蘇 墨，王 飛

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

礦井膠帶火災(zāi)模擬與逃生影響因素分析研究

蘇 墨，王 飛

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中，膠帶火災(zāi)受多種因素影響，為確定礦井膠帶火災(zāi)真實(shí)燃燒特性及人員逃生影響因素，本文應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力模擬軟件PyroSim模擬了申家莊礦發(fā)生膠帶火災(zāi)時(shí)，巷道內(nèi)溫度、煙氣濃度及能見度隨時(shí)間的變化情況，分析得出礦井膠帶火災(zāi)時(shí)影響人員逃生的主要因素是煙氣溫度、CO濃度以及能見度。模擬結(jié)果表明該礦膠帶火災(zāi)發(fā)生后的前200 s是火源下風(fēng)側(cè)人員順利逃生的關(guān)鍵時(shí)期，400 s后巷道高溫?zé)煔?、高濃度CO以及低能見度就嚴(yán)重影響人員逃生。研究結(jié)果為礦井應(yīng)急救援和火災(zāi)逃生提供了參考。

礦井膠帶火災(zāi)；PyroSim；數(shù)值模擬；火災(zāi)煙氣

我國煤礦大都使用阻燃膠帶輸送機(jī)，但由于礦井環(huán)境復(fù)雜，遺煤自燃、電火花、明火等在特定條件下仍然可能引燃膠帶火災(zāi)。一旦發(fā)生膠帶火災(zāi)，火勢(shì)迅速蔓延，火源區(qū)鄰近巷道溫度迅速升高，產(chǎn)生的大量有毒有害氣體隨著風(fēng)流進(jìn)入下風(fēng)側(cè)各采區(qū)，從而威脅井下人員的生命安全。研究礦井膠帶火災(zāi)災(zāi)變過程，迅速準(zhǔn)確地掌握礦井膠帶火災(zāi)時(shí)巷道內(nèi)風(fēng)流狀態(tài)、溫度分布、火災(zāi)煙流蔓延情況，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)指揮救災(zāi)、保護(hù)井下人員的生命安全具有十分重要的意義。

國內(nèi)對(duì)膠帶火災(zāi)災(zāi)變過程研究較少。王德明等通過燃燒試驗(yàn)對(duì)比了阻燃與非阻燃輸送膠帶的熱釋放速率、CO產(chǎn)生率[1]。季經(jīng)緯等利用錐形量熱計(jì)對(duì)阻燃輸送帶的點(diǎn)燃性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定了實(shí)驗(yàn)輸送帶的平均點(diǎn)燃溫度及火焰蔓延速度[2]。張圣柱等采用SIMPLE算法對(duì)孔莊煤礦1號(hào)膠帶巷火災(zāi)災(zāi)變時(shí)不同進(jìn)風(fēng)量下巷道內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬，得到了溫度和污染物等參數(shù)在巷道內(nèi)的分布[3]。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，通過數(shù)值模擬研究運(yùn)輸巷膠帶火災(zāi)發(fā)展得到廣泛應(yīng)用。齊慶杰等運(yùn)用FDS數(shù)值模擬技術(shù)，研究了2 MW和4 MW火源功率下，0.5～4 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，輸送膠帶平均燃燒速率和火源區(qū)巷道內(nèi)部溫度分布情況[4]。

上述研究主要是針對(duì)礦井膠帶火災(zāi)的特定參數(shù)及一般規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及模擬研究，而在實(shí)際生產(chǎn)礦井中，由于其風(fēng)速、膠帶材料、火源大小、巷道傾角等因素的不同，礦井膠帶火災(zāi)燃燒特性也不盡相同，只有全程模擬實(shí)際礦井的膠帶火災(zāi)燃燒過程，才能確定其真實(shí)的燃燒特性。鑒于此，本文應(yīng)用PyroSim火災(zāi)動(dòng)力模擬軟件對(duì)山西省申家莊煤礦進(jìn)行實(shí)體建模，研究礦井膠帶火災(zāi)時(shí)巷道溫度分布及煙氣蔓延等火災(zāi)特征參數(shù)，分析影響人員逃生的主要因素，為礦井應(yīng)急救援和火災(zāi)逃生提供參考依據(jù)。

1 礦井運(yùn)輸斜井膠帶火災(zāi)模型

1.1 PyroSim簡介

FDS是目前火災(zāi)研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件工具之一，為研究物質(zhì)燃燒特性、火災(zāi)發(fā)展蔓延規(guī)律和消防救災(zāi)等工作提供了有效工具。PyroSim是美國Thunderhead Engineering公司在FDS基礎(chǔ)上開發(fā)的火災(zāi)模擬前處理和后處理軟件，優(yōu)化了計(jì)算方法，簡化了建模過程，避免了FDS程序參數(shù)多，工作量大，易出錯(cuò)的問題[5]，本文選用PyroSim軟件對(duì)運(yùn)輸斜井膠帶火災(zāi)進(jìn)行模擬分析。

1.2 模型框架的建立

根據(jù)高平市申家莊煤礦運(yùn)輸斜井實(shí)際尺寸，應(yīng)用PyroSim軟件建立了運(yùn)輸斜井膠帶火災(zāi)模型。申家莊煤礦運(yùn)輸斜井為三心拱結(jié)構(gòu)，實(shí)際長720 m，寬4.5 m，凈高3.65 m；運(yùn)輸機(jī)高1.15 m，寬1.54 m，膠帶凈寬1 m；運(yùn)輸斜井進(jìn)風(fēng)量2 200 m3/min，風(fēng)速3.03 m/s。選取其中100 m運(yùn)輸斜井、設(shè)定傾角為10°來建立模型，模型巷道三心拱圓頂由矩形漸變而成。礦井膠帶火災(zāi)模型如圖1所示。

1.3 邊界條件設(shè)置

常用火源熱釋放速率模型主要有t2模型、MRFC模型、FFB模型[6]。t2模型利用火災(zāi)發(fā)展中的最大熱釋放速率進(jìn)行計(jì)算，可以準(zhǔn)確描述火災(zāi)發(fā)展的過程，模型公式見式(1)。

Q=at2

(1)

式中，Q為火源熱釋放速率，kW；a為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，s。

帶式輸送機(jī)火災(zāi)起火原因一般是托輥卡死摩擦受熱，引起遺煤燃燒，進(jìn)而引燃膠帶，造成蔓延火災(zāi)[7]。故按照t2模型要求，在巷道中部設(shè)定引火源，火源大小0.5 m×0.5 m×0.25 m，將其上表面屬性設(shè)置為熱燃燒表面，單位面積最大火源熱釋放速率1.92 MW，火災(zāi)增長系數(shù)0.048 9。根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的時(shí)間為198 s。膠帶設(shè)定1 cm厚，材料選取數(shù)據(jù)庫中的PVC，著火點(diǎn)設(shè)置350 ℃，以模擬膠帶火災(zāi)蔓延。

1.4 全局參數(shù)的設(shè)定

基于申家莊煤礦運(yùn)輸斜井的實(shí)際尺寸，將網(wǎng)格劃分為20×17×400，共計(jì)136 000個(gè)，單元大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m。參考t2模型所確定的火災(zāi)時(shí)間和礦井反風(fēng)要求，模擬時(shí)間設(shè)定為600 s。根據(jù)運(yùn)輸斜井的實(shí)際進(jìn)風(fēng)量，設(shè)置風(fēng)速3 m/s。模擬環(huán)境初始溫度20 ℃，點(diǎn)火源設(shè)置在運(yùn)輸斜井中間50 m處。巷道坐標(biāo)及火源、熱電偶、CO探測(cè)器布設(shè)情況如圖2所示，井口為0坐標(biāo)方向。

圖1 礦井膠帶火災(zāi)模型

圖2 運(yùn)輸斜井坐標(biāo)及火源、熱電偶、CO探測(cè)器布設(shè)情況

2 模擬結(jié)果分析

考慮到礦井膠帶火災(zāi)的危害主要是有毒有害氣體、高溫及煙氣帶來的低能見度和缺氧[8]，因此本文在數(shù)值模擬過程中布置了CO探測(cè)器、溫度探測(cè)切片、煙霧探測(cè)切片、能見度探測(cè)切片，從以下三方面來研究礦井火災(zāi)的危害。

2.1 溫度分布分析

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，巷道中高溫?zé)煔馐窃斐扇藛T傷亡的一個(gè)主要因素，當(dāng)外界溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，人體會(huì)產(chǎn)生心率增快、反應(yīng)減慢、注意力分散的現(xiàn)象[9]，在80 ℃的熱環(huán)境下，人體只能生存30 min。在火源下風(fēng)側(cè)2 m、高1.2 m處設(shè)熱電偶監(jiān)測(cè)火源處溫度，火源及熱電偶布設(shè)情況如圖2所示，火源處溫度變化如圖3所示。

從圖3可看出火源處溫度在200 s左右時(shí)達(dá)到350 ℃，此時(shí)引燃膠帶，火源處溫度繼續(xù)增加，300 s后趨于穩(wěn)定，達(dá)到約500 ℃。

在巷道中心切面x=2.25 m設(shè)置溫度切面，可以觀察火源下風(fēng)側(cè)巷道整體溫度變化情況，如圖4所示。為優(yōu)化巷道溫度的顯示，smokeview的color bar設(shè)定最大顯示溫度為220 ℃。

圖3 火源處溫度隨時(shí)間變化

圖4 巷道溫度分布隨時(shí)間的變化

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，人體呼吸帶高度為1.5～1.6 m，選擇1.5 m高度觀測(cè)巷道溫度。從圖4可以看出，火源在200 s時(shí)引燃膠帶，之后火勢(shì)沿膠帶向下風(fēng)側(cè)蔓延，高溫?zé)煔庠跓岣×Φ淖饔孟律仙料锏理敳?，并向下風(fēng)側(cè)蔓延，之后逐漸沉降，與巷道內(nèi)空氣混合，巷道整體溫度隨時(shí)間逐漸升高，300 s后火源下風(fēng)側(cè)1.5 m高度巷道溫度基本達(dá)到50 ℃，400 s后升至80 ℃以上，此時(shí)嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全，因此發(fā)生火災(zāi)后，下風(fēng)側(cè)人員應(yīng)在400 s內(nèi)盡快遠(yuǎn)離火源。

2.2 CO濃度分析

人體能夠承受的CO最大濃度為50 ppm，當(dāng)CO濃度超過50 ppm時(shí)人體即出現(xiàn)頭暈、乏力等中毒癥狀，濃度越高，對(duì)人體傷害越大，超過400 ppm時(shí)人體則面臨生命危險(xiǎn)。在火源下風(fēng)側(cè)1.5 m高度布設(shè)四個(gè)CO探測(cè)器，1001測(cè)點(diǎn)為火源下風(fēng)側(cè)10 m位置，1002測(cè)點(diǎn)為火源下風(fēng)側(cè)20 m位置，1003測(cè)點(diǎn)為火源下風(fēng)側(cè)30 m位置，1004測(cè)點(diǎn)為火源下風(fēng)側(cè)40 m位置，如圖2所示。模擬得到3 m/s風(fēng)速下巷道火災(zāi)煙流中CO濃度的變化情況，如圖5所示。

從圖5可以看出，300 s左右時(shí)，運(yùn)輸斜井中的CO濃度達(dá)到50 ppm；400 s后CO濃度趨于穩(wěn)定，且高于50 ppm。繪制距離與CO穩(wěn)定濃度值的散點(diǎn)圖，如圖6所示，

由圖6可以看出，火源下風(fēng)側(cè)10 m內(nèi)1.5 m高度CO濃度較低，約50 ppm；20 m至30 m風(fēng)流平緩，高溫?zé)煔庀鲁粒?.5 m高度CO濃度逐漸增高，30 m后穩(wěn)定到約70 ppm。因此，運(yùn)輸斜井發(fā)生膠帶火災(zāi)400 s后，下風(fēng)側(cè)20 m外人員會(huì)出現(xiàn)中毒癥狀，影響人員逃生。

2.3 煙氣濃度及能見度分析

煙氣的濃度關(guān)系到井下的能見度與空氣中的氧含量，事關(guān)井下人員的生命，影響井下人員的逃生，因此火災(zāi)中煙氣濃度是檢測(cè)的一個(gè)重點(diǎn)。在巷道中心切面x=2.25 m設(shè)置煙霧探測(cè)切片，可以觀察火災(zāi)煙氣在運(yùn)輸斜井中的蔓延狀況，如圖7所示。

由圖7可看出煙氣在巷道中的蔓延情況：50 s時(shí)火源下風(fēng)側(cè)可以觀察到可視的煙氣，100 s時(shí)煙氣已遮擋視線，200 s時(shí)運(yùn)輸斜井中即充滿煙氣。

火災(zāi)煙氣中充斥著大量的固體微小顆粒，大大降低了火場(chǎng)中的能見度，不利于火災(zāi)的撲救和火區(qū)人員的逃生。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，中國成年男性平均身高為1.697 m，因此在巷道1.7 m高度布設(shè)y=1.7 m能見度切片，可以觀察運(yùn)輸斜井能見度隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。

由圖8可以看出，火災(zāi)發(fā)生后50 s內(nèi)煙氣對(duì)能見度的影響較小，在100 s后能見度下降至10 m以內(nèi)，200 s后能見度下降至3 m以內(nèi)，此時(shí)對(duì)井下人員行走和視線造成影響，400 s后1.7 m高處能見度已低于0.5 m，對(duì)井下人員逃生造成極大影響。

3 結(jié) 論

本文通過火災(zāi)動(dòng)力模擬軟件PyroSim分析申家莊煤礦運(yùn)輸斜井膠帶火災(zāi)燃燒特性，主要得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖5 CO濃度變化曲線

圖6 距離與CO穩(wěn)定濃度值關(guān)系

圖7 火災(zāi)煙氣在運(yùn)輸斜井中的蔓延狀況

1)運(yùn)輸斜井膠帶火災(zāi)發(fā)生后，巷道溫度逐漸升高，300 s時(shí)火源下風(fēng)側(cè)巷道內(nèi)呼吸帶1.5 m高度溫度約為50 ℃，400 s時(shí)升高至80 ℃，此時(shí)對(duì)井下人員造成生命威脅。

2)運(yùn)輸斜井膠帶火災(zāi)發(fā)生400 s后下風(fēng)側(cè)巷道內(nèi)1.5 m高度CO濃度達(dá)到70 ppm，井下人員會(huì)出現(xiàn)CO中毒癥狀，影響人員逃生。

3)運(yùn)輸斜井火災(zāi)發(fā)生初期，煙氣濃度較低，對(duì)巷道內(nèi)的能見度影響較??；火災(zāi)發(fā)生200 s后，巷道內(nèi)充滿煙氣，1.7 m高處能見度低于3 m，此時(shí)人員逃生難度增大；400 s后能見度降低至0.5 m以下，已嚴(yán)重影響人員逃生。

4)綜上所述，影響井下人員生存和逃生的主要因素是煙氣高溫、CO和低能見度?；馂?zāi)發(fā)生后至完成反風(fēng)的600 s時(shí)間內(nèi)，前200 s，是火源下風(fēng)側(cè)人員順利逃生的關(guān)鍵時(shí)期；200 s至400 s，是下風(fēng)側(cè)人員逃生難度加大的時(shí)期；400 s至600 s是下風(fēng)側(cè)人員生命受到威脅最嚴(yán)重時(shí)期。

圖8 運(yùn)輸斜井1.7 m高度能見度隨時(shí)間的變化

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Research on the mine belt fire simulation and the influencing factors of fire evacuation

SU Mo，WANG Fei

(College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In the actual mining production process，the belt fire is usually affected by many factors.The fire dynamics simulation software PyroSim was used to establish simulation model and determine the real characteristics of the fire and the factors affecting the fire evacuation in this paper.The changes of temperature，smoke concentration and visibility in tunnel during belt fire were simulated over time in Shenjiazhuang mine.From the simulation results，we found that the key factors influencing the fire evacuation were gas temperature，CO concentration and visibility.Simulation results show that the first 200 seconds is the critical escape period of workers in the fire leeward during the mine belt fire，and 400 seconds later，high temperature flue gas，high concentration of CO and low visibility will seriously affect personnel escape.The results provide a reference for mine emergency rescue and fire evacuation.

mine belt fire；PyroSim；numerical simulation；fire smoke

2016-01-24 責(zé)任編輯：趙奎濤

蘇墨(1993-)，男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V井火災(zāi)防治，E-mail：sink241@qq.com。

王飛(1972-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，副教授，博士，主要從事礦井災(zāi)害防治研究工作，E-mail： tyutwangfei@163.com。

TD75+2.3

A

1004-4051(2017)07-0168-05