礦井火災災變時期風流控制技術探析

喬居斌

（濱州學院機電工程學院 山東·濱州 256600）

在煤礦災害中，礦井火災是常發生的災害之一，一旦發生就容易造成巨大的人員生命財產損失。因為其具有突發性，發展趨勢比較迅猛，在救援過程中會遇到難以預估的困難，比如會受到風流等影響，從而導致災難現場極易發生混亂，甚至會改變整個礦井的通風情況。同時，在火災發生后，還有可能在礦井中產生有害甚至有毒的氣體，經過風流傳播，還可能會對整個生產區域造成空氣污染，不但會損害礦井工作人員的生命健康甚至還會對附近區域的居民造成生命健康威脅。

如果可以利用自動風門等工程器械，對礦井的風流在正常期間進行遠程控制，那么當礦井發生火災時，燃燒產生的煙霧等氣體會通過工程師預先設置好的專門的回風巷道按照預定的控風方案排出，并作出異常警報，從而及時讓工作人員發現火災的發生。這樣就能夠有效的防止火災產生的煙氣污染影響擴大化，將火災的影響范圍控制到一定的可控程度。這樣不僅可以給救援人員一定的救援時間，還可以對工作人員的救援逃生避災提供科學有效的指導，從而達到降低人員傷亡和財產受損的救援目的。

1 礦井火災災變時期風流控制概述

在礦井可能發生的災害中，火災無疑是危害最大的災害之一。因為火災的火勢在礦井中的發展十分迅速，變化十分復雜，一旦處理不及時，甚至會引發瓦斯爆炸，對礦井工作人員和生產區域的居民造成生命健康威脅和財產資源損失。因此，對于礦井中可能會發生的火災問題進行有效的預防，并找到及時有效的救援方案，保證煤礦的生產安全是十分有必要的。

礦井井下的工作環境十分獨特，空間比較狹小，視野十分受阻，地下環境未知，風流有限，通風巷道錯綜復雜。同時在井下甚至還存在著大量的易燃易爆物質，一旦通風巷道受到火勢影響，火勢就容易不受控制發生蔓延，甚至產生新的火源。通常火災事故的發生主要受以下幾方面影響：一是火災會產生大量有毒氣體，會造成工作人員中毒，同時這些氣體還會隨著空氣流入到其他場所，造成更大的污染；二是井下空間狹小，火災撲滅工作較難。井下的通風情況復雜，滅火措施難以實施，滅火救災時間較普通火災來說比較短；三是火災會產生高溫，為瓦斯等易燃易爆物質提供了條件。井下作業場所中混有很多易燃易爆物質，比如瓦斯、煤塵等，甚至還存在一些未知物質，一旦發生爆炸，就會擴大災情、造成更大的傷亡；四是火災甚至會引起井下的風流方向變化，從而產生井下風火壓，讓井下的通風系統失去控制，為救災工作造成難以預估的困難和危險。

基于以上原因，國內外對于礦井火災的研究已經有了很多。主要集中在以下幾方面：礦井火災災后風流狀態、火災檢測技術、礦井火災時期風流模擬技術、火災時期風流控制技術等。盡管國內外的研究已經取得了一些進展，但是井下火災問題的成因和影響十分復雜，以往的研究很難進行有針對性的推廣。井下火災主要是通過井下風流的變化表現出來的。于是我們可以通過對井下通風系統進行災變前的預處理和災變后的及時控制來對井下火災進行控制和救援。本文主要通過分析火災時期風流的流動規律，構建合理的物理模型進行分析，將礦井通風系統和自動控制技術結合起來，以此避免礦井火災的危害擴大，同時有效提升礦井工人的生命健康安全保障。

2 礦井火災中的模型及數據分析

礦井通風系統復雜多變，在井下生產工作中處于實時工作狀態，但是由于火災發生后各處災情的危險程度是不一樣的，而且發生火災的位置具有隨機性，所以不可能通過實驗對火災發生和發展情況作出準確了解和判斷。同時又由于模型只是對局部問題進行模擬，模型結構比較單一，因此模擬的結果不能反映出不同巷道的情況，模擬結果不具有完全的代表性。本文是根據火災燃燒的基本理論，結合井下的實際情況，科學地對風流狀態流場、熱傳導溫度和火災污染物組成進行模擬。

2.1 風流狀態模擬

井下巷道是一個復雜的網絡系統，擔負著井下的運輸工作，同時也為井下工作人員提供了新鮮空氣。一般在通風系統中常見的紊亂形式有以下幾種：旁支風流逆轉、主干道風流煙流逆退、煙流滾退。

在理想氣體的假設中，氣體分子之間存在著范德華力和分子碰撞的影響，分子相互運動時還會產生摩擦力，當流體間發生相對運動時，會產生粘性阻力來阻止這種相對運動。因此在模擬火災氣體流場時，可以不考慮空氣分子的內摩擦力和可壓縮性，將空氣假設為理想氣體。同時還要將火災時期的風流在宏觀層面上假設為三維恒定流體。

2.2 火災熱傳導溫度模擬

火災主要通過火焰蔓延、熱傳導、熱對流和熱輻射的形式傳播。這些形式可以單獨出現，也可以幾種形式共同存在。在礦井發生火災時，場所相對封閉，產生的溫度不易散去排出，會使巷道內溫度大幅度上升。

火災時溫度較高的煙氣會沿隧道縱向蔓延，同時會與周圍環境發生熱交換。我們可以預先將溫度場假設為縱向分布，隧道火災下游區域燃燒生成的熱量為零，煙流在距離火源某處的溫度與整個巷道的寬度一致；煙流具有不可壓縮性；流動是一種穩定的狀態，是理想氣體的運動方式。

火災風流的流動分為空間流動和時間流動。熱交換的過程是一種不穩定的過程，與時間和空間都有關系。同時風流和巷道熱交換還要考慮到圍巖的性質、風流速度、巷道形狀等。溫度場的縱向分布影響主要是與距離火源的距離有關。橫向規律是巷道頂部高，底部低。通過確立溫度的橫向及縱向分布規律，從而確定人救援逃生的依據。

2.3 火災污染物模擬

近年來，我國煤礦井下發生的特大火災事故主要是膠帶運輸巷道的火災。主要產生的火災污染物分為兩大類，一是氣體污染物，另一種是固體顆粒污染物。為了簡化模擬，可以將火災中的主要污染物認為是CO、CO2和HCL為主，而固體顆粒污染物主要是降低環境能見度的作用。

火災發生的不同階段，污染物的成分和組成也是不同的。根據實驗，可以將火災發生的三個階段的氣體成分分別進行分析模擬。同時，火災燃燒的不同階段污染物產生的速率也是不同的。根據以上模擬數值，再結合風流供應源源不斷的特點，我們可以得到膠帶運輸系統火災數值模擬的模型和方程。

3 火災時礦井風流控制分析

3.1 膠帶運輸系統模型

結合膠帶巷火災的特點，選取典型的火災情況來構建膠帶運輸模型。要充分考慮礦井巷道的特點，客觀反映典型火災。合理確定火源形式。建模時選擇有代表性且條件比較復雜的巷道作為分析模型，建立兩種模型，一種是未采用控風系統的模型。另一種是采用風流短路后的模型。為了方便計算，還要將系統進行充分簡化。

3.2 設定條件

火災發生的場景不同，火災的強度也是不一樣的。由于膠帶巷發生火災的主要部位是運輸部分，不會構成特大規模火災，所以根據正常通風時的條件設置初始值即可。

3.3 風流控制的原理及設備

根據膠帶巷中燃燒時的產物，可以利用CO和煙霧傳感器，然后設置臨界值作為系統的信號源，當達到臨界值時，警報器發出警報，同時啟動控制器從而達到預定的風流控制方案和遠程控制目的。

風流控制系統主要分為四個部分，分別是信號采集、智能終端、報警系統、遠程控制系統。在礦井災變時會發生氣體異常，預警系統會發出警報。利用單片機等設備構建智能終端程序，接受和處理報警信號。然后報警系統發出警報，讓巷道中的工作人員盡快撤離。而遠程控制系統的控制中心主要分為井上和井下兩部分。當監控到災變時，人為控制自動風門的開關，當災變結束后再人為恢復到災變之前的狀態。

4 礦井火災災變時的救援與疏散

4.1 人員救援疏散與逃生

在巷道發生火災時，人員逃生主要取決于兩個方面，火災對于人員產生傷害的時間和人員到達安全場所所需要的時間。在選擇逃生方案時，主要涉及到疏散途徑的結構、周圍環境、逃生經驗和個人素質等多種因素共同作用。在逃生過程中，由于報警設備在煙氣達到預警值時已經發出警報，這期間人員聽到警報后已經開始疏散，可以在逃生疏散通道設置逃生裝置。

國家規定，緊急避險系統是煤礦必備系統之一。發生火災時要采取風流短路的方式進行風流控制。此外在上山通道建立避難救生艙。因為溫度對人員的影響范圍有限，所以主要考慮CO的運移規律對逃生避難救生艙的位置進行分析。

4.2 建立膠帶巷道火災風流控制系統

通過對模型數值的模擬，和對巷道內氣體污染物的運動分析，可知控風方案具有一定的可行性。可以通過設置自動風門、CO和煙霧傳感器、聲光報警器和避難救生艙并結合人員疏散速度來建立膠帶巷的火災風流控制系統。

5 總結

礦井火災時煤礦五大災害之一，火災一旦發生會產生大量有毒有害物質，如果不加以控制，火災將會造成更大、更嚴重的后果。本文在現階段已有的研究基礎上，通過建模分析火災時膠帶巷的通風狀態，為建立風流控制系統提供了指導依據。本文主要是分析了膠帶巷發生常見的火災時的風流控制技術。但由于實際火災發生時的復雜性，還有很多問題需要更加深入地分析。