皮帶巷火災(zāi)數(shù)值模擬與人員疏散

上官昌培

（中煤能源新疆天山煤電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831200）

0 引 言

礦井火災(zāi)又叫井下火災(zāi)，是煤礦五種常見災(zāi)害之一，皮帶火災(zāi)作為礦井巷道火災(zāi)的一種，具有突發(fā)性強(qiáng)、涉及范圍廣、發(fā)展迅猛、滅火和救護(hù)困難大等特點(diǎn)[1]。如果能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)火情，預(yù)先準(zhǔn)確掌握井下巷道火勢發(fā)展趨勢、煙氣運(yùn)移規(guī)律和不同環(huán)境條件下火災(zāi)的燃燒強(qiáng)度、影響范圍，便可在火勢還可控的狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行火災(zāi)撲救，快速撤離井下工作人員，將會(huì)減少火災(zāi)對煤礦生產(chǎn)經(jīng)營造成的損失。本文主要采用理論分析、數(shù)值模擬及建模分析的研究方法，對皮帶巷風(fēng)流流動(dòng)、人員疏散進(jìn)行研究，通過理論分析及使用Fluent 軟件對巷道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)巷道火災(zāi)中煙氣的運(yùn)移規(guī)律和巷道風(fēng)速對火災(zāi)及煙氣運(yùn)移的影響，通過建模分析井下工作人員安全疏散時(shí)間，為緊急情況下人員疏散提供依據(jù)，提高人員疏散效率。

山東科技大學(xué)顏國強(qiáng)等[2]運(yùn)用災(zāi)變時(shí)期風(fēng)流的穩(wěn)定性和流動(dòng)規(guī)律，結(jié)合井下巷道風(fēng)流控制技術(shù)，深度研究了運(yùn)用風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律預(yù)防和控制煙流流向，為井下風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律與現(xiàn)代化生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合做出了重要貢獻(xiàn)。為探究不同風(fēng)速條件下火災(zāi)煙流擴(kuò)散過程和流動(dòng)規(guī)律，黃剛[3]采用數(shù)值模擬軟件Fluent 對不同風(fēng)速條件下災(zāi)變時(shí)期巷道內(nèi)煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行模擬。宋衛(wèi)國[4]等為了分析出口條件對疏散時(shí)間的影響，模擬了人員在火災(zāi)等突發(fā)狀況下的疏散過程，最終發(fā)現(xiàn)人員疏散時(shí)間受疏散場所出入口的參數(shù)影響明顯。由于模擬人員密度和精度都不高，且模擬的場景較為單一，孫立博[5]等結(jié)合了動(dòng)力學(xué)仿真模型和連續(xù)運(yùn)動(dòng)模型，構(gòu)成了全新的算法。

2 皮帶巷火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流的數(shù)值模擬

皮帶巷皮帶發(fā)火會(huì)產(chǎn)生大量高溫有毒煙氣，高溫有毒煙氣會(huì)短時(shí)間快速充斥工作面，對井下工作人員的生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。本文主要模擬皮帶著火時(shí)巷道內(nèi)溫度和CO 濃度的具體分布情況。采用Fluent 模擬皮帶發(fā)火，得出直觀的煙氣溫度和CO 濃度分布圖。觀察模擬結(jié)果，分析不同風(fēng)速對于皮帶巷煙氣運(yùn)移的影響。設(shè)置火源為體積火源，設(shè)置混合煙氣以0.5 m/s 的恒定速度從火源處冒出。設(shè)置皮帶巷新鮮風(fēng)流進(jìn)口風(fēng)流入口風(fēng)速分別為1、2 、 3 m/s，產(chǎn)生煙氣的溫度設(shè)為 293 K（等同于20℃）。

2.1 不同風(fēng)速下巷道溫度云圖

2.1.1 入口風(fēng)速1 m/s

風(fēng)速為1 m/s 時(shí)，巷道溫度分布如圖1 所示。

圖1 風(fēng)速為1m/s 時(shí)巷道溫度分布Fig.1 Roadway temperature distribution at wind speed of 1m/s

由圖1 可知，火災(zāi)發(fā)生2 s 時(shí)刻巷內(nèi)火源處的溫度最高，產(chǎn)生的高溫?zé)煔怆S著風(fēng)流混合流入巷道，火源后30 m 左右巷道區(qū)域受煙氣高溫影響比較明顯。火源后30 m 內(nèi)的空氣在火源周圍溫度最高，距離火源越遠(yuǎn)溫度越低，且溫度越低擴(kuò)散范圍越大。巷道里在火源之前區(qū)域內(nèi)，空氣的溫度幾乎沒有影響，高溫?zé)煔庥邢蝽敯暹\(yùn)移的趨勢，火源之后30 m 左右垂直方向布滿高溫?zé)煔?，但基本沒有煙氣回流現(xiàn)象發(fā)生。

火災(zāi)發(fā)生3 s 時(shí)刻，火源之后50 m 左右垂直方向布滿高溫?zé)煔?，巷道受高溫?zé)煔庥绊憛^(qū)域明顯擴(kuò)大。

火災(zāi)5 ～10 s，巷道內(nèi)空氣溫度分布基本穩(wěn)定，沒有太大差異。這是由于新鮮低溫風(fēng)流不斷流入，對高溫?zé)煔庥幸欢ǖ呐懦鲎饔?，火源點(diǎn)的高溫?zé)煔馍闪亢拖锏劳L(fēng)對煙氣的排出量達(dá)到平衡，所以巷道內(nèi)氣體的流動(dòng)趨于穩(wěn)定，巷道內(nèi)溫度的分布也就相應(yīng)的穩(wěn)定。

2.1.2 入口風(fēng)速2 m/s

風(fēng)速為2 m/s 時(shí)，巷道溫度分布如圖2 所示。

圖2 風(fēng)速為2 m/s 時(shí)巷道溫度分布Fig.2 Roadway temperature distribution at wind speed of 2 m/s

由圖2 可知，當(dāng)風(fēng)速增大到2 m/s 時(shí)，新鮮風(fēng)流不斷流入，與皮帶燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌希⑽諢崃?，隨風(fēng)流方向運(yùn)移。相較風(fēng)速1 m/s 時(shí)，高溫?zé)煔馕廴痉秶黠@減少，污染范圍為火源下游20 m 左右，說明巷道入口風(fēng)速提高至2 m/s 可有效控制巷道高溫?zé)煔馕廴痉秶?，為人員安全撤離提供保證，大大減少對井下機(jī)械設(shè)備的損壞。

相較風(fēng)速為1 m/s 時(shí)刻的溫度分布，高溫?zé)煔馕廴痉秶鷥H達(dá)到火源下游20 m 左右，10 s 之后巷道內(nèi)煙氣流動(dòng)趨于穩(wěn)定。

2.1.3 入口風(fēng)速3 m/s

風(fēng)速為3 m/s 時(shí)巷道溫度分布如圖3 所示。

圖3 風(fēng)速為3 m/s 時(shí)巷道溫度分布Fig.3 Roadway temperature distribution at 3 m/s wind speed

由圖3 可知，污染范圍與風(fēng)速為2 m/s 時(shí)災(zāi)區(qū)范圍相差不大，因此對于控制高溫?zé)煔鈹U(kuò)散方面，沒有必要進(jìn)一步提高風(fēng)速，風(fēng)速過高不但無益于控制災(zāi)區(qū)范圍，反而容易引起煤塵飛揚(yáng)，增加煤塵爆炸的可能性。

隨時(shí)間推移，高溫?zé)煔怆S風(fēng)流逐漸擴(kuò)散至火源下游40 m 左右后趨于穩(wěn)定，下游巷道污染嚴(yán)重，但高溫?zé)煔獠辉龠M(jìn)一步擴(kuò)散。

1602 工作面皮帶巷內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)通風(fēng)正常，巷道內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定。當(dāng)皮帶巷內(nèi)發(fā)火時(shí)，由于皮帶、煤等可燃物燃燒產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，煙氣向頂板運(yùn)移會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，使通風(fēng)阻力增大，高溫火源產(chǎn)生的火風(fēng)壓也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流紊亂。但入口新鮮風(fēng)流不斷進(jìn)入與高溫?zé)煔馊诤希⑽鼰釒ё吒邷責(zé)煔?，火焰產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠粩啾幌♂?，最終煙氣生成量與排煙量再次達(dá)到平衡，使得皮帶巷中的氣體運(yùn)移趨于穩(wěn)定。

2.2 不同風(fēng)速下巷道CO 濃度分布云圖

2.2.1 入口風(fēng)速1 m/s

當(dāng)風(fēng)速為1 m/s 時(shí)，如圖4 所示，CO 氣體從火源處產(chǎn)生，隨后與巷道新鮮風(fēng)流混合，隨風(fēng)流方向涌入巷道下游?；鹪瓷嫌畏e聚濃度較高，CO 隨風(fēng)流方向擴(kuò)散，在火源下游20 m 內(nèi)，CO 的排出效果較好，但隨巷道的延伸，阻力逐漸增大，風(fēng)流受阻，導(dǎo)致CO 氣體發(fā)生積聚現(xiàn)象。CO 氣體出現(xiàn)明顯的回流現(xiàn)象。

隨時(shí)間推移，煙氣回流情況明顯好轉(zhuǎn)，火源上游煙氣回流范圍大大減少，CO 煙氣濃度明顯降低，下游積聚的煙氣也進(jìn)一步排出。CO 濃度最高的位置位于火源周圍，且隨著新鮮風(fēng)流進(jìn)入，CO 高濃度區(qū)逐漸流向巷道下游。

通風(fēng)時(shí)間繼續(xù)增長后，CO 氣體主要存在于火源下游20 m 范圍內(nèi)，火源處濃度最高，隨風(fēng)流擴(kuò)散濃度明顯降低。

圖4 風(fēng)速為1 m/s 時(shí)巷道CO濃度分布Fig.4 CO concentration distribution in roadway at 1 m/s wind speed

2.2.2 入口風(fēng)速2m/s

當(dāng)風(fēng)速為2 m/s 時(shí)，如圖5 所示。CO 從火源處產(chǎn)生，隨后與巷道新鮮風(fēng)流混合，流向巷道下游，未發(fā)現(xiàn)回流現(xiàn)象，巷道通風(fēng)成功將污染范圍控制在火源下游。CO 高濃度區(qū)位于火源下游20 m 左右并隨新鮮風(fēng)流向下游運(yùn)移。CO 氣體剛產(chǎn)生時(shí)由于新鮮風(fēng)流的影響，運(yùn)移方向大致與風(fēng)流方向相同，到了火源下游10 m 左右，隨著風(fēng)流動(dòng)能的下降，CO 氣體出現(xiàn)上移趨勢。CO 高濃度區(qū)域中，氣體明顯向頂板運(yùn)移。

3 s 后CO 高濃度區(qū)進(jìn)一步向巷道下游運(yùn)移，且由于新鮮風(fēng)流的影響，高濃度區(qū)域CO 進(jìn)一步擴(kuò)散，影響范圍變大。

5 s 后CO 氣體濃度明顯降低，但影響范圍依然很大，僅可保證了火源上游人員的安全疏散。

10 s 后隨新鮮風(fēng)流不斷進(jìn)入與CO 融合，并與CO 氣體一起向下游運(yùn)移，火焰產(chǎn)生的高濃度CO不斷向巷道下游運(yùn)移并被稀釋，最終煙氣生成量與排煙量達(dá)到平衡，使得皮帶巷中的CO 分布情況趨于穩(wěn)定。

圖5 風(fēng)速為2 m/s 時(shí)巷道溫度分布Fig.5 Roadway temperature distribution at wind speed of 2 m/s

2.2.3 入口風(fēng)速3 m/s

當(dāng)風(fēng)流速度提高到3 m/s 時(shí)，如圖6 所示，2 s時(shí)刻沒有煙氣回流現(xiàn)象，可保證上游人員安全撤離，但風(fēng)速的進(jìn)一步提高，對于CO 氣體的排出沒有明顯影響。

3 s 后CO 煙氣濃度分布圖，在巷道中部產(chǎn)生CO 積聚，濃度較高但隨風(fēng)流擴(kuò)散逐漸濃度降低。

5 s、10 s 后CO 氣體分布情況與同時(shí)刻風(fēng)速為2 m/s 的分布情況基本一致，因此沒有必要進(jìn)一步提高風(fēng)速，2 m/s 的風(fēng)速可保證煙氣不回流，巷道內(nèi)煙氣流動(dòng)比較穩(wěn)定，排出煙氣的效果一般。

圖6 風(fēng)速為3 m/s 時(shí)巷道溫度分布Fig.6 Roadway temperature distribution at wind speed of 3 m/s

3 人員安全疏散

3.1 皮帶火災(zāi)人員安全疏散時(shí)間

皮帶火災(zāi)中往往會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害煙氣，一般包括CO、CO2、HCL 等。工作面皮帶巷一般較為狹窄，大量煙氣容易堵住人員安全疏散通道。因此應(yīng)保證皮帶發(fā)火產(chǎn)生的煙氣未對井下工作人員造成傷害之前，能夠使工作人員全部撤離工作面，這一過程叫做皮帶發(fā)火時(shí)，人員的安全疏散[6]。而疏散時(shí)間主要有2 種標(biāo)志時(shí)間，可用安全疏散時(shí)間TASET(Available Safety Egress Time)，是指從皮帶發(fā)火到火災(zāi)高溫或者火災(zāi)煙氣對井下工作人員造成傷害的時(shí)間；必需安全疏散時(shí)間TREST (Required Safety Egress Time)是指從皮帶發(fā)火，到井下工作人員安全撤離出礦井所需時(shí)間。必需安全疏散時(shí)間TASET 又由3 種時(shí)間組成。

（1） T 感應(yīng)：從皮帶發(fā)火，到探測器探測到標(biāo)志氣體濃度超標(biāo)所需的儀器感應(yīng)時(shí)間。

（2） T 反應(yīng)：從井下工作人員發(fā)覺危險(xiǎn)情況，到做出撤離的反應(yīng)所用的反應(yīng)時(shí)間。

（3） T 疏散：從人員開始疏散到疏散結(jié)束的時(shí)間間隔。從井下災(zāi)害影響范圍撤離至安全區(qū)域所需的時(shí)間。

當(dāng)TRSET0 時(shí)，井下人員疏散過程需要經(jīng)歷一段承受時(shí)間，工作人員的人身安全將會(huì)受到威脅，即判定為不能安全疏散。因此可總結(jié)出安全疏散的公式如下：

現(xiàn)在利用自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警器可以減少T反應(yīng)，而且大多數(shù)情況下，效果比較明顯。且多數(shù)的人員在聽到報(bào)警信號考慮如何撤離的問題所需時(shí)間一般很短，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，總有人會(huì)反應(yīng)很快，其他人由于逃離行為的從眾特性，跟著一起向外疏散，故在模型計(jì)算過程中一般不考慮T反應(yīng)。則上式可寫為：

3.2 感應(yīng)時(shí)間

3.2.1 CO 傳感器

根據(jù)礦井實(shí)際情況，KJ95N 型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用的是KGA5 型CO 傳感器。該傳感器的測定范圍為0 ～1 000 ppm，測量范圍為0 ～100 ppm時(shí)，基本誤差不超過4 ppm，遙控距離不大于5 m，角度不大于120°，報(bào)警方式為閃爍紅色燈光和蜂鳴器報(bào)警。傳感器響應(yīng)時(shí)間不大于30 s。

3.2.2 煙霧傳感器

根據(jù)煤井實(shí)際情況，KJ95N 型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用的是KGN1 型煙霧傳感器。該煙霧傳感器屬于礦用本安型，標(biāo)志為“ibI”，傳感器工作電壓為8 ～12 V，工作電流15 mA，一般安裝于皮帶機(jī)頭下風(fēng)游的上方。當(dāng)皮帶發(fā)火產(chǎn)生煙霧時(shí)，可引發(fā)傳感器工作，使KHP128-Z 主機(jī)動(dòng)作，切斷皮帶輸送機(jī)電源，有益于控制火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展。

檢測靈敏度：Ⅰ級傳感器在煙霧濃度為 0.1 mg/m3時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為15 s；Ⅱ級傳感器在煙霧濃度為0.1 mg/m3時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為30 s。

電源指示及報(bào)警：當(dāng)檢測到煙霧濃度超標(biāo)后，紅色LED 電源指示開始閃爍，頻率為1 Hz。

3.3 疏散時(shí)間

從人員收到報(bào)警信號意識(shí)到需要撤離之后，到人員從危險(xiǎn)區(qū)域撤離到安全區(qū)域所需的時(shí)間可用下式表示:

式中：L 為礦工從所在危險(xiǎn)區(qū)域到安全地點(diǎn)的最大行走距離；V為人員行走速度，m/s。

（1） 礦工所在地到安全地點(diǎn)的最大行走距離L。

本文假設(shè)火災(zāi)發(fā)生在1602 工作面11 采區(qū)工作面皮帶巷道，首采面的工作面走向推進(jìn)長度為1 637 m，工作面長度為220 m，新鮮風(fēng)流從采區(qū)集中運(yùn)輸上山進(jìn)入，經(jīng)過工作面后從回風(fēng)巷排出，根據(jù)礦井開拓開采布置，在11 采區(qū)集中輔助運(yùn)輸上山和集中帶式輸送機(jī)上山之間布置一處永久避難硐室，位置位于采區(qū)回風(fēng)巷出口附近，由于在設(shè)計(jì)風(fēng)速下，火源上游沒有高溫區(qū)域，且工人隨身佩戴的ZY-30 壓縮氧自救器可提供30 min 的氧氣，保證火災(zāi)上游人員安全從危險(xiǎn)區(qū)域安全撤離。假設(shè)人員行走速度為1.2 m/s，則30 min 可讓井下人員移動(dòng)2 160 m，考慮其他不可控因素，為保證人員安全撤離，保留一定冗余數(shù)值，取1 700 m。而工作面走向最長為1 637 m，則皮帶巷中工作人員可使用自救器安全撤離出危險(xiǎn)區(qū)域撤離出井，故僅計(jì)算位于工作面和回風(fēng)巷中人員的疏散問題。

（2） 人員行走速度。

根據(jù)1602 工作面的實(shí)際情況，正常生產(chǎn)中，人員絕大多數(shù)都分布在工作面，人員密度可以看做小于0.54，且礦工又都是成年男士，人員行走速度取1.2 m/s。必需安全疏散時(shí)間為：

TRSET=T感應(yīng)+T疏散=30+ （1 637+220） /1.2=1 577.5 s。

3.4 忍耐時(shí)間

（1） 高溫與忍耐時(shí)間。

人對于一定程度的高溫是有相應(yīng)的忍耐能力的，比如蒸飯的鍋蓋，快速觸碰時(shí)接觸時(shí)間極短，也不會(huì)感到燙。高溫?zé)煔鈱θ艘彩峭瑯拥牡览恚?dāng)煙氣溫度為65 ℃時(shí)，工人可以短時(shí)間忍受；當(dāng)煙氣溫度為120 ℃時(shí)，人體在15 min 內(nèi)就會(huì)導(dǎo)致不可恢復(fù)性的傷害；當(dāng)煙氣溫度為140 ℃時(shí)，人體僅能忍受5 min；當(dāng)煙氣溫度為170 ℃時(shí)，人體的忍耐時(shí)間僅為1 min；當(dāng)煙氣溫度高達(dá)幾百攝氏度，人體基本無法承受。

當(dāng)高溫?zé)煔馀c人體直接接觸時(shí)，造成的損害通常是燙傷或呼吸道燒傷等，當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃左右就可造成傷害。當(dāng)高溫?zé)煔獠慌c人體直接接觸時(shí)，并不代表人員是安全的。若高溫?zé)煔鈱拥臒彷椛鋸?qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值，能對人體造成損害，則也認(rèn)為人員不能安全疏散。有數(shù)據(jù)表明，煙氣溫度達(dá)到180 ℃左右時(shí)煙氣層的熱輻射強(qiáng)度就足以對人體造成損害。

（2） CO 體積分?jǐn)?shù)判據(jù)。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[7-8]，由于人的逃離行為有遠(yuǎn)離煙火和奔向開闊空間的特性，所以大部分火災(zāi)人員的傷亡并不是因?yàn)楦邷鼗鹪磳θ嗽斐芍苯拥膫Γ嗟氖怯卸居泻怏w使人昏迷或失去行動(dòng)能力，繼而造成人窒息中毒死亡。其中在煤礦火災(zāi)事故中，代表性氣體是CO。

CO 對人體的影響見表1，本文以CO 的擴(kuò)散前鋒為判定指標(biāo)[9]。

4 結(jié) 論

（1） 當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)速較小時(shí)，巷道內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的高溫有毒有害煙氣對火源下游巷道內(nèi)空氣污染嚴(yán)重。隨著巷道內(nèi)風(fēng)速增大，排出煙氣的速率有所增大，對火源下游巷道的污染會(huì)減輕，巷道氣流的溫度也隨之降低，排煙的效果更好。

（2） 分別從感應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、疏散時(shí)間和忍耐時(shí)間4 個(gè)方面分析研究人員安全疏散所需時(shí)間，判斷可用安全疏散時(shí)間，保障災(zāi)害期間人員安全。

表1 CO 對人體的影響Table 1 Effects of carbon monoxide on the human body