膠帶運輸巷水幕抑制火災煙氣效率影響因素實驗研究*

祁 云， 齊慶杰，汪 偉，周新華

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 葫蘆島 125000；3.遼寧工程技術大學 建筑工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

煤礦井下膠帶運輸巷發生火災常由于膠帶與滾筒等摩擦引起，火災傳播速度快且伴隨大量有毒煙氣，僅靠加強通風無法把有毒煙氣降低至安全體積分數范圍，嚴重威脅井下工作人員生命安全[1-2]，合理的阻煙技術及裝備，能夠有效地降低有毒煙氣的體積分數，減少人員傷亡。針對傳統的阻擋煙氣技術如擋煙垂壁、正壓送風排煙等對于火災有毒煙氣的疏散效果不佳[3-4]，且不具備反復使用的問題。設計1種簡單、可靠、可反復使用的環保型阻煙裝置十分必要。為此，Palazzi等[5]采用數值模擬與試驗相結合，進行了水幕抑制及阻擋煙氣擴散的有效性研究，得出水幕抑制和阻擋氣體擴散的機理；武昕等[6]利用Fluent軟件對水幕抑制丙烷氣體擴散進行了數值模擬，得出水幕的阻擋作用、機械湍流作用及空氣卷吸作用對丙烷的擴散起到良好的抑制作用；展望等[7]利用FDS軟件分析細水幕的施加方式對建筑長廊中煙氣的阻斷效果，得出細水幕能夠有效地阻斷煙氣擴散，稀釋有毒煙氣，增大長廊能見度，減緩氧氣的下降速率；董惠等[8]構建大尺度全尺寸實驗系統，研究了水幕代替防火門對火災煙氣的阻隔情況，研究表明水幕能夠阻擋火災煙氣并且能夠明顯地降低煙溫；孫鋮等[9]通過敞開空間水幕稀釋阻擋CO2擴散試驗，對水幕稀釋阻擋非水溶性重氣擴散的影響因素進行了無量綱分析，并基于分析結果提出了水幕設計建議。

水幕是一種國內外公認的能夠有效控制氣體泄漏的安全技術，對于水幕控制重氣擴散的規律和機理雖進行大量研究，但是大部分集中在開放空間，而井下受限空間中的水幕控制氣體擴散研究較少。為此，本文基于水幕冷卻降溫和稀釋阻擋氣體擴散作用原理[10]，提出了在礦井運輸巷內利用水幕抑制火災煙氣擴散的方法，并利用自行研發的小尺寸實驗系統研究影響井下受限空間中水幕阻煙性能的因素，為煤礦井下火災煙氣的有效控制提供指導。

1 水幕阻煙機理

火災煙氣顆粒物理性質的變化與其積聚、吸附、凝結、吸附及化學反應等作用密切相關，改變其中1種作用過程就可以有效控制火災煙氣的傳播過程，而在水幕中，不僅存在著水蒸氣的蒸發、凝結及體積分數變化造成的擴散現象，還存在氣溶膠動力學、云物理學、顆粒團聚等各種動力學現象，這都對煙氣顆粒的捕集起到重要作用，此外，水幕阻煙的效果受水幕寬度、水滴粒度、水滴流速等因素的影響[11]，水幕阻煙模型如圖1所示。水幕阻煙過程包括以下方面：

1)水幕與火災高溫煙氣熱量交換，高溫煙氣中的熱量被水幕吸收，導致高溫煙氣熱浮力作用衰減，從而降低了高溫煙氣的水平方向蔓延擴散的動力源，降低了火災對下游區域的熱輻射。

2)水幕水滴的流動速度遠大于火災高溫煙氣擴散速度，水幕能量密集度高，在其設置截面上形成具有一定剛度的水幕墻，火災煙氣流與水幕墻相遇會隨水幕偏轉，煙氣在水幕的阻攔作用下運動方向發生偏轉，延緩了火災煙氣對水幕下游空氣的污染。

3)火災煙氣顆粒物與水幕液滴發生碰撞、吸附、凝聚等作用，形成粒子團，由于粒子團體積和重量比較大，在重力和水滴流動慣性共同作用下加速沉降，阻斷了煙氣粒子水平傳播距離。

圖1 水幕阻煙模型示意Fig.1 Schematic diagram of smoke blocking model by water curtain

2 小尺寸模型相似準則

為了確保小尺寸模型實驗結果與實際結果一致，需要對實驗中各物理參數進行相似性分析。由于礦井巷道空間與小尺寸狹長通道空間發生火災時巷道內煙氣運移特性遵循時間相似、幾何相似、運動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關系，適合采用弗洛德相似準則[13]，具體相似關系見表1，其中L表示長度，下角標m和f分別表示模型尺寸和原尺寸。

3 實驗裝置及測點布置

3.1 實驗系統

實驗系統主要由模擬火災煙氣釋放裝置、小尺寸狹長巷道、水幕噴射裝置、數據采集系統4部分構成，其中數據采集系統包括溫度采集裝置、煙氣分析儀2部分，如圖2所示。以平煤十礦24100工作面膠帶運輸巷為原型，采用弗洛德相似準則建立1∶10的狹長空間比例模型實驗臺，實驗臺長5 m，高0.6 m，寬度0.4 m，兩端口均開放。其中頂底板采用12 mm厚的耐火石膏板；兩面側壁，一面采用與頂底板相同的耐火板，另一面采用10 mm夾絲防火玻璃以便于觀察、記錄水幕對巷道內煙氣的流動過程。由于運輸巷風速接近自然風速，實驗時選擇自然通風，在實驗臺頂棚距入口端1～2 m處預留水幕裝置安裝槽，水幕位置可以移動。為了防止高壓水霧撞擊實驗裝置底板造成氣體卷吸回流，在水幕安裝槽下方設置了開孔。整個實驗臺由白鋼架構，為避免框架結構對火災煙氣流運動的影響，板材與防火玻璃鑲嵌在鋼架內部，并通過螺栓固定，外加涂抹防火膠保證通道的氣密性要求。火源燃料選擇純度為95%的甲醇，將其盛放在不同規格的油盤里，可以模擬狹長通道不同規模火災下燃燒初期、發展、穩定及衰減的整個過程。溫度測量采用20個直徑為2 mm的K型鎧裝熱電偶，測量溫度范圍為-50～1 200℃。溫度采集系統包括3塊8路熱電偶輸入的C-7018模塊、數據轉換器(型號為C-4561)、溫度數據采集軟件、PC機。水幕系統由供水系統、噴頭、壓力表、閥門和流量計組成，實驗采用的噴頭為ZSTM-15A型扇形噴頭和ZSTWB-34/60型錐形噴頭，流量系數均為38。氣體體積分數采集系統由MRU煙氣分析儀檢測巷道內氣體的體積分數變化。

表1 小尺寸實驗模型尺度關系Table 1 Scale relationship of small-scale experimental model

圖2 小尺寸巷道水幕抑制煙氣實驗臺Fig.2 Small-scale experimental bench for smoke suppression in roadway by water curtain

3.2 數據采集系統

實驗共布置4組熱電偶(編號A0，B0，C0，D0)、5組氣體體積分數測點(編號A1，B1，C1，D1，E1)，如圖3所示。每組測點樹上的熱電偶或煙氣體積分數分析儀均自上而下每隔100 mm依次布置。共計36個熱電偶，45個煙氣體積分數分析儀。水幕兩側熱電偶樹距水幕400 mm，煙氣檢測儀距水幕分別為1.4，2.9，4.4 m，熱電偶樹(A0，D0)和煙氣檢測儀(A1，B1，C1)布置在巷道中軸線上，其余的熱電偶樹和煙氣檢測儀均布置在巷內左側，與中軸線水平間距為100 mm。

圖3 熱電偶及煙氣檢測儀布置方式Fig.3 Layout of thermocouples and smoke detectors

3.3 實驗過程

點燃油盤中的甲醇，火源功率約為85 kW。點火后第120 s開啟水幕。實驗過程中通過36個熱電偶、45個煙氣體積分數儀實時采集各個測點的溫度和煙氣體積分數，利用高清攝像儀實時記錄煙氣運動情況。實驗主要分為有無水幕分隔2種工況，測量和記錄水幕開啟前后巷道內溫度、煙氣流動等數據，為了研究水幕對火災煙氣的阻擋效果分別從水幕距煙氣源位置、水幕噴射方式、水幕層數、噴頭壓力及類型方面進行實驗。通過計算水幕吸收效率比較水幕不同設置情況下的稀釋阻擋能力[13]，水幕的吸收效率數學表達式為η=(ψ0-ψ1)/ψ1，式中：η為吸收效率，%；ψ0為水幕未開啟時的煙氣體積分數，%；ψ1為水幕開啟后的煙氣體積分數，%。

4 實驗結果分析

4.1 煙氣溫度分布

點火后待煙氣穩定冒出時開啟水幕，實驗噴頭選用ZSTM-15A型扇形噴頭和ZSTWB-34/60型錐形噴頭2種類型進行對比實驗，噴頭工作壓力均為0. 4 MPa，如圖4所示。圖4中，無水幕作用時，火區A0熱電偶樹溫度自上至下呈現先急劇下降再緩慢降低至相對穩定的規律；有水幕作用時，上層測點降溫效果更明顯；相反下層測點在水幕開啟后由于水幕對煙氣的阻擋和卷吸作用導致頂板煙氣下沉造成下層區域溫度出現了上升趨勢。下層區域溫升對人員危害較小，但是火災煙氣下沉會導致其體積分數升高影響人員安全疏散。

圖4 水幕作用下煙氣溫度分布Fig.4 Temperature distribution of smoke under effect of water curtain

4.2 煙氣運移規律分析

水幕設置條件對不同測點處的煙氣體積分數的影響，見表2。分析可得，巷道中設置水幕時各測點煙氣體積分數明顯低于無水幕時各測點煙氣體積分數，說明水幕對煙氣具有明顯的阻擋作用。另外無水幕時同一測點樹中所測得煙氣體積分數隨著測點距離底板距離的減小而升高，說明火災煙氣具有明顯的重力沉淀作用；但是水幕開啟后同一測點樹中測得煙氣體積分數隨測點距底板距離的增加而降低，這說明水幕對煙氣具有向上的卷吸作用。實驗中由于2個噴頭噴射水幕中間時具有重疊區，水幕重疊后會導致水幕孔隙率降低，煙氣更難穿過，測點樹B1，C1位于水幕重疊區的后方，所測煙氣體積分數低于測點樹D1，E1。設置雙層水幕時A1，B1，C1所測煙氣體積分數低于單層水幕時其所測 煙氣體積分數，但D1，E1所測煙氣體積分數較單層水幕時高，分析其原因可能是雙層水幕時細水幕顆粒增多對煙氣的二次抬升作用增強，還需進一步實驗驗證。

表2 不同水幕設置條件下各測點處煙氣體積分數Table 2 Smoke volume fraction at each measuring point under different setting conditions of water curtain %

4.3 水幕距火源距離對阻煙效果的影響

水幕與火源間距離對煙氣阻擋情況如圖5所示，分析可得，水幕距火災煙氣1 m時測點樹上各測點煙氣體積分數高于水幕距火災煙氣1.5 m時測點樹上各測點煙氣體積分數。水幕距火源1.5 m時煙氣體積分數隨測點位置變化較水幕距火源1 m時煙氣體積分數變化平緩。水幕距火源較近時火災煙氣運動到與水幕接觸時動能較大，不易被水幕驅散而穿過水幕，導致水幕后方煙氣體積分數較高，由于火災煙氣具有趨頂棚傳播的特點，測點距頂棚越近所測煙氣體積分數越高。因此，水幕對同一測點樹處火災煙氣的阻擋效果隨水幕距火源的距離增加而升高。同一測點樹處所測煙氣體積分數隨測點位置的升高而增加，但升高速率隨水幕距煙氣源距離增加而降低。綜上，此次實驗中水幕距火災煙氣源1.5 m時擋煙效果較水幕距火災煙氣源1 m時高。

圖5 煙氣體積分數隨水幕距火源距離變化Fig.5 Variation of smoke volume fraction with distance between water curtain and fire source

4.4 水幕水流噴射方向對阻煙效果的影響

設置單層水幕，距水幕火源1.5 m時，水幕水流噴射方向不同時水幕阻煙效果如圖6所示，水幕水流向上噴射時測點檢測到的火災煙氣體積分數低于水幕水流向下噴射時測點檢測到的火災煙氣的體積分數。水幕開啟后，水幕對其附近的火災煙氣具有與水流同向的卷吸作用。水流向上噴射時，水幕對火災煙氣的向上的卷吸作用增強了煙氣沿頂棚運動的趨勢，頂棚附近煙氣體積分數明顯偏高，但由于水流向上噴射時水分子顆粒在噴水壓力作用及克服重力作用下減速運動，導致分子間碰撞次數增多，水幕孔隙率下降，煙氣不易穿透水幕，所以同一測點樹的各測點煙氣體積分數緩慢上升。水流向下噴射時，水分子在重力和噴水壓力的協同作用下加速運動，導致水幕孔隙率升高，煙氣較容易穿透，同一測點樹的不同測點處煙氣體積分數加速上升。水幕水流向下噴射時，巷道內各測點火災煙氣體積分數低于水流向上噴射各測點煙氣體積分數，水流向下噴射阻煙效果較佳，更適于火災煙氣治理。

圖6 煙氣體積分數隨水流方向的變化Fig.6 Variation of smoke volume fraction with water flow direction

4.5 水幕層數對阻煙效果的影響

實驗中單層水幕設置距火源1 m，在其后另加1層水幕形成雙層水幕，2水幕間距0.5 m。水幕層數對煙氣體積分數的影響如圖7所示，單層水幕時，測點樹C1和D1測得煙氣體積分數分別低于測點樹B1和E1測得的煙氣體積分數。而設置雙層水幕時結果剛好相反，雙層水幕對煙氣具有向上的提升作用，使得煙氣能夠運移到較遠處。雙層水幕時，由于水幕對火災煙氣的雙重抬升作用，導致火災煙氣體積分數變化速率比單層水幕時低，但靠近巷道出口的測試樹C1處煙氣體積分數高于與其在同一軸線上的測點樹B1處，靠近巷道幫的D1，E1測點樹處煙氣體積分數也高于單層水幕時此處煙氣體積分數，不利于人員的疏散，且設置雙層水幕的最佳水幕間距不易控制，建議在運輸巷內設置單層水幕。

圖7 煙氣體積分數隨水幕層數的變化Fig.7 Variation of smoke volume fraction with number of water curtain layers

4.6 噴頭類型對阻煙效果的影響

相同條件下噴頭類型決定了水幕流量特性及霧滴粒徑，流量特性系數越大，霧滴粒徑越小水幕的孔隙率越小，阻擋煙氣的能力越強。不同水幕噴頭煙氣阻擋規律如圖8所示。從圖8可以看出，供水壓力相同時采用ZSTM-15A型扇形噴頭比采用ZSTWB-34/60型錐形噴頭時水幕的阻煙效果差。扇形噴頭開口大噴射的水霧粒徑大，容易造成水流分叉使水幕存在孔隙，降低了水幕的有效阻煙面積，而錐形噴頭開口較小，高壓水流在噴射口處被撞擊，使水霧粒徑降低且水霧顆粒具有獲得較高的動，有利于在巷道斷面形成均勻的水幕，此時有效阻煙面積較大。采用扇形噴頭比錐形噴頭時各測點體積分數上升速率大，且位于水幕正后方的測點樹B1，C1處煙氣體積分數上升明顯，超出靠近巷道幫的測點樹D1，E1處，不利于人員的疏散。因此建議選用ZSTWB-34/60型錐形噴頭更有利于降低巷道內煙氣體積分數。

圖8 煙氣體積分數隨噴頭類型的變化Fig.8 Variation of smoke volume fraction with nozzle type

4.7 噴水壓力對阻煙效果的影響

圖9 不同噴射壓力水幕的阻煙效果Fig.9 Smoke blocking effect of water curtain under different spraying pressures

噴頭噴水壓力對水幕阻煙效果的影響如圖9所示，實驗選取測點樹B1處不同噴水壓力下煙氣體積分數，可以看出在一定范圍內隨著噴水壓力的增加，水霧粒徑降低，水幕的孔隙率下降，水幕的阻煙效果增強，但是增加噴水壓力，同一測點下，噴水壓力為0.6 MPa時煙氣體積分數明顯低于噴水壓力為0.4和0.3 MPa時的煙氣體積分數。但隨著測點高度的增加，噴水壓力為0.4 MPa時，煙氣體積分數下降速率明顯大于噴水壓力為0.3和0.6 MPa時的煙氣體積分數。這是由于增加噴水壓力時，水幕對煙氣的向上卷吸作用也隨之增強，導致同一高度處測點煙氣體積分數隨壓力增加而降低的趨勢減弱，此外，增加噴水壓力也會加快噴頭的磨損速度，不利于水幕的長期使用。因此，本實驗中噴水壓力選取0.4 MPa具有較好的阻煙效果。

5 結論

1)水幕對火災煙氣具有較好的阻擋作用，且阻煙效果與水幕距火源的距離、水流噴射方向、水幕層數、噴頭類型和噴水壓力有關。噴水壓力一定時，選擇錐形噴頭且從巷道底部向上噴射單層水幕時，水幕的阻煙效果最佳。

2)火災發生后水幕對前期的煙氣擴散具有較好的阻擋效果，隨著時間的推移，火災煙氣的穿透能力隨著巷道內溫度的升高而升高，水幕阻煙效果也隨之降低，因此在人員疏散時要充分利用水幕的有效阻煙時間。

3)巷道火災煙氣成分復雜，水幕阻煙效果取決于火災煙氣的水溶性，水溶性好的氣體容易被水幕阻擋，水溶性差的氣體易穿過水幕繼續傳播，為了提高水幕的阻煙效果可以在水幕水源中加入特定的促溶劑。