礦井復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用

裴曉東 ，郝海清 ，王 凱 ，蔣曙光 ，孫 勇 ，陳佳輝 ，吳征艷 ，蔣合國 ，邵 昊

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室, 遼寧 撫順 113122；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 江蘇 徐州221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；4.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657000）

0 引 言

井巷火災(zāi)因其突發(fā)性強、破壞性大、耦合性高、難預(yù)測、易誘發(fā)重大復(fù)合災(zāi)害等特點，極大地增加了災(zāi)變預(yù)防和應(yīng)急救援的難度。尤其是礦井主要進風(fēng)巷發(fā)生火災(zāi)，若防控不當(dāng)，高溫有毒煙流會迅速順風(fēng)蔓延至井下人員集中區(qū)域，由于井下巷道環(huán)境獨特、空間狹小、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，易促使火災(zāi)、瓦斯爆炸相互轉(zhuǎn)化，誘發(fā)次生災(zāi)害，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失[1-2]。因此，礦井應(yīng)預(yù)先建立火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)，發(fā)生火災(zāi)時，可以快速有效地控風(fēng)、排煙、撤人以避免重大災(zāi)害發(fā)生[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對火災(zāi)時期巷道內(nèi)環(huán)境特征的時空演化規(guī)律和風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控機理進行了大量研究。在火災(zāi)時期巷道環(huán)境特征的時空演化規(guī)律方面文獻[4-8]利用弗勞德數(shù)模型推導(dǎo)了傾斜井巷的火災(zāi)煙流演化公式，建立了防止煙流逆退的臨界風(fēng)速計算模型，并通過實驗加以驗證。文虎等[9]、程衛(wèi)民等[10]、王凱等[11-12]、李祥春等[13]、季經(jīng)緯等[14]、張圣柱等[15]、吳兵等[16]等通過數(shù)值模擬分析了井巷火災(zāi)災(zāi)變時期的溫度、煙氣濃度、瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，并提出合理控制排煙風(fēng)速能夠有效防止繼發(fā)性災(zāi)害的發(fā)生。但對于火災(zāi)期間復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的全風(fēng)網(wǎng)煙流演化規(guī)律方面研究較少。在風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控理論方面，MCGRATTAN K B等[17]介紹了煤礦火災(zāi)探測傳感器和基于火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)的風(fēng)流遠程控制系統(tǒng)。PERERA I E 等[18]研制的礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r模擬通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)。LITTON C D 等[19]介紹了一種通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)時空控制導(dǎo)航系統(tǒng)，用以模擬礦井災(zāi)變期間的疏散路線。陳曉晶[20]和蔣曙光等[21-22]研發(fā)了運輸巷火災(zāi)煙流遠程應(yīng)急救援系統(tǒng)并在龍東礦應(yīng)用，演習(xí)實現(xiàn)了礦井火災(zāi)煙流控制。周剛等[23]研發(fā)了運輸巷火災(zāi)災(zāi)變預(yù)警與控制系統(tǒng)，并在孔莊煤礦應(yīng)用，演習(xí)實現(xiàn)了運輸巷火災(zāi)控制和人員快速避災(zāi)?，F(xiàn)有研究多集中在火災(zāi)煙流場范圍內(nèi)，缺乏對復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)全風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)煙流蔓延規(guī)律和應(yīng)急聯(lián)動調(diào)控方案的研究，使得火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急聯(lián)動調(diào)控系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用的安全性、適用性等方面較弱。

基于此，筆者以前人研究為基礎(chǔ)，進一步研究了井巷火災(zāi)多個物理場的時空演化規(guī)律，提出一種在滿足排煙風(fēng)量基礎(chǔ)上，最大化保障采區(qū)供風(fēng)量的最優(yōu)火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案，在鄂爾多斯轉(zhuǎn)龍灣煤礦建立了井巷火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)，基于Ventsim 軟件對應(yīng)急調(diào)控方案前后的三維可視化煙流蔓延規(guī)律模擬分析。結(jié)果表明此方案能夠滿足礦井災(zāi)變時期的控風(fēng)排煙和應(yīng)急撤人需求。

1 井巷火災(zāi)風(fēng)煙流演化規(guī)律

井巷火災(zāi)發(fā)生發(fā)展是風(fēng)流場、溫度場、煙流濃度場等多物理場耦合過程，其災(zāi)變期間風(fēng)流擾動、熱量傳遞、煙流擴散等規(guī)律受到多個因素的相互作用，因此，對災(zāi)變時期巷道內(nèi)環(huán)境特征進行準(zhǔn)確表征是制定火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案的重要依據(jù)。

1.1 災(zāi)變煙流動力場

在井巷火災(zāi)中，火源點上方的高溫?zé)熈饔捎诟×π?yīng)會產(chǎn)生軸對稱羽流撞擊頂板，形成頂板射流。當(dāng)火源點在水平巷道中時，煙囪效應(yīng)可忽略不計，煙流主要驅(qū)動力為由于高溫?zé)熈髋c井巷風(fēng)流的密度差產(chǎn)生的靜壓PS和通風(fēng)動壓PV，如圖1a 所示。若要將煙流排至下風(fēng)側(cè)時，通風(fēng)動壓PV必須大于等于靜壓PS。即

圖1 井巷火災(zāi)風(fēng)煙流演化驅(qū)動力分析Fig.1 Analysis on driving force of evolution of air and smoke flow in tunnel fire

式中：V為風(fēng)流速度，m/s；h為煙層厚度，m；g為重力加速度，m/s2；Δρ為煙流與環(huán)境的密度差，kg/m3；ρ0為風(fēng)流密度，kg/m3。

火災(zāi)煙流厚度的計算公式[6]為

式中：Qc為對流熱釋放速率，一般取0.7Q(Q為火災(zāi)熱釋放速率)，kW；D為巷道的當(dāng)量直徑，m；(D=4S/U)；S為巷道斷面積，m2；U為巷道斷面周長，m；x為煙流蔓延距離，m。

當(dāng)通風(fēng)動壓PV等于靜壓PS時，此時風(fēng)流速度為水平巷道中防止煙流逆退的臨界風(fēng)速Vc，由文獻[4]可知：

式中：γ和ε為常數(shù)，當(dāng)Q*2/3/Fr1/3＜1.35，γ=1.77，ε=1.2；當(dāng)Q*2/3/Fr1/3≥1.35，γ=2.54，ε=0。Q*為無量綱熱釋放速率；Fr為弗勞德數(shù)。進一步可將無量綱處理[4]為

式中：H為巷道的特征高度，m；t為特征時間變量，s。

在傾斜巷道中，因其井巷頂板為傾斜面，煙流可隨巷道頂板蔓延向上，煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的煙流浮力較大。當(dāng)下行通風(fēng)時，如圖1b 所示，煙流驅(qū)動力包括通風(fēng)動壓PV、由于高溫?zé)熈髋c井巷風(fēng)流的密度差產(chǎn)生的靜壓PS和煙囪效應(yīng)的浮力ΔPF。若要防止煙流逆退，必須保證通風(fēng)動壓大于等于煙囪效應(yīng)的浮力和靜壓，即：

式中：T0為環(huán)境溫度，℃；ΔT為煙流與環(huán)境的溫度差，℃；d為煙流逆退距離，m；θ為巷道傾斜角度，（°）。

前人通過大量試驗可得，火源點位于傾斜巷道中時，其無量綱臨界排煙風(fēng)速Vc*(θ)與水平巷道中的無量綱臨界排煙風(fēng)速Vc*(0)和巷道的傾斜角度θ，有如下關(guān)系[4]：

1.2 災(zāi)變煙流溫度場

井巷火災(zāi)中煙流溫度除了為煙流運移提供驅(qū)動力外，還可能對救援人員造成燒傷危險，因此在井巷火災(zāi)救援過程中也會考慮火災(zāi)發(fā)展過程中的煙流最高溫度及其分布。在水平巷道中，煙流溫度在井巷頂板附近水平軸對稱分布。如果存在通風(fēng)動力，當(dāng)巷道風(fēng)速小于臨界風(fēng)速時，高溫?zé)熈鱾鞑ゾ嚯x隨著時間的增加而增大，隨著供風(fēng)風(fēng)速的增加而減少。當(dāng)巷道風(fēng)速大于等于臨界排煙風(fēng)速時，高溫?zé)熈鞑辉傧蛏巷L(fēng)側(cè)傳播，最高溫度分布于下風(fēng)側(cè)。隨著風(fēng)速的增加，下風(fēng)側(cè)的風(fēng)流溫度出現(xiàn)明顯分層。水平巷道中，煙流最高溫度計算公式[4]為

式中：ΔTmax為煙流最高溫度，℃；

文獻[4]中推導(dǎo)了井巷火災(zāi)頂板射流溫度分布方程：

式中：k為溫度衰減系數(shù)；x0為煙流所處位置，m；xr為火源點所處位置，m；

因此，對于水平巷道，逆退距離d=x0-xr，故結(jié)合式(6)和式(7)煙流溫度分布計算公式可寫為：

在傾斜巷道中，火災(zāi)煙流最高溫度更易分布于上風(fēng)側(cè)，嚴重威脅救援人員安全。在煙囪效應(yīng)浮力作用下，巷道中溫度分布需要考慮巷道坡度的影響，對傾斜巷道中最高溫度模型[6]重新定義為

同時引入傾斜巷道坡度的修正系數(shù)K，對于坡度為β的傾斜巷道頂板射流溫度分布計算公式[6]為

結(jié)合式(11)和式(12)，傾斜巷道中煙流溫度分布計算公式[6]可寫為

1.3 災(zāi)變煙氣濃度場

井巷火災(zāi)煙流在蔓延過程中，煙流會隨著風(fēng)流蔓延至下風(fēng)側(cè)的巷道，巷道的煙氣濃度受風(fēng)速、火災(zāi)強度、煙氣輻射換熱、煙氣組分等多因素影響。但煙氣濃度場基本與溫度場和風(fēng)流場趨勢一致。由于高溫浮力作用，縱向高濃度煙氣分布于頂板附近，在風(fēng)流作用下，形成分層現(xiàn)象。橫向高濃度煙氣分布與通風(fēng)風(fēng)速有關(guān)。風(fēng)速低于臨界風(fēng)速時，煙流逆退至火源點上風(fēng)側(cè)，高濃度的煙氣在浮力作用和通風(fēng)作用下進行分層，并沿著巷道頂部蔓延。

井巷火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中，除了有毒煙氣和高溫?zé)熈魍?，井巷環(huán)境的能見度也是影響安全疏散和滅火救援過程的重要因素。井巷火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中，其能見度的估算公式[14]為

式中：KKonst為消光系數(shù)，視為常數(shù)；Dm為煙氣的平均質(zhì)量光學(xué)密度，B·m2/g；VG為巷道體積，m3；Hu為可燃物低熱值，kJ/g；L為對流熱釋放速率，kW。

2 火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案

井巷火災(zāi)發(fā)生后，最佳調(diào)控方案應(yīng)在滿足排煙路徑最低風(fēng)量要求，快速將高溫?zé)熈饕宰疃搪窂脚懦龅孛娴耐瑫r，保證非污染區(qū)的采場最低風(fēng)排瓦斯的需風(fēng)要求。

井巷火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案如圖2 所示，預(yù)先在主/采區(qū)運輸巷與回風(fēng)巷之間的前、中、后部聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置常閉防火調(diào)節(jié)門TF1、TF2、TF3，在主/采區(qū)運輸巷與軌道巷之間的前、中、后部聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置常開防火調(diào)節(jié)門FM1、FM2、FM3、FM4、FM5、FM6、FM7、FM8。礦井未發(fā)生火災(zāi)正常通風(fēng)時期，如圖2a所示，風(fēng)流分別通過礦井主/采區(qū)運輸巷和軌道巷為采區(qū)提供新鮮風(fēng)流，經(jīng)采區(qū)用風(fēng)區(qū)后，將污風(fēng)通過回風(fēng)巷排出地面。若主/采區(qū)運輸巷前部發(fā)生火災(zāi)，預(yù)先建立的風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)啟動，風(fēng)煙流調(diào)控路線如圖2b 所示，關(guān)閉火災(zāi)巷道下風(fēng)側(cè)的防火門FM2和FM7，隔離煙流。同時調(diào)節(jié)火源點下風(fēng)側(cè)最近的風(fēng)門TF1，使得排煙路徑風(fēng)量大于最小排煙風(fēng)量，將煙流以最短路徑排至回風(fēng)巷，同時保證部分新鮮風(fēng)流經(jīng)火源點上風(fēng)側(cè)的聯(lián)絡(luò)巷繞過煙流污染區(qū)域繼續(xù)向采區(qū)供風(fēng)。同理，若主/采區(qū)運輸巷中部發(fā)生火災(zāi)，風(fēng)煙流調(diào)控路線如圖2c 所示，若主/采區(qū)運輸巷后部發(fā)生火災(zāi)，風(fēng)煙流調(diào)控路線如圖2d 所示。若運輸巷和回風(fēng)巷距離較遠，可根據(jù)具體情況自主構(gòu)建排煙通道，利用該文原理進行應(yīng)急控風(fēng)排煙。

圖2 采區(qū)火災(zāi)遠程救災(zāi)元配置原理Fig.2 Schematic of remote disaster relief unit configuration in mining area

3 火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 礦井概況及火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)建

鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)。礦井始建于2015 年5 月，2016 年11 月聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，其設(shè)計生產(chǎn)能力500 萬t/a，核定生產(chǎn)能力1 000 萬t/a。礦井開拓方式為斜井開拓，開采方式為走向長壁后退式。主斜井和副斜井主要用于提升和進風(fēng)，東風(fēng)井和西風(fēng)井專用于回風(fēng)。礦井采用兩翼對角抽出式通風(fēng)，主斜井和副斜井進風(fēng)，東風(fēng)井和西風(fēng)井回風(fēng)。西風(fēng)井地面安設(shè)兩臺主通風(fēng)機，型號均為FBCDZ-NO.34/2×630 軸流式通風(fēng)機，配用電機為2×630 kW，額定轉(zhuǎn)速為596 r/min。東風(fēng)井地面安設(shè)2 臺主通風(fēng)機，型號均為FBCDZ-NO.24/2×200 軸流式通風(fēng)機，配用電機為2×200 kW，額定轉(zhuǎn)速為742 r/min。

隨著礦井采深的加大和生產(chǎn)能力的提高，帶式輸送機正朝著大型化和高速化的方向發(fā)展。在礦井帶式輸送機得到廣泛應(yīng)用的同時，帶式輸送機運輸系統(tǒng)的火災(zāi)隱患隨之增大，時刻威脅著礦井安全生產(chǎn)。因此，結(jié)合轉(zhuǎn)龍灣煤礦生產(chǎn)實際，建立了轉(zhuǎn)龍灣煤礦災(zāi)變風(fēng)煙流智能調(diào)控系統(tǒng)。

災(zāi)變風(fēng)煙流調(diào)控設(shè)施設(shè)計了風(fēng)門+風(fēng)窗的方式，如圖3 所示，安裝于圖2 原理圖所示的防火調(diào)節(jié)門位置，上部風(fēng)窗用于風(fēng)煙流的連續(xù)調(diào)節(jié)，下部風(fēng)門災(zāi)變狀態(tài)下用于煙氣隔離和排煙。常態(tài)下用于過車行人，風(fēng)門采用壓氣作為動力，使用氣缸推拉主動門，通過鋼絲繩實現(xiàn)聯(lián)動，四周門框設(shè)計了可調(diào)滑軌有效克服巷道變形，保障風(fēng)門處于可靠運行狀態(tài)。風(fēng)窗通過動力氣缸和定位氣缸實現(xiàn)運移空間的精確調(diào)控，從而實現(xiàn)分支風(fēng)量的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)門進入救災(zāi)模式時，控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令驅(qū)動電磁閥使閉鎖三角塊推出，隨后發(fā)出控制命令將兩扇風(fēng)門同時打開。當(dāng)閉鎖三角塊被推出后，閉鎖三角塊由2 根恢復(fù)閉鎖限位彈簧牽引使其被推出后不會旋轉(zhuǎn)，以便救災(zāi)結(jié)束后恢復(fù)機械閉鎖。當(dāng)救災(zāi)模式結(jié)束后，先將2 道風(fēng)門關(guān)閉，隨后由控制系統(tǒng)命令恢復(fù)機械閉鎖。

圖3 礦井通風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門實物及原理Fig.3 Physical and schematic of mine ventilation regulating damper

井下通風(fēng)監(jiān)控分站如圖4 所示，實現(xiàn)對通風(fēng)設(shè)施和區(qū)域環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和控制，內(nèi)置PLC 控制器、采樣模塊、通信模塊、本安電路、切換電路、備用電源等器件。實現(xiàn)風(fēng)門、風(fēng)窗的開關(guān)狀態(tài)、周圍環(huán)境的監(jiān)測分析，地面遠程監(jiān)控中心通信、分站間通信、遠程指令的執(zhí)行、風(fēng)門與風(fēng)窗的開關(guān)調(diào)節(jié)等功能。備用電源在常態(tài)下進行充電，一旦外部電源斷開，切換電路自動切換至備用電源供電，滿足井下通風(fēng)監(jiān)控分站能夠保持自動和遠程控制等功能。

圖4 礦用隔爆兼本安型風(fēng)門控制分站實物Fig.4 Physical of mine flameproof and intrinsic safety damper control substation

轉(zhuǎn)龍灣煤礦火災(zāi)煙流應(yīng)急調(diào)控界面如圖5 所示，通過監(jiān)測井下主運輸巷安裝布置的一氧化碳、煙霧、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、差壓等共57 個傳感器實時數(shù)據(jù)，計算顯示包括主斜井段、233 采區(qū)運輸大巷段、西部運輸大巷段等8 個主要運輸巷區(qū)段的阻力分布及通風(fēng)參數(shù)，具有運輸巷異常狀態(tài)診斷預(yù)警功能，在主要運輸巷發(fā)生火災(zāi)后，可迅速明確火災(zāi)影響的范圍，執(zhí)行應(yīng)急聯(lián)動調(diào)控隔離排煙方案，減小火災(zāi)影響范圍。

圖5 轉(zhuǎn)龍灣煤礦火災(zāi)煙流應(yīng)急調(diào)控界面Fig.5 Emergency control interface of fire smoke flow in Zhuanlongwan Coal Mine

系統(tǒng)通過井下分布式區(qū)域聯(lián)動監(jiān)控子系統(tǒng)實時監(jiān)測擬定區(qū)域的通風(fēng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)設(shè)施狀態(tài)，通過工業(yè)以太網(wǎng)通信子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給地面遠程監(jiān)控中心；當(dāng)分布式監(jiān)控分站監(jiān)測到井下風(fēng)煙流信息或其他災(zāi)害信息時，迅速將相關(guān)信息傳輸至地面遠程監(jiān)控中心，并發(fā)出報警；同時根據(jù)以太網(wǎng)通信研判各分布式分站的狀態(tài)，為應(yīng)急指令的發(fā)布和聯(lián)動調(diào)控做好準(zhǔn)備。地面遠程監(jiān)控中心對井下異常分支的通風(fēng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析與深度挖掘，將關(guān)鍵信息輸入決策平臺，自動生成火災(zāi)風(fēng)煙流綜合性區(qū)域聯(lián)動調(diào)控方案；遠程終端顯示綜合性決策方案具體內(nèi)容，并提供一鍵式遠程區(qū)域聯(lián)動調(diào)控服務(wù)。地面遠程監(jiān)控中心下達應(yīng)急決策命令后，風(fēng)煙流聯(lián)動調(diào)節(jié)裝置執(zhí)行動作，并實時反饋井下火災(zāi)風(fēng)煙流受控后的通風(fēng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和通風(fēng)設(shè)施狀態(tài)。地面遠程監(jiān)控中心根據(jù)關(guān)鍵分支需風(fēng)量要求，對災(zāi)變區(qū)域風(fēng)煙流進行連續(xù)調(diào)控，以達到最佳風(fēng)煙流控制效果；通過監(jiān)測災(zāi)區(qū)風(fēng)煙流及相關(guān)設(shè)施狀態(tài)，實現(xiàn)井下火災(zāi)風(fēng)煙流區(qū)域聯(lián)動調(diào)控的可視化。

3.2 轉(zhuǎn)龍灣煤礦火災(zāi)風(fēng)煙流演化分析

為了對鄂爾多斯轉(zhuǎn)龍灣煤礦的不同地點的火災(zāi)風(fēng)煙流的演化規(guī)律進行分析，利用Ventism 軟件建立了轉(zhuǎn)龍灣煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化模型，如圖6 所示。依據(jù)礦井最新的通風(fēng)阻力報告、主通風(fēng)機性能測定報告、通風(fēng)系統(tǒng)圖等資料，結(jié)合礦井實際情況設(shè)置巷道參數(shù)、配置風(fēng)機及通風(fēng)設(shè)施，使其風(fēng)量分配仿真滿足誤差要求。

圖6 轉(zhuǎn)龍灣煤礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化模型Fig.6 Three dimensional visualization model of complex ventilation system in Zhuanlongwan Coal Mine

根據(jù)礦井的實際情況，分別制定了5 種火災(zāi)場景的控風(fēng)排煙方案。利用VentFire 模塊分別模擬主斜井帶式輸送機機尾、一水平運輸大巷帶式輸送機機頭、一水平運輸大巷帶式輸送機機尾、西部運輸大巷帶式輸送機機頭、西部運輸大巷帶式輸送機機尾5 種火災(zāi)場景，分析其災(zāi)變期間的煙流演化規(guī)律。為了降低火災(zāi)模擬的復(fù)雜性，對火源場景進行如下簡化：火災(zāi)風(fēng)煙流流動過程中視為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；假設(shè)煙氣流動過程中與巷道巖壁不發(fā)生熱交換；巷道風(fēng)煙流視為不可壓縮流體，流體黏性忽略不計；巷道風(fēng)流為穩(wěn)態(tài)湍流，并在巷道中均勻分布；巷道中無雜物堆積；排煙路徑斷面均小于20 m2。火源模擬參數(shù)設(shè)置見表1，由于火災(zāi)場景均設(shè)置在運輸巷中，故設(shè)置火災(zāi)燃料為50%PVC 橡膠+10%木材+40%高熱值煤，火源燃燒時間為6 000 s。

根據(jù)火源位置不同，模擬了5 種不同火源場景的風(fēng)煙流演化規(guī)律。由圖7 可知，由于巷道風(fēng)流作用，火源位置不同，其煙流污染范圍也不同。若不發(fā)生煙流逆退，火災(zāi)煙流污染范圍為火源點下風(fēng)側(cè)的所有巷道。若火源點處發(fā)生煙流逆退，逆退距離與火災(zāi)熱釋放速率、巷道斷面參數(shù)、巷道風(fēng)速、煙流溫度、巷道傾角有關(guān)。隨著煙流逆退距離的增加，煙流溫度降低。當(dāng)煙流密度差引起的靜壓和浮力效應(yīng)等于通風(fēng)動壓時，煙流停止逆退，此時煙流污染范圍為不發(fā)生煙流逆退位置的下風(fēng)側(cè)所有巷道。隨著火源點向采區(qū)深部移動，煙流污染范圍逐漸減小。此外，火災(zāi)煙流蔓延速度與巷道風(fēng)量分配有關(guān)，風(fēng)量越大的巷道，煙流蔓延速率越快，有毒煙流更容易到達。煙流溫度和濃度也隨著蔓延距離逐漸減小。主斜井帶式輸送機機尾火災(zāi)發(fā)生后，由于巷道風(fēng)量較大，煙流不發(fā)生逆退，煙流隨著風(fēng)流作用迅速蔓延至一水平運輸大巷、輔運大巷、西部運輸大巷、西部輔運大巷，之后逐漸蔓延至工作面采場區(qū)域。其煙流污染范圍最大，幾乎蔓延至井下所有巷道，如圖7a 所示。同理，一水平運輸大巷帶式輸送機機頭、一水平運輸大巷帶式輸送機機尾、西部運輸大巷帶式輸送機機頭、西部運輸大巷帶式輸送機機尾煙流污染范圍和蔓延速率與主斜井帶式輸送機尾火災(zāi)相同，如圖7b～e 所示。由于運輸巷一般在主/采區(qū)進風(fēng)流中，若運輸巷發(fā)生火災(zāi)，其煙流必經(jīng)過采場人員集中區(qū)域，如果對煙流不進行應(yīng)急調(diào)控，可能導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。

3.3 火災(zāi)煙流應(yīng)急調(diào)控方案效果分析

為了進一步對鄂爾多斯轉(zhuǎn)龍灣煤礦的火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)的控風(fēng)排煙效果進行評估分析，當(dāng)主斜井帶式輸送機機尾發(fā)生火災(zāi)時，啟動風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)，關(guān)閉主斜井井底防火門隔離煙流，同時根據(jù)式(3)和式(7)，計算最小排煙風(fēng)量，調(diào)節(jié)與回風(fēng)巷道之間聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)門，使其風(fēng)量滿足要求。新鮮風(fēng)流可全部從副斜井進入，經(jīng)井底聯(lián)絡(luò)巷分別通過一水平運輸大巷、一水平輔運大巷、第二輔運大巷為各采場供風(fēng)，風(fēng)流路徑如圖8a 標(biāo)紅巷道所示，采取控風(fēng)排煙方案時的關(guān)鍵巷道風(fēng)量分配見表2，其排煙路徑風(fēng)量達到2 020 m3/min，井下其他各關(guān)鍵巷道風(fēng)量均超過正常通風(fēng)時期風(fēng)量的90%，風(fēng)量變化較??；當(dāng)一水平運輸大巷帶式輸送機機頭發(fā)生火災(zāi)時，及時關(guān)閉火源下風(fēng)側(cè)防火門隔離煙流，調(diào)節(jié)與回風(fēng)巷之間聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門開度滿足排煙需求，新鮮風(fēng)流通過火源上風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)巷進入一水平輔運大巷，再通過排煙路徑下風(fēng)側(cè)防火門之后的聯(lián)絡(luò)巷流回一水平運輸大巷，實現(xiàn)新鮮風(fēng)流繞過排煙路徑向采區(qū)供風(fēng)，如圖8b 標(biāo)紅巷道所示，采取煙流調(diào)控方案時關(guān)鍵巷道的風(fēng)量分配情況見表2，排煙風(fēng)量為2 237 m3/min；同理，當(dāng)一水平運輸大巷帶式輸送機機尾、西部運輸大巷帶式輸送機機頭和機尾的控風(fēng)排煙方案和煙流調(diào)控效果如圖8c、圖8d、圖8e 所示，標(biāo)紅巷道為火源點附近繞過煙流污染區(qū)域的風(fēng)流路線，各火災(zāi)場景采取煙流應(yīng)急調(diào)控措施時，排煙風(fēng)量分別為2 576 、2 279、1 782 m3/min，其他巷道風(fēng)量均超過正常通風(fēng)時期風(fēng)量的90%。因此，通過模擬表明，轉(zhuǎn)龍灣煤礦火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)，在滿足排煙風(fēng)量的基礎(chǔ)上，可保障災(zāi)變時期井下各用風(fēng)地點的風(fēng)排瓦斯風(fēng)量和其他用風(fēng)需求。

表2 不同火災(zāi)場景采取煙流調(diào)控過程中關(guān)鍵巷道的風(fēng)量分配Table 2 Air volume distribution table of key roadways in the process of smoke flow regulation in different fire scenariosm3/min

圖8 5 種不同火源位置風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控措施及效果模擬結(jié)果Fig.8 Emergency control measures and effect simulation results of wind and smoke flow at five different fire sources

4 結(jié) 論

1)分析了井巷火災(zāi)的風(fēng)流場、溫度場、煙氣濃度場的特征參數(shù)，表征了災(zāi)變期間的風(fēng)流擾動、熱量傳遞、煙流擴散等規(guī)律，為風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案的制定提供依據(jù)。

2)結(jié)合典型采場風(fēng)流網(wǎng)絡(luò)模型，針對不同火源場景提出了最短排煙路徑和最優(yōu)風(fēng)量分配的控風(fēng)排煙方案，在滿足排煙風(fēng)量的同時，最大限度保障采場風(fēng)量，滿足人員逃生和風(fēng)排瓦斯需風(fēng)要求。

3)在轉(zhuǎn)龍灣煤礦建立了火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控系統(tǒng)，當(dāng)運輸大巷不同地點監(jiān)測到發(fā)生火災(zāi)后，實現(xiàn)一鍵式應(yīng)急聯(lián)動調(diào)控，利用Ventsim 軟件模擬了調(diào)控方案實施前后的全風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)流分配和排煙效果，結(jié)果表明轉(zhuǎn)龍灣煤礦火災(zāi)煙流應(yīng)急調(diào)控方案能夠?qū)崿F(xiàn)有效控風(fēng)、排煙的同時保障采場風(fēng)量仍為正常通風(fēng)時期的90%以上。