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(qū)，核心溫度為150℃，不斷地向周圍釋放熱量和煙氣。高溫?zé)熈髟谙锏纼?nèi)流動過程中不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵兄饕紤]組分SO 2，濃度為77.4×1O -6。

　　4.2邊界條件

　　入口處風(fēng)流速度V in=1.5 m/s，溫度20℃，紊流動能

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　　動能耗散率

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　　系數(shù)C D =1.0。

　　出口邊界條件采用局部單向化假設(shè)，即認(rèn)為出口截面上的節(jié)點(diǎn)對第一個內(nèi)節(jié)點(diǎn)無影響，離散化方程系數(shù)aE=0。

　　在巷道壁面，假定煙流不可滲透，氣密性好，在壁面處擴(kuò)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(shí)例

　　5.1 工程背景

　　華錫集團(tuán)公司銅坑礦細(xì)脈帶礦體屬高溫一中溫?zé)嵋航淮偷V床，礦體含硫量高達(dá)13.3%，如暴露在通風(fēng)好的情況下極易氧化而引起自燃，產(chǎn)生的高溫以及SO 2等有毒氣體，對井下生產(chǎn)及地面環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。

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

　　5.2 數(shù)值計(jì)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(fā)火區(qū)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。

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　　從圖1中可以看出，*近火源區(qū)域的風(fēng)流速度要比遠(yuǎn)離火源區(qū)域的風(fēng)流速度慢，這是因?yàn)榈V井發(fā)生火災(zāi)后，巷道內(nèi)風(fēng)流受到高溫的加熱作用，密度發(fā)生變化，在重力場的作用下誘發(fā)對流，此時的風(fēng)流流動主要由浮升力和主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓所控制。

　　在*近火源的區(qū)域，氣體受熱后膨脹，能對氣體的流動產(chǎn)生一定的阻止作用；而由于入口處的風(fēng)速較大，煙氣上浮的趨勢明顯地被高風(fēng)速所抑制，所以煙流在巷道中并沒有產(chǎn)生逆流現(xiàn)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(fēng)流不斷向巷道軸向方向擴(kuò)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(xiàn)中的實(shí)際巷道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，因而用該數(shù)值模擬方法所得出的結(jié)果是可*的。

　　由圖3可知，在入口至火源的區(qū)域內(nèi)的PMV較低，人體感覺適中，并未出現(xiàn)悶熱的現(xiàn)象。其原因是入口處的風(fēng)流速度較大，抑制了高溫的擴(kuò)散。而火源至出口之間的巷道內(nèi)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(fēng)流則為新鮮風(fēng)流，通過圖4中的空氣齡指標(biāo)也表明了上述現(xiàn)象。

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　　經(jīng)計(jì)算，整個模擬區(qū)中的預(yù)計(jì)熱舒適指標(biāo)值為：min=-2.3148，max=3，mean=1.12。

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　　經(jīng)計(jì)算，整個模擬區(qū)中的預(yù)計(jì)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(rèn)為，入口處的風(fēng)速較大，在離火源區(qū)較遠(yuǎn)處出現(xiàn)了人體感覺“偏冷”的現(xiàn)象，而隨著氣流不斷接近火源區(qū)，吸收了火源區(qū)所擴(kuò)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(nèi)PPD值得到了減小。

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　　在火源區(qū)附近，由于各處的溫度不同，浮升力大小不均勻，驅(qū)動著氣體上浮流動，即出現(xiàn)巷道下部的煙氣流動速度要比上部快，上部的高溫?zé)煔獾貌坏接行У臄U(kuò)散，在巷道上部區(qū)域出現(xiàn)了“聚集”，從而使PPD值逐漸的增大，并且下部區(qū)域的PPD值始終比上部的要低。

　　6 結(jié)論

　　1)得出了自燃火災(zāi)巷道中高溫?zé)熈鞯乃俣葓?、溫度場分布?guī)律。為礦山制定出行之有效的安全預(yù)案及準(zhǔn)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(yīng)急方案、人員撤退路錢的選擇、風(fēng)機(jī)的布置、避險硐室位置的確定等提供了技術(shù)依據(jù)。

　　2)當(dāng)巷道入口處的風(fēng)速Vin=1.5m/s時，火災(zāi)巷道中的煙氣并沒有出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，說明當(dāng)?shù)V石自燃發(fā)生火災(zāi)時，采用該風(fēng)速可以滿足巷道內(nèi)通風(fēng)排煙的要求。

　　3)采用數(shù)值模擬的方法，可以幫助研究人員減少盲目性，增強(qiáng)目的性，并且可以節(jié)約時間和經(jīng)費(fèi)，可有效地預(yù)測火災(zāi)蔓延趨勢及流場分布情況，對礦山的安全生產(chǎn)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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