煤矿硐室电缆火灾数值模拟

(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116；2.中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏徐州221116)

摘要：为掌握煤矿硐室电缆火灾的发展演化规律，利用FDS软件对煤矿硐室电缆火灾发展过程中烟流、一氧化碳浓度、氧气浓度、温度进行了数值模拟。结果表明：① 随着煤矿硐室电缆火灾发生时间的推移，烟流会加速蔓延至整个硐室，硐室内一氧化碳浓度先升高后降低并最终趋于稳定，氧气浓度先降低后升高并最终趋于稳定，温度先上升后降低并最终趋于初始温度。② 回风巷中一氧化碳浓度、氧气浓度波动剧烈，温度波动相对较小，而进风巷中一氧化碳浓度、氧气浓度、温度均未受火灾影响，因此进风巷可作为安全逃生通道。③ 火灾发生后60 s内，硐室中烟流蔓延范围较小且集中在硐室中上部，一氧化碳浓度、氧气浓度、温度均处于安全范围内，此时为最佳逃生时间。

关键词：煤矿火灾；硐室火灾；电缆火灾；烟流；气体浓度；温度；人员逃生

作者简介：张小翌(1993-)，男，河南舞钢人，硕士研究生，研究方向为煤矿热动力灾害，E-mail:1145708338@qq.com。

引用格式：张小翌，王德明，杨雪花.煤矿硐室电缆火灾数值模拟[J].工矿自动化，2019,45(3)：52-55.

ZHANG Xiaoyi,WANG Deming,YANG Xuehua.Numerical simulation of cable fire in coal mine chamber[J].Industry and Mine Automation，2019,45(3)：52-55.

Numerical simulation of cable fire in coal mine chamber

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract:In order to master development and evolution law of cable fire in coal mine chamber, FDS software was used to simulate smoke flow, carbon monoxide concentration, oxygen concentration and temperature during development process of cable fire in coal mine chamber. The results show that: ① With increase of time of cable fire in coal mine chamber, smoke flow will accelerate to spread the whole chamber; carbon monoxide concentration increases firstly, then decreases and finally tends to be stable; oxygen concentration decreases firstly, then increases and finally tends to be stable; temperature increases firstly, then decreases and finally approaches initial temperature. ② Concentration of carbon monoxide and oxygen in return airway fluctuates violently, and temperature fluctuation is relatively small, while carbon monoxide concentration, oxygen concentration and temperature in air inlet roadway are not affected by fire, so the air inlet roadway can be used as a safe escape route. ③ Within 60 s after the fire occurs, smoke flow has a small spreading range and concentrates in middle-upper part of chamber, and carbon monoxide concentration, oxygen concentration and temperature are all within safe range. The best time to escape is within 60 s after the fire occurs.

Key words:coal mine fire; chamber fire; cable fire; smoke flow; gas concentration; temperature; personnel escape

0 引言

煤矿硐室电缆火灾是近年来频发的煤矿事故类型[1-2]，火灾发生后会产生大量烟雾、有毒有害气体，氧气浓度急剧下降，温度迅速升高，严重时甚至会引发瓦斯爆炸，威胁井下人员生命安全[3-5]。因此，研究煤矿硐室电缆火灾的发展演化规律具有重要意义。煤矿硐室电缆起火发生迅速，蔓延较快，普通的破坏性试验很难真实还原煤矿硐室电缆火灾的发展过程[6-8]。数值模拟技术的发展，为煤矿火灾研究提供了有效的技术手段[9-12]。本文应用FDS软件[13]对某矿硐室电缆火灾发生过程中烟流、一氧化碳浓度、氧气浓度、温度进行数值模拟，可为人员逃生方案制定提供理论依据。

1 三维模型建立

某矿硐室位于进风巷和回风巷之间，距离井口260 m。为减小模拟误差，采用现场实际尺寸进行模拟[14-15]。设置硐室长70 m，断面尺寸为4 m×3.5 m，进风巷、回风巷各取100 m，建立三维模型，如图1所示。按照0.25 m×0.25 m×0.25 m网格大小划分为332 520个网格。在硐室中安装防火门和风门。设置火源尺寸为1 m×1 m，火源位于距离硐室右侧风门10 m处，该处电缆分布密集，极易发生火灾。电缆密度为1 380 kg/m3，比热容为1.289 kJ/(kg·K)，热导率为0.192 W/(m·K)，电缆着火时的热释放速率为3 000 kW/m2。模型中布置一氧化碳传感器、氧气传感器和温度传感器各20个，分别均匀分布在进风巷、回风巷和硐室内。模型边界条件：进风巷入口处风速为5 m/s，回风巷入口处风速为4 m/s；硐室中防火门和风门上端均留有1个1 m×1 m的风窗，以便新鲜风流能够流入硐室；环境温度和墙体边界为默认设置。在火灾模拟前进行矿井通风模拟，结果表明，通风机启动后需要856 s风流才能趋于稳定，因此在火灾模拟过程中，设定模拟时间为1 000 s。

图1 三维模型
Fig.1 Three-dimensional model

2 数值模拟结果及分析

2.1 烟流

硐室电缆火灾发生后，烟流在热浮力作用下向上运动，撞击顶板并形成顶板射流，然后向火源两侧蔓延，烟流蔓延过程如图2所示。从图2可看出，火灾发生20 s时由于火势较小，烟流仅在火源上方出现，且未向左右两侧蔓延；火灾发生40 s时，烟流向火源左右两侧蔓延；火灾发生60 s时，由于火源右侧不断有新鲜风流涌入，此时烟流明显向火源左侧蔓延；火灾发生80 s时，烟流蔓延范围进一步扩大，且集中在硐室右侧；火灾发生100 s时，烟流蔓延至硐室左侧防火门附近；火灾发生120 s时，烟流充满整个硐室。通过烟流分布分析可知，火灾发生后60 s内，硐室中烟流蔓延范围较小且集中分布在硐室中上部，因此人员应尽量在火灾发生后60 s内弯腰向硐室右侧逃生。

(a) 火灾发生20 s

(b) 火灾发生40 s

(d) 火灾发生80 s

(e) 火灾发生100 s

(f) 火灾发生120 s

图2 烟流蔓延过程
Fig.2 Spread process of smoke flow

2.2 一氧化碳浓度

硐室电缆火灾发生后，一氧化碳体积分数变化曲线如图3所示，其中一氧化碳传感器T2，T6，T8分别位于火源左上方2，5，15 m处，T12位于回风巷，T18位于进风巷。从图3可看出，随着火灾燃烧时间的增加，T2，T6，T8处一氧化碳体积分数均先持续升高，分别在发生火灾后330，360，660 s时达到最大值(分别为0.33%，0.30%，0.28%)，之后略有降低，最终分别稳定在0.18%，0.20%，0.23%，这是由于距离火源较近处最先引燃且火灾前期燃料充足，所以距离火源较近处一氧化碳体积分数先达到最大值且数值较高，但在火灾后期，距离火源越近处燃料减少越多，导致一氧化碳体积分数较低；T12处一氧化碳体积分数总体呈上升趋势，但有较大波动，这是由于回风巷风流相对不稳定；T18处一氧化碳体积分数保持为0，这是由于进风巷内有新鲜风流不断涌入，表明进风巷内没有出现反风现象，所以进风巷可作为安全逃生通道，发生火灾时硐室内人员应该立即撤离至进风巷；火灾发生后60 s内，硐室内各处一氧化碳体积分数均维持在0.05%以下，有利于人员逃生。

图3 一氧化碳体积分数变化曲线
Fig.3 Changing curve of carbon monoxide volume fraction

2.3 氧气浓度

硐室电缆火灾发生后，氧气体积分数变化曲线如图4所示，其中氧气传感器T28，T30，T32分别位于火源左上方2，5，15 m处，T33位于回风巷，T34位于进风巷。从图4可看出，随着火灾燃烧时间的增加，T28，T30，T32处氧气体积分数先迅速下降，分别在发生火灾后255，360，670 s时达到最小值(分别为4%，9.3%，10.4%)，之后稍有回升，最终分别稳定在6.8%，9.7%，9.8%，这是由于距离火源较近处最先引燃且火灾前期燃料充足,导致耗氧量较大，所以距离火源较近处氧气体积分数先达到最小值且数值较小，但在火灾后期燃料减少，耗氧量随之减少，氧气体积分数有所回升；T33处氧气体积分数变化较剧烈，这与回风巷风流不稳定有关；T34处氧气体积分数没有发生变化，为20.8%，表明进风巷可作为安全逃生通道；火灾发生后60 s内，氧气体积分数下降较慢，且不低于18%，有利于人员逃生。

图4 氧气体积分数变化曲线
Fig.4 Changing curve of oxygen volume fraction

2.4 温度

硐室电缆火灾发生后，温度变化曲线如图5所示，其中温度传感器T35，T38，T40分别位于火源左上方2，5，15 m处，T42位于回风巷，T45位于进风巷。从图5可看出，随着火灾燃烧时间的增加，T35，T38，T40处温度在火灾发生约300 s时先达到最大值(分别为385，243，185 ℃)，之后逐渐下降并最终趋于初始温度23 ℃，这是由于火灾后期氧气浓度不足以支撑持续剧烈燃烧；T42处温度变化相对较小，这与回风巷风速较大从而带走热量有关；T45处温度没有发生变化，为23 ℃，表明进风巷可作为安全逃生通道；火灾发生后60 s内，温度上升较慢，基本在50 ℃以下，有利于人员逃生。

图5 温度变化曲线
Fig.5 Changing curve of temperature

3 结论

(1) 随着煤矿硐室电缆火灾发生时间的推移，烟流会加速蔓延至整个硐室；硐室内一氧化碳体积分数迅速升高后略有降低，并最终趋于稳定；硐室内氧气体积分数迅速降低后稍有升高，并最终趋于稳定；硐室内温度急剧上升后逐渐降低，并最终回到初始温度。

(2) 随着煤矿硐室电缆火灾发生时间的推移，回风巷中一氧化碳体积分数、氧气体积分数变化剧烈，而温度变化相对较小；进风巷中一氧化碳体积分数、氧气体积分数、温度均没有发生变化，因此进风巷可作为安全逃生通道。

(3) 火灾发生后60 s内，烟流蔓延范围较小且集中在硐室中上部，一氧化碳体积分数小于0.05%, 氧气体积分数大于18%，温度小于50 ℃，此时为最佳逃生时间，硐室内人员应弯腰迅速逃生。

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