矿井火灾期间风流状态模拟方法分析

     矿井火灾期间的风流状态模拟是一项十分复杂的工作。它要求全面了解矿井系统及井巷围岩 的传热特性、火灾的发生发展规律、火灾期间燃烧生成物在通风网络中的传播扩散过程以及 火灾与风流的相互作用过程，并要求能够用数学模型来描述它们，而现今建立的模型基本反 映了实际的风流变化规律，又能在计算机上快速得到结果，满足直观快速的救灾实战要求 。
　　1967年，英国的Roberts和Clough发表的关于木材支护在井下巷道中的火灾传播规律的论文 中首次提出了根据火灾区流出气体的组份，将火灾传播方式分为富氧火灾（Oxygen-rich fi res）和燃料过剩火灾（Fuel-rich fires）。富氧火灾指的是流出的烟流中氧气浓度超过15 %的火灾；燃料过剩火灾是指流出火灾区的烟流中含有过剩的燃料气体。燃料过剩火灾区可 划分为冷却带、焦炭带、燃烧带、过余燃料带和预热带。对富氧火灾来说，由于燃料不会存 在过剩的问题，因此没有过余燃料带。通过能量平衡方程，获得了描述燃料过剩火灾各参数 之间相互关系的方程式。因此这种火灾分类和分带方法，获得了广泛的认同。
　　实际上矿井火灾大多数都是由较小的点火源引起的，再逐渐发展成富氧火灾，并大多停留在 富氧状态。只有在点火源大且持续时间长、风速低、燃料丰富等条件下，才可能发展成为燃 料过剩火灾。随着各种条件的变化，火灾的状态也是变化的，并不总是保持在一种稳定 的状态。
　　1　火源特性曲线的模拟
　　在火灾通风模拟时，目前确定火源参数的方法是采用火灾发展特性曲线，即根据相似条件 下发生的火灾事故，进行火灾模拟试验，确定火源温度。用这种方法，可以比较客观地对各 种不同规模、不同发展趋势的火灾的全过程进行模拟。根据大量的燃料燃烧实验资料（包 括皮带、木料、煤炭等）确定多种火源特性曲线，供火灾模拟时使用。当然，提供的火源 特性曲线与实际情况会有出入，但此模拟的结果仍有重要的参考价值。
图1　木柴、皮带燃料燃烧特性（略）
　　在火灾发生过程中，火源特性曲线的温度和烟气浓度随时间变化有一共同特点，即开始的上 升阶段，中间的稳定阶段，其后的下降阶段。上升阶段时间较短，斜率较大；稳定阶段达到 最高值，稳定的时间依可燃物的数量及火势大小而定；下降阶段，时间较长，斜率较小。
　　图1所示为重庆煤科分院在模拟平峒内做的实验燃烧曲线。燃烧实验的条件如下： 燃烧物质：木柴1000kg，皮带204kg（长为24m，每米85kg）； 燃烧开始前巷道风速为173m/s。用以模拟木支护巷道内的皮带火灾。 图1上半部的纵坐标为烟气折算浓度C%（CO2和CO之和），图1下半部的纵坐标为火源 温度T（℃）。
　　2　火灾气体在通风网络中传播过程模拟方法
　　火灾气体（或其它污染物）在矿井通风网络中，随着风流的流动而向前传播。并且在随风流 动过程中还伴随着烟流的扩散运动。由于火灾期间矿井通风系统风流状态的不断变化，火灾 烟流的浓度也在不断变化。因此，火灾烟流浓度在通风网络中随时间和空间变化的规律极其 复杂。 在进行火灾期间通风模拟时，烟流扩散传播过程的模拟是一个重要的组成部分，这也是进行 温度分布计算的基础。1982年，美国的格鲁尔（REGreuer）等人最早进行了烟流扩 散的 动态模拟，他们采用的方法是在通风网络内定义一系列等烟流浓度的控制体，在一个微小时 间区间内，将所有控制体同时向前移动。具体步骤是：首先将计算时间区间分解为一系列微 小时间区间，在每个时间区间△T内，先计算火源和检查节点浓度变化情况，形成新的 控制 体，然后将各分支中已存在的控制体向前移动，当控制体到达分支末节点后，进行节点浓度 平衡计算，并在后续分支中形成新控制体，当每条分支中的控制体数超过6个时，将前面的 控制体注销，以节省内存。这种方法的局限在于：①微小时间区间△T不易确定，若选得太 小则计算工作量太大，若选得太大则烟流波峰一次可能通过不止一个节点，使计算过程复杂 化；②每个分支中都保留6个等浓度控制体，导致内存单元的有效利用率低，一方面没有烟 流通过巷道中的单元空闲，另一方面有烟流流过的巷道中控制体太少，不能完整地记录下巷 道中烟流浓度的变化情况；③每个计算区间还要再分解为许多微小区间进行计算，计算工作 量大；④当与风流温度分布计算结合起来时，计算工作量更大；⑤在每个时间区间△T内， 假设烟流浓度不变，这样才能形成等浓度的控制体。 本文提出了一种新的烟流扩散动态模拟方法。基本思路是：假设在一个较小的时间区间内， 火源的烟流（或其它污染物）浓度是线性（单调）变化的，同时在此时间区间内通风网络的 风流状态不变，且不考虑烟流前锋的分子扩散运动，烟流浓度在一个巷道断面上均匀。某一 时刻从火源流出的烟流（称为烟流锋面）在随风流流动过程中，除在风流交汇处不同浓度 混合后浓度发生变化外，其浓度保持不变。
　图2　火源烟流浓度的计算模型（略）
　　假设在某个时间区间（t0→t1）内，火源处烟流浓度单调增加，如图2（〖WTBZ〗a〖WT 〗）所示，则在火源后 侧烟流流过的巷道区段（O→L）内，t1时刻的烟流浓度分布是随离火源距离的增加而 单调下 降（不考虑风流汇合时），如图2〖WTBZ〗（b〖WT〗）所示。记录〖WTBX〗t1时刻的火源烟 流浓度C1，烟流前锋的浓度 Co及共离火源（前节点）的距离L，就可以确定t〖WT〗1时刻该巷道中的烟流浓度分布。 在进行下 一时间区间的烟流传播计算时，将上次计算中得到的烟流前锋保留，作为一个新的污染源处 理，继续向前传播。当考虑通风网络中风流的汇合时，在每个烟流锋面到达分支的末节点后 ，立即进行节点烟流浓度平衡计算，得到一个新浓度的烟流锋面，并将它向后续巷道继续传 播，直至时间区间完毕，烟流锋面停止运动，或锋面到达大气节点后消失。烟流在各分支中 运动的变化规律与前述相似。 为保证不同污染源（或烟源锋面）向前传播计算时先后顺序的正确，先计算各污染源顺风向 至地面节点所需的最长时间，然后按此时间值由小到大（即由后向前）将各污染源排序，顺 序计算。对每一污染源，则首先按烟流经过各分支的时间顺序，找出烟流在所计算的时间区 间内要流过的所有分支，然后按顺序向前计算各分支中的烟流浓度分布。 计算机软件中用于记录通风网络中每一时刻烟流浓度分布的参数如下：
（1）各烟流锋面（污染源）的参数，包括：锋面所在的分支号；锋面离分支始节点的 距离；烟流锋面的浓度；该锋面烟流浓度随时间的变化斜率；保持该变化斜率的时间 。
（2）各分支末端的烟流浓度。
（3）各节点的平衡烟流浓度。
（4）各分支的加权平均烟流浓度。
　　由以上参数就可以较准确地得到该时刻火灾烟流在通风网络中的分布情况。
　　从发生火灾时刻开始，选择一定的时间间隔，一个一个时间区间地向前模拟，可以改变各时 间区间的烟流浓度及其变化率，并结合风流状态的模拟解算，就可以较完整地获得通风网络 中烟流浓度动态的变化过程。
　　3　火灾期间风流状态的模拟
　　所谓动态模拟，就是以一定的时间步长为单位，从火灾着火时刻开始，一段时间一段时间地 向前模拟，得到各个时刻的风流状态。每个时间段的火源参数都可以改变，从而近似模拟出 矿井火灾期间通风网络中风流动态变化的全过程。
　　在进行各个时间区间的模拟计算时，都是以该区间的初始风流状态、网络中烟流蔓延情 况为基础，在当前的网络条件下，计算时间区间结束时烟流的蔓延情况，然后计算出风温分 布、各分支的修正风阻、位能差及各独立回路的热风压，最后进行网络解算，得到时间区间 结束时的风流状态。
　　目前对每个时间区间内的风流状态的变化过程，主要有两种处理方法：一是假设风流状态在 每个时间区间内最终都达到准平衡状态，在计算时以解算得到的风流状态为基础，重新 解算新的风流状态，直至收敛于某一平衡状态为止。另一是假设在每个时间区间内的风流状 态保持初始状态不变，因而每个区间内只进行一次计算，得到的风流状态即是区间末端的风 流状态。
　　这两种方法实质上都是用一系列的准平衡状态来模拟风流的动态变化过程。方法一是用 区间结束时的风流状态作为整个区间的准平衡风流状态，方法二则是用区间开始的风流 状态作为区间的准平衡风流状态。显然方法一的计算工作量比方法二多得多，而且 在某些条件下，若某分支风流方向在一个时间区间内不稳定时，会出现迭代过程不收敛 的问题。从模拟的准确性来看，方法一并不比方法二优越。因此，方法二可优 先选用。
　　4　结束语
　　本文提出的火灾燃烧特性的加载方法和风流状态的模拟方法具有节省计算时间，提高计算机 内存有效利用率，易于与烟流浓度分布和烟流风温分布计算结合等优点。通过在天能 集团马庄煤矿“矿井火灾与通风管理系统”项目的成功应用，上述方法被证明是切实有 效的。该项目荣获1998年煤炭工业科学技术进步三等奖。对于如何更真实地描述火灾燃烧特 性、模拟火灾期间的风流状态，值得进一步研究和完善。