1 引言

　　礦山火災(zāi)是礦井重大災(zāi)害之一，它對井下人員的生命安全、礦井設(shè)備、礦產(chǎn)資源以及地表環(huán)境都會產(chǎn)生很大的危害。在所有的礦井火災(zāi)中，自燃火災(zāi)約占70%以上；尤其在煤礦中，煤炭自燃引起的火災(zāi)占煤礦火災(zāi)的90%以上。因此，研究自燃火災(zāi)巷道煙氣流動的規(guī)律以及對火災(zāi)后巷道內(nèi)空氣質(zhì)量的安全評價，對于自燃礦山的火災(zāi)防治有著重大的意義。

　　對于礦井火災(zāi)時期煙氣流動的速度場、溫度場、濃度場分布研究，目前已取得一些成果。戚宜欣以化學(xué)流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立了火災(zāi)煙流流動的微分方程組；王省身、蔣軍成建立了火災(zāi)巷道煙氣流動的場模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬計算；劉劍、賈進(jìn)章建立了火災(zāi)時期數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型；張興凱用現(xiàn)場火災(zāi)實(shí)驗得出了溫度場分布規(guī)律等。他們對火災(zāi)巷道中煙流運(yùn)動的各種場分布規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，但對自燃火災(zāi)發(fā)生后，巷道內(nèi)的空氣質(zhì)量評價卻涉及不多，更沒有考慮到人的熱舒適度指標(biāo)。

　　筆者在前人研究的成果基礎(chǔ)上，以廣西銅坑礦自燃火災(zāi)為實(shí)例，依據(jù)空氣流動所遵循的控制方程組，對速度場、溫度場等進(jìn)行數(shù)值模擬計算。該數(shù)值模擬的方法具有結(jié)果直觀、可視化強(qiáng)；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。

　　在模擬和評價中，最后突出了以人為本，考慮礦工勞動環(huán)境的舒適問題，采用預(yù)計熱舒適指標(biāo)(Predicted Mean Vote, PMV)和預(yù)計不滿意百分比(Predicted Percent Dissatisfied，PPD)兩個衡量人體熱舒適感諸多因素最全面的指標(biāo)，對火災(zāi)巷道中的空氣質(zhì)量進(jìn)行了安全評價，為自燃礦山火災(zāi)的防治提供了科學(xué)依據(jù)。

　　2 煙氣流動的基本守恒方程組

　　在礦井自燃后的火災(zāi)巷道中，高溫?zé)煔饬鲃訛榉嵌ǔＡ鲃蛹皞鳠醾髻|(zhì)過程，應(yīng)遵循以輸運(yùn)定律或有關(guān)的守恒、平衡定律出發(fā)而建立起來的化學(xué)流體力學(xué)基本方程組：

　　1) 連續(xù)方程

??

　　2)動力方程

??

　　3)能量守恒方程

??

　　4)組分方程(不考慮化學(xué)反應(yīng)生成率Si')

??

　　式中，

　　　　——組分氣體i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

?

　　3 煙氣流動場的控制方程

　　煙氣流動場模擬的控制方程組包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分方程、紊流動能方程和紊流動能耗散率方程，所有這些方程都滿足下列通用形式的方程：

?

　　式中，ρ——密度；

　　V——速度失量：

　　Ф——某一通用物理量；

　　——不穩(wěn)定態(tài)項；

　　????

　　——對流項；

　　——擴(kuò)散項；

　　SФ——源項；

　　ΓФ——通用物理量Ф的有效輸運(yùn)系數(shù)。

　　所自的控制方程Ф，ΓФ，SФ如下表所示。

?

??

　　式中，u, v——速度分量；

　　μeff ——有效紊流擴(kuò)散系數(shù)；

　　σ t——紊流粘性；

　　k——紊流動能；

　　ε——紊流動能耗散率；

　　G b——紊流動能浮力產(chǎn)生項；

　　G k——紊流動能平均速度梯度產(chǎn)生項。