1、2 0 2 3 年 第 3 期 2 0 2 3 年 3 月矿 井 火 灾 是 影 响 煤 矿 安 全 生 产 的 因 素 之 一 1-2，其危 害 性 在 于 不 仅 会 对 井 下 人 员 的 人 身 安 全 造 成 威 胁，还 会 永 久 性 破 坏 煤 炭 资 源 以 及 周 边 环 境。因 此 为 了 减小 矿 井 火 灾 带 来 的 危 害，或 直 接 扼 制 引 发 火 灾 的 源 头，专 家 学 者 们 研 究 开 发 了 一 系 列 防 灭 火 技 术，如 均 压 3，注 浆，采 用 阻 化 剂、高 分 子 材 料 以 及 三 相 泡 沫 等 4-5。虽 然 以 上 防 灭 火
2、 技 术 的 出 现 让 矿 井 火 灾 的 发 生 得 到 了一 定 的 控 制，但 是 灭 火 材 料 的 高 成 本 以 及 材 料 使 用 的特 殊 性，往 往 让 其 应 用 只 能 存 在 于 理 论 之 中。近 年 来，把 惰 性 气 体（N2、气 态/液 态 C O2）直 接 注入 采 空 区 来 预 防 自 然 发 火 的 技 术 6-7，凭 借 工 艺 流 程 易操 作 以 及 绿 色 环 保 等 优 点，迅 速 成 为 矿 井 防 灭 火 运 用的 主 流 技 术 之 一。其 中，C O2有 着 远 强 于 N2的 被 煤 吸附 的 能 力，液 态 C O2吸 热 更 是
3、 需 要 大 量 的 热 量，从 功能 上 看 能 最 大 限 度 地 满 足 矿 井 防 灭 火 要 求，但 其 缺 陷在 于 储 存 以 及 运 输 困 难。因 此，提 出 将 干 冰 平 板 滞 留在 综 采 面 向 前 推 移 后 留 下 的 空 间 内，通 过 干 冰 升 华 吸 取煤 块 和 周 围 环 境 的 热 量，来 达 到 预 防 煤 炭 自 然 发 火 的目 的。建 立 半 无 限 大 干 冰 平 板 的 数 学 模 型，用 A N S Y SF l u e n t 软 件 模 拟 干 冰 平 板 吸 热 后 周 围 的 环 境 温 度，再 利用 导 热 公 式 求 得
4、其 吸 热 量，根 据 数 据 分 析 其 防 火 状 况。1 数 学 模 型 建 立 与 计 算 1.1 半 无 限 大 物 体 所 谓 的“半 无 限 大 物 体”8，是 指 将 物 体 理 想 化 地 放入 一 维 坐 标 内，该 物 体 可 以 从 x=0 处 向 x 轴 的 正 方 向以 及 y 轴 正、负 方 向 无 限 延 伸，且 关 于 x 轴 垂 直 截 面 上物 体 的 各 个 部 分 都 处 于 同 一 温 度 的 一 种 特 殊 情 况。于现 实 生 活 中 是 找 不 到 这 样 的 物 体 存 在 的，如 果 研 究 的问 题 满 足 非 稳 态 导 热 和 正 处
5、 于 初 始 阶 段 这 两 个 条 件，则 可 以 把 该 实 际 物 体 理 想 化 地 看 作 半 无 限 大 物 体 来 解决。它 细 化 后 的 表 现 形 式 为 存 在 一 块 厚 度 为 一 定 值 的平 板，开 始 具 有 稳 定 均 匀 的 温 度，接 着 该 平 板 的 某 一局 部 表 面 突 然 受 到 热 扰 动 影 响，而 形 成 三 种 不 同 类 型的 导 热 问 题：a)热 扰 动 将 物 体 的 侧 壁 温 度 升 高 到 某 一定 值 且 稳 定 不 变；b)热 扰 动 为 具 有 恒 定 热 流 密 度 的 流体 对 物 体 加 热；c)热 扰 动 为
6、 温 度 恒 定 的 流 体 对 物 体 进行 冷 却 或 加 热。半 无 限 大 物 体 还 存 在 一 个 使 用 的 限 制 条 件，就 是 当物 体 受 到 的 热 扰 动 影 响 只 存 在 表 面，而 不 深 入 物 体 内部 时，反 之，则 不 能 使 用。半 无 限 大 物 体 温 度 分 布 如图 1 所 示。收 稿 日 期：2022-10-18作 者 简 介：王 新 航，1997年 生，男，重 庆 人，硕 士，主 要 从 事 矿 井 火 灾 防 治 方 面 的 研 究。基 于 半 无 限 大 平 板 的 干 冰 防 火 数 值 模 拟 王 新 航（华 北 科 技 学 院 安
7、 全 工 程 学 院，河 北 廊 坊 0 6 5 2 0 1）摘 要：采 空 区 自 燃 是 造 成 矿 井 灾 害 的 主 要 原 因 之 一。为 了 探 索 采 空 区 滞 留 干 冰 的 防 火 效 果，以 石 港 煤 矿 1 5 1 0 8工 作 面 为 研 究 对 象，利 用 G a m b i t建 立 采 空 区 物 理 模 型，划 分 网 格 后 导 入 F l u e n t中，在 其 中 放 置 半 无 限 大 干 冰 平 板 进 行 数 值 模 拟，观 察 干 冰 平 板 吸 热 升 华 之 后 对 采 空 区 的 温 度 影 响 并 进 行 分 析。结 果 表 明，半
8、无 限 大 物 体 计 算 方 式 可 应 用 于 采 空 区 滞 留 干 冰 的 吸 热 量 计 算 中，且 干 冰 滞 留 对 采 空 区 降 温 作 用 范 围 较 广，占 整 个 区 域 的 4 0%左 右。关 键 词：矿 井 火 灾；数 值 模 拟；半 无 限 大 物 体；干 冰 防 火 中 图 分 类 号：T D 7 5+2 文 献 标 志 码：A 文 章 编 号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 2 1-0 4N u m e r i c a l S i m u l a t i o n o f D r y I c e F i r e P r o t
9、e c t i o n B a s e d o n S e m i-i n f i n i t e P l a t e W AN G X in h a n g(S c h o o l o f S a f e t y En g in e e r in g,N o r t h Ch in a I n s t it u t e o f S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y,L a n g f a n g 0 6 52 0 1,H e b e i,Ch in a)Ab s t r a c t:S p o n t a n e o u s c o m b u s t
10、i o n i n g o a f i s o n e o f t h e m a i n c a u s e s o f m i n e d i s a s t e r s.In o r d e r t o e x p l o r e t h e f i r e p r e v e n t i o n e f f e c t o f d r y i c e d e t a i n e d i n g o a f,t a k i n g t h e 15108 w o r k i n g f a c e o f S h i g a n g Co a l M i n e a s t h e r
11、e f e r e n c e r e s e a r c h o b j e c t,t h e p h y s i c a l m o d e l o f t h e g o a f w a s e s t a b l i s h e d b y G a m b i t,a n d w a s i n t r o d u c e d i n t o Fl u e n t a f t e r g r i d d i v i s i o n.A s e m i-i n f i n i t e d r y i c e p l a t e w a s p l a c e d i n i t f o
12、 r n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t o o b s e r v e a n d a n a l y z e t h e t e m p e r a t u r e i m p a c t o f t h e g o a f a f t e r t h e h e a t a b s o r p t i o n a n d s u b l i m a t i o n o f t h e d r y i c e p l a t e.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s e m i-i n f i n
13、 i t e o b j e c t c a l c u l a t i o n m e t h o d c a n b e u s e d t o c a l c u l a t e t h e h e a t a b s o r p t i o n o f t h e d r y i c e d e t a i n e d i n t h e g o a f,a n d t h e c o o l i n g e f f e c t r a n g e o f t h e d r y i c e d e t a i n e d i n t h e g o a f i s w i d e,a c c o u n t i n g f o r a b o u t 40%o f t h e w h o l e a r e a.K e y w o r d s:m i n e f i r e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;s e m i-i n f i n i t e o b j e c t s;d r y i c e f i r e p r o t e c t i o n（总 第 2 1 0 期）技 术 研 究 1 2 1 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.063
