為回風研究地點。

本文選擇30503綜放工作面及其回風巷進行研究?；馂牡攸c選擇的位置如圖2所示。

圖2 火災地點示意圖

(2)火災場景假設

①假設礦井巷道無漏風，礦井中的各類裝置都正常工作。

②假設燃燒產(chǎn)生的高溫煙流在巷道內(nèi)流動不再發(fā)生化學反應。

(3)燃燒參數(shù)設置

①燃燒條件設置

本文選取的研究地點為礦井采煤工作面，距離很短，所處環(huán)境極為相似，因此在對采煤工作面進行模擬時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設定為相同的值。因為火災產(chǎn)生大量煙氣、CO等污染氣體，因此轉(zhuǎn)化為污染物模擬，做穩(wěn)態(tài)與線性衰減模擬。穩(wěn)態(tài)模擬設置是在污染源濃度模擬設置后，各巷道按照擴散比例在一段時間內(nèi)污染物濃度達到峰值的過程，而線性衰減模擬則是污染物濃度從開始增長至達到峰值再到衰減為零的過程。

井下火災燃燒的最長時間為2500s，為了使實驗數(shù)據(jù)更合理，模擬時間適當延長，取3600s。

他常常一坐就是許久，混沌的眼珠望著庭中空蕩蕩的一方似在想著什么，是想這原來的花呢，還是栽花的人？我總是在心里問著，為什么把花搬走了呢，看著那空蕩蕩的一塊總覺得心里硌得慌。人來人往，沒有誰停下看他一眼，人來人往，他也不曾看誰一眼，原來，沉默不是冷漠。

②污染源濃度設置

煤炭燃燒后產(chǎn)生的大量有害污染氣體中CO是濃度最高且危害性最大的一種，因此設置實驗模擬污染源處CO濃度為500g/m3、1000g/m3、1500g/m3。由于模擬結(jié)果僅CO氣體濃度有差異，因此本文僅以CO濃度1000g/m3做深入研究。

3.模擬結(jié)果

經(jīng)過Ventsim軟件的污染物模擬，得到了污染氣流的擴散數(shù)據(jù)，對火災發(fā)生地點至總回風CO濃度數(shù)據(jù)進行分析。

(1)穩(wěn)態(tài)模擬下CO濃度分析

穩(wěn)態(tài)下模擬如圖3所示，當30503采煤工作面發(fā)生火災時，污染氣體擴散沿進風方向至總回風濃度逐漸降低，產(chǎn)生的大量污染氣體CO首先通過30503回風順槽回風上山進入1045水平回風大巷。在1075水平回風大巷與1045水平回風大巷聯(lián)絡巷處CO氣體分流，同時進入南北回風巷。由于工作面處火災產(chǎn)生的污染氣體壓強大于進風氣體壓強，導致污染源處（火災發(fā)生點）氣體出現(xiàn)短時逆流。

圖3 穩(wěn)態(tài)模擬CO氣體擴散示意圖

污染源CO濃度設置1000g/m3時，因為氣體隨風流流動，因此只需考慮火災污染源回風各巷道CO濃度，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 火災污染源回風巷道CO數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1可知，火災發(fā)生后回風順槽CO濃度最高，1000g/m3，危險性最大。

(2)線性衰減模擬下CO濃度分析

線性衰減模擬下，當30503采煤工作面發(fā)生火災時，污染氣體擴散沿進風方向至總回風濃度逐漸降低，產(chǎn)生的大量污染氣體CO首先通過30503回風順槽回風上山進入1045水平回風大巷。在1075水平回風大巷與1045水平回風大巷聯(lián)絡巷處CO氣體分流，同時進入南北回風巷。由于工作面處火災產(chǎn)生的污染氣體壓強大于進風氣體壓強，導致污染源處（火災發(fā)生點）氣體出現(xiàn)短時逆流。

①線性衰減動態(tài)模擬下30503綜采工作面回風順槽CO氣體濃度變化如圖4所示。

從圖4可以看出，當30503綜采工作面發(fā)生火災時，回風順槽CO氣體濃度增長與時間成一定的線性關(guān)系，且氣體擴散較快?；仫L順槽CO氣體濃度變化情況如下：在0～150s達到峰值（設定值1000g/m3），即984g/m3；隨后線性衰減，直到3720s時衰減為0。

圖4 30503綜采工作面回風順槽CO氣體濃度變化圖

②線性衰減動態(tài)模擬下30503綜采工作面回風順槽聯(lián)巷CO氣體濃度變化如圖5所示。

圖5 30503綜采工作面回風順槽聯(lián)巷CO氣體濃度變化圖

從圖5可以看出，當30503綜采工作面發(fā)生火災時，回風順槽聯(lián)巷CO氣體濃度增長與時間成一定的線性關(guān)系，且氣體擴散較快?；仫L順槽聯(lián)巷CO氣體濃度變化情況如下：在0～200s達到峰值（設定值1000g/m3），即862g/m3；隨后線性衰減，直到3742s時衰減為0。

③線性衰減動態(tài)模擬下總回風巷CO氣體濃度擴散變化如圖6所示。

圖6 總回風巷CO氣體濃度變化圖

從圖6可以看出，當30503綜采工作面發(fā)生火災時，總回風巷CO氣體濃度增長與時間成一定的線性關(guān)系，且氣體擴散較快。CO氣體濃度變化情況如下：在 0～300s時，CO氣體尚未到擴散到此處，因此濃度為0，在300～500s時急劇上升達到峰值（設定值1000g/m3），即411g/m3；隨后線性衰減，直到4032s時衰減為0。

4.結(jié)論

（1）隨著30503采煤工作面火災進入熄滅階段，污染氣體擴散沿進風方向至總回風濃度逐漸降低，產(chǎn)生的大量污染氣體CO首先通過30503回風順槽回風上山進入1045水平回風大巷。在1075水平回風大巷與1045水平回風大巷聯(lián)絡巷處CO氣體分流，同時進入南北回風巷，最終匯入總回風巷。

（2）用風地點的CO濃度與火災危險性遠遠大于回風地點和進風地點。

（3）從CO氣體擴散模擬結(jié)果來看，一旦在采煤工作面發(fā)生風流火災，在火源上風側(cè)，由于火風壓和機械風壓相反，工作面處火災產(chǎn)生的污染氣體壓強大于進風氣體壓強，導致污染源處（火災發(fā)生點）氣體出現(xiàn)短時逆流，逆流的煙氣到達工作面的進口處，繼而進入采區(qū)進風巷。

（4）火災應急措施：采煤工作面及其回風巷發(fā)生火災后，首先立刻向調(diào)度室進行匯報，同時若火勢較小，周圍工作人員應立即利用滅火器材進行滅火。若當發(fā)現(xiàn)火情已經(jīng)較大或者已經(jīng)無法控制時，需要由班組長或者有經(jīng)驗的工作人員立即組織撤離。撤離及滅火過程須預防一氧化碳中毒。當人員撤離必須過火災煙流時，應戴自救器在救護人員帶領(lǐng)下迅速穿過。若無自救器，應用濕毛巾堵住嘴鼻彎腰匍匐迅速穿過，并力求一氧化碳溶于水，減少對人體的傷害。