井下避难硐室压风供氧分布规律研究

第36卷第8期 北京科技大学学报 Vol.36 No.8 2014年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2014 井下避难硐室压风供氧分布规律研究 金龙哲⑧，王奕，汪澍，詹子娜 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lzin@ustb.cdu.cn 摘要为实现避难酮室内良好生存环境，提高人员生存环境质量，并为今后避难酮室的设计提供指导性依据，基于数值模 拟软件FLUENT仿真平台，以压风供氧方式下的避难丽室生存区为研究对象，对主要扰动源进行分析，建立两种压风供氧管 路方案下的避难酮室三维模型.通过控制方程组、RNGk一ε湍流模型、有限容积离散方法和SIMPLE算法相结合的方式，实现 避难酮室空气分布可视化.得出在压风供氧下，以九个布气孔弥散式均匀布气的管道布置及尺寸设计最优方案，以及酮室内 氧气和二氧化碳体积分数的主要分布规律.通过现场载人试验验证了数值模拟的可靠性. 关键词避难酮室：供氧：空气分布：氧气浓度：数值模拟 分类号X913.4 Distribution regularity study of air pressure supply to mine refuge chambers JIN Long-zhe,WANG Yi,WANG Shu,ZHAN Zi-na Schoolof Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lzjin@ustb.edu.cn ABSTRACT To achieve good indoor living environment,improve the quality of staff living environment in refuge chambers and pro- vide a basis guidance of design for the future,based on numerical simulation software FLUENT,the survival area under the way of air pressure supply was used as a research object,the main disturbance source was analyzed,and a three-dimensional model was set up with two kinds of air pressure supply pipelines.Air distribution in refuge chambers was visualized through the control equations,the RNG A turbulence model and the finite volume discrete method in combination with SIMPLE algorithm.In the condition of air pres- sure supply,the layout of a uniform gas pipeline with nine air holes was determined as the optimal design scheme,and the volume frac- tion distribution regularities of oxygen and carbon dioxide were obtained.The feasibility of this numerical simulation was verified with field test. KEY WORDS refuge chambers;oxygen supply:air distribution:oxygen concentration:numerical simulation 避难硐室是一个对气密性、人体舒适性、气体净为重要回.由于避难硐室内空气环境的质量不仅关 化、氧气供给、空气循环等多方面综合考虑的井下特 系到人员的舒适与健康，也会影响到酮室内的能源 殊生存场所，可供避难人员生存几十个小时四.因 消耗，获得良好的空气流动形式就需着重考虑酮室 此当避难人员进入后，由于人员产生的新陈代谢作 内温湿度分布及氧气、二氧化碳等气体空间分布的 用，使硐室内的空气品质发生一定的改变，产生氧气 情况.由于国内外对避难硐室压风供氧分布规律数 浓度下降、二氧化碳浓度上升、温湿度失去平衡等一 值模拟的研究几乎处于空白阶段，因此本文以压风 系列的问题 供氧方式为例，通过分析供氧扰动因素设计压风管 空气对人类生存来说是极其重要的条件，当人 路对比方案，运用FLUENT数值模拟软件对避难酮 类生存在相对密闭的空间中时，这一条件便显得尤 室空气分布规律进行理论分析，以实现硐室内的良 收稿日期：201304-27 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAKO9B00) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.003:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 8 期 2014 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 8 Aug． 2014 井下避难硐室压风供氧分布规律研究 金龙哲，王 奕，汪 澍，詹子娜 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: lzjin@ ustb． edu． cn 摘 要 为实现避难硐室内良好生存环境，提高人员生存环境质量，并为今后避难硐室的设计提供指导性依据，基于数值模 拟软件 FLUENT 仿真平台，以压风供氧方式下的避难硐室生存区为研究对象，对主要扰动源进行分析，建立两种压风供氧管 路方案下的避难硐室三维模型． 通过控制方程组、ＲNG k--ε 湍流模型、有限容积离散方法和 SIMPLE 算法相结合的方式，实现 避难硐室空气分布可视化． 得出在压风供氧下，以九个布气孔弥散式均匀布气的管道布置及尺寸设计最优方案，以及硐室内 氧气和二氧化碳体积分数的主要分布规律． 通过现场载人试验验证了数值模拟的可靠性． 关键词 避难硐室; 供氧; 空气分布; 氧气浓度; 数值模拟 分类号 X 913. 4 Distribution regularity study of air pressure supply to mine refuge chambers JIN Long-zhe ，WANG Yi，WANG Shu，ZHAN Zi-na Schoolof Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: lzjin@ ustb． edu． cn ABSTＲACT To achieve good indoor living environment，improve the quality of staff living environment in refuge chambers and pro￾vide a basis guidance of design for the future，based on numerical simulation software FLUENT，the survival area under the way of air pressure supply was used as a research object，the main disturbance source was analyzed，and a three-dimensional model was set up with two kinds of air pressure supply pipelines． Air distribution in refuge chambers was visualized through the control equations，the ＲNG k--ε turbulence model and the finite volume discrete method in combination with SIMPLE algorithm． In the condition of air pres￾sure supply，the layout of a uniform gas pipeline with nine air holes was determined as the optimal design scheme，and the volume frac￾tion distribution regularities of oxygen and carbon dioxide were obtained． The feasibility of this numerical simulation was verified with field test． KEY WOＲDS refuge chambers; oxygen supply; air distribution; oxygen concentration; numerical simulation 收稿日期: 2013--04--27 基金项目: “十二五”国家科技支撑计划资助项目( 2012BAK09B00) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 08． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 避难硐室是一个对气密性、人体舒适性、气体净 化、氧气供给、空气循环等多方面综合考虑的井下特 殊生存场所，可供避难人员生存几十个小时［1］． 因 此当避难人员进入后，由于人员产生的新陈代谢作 用，使硐室内的空气品质发生一定的改变，产生氧气 浓度下降、二氧化碳浓度上升、温湿度失去平衡等一 系列的问题． 空气对人类生存来说是极其重要的条件，当人 类生存在相对密闭的空间中时，这一条件便显得尤 为重要［2］． 由于避难硐室内空气环境的质量不仅关 系到人员的舒适与健康，也会影响到硐室内的能源 消耗，获得良好的空气流动形式就需着重考虑硐室 内温湿度分布及氧气、二氧化碳等气体空间分布的 情况． 由于国内外对避难硐室压风供氧分布规律数 值模拟的研究几乎处于空白阶段，因此本文以压风 供氧方式为例，通过分析供氧扰动因素设计压风管 路对比方案，运用 FLUENT 数值模拟软件对避难硐 室空气分布规律进行理论分析，以实现硐室内的良

·1008 北京科技大学学报 第36卷 好生存环境，提高人员的生存环境质量，并为今后避 根据井下环境及人员生存需要，设计管路布气 难硐室的设计提供参考 方式为弥散式均匀布气，管路材料选为不锈钢板且 壁厚约0.5mm;此外，根据动压、局部阻力系数、局 1 压风供氧扰动源分析及方案设定 部阻力、单位长度摩擦阻力、沿程摩擦阻力等公式计 根据《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规 算干管及支管阻力，以分析不同风管尺寸对管道压 定》（以下称为《规定》，压风供氧是避难硐室中必 力的影响，最终设计出以下两种对比方案如图2 须采用的供氧方式，供给的氧气体积分数需处于 所示. 18.5%~23%之间且均匀分布，才能保证避险人员 方案一：该压风供氧管路高2.7m.在供风量己 正常的身体机能同.压风供氧系统由一个压风管道 知的情况下，两个压风入口管道连接在整个管路的 和一个回风管道组成，同时包括空压机、布气装置和 中间位置，中间管径为200mm,中间设置一个布气 其他附件回，如图1所示.通过空压机运转，新鲜空 孔.在该管道两侧分别向两边延伸连接管径为167 气由压风管道引入，经压风控制装置处理后，通过布 mm的管道，每段管道中部均设一个布气孔，每侧四 气装置在酮室内均匀布气并保持硐室正压：同时将 个，共九个布气孔，每根连接布气孔的支管长200 污浊空气通过回风管道排到酮室外，以保证空气品 mm,直径约113mm,同时该管道每段3.0m且管道 质并维持避险人员机体的正常生命活动 间用法兰连接 方案二：干管管径全部为200mm,支管管径为 填充县 进气 气密层 127mm,每根干管长度为3.5m,布气孔减少到七 个，其他管路参数与方案一相同. 布气系 通过对比两种方案下硐室氧气浓度分布规律， 国风坤东纲 可确定最优压风管路参数设计方案. 图1避难闲室压风供氧系统示意图 2模型建立及数值模拟分析 Fig.I Schematic diagram of an air pressure supply system in a ref- uge chamber 2.1模型建立及网格划分 本文通过对质量守恒方程、动量守恒方程、组分 本文对两种压风管路方案下的供风量、管路布 质量守恒方程、能量守恒定律、湍流控制方程中的九 气方式选材及形状、管路阻力、回风量等扰动源进 个未知量v(x轴方向速度，ms)、w(y轴方向速 行理论分析和计算.以避难硐室生存区为研究对 度，ms)、w(z轴方向速度，m·s)、p(流体单 象，该区域所需风量计算公式如下四： 元上的压力，Pa)p(物质密度，kg·m-3)、T(温度， Q需=K1×K×R×Q (1) K)、c(组分的质量分数)、k(湍动能，m2s2)和s 式中：Q需为生存区所需风量，L·min-l;K,为压风 (湍流耗散率，m2s-3)进行封闭求解，完成控制方 管路的漏风系数，可取1.2左右：K2为避难人员的 程组的建立过程.并通过RNGk一ε湍流模型、有限 不均衡系数，可取1.2左右：R为避难硐室内的总 容积计算区域离散化方法和SIMPLE算法相结合的 人数，取值为100：Q为每人的空气供给量，取300 方式来对流场进行求解阿 L·min1.最终得出生存区所需风量为43200L· 基于以上两种对比方案，本文运用Gambit软件 min',为使酮室内空气循环流畅，回风量应等于 对相应方案模型进行建立，其模型尺寸根据1：1避 供风量. 难酮室尺寸建立而成，整体面积为117.92m2,长为 3500 3000 0200 0200 113 0127 图2压风管路方案一(a)和方案二(b)进出风位置局部放大图（单位：mm) Fig.2 Partial enlarged drawings of wind inlet and outlet positions for Scheme I (a)and Scheme 2(b)(unit:mm)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 好生存环境，提高人员的生存环境质量，并为今后避 难硐室的设计提供参考． 1 压风供氧扰动源分析及方案设定 根据《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规 定》( 以下称为《规定》) ，压风供氧是避难硐室中必 须采用的供氧方式，供给的氧气体积分数需处于 18. 5% ～ 23% 之间且均匀分布，才能保证避险人员 正常的身体机能［3］． 压风供氧系统由一个压风管道 和一个回风管道组成，同时包括空压机、布气装置和 其他附件［4］，如图 1 所示． 通过空压机运转，新鲜空 气由压风管道引入，经压风控制装置处理后，通过布 气装置在硐室内均匀布气并保持硐室正压; 同时将 污浊空气通过回风管道排到硐室外，以保证空气品 质并维持避险人员机体的正常生命活动． 图 1 避难硐室压风供氧系统示意图 Fig． 1 Schematic diagram of an air pressure supply system in a ref￾uge chamber 本文对两种压风管路方案下的供风量、管路布 气方式、选材及形状、管路阻力、回风量等扰动源进 行理论分析和计算． 以避难硐室生存区为研究对 象，该区域所需风量计算公式如下［5］: Q需 = K1 × K2 × Ｒ × Q ( 1) 图 2 压风管路方案一( a) 和方案二( b) 进出风位置局部放大图( 单位: mm) Fig． 2 Partial enlarged drawings of wind inlet and outlet positions for Scheme 1 ( a) and Scheme 2 ( b) ( unit: mm) 式中: Q需 为生存区所需风量，L·min － 1 ; K1 为压风 管路的漏风系数，可取 1. 2 左右; K2为避难人员的 不均衡系数，可取 1. 2 左右; Ｒ 为避难硐室内的总 人数，取值为 100; Q 为每人的空气供给量，取 300 L·min － 1 ． 最终得出生存区所需风量为 43200 L· min － 1，为使硐室内空气循环流畅，回风量应等于 供风量． 根据井下环境及人员生存需要，设计管路布气 方式为弥散式均匀布气，管路材料选为不锈钢板且 壁厚约 0. 5 mm; 此外，根据动压、局部阻力系数、局 部阻力、单位长度摩擦阻力、沿程摩擦阻力等公式计 算干管及支管阻力，以分析不同风管尺寸对管道压 力的影响，最终设计出以下两种对比方案如图 2 所示． 方案一: 该压风供氧管路高 2. 7 m． 在供风量已 知的情况下，两个压风入口管道连接在整个管路的 中间位置，中间管径为 200 mm，中间设置一个布气 孔． 在该管道两侧分别向两边延伸连接管径为 167 mm 的管道，每段管道中部均设一个布气孔，每侧四 个，共九个布气孔，每根连接布气孔的支管长 200 mm，直径约 113 mm，同时该管道每段 3. 0 m 且管道 间用法兰连接． 方案二: 干管管径全部为 200 mm，支管管径为 127 mm，每根干管长度为 3. 5 m，布气孔减少到七 个，其他管路参数与方案一相同． 通过对比两种方案下硐室氧气浓度分布规律， 可确定最优压风管路参数设计方案． 2 模型建立及数值模拟分析 2. 1 模型建立及网格划分 本文通过对质量守恒方程、动量守恒方程、组分 质量守恒方程、能量守恒定律、湍流控制方程中的九 个未知量 υ ( x 轴方向速度，m·s － 1 ) 、ν ( y 轴方向速 度，m·s － 1 ) 、ω ( z 轴方向速度，m·s － 1 ) 、p( 流体单 元上的压力，Pa) 、ρ( 物质密度，kg·m － 3 ) 、T( 温度， K) 、c( 组分的质量分数) 、k( 湍动能，m2 s － 2 ) 和 ε ( 湍流耗散率，m2 s － 3 ) 进行封闭求解，完成控制方 程组的建立过程． 并通过 ＲNG k--ε 湍流模型、有限 容积计算区域离散化方法和 SIMPLE 算法相结合的 方式来对流场进行求解［6］． 基于以上两种对比方案，本文运用 Gambit 软件 对相应方案模型进行建立，其模型尺寸根据 1∶ 1避 难硐室尺寸建立而成，整体面积为 117. 92 m2 ，长为 · 8001 ·

第8期 金龙哲等：井下避难硐室压风供氧分布规律研究 ·1009· 27.8m,宽为4.4m,高3.8m,断面形状为半圆拱形， 表1主要边界参数 拱顶半径为2.2m,直墙高1.6m.此外，在模型内部 Table 1 Main boundary parameters 还包括了生存区内的常用设备，并根据第50百分位 温度/ 组分及其 湍流 位置 边界类型 ℃ 质量分数 强度/% 数的男性人体坐姿参数建立了人体模型，其基础模 23%的02 型如图3所示.人体模型共计100人，成四行分布， 速度入口 0.5%的C02 按硐室中轴线成对称分布，外侧人员朝内，内侧人员 压风入口 21 5 13ms-1 0.5%的H,0 朝外，每行25人，占用《规定》中人体所需最小面 76%的N, 积，并在人体相应口鼻位置设置模拟吸入氧气及呼 压风布气口 interface 出二氧化碳平面.本文忽略人体站立走动因素，将 压风回流口 outflow 人员所占空间排列及朝向等可对气流产生影响的 人体吸气面 outflow 因素，布置成与图4现场试验中相似方式，以便于 21.5%的02 对比. 速度入口 0.9%的C02 人体呼气面 0.0003m-s-1 32 在划分网格过程中，本文选择应用体网格TGid 2.1%的H20 (Tet/Hybrid)结构网格类型，该类型的网格主要采 75.5%的N2 用四面体单元，但是在恰当的地方也用到了六面体 硐室内部，人员通常为坐式状态，偶尔站立活动，因 或锥形体、楔形体等单元)，最终得出每个模型的 此本文对人体坐姿高度约1.3m处和人体站姿高度 体网格量约为170万个. 约1.8m处，分别分析两方案的氧气体积分数等值 线图；同时通过两平面长度方向中轴线和酮室高度 方向中轴线上的氧气体积分数散点数值分布趋势， t 基于对《规定》中气体浓度单位的考虑，总结氧气浓 度规律0-山 通过图5~图9所示，在1.3m的高度上，方案 一中酮室中心位置的氧气体积分数在20.81%~ 20.93%之间，两侧体积分数在20.93%~21.01% 图3避难硐室基础模型轴测图 之间：方案二中硐室中心位置的氧气体积分数在 Fig.3 Axonometric drawing of the basic model of refuge chambers 18.20%~19.25%之间，两侧体积分数在19.25%~ 19.50%之间.在1.8m的高度上，方案一中硐室中 心位置的氧气体积分数在20.89%~20.94%之间， 两侧体积分数在20.94%~21.02%之间：方案二中 酮室中心位置的氧气体积分数在19.15%~ 19.33%之间，两侧体积分数在19.33%~19.51% 图4载人试验测点布置图 之间：在高度方向中垂线上，方案一的氧气体积分数 Fig.4 Manned test point arrangement 在20.90%~20.96%之间，方案二的氧气体积分数 2.2边界条件设定 在19.18%~19.32%之间，氧气体积分数都随高度 本文将全部壁面设置为绝热墙壁类型，进气口 的增加而增加.通过以上数据可以得出，酮室两侧 处设置为速度入口（因在实际工程中，当满足风量 的氧气体积分数高于中心位置，且1.8m处的氧气 条件时，不同大小的压风主管其压力可调节，而综合 体积分数略高于1.3m处. 考虑最佳风速范围内人体舒适程度，速度入口更容 根据以上数据可以得出：方案一中1.3m和1.8 易控制，使两种方案更具有对比性)，出气口处设置 m两平面处及中垂线上的氧气体积分数明显高于方 为出流，流通面处设置为interface,同时对以上边界 案二，氧气体积分数值跨度较小，分布更加均匀：方 条件处的温度、组分、速度和湍流强度也设置了详细 案二中已局部出现低于18.5%的氧气体积分数点， 的参数值s-9,如表1所示 不符合《规定》要求，且氧气浓度较低易使人体降低 2.3数值模拟结果分析 工作效率，并可导致在头部、肺部和循环系统处出现问 基于以上两种压风供氧方案，数值模拟过程分 题回，因此本文认为方案一的压风管路更优 别迭代到345次和389次时完成计算.由于在避难 基于方案一的压风供氧方式，本文对硐室内人

第 8 期 金龙哲等: 井下避难硐室压风供氧分布规律研究 27. 8 m，宽为 4. 4 m，高 3. 8 m，断面形状为半圆拱形， 拱顶半径为 2. 2 m，直墙高 1. 6 m． 此外，在模型内部 还包括了生存区内的常用设备，并根据第 50 百分位 数的男性人体坐姿参数建立了人体模型，其基础模 型如图 3 所示． 人体模型共计 100 人，成四行分布， 按硐室中轴线成对称分布，外侧人员朝内，内侧人员 朝外，每行 25 人，占用《规定》中人体所需最小面 积，并在人体相应口鼻位置设置模拟吸入氧气及呼 出二氧化碳平面． 本文忽略人体站立走动因素，将 人员所占空间、排列及朝向等可对气流产生影响的 因素，布置成与图 4 现场试验中相似方式，以便于 对比． 在划分网格过程中，本文选择应用体网格 TGrid ( Tet /Hybrid) 结构网格类型，该类型的网格主要采 用四面体单元，但是在恰当的地方也用到了六面体 或锥形体、楔形体等单元［7］，最终得出每个模型的 体网格量约为 170 万个． 图 3 避难硐室基础模型轴测图 Fig． 3 Axonometric drawing of the basic model of refuge chambers 图 4 载人试验测点布置图 Fig． 4 Manned test point arrangement 2. 2 边界条件设定 本文将全部壁面设置为绝热墙壁类型，进气口 处设置为速度入口( 因在实际工程中，当满足风量 条件时，不同大小的压风主管其压力可调节，而综合 考虑最佳风速范围内人体舒适程度，速度入口更容 易控制，使两种方案更具有对比性) ，出气口处设置 为出流，流通面处设置为 interface，同时对以上边界 条件处的温度、组分、速度和湍流强度也设置了详细 的参数值［8 － 9］，如表 1 所示． 2. 3 数值模拟结果分析 基于以上两种压风供氧方案，数值模拟过程分 别迭代到 345 次和 389 次时完成计算． 由于在避难 表 1 主要边界参数 Table 1 Main boundary parameters 位置 边界类型 温度/ ℃ 组分及其 质量分数 湍流 强度/% 压风入口 速度入口 13 m·s － 1 21 23% 的 O2 0. 5% 的 CO2 0. 5% 的 H2O 76% 的 N2 5 压风布气口 interface — — — 压风回流口 outflow — — — 人体吸气面 outflow — — — 人体呼气面 速度入口 0. 0003 m·s － 1 32 21. 5% 的 O2 0. 9% 的 CO2 2. 1% 的 H2O 75. 5% 的 N2 8 硐室内部，人员通常为坐式状态，偶尔站立活动，因 此本文对人体坐姿高度约 1. 3 m 处和人体站姿高度 约 1. 8 m 处，分别分析两方案的氧气体积分数等值 线图; 同时通过两平面长度方向中轴线和硐室高度 方向中轴线上的氧气体积分数散点数值分布趋势， 基于对《规定》中气体浓度单位的考虑，总结氧气浓 度规律［10 － 11］． 通过图 5 ～ 图 9 所示，在 1. 3 m 的高度上，方案 一中硐室中心位置的氧气体积分数在 20. 81% ～ 20. 93% 之间，两侧体积分数在 20. 93% ～ 21. 01% 之间; 方案二中硐室中心位置的氧气体积分数在 18. 20% ～ 19. 25% 之间，两侧体积分数在 19. 25% ～ 19. 50% 之间． 在 1. 8 m 的高度上，方案一中硐室中 心位置的氧气体积分数在 20. 89% ～ 20. 94% 之间， 两侧体积分数在 20. 94% ～ 21. 02% 之间; 方案二中 硐室 中 心 位 置 的 氧 气 体 积 分 数 在 19. 15% ～ 19. 33% 之间，两侧体积分数在 19. 33% ～ 19. 51% 之间; 在高度方向中垂线上，方案一的氧气体积分数 在 20. 90% ～ 20. 96% 之间，方案二的氧气体积分数 在 19. 18% ～ 19. 32% 之间，氧气体积分数都随高度 的增加而增加． 通过以上数据可以得出，硐室两侧 的氧气体积分数高于中心位置，且 1. 8 m 处的氧气 体积分数略高于 1. 3 m 处． 根据以上数据可以得出: 方案一中 1. 3 m 和 1. 8 m 两平面处及中垂线上的氧气体积分数明显高于方 案二，氧气体积分数值跨度较小，分布更加均匀; 方 案二中已局部出现低于 18. 5% 的氧气体积分数点， 不符合《规定》要求，且氧气浓度较低易使人体降低 工作效率，并可导致在头部、肺部和循环系统处出现问 题［12］，因此本文认为方案一的压风管路更优． 基于方案一的压风供氧方式，本文对硐室内人 · 9001 ·

·1010· 北京科技大学学报 第36卷 a (b) 20.81%20.84%20.87%20.90%20.93%20.96%20.99%21.01% 18.20%18.409%18.60%18.80%19.00%19.20%19.409%19.50% n 图5压风方案一(a)和方案二(b)y=1.3m氧气体积分数等值线图 Fig.5 Oxygen volume fraction isograms at y=1.3 m for Scheme 1 (a)and Scheme 2 (b) 24.01r 19.45rb) 20.99 19.40 19.35 20.97 19.30 20.95 19.25 19.20 20.93 19.15 20.91 19.10 15 -10 0 10 15 -10 -5 1015 位置/细 位置m 图6压风方案一()及方案二(b)y=1.3m氧气体积分数散点图 Fig.6 Oxygen volume fraction scatter diagrams at y=1.3 m for Scheme 1 (a)and Scheme 2 (b) 20.899%20.919%20.939%20.95%20.97%20.99%21.019%21.02%19.15%19.20%19.269%19.31%19.37%19.429%19.48%19.51% 图7压风方案一()和方案二(b)y=1.8m氧气体积分数等值线图 Fig.7 Oxygen volume fraction isograms at y=1.8 m for Scheme 1 (a)and Scheme 2 (b) 21.01 19.45 21.00 20.99 19.40 交20.98 20.97 19.35 20.96 20.9s 1930 20.94 19.25 20.93 20.92 19.20 20.91 20.90 5 -10 10 15 19.15 15 -10 位置m 位置/m 图8压风方案一(a)及方案二(b)y=1.8m氧气体积分数散点图 Fig.8 Oxygen volume fraction scatter diagrams at y=1.8m for Scheme 1 (a)and Scheme 2 (b) 员集中的1.3m高度处二氧化碳体积分数进行分 间，且随高度的增加而增加，而人体集中部位的二氧 析，如图10和图11所示.在无净化装置的前提下， 化碳体积分数较低，且所有点处的二氧化碳体积分 该压风供氧装置使空气循环流动，可使酮室中心位 数均符合不超过1%的《规定》要求，因此方案一的 置的二氧化碳体积分数在0.209%~0.336%之间， 压风供氧管路最优. 两侧体积分数在0.336%~0.421%之间，酮室两侧 3与现场试验的对比验证 的二氧化碳体积分数高于中心位置；在高度方向中 垂线上，二氧化碳体积分数在0.30%~0.52%之 在蓄冰空调及空气净化器关闭状态下（根据

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 5 压风方案一( a) 和方案二( b) y = 1. 3 m 氧气体积分数等值线图 Fig． 5 Oxygen volume fraction isograms at y = 1. 3 m for Scheme 1 ( a) and Scheme 2 ( b) 图 6 压风方案一( a) 及方案二( b) y = 1. 3 m 氧气体积分数散点图 Fig． 6 Oxygen volume fraction scatter diagrams at y = 1. 3 m for Scheme 1 ( a) and Scheme 2 ( b) 图 7 压风方案一( a) 和方案二( b) y = 1. 8 m 氧气体积分数等值线图 Fig． 7 Oxygen volume fraction isograms at y = 1. 8 m for Scheme 1 ( a) and Scheme 2 ( b) 图 8 压风方案一( a) 及方案二( b) y = 1. 8 m 氧气体积分数散点图 Fig． 8 Oxygen volume fraction scatter diagrams at y = 1. 8 m for Scheme 1 ( a) and Scheme 2 ( b) 员集中的 1. 3 m 高度处二氧化碳体积分数进行分 析，如图 10 和图 11 所示． 在无净化装置的前提下， 该压风供氧装置使空气循环流动，可使硐室中心位 置的二氧化碳体积分数在 0. 209% ～ 0. 336% 之间， 两侧体积分数在 0. 336% ～ 0. 421% 之间，硐室两侧 的二氧化碳体积分数高于中心位置; 在高度方向中 垂线上，二氧化碳体积分数在 0. 30% ～ 0. 52% 之 间，且随高度的增加而增加，而人体集中部位的二氧 化碳体积分数较低，且所有点处的二氧化碳体积分 数均符合不超过 1% 的《规定》要求，因此方案一的 压风供氧管路最优． 3 与现场试验的对比验证 在蓄冰空调及空气净化器关闭状态下( 根据 · 0101 ·

第8期 金龙哲等：井下避难硐室压风供氧分布规律研究 ·1011· 20.96r (a) 19320 20.95 19.30 20.94 芝1928 19.26 20.93 19.24 20.92 ￥19.22 20.91 19.20 20.90 … 25 0.80 1.35 1.90 245 3.00 1925 0.80 1.35 1.90 2.45 3.00 位置m 位置m 图9压风方案一(a)及方案二(b)中垂线上氧气体积分数散点图 Fig.9 Oxygen volume fraction scatter diagrams in the perpendicular bisector for Scheme 1 (a)and Scheme 2 (b) 表2井下压风供氧方式下试验与模拟结果对比表 0.209%0.241%0.272%0.304%0.336%0.368%0.400%0.421% Table 2 Contrast table between test and the simulation results about air pressure supply 测点试验02体积分数/%模拟02体积分数/%相对误差/% 测点1 20.72 21.01 1.40 图10压风方案一y=1.3m二氧化碳体积分数等值线图 测点2 20.39 20.90 2.50 Fig.10 Carbon dioxide volume isogram at y=1.3 m for Scheme 1 测点3 20.25 20.89 3.16 测点4 20.50 20.99 2.39 实际需要开启)，对某煤矿避难硐室进行16h,100 人压风供氧试验，并对酮室内的氧气浓度等参数 进行监测.该载人试验在酮室内布置测点如图11 4结论 所示. (1)本文计算和预测了避难硐室中压风供氧阶 0.52 段的主要扰动源，并设计了两种压风管路对比方案 050 空0.48 (2)通过模拟结果，本文得出在压风供氧下设 备布置及尺寸设计的最优方案及其压风供氧下的氧 气和二氧化碳分布规律 0.40 08 (3)在与现场载人试验各测点的对比中，压风 06 供氧时氧气体积分数平均误差为2.36%，可验证模 0.34 0.32 特tee 拟过程的可靠性. 0.30 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.53.0 (4)本文所提出的最优压风氧气管路布置方案 位置m 可以考虑在实际工程中进行应用. 图11压风方案一中垂线上二氧化碳体积分数散点图 Fig.11 Carbon dioxide volume fraction scatter diagram in the per- 参考文献 pendicular bisector for Scheme 1 0] Sun J P.The key technologies of the refuge chamber and rescue 本文以避难硐室生存区为研究对象，选取对人 capsule in the underground coal mine.J China Coal Soc,2011, 36(5):713 体影响最大的测点1~4作为对比分析对象，由于载 (孙继平.煤矿井下避难酮室与救生舱关键技术研究.煤炭学 人试验中压风供氧管路与本文的最优压风供氧管路 报，2011,36(5)：713) 尺寸及布气孔数量相似，且载人试验中测点位置高 2] Zhao B,Lin B R,Li X T.Comparison of methods for predicting 更接近1.8m,因此选取试验过程稳定状态时间内 indoor air distribution.Heating Ventilating Conditioning,2002, 氧气在各测点处的平均值，与图7左侧等值线图相 31(4):82 同位置处的氧气体积分数值进行对比分析.根据表 (赵彬，林波荣，李先庭.室内空气分布的预测方法及比较 暖通空调，2002,31(4)：82) 2的对比结果，可知氧气体积分数的模拟结果和试 State Administration of Work Safety,State Administration of Coal 验结果相似，其平均误差为2.36%，因此可验证最 mine safety.Coal mine underground emergency system construc- 优压风供氧方案的可行性. tion management interim provisions.China Coal Newspaper,2011-

第 8 期 金龙哲等: 井下避难硐室压风供氧分布规律研究 图 9 压风方案一( a) 及方案二( b) 中垂线上氧气体积分数散点图 Fig． 9 Oxygen volume fraction scatter diagrams in the perpendicular bisector for Scheme 1 ( a) and Scheme 2 ( b) 图 10 压风方案一 y = 1. 3 m 二氧化碳体积分数等值线图 Fig． 10 Carbon dioxide volume isogram at y = 1. 3 m for Scheme 1 实际需要开启) ，对某煤矿避难硐室进行 16 h，100 人压风供氧试验，并对硐室内的氧气浓度等参数 进行监测． 该载人试验在硐室内布置测点如图 11 所示． 图 11 压风方案一中垂线上二氧化碳体积分数散点图 Fig． 11 Carbon dioxide volume fraction scatter diagram in the per￾pendicular bisector for Scheme 1 本文以避难硐室生存区为研究对象，选取对人 体影响最大的测点 1 ～ 4 作为对比分析对象，由于载 人试验中压风供氧管路与本文的最优压风供氧管路 尺寸及布气孔数量相似，且载人试验中测点位置高 更接近 1. 8 m，因此选取试验过程稳定状态时间内 氧气在各测点处的平均值，与图 7 左侧等值线图相 同位置处的氧气体积分数值进行对比分析． 根据表 2 的对比结果，可知氧气体积分数的模拟结果和试 验结果相似，其平均误差为 2. 36% ，因此可验证最 优压风供氧方案的可行性． 表 2 井下压风供氧方式下试验与模拟结果对比表 Table 2 Contrast table between test and the simulation results about air pressure supply 测点 试验 O2体积分数/% 模拟 O2体积分数/% 相对误差/% 测点 1 20. 72 21. 01 1. 40 测点 2 20. 39 20. 90 2. 50 测点 3 20. 25 20. 89 3. 16 测点 4 20. 50 20. 99 2. 39 4 结论 ( 1) 本文计算和预测了避难硐室中压风供氧阶 段的主要扰动源，并设计了两种压风管路对比方案． ( 2) 通过模拟结果，本文得出在压风供氧下设 备布置及尺寸设计的最优方案及其压风供氧下的氧 气和二氧化碳分布规律． ( 3) 在与现场载人试验各测点的对比中，压风 供氧时氧气体积分数平均误差为 2. 36% ，可验证模 拟过程的可靠性． ( 4) 本文所提出的最优压风氧气管路布置方案 可以考虑在实际工程中进行应用． 参 考 文 献 ［1］ Sun J P． The key technologies of the refuge chamber and rescue capsule in the underground coal mine． J China Coal Soc，2011， 36( 5) : 713 ( 孙继平． 煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究． 煤炭学 报，2011，36( 5) : 713) ［2］ Zhao B，Lin B Ｒ，Li X T． Comparison of methods for predicting indoor air distribution． Heating Ventilating ＆ Conditioning，2002， 31( 4) : 82 ( 赵彬，林波荣，李先庭． 室内空气分布的预测方法及比较． 暖通空调，2002，31( 4) : 82) ［3］ State Administration of Work Safety，State Administration of Coal mine safety． Coal mine underground emergency system construc￾tion management interim provisions． China Coal Newspaper，2011- · 1101 ·

·1012· 北京科技大学学报 第36卷 0216(003) Medium Conference Room [Dissertation].Wuhan:Wuhan Univer- (国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿井 sity of Science and Technology,2006:43 下紧急避险系统建设管理暂行规定.中国煤炭报，201102一 (杨金风.中型会议室气流组织的数值模拟研究[学位论文]. 16(003)) 武汉：武汉科技大学，2006：43) 4]Gao N.Research and Application of the Key Technology of the Per- [9]Zhou C M.The Simulation Analysis of Air Distribution for Waiting manent Refuge Haven of Changchun Coal Mine [Dissertation]. Room [Dissertation].Huainan:Anhui University of Science and Beijing:University of Science and Technology Beijing,2011:86 Technology,2011:56 (高娜.常村煤矿永久避难酮室关键技术研究与应用[学位论 (周成梅.某候车室气流组织的模拟研究[学位论文].淮南： 文].北京：北京科技大学，2011：86) 安徽理工大学，2011：56) 5]Wang P.Study of the Compressed Air Supply System of the Fixed [10]Fan Y C.CFD modelling of the air and contaminant distribution Refuge Chamber for Changeun Mine [Dissertation].Beijing:Uni- in rooms.Energy Build,1995,23:33 versity of Science and Technology Beijing,2011:25 [11]Zhu H J,Lin Y H,Xie L H.FLUENT Fluid Analysis and Simu- (王鹏.常村矿永久避难硐室压风供氧系统研究[学位论文] lation and Practical Course.Beijing:Posts and Telecom Press, 北京：北京科技大学，2011：25) 2010:93 [6]Li X T,Zhao B.Indoor Air Flow Numerical Simulation.Beijing: (朱红钧，林元华，谢龙汉.LUENT流体分析及仿真实用教 Machinery Industry Press,2009:12 程.北京：人民邮电出版社，2010：93) (李先庭，赵彬.室内空气流动数值模拟.北京：机械工业出 [12]Zhu H.Research on Human Comfort in Confined Space DDissera- 版社，2009：12) tion].Beijing:University of Science and Technology Beijing, ]Abanto J,Barrero D.Reggio M,et al.Airflow modelling in a 2008:27 computer room.Build Environ,2004,39:1393 (朱浩.密闭空间内人体舒适度的研究[学位论文].北京： [8]YangJ F.Research on Numerical Simulation of Air Distribution in 北京科技大学，2008：27)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 02-16( 003) ( 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局． 煤矿井 下紧急避险系统建设管理暂行规定． 中国煤炭报，2011--02-- 16 ( 003) ) ［4］ Gao N． Ｒesearch and Application of the Key Technology of the Per￾manent Ｒefuge Haven of Changchun Coal Mine ［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2011: 86 ( 高娜． 常村煤矿永久避难硐室关键技术研究与应用［学位论 文］． 北京: 北京科技大学，2011: 86) ［5］ Wang P． Study of the Compressed Air Supply System of the Fixed Ｒefuge Chamber for Changcun Mine［Dissertation］． Beijing: Uni￾versity of Science and Technology Beijing，2011: 25 ( 王鹏． 常村矿永久避难硐室压风供氧系统研究［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2011: 25) ［6］ Li X T，Zhao B． Indoor Air Flow Numerical Simulation． Beijing: Machinery Industry Press，2009: 12 ( 李先庭，赵彬． 室内空气流动数值模拟． 北京: 机械工业出 版社，2009: 12) ［7］ Abanto J，Barrero D，Ｒeggio M，et al． Airflow modelling in a computer room． Build Environ，2004，39: 1393 ［8］ Yang J F． Ｒesearch on Numerical Simulation of Air Distribution in Medium Conference Ｒoom［Dissertation］． Wuhan: Wuhan Univer￾sity of Science and Technology，2006: 43 ( 杨金凤． 中型会议室气流组织的数值模拟研究［学位论文］． 武汉: 武汉科技大学，2006: 43) ［9］ Zhou C M． The Simulation Analysis of Air Distribution for Waiting Ｒoom ［Dissertation］． Huainan: Anhui University of Science and Technology，2011: 56 ( 周成梅． 某候车室气流组织的模拟研究［学位论文］． 淮南: 安徽理工大学，2011: 56) ［10］ Fan Y C． CFD modelling of the air and contaminant distribution in rooms． Energy Build，1995，23: 33 ［11］ Zhu H J，Lin Y H，Xie L H． FLUENT Fluid Analysis and Simu￾lation and Practical Course． Beijing: Posts and Telecom Press， 2010: 93 ( 朱红钧，林元华，谢龙汉． FLUENT 流体分析及仿真实用教 程． 北京: 人民邮电出版社，2010: 93) ［12］ Zhu H． Ｒesearch on Human Comfort in Confined Space［Disserta￾tion］． Beijing: University of Science and Technology Beijing， 2008: 27 ( 朱浩． 密闭空间内人体舒适度的研究［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2008: 27) · 2101 ·