矿井火灾灾变时期风流控制技术探析

乔居斌

（滨州学院机电工程学院 山东·滨州 256600）

在煤矿灾害中，矿井火灾是常发生的灾害之一，一旦发生就容易造成巨大的人员生命财产损失。因为其具有突发性，发展趋势比较迅猛，在救援过程中会遇到难以预估的困难，比如会受到风流等影响，从而导致灾难现场极易发生混乱，甚至会改变整个矿井的通风情况。同时，在火灾发生后，还有可能在矿井中产生有害甚至有毒的气体，经过风流传播，还可能会对整个生产区域造成空气污染，不但会损害矿井工作人员的生命健康甚至还会对附近区域的居民造成生命健康威胁。

如果可以利用自动风门等工程器械，对矿井的风流在正常期间进行远程控制，那么当矿井发生火灾时，燃烧产生的烟雾等气体会通过工程师预先设置好的专门的回风巷道按照预定的控风方案排出，并作出异常警报，从而及时让工作人员发现火灾的发生。这样就能够有效的防止火灾产生的烟气污染影响扩大化，将火灾的影响范围控制到一定的可控程度。这样不仅可以给救援人员一定的救援时间，还可以对工作人员的救援逃生避灾提供科学有效的指导，从而达到降低人员伤亡和财产受损的救援目的。

1 矿井火灾灾变时期风流控制概述

在矿井可能发生的灾害中，火灾无疑是危害最大的灾害之一。因为火灾的火势在矿井中的发展十分迅速，变化十分复杂，一旦处理不及时，甚至会引发瓦斯爆炸，对矿井工作人员和生产区域的居民造成生命健康威胁和财产资源损失。因此，对于矿井中可能会发生的火灾问题进行有效的预防，并找到及时有效的救援方案，保证煤矿的生产安全是十分有必要的。

矿井井下的工作环境十分独特，空间比较狭小，视野十分受阻，地下环境未知，风流有限，通风巷道错综复杂。同时在井下甚至还存在着大量的易燃易爆物质，一旦通风巷道受到火势影响，火势就容易不受控制发生蔓延，甚至产生新的火源。通常火灾事故的发生主要受以下几方面影响：一是火灾会产生大量有毒气体，会造成工作人员中毒，同时这些气体还会随着空气流入到其他场所，造成更大的污染；二是井下空间狭小，火灾扑灭工作较难。井下的通风情况复杂，灭火措施难以实施，灭火救灾时间较普通火灾来说比较短；三是火灾会产生高温，为瓦斯等易燃易爆物质提供了条件。井下作业场所中混有很多易燃易爆物质，比如瓦斯、煤尘等，甚至还存在一些未知物质，一旦发生爆炸，就会扩大灾情、造成更大的伤亡；四是火灾甚至会引起井下的风流方向变化，从而产生井下风火压，让井下的通风系统失去控制，为救灾工作造成难以预估的困难和危险。

基于以上原因，国内外对于矿井火灾的研究已经有了很多。主要集中在以下几方面：矿井火灾灾后风流状态、火灾检测技术、矿井火灾时期风流模拟技术、火灾时期风流控制技术等。尽管国内外的研究已经取得了一些进展，但是井下火灾问题的成因和影响十分复杂，以往的研究很难进行有针对性的推广。井下火灾主要是通过井下风流的变化表现出来的。于是我们可以通过对井下通风系统进行灾变前的预处理和灾变后的及时控制来对井下火灾进行控制和救援。本文主要通过分析火灾时期风流的流动规律，构建合理的物理模型进行分析，将矿井通风系统和自动控制技术结合起来，以此避免矿井火灾的危害扩大，同时有效提升矿井工人的生命健康安全保障。

2 矿井火灾中的模型及数据分析

矿井通风系统复杂多变，在井下生产工作中处于实时工作状态，但是由于火灾发生后各处灾情的危险程度是不一样的，而且发生火灾的位置具有随机性，所以不可能通过实验对火灾发生和发展情况作出准确了解和判断。同时又由于模型只是对局部问题进行模拟，模型结构比较单一，因此模拟的结果不能反映出不同巷道的情况，模拟结果不具有完全的代表性。本文是根据火灾燃烧的基本理论，结合井下的实际情况，科学地对风流状态流场、热传导温度和火灾污染物组成进行模拟。

2.1 风流状态模拟

井下巷道是一个复杂的网络系统，担负着井下的运输工作，同时也为井下工作人员提供了新鲜空气。一般在通风系统中常见的紊乱形式有以下几种：旁支风流逆转、主干道风流烟流逆退、烟流滚退。

在理想气体的假设中，气体分子之间存在着范德华力和分子碰撞的影响，分子相互运动时还会产生摩擦力，当流体间发生相对运动时，会产生粘性阻力来阻止这种相对运动。因此在模拟火灾气体流场时，可以不考虑空气分子的内摩擦力和可压缩性，将空气假设为理想气体。同时还要将火灾时期的风流在宏观层面上假设为三维恒定流体。

2.2 火灾热传导温度模拟

火灾主要通过火焰蔓延、热传导、热对流和热辐射的形式传播。这些形式可以单独出现，也可以几种形式共同存在。在矿井发生火灾时，场所相对封闭，产生的温度不易散去排出，会使巷道内温度大幅度上升。

火灾时温度较高的烟气会沿隧道纵向蔓延，同时会与周围环境发生热交换。我们可以预先将温度场假设为纵向分布，隧道火灾下游区域燃烧生成的热量为零，烟流在距离火源某处的温度与整个巷道的宽度一致；烟流具有不可压缩性；流动是一种稳定的状态，是理想气体的运动方式。

火灾风流的流动分为空间流动和时间流动。热交换的过程是一种不稳定的过程，与时间和空间都有关系。同时风流和巷道热交换还要考虑到围岩的性质、风流速度、巷道形状等。温度场的纵向分布影响主要是与距离火源的距离有关。横向规律是巷道顶部高，底部低。通过确立温度的横向及纵向分布规律，从而确定人救援逃生的依据。

2.3 火灾污染物模拟

近年来，我国煤矿井下发生的特大火灾事故主要是胶带运输巷道的火灾。主要产生的火灾污染物分为两大类，一是气体污染物，另一种是固体颗粒污染物。为了简化模拟，可以将火灾中的主要污染物认为是CO、CO2和HCL为主，而固体颗粒污染物主要是降低环境能见度的作用。

火灾发生的不同阶段，污染物的成分和组成也是不同的。根据实验，可以将火灾发生的三个阶段的气体成分分别进行分析模拟。同时，火灾燃烧的不同阶段污染物产生的速率也是不同的。根据以上模拟数值，再结合风流供应源源不断的特点，我们可以得到胶带运输系统火灾数值模拟的模型和方程。

3 火灾时矿井风流控制分析

3.1 胶带运输系统模型

结合胶带巷火灾的特点，选取典型的火灾情况来构建胶带运输模型。要充分考虑矿井巷道的特点，客观反映典型火灾。合理确定火源形式。建模时选择有代表性且条件比较复杂的巷道作为分析模型，建立两种模型，一种是未采用控风系统的模型。另一种是采用风流短路后的模型。为了方便计算，还要将系统进行充分简化。

3.2 设定条件

火灾发生的场景不同，火灾的强度也是不一样的。由于胶带巷发生火灾的主要部位是运输部分，不会构成特大规模火灾，所以根据正常通风时的条件设置初始值即可。

3.3 风流控制的原理及设备

根据胶带巷中燃烧时的产物，可以利用CO和烟雾传感器，然后设置临界值作为系统的信号源，当达到临界值时，警报器发出警报，同时启动控制器从而达到预定的风流控制方案和远程控制目的。

风流控制系统主要分为四个部分，分别是信号采集、智能终端、报警系统、远程控制系统。在矿井灾变时会发生气体异常，预警系统会发出警报。利用单片机等设备构建智能终端程序，接受和处理报警信号。然后报警系统发出警报，让巷道中的工作人员尽快撤离。而远程控制系统的控制中心主要分为井上和井下两部分。当监控到灾变时，人为控制自动风门的开关，当灾变结束后再人为恢复到灾变之前的状态。

4 矿井火灾灾变时的救援与疏散

4.1 人员救援疏散与逃生

在巷道发生火灾时，人员逃生主要取决于两个方面，火灾对于人员产生伤害的时间和人员到达安全场所所需要的时间。在选择逃生方案时，主要涉及到疏散途径的结构、周围环境、逃生经验和个人素质等多种因素共同作用。在逃生过程中，由于报警设备在烟气达到预警值时已经发出警报，这期间人员听到警报后已经开始疏散，可以在逃生疏散通道设置逃生装置。

国家规定，紧急避险系统是煤矿必备系统之一。发生火灾时要采取风流短路的方式进行风流控制。此外在上山通道建立避难救生舱。因为温度对人员的影响范围有限，所以主要考虑CO的运移规律对逃生避难救生舱的位置进行分析。

4.2 建立胶带巷道火灾风流控制系统

通过对模型数值的模拟，和对巷道内气体污染物的运动分析，可知控风方案具有一定的可行性。可以通过设置自动风门、CO和烟雾传感器、声光报警器和避难救生舱并结合人员疏散速度来建立胶带巷的火灾风流控制系统。

5 总结

矿井火灾时煤矿五大灾害之一，火灾一旦发生会产生大量有毒有害物质，如果不加以控制，火灾将会造成更大、更严重的后果。本文在现阶段已有的研究基础上，通过建模分析火灾时胶带巷的通风状态，为建立风流控制系统提供了指导依据。本文主要是分析了胶带巷发生常见的火灾时的风流控制技术。但由于实际火灾发生时的复杂性，还有很多问题需要更加深入地分析。