寺河煤矿二号井工作面进风巷下行风流控制研究

赵韶波

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司， 山西 晋城 048000）

引言

矿井火灾作为煤炭开采的常见灾害之一，对生产以及工作人员的生命安全有极大的威胁[1-3]。本文主要研究了寺河煤矿工作面进风巷下行风流火灾流动特性，并进行了通风改进，收到了良好的效果。

1 矿井下行风流火灾时期风流流动规律分析

寺河煤矿二号井工作面采用切顶卸压沿空留巷技术进行开采，工作面采用Y 型通风方式，由于沿空留巷方法原理限制问题，工作面及采空区容易出现瓦斯涌出异常导致矿井火灾。当矿井发生火灾没有及时进行救灾时，火灾产生大量的浓烟以及有害气体迅速充满狭小巷道，影响通风效果，当火灾事故严重时，巷道内极易出现风流紊乱现象，彻底扰乱矿井的通风系统。

风流紊乱是指在矿井发生火灾时，因燃烧产生的气体以及气量干扰了巷道内原有的通风设计，气流发生变化时，加速了工作面以及采空区气体的燃烧，使得火灾范围扩展迅速，其主要表现有以下两种。

1.1 烟流逆退现象

图1 为烟流逆退现象示意图，从图中可以看出，当矿井发生火灾时，气体燃烧后因密度小的原因主要聚集在顶板位置，形成一定区域的顶板射流区，射流区的气体一部分会顺着矿井通风方向流出，另外一部分会以回流的方式流进巷道进风侧，此回流现象称为烟流逆退。矿井火灾现象较为复杂，燃烧的气体由于浓度以及燃烧速度等的差异，导致烟流逆退现象不同，靠近巷道顶板的燃烧气体在岩石吸附阻力的作用下流动速度最小，随着和顶板距离的增加，气体速度加快，在巷道底部气体的速度最小，出现临界速度。在气体悬浮的作用下，烟气前端往往会出现下沉又上升的趋势，形成的旋涡将新鲜空气卷吸进来，扩大了旋涡范围。

图1 烟流逆退现象示意图

1.2 风流逆转现象

火灾发生会直接影响气体的密度，燃烧气体使得气体密度迅速变化，在风压的作用下使得通风系统中的部分区域风流方向发生变化，当风向发生变化后，有毒有害气体可能流向进风巷以及采空区，严重影响生产的进行，当风流逆转现象严重时，对矿井生产的影响程度也不同。为此进行相关方面的研究就显得尤为重要。

2 矿井下行风流火灾数值模拟及分析

当火灾发生在下行风流巷道时，燃烧产生的高温气体迅速充满顶板上空区域，因为机械通风由高向低的通风原理，标高较低的巷道内烟流逆退现象严重，在相反风压的作用下，极易出现倒吸现象，倒吸的新鲜空气使得火势增加，造成二次火灾现象，二次火灾使得通风更加复杂，加大了火灾控制的难度。

为此对矿井下行风流进行数值模拟分析，借助PyroSim 数值模拟软件，对寺河煤矿工作面进行研究，数值模型如下页图2 所示，进风巷和回风巷尺寸一致，长45 m、宽5 m、高4 m。火源发生的位置距离地面1.4m，距离进风巷道约11m远，整个胶带长10m、宽1.7 m、高0.3 m。

为了对比不同倾角下进风巷内气体的流动特性，因此分别对倾角为5°、10°、15°和 20°进风巷道进行了数值模拟研究。

为了保证模拟计算结果的准确性，因此在进行网格划分的时候，利用火源特征直径方程确定最为合适的单元格以保证模拟结果的准确性。

图2 数值模拟模型图

式中：火源特征直径为D*，m；空气密度为ρ∞，kg/m3；空气比热容为Cp，kJ/（kg·K）；g 取9.8 m/s2；Q 为热释放速率，kW；

模型建立进行网格划分后，对其进行边界条件设定：

1）当矿井未发生火灾时，巷道内收到1 个大气压作用，巷道温度维持在20 ℃，进风巷道的初始风速为2.1 m/s，巷道内的平均风速满足0.15～4.5 m/s 之间；

2）假设巷道壁为绝对隔热，不存在与燃烧气体的热交换问题，为得到隔热的效果，将墙壁厚度设置为0.2 m。

3）火源燃烧的面积为1 m2，胶带为引火源，胶带的长度为11 m；

4）整个模拟运行时间为800 s。

模拟通过布置在巷道内的探测点测得，本文研究巷道内CO 以及温度的变化规律。

图3 为不同坡度下进风巷道内CO 浓度（体积分数，在本文研究中同温同压下体积分数即为摩尔分数）随时间的变化曲线。从图3-1 中可以看出，不同坡度下进风巷道下层CO 浓度整体较低，在各个坡度下，因为燃烧气体的烟流逆退使得CO 浓度浓度增加时间普遍延长21 s，顶层烟气在蔓延以及沉降作用下，烟气逐渐向巷道低层下沉，直至到下层位置；从图3-2 中可以看出，当火灾燃烧时间在300～500 s 时间内，不同坡度巷道内的CO 浓度相对稳定，但是随着坡度的增加，CO 浓度减少，从5°坡度的0.001 4 降低至20°坡度的0.000 5，究其原因，当进风巷坡度较小时，坡度浮力效应不明显；当坡度有所增加时，进风巷道上层CO 达到峰值后便会下降，下降时间点约为215 s 处，在300 s 之后，随着坡度的增加，CO 浓度减少，究其原因，火风压达到一定数值后，阻碍了气体的流动，因此下风侧CO 浓度较低。

图3 不同坡度下进风巷道内CO 体积分数随时间的变化曲线

图4 不同坡度下进风巷道温度随火源距离的变化曲线

图4 为不同坡度下进风巷道温度随火源距离的变化曲线。从图4-1 中可以看出，在距离火源4 m 的位置巷道顶部温度达到最高，随着与火源距离的增加，温度逐渐降低，在距离火源较远的两侧巷道温度最低，由于受通风的影响，巷道坡度为5°时温度变化曲线最接近水平巷道温度变化曲线；当巷道坡度较大时，巷道内浮力效应明显，温度也会在浮力效应影响下向顶板方向移动。从图4-2 中可以看出，火源附近的最高温度达到1 150 ℃，随着巷道坡度的增加，火风压作用明显，使得上风侧段气体浓度增加，因此使得温度普遍较高，当距离火源较远时，不同坡度下巷道温差差异不大。

3 现场应用

针对上述数值模拟结果，对寺河煤矿二号井进行通风系统改进，改进后的通风系统中设置三个风门，分别编号1、2、3，其中进风巷道97213 编号为1、进风巷道97214 编号为2、回风巷道编号为3。正常情况下，保证进风巷道风速维持在2 m/s 左右，两条进风巷道的开度保持在1.5 m×3.5 m；当发生火灾后，进行风量控制操作，加大通风量，使得进风巷道内的风速达到6.5 m/s，两条进风巷道全部打开，回风巷道的开度为0.8 m×1.5 m。改进后对巷道内气体浓度以及温度进行测量，观察效果。

图5 为进风巷CO 体积分数随时间的变化曲线，从图5 中可以看出，不论距离进风巷距离多远，CO 浓度波动范围都在0～0.000 032 之间，此值远远低于CO 对人体有害浓度值0.000 5，对工作人员的生命安全不构成威胁，可以保证正常的生产，一旦发生火灾，也不会影响救灾任务的进行。

图6 为工作面温度随时间的变化曲线，可以看出，在新的通风方案下，工作面整体温度都小于21 ℃，在200 s 左右，温度开始上升，证明当火灾发生时，需要200 s 的时间才可以达到工作面，但是因为工作面温度较低，所以不会导致火灾事故的蔓延，因此对人体的伤害也可以忽略。可以看出，新的通风方案下，巷道的风流量大，风流稳定，可以有效控制火灾事故的蔓延，保证生产的安全高效进行。

图5 进风巷CO 体积分数随时间的变化曲线

图6 工作面温度随时间的变化曲线

4 结论

通过对寺河煤矿二号井下行风流火灾流动规律的探讨，在数值模拟试验的基础上，得到了进风巷倾角大于10°时，巷道内烟气浓度以及温度容易超标的结论，在新的通风方案下，巷道内气体以及温度得到很好的控制，保证了生产的顺利进行。