郝海清，蔣曙光，王 凱，吳征艷，裴曉東，邵 昊

（1.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

國(guó)內(nèi)外死亡數(shù)十人甚至數(shù)百人的煤礦重大惡性火災(zāi)事故中，90%源于井巷火災(zāi)[1-2]。由于井下巷道空間限制、高低落差大、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜等，災(zāi)后無(wú)法實(shí)時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控風(fēng)排煙，快速隔離排出有毒有害氣體以滿足防災(zāi)、控災(zāi)、抗災(zāi)和救災(zāi)的需要，而導(dǎo)致重大人員傷亡[3]。因此，快速有效的控風(fēng)排煙方案是救災(zāi)的關(guān)鍵。

針對(duì)以上重大需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了MFire、Vent-PC、Vent-sim、礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)（MVSS）、Cross Fire 等一系列災(zāi)變風(fēng)煙流模擬軟件，研究了火災(zāi)煙流的演化規(guī)律和破壞效應(yīng)[4-9]。同時(shí)，許多學(xué)者對(duì)火災(zāi)時(shí)期的致災(zāi)特性和煙流運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析。文虎等[10]在平巷中通過(guò)數(shù)值模擬獲取風(fēng)速對(duì)煙氣組分分布的影響規(guī)律，不同火源強(qiáng)度下溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化規(guī)律；張玉濤等[11]采用多維混合模擬技術(shù)對(duì)巷道火災(zāi)進(jìn)行模擬，得出多維混合模擬比一維對(duì)風(fēng)流參數(shù)變化更敏感，能夠?qū)饒?chǎng)風(fēng)速、溫度等參數(shù)變化進(jìn)行快速響應(yīng)；程衛(wèi)民等[12]、張圣柱等[13]采用SIMPLE 算法模擬了火災(zāi)時(shí)期的壓力、溫度、污染物的分布規(guī)律，得出受災(zāi)影響區(qū)域主要為火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)的結(jié)論；李翠平等[14-15]構(gòu)建了礦井煙流動(dòng)態(tài)蔓延的三維仿真模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證揭示了煙流溫度、濃度等的參數(shù)的時(shí)空演化規(guī)律。在風(fēng)煙流連續(xù)調(diào)控方法及裝備方面，吳兵等[16]基于監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)了遙控自動(dòng)風(fēng)門(mén)，提出了控風(fēng)排煙方案，利用MFIRE 軟件驗(yàn)證了方案可行性及可靠性；盧新明等[17]提出礦井通風(fēng)系統(tǒng)的全局控制方法，通過(guò)多種風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)礦井全局風(fēng)量的優(yōu)調(diào)優(yōu)控；王凱等[18-19]、郝海清等[20]運(yùn)用通風(fēng)學(xué)、流體力學(xué)及燃燒學(xué)相關(guān)理論，分析了火災(zāi)蔓延速度和煙流逆退對(duì)災(zāi)變時(shí)期風(fēng)煙流調(diào)控的影響，提出了災(zāi)變時(shí)期風(fēng)煙流遠(yuǎn)程區(qū)域聯(lián)動(dòng)控制的方法，實(shí)現(xiàn)災(zāi)變過(guò)程中風(fēng)煙流的智能調(diào)控及其可視化。

災(zāi)變時(shí)期最有效的抗災(zāi)救災(zāi)手段是實(shí)現(xiàn)風(fēng)煙流可調(diào)可控，通過(guò)設(shè)置風(fēng)煙流調(diào)控系統(tǒng)，應(yīng)急控制災(zāi)變后煙氣動(dòng)向，從而創(chuàng)造良好的逃生條件。雖然前人已對(duì)火災(zāi)時(shí)期燃燒特性及其調(diào)控裝置進(jìn)行了大量研究，但目前仍沒(méi)有一種快速有效的風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控的救災(zāi)方案。為此，在對(duì)現(xiàn)有控風(fēng)排煙方案進(jìn)行深入分析基礎(chǔ)上，研究井巷火災(zāi)風(fēng)煙流擴(kuò)散運(yùn)移、誘導(dǎo)風(fēng)流紊亂和風(fēng)流調(diào)控機(jī)制，進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)煙流調(diào)控方案，提出了同時(shí)滿足災(zāi)變排煙最小風(fēng)量和采區(qū)人員逃生、有害氣體稀釋所需風(fēng)量的最佳控風(fēng)排煙方案，為災(zāi)變時(shí)期應(yīng)急控風(fēng)排煙方案制定提供有效參考。

1 礦井運(yùn)輸巷火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方法

礦井的運(yùn)輸巷道肩負(fù)著帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，電路電纜、壓風(fēng)、排水管路及關(guān)聯(lián)設(shè)備敷設(shè)等，井下設(shè)備用電負(fù)荷大、運(yùn)煤任務(wù)重等問(wèn)題導(dǎo)致巷道內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)非常高。礦井的主運(yùn)輸巷道大多設(shè)計(jì)在主要進(jìn)風(fēng)大巷中，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙流將隨主通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的通風(fēng)負(fù)壓由運(yùn)煤巷道及關(guān)聯(lián)巷道內(nèi)互傳蔓延，進(jìn)入采區(qū)巷道，隨后進(jìn)入工作面，最終導(dǎo)致整個(gè)礦井巷道網(wǎng)絡(luò)全部被煙氣污染，井下遇險(xiǎn)礦工在無(wú)保護(hù)措施的情況下無(wú)法安全逃生。

1.1 運(yùn)輸巷火災(zāi)風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控原理

礦井運(yùn)輸巷道發(fā)生火災(zāi)后，災(zāi)變風(fēng)煙流調(diào)控的最優(yōu)原則為：將煙流限制在最小區(qū)域內(nèi)，并利用最短排煙路徑將其盡快地導(dǎo)入回風(fēng)巷，控制風(fēng)煙流的流量和壓力避免逆流產(chǎn)生，為滅火救援創(chuàng)造良好條件；同時(shí)隔離煙流，在關(guān)聯(lián)巷道創(chuàng)造出新鮮風(fēng)流區(qū)域，為遇險(xiǎn)人員的快速逃生提供條件?；诖?，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了礦井火災(zāi)遠(yuǎn)程救災(zāi)系統(tǒng)，采區(qū)火災(zāi)遠(yuǎn)程救災(zāi)元配置原理圖如圖1。

圖1 采區(qū)火災(zāi)遠(yuǎn)程救災(zāi)元配置原理圖Fig.1 Configuration principle diagram of remote disaster relief element for fire in mining area

基本原理：在主（采區(qū)）運(yùn)輸巷與軌道巷之間的聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置救災(zāi)元（常開(kāi)風(fēng)門(mén)），在主（采區(qū)）運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置閉鎖救災(zāi)元（常閉風(fēng)門(mén)）；災(zāi)變條件下通過(guò)地面中心站利用光纖通信啟動(dòng)井下救災(zāi)元，常開(kāi)風(fēng)門(mén)（FM1、FM2、FM3）關(guān)閉隔離煙流。如運(yùn)輸巷前段著火，則打開(kāi)前端閉鎖風(fēng)門(mén)（FM4）根據(jù)煙流情況滅火撤人；如運(yùn)輸巷后段著火，則打開(kāi)后端閉鎖風(fēng)門(mén)（FM5）根據(jù)煙流情況滅火撤人。

1.2 原控風(fēng)排煙方案存在的不足及改進(jìn)

通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，盡管目前的運(yùn)輸巷火災(zāi)風(fēng)煙流調(diào)控方案效果顯著，能夠滿足很好的排煙效果，但仍存在一些不足之處：①由于礦井巷道網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)發(fā)生的隨機(jī)性較大，發(fā)生的場(chǎng)景不同，在井下巷道網(wǎng)絡(luò)中的蔓延規(guī)律和火災(zāi)煙氣的污染范圍會(huì)具有明顯區(qū)別，故需要分別選取典型的井下不同地點(diǎn)的火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過(guò)程及風(fēng)煙流運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)研究；②由于原控風(fēng)方案直接將運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷短路進(jìn)行排煙，使得運(yùn)輸巷排煙路徑的阻力大大降低，造成運(yùn)輸巷的風(fēng)量迅速增加，礦井大部分風(fēng)量經(jīng)排煙路徑進(jìn)入回風(fēng)巷，導(dǎo)致采區(qū)風(fēng)量驟減，對(duì)于高瓦斯礦井，這既不能滿足采區(qū)人員逃生所需新鮮空氣，也會(huì)引起采區(qū)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)迅速增加，易造成次生災(zāi)害的發(fā)生，故需要進(jìn)一步優(yōu)化控風(fēng)排煙方案；③原控風(fēng)排煙方案僅對(duì)運(yùn)輸巷和軌道巷之間的聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)門(mén)關(guān)閉隔離煙流，隨著運(yùn)輸巷風(fēng)量的增加，部分煙流仍可能經(jīng)運(yùn)輸巷蔓延至采區(qū)人員集中區(qū)域，增加了引發(fā)重大事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于以上調(diào)控需求進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)輸巷火災(zāi)控風(fēng)排煙方案。改進(jìn)的采區(qū)火災(zāi)遠(yuǎn)程救災(zāi)元配置原理圖如圖2。

1）針對(duì)主運(yùn)輸巷和采區(qū)運(yùn)輸巷火災(zāi)，如圖2（a），根據(jù)不同火災(zāi)場(chǎng)景將主/采區(qū)運(yùn)輸巷和主/采區(qū)軌道巷之間的聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置6 個(gè)救災(zāi)元（常開(kāi)風(fēng)門(mén)FM1、FM2、FM3、FM4、FM5、FM6），若在真實(shí)礦井中，風(fēng)門(mén)FM1、FM3、FM5 分別表示在可能的火源點(diǎn)上風(fēng)側(cè)的任意1 個(gè)風(fēng)門(mén)，風(fēng)門(mén)FM2、FM4、FM6 分別表示在可能的火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)的多個(gè)風(fēng)門(mén)；將主/采區(qū)運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的風(fēng)門(mén)改為常閉調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)（TF1、TF2、TF3）;將主/采區(qū)運(yùn)輸巷分為前、中、后部3 個(gè)調(diào)控區(qū)域，在運(yùn)輸巷中的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)TF1 和TF2 的下風(fēng)側(cè)，設(shè)置2 個(gè)閉鎖救災(zāi)元（防火門(mén)FM7、FM8）。相互閉鎖關(guān)系為：FM1、FM2、FM7、TF1 相互閉鎖，F(xiàn)M3、FM4、FM8、TF2 相互閉鎖，F(xiàn)M5、FM6、TF3 相互閉鎖。

2）當(dāng)主/采區(qū)運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)，若火源點(diǎn)發(fā)生在主/采區(qū)運(yùn)輸巷前部，如圖2（b），則FM1 保持常開(kāi)，F(xiàn)M2、FM7 關(guān)閉隔離煙流，調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)TF1 根據(jù)火源大小計(jì)算的風(fēng)量參數(shù)調(diào)節(jié)至合適的風(fēng)量排煙，其余風(fēng)門(mén)不動(dòng)作。風(fēng)流路線為：主/采區(qū)運(yùn)輸巷和主/采區(qū)軌道巷同時(shí)進(jìn)風(fēng)，在火源點(diǎn)前側(cè)的風(fēng)流岔口處，將風(fēng)流分為排煙風(fēng)流和供風(fēng)風(fēng)流，排煙風(fēng)流經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷匯入回風(fēng)巷，供風(fēng)風(fēng)流經(jīng)FM1 匯入主/采區(qū)軌道巷，經(jīng)FM3 再進(jìn)入主/采區(qū)皮帶巷中部繼續(xù)為采區(qū)供風(fēng)，人員可沿新鮮風(fēng)流快速撤離采區(qū)。

圖2 改進(jìn)的采區(qū)火災(zāi)遠(yuǎn)程救災(zāi)元配置原理圖Fig.2 Schematic diagram of improved remote disaster relief element configuration for mining area fires

3）若火源點(diǎn)發(fā)生在主/采區(qū)運(yùn)輸巷中部，如圖2（c），則FM3 保持常開(kāi)，F(xiàn)M4 和FM8 關(guān)閉隔離煙流，調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)TF2 根據(jù)火源大小計(jì)算的風(fēng)量參數(shù)調(diào)節(jié)至合適的風(fēng)量排煙，其余風(fēng)門(mén)不動(dòng)作。風(fēng)流路線為：主/采區(qū)運(yùn)輸巷和主/采區(qū)軌道巷同時(shí)進(jìn)風(fēng)，經(jīng)主/采區(qū)運(yùn)輸巷前部后，在火源點(diǎn)前側(cè)的風(fēng)流岔口處，將風(fēng)流分為排煙風(fēng)流和供風(fēng)風(fēng)流，排煙風(fēng)流經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷匯入回風(fēng)巷，供風(fēng)風(fēng)流經(jīng)FM3 匯入主/采區(qū)軌道巷，經(jīng)FM5 再進(jìn)入主/采區(qū)運(yùn)輸巷中部繼續(xù)為采區(qū)供風(fēng)，人員可沿新鮮風(fēng)流快速撤離采區(qū)。

4）若火源點(diǎn)發(fā)生在主/采區(qū)運(yùn)輸巷后部，如圖2（d），則FM5 保持常開(kāi)，F(xiàn)M6 關(guān)閉隔離煙流，調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)TF3 根據(jù)火源大小計(jì)算的風(fēng)量參數(shù)調(diào)節(jié)至合適的風(fēng)量排煙，其余風(fēng)門(mén)不動(dòng)作。風(fēng)流路線為：主/采區(qū)運(yùn)輸巷和主/采區(qū)軌道巷同時(shí)進(jìn)風(fēng)，經(jīng)主/采區(qū)運(yùn)輸巷前、中部后，在火源點(diǎn)前側(cè)的風(fēng)流岔口處，將風(fēng)流分為排煙風(fēng)流和供風(fēng)風(fēng)流，排煙風(fēng)流經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷匯入回風(fēng)巷，供風(fēng)風(fēng)流經(jīng)FM5 匯入主/采區(qū)軌道巷繼續(xù)為采區(qū)供風(fēng)，人員可沿新鮮風(fēng)流快速撤離采區(qū)。

5）針對(duì)采煤工作面火災(zāi)，如圖2（e），若運(yùn)輸巷前部著火，將中切眼聯(lián)巷內(nèi)的風(fēng)門(mén)（FM9）打開(kāi)，將煙流導(dǎo)入回風(fēng)巷，遇險(xiǎn)人員在工作面靠壓風(fēng)管路等待救援。如果運(yùn)輸巷后部著火，將中切眼聯(lián)巷內(nèi)的風(fēng)門(mén)（FM10）打開(kāi)，將工作面風(fēng)流阻斷，為工作面人員逃生創(chuàng)造條件，工作面遇險(xiǎn)人員快速?gòu)幕仫L(fēng)巷疏散至新鮮風(fēng)流區(qū)域。

2 礦井風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案關(guān)鍵參數(shù)

災(zāi)變風(fēng)煙流聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)將礦井巷道網(wǎng)絡(luò)分為煙流區(qū)和非煙流區(qū)，為了達(dá)到救災(zāi)過(guò)程中的風(fēng)量最佳分配，需要進(jìn)行排煙路徑的風(fēng)阻調(diào)節(jié)。從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與礦井災(zāi)變風(fēng)煙流聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的耦合關(guān)系出發(fā)，研究采取風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案前后風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化與風(fēng)煙流演化規(guī)律。

2.1 防止煙流逆退的臨界風(fēng)速

礦井井巷火災(zāi)是多物理場(chǎng)耦合過(guò)程，火災(zāi)期間風(fēng)煙流蔓延主要是由浮力效應(yīng)、通風(fēng)動(dòng)力和自然風(fēng)壓共同作用的結(jié)果，弗勞德數(shù)守恒模型（Froude）能夠較好表征火災(zāi)期間的流體浮力效應(yīng)，結(jié)合通風(fēng)效應(yīng)，臨界弗勞德數(shù)模型可表示為[21]：

式中：Fr 為弗勞德數(shù)；v 為風(fēng)流速度，m/s；H 為巷道的特征高度，m；g 為重力加速度，m/s2；△T 為煙流與環(huán)境的溫度差，℃；T 為煙流溫度，℃。

在控風(fēng)排煙過(guò)程中，若火災(zāi)煙流發(fā)生逆退，將隨新鮮風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)巷道蔓延至人員集中區(qū)域，造成較大區(qū)域的風(fēng)流污染，引發(fā)重大次生災(zāi)害。故防止煙流逆退的臨界風(fēng)速可作為控風(fēng)排煙的關(guān)鍵參數(shù)，在水平巷道中，因高度差較小，浮力效應(yīng)可忽略不計(jì)，若要防止煙流逆退，只需保證因?yàn)?zāi)變期間風(fēng)煙流密度不同而引起的靜壓差pS等于通風(fēng)動(dòng)壓pd，依據(jù)弗勞德數(shù)模型可推導(dǎo)水平巷道中的煙流逆退的距離d[22]。

式中：pS為靜壓差，Pa；pd為通風(fēng)動(dòng)壓，Pa；h 為煙層高度，m；ρa(bǔ)為環(huán)境密度，kg/m3；Cp為環(huán)境的比熱容，kJ/（kg·K）；T0為環(huán)境溫度，℃；△ρ 為煙流與環(huán)境的密度差，kg/m3；ρ0為風(fēng)流密度，kg/m3；QHRR為熱釋放速率，kW。

在煙流邊界處,臨界弗勞德數(shù)Fr=1 時(shí)煙流不發(fā)生逆退，故：

頂棚射流溫度分布方程為：

式中：△Tmax為煙流最高溫度，℃；k 為溫度衰減系數(shù)；x 為煙流所處位置，m；xr為火源點(diǎn)所處位置，m；γ、ε 為常數(shù)，當(dāng)/Fr1/3＜1.35，γ=1.77，ε=1.2，當(dāng)/Fr1/3≥1.35，γ=2.54，ε=0。

對(duì)于水平巷道，逆退距離d＝x－xr，故結(jié)合式（6）和式（7）可寫(xiě)為：

聯(lián)立式（1）～式（8）可得煙流逆退距離為：

煙煙流逆退距離d=0 時(shí)為煙流逆退的臨界風(fēng)速vc[22]：

式中：t 為特征時(shí)間變量，s。

在傾斜巷道中，因其高低落差大，浮力效應(yīng)作用強(qiáng)，故易發(fā)生煙流逆退現(xiàn)象。當(dāng)巷道中為上行通風(fēng)時(shí)，浮力效應(yīng)與通風(fēng)作用方法相同，故不會(huì)出現(xiàn)煙流滾退現(xiàn)象，而下行通風(fēng)時(shí)它們的作用方向相反經(jīng)常發(fā)生煙流滾退現(xiàn)象。在傾斜巷道中的煙流的驅(qū)動(dòng)力是靜壓差和浮力效應(yīng)壓力的總和，要防止煙流發(fā)生逆退，只需保證通風(fēng)壓力等于靜壓差和浮力效應(yīng)的總壓力△pt。

浮力效應(yīng)產(chǎn)生的壓力△pf為[22]：

傾斜巷道垂直高度△H=dsinθ，故總壓力△pt為：

式中：θ 為巷道傾斜角，（°）。

進(jìn)而得到傾斜巷道中煙流逆退距離關(guān)系式[22]：

煙流逆退距離d 隨著熱釋放速率和弗勞德數(shù)變化而變化，而熱釋放速率和弗勞德數(shù)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，故傾斜巷道中煙流逆退距離d 無(wú)法直接求得，前人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明：在傾斜巷道中防止煙流逆退的臨界風(fēng)速與水平巷道的臨界風(fēng)速的比值和傾斜角度呈線性相關(guān)性。

傾斜巷道火災(zāi)臨界風(fēng)速與傾斜角度的關(guān)系為[23]：

則在傾角為θ，斷面積為S 的運(yùn)輸巷道中，防止煙流逆退的最小需風(fēng)量為Qv=（θ）S。

2.2 災(zāi)變風(fēng)煙流調(diào)控最佳調(diào)節(jié)值

為了計(jì)算災(zāi)變風(fēng)煙流調(diào)控的最佳調(diào)節(jié)量，對(duì)災(zāi)變前后通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，正常時(shí)期和災(zāi)變時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 正常時(shí)期和災(zāi)變時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Ventilation network structure in normal period and disaster period

R1為主/采區(qū)軌道巷風(fēng)阻，R2為主/采區(qū)運(yùn)輸巷風(fēng)阻，R3為工作面風(fēng)阻，R4為主/采區(qū)總回風(fēng)巷風(fēng)阻，Rf為火區(qū)風(fēng)阻，R5為運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷捏風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)風(fēng)阻。R3、R7、R8是1 個(gè)非常大的風(fēng)阻組合，若能實(shí)現(xiàn)R5精準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié)，則災(zāi)變煙流調(diào)控系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)理想的風(fēng)量匹配。

災(zāi)變時(shí)期，受風(fēng)速和熱釋放速率變化的影響,火區(qū)風(fēng)阻隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，其它地點(diǎn)的風(fēng)量與風(fēng)阻因火區(qū)風(fēng)阻變化而變化。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果，火區(qū)風(fēng)阻采用式（16）進(jìn)行定量計(jì)算。

式中：Pf為熱阻力，Pa；為熱煙流速度，m/s；ρ0｜為上風(fēng)側(cè)風(fēng)煙流密度，取1.29 kg/m3；為上風(fēng)側(cè)風(fēng)煙流速度，m/s；l 為高溫區(qū)域長(zhǎng)度，m；λ 為巷道摩擦因數(shù)，砌碹巷道一般取0.035；D 為當(dāng)量直徑，m；θ0為高溫區(qū)域傾角；Qv為風(fēng)煙流體積流量，m3/s。

災(zāi)變時(shí)期的排煙路徑為：⑥→⑦→④→⑤，采區(qū)供風(fēng)路徑為：①→⑧→⑨→③→④→⑤和②→⑥→⑧→⑨→⑩→③→④→⑤，設(shè)節(jié)點(diǎn)⑥和節(jié)點(diǎn)④之間的壓力差為H6-4，風(fēng)量為最小排煙風(fēng)量Qv，則聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)風(fēng)門(mén)應(yīng)產(chǎn)生的阻力h1為：

式中：Rm為摩擦風(fēng)阻，（N·s2）/m8；α 為摩擦阻力系數(shù)，（N·s2）/m4；L 為排煙路徑長(zhǎng)度，m；U 為排煙路徑周長(zhǎng)，m；S 為巷道斷面面積，m2。

則聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)風(fēng)門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)斷面積S1為：

當(dāng)S1/S≤0.5 時(shí)：

當(dāng)S1/S>0.5 時(shí)：

式中：S1為調(diào)節(jié)斷面面積，m2。

風(fēng)煙流聯(lián)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，可對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排煙路徑始末節(jié)點(diǎn)的壓力差，基于礦井風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式可同步計(jì)算防止煙流逆退的排煙需風(fēng)量及排煙路徑的風(fēng)阻調(diào)節(jié)值，地面監(jiān)控中心可對(duì)控風(fēng)排煙方案進(jìn)行超前模擬，若能夠滿足應(yīng)急排煙要求，可通過(guò)遠(yuǎn)程指令進(jìn)行風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 礦井概況及模擬參數(shù)設(shè)置

羊場(chǎng)灣煤礦現(xiàn)開(kāi)采6 號(hào)煤層屬于以自燃煤層。礦井采用中央并列抽出式通風(fēng)，由4 條進(jìn)風(fēng)井，1 條回風(fēng)斜井，2 個(gè)采煤工作面，7 個(gè)掘進(jìn)工作面組成。礦井現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)施中永久風(fēng)門(mén)69 組，其中電動(dòng)光控自動(dòng)風(fēng)門(mén)5 組，采用光控就地控制，永久密閉54 道。主運(yùn)和采區(qū)運(yùn)輸巷負(fù)責(zé)全礦井的煤炭運(yùn)輸任務(wù)，帶式輸送機(jī)全年較大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，主運(yùn)和采區(qū)運(yùn)輸巷存在發(fā)生運(yùn)輸巷火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。故利用Ventsim 軟件對(duì)羊場(chǎng)灣煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維可視化建模，利用VentFire 模塊分別模擬主運(yùn)、采區(qū)、工作面運(yùn)輸巷前、中、后部發(fā)生火災(zāi)后的煙流隨風(fēng)流擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律，以及采取原控風(fēng)排煙方案和改進(jìn)后方案的控風(fēng)排煙效果及風(fēng)流分配情況。

為簡(jiǎn)化火災(zāi)的復(fù)雜性，作出如下假設(shè)：燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)熈髟谙锏纼?nèi)流動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生火災(zāi)前的風(fēng)流為充分發(fā)展的紊流，風(fēng)流中的溫度為20 ℃，并且均勻分布，風(fēng)流及火災(zāi)產(chǎn)生的煙流遵循理想氣體狀態(tài)方程，巷道斷面為半圓拱，火源點(diǎn)處的巷道傾角均為25°，斷面積均為20 m2?；馂?zāi)模擬參數(shù)設(shè)置為：在VentFire 模塊選取70%的PVC橡膠＋10%干木材＋20%高熱值煤作為火源燃料?；馂?zāi)模擬參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 火災(zāi)模擬參數(shù)設(shè)置Table 1 Fire simulation parameters settings

由式（1）～式（15）計(jì)算可得，火災(zāi)模擬過(guò)程中最低排煙風(fēng)速不少于1.2 m/s，排煙風(fēng)量不低于1 440 m3/min。利用Ventsim 軟件對(duì)羊場(chǎng)灣煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，羊場(chǎng)灣煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化建模如圖4。

圖4 羊場(chǎng)灣煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化建模Fig.4 3D visualization modeling of ventilation system in Yangchangwan Coal Mine

3.2 Ventsim 軟件模擬結(jié)果

利用Ventsim 軟件中的VentFire 模塊分別模擬火源點(diǎn)位于主運(yùn)輸巷斜井、采區(qū)運(yùn)輸巷前、中、后部、以及工作面運(yùn)輸巷的風(fēng)煙流擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律，由于不同火源點(diǎn)的模擬結(jié)果較多，故僅以火源點(diǎn)位于采區(qū)運(yùn)輸巷前部的情況進(jìn)行模擬調(diào)控方案的排煙效果及風(fēng)流分配情況。不同場(chǎng)景火災(zāi)未采取控風(fēng)排煙措施模擬結(jié)果圖如圖5。采區(qū)運(yùn)輸巷前部發(fā)生火災(zāi)采取原控風(fēng)排煙方案模擬結(jié)果圖如圖6。采區(qū)運(yùn)輸巷前部發(fā)生火災(zāi)采取改進(jìn)的控風(fēng)排煙方案模擬結(jié)果圖如圖7。

由圖5 可知，火災(zāi)發(fā)生后，由于供氧量充足燃料迅速燃燒，大量濃煙隨著風(fēng)流經(jīng)采區(qū)運(yùn)輸巷和軌道巷等主要進(jìn)風(fēng)巷道蔓延至采區(qū)人員集中區(qū)域，之后經(jīng)采區(qū)回風(fēng)上山和主回風(fēng)大巷排出。運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)期間，污染范圍主要包括火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)的所有巷道區(qū)域，若火源點(diǎn)越靠近進(jìn)風(fēng)流，煙流污染范圍越廣，人員集中區(qū)域煙流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，致災(zāi)性越大。如果采區(qū)人員無(wú)特殊保護(hù)措施很難逃生。

圖5 不同場(chǎng)景火災(zāi)未采取控風(fēng)排煙措施模擬結(jié)果圖Fig.5 Simulation results of different fire scenarios without wind control and smoke exhaust measures

由圖6 可知，若監(jiān)測(cè)火災(zāi)發(fā)生后，迅速采取原控風(fēng)排煙方案后，由于火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)的采區(qū)運(yùn)輸巷和采區(qū)回風(fēng)巷之間聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)門(mén)打開(kāi)，大部分的風(fēng)煙流經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷導(dǎo)入回風(fēng)巷，進(jìn)而排出至地面，但由于采區(qū)皮帶巷風(fēng)流短路，導(dǎo)致風(fēng)量大量增加，火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)仍有部分風(fēng)煙流沿著采區(qū)運(yùn)輸巷道蔓延至采區(qū)皮帶巷的中、后部，存在煙流進(jìn)入采區(qū)人員集中區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)，故原控風(fēng)排煙方案存在不足之處。

圖6 采區(qū)運(yùn)輸巷前部發(fā)生火災(zāi)采取原控風(fēng)排煙方案模擬結(jié)果圖Fig. 6 Simulation results of original air control and smoke exhaust scheme when a fire occurs in front of belt lane in the mining area

由圖7 可知，若監(jiān)測(cè)火災(zāi)發(fā)生后，迅速采取改進(jìn)的控風(fēng)排煙方案后，首先打開(kāi)火源點(diǎn)上風(fēng)側(cè)采區(qū)運(yùn)輸巷-軌道巷之間的聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)分流風(fēng)量，關(guān)閉火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)的采區(qū)運(yùn)輸巷-軌道巷之間的聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)隔離煙流，關(guān)閉火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)采區(qū)皮帶巷的風(fēng)門(mén)防止煙流蔓延至采區(qū)人員集中區(qū)域，同時(shí)調(diào)節(jié)采區(qū)運(yùn)輸巷-回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)至適當(dāng)阻力，使得排風(fēng)路徑滿足最小排煙風(fēng)量，剩余風(fēng)流經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采區(qū)運(yùn)輸巷，繞過(guò)火災(zāi)區(qū)域后再次進(jìn)入采區(qū)運(yùn)輸巷繼續(xù)為采區(qū)用風(fēng)區(qū)域供風(fēng)，風(fēng)流路徑如圖7中標(biāo)紅巷道所示，此方案可實(shí)現(xiàn)既滿足排煙風(fēng)量又保證災(zāi)變期間采區(qū)仍有大量風(fēng)量供人員逃生所需和有害氣體的稀釋。能夠大大提高運(yùn)輸巷道火災(zāi)災(zāi)變期間的供風(fēng)安全保障能力，降低次生災(zāi)害的發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 采區(qū)運(yùn)輸巷前部發(fā)生火災(zāi)采取改進(jìn)的控風(fēng)排煙方案模擬結(jié)果圖Fig.7 Simulation results of improved air control and smoke exhaust scheme when a fire occurs in front of belt road in mining area

采區(qū)運(yùn)輸巷前部發(fā)生火災(zāi)后，煙流控制過(guò)程中關(guān)鍵巷道的仿真風(fēng)量分配見(jiàn)表2。

由表2 可知，無(wú)論采取哪種調(diào)控方案，礦井主要進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的風(fēng)量變化不大，而采區(qū)運(yùn)輸巷、軌道巷以及各采面工作面的風(fēng)量存在較大波動(dòng)。當(dāng)采區(qū)運(yùn)輸巷前部發(fā)生火災(zāi)后，采取原有方案后，由于采區(qū)運(yùn)輸巷和采區(qū)軌道巷之間的聯(lián)絡(luò)巷比較多，采區(qū)運(yùn)輸巷風(fēng)流短路，排煙路徑上的風(fēng)阻大大降低，部分采區(qū)軌道巷的風(fēng)流也經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷流入采區(qū)運(yùn)輸巷，導(dǎo)致運(yùn)輸巷的風(fēng)量由3 530 m3/min 增加至5 302 m3/min，而采區(qū)軌道巷風(fēng)量由2 848 m3/min 減少至1 850 m3/min，排煙路徑的風(fēng)量達(dá)4 523 m3/min，達(dá)到采區(qū)運(yùn)輸巷風(fēng)量的85%左右。020603 工作面和020604 工作面的風(fēng)量分別降低至343 m3/min 和449m3/min，即采取原有方案會(huì)導(dǎo)致采區(qū)風(fēng)量驟減。此情況對(duì)于高瓦斯礦井，存在瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 煙流控制過(guò)程中關(guān)鍵巷道的仿真風(fēng)量分配表Table 2 Simulated air volume distribution table of key roadways in smoke flow control process

若采取改進(jìn)的控風(fēng)排煙方案后，對(duì)排煙路徑的風(fēng)阻進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，風(fēng)量達(dá)到1 589 m3/min，能夠滿足防止煙流逆退的最低排煙風(fēng)量；采區(qū)運(yùn)輸巷略高于未采取煙流調(diào)控時(shí)期的風(fēng)量，采區(qū)軌道巷風(fēng)量也達(dá)到2 380 m3/min，且各工作面風(fēng)量也可保持在原有風(fēng)量的80%左右，能夠滿足人員逃生和有害氣體稀釋的風(fēng)量要求。因此，可進(jìn)一步證明改進(jìn)后的控風(fēng)排煙方案能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)變時(shí)期最佳的風(fēng)煙流調(diào)控效果和風(fēng)量分配。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)原控風(fēng)排煙方案的優(yōu)化改進(jìn)，提出不同火災(zāi)場(chǎng)景下的最佳風(fēng)煙流調(diào)控方案。通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)排煙路徑的風(fēng)門(mén)開(kāi)度，可將風(fēng)流分為排煙風(fēng)流和供風(fēng)風(fēng)流，排煙風(fēng)流通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷快速將煙流導(dǎo)入回風(fēng)巷，而供風(fēng)風(fēng)流可繞過(guò)火區(qū)排煙巷道繼續(xù)為采區(qū)供風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)既滿足控排煙路徑最小風(fēng)量，也能保障采區(qū)人逃生及稀釋瓦斯最低所需風(fēng)量。

2）基于弗勞德數(shù)守恒模型（Froude）分析傾斜巷道中火災(zāi)風(fēng)煙流達(dá)平衡的臨界條件，得到了防止煙流逆退的臨界風(fēng)速，量化了最小排煙風(fēng)量。分析了災(zāi)變時(shí)期采取煙流調(diào)控方案前后的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化前后的風(fēng)阻分布與風(fēng)煙流演化規(guī)律，得出了控風(fēng)排煙方案關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法。

3）建立了羊場(chǎng)灣煤礦的三維可視化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，并模型了不同火源位置場(chǎng)景的風(fēng)煙流蔓延規(guī)律，結(jié)果表明：未采取控風(fēng)排煙方案會(huì)導(dǎo)致大量有毒煙流污染整個(gè)火源點(diǎn)下風(fēng)側(cè)人員集中區(qū)域，人員無(wú)法安全撤離；采取原有風(fēng)煙流調(diào)控方案將會(huì)導(dǎo)致采區(qū)風(fēng)量驟減，存在引發(fā)次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)；若采取改進(jìn)后的控風(fēng)排煙方案，能夠既滿足控排煙路徑最小風(fēng)量，也能保障采區(qū)人逃生及稀釋瓦斯最低所需風(fēng)量，進(jìn)一步完善了災(zāi)變風(fēng)煙流應(yīng)急調(diào)控方案。