深井“T”型巷道火災的安全區域劃分

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礦業有限公司, 內蒙古 錫林郭勒 026000；2. 青島理工大學 機械與汽車工程學院, 山東 青島 266520）

0 引言

礦井火災嚴重威脅著地下工人和工業財產的安全[1-3]，一旦井下發生火災，巷道將形成高溫煙氣環境，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]，嚴重威脅井下人員的生命安全[5]。由于無法科學合理地界定危險區域，當礦井發生火災時，井下人員的疏散和緊急救援行動的實施非常困難[6-7]。煙氣的流動擴散情況是劃分火災危險區的重要依據，探索火災煙流規律是礦井火災應急救援的關鍵技術工作。

許多專家學者從多種角度對巷道火災的煙氣流動進行了研究。薛彥平[8]應用Pyrosim 軟件，模擬了巷道不同分岔狀態（分叉形狀、分叉角等）對煙氣蔓延的影響。Zhao Shengzhong 等[9]對縱向通風巷道的煙分岔流進行了一系列小尺度實驗研究，提出了預測煙霧分岔流特征長度的理論模型。Huang Youbo 等[10]在自然通風和強制通風條件下進行了不同放熱速率的縮小尺度實驗，表明分岔結構對火焰羽流有顯著影響。索在斌[11]采用理論分析與數值模擬結合的方法，得出火災時期煙氣運移規律及火災時期相關參數變化。王建國等[12]通過改變火源規模與風速對綜采工作面進風巷火災的能見度、CO 濃度、溫度變化進行了研究。李祥春等[13]通過模擬軟件研究了入口風速對巷道火災速度場、溫度場、瓦斯濃度的影響。索在斌等[14]通過建立上行通風巷道模型，研究了坡度對火災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煙氣釋放源，研究巷道內溫度和有毒氣體的分布情況。劉蓓蓓[17]應用FDS 軟件構建火災熱分解模型，得出火災規模由熱釋放速率最大值決定這一結論。上述文獻通過實驗研究和數值模擬等多種方法對巷道內災變煙流擴散過程進行了深入研究，優化和分析了不同巷道火災中高溫氣體分布、有害氣體濃度、熱釋放過程等重要指標的變化規律，但對典型巷道中火災危險區域劃分和時間之間關系的研究較少。

礦井開采中“T”型巷道普遍存在，揭示該類型巷道火災危險區域和最佳疏散時間的邏輯關系，準確劃分火災安全區域，對火災情況下井下作業人員安全逃生具有重要指導作用。因此，本文應用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建立火源，根據數值模擬結果和物理相似模擬準則，建立“T”型巷道危險區域劃分標準，通過監測巷道內溫度和氣體濃度的變化，確定巷道內火災煙氣分布規律，對“T”型巷道安全區域進行準確劃分，從而更好地提高火災逃生效率。

1 數值模擬

1.1 物理模型與火源

模擬模型為內蒙古某礦山-506 m 處的“T”型巷道，巷道壁面的熱物理性質參數設置見表1。模擬假設如下：① 火災發生前，巷道內風流溫度均勻。② 通風風流及火災產生的煙氣視為理想氣體。③ 煙氣在巷道內流動過程中不再發生化學反應。④ 巷道壁無滲透，除通風口外，巷道內為封閉空間。

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。設置100 L 柴油燃燒為火源，柴油熱物理參數見表2。

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

實驗礦山-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 設置溫度、CO 濃度、CO2濃度探測器，同時在巷道Ⅰ、Ⅱ中間設置縱向溫度、CO 濃度、CO2濃度切片，以觀察火災煙氣隨時間分布情況。

1.2 網格設置

網格的尺寸是由火焰特征尺寸D*/δ決定的，其中D*為礦井火災特征直徑， δ為模擬時設置的網格尺寸，D*/δ在4～16 時模擬結果具有收斂性。

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）計算得D*=1.639 m。為保證D*/δ在4～16 內，則火災模擬過程中網格尺寸 δ應為，即δ應為0.102～0.410。

在實際模擬過程中，當網格尺寸設置為0.102 時，計算時間將非常巨大，而網格尺寸設置為0.410 時，得出的結果不穩定。因此，采用0.20，0.25，0.33 m 3 種常見的網格尺寸進行比較，熱釋放速率曲線模擬結果如圖2 所示。可看出網格尺寸分別為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網格設置為0.25 m×0.25 m×0.25 m，由于巷道Ⅱ中無火源存在，不涉及燃燒等復雜的計算，網格的劃分對其煙氣流動計算影響較小，所以將其網格設置為0.5 m×0.5 m×0.5 m，共140 800 個網格。根據模擬結果可知，煙氣在80 s 前后擴散至整個巷道，100 s 時煙氣流動趨于穩定，因此將模擬時間設定為100 s。

2 數值模擬結果與分析

2.1 溫度分布

不同時間點垂直截面的溫度云圖如圖3 所示。可看出火災產生的高溫煙氣擴散到巷道下風側后，巷道內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132 ℃，巷道Ⅱ出口處溫度達75 ℃。

圖3 不同時間點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，產生的煙氣被風夾帶，并沿巷道蔓延。應用Tecplot 軟件進行處理，得到20，40，60，80，100 s 時 CO 和CO2體積分數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（《長生殿·酒樓》【集賢賓】“姓字老樵漁”，776）的唱調。因去聲字的調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”的字腔結點，此后的即為過腔。

圖4 不同時間點CO 和CO2 體積分數沿巷道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CO 和CO2 體積分數沿巷道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 體積分數最大值約為24 000×10-6。在煙流擴散過程中，火源處附近的CO 體積分數基本不變，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擴散，CO 體積分數隨著與火源距離的增加而降低，巷道中的CO 體積分數等值線沿水平方向分層。由CO 體積分數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數低于巷道頂部，即從上到下逐漸降低。大約40 s 時高溫煙氣已蔓延整個巷道Ⅰ下風側。

由圖5 可看出，煙氣中CO2體積分數的變化規律與CO 變化相似。火源處CO2體積分數最高，約為65 000×10-6。火源附近CO2體積分數在柴油燃燒過程中變化不大，呈現從下到上逐漸降低的態勢。CO2體積分數在火源燃燒時的分布與CO 一樣，風流通過巷道混合高溫煙霧沿巷道頂部向下風側蔓延，隨著與火源距離增加，CO2體積分數逐漸降低，等值線縱向分布逐漸密集。可看出由于CO2產量比CO 高，所以巷道Ⅱ的CO2體積分數等值線分布較CO 更接近地面，CO 分布更接近巷道頂板。在大約20 s 時，高溫煙氣開始蔓延至巷道Ⅱ，80 s 時火災產生的煙霧已蔓延至整個巷道。由于被風流稀釋，巷道Ⅱ的CO 體積分數明顯低于巷道Ⅰ。

3 安全區域劃分

3.1 火災煙氣的危害

在以往眾多的各類火災事故中，煙氣中的 CO、CO2是奪人性命的罪魁禍首[18]。為了明確在巷道中火災煙氣蔓延危險區域分布，以煙氣中的CO、CO2和煙氣溫度為評價對象，對巷道進行煙氣蔓延區域危險性劃分。

根據不同溫度及不同體積分數的CO、CO2對人體的影響（表3—表5），對井巷火災高溫、毒害進行危害等級劃分[19]，分別為安全區域（危險等級1）、輕度危險區域（危險等級2）、中度危險區域（危險等級3）、重度危險區域（危險等級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 礦井火災高溫危險性分級Table 6 High temperature hazard classification of mine fire

3.2 安全區域劃分結果

3.2.1 溫度安全區域劃分

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域進行劃分，結果如圖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，安全區域主要出現在火源上風側，隨著時間的推移在下風側相同位置的溫度逐漸升高，最高溫度均出現在火源附近。在火災的前20 s，巷道Ⅰ的火災最高溫度已超過危險等級4 的臨界值，100 s 時的最高溫度達809 ℃。隨著風流的介入，溫度逐漸降低，在巷道Ⅰ末尾處回到危險等級2、3。由圖6（b）可看出，巷道Ⅱ中各時間點的溫度均不在危險等級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等級1、2。

根據上文數據處理后的煙氣高溫危險性劃分結果見表7。可看出隨著火源的持續燃燒，巷道Ⅰ的安全區域與輕度危險區域的總范圍基本不變，由于火災的煙氣逆流，上風側的安全區域逐漸被壓縮,隨著溫度上升，中度危險區域逐漸變為重度危險區域，巷道Ⅰ中測點主要集中在重度危險區域。巷道Ⅱ隨著時間推移由中度危險區域逐漸變為輕度危險區域與安全區域，巷道Ⅱ中測點主要集中在輕度危險區域。

表7 煙氣高溫危險性劃分結果Table 7 Flue gas high temperature hazard classification results

3.2.2 煙氣毒害安全區域劃分

火災煙氣中的一些氣體會導致人體中毒窒息和死亡，這些氣體主要成分為CO、CO2。因此，當煙氣在巷道蔓延時，有必要評估CO 和CO2體積分數，以對有危險的區域進行分類[20]。在火災過程中，巷道Ⅰ、Ⅱ中CO 和 CO2體積分數變化如圖7 所示。可看出產生的 CO 和 CO2聚集在頂板，順著風流向火源下風側擴散，隨著時間的增加，火源附近的氣體體積分數比較高，升幅較大，很快超過了重度危險區域的閾值。當持續的風流快速經過火源處，CO 和CO2被吹向火源下風側，CO 和 CO2體積分數迅速降低。

圖7 巷道中CO 和CO2 體積分數變化Fig. 7 Variation of CO and CO2 volume fraction in the roadway

巷道Ⅰ、Ⅱ中煙氣毒性的危險性劃分結果見表8、表9。可看出巷道Ⅰ中CO2的安全區域范圍較CO 大，CO 的危險性更大，主要集中在輕度、中度危險區域。巷道Ⅱ中CO 主要分布區域與巷道Ⅰ相似，體積分數均在重度危險區域閾值以下，而CO2均在安全區域范圍內。由于CO 和CO2危險性分類的部分區域是一致的，所以根據高毒性水平的結果，將巷道Ⅰ、Ⅱ中CO 和CO2毒性危險性分類結果合并，并進一步劃分，劃分結果見表10。

表8 巷道Ⅰ煙氣毒性危險性劃分結果Table 8 Risk classification results of flue gas toxicity of roadway I

表9 巷道Ⅱ煙氣毒性的危險性劃分結果Table 9 Risk classification results of flue gas toxicity of roadway Ⅱ

表10 煙氣毒性危險性劃分結果Table 10 Results of flue gas toxicity risk classification

3.3 危險區域綜合分析

對煙氣高溫、毒性劃分結果進行處理，以觀察巷道火災的危險區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，危險等級2、3 隨時間的變化不大，危險等級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 后危險等級1 的范圍均呈現線性減小趨勢，危險等級2 的范圍均呈現線性增大趨勢。由圖8（c）、圖8（d）可知2 種劃分結果的區域變化相似，2 種劃分方法均未出現重度危險區域，危險等級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。危險等級2 的范圍隨時間推移線性增大，在60 s 時達到最大后逐漸減小，危險等級3 范圍在60 s 時從0 開始線性增大。

圖8 危險區域范圍隨時間的變化Fig. 8 Changes in the range of the hazardous zones with time

對劃分結果進行整合處理后，巷道Ⅰ、Ⅱ的總危險范圍隨時間變化如圖9 所示。

圖9 危險區域總范圍隨時間的變化規律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中危險等級2、3 隨時間的變化很小，巷道Ⅰ中安全區域與重度危險區域在40 s 時變化度最大，因此處在巷道Ⅰ的人員在發生火災時應盡量在40 s 內完成逃生；巷道Ⅱ中安全區域與重度危險區域在60 s 時變化度最大，因此位于巷道Ⅱ的人員在發生火災時應盡量在60 s 內完成逃生。在巷道Ⅰ、Ⅱ中危險等級1、4 范圍的變化具有明顯的規律性。通過擬合得出危險區域的范圍和時間之間的關系：

式中：WⅠ為巷道Ⅰ的危險區域范圍；WⅡ為巷道Ⅱ的危險區域范圍；t為時間。

4 結論

1） 風流通過巷道混合高溫煙霧沿巷道頂部向下風側蔓延，隨著與火源距離增加，濃度逐漸降低，CO、CO2體積分數等值線縱向分布逐漸密集。

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

3） 在巷道Ⅰ中危險等級1 的范圍隨時間的推移逐漸變小，危險等級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，危險等級2、3 變化率很小。在巷道Ⅱ中2 種劃分方法的區域范圍變化相似，危險等級2、3 均在60 s 時變化率最大，結合高溫和有毒氣體劃分結果，通過擬合確定了危險區域總范圍與時間的關系。

4） 該劃分方法在前人的研究基礎上能夠得出各危險等級范圍隨時間的變化關系，及各時間點區域危險性的變化趨勢，為礦井火災救援中危險區域判斷提供了思路和方法。