基于FDS 的细水雾抑制熄灭带式输送机火灾研究

李 贺 ，沈先华 ，田 丽 ，路洁心 ，鲁 义 ，曾 钢

（1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湘煤集团白山坪矿业有限公司 磨田煤矿，湖南 衡阳 421800）

随着矿井不断向大型化、机械化和自动化方向发展，带式输送机已成为井下运输的主力军。大量带式输送机的应用增加了发生火灾的危险性，为煤矿安全生产带来了安全隐患[1]。作为新型灭火技术的细水雾以其清洁、高效、成本低的优点被广泛应用[2-6]。DASGOTRA 等[7]应用FDS 软件等重点分析了细水雾粒径、流量、喷嘴高度及压力对扑灭油池火灾灭火效率的影响；JAYAWEERA等[8]验证了高雷诺数条件下的标度关系可以扩展到低雷诺数情况，得出了低雷诺数下雾滴粒径的最佳范围。我国对细水雾灭火技术的研究起步较晚，早期对于细水雾扑灭矿井火灾的研究主要集中在灭火机理方面[9-11]。近年来，越来越多的学者将研究重点转移到细水雾灭火的过程上来[12-14]。常新明等[15]提出小粒径细水雾通过吸热阻氧效应使燃烧反应速率降低，而大粒径水雾在火焰锋面无法完全汽化，易引起湍流增强效应使爆炸强度增强；刘俊奎[16]认为增大喷雾压力可以缩短灭火时间，提升灭火效果；邓琦等[17]认为细水雾粒径为250～400 μm，雾化角度为120°，流量为2.0～2.5 L/min，喷头高度为1 m 时灭火效果较理想；刘志鹏[18]提出采空区细水雾主要依靠工作面两端的压差，将细水雾带入采空区与自燃煤体产生热交换，吸收大热热量以实现明显的降温效果；赖鑫琼[19]通过数值模拟得出了不同喷雾参数下雾滴速度、粒径的变化情况。基于此，开展了模拟巷道中细水雾对扑灭带式输送机火灾的灭火过程，在改变雾滴粒径、喷雾流量、喷嘴间距的情况下，通过分析巷道内温度及灭火时间，研究不同参数对细水雾灭火效果的影响。

1 模型及参数设置

1.1 巷道模型

以江西省安源煤矿378 工作面为研究对象，该工作面位于矿井西翼3204 盘区3119 运输巷与3205 平石门之间，走向长度为250 m，倾斜长度为80 m，工作面面积为20 000 m2，378 出山复采工作面井下位置位于3119 运输巷和3117 运输巷之间，东边以700 m 保安煤柱线为界，西边以3117 补斗为界，上部有372 下段采空区。378 工作面巷道模型如图1。

图1 378 工作面巷道模型Fig.1 Roadway model of 378 working face

1.2 工况设置

根据巷道的实际尺寸建立了巷道的几何模型。火源大小为1.5 m×1.5 m，火源功率为3 MW。模拟共设置10 个热电偶以监测巷道内温度分布，以火源为中心，每隔10 m 设置1 个热电偶，距火源30 m 后，每隔30 m 设置1 个热电偶。温度切片设置在人眼特征高度（1.6 m）处。巷道风流方向设置为纵向通风，风速为0.25 m/s，模拟时间为900 s。在模拟细水雾灭火时，将反应设置为复杂化合物燃烧，燃烧材料为聚氯乙烯。喷头布置在主通风巷道顶部距顶板0.1 m 处。

为研究不同特性参数对细水雾灭火效果的影响，设置以下12 种工况，具体工况设置见表1。

表1 工况设置Table 1 Working condition setting

2 影响细水雾灭火因素分析

2.1 雾滴粒径对灭火效果的影响

对雾滴粒径为20、50、100、200 μm 的模型进行计算，不同粒径细水雾巷道内温度分布如图2。

图2 不同粒径细水雾巷道内温度分布Fig.2 Temperature distribution in different particle sizes

雾滴粒径大小对灭火效果有明显的影响。随着燃烧的进行，火灾范围不断扩大，巷道内温度升高且分布不均匀。在火源下风向的测点6 最先达到喷淋装置触发温度74 ℃，导致101.9 s 开始喷淋细水雾，随着液滴降落到火焰附近，火焰与雾滴进行对流换热，在两者的相互作用下，液滴吸收大量热量开始汽化，由于初始阶段细水雾吸收的热量远远小于火灾燃烧产生的热量，巷道内温度继续升高。257 s 时，测点6 升高至最高温度312℃，此时火灾燃烧产生的热量与细水雾吸收的热量相等，随着喷水量的增加，细水雾吸收的热量不断增大，测点6 温度开始下降。雾滴粒径为20、50、100、200 μm 时，分别在276、389、253、357 s 时上升到最高温度后开始下降，而温度差异最显著的测点3 在雾滴粒径为200 μm 时温度最高，为379 ℃，在雾滴粒径为100 μm 时温度最低，为286 ℃，说明雾滴粒径为100 μm 时降温时间比其他粒径降温时间快，最先使巷道内温度下降。不同雾滴粒径下灭火时间如图3。

图3 不同雾滴粒径下灭火时间Fig.3 Extinguishing time at different droplet particle sizes

2.2 喷雾流量对灭火效果的影响

为了研究喷雾流量对灭火效果的影响，模拟中设定雾滴粒径100 μm，火源功率3 MW，风速0.25 m/s 不变。GB 50898—2013《细水雾灭火系统技术规范》中提出，对于电缆隧道这类场所，当喷头的安装高度 ≤3 m 时，系统的最小喷雾强度为1 L/（min·m2）。根据此规定将喷雾流量分别设置为2、4、6、8 L/min，对这4 种工况进行数值模拟。不同喷雾流量时巷道内温度分布如图4。

图4 不同喷雾流量时巷道内温度分布Fig.4 Temperature distribution at different spray flows

从图4 可以观察到，随着喷雾流量的增大，细水雾快速吸收火灾释放的大量热量，导致火场内整体温度不断降低。其原因是喷雾流量的增大，导致细水雾粒子的大量增加，一部分细水雾粒子还未等到进入火焰就由于高温蒸发，而另一部分穿过火焰内径，进一步靠近燃烧物表面，吸收了带式输送机燃烧所释放的能量。因此，使燃烧物表面的温度得以下降，导致可燃物达不到其燃点而使燃烧终止。巷道内温度变化与喷雾流量成反比，喷雾流量越大，巷道内温度降低越快。其中流量为8 L/min 巷道内整体温度较其他工况降低最为明显。这是由于一定程度上的大流量细水雾能在火灾初期快速吸收并带走热量，使火焰温度迅速降低，从而影响整个巷道内的温度分布。

反映灭火效果的1 个重要因素就是灭火时间，灭火时间越长，火灾持续的时间越长，灭火效果越差；反之灭火时间越短，灭火效果越好。因此从灭火时间的长短来评判灭火效果的优劣。灭火时间即开始施加细水雾至火焰熄灭的时间，当温度达到燃烧物所需的临界温度后火焰停止燃烧。不同喷雾流量灭火时间如图5。

图5 不同喷雾流量灭火时间Fig.5 Fire extinguishing time of different spray flows

由图5 可以看出：在本次模拟中，火焰被彻底扑灭的时间分别为484.1、440.3、376.5、353.8 s；灭火时间随着喷雾流量的增加呈现逐渐减小的趋势；当喷雾流量为2～8 L/min 时，随着喷雾流量的增大灭火时间不断减小，这是由于随着流量的增加，细水雾蒸发吸热带走的热量不断增加，整个巷道范围内的温度也不同程度地体现了下降的趋势；喷雾流量为8 L/min 时，灭火时间最短为353.8 s，灭火效果最好；当喷雾流量为6 L/min 时，达到灭火效果的耗水量为27.46 L，8 L/min 的耗水量为33.6 L，仅比前者增加用水量6.14 L，灭火时间却提前了22.7 s，灭火效率大大提高。从温度和氧气体积分数来看，增加流量能够快速降低巷道内温度与氧气体积分数，显著提高细水雾对带式输送机火灾的灭火效率。虽然随着流量的增大，灭火所消耗的水量也有所增加，但与灭火效果带来的优点相比，耗水量的增量并不能够相提并论，因此为获得最理想的灭火效果，选取8 L/min 作为本工况下的最佳喷雾流量。

2.3 喷头间距对灭火效果的影响

为了研究喷头间距对灭火效果的影响，根据上文得出的结论，选取灭火效果相对来说比较明显的雾滴粒径100 μm、喷雾流量8 L/min 作为本节的参考数据。GB 50898—2013《细水雾灭火系统技术规范》中指出，在喷头安装高度 ≤3 m 的电缆隧道等应用场所，喷头的最大布置间距不超过3 m，其数量不应少于5 只。因此模拟中设置5 个喷头，分别对喷头间距为0.5、1.0、2.0、3.0 m 的4 种工况进行数值模拟。不同喷头间距巷道内温度分布如图6。

图6 不同喷头间距下巷道内温度分布Fig.6 Temperature distribution under different nozzle densities

由图6 可以看出，喷头间距的变化对巷道内温度有明显影响。101.9 s 时，喷淋装置开始启动，火焰与雾滴之间将进行对流换热，传递到水滴的热量用于提高温度并蒸发水雾，但细水雾吸收的热量还远远小于火灾燃烧释放的热量，因此温度持续升高且升高速率无明显变化。当升高到最高温度时，细水雾吸收的热量等于火灾燃烧释放的热量。此时随着喷水量的不断增加，细水雾吸收热量也不断增加，直到远大于火灾燃烧散发的热量，因此巷道内温度快速降低，当火焰区域的温度下降至燃烧所需的临界温度以下时，火焰将熄灭。通过观察图6 可以发现，随着喷头间距的减小，巷道内温度呈现不断升高的趋势，这是因为喷头间距越小，细水雾的喷射范围覆盖火灾范围越大，灭火效果越明显。而喷头间距过大，将会导致细水雾的喷射范围不能完全覆盖火灾范围，未被细水雾喷射到的火灾的范围不断扩大，无法达到理想的灭火效果。当喷头间距为0.5 m 时，巷道内温度降低最为明显，但0.5 m 与1 m 的稳定温度相同，均为20 ℃，最高温度也仅相差4 ℃，降温效果并无差别。但若选择0.5 m 的间距，每10 m则需安装20 个喷头，而1 m 的间距仅需要10 个喷头，经济成本降低一半，考虑到经济适用性选择1 m 的间距作为最佳参数。

不同喷头间距下灭火时间如图7。

图7 不同喷头间距下灭火时间Fig.7 Fire extinguishing time at different nozzle spacing

由图7 可以观察到，喷头间距的差异对灭火效果影响非常明显。相同条件下，灭火时间与喷头间距呈正相关，喷头间距越大，灭火时间越长。当巷道中喷头间隔3 m 时，灭火时间最长，为326.6 s，当巷道中喷头间隔0.5 m 时，灭火时间最短，为239.9 s。随着喷头间距的增加，灭火时间延长，这是由于增加喷头间距增加，单位距离内的喷水量随之减小，水滴吸热蒸发带走的热量显著减少，巷道内温度降低较慢。同样可以看出，随着喷头间距的减小，灭火时间虽有所降低，但其降低的速率也有所差别，a段（即喷头间距由0.5 m增加至1 m 时）灭火时间降低速率最大，c段次之，b段最小，因此模拟设计的工况中当喷头间距为0.5 m 时灭火时间最短且效率最高。由于间距为0.5 m 时细水雾的降温效果不明显，不如间距为1 m的细水雾系统，又考虑到经济成本等因素，喷头数量增加会提高细水雾系统的安装成本，因此选择喷头间距为1 m 作为其最佳参数。喷头间距＞3 m的工况未做相关研究，但可以推断出喷头间距超过一定数值时，灭火时间增加，但实际应用中不应只依靠灭火时间1 个因素来选取最佳喷头间距，无限增加喷头数量会提高工程成本，应综合考虑灭火时间与灭火时间降低速率，选取灭火时间降低速率较大且喷头数量较少的方案，有利于降低成本，增加方案的实用性。

3 结 语

1）细水雾对于扑灭带式输送机火灾有明显效果。在雾滴粒径为100 μm，喷头流量为8 L/min，喷头间距为1 m 的细水雾灭火过程中，细水雾的冷却降温效果显著，对扑灭火灾起到关键性作用。因此在带式输送机火灾中应用细水雾灭火优选雾滴粒径为100 μm，喷头流量为8 L/min，喷头间距为1 m，以快速扑灭火灾。

2）相同流量下，在一定范围内，灭火时间与雾滴粒径大小成反比，雾滴粒径越小，蒸发速率越快，灭火效果越好。

3）相同雾滴粒径下，喷雾流量越大，灭火效果越好。当喷雾流量足够大时，吸热降温是决定灭火效果的关键因素。

4）相同雾滴粒径与喷雾流量下，喷头间距大小对灭火效果影响显著。在一定范围内，灭火时间随着喷头间距的增加而变大。理论上喷头间距越小灭火效果越好，但考虑到经济成本，应结合实际选取最优喷头间距。