矿井火灾燃烧特性曲线的研究与应用.pdf

第33卷第7期煤 炭 学 报Vol . 33 No. 7 2008年7月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJuly 2008 文章编号 0253 - 9993 2008 07 - 0780 - 04 矿井火灾燃烧特性曲线的研究与应用 马洪亮,周心权 中国矿业大学北京煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083 摘 要借鉴建筑火灾模拟中广泛使用的区域模拟模型,通过对其建立的火源燃烧特性计算模型 进行修正,建立获得适合矿井火灾模拟的火源燃烧特性曲线.将应用固定热量输出模型的软件 MFIRE和应用t 2 曲线模型的软件CFAST在实验矿井的应用结果进行比较分析,发现t 2 曲线模型 更能符合实际情况,建立的特性曲线能够较真实地反映矿井火灾发生、发展和消亡各阶段的火源 燃烧特性的变化. 关键词矿井火灾;火灾模拟;t 2 特性曲线 中图分类号TD752 文献标识码 A 收稿日期 2007-08-13 责任编辑韩晋平 基金项目国家科学自然基金资助项目50534090 ;国家科技攻关项目 “ 煤矿瓦斯治理技术集成与示范 ”2005BA813B - 1 - 07 作者简介马洪亮1981 , 男,山东微山人,博士研究生.E - mail ml_ playboy1631com Research and application of the characteristic curves in m ine fire MA Hong2liang,ZHOU Xin2quan State Key Laboratory of Coal Resources and SafeM ining, China University of M ining and Technology Beijing Beijing 100083,China Abstract Based on the zonemodelwhich haswidely been employed in the building fire simulation, the fire source combustion characteristic wasmodified and applied for giving the fire source combustion, the characteristic curve in keeping with mine fire simulation was set up, and then carried on the simulation by the CFAST, compared the sim2 ulation resultwith the test data, the model between fixed heat output’s and the characteristic curves oft 2 , shows that the characteristic curves oft 2 model ismore accordant to the actual, it can be really reflect to take place, de2 velopment and the extinguishment of the mine fire. Key words coalmine fire; fire simulation; characteristic curves oft 2 很多国家的火灾研究人员进行了大量矿井火灾火源燃烧特性的理论研究,并通过实验室、实验矿井和 实际矿井火灾进行验证,确立了矿井火灾的富氧和富燃料燃烧的分类,并提出2类火灾的燃烧特性,如烟 流组分、温度、燃烧速度、燃料种类和消耗量等参数相互关系的定性和定量分析方法以及2类火灾相互转 换的可能性和条件.根据上述研究结果,分为以下3种火源燃烧模型固定热量输出的火源,富氧燃烧类 火源和富燃料燃烧类火源 [1 ]. 富氧燃烧和富燃料燃烧火源的确定需要获得下风侧烟流中氧气浓度,这些 数据很难得到,所以,在矿井火灾一维模拟中,固定热量输出的火源应用比较广泛,通过火情时间表来控 制,分成每个稳定燃烧的阶段,此方法可以得到比较好的整体模拟效果 [1 - 2 ]. 美国国家标准研究所N IST的建筑火灾实验室对于火源特性进行了很多的研究,获得常见建筑火 灾燃烧物的燃烧特性曲线 [3 ]. 本文将根据矿井火灾实验的实验数据,借鉴N IST在火源特性曲线的研究成 果,建立合适的矿井火灾火源燃烧特性曲线,并通过与网络模拟数据比较分析,证明建立的t 2 燃烧特性 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第7期马洪亮等矿井火灾燃烧特性曲线的研究与应用 曲线的合理性以及在矿井火灾模拟中的适用性. 1 火源燃烧特性曲线的确定方法 111 固定热量输出的火源特性 固定热量输出的火源燃烧释放的热量和生成的烟流量是固定的,由人为设定.释放的热量以 “kJ / min”表示,烟流生成量以 “m 3 /min”表示,烟流某组分浓度以百分比表示.在矿井火灾风流动态模拟计 算中,这种简便的火源燃烧模型应用非常广泛. 在MFIRE软件中,热量释放速率VheatkJ /min和烟流生成速率Vcont m 3 /min以已知条件用数据 文件输入.编制输入数据文件时, MFI RE软件用户根据模拟的火灾状况、燃料种类和燃烧特性等基本数 据预先计算出这2个基本参数 [1 ]. 例如, MFI RE用户可能考虑如何分析多种燃料同时燃烧时的热量释放 或一个胶带输送机着火时的热量计算.解决这类问题的思路是通过实验来获得各种燃烧状态的有关数据并 进行分析、归纳分类,但是由于实际矿井火灾试验进行得很少,有关燃烧速率、热量释放速率和烟流生成 速率等可应用的系统数据比较少.所以衡量实际矿井火灾中多种燃料在不同火势发展阶段燃烧按以下步骤 来分析,对于每一发展阶段分别确定各种燃料的热量释放速率和烟流生成速率,然后应用MFIRE软件中 输入数据文件内 “ 火情变化时间表 ”的功能把火情参数输入,模拟火情在各阶段变化所造成的影响 [4 - 5 ]. 由于复杂的火灾燃烧过程分为几个阶段,每一阶段含有时间、燃烧的燃料及火势.这样,对于每一阶 段,可以近似考虑火源燃烧为稳定状态的燃烧过程.这种阶段输入有关火情的已知数据,对火源燃烧状态 进行模拟,并进一步模拟不同火势发展阶段对于矿井通风系统状态非稳定变化影响,能较好地反映实际矿 井火灾的火源燃烧过程,提供较好的风流动态模拟结果. 112 t 2 火灾模型特性曲线 t 2 火灾模型,即不考虑火灾的初期准备过程时,火源热释放速率的模型为Q αt 2 ,其中,Q为释热速 率;α为火灾强度系数;t为时间. 把火灾强度在600, 300, 150, 75 s达到1 055 kW时的火灾分别称为慢速、中速、快速、特大火灾. 根据美国NFPA的分类标准,对于中等发展速度的火灾,对应的α01011 7 [5 ]. 2 火灾实验与曲线的建立 211 实验介绍 [6 ] 选择美国新墨西哥州矿业研究所在瓦尔多煤矿做的实验.此矿在1949年报废以后, 1983年租给新墨 西哥矿业研究所作为实验矿井,复原了其中的3, 6, 8和9水平.以油池火实验为例,火源设置在第9水 平的进风巷道,火源材料是油,放置在直径0171 m、高0105 m的油盘中.在油盘上部顶板开凿3个孔放 置K型热电偶,分别在火源下风侧的0161, 2113和3105 m处;在6110, 15124和60150 m处放置类似的 590温度传感器;在6019, 9114, 12119, 15214, 18219和21314 m处放置单点温度检测器. 实验用油的参数为12175 kW /kg,含水0101 ,油量为5168 L.井下空气温度为1117℃.进行实验 之前测得巷道风速为1193 m /s,风量为11 m 3 /s,巷道断面积为517 m 2. 外界大气环境2111℃, 78 kPa,湿度为16.油池火达到完全燃烧的时间为点燃后的55 s,在770 s后熄灭. 212 物理模型 矿井巷道狭长,实验矿井巷道的断面为212 m216 m,假设巷道长度87 m,巷道的高度和宽度为均 匀分布的,根据区域模型的要求,采用多单元的方式 [7 ] ,将巷道分成每个尺寸为212 m216 m310 m, 共分为29个区域.编号分别为Com1, Com2, Com3,⋯, Com29.这样每一段相当于一个两边完全敞开 的212 m216 m310 m房间.对于火源位置的设定,考虑火源设在巷道最中间位置时的火灾发展情况. 火源功率设置与实验测得数据一致.根据N IST提供的帮助文件手册 [8] , CFAST软件适用于模拟发生在体 积1～1 000 m 3 空间内的火灾状况.对于矿井巷道,宽度和高度大致在2～3 m,但是矿井巷道一般都比较 187 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2008年第33卷 长,大多在百米以上.如果采用划分单元的方式,每个单元的尺寸比较符合要求,所以CFAST应用在矿 井巷道火源的邻近区域理论上是可行的. 213 特征曲线的建立 火源燃烧特性曲线的建立与实践应用必须具备2个前提①须通过大量实验矿井的火灾试验获得对 应的各种井下环境下,不同火灾燃烧状况的特性曲线,并进行科学分类,以便于实际应用;②须了解实 图1 t 2火源特性曲线 Fig11 t 2 characteristic curve of fire model 际火灾的火源燃烧环境和状况,并据此从大量特性曲 线中挑选出恰当的特性曲线,由于没有情况相同的火 灾,这种选择也并非易事,所以有必要通过实际矿井 火灾或实验获得建立曲线的原始数据. 假设火灾按照中速发展,利用瓦尔多煤矿的火灾 实验数据,借鉴建筑火灾模拟中的t 2 火灾模型,火源 功率的最高值可达250 kW.本文主要研究的是火灾发 生后烟流蔓延和温度的变化过程,故其他火源参数的 值根据N IST提供的CFAST模拟软件中的默认数值进 行设定,建立的火灾特性曲线如图1所示. 3 模拟结果分析 311 611 m处烟流温度的变化过程 从图2 a可以看出, MFIRE模拟采用分阶段稳 定燃烧的方法,模拟结果在火灾发生后300 s, 300～1 200 s和1 200～1 500 s三个阶段在火源下风侧611 m处的烟流温度变化是比较平缓的,与实验获得的数据有着明显的差别.而采用t 2 火灾特性曲线进行模 拟的CFAST结果与实验数据的吻合性比较强,不同点表现在火灾发生阶段模拟的温度比实验数据要高, 在达到最高温度点之后下降较慢,造成这种现象的原因主要有2个可能一是建立的t 2 特性曲线在发生 阶段,燃烧速率设置比较高;二是由于实验测量过程中存在的测量误差造成的. 图2 火源下风侧611, 1512, 3015 m处温度变化过程 Fig12 Temperature in 611, 1512, 3015 m downwind of fire 312 1512 m处烟流温度的变化过程 从图2 b可以看出,在火源下风侧的1512 m处,烟流温度的最高点出现的时间大约在火灾发生后的 900 s,比在火源下风侧611 m处的最高温度出现的要晚一点,符合火灾烟流蔓延规律.比较图2 a ,b 可以看出, 1512 m处烟流温度的t 2 曲线变化与实验数据的吻合性更强一些,在离火源较远区域,烟流温度 主要依靠前方高温烟流通过控制体不断传递,受其他因素的影响较小,模拟结果往往比较接近实际情况. 287 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第7期马洪亮等矿井火灾燃烧特性曲线的研究与应用 313 3015 m处烟流温度的变化过程 从图2 c可以看出, MFIRE模拟的最高温度达到38℃,而实际测得数据的最高温度为30℃,从 烟流在巷道蔓延的规律来看,烟流与周围环境的对流和换热会造成在离火源较远区域的最高温度较低,由 于MFI RE是采用分阶段稳定燃烧的方法,与周围环境的对流和传导造成的热量损失考虑的较低,可以造 成的最高温度较高.而CFAST模拟的最高温度比实验低许多,这主要是由于区域模型在考虑与周围环境 和岩石壁面,以及下层空气的对流换热的影响比较大,造成在距离火源较远区域的模拟结果精确性不高. 在矿井火灾中,温度较高的烟气在沿巷道纵向蔓延时,将不断与温度较低的巷道壁面及周围的环境发生热 交换,导致其温度不断降低,在比较长的巷道中,这种温度降低的效应是非常显著的.因此,采用双层区 域模拟的方法对巷道火灾的发展进行模拟和预测是不精确的 [9 ] ,特别是距离火源较远的区域. 4 结 论 1固定热量输出方式的火源模拟采用缩短时间间隔方式,假想每个阶段为稳定燃烧的时间较短, 对于拥有复杂网络系统的矿井巷道结构,固定热量输出方式的火源处理方式,可以保证整体模拟的效果. 2t 2 火灾模型特性曲线是比较符合火灾实际发生、发展和消亡情况的,可以比较精确地描述火源 的变化情况,提高火灾模拟的精确性. 3火源燃烧特性曲线是进行火灾模拟比较有前途的方法,但是火灾模型特性曲线的建立还需要更 多的矿井火灾实际燃烧数据和实验数据支持,以建立更能真实反映矿井火灾实际情况的t 2 火灾模型特性 曲线,进一步提高模拟的精确度. 参考文献 [1] 周心权,吴 兵.矿井火灾救灾理论与实践[M ].北京煤炭工业出版社, 1996. Zhou Xinquan, Wu Bing .Theory and practice ofmine fire fighting [M ].Beijing Coal Industry Publishing House, 1996. [2] LinneasW Laage, Hang Yang . Mine fire experiments at thewaldomine heat flow [A ]. 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