矿井火灾时期角联通风网络风流流动规律研究

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矿井火灾是煤矿的五大灾害之一,不仅会烧毁井下机械设备和煤炭资源,还会释放有毒有害气体危及井下人员的生命安全。火灾时期的高温烟流容易引起井下通风系统风流状态的混乱,造成更大的危害。因此,研究火灾时期风流流动的规律对于正确判断火灾前后巷道中风流状态、为矿井通风和防灭火提供依据以及减少火灾造成的人员伤亡都具有重要的理论与现实意义。本文采用理论研究、实验模拟以及数值模拟相结合的方法,对巷道火灾时期角联通风网络的风流流动规律进行研究。(1)通过对呼和乌素煤矿的现场调研,根据相似理论和相关准则以1:20的比例设计并制作了矿井巷道角联通风网络火灾模拟实验系统。利用该实验系统测定了火灾时期不同测点的风流温度并利用FLUENT软件进行了数值模拟得出结论:①实验测定值与理论计算值最高温度误差为3.9℃,平均误差率为9.3%,二者结果相近误差较小,验证了污染区及下风侧巷道风流温度的沿程计算公式的合理性;②模拟结果直观的显示了火区及下风侧巷道温度分布规律:即燃烧稳定时期,风流温度随着距离火源位置的加大而逐渐变小。(2)根据风流温度的实验测定结果,分析了燃烧稳定时火区及下风侧巷道风流温度的梯度变化,并得出以下结论:①随着时间的变化火势减小,距离火区一定距离的巷道内风流温度梯度减小而且幅度较低;②在同一时间,距离火源不同位置的巷道内,风流温度梯度减小并且幅度很大,最高处减幅达到84.3%。(3)实验测定了不同测点的动压值并计算了火灾时期风流速度和风量大小,根据计算结果得出:存在火源的巷道及其下风侧巷道和远离火区的联络巷风量明显下降;而与之并联的巷道以及靠近火区的联络巷风量却有所增加。在实际巷道中,此时很容易引起瓦斯的积聚等问题,高温还可能引起瓦斯和煤尘的爆炸。另外,风量减小使得空气中有毒有害气体浓度增加,会给救援工作等造成很大的困难。(4)根据风量随时间的变化可以得出:巷道火灾从发展、稳定到衰减阶段,各分支风量的变化分为两种类型,一类是先逐渐减小、达到最小风量、然后再逐渐增大到正常时期的风量;另一类是先逐渐增大、达到最大风量、然后再逐渐减小到正常时期的风量。(5)根据火区阻力的形成机制和计算方法,结合通风网络解算中斯考德-恒斯雷迭代算法提出了火灾时期通风网络风量修正值的计算方法,并通过实验进行了验证。结果表明:①该计算公式有较好的收敛性,当迭代次数为4次时,风量的修正值就小于0.01m3/s;②理论值与实验值最大误差为8.26%,符合工程计算要求精度。
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