礦井火災(zāi)期間的風(fēng)流狀態(tài)模擬是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。它要求全面了解礦井系統(tǒng)及井巷圍巖 的傳熱特性、火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、火災(zāi)期間燃燒生成物在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的傳播擴(kuò)散過程以及 火災(zāi)與風(fēng)流的相互作用過程，并要求能夠用數(shù)學(xué)模型來描述它們，而現(xiàn)今建立的模型基本反 映了實(shí)際的風(fēng)流變化規(guī)律，又能在計(jì)算機(jī)上快速得到結(jié)果，滿足直觀快速的救災(zāi)實(shí)戰(zhàn)要求 。
1967年，英國的Roberts和Clough發(fā)表的關(guān)于木材支護(hù)在井下巷道中的火災(zāi)傳播規(guī)律的論文 中首次提出了根據(jù)火災(zāi)區(qū)流出氣體的組份，將火災(zāi)傳播方式分為富氧火災(zāi)（Oxygen-rich fi res）和燃料過剩火災(zāi)（Fuel-rich fires）。富氧火災(zāi)指的是流出的煙流中氧氣濃度超過15 %的火災(zāi)；燃料過剩火災(zāi)是指流出火災(zāi)區(qū)的煙流中含有過剩的燃料氣體。燃料過剩火災(zāi)區(qū)可 劃分為冷卻帶、焦炭帶、燃燒帶、過余燃料帶和預(yù)熱帶。對富氧火災(zāi)來說，由于燃料不會存 在過剩的問題，因此沒有過余燃料帶。通過能量平衡方程，獲得了描述燃料過剩火災(zāi)各參數(shù) 之間相互關(guān)系的方程式。因此這種火災(zāi)分類和分帶方法，獲得了廣泛的認(rèn)同。
實(shí)際上礦井火災(zāi)大多數(shù)都是由較小的點(diǎn)火源引起的，再逐漸發(fā)展成富氧火災(zāi)，并大多停留在 富氧狀態(tài)。只有在點(diǎn)火源大且持續(xù)時間長、風(fēng)速低、燃料豐富等條件下，才可能發(fā)展成為燃 料過剩火災(zāi)。隨著各種條件的變化，火災(zāi)的狀態(tài)也是變化的，并不總是保持在一種穩(wěn)定 的狀態(tài)。
1 火源特性曲線的模擬
在火災(zāi)通風(fēng)模擬時，目前確定火源參數(shù)的方法是采用火災(zāi)發(fā)展特性曲線，即根據(jù)相似條件 下發(fā)生的火災(zāi)事故，進(jìn)行火災(zāi)模擬試驗(yàn)，確定火源溫度。用這種方法，可以比較客觀地對各 種不同規(guī)模、不同發(fā)展趨勢的火災(zāi)的全過程進(jìn)行模擬。根據(jù)大量的燃料燃燒實(shí)驗(yàn)資料（包 括皮帶、木料、煤炭等）確定多種火源特性曲線，供火災(zāi)模擬時使用。當(dāng)然，提供的火源 特性曲線與實(shí)際情況會有出入，但此模擬的結(jié)果仍有重要的參考價值。
在火災(zāi)發(fā)生過程中，火源特性曲線的溫度和煙氣濃度隨時間變化有一共同特點(diǎn)，即開始的上 升階段，中間的穩(wěn)定階段，其后的下降階段。上升階段時間較短，斜率較大；穩(wěn)定階段達(dá)到 最高值，穩(wěn)定的時間依可燃物的數(shù)量及火勢大小而定；下降階段，時間較長，斜率較小。
圖1所示為重慶煤科分院在模擬平峒內(nèi)做的實(shí)驗(yàn)燃燒曲線。燃燒實(shí)驗(yàn)的條件如下： 燃燒物質(zhì)：木柴1000kg，皮帶204kg（長為24m，每米 85kg）； 燃燒開始前巷道風(fēng)速為173m/s。用以模擬木支護(hù)巷道內(nèi)的皮帶火災(zāi)。 圖1上半部的縱坐標(biāo)為煙氣折算濃度C%（CO2和CO之和），圖1下半部的縱坐標(biāo)為火源 溫度T（℃）。
2 火災(zāi)氣體在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中傳播過程模擬方法" title="模擬方法">模擬方法
火災(zāi)氣體（或其它污染物）在礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，隨著風(fēng)流的流動而向前傳播。并且在隨風(fēng)流 動過程中還伴隨著煙流的擴(kuò)散運(yùn)動。由于火災(zāi)期間礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流狀態(tài)的不斷變化，火災(zāi) 煙流的濃度也在不斷變化。因此，火災(zāi)煙流濃度在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中隨時間和空間變化的規(guī)律極其 復(fù)雜。 在進(jìn)行火災(zāi)期間通風(fēng)模擬時，煙流擴(kuò)散傳播過程的模擬是一個重要的組成部分，這也是進(jìn)行 溫度分布計(jì)算的基礎(chǔ)。1982年，美國的格魯爾（REGreuer）等人最早進(jìn)行了煙流擴(kuò) 散的 動態(tài)模擬，他們采用的方法是在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)定義一系列等煙流濃度的控制體，在一個微小時 間區(qū)間內(nèi)，將所有控制體同時向前移動。具體步驟是：首先將計(jì)算時間區(qū)間分解為一系列微 小時間區(qū)間，在每個時間區(qū)間△T內(nèi)，先計(jì)算火源和檢查節(jié)點(diǎn)濃度變化情況，形成新的 控制 體，然后將各分支中已存在的控制體向前移動，當(dāng)控制體到達(dá)分支末節(jié)點(diǎn)后，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)濃度 平衡計(jì)算，并在后續(xù)分支中形成新控制體，當(dāng)每條分支中的控制體數(shù)超過6個時，將前面的 控制體注銷，以節(jié)省內(nèi)存。這種方法的局限在于：①微小時間區(qū)間△T不易確定，若選得太 小則計(jì)算工作量太大，若選得太大則煙流波峰一次可能通過不止一個節(jié)點(diǎn)，使計(jì)算過程復(fù)雜 化；②每個分支中都保留6個等濃度控制體，導(dǎo)致內(nèi)存單元的有效利用率低，一方面沒有煙 流通過巷道中的單元空閑，另一方面有煙流流過的巷道中控制體太少，不能完整地記錄下巷 道中煙流濃度的變化情況；③每個計(jì)算區(qū)間還要再分解為許多微小區(qū)間進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工作 量大；④當(dāng)與風(fēng)流溫度分布計(jì)算結(jié)合起來時，計(jì)算工作量更大；⑤在每個時間區(qū)間△T內(nèi)， 假設(shè)煙流濃度不變，這樣才能形成等濃度的控制體。 本文提出了一種新的煙流擴(kuò)散動態(tài)模擬方法。基本思路是：假設(shè)在一個較小的時間區(qū)間內(nèi)， 火源的煙流（或其它污染物）濃度是線性（單調(diào)）變化的，同時在此時間區(qū)間內(nèi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的 風(fēng)流狀態(tài)不變，且不考慮煙流前鋒的分子擴(kuò)散運(yùn)動，煙流濃度在一個巷道斷面上均勻。某一 時刻從火源流出的煙流（稱為煙流鋒面）在隨風(fēng)流流動過程中，除在風(fēng)流交匯處不同濃度 混合后濃度發(fā)生變化外，其濃度保持不變。
圖2 火源煙流濃度的計(jì)算模型（略）
假設(shè)在某個時間區(qū)間（t0→t1）內(nèi)，火源處煙流濃度單調(diào)增加，如圖2（〖WTBZ〗a〖WT 〗）所示，則在火源后 側(cè)煙流流過的巷道區(qū)段（O→L）內(nèi)，t1時刻的煙流濃度分布是隨離火源距離的增加而 單調(diào)下 降（不考慮風(fēng)流匯合時），如圖2〖WTBZ〗（b〖WT〗）所示。記錄〖WTBX〗t1時刻的火源煙 流濃度C1，煙流前鋒的濃度 Co及共離火源（前節(jié)點(diǎn)）的距離L，就可以確定t〖WT〗1時刻該巷道中的煙流濃度分布。 在進(jìn)行下 一時間區(qū)間的煙流傳播計(jì)算時，將上次計(jì)算中得到的煙流前鋒保留，作為一個新的污染源處 理，繼續(xù)向前傳播。當(dāng)考慮通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流的匯合時，在每個煙流鋒面到達(dá)分支的末節(jié)點(diǎn)后 ，立即進(jìn)行節(jié)點(diǎn)煙流濃度平衡計(jì)算，得到一個新濃度的煙流鋒面，并將它向后續(xù)巷道繼續(xù)傳 播，直至?xí)r間區(qū)間完畢，煙流鋒面停止運(yùn)動，或鋒面到達(dá)大氣節(jié)點(diǎn)后消失。煙流在各分支中 運(yùn)動的變化規(guī)律與前述相似。 為保證不同污染源（或煙源鋒面）向前傳播計(jì)算時先后順序的正確，先計(jì)算各污染源順風(fēng)向 至地面節(jié)點(diǎn)所需的最長時間，然后按此時間值由小到大（即由后向前）將各污染源排序，順 序計(jì)算。對每一污染源，則首先按煙流經(jīng)過各分支的時間順序，找出煙流在所計(jì)算的時間區(qū) 間內(nèi)要流過的所有分支，然后按順序向前計(jì)算各分支中的煙流濃度分布。 計(jì)算機(jī)軟件中用于記錄通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中每一時刻煙流濃度分布的參數(shù)如下：
（1）各煙流鋒面（污染源）的參數(shù)，包括：鋒面所在的分支號；鋒面離分支始節(jié)點(diǎn)的 距離；煙流鋒面的濃度；該鋒面煙流濃度隨時間的變化斜率；保持該變化斜率的時間 。
（2）各分支末端的煙流濃度。
（3）各節(jié)點(diǎn)的平衡煙流濃度。
（4）各分支的加權(quán)平均煙流濃度。
由以上參數(shù)就可以較準(zhǔn)確地得到該時刻火災(zāi)煙流在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的分布情況。
從發(fā)生火災(zāi)時刻開始，選擇一定的時間間隔，一個一個時間區(qū)間地向前模擬，可以改變各時 間區(qū)間的煙流濃度及其變化率，并結(jié)合風(fēng)流狀態(tài)的模擬解算，就可以較完整地獲得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò) 中煙流濃度動態(tài)的變化過程。
3 火災(zāi)期間風(fēng)流狀態(tài)的模擬
所謂動態(tài)模擬，就是以一定的時間步長為單位，從火災(zāi)著火時刻開始，一段時間一段時間地 向前模擬，得到各個時刻的風(fēng)流狀態(tài)。每個時間段的火源參數(shù)都可以改變，從而近似模擬出 礦井火災(zāi)期間通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流動態(tài)變化的全過程。
在進(jìn)行各個時間區(qū)間的模擬計(jì)算時，都是以該區(qū)間的初始風(fēng)流狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)中煙流蔓延情 況為基礎(chǔ)，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件下，計(jì)算時間區(qū)間結(jié)束時煙流的蔓延情況，然后計(jì)算出風(fēng)溫分 布、各分支的修正風(fēng)阻、位能差及各獨(dú)立回路的熱風(fēng)壓" title="風(fēng)壓">風(fēng)壓，最后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，得到時間區(qū)間 結(jié)束時的風(fēng)流狀態(tài)。
目前對每個時間區(qū)間內(nèi)的風(fēng)流狀態(tài)的變化過程，主要有兩種處理方法：一是假設(shè)風(fēng)流狀態(tài)在 每個時間區(qū)間內(nèi)最終都達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)，在計(jì)算時以解算得到的風(fēng)流狀態(tài)為基礎(chǔ)，重新 解算新的風(fēng)流狀態(tài)，直至收斂于某一平衡狀態(tài)為止。另一是假設(shè)在每個時間區(qū)間內(nèi)的風(fēng)流狀 態(tài)保持初始狀態(tài)不變，因而每個區(qū)間內(nèi)只進(jìn)行一次計(jì)算，得到的風(fēng)流狀態(tài)即是區(qū)間末端的風(fēng) 流狀態(tài)。
這兩種方法實(shí)質(zhì)上都是用一系列的準(zhǔn)平衡狀態(tài)來模擬風(fēng)流的動態(tài)變化過程。方法一是用 區(qū)間結(jié)束時的風(fēng)流狀態(tài)作為整個區(qū)間的準(zhǔn)平衡風(fēng)流狀態(tài)，方法二則是用區(qū)間開始的風(fēng)流 狀態(tài)作為區(qū)間的準(zhǔn)平衡風(fēng)流狀態(tài)。顯然方法一的計(jì)算工作量比方法二多得多，而且 在某些條件下，若某分支風(fēng)流方向在一個時間區(qū)間內(nèi)不穩(wěn)定時，會出現(xiàn)迭代過程不收斂 的問題。從模擬的準(zhǔn)確性來看，方法一并不比方法二優(yōu)越。因此，方法二可優(yōu) 先選用。
4 結(jié)束語
本文提出的火災(zāi)燃燒特性的加載方法和風(fēng)流狀態(tài)的模擬方法具有節(jié)省計(jì)算時間，提高計(jì)算機(jī) 內(nèi)存有效利用率，易于與煙流濃度分布和煙流風(fēng)溫分布計(jì)算結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。通過在天能 集團(tuán)馬莊煤礦“礦井火災(zāi)與通風(fēng)管理系統(tǒng)" title="管理系統(tǒng)">管理系統(tǒng)”項(xiàng)目的成功應(yīng)用，上述方法被證明是切實(shí)有 效的。該項(xiàng)目榮獲1998年煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎。對于如何更真實(shí)地描述火災(zāi)燃燒特 性、模擬火災(zāi)期間的風(fēng)流狀態(tài)，值得進(jìn)一步研究和完善。
