苑金秒，張芳芳

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003)

巷道火災(zāi)中煙氣流動(dòng)規(guī)律研究

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003)

礦井火災(zāi)煙氣蔓延，威脅著井下工作人員的生命安全。文章利用FDS軟件模擬不同風(fēng)速和不同火源位置下煙氣蔓延特性，應(yīng)用煙氣溫度、煙氣濃度等參數(shù)，得到不同工況下煙氣流動(dòng)規(guī)律，結(jié)果表明：不同火源位置下，煙氣流動(dòng)差異很大；通風(fēng)風(fēng)速越大，火源上風(fēng)側(cè)煙氣濃度越低，下風(fēng)側(cè)煙氣聚集越多。

巷道火災(zāi)；煙氣流動(dòng)；溫度；模擬

礦井火災(zāi)是礦井重大災(zāi)害之一，火災(zāi)煙流蔓延，威脅著井下工作人員的生命安全，高溫?zé)熈?，在某些巷道?nèi)產(chǎn)生火風(fēng)壓，造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)及紊亂，擴(kuò)大受災(zāi)的范圍。Cheng等[1]編制了火災(zāi)模擬和人員疏散的軟件MFIRE，建立應(yīng)急通風(fēng)機(jī)制，計(jì)算出安全疏散路線；李杰林[2]采用Airpak軟件對(duì)自燃發(fā)火巷道煙氣流動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算得出了火災(zāi)后巷道中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)等分布，揭示了煙氣在時(shí)空上的流動(dòng)規(guī)律、溫度和濃度變化規(guī)律；范寧[3]用CFAST火災(zāi)模擬軟件模擬了在不同風(fēng)速、不同熱釋放速率情況下淮南洞山城市公路隧道火災(zāi)，研究了不同環(huán)境條件下的煙氣層蔓延和溫度場(chǎng)變化等情況；褚燕燕等[4]采用區(qū)域模擬的方法，對(duì)礦井巷道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，掌握了礦井火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律及煙氣的分布狀況等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度研究了火災(zāi)中煙氣流動(dòng)規(guī)律，但很少有人涉及到不同風(fēng)速和不同火源位置工況下煙氣蔓延特性。

1 巷道火災(zāi)模擬

火災(zāi)過程的計(jì)算機(jī)模擬是在描述火災(zāi)過程的各種數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，本文選取場(chǎng)模型軟件FDS對(duì)巷道火災(zāi)下煙氣流動(dòng)進(jìn)行模擬研究。選取長(zhǎng)度為100 m的水平單巷道為對(duì)象，巷道斷面橫截面積是邊長(zhǎng)為4 m的正方形，根據(jù)前期調(diào)研，正庚烷作為燃料，選取了常見的起火位置進(jìn)行對(duì)比分析，火源分別位于距入口10 m、巷道交叉點(diǎn)、距出口10 m處，巷道平面布置，見圖1。

圖1 巷道平面及探測(cè)器分布

設(shè)置巷道幾何尺寸為72 m×4.5 m×3 m和35 m×4.5 m×3 m，網(wǎng)絡(luò)劃分為288×18×12和18×120×12，單元格大小0.5×0.5×0.5，入口條件指巷道入口處風(fēng)流速度（u,v,w），取值為（1～4 m/s,0,0），溫度T=20℃。在沿巷道方向中軸線距離底板1.5 m處每隔20 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖1中數(shù)字1～6標(biāo)識(shí)了探測(cè)器所在位置，用以獲取溫度、濃度、能見度等參數(shù)。

2 火源位置對(duì)煙氣流動(dòng)的影響

圖2 不同位置處煙氣溫度變化趨勢(shì)圖

圖2所示為通風(fēng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，火源分別位于距入口10 m、巷道交叉點(diǎn)、距出口10 m處煙氣溫度變化趨勢(shì)圖?；鹪次挥谌肟谔帟r(shí)，煙氣最高溫度出現(xiàn)在2測(cè)點(diǎn)處，1測(cè)點(diǎn)的溫度最低，3，4，5，6點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)差異較小，這是由于巷道風(fēng)速較大，很快的將燃燒產(chǎn)生的煙氣吹散至巷道下游，致使2點(diǎn)的溫度較高；而隨著進(jìn)一步深入巷道，風(fēng)速逐漸降低，巷道內(nèi)煙氣分布較為均勻，煙氣溫度差異較小?；鹪次挥诮徊纥c(diǎn)處時(shí)，下風(fēng)側(cè)的測(cè)點(diǎn)隨著燃燒的進(jìn)行，煙氣溫度快速上升，在22 s時(shí)達(dá)到峰值71.8℃，而后出現(xiàn)擾動(dòng)較大的溫度變化，直至323 s，溫度變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，在38℃附近浮動(dòng)，最終隨著燃燒強(qiáng)度的降低趨于環(huán)境溫度。火源位于回風(fēng)口時(shí)，只有距離火源最近的6測(cè)點(diǎn)溫度曲線有變化，1，2，3，4，5測(cè)點(diǎn)溫度在整個(gè)模擬過程都保持在環(huán)境溫度。可見，不同火源位置下，煙氣流動(dòng)差異性較大。

3 不同風(fēng)速下煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3 不同風(fēng)速下煙氣溫度分布對(duì)比

圖3為不同風(fēng)速下巷道各測(cè)點(diǎn)煙氣溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖中可知，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)一致，均是隨著燃燒的進(jìn)行急劇升溫，而后在燃燒平穩(wěn)狀態(tài)下保持相對(duì)穩(wěn)定的高溫，直至燃燒結(jié)束，溫度緩慢降至環(huán)境溫度。溫度最高的點(diǎn)為3測(cè)點(diǎn)，即火源正上方，且最高溫度為930.6℃，而且隨著時(shí)間的推進(jìn)，溫度雖然有所波動(dòng)，但是均維持在800℃，并最終在600 s時(shí)隨著燃燒結(jié)束而驟降至環(huán)境溫度。其余5個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線則比較低，溫度曲線最高的4測(cè)點(diǎn)，其溫度最高值僅為149.2℃，分別對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度曲線進(jìn)行尋峰，得到其最高溫度，見表1。

表1 1m/s時(shí)巷道各測(cè)點(diǎn)煙氣溫度峰值

從表1可以看出，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，各測(cè)點(diǎn)溫度值大小排序?yàn)?＞4＞1＞2＞5＞6，即隨著距離的增加，煙氣溫度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間變長(zhǎng)，比較特殊的是1點(diǎn)的溫度較2點(diǎn)高，這可能是由于1測(cè)點(diǎn)更加接近進(jìn)風(fēng)口，煙氣擴(kuò)散至此處后出現(xiàn)積聚，導(dǎo)致溫度上升，出現(xiàn)了較高溫度。

4 結(jié)論

（1）火源位于入風(fēng)口處時(shí)，巷道煙氣蔓延速度快，分布相對(duì)均勻。下風(fēng)側(cè)各測(cè)點(diǎn)煙氣溫度、濃度和能見度等參數(shù)值差異不大；火源位于巷道交叉點(diǎn)處時(shí)，上風(fēng)側(cè)巷道受火災(zāi)影響很小，下風(fēng)側(cè)處煙氣蔓延很快，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)差別較??；火源位于回風(fēng)口處時(shí)，因?yàn)榻徊纥c(diǎn)的風(fēng)阻作用，只有接近火源的位置受到影響，上風(fēng)側(cè)其他位置各項(xiàng)指標(biāo)正常。

（2）隨著通風(fēng)速度的提升，上風(fēng)側(cè)溫度逐漸降低，直至在4 m/s時(shí)基本不發(fā)生變化；下風(fēng)向的測(cè)點(diǎn)則隨著風(fēng)速的增加，煙氣溫度逐漸提升，直至在4 m/s時(shí)回風(fēng)側(cè)的溫度達(dá)到巷道內(nèi)最高。

[1]Cheng L P,Ueng Th,Liu C W.Simulation of ventilation and fire in the underground facilities[J].Fire Safety Journal,2001,36(6):597-619.

[2]李杰林.礦井自燃火災(zāi)煙氣流動(dòng)及熱環(huán)境的數(shù)值模擬分析與評(píng)價(jià)[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2007.

[3]范寧.基于CFAST的狹長(zhǎng)受限空間火災(zāi)模擬方法研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2009.

[4]褚燕燕，蔣仲安.礦井巷道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(5):13-14,26.

A Study on Smoke Spread Law in Tunnel Fire

YUAN Jin-miao,ZHANG Fang-fang
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003)

Mine fire smoke spread,threatening the lives and safety of underground workers.In this paper,FDS software is used to simulate the features of smoke spread in different conditions of wind speeds and fire location.Applications parameters of smoke temper?ature and smoke concentration,we obtained smoke spread law under different conditions.The results show that:under different fire lo?cation,smoke flow varies greatly;the greater the ventilation velocity,the lower the windward side of the fire source gas concentration,the more downwind side of the flue gas aggregation.

tunnel fire;smoke flow;temperature;simulation

TD75+2

A

1674-0874(2016)05-0061-03

2016-05-08

苑金秒(1979-)，女，河北衡水人，助教，研究方向：土木工程。

〔責(zé)任編輯 王東〕