1 引言

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

　　對于礦井火災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。戚宜欣以化學流體力學理論為基礎建立了火災煙流流動的微分方程組；王省身、蔣軍成建立了火災巷道煙氣流動的場模型并進行了數值模擬計算；劉劍、賈進章建立了火災時期數值模擬的數學模型；張興凱用現(xiàn)場火災實驗得出了溫度場分布規(guī)律等。他們對火災巷道中煙流運動的各種場分布規(guī)律進行了深入的研究，但對自燃火災發(fā)生后，巷道內的空氣質量評價卻涉及不多，更沒有考慮到人的熱舒適度指標。

　　筆者在前人研究的成果基礎上，以廣西銅坑礦自燃火災為實例，依據空氣流動所遵循的控制方程組，對速度場、溫度場等進行數值模擬計算。該數值模擬的方法具有結果直觀、可視化強；可以幫助研究人員減少盲目性，增強目的性，并且可以節(jié)約時間和經費，可有效地預測火災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，采用預計熱舒適指標(Predicted Mean Vote, PMV)和預計不滿意百分比(Predicted Percent Dissatisfied，PPD)兩個衡量人體熱舒適感諸多因素最全面的指標，對火災巷道中的空氣質量進行了安全評價，為自燃礦山火災的防治提供了科學依據。

　　2 煙氣流動的基本守恒方程組

　　在礦井自燃后的火災巷道中，高溫煙氣流動為非定常流動及傳熱傳質過程，應遵循以輸運定律或有關的守恒、平衡定律出發(fā)而建立起來的化學流體力學基本方程組：

　　1) 連續(xù)方程

??

　　2)動力方程

??

　　3)能量守恒方程

??

　　4)組分方程(不考慮化學反應生成率Si')

??

　　式中，

　　　　——組分氣體i的質量分數。

?

　　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；

　　——擴散項；

　　SФ——源項；

　　ΓФ——通用物理量Ф的有效輸運系數。

　　所自的控制方程Ф，ΓФ，SФ如下表所示。

?

??

　　式中，u, v——速度分量；

　　μeff ——有效紊流擴散系數；

　　σ t——紊流粘性；

　　k——紊流動能；

　　ε——紊流動能耗散率；

　　G b——紊流動能浮力產生項；

　　G k——紊流動能平均速度梯度產生項。