礦井膠帶蔓延火災(zāi)的細(xì)水霧抑制影響因素研究*

岳寧芳，蔡國(guó)斌，高文靜，權(quán)巖萍，王 帆

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 紅會(huì)一礦，甘肅 白銀 730614)

0 引言

隨著礦井向大型化、機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化發(fā)展，長(zhǎng)運(yùn)距離膠帶已成為煤礦井下運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備之一[1]。然而，膠帶長(zhǎng)期處于遺煤自燃、與滾筒等摩擦產(chǎn)熱、電火花等復(fù)雜的礦井環(huán)境中，膠帶被引燃的事故時(shí)有發(fā)生。膠帶火災(zāi)在輸送機(jī)上蔓延過(guò)程容易引發(fā)煤塵/瓦斯爆炸等破壞強(qiáng)度更大的二次災(zāi)害發(fā)生[2-3]。因此，運(yùn)輸巷膠帶蔓延火災(zāi)的災(zāi)變防控一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究焦點(diǎn)和重點(diǎn)。

礦井運(yùn)輸巷膠帶火災(zāi)產(chǎn)生大量的毒害煙氣，隨風(fēng)流擴(kuò)散，可能造成巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，故合理的阻煙系統(tǒng)，能夠有效抑制煙氣溫度、毒害煙氣流動(dòng)[4]。王歡等[5]借助FDS火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件揭示了擋煙垂壁對(duì)狹長(zhǎng)通道火災(zāi)煙氣流動(dòng)行為及溫度分布特征；文虎等[6]采用正壓送風(fēng)排煙方法研究了火災(zāi)煙氣在巷道中的運(yùn)移分布規(guī)律，推算出抑制煙氣逆流的預(yù)測(cè)函數(shù)表達(dá)式。然而，物理?yè)鯚熁蛘邚?qiáng)送風(fēng)方式只能抑制火災(zāi)煙氣蔓延，不能有效降低毒害煙氣體積分?jǐn)?shù)和溫度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Emilio等[7]發(fā)現(xiàn)水霧能有效抑制火災(zāi)煙氣蔓延，并揭示了水霧抑制與阻煙機(jī)理。相比水霧滅火系統(tǒng)，水霧阻煙系統(tǒng)的目的并不是直接撲滅巷道火災(zāi)，而是利用水霧形成擋煙板，將火災(zāi)區(qū)域與需要保護(hù)區(qū)域分隔開(kāi)[8]；Sun等[9]研究了水霧阻煙系統(tǒng)在阻煙與降低溫度方面的有效性，發(fā)現(xiàn)水霧能夠有效阻止自然通風(fēng)時(shí)的煙氣蔓延；Wang等[10]發(fā)現(xiàn)在縱向通風(fēng)條件下，隨水霧水壓的增大，水霧下游的溫度分布沒(méi)有明顯變化；Li等[11]建立了1/3比例的細(xì)水霧隔煙物理相似試驗(yàn)臺(tái)，提出了1種定性分析的水霧阻隔火災(zāi)煙氣和熱量有效方法，并總結(jié)了提高隧道水霧阻煙效率的重要參數(shù)；Sun等[12]利用小規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)，分析了水霧阻煙系統(tǒng)在未開(kāi)啟和開(kāi)啟時(shí)隧道火災(zāi)煙氣平均流場(chǎng)與溫度場(chǎng)，說(shuō)明了火災(zāi)下游的水霧阻煙系統(tǒng)存在影響火源附近的煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

然而，上述研究大多把可燃物設(shè)置為固定火源，忽視實(shí)際巷道中的移動(dòng)火源，特別是運(yùn)輸巷長(zhǎng)運(yùn)距離膠帶火災(zāi)，不僅自身能夠蔓延，而且可能在輸送機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)發(fā)生火災(zāi)事故。因此，本文再現(xiàn)運(yùn)輸巷膠帶蔓延火災(zāi)，并基于水霧冷卻降溫和稀釋阻擋火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的原理，借助FDS軟件探究運(yùn)輸巷膠帶蔓延火災(zāi)煙氣中的水霧阻煙抑制性能影響因素，為煤礦井下蔓延火災(zāi)煙氣控制提供指導(dǎo)。

1 火災(zāi)模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)值計(jì)算數(shù)學(xué)模型

FDS(火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的流體動(dòng)力學(xué)軟件，采用先進(jìn)的大渦模擬技術(shù)(LES)，計(jì)算量小且精度高。目前，大多數(shù)消防工程問(wèn)題均可采用FDS軟件解決[13]。FDS數(shù)值計(jì)算過(guò)程所用基本控制方程[14]如式(1)～(4)所示：

質(zhì)量方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

理想氣體方程：

P0(t)=ρRT

(4)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度，m/s；p為壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；f為單位質(zhì)量，kg；τ為黏性應(yīng)力，Pa·s；h為焓，J；qr為熱輻射通量，W；k為傳熱系數(shù)，W/m2·K；T為溫度，K；Di為擴(kuò)散通量，kg/m2·s；Yi為體積熱源，W/m3；P0為環(huán)境壓力，Pa；R為通用體積常數(shù)。

1.2 物理模型及參數(shù)設(shè)置

以某煤礦運(yùn)輸巷為原型，采用比例為1∶2建立長(zhǎng)30 m，高和寬均為3 m的FDS運(yùn)輸巷膠帶蔓延火災(zāi)模型(如圖1所示)，兩端口均為開(kāi)放，其中地板頂棚和墻壁的材料均為混凝土。膠帶材料為XLPE，其長(zhǎng)30 m，高和寬分別為0.2 m和1.0 m，放置在運(yùn)輸巷中間距地板1.0 m處。運(yùn)輸巷和膠帶材料參數(shù)見(jiàn)表1，其他相關(guān)模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模擬參數(shù)設(shè)置

圖1 FDS運(yùn)輸巷膠帶蔓延火災(zāi)模型

表1 運(yùn)輸巷與膠帶材料參數(shù)設(shè)置

1.3 網(wǎng)格敏感性分析

網(wǎng)格敏感性決定火羽流發(fā)展?fàn)顟B(tài)是否良好，為提高網(wǎng)格的敏感度，網(wǎng)格劃分過(guò)程遵循D*/δx規(guī)則，D*為火源特征尺寸，δx為火源所在網(wǎng)格的單元格尺寸，D*/δx取值推薦4～16之間[15]。D*由式(5)計(jì)算得出[14-15]：

(5)

式中:Q為火源強(qiáng)度，kW；ρ0為環(huán)境溫度下的氣體密度，kg/m3；Cp為空氣定壓比熱容，kJ·(kg·K)-1；Ta為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)式(5)，D*取值范圍為0.05～0.24 m。因此，建立網(wǎng)格單元尺寸0.05，0.10，0.15，0.20 m進(jìn)行模擬計(jì)算，以最小網(wǎng)格單元格尺寸的計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。由圖2可見(jiàn)，0.10 m的網(wǎng)格尺寸更加均勻，這與0.05 m的網(wǎng)格尺寸相似，且誤差均比0.15 m和0.20 m的網(wǎng)格尺寸小，結(jié)合工程要求和計(jì)算機(jī)性能，選擇網(wǎng)格單元格尺寸為0.10 m進(jìn)行本次火災(zāi)模擬計(jì)算。

圖2 網(wǎng)格敏感性分析

2 結(jié)果與討論

2.1 水霧稀釋阻煙機(jī)理

水霧主要利用水滴形成“擋煙板”，通過(guò)與火災(zāi)高溫?zé)煔忸w粒進(jìn)行熱量交換、對(duì)煙氣顆粒機(jī)械驅(qū)散、吸附、凝聚等作用以及與空氣卷吸混合稀釋等方式，擾亂火災(zāi)煙氣傳播過(guò)程，從而形成熱屏蔽效應(yīng)，將火區(qū)與需保護(hù)區(qū)隔開(kāi)，從而降低高溫?zé)煔獾臒岣×ψ饔煤退铰訑U(kuò)散的動(dòng)力，降低火災(zāi)對(duì)下游區(qū)域的熱輻射[3,10]，水霧稀釋阻煙機(jī)理示意如圖3所示。通過(guò)比較火災(zāi)煙氣通過(guò)水霧前后的煙氣特征參數(shù)來(lái)確定不同通風(fēng)速度、水霧層數(shù)、水霧密度及水霧流量等情況下的水霧阻煙效果。

圖3 水霧稀釋阻煙機(jī)理示意

2.2 通風(fēng)速度對(duì)水霧阻煙效果的影響

通風(fēng)時(shí)，膠帶火焰羽流向下風(fēng)側(cè)彎曲，彎曲角度隨著通風(fēng)速度的增大而增大。在浮力和火風(fēng)壓的作用下膠帶火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和燃燒產(chǎn)物先是運(yùn)動(dòng)到頂板，受到頂板限制后隨著風(fēng)流產(chǎn)生的水平動(dòng)量向下風(fēng)側(cè)方向運(yùn)動(dòng)，少部分向上風(fēng)側(cè)發(fā)展[6]。從圖3也可以看出，由于膠帶是沿著運(yùn)輸巷縱向放置，與通風(fēng)方向一致，在風(fēng)力的推動(dòng)作用下，膠帶火焰一直是可以移動(dòng)的。當(dāng)膠帶火焰與火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)到水霧位置時(shí)，火焰與煙氣和水霧相互碰撞，火焰的運(yùn)動(dòng)被水霧阻斷，但火災(zāi)煙氣平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被水霧破壞。圖4展示了通風(fēng)風(fēng)速為0.5，1.0，1.5 m/s和1個(gè)水霧噴頭流量為30 L/min時(shí)，溫度隨通風(fēng)速度的變化。當(dāng)火災(zāi)煙氣經(jīng)過(guò)水霧時(shí)，煙氣直接被阻擋冷卻稀釋，導(dǎo)致溫度驟然下降(如圖4的折線和溫度切片所示，其中折線上面的溫度切片截取高度為Z=2.7 m，折線下面的溫度切片均截取沿膠帶縱向方向中心位置為X=1.5 m)，形成較低溫區(qū)域，這與Wang等[17]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在通風(fēng)風(fēng)速為0.5，1.0，1.5 m/s時(shí)，火災(zāi)高溫?zé)煔馑F前后溫度下降率為36.717%，34.256%和31.098%，可見(jiàn)隨著通風(fēng)速率的增大，水霧對(duì)高溫?zé)煔饫鋮s的作用越低，水霧冷卻率與通風(fēng)速率的關(guān)系如圖5所示。這是因?yàn)轱L(fēng)速越大，高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)水霧時(shí)所用的時(shí)間減短，水霧對(duì)高溫?zé)煔忸w粒的吸附和凝聚作用降低，即水霧對(duì)高溫?zé)煔忸w粒的冷卻作用降低。

圖4 溫度隨通風(fēng)速度的變化

圖5 水霧冷卻率與通風(fēng)速率的關(guān)系

2.3 水霧層數(shù)對(duì)水霧阻煙效果的影響

為了研究水霧層數(shù)對(duì)水霧阻煙效果的影響，將火源強(qiáng)度設(shè)置為5 MW，通風(fēng)速度設(shè)置為1.0 m/s，設(shè)置水霧層數(shù)為1～3層，其中每層水霧設(shè)置3個(gè)水霧噴頭，水霧噴頭的流量為30 L/min，同層水霧噴頭的間距為0.8 m，每層水霧相隔2 m，第1，2和3層水霧分別離點(diǎn)火源距離為15，13和11 m。結(jié)合圖6的云圖和折線圖可知(如圖6的折線和溫度切片所示，溫度切片截取高度均為Z=2.7 m，折線下面的溫度切片截取沿膠帶縱向方向中心位置為X=1.5 m)，設(shè)置單層水霧時(shí)，通過(guò)2.2節(jié)分析可知，高溫?zé)煔忸w粒與水霧的接觸時(shí)間一定，故單層水霧對(duì)高溫?zé)煔忸w粒冷卻作用有限。隨著水霧層增加，在運(yùn)輸巷截面可以形成多層水霧擋煙板，增大了有效阻煙面積，高溫?zé)煔忸w粒逐層經(jīng)過(guò)水霧時(shí)，被水霧充分接觸，從而被吸附凝聚，致使高溫火災(zāi)煙氣可以得到冷卻，使得水霧下游形成相對(duì)安全的區(qū)域。同時(shí)，一旦水霧層的數(shù)量達(dá)到一定量時(shí)，水霧上游的煙氣聚集，形成高溫危險(xiǎn)區(qū)域，火災(zāi)持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致火災(zāi)高溫?zé)煔獯┩改芰﹄S溫度升高而升高，水霧的阻煙效果因此降低[4]。

圖6 不同水霧層數(shù)時(shí)溫度變化

2.4 噴頭密度對(duì)水霧阻煙效果的影響

為研究噴頭密度對(duì)水霧阻煙效果的影響，以1層水霧為例，分別設(shè)置1，3，6個(gè)水霧噴頭，在通風(fēng)速度為1.0 m/s和噴頭流量為30 L/min時(shí)，比較高溫?zé)煔忸w粒穿過(guò)水霧后的運(yùn)移速度。如圖7所示，截取高度為Z=2.9 m，折線下面的溫度切片截取沿膠帶縱向方向中心位置為X=1.5 m時(shí)煙氣運(yùn)移速度，膠帶火災(zāi)蔓延到水霧位置時(shí)，受到水霧影響，蔓延速度明顯減緩，煙氣穿過(guò)水霧后速度也明顯減緩。在膠帶正上方設(shè)置1個(gè)水霧噴頭時(shí)，水霧可以冷卻膠帶溫度，減緩火災(zāi)蔓延或者熄滅水霧正下方的膠帶火源。然而，單個(gè)水霧噴頭形成的水霧面積比較小，高溫?zé)煔忸w?？蓮膬蛇吚@流擴(kuò)散[16]，水霧所形成的面積不能完全阻擋火災(zāi)煙氣。當(dāng)水霧噴頭數(shù)量增加時(shí)，2個(gè)噴頭之間水霧有重疊，重疊后水霧孔隙率較小，高溫?zé)煔忸w粒繞流幾率變小，可將蔓延火災(zāi)和大部分高溫?zé)煔庾钄r在水霧前，為火災(zāi)下游和水霧下游的火災(zāi)救援爭(zhēng)取必要的時(shí)間。

圖7 隧道高度為Z=2.9 m時(shí)煙氣運(yùn)移速度分布

2.5 噴頭流量對(duì)水霧阻煙效果的影響

水霧噴頭流量對(duì)膠帶蔓延火災(zāi)煙氣的阻煙效果情況如圖8所示。由于運(yùn)輸巷中的膠帶火災(zāi)是可移動(dòng)的，產(chǎn)生的高溫?zé)煔怆S風(fēng)流方向移動(dòng)，根據(jù)2.1節(jié)的水霧稀釋阻煙機(jī)理分析，煙氣經(jīng)過(guò)水霧時(shí)，一部分穿過(guò)水霧被冷卻，而另一部分被水霧液沫夾帶和與空氣混合，產(chǎn)生卷吸作用[17]。由圖8可看出，受水霧影響，煙氣被阻擋在水霧前形成聚集區(qū)，水霧流量越大，聚集區(qū)的面積越大，煙氣體積分?jǐn)?shù)越大。而經(jīng)過(guò)水霧后，煙氣體積分?jǐn)?shù)急劇下降，大部分水溶性煙氣顆粒被水霧吸附和凝聚。但難溶水性和不溶水性的煙氣顆粒穿過(guò)水霧繼續(xù)隨風(fēng)流方向蔓延，從圖8中也可以看出，難溶水性和不溶水性的煙氣顆粒的體積分?jǐn)?shù)維持在0.04%左右，這是由于膠帶蔓延火災(zāi)離水霧比較近，在水霧附近膠帶的不充分燃燒，且水霧附近的煙氣顆粒與水霧接觸時(shí)初動(dòng)能較大[4]，不易被水霧驅(qū)散和卷吸，導(dǎo)致穿過(guò)水霧后仍存在煙氣顆粒。

圖8 運(yùn)輸巷不同位置煙氣體積分?jǐn)?shù)變化

3 結(jié)論

1)細(xì)水霧對(duì)運(yùn)輸巷的膠帶蔓延火災(zāi)具有冷卻和熄滅作用，減緩或者抑制蔓延火災(zāi)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)水霧下游的火災(zāi)應(yīng)急救援起到積極作用。

2)膠帶火災(zāi)發(fā)生后細(xì)水霧對(duì)高溫火災(zāi)煙氣顆粒擴(kuò)散具有阻擋、冷卻、吸附和凝聚作用，且阻煙效果與通風(fēng)速度、水霧層數(shù)、水霧噴頭密度和水霧噴頭流量有關(guān)。通風(fēng)速度較小時(shí)，選擇向下噴射設(shè)置多層高密度和大流量的水霧阻煙效果較好。

3)水霧可有效阻擋、冷卻、吸附水溶性煙氣顆粒，膠帶火災(zāi)煙氣成分復(fù)雜，產(chǎn)生的不溶或難溶水霧的煙氣顆?？纱┻^(guò)水霧后將繼續(xù)蔓延到水霧下游，嚴(yán)重影響下游應(yīng)急救援，是否在水霧中添加特定的促溶劑提高難溶性煙氣顆粒的稀釋效率還需進(jìn)一步研究。