基于FDS的综合管廊电缆火灾烟气优化控制模式研究

为给火灾情景下管廊检修人员应急疏散和外部消防救援提供有益指导,采用火灾动力学软件对不同的通风系统（自然通风、机械负压通风和全面机械通风）与防火门、喷淋系统的不同开启状况等12种组合模式下的温度、能见度等参数变化进行分析,探究综合管廊火灾烟气优化控制模式。结果表明:进风系统、排烟系统、喷淋系统以及防火门合理的优化组合模式能够达到有效控制管廊火灾烟气的目的;火灾情景下,自然通风系统不能有效控制火灾烟气的发展,而机械负压通风和全面机械通风系统,如能及时启动喷淋以及关闭防火门,管廊内的烟气便可得到有效的控制。研究结果可为应急条件下人员疏散提供参考。     

基于采空区或旧巷自净进行循环通风的可行性研究

提出了利用旧巷或采空区自然净化污风进行受控循环通风的设想，建立了这种通风系统紊流传质的数学模型，导出了稳态时循环风量ｑ１与废弃巷道长度Ｌ的关系表达式，为这种受控循环通风系统的设计提供了理论依据。并对该模型进行了实验验证。     

基于采空区或旧巷自净进行循环通风的可行性研究

提出了利用旧巷或采空区自然净化污风进行受控循环通风的设想,建立了这种通风系统紊流传质的数学模型,导出了稳态时循环风量q_s 与废弃巷道长度L的关系表达式,为这种受控循环通风系统的设计提供了理论依据。并对该模型进行了实验验证。     

通风对综合管廊内电缆燃烧及火蔓延过程影响的数值模拟研究

综合管廊内电缆的火灾燃烧特性一直被国内外学者所关注,然而目前关于通风对电缆燃烧及火蔓延过程影响的研究相对较少。在通风系统的作用下,电缆内部及外部温度分布、热解气体浓度与无通风情况相比有很大的差异,电缆的燃烧及火蔓延过程将会更为复杂。为了研究通风作用下综合管廊内单根电缆的燃烧过程,采用FDS对15 kV交联聚乙烯绝缘铜芯电缆的火蔓延过程开展了数值模拟。通过分析不同风速条件下的电缆火焰形态、各层材料温度、火蔓延长度和热释放速率(HRR)曲线,详细研究了通风速度对综合管廊内单根电缆燃烧及火蔓延过程的影响。结果表明当通风速度不超过2 m/s时,通风能够促进电缆燃烧,电缆表面存在气相火焰,其火蔓延长度、热释放速率峰值等不断增加,此时综合管廊内火灾危险性不断增大;当风速大于等于3 m/s时,通风抑制了电缆燃烧,电缆的火蔓延长度、热释放速率峰值随之迅速降低,电缆PVC层、XLPE层温升的原因是线芯对绝缘材料的热传导,电缆的火灾危险性也随之减小。     

敞开式TBM施工隧道粉尘扩散及除尘系统研究

TBM掘进过程中产生大量粉尘，为了掌握粉尘的分布规律并优化除尘系统，以敞开式TBM为例，采用数值计算方法研究不同除尘风管位置，不同除尘风速和不同掘进面产尘量下的洞内粉尘浓度分布规律。研究结果表明:敞开式TBM隧道施工过程中，掘进面至除尘风管区域质量粉尘浓度较高，在除尘风管口后方区域下降到 2 mg/m3以下；除尘风管布置在距掘进面30 m位置处时，洞内沿程粉尘含量相对较大，除尘风管布置在距掘进面20 m位置处时洞内沿程及TBM支护区域粉尘含量相对较小；排风风速为15 m/s时，敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度最小，排风风速为30 m/s时，该区域粉尘质量浓度最大；掘进面产尘量越大，洞内沿程及敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度越大，不同产尘量下洞内粉尘浓度均在除尘风管后方达到规范限值以下。     

高自然风压矿井通风系统分析及机械风压与自然风压最优匹配

推导了风流方向判别式，探讨了自然风压造成某些平峒反风的原因；对自然风压对矿井通风系统的稳定性，按需分风区风量分配以及灾时反风灭火的影响进行了分析并提出了预防措施；对如何实现机械风压与自然风压最优匹配以节省主扇电耗进行了讨论。     

高自然风压矿井通风系统分析及机械风压与自然风压最优匹配

推导了风流方向判别式，探讨了自然风压造成某些平峒反风的原因；对自然风压对矿井通风系统的稳定性、按需分风区风量分配以及灾时反风灭火的影响进行了分析并提出了预防措施；对如何实现机械风压与自然风压最优匹配以节省主扇电耗进行了讨论。     

天池矿102综放孤岛工作面控制风量防灭火技术研究

为了防治天池煤矿15#煤层102综放孤岛工作面采空区煤炭自然发火,对工作面实际供风量40.0 m3/s时进行了现场监测,并基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟的方法,采用流体力学COMSOL计算软件,研究了工作面不同进风量时采空区氧化升温带的变化规律,确定了氧化升温带的范围,并得到了工作面供风量与氧化升温带宽度的拟合曲线。研究结果表明,"U+I"型102工作面采空区自然发火主要是由采空区漏风引起的;氧化升温带宽度随着工作面供风量的增加而增加;现场监测与数值模拟的采空区"三带"变化规律吻合较好;当工作面供风量为40.0m3/s时,既能有效抽排瓦斯,又能有效预防采空区煤炭自然发火。在102综放孤岛工作面的现场实践表明,运用控制风量防灭火技术防治天池煤矿采空区遗煤自燃是可行的。     

基于非线性渗流模型采空区漏风流场数值模拟

针对采空区非线性渗流模型中颗粒平均粒径的取值问题,利用专业的流体力学软件fluent对刘庄矿151305工作面采空区不同颗粒粒径下的漏风流场进行了模拟,以此确定合适的平均粒径,并利用该采空区颗粒平均粒径对工作面供风量及采空区漏风的影响进行了模拟与分析。结果表明,采空区内平均粒径的取值对工作面风量分布影响较大,瓦斯抽采负压也相差一个数量级;通过与实测工作面风量及实际的瓦斯抽采负压作对比,当采空区颗粒平均粒径取0.1 m时,模拟结果与现场实际最为吻合;工作面供风量越大,采空区的漏风量也越大,两者为二次函数关系。该研究方法为工作面采空区漏风流场数值模拟提供了理论指导。     

工作面长度与采空区遗煤自燃的关联性分析

为了研究工作面长度与采空区遗煤自燃规律的内在联系,利用理论分析方法对工作面长度与其推进速度及遗煤自然发火期的关系进行了分析,得到了保证遗煤不自燃的最长工作面的确定方法。以九道岭矿和华兴矿某工作面为例,利用数值模拟和相似模拟方法对工作面长度与采空区漏风量及"三带"划分之间的关系进行了研究,得到了工作面长度与采空区漏风量及"三带"宽度的关系表达式。结果表明:工作面长度的确定受多种因素的影响,为了保证遗煤不自燃,工作面长度存在一个上限值,此值可以通过工作面长度与工作推进速度及遗煤自然发火期的关系进行确定;当工作面供风量不随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足对数函数关系;当工作面供风量随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足"∪"型二次抛物线函数关系,工作面长度与采空区氧化带宽度之间近似满足"∩"型二次抛物线函数关系。     

特长隧道风仓接力通风关键参数及其效果研究

通过长斜井进入正洞施工的特长隧道,往往面临独头通风距离过长、工作面风量不足等问题,造成污染物难以在规定时间排出洞外。以衢宁铁路鹫峰山隧道风仓接力施工通风为依托,采用数值模拟方法研究了风仓长度、隔板长度及风机布置方式对轴流风机通风效率的影响,分析了原压入式通风和风仓接力通风洞内CO运移特性。结果表明,风仓长度从10 m增至25 m时,轴流风机通风效率大幅提高,风仓长度大于25 m时,对轴流风机通风效率的影响不大。设置中隔板会影响空气在风仓内的分流并产生较多旋流,从而降低风机通风效率;轴流风机远离斜井端对称布置,风仓内部风流的引流速度和引流范围最大,风流运动路径最优,通风效率最高。由于压入式通风受限于斜井断面尺寸及现场布置方式,当通风距离超过3 000 m后,无法满足洞内作业环境规定的条件。在正洞与斜井交叉部位设置密封的风仓,形成接力通风,能大幅度延长通风距离,提高通风效率,改善洞内空气质量。     

胶结充填体水化放热规律及其影响研究

为了研究充填采矿法中胶结充填体的水化放热作用,现场实测充填体温度,并对充填体散热的影响及治理进行了研究。研究结果表明:充填采矿法的采掘作业面均依靠局扇供风,因此通风效果直接影响作业面热环境,充填作业完成后3 d内放热量达到最大,此时充填体周围采场气温达28℃以上,应依据降温风速（0.5~1.0 m/s）的要求重新计算需风量;运用Ventsim预测采深为1 456 m时在3种风速下的采场热环境,当独头风量为3 m3/s时属于一级热害矿井,当风量增至6 m3/s和9 m3/s时热害降至一级标准以下,热环境明显改善,且入风为21.4℃、风量为6 m3/s时采场气温会降至27.2℃,因此加大采场有效风量和风速是改善深部热环境的有效措施;充填水化热与采场气温呈正相关,因此应合理安排作业计划,避免在放热量大的充填体周围作业,如需作业应加强通风,人员上岗应进行职业健康检查,合理安排岗位并及时发放降暑饮品,以免出现紧急情况或危险。     

通风状态下综合管廊燃气管道小孔泄漏扩散模拟研究

为揭示多因素影响下的综合管廊复杂受限空间燃气随时间的扩散集聚特性，利用Fluent软件模拟常态机械通风下不同泄漏口朝向、泄漏口位置、管道压力、泄漏口孔径及形状的燃气浓度分布特性。结果表明：泄漏口朝向对泄漏甲烷初期分布具有重要影响，泄漏口竖直向上、泄漏口竖直向下朝向泄漏甲烷主要分布于管廊中上部区域；泄漏朝向壁面水平距离较远一侧、泄漏朝向壁面水平距离较近一侧泄漏甲烷主要分布于管廊中下部区域；泄漏报警触发时间随泄漏口朝向呈非对称分布，报警触发时间从短到长依次为泄漏口竖直向上、泄漏口竖直向下、泄漏朝向壁面水平距离较近一侧、泄漏朝向壁面水平距离较远一侧，泄漏朝向壁面水平距离较远一侧为廊内最不利泄漏口朝向。综合管廊顶部进风口存在通风滞速区，当泄漏口处于滞速区时泄漏甲烷聚积并达到爆炸极限；泄漏口坐标与廊内泄漏甲烷分布广度呈负相关，泄漏点在滞速区附近为最不利泄漏口位置。泄漏口孔径和管道压力与燃气泄漏量、扩散范围均呈正相关，与报警时间均呈负相关。条缝型泄漏口的泄漏甲烷扩散能力弱于圆形泄漏口，在泄漏口上风处甲烷质量分数高于圆形泄漏口。     

纵向通风隧道内火灾温度场分布规律研究

以狮子洋水下特长隧道为工程背景,利用CFD数值模拟软件FDS 4.01,建立隧道实体物理模型,进行火灾数值模拟分析。研究了列车火灾热释放功率为15 MW、不同坡度、不同纵向通风风速下,该类隧道内拱顶附近和2 m高处温度场的纵向分布规律,以及各工况下拱顶的最高温度,并分析其对隧道结构防火和人员疏散救援的影响。结果表明:随隧道坡度的增大,在同一通风速率下的烟气回流长度逐渐减小,但随着风速的加大,坡度对烟气回流的影响逐渐减弱;随着通风风速的增大,火区附近的温度下降,而沿程温度上升,纵向通风速率越大,拱顶温度越低。     

地下石油储备库施工期巷道式网络通风方案选择

大型地下洞库群施工期主要采用压入式通风或增设通风竖井来解决通风问题,但受施工通道尺寸限制无法增大风管供风,结果会导致通风恶化;竖井往往依靠经验或场地情况在洞库埋深较浅的位置设置,容易出现风网混乱、通风短路等问题。依托锦州地下石油储备工程,提出了适用于不同洞内外温差的竖井进风及排风方案,解决了施工中需要的通风量大、工作面多、污染量大等诸多问题。并基于CFD数值仿真,分析了洞库内CO及风速分布规律。结果表明,竖井进风及排风方案通风10 min后,洞库施工作业区域的CO质量浓度已基本降至安全质量浓度(30 mg/m~3)以下,能够满足安全快速施工的要求。由于竖井排风方案污风运移路径短,且在竖井自然排风及机械通风共同作用下,污风能够快速排出洞外,通风20 min后整个洞库的CO质量浓度基本降至安全质量浓度。若通风线路不超过2 km,则可采用在竖井底部/顶部布置轴流风机、引入新鲜风、洞内不布置射流风机或在风流转向处辅以射流风机的方式。合理有效地将新鲜风流引入主洞室是实施该竖井进风方案的关键所在,竖井底部的轴流风机布置位在距离竖井5 m的洞库中轴线上,其引流效率最高。温差越大,竖井自然通风效果相对越好,冬季利用竖井排风的通风效果要好于夏季利用竖井进风的通风方式。     

协同通风影响全断面隧道掘进机工作面岩尘分布规律研究

针对全断面掘进机施工过程中,产生大量岩尘影响施工人员工作环境的问题,采用理论分析、数值模拟与现场测定相结合的方法,以青岛地铁2号线全断面隧道掘进机工作面为对象,对协同通风影响全断面隧道掘进机工作面风流运移与岩尘污染分布规律进行研究。结果表明:在复合式通风模式和一定条件下,在隧道中段会形成由主通风与回风主导的耦合风场;当协同通风量(Qcv)从6 m3/s增大至12 m3/s时,产生的岩尘可控制在距掌子面77.2 m的范围内;当Qcv=8 m3/s时,岩尘最小扩散距离为44.7 m,工作区周围岩尘浓度约为30.1 mg/m3。     

大断面掘进压入式风筒最佳高度的数值模拟

为了确定大断面掘进工作面压入式风筒的最佳安设高度,采用数值模拟方法分别模拟了风筒中心距底板6 m、4.5 m、3 m、2 m以及风筒安设于洞室顶部时,通风20 min后爆破炮烟(CO)的稀释效果,并求解了各种风筒布置情况下不同断面的通风死区比例。结果表明,通风排烟效果最差的情况为风筒固定于侧帮距底板6 m时,其次为风筒固定于侧帮距底板4.5 m时,再次为风筒固定于顶部中央时,风筒固定于侧帮距底板2 m时CO在巷道内的呼吸带高度沿程浓度分布与风筒距底板3 m时差别不大,但风筒中心距底板2 m时容易造成掘进工作面上隅角炮烟和粉尘的积聚。因此,大断面掘进工作面压入风筒最佳安设高度为3 m。     

基于响应曲面法的遗煤自燃分析与研究*

为研究高瓦斯易自燃煤层不同供风量、高抽巷抽采流量、低抽巷抽采流量3因素对采空区自燃“三带”分布影响规律,选取阳煤五矿8406工作面为研究对象,在数值模拟研究基础上,采用Design Expert软件进行Box Behnken试验设计,构建采空区氧化升温带宽度在3因素、3水平条件下的二次回归响应曲面模型,并对不同条件下采空区氧化升温带宽度进行预测与分析。结果表明:二次回归方程P值为0.001 6,预测模型显著,模型的失拟项为0.606 3,不显著,回归方程具有统计学意义;当供风量为1 500~2 000 m3/min,低抽流量为450~650 m3/min,高抽流量为100~200 m3/min时,对氧化升温带宽度一次项重要度排序为C（高抽巷抽采流量）>A（供风量）>B（低抽巷抽采流量）,二次项重要度排序为AC（供风量和高抽巷抽采流量）>AB（供风量和低抽巷抽采流量）>BC（低抽巷抽采流量和高抽巷抽采流量）,且AB,AC,BC之间均无交互作用。     

组合式通风打磨台风量对粉尘控制效果的影响

打磨作业过程中,利用组合式通风打磨台进行通风除尘已得到广泛应用,但大多根据经验设置通风参数。以数值模拟为研究手段,采用CFD-DPM风流-粉尘耦合数值模拟方法,研究粉尘最大浓度和呼吸带粉尘浓度与风量分配和总排风量的关系,对组合式通风打磨台进行通风除尘系统参数优化,为金属打磨粉尘治理提供依据。研究结果表明:当组合式通风打磨台总排风量为1 850 m3·h-1、台面与壁面的配风比K=1.67时,粉尘质量浓度较低,防尘效果最好。     

火灾时期矿山通风巷道“特征环”与“关键环”的分布特征研究

为研究火灾时期矿山通风巷道风流的流动特性,基于水平巷道及火灾的物理数学模型,采用数值分析方法,研究分析火灾时期巷道内紊流充分发展截面上“特征环”与“关键环”的分布规律。结果表明:同一火灾强度和同一通风风速下,通风巷道内风速“特征环”分布特征分别存在临界风速值和临界火灾强度值;矿井火灾时期,通风风速与火灾强度均是影响巷道内风速“特征环”分布的关键因素;当巷道内通风风速大于或等于5 m/s时,火灾下风流平均风速点的位置可由正常通风时期的“关键环”特征方程进行计算。