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(guò)程以及 火災(zāi)與風(fēng)流的相互作用過(guò)程，并要求能夠用數(shù)學(xué)模型來(lái)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(guó)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(guò)?；馂?zāi)（Fuel-rich fires）,。富氧火災(zāi)指的是流出的煙流中氧氣濃度超過(guò)15 %的火災(zāi)；燃料過(guò)?；馂?zāi)是指流出火災(zāi)區(qū)的煙流中含有過(guò)剩的燃料氣體,。燃料過(guò)剩火災(zāi)區(qū)可 劃分為冷卻帶,、焦炭帶,、燃燒帶、過(guò)余燃料帶和預(yù)熱帶,。對(duì)富氧火災(zāi)來(lái)說(shuō),，由于燃料不會(huì)存 在過(guò)剩的問(wèn)題，因此沒(méi)有過(guò)余燃料帶,。通過(guò)能量平衡方程,，獲得了描述燃料過(guò)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(lèi)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(shí)間長(zhǎng),、風(fēng)速低,、燃料豐富等條件下，才可能發(fā)展成為燃 料過(guò)?；馂?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(shí)，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(duì)各 種不同規(guī)模,、不同發(fā)展趨勢(shì)的火災(zāi)的全過(guò)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(shí)使用,。當(dāng)然,，提供的火源 特性曲線與實(shí)際情況會(huì)有出入，但此模擬的結(jié)果仍有重要的參考價(jià)值,。

　　在火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中，火源特性曲線的溫度和煙氣濃度隨時(shí)間變化有一共同特點(diǎn),，即開(kāi)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(shí)間較短,，斜率較大；穩(wěn)定階段達(dá)到 最高值,，穩(wěn)定的時(shí)間依可燃物的數(shù)量及火勢(shì)大小而定,；下降階段，時(shí)間較長(zhǎng),，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(zhǎng)為24m,，每米 85kg）； 燃燒開(kāi)始前巷道風(fēng)速為173m/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%（CO2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(guò)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(dòng)而向前傳播。并且在隨風(fēng)流 動(dòng)過(guò)程中還伴隨著煙流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),。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(shí)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(shí),，煙流擴(kuò)散傳播過(guò)程的模擬是一個(gè)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(guó)的格魯爾（REGreuer）等人最早進(jìn)行了煙流擴(kuò) 散的 動(dòng)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(gè)微小時(shí) 間區(qū)間內(nèi),，將所有控制體同時(shí)向前移動(dòng)。具體步驟是：首先將計(jì)算時(shí)間區(qū)間分解為一系列微 小時(shí)間區(qū)間,，在每個(gè)時(shí)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(dòng),，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(guò)6個(gè)時(shí)，將前面的 控制體注銷(xiāo),，以節(jié)省內(nèi)存,。這種方法的局限在于：①微小時(shí)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(guò)不止一個(gè)節(jié)點(diǎn),，使計(jì)算過(guò)程復(fù)雜 化；②每個(gè)分支中都保留6個(gè)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(méi)有煙 流通過(guò)巷道中的單元空閑，另一方面有煙流流過(guò)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(gè)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(lái)時(shí),，計(jì)算工作量更大；⑤在每個(gè)時(shí)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(dòng)態(tài)模擬方法,?；舅悸肥牵杭僭O(shè)在一個(gè)較小的時(shí)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(shí)在此時(shí)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(dòng),，煙流濃度在一個(gè)巷道斷面上均勻。某一 時(shí)刻從火源流出的煙流（稱為煙流鋒面）在隨風(fēng)流流動(dòng)過(guò)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(gè)時(shí)間區(qū)間（t0→t1）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(guò)的巷道區(qū)段（O→L）內(nèi),，t1時(shí)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(shí)）,，如圖2〖WTBZ〗（b〖WT〗）所示。記錄〖WTBX〗t1時(shí)刻的火源煙 流濃度C1,，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(shí)刻該巷道中的煙流濃度分布。 在進(jìn)行下 一時(shí)間區(qū)間的煙流傳播計(jì)算時(shí),，將上次計(jì)算中得到的煙流前鋒保留,，作為一個(gè)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(shí)，在每個(gè)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(gè)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(dòng)，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(dòng)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間,，然后按此時(shí)間值由小到大（即由后向前）將各污染源排序,，順 序計(jì)算。對(duì)每一污染源,，則首先按煙流經(jīng)過(guò)各分支的時(shí)間順序,，找出煙流在所計(jì)算的時(shí)間區(qū) 間內(nèi)要流過(guò)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(shí)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(hào)；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(shí)間的變化斜率,；保持該變化斜率的時(shí)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(shí)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(shí)刻開(kāi)始,，選擇一定的時(shí)間間隔，一個(gè)一個(gè)時(shí)間區(qū)間地向前模擬,，可以改變各時(shí) 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(dòng)態(tài)的變化過(guò)程,。
　　3　火災(zāi)期間風(fēng)流狀態(tài)的模擬
　　所謂動(dòng)態(tài)模擬,，就是以一定的時(shí)間步長(zhǎng)為單位，從火災(zāi)著火時(shí)刻開(kāi)始,，一段時(shí)間一段時(shí)間地 向前模擬,，得到各個(gè)時(shí)刻的風(fēng)流狀態(tài)。每個(gè)時(shí)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(dòng)態(tài)變化的全過(guò)程,。
　　在進(jìn)行各個(gè)時(shí)間區(qū)間的模擬計(jì)算時(shí)，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(shí)間區(qū)間結(jié)束時(shí)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(shí)間區(qū)間 結(jié)束時(shí)的風(fēng)流狀態(tài)。
　　目前對(duì)每個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的風(fēng)流狀態(tài)的變化過(guò)程,，主要有兩種處理方法：一是假設(shè)風(fēng)流狀態(tài)在 每個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)最終都達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài),，在計(jì)算時(shí)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(gè)時(shí)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(gè)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(lái)模擬風(fēng)流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。方法一是用 區(qū)間結(jié)束時(shí)的風(fēng)流狀態(tài)作為整個(gè)區(qū)間的準(zhǔn)平衡風(fēng)流狀態(tài)，方法二則是用區(qū)間開(kāi)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(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)不穩(wěn)定時(shí),，會(huì)出現(xiàn)迭代過(guò)程不收斂 的問(wèn)題,。從模擬的準(zhǔn)確性來(lái)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(yǔ)
　　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(shí)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(guò)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(jiǎng)。對(duì)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。