矿井胶带火灾模拟与逃生影响因素分析研究

苏 墨，王 飞

(太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

矿井胶带火灾模拟与逃生影响因素分析研究

苏 墨，王 飞

(太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

矿井实际生产过程中，胶带火灾受多种因素影响，为确定矿井胶带火灾真实燃烧特性及人员逃生影响因素，本文应用火灾动力模拟软件PyroSim模拟了申家庄矿发生胶带火灾时，巷道内温度、烟气浓度及能见度随时间的变化情况，分析得出矿井胶带火灾时影响人员逃生的主要因素是烟气温度、CO浓度以及能见度。模拟结果表明该矿胶带火灾发生后的前200 s是火源下风侧人员顺利逃生的关键时期，400 s后巷道高温烟气、高浓度CO以及低能见度就严重影响人员逃生。研究结果为矿井应急救援和火灾逃生提供了参考。

矿井胶带火灾；PyroSim；数值模拟；火灾烟气

我国煤矿大都使用阻燃胶带输送机，但由于矿井环境复杂，遗煤自燃、电火花、明火等在特定条件下仍然可能引燃胶带火灾。一旦发生胶带火灾，火势迅速蔓延，火源区邻近巷道温度迅速升高，产生的大量有毒有害气体随着风流进入下风侧各采区，从而威胁井下人员的生命安全。研究矿井胶带火灾灾变过程，迅速准确地掌握矿井胶带火灾时巷道内风流状态、温度分布、火灾烟流蔓延情况，对于现场指挥救灾、保护井下人员的生命安全具有十分重要的意义。

国内对胶带火灾灾变过程研究较少。王德明等通过燃烧试验对比了阻燃与非阻燃输送胶带的热释放速率、CO产生率[1]。季经纬等利用锥形量热计对阻燃输送带的点燃性能进行了实验研究，确定了实验输送带的平均点燃温度及火焰蔓延速度[2]。张圣柱等采用SIMPLE算法对孔庄煤矿1号胶带巷火灾灾变时不同进风量下巷道内的风流流动状态进行了模拟，得到了温度和污染物等参数在巷道内的分布[3]。随着计算机模拟技术的发展，通过数值模拟研究运输巷胶带火灾发展得到广泛应用。齐庆杰等运用FDS数值模拟技术，研究了2 MW和4 MW火源功率下，0.5～4 m/s风速范围内，输送胶带平均燃烧速率和火源区巷道内部温度分布情况[4]。

上述研究主要是针对矿井胶带火灾的特定参数及一般规律进行实验及模拟研究，而在实际生产矿井中，由于其风速、胶带材料、火源大小、巷道倾角等因素的不同，矿井胶带火灾燃烧特性也不尽相同，只有全程模拟实际矿井的胶带火灾燃烧过程，才能确定其真实的燃烧特性。鉴于此，本文应用PyroSim火灾动力模拟软件对山西省申家庄煤矿进行实体建模，研究矿井胶带火灾时巷道温度分布及烟气蔓延等火灾特征参数，分析影响人员逃生的主要因素，为矿井应急救援和火灾逃生提供参考依据。

1 矿井运输斜井胶带火灾模型

1.1 PyroSim简介

FDS是目前火灾研究领域应用最广泛的软件工具之一，为研究物质燃烧特性、火灾发展蔓延规律和消防救灾等工作提供了有效工具。PyroSim是美国Thunderhead Engineering公司在FDS基础上开发的火灾模拟前处理和后处理软件，优化了计算方法，简化了建模过程，避免了FDS程序参数多，工作量大，易出错的问题[5]，本文选用PyroSim软件对运输斜井胶带火灾进行模拟分析。

1.2 模型框架的建立

根据高平市申家庄煤矿运输斜井实际尺寸，应用PyroSim软件建立了运输斜井胶带火灾模型。申家庄煤矿运输斜井为三心拱结构，实际长720 m，宽4.5 m，净高3.65 m；运输机高1.15 m，宽1.54 m，胶带净宽1 m；运输斜井进风量2 200 m3/min，风速3.03 m/s。选取其中100 m运输斜井、设定倾角为10°来建立模型，模型巷道三心拱圆顶由矩形渐变而成。矿井胶带火灾模型如图1所示。

1.3 边界条件设置

常用火源热释放速率模型主要有t2模型、MRFC模型、FFB模型[6]。t2模型利用火灾发展中的最大热释放速率进行计算，可以准确描述火灾发展的过程，模型公式见式(1)。

Q=at2

(1)

式中，Q为火源热释放速率，kW；a为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾发展时间，s。

带式输送机火灾起火原因一般是托辊卡死摩擦受热，引起遗煤燃烧，进而引燃胶带，造成蔓延火灾[7]。故按照t2模型要求，在巷道中部设定引火源，火源大小0.5 m×0.5 m×0.25 m，将其上表面属性设置为热燃烧表面，单位面积最大火源热释放速率1.92 MW，火灾增长系数0.048 9。根据式(1)进行计算，达到稳定燃烧的时间为198 s。胶带设定1 cm厚，材料选取数据库中的PVC，着火点设置350 ℃，以模拟胶带火灾蔓延。

1.4 全局参数的设定

基于申家庄煤矿运输斜井的实际尺寸，将网格划分为20×17×400，共计136 000个，单元大小为0.25 m×0.25 m×0.25 m。参考t2模型所确定的火灾时间和矿井反风要求，模拟时间设定为600 s。根据运输斜井的实际进风量，设置风速3 m/s。模拟环境初始温度20 ℃，点火源设置在运输斜井中间50 m处。巷道坐标及火源、热电偶、CO探测器布设情况如图2所示，井口为0坐标方向。

图1 矿井胶带火灾模型

图2 运输斜井坐标及火源、热电偶、CO探测器布设情况

2 模拟结果分析

考虑到矿井胶带火灾的危害主要是有毒有害气体、高温及烟气带来的低能见度和缺氧[8]，因此本文在数值模拟过程中布置了CO探测器、温度探测切片、烟雾探测切片、能见度探测切片，从以下三方面来研究矿井火灾的危害。

2.1 温度分布分析

发生火灾时，巷道中高温烟气是造成人员伤亡的一个主要因素，当外界温度达到40 ℃时，人体会产生心率增快、反应减慢、注意力分散的现象[9]，在80 ℃的热环境下，人体只能生存30 min。在火源下风侧2 m、高1.2 m处设热电偶监测火源处温度，火源及热电偶布设情况如图2所示，火源处温度变化如图3所示。

从图3可看出火源处温度在200 s左右时达到350 ℃，此时引燃胶带，火源处温度继续增加，300 s后趋于稳定，达到约500 ℃。

在巷道中心切面x=2.25 m设置温度切面，可以观察火源下风侧巷道整体温度变化情况，如图4所示。为优化巷道温度的显示，smokeview的color bar设定最大显示温度为220 ℃。

图3 火源处温度随时间变化

图4 巷道温度分布随时间的变化

据资料统计，人体呼吸带高度为1.5～1.6 m，选择1.5 m高度观测巷道温度。从图4可以看出，火源在200 s时引燃胶带，之后火势沿胶带向下风侧蔓延，高温烟气在热浮力的作用下上升至巷道顶部，并向下风侧蔓延，之后逐渐沉降，与巷道内空气混合，巷道整体温度随时间逐渐升高，300 s后火源下风侧1.5 m高度巷道温度基本达到50 ℃，400 s后升至80 ℃以上，此时严重威胁井下人员的生命安全，因此发生火灾后，下风侧人员应在400 s内尽快远离火源。

2.2 CO浓度分析

人体能够承受的CO最大浓度为50 ppm，当CO浓度超过50 ppm时人体即出现头晕、乏力等中毒症状，浓度越高，对人体伤害越大，超过400 ppm时人体则面临生命危险。在火源下风侧1.5 m高度布设四个CO探测器，1001测点为火源下风侧10 m位置，1002测点为火源下风侧20 m位置，1003测点为火源下风侧30 m位置，1004测点为火源下风侧40 m位置，如图2所示。模拟得到3 m/s风速下巷道火灾烟流中CO浓度的变化情况，如图5所示。

从图5可以看出，300 s左右时，运输斜井中的CO浓度达到50 ppm；400 s后CO浓度趋于稳定，且高于50 ppm。绘制距离与CO稳定浓度值的散点图，如图6所示，

由图6可以看出，火源下风侧10 m内1.5 m高度CO浓度较低，约50 ppm；20 m至30 m风流平缓，高温烟气下沉，1.5 m高度CO浓度逐渐增高，30 m后稳定到约70 ppm。因此，运输斜井发生胶带火灾400 s后，下风侧20 m外人员会出现中毒症状，影响人员逃生。

2.3 烟气浓度及能见度分析

烟气的浓度关系到井下的能见度与空气中的氧含量，事关井下人员的生命，影响井下人员的逃生，因此火灾中烟气浓度是检测的一个重点。在巷道中心切面x=2.25 m设置烟雾探测切片，可以观察火灾烟气在运输斜井中的蔓延状况，如图7所示。

由图7可看出烟气在巷道中的蔓延情况：50 s时火源下风侧可以观察到可视的烟气，100 s时烟气已遮挡视线，200 s时运输斜井中即充满烟气。

火灾烟气中充斥着大量的固体微小颗粒，大大降低了火场中的能见度，不利于火灾的扑救和火区人员的逃生。据资料统计，中国成年男性平均身高为1.697 m，因此在巷道1.7 m高度布设y=1.7 m能见度切片，可以观察运输斜井能见度随时间的变化情况如图8所示。

由图8可以看出，火灾发生后50 s内烟气对能见度的影响较小，在100 s后能见度下降至10 m以内，200 s后能见度下降至3 m以内，此时对井下人员行走和视线造成影响，400 s后1.7 m高处能见度已低于0.5 m，对井下人员逃生造成极大影响。

3 结 论

本文通过火灾动力模拟软件PyroSim分析申家庄煤矿运输斜井胶带火灾燃烧特性，主要得出以下实验结论。

图5 CO浓度变化曲线

图6 距离与CO稳定浓度值关系

图7 火灾烟气在运输斜井中的蔓延状况

1)运输斜井胶带火灾发生后，巷道温度逐渐升高，300 s时火源下风侧巷道内呼吸带1.5 m高度温度约为50 ℃，400 s时升高至80 ℃，此时对井下人员造成生命威胁。

2)运输斜井胶带火灾发生400 s后下风侧巷道内1.5 m高度CO浓度达到70 ppm，井下人员会出现CO中毒症状，影响人员逃生。

3)运输斜井火灾发生初期，烟气浓度较低，对巷道内的能见度影响较小；火灾发生200 s后，巷道内充满烟气，1.7 m高处能见度低于3 m，此时人员逃生难度增大；400 s后能见度降低至0.5 m以下，已严重影响人员逃生。

4)综上所述，影响井下人员生存和逃生的主要因素是烟气高温、CO和低能见度。火灾发生后至完成反风的600 s时间内，前200 s，是火源下风侧人员顺利逃生的关键时期；200 s至400 s，是下风侧人员逃生难度加大的时期；400 s至600 s是下风侧人员生命受到威胁最严重时期。

图8 运输斜井1.7 m高度能见度随时间的变化

[1] 王德明，程远平，周福宝，等.矿井火灾火源燃烧特性的实验研究[J].中国矿业大学学报，2002，31(1)：30-33．

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Research on the mine belt fire simulation and the influencing factors of fire evacuation

SU Mo，WANG Fei

(College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In the actual mining production process，the belt fire is usually affected by many factors.The fire dynamics simulation software PyroSim was used to establish simulation model and determine the real characteristics of the fire and the factors affecting the fire evacuation in this paper.The changes of temperature，smoke concentration and visibility in tunnel during belt fire were simulated over time in Shenjiazhuang mine.From the simulation results，we found that the key factors influencing the fire evacuation were gas temperature，CO concentration and visibility.Simulation results show that the first 200 seconds is the critical escape period of workers in the fire leeward during the mine belt fire，and 400 seconds later，high temperature flue gas，high concentration of CO and low visibility will seriously affect personnel escape.The results provide a reference for mine emergency rescue and fire evacuation.

mine belt fire；PyroSim；numerical simulation；fire smoke

2016-01-24 责任编辑：赵奎涛

苏墨(1993-)，男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为矿井火灾防治，E-mail：sink241@qq.com。

王飞(1972-)，男，内蒙古巴彦淖尔人，副教授，博士，主要从事矿井灾害防治研究工作，E-mail： tyutwangfei@163.com。

TD75+2.3

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1004-4051(2017)07-0168-05