基于Pyrosim的风速对矿井火灾蔓延规律影响研究_田水承.pdf

收稿日期2019-10-14 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51874237） ， 中国劳动关系学院院级重点科研项目 （编号 17YZ004） 。 作者简介田水承 （1964） ， 男， 教授， 博士研究生导师。通讯作者窦培谦 （1981） ， 男， 讲师， 博士。 基于Pyrosim的风速对矿井火灾蔓延规律 影响研究 田水承 1 窦培谦 2 张成镇 1， 31 （1. 西安科技大学安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2. 中国劳动关系学院安全工程系， 北京 100048； 3. 长江航运公安局九江分局， 江西 九江 332000） 摘要为探究风速对矿井火灾蔓延规律的影响， 提升矿井火灾的人员逃生率， 采用Pyrosim火灾仿真模拟软 件， 仿照矿井巷道构建模型， 按照矿井火灾的特点设置火源及反应类型， 分别在风速为0.5 m/s、 1 m/s、 2 m/s、 3 m/s、 4 m/s 和 5 m/s 6 种工况下进行数值模拟。模拟结束后， 对数值模拟的温度及烟雾浓度数据进行处理分析， 并采用 Tecplot数值模拟可视化分析软件对切片进行分析。得到3 m/s风速下各监测点稳定温度随监测点距火源距离的增 大先快速降低后缓慢升高至稳定， 温度的下降速度较其他工况快， 且稳定温度在人的承受极限内； 各工况下监测点 稳定温度随距离的曲线拟合呈幂函数分布， 且系数与风速呈二次函数关系； 3 m/s风速下稳定烟雾浓度相比于其他 工况的稳定烟雾浓度低。得出 3 m/s左右的风速最利于矿井火灾人员逃生， 且最经济； 矿井外因火灾稳定温度与 火源距离和风速间的函数公式。 关键词矿井火灾风速蔓延规律Pyrosim温度函数公式 中图分类号TD752文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -02-199-06 DOI10.19614/ki.jsks.202002034 Impact of Different Wind Speeds on the Law of Mine Fire Spread Based on Pyrosim Tian Shuicheng1Dou Peiqian2Zhang Chengzhen1， 32 （1. College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. Department of Safety Engineering， China University of Labor Relations， Beijing 100048， China； 3. Jiujiang Branch， Yangtze River Shipping Public Security Bureau， Jiujiang 332000， China） AbstractIn order to explore the impact of wind speed on the law of mine fire spread and improve the escape rate of per- sonnel in mine fire， the Pyrosim fire simulation software is adopted to simulate the mine roadway and establish the model. Ac- cording to the characteristics of mine fire， the fire source and reaction type are set， and the numerical simulation is made un- der six conditions of wind speed at 0.5 m/s， 1 m/s， 2 m/s， 3 m/s， 4 m/s and 5 m/s， respectively. At the simulation， the tem- perature and smoke concentration data are processed and analyzed，and the slices are analyzed by Tecplot numerical simula- tion visualization analysis software. The results show that the steady temperature of each monitoring point at the wind speed of 3 m/s decreases rapidly with the increase of the distance between the monitoring point and the fire source， and then increases slowly till to be stable. The steady temperature decreases faster than that of other working conditions，but is within the endur- ance limit of personnel. The curve fitting of the steady temperature at each monitoring point with the distance shows a power function distribution， and the coefficient is a quadratic function of the wind speed. Under the 3m/s wind speed， the steady fog concentration is lower than that of other conditions. It is concluded that the wind speed of about 3m/s is feasible and economi- cal for escape from the mine fire. The function ula among the steady temperature of the mine external fire， the fire source distance， and the wind speed is obtained. KeywordsMine fire， Wind speed， Spread law， Pyrosim， Temperature function ula 矿井火灾是矿井五大灾害之一 ［1］。据统计矿井 火灾主要是由于运输皮带和机电设备着火导致的 ［2］， 总第 524 期 2020 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 524 February 2020 199 ChaoXing 矿井火灾不仅会使设备设施烧毁， 而且可能会引发 次生灾害； 另一方面， 矿井巷道狭窄且相对封闭， 一 旦发生火灾， 烟气及温度蔓延迅速， 瞬间会恶化井下 工作环境， 引发井下矿工恐慌， 甚至导致窒息事故。 目前， 对于矿井火灾的研究主要包括火灾原因分 析 ［3］、 风险评价［4］等， 仿真模拟及实验研究较为缺少。 张辛亥 ［5］采用火灾动力学软件 （FDS） 研究顶棚烟道 对巷道火灾烟气流动的影响； 李宗翔 ［6］采用实验和 TF1M3D仿真平台对下行风流火灾烟气蔓延规律进 行研究， 通过综述发现以往矿井火灾仿真研究中火 源的反应类型设置较为简单， 很难反应真实的火灾 情况。为此， 本项目采用Pyrosim火灾仿真模拟软件 构建矿井巷道模型， 根据实际情况设置火源及反应 类型， 设置不同风速工况条件， 以研究矿井在不同风 速下火灾烟雾及温度的蔓延规律。 1模型构建 1. 1矿井巷道火灾模型建立 构建一个水平的矿井巷道模型， 其总体框架是 50 m3 m3 m的矿井巷道， 如图1所示， 模型的左 下角为模型的原点 （0， 0， 0） ， 模型内置材料有煤炭、 石头、 泡棉、 松木。模型中设置有监测火灾蔓延的探 测器如温度探测器、 烟雾浓度探测器等， 温度探测器 设有6个， 设置的具体位置坐标为 （5， 1.5， 1.6） 、（10， 1.5， 1.6） 、（15， 1.5， 1.6） 、（25， 1.5， 1.6） 、（35， 1.5， 1.6） 、 （45， 1.5， 1.6） ， 烟雾浓度探测器也设有6个， 且设置位 置与温度探测器相同。将探测器设置在高为 1.6 m 处， 是因为在火灾时人员疏散逃生口鼻处的高度都 接近于1.6 m ［7］； 同时， 为更加直观观测火灾随时间的 蔓延情况在模型中Y1.5 m及Z1.6 m平面都分别设 置温度切片和烟雾浓度切片； 此外， 在模型X0 m及 X50 m两平面分别设置通风口。 1. 2网格划分与火源设置 矿井巷道模型单元网格大小为 0.25 m0.25 m0.25 m， 共28 800个网格。1 m1 m火源中心设 置在 （5， 1.5， 1） 处的松木基座上， 考虑到矿井外因火 灾大多是由于运输皮带和机电设备着火导致故火源 的反应类型为聚氨酯燃烧反应 ［8］。矿井火灾发展过 程属于t2火模型 ［9］， 该模型公式为Qαt2， 其中Q为热 释放速率， kW； α为增长系数， kW/s2； t为时间， s。根 据t2火模型等级划分， 矿井外因火灾属于中速， α取值 为0.011 27 kW/s2 ［10］； 根据典型火灾场所的最大热释 放速率， 矿井外因火灾的最大热释放速率为 1 500 kW， 依据t2火模型公式， 合院式古建筑火灾360 s左 右可达到最大热释放速率， 火源热释放速率随时间 的变化如图2所示。数值模拟时间为1 000 s， 环境初 始温度为20 ℃， 分别设置0.5 m/s、 1 m/s、 2 m/s、 3 m/s、 4 m/s和5 m/s 6种不同风速的工况分别进行矿井巷道 数值模拟， 如图3所示。 2矿井火灾温度蔓延规律 数值模拟结束后， 对各工况下数值模拟出来的 数据进行分析处理， 其中各工况下各监测点温度随 时间的变化情况如图3所示。由图3可知， 火灾发生 后各监测点的温度在火源未达到最大热释放速率前 呈二次函数升高， 在火源热释放速率达到最大值后 各监测点温度缓慢升高直至稳定。0.5 m/s、 1 m/s、 4 m/s和5 m/s工况下各监测点稳定温度随监测点距离 火源距离的增大而减低， 但2 m/s和3 m/s工况下各监 测点稳定温度不是随监测点距离火源距离的增大而 减低， 2 m/s工况下10 m处监测点稳定温度低于20 m 处监测点稳定温度， 3 m/s工况下20 m处监测点稳定 温度最低， 且40 m处监测点稳定温度高于30 m处监 测点稳定温度。 进一步分析2 m/s和3 m/s工况下各监测点稳定 温度不随监测点距离火源距离的增大而减低的原 因， 将各监测点数值模拟数据稳定温度阶段中900～ 1 000 s的温度数据取平均值进行分析， 如图4所示。 发现各监测点稳定温度随风速呈波动变化， 随风速 的增加稳定温度都具有先升后降再升的趋势， 且趋 势随着距离的增加而减弱； 通过纵向比较各监测点 稳定温度的变化， 也存在一定的规律， 各监测点稳定 温度随风速增加而降低的最低点会随着距离的增加 而增大， 如 5 m 处最低点为风速 2 m/s， 10 m 和 20 m 处最低点为风速3 m/s左右， 30 m处最低点为风速4 m/s， 40 m处最低点为风速5 m/s。 更进一步分析2 m/s和3 m/s工况下各监测点稳 定温度不随监测点距火源距离的增大而减低的原 金属矿山2020年第2期总第524期 200 ChaoXing 田水承等 基于Pyrosim的风速对矿井火灾蔓延规律影响研究 因， 所以将各工况下数值模拟数据稳定温度阶段中 900～1 000 s的温度数据取平均值随距离增大的变化 进行分析， 如图5所示。发现在风速为0.5 m/s、 1 m/s、 4 m/s和5 m/s工况下各监测点稳定温度随监测点距 离火源距离的增大而减低， 而2 m/s风速下各监测点 稳定温度随监测点距离火源距离的增大呈波动变 化， 3 m/s风速下各监测点稳定温度随监测点距离火 源距离的增大先快速降低后缓慢升高至稳定， 通过 比较发现3 m/s工况下利于矿井人员逃生， 稳定温度 随距离火源距离的增大快速下降， 下降后的温度在 人的承受极限内， 故最利于井下人员疏散逃生， 相比 4 m/s和5 m/s的风速更加经济。 为归纳出各工况下稳定温度随距离的变化规 律， 本文对图5中各工况下监测点稳定温度随距离的 变化曲线进行拟合， 0.5 m/s 时拟合曲线函数为 T 144.03d-0.177， 相关性系数R20.99； 1 m/s时拟合曲线函 数为T212.11d-0.296， 相关性系数 R20.99； 4 m/s 时拟 合曲线函数为 T190.24 d-0.44， 相关性系数 R20.97； 5 m/s时拟合曲线函数为T 156.42 d-0.373， 相关性系数 R20.97。各曲线呈幂函数分布， 且拟合曲线的相关 性系数 R2都大于 0.95， 具有显著的相关性， 而 2 m/s 和3 m/s风速下温度波动大拟合出的幂函数相关性系 数为0.5左右， 故在此不与讨论。将以上4种工况下 拟合的幂函数 （T ad-b） 系数进行进一步的拟合， 其 系数a拟合曲线如图6所示， 拟合函数为a-14.738v2 78.29v 125.86； 系数b拟合曲线如图7所示， 拟合函 数为b -0.034 8v2 0.230 7v 0.083 2。故构建出的 各工况下稳定温度与风速、 距离的函数公式为 2020年第2期 201 ChaoXing T -14.74v2 78.29v 125.86 d 0.035v2- 0.23v - 0.08 .（1） 温度切片可以更加直观地观察温度在平面的分 布情况， 如图8、 图9所示， 为Tecplot软件处理后各工 况下 Z1.6 m平面和 Y1.5 m平面在 950 s时温度的 分布情况。由图8可知， 在Y1.5 m平面上随着风速 的增加竖直平面内距离火源相同距离的稳定温度越 低。 由图9可知， 在Z1.6 m平面上随着风速的增加 水平平面内的稳定温度越低， 且3 m/s风速下的稳定 温度巷道两侧温度较巷道中间温度高， 有利于井下 人员逃生， 这与数据分析的结果相吻合。 3矿井火灾烟雾蔓延规律 为探究各工况下数值模拟烟雾的蔓延规律， 数 值模拟结束后， 对各工况下数值模拟出来的数据进 行分析处理， 其中各工况下各监测点烟雾浓度随时 间的变化情况如图10所示。由图10可知， 在火灾热 释放速率达到最大值时， 各工况下各监测点烟雾浓 度都开始处于稳定， 故图10中只画出500 s内的烟雾 浓度变化情况。对于5 m处监测点其烟雾浓度上升 迅速， 各工况下的稳定烟雾浓度都能接近达到 100； 10 m处监测点其烟雾浓度上升也较为迅速， 除3 m/s风速下稳定烟雾浓度达到80， 其他工况下 的稳定烟雾浓度都能接近达到 100； 20 m、 30 m和 40 m处监测点其烟雾浓度较前2监测点处上升较为 缓慢， 各监测点稳定烟雾浓度随着风速的增大而降 低， 而3 m/s、 4 m/s和5 m/s工况下的稳定烟雾浓度变 化不大， 都分布在60～80内， 所以3 m/s风速最有 利于矿井人员的逃生， 且相对 4 m/s和 5 m/s更加经 济。 为更加直观观察模型内横竖平面内能见度随时 间的变化情况， 在此， 选取2 m/s风速下的能见度切片 进行观察， 如图11、 图12所示， 为Tecplot软件处理后 各时刻Y1.5 m平面和Z1.6 m平面在2 m/s风速下 的能见度情况。Y1.5 m竖直平面300 s内各时刻下 能见度， 由图11可知， 相同位置随时间的增加能见度 越来越低， 能见度由30 m逐渐降到1 m以内， 200 s左 右高1.6 m处的能见度就已经降到了4 m以内。 图12为Z1.6 m水平平面200 s内各时刻下的能 见度情况。由图可知， 相同位置随时间的增加能见 度也越来越低， 高1.6 m平面在50 s时平面内的能见 度都在28 m左右， 在100 s时该平面内大部分的能见 度大致在15～20 m左右， 在150 s时该平面内大部分 的能见度大致在5～10 m左右， 在200 s时该平面内大 部分的能见度大致在4 m左右， 这与竖直平面观察的 结果相吻合。 金属矿山2020年第2期总第524期 202 ChaoXing 田水承等 基于Pyrosim的风速对矿井火灾蔓延规律影响研究 4结论 （1） 火源及反应类型的设置能很好地反应真实 的矿井外因火灾。火源设置为t2火， 火灾系数α取值 为0.011 27 kW/s2， 最大热释放速率为1 500 kW， 反应 类型设置为聚氨酯燃烧反应。以上设置都较好地符 合矿井外因火灾的特性， 从而保证了数值模拟结果 能够反映矿井外因火灾的真实情况。 （2） 3 m/s风速最利于矿井下火灾人员逃生， 且最 为经济。对数值模拟结果温度的数据及切片分析， 发现3 m/s风速下各监测点稳定温度随监测点距离火 源距离的增大先快速降低后缓慢升高至稳定， 温度 的下降速度较其他工况下快， 稳定温度巷道两侧温 度较巷道中间温度高， 且稳定温度与4 m/s和5 m/s工 况下的稳定温度相近都在人的承受极限内； 对数值 模拟结果烟雾浓度的数据分析， 发现3 m/s风速下稳 定烟雾浓度相比于其他工况的稳定烟雾浓度低， 且 最经济； 故通过2种方式都证明了3 m/s风速最利于 矿井下火灾人员逃生， 且最为经济。 （3） 得出矿井火灾稳定温度函数公式， 其与火源 距离呈幂函数关系， 且系数与风速呈二次函数关系。 对各工况下监测点稳定温度随距离的变化曲线进行 拟合， 发现各曲线呈幂函数分布， 且0.5 m/s、 1 m/s、 4 m/s和5 m/s风速下拟合曲线的相关性系数R2都大于 0.95， 具有显著的相关性。于是对拟合出的幂函数系 数进行深入分析发生其系数呈二次函数分布， 故得 出矿井火灾稳定温度与火源距离和风速间的函数公 式。 2020年第2期 203 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 参 考 文 献 林龙沅，陈海焱，颜翠平，等. 矿井火灾对巷道通风的影响研 究 ［J］ . 金属矿山， 2011 （5） 158-160. 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