1 引言

　　礦山火災是礦井重大災害之一，它對井下人員的生命安全、礦井設備、礦產資源以及地表環境都會產生很大的危害。在所有的礦井火災中，自燃火災約占70%以上；尤其在煤礦中，煤炭自燃引起的火災占煤礦火災的90%以上。因此，研究自燃火災巷道煙氣流動的規律以及對火災后巷道內空氣質量的安全評價，對于自燃礦山的火災防治有著重大的意義。

　　對于礦井火災時期煙氣流動的速度場、溫度場、濃度場分布研究，目前已取得一些成果。戚宜欣以化學流體力學理論為基礎建立了火災煙流流動的微分方程組；王省身、蔣軍成建立了火災巷道煙氣流動的場模型并進行了數值模擬計算；劉劍、賈進章建立了火災時期數值模擬的數學模型；張興凱用現場火災實驗得出了溫度場分布規律等。他們對火災巷道中煙流運動的各種場分布規律進行了深入的研究，但對自燃火災發生后，巷道內的空氣質量評價卻涉及不多，更沒有考慮到人的熱舒適度指標。

　　筆者在前人研究的成果基礎上，以廣西銅坑礦自燃火災為實例，依據空氣流動所遵循的控制方程組，對速度場、溫度場等進行數值模擬計算。該數值模擬的方法具有結果直觀、可視化強；可以幫助研究人員減少盲目性，增強目的性，并且可以節約時間和經費，可有效地預測火災蔓延趨勢及流場分布情況。

　　在模擬和評價中，最后突出了以人為本，考慮礦工勞動環境的舒適問題，采用預計熱舒適指標(Predicted Mean Vote, PMV)和預計不滿意百分比(Predicted Percent Dissatisfied，PPD)兩個衡量人體熱舒適感諸多因素最全面的指標，對火災巷道中的空氣質量進行了安全評價，為自燃礦山火災的防治提供了科學依據。

　　2 煙氣流動的基本守恒方程組

　　在礦井自燃后的火災巷道中，高溫煙氣流動為非定常流動及傳熱傳質過程，應遵循以輸運定律或有關的守恒、平衡定律出發而建立起來的化學流體力學基本方程組：

　　1) 連續方程

  

　　2)動力方程

  

　　3)能量守恒方程

  

　　4)組分方程(不考慮化學反應生成率Si')

  

　　式中，

　　

　　——組分氣體i的質量分數。

　　3 煙氣流動場的控制方程

　　煙氣流動場模擬的控制方程組包括連續性方程、動量方程、能量方程、組分方程、紊流動能方程和紊流動能耗散率方程，所有這些方程都滿足下列通用形式的方程：

 

　　式中，ρ——密度；

　　V——速度失量：

　　Ф——某一通用物理量；

　　

　　——不穩定態項；

　　    

　　——對流項；

　　

　　——擴散項；

　　SФ——源項；

　　ΓФ——通用物理量Ф的有效輸運系數。

　　所自的控制方程Ф，ΓФ，SФ如下表所示。

 

  

　　式中，u, v——速度分量；

　　μeff ——有效紊流擴散系數；

　　σ t——紊流粘性；

　　k——紊流動能；

　　ε——紊流動能耗散率；

　　G b——紊流動能浮力產生項；

　　G k——紊流動能平均速度梯度產生項。

　　4 初始及邊界條件

　　4.1 火源的處理

　　不考慮礦石自燃的具體燃燒過程，只簡單地將火源處理成一高溫定溫區，核心溫度為150℃，不斷地向周圍釋放熱量和煙氣。高溫煙流在巷道內流動過程中不再發生化學反應，產生的高溫煙氣中主要考慮組分SO 2，濃度為77.4×1O -6。

　　4.2邊界條件

　　入口處風流速度V in=1.5 m/s，溫度20℃，紊流動能

 

　　動能耗散率

  

　　系數C D =1.0。

　　出口邊界條件采用局部單向化假設，即認為出口截面上的節點對第一個內節點無影響，離散化方程系數aE=0。

　　在巷道壁面，假定煙流不可滲透，氣密性好，在壁面處擴散通量為0，粗糙度取0.03 m，壁面溫度等于巷道圍巖冷卻帶的溫度為20℃。

　　5 工程實例

　　5.1 工程背景

　　華錫集團公司銅坑礦細脈帶礦體屬高溫一中溫熱液交代型礦床，礦體含硫量高達13.3%，如暴露在通風好的情況下極易氧化而引起自燃，產生的高溫以及SO 2等有毒氣體，對井下生產及地面環境造成了嚴重的影響。

　　近年來，隨著開采活動的繼續、民采的盜采礦柱等，隔火礦柱和密閉墻遭到了嚴重的破壞，導致火區“活化”，礦巖重新發生自燃而引起火災，產生的SO 2氣體竄到井下作業面，引起井下作業人員的中毒或窒息，嚴重威脅著礦山的安全生產。因此，對地下火和毒氣蔓延的控制已刻不容緩。

　　5.2 數值計算與安全評價

　　選取一中段水平巷道為模擬對象，長度為60 m，高度為2.8 m，自燃發火區位于巷道頂板處，距巷道入口處的距離為15 m。煙氣流動的速度矢量圖、溫度分布圖如圖1、圖2所示。

 

  

　　從圖1中可以看出，*近火源區域的風流速度要比遠離火源區域的風流速度慢，這是因為礦井發生火災后，巷道內風流受到高溫的加熱作用，密度發生變化，在重力場的作用下誘發對流，此時的風流流動主要由浮升力和主要通風機的風壓所控制。

　　在*近火源的區域，氣體受熱后膨脹，能對氣體的流動產生一定的阻止作用；而由于入口處的風速較大，煙氣上浮的趨勢明顯地被高風速所抑制，所以煙流在巷道中并沒有產生逆流現象，而是沿著巷道的軸向方向蔓延。

　　由圖2的溫度分布圖可以看出火源處的溫度隨著風流不斷向巷道軸向方向擴散，并且逐漸地降低，溫度曲線呈下滑狀。斷面煙流溫度分布也不均勻，*近巷道頂板的煙流溫度高，而*近底板或壁面煙流溫度低。溫度場分布的情況與文獻中的實際巷道火災實驗結果一致，因而用該數值模擬方法所得出的結果是可*的。

　　由圖3可知，在入口至火源的區域內的PMV較低，人體感覺適中，并未出現悶熱的現象。其原因是入口處的風流速度較大，抑制了高溫的擴散。而火源至出口之間的巷道內熱舒適度值都很高，說明了煙流氣體均被排至該段巷道中去了，而前段巷道中的風流則為新鮮風流，通過圖4中的空氣齡指標也表明了上述現象。

  

　　經計算，整個模擬區中的預計熱舒適指標值為：min=-2.3148，max=3，mean=1.12。

 

　　經計算，整個模擬區中的預計不滿意百分比值為：min=5.00，max=99.12，mean=84.73。

　　從圖5可以看出，PPD先逐漸變小，后又逐漸增大，筆者認為，入口處的風速較大，在離火源區較遠處出現了人體感覺“偏冷”的現象，而隨著氣流不斷接近火源區，吸收了火源區所擴散出來的溫度，氣流得到了升溫，人體感覺逐漸地由冷至適中，所以在一定范圍內PPD值得到了減小。

 

　　在火源區附近，由于各處的溫度不同，浮升力大小不均勻，驅動著氣體上浮流動，即出現巷道下部的煙氣流動速度要比上部快，上部的高溫煙氣得不到有效的擴散，在巷道上部區域出現了“聚集”，從而使PPD值逐漸的增大，并且下部區域的PPD值始終比上部的要低。

　　6 結論

　　1)得出了自燃火災巷道中高溫煙流的速度場、溫度場分布規律。為礦山制定出行之有效的安全預案及準確的救援決策信息，包括高溫、有毒有害氣體大量涌出時的安全應急方案、人員撤退路錢的選擇、風機的布置、避險硐室位置的確定等提供了技術依據。

　　2)當巷道入口處的風速Vin=1.5m/s時，火災巷道中的煙氣并沒有出現逆流現象，說明當礦石自燃發生火災時，采用該風速可以滿足巷道內通風排煙的要求。

　　3)采用數值模擬的方法，可以幫助研究人員減少盲目性，增強目的性，并且可以節約時間和經費，可有效地預測火災蔓延趨勢及流場分布情況，對礦山的安全生產有很強的指導意義。

　　4)在建立模型中，對邊界條件作了一定的假設和初始化，作為進一步研究，可考慮加入更復雜的邊界條件，使之與工程實際更接近，以便能得出更為精確的模擬結果。