不同通风方式对烟气蔓延的影响数值模拟_薛彦平.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 不同通风方式对烟气蔓延的影响数值模拟 薛彦平 1， 2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110016； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了研究不同通风方式对巷道温度分布、 CO 浓度以及烟气蔓延的影响， 基于 Pyrosim 火 灾模拟软件， 研究了 Z 型、 U 型、 Y 型通风方式对烟气蔓延的影响， 以及 Y 型方式进风巷风速差 对烟气逆流距离以及温度的影响。结果表明 不同类型通风方式的下游巷道温度大小依次为 U 型＞ Z 型＞ Y 型； Z、 U 型通风方式在距离火源点 55 m 后 CO 浓度降低 5.26 /dm，而 Y 型通风 CO 浓度在距离巷道交叉点的 20 m 后逐渐趋于平稳； 在 Y 型通风方式下， 下游进风巷的风速对 上游烟气逆流距离、 温度等具有一定的影响， 且风流速度越大， 涡流消失时间越短。 关键词 通风方式； 矿井火灾； 温度； 烟气蔓延； 数值模拟 中图分类号 TD752.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-0201-05 Numerical Simulation on Influence of Different Ventilation Modes on Smoke Spread XUE Yanping 1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To research the influence of different ventilation modes on the temperature distribution, CO concentration and smoke spread of the roadway, based on the fire simulation software Pyrosim, this paper studies the effects of Z, U, and Y ventilation modes on the smoke spread. Meanwhile, the influence of wind speed difference on flue gas counterflow distance and temperature in Y air inlet is studied. The research results show that the roadway temperature in the downstream area of different ventilation modes is in order U ＞ Z ＞ Y. For Z and U ventilation mode, the CO concentration reduces by 5.26 every 10 meters after 55 m away from the fire source point. The CO concentration of Y ventilation mode gradually stabilizes after 20 m from the intersection of the roadway. Under the Y ventilation mode, the wind speed of the downstream air inlet roadway has a certain effect on the upstream smoke backflow distance and temperature, the larger the wind speed is, the shorter the vortex extinction time is. Key words ventilation mode; mine fire; temperature; smoke spread; numerical simulation 矿井火灾是矿井 5 大灾害之一，火灾不但会造 成机械设备和自然资源等经济损失，而且威胁井下 人员的生命健康甚至诱发煤矿瓦斯、煤尘爆炸等次 生灾害。 孙丽青等[1-4]针对典型 U 型矿井巷道研究了 巷道风速、火源规模及巷道倾向对烟气蔓延规律的 影响。常坦祥[5]针对 Y 型通风工作面采场流场运移 及瓦斯综合抽采治理技术进行研究； 崔铁军[6]针对 U 型通风下采空区发火过程中升温区变化模拟； 杨 卓明[7]研究了 “UL” 型通风方式下不同比值的主副 进风量对采空区流场及瓦斯运移特征的影响。为了 解决工作面上隅角瓦斯积聚问题满足煤矿安全生产 的需要， 工作面通风方式由传统的 U 型通风系统逐 渐发展到 U 型、 Z 型、双 Z 型、 Y 型、 W 型以及 H 型 等多种通风方式并存[8]。由于 Z 型、 Y 型工作面通风 方式采用了沿空留巷技术使得巷道重复利用，不但 具有煤炭开采低成本而且能够降低煤炭资源损失和 减少巷道上下隅角处瓦斯的积聚等优点。 综上所述， 国内外学者针对矿井 U 型巷道以及 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.042 薛彦平.不同通风方式对烟气蔓延的影响数值模拟 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 201-205. XUE Yanping. Numerical Simulation on Influence of Different Ventilation Modes on Smoke Spread ［J］ . Safe－ ty in Coal Mines, 2020, 51 （11） 201-205. 移动扫码阅读 基金项目“十三五”大型油气田及煤层气开发科技重大专项资助 项目 （2016ZX05045-004-001） 201 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 1Y 型通风方式下风速组合类型 Table 1Combination type of wind speed under Y ventilation mode Y 型进风巷风速v1/ （m s-1）v2/ （m s-1） 类型 1 类型 2 类型 3 类型 4 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 单条巷道的火灾烟气蔓延、温度分布等方面做了深 入， 但缺乏 Z 型和 Y 型通风方式下火灾动态演变的 研究。针对 U 型、 Z 型、 Y 型 3 种工作面通风方式对 火灾烟气蔓延进行研究, 不仅可以帮助人员预先准 确掌握矿井巷道动态火灾火势发展、烟气蔓延规律 以及影响范围，而且为管理决策者做出有效的避灾 方案以及准确判断火灾灾情提供依据。 1模型建立 1.1pyrosim 软件 对于矿井火灾研究方法可分为物理模型实验和 数值模拟，随着数值模拟技术的日渐成熟，数值模 拟方法所具有的成本低、可测参数较多和实验过程 危险性低等优势，数值模拟方法逐渐成为研究火灾 的主要方法， 同时也是未来发展的趋势。 以流体动力学为计算依据的火灾烟气蔓延模拟 软件，主流有 Pyrosim、 Fluent 和 Simtec 等数值模拟 软件， 使用 Pyrosim 火灾模拟软件， 该软件是由美国 国家标准与技术研究所 （NIST） 开发的。FDS 是一种 可靠且有效的狭长空间火灾数值模拟软件，该软件 已应用于煤矿火灾以及隧道的烟气蔓延数值模拟 中。包括 DNS （直接数值模拟） 模型和 LES （大涡模 拟） 模型，选取选择广泛用于研究火灾引起的烟气 流动行为的 LES 模型[9-10]。 1.2通风方式模型 煤矿开采设计者以及生产实践者根据煤矿的基 本情况采用 U 型、 Z 型、双 Z 型、 Y 型、 W 型以及 H 型等多种通风方式并存的通风方式。选择的巷道布 置在近水平采区， 所模拟的工作面分为 3 部分， 其中 进风巷长宽高为 200 m5 m5 m；采煤工作面 长宽高为 100 m5 m 4 m；回风巷长宽高为 200 m5 m 4 m。Z 型、 U 型、 Y 型 3 种通风方式物 理模型如图 1。 1.3网格尺寸划分 火灾特征直径 D* 主要受火源热释放速率 Q 影 响， 依据火源特征直径 D* 公式计算[11]得出火源特征 直径为 1.65 m，并结合网络尺寸 0.1 D* 和 0.2 D*， 将工作面火源特征直径设置为 0.2 m0.2 m0.2 m。 为提高模拟效率和缩短模拟运行时长，将进风巷和 回风巷的网格尺寸为 0.4 m0.4 m0.4 m。 1.4模拟场景边界条件设置 为了分析巷道火灾烟气的蔓延规律，在实验模 型中距离底板 2 m 和 3.8 m 处设置温度、 CO 浓度以 及能见度等探测点以及在巷道中心线设置速度、 温 度切片。每隔 10 m 设置温度、 压力以及 CO 浓度测 点， 测量各项参数值。火源布置在工作面中心位置， 火源热释放速率为 4 000 J/s。初始边界条件为 z 轴 重力加速度为-9.81 m/s2， 初始外界条件为 28 ℃， 初 始压力为标准大气压， 进风巷风速设置为 0.5 m/s。 为研究 Y 型通风方式风速类型对巷道温度以 及能见度的影响， 针对 Y 型通风方式设置了 4 种类 型， 风速组合类型见表 1。其中 v1、 v2为 2 条进风巷 的风速。 图 13 种通风方式模型 Fig.1Model of three ventilation modes 202 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 3距离巷道底板 2 m 处， 巷道沿程温度分布图 Fig.3Temperature distribution along the roadway 2 m away from the floor 图 2距离巷道底板 3.8 m 处， 巷道沿程温度分布图 Fig.2Temperature distribution along the tunnel， 3.8 m away from the floor 2数值模拟结果与分析 2.1不同通风方式下巷道内温度分布 在风速为 0.5 m/s，火源点热释放速率为 4 000 J/s 且着火点面积为 1 m2。在距离巷道底板 2 m 和 3.8 m 处设置温度热电偶，测得不同时间内巷道温 度的变化。 不同通风方式在 200 s 和 400 s 时各温度 探测点的温度值如图 2。其中 H3.8 m 代表热电偶 距离巷道底板 3.8 m， H 为热电偶距离巷道底板的 高度。 由图 2 可知， 在 200 s 时， 不同通风方式的火源 点上风侧顶板温度大小依次为 Y 型＞Z 型＞U 型； 而 在火源点下风侧顶板温度大小依次与上风侧相反， 即 U 型＞Z 型＞Y 型。但在 400 s 时，上风侧 U 型＞Z 型＞Y 型； 下风侧 Z 型＞U 型＞Y 型。在工作面与回风 巷交叉处，拐点处的温度和一氧化碳的浓度回有所 增加，主要因为拐点处的风流出现紊流，呈现蓄水 池效应。当时间为 400 s 时， 根据顶板处温度测点可 知， Z、 U、 Y 型通风方式在距离拐点 20、 40、 30 m 处， 巷道温度降低至巷道初始温度。 H2 m 处巷道沿程温度分布图如图 3。由图 3 可知， 当时间为 400 s 时， 在火源点上风侧巷道内 2 m 不同类型通风方式的温度大小依次为 Y 型＜U 型＜Z 型，其中 Y 型与 Z 型工作面温度之间相差范 围为 1.1～2.7 ℃ ；而在火源点下风侧不同类型通风 方式的温度大小依次为U 型＞ Z 型＞ Y 型， 在工作 面内 Y 型与 U 型巷道之间温度相差范围为 2.5～ 25.4 ℃。通过距离底板 2 m 处的温度热电偶所测得 的数据分析可知，从火源点到工作面与回风巷相交 点， 2 m 处温度变化率小于回风巷内温度的变化， 且 温度变化率先降低再随着距离着火点的长度增加而 逐渐增加。 而在 3.8 m 处温度变化率与回风巷相等。 根据火源点上方的热电偶测点，在 400 s 时 U 型火源顶板的温度为 209.4 ℃， 2 m 处的温度为 135.2 ℃； Z 型顶板温度为 208.2 ℃， 2 m 处的温度为 135.4 ℃； Y 型火源点最高温度为 213.5 ℃； 2 处的温 度为 132.7 ℃。因为 Y 型通风方式的下风侧有进风 巷，使得下风侧的压强小于上风侧的压强。致使该 通风方式温度的变化率大于其他 2 种形式，虽然 Y 型通风方式的火源点 3.8 m 处温度最高，但 2 m 处 的温度相对最低， 可以看出 Y 型通风方式不仅有利 于上隅角瓦斯的积聚而且对于巷道内部温度的降低 具有积极的作用， 从矿工热舒适性角度出发， Y 型通 风可降低工作面温度。从矿井人员疏散角度，位于 着火点上游的矿工可沿进风巷进行避难， 而在 Y 型 通风方式中位于下游的矿工疏散距离小于其他 2 种 形式的通风方式。根据距离底板 2 m 处烟气浓度探 测点的结果分析， 3 种巷道类型的烟气蔓延至交汇 点处的时间之间相差 1～3 s，疏散距离越短矿工生 还机会也越高。 2.2不同通风方式下 CO 浓度的分布 依据距离底板 2 m 处的 CO 浓度探测结果， 编 制的巷道沿程 CO 浓度分布图如图 4。随着时间的 推移巷道内 CO 的浓度逐渐积累，进风测的浓度小 于回风侧的浓度。 在火源点上游 Z、 U、 Y 型通风方式 的 CO 浓度分布相似， 但在距离火源点 10 m 后 Y 型 CO 浓度分布于 Z、 U 2 种类型通风方式不同且浓度 低于其他 2 种类型通风方式， Z、 U 型通风方式各点 的 CO 浓度相似。 Z 和 U 型通风方式中从 0～10 m 处 CO 浓度降低至 155.9910-6， 在距离着火点 10～55 m 之间 CO 浓度增加且升高率为 87。 距离火源点 55 m 后 CO 浓度随着与火源中心距离的增加而降低， 203 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 6距离巷道底板 2 m 处， 400 s 时风速对巷道温度影响图 Fig.6Influence diagram of wind speed on roadway temperature when 400 s at 2 m from roadway floor 图 5v10.5 m/s， v20.5 m/s， Y 型通风方式 CO 浓度分布图 Fig.5v1, v20.5 m/s, CO concentration distribution of Y ventilation mode 图 4距离巷道底板 2 m 处， 巷道 CO 浓度分布图 Fig.4Distribution of CO concentration in the roadway 2 m away from the floor 表 2不同风速类型下， 各进风巷中烟气逆流距离 Table 2The distance of flue gas countercurrent in each air inlet roadway under different wind speed types 风速类型上游逆流距离/m下游逆流距离/m 类型 131.855 类型 236.415 类型 338.712 类型 437.010 每 10 m 降低率为 5.26。而 Y 型 CO 浓度在 10 m 之后趋于平稳在接近于交汇点时浓度增加。巷道最 高温在火源下游 5 m 内， 巷道高温区随着与火源中 心距离增加降幅大。 其中， Y 型通风方式在距离巷道 交叉点的 20 m 处 ， CO 浓 度 逐 渐 趋 于 平 稳 ， 为 147.8710-6。 v10.5 m/s， v20.5 m/s， Y 型通风方式 CO 浓度 分布图如图 5。 巷道发生火灾时， 在顶板的阻挡作用 与高温烟气浮力作用下， CO 向前后 2 个相反的方向 流动即是顶棚射流现象，随着距火源距离增加， CO 密度逐渐降低， CO 层厚度也随之增加。在着火点上 游，火源点高温烟气浮力作用对上游 CO 向下游蔓 延产生了阻碍作用，且因顶板下方空气会被漩涡卷 起来形成气体漩涡，使得火源点上游附近的 CO 层 厚度增大。 2.3Y 型通风方式火灾模拟结果 2.3.1烟气蔓延逆流距离 根据人员疏散安全疏散判定指标中能见度烟气 气层高度小于等于 2 m 后，能见度最小为 5 m。通 过巷道内能见度测点的数值，判定不同风速类型下 烟气逆流距离，不同风速类型下各进风巷中烟气逆 流距离见表 2。下游进风巷的风速对上游烟气逆流 距离、 温度等具有一定的影响。下游逆流距离随着风 速的增加逐渐降低； 而上游逆流长度， 随着下游风速 先增后减， 在风速为 1.5 m/s 时最大， 为 38.7 m。 2.3.2巷道温度分布 在工作面内，风速差对火源点附近的巷道温度 分布相反， 距离巷道底板 2 m 处， 400 s 时风速对巷 道温度影响图如图 6。各类型风速组合方式的火源 点上方温度依次为 类型 3＞类型 1＞类型 2＞类型 4， 巷道内温度随着离火源点增加而降低，温度降低率 为 49.46、 47.38 、 54.48、 42.37，其中类型 3 温 度变化率最大。火源点下游巷道温度， 在类型 1、 类 型 2 中距离火源点 40～50 m 之间巷道温度增加， 因 下游进风巷风速的影响该段巷道风速降低，抑制了 工作面的烟气向下风侧蔓延致使温度积累。但在风 速差大于 0.5 时，下游进风巷的压强小于工作面的 压强， 致使类型 3、 类型 4 在距离火源点 50～60 m 段 温度降低。 工作面与回风巷的温度水平段与出口段汇合 处，该处可清楚地看到风流与烟气的混合过程。随 着时间的推移，可观察到温度收到风速影响所产生 204 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 的羽化现象并且逐渐消失，形成温度分层，最终在 巷道壁面处形成高温区。风流速度越大，涡流消失 时间越快。v10.5 m/s， v21 m/s 时， 巷道温度分布变 化图如图 7。 3结论 1） 在火源点上游巷道内 2 m 不同类型通风方式 的温度大小依次为 Y 型＜U 型＜Z 型； 而在火源点下 游不同类型通风方式的温度大小依次为U 型＞Z 型＞Y 型，其中工作面巷道内 Y 型与 U 型之间温度 相差范围为 2.5～25.4 ℃。 2） Z、 U 型通风方式距离火源点 55 m 后 CO 浓 度随着与火源中心距离的增加而降低，每 10 m 降 低率为 5.26， 而 Y 型通风在距离巷道交叉点的 20 m 处， CO 浓度逐渐趋于平稳。 3） 在 Y 型通风方式下， 下游进风巷的风速对上 游烟气逆流距离、温度等具有一定的影响。下游逆 流距离随着风速的增加逐渐降低；而上游逆流长 度， 随着下游风速先增后减， 在风速为 1.5 m/s 时最 大， 为 38.7 m。风流速度越大， 涡流消失时间越快。 参考文献 ［1］ 孙丽青.典型矿井巷道外因火灾烟气运移规律及主要 影响因素研究 ［D］ .太原 太原理工大学， 2018. ［2］ 焦宇， 周心权， 康与涛.矿井平巷木材火灾烟流滚退理 论分析与实验研究 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （12） 2105-2110. ［3］ 索在斌， 吴世跃， 牛煜， 等.坡度对上行通风火灾影响 的数值模拟 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （1） 192-195. ［4］ 郑学召， 回硕， 文虎， 等.矿井火灾孕灾机制及防控技 术研究进展 ［J］ 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