矿井火灾时期风流流动及通风系统变化的动态模拟.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期 年月 中国矿业大学学报 乙 矿井火灾时期风流流动及通 风系统变化的动态模拟 戚宜欣 王省身 中国矿业大学北京研究生部北京中国矿业大学采矿系徐州 。 。 鲍庆国 枣庄矿务局柴里煤矿山东滕县 摘要在前人的研究基拙上 , 建立 了矿 井火灾时期 风流 流动的数学模 型 提出了通 风 系统 动态性的概 念用语言编 制了反映矿 井火灾时期风流 、 烟流流 动及通风 系统结构 变化的动态模拟程序最后 , 给出了计算机运行 实例 关键词矿井火灾 , 动态模拟 中图分类号 矿井火灾是矿井重大灾害之一发生火灾时 , 火烟的热力作用极易造成通风系统风流 紊乱和结构变化 , 单凭主观判断复杂通风系统中风 、 烟流的流动规律往往会发生错误 , 给矿 井带来重大的损失由于受实验条件的限制 , 人们不可能对众 多形式的通风 系统火灾进行 足够的现场或实验室模拟研究因此 , 矿井火灾的计算机模拟就成为一种必然的选择 在前人的研究基础上 , 本文用语言编制了能反映火灾时期风 、 烟流流动及通风系统 结构变化的动态模拟程序 程序设计的墓本理论 动态性的概念 井下发生火灾后 , 由于火这种外源力的加入 , 使得风流参数发生变化 , 从而影 响风流的 流动这种影响会随着火源状态的变化及高温烟流在巷道中的流动而不断变化 , 由此形成 了风 、 烟流流动的动态性此外 , 由于火灾时期火风压作用下的风流逆转 , 或者 由于高温烟 流的破坏作用及救灾时采取的一些控制风 流措施 , 使得矿井通风 系统结构发生了变化这 就是通风系统结构动态性的概念 程序设计的墓本思想 将模拟总时间分成一系列较小的区间 , 假设作用于通风系统上的外源力具有缓慢变化 的特性 , 因而在每一时间区间内 , 可以将风 网内风 流的流动看作是稳态的 , 由此计算该时间 段 内的风流参数然后 , 再以此时刻的参数为基准计算下一时刻 的风流参数 , 直至所设定的 收稿日期 一一 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中国矿业大学学报第卷 模拟时间 墓本数学模型 根据定律可对节点建立风量平衡方程和对回路建立风压平衡方程 , 具体可参 阅文献〔〕 及其它有关文献 火源燃烧计算 为使计算简化 , 将火源燃烧均作为稳态过程处理分三种情况描述火源燃烧特征 实验测得火源燃烧物单位时间内生成带污染物的风流流量 、 污染物浓度及火源散发 的热量 , 则有 污染物量带污染物风流流量污染物浓度 , 散入巷道 的热量火源发热量 已知单位氧气燃烧生成的污染物量 ,及热量 , 则有 污染物量一 一 火源所在巷道起点处氧气浓度风量 , 散入巷道热量 一火源所在巷道起点处氧气浓度 风量 已知火源后方烟流中氧气浓度 , 则有 污染物量一 一火源所在巷道起点处氧气浓度一 风量 , 散入巷道热量一污染物量 , 通过上述简化计算 , 便可以分析一定火源对整个通风系统的影响 , 从而以燃烧的最大可 能进行模拟 传热学计算 火灾发生后 , 随时间的推移 , 在巷道 中流动的高温风流与巷道壁发生热交换 , 且与低温 风流混合 , 逐渐冷却至常温 巷道 内风流温度的变化由于火灾等原因而有外加热量掺入巷道时 , 风温将相应升 高设外加热量为 , 则温度的升高值‘为 ‘ 矶 八 。八 户 , 式中 , 林为风流标准密度 , ‘户 为比热容 , 。 为体积流量 , , 由式即可计算出风流的温度 风流温度的降低高温气体与巷道壁不断进行热交换 , 使得风流温度在流动过程中 不断降低 , 此时风流温度为 一凡 。 一 , ,二宁共若 一 一 万万万 三汗万厂不二二六节 , “ 一 ‘ ’‘ “‘ ““、 一 犷 。 。户二 , 。 一凡 。 。 。户 户 。 」 ’ 式中 , , 为岩石平均温度 , ℃ 为巷道起点风流温度 , ’ 凡为岩石热传导率 , 为巷道长度 , 为巷道周长 ,。 为不稳态导热系数无量纲 。 为巷道水力半径 , 为地温梯度 , ’ 为巷道高度 , 热风压计算 某一 网孔的热风 压 , 可表示为 尸艺 , 一 , , 习 , 几 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期戚宜欣等 矿井火灾时期风流流动及通风系统变化的动态模拟 式中 , 为网孔所含巷道数讯 , 分别为网孔中某一巷道的起点和终点温度 ,,, 厂分 别为网孔中某一巷道的起点和终点标高 某一巷道的热风压可表示为 , 乡 二 , 其中丁为分支绝又寸温度 , 。 为网 孔分支中平均绝又寸温度 ,“ 为分支高度 这时 , 式中的 ‘可用“ , 代替 , 而 , 可看 作是巷道 内每小段的长度加权平均 , 即气 了高温风流的节流作用 一 ‘‘‘ 用来克服巷道阻力的能量损失反 比于巷道风流密度的平方 , 而密度与温度成反比 , 所 以能量损失正 比于温度的平方 , 即有 , 。 ‘, ’ 已 一,‘ , 式中 , 为巷道总长度 , , 为巷道正常时期的风阻州 , 为参考温度 , ℃ 此即为高温风流的节流作用此时 , 巷道的风阻变为 一 ,, , , ’ 程序设计 语言的选择 由于需要进行大量的数学计算 , 因此 , 所选语言应有较强的数学计算功能和较快的计算 速度并且 , 为了体现模拟的动态性 , 程序的运行过程应允许人为干预 , 故所选程序应具有对 输入设备动态扫描的功能此外 , 火灾模拟的结果不仅应能以文字的形式 , 而且还应能用 图 形等形式直观表示出来 , 因此所选语言应具有良好的图形绘制功能综上所述 , 决定采用 语言来编制程序 , 版本为美国公司出品的系列语言 通风系统动态性的处理 火灾对通风系统结构的影响 矿井井下发生火灾后 , 某些巷道由于火 风压的作用发生风流逆转若这些巷道中安 有风门 , 则 这 些风门就会因风流逆转而打 开 , 从而使通风系统结构发生改变这样 , 整 个通风系统风流便会形成另一种流动方式 所以 , 在程序设计过 程中应加入对此 的处 理 , 即首先进行一般性模拟计算 , 然后判断 设有风门的巷 道风 流是否发生逆 转若逆 转 , 则将此巷道风 阻赋予新值 , 重新迭代计 算 若未逆转 , 则进行正常迭代流程图见图 以 〕 为风门关闭 , 〔幻一 为风门打开 风门巷道风阻赋新值 记录 叭丑叹工双二 正正常火灾模拟拟 结结束束 图安风门巷道风流逆转处理框图 救灾措施对通风系统结构的影响 火灾发生后 , 人们往往需要采取一些措施控制火势及风流 的流动 , 这些措施有可能使某 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中国矿业大学学报第卷 些巷道风阻发生变化 , 甚至改变通风 系统的结构因此 , 设计程序时应考虑这种情况 , 利用 语言可对键盘扫描的功能 , 判断人为干涉与否若干涉 , 则对某些巷道风阻重新赋值 , 然后进 行迭代计算 程序运行实例 利用编制的火灾动态模拟程序 , 作者选择了枣庄矿务局柴里煤矿 为模拟对象发火地点 选择在该矿西翼四采区回风下山中段一一图 , 中所示的段 假设火源后方氧气浓度 为 , 设定模拟 总时间为 , 模拟 间隔时间为计算机模拟结果为 图例 图采取人为干预后的烟侵系统图 在不采取救灾措施的情况 下 , 计算机自动判断火灾对通风系统结构的影 响如图 , 火灾初始阶段火势不大 , 因此段的火风 压还 不足以使段 的风流逆转此 时 , 烟 流沿着四采区回风下山流入西 总回而 到时 , 由于段产生的火风 压使段 风流发生逆转 , 这样烟流便沿着此联络巷流入进风 系统随着时间的推移 , 烟流沿着西大巷 通过溜补联流入 “’ 工作面 , 内便漫延到整个 ‘”面 在程序运行过程中进行人为干预 , 将段巷道风阻加大到无限大这样 , 即使风 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期 戚宜欣等矿井火灾时期风流流动及通风系统变化的动态模拟 流发生逆转 , 烟流也不会通过此实际已切断的巷道流入进风系统如图 所示 , 在采取干预措 施后 , 烟流 只是沿着四采区 回风下山流入西 总回 , 最后 流入西风井 , 而始终未流过段 巷道 , 因而未造成对 ‘”面的侵袭 结论 根据流体力学 、 传热学基本理论 , 可以建立矿井火灾时期风 、 烟流流 动的数学模型 , 并可据此编制动态模拟火灾发展过程 的计算机程序 火灾发生后 , 从井下通 风系统 的风 、 烟流的流动到通风系统结构本身均随时间的推 移而处于动态变化之中 , 程序设计时应考虑 到这一动态性 作者编制的程序可以模拟在设定火源及火势的条件下 , 不 同时刻烟流侵袭巷道 的情 况 , 各巷道 的风量 、 温度 、烟 流和瓦斯浓度 , 各节点的温度 、烟 流及瓦斯浓度 , 从而可为救灾工 作提供较切合实际的火灾发展趋势 致谢 在论文基础数据的采集方面 , 得到 了中国矿业大学通风教研室王德明副教授 、 黄平安讲师及柴里煤矿 黄焕基总工程师等的大力帮助 , 在此表示谢意 戚宜欣 戚宜欣 参考文献 矿井火灾时期风流紊乱规律的计算机模拟研究〔硕士学位论文徐州 中因矿业大学采矿系 , 矿井火灾救灾专家系统的研究〔 博士学位论文〕徐州中国矿业大学采矿系 , ’ ,, , 、 , ,, , ,