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矿井下行通风巷道火灾模拟研究

张晓涛  
【摘要】:矿井火灾是矿产资源生产过程中的主要灾害之一,具有突发性、发展迅猛、灭火和救护困难等特点。矿井火灾一旦发生,如果火势不能得到及时控制,火灾产生的附加热效应将改变矿井中的风流方向和流量,发生风流的紊乱,而井下严重的风流紊乱甚至会造成整个矿井的通风状况改变。而在所有形式的矿井火灾中,下行通风巷道中发生的火灾又是极具特殊性与复杂性的。由于在下行通风巷道中的机械风压方向与火灾形成的火风压方向是相反的,因此两者的相互作用会导致多种结果,当火势较小,火风压比机械风压小,此时巷道风量会减小,发生烟流逆退,但是风流不会发生逆转:当火势较大,当火风压较机械风压大,会发生风流逆转现象,此时不仅大量的气会逆流进入进风巷道,使得火灾范围扩大,而且大量的新鲜风流会进入已窒息的火区,在火区的高温条件下可能发生回燃,甚至引起爆炸。由于下行通风巷道中发生火灾危害性大,且情况复杂多变,难于控制,因此对下行通风巷道火灾时期温度的分布规律,高温烟流浓度及其传播过程进行数值模拟分析,对于确定避灾路线,有效地预防和控制火灾的发生与发展,指导矿井消防救灾工作都具有重要的理论价值和实际意义。 由于进行地下矿井火灾实验危险性较大,较难实现。而近年来,随着计算机的发展和应用,数值求解的能力越来越高,为直接以理论流体力学计算气流组织创造了条件。计算流体动力学,就是伴随着计算机的出现而兴起的一门新科学,因此利用CFD方法对气流进行数值模拟方兴未艾。本文就是利用了FDS软件,以计算流体力学和传热学为基础,建立了矿井下行通风巷道局部三维模型,应用计算流体动力学的理论和方法模拟隧道在火灾过程中风流紊乱情况。 在建模基础上,本文还具有一定的创新性。目前针对矿井火灾的研究比较多,但是专门针对下行通风处所发生的火灾研究还不多,又由于实验条件所限,加之成本较高,且建立计算模型也比较困难,国内对下行通风火灾的模拟研究还是比较少的。而且对地下隧道火灾的模拟研究大多数是将所研究隧道单独建模,仅仅研究该隧道的参数分布规律而忽略了隧道与隧道之间的相互影响,因此本文在建模时,除了建立下行通风巷道,还建立了与其连接的工作面巷道、回风巷道等,系统分析了火灾对这些巷道的影响。 与此同时,本文还在总结了前人研究成果的基础上,提出了不同的控制措施,并根据控制措施改变模型的工作情况。建模中,本文设置了三种不同的工况,即在正常工作条件下没有采取任何控制措施的工况一;调节机械风压使其超过火风压以抑制烟气逆流的工况二以及在增大风压的同时,增设排烟道并提高原巷道风阻的工况三。根据模拟所得到的数据结果,研究了在不同工况下各巷道中的温度、烟气浓度及其气体流动情况的变化规律,同时分析不同控制措施的利弊。结果表明,在工况一条件下,烟气很快发生了逆流,高温有毒烟气很快到达入风口并进入进风巷道中;而在工况二条件下,高温火烟没有发生逆流现象,但是工作面仍然受到了火灾影响,这对该处的作业人员非常不利;在工况三中,高温火烟沿着排烟道直接引入到了回风巷道,控制了烟气逆流的同时也保证了工作面不受影响,有利于作业人员的安全疏散。 最后,本文还分析了不同的下行通风巷道类型对模拟结果的影响。本文分别讨论了煤矿井下行通风巷道以及坡度不同,净高度不同,横截面积不同的下行通风巷道对模拟结果的影响,最后发现,煤矿井下巷道由于还需要考虑煤炭可燃物及其瓦斯爆炸等因素,不能直接模拟,只能通过测取温度,压力等相关参数进行间接模拟;而坡度,净高度,横截面积三个参数与发生火灾过程中所需的临界风速均成正相关的关系,其中坡度参数对其影响最大。 论文一共分为五章,第一章为绪论。本章主要介绍了矿井火灾的危害性,下行通风巷道发生火灾的特殊性及其复杂性,矿井巷道火灾国内外的研究状况,以及本文的研究方法、内容以及解决的问题,为论文进一步研究做好铺垫作用。 第二章介绍地下矿井火灾的基本理论,下行通风巷道火灾的特殊性,造成风流紊乱的基本形式,基本原因和发生条件,同时还介绍了控制高温火烟逆退的临界风速方程以及常用的控制下行通风巷道火灾的措施。 第三章为FDS火灾模拟软件的基本介绍以及模型边界条件的设置,并根据相关控制措施设置三种不同的工况,分别对三种工作状况进行火灾动态模拟。 第四章是分析三种不同工况下火灾发生后下行通风巷道及其邻近巷道的温度分布,烟气浓度分布及其流动情况,总结下行通风巷道火灾后各参数的变化规律,同时,对比不同工况下各参数的变化,总结不同控制措施的利弊,为不同情况的地下矿井采取下行通风巷道火灾控制措施提供依据。最后,还分析了不同巷道类型对模拟结果的影响。 第五章是全文的总结。阐述了本文的主要结论,并对今后的工作提出了展望。


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