矿井巷道火灾烟气运动模拟研究.pdf

矿井巷道火灾烟气运动模拟研究 褚燕燕,蒋仲安 北京科技大学 土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083 摘 要采用区域模拟的方法,对矿井巷道火灾烟气运动进行动态模拟,迅速准确地掌握矿井火灾 烟流状态及烟流的分布状况。并利用实验结果对模拟结果进行验证,证明矿井巷道火灾烟气运动模拟 结果的正确性。 关键词矿井巷道;火灾;烟气;计算机模拟 中图分类号TD75 2 文献标识码A 文章编号1008 - 4495200705 - 0013 - 02 收稿日期2007 - 03 - 02 基金项目北京市教育委员会共建项目建设计划资助 XK100080432 作者简介褚燕燕1979 , 女,山东泰安人,博士研究 生,主要研究方向为安全管理、 矿山安全、 环境安全、 安全信息 系统等。 由于井下开采环境差,地质条件复杂,空间狭小 封闭,矿井事故无法完全避免,一旦发生火灾,浓烟和 热气很难自然排除,并会迅速蔓延充满整个地下空 间,后果不堪设想。井下一旦发生火灾,往往火势发 展迅猛,火灾产生大量有毒有害气体的高温烟流沿巷 道流动,其高温、 毒性和窒息性将造成人员伤亡;烟气 的扩散使光线模糊不清,需要疏散的人员难以在短时 间内选择正确的逃生路线;此外,火势蔓延扩大,容易 形成再生火源和引起瓦斯爆炸,巷道支架烧毁后,往 往发生冒顶,给救人灭火造成困难。统计资料表明 火灾死亡的人员中,有62.4 是由于窒息、 吸入烟尘、 CO中毒而死亡,属于烧伤而死亡的为26 ,属于其他 原因死亡的为11.6 。因此,迅速准确地掌握矿井火 灾烟流的分布状况,对减少火灾时期人员伤亡、 控制 火势发展等,有极其重大的意义 [1] 。 1 烟气流动理论和烟气下降速度模型 组成烟气的物质包括燃烧物质释放出的高温 蒸气和有毒气体;被分解和凝聚的未燃物质;被火焰 加热而卷吸上升气流中的大量空气。巷道火灾过程 中,由于受节流效应、 井巷摩擦阻力和浮力效应的作 用产生的热力风压附加于巷道通风动力源作用之 上,转化为烟流沿顶部流动的附加动能 [2] 。烟流开 始沿巷道的顶部蔓延,在火灾浮羽流和顶板射流的 作用下,烟流流动的同时产生一个下降速度,烟流与 风流分层流动逐步模糊。 1. 1 烟气流动理论 烟气与其他的气流一样,当出现压力差时产生 流动。在巷道火灾中,由于各种热力效应影响和机 械通风等的作用,在巷道火源区域出现了风流与烟 流分层流动现象。烟气流动的动力包括由通风机造 成的机械通风压力,由空气柱的标高差、 温度差所形 成的自然风压,以及矿井发生火灾时造成的自然风 压增量、 火风压 [3] 。若取火灾前巷道空气的平均体 积质量为1. 25 kgΠm 3 ,则火风压的计算公式如下 h火 1. 25Z t2-t1 273 -t2 1 式中 t1 火灾前巷道空气温度,℃; t2 火灾后巷道空气温度,℃; Z 火灾烟流流经巷道的标高差,m; h火 火风压,mm水柱。 1. 2 烟气层下降速度模型 火灾时由于可燃物质的不断燃烧,火灾烟气、 火 源高温造成的可燃物热解气体以及被卷吸的空气将 迅速形成炙热烟柱。随着热烟气的产生与流动,将 有一个相应的热烟气下降速度v。烟气下降速度的 计算见式 2 vsd vp Ac ρp ρs 2 式中 vsd 烟气层的下降速度,mΠs; vp 无火焰热烟气向热烟气层流入气体的 体积流速,m 3Π s; Ac 室内天花板的面积,m 2 ; ρp 无火焰区气体的密度,kgΠm3; ρs 高温热烟气体的密度,kgΠm3。 31 2007年10月 矿业安全与环保 第34卷第5期 2 巷道火灾烟气运动实验研究 2. 1 实验装置 在建立巷道火灾区域模型时,将巷道划分为长 度适宜的分隔区间。划分火灾巷道的分隔区间主要 考虑两点区间的三维尺度相差不多;描述的精度。 综合认为巷道火灾的分隔模拟区间的长度为巷道的 横向尺寸的1～3倍适宜 [4] 。 本实验台运用相似理论,建立长3 m实验模型, 实验装置如图1所示。利用区域模拟理论,将模拟 巷道划分为长度适宜的6个长50 cm ,截面为50 cm 50 cm的分隔区间。 图1 巷道火灾实验系统图 2. 2 实验结果 实验火源取10 mL柴油和10 mL煤油,记录不同 风速条件下烟气厚度。实验数据如表1所示。 表1 不同风速烟气厚度实验数据 风速Π m Π s 上风侧距火 源20m处烟 气厚度Πcm 上风侧距火 源10m处烟 气厚度Πcm 火源处烟气 厚度Πcm 下风侧距火 源20m处烟 气厚度Πcm 下风侧距火 源40m处烟 气厚度Πcm 下风侧距火 源60m处烟 气厚度Πcm 0.24121313.51620 0.4269171922 0.80110131621 1.00014182022 3 烟气运动的计算机模拟 火灾的模拟方法可分为专家系统、 区域模拟、 场 模拟等几类。在这几种模拟方法中,区域模拟方法 的精确度和计算量比较适中,因此选用区域模拟的 方法对巷道火灾烟气蔓延过程进行模拟研究 [5] 。采 用粒子系统,根据区域模拟数学模型编制巷道火灾 烟气蔓延的计算机动态显示程序。程序构造整个场 景,最终表现出巷道火灾烟气运动的整体形态和特 征。图2、 图3分别是火区长度为15 cm ,风速分别为 0. 4 mΠs ,1. 0 mΠs时的烟气运动图像。 图2 风速0.4 mΠs时烟气运动图 图3 风速1.0 mΠs时烟气运动图 通过模拟图像,发现烟气在顶棚射流的作用下, 沿着顶棚以下水平运动,并随着距火源位置越远烟 气下降速度越大。从计算机模拟结果得出随着到 火源距离增大,烟气下沉趋势明显,并且风速越大下 降趋势变化越缓慢。 4 计算机模拟与实验验证结果比较分析 火灾烟气下降厚度实验数据和模拟计算数据比 较曲线如图4、 图5所示。 图4 风速0.2 mΠs火区上风侧烟气厚度比较 下转第26页 41 2007年10月 矿业安全与环保 第34卷第5期 图2 淮南潘一矿15413运输巷及回风斜巷掘进工作面防突预测图 为此矿方采取了专门补充措施过F38断层前 30 m施工3个前探钻孔,进一步控制F38 ;根据钻孔 资料,实施以 “巷帮钻孔结合工作面钻孔抽采” 的防 治措施,即工作面孔不少于20个,孔深大于20 m;帮 孔不少于26个,孔深50 m ,钻孔控制到巷道轮廓 线外5 m;加强现场瓦斯观测和地质调查分析工作。 补充措施在现场落实后,2条巷道均安全地通过了 F38断层,没有出现动力现象及瓦斯异常,实际揭露 的F38断层位置及产状与预测相差无几。 5 结语 防突预测图是防突技术、 管理、 制度的创新,体 现了 “瓦斯地质结合、 管理研究并重” 的工作思路,完 整表达 “预测预报、 防治措施、 效果检验、 安全防护” 的四位一体的综合体系。淮南矿业集团公司从2003 年5月开始已经把防突预测图应用于现场防突工 作,形成了制度化,对指导矿区防突工作起到了重要 作用,值得类似条件的矿区推广应用。 责任编辑熊云威 上接第14页 图5 风速1.0 mΠs火区下风侧烟气厚度比较 5 结论 通过分析实验数据,得出烟气运动的轨迹方程, 可以计算出烟气下降速度。分析巷道烟气运动计算 机模拟结果和实验结果的符合程度,模拟结果和实 验结果数据总体上接近,变化规律一致,但还存在一 些误差,分析原因可能是以下几点一是采用手工完 成测量,难免出现测量误差;二是模拟计算过程中, 由于精度问题产生计算误差;三是由于下风侧燃烧 湍流作用比较强烈,烟流紊乱,烟气厚度测量误差下 风侧比上风侧大。 矿井发生火灾时,烟气蔓延过程中,随着热烟气 的流动,将有一个热烟气层的下降速度。在掌握烟 气发生机理和烟气运动模型的基础上,采用区域模 拟的方法,对烟气进行了动态模拟。利用烟气动态 模拟,掌握烟气的蔓延速度、 下降速度,对于安全逃 生、 组织灭火活动等都非常重要,可起指导作用。 参考文献 [1]陈伟红,张磊.地下建筑火灾中的烟气控制及烟气流动 模拟研究进展[J ].消防技术与产品信息,200410 6. [2]程远平,李增华.消防工程学[M].徐州中国矿业大学出 版社,2002. [3] StevenJ. Luzik. How to limit fire and explosion hazards with oil - flooded rotary screw copressors[J ].Mining Engineering ,1987 9 880. [4] W. K. Chow. Simulation of Tunnels Fires Using a Z one Model [J ]. Tunnelling and Underground Space Technology ,19962 221. [5]张兴凯.地下工程火灾原理及应用[M].北京首都经济 贸易大学出版社,1997. [6] Jurij Modic. Fire simulation in road tunnels[J ]. Tunnelling and Undergroud Space Technology ,200318 525. [7]唐荣锡,汪嘉业,等.计算机图形学教程[M].修订版.北 京科学出版社,2000. 责任编辑吴自立 62 2007年10月 矿业安全与环保 第34卷第5期