朱令起，劉可忻，周藝婷

（1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

2019 年全國(guó)原煤產(chǎn)量37.5 億t，煤炭占一次能源消費(fèi)比重57.7%[1]。礦井火災(zāi)嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)、危害職工生命安全，給社會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)和能源損失[2]。礦井火災(zāi)事故是常見的礦井災(zāi)害之一，井下一旦發(fā)生火災(zāi)，將產(chǎn)生大量有毒有害氣體，改變井下風(fēng)流，直接或間接影響危害礦工生命與健康安全，并且礦井巷道內(nèi)可燃物多，巷道距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，有毒有害煙氣將會(huì)持續(xù)擴(kuò)散，將有害氣體和高溫?zé)崃鱾鞑サ狡渌麉^(qū)域，擴(kuò)大礦井受災(zāi)范圍[3]。因此，針對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，運(yùn)輸巷道內(nèi)煙氣引流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

針對(duì)唐山礦T3290 運(yùn)輸巷道及其回風(fēng)巷設(shè)計(jì)災(zāi)變風(fēng)流引流方式[4]，采用風(fēng)流短路法將在編風(fēng)流引入專用回風(fēng)巷方法。通過CO、煙霧傳感器判定火災(zāi)發(fā)生信息，雙向風(fēng)速儀檢測(cè)反向風(fēng)流，最終由PLC電控柜啟動(dòng)風(fēng)窗電機(jī)使得風(fēng)窗自動(dòng)開啟，引導(dǎo)風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)巷以實(shí)現(xiàn)煙流短路。

1 數(shù)值模擬

由于受到巷道內(nèi)多種環(huán)境因素影響，發(fā)生火災(zāi)時(shí)運(yùn)輸巷道內(nèi)煙氣及CO 并非均勻分布, 將傳感器設(shè)置在巷道中能夠更早接觸到煙氣和CO 的位置可以更加及時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)情，通過使用Pyrosim 建模軟件對(duì)火災(zāi)情況進(jìn)行模擬，從而得到巷道中煙流蔓延情況，進(jìn)而分析得出最佳的傳感器布置位置[5-6]。

為了使得模擬效率提升，依據(jù)井下的實(shí)際狀況，對(duì)火災(zāi)過程進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，忽略不必要細(xì)節(jié)，以便進(jìn)行模型建立和模擬：①運(yùn)輸巷道內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的有害氣體性質(zhì)穩(wěn)定，不再相互反應(yīng)；②巷道內(nèi)在發(fā)生火災(zāi)前溫度和氣流分布均勻穩(wěn)定；③視煙流為理想混合氣體，使用理想狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。

1.1 巷道模型和火源設(shè)定

為了提高對(duì)于運(yùn)輸巷火災(zāi)狀況的模擬效率，只建立T3290 甲邊眼、T3290 乙邊眼、T3280 甲邊眼、運(yùn)輸巷繞道、T3283 回風(fēng)道、距T3280 甲邊眼下方100 m運(yùn)輸巷等局部通風(fēng)系統(tǒng)物理模型。巷道總體模型建立如圖1。

圖1 巷道總體模型Fig.1 General model of roadway

巷道內(nèi)帶式輸送機(jī)中的輸送帶為PVC 材料，而PVC 材料具有難燃易熱解的特點(diǎn)，因此為了使得輸送帶發(fā)生燃燒，初始火源釋放速率設(shè)置為1 個(gè)較大值。通過參考多個(gè)有關(guān)分析礦井可燃物燃燒特性文獻(xiàn)[7-9]，將火源總功率設(shè)定為600 kW；火源面積設(shè)置為0.5 m2。

1.2 模擬結(jié)果

分別截取火災(zāi)發(fā)生初期120 s 時(shí)，巷道距火源35、40、45、50 m 4 個(gè)巷道截面CO 體積分?jǐn)?shù)模擬圖片，巷道橫截面CO 體積分?jǐn)?shù)如圖2。

圖2 巷道橫截面CO 體積分?jǐn)?shù)Fig.2 Roadway cross section CO volume fraction

由圖2 可知，此時(shí)，CO 已完全覆蓋巷道頂部，數(shù)值已超過150×10-6；在接近火源的位置，受高溫影響，巷道兩側(cè)CO 體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他位置，隨著逐漸遠(yuǎn)離火源，CO 逐漸向下沉積，CO層變厚；靠右側(cè)CO 體積分?jǐn)?shù)更高。這是由于右側(cè)接近火源，渦流速度更快，使得CO 積聚在此。巷道軸向CO 體積分?jǐn)?shù)如圖3，巷道軸向2.4 m 處風(fēng)速圖如圖4。

圖3 巷道軸向CO 體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Roadway axial CO volume fraction

圖4 巷道軸向2.4 m 處風(fēng)速圖Fig.4 Wind speed diagram at 2.4 m point of roadway axial

由于風(fēng)流受到巷道墻壁約束作用，巷道墻壁表面至軸心方向風(fēng)流呈層流和紊流狀態(tài)。由圖3 可知，在3.1～3.3 m 處，CO 體積分?jǐn)?shù)等值線出現(xiàn)尖端，表明在此高度上，CO 將更早出現(xiàn)[10-11]。圖4 可知，巷道的上下層表面風(fēng)流速度分布均勻，說明此處風(fēng)流呈現(xiàn)層流，且受巷道壁面的影響，風(fēng)流速度穩(wěn)定于0.6～0.8 m/s 之間。在高3.1～3.3 m 處，各流速線均呈現(xiàn)前鋒間斷的現(xiàn)象，說明同一時(shí)刻，該高度風(fēng)流速度更快，煙氣傳播距離更遠(yuǎn)。

火災(zāi)發(fā)生之時(shí)由于受到火災(zāi)熱效應(yīng)，巷道壁面摩擦約束以及巷道形狀等影響，高溫有毒煙氣聚集于巷道頂面而后向兩側(cè)蔓延。因此，設(shè)計(jì)的風(fēng)流引流系統(tǒng)中，應(yīng)將傳感器置于帶式輸送機(jī)一側(cè)，高3.1 m 處，此位置能夠更早的捕捉到CO 及煙氣信號(hào)，從而更早發(fā)現(xiàn)火情使得風(fēng)流引流系統(tǒng)做出反應(yīng)。

2 引流裝置控制策略

得益于計(jì)算機(jī)以及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?？删庉嬤壿嬁刂破鱌LC（Programmable Logic Controller）大大減少了人們對(duì)于復(fù)雜電氣的控制要求?？删幊踢壿嬁刂破魍ㄟ^可編程的存儲(chǔ)器，便可完成信息的存儲(chǔ)，邏輯的運(yùn)算，順序的控制等任務(wù)及維護(hù)簡(jiǎn)單，維修時(shí)只需更換模塊和部分零件即可[12]。基于其種種優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)輸巷煙流引流裝置選用PLC 作為災(zāi)變時(shí)期控制系統(tǒng)的電氣控制結(jié)構(gòu)[13-14]。

對(duì)于不能獨(dú)立通風(fēng)的運(yùn)輸巷，為保證將有毒有害氣體引流至回風(fēng)巷內(nèi)，通常采用局部風(fēng)流短路的方法[15-16]。唐山礦運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過回風(fēng)引流巷將有毒有害氣體引入總回風(fēng)巷內(nèi)，控制總漏風(fēng)量，考慮到防腐及耐風(fēng)壓等問題，設(shè)計(jì)在運(yùn)輸巷尾部回風(fēng)引流巷處加裝2 個(gè)鋁合金卷簾調(diào)節(jié)風(fēng)窗，通過PLC 控制裝置，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)風(fēng)門的線性開啟控制，起到將有害煙氣引流至回風(fēng)巷內(nèi)的作用[17-18]。

根據(jù)上前面分析得出的最佳觀測(cè)位置，在運(yùn)輸巷內(nèi)分別設(shè)置2 個(gè)CO 傳感器、2 個(gè)煙霧傳感器對(duì)巷道內(nèi)氣體進(jìn)行監(jiān)控，共同判定火災(zāi)的發(fā)生，并設(shè)置雙向風(fēng)速傳感器，作為風(fēng)窗的控制輔助信號(hào)，減少風(fēng)量損失。將煙霧數(shù)值和CO 體積分?jǐn)?shù)預(yù)設(shè)值設(shè)定為0.05 obs/m 和24×10-6，作為判定標(biāo)準(zhǔn)輸入PLC 模塊，與CO、煙霧傳感器實(shí)時(shí)感知信號(hào)進(jìn)行比對(duì)。風(fēng)窗自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖5。

圖5 風(fēng)窗自動(dòng)控制系統(tǒng)Fig.5 Wind window automatic control system

當(dāng)CO 傳感器監(jiān)測(cè)到運(yùn)輸巷內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)大于24×10-6和煙霧體積分?jǐn)?shù)傳感器監(jiān)測(cè)到巷道內(nèi)煙霧體積分?jǐn)?shù)在0.05 obs/m 以上時(shí)，PLC 模塊開始控制卷簾風(fēng)窗1、卷簾風(fēng)窗2 的電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)控制卷簾上升，實(shí)現(xiàn)風(fēng)流短路。此時(shí)雙向風(fēng)速傳感器不斷向PLC 模塊反饋實(shí)時(shí)風(fēng)速，當(dāng)監(jiān)測(cè)到反向風(fēng)速達(dá)到0.2～0.5 m/s 時(shí)，卷簾風(fēng)窗1 和卷簾風(fēng)窗2 電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，為防止出現(xiàn)風(fēng)窗過卷現(xiàn)象，設(shè)置了上下限位開關(guān)進(jìn)行控制。

3 引流控制裝置功能實(shí)現(xiàn)

煙流引流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于通過對(duì)運(yùn)輸巷CO 體積分?jǐn)?shù)、煙霧的監(jiān)測(cè)，判定火災(zāi)發(fā)生并結(jié)合PLC 控制箱對(duì)風(fēng)門卷簾控制，最終達(dá)到對(duì)巷道火災(zāi)盡早發(fā)現(xiàn)以及災(zāi)變風(fēng)流的自動(dòng)引流控制[19-20]?？刂葡浼嫒萘藬?shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)傳輸與預(yù)警、動(dòng)作控制及自動(dòng)變壓等功能. 運(yùn)輸巷煙流引流系統(tǒng)主程序流程圖如圖6。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

由圖6 可知，現(xiàn)場(chǎng)CO 傳感器，煙霧傳感器及風(fēng)速傳感器對(duì)巷道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，傳輸給PLC 控制模塊，通過與預(yù)先設(shè)定量進(jìn)行分析比較，將對(duì)應(yīng)的控制指令傳送至下位機(jī)（卷簾風(fēng)窗電機(jī)）進(jìn)行執(zhí)行，從而控制回風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)流大小，實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)風(fēng)流短路。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

當(dāng)模擬運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)后，風(fēng)門開始打開，最終高溫?zé)煔鈴娘L(fēng)門處經(jīng)過，通過專用回風(fēng)巷流出。測(cè)得風(fēng)窗完全打開后，回風(fēng)巷內(nèi)平均風(fēng)速變化如圖7。風(fēng)門平均風(fēng)速如圖8。

圖7 回風(fēng)巷巷道平均風(fēng)速Fig.7 Average wind speed in return air roadway

圖8 風(fēng)門平均風(fēng)速Fig.8 Mean wind speed of damper

回風(fēng)巷內(nèi)平均風(fēng)速為1.44 m/s，計(jì)算風(fēng)量為21.6 m3/s。監(jiān)測(cè)風(fēng)窗過風(fēng)平均風(fēng)速為10.2 m/s，風(fēng)窗最大開口面積1.1×2 m2，計(jì)算最大通過風(fēng)量22.44 m3/s，最大平均風(fēng)量22.02 m3/s。

主運(yùn)輸巷配風(fēng)量12 m3/s，T3290 乙邊眼經(jīng)帶式輸送機(jī)頂端反向風(fēng)量為9.6～10.02 m3/s，經(jīng)雙向風(fēng)速傳感器位置處的最大平均風(fēng)速可達(dá)0.63 m/s，能夠滿足雙向風(fēng)速傳感器啟+動(dòng)風(fēng)速?；馃煵粫?huì)通過T3290甲、乙邊眼向鐵三區(qū)其它工作場(chǎng)所蔓延。

5 結(jié) 語

1）運(yùn)用Pyrosim 構(gòu)建了T3290 運(yùn)輸巷及其回風(fēng)巷物理模型，模擬了火災(zāi)發(fā)生時(shí)CO 等有毒有害氣體在巷道中的蔓延情況、積聚位置和風(fēng)流風(fēng)速狀況，最終確定了最佳的CO、煙霧傳感器安裝位置，為更早監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生，給系統(tǒng)更多反應(yīng)時(shí)間創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

2）設(shè)計(jì)了運(yùn)輸巷道煙流引流系統(tǒng)，PLC 控制策略，研發(fā)了多功能于一體的PLC 控制箱。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)模擬，調(diào)風(fēng)風(fēng)窗完全打開時(shí)，T3290乙邊眼經(jīng)帶式輸送機(jī)最大反向風(fēng)量可達(dá)10.02 m3/s，主運(yùn)輸巷12 m3/s 的風(fēng)量能完全通過風(fēng)窗排至總回風(fēng)巷中，火煙不會(huì)通過T3290 甲、乙邊眼向其它工作場(chǎng)所蔓延。