基于Pyrosim的礦井工作面火災數值模擬研究

周倍淇

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037000)

1 工作面概況

柳灣煤礦隸屬于汾西礦業集團有限責任公司。井田大部位于山西省孝義市境內。61122工作面為一進一回的“U”型布置方式,工作面采用后退式開采。61122材巷采用矩形斷面,凈寬4.0 m,凈高3.2 m,凈斷面積12.8 m2.該巷道與六盤區軌道巷相連,主要用于輔助運輸工作面的任務,并且也作為工作面的進風巷和安全通口使用;61122運巷采用矩形斷面,凈寬4.5 m,凈高3.2 m,凈斷面積14.4 m2.該通道與六盤區軌道巷相連,主要用于工作面的輔助運輸、主要運輸及回風的任務,并且也作為工作面的回風巷和安全出口使用。

2 模型設計

2.1 Pyrosim基本原理

Pyrosim軟件是一款基于場模擬的計算流體力學軟件,經大量實例驗證,廣泛應用在消防工程、安全工程中,可建立火災模擬模型,并對火災中的溫度、煙氣運動進行準確預測分析。

本文用Pyrosim2021版本進行模擬,以火災中的流體流動為模擬對象,該軟件采用大渦模擬的數值求解方法;Pyrosim數值計算過程所用基本控制方程[1]如下:

質量方程:

動量方程:

能量方程:

理想氣體方程:

P0(t)=ρRT

式中:ρ為密度,kg/m3;t為時間,s;u為速度,m/s;p為壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;f為單位質量,kg;τ為黏性應力,Pa·s;h為焓,J;qr為熱輻射通量,W;k為傳熱系數,W/m2·K;T為溫度,K;Di為擴散通量,kg/m2·s;Yi為體積熱源,W/m3;P0為環境壓力,Pa;R為通用體積常數。

在大渦數值模擬中,通常對劃分的網格作簡化處理,不夠精細,不能直接求得可燃氣體與氧氣結合發生化學反應的擴散過程,因此采用混合分數燃燒模型。

混合分數燃燒模型中的混合分數是表示氣體體積分數的一種方法,它假設可燃氣體和氧氣的燃燒是一個混合的過程,利用守恒函數可以進行氣體組分的求解?；旌辖M分燃燒模型的反應公式為:

VFFuel+V0O2→∑VpProduct

2.2 網格敏感性分析

在Pyrosim中,網格尺寸是計算中最重要的參數,決定了計算結果的準確性和穩定性。計算區域由一個或多個長方體區域構成,一個MESH命令設置一個長方體區域。計算區域再細分成數個小長方體計算單元即矩形網格。因此,在選擇網格尺寸時,還需要考慮電腦的性能和計算持續時間等因素。網格劃分的計算公式[1]如下:

式中:D*為火源的特征直徑,m;Q為火源的熱釋放速率,kW;ρ∞為空氣密度,kg/m3;cp為空氣比熱,kJ/(kg﹒K);T∞為環境空氣溫度,K;g為重力加速度,m/s2.

本模擬取ρ∞=1.2 kg/m3,cp=1 kJ/(kg·K),T∞=273 K,g=9.81 m/s2,火源熱釋放速率取2 000 kW,則計算出D*=1.269 575 843 m;研究顯示,使用0.1D*或0.2D*的網格尺寸可以較好地模擬溫度的變化趨勢[2]?？紤]到電腦性能和計算持續時間等因素,最終確定了網格尺寸為0.2D*,即每個網格的大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m.

2.3 建立巷道模型

此次模擬計算所采用的物理模型是柳灣煤礦61122工作面進行相對簡化而得,計算區域有2個部分組成,分別是進風巷道和工作面;進風巷道尺寸為60 m×4 m×3.2 m,工作面尺寸為100 m×4 m×3.2 m,在進風巷道和工作面上采用邊長為0.25 m的單元格作為網格,總共使用了122 880個網格來進行模擬。巷道火災模型如圖1所示。

圖1 巷道火災模型圖

2.4 模擬參數設置

1) 火源的設定。結合礦井火災的常見情況,設定了火源總功率為2 000 kW,火源面積設定為1 m2.根據火災增長系數而言,選擇了“快速火”作為模擬條件,其中a=0.046 89,由公式[3]Q=at2,求得t=207 s,因此火源在207 s時達到最大熱釋放速率2 000 kW.

2) 初始邊界條件。巷道的初始邊界條件主要考慮以下4個因素:初始環境溫度、初始壓力、初始速度和重力加速度。在t=0的初始時刻,假設巷道內的初始條件如下:初始環境溫度為20 ℃,初始壓力為1.013 25×105Pa的標準大氣壓,x、y、z共3個方向的初始風流速度均為0,重力加速度設為-9.8 m/s2.

3) 巷道墻壁參數。在考慮墻壁的設計時,主要關注兩個因素:壁面厚度和材質。為了保持一致性,將使用鋼筋混凝土作為墻面材料,并將厚度設置為100 mm.通常情況下,認為墻壁應該無法被煙霧滲透[4],因此將煙霧擴散系數設置為零。

4) 監測點設置。根據資料統計[5],人體呼吸帶位于1.5～1.6 m高處,因此在巷道1.6 m高度設置1排測點;因為火源中心位于進風巷道入口的15 m處,所以在火源正上方相隔10 m設置監測點,編號依次為01、02;在工作面入口間距20 m設置監測點,編號依次為03、04、05、06、07.

5) 風速設置。巷道入口設為supply表面,巷道出口設為open表面;根據《煤礦安全規程》規定,工作面中允許風速范圍[5]為0.25～4 m/s;因此,本文選擇風速為1 m/s、2 m/s、3 m/s這3個情景進行模擬。

6) 模擬時間。模擬運行時間設置為500 s.

3 模擬結果分析

3.1 煙氣蔓延情況分析

圖2為不同風速條件下巷道內煙氣動態效果圖,選取t=50 s、t=100 s、t=200 s、t=500 s時刻的煙氣蔓延情況,模擬分析井下火災發生后煙氣在巷道中的運移過程。

圖2 不同風速條件下巷道內煙氣動態效果圖

1) 50 s時的火災煙氣向下風側進行蔓延,在運移過程中,煙氣首先蔓延到巷道頂部,然后隨著煙氣質量濃度的升高逐漸下降;100 s時巷道內的火災煙氣逐漸升高,對煤礦工人的視線造成了影響;200 s時火災煙氣充滿整個巷道。

2) 當風速v<2 m/s時,根據觀察結果,100 s時煙氣移動到火源的正上方,并出現了煙流逆退的現象。由于火源溫度的逐漸提高,火災煙氣將向上風向逆風擴散。200 s時逆退的煙氣到達進風巷道的入口,使得濃煙充滿了整個巷道。

3) 當風速v≥2 m/s時,煙流逆退現象消失。因此,提高巷道內的風速可以抑制煙流逆退的現象,使火源上風側的范圍不會受到煙氣的污染。這個區域可以成為火災時期的煤礦工人逃生、避難和救災的安全區域。

3.2 溫度分析

圖3為巷道內溫度測點曲線圖,其分析過程如下。

圖3 巷道內溫度測點曲線圖

1) 在3種風速下,巷道內的火災溫度由20 ℃逐漸升高,在200 s左右達到最高溫度之后,溫度值圍繞在最高溫度上下小范圍波動,趨于穩定。風速v≥2 m/s時,火源上風向區域溫度(編號01)保持不變,屬于安全區域。

2) 進風巷道的溫度測點(編號02),在500 s內的溫度均大于其他監測點的溫度,說明火源附件區域的溫度較高,并且溫度在200 s時均超過了井下工作人員的逃生臨界溫度60 ℃,最高溫度都在150 ℃左右。

3) 工作面的溫度測點(編號03、04、05、06、07),距離火源位置越遠的區域,溫度越低,煤礦工人應該在火災中迅速朝著遠離火源的方向逃生。

4 結 語

1) 隨著風速的增加,礦井巷道中的火災煙氣逆流時間也逐漸延長。因此,提高巷道內的風速可以抑制煙流逆退,使火源上風向區域不受煙氣的污染,成為火災時期的安全區域。

2) 巷道風速越大,相同位置的溫度測點數值越低。由于逐漸增大巷道風速,風流可以帶走火源產生的熱量,減少一部分的熱量聚集,從而使得進風巷道和工作面的溫度測點降低。