煤矿竖井单纯烟囱效应下中性面位置的确定.pdf

文章编号 煤矿竖井单纯烟囱效应下中性面位置的确定 张洪杰 鲁亚丽 向晓东 丁玉洁 武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室 湖北 武汉 河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室 河南 焦作 摘要确定单纯烟囱效应下中性面的位置对研究煤矿竖井中火灾烟气运动规律具有重要意义根据质量守恒 原理和理想气体状态方程 在不考虑矿井通风的情况下 推导出竖井在单纯烟囱效应作用下的中性面理论位置 并 通过实例研究了温度变化 开口位置变化以及开口面积对中性面位置的影响结果表明 开口位置对中性面的影 响比温度引起的变化要显著 在一定条件下 中性面高度与开口高度和开口面积成正比关系 与温度成反比关系 得到关于中性面位置的 两个必定 和 四个特殊 条件中性面的确定可为煤矿井巷防火设计和人员安全疏散提 供理论基础和指导依据 关键词煤矿竖井 中性面位置 火灾烟气流动 单纯烟囱效应 温度差 开口方式 中图分类号 文献标识码 收稿日期 修回日期 基金项目 武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室开放基金项目 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验 室 省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目 中国博士后科学基金项目 北京市博士后科研活动经 费资助项目 作者简介 张洪杰 女 副教授 主要从事火灾与爆炸 风险评价理论及技术等方面的研究 据统计 我国煤矿目前平均采深为 多米 由于开采强度大 一些开采年限较长的煤矿矿井 浅 部资源基本开采完毕 剩余资源多集中在深部 其中 以 以深居多 年 我国煤矿的千米深 第 卷第期 年 月 安 全 与 环 境 工 程 井仅有处 截至到 年 我国煤矿千米深井已 经增加了 处 预计在未来 年内 很多矿井的开 采深度将达到 在煤矿井巷中存在大量的具有一定深度电梯 井 通风井 提升井等各种垂直分布的竖井 一旦发 生火灾 它们将可能成为烟气竖向蔓延的重要途径 如果在一定条件下这些通道内形成了烟囱效应 便会加速烟气的流动 尤其是在火灾情况下 竖井内 外温差加大 烟囱效应增强 烟气的蔓延速度也会大 大增加因此 深入开展煤矿井巷中竖向通道内烟 气运动规律的研究是非常必要的在烟囱效应作用 下 会出现一个竖井内外压力相等的理论水平面 称 为压力中性面 根据中性面的具体位置 可以确 定不同位置处烟气的流动形式因此要研究煤矿竖 井中烟气运动规律 首先要对烟囱效应时竖井中性 面的位置展开研究 目前国内外学者针对竖井内烟气流动已经开展 了大量研究如 对前人研究的烟气运动模 型进行了综述 这些烟气运动模型虽然可以用来分 析烟囱效应 但不能理论计算出中性面位置 论述了一种烟囱效应简化模型 该模型忽略 了空气运动造成的压力损失 故此方法可不用考虑 中性面位置而得出竖井内部的压力分布 通 过理论分析 完成了不同开口形式下中性面位置的 理论 推 导 并 开 发 了 计 算 程 序 张 靖 岩 等 对竖井内的中性面模型以及竖井内羽流前锋 上升时间做了较为全面的理论推导和试验验证 等 在前人研究的基础上 对竖井 烟气运动模型进行了深入系统的研究 开发了模拟 竖井中浮力作用和烟气对流作用的烟气运动模型 朱杰 用小尺寸试验及数值模拟对单纯烟囱效应 下烟气运动规律以及不同竖井结构对烟气运动的影 响进行了研究 许晓元 发展了火灾情况下中性面 位置的多区域预测模型和连续性预测模型 孙晓 乾 建立了高层建筑竖井烟气填充模型和竖向稳 态一维运动模型 并通过试验研究了楼梯井的烟气 压力和速度分布 许兆宇等 通过在 楼梯井实 验台中开展烟气运动试验 对不同开口位置对竖井 内烟气运动的影响展开了研究对于竖井烟囱效应 的研究 大多集中在高层超高层建筑 而对于煤矿 这种地下深部竖井的研究甚少 且对于地下深部矿 井来说 由于地热的作用以及设备运作过程中的散 热 造成竖井内温度比环境温度高 从而导致煤矿深 部竖井更易产生烟囱效应因此 本文将重点考虑 无火源 竖井内外存在一定温差情况下 单纯烟囱效 应作用下空气流动状态 通过对深部竖井烟囱效应 的理论分析 以质量守恒定律和理想气体状态方程 为基础 理论推导出单纯烟囱效应下中性面位置模 型 并通过实例研究了不同温度 不同开口高度以及 不同开口面积对中性面位置的影响 探讨关于煤矿 竖井中性面位置的一般性规律 单纯烟囱效应下的中性面理论 初步假设一个具有两个水平的煤矿竖井 将该 竖井模型简化后如图所示当不考虑矿井通风 时 在烟囱效应作用下会产生中性面 中性面是内外 压力相等的理论水平面 在内外压差的作用下 气体 从位于中性面以下的开口流入竖井 从位于中性面 以上的开口流出竖井 根据质量守恒定律 可以得到 流入竖井的气体质量流量等于流出竖井的气体质量 流量 再根据理想气体状态方程 推导出中性面高度 与温度之间的关系由于不确定中性面的具体位 置 故存在两种情况 其一 中性面位于侧向两个开 口之间 其二 中性面位于侧向两个开口之上 1 2 H1 H2 图煤矿竖井简化模型图 中性面位于侧向两个开口之间 不考虑竖井内围岩的散热与热传导 即假设竖 井内外温度均一稳定 且水平 水平开 口高度相对于整个竖井高度可忽略不计 即水平 水平开口位置的压力稳定 可以得到各个开口处 竖井内外的压力差为 竖井顶部开口 水平开口 水平开口 式中 分别为竖井顶部开口 水平 开口和水平开口处压力差分别为中 性面高度 竖井高度 水平开口高度 为环境空 气密度 为竖井内空气密度 安 全 与 环 境 工 程 第 卷 中性面以下水平开口处 流入竖井的气体质 量流量为 槡 中性面以上开口流出竖井的气体质量流量为水 平开口和竖井顶部开口流出气体的质量之和 即 槡 槡 式中 分别为流入竖井的气体质量流量和流 出竖井的气体质量流量 为流动系数 取值一般在 之间 分别为竖井截面面 积 水平开口面积和水平开口面积 根据质量守恒定律 即流入竖井的空气质量流 量等于流出竖井的气体质量流量即 可以 得到 槡 槡 槡 根据理想气体状态方程 将上式化 简为 槡 槡 槡 式中 为竖井内烟气温度 为环境空气温度 中性面位于侧向两个开口之上 当假设中性面位于水平 水平开口以上位 置时 由于中性面位置发生变化 各个开口处竖井内 外的压力差也会发生变化 即 竖井顶部开口 水平开口 水平开口 式中 分别为竖井顶部开口 水平 开口和水平开口处压力差 由此可以得到中性面以下开口流入竖井的气体 质量流量为流入水平开口和水平开口的气体质 量流量之和 即 槡 槡 中性面以上开口即竖井顶部开口流出竖井的气 体质量流量为 槡 式中 分别为流入竖井的气体质量流量和 流出竖井的气体质量流量 根据质量守恒 即流入竖井的质量流量等于流 出竖井的气体质量流量即 可以得到 槡 槡 槡 根据理想气体状态方程 将上式化简为 槡 槡 通过分析式 和式 可以看出 竖井内外温 度 水平开口高度以及开口面积都会对中性面的位 置造成影响 实例分析 开口高度与竖井内外温度对中性面位置的影响 分析式 和式 由于存在个变量条件 无法对温度与开口方式的变化对中性面的影响进行 清晰地定量分析 故假设在水平开口和水平开 口面积相等 竖井截面面积是水平开口面积的 倍的情况下对式 和式 进行定量分析 以得到 在此种情况下中性面位置与温度和开口高度之间的 关系根据假设条件 得到 且 水平开口高度与竖井高度的比是常量 代入式 解得中性面高度的表达式为 槡 式中 为水平开口高度与竖井高度的比 为 竖 井 内 外 温 差 的 比 例 关 系 槡 根据式 在大于在 之间取 值 根据和的取值可以得到一系列中性面高度 与竖井高度的比值 由计算结果 当取值大于 时的变化幅度很小 因此取在 在 之间 将值代入式 可以得到 中性面高度与竖井高度的比值 以这一系列数值作 第期张洪杰等 煤矿竖井单纯烟囱效应下中性面位置的确定 两个曲线图 即温度变化下的中性面位置曲线图 见 图 开口位置变化下的中性面位置曲线图 见图 0.8 1.01.21.41.61.8 2.02.22.42.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 T HH/ 1N C0.1H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 / /0.2 /0.3 /0.4 /0.5 /0.6 /0.7 /0.8 /0.9 /1.0 图温度变化下中性面位置曲线图 0.20.40.60.81.0 0.1 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 HH/ 1N 0 CH H 21 / T1 T T T T T T T 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 图开口位置变化下中性面位置曲线图 由图可以看出 当水平开口面积相等且竖井 顶部开口面积是水平开口面积的 时 在相同的 开口高度下 中性面高度与竖井内外温度差成反比 温差越大 中性面的位置越低 即流经下部开口的密 度较大的气流比流经上部开口密度较小的气流所需 要的面积小 从而验证了许晓元 的 竖井内气体 温度高密度小则流出竖井时需要的开缝面积就大 的结论此外 当竖井内温度不超过环境温度的 倍时 中性面位置随温度变化非常显著 当竖井 温度超过环境温度倍时 中性面位置随温度变化 不明 显另 外 当 侧 向 开 口 高 度 占 竖 井 高 度 的 时 中性面位置随温度变化不明显 均位 于底部偏上一点的位置 当开口位于竖井高度的 处时 中性面位置与开口位于竖井高度一半相 接近 且在竖井内温度偏低时 求解不出理论值 由图可以看出 在开口面积为定值的情况下 在同一温度条件下 当开口位于竖井高度的 处时 中性面高度与开口位置成反比 开口位置 越高 中性面位置越低 在开口高度占竖井高度的 之间时 中性面高度处于稳定状态 在开 口高度大于竖井高度的 时 中性面高度与开口 高度成正比 开口位置越高 中性面位置也越高 对比图和图的曲线斜率得到 中性面的高 度是关于温度变化的弱函数 是关于开口位置变化 的强函数 这与 理论相符合上述中性面 位置的推导是假设中性面位于侧向两个开口之间 由图可以明显看出 当假设中性面位于侧向两个 开口之间时 在竖井内外温度比小于 的情况下 求解不出中性面的理论值 因此考虑当中性面位于 侧向两个开口以上位置时的假设是合理的 同理 讨论中性面位于侧向两个开口以上时 温 度与开口高度对中性面的影响 可求解式 得到 槡 式中为水平开口高度与竖井高度的比 在大于在 之间取值 根据和 的取值可以得到一系列中性面高度与竖井高度的 比值 由计算结果 当取值大于 时 的变化幅度很小 因此取在 在 之间 将值代入式 可以得到中性 面高度与竖井高度的比值 以这一系列数值作出温 度变化下的中性面位置曲线图 见图 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 HH/ 1N T Q Q 0.1H H H H Q H H 21 21 21 / /0.2 /0.3 图中性面高度随温度的变化曲线 由图可以看出 在开口面积为某一特定值的 安 全 与 环 境 工 程 第 卷 情况下 只有在开口高度占竖井高度的 时 中 性面随温度变化得到完整的理论值曲线 当开口高 度与竖井高度比为 时 温度比大于得不到理 论中性面高度 当开口高度与竖井高度比为 时 温度比大于 得不到理论中性面高度此外 当 开口位于竖井高度的 处时 在温度比为 之间的情况下 中性面高度与开口高度相同 另外 在侧向开口高度不超过竖井高度的 时 开口位置越高 中性面高度随温度变化的变化率越 大 由图 图和图可以看出 当侧向开口高度 不小于竖井高度的 时 中性面位置随温差的增 加而降低 随开口高度的增加而升高 即在此种条件 下 中性面随温度和开口高度的变化是稳定的当 开口高度不超过竖井高度的 时 中性面随温度 和开口高度的变化出现了不稳定性 为了便于比较 分析 现将该条件下图和图的曲线联合 得到开 口高度不超过竖井高度的 时 中性面位置随温 度的变化曲线图 见图 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Q H H H H H H / /0.2 /0.3 21 21 21 0.1 Q Q T HH/ 1N 图两种假设条件下中性面位置随温度的变化曲线图 由图可知 开口高度与竖井高度比为 竖 井内外温差比为 的情况下 中性面一定位 于侧向两个开口之上 开口高度与竖井高度比为 竖井内外温差比大于 的情况下 中性面一 定位于侧向两个开口之间若出现如下三种情况 开口高度与竖井高度比为 竖井内外温差比 大于 开口高度与竖井高度比为 竖井内 外温差比小于开口高度与竖井高度比为 竖井内外温差比小于 则水平开口既可有气 流流入竖井 也可有气流流出竖井 可以理解为在这 个开口处形成了一个中性面 见图 竖井与外部 通过这个侧向开口形成一个 竖井 循环 但是该实 际中性面位置与理论推导出的中性面位置并不相 符故对于整个竖井来说 在这三种情况下 理论求 解不出中性面的位置 图 竖井 小循环中性面 开口面积对中性面位置的影响 假设水平开口高度与竖井高度比为 水 平开口面积相等 竖井开口与水平开口面积变化的 情况下 考察中性面位置随温度的变化情况即将 代入式 可以中性面高度 与开口面积和温度之间的关系得到曲线图 见图 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 A A 12 /0.5 A A A A A A A A A A A A A A 12 12 12 12 12 12 12 /1.0 /1.5 /2.0 /2.5 /3.0 /3.5 /4.0 T HH/ 1N 图中性面高度随开口面积的变化曲线图 由图可见 在同一温度条件下 竖井顶部开口 面积相对水平开口面积越大 中性面高度越高当 竖井顶部与水平开口的面积一定时 中性面高度随 温度的增加而降低 当竖井开口面积与水平开口面 积比为 时 中性面位置随温度变化趋势大 体一致 当随着竖井开口面积与水平开口面积比增 大 理论求解不出中性面的温度比区间也会增大 例如 当竖井开口面积与水平开口面积比为 时 在竖井内外温差比为 区间里 求解不出中 性面高度 当竖井开口面积与水平开口面积比为 时 在竖井内外温度比为 区间内 求解不出 中性面高度 第期张洪杰等 煤矿竖井单纯烟囱效应下中性面位置的确定 结论 通过对煤矿竖井中性面位置的理论推导 对不 同开口方式和竖井内外温度差对中性面位置的影响 进行了分析 得到以下几点结论 开口位置 开口面积和竖井内外温度的变 化均会对中性面位置造成影响 在相同温度条件下 开口位置越高 竖井顶部开口与水平开口面积比越 大 中性面位置越高 相反 在相同开口方式下 竖井 内外温差越大 中性面位置越低 开口高度与竖井高度比为 竖井内外温 差比为 的情况下 中性面一定位于侧向两 个开口之上 开口高度与竖井高度比为 竖井内 外温差比大于 的情况下 中性面一定位于侧向 两个开口之间 以上为关于中性面位置的 两个必 定 条件 对于整个竖井来说 理论求解不出中性面 位置的种特殊条件如下开口高度与竖井高度 比为 竖井内外温差比大于 开口高度与 竖井高度比为 竖井内外温差比小于开口 高度与竖井高度比为 竖井内外温差比小于 当竖井开口面积与水平开口面积比不小于 时 理论求解不出中性面的温度比区间也会随面 积比增大而增大 本文在研究煤矿竖井中性面位置时 均未考虑 矿井通风的影响 而在实际情况下 矿井通风对烟气 流动影响较大 竖井中性面位置可能受到直接影响 因此 今后有待从理论 实验及数值模拟方面对通风 下的中性面位置确定做进一步研究 参考文献 霍然 胡源 李元洲建筑火灾安全工程导论合肥 中国科 学技术大学出版社 张靖岩 霍然 王浩波烟囱效应形成机理的实验中国科技 大学学报 张靖岩 李元洲 霍然 等竖井中羽流前锋上升时间的实验研究 安全与环境学报 朱杰超高层建筑竖井结构内烟气运动规律及控制研究合 肥 中国科学技术大学 许晓元高层建筑竖向通道中性面位置研究合肥 中国科 学技术大学 孙晓乾火灾烟气在高层建筑竖向通道内的流动及控制研究 合肥 中国科学技术大学 许兆宇 李元洲 孙晓乾 等开口位置对楼梯境内烟气运动影响 的研究安全与环境学报 张靖岩高层建筑竖井内烟气流动特征及控制研究合肥 中国科学技术大学 通讯作者 向晓东 男 教授 主要从事空气污染控制理论与 技术方面的研究