李 賀 ，沈先華 ，田 麗 ，路潔心 ，魯 義 ，曾 鋼

（1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湘煤集團(tuán)白山坪礦業(yè)有限公司 磨田煤礦，湖南 衡陽 421800）

隨著礦井不斷向大型化、機(jī)械化和自動(dòng)化方向發(fā)展，帶式輸送機(jī)已成為井下運(yùn)輸?shù)闹髁姟４罅繋捷斔蜋C(jī)的應(yīng)用增加了發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性，為煤礦安全生產(chǎn)帶來了安全隱患[1]。作為新型滅火技術(shù)的細(xì)水霧以其清潔、高效、成本低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[2-6]。DASGOTRA 等[7]應(yīng)用FDS 軟件等重點(diǎn)分析了細(xì)水霧粒徑、流量、噴嘴高度及壓力對(duì)撲滅油池火災(zāi)滅火效率的影響；JAYAWEERA等[8]驗(yàn)證了高雷諾數(shù)條件下的標(biāo)度關(guān)系可以擴(kuò)展到低雷諾數(shù)情況，得出了低雷諾數(shù)下霧滴粒徑的最佳范圍。我國對(duì)細(xì)水霧滅火技術(shù)的研究起步較晚，早期對(duì)于細(xì)水霧撲滅礦井火災(zāi)的研究主要集中在滅火機(jī)理方面[9-11]。近年來，越來越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到細(xì)水霧滅火的過程上來[12-14]。常新明等[15]提出小粒徑細(xì)水霧通過吸熱阻氧效應(yīng)使燃燒反應(yīng)速率降低，而大粒徑水霧在火焰鋒面無法完全汽化，易引起湍流增強(qiáng)效應(yīng)使爆炸強(qiáng)度增強(qiáng)；劉俊奎[16]認(rèn)為增大噴霧壓力可以縮短滅火時(shí)間，提升滅火效果；鄧琦等[17]認(rèn)為細(xì)水霧粒徑為250～400 μm，霧化角度為120°，流量為2.0～2.5 L/min，噴頭高度為1 m 時(shí)滅火效果較理想；劉志鵬[18]提出采空區(qū)細(xì)水霧主要依靠工作面兩端的壓差，將細(xì)水霧帶入采空區(qū)與自燃煤體產(chǎn)生熱交換，吸收大熱熱量以實(shí)現(xiàn)明顯的降溫效果；賴鑫瓊[19]通過數(shù)值模擬得出了不同噴霧參數(shù)下霧滴速度、粒徑的變化情況。基于此，開展了模擬巷道中細(xì)水霧對(duì)撲滅帶式輸送機(jī)火災(zāi)的滅火過程，在改變霧滴粒徑、噴霧流量、噴嘴間距的情況下，通過分析巷道內(nèi)溫度及滅火時(shí)間，研究不同參數(shù)對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響。

1 模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 巷道模型

以江西省安源煤礦378 工作面為研究對(duì)象，該工作面位于礦井西翼3204 盤區(qū)3119 運(yùn)輸巷與3205 平石門之間，走向長度為250 m，傾斜長度為80 m，工作面面積為20 000 m2，378 出山復(fù)采工作面井下位置位于3119 運(yùn)輸巷和3117 運(yùn)輸巷之間，東邊以700 m 保安煤柱線為界，西邊以3117 補(bǔ)斗為界，上部有372 下段采空區(qū)。378 工作面巷道模型如圖1。

圖1 378 工作面巷道模型Fig.1 Roadway model of 378 working face

1.2 工況設(shè)置

根據(jù)巷道的實(shí)際尺寸建立了巷道的幾何模型?；鹪创笮?.5 m×1.5 m，火源功率為3 MW。模擬共設(shè)置10 個(gè)熱電偶以監(jiān)測巷道內(nèi)溫度分布，以火源為中心，每隔10 m 設(shè)置1 個(gè)熱電偶，距火源30 m 后，每隔30 m 設(shè)置1 個(gè)熱電偶。溫度切片設(shè)置在人眼特征高度（1.6 m）處。巷道風(fēng)流方向設(shè)置為縱向通風(fēng)，風(fēng)速為0.25 m/s，模擬時(shí)間為900 s。在模擬細(xì)水霧滅火時(shí)，將反應(yīng)設(shè)置為復(fù)雜化合物燃燒，燃燒材料為聚氯乙烯。噴頭布置在主通風(fēng)巷道頂部距頂板0.1 m 處。

為研究不同特性參數(shù)對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響，設(shè)置以下12 種工況，具體工況設(shè)置見表1。

表1 工況設(shè)置Table 1 Working condition setting

2 影響細(xì)水霧滅火因素分析

2.1 霧滴粒徑對(duì)滅火效果的影響

對(duì)霧滴粒徑為20、50、100、200 μm 的模型進(jìn)行計(jì)算，不同粒徑細(xì)水霧巷道內(nèi)溫度分布如圖2。

圖2 不同粒徑細(xì)水霧巷道內(nèi)溫度分布Fig.2 Temperature distribution in different particle sizes

霧滴粒徑大小對(duì)滅火效果有明顯的影響。隨著燃燒的進(jìn)行，火災(zāi)范圍不斷擴(kuò)大，巷道內(nèi)溫度升高且分布不均勻。在火源下風(fēng)向的測點(diǎn)6 最先達(dá)到噴淋裝置觸發(fā)溫度74 ℃，導(dǎo)致101.9 s 開始噴淋細(xì)水霧，隨著液滴降落到火焰附近，火焰與霧滴進(jìn)行對(duì)流換熱，在兩者的相互作用下，液滴吸收大量熱量開始汽化，由于初始階段細(xì)水霧吸收的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱量，巷道內(nèi)溫度繼續(xù)升高。257 s 時(shí)，測點(diǎn)6 升高至最高溫度312℃，此時(shí)火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱量與細(xì)水霧吸收的熱量相等，隨著噴水量的增加，細(xì)水霧吸收的熱量不斷增大，測點(diǎn)6 溫度開始下降。霧滴粒徑為20、50、100、200 μm 時(shí)，分別在276、389、253、357 s 時(shí)上升到最高溫度后開始下降，而溫度差異最顯著的測點(diǎn)3 在霧滴粒徑為200 μm 時(shí)溫度最高，為379 ℃，在霧滴粒徑為100 μm 時(shí)溫度最低，為286 ℃，說明霧滴粒徑為100 μm 時(shí)降溫時(shí)間比其他粒徑降溫時(shí)間快，最先使巷道內(nèi)溫度下降。不同霧滴粒徑下滅火時(shí)間如圖3。

圖3 不同霧滴粒徑下滅火時(shí)間Fig.3 Extinguishing time at different droplet particle sizes

2.2 噴霧流量對(duì)滅火效果的影響

為了研究噴霧流量對(duì)滅火效果的影響，模擬中設(shè)定霧滴粒徑100 μm，火源功率3 MW，風(fēng)速0.25 m/s 不變。GB 50898—2013《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中提出，對(duì)于電纜隧道這類場所，當(dāng)噴頭的安裝高度 ≤3 m 時(shí)，系統(tǒng)的最小噴霧強(qiáng)度為1 L/（min·m2）。根據(jù)此規(guī)定將噴霧流量分別設(shè)置為2、4、6、8 L/min，對(duì)這4 種工況進(jìn)行數(shù)值模擬。不同噴霧流量時(shí)巷道內(nèi)溫度分布如圖4。

圖4 不同噴霧流量時(shí)巷道內(nèi)溫度分布Fig.4 Temperature distribution at different spray flows

從圖4 可以觀察到，隨著噴霧流量的增大，細(xì)水霧快速吸收火災(zāi)釋放的大量熱量，導(dǎo)致火場內(nèi)整體溫度不斷降低。其原因是噴霧流量的增大，導(dǎo)致細(xì)水霧粒子的大量增加，一部分細(xì)水霧粒子還未等到進(jìn)入火焰就由于高溫蒸發(fā)，而另一部分穿過火焰內(nèi)徑，進(jìn)一步靠近燃燒物表面，吸收了帶式輸送機(jī)燃燒所釋放的能量。因此，使燃燒物表面的溫度得以下降，導(dǎo)致可燃物達(dá)不到其燃點(diǎn)而使燃燒終止。巷道內(nèi)溫度變化與噴霧流量成反比，噴霧流量越大，巷道內(nèi)溫度降低越快。其中流量為8 L/min 巷道內(nèi)整體溫度較其他工況降低最為明顯。這是由于一定程度上的大流量細(xì)水霧能在火災(zāi)初期快速吸收并帶走熱量，使火焰溫度迅速降低，從而影響整個(gè)巷道內(nèi)的溫度分布。

反映滅火效果的1 個(gè)重要因素就是滅火時(shí)間，滅火時(shí)間越長，火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間越長，滅火效果越差；反之滅火時(shí)間越短，滅火效果越好。因此從滅火時(shí)間的長短來評(píng)判滅火效果的優(yōu)劣。滅火時(shí)間即開始施加細(xì)水霧至火焰熄滅的時(shí)間，當(dāng)溫度達(dá)到燃燒物所需的臨界溫度后火焰停止燃燒。不同噴霧流量滅火時(shí)間如圖5。

圖5 不同噴霧流量滅火時(shí)間Fig.5 Fire extinguishing time of different spray flows

由圖5 可以看出：在本次模擬中，火焰被徹底撲滅的時(shí)間分別為484.1、440.3、376.5、353.8 s；滅火時(shí)間隨著噴霧流量的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；當(dāng)噴霧流量為2～8 L/min 時(shí)，隨著噴霧流量的增大滅火時(shí)間不斷減小，這是由于隨著流量的增加，細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱帶走的熱量不斷增加，整個(gè)巷道范圍內(nèi)的溫度也不同程度地體現(xiàn)了下降的趨勢；噴霧流量為8 L/min 時(shí)，滅火時(shí)間最短為353.8 s，滅火效果最好；當(dāng)噴霧流量為6 L/min 時(shí)，達(dá)到滅火效果的耗水量為27.46 L，8 L/min 的耗水量為33.6 L，僅比前者增加用水量6.14 L，滅火時(shí)間卻提前了22.7 s，滅火效率大大提高。從溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)來看，增加流量能夠快速降低巷道內(nèi)溫度與氧氣體積分?jǐn)?shù)，顯著提高細(xì)水霧對(duì)帶式輸送機(jī)火災(zāi)的滅火效率。雖然隨著流量的增大，滅火所消耗的水量也有所增加，但與滅火效果帶來的優(yōu)點(diǎn)相比，耗水量的增量并不能夠相提并論，因此為獲得最理想的滅火效果，選取8 L/min 作為本工況下的最佳噴霧流量。

2.3 噴頭間距對(duì)滅火效果的影響

為了研究噴頭間距對(duì)滅火效果的影響，根據(jù)上文得出的結(jié)論，選取滅火效果相對(duì)來說比較明顯的霧滴粒徑100 μm、噴霧流量8 L/min 作為本節(jié)的參考數(shù)據(jù)。GB 50898—2013《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中指出，在噴頭安裝高度 ≤3 m 的電纜隧道等應(yīng)用場所，噴頭的最大布置間距不超過3 m，其數(shù)量不應(yīng)少于5 只。因此模擬中設(shè)置5 個(gè)噴頭，分別對(duì)噴頭間距為0.5、1.0、2.0、3.0 m 的4 種工況進(jìn)行數(shù)值模擬。不同噴頭間距巷道內(nèi)溫度分布如圖6。

圖6 不同噴頭間距下巷道內(nèi)溫度分布Fig.6 Temperature distribution under different nozzle densities

由圖6 可以看出，噴頭間距的變化對(duì)巷道內(nèi)溫度有明顯影響。101.9 s 時(shí)，噴淋裝置開始啟動(dòng)，火焰與霧滴之間將進(jìn)行對(duì)流換熱，傳遞到水滴的熱量用于提高溫度并蒸發(fā)水霧，但細(xì)水霧吸收的熱量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火災(zāi)燃燒釋放的熱量，因此溫度持續(xù)升高且升高速率無明顯變化。當(dāng)升高到最高溫度時(shí)，細(xì)水霧吸收的熱量等于火災(zāi)燃燒釋放的熱量。此時(shí)隨著噴水量的不斷增加，細(xì)水霧吸收熱量也不斷增加，直到遠(yuǎn)大于火災(zāi)燃燒散發(fā)的熱量，因此巷道內(nèi)溫度快速降低，當(dāng)火焰區(qū)域的溫度下降至燃燒所需的臨界溫度以下時(shí)，火焰將熄滅。通過觀察圖6 可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴頭間距的減小，巷道內(nèi)溫度呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，這是因?yàn)閲婎^間距越小，細(xì)水霧的噴射范圍覆蓋火災(zāi)范圍越大，滅火效果越明顯。而噴頭間距過大，將會(huì)導(dǎo)致細(xì)水霧的噴射范圍不能完全覆蓋火災(zāi)范圍，未被細(xì)水霧噴射到的火災(zāi)的范圍不斷擴(kuò)大，無法達(dá)到理想的滅火效果。當(dāng)噴頭間距為0.5 m 時(shí)，巷道內(nèi)溫度降低最為明顯，但0.5 m 與1 m 的穩(wěn)定溫度相同，均為20 ℃，最高溫度也僅相差4 ℃，降溫效果并無差別。但若選擇0.5 m 的間距，每10 m則需安裝20 個(gè)噴頭，而1 m 的間距僅需要10 個(gè)噴頭，經(jīng)濟(jì)成本降低一半，考慮到經(jīng)濟(jì)適用性選擇1 m 的間距作為最佳參數(shù)。

不同噴頭間距下滅火時(shí)間如圖7。

圖7 不同噴頭間距下滅火時(shí)間Fig.7 Fire extinguishing time at different nozzle spacing

由圖7 可以觀察到，噴頭間距的差異對(duì)滅火效果影響非常明顯。相同條件下，滅火時(shí)間與噴頭間距呈正相關(guān)，噴頭間距越大，滅火時(shí)間越長。當(dāng)巷道中噴頭間隔3 m 時(shí)，滅火時(shí)間最長，為326.6 s，當(dāng)巷道中噴頭間隔0.5 m 時(shí)，滅火時(shí)間最短，為239.9 s。隨著噴頭間距的增加，滅火時(shí)間延長，這是由于增加噴頭間距增加，單位距離內(nèi)的噴水量隨之減小，水滴吸熱蒸發(fā)帶走的熱量顯著減少，巷道內(nèi)溫度降低較慢。同樣可以看出，隨著噴頭間距的減小，滅火時(shí)間雖有所降低，但其降低的速率也有所差別，a段（即噴頭間距由0.5 m增加至1 m 時(shí)）滅火時(shí)間降低速率最大，c段次之，b段最小，因此模擬設(shè)計(jì)的工況中當(dāng)噴頭間距為0.5 m 時(shí)滅火時(shí)間最短且效率最高。由于間距為0.5 m 時(shí)細(xì)水霧的降溫效果不明顯，不如間距為1 m的細(xì)水霧系統(tǒng)，又考慮到經(jīng)濟(jì)成本等因素，噴頭數(shù)量增加會(huì)提高細(xì)水霧系統(tǒng)的安裝成本，因此選擇噴頭間距為1 m 作為其最佳參數(shù)。噴頭間距＞3 m的工況未做相關(guān)研究，但可以推斷出噴頭間距超過一定數(shù)值時(shí)，滅火時(shí)間增加，但實(shí)際應(yīng)用中不應(yīng)只依靠滅火時(shí)間1 個(gè)因素來選取最佳噴頭間距，無限增加噴頭數(shù)量會(huì)提高工程成本，應(yīng)綜合考慮滅火時(shí)間與滅火時(shí)間降低速率，選取滅火時(shí)間降低速率較大且噴頭數(shù)量較少的方案，有利于降低成本，增加方案的實(shí)用性。

3 結(jié) 語

1）細(xì)水霧對(duì)于撲滅帶式輸送機(jī)火災(zāi)有明顯效果。在霧滴粒徑為100 μm，噴頭流量為8 L/min，噴頭間距為1 m 的細(xì)水霧滅火過程中，細(xì)水霧的冷卻降溫效果顯著，對(duì)撲滅火災(zāi)起到關(guān)鍵性作用。因此在帶式輸送機(jī)火災(zāi)中應(yīng)用細(xì)水霧滅火優(yōu)選霧滴粒徑為100 μm，噴頭流量為8 L/min，噴頭間距為1 m，以快速撲滅火災(zāi)。

2）相同流量下，在一定范圍內(nèi)，滅火時(shí)間與霧滴粒徑大小成反比，霧滴粒徑越小，蒸發(fā)速率越快，滅火效果越好。

3）相同霧滴粒徑下，噴霧流量越大，滅火效果越好。當(dāng)噴霧流量足夠大時(shí)，吸熱降溫是決定滅火效果的關(guān)鍵因素。

4）相同霧滴粒徑與噴霧流量下，噴頭間距大小對(duì)滅火效果影響顯著。在一定范圍內(nèi)，滅火時(shí)間隨著噴頭間距的增加而變大。理論上噴頭間距越小滅火效果越好，但考慮到經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)結(jié)合實(shí)際選取最優(yōu)噴頭間距。