礦井膠帶火災(zāi)巷道環(huán)境多參數(shù)時(shí)空演化規(guī)律

郭軍 劉蔭 金永飛 鄭學(xué)召 張澤

摘 要：采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)的方法，借助自主搭建的礦井外因火災(zāi)煙氣蔓延相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了礦井平直巷道內(nèi)膠帶火災(zāi)發(fā)展初期高溫、CO等有毒有害氣體濃度等災(zāi)害多參數(shù)的時(shí)空演化規(guī)律。通過試驗(yàn)?zāi)M，確定了適宜膠帶火災(zāi)發(fā)展的最佳風(fēng)速，得到了最佳工況條件下，模擬巷道內(nèi)溫度場(chǎng)與有毒有害氣體濃度場(chǎng)的分布規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速為0.4 m/s時(shí)，膠帶質(zhì)量損失率最大，且熱量擴(kuò)散率最高，為試驗(yàn)的最佳風(fēng)速;火災(zāi)煙氣蔓延過程中，巷道溫度呈現(xiàn)出隨著距火源距離增加而先升高后降低的趨勢(shì);氣態(tài)產(chǎn)物CO濃度表現(xiàn)出指數(shù)升高到一定階段后逐漸趨于穩(wěn)定，而CO2氣體濃度則表現(xiàn)出線性升高的趨勢(shì)。研究成果將對(duì)礦井火災(zāi)事故救援中危險(xiǎn)區(qū)域劃分，以及礦井外因火災(zāi)的蔓延擴(kuò)散規(guī)律研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：礦業(yè)工程;膠帶火災(zāi);相似模擬試驗(yàn);時(shí)空演化規(guī)律;溫度場(chǎng);濃度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TD 75?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0104文章編號(hào)：1672-9315（2019）01-0021-07

Spatiotemporal evolution law of multiple parameters of roadway

environment for rubber?belt fire in mine

GUO Jun，3，LIU Yin，3，JIN Yong?fei，3，ZHENG Xue?zhao，3，ZHANG Ze1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

3.State Mine Emergency Rescue（Xi’an）Research Center，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：The spatiotemporal evolution law of multiple parameters was studied for rubber?belt fire in straight tunnel of coal mine by the method of physical similarity simulation experiment.The multiple parameters mainly include high temperature，toxic and harmful gases，such as CO and CO2.The self?built experiment platform for smoke spreading of mine external?cause fire was used in the study.The optimal air speed for the development of the rubber?belt fire is determined.At the same time，the distribution law of the temperature field and the concentration field of toxic and harmful gases in the tunnel was obtained under the optimum condition.The results show that at the air speed of 0.4 m/s，the quality loss rate of the rubber?belt and the heat diffusion rate were the highest，which was optimal air speed.In the process of smoke spreading，the temperature of tunnel shows the trend of decreasing after increasing firstly，when the distance from the ignition source is increasing.The CO gas concentration show the trend of a certain stage ofgradually stabilized after exponential growth，and CO2 gas shows a trend of linear increase.This study is of guidance for the division of dangerous areas in the mine fire accident rescue，and of reference for study of the spread of mine external?cause fire.

Key words：mineral engineering;rubber?belt fire;similar simulation experiment;spatiotemporal evolution law;temperature field;concentration field

0?引?言

煤炭作為發(fā)展我國(guó)經(jīng)濟(jì)的主體動(dòng)力燃料，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)上占有重要地位[1]。作為煤炭生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)煤礦自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，用于支撐生產(chǎn)的機(jī)械電氣設(shè)備也在逐年增多。與此同時(shí)，外因火災(zāi)的發(fā)生概率也會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)管理、設(shè)備操作、線路故障等問題而增加，威脅礦井的安全生產(chǎn)[2-3]。其中，膠帶火災(zāi)是礦井外因火災(zāi)的重要災(zāi)害類型之一[4-5]。膠帶運(yùn)輸機(jī)在使用過程中，可能會(huì)因?yàn)榇蚧?、超?fù)荷運(yùn)行等原因造成膠帶摩擦起火、燃燒、熔斷現(xiàn)象，引發(fā)礦井火災(zāi)[6]。一旦發(fā)生膠帶燃燒，火勢(shì)會(huì)迅速發(fā)展，形成典型的巷道火災(zāi)，引發(fā)一系列繼發(fā)性熱動(dòng)力災(zāi)害事故[7]。同時(shí)，處在礦井進(jìn)風(fēng)巷道的膠帶發(fā)生火災(zāi)后，產(chǎn)生的高溫有毒有害煙氣也會(huì)隨風(fēng)流在巷道網(wǎng)絡(luò)中蔓延擴(kuò)散，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全[8-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦井火災(zāi)的發(fā)展演化機(jī)理以及火災(zāi)煙流的蔓延效應(yīng)進(jìn)行了大量相關(guān)研究，得到了豐碩的成果。上世紀(jì)波蘭學(xué)者WL Budryk研究了火災(zāi)時(shí)期巷道內(nèi)煙氣的流動(dòng)規(guī)律，對(duì)節(jié)流效應(yīng)和煙流逆退現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了科學(xué)描述，提出了過量煙氣學(xué)說，并基于此學(xué)說，豐富和發(fā)展了局部火風(fēng)壓理論[11]。美國(guó)學(xué)者通過建立巷道火災(zāi)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了大量的火災(zāi)試驗(yàn)，研究了巷道中煙氣的流動(dòng)規(guī)律及其對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，得到了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并于1992年利用耗氧速率進(jìn)行熱量和煙氣釋放速率的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[12]。早在上世紀(jì)90年代，中煤科工重慶研究院災(zāi)變通風(fēng)課題組對(duì)巷道火災(zāi)時(shí)期的通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行了研究，并通過大量的巷道火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)煙氣組份及流動(dòng)特點(diǎn)，及其對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響規(guī)律展開了研究[13]。西安科技大學(xué)煤火災(zāi)害防治教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)搭建了礦井巷道火災(zāi)相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以模擬皮帶等火災(zāi)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的燃燒過程，利用安裝的紅外熱成像、煙霧感知系統(tǒng)、溫度傳感器、激光等多種手段，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬火災(zāi)期間巷道內(nèi)溫度和煙氣的變化情況，并借助該實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展了大量的研究[14-16]。根據(jù)一定比例建立小尺寸的巷道模型進(jìn)行火災(zāi)的相似模擬試驗(yàn)具有更加安全、方便、簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此目前多運(yùn)用小尺寸相似模擬實(shí)驗(yàn)開展相關(guān)研究。蔣軍成通過搭建的豎直井巷模型，開展了運(yùn)輸膠帶、風(fēng)筒布、電纜等多種可燃物的燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)煙流沿豎直方向的變化規(guī)律進(jìn)行了研究[17]。周延為研究巷道火災(zāi)中煙流逆退距離的影響因素，建立了一條小尺寸水平巷道火災(zāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)果表明無量綱煙氣滾退的長(zhǎng)度與巷道中的風(fēng)速和火源功率存在指數(shù)的關(guān)系[18]。馬礪等人采用FDS火災(zāi)模擬軟件，對(duì)比分析了自然排煙、站臺(tái)排煙、隧道風(fēng)機(jī)輔助站臺(tái)排煙3種模式在不同火源位置時(shí)的樓梯口風(fēng)速、人眼特征高度處溫度、能見度、CO濃度分布[19]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)巷道火災(zāi)發(fā)展演化機(jī)制以及煙氣蔓延效應(yīng)進(jìn)行了一系列的理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)于膠帶火災(zāi)致災(zāi)初期巷道溫度場(chǎng)和有害氣體濃度場(chǎng)的研究相對(duì)較少。文中通過進(jìn)行膠帶火災(zāi)小尺寸試驗(yàn)，研究煙氣蔓延過程中最佳風(fēng)速下的巷道溫度分布規(guī)律以及氣體產(chǎn)物變化規(guī)律，對(duì)于火災(zāi)救援過程中指揮決策具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1?試驗(yàn)裝置及過程

1.1?試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用西安科技大學(xué)防滅火團(tuán)隊(duì)自主搭建的礦井巷道火災(zāi)相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要包括模擬巷道主體結(jié)構(gòu)、火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火源與控制系統(tǒng)、通風(fēng)與控制系統(tǒng)等，如圖1和圖2所示。

該試驗(yàn)巷道主體長(zhǎng)11 m，巷道截面為拱形，拱寬0.6 m，拱高0.4 m.通風(fēng)控制系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)和風(fēng)速控制2部分組成，同步作用來控制巷道風(fēng)速。測(cè)溫系統(tǒng)由分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)組成，由分布在L1水平（距拱頂0.1m）和L2水平（距拱頂0.2 m）上的2組（共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距2 m）感溫探頭對(duì)巷道溫度進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用嶗應(yīng)3012H型專業(yè)煙氣分析儀構(gòu)成火災(zāi)煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)煙氣中的CO，CO2以及煙氣的濃度，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在距進(jìn)風(fēng)口5.4 m，距拱頂0.1 m的位置。

1.2?試驗(yàn)材料

采用型號(hào)為PVC1000S/1000 mm的PVC阻燃膠帶進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)前，將膠帶切割成長(zhǎng)0.3 m，寬0.15 m規(guī)格的樣品，以滿足幾何相似的條件。

1.3?試驗(yàn)方法

膠帶樣品放置在高度約0.05 m的電子稱托盤上，距巷道進(jìn)風(fēng)口1 m處。將膠帶一邊作為火源點(diǎn)，用高溫加熱器對(duì)膠帶樣品進(jìn)行被動(dòng)點(diǎn)燃。在0～0.8 m/s范圍內(nèi)等間距選取5個(gè)風(fēng)速值，分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表1.試驗(yàn)過程中，每隔10 s記錄膠帶的剩余質(zhì)量，并通過L1水平的溫度探頭動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)60 s內(nèi)模擬巷道內(nèi)溫度變化情況。對(duì)比分析不同風(fēng)速條件下，膠帶著火過程中質(zhì)量變化及巷道溫度的分布情況，以確定合理的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速。

如前所述，模擬火源設(shè)置在距進(jìn)風(fēng)口1 m處，并分別采用抽出式和壓入式通風(fēng)方式研究火源下風(fēng)側(cè)和上風(fēng)側(cè)溫度分布規(guī)律，即風(fēng)速分別為0.4和-0.4 m/s.試驗(yàn)條件見表2.

采用抽出式通風(fēng)方式，借助專業(yè)煙氣分析儀（嶗應(yīng)3012H）監(jiān)測(cè)膠帶燃燒過程中，60 s內(nèi)巷道內(nèi)煙氣中CO和CO2分布情況，并監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況。煙氣傳感器安裝在距進(jìn)風(fēng)口5.4 m，距巷道拱頂0.1 m處。試驗(yàn)條件見表3.

2?試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1?試驗(yàn)最佳風(fēng)速確定

2.1.1?質(zhì)量損失率

試驗(yàn)過程中，氧氣供給量與膠帶燃燒有密切的關(guān)系，而氧氣供給量可表征為巷道風(fēng)速，燃燒速率可表征為膠帶的質(zhì)量損失速率。因此，膠帶燃燒過程中的質(zhì)量損失速率可作為確定最佳風(fēng)速的關(guān)鍵依據(jù)之一，其計(jì)算公式如下

m=We-Wste-ts（1）

式中?m為膠帶燃燒時(shí)平均質(zhì)量損失速率，g/s;We和Ws為膠帶燃燒時(shí)相鄰2次測(cè)量得到的剩余質(zhì)量，g;te和ts為2次對(duì)應(yīng)測(cè)量時(shí)間，s.圖3顯示的是在5種不同風(fēng)速條件下，剩余膠帶質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況。

通過線性擬合的方法，可得到5條曲線的擬合線性方程，見表4.

從表4可知，各風(fēng)速條件下膠帶剩余質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線的線性擬合精度很高，可用線性擬合方程描述實(shí)驗(yàn)曲線。對(duì)膠帶質(zhì)量W對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，即為膠帶燃燒質(zhì)量損失速率m，用式（2）表示

m=dWdt（2）

通過計(jì)算，得出5種不同風(fēng)速條件下的膠帶燃燒質(zhì)量損失速率隨風(fēng)速變化曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，膠帶燃燒的質(zhì)量損失速率在風(fēng)速0.4 m/s條件下出現(xiàn)極大值，即當(dāng)風(fēng)速為0.4 m/s時(shí)，膠帶燃燒最快。主要是因?yàn)樵擄L(fēng)速條件下，燃燒膠帶表面的熔融熱解區(qū)反應(yīng)速度快，受熱軟化的膠帶迅速熱解產(chǎn)生氣體釋放到了周圍環(huán)境中。

2.1.2?巷道溫度分布

膠帶燃燒期間通過L1水平的溫度探頭對(duì)巷道不同點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到在不同風(fēng)速條件下膠帶燃燒60 s時(shí)巷道溫度分布曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨著距火源距離的增加呈先升高后下降的趨勢(shì)，且風(fēng)速越低溫度下降得越明顯。距離火源點(diǎn)最遠(yuǎn)處，0.4 m/s風(fēng)速條件下其溫度最高，也表明此風(fēng)速條件下火源熱量擴(kuò)散得相對(duì)充分。

綜合考量膠帶燃燒的質(zhì)量損失速率及巷道溫度場(chǎng)分布情況，可確定最佳巷道風(fēng)速為0.4 m/s.

2.2?模擬巷道中溫度場(chǎng)分布規(guī)律

巷道內(nèi)煙氣溫度可以表征膠帶火災(zāi)蔓延程度，也可表征火災(zāi)條件下巷道危險(xiǎn)度?；谙嗨颇M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以最佳風(fēng)速0.4 m/s作為試驗(yàn)通風(fēng)，將試驗(yàn)?zāi)z帶放置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行燃燒，并分別對(duì)膠帶燃燒60 s內(nèi)巷道火災(zāi)上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)的溫度分布進(jìn)行研究，以得到其溫度分布規(guī)律。

2.2.1?下風(fēng)側(cè)溫度分布規(guī)律

在膠帶燃燒60 s內(nèi)，火源下風(fēng)側(cè)L1和L22個(gè)水平的溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖6，圖7所示。60 s時(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度分布規(guī)律如圖8所示。

從圖6～7可以看出，模擬巷道內(nèi)L1和L2兩水平上所有溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值均隨時(shí)間呈先升高再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì);距離火源點(diǎn)越近，溫度升高得越早。其中，距火源點(diǎn)最近的2個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#和6#測(cè)點(diǎn)）的溫度在實(shí)驗(yàn)開始的10 s內(nèi)呈緩慢升高的趨勢(shì)，之后趨于穩(wěn)定，最后分別保持在25.1和25.2 ℃;其余測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的發(fā)展呈快速升高再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

這主要是因?yàn)椋瑢?duì)于1#和6#測(cè)點(diǎn)，在風(fēng)流作用下，巷道內(nèi)煙氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)速度快，且燃燒產(chǎn)生的熱量隨著煙氣在垂直上升的過程中被風(fēng)流迅速帶走，熱量在水平方向上傳遞較快，故距離模擬火源點(diǎn)最近的這2個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度整體上較低，但又因這2個(gè)測(cè)點(diǎn)距離火源較近，故在熱輻射的作用下，1#和6#測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)小幅度升高。對(duì)于其余測(cè)點(diǎn)，巷道中的煙流主要會(huì)通過熱對(duì)流的方式將熱量傳遞到各測(cè)點(diǎn)位置，因此由于各測(cè)點(diǎn)距離模擬火源的水平位置不同，開始升溫的時(shí)間也不同，即距離火源越近則升溫時(shí)間越早。因而，據(jù)模擬巷道中各測(cè)點(diǎn)開始升溫時(shí)間可得，巷道中煙氣蔓延速度約為0.31 m/s.

從圖8可以看出，L1和L2兩水平上的溫度變化規(guī)律相似，及隨著距火源水平距離的增大，溫度表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，并分別在第3#，8#測(cè)點(diǎn)達(dá)到溫度最大值。L2水平的溫度均比L1水平對(duì)應(yīng)的溫度略高，巷道內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的最高升溫幅度ΔT為3 ℃.主要是因?yàn)?，雖然高溫?zé)煔庠诼訑U(kuò)散的過程中，受風(fēng)流和浮力作用的共同影響，但在靠近火源點(diǎn)的這段巷道內(nèi)，煙氣受風(fēng)速影響較大，熱量主要隨風(fēng)流水平傳遞較大，故測(cè)點(diǎn)溫度隨測(cè)點(diǎn)距火源的距離的增大呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)距火源點(diǎn)距離逐漸達(dá)到一定程度的過程中（此實(shí)驗(yàn)條件下為3#和8#測(cè)點(diǎn)位置），高溫?zé)煔馐艿母×ψ饔茫瑫?huì)在垂直方向上逐漸蔓延到巷道拱頂，從而將提高測(cè)點(diǎn)水平的溫度。由于高溫?zé)煔庠诼訑U(kuò)散過程中，會(huì)不斷與模擬巷道進(jìn)行熱傳遞，不斷向外散熱，風(fēng)流熱量逐漸減小，而且距離的增大也減弱火源的熱輻射作用，因此越過3#和8#測(cè)點(diǎn)后，測(cè)點(diǎn)溫度隨距火源距離的增大呈降低的趨勢(shì)。此外，L2水平的溫度均比L1的略高，主要是因?yàn)楦邷責(zé)煔庠谙蛏下拥倪^程中，會(huì)與巷道壁進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致煙氣溫度有所降低。

2.2.2?上風(fēng)側(cè)溫度分布規(guī)律

在膠帶燃燒60 s內(nèi)，火源上風(fēng)側(cè)L1和L22個(gè)水平的溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖9，圖10所示。

從圖9，圖10可以看出，靠近火源的1#和6# 2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)有緩慢升溫趨勢(shì)，升幅較小約0.2 ℃左右;其余測(cè)點(diǎn)溫度變化不明顯。主要是因?yàn)樵陲L(fēng)流作用下，火源點(diǎn)上風(fēng)側(cè)的巷道溫度受火源點(diǎn)熱輻射的作用進(jìn)行熱量傳遞，距火源近的測(cè)點(diǎn)溫度升高明顯，距火源遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)溫度變化較小。

2.3?巷道內(nèi)氣體產(chǎn)物濃度場(chǎng)變化規(guī)律

膠帶燃燒過程中，會(huì)產(chǎn)生大量CO2氣體和CO氣體。試驗(yàn)得到的氣體濃度變化如圖11，圖12所示。

2.3.1?CO產(chǎn)生量隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖11可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，膠帶燃燒產(chǎn)生CO的量與時(shí)間呈近指數(shù)形式升高，并在45 s時(shí)達(dá)到極大值33 ppm，之后略有下降和波動(dòng)出現(xiàn)，但基本保持的30 ppm.

2.3.2?CO2產(chǎn)生量隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖12可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，膠帶燃燒產(chǎn)生的CO2濃度曲線無極大值，且呈近似線性增大，從試驗(yàn)開始0 s時(shí)的400 ppm（空氣中CO2濃度約為0.04%）增長(zhǎng)到60 s時(shí)的2 579 ppm，此時(shí)膠帶樣品充分燃燒。

3?結(jié)?論

1）測(cè)定了多種風(fēng)速條件下膠帶質(zhì)量損失速率和模擬巷道溫度，確定了最佳風(fēng)速為0.4 m/s.且該風(fēng)速條件下，膠帶燃燒的質(zhì)量損失速度最快，質(zhì)量損失速率最大、巷道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的平均環(huán)境溫度最高，對(duì)膠帶燃燒的促進(jìn)作用最為明顯;

2）膠帶火災(zāi)初期，巷道各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間整體呈升高趨勢(shì);燃燒穩(wěn)定時(shí)，隨著距火源點(diǎn)距離的增大，巷道溫度先升高后降低，即高溫點(diǎn)不在離火源最近的測(cè)點(diǎn);巷道內(nèi)所有溫度測(cè)點(diǎn)中，最高升溫幅度為3 ℃;

3）火災(zāi)發(fā)展過程中，巷道中CO和CO2濃度整體上呈不斷升高趨勢(shì)，但在火災(zāi)穩(wěn)定后CO濃度值逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，CO2呈繼續(xù)增大趨勢(shì)。

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