胶带运输巷水幕抑制火灾烟气效率影响因素实验研究*

祁 云， 齐庆杰，汪 伟，周新华

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室(辽宁工程技术大学)，辽宁 葫芦岛 125000；3.辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新 123000)

0 引言

煤矿井下胶带运输巷发生火灾常由于胶带与滚筒等摩擦引起，火灾传播速度快且伴随大量有毒烟气，仅靠加强通风无法把有毒烟气降低至安全体积分数范围，严重威胁井下工作人员生命安全[1-2]，合理的阻烟技术及装备，能够有效地降低有毒烟气的体积分数，减少人员伤亡。针对传统的阻挡烟气技术如挡烟垂壁、正压送风排烟等对于火灾有毒烟气的疏散效果不佳[3-4]，且不具备反复使用的问题。设计1种简单、可靠、可反复使用的环保型阻烟装置十分必要。为此，Palazzi等[5]采用数值模拟与试验相结合，进行了水幕抑制及阻挡烟气扩散的有效性研究，得出水幕抑制和阻挡气体扩散的机理；武昕等[6]利用Fluent软件对水幕抑制丙烷气体扩散进行了数值模拟，得出水幕的阻挡作用、机械湍流作用及空气卷吸作用对丙烷的扩散起到良好的抑制作用；展望等[7]利用FDS软件分析细水幕的施加方式对建筑长廊中烟气的阻断效果，得出细水幕能够有效地阻断烟气扩散，稀释有毒烟气，增大长廊能见度，减缓氧气的下降速率；董惠等[8]构建大尺度全尺寸实验系统，研究了水幕代替防火门对火灾烟气的阻隔情况，研究表明水幕能够阻挡火灾烟气并且能够明显地降低烟温；孙铖等[9]通过敞开空间水幕稀释阻挡CO2扩散试验，对水幕稀释阻挡非水溶性重气扩散的影响因素进行了无量纲分析，并基于分析结果提出了水幕设计建议。

水幕是一种国内外公认的能够有效控制气体泄漏的安全技术，对于水幕控制重气扩散的规律和机理虽进行大量研究，但是大部分集中在开放空间，而井下受限空间中的水幕控制气体扩散研究较少。为此，本文基于水幕冷却降温和稀释阻挡气体扩散作用原理[10]，提出了在矿井运输巷内利用水幕抑制火灾烟气扩散的方法，并利用自行研发的小尺寸实验系统研究影响井下受限空间中水幕阻烟性能的因素，为煤矿井下火灾烟气的有效控制提供指导。

1 水幕阻烟机理

火灾烟气颗粒物理性质的变化与其积聚、吸附、凝结、吸附及化学反应等作用密切相关，改变其中1种作用过程就可以有效控制火灾烟气的传播过程，而在水幕中，不仅存在着水蒸气的蒸发、凝结及体积分数变化造成的扩散现象，还存在气溶胶动力学、云物理学、颗粒团聚等各种动力学现象，这都对烟气颗粒的捕集起到重要作用，此外，水幕阻烟的效果受水幕宽度、水滴粒度、水滴流速等因素的影响[11]，水幕阻烟模型如图1所示。水幕阻烟过程包括以下方面：

1)水幕与火灾高温烟气热量交换，高温烟气中的热量被水幕吸收，导致高温烟气热浮力作用衰减，从而降低了高温烟气的水平方向蔓延扩散的动力源，降低了火灾对下游区域的热辐射。

2)水幕水滴的流动速度远大于火灾高温烟气扩散速度，水幕能量密集度高，在其设置截面上形成具有一定刚度的水幕墙，火灾烟气流与水幕墙相遇会随水幕偏转，烟气在水幕的阻拦作用下运动方向发生偏转，延缓了火灾烟气对水幕下游空气的污染。

3)火灾烟气颗粒物与水幕液滴发生碰撞、吸附、凝聚等作用，形成粒子团，由于粒子团体积和重量比较大，在重力和水滴流动惯性共同作用下加速沉降，阻断了烟气粒子水平传播距离。

图1 水幕阻烟模型示意Fig.1 Schematic diagram of smoke blocking model by water curtain

2 小尺寸模型相似准则

为了确保小尺寸模型实验结果与实际结果一致，需要对实验中各物理参数进行相似性分析。由于矿井巷道空间与小尺寸狭长通道空间发生火灾时巷道内烟气运移特性遵循时间相似、几何相似、运动相似和火源相似等定理，二者的同名物理量存在一定的比例关系，适合采用弗洛德相似准则[13]，具体相似关系见表1，其中L表示长度，下角标m和f分别表示模型尺寸和原尺寸。

3 实验装置及测点布置

3.1 实验系统

实验系统主要由模拟火灾烟气释放装置、小尺寸狭长巷道、水幕喷射装置、数据采集系统4部分构成，其中数据采集系统包括温度采集装置、烟气分析仪2部分，如图2所示。以平煤十矿24100工作面胶带运输巷为原型，采用弗洛德相似准则建立1∶10的狭长空间比例模型实验台，实验台长5 m，高0.6 m，宽度0.4 m，两端口均开放。其中顶底板采用12 mm厚的耐火石膏板；两面侧壁，一面采用与顶底板相同的耐火板，另一面采用10 mm夹丝防火玻璃以便于观察、记录水幕对巷道内烟气的流动过程。由于运输巷风速接近自然风速，实验时选择自然通风，在实验台顶棚距入口端1～2 m处预留水幕装置安装槽，水幕位置可以移动。为了防止高压水雾撞击实验装置底板造成气体卷吸回流，在水幕安装槽下方设置了开孔。整个实验台由白钢架构，为避免框架结构对火灾烟气流运动的影响，板材与防火玻璃镶嵌在钢架内部，并通过螺栓固定，外加涂抹防火胶保证通道的气密性要求。火源燃料选择纯度为95%的甲醇，将其盛放在不同规格的油盘里，可以模拟狭长通道不同规模火灾下燃烧初期、发展、稳定及衰减的整个过程。温度测量采用20个直径为2 mm的K型铠装热电偶，测量温度范围为-50～1 200℃。温度采集系统包括3块8路热电偶输入的C-7018模块、数据转换器(型号为C-4561)、温度数据采集软件、PC机。水幕系统由供水系统、喷头、压力表、阀门和流量计组成，实验采用的喷头为ZSTM-15A型扇形喷头和ZSTWB-34/60型锥形喷头，流量系数均为38。气体体积分数采集系统由MRU烟气分析仪检测巷道内气体的体积分数变化。

表1 小尺寸实验模型尺度关系Table 1 Scale relationship of small-scale experimental model

图2 小尺寸巷道水幕抑制烟气实验台Fig.2 Small-scale experimental bench for smoke suppression in roadway by water curtain

3.2 数据采集系统

实验共布置4组热电偶(编号A0，B0，C0，D0)、5组气体体积分数测点(编号A1，B1，C1，D1，E1)，如图3所示。每组测点树上的热电偶或烟气体积分数分析仪均自上而下每隔100 mm依次布置。共计36个热电偶，45个烟气体积分数分析仪。水幕两侧热电偶树距水幕400 mm，烟气检测仪距水幕分别为1.4，2.9，4.4 m，热电偶树(A0，D0)和烟气检测仪(A1，B1，C1)布置在巷道中轴线上，其余的热电偶树和烟气检测仪均布置在巷内左侧，与中轴线水平间距为100 mm。

图3 热电偶及烟气检测仪布置方式Fig.3 Layout of thermocouples and smoke detectors

3.3 实验过程

点燃油盘中的甲醇，火源功率约为85 kW。点火后第120 s开启水幕。实验过程中通过36个热电偶、45个烟气体积分数仪实时采集各个测点的温度和烟气体积分数，利用高清摄像仪实时记录烟气运动情况。实验主要分为有无水幕分隔2种工况，测量和记录水幕开启前后巷道内温度、烟气流动等数据，为了研究水幕对火灾烟气的阻挡效果分别从水幕距烟气源位置、水幕喷射方式、水幕层数、喷头压力及类型方面进行实验。通过计算水幕吸收效率比较水幕不同设置情况下的稀释阻挡能力[13]，水幕的吸收效率数学表达式为η=(ψ0-ψ1)/ψ1，式中：η为吸收效率，%；ψ0为水幕未开启时的烟气体积分数，%；ψ1为水幕开启后的烟气体积分数，%。

4 实验结果分析

4.1 烟气温度分布

点火后待烟气稳定冒出时开启水幕，实验喷头选用ZSTM-15A型扇形喷头和ZSTWB-34/60型锥形喷头2种类型进行对比实验，喷头工作压力均为0. 4 MPa，如图4所示。图4中，无水幕作用时，火区A0热电偶树温度自上至下呈现先急剧下降再缓慢降低至相对稳定的规律；有水幕作用时，上层测点降温效果更明显；相反下层测点在水幕开启后由于水幕对烟气的阻挡和卷吸作用导致顶板烟气下沉造成下层区域温度出现了上升趋势。下层区域温升对人员危害较小，但是火灾烟气下沉会导致其体积分数升高影响人员安全疏散。

图4 水幕作用下烟气温度分布Fig.4 Temperature distribution of smoke under effect of water curtain

4.2 烟气运移规律分析

水幕设置条件对不同测点处的烟气体积分数的影响，见表2。分析可得，巷道中设置水幕时各测点烟气体积分数明显低于无水幕时各测点烟气体积分数，说明水幕对烟气具有明显的阻挡作用。另外无水幕时同一测点树中所测得烟气体积分数随着测点距离底板距离的减小而升高，说明火灾烟气具有明显的重力沉淀作用；但是水幕开启后同一测点树中测得烟气体积分数随测点距底板距离的增加而降低，这说明水幕对烟气具有向上的卷吸作用。实验中由于2个喷头喷射水幕中间时具有重叠区，水幕重叠后会导致水幕孔隙率降低，烟气更难穿过，测点树B1，C1位于水幕重叠区的后方，所测烟气体积分数低于测点树D1，E1。设置双层水幕时A1，B1，C1所测烟气体积分数低于单层水幕时其所测 烟气体积分数，但D1，E1所测烟气体积分数较单层水幕时高，分析其原因可能是双层水幕时细水幕颗粒增多对烟气的二次抬升作用增强，还需进一步实验验证。

表2 不同水幕设置条件下各测点处烟气体积分数Table 2 Smoke volume fraction at each measuring point under different setting conditions of water curtain %

4.3 水幕距火源距离对阻烟效果的影响

水幕与火源间距离对烟气阻挡情况如图5所示，分析可得，水幕距火灾烟气1 m时测点树上各测点烟气体积分数高于水幕距火灾烟气1.5 m时测点树上各测点烟气体积分数。水幕距火源1.5 m时烟气体积分数随测点位置变化较水幕距火源1 m时烟气体积分数变化平缓。水幕距火源较近时火灾烟气运动到与水幕接触时动能较大，不易被水幕驱散而穿过水幕，导致水幕后方烟气体积分数较高，由于火灾烟气具有趋顶棚传播的特点，测点距顶棚越近所测烟气体积分数越高。因此，水幕对同一测点树处火灾烟气的阻挡效果随水幕距火源的距离增加而升高。同一测点树处所测烟气体积分数随测点位置的升高而增加，但升高速率随水幕距烟气源距离增加而降低。综上，此次实验中水幕距火灾烟气源1.5 m时挡烟效果较水幕距火灾烟气源1 m时高。

图5 烟气体积分数随水幕距火源距离变化Fig.5 Variation of smoke volume fraction with distance between water curtain and fire source

4.4 水幕水流喷射方向对阻烟效果的影响

设置单层水幕，距水幕火源1.5 m时，水幕水流喷射方向不同时水幕阻烟效果如图6所示，水幕水流向上喷射时测点检测到的火灾烟气体积分数低于水幕水流向下喷射时测点检测到的火灾烟气的体积分数。水幕开启后，水幕对其附近的火灾烟气具有与水流同向的卷吸作用。水流向上喷射时，水幕对火灾烟气的向上的卷吸作用增强了烟气沿顶棚运动的趋势，顶棚附近烟气体积分数明显偏高，但由于水流向上喷射时水分子颗粒在喷水压力作用及克服重力作用下减速运动，导致分子间碰撞次数增多，水幕孔隙率下降，烟气不易穿透水幕，所以同一测点树的各测点烟气体积分数缓慢上升。水流向下喷射时，水分子在重力和喷水压力的协同作用下加速运动，导致水幕孔隙率升高，烟气较容易穿透，同一测点树的不同测点处烟气体积分数加速上升。水幕水流向下喷射时，巷道内各测点火灾烟气体积分数低于水流向上喷射各测点烟气体积分数，水流向下喷射阻烟效果较佳，更适于火灾烟气治理。

图6 烟气体积分数随水流方向的变化Fig.6 Variation of smoke volume fraction with water flow direction

4.5 水幕层数对阻烟效果的影响

实验中单层水幕设置距火源1 m，在其后另加1层水幕形成双层水幕，2水幕间距0.5 m。水幕层数对烟气体积分数的影响如图7所示，单层水幕时，测点树C1和D1测得烟气体积分数分别低于测点树B1和E1测得的烟气体积分数。而设置双层水幕时结果刚好相反，双层水幕对烟气具有向上的提升作用，使得烟气能够运移到较远处。双层水幕时，由于水幕对火灾烟气的双重抬升作用，导致火灾烟气体积分数变化速率比单层水幕时低，但靠近巷道出口的测试树C1处烟气体积分数高于与其在同一轴线上的测点树B1处，靠近巷道帮的D1，E1测点树处烟气体积分数也高于单层水幕时此处烟气体积分数，不利于人员的疏散，且设置双层水幕的最佳水幕间距不易控制，建议在运输巷内设置单层水幕。

图7 烟气体积分数随水幕层数的变化Fig.7 Variation of smoke volume fraction with number of water curtain layers

4.6 喷头类型对阻烟效果的影响

相同条件下喷头类型决定了水幕流量特性及雾滴粒径，流量特性系数越大，雾滴粒径越小水幕的孔隙率越小，阻挡烟气的能力越强。不同水幕喷头烟气阻挡规律如图8所示。从图8可以看出，供水压力相同时采用ZSTM-15A型扇形喷头比采用ZSTWB-34/60型锥形喷头时水幕的阻烟效果差。扇形喷头开口大喷射的水雾粒径大，容易造成水流分叉使水幕存在孔隙，降低了水幕的有效阻烟面积，而锥形喷头开口较小，高压水流在喷射口处被撞击，使水雾粒径降低且水雾颗粒具有获得较高的动，有利于在巷道断面形成均匀的水幕，此时有效阻烟面积较大。采用扇形喷头比锥形喷头时各测点体积分数上升速率大，且位于水幕正后方的测点树B1，C1处烟气体积分数上升明显，超出靠近巷道帮的测点树D1，E1处，不利于人员的疏散。因此建议选用ZSTWB-34/60型锥形喷头更有利于降低巷道内烟气体积分数。

图8 烟气体积分数随喷头类型的变化Fig.8 Variation of smoke volume fraction with nozzle type

4.7 喷水压力对阻烟效果的影响

图9 不同喷射压力水幕的阻烟效果Fig.9 Smoke blocking effect of water curtain under different spraying pressures

喷头喷水压力对水幕阻烟效果的影响如图9所示，实验选取测点树B1处不同喷水压力下烟气体积分数，可以看出在一定范围内随着喷水压力的增加，水雾粒径降低，水幕的孔隙率下降，水幕的阻烟效果增强，但是增加喷水压力，同一测点下，喷水压力为0.6 MPa时烟气体积分数明显低于喷水压力为0.4和0.3 MPa时的烟气体积分数。但随着测点高度的增加，喷水压力为0.4 MPa时，烟气体积分数下降速率明显大于喷水压力为0.3和0.6 MPa时的烟气体积分数。这是由于增加喷水压力时，水幕对烟气的向上卷吸作用也随之增强，导致同一高度处测点烟气体积分数随压力增加而降低的趋势减弱，此外，增加喷水压力也会加快喷头的磨损速度，不利于水幕的长期使用。因此，本实验中喷水压力选取0.4 MPa具有较好的阻烟效果。

5 结论

1)水幕对火灾烟气具有较好的阻挡作用，且阻烟效果与水幕距火源的距离、水流喷射方向、水幕层数、喷头类型和喷水压力有关。喷水压力一定时，选择锥形喷头且从巷道底部向上喷射单层水幕时，水幕的阻烟效果最佳。

2)火灾发生后水幕对前期的烟气扩散具有较好的阻挡效果，随着时间的推移，火灾烟气的穿透能力随着巷道内温度的升高而升高，水幕阻烟效果也随之降低，因此在人员疏散时要充分利用水幕的有效阻烟时间。

3)巷道火灾烟气成分复杂，水幕阻烟效果取决于火灾烟气的水溶性，水溶性好的气体容易被水幕阻挡，水溶性差的气体易穿过水幕继续传播，为了提高水幕的阻烟效果可以在水幕水源中加入特定的促溶剂。