基于數值模擬的礦井火災疏散路徑選取研究＊

武 爽 季經緯 趙 平 葉珊珊

（1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008）

礦井火災是煤礦的主要災害之一，根據統計數據，在全國國有大型煤礦當中，具有自然發火危險性的礦井約占到總礦井數的50%。通常礦井發生火災與煤礦瓦斯爆炸、突出等相互作用，從而導致更為嚴重的二次災害。礦井特殊的地質環境、復雜惡劣的疏散路線，嚴重地制約著礦井火災發生時的人員疏散。一旦發生火災，井下礦工難以第一時間獲得逃生信息，存在很長的疏散延遲時間，疏散時間的延長進一步造成人員疏散的困難。人員在逃生過程中受到傷害的原因主要來源于火災過程中所產生的煙氣。這些煙氣包括一氧化碳、二氧化碳等，都能造成人員呼吸困難和其他中毒癥狀。最為困難的是產生的煙氣致使疏散路徑的能見度迅速下降，進而影響人員疏散。因此，研究礦井火災中煙氣的蔓延方式是探究礦井火災人員疏散的重要手段。

季經緯推導建立了礦井發生火災過程中風流速度、煙氣中毒性氣體體積濃度與火源熱釋放速率及能見度的關系式，并提出了礦井火災過程中火場能見度的簡單估算方法。周福寶等人模擬了礦井火災煙流滾退距離的相關行為，通風風速和火源熱釋放速率是影響煙流滾退距離的兩個重要參數。張敬瑤等對煤礦井下人員疏散進行了計算機仿真模擬，證實采用人員疏散模擬技術對礦井人員流動和疏散行為進行研究是可行的。本文是針對某礦井發生火災之后，利用FDS軟件來分析煙氣蔓延情況、一氧化碳的濃度、煙氣溫度、能見度等，為礦井發生火災時制定相應的預案和人員安全疏散提供依據。

1 礦井火災模型

鑒于礦井火災真實的煙氣蔓延過程難以觀察和測量，在此運用火災模擬軟件FDS來計算發生在礦井中的煙氣運行過程，選取某個礦井作為模擬對象，來探究礦井火災發生時人員疏散路徑的選取等。

1.1 礦井概況

模型選取了某礦井的巷道采掘圖，見圖1。該礦井有兩個采掘工作面，巷道總長度為1050m，工作面寬度為350m，兩條斜井進新風，污風從采場出來，匯集到回風井排出。

圖1 某礦井巷道圖

1.2 FDS模型建立

為了適應FDS建模的需要，要求對相應的圖形做簡要的處理，以便能將現實的工程與處理的模型達到高度耦合，一方面簡化了無關結果的繁瑣性，使計算量在可控制范圍內，而又不影響計算，提高了計算效率；另一方面可以使計算模型更為符合實際工程，更好地為工程應用服務。模型的處理是多方位的，包括網格的數量、火源的設置、風機參數的設定等等。

1.2.1 網格的設置

礦井巷道縱橫交錯，巷道呈斜坡狀向下延伸，如果直接在巷道附近設置網格，勢必造成網格數量巨大，計算難以進行，為此對巷道進行適當簡化，考慮到該礦井坡度為1∶10，坡度較小，可以將坡度影響煙氣蔓延的因素加以縮小，故將坡度較小的主副斜井視為水平巷道。主副斜井的寬度為7m，其他巷道為4m，巷道整體高度為3m。距離火源較大的巷道網格大小設置為1m×1m×1m，在設置火源附近的網格時，為了提高計算精度，需要通過計算來確定網格的大小。

火源附近的網格大小受初始火源特征尺寸D＊控制：

報告從四個方面展開，首先介紹國家的一些相關政策和新要求，其次對圖書館目前的發展現狀和服務進行論述，再次從新技術的角度介紹國內外的一些實踐以及西安電子科技大學圖書館的實踐，最后對于提升圖書館傳統服務提出總結和建議。

式中：D＊——火源特征尺寸，m；

Q——火源功率，kW；

ρ∞——空氣密度，kg／m3；

cp——恒壓比熱，kJ／（kg·K）；

T∞——環境溫度，K。

通過查閱一系列的文獻資料，將火源熱釋放速率設為5MW，代入式（1），可以計算得到D＊＝1.99，一般來說，火源附近的尺寸為0.1 D＊時，計算結果接近理想值，為此，我們將火源附近的尺寸設置為0.2m。這樣一來，設置的網格總數目為546080。

根據《煤礦安全規程》可知，主要進、回風巷的最高允許風速為8m／s；運輸機巷，采區進、回風巷的最低允許風速為0.25m／s，最高允許風速為6m／s。故將模擬的主副斜井風速設置為4m／s，回風巷風速設置為5m／s。

1.2.3 引燃材料的設定

模擬機電硐室內由于短路導致電纜燃燒，最終引起機電設備的嚴重火災，所以將引火源設定為橡膠，即FDS的反應物（Reaction）為橡膠。

1.2.4 火源位置的設定

如何設置火源位置是模擬過程中一個很重要的因素，為了使模擬更具典型意義，將火源設置在最危險的位置，即位于兩個采掘工作面之間，火災發生時對兩個工作面都有影響。

1.2.5 探測器的設定

主要設定了一氧化碳體積分數探測器（CO Volume Fraction）、溫度探測器（Temperature）以及能見度探測器（Visibility），目的是通過對這些火災煙氣特征量的探測來預見疏散的安全路徑，總共在8個位置設置了探測器，各探測器的分布如圖2所示。

1.3 模型各部分的功能概述

煤礦火災模擬的整個模型見圖2，為減少計算量，在不影響計算結果的情況下，模型中將回風巷簡化為回風通風機，起到回風的作用，但不需要計算網格。模型共有兩個工作面，探測器設置在整個礦井巷道之中，包括測點1、2、3、4、5、6、102和402號，負責測定各點的能見度、一氧化碳濃度、溫度等，火源設置在兩個工作面之間的一處聯絡巷中，其中火源大小設置為5MW，在此處設置能夠突出火源作為最危險性情況的特征，避災硐室位于離火源左側最近的聯絡巷內，回風風機布置在兩個工作面右側的回風巷道盡頭，新風從模型最右側的兩條主副斜井進入，由回風風機將污風排出。

圖2 模型示意圖

2 模擬結果及討論

考慮到礦用自救器的使用時間為25～40min，礦井發生火災后人員可以通過使用自救器來避免有毒煙氣的侵入，進行逃生。因此模擬總計進行2400s，分別對煙氣蔓延、一氧化碳濃度、能見度和溫度來進行分析說明，探討與疏散相關的效應。

2.1 煙氣蔓延

通過對煙氣蔓延情況的模擬，可以看到，在火災發生之后，如果仍然采用普通的通風方式，煙氣會不斷地涌入工作面進、回風巷道，即使人員佩戴自救器，由于自救器不是對外封閉的一個呼吸系統，煙氣中的某些有害氣體諸如CO等會漏入呼吸器中，造成人員疏散的困難。煙氣蔓延圖見圖3。

圖3 普通送風狀態下600s煙氣蔓延圖

由于工作面距離主副斜井350m，通過大量的試驗得到人員在井下行走的速度為1.11m／s，因此這段距離人員需行走315s，而在發生火災后人員對于災害的響應時間由于沒有文獻可以查到，參考建筑中對于人員響應時間的描述，在此可設為10min，這是一個較為保守的數字，因此綜合考慮，人員從工作面到達主副斜井的總時間約為900s。

正常通風狀態下402測點CO濃度變化見圖4，在CO濃度變化曲線中，橫線對應安全規程所規定的CO濃度上限0.0024%，可以看出，780s時測點402位置其CO濃度就已超過上限值，人員通過此處具有一定的危險性。即處于2號工作面的井下工作人員無法沿著進風巷及主副斜井進行疏散，而1號工作面的人員可以沿著進風巷與主副斜井進行疏散。

圖4 正常通風狀態下402測點CO濃度隨時間變化曲線

針對2號工作面人員在火災發生時無法從進風巷疏散的問題，利用反風來進行疏散，反風狀態下402測點CO濃度變化見圖5。

圖5 反風狀態下402測點CO濃度隨時間變化曲線

很明顯，采用反風之后，測點402位置的CO濃度在火災發生后的40min內均未達到上限值0.0024%，人員可以安全地通過該區域達到安全狀態。即采用反風方式進行通風后，輔助回風巷和回風巷煙氣很難侵入，有助于人員從回風巷中進行疏散。

2.2 能見度結果

對于1號工作面而言，在火災發生后，人員可以在很充裕的時間內從回風巷安全疏散，而對于2號工作面，在普通通風狀態下，回風巷道附近的402測點能見度在700s時下降很快，在780s即達到能見度為10m的危險數字。采用反風之后，能見度基本不發生變化，即2號工作面的人員能夠安全通過回風巷，兩種通風狀態下能見度隨時間變化曲線見圖6。

圖6 兩種通風狀態下能見度隨時間變化曲線

3 結論

（1）針對所模擬礦井，研究了人員在火災過程中的疏散狀況。發現在普通通風狀態下人員很難從進風井安全疏散，這主要是由礦井通風狀態決定。對于發生在主副斜井之中或是進風巷的火災，由于新風的不斷擠入，使火災成為一個受燃料控制的火災。而在礦井內燃料豐富，導致火災難以衰減，風助火大，火災難以撲滅，且煙氣會隨著風流進入工作面進風巷，切斷井下工作人員沿原路返回的道路。

（2）驗證了反風對于礦井火災人員疏散的有效因素，發現反風能夠減小回風巷道中煙氣密度以及CO濃度，增大巷道中的能見度，為人員從回風井疏散提供保證?；鹪次恢秒x進風口越近，反風效果越好，越能有利于人員安全疏散。

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