礦井火災期間的風流狀態模擬是一項十分復雜的工作。它要求全面了解礦井系統及井巷圍巖 的傳熱特性、火災的發生發展規律、火災期間燃燒生成物在通風網絡中的傳播擴散過程以及 火災與風流的相互作用過程，并要求能夠用數學模型來描述它們，而現今建立的模型基本反 映了實際的風流變化規律，又能在計算機上快速得到結果，滿足直觀快速的救災實戰要求 。
1967年，英國的Roberts和Clough發表的關于木材支護在井下巷道中的火災傳播規律的論文 中首次提出了根據火災區流出氣體的組份，將火災傳播方式分為富氧火災（Oxygen-rich fi res）和燃料過剩火災（Fuel-rich fires）。富氧火災指的是流出的煙流中氧氣濃度超過15 %的火災；燃料過剩火災是指流出火災區的煙流中含有過剩的燃料氣體。燃料過剩火災區可 劃分為冷卻帶、焦炭帶、燃燒帶、過余燃料帶和預熱帶。對富氧火災來說，由于燃料不會存 在過剩的問題，因此沒有過余燃料帶。通過能量平衡方程，獲得了描述燃料過剩火災各參數 之間相互關系的方程式。因此這種火災分類和分帶方法，獲得了廣泛的認同。
實際上礦井火災大多數都是由較小的點火源引起的，再逐漸發展成富氧火災，并大多停留在 富氧狀態。只有在點火源大且持續時間長、風速低、燃料豐富等條件下，才可能發展成為燃 料過剩火災。隨著各種條件的變化，火災的狀態也是變化的，并不總是保持在一種穩定 的狀態。
1 火源特性曲線的模擬
在火災通風模擬時，目前確定火源參數的方法是采用火災發展特性曲線，即根據相似條件 下發生的火災事故，進行火災模擬試驗，確定火源溫度。用這種方法，可以比較客觀地對各 種不同規模、不同發展趨勢的火災的全過程進行模擬。根據大量的燃料燃燒實驗資料（包 括皮帶、木料、煤炭等）確定多種火源特性曲線，供火災模擬時使用。當然，提供的火源 特性曲線與實際情況會有出入，但此模擬的結果仍有重要的參考價值。
在火災發生過程中，火源特性曲線的溫度和煙氣濃度隨時間變化有一共同特點，即開始的上 升階段，中間的穩定階段，其后的下降階段。上升階段時間較短，斜率較大；穩定階段達到 最高值，穩定的時間依可燃物的數量及火勢大小而定；下降階段，時間較長，斜率較小。
圖1所示為重慶煤科分院在模擬平峒內做的實驗燃燒曲線。燃燒實驗的條件如下： 燃燒物質：木柴1000kg，皮帶204kg（長為24m，每米 85kg）； 燃燒開始前巷道風速為173m/s。用以模擬木支護巷道內的皮帶火災。 圖1上半部的縱坐標為煙氣折算濃度C%（CO2和CO之和），圖1下半部的縱坐標為火源 溫度T（℃）。
2 火災氣體在通風網絡中傳播過程模擬方法" title="模擬方法">模擬方法
火災氣體（或其它污染物）在礦井通風網絡中，隨著風流的流動而向前傳播。并且在隨風流 動過程中還伴隨著煙流的擴散運動。由于火災期間礦井通風系統風流狀態的不斷變化，火災 煙流的濃度也在不斷變化。因此，火災煙流濃度在通風網絡中隨時間和空間變化的規律極其 復雜。 在進行火災期間通風模擬時，煙流擴散傳播過程的模擬是一個重要的組成部分，這也是進行 溫度分布計算的基礎。1982年，美國的格魯爾（REGreuer）等人最早進行了煙流擴 散的 動態模擬，他們采用的方法是在通風網絡內定義一系列等煙流濃度的控制體，在一個微小時 間區間內，將所有控制體同時向前移動。具體步驟是：首先將計算時間區間分解為一系列微 小時間區間，在每個時間區間△T內，先計算火源和檢查節點濃度變化情況，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，當控制體到達分支末節點后，進行節點濃度 平衡計算，并在后續分支中形成新控制體，當每條分支中的控制體數超過6個時，將前面的 控制體注銷，以節省內存。這種方法的局限在于：①微小時間區間△T不易確定，若選得太 小則計算工作量太大，若選得太大則煙流波峰一次可能通過不止一個節點，使計算過程復雜 化；②每個分支中都保留6個等濃度控制體，導致內存單元的有效利用率低，一方面沒有煙 流通過巷道中的單元空閑，另一方面有煙流流過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每個計算區間還要再分解為許多微小區間進行計算，計算工作 量大；④當與風流溫度分布計算結合起來時，計算工作量更大；⑤在每個時間區間△T內， 假設煙流濃度不變，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散動態模擬方法。基本思路是：假設在一個較小的時間區間內， 火源的煙流（或其它污染物）濃度是線性（單調）變化的，同時在此時間區間內通風網絡的 風流狀態不變，且不考慮煙流前鋒的分子擴散運動，煙流濃度在一個巷道斷面上均勻。某一 時刻從火源流出的煙流（稱為煙流鋒面）在隨風流流動過程中，除在風流交匯處不同濃度 混合后濃度發生變化外，其濃度保持不變。
圖2 火源煙流濃度的計算模型（略）
假設在某個時間區間（t0→t1）內，火源處煙流濃度單調增加，如圖2（〖WTBZ〗a〖WT 〗）所示，則在火源后 側煙流流過的巷道區段（O→L）內，t1時刻的煙流濃度分布是隨離火源距離的增加而 單調下 降（不考慮風流匯合時），如圖2〖WTBZ〗（b〖WT〗）所示。記錄〖WTBX〗t1時刻的火源煙 流濃度C1，煙流前鋒的濃度 Co及共離火源（前節點）的距離L，就可以確定t〖WT〗1時刻該巷道中的煙流濃度分布。 在進行下 一時間區間的煙流傳播計算時，將上次計算中得到的煙流前鋒保留，作為一個新的污染源處 理，繼續向前傳播。當考慮通風網絡中風流的匯合時，在每個煙流鋒面到達分支的末節點后 ，立即進行節點煙流濃度平衡計算，得到一個新濃度的煙流鋒面，并將它向后續巷道繼續傳 播，直至時間區間完畢，煙流鋒面停止運動，或鋒面到達大氣節點后消失。煙流在各分支中 運動的變化規律與前述相似。 為保證不同污染源（或煙源鋒面）向前傳播計算時先后順序的正確，先計算各污染源順風向 至地面節點所需的最長時間，然后按此時間值由小到大（即由后向前）將各污染源排序，順 序計算。對每一污染源，則首先按煙流經過各分支的時間順序，找出煙流在所計算的時間區 間內要流過的所有分支，然后按順序向前計算各分支中的煙流濃度分布。 計算機軟件中用于記錄通風網絡中每一時刻煙流濃度分布的參數如下：
（1）各煙流鋒面（污染源）的參數，包括：鋒面所在的分支號；鋒面離分支始節點的 距離；煙流鋒面的濃度；該鋒面煙流濃度隨時間的變化斜率；保持該變化斜率的時間 。
（2）各分支末端的煙流濃度。
（3）各節點的平衡煙流濃度。
（4）各分支的加權平均煙流濃度。
由以上參數就可以較準確地得到該時刻火災煙流在通風網絡中的分布情況。
從發生火災時刻開始，選擇一定的時間間隔，一個一個時間區間地向前模擬，可以改變各時 間區間的煙流濃度及其變化率，并結合風流狀態的模擬解算，就可以較完整地獲得通風網絡 中煙流濃度動態的變化過程。
3 火災期間風流狀態的模擬
所謂動態模擬，就是以一定的時間步長為單位，從火災著火時刻開始，一段時間一段時間地 向前模擬，得到各個時刻的風流狀態。每個時間段的火源參數都可以改變，從而近似模擬出 礦井火災期間通風網絡中風流動態變化的全過程。
在進行各個時間區間的模擬計算時，都是以該區間的初始風流狀態、網絡中煙流蔓延情 況為基礎，在當前的網絡條件下，計算時間區間結束時煙流的蔓延情況，然后計算出風溫分 布、各分支的修正風阻、位能差及各獨立回路的熱風壓" title="風壓">風壓，最后進行網絡解算，得到時間區間 結束時的風流狀態。
目前對每個時間區間內的風流狀態的變化過程，主要有兩種處理方法：一是假設風流狀態在 每個時間區間內最終都達到準平衡狀態，在計算時以解算得到的風流狀態為基礎，重新 解算新的風流狀態，直至收斂于某一平衡狀態為止。另一是假設在每個時間區間內的風流狀 態保持初始狀態不變，因而每個區間內只進行一次計算，得到的風流狀態即是區間末端的風 流狀態。
這兩種方法實質上都是用一系列的準平衡狀態來模擬風流的動態變化過程。方法一是用 區間結束時的風流狀態作為整個區間的準平衡風流狀態，方法二則是用區間開始的風流 狀態作為區間的準平衡風流狀態。顯然方法一的計算工作量比方法二多得多，而且 在某些條件下，若某分支風流方向在一個時間區間內不穩定時，會出現迭代過程不收斂 的問題。從模擬的準確性來看，方法一并不比方法二優越。因此，方法二可優 先選用。
4 結束語
本文提出的火災燃燒特性的加載方法和風流狀態的模擬方法具有節省計算時間，提高計算機 內存有效利用率，易于與煙流濃度分布和煙流風溫分布計算結合等優點。通過在天能 集團馬莊煤礦“礦井火災與通風管理系統" title="管理系統">管理系統”項目的成功應用，上述方法被證明是切實有 效的。該項目榮獲1998年煤炭工業科學技術進步三等獎。對于如何更真實地描述火災燃燒特 性、模擬火災期間的風流狀態，值得進一步研究和完善。
