DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.044
封闭顺序对煤矿火区气体分布规律的影响
牛会永1, 2，邓湘陵1，李石林1, 2，李芳1，朱豪1
(1. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭，411201；
2. 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201)
摘要：为研究不同封闭顺序对煤矿火区内气体分布的影响规律，探索合理的封闭顺序及安全保障措施，降低封闭过程中的危险性，基于质量守恒定律，对封闭火区内气体体积分数变化规律进行理论分析，推导火区内气体体积分数变化的数学模型，确定动力学控制方程；对火区封闭前的燃烧状态进行危险性分析，利用数值模拟技术对不同封闭顺序封闭火区的过程进行数值计算。研究结果表明：以3种不同封闭顺序对火区进行密闭时，会使得流入火区内的空气流量下降，不同程度地引起火区内部瓦斯积聚；对于高瓦斯矿井，以“先进后回”顺序封闭火区时，火区内的负压会使得瓦斯进入火区，增大了火区内的爆炸危险性；以“先回后进”顺序封闭火区时，易引发矿井火区发生风流紊乱现象；“进回同时”顺序封闭火区能够短时间内切断供氧条件，爆炸危险性较低。在实际应用时，由于井下环境的复杂性，应根据矿井具体情况进行综合分析，正确地选择封闭顺序对火区进行密闭，加强对火区内气体的监测以及采取向火区内注入惰性气体等技术手段，实现煤矿火区的安全封闭。
关键词：煤矿火区；封闭顺序；瓦斯积聚；瓦斯爆炸
中图分类号：TD752 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)09-3239-07
Influence of closed sequence on distribution of gas in coal mine fire zone
NIU Huiyong1, 2, DENG Xiangling1, LI Shilin1, 2, LI Fang1, ZHU Hao1
(1. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;
2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,
Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)
Abstract: In order to study the influence of different closed sequences on distribution of gas in coal mine fire zone, to explore the reasonable order of closure and security measures, and to reduce the risk of closure, the change law of gas concentration in closed fire area was analyzed based on the law of conservation of mass. Mathematics model of gas concentration in the fire area and the dynamic control equation were determined. Through using the numerical simulation technology, different closed sequences for coal mine fire zone were calculated, and the state of combustion was analyzed before closing the fire zone. The results show that when using three different closed sequences for the fire zone, the inflow of air flow rate in the fire area decreases, and gas accumulation phenomenon in coal fire area will appear. For the high gas mine, when the “close inlet before outlet” sequence is implemented, the negative pressure in the fire area can make the gas into the fire area, and the explosion hazard increases. When the “close outlet before inlet” sequence is implemented, the air disorder phenomenon can occur in coal mine easily. When the “close inlet and outlet simultaneous” sequence is implemented, the condition of oxygen supply condition can be cut off in a short time, and the risk of explosion risk is low. In practical applications, due to the complexity of the underground environment, comprehensive analysis should be carried out according to the specific situation of the mine. The choice of closed sequence for fire sealing should be selected correctly. In order to complete the closure safely and effectively, the technical means, such as monitoring the gas in coal mine fire area and injecting inactive gas into coal mine fire area, should be applied simultaneously.
Key words: coal mine fire zone; closed sequence; gas accumulation; gas explosion
矿井发生火灾后，在无法直接灭火的情况下，往往要在火灾发生地点的进风侧和回风侧构建封闭墙实现火区的密闭[1-3]。经过一定时间，火区内气体的流动状态趋于平稳后，采取其他灭火措施控制火灾燃烧直至其熄灭。矿山救护规程中明确规定了隔绝火区封闭风墙的3种方法：1) 首先封闭进风巷的风墙；2) 进风巷和回风巷中的风墙同时封闭；3) 首先封闭回风侧风墙。在进行火区封闭时，采取不同的封闭顺序，火区的通风条件、火风压和机械风压等分别会发生不同的变化，对火区内的烟气流动影响也不同。袁树杰[4]使用“火灾特征曲线”对封闭火区中火灾的发展趋势进行了分析。毕强等[5-6]通过分析火区发生的不同位置，确定了封闭火区形式、防火墙的封闭顺序以及火区燃烧状态。周西华等[7]采用 COMSOL 软件对火区封闭过程中流场进行了数值模拟，得出了封闭过程中火区气体运移规律。张晓梅[8]通过对人的不安全行为和物的不安全状态等事故演化要素进行分析和研究，提出了工作面火区封闭过程中瓦斯爆炸事故演化要素的分类。陆东东[9]通过对封闭火区状况的分析，利用多种火灾指标建立了封闭火区综合评价体系。王旭东等[10]针对封闭综放工作面采空区煤自燃事故，提出了立体快速灭火降温、惰化、防复燃的治理技术。焦宇等[11-14]从燃烧学、爆炸学及链式反应的基本观点出发，分析了火区封闭过程诱发瓦斯爆炸的规律，得出了矿井封闭区内发生瓦斯爆炸的原因及影响因素，并建立了封闭火区内的热量传递模型和火区启封时间计算模型。段玉龙等[15-18]通过对封闭火区的状态分析，建立了火区封闭后注惰过程中火区内各物理参数动态变化的数学模型。然而，在火区封闭过程中，火区内爆炸性气体容易发生积聚而存在爆炸的危险性。在实施火灾救灾措施时，由于外部环境因素的影响，救灾的效果可能会有所不同。因此，本文作者通过对煤矿封闭火区内气体体积分数变化的理论分析，运用数值模拟方法对3种不同封闭顺序对火区内气体流态的分布规律进行数值计算，分析这3种不同封闭顺序的安全性与危险性，以便为火灾防治时减少瓦斯爆炸的可能性提供依据，从而提高矿井火灾救灾的及时性和有效性。
1 封闭火区内气体体积分数变化理论分析
影响封闭火区内气体体积分数的因素众多，包括火灾燃烧对气体的消耗以及产生的烟气、漏风量以及煤对气体的吸附等。在火灾燃烧过程中，不断地消耗火区中的氧气。对于高瓦斯矿井，火区内的瓦斯体积分数会不断增加。为研究方便，对封闭火区内的气 体进行以下假设：1) 火区内的气体为不可压缩气体；2) 不考虑火灾燃烧中发生的化学反应；3) 火区内的气体能迅速、充分地混合。因此，火区内的气体应满足质量守恒定律，封闭火区内任何一种气体体积分数变化可用下式表示：
(1)
式中：V为封闭火区的体积，m3；
为某种气体组分的体积分数，%；qi为单位时间内漏入火区的该气体组分流量，m3/s；qe为单位时间内流出火区的流出量，m3/s；t为时间，s。初始时刻即t=0时，假设某种气体组分的初始体积分数为
，将
代入式(1)得
(2)
(3)
在满足上述假设条件的基础上，式(3)表示火区内任意1种气体组分体积分数从初始时刻的变化为任一体积分数所需的时间与气体流入、流出量及火区体积等的关系。
2 动力学控制方程
2.1 质量守恒方程
封闭火区内的气体流动满足质量守恒定律，即流体的某个微元体中单位时间内的质量增加量等于同一时间内此微元体中流入的净质量。按照这一定律，可得出质量守恒方程：
(4)
式中：
为流体的密度，kg/m3；
，
和
分别为速度矢量v在x，y和z方向上的分量。
2.2 动量守恒方程
火区内的气体流动也满足动量守恒定律即牛顿第二定律。该定律可表述为：流体的某个微元体中动量的变化率等于作用在此微元体上各力之和。流体在x，y和z这3个方向的动量守恒可用以下方程来表述：
(5)
(6)
(7)
式中：p为流体微元体所受的压力，Pa；
为流体微元体表面受到的黏性应力；
，
和
等为在各个不同面上的分量，Pa ；
，
和
分别为微元体在x，y和z 3个方向上的体积力，N。
2.3 能量守恒方程
包含热交换的煤矿火区内气体流动系统同时必须满足能量守恒的基本定律，流体的某个微元体中能量的增加率等于该微元体中流入的净热流量与体力和面力对微元体所作的功之和。能量守恒方程式如下：
(8)
式中：T为流体温度，K；k为流体的传热系数，W/(m2·K)；cp为混合气体的比热容，J/(kg·K)；ST为黏性耗散项。
2.4 组分质量守恒方程
在燃烧烟气流动系统中，存在质量交换，并包含多种化学组分。在流动过程中所有组分都遵守组分质量守恒定律，组分质量守恒方程如下：
(9)
式中：
为组分w的体积分数，%；为该组分的密度，kg/m3；Dw为该组分的扩散系数，m2/s。
3 封闭前火灾区域状态分析
当机械风压较小时，火风压对火区烟流的影响不可忽略，因此，计算模型选取的模拟巷道为倾斜巷道，巷道横截面为正方形，巷道高为3 m，宽为3 m，长度为50 m。假设火源位置设置在巷道底板正中间，依据动力学控制方程，对火区燃烧2 h后的状态进行计算，火灾发生2 h时巷道中心纵截面中最高温度在 2 100 K以下。因右侧是进风端，对右侧的烟流有冷却作用，使得高温烟流向左流动，因此，右侧大部分区域温度在400 K以下，如图1所示。火源左侧的大部分区域温度为400~923 K；接近左侧出口的小部分区域由于高温烟流向左流动，温度为923~1 400 K。正常通风时，巷道内的烟流流动方向由右向左，因此，顶板和两侧煤壁逸出的瓦斯流动方向除了垂直于顶板具有向外逸出的速度外，而且会随风流向左移动。巷道截面上的瓦斯体积分数呈较规则的分层分布(如图2和图3所示)，等值线为从上到下向左倾斜的几条曲线。同时，氧气体积分数分布也呈较规则的分层分布，主要分为4层，由上到下的4个区域其体积分数逐渐增大，截面上右侧和左侧大部分区域氧气体积分数(除火源左侧周围一小部分外)在12%以上。
由于矿井火灾燃烧状态复杂多变，其发展趋势受众多因素的影响，因此，为避免矿井火灾灾害扩大和继发性灾害发生，在现场灭火方案不能有效实施时，需对火区进行密闭。而不同封闭顺序会影响火区内瓦斯气体等的重新分布，进而会使得火区内的危险区域(爆炸区域)因封闭顺序不同而不同，本文针对不同封闭顺序对火区内气体分布规律的影响进行计算与分析。
图1 封闭前火灾燃烧2 h后中心纵截面温度分布等值线图
Fig. 1 Isogram of temperature distribution on the center longitudinal section after burning for 2 h before closure
图2 封闭前火灾燃烧2 h后中心纵截面瓦斯体积分数分布等值线图
Fig. 2 Isogram of gas concentration distribution on the center longitudinal section after burning for 2 h before closure
图3 封闭前火灾燃烧2 h后巷道中心纵截面氧气体积分数分布等值线图
Fig. 3 Isogram of oxygen concentration distribution on the center longitudinal section after burning for 2 h before closure
4 不同封闭顺序的计算结果与分析
封闭火区内气体种类众多，本文只分析封闭顺序对瓦斯与氧气分布规律的影响。通过计算得到3种不同顺序封闭火区后中心纵截面上的瓦斯、氧气体积分数以及温度分布规律。
4.1 “先进后回”顺序封闭后的计算结果与分析
与封闭前相比，按“先进后回”的方式对火区封闭，整个巷道内的瓦斯体积分数比较低，回风侧封闭前后短时间内对瓦斯流动的影响不是很明显，截面上瓦斯的分布与左侧封闭前未建立时大体相同。左侧封闭90 s后瓦斯体积分数分布呈由上到下依次减小的分层分布，其中第4层区域为瓦斯爆炸危险区域，如图4所示。因经历了封闭前2 h和右端封闭后10 min燃烧，巷道内氧气被大量消耗，巷道左侧氧气体积分数基本上在5%以下。左侧的出流对主要分布在右侧的氧气的体积分数分布影响不大，左端封闭前后，截面上氧气的分布基本不变。封闭后氧体积分数分布大体上呈从右到左减小的趋势，如图5所示，满足瓦斯爆炸的氧体积分数条件区域均为右侧2个区域。封闭 90 s时火区内氧体积分数5%的等值线向左移动，氧体积分数12%以上的区域基本不变，漏风作用使得巷道左侧氧体积分数在5%以下的区域较封闭前减小。与左侧封闭前相比封闭后温度为923 K的等值线向左移动，符合瓦斯爆炸温度条件的区域为中间4层。与进风端封闭相比，由于封闭墙的不严密，左端的边界条件由自由出流变为小速度出流。高温烟流向外漏出减少，截面区域中温度普遍有所上升，如图6所示。截面温度分布趋势与左端封闭前大体相同，封闭使得高温烟流向左出流速度减小，左侧封闭墙附近温度稍微有所增加。
这种封闭顺序迅速切断了进风侧新鲜空气的进入，氧气量减少使得火区内的火势减弱。同时，机械风压的消失使得烟流向回风端流动的速度大大减小，为回风侧封闭墙的建立创造了有利条件。然而，“先进后回”封闭顺序也存在明显缺陷：若火区需要封闭的区域较大，则需要较长的时间才能使得火区内氧气体积分数降低至12%以下，在此期间，火区内的氧气体积分数均满足瓦斯爆炸的条件；进风侧封闭后，由于机械风压消失，使得火区内的压力急剧减小，从而使煤壁、采空区等的瓦斯逸出量增加，增加了瓦斯爆炸的危险性。而机械风压的消失也会使火区内火风压占据主导作用，从而易引发风流紊乱，使涌出的瓦斯随紊乱的风流流入着火区，引起瓦斯爆炸事故。
4.2 “先回后进”顺序封闭后的计算结果与分析
按“先回后进”的方式首先对火区左侧进行封闭，根据瓦斯涌出的假设条件，由顶板处向下逸出瓦斯，因此，巷道内瓦斯体积分数增加。巷道右端进风侧也封闭后，瓦斯受风流向左流动的作用大大减小，因此，低瓦斯体积分数区域的等值线向右移动，瓦斯爆炸危险性区域为由上到下的第4层区域。由于正常通风消失，使得截面上氧气体积分数较右侧封闭前大大降低，巷道内氧气主要集中在右半部，巷道内大部分区域氧气体积分数在5%以下。氧气体积分数呈由左向右依次增大的分层分布，如图7所示。由于机械风压不存在，烟气流动主要受与巷道正上方成10°斜向上的火风压作用，因此，等值线也是斜向上，与烟气流动方向大致相同。右端进风端封闭后，机械风压消失，巷道内烟气流动主要受火风压影响，因此，烟气在原来右侧封闭前分布的基础上开始向右上方流动。同时，由于两端均封闭后缺少新鲜风流冷却和左端出流作用减少，巷道内温度会显著增高，截面中的最高温度可接近2 300 K(如图8所示)。由于火风压对高温烟流流动的影响，巷道右半部顶部出现温度为400~923 K的小区域，温度大致呈由内向外减小的趋势，中间3层区域的温度满足瓦斯爆炸的条件。
图4 “先进后回”顺序封闭90 s后中心纵截面瓦斯体积分数分布等值线图
Fig.4 Isogram of gas concentration distribution on longitudinal section after closing for 90 s by using “advanced the back”
图5 “先进后回”顺序封闭90 s后中心纵截面氧气体积分数分布等值线图
Fig. 5 Isogram of oxygen concentration distribution on the longitudinal section after closing for 90 s by using “advanced the back”
图6 “先进后回”顺序封闭90 s后中心纵截面温度分布等值线图
Fig. 6 Isogram of temperature distribution on longitudinal section after closing for 90 s by using “advanced the back”
这种封闭方法的优点是封闭过程中火区内的压力大大增加，减少了顶板和煤壁内瓦斯的涌出，并可以阻隔高瓦斯积聚区和相邻采空区瓦斯的涌出。然而，在封闭完工后，机械风压的消失使瓦斯的涌出开始逐渐增加，但此时火区内尚存在较高的氧气体积分数，容易达到瓦斯爆炸极限而发生瓦斯爆炸，从而使灾害加重。在此种封闭顺序下，火区内易发生风流逆转，回风端的封闭墙建立也非常困难，因此，在高瓦斯矿井火灾的救灾中一般不宜采用此种封闭方法。
4.3 “进回同时”顺序封闭后的计算结果与分析
进风侧与回风侧同时封闭火区时，火风压逐渐占主导作用，高温烟流向左流动的速度显著减小，并且逐渐向右上方移动。由于封闭后新鲜风流减少和瓦斯不断涌出，截面上瓦斯体积分数普遍较封闭前高。左右两侧同时封闭后，由于空气流入减少和火灾燃烧对氧气不断消耗，整个封闭区域内的氧气体积分数较封闭前显著降低。火源左侧和右侧上方一部分区域氧气体积分数在5%以下。火源右侧氧气体积分数分为从左到右依次升高的3个区域，各等值线也均向右移动，各等值区域范围也减小，接近右侧封闭墙的2个区域氧气体积分数在12%以上，如图9所示。由于右侧机械风压消失，火风压(方向指向中心纵截面的右斜上方)起主导作用，因此，巷道内高温烟流的流动方向由主要由右向左改变为小速度地由右向左和向右上方流动。
图7 “先回后进”顺序封闭90 s后中心纵截面氧气体积分数等值分布图
Fig. 7 Isogram of oxygen concentration distribution on longitudinal section after closing for 90 s by using “first back backward”
图8 “先回后进”顺序封闭90 s后中心纵截面温度等值分布图
Fig. 8 Isogram of temperature distribution on longitudinal section after closing for 90 s by using “first back backward”
图9 同时封闭90 s后中心纵截面氧气体积分数分布等值线图
Fig. 9 Isogram of oxygen concentration distribution on the center longitudinal section after closing simultaneously for 90 s
进风侧与回风侧同时封闭火区的方法是火灾救灾中最常用的封闭方法，上述计算分析以及相关实验研究结果也可说明这种方法是发生瓦斯爆炸危险性最低的封闭方法。此种封闭方式的优点是建立封闭墙所需的时间最短，缩短了救灾时间，而且封闭后火区内的氧气体积分数迅速降低，在封闭过程中和封闭后封闭墙上通风孔的通风使火区内的瓦斯体积分数逐渐降低，大大降低了火区内发生瓦斯爆炸事故的危险性。但由于井下的环境复杂、条件有限，使得两侧同时建立封闭墙的工作比较困难。同时，两侧通风孔的封闭较困难。
通过对3种不同封闭顺序对火区在封闭过程中以及完工后火区内发生瓦斯爆炸的危险性进行分析可知：“先进后回”顺序发生瓦斯爆炸的危险性较小，但存在处于瓦斯爆炸条件边缘的区域；采用“先回后进”顺序，在封闭火区过程中的回风侧封闭后进风侧封闭前，火区内发生瓦斯爆炸的危险性非常大。在同时封闭顺序下，火区内发生瓦斯爆炸的危险性最小。在煤矿火区的实际封闭过程中，为保证密闭的顺利完成，应选择合适的封闭顺序，并实施其他救灾措施(如向火区注入惰性气体等)。
5 结论
1) 通过对封闭火区内燃烧状态的分析，根据质量守恒定律，对封闭区内气体体积分数的变化进行理论分析，得出了封闭火区内气体体积分数变化的数学模型。
2) 火区封闭后，由于火区的进风量急剧减少，不同封闭顺序会不同程度地引起瓦斯积聚现象，造成封闭火区内压力的变化，进而改变封闭区内的气体分布规律以及氧气体积分数分布状态。
3) 进回同时封闭时危险性较小。矿井火灾实际救护时，应根据实际情况选择合理的封闭顺序以及形式，保证风流的稳定性，并在封闭过程中配合注入惰性气体以及采取对火区气体的监测等火灾救灾措施，实现安全封闭火区。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2016-02-10；修回日期：2016-04-21
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51274099，51474106) (Projects(51274099, 51474106) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：牛会永，博士，副教授，从事煤矿火灾防治理论与技术、事故应急救援等研究；E-mail: niuhuiyong@163.com
