矿井胶带火灾巷道环境多参数时空演化规律

郭军 刘荫 金永飞 郑学召 张泽

摘 要：采用物理相似模擬实验的方法，借助自主搭建的矿井外因火灾烟气蔓延相似模拟实验平台，研究了矿井平直巷道内胶带火灾发展初期高温、CO等有毒有害气体浓度等灾害多参数的时空演化规律。通过试验模拟，确定了适宜胶带火灾发展的最佳风速，得到了最佳工况条件下，模拟巷道内温度场与有毒有害气体浓度场的分布规律。结果表明：当风速为0.4 m/s时，胶带质量损失率最大，且热量扩散率最高，为试验的最佳风速;火灾烟气蔓延过程中，巷道温度呈现出随着距火源距离增加而先升高后降低的趋势;气态产物CO浓度表现出指数升高到一定阶段后逐渐趋于稳定，而CO2气体浓度则表现出线性升高的趋势。研究成果将对矿井火灾事故救援中危险区域划分，以及矿井外因火灾的蔓延扩散规律研究具有一定的指导和借鉴意义。

关键词：矿业工程;胶带火灾;相似模拟试验;时空演化规律;温度场;浓度场

中图分类号：TD 75 文献标志码：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0104文章编号：1672-9315（2019）01-0021-07

Spatiotemporal evolution law of multiple parameters of roadway

environment for rubber belt fire in mine

GUO Jun，3，LIU Yin，3，JIN Yong fei，3，ZHENG Xue zhao，3，ZHANG Ze1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

3.State Mine Emergency Rescue（Xi’an）Research Center，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：The spatiotemporal evolution law of multiple parameters was studied for rubber belt fire in straight tunnel of coal mine by the method of physical similarity simulation experiment.The multiple parameters mainly include high temperature，toxic and harmful gases，such as CO and CO2.The self built experiment platform for smoke spreading of mine external cause fire was used in the study.The optimal air speed for the development of the rubber belt fire is determined.At the same time，the distribution law of the temperature field and the concentration field of toxic and harmful gases in the tunnel was obtained under the optimum condition.The results show that at the air speed of 0.4 m/s，the quality loss rate of the rubber belt and the heat diffusion rate were the highest，which was optimal air speed.In the process of smoke spreading，the temperature of tunnel shows the trend of decreasing after increasing firstly，when the distance from the ignition source is increasing.The CO gas concentration show the trend of a certain stage ofgradually stabilized after exponential growth，and CO2 gas shows a trend of linear increase.This study is of guidance for the division of dangerous areas in the mine fire accident rescue，and of reference for study of the spread of mine external cause fire.

Key words：mineral engineering;rubber belt fire;similar simulation experiment;spatiotemporal evolution law;temperature field;concentration field

0 引 言

煤炭作为发展我国经济的主体动力燃料，在我国能源结构上占有重要地位[1]。作为煤炭生产大国，我国煤矿自动化技术发展迅速，用于支撑生产的机械电气设备也在逐年增多。与此同时，外因火灾的发生概率也会因现场管理、设备操作、线路故障等问题而增加，威胁矿井的安全生产[2-3]。其中，胶带火灾是矿井外因火灾的重要灾害类型之一[4-5]。胶带运输机在使用过程中，可能会因为打滑、超负荷运行等原因造成胶带摩擦起火、燃烧、熔断现象，引发矿井火灾[6]。一旦发生胶带燃烧，火势会迅速发展，形成典型的巷道火灾，引发一系列继发性热动力灾害事故[7]。同时，处在矿井进风巷道的胶带发生火灾后，产生的高温有毒有害烟气也会随风流在巷道网络中蔓延扩散，严重威胁井下作业人员的生命安全[8-10]。

国内外学者对矿井火灾的发展演化机理以及火灾烟流的蔓延效应进行了大量相关研究，得到了丰硕的成果。上世纪波兰学者WL Budryk研究了火灾时期巷道内烟气的流动规律，对节流效应和烟流逆退现场进行了科学描述，提出了过量烟气学说，并基于此学说，丰富和发展了局部火风压理论[11]。美国学者通过建立巷道火灾试验平台，进行了大量的火灾试验，研究了巷道中烟气的流动规律及其对通风系统的影响，得到了大量的试验数据，并于1992年利用耗氧速率进行热量和烟气释放速率的测试标准[12]。早在上世纪90年代，中煤科工重庆研究院灾变通风课题组对巷道火灾时期的通风状态进行了研究，并通过大量的巷道火灾试验对烟气组份及流动特点，及其对通风网络的影响规律展开了研究[13]。西安科技大学煤火灾害防治教育部创新团队自行设计搭建了矿井巷道火灾相似模拟实验台，可以模拟皮带等火灾在静态或动态状态下的燃烧过程，利用安装的红外热成像、烟雾感知系统、温度传感器、激光等多种手段，可实时监测模拟火灾期间巷道内温度和烟气的变化情况，并借助该实验台开展了大量的研究[14-16]。根据一定比例建立小尺寸的巷道模型进行火灾的相似模拟试验具有更加安全、方便、简单和经济等优点，因此目前多运用小尺寸相似模拟实验开展相关研究。蒋军成通过搭建的竖直井巷模型，开展了运输胶带、风筒布、电缆等多种可燃物的燃烧实验，对烟流沿竖直方向的变化规律进行了研究[17]。周延为研究巷道火灾中烟流逆退距离的影响因素，建立了一条小尺寸水平巷道火灾试验模型，结果表明无量纲烟气滚退的长度与巷道中的风速和火源功率存在指数的关系[18]。马砺等人采用FDS火灾模拟软件，对比分析了自然排烟、站台排烟、隧道风机辅助站台排烟3种模式在不同火源位置时的楼梯口风速、人眼特征高度处温度、能见度、CO浓度分布[19]。

综上所述，国内外对巷道火灾发展演化机制以及烟气蔓延效应进行了一系列的理论计算及实验研究，但对于胶带火灾致灾初期巷道温度场和有害气体浓度场的研究相对较少。文中通过进行胶带火灾小尺寸试验，研究烟气蔓延过程中最佳风速下的巷道温度分布规律以及气体产物变化规律，对于火灾救援过程中指挥决策具有一定的借鉴和指导意义。

1 试验装置及过程

1.1 试验装置

试验采用西安科技大学防灭火团队自主搭建的矿井巷道火灾相似模拟实验台，主要包括模拟巷道主体结构、火灾参数监测系统、火源与控制系统、通风与控制系统等，如图1和图2所示。

该试验巷道主体长11 m，巷道截面为拱形，拱宽0.6 m，拱高0.4 m.通风控制系统由风机和风速控制2部分组成，同步作用来控制巷道风速。测温系统由分布式光纤测温系统组成，由分布在L1水平（距拱顶0.1m）和L2水平（距拱顶0.2 m）上的2组（共10个测点，测点间距2 m）感温探头对巷道温度进行多点监测。本实验平台使用崂应3012H型专业烟气分析仪构成火灾烟气监测系统，同时监测烟气中的CO，CO2以及烟气的浓度，试验测点布置在距进风口5.4 m，距拱顶0.1 m的位置。

1.2 试验材料

采用型号为PVC1000S/1000 mm的PVC阻燃胶带进行测试，试验前，将胶带切割成长0.3 m，宽0.15 m规格的样品，以满足几何相似的条件。

1.3 试验方法

胶带样品放置在高度约0.05 m的电子称托盘上，距巷道进风口1 m处。将胶带一边作为火源点，用高温加热器对胶带样品进行被动点燃。在0～0.8 m/s范围内等间距选取5个风速值，分别进行试验，试验条件见表1.试验过程中，每隔10 s记录胶带的剩余质量，并通过L1水平的温度探头动态监测60 s内模拟巷道内温度变化情况。对比分析不同风速条件下，胶带着火过程中质量变化及巷道温度的分布情况，以确定合理的实验风速。

如前所述，模拟火源设置在距进风口1 m处，并分别采用抽出式和压入式通风方式研究火源下风侧和上风侧温度分布规律，即风速分别为0.4和-0.4 m/s.试验条件见表2.

采用抽出式通风方式，借助专业烟气分析仪（崂应3012H）监测胶带燃烧过程中，60 s内巷道内烟气中CO和CO2分布情况，并监测巷道内温度场的分布情况。烟气传感器安装在距进风口5.4 m，距巷道拱顶0.1 m处。试验条件见表3.

2 试验结果分析

2.1 试验最佳风速确定

2.1.1 质量损失率

试验过程中，氧气供给量与胶带燃烧有密切的关系，而氧气供给量可表征为巷道风速，燃烧速率可表征為胶带的质量损失速率。因此，胶带燃烧过程中的质量损失速率可作为确定最佳风速的关键依据之一，其计算公式如下

m=We-Wste-ts（1）

式中 m为胶带燃烧时平均质量损失速率，g/s;We和Ws为胶带燃烧时相邻2次测量得到的剩余质量，g;te和ts为2次对应测量时间，s.图3显示的是在5种不同风速条件下，剩余胶带质量随时间的变化情况。

通过线性拟合的方法，可得到5条曲线的拟合线性方程，见表4.

从表4可知，各风速条件下胶带剩余质量随时间变化曲线的线性拟合精度很高，可用线性拟合方程描述实验曲线。对胶带质量W对时间t求导，即为胶带燃烧质量损失速率m，用式（2）表示

m=dWdt（2）

通过计算，得出5种不同风速条件下的胶带燃烧质量损失速率随风速变化曲线，如图4所示。

从图4可以看出，胶带燃烧的质量损失速率在风速0.4 m/s条件下出现极大值，即当风速为0.4 m/s时，胶带燃烧最快。主要是因为该风速条件下，燃烧胶带表面的熔融热解区反应速度快，受热软化的胶带迅速热解产生气体释放到了周围环境中。

2.1.2 巷道温度分布

胶带燃烧期间通过L1水平的温度探头对巷道不同点的温度进行监测，得到在不同风速条件下胶带燃烧60 s时巷道温度分布曲线如图5所示。

从图5可以看出，巷道监测点温度随着距火源距离的增加呈先升高后下降的趋势，且风速越低温度下降得越明显。距离火源点最远处，0.4 m/s风速条件下其温度最高，也表明此风速条件下火源热量扩散得相对充分。

综合考量胶带燃烧的质量损失速率及巷道温度场分布情况，可确定最佳巷道风速为0.4 m/s.

2.2 模拟巷道中温度场分布规律

巷道内烟气温度可以表征胶带火灾蔓延程度，也可表征火灾条件下巷道危险度。基于相似模拟实验平台，以最佳风速0.4 m/s作为试验通风，将试验胶带放置在实验平台内进行燃烧，并分别对胶带燃烧60 s内巷道火灾上风侧和下风侧的温度分布进行研究，以得到其温度分布规律。

2.2.1 下风侧温度分布规律

在胶带燃烧60 s内，火源下风侧L1和L22个水平的温度随时间变化规律如图6，图7所示。60 s时各测点的温度分布规律如图8所示。

从图6～7可以看出，模拟巷道内L1和L2两水平上所有温度测点的温度值均随时间呈先升高再趋于稳定的趋势;距离火源点越近，温度升高得越早。其中，距火源点最近的2个测点（1#和6#测点）的温度在实验开始的10 s内呈缓慢升高的趋势，之后趋于稳定，最后分别保持在25.1和25.2 ℃;其余测点温度随时间的发展呈快速升高再趋于稳定的趋势。

这主要是因为，对于1#和6#测点，在风流作用下，巷道内烟气沿水平方向运动速度快，且燃烧产生的热量随着烟气在垂直上升的过程中被风流迅速带走，热量在水平方向上传递较快，故距离模拟火源点最近的这2个测点的温度整体上较低，但又因这2个测点距离火源较近，故在热辐射的作用下，1#和6#测点温度出现小幅度升高。对于其余测点，巷道中的烟流主要会通过热对流的方式将热量传递到各测点位置，因此由于各测点距离模拟火源的水平位置不同，开始升温的时间也不同，即距离火源越近则升温时间越早。因而，据模拟巷道中各测点开始升温时间可得，巷道中烟气蔓延速度约为0.31 m/s.

从图8可以看出，L1和L2两水平上的温度变化规律相似，及随着距火源水平距离的增大，温度表现出先增大后降低的趋势，并分别在第3#，8#测点达到温度最大值。L2水平的温度均比L1水平对应的温度略高，巷道内所有测点的最高升温幅度ΔT为3 ℃.主要是因为，虽然高温烟气在蔓延扩散的过程中，受风流和浮力作用的共同影响，但在靠近火源点的这段巷道内，烟气受风速影响较大，热量主要随风流水平传递较大，故测点温度随测点距火源的距离的增大呈增大的趋势。当距火源点距离逐渐达到一定程度的过程中（此实验条件下为3#和8#测点位置），高温烟气受的浮力作用，会在垂直方向上逐渐蔓延到巷道拱顶，从而将提高测点水平的温度。由于高温烟气在蔓延扩散过程中，会不断与模拟巷道进行热传递，不断向外散热，风流热量逐渐减小，而且距离的增大也减弱火源的热辐射作用，因此越过3#和8#测点后，测点温度随距火源距离的增大呈降低的趋势。此外，L2水平的温度均比L1的略高，主要是因为高温烟气在向上蔓延的过程中，会与巷道壁进行热交换，导致烟气温度有所降低。

2.2.2 上风侧温度分布规律

在胶带燃烧60 s内，火源上风侧L1和L22个水平的温度随时间变化规律如图9，图10所示。

从图9，图10可以看出，靠近火源的1#和6# 2个温度测点有缓慢升温趋势，升幅较小约0.2 ℃左右;其余测点温度变化不明显。主要是因为在风流作用下，火源点上风侧的巷道温度受火源点热辐射的作用进行热量传递，距火源近的测点温度升高明显，距火源远的测点温度变化较小。

2.3 巷道内气体产物浓度场变化规律

胶带燃烧过程中，会产生大量CO2气体和CO气体。试验得到的气体浓度变化如图11，图12所示。

2.3.1 CO产生量随时间变化规律

从图11可以看出，随着试验的进行，胶带燃烧产生CO的量与时间呈近指数形式升高，并在45 s时达到极大值33 ppm，之后略有下降和波动出现，但基本保持的30 ppm.

2.3.2 CO2产生量随时间变化规律

从图12可以看出，随着试验的进行，胶带燃烧产生的CO2浓度曲线无极大值，且呈近似线性增大，从试验开始0 s时的400 ppm（空气中CO2浓度约为0.04%）增长到60 s时的2 579 ppm，此时胶带样品充分燃烧。

3 结 论

1）测定了多种风速条件下膠带质量损失速率和模拟巷道温度，确定了最佳风速为0.4 m/s.且该风速条件下，胶带燃烧的质量损失速度最快，质量损失速率最大、巷道内各测点的平均环境温度最高，对胶带燃烧的促进作用最为明显;

2）胶带火灾初期，巷道各测点温度随时间整体呈升高趋势;燃烧稳定时，随着距火源点距离的增大，巷道温度先升高后降低，即高温点不在离火源最近的测点;巷道内所有温度测点中，最高升温幅度为3 ℃;

3）火災发展过程中，巷道中CO和CO2浓度整体上呈不断升高趋势，但在火灾稳定后CO浓度值逐渐趋于一个稳定的区间，CO2呈继续增大趋势。

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