1 引言

　　矿山火灾是矿井重大灾害之一，它对井下人员的生命安全、矿井设备、矿产资源以及地表环境都会产生很大的危害。在所有的矿井火灾中，自燃火灾约占70%以上；尤其在煤矿中，煤炭自燃引起的火灾占煤矿火灾的90%以上。因此，研究自燃火灾巷道烟气流动的规律以及对火灾后巷道内空气质量的安全评价，对于自燃矿山的火灾防治有着重大的意义。

　　对于矿井火灾时期烟气流动的速度场、温度场、浓度场分布研究，目前已取得一些成果。戚宜欣以化学流体力学理论为基础建立了火灾烟流流动的微分方程组；王省身、蒋军成建立了火灾巷道烟气流动的场模型并进行了数值模拟计算；刘剑、贾进章建立了火灾时期数值模拟的数学模型；张兴凯用现场火灾实验得出了温度场分布规律等。他们对火灾巷道中烟流运动的各种场分布规律进行了深入的研究，但对自燃火灾发生后，巷道内的空气质量评价却涉及不多，更没有考虑到人的热舒适度指标。

　　笔者在前人研究的成果基础上，以广西铜坑矿自燃火灾为实例，依据空气流动所遵循的控制方程组，对速度场、温度场等进行数值模拟计算。该数值模拟的方法具有结果直观、可视化强；可以帮助研究人员减少盲目性，增强目的性，并且可以节约时间和经费，可有效地预测火灾蔓延趋势及流场分布情况。

　　在模拟和评价中，最后突出了以人为本，考虑矿工劳动环境的舒适问题，采用预计热舒适指标(Predicted Mean Vote, PMV)和预计不满意百分比(Predicted Percent Dissatisfied，PPD)两个衡量人体热舒适感诸多因素最全面的指标，对火灾巷道中的空气质量进行了安全评价，为自燃矿山火灾的防治提供了科学依据。

　　2 烟气流动的基本守恒方程组

　　在矿井自燃后的火灾巷道中，高温烟气流动为非定常流动及传热传质过程，应遵循以输运定律或有关的守恒、平衡定律出发而建立起来的化学流体力学基本方程组：

　　1) 连续方程

　　2)动力方程

　　3)能量守恒方程

　　4)组分方程(不考虑化学反应生成率Si')

　　式中，

　　　　——组分气体i的质量分数。

　　3 烟气流动场的控制方程

　　烟气流动场模拟的控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程、紊流动能方程和紊流动能耗散率方程，所有这些方程都满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；

　　——不稳定态项；

　　——对流项；

　　——扩散项；

　　SФ——源项；

　　ΓФ——通用物理量Ф的有效输运系数。

　　所自的控制方程Ф，ΓФ，SФ如下表所示。

　　式中，u, v——速度分量；

　　μeff ——有效紊流扩散系数；

　　σ t——紊流粘性；

　　k——紊流动能；

　　ε——紊流动能耗散率；

　　G b——紊流动能浮力产生项；

　　G k——紊流动能平均速度梯度产生项。