基于數(shù)值模擬的礦井火災(zāi)疏散路徑選取研究＊

武 爽 季經(jīng)緯 趙 平 葉珊珊

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在全國(guó)國(guó)有大型煤礦當(dāng)中，具有自然發(fā)火危險(xiǎn)性的礦井約占到總礦井?dāng)?shù)的50%。通常礦井發(fā)生火災(zāi)與煤礦瓦斯爆炸、突出等相互作用，從而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的二次災(zāi)害。礦井特殊的地質(zhì)環(huán)境、復(fù)雜惡劣的疏散路線，嚴(yán)重地制約著礦井火災(zāi)發(fā)生時(shí)的人員疏散。一旦發(fā)生火災(zāi)，井下礦工難以第一時(shí)間獲得逃生信息，存在很長(zhǎng)的疏散延遲時(shí)間，疏散時(shí)間的延長(zhǎng)進(jìn)一步造成人員疏散的困難。人員在逃生過(guò)程中受到傷害的原因主要來(lái)源于火災(zāi)過(guò)程中所產(chǎn)生的煙氣。這些煙氣包括一氧化碳、二氧化碳等，都能造成人員呼吸困難和其他中毒癥狀。最為困難的是產(chǎn)生的煙氣致使疏散路徑的能見(jiàn)度迅速下降，進(jìn)而影響人員疏散。因此，研究礦井火災(zāi)中煙氣的蔓延方式是探究礦井火災(zāi)人員疏散的重要手段。

季經(jīng)緯推導(dǎo)建立了礦井發(fā)生火災(zāi)過(guò)程中風(fēng)流速度、煙氣中毒性氣體體積濃度與火源熱釋放速率及能見(jiàn)度的關(guān)系式，并提出了礦井火災(zāi)過(guò)程中火場(chǎng)能見(jiàn)度的簡(jiǎn)單估算方法。周福寶等人模擬了礦井火災(zāi)煙流滾退距離的相關(guān)行為，通風(fēng)風(fēng)速和火源熱釋放速率是影響煙流滾退距離的兩個(gè)重要參數(shù)。張敬瑤等對(duì)煤礦井下人員疏散進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真模擬，證實(shí)采用人員疏散模擬技術(shù)對(duì)礦井人員流動(dòng)和疏散行為進(jìn)行研究是可行的。本文是針對(duì)某礦井發(fā)生火災(zāi)之后，利用FDS軟件來(lái)分析煙氣蔓延情況、一氧化碳的濃度、煙氣溫度、能見(jiàn)度等，為礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)制定相應(yīng)的預(yù)案和人員安全疏散提供依據(jù)。

1 礦井火災(zāi)模型

鑒于礦井火災(zāi)真實(shí)的煙氣蔓延過(guò)程難以觀察和測(cè)量，在此運(yùn)用火災(zāi)模擬軟件FDS來(lái)計(jì)算發(fā)生在礦井中的煙氣運(yùn)行過(guò)程，選取某個(gè)礦井作為模擬對(duì)象，來(lái)探究礦井火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員疏散路徑的選取等。

1.1 礦井概況

模型選取了某礦井的巷道采掘圖，見(jiàn)圖1。該礦井有兩個(gè)采掘工作面，巷道總長(zhǎng)度為1050m，工作面寬度為350m，兩條斜井進(jìn)新風(fēng)，污風(fēng)從采場(chǎng)出來(lái)，匯集到回風(fēng)井排出。

圖1 某礦井巷道圖

1.2 FDS模型建立

為了適應(yīng)FDS建模的需要，要求對(duì)相應(yīng)的圖形做簡(jiǎn)要的處理，以便能將現(xiàn)實(shí)的工程與處理的模型達(dá)到高度耦合，一方面簡(jiǎn)化了無(wú)關(guān)結(jié)果的繁瑣性，使計(jì)算量在可控制范圍內(nèi)，而又不影響計(jì)算，提高了計(jì)算效率；另一方面可以使計(jì)算模型更為符合實(shí)際工程，更好地為工程應(yīng)用服務(wù)。模型的處理是多方位的，包括網(wǎng)格的數(shù)量、火源的設(shè)置、風(fēng)機(jī)參數(shù)的設(shè)定等等。

1.2.1 網(wǎng)格的設(shè)置

礦井巷道縱橫交錯(cuò)，巷道呈斜坡?tīng)钕蛳卵由欤绻苯釉谙锏栏浇O(shè)置網(wǎng)格，勢(shì)必造成網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算難以進(jìn)行，為此對(duì)巷道進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，考慮到該礦井坡度為1∶10，坡度較小，可以將坡度影響煙氣蔓延的因素加以縮小，故將坡度較小的主副斜井視為水平巷道。主副斜井的寬度為7m，其他巷道為4m，巷道整體高度為3m。距離火源較大的巷道網(wǎng)格大小設(shè)置為1m×1m×1m，在設(shè)置火源附近的網(wǎng)格時(shí)，為了提高計(jì)算精度，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定網(wǎng)格的大小。

火源附近的網(wǎng)格大小受初始火源特征尺寸D＊控制：

報(bào)告從四個(gè)方面展開(kāi)，首先介紹國(guó)家的一些相關(guān)政策和新要求，其次對(duì)圖書館目前的發(fā)展現(xiàn)狀和服務(wù)進(jìn)行論述，再次從新技術(shù)的角度介紹國(guó)內(nèi)外的一些實(shí)踐以及西安電子科技大學(xué)圖書館的實(shí)踐，最后對(duì)于提升圖書館傳統(tǒng)服務(wù)提出總結(jié)和建議。

式中：D＊——火源特征尺寸，m；

Q——火源功率，kW；

ρ∞——空氣密度，kg／m3；

cp——恒壓比熱，kJ／（kg·K）；

T∞——環(huán)境溫度，K。

通過(guò)查閱一系列的文獻(xiàn)資料，將火源熱釋放速率設(shè)為5MW，代入式（1），可以計(jì)算得到D＊＝1.99，一般來(lái)說(shuō)，火源附近的尺寸為0.1 D＊時(shí)，計(jì)算結(jié)果接近理想值，為此，我們將火源附近的尺寸設(shè)置為0.2m。這樣一來(lái)，設(shè)置的網(wǎng)格總數(shù)目為546080。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》可知，主要進(jìn)、回風(fēng)巷的最高允許風(fēng)速為8m／s；運(yùn)輸機(jī)巷，采區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷的最低允許風(fēng)速為0.25m／s，最高允許風(fēng)速為6m／s。故將模擬的主副斜井風(fēng)速設(shè)置為4m／s，回風(fēng)巷風(fēng)速設(shè)置為5m／s。

1.2.3 引燃材料的設(shè)定

模擬機(jī)電硐室內(nèi)由于短路導(dǎo)致電纜燃燒，最終引起機(jī)電設(shè)備的嚴(yán)重火災(zāi)，所以將引火源設(shè)定為橡膠，即FDS的反應(yīng)物（Reaction）為橡膠。

1.2.4 火源位置的設(shè)定

如何設(shè)置火源位置是模擬過(guò)程中一個(gè)很重要的因素，為了使模擬更具典型意義，將火源設(shè)置在最危險(xiǎn)的位置，即位于兩個(gè)采掘工作面之間，火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)兩個(gè)工作面都有影響。

1.2.5 探測(cè)器的設(shè)定

主要設(shè)定了一氧化碳體積分?jǐn)?shù)探測(cè)器（CO Volume Fraction）、溫度探測(cè)器（Temperature）以及能見(jiàn)度探測(cè)器（Visibility），目的是通過(guò)對(duì)這些火災(zāi)煙氣特征量的探測(cè)來(lái)預(yù)見(jiàn)疏散的安全路徑，總共在8個(gè)位置設(shè)置了探測(cè)器，各探測(cè)器的分布如圖2所示。

1.3 模型各部分的功能概述

煤礦火災(zāi)模擬的整個(gè)模型見(jiàn)圖2，為減少計(jì)算量，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，模型中將回風(fēng)巷簡(jiǎn)化為回風(fēng)通風(fēng)機(jī)，起到回風(fēng)的作用，但不需要計(jì)算網(wǎng)格。模型共有兩個(gè)工作面，探測(cè)器設(shè)置在整個(gè)礦井巷道之中，包括測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5、6、102和402號(hào)，負(fù)責(zé)測(cè)定各點(diǎn)的能見(jiàn)度、一氧化碳濃度、溫度等，火源設(shè)置在兩個(gè)工作面之間的一處聯(lián)絡(luò)巷中，其中火源大小設(shè)置為5MW，在此處設(shè)置能夠突出火源作為最危險(xiǎn)性情況的特征，避災(zāi)硐室位于離火源左側(cè)最近的聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，回風(fēng)風(fēng)機(jī)布置在兩個(gè)工作面右側(cè)的回風(fēng)巷道盡頭，新風(fēng)從模型最右側(cè)的兩條主副斜井進(jìn)入，由回風(fēng)風(fēng)機(jī)將污風(fēng)排出。

圖2 模型示意圖

2 模擬結(jié)果及討論

考慮到礦用自救器的使用時(shí)間為25～40min，礦井發(fā)生火災(zāi)后人員可以通過(guò)使用自救器來(lái)避免有毒煙氣的侵入，進(jìn)行逃生。因此模擬總計(jì)進(jìn)行2400s，分別對(duì)煙氣蔓延、一氧化碳濃度、能見(jiàn)度和溫度來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明，探討與疏散相關(guān)的效應(yīng)。

2.1 煙氣蔓延

通過(guò)對(duì)煙氣蔓延情況的模擬，可以看到，在火災(zāi)發(fā)生之后，如果仍然采用普通的通風(fēng)方式，煙氣會(huì)不斷地涌入工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道，即使人員佩戴自救器，由于自救器不是對(duì)外封閉的一個(gè)呼吸系統(tǒng)，煙氣中的某些有害氣體諸如CO等會(huì)漏入呼吸器中，造成人員疏散的困難。煙氣蔓延圖見(jiàn)圖3。

圖3 普通送風(fēng)狀態(tài)下600s煙氣蔓延圖

由于工作面距離主副斜井350m，通過(guò)大量的試驗(yàn)得到人員在井下行走的速度為1.11m／s，因此這段距離人員需行走315s，而在發(fā)生火災(zāi)后人員對(duì)于災(zāi)害的響應(yīng)時(shí)間由于沒(méi)有文獻(xiàn)可以查到，參考建筑中對(duì)于人員響應(yīng)時(shí)間的描述，在此可設(shè)為10min，這是一個(gè)較為保守的數(shù)字，因此綜合考慮，人員從工作面到達(dá)主副斜井的總時(shí)間約為900s。

正常通風(fēng)狀態(tài)下402測(cè)點(diǎn)CO濃度變化見(jiàn)圖4，在CO濃度變化曲線中，橫線對(duì)應(yīng)安全規(guī)程所規(guī)定的CO濃度上限0.0024%，可以看出，780s時(shí)測(cè)點(diǎn)402位置其CO濃度就已超過(guò)上限值，人員通過(guò)此處具有一定的危險(xiǎn)性。即處于2號(hào)工作面的井下工作人員無(wú)法沿著進(jìn)風(fēng)巷及主副斜井進(jìn)行疏散，而1號(hào)工作面的人員可以沿著進(jìn)風(fēng)巷與主副斜井進(jìn)行疏散。

圖4 正常通風(fēng)狀態(tài)下402測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化曲線

針對(duì)2號(hào)工作面人員在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法從進(jìn)風(fēng)巷疏散的問(wèn)題，利用反風(fēng)來(lái)進(jìn)行疏散，反風(fēng)狀態(tài)下402測(cè)點(diǎn)CO濃度變化見(jiàn)圖5。

圖5 反風(fēng)狀態(tài)下402測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化曲線

很明顯，采用反風(fēng)之后，測(cè)點(diǎn)402位置的CO濃度在火災(zāi)發(fā)生后的40min內(nèi)均未達(dá)到上限值0.0024%，人員可以安全地通過(guò)該區(qū)域達(dá)到安全狀態(tài)。即采用反風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)后，輔助回風(fēng)巷和回風(fēng)巷煙氣很難侵入，有助于人員從回風(fēng)巷中進(jìn)行疏散。

2.2 能見(jiàn)度結(jié)果

對(duì)于1號(hào)工作面而言，在火災(zāi)發(fā)生后，人員可以在很充裕的時(shí)間內(nèi)從回風(fēng)巷安全疏散，而對(duì)于2號(hào)工作面，在普通通風(fēng)狀態(tài)下，回風(fēng)巷道附近的402測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度在700s時(shí)下降很快，在780s即達(dá)到能見(jiàn)度為10m的危險(xiǎn)數(shù)字。采用反風(fēng)之后，能見(jiàn)度基本不發(fā)生變化，即2號(hào)工作面的人員能夠安全通過(guò)回風(fēng)巷，兩種通風(fēng)狀態(tài)下能見(jiàn)度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 兩種通風(fēng)狀態(tài)下能見(jiàn)度隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

（1）針對(duì)所模擬礦井，研究了人員在火災(zāi)過(guò)程中的疏散狀況。發(fā)現(xiàn)在普通通風(fēng)狀態(tài)下人員很難從進(jìn)風(fēng)井安全疏散，這主要是由礦井通風(fēng)狀態(tài)決定。對(duì)于發(fā)生在主副斜井之中或是進(jìn)風(fēng)巷的火災(zāi)，由于新風(fēng)的不斷擠入，使火災(zāi)成為一個(gè)受燃料控制的火災(zāi)。而在礦井內(nèi)燃料豐富，導(dǎo)致火災(zāi)難以衰減，風(fēng)助火大，火災(zāi)難以撲滅，且煙氣會(huì)隨著風(fēng)流進(jìn)入工作面進(jìn)風(fēng)巷，切斷井下工作人員沿原路返回的道路。

（2）驗(yàn)證了反風(fēng)對(duì)于礦井火災(zāi)人員疏散的有效因素，發(fā)現(xiàn)反風(fēng)能夠減小回風(fēng)巷道中煙氣密度以及CO濃度，增大巷道中的能見(jiàn)度，為人員從回風(fēng)井疏散提供保證?；鹪次恢秒x進(jìn)風(fēng)口越近，反風(fēng)效果越好，越能有利于人員安全疏散。

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