周亞博， 吳斌杰， 柏楊， 姚奇， 張永亮， 牟宏偉

（1. 錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000；2. 青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 山東 青島 266520）

0 引言

礦井火災(zāi)嚴(yán)重威脅著地下工人和工業(yè)財(cái)產(chǎn)的安全[1-3]，一旦井下發(fā)生火災(zāi)，巷道將形成高溫?zé)煔猸h(huán)境，其中含有有毒窒息氣體（如CO、CO2、NOx、HCL、Cl2、H2S、SO2、NH3等）和有害煙霧顆粒[4]，嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全[5]。由于無法科學(xué)合理地界定危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)?shù)V井發(fā)生火災(zāi)時，井下人員的疏散和緊急救援行動的實(shí)施非常困難[6-7]。煙氣的流動擴(kuò)散情況是劃分火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)的重要依據(jù)，探索火災(zāi)煙流規(guī)律是礦井火災(zāi)應(yīng)急救援的關(guān)鍵技術(shù)工作。

許多專家學(xué)者從多種角度對巷道火災(zāi)的煙氣流動進(jìn)行了研究。薛彥平[8]應(yīng)用Pyrosim 軟件，模擬了巷道不同分岔狀態(tài)（分叉形狀、分叉角等）對煙氣蔓延的影響。Zhao Shengzhong 等[9]對縱向通風(fēng)巷道的煙分岔流進(jìn)行了一系列小尺度實(shí)驗(yàn)研究，提出了預(yù)測煙霧分岔流特征長度的理論模型。Huang Youbo 等[10]在自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)條件下進(jìn)行了不同放熱速率的縮小尺度實(shí)驗(yàn)，表明分岔結(jié)構(gòu)對火焰羽流有顯著影響。索在斌[11]采用理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，得出火災(zāi)時期煙氣運(yùn)移規(guī)律及火災(zāi)時期相關(guān)參數(shù)變化。王建國等[12]通過改變火源規(guī)模與風(fēng)速對綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷火災(zāi)的能見度、CO 濃度、溫度變化進(jìn)行了研究。李祥春等[13]通過模擬軟件研究了入口風(fēng)速對巷道火災(zāi)速度場、溫度場、瓦斯?jié)舛鹊挠绊?。索在斌等[14]通過建立上行通風(fēng)巷道模型，研究了坡度對火災(zāi)時期溫度場和壓力場及煙氣蔓延的影響。沈云鴿等[15]研究了在“L”型巷道的火災(zāi)煙氣蔓延分布情況。陳亮等[16]將火源視為固定溫度2 000 K、固定氣體釋放量的高溫?zé)煔忉尫旁?，研究巷道?nèi)溫度和有毒氣體的分布情況。劉蓓蓓[17]應(yīng)用FDS 軟件構(gòu)建火災(zāi)熱分解模型，得出火災(zāi)規(guī)模由熱釋放速率最大值決定這一結(jié)論。上述文獻(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等多種方法對巷道內(nèi)災(zāi)變煙流擴(kuò)散過程進(jìn)行了深入研究，優(yōu)化和分析了不同巷道火災(zāi)中高溫氣體分布、有害氣體濃度、熱釋放過程等重要指標(biāo)的變化規(guī)律，但對典型巷道中火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域劃分和時間之間關(guān)系的研究較少。

礦井開采中“T”型巷道普遍存在，揭示該類型巷道火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域和最佳疏散時間的邏輯關(guān)系，準(zhǔn)確劃分火災(zāi)安全區(qū)域，對火災(zāi)情況下井下作業(yè)人員安全逃生具有重要指導(dǎo)作用。因此，本文應(yīng)用Pyrosim 軟件建立“T”型巷道模型，利用可燃物在熱輻射下熱解并燃燒的性質(zhì)建立火源，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和物理相似模擬準(zhǔn)則，建立“T”型巷道危險(xiǎn)區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過監(jiān)測巷道內(nèi)溫度和氣體濃度的變化，確定巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣分布規(guī)律，對“T”型巷道安全區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確劃分，從而更好地提高火災(zāi)逃生效率。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型與火源

模擬模型為內(nèi)蒙古某礦山-506 m 處的“T”型巷道，巷道壁面的熱物理性質(zhì)參數(shù)設(shè)置見表1。模擬假設(shè)如下：① 火災(zāi)發(fā)生前，巷道內(nèi)風(fēng)流溫度均勻。② 通風(fēng)風(fēng)流及火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣視為理想氣體。③ 煙氣在巷道內(nèi)流動過程中不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。④ 巷道壁無滲透，除通風(fēng)口外，巷道內(nèi)為封閉空間。

圖1 巷道模型Fig. 1 Roadway model

在可燃物上方0.1 m 處設(shè)置一個存在時間為1 s的1 000 ℃熱粒子，使可燃物在熱輻射作用下熱解并燃燒。設(shè)置100 L 柴油燃燒為火源，柴油熱物理參數(shù)見表2。

表2 柴油熱物理參數(shù)Table 2 Thermophysical parameters of diesel fuel

實(shí)驗(yàn)礦山-506 m 處“T”型巷道濕度為70%，溫度為25 ℃，在巷道Ⅰ、Ⅱ高1.6 m（人體口鼻高度）每隔4 m 設(shè)置溫度、CO 濃度、CO2濃度探測器，同時在巷道Ⅰ、Ⅱ中間設(shè)置縱向溫度、CO 濃度、CO2濃度切片，以觀察火災(zāi)煙氣隨時間分布情況。

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格的尺寸是由火焰特征尺寸D*/δ決定的，其中D*為礦井火災(zāi)特征直徑， δ為模擬時設(shè)置的網(wǎng)格尺寸，D*/δ在4～16 時模擬結(jié)果具有收斂性。

式中:Q為燃燒功率； ρ為空氣密度；CP為空氣的定壓比熱容；t0為初始溫度；g為重力加速度，9.8 m/s2。

由式（1）計(jì)算得D*=1.639 m。為保證D*/δ在4～16 內(nèi)，則火災(zāi)模擬過程中網(wǎng)格尺寸 δ應(yīng)為，即δ應(yīng)為0.102～0.410。

在實(shí)際模擬過程中，當(dāng)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.102 時，計(jì)算時間將非常巨大，而網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.410 時，得出的結(jié)果不穩(wěn)定。因此，采用0.20，0.25，0.33 m 3 種常見的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行比較，熱釋放速率曲線模擬結(jié)果如圖2 所示?？煽闯鼍W(wǎng)格尺寸分別為0.20，0.25，0.33 m 時熱釋放速率曲線比較接近。因此，將存在火源的巷道Ⅰ網(wǎng)格設(shè)置為0.25 m×0.25 m×0.25 m，由于巷道Ⅱ中無火源存在，不涉及燃燒等復(fù)雜的計(jì)算，網(wǎng)格的劃分對其煙氣流動計(jì)算影響較小，所以將其網(wǎng)格設(shè)置為0.5 m×0.5 m×0.5 m，共140 800 個網(wǎng)格。根據(jù)模擬結(jié)果可知，煙氣在80 s 前后擴(kuò)散至整個巷道，100 s 時煙氣流動趨于穩(wěn)定，因此將模擬時間設(shè)定為100 s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度分布

不同時間點(diǎn)垂直截面的溫度云圖如圖3 所示?？煽闯龌馂?zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈹U(kuò)散到巷道下風(fēng)側(cè)后，巷道內(nèi)的平均溫度隨時間推移逐漸升高，但隨距火源距離的增加而降低，巷道Ⅱ的煙氣溫度明顯低于巷道Ⅰ，高溫氣流在40 s 左右時蔓延至整個巷道Ⅰ，到80 s 附近蔓延至整個巷道，在100 s 時巷道Ⅰ出口處溫度達(dá)132 ℃，巷道Ⅱ出口處溫度達(dá)75 ℃。

圖3 不同時間點(diǎn)沿巷道垂直截面的溫度云圖Fig. 3 Temperature distribution along the vertical section of roadway at each time point

2.2 煙氣濃度分布

在火源燃燒過程中，產(chǎn)生的煙氣被風(fēng)夾帶，并沿巷道蔓延。應(yīng)用Tecplot 軟件進(jìn)行處理，得到20，40，60，80，100 s 時 CO 和CO2體積分?jǐn)?shù)在巷道縱軸面上的分布，如圖4、圖5 所示。

“昆北”去聲字“字”的唱調(diào)（《長生殿·酒樓》【集賢賓】“姓字老樵漁”，776）的唱調(diào)。因去聲字的調(diào)值和字腔的音勢是呈狀的低—高—低，故即為“字”的字腔。其中的末音，即為“字”的字腔結(jié)點(diǎn)，此后的即為過腔。

圖4 不同時間點(diǎn)CO 和CO2 體積分?jǐn)?shù)沿巷道Ⅰ垂直截面的等值線Fig. 4 Contour maps of CO and CO2 volume fration at different time points along the vertical section of roadwayⅠ

圖5 不同時間點(diǎn)CO 和CO2 體積分?jǐn)?shù)沿巷道Ⅱ垂直截面的等值線Fig. 5 Contour maps of CO and CO2 volume fraction at different time points along the vertical section of roadwayⅡ

由圖4 可看出，火源處CO 體積分?jǐn)?shù)最大值約為24 000×10-6。在煙流擴(kuò)散過程中，火源處附近的CO 體積分?jǐn)?shù)基本不變，煙氣在浮力作用下蔓延至巷道頂板處。隨著煙氣在巷道中持續(xù)擴(kuò)散，CO 體積分?jǐn)?shù)隨著與火源距離的增加而降低，巷道中的CO 體積分?jǐn)?shù)等值線沿水平方向分層。由CO 體積分?jǐn)?shù)等值線在垂直方向上的分布特征可看出，在浮力作用下，煙氣沿巷道頂部流動。CO 在巷道底板的體積分?jǐn)?shù)低于巷道頂部，即從上到下逐漸降低。大約40 s 時高溫?zé)煔庖崖诱麄€巷道Ⅰ下風(fēng)側(cè)。

由圖5 可看出，煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與CO 變化相似?；鹪刺嶤O2體積分?jǐn)?shù)最高，約為65 000×10-6?；鹪锤浇麮O2體積分?jǐn)?shù)在柴油燃燒過程中變化不大，呈現(xiàn)從下到上逐漸降低的態(tài)勢。CO2體積分?jǐn)?shù)在火源燃燒時的分布與CO 一樣，風(fēng)流通過巷道混合高溫?zé)熿F沿巷道頂部向下風(fēng)側(cè)蔓延，隨著與火源距離增加，CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，等值線縱向分布逐漸密集?？煽闯鲇捎贑O2產(chǎn)量比CO 高，所以巷道Ⅱ的CO2體積分?jǐn)?shù)等值線分布較CO 更接近地面，CO 分布更接近巷道頂板。在大約20 s 時，高溫?zé)煔忾_始蔓延至巷道Ⅱ，80 s 時火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧已蔓延至整個巷道。由于被風(fēng)流稀釋，巷道Ⅱ的CO 體積分?jǐn)?shù)明顯低于巷道Ⅰ。

3 安全區(qū)域劃分

3.1 火災(zāi)煙氣的危害

在以往眾多的各類火災(zāi)事故中，煙氣中的 CO、CO2是奪人性命的罪魁禍?zhǔn)譡18]。為了明確在巷道中火災(zāi)煙氣蔓延危險(xiǎn)區(qū)域分布，以煙氣中的CO、CO2和煙氣溫度為評價(jià)對象，對巷道進(jìn)行煙氣蔓延區(qū)域危險(xiǎn)性劃分。

根據(jù)不同溫度及不同體積分?jǐn)?shù)的CO、CO2對人體的影響（表3—表5），對井巷火災(zāi)高溫、毒害進(jìn)行危害等級劃分[19]，分別為安全區(qū)域（危險(xiǎn)等級1）、輕度危險(xiǎn)區(qū)域（危險(xiǎn)等級2）、中度危險(xiǎn)區(qū)域（危險(xiǎn)等級3）、重度危險(xiǎn)區(qū)域（危險(xiǎn)等級4），見表6。

表3 不同溫度對人體的影響Table 3 The effect of different temperatures on the human body

表4 CO 對人體的影響Table 4 Effects of CO on human body

表5 CO2 對人體的影響Table 5 Effects of CO2 on human body

表6 礦井火災(zāi)高溫危險(xiǎn)性分級Table 6 High temperature hazard classification of mine fire

3.2 安全區(qū)域劃分結(jié)果

3.2.1 溫度安全區(qū)域劃分

利用巷道Ⅰ、Ⅱ各時間步長的巷道煙氣溫度分布模擬結(jié)果，繪制30，45，65 ℃ 3 條溫度分級線，對2 條巷道溫度場的安全區(qū)域進(jìn)行劃分，結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度隨巷道水平長度變化Fig. 6 Temperature variation with horizontal length of the roadway

由圖6（a）可看出，安全區(qū)域主要出現(xiàn)在火源上風(fēng)側(cè)，隨著時間的推移在下風(fēng)側(cè)相同位置的溫度逐漸升高，最高溫度均出現(xiàn)在火源附近。在火災(zāi)的前20 s，巷道Ⅰ的火災(zāi)最高溫度已超過危險(xiǎn)等級4 的臨界值，100 s 時的最高溫度達(dá)809 ℃。隨著風(fēng)流的介入，溫度逐漸降低，在巷道Ⅰ末尾處回到危險(xiǎn)等級2、3。由圖6（b）可看出，巷道Ⅱ中各時間點(diǎn)的溫度均不在危險(xiǎn)等級4，總體趨勢與巷道Ⅰ類似，隨著巷道距離的增加，溫度逐漸降低至危險(xiǎn)等級1、2。

根據(jù)上文數(shù)據(jù)處理后的煙氣高溫危險(xiǎn)性劃分結(jié)果見表7?？煽闯鲭S著火源的持續(xù)燃燒，巷道Ⅰ的安全區(qū)域與輕度危險(xiǎn)區(qū)域的總范圍基本不變，由于火災(zāi)的煙氣逆流，上風(fēng)側(cè)的安全區(qū)域逐漸被壓縮,隨著溫度上升，中度危險(xiǎn)區(qū)域逐漸變?yōu)橹囟任ｋU(xiǎn)區(qū)域，巷道Ⅰ中測點(diǎn)主要集中在重度危險(xiǎn)區(qū)域。巷道Ⅱ隨著時間推移由中度危險(xiǎn)區(qū)域逐漸變?yōu)檩p度危險(xiǎn)區(qū)域與安全區(qū)域，巷道Ⅱ中測點(diǎn)主要集中在輕度危險(xiǎn)區(qū)域。

表7 煙氣高溫危險(xiǎn)性劃分結(jié)果Table 7 Flue gas high temperature hazard classification results

3.2.2 煙氣毒害安全區(qū)域劃分

火災(zāi)煙氣中的一些氣體會導(dǎo)致人體中毒窒息和死亡，這些氣體主要成分為CO、CO2。因此，當(dāng)煙氣在巷道蔓延時，有必要評估CO 和CO2體積分?jǐn)?shù)，以對有危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行分類[20]。在火災(zāi)過程中，巷道Ⅰ、Ⅱ中CO 和 CO2體積分?jǐn)?shù)變化如圖7 所示。可看出產(chǎn)生的 CO 和 CO2聚集在頂板，順著風(fēng)流向火源下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散，隨著時間的增加，火源附近的氣體體積分?jǐn)?shù)比較高，升幅較大，很快超過了重度危險(xiǎn)區(qū)域的閾值。當(dāng)持續(xù)的風(fēng)流快速經(jīng)過火源處，CO 和CO2被吹向火源下風(fēng)側(cè)，CO 和 CO2體積分?jǐn)?shù)迅速降低。

圖7 巷道中CO 和CO2 體積分?jǐn)?shù)變化Fig. 7 Variation of CO and CO2 volume fraction in the roadway

巷道Ⅰ、Ⅱ中煙氣毒性的危險(xiǎn)性劃分結(jié)果見表8、表9。可看出巷道Ⅰ中CO2的安全區(qū)域范圍較CO 大，CO 的危險(xiǎn)性更大，主要集中在輕度、中度危險(xiǎn)區(qū)域。巷道Ⅱ中CO 主要分布區(qū)域與巷道Ⅰ相似，體積分?jǐn)?shù)均在重度危險(xiǎn)區(qū)域閾值以下，而CO2均在安全區(qū)域范圍內(nèi)。由于CO 和CO2危險(xiǎn)性分類的部分區(qū)域是一致的，所以根據(jù)高毒性水平的結(jié)果，將巷道Ⅰ、Ⅱ中CO 和CO2毒性危險(xiǎn)性分類結(jié)果合并，并進(jìn)一步劃分，劃分結(jié)果見表10。

表8 巷道Ⅰ煙氣毒性危險(xiǎn)性劃分結(jié)果Table 8 Risk classification results of flue gas toxicity of roadway I

表9 巷道Ⅱ煙氣毒性的危險(xiǎn)性劃分結(jié)果Table 9 Risk classification results of flue gas toxicity of roadway Ⅱ

表10 煙氣毒性危險(xiǎn)性劃分結(jié)果Table 10 Results of flue gas toxicity risk classification

3.3 危險(xiǎn)區(qū)域綜合分析

對煙氣高溫、毒性劃分結(jié)果進(jìn)行處理，以觀察巷道火災(zāi)的危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨時間的變化，如圖8 所示。由圖8（a）、（b）可知在巷道Ⅰ中，危險(xiǎn)等級2、3 隨時間的變化不大，危險(xiǎn)等級1 的范圍隨時間變化逐漸變小，均在40 s 時變化率最大，危險(xiǎn)等級2 的范圍隨時間的推移逐漸變大，在40 s 時變化率最大。在40 s 后危險(xiǎn)等級1 的范圍均呈現(xiàn)線性減小趨勢，危險(xiǎn)等級2 的范圍均呈現(xiàn)線性增大趨勢。由圖8（c）、圖8（d）可知2 種劃分結(jié)果的區(qū)域變化相似，2 種劃分方法均未出現(xiàn)重度危險(xiǎn)區(qū)域，危險(xiǎn)等級1 的范圍隨時間推移逐漸減小，在60 s 前呈線性減小趨勢，60 s 后變化率逐漸降低為0。危險(xiǎn)等級2 的范圍隨時間推移線性增大，在60 s 時達(dá)到最大后逐漸減小，危險(xiǎn)等級3 范圍在60 s 時從0 開始線性增大。

圖8 危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨時間的變化Fig. 8 Changes in the range of the hazardous zones with time

對劃分結(jié)果進(jìn)行整合處理后，巷道Ⅰ、Ⅱ的總危險(xiǎn)范圍隨時間變化如圖9 所示。

圖9 危險(xiǎn)區(qū)域總范圍隨時間的變化規(guī)律Fig. 9 The law of changes in the total range of the hazard zones with time

由圖9 可看出，在巷道Ⅰ中危險(xiǎn)等級2、3 隨時間的變化很小，巷道Ⅰ中安全區(qū)域與重度危險(xiǎn)區(qū)域在40 s 時變化度最大，因此處在巷道Ⅰ的人員在發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)盡量在40 s 內(nèi)完成逃生；巷道Ⅱ中安全區(qū)域與重度危險(xiǎn)區(qū)域在60 s 時變化度最大，因此位于巷道Ⅱ的人員在發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)盡量在60 s 內(nèi)完成逃生。在巷道Ⅰ、Ⅱ中危險(xiǎn)等級1、4 范圍的變化具有明顯的規(guī)律性。通過擬合得出危險(xiǎn)區(qū)域的范圍和時間之間的關(guān)系：

式中：WⅠ為巷道Ⅰ的危險(xiǎn)區(qū)域范圍；WⅡ?yàn)橄锏愧虻奈ｋU(xiǎn)區(qū)域范圍；t為時間。

4 結(jié)論

1） 風(fēng)流通過巷道混合高溫?zé)熿F沿巷道頂部向下風(fēng)側(cè)蔓延，隨著與火源距離增加，濃度逐漸降低，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)等值線縱向分布逐漸密集。

2） 將煙氣擴(kuò)散區(qū)域劃分為安全區(qū)域（等級為1）到重度危險(xiǎn)區(qū)域（等級為4）4 類。溫度劃分結(jié)果中巷道Ⅰ中測點(diǎn)主要集中在重度危險(xiǎn)區(qū)域，CO、CO2毒性劃分結(jié)果中巷道Ⅰ的CO2安全區(qū)域范圍較CO 大，CO 危險(xiǎn)因素更大，主要集中在輕度、中度危險(xiǎn)區(qū)域，在巷道Ⅱ主要集中在輕度危險(xiǎn)區(qū)域。

3） 在巷道Ⅰ中危險(xiǎn)等級1 的范圍隨時間的推移逐漸變小，危險(xiǎn)等級4 的范圍隨時間的推移逐漸變大，且均在40 s 時變化率最大，危險(xiǎn)等級2、3 變化率很小。在巷道Ⅱ中2 種劃分方法的區(qū)域范圍變化相似，危險(xiǎn)等級2、3 均在60 s 時變化率最大，結(jié)合高溫和有毒氣體劃分結(jié)果，通過擬合確定了危險(xiǎn)區(qū)域總范圍與時間的關(guān)系。

4） 該劃分方法在前人的研究基礎(chǔ)上能夠得出各危險(xiǎn)等級范圍隨時間的變化關(guān)系，及各時間點(diǎn)區(qū)域危險(xiǎn)性的變化趨勢，為礦井火災(zāi)救援中危險(xiǎn)區(qū)域判斷提供了思路和方法。