基于Pyrosim的矿井工作面火灾数值模拟研究

周倍淇

(山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037000)

1 工作面概况

柳湾煤矿隶属于汾西矿业集团有限责任公司。井田大部位于山西省孝义市境内。61122工作面为一进一回的“U”型布置方式,工作面采用后退式开采。61122材巷采用矩形断面,净宽4.0 m,净高3.2 m,净断面积12.8 m2.该巷道与六盘区轨道巷相连,主要用于辅助运输工作面的任务,并且也作为工作面的进风巷和安全通口使用;61122运巷采用矩形断面,净宽4.5 m,净高3.2 m,净断面积14.4 m2.该通道与六盘区轨道巷相连,主要用于工作面的辅助运输、主要运输及回风的任务,并且也作为工作面的回风巷和安全出口使用。

2 模型设计

2.1 Pyrosim基本原理

Pyrosim软件是一款基于场模拟的计算流体力学软件,经大量实例验证,广泛应用在消防工程、安全工程中,可建立火灾模拟模型,并对火灾中的温度、烟气运动进行准确预测分析。

本文用Pyrosim2021版本进行模拟,以火灾中的流体流动为模拟对象,该软件采用大涡模拟的数值求解方法;Pyrosim数值计算过程所用基本控制方程[1]如下:

质量方程:

动量方程:

能量方程:

理想气体方程:

P0(t)=ρRT

式中:ρ为密度,kg/m3;t为时间,s;u为速度,m/s;p为压力,Pa;g为重力加速度,m/s2;f为单位质量,kg;τ为黏性应力,Pa·s;h为焓,J;qr为热辐射通量,W;k为传热系数,W/m2·K;T为温度,K;Di为扩散通量,kg/m2·s;Yi为体积热源,W/m3;P0为环境压力,Pa;R为通用体积常数。

在大涡数值模拟中,通常对划分的网格作简化处理,不够精细,不能直接求得可燃气体与氧气结合发生化学反应的扩散过程,因此采用混合分数燃烧模型。

混合分数燃烧模型中的混合分数是表示气体体积分数的一种方法,它假设可燃气体和氧气的燃烧是一个混合的过程,利用守恒函数可以进行气体组分的求解。混合组分燃烧模型的反应公式为:

VFFuel+V0O2→∑VpProduct

2.2 网格敏感性分析

在Pyrosim中,网格尺寸是计算中最重要的参数,决定了计算结果的准确性和稳定性。计算区域由一个或多个长方体区域构成,一个MESH命令设置一个长方体区域。计算区域再细分成数个小长方体计算单元即矩形网格。因此,在选择网格尺寸时,还需要考虑电脑的性能和计算持续时间等因素。网格划分的计算公式[1]如下:

式中:D*为火源的特征直径,m;Q为火源的热释放速率,kW;ρ∞为空气密度,kg/m3;cp为空气比热,kJ/(kg﹒K);T∞为环境空气温度,K;g为重力加速度,m/s2.

本模拟取ρ∞=1.2 kg/m3,cp=1 kJ/(kg·K),T∞=273 K,g=9.81 m/s2,火源热释放速率取2 000 kW,则计算出D*=1.269 575 843 m;研究显示,使用0.1D*或0.2D*的网格尺寸可以较好地模拟温度的变化趋势[2]。考虑到电脑性能和计算持续时间等因素,最终确定了网格尺寸为0.2D*,即每个网格的大小为0.25 m×0.25 m×0.25 m.

2.3 建立巷道模型

此次模拟计算所采用的物理模型是柳湾煤矿61122工作面进行相对简化而得,计算区域有2个部分组成,分别是进风巷道和工作面;进风巷道尺寸为60 m×4 m×3.2 m,工作面尺寸为100 m×4 m×3.2 m,在进风巷道和工作面上采用边长为0.25 m的单元格作为网格,总共使用了122 880个网格来进行模拟。巷道火灾模型如图1所示。

图1 巷道火灾模型图

2.4 模拟参数设置

1) 火源的设定。结合矿井火灾的常见情况,设定了火源总功率为2 000 kW,火源面积设定为1 m2.根据火灾增长系数而言,选择了“快速火”作为模拟条件,其中a=0.046 89,由公式[3]Q=at2,求得t=207 s,因此火源在207 s时达到最大热释放速率2 000 kW.

2) 初始边界条件。巷道的初始边界条件主要考虑以下4个因素:初始环境温度、初始压力、初始速度和重力加速度。在t=0的初始时刻,假设巷道内的初始条件如下:初始环境温度为20 ℃,初始压力为1.013 25×105Pa的标准大气压,x、y、z共3个方向的初始风流速度均为0,重力加速度设为-9.8 m/s2.

3) 巷道墙壁参数。在考虑墙壁的设计时,主要关注两个因素:壁面厚度和材质。为了保持一致性,将使用钢筋混凝土作为墙面材料,并将厚度设置为100 mm.通常情况下,认为墙壁应该无法被烟雾渗透[4],因此将烟雾扩散系数设置为零。

4) 监测点设置。根据资料统计[5],人体呼吸带位于1.5～1.6 m高处,因此在巷道1.6 m高度设置1排测点;因为火源中心位于进风巷道入口的15 m处,所以在火源正上方相隔10 m设置监测点,编号依次为01、02;在工作面入口间距20 m设置监测点,编号依次为03、04、05、06、07.

5) 风速设置。巷道入口设为supply表面,巷道出口设为open表面;根据《煤矿安全规程》规定,工作面中允许风速范围[5]为0.25～4 m/s;因此,本文选择风速为1 m/s、2 m/s、3 m/s这3个情景进行模拟。

6) 模拟时间。模拟运行时间设置为500 s.

3 模拟结果分析

3.1 烟气蔓延情况分析

图2为不同风速条件下巷道内烟气动态效果图,选取t=50 s、t=100 s、t=200 s、t=500 s时刻的烟气蔓延情况,模拟分析井下火灾发生后烟气在巷道中的运移过程。

图2 不同风速条件下巷道内烟气动态效果图

1) 50 s时的火灾烟气向下风侧进行蔓延,在运移过程中,烟气首先蔓延到巷道顶部,然后随着烟气质量浓度的升高逐渐下降;100 s时巷道内的火灾烟气逐渐升高,对煤矿工人的视线造成了影响;200 s时火灾烟气充满整个巷道。

2) 当风速v<2 m/s时,根据观察结果,100 s时烟气移动到火源的正上方,并出现了烟流逆退的现象。由于火源温度的逐渐提高,火灾烟气将向上风向逆风扩散。200 s时逆退的烟气到达进风巷道的入口,使得浓烟充满了整个巷道。

3) 当风速v≥2 m/s时,烟流逆退现象消失。因此,提高巷道内的风速可以抑制烟流逆退的现象,使火源上风侧的范围不会受到烟气的污染。这个区域可以成为火灾时期的煤矿工人逃生、避难和救灾的安全区域。

3.2 温度分析

图3为巷道内温度测点曲线图,其分析过程如下。

图3 巷道内温度测点曲线图

1) 在3种风速下,巷道内的火灾温度由20 ℃逐渐升高,在200 s左右达到最高温度之后,温度值围绕在最高温度上下小范围波动,趋于稳定。风速v≥2 m/s时,火源上风向区域温度(编号01)保持不变,属于安全区域。

2) 进风巷道的温度测点(编号02),在500 s内的温度均大于其他监测点的温度,说明火源附件区域的温度较高,并且温度在200 s时均超过了井下工作人员的逃生临界温度60 ℃,最高温度都在150 ℃左右。

3) 工作面的温度测点(编号03、04、05、06、07),距离火源位置越远的区域,温度越低,煤矿工人应该在火灾中迅速朝着远离火源的方向逃生。

4 结 语

1) 随着风速的增加,矿井巷道中的火灾烟气逆流时间也逐渐延长。因此,提高巷道内的风速可以抑制烟流逆退,使火源上风向区域不受烟气的污染,成为火灾时期的安全区域。

2) 巷道风速越大,相同位置的温度测点数值越低。由于逐渐增大巷道风速,风流可以带走火源产生的热量,减少一部分的热量聚集,从而使得进风巷道和工作面的温度测点降低。