礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉業(yè)嬌，崔一諾，任玉輝，邢 輝，陳 穎，李茂林

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.包頭稀土高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 3.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室,河南 焦作 454000)

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性能源，2019年我國一次能源生產(chǎn)總量達(dá)39.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費占能源消費總量比重為57.7%，煤炭資源在能源消費結(jié)構(gòu)中仍然占據(jù)較大比重[1]。因此，煤礦的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。而礦井火災(zāi)事故是煤礦常見的事故類型之一，其產(chǎn)生的高溫?zé)熈骱陀卸居泻怏w會嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全，還會誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生紊亂，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大，增加救災(zāi)難度。

礦井火災(zāi)分為外因火災(zāi)和內(nèi)因火災(zāi)。巷道火災(zāi)是一種在縱向尺寸比橫向尺寸大一個數(shù)量級以上的狹長空間發(fā)生的火災(zāi)。礦井外因火災(zāi)大多屬于巷道火災(zāi)，其可燃物主要是煤、坑木、膠帶、風(fēng)筒等固態(tài)燃燒物料。礦井巷道又分為水平巷道和傾斜巷道，目前關(guān)于礦井水平巷道火災(zāi)時期火源熱釋放速率、火區(qū)阻力、煙流滾退距離、臨界風(fēng)速，以及煙氣分布規(guī)律的研究較多，但關(guān)于礦井傾斜巷道火災(zāi)時期不同巷道坡度、不同風(fēng)速、不同火源位置等條件下煙流溫度、壓力、速度、密度、有毒有害氣體濃度，以及逆流層和臨界速度等問題的研究相對較少[2-3]。通過總結(jié)分析礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律的理論、實驗和數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，找出其不足之處和發(fā)展趨勢，對于完善整個礦井巷道火災(zāi)理論及進(jìn)行火災(zāi)救援具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

1 礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律理論研究現(xiàn)狀

對礦井巷道火災(zāi)時期火風(fēng)壓與浮力效應(yīng)、火區(qū)阻力與節(jié)流效應(yīng)、火源熱釋放速率、風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、逆流層長度、臨界風(fēng)速、火災(zāi)氣體濃度等內(nèi)容的理論分析和相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立是探索礦井巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50—90年代，波蘭、美國、德國、日本等國家的學(xué)者針對上述問題都進(jìn)行了深入研究，奠定了現(xiàn)代礦井通風(fēng)火災(zāi)理論的基礎(chǔ)[5-8]。21世紀(jì)初，Hitoshi、Florencio等又針對不同截面巷道、不同溫度、不同燃燒物條件下的礦井傾斜巷道火災(zāi)煙氣流動規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了煙層最大溫升的計算公式及其位置等結(jié)論[9-10]。

在國內(nèi)，學(xué)者們對礦井火災(zāi)煙流蔓延規(guī)律也進(jìn)行了大量理論研究。王德明等首次提出了礦井火區(qū)熱阻力的概念[11]；李傳統(tǒng)等研究得到了不同類型礦井巷道內(nèi)火災(zāi)燃燒區(qū)熱阻力系數(shù)的表達(dá)式[12]；張國樞、王文才等推導(dǎo)出火風(fēng)壓的計算公式[13-14]；李祥春等研究得到了火災(zāi)時期巷道風(fēng)速與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系[15]。同時，部分學(xué)者對礦井火災(zāi)時期煙氣逆流現(xiàn)象也進(jìn)行了大量研究，如張興凱對逆流層形成的條件給出了理論判據(jù)公式[16]；周心權(quán)等提出煙流滾退煙羽流數(shù)學(xué)物理模型，給出了計算逆流層長度方程式[17]；劉劍等研究得到了傾斜巷道坡度、火源強(qiáng)度、巷道風(fēng)速與逆流層長度的關(guān)系[18]。

目前關(guān)于礦井傾斜巷道火災(zāi)煙氣運(yùn)移規(guī)律的理論研究已取得較多成果，但已建立的有關(guān)火風(fēng)壓、火區(qū)阻力、煙流滾退距離、臨界風(fēng)速等數(shù)學(xué)模型較少綜合考慮巷道坡度、風(fēng)速、火源位置和強(qiáng)度等因素的影響，還需要深入研究和拓展。

2 礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律實驗研究現(xiàn)狀

2.1 火風(fēng)壓

火風(fēng)壓是礦井傾斜或垂直巷道發(fā)生火災(zāi)時，可燃物燃燒釋放的大量熱能轉(zhuǎn)換成對高溫?zé)熈骱涂諝庾龉Φ臋C(jī)械能,是對巷道風(fēng)流產(chǎn)生的附加風(fēng)壓。從波蘭學(xué)者維-布德雷克[5]創(chuàng)立局部火風(fēng)壓理論開始，礦井火風(fēng)壓相關(guān)理論一直被全世界各國學(xué)者不斷研究和完善。20世紀(jì)80—90年代，德國、日本的學(xué)者通過火災(zāi)燃燒試驗研究巷道火災(zāi)的風(fēng)向、風(fēng)量、風(fēng)壓和節(jié)流效應(yīng)[7-8]。國內(nèi)學(xué)者董海燕、路寶生通過建立較大規(guī)模的火災(zāi)實驗?zāi)Ｐ?，研究了火風(fēng)壓的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及其礦井通風(fēng)系統(tǒng)的災(zāi)變規(guī)律[19-20]；潘競濤利用傳感器、自動風(fēng)門風(fēng)窗等設(shè)施實現(xiàn)了對礦井火災(zāi)時期火風(fēng)壓和風(fēng)流的控制[21]。

火風(fēng)壓能造成礦井巷道風(fēng)流的紊亂，以致發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)或煙流滾退現(xiàn)象，因此，摸清火風(fēng)壓的產(chǎn)生原因和活動規(guī)律，對于研究礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流的運(yùn)移規(guī)律至關(guān)重要，可以從一定程度上避免災(zāi)情擴(kuò)大，有助于高效完成礦井火災(zāi)搶險任務(wù)。

2.2 火區(qū)阻力

火區(qū)阻力是在火災(zāi)發(fā)生過程中因火災(zāi)的熱力作用引起發(fā)火巷道增加的附加通風(fēng)阻力，其由火區(qū)熱阻力和火焰障礙局部阻力組成。王德明等通過礦井火災(zāi)時期節(jié)流效應(yīng)實驗首次提出火區(qū)熱阻力的概念[11]；李傳統(tǒng)[12]、李宗翔[22]等通過礦井火災(zāi)燃燒區(qū)熱阻力實驗修正了礦井火災(zāi)巷道通風(fēng)熱阻力的計算方法。

還有學(xué)者重點研究了礦井火災(zāi)時期影響火區(qū)阻力大小的各種因素，張興凱通過火災(zāi)燃燒實驗發(fā)現(xiàn)火區(qū)熱風(fēng)阻會隨著入口風(fēng)速及煙流溫度的升高而增大[16]；周延針對縱向通風(fēng)水平隧道的火區(qū)阻力進(jìn)行了特性實驗研究，結(jié)果表明火區(qū)阻力(摩擦阻力和加速阻力)與火區(qū)長度有直接關(guān)系[23]；王文才等利用等比例巷道模型進(jìn)行了火區(qū)阻力的測定，結(jié)果表明巷道火災(zāi)時期火區(qū)阻力與火源熱釋放特性有關(guān),即火區(qū)規(guī)模、火源燃燒溫度和釋放的熱量越大,火區(qū)阻力也越大[24]；田志超等通過實驗研究了火區(qū)阻力與火區(qū)風(fēng)量的關(guān)系，得出火災(zāi)時期火區(qū)阻力與火區(qū)風(fēng)量具有相反的變化趨勢的結(jié)論[25]。

火區(qū)阻力與節(jié)流效應(yīng)之間的關(guān)系也十分密切，其是造成礦井火災(zāi)巷道產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)和導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流紊亂的主要原因。研究火區(qū)阻力是研究礦井巷道火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的基礎(chǔ)內(nèi)容，對保障礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也具有重要意義。

2.3 逆流層

礦井巷道火災(zāi)中產(chǎn)生的熱效應(yīng)可以改變火災(zāi)巷道的風(fēng)向和風(fēng)量，形成一定的逆流層，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生紊亂，給火災(zāi)巷道火源上風(fēng)側(cè)的滅火工作和人員救援工作帶來很大困難，因此，需要對火區(qū)逆流現(xiàn)象進(jìn)行深入研究和控制。

國外學(xué)者Thoma、Atkinson等通過試驗表明在礦井巷道火災(zāi)逆流現(xiàn)象中，浮力效應(yīng)起主導(dǎo)作用，同時引入臨界Froude數(shù)推導(dǎo)出臨界風(fēng)速計算公式[26-27]；Edwards等進(jìn)行了煤礦火災(zāi)煙流滾退臨界風(fēng)速模型實驗研究，證明了臨界風(fēng)速與火源強(qiáng)度之間存在1/3次方的正比關(guān)系[28]；日本學(xué)者通過大規(guī)模的坑木帶燃燒實驗，考察了煙流的逆流(滾退)現(xiàn)象，得到巷道火災(zāi)發(fā)生逆流的臨界風(fēng)速為1.5 m/s[8]。在國內(nèi)，煤科總院重慶分院自1988年開始，先后對實際規(guī)模巷道火災(zāi)進(jìn)行了大量火災(zāi)實驗，研究表明火區(qū)節(jié)流和逆流的界限風(fēng)速為1 m/s[29]；劉劍等建立了長80 m、寬4 m、高3.5 m拱形下行通風(fēng)傾斜巷道模型，研究得到了多組火災(zāi)工況下煙氣逆流層的變化規(guī)律[18]；徐明偉等建立了全礦井3D模型，根據(jù)巷道原始風(fēng)速推算了風(fēng)流發(fā)生紊亂的時間[30]。

前人對巷道火災(zāi)時期逆流層和臨界風(fēng)速做了較多研究，但大多數(shù)未綜合考慮不同巷道傾角和火源強(qiáng)度等因素的影響，因此，關(guān)于礦井傾斜巷道火災(zāi)時期逆流層和臨界風(fēng)速的研究還需進(jìn)一步完善和深入。

2.4 巷道火災(zāi)煙流參數(shù)變化規(guī)律

礦井火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的有毒有害氣體和煙塵嚴(yán)重影響井下作業(yè)環(huán)境的能見度，同時易給作業(yè)人員帶來中毒、窒息危險，不利于應(yīng)急救援和安全疏散，故深入研究礦井巷道火災(zāi)時期的煙流參數(shù)變化規(guī)律十分重要。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者針對礦井巷道火災(zāi)時期的煙氣運(yùn)移分布規(guī)律、風(fēng)流狀態(tài)、煙流參數(shù)等做了大量不同規(guī)模的火災(zāi)實驗研究，包括礦井巷道現(xiàn)場火災(zāi)實驗和礦井火災(zāi)實驗室模型實驗兩大類。

20世紀(jì)80年代，美國學(xué)者在礦井巷道中進(jìn)行了大規(guī)模的火災(zāi)實驗，研究了巷道不同風(fēng)流速度對火災(zāi)煙氣組分、溫度，以及膠帶燃燒特性的影響[6]；國內(nèi)學(xué)者張興凱[16]、蔣軍成[31]、李杰林[32]等也進(jìn)行了現(xiàn)場火災(zāi)實驗，研究了發(fā)火巷道風(fēng)流速度、風(fēng)流阻力與煙氣溫度的關(guān)系，以及井下常見可燃材料的燃燒過程及其特性。

近年來，學(xué)者們大多在實驗室采用縮小尺寸模型對礦井巷道火災(zāi)時期的煙流參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究。劉業(yè)嬌以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市丁家梁煤礦采區(qū)進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)為實驗系統(tǒng)原型，按照相似比1∶20建立了巷道火災(zāi)物理實驗?zāi)Ｐ?，研究得到了火區(qū)下風(fēng)側(cè)巷道煙流的溫度、速度、壓力和密度的變化規(guī)律[33]；李士戎建立了相似比1∶20隧道火災(zāi)實驗系統(tǒng)，研究移動火源和不同通風(fēng)速率條件下隧道空間煙流及溫度場的分布情況[34]；劉圣按照相似比 1∶20建立了無通風(fēng)動力傾斜巷道實驗?zāi)Ｐ?，研究了巷道傾角對火災(zāi)時期煙流溫度和壓力的影響規(guī)律[35]，但其未考慮不同風(fēng)速和不同火源位置對火災(zāi)時期煙流運(yùn)移規(guī)律的影響。

為充分掌握礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流參數(shù)的變化規(guī)律，最適宜在實際井下傾斜巷道中進(jìn)行有關(guān)火災(zāi)實驗，但這需要耗費巨大的人力、財力和物力，實驗安全性也很難得到有效保證，所以實施起來難度很大；而在實驗室建立縮小尺寸火災(zāi)實驗?zāi)Ｐ褪且环N相對便捷、安全、省力的研究手段，但因其不能完全體現(xiàn)礦井實際傾斜巷道的工況特點，其應(yīng)用也有很大的局限性。

3 礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件(如 CFAST、FDS、FLUENT、PYROSIM、PHOENICS、IRC、BRI等軟件)的普及，近年來學(xué)者們在針對礦井火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的研究中愈加重視應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件及程序進(jìn)行礦井火災(zāi)煙氣運(yùn)移規(guī)律、傳熱方式、逆流和臨界風(fēng)速、煙氣成分、熱釋放速率、煙流壓力、溫度、密度等的研究。

國外學(xué)者David提出了針對火災(zāi)物理模型的區(qū)域模擬、網(wǎng)絡(luò)模擬和場模擬3種計算機(jī)網(wǎng)格劃分方法[36]；Wooddburn、Lea、Kuhner等采用CFD軟件建立了礦井巷道火災(zāi)的二維模型或多維模型，并利用雷諾時均NS方程，模擬研究了煙氣紊流場分布情況[37-39]。國內(nèi)學(xué)者賈進(jìn)章利用深度優(yōu)先搜索法研究了礦井火災(zāi)煙流溫度的分布規(guī)律[40]；鄧權(quán)龍進(jìn)行了分區(qū)域火災(zāi)模擬，劃分出礦井火災(zāi)的安全區(qū)域[41]；程衛(wèi)民等對礦井火災(zāi)時期的壓力、溫度分布及污染物的蔓延區(qū)域等進(jìn)行了模擬研究[42]。也有學(xué)者針對影響礦井巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律的不同因素進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬研究，張曉濤、魯亞麗、賈靜等分別模擬研究了巷道坡度、火源強(qiáng)度、風(fēng)速等對火災(zāi)時期煙流分布情況的影響[43-45]；周福寶、ZHOU Gang等采用數(shù)值模擬方法對礦井火災(zāi)時期煙流滾退距離或煙流逆流層長度進(jìn)行了研究[46-47];ZHOU Gang、索在斌、王建國等通過數(shù)值模擬得到了礦井火災(zāi)煙氣流動分布及蔓延的整體規(guī)律[47-49]。

目前針對礦井水平巷道火災(zāi)過程的數(shù)值模擬成果較多，但針對礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律及影響因素的數(shù)值模擬相對較少?？傮w而言，由于數(shù)值模擬技術(shù)相對于傳統(tǒng)的物理實驗方法具有易操作、投資少、風(fēng)險小、可建復(fù)雜模型、模擬結(jié)果直觀和精確度高等特點，其已成為礦井火災(zāi)和通風(fēng)系統(tǒng)研究的主要技術(shù)手段。

4 礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律研究的局限性

國內(nèi)外針對火災(zāi)時期礦井巷道煙流運(yùn)移規(guī)律的研究已取得階段性成果，但也存在以下幾方面的問題：

1)關(guān)于風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、煙流滾退距離、臨界風(fēng)速等問題的研究大多針對礦井水平巷道，而針對傾斜巷道的研究較少，且未考慮礦車、帶式輸送機(jī)等可能出現(xiàn)的阻塞現(xiàn)象。

2)對于綜合考慮不同巷道坡度、不同火源位置和火源強(qiáng)度、不同入口風(fēng)速等條件下礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律及臨界風(fēng)速的研究較少。

3)目前建立的礦井傾斜巷道火災(zāi)實驗?zāi)Ｐ痛蠖喑叽巛^小，根據(jù)礦井巷道實際情況按比例建立的大尺寸實驗?zāi)Ｐ洼^少。

4)在礦井巷道火災(zāi)方面的實驗和數(shù)值模擬研究中大多將火源處理成熱釋放速率恒定、種類單一的點火源，而實際巷道中可燃物種類繁多，其分布連續(xù)性較強(qiáng)，處理成點火源無法真實還原火災(zāi)煙流的蔓延過程；同時，井下實際發(fā)火地點隨機(jī)性較強(qiáng)，而在實驗或數(shù)值模擬研究中往往需要固定火源位置，這點也具有較大的局限性。

5)現(xiàn)階段關(guān)于礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究多為一維或二維模擬，三維模擬較少，但礦井火災(zāi)巷道實際上是三維的，且各巷道之間也有相互作用，故現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究也無法完全體現(xiàn)實際火災(zāi)巷道煙氣的運(yùn)移規(guī)律。

5 礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律研究的發(fā)展趨勢

關(guān)于礦井傾斜巷道火災(zāi)煙流運(yùn)移規(guī)律的進(jìn)一步研究，應(yīng)更加注重理論研究、實驗研究和數(shù)值模擬技術(shù)的緊密結(jié)合，應(yīng)從以下幾方面加強(qiáng)研究：

1)關(guān)于礦井傾斜巷道火災(zāi)時期產(chǎn)生的火風(fēng)壓、火區(qū)阻力、煙流滾退距離、臨界風(fēng)速等參數(shù)及其相互之間的影響關(guān)系的研究需更加深入。

2)應(yīng)進(jìn)一步建立更貼近現(xiàn)場實際條件的大尺寸、全方位、立體化的礦井傾斜巷道火災(zāi)實驗?zāi)Ｐ?，在實驗過程中要同時考慮不同因素(如巷道坡度、可燃物種類、火源位置和強(qiáng)度、風(fēng)速大小等)對煙流運(yùn)移規(guī)律的影響。

3)在物理建模和數(shù)值模擬時，邊界條件、初始條件，以及材料屬性的設(shè)置應(yīng)緊密結(jié)合現(xiàn)場工況條件，同時考慮巷道間的相互影響，從而使模擬結(jié)果能更真實地反映傾斜巷道火災(zāi)煙流的蔓延規(guī)律。