礦井火災(zāi)災(zāi)變時期風(fēng)流控制技術(shù)探析

喬居斌

（濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 山東·濱州 256600）

在煤礦災(zāi)害中，礦井火災(zāi)是常發(fā)生的災(zāi)害之一，一旦發(fā)生就容易造成巨大的人員生命財產(chǎn)損失。因?yàn)槠渚哂型话l(fā)性，發(fā)展趨勢比較迅猛，在救援過程中會遇到難以預(yù)估的困難，比如會受到風(fēng)流等影響，從而導(dǎo)致災(zāi)難現(xiàn)場極易發(fā)生混亂，甚至?xí)淖冋麄€礦井的通風(fēng)情況。同時，在火災(zāi)發(fā)生后，還有可能在礦井中產(chǎn)生有害甚至有毒的氣體，經(jīng)過風(fēng)流傳播，還可能會對整個生產(chǎn)區(qū)域造成空氣污染，不但會損害礦井工作人員的生命健康甚至還會對附近區(qū)域的居民造成生命健康威脅。

如果可以利用自動風(fēng)門等工程器械，對礦井的風(fēng)流在正常期間進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，那么當(dāng)?shù)V井發(fā)生火災(zāi)時，燃燒產(chǎn)生的煙霧等氣體會通過工程師預(yù)先設(shè)置好的專門的回風(fēng)巷道按照預(yù)定的控風(fēng)方案排出，并作出異常警報，從而及時讓工作人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的發(fā)生。這樣就能夠有效的防止火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣污染影響擴(kuò)大化，將火災(zāi)的影響范圍控制到一定的可控程度。這樣不僅可以給救援人員一定的救援時間，還可以對工作人員的救援逃生避災(zāi)提供科學(xué)有效的指導(dǎo)，從而達(dá)到降低人員傷亡和財產(chǎn)受損的救援目的。

1 礦井火災(zāi)災(zāi)變時期風(fēng)流控制概述

在礦井可能發(fā)生的災(zāi)害中，火災(zāi)無疑是危害最大的災(zāi)害之一。因?yàn)榛馂?zāi)的火勢在礦井中的發(fā)展十分迅速，變化十分復(fù)雜，一旦處理不及時，甚至?xí)l(fā)瓦斯爆炸，對礦井工作人員和生產(chǎn)區(qū)域的居民造成生命健康威脅和財產(chǎn)資源損失。因此，對于礦井中可能會發(fā)生的火災(zāi)問題進(jìn)行有效的預(yù)防，并找到及時有效的救援方案，保證煤礦的生產(chǎn)安全是十分有必要的。

礦井井下的工作環(huán)境十分獨(dú)特，空間比較狹小，視野十分受阻，地下環(huán)境未知，風(fēng)流有限，通風(fēng)巷道錯綜復(fù)雜。同時在井下甚至還存在著大量的易燃易爆物質(zhì)，一旦通風(fēng)巷道受到火勢影響，火勢就容易不受控制發(fā)生蔓延，甚至產(chǎn)生新的火源。通常火災(zāi)事故的發(fā)生主要受以下幾方面影響：一是火災(zāi)會產(chǎn)生大量有毒氣體，會造成工作人員中毒，同時這些氣體還會隨著空氣流入到其他場所，造成更大的污染；二是井下空間狹小，火災(zāi)撲滅工作較難。井下的通風(fēng)情況復(fù)雜，滅火措施難以實(shí)施，滅火救災(zāi)時間較普通火災(zāi)來說比較短；三是火災(zāi)會產(chǎn)生高溫，為瓦斯等易燃易爆物質(zhì)提供了條件。井下作業(yè)場所中混有很多易燃易爆物質(zhì)，比如瓦斯、煤塵等，甚至還存在一些未知物質(zhì)，一旦發(fā)生爆炸，就會擴(kuò)大災(zāi)情、造成更大的傷亡；四是火災(zāi)甚至?xí)鹁碌娘L(fēng)流方向變化，從而產(chǎn)生井下風(fēng)火壓，讓井下的通風(fēng)系統(tǒng)失去控制，為救災(zāi)工作造成難以預(yù)估的困難和危險。

基于以上原因，國內(nèi)外對于礦井火災(zāi)的研究已經(jīng)有了很多。主要集中在以下幾方面：礦井火災(zāi)災(zāi)后風(fēng)流狀態(tài)、火災(zāi)檢測技術(shù)、礦井火災(zāi)時期風(fēng)流模擬技術(shù)、火災(zāi)時期風(fēng)流控制技術(shù)等。盡管國內(nèi)外的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但是井下火災(zāi)問題的成因和影響十分復(fù)雜，以往的研究很難進(jìn)行有針對性的推廣。井下火災(zāi)主要是通過井下風(fēng)流的變化表現(xiàn)出來的。于是我們可以通過對井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)變前的預(yù)處理和災(zāi)變后的及時控制來對井下火災(zāi)進(jìn)行控制和救援。本文主要通過分析火災(zāi)時期風(fēng)流的流動規(guī)律，構(gòu)建合理的物理模型進(jìn)行分析，將礦井通風(fēng)系統(tǒng)和自動控制技術(shù)結(jié)合起來，以此避免礦井火災(zāi)的危害擴(kuò)大，同時有效提升礦井工人的生命健康安全保障。

2 礦井火災(zāi)中的模型及數(shù)據(jù)分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜多變，在井下生產(chǎn)工作中處于實(shí)時工作狀態(tài)，但是由于火災(zāi)發(fā)生后各處災(zāi)情的危險程度是不一樣的，而且發(fā)生火災(zāi)的位置具有隨機(jī)性，所以不可能通過實(shí)驗(yàn)對火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展情況作出準(zhǔn)確了解和判斷。同時又由于模型只是對局部問題進(jìn)行模擬，模型結(jié)構(gòu)比較單一，因此模擬的結(jié)果不能反映出不同巷道的情況，模擬結(jié)果不具有完全的代表性。本文是根據(jù)火災(zāi)燃燒的基本理論，結(jié)合井下的實(shí)際情況，科學(xué)地對風(fēng)流狀態(tài)流場、熱傳導(dǎo)溫度和火災(zāi)污染物組成進(jìn)行模擬。

2.1 風(fēng)流狀態(tài)模擬

井下巷道是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著井下的運(yùn)輸工作，同時也為井下工作人員提供了新鮮空氣。一般在通風(fēng)系統(tǒng)中常見的紊亂形式有以下幾種：旁支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、主干道風(fēng)流煙流逆退、煙流滾退。

在理想氣體的假設(shè)中，氣體分子之間存在著范德華力和分子碰撞的影響，分子相互運(yùn)動時還會產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)流體間發(fā)生相對運(yùn)動時，會產(chǎn)生粘性阻力來阻止這種相對運(yùn)動。因此在模擬火災(zāi)氣體流場時，可以不考慮空氣分子的內(nèi)摩擦力和可壓縮性，將空氣假設(shè)為理想氣體。同時還要將火災(zāi)時期的風(fēng)流在宏觀層面上假設(shè)為三維恒定流體。

2.2 火災(zāi)熱傳導(dǎo)溫度模擬

火災(zāi)主要通過火焰蔓延、熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的形式傳播。這些形式可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可以幾種形式共同存在。在礦井發(fā)生火災(zāi)時，場所相對封閉，產(chǎn)生的溫度不易散去排出，會使巷道內(nèi)溫度大幅度上升。

火災(zāi)時溫度較高的煙氣會沿隧道縱向蔓延，同時會與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換。我們可以預(yù)先將溫度場假設(shè)為縱向分布，隧道火災(zāi)下游區(qū)域燃燒生成的熱量為零，煙流在距離火源某處的溫度與整個巷道的寬度一致；煙流具有不可壓縮性；流動是一種穩(wěn)定的狀態(tài)，是理想氣體的運(yùn)動方式。

火災(zāi)風(fēng)流的流動分為空間流動和時間流動。熱交換的過程是一種不穩(wěn)定的過程，與時間和空間都有關(guān)系。同時風(fēng)流和巷道熱交換還要考慮到圍巖的性質(zhì)、風(fēng)流速度、巷道形狀等。溫度場的縱向分布影響主要是與距離火源的距離有關(guān)。橫向規(guī)律是巷道頂部高，底部低。通過確立溫度的橫向及縱向分布規(guī)律，從而確定人救援逃生的依據(jù)。

2.3 火災(zāi)污染物模擬

近年來，我國煤礦井下發(fā)生的特大火災(zāi)事故主要是膠帶運(yùn)輸巷道的火災(zāi)。主要產(chǎn)生的火災(zāi)污染物分為兩大類，一是氣體污染物，另一種是固體顆粒污染物。為了簡化模擬，可以將火災(zāi)中的主要污染物認(rèn)為是CO、CO2和HCL為主，而固體顆粒污染物主要是降低環(huán)境能見度的作用。

火災(zāi)發(fā)生的不同階段，污染物的成分和組成也是不同的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，可以將火災(zāi)發(fā)生的三個階段的氣體成分分別進(jìn)行分析模擬。同時，火災(zāi)燃燒的不同階段污染物產(chǎn)生的速率也是不同的。根據(jù)以上模擬數(shù)值，再結(jié)合風(fēng)流供應(yīng)源源不斷的特點(diǎn)，我們可以得到膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)火災(zāi)數(shù)值模擬的模型和方程。

3 火災(zāi)時礦井風(fēng)流控制分析

3.1 膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)模型

結(jié)合膠帶巷火災(zāi)的特點(diǎn)，選取典型的火災(zāi)情況來構(gòu)建膠帶運(yùn)輸模型。要充分考慮礦井巷道的特點(diǎn)，客觀反映典型火災(zāi)。合理確定火源形式。建模時選擇有代表性且條件比較復(fù)雜的巷道作為分析模型，建立兩種模型，一種是未采用控風(fēng)系統(tǒng)的模型。另一種是采用風(fēng)流短路后的模型。為了方便計算，還要將系統(tǒng)進(jìn)行充分簡化。

3.2 設(shè)定條件

火災(zāi)發(fā)生的場景不同，火災(zāi)的強(qiáng)度也是不一樣的。由于膠帶巷發(fā)生火災(zāi)的主要部位是運(yùn)輸部分，不會構(gòu)成特大規(guī)模火災(zāi)，所以根據(jù)正常通風(fēng)時的條件設(shè)置初始值即可。

3.3 風(fēng)流控制的原理及設(shè)備

根據(jù)膠帶巷中燃燒時的產(chǎn)物，可以利用CO和煙霧傳感器，然后設(shè)置臨界值作為系統(tǒng)的信號源，當(dāng)達(dá)到臨界值時，警報器發(fā)出警報，同時啟動控制器從而達(dá)到預(yù)定的風(fēng)流控制方案和遠(yuǎn)程控制目的。

風(fēng)流控制系統(tǒng)主要分為四個部分，分別是信號采集、智能終端、報警系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在礦井災(zāi)變時會發(fā)生氣體異常，預(yù)警系統(tǒng)會發(fā)出警報。利用單片機(jī)等設(shè)備構(gòu)建智能終端程序，接受和處理報警信號。然后報警系統(tǒng)發(fā)出警報，讓巷道中的工作人員盡快撤離。而遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制中心主要分為井上和井下兩部分。當(dāng)監(jiān)控到災(zāi)變時，人為控制自動風(fēng)門的開關(guān)，當(dāng)災(zāi)變結(jié)束后再人為恢復(fù)到災(zāi)變之前的狀態(tài)。

4 礦井火災(zāi)災(zāi)變時的救援與疏散

4.1 人員救援疏散與逃生

在巷道發(fā)生火災(zāi)時，人員逃生主要取決于兩個方面，火災(zāi)對于人員產(chǎn)生傷害的時間和人員到達(dá)安全場所所需要的時間。在選擇逃生方案時，主要涉及到疏散途徑的結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境、逃生經(jīng)驗(yàn)和個人素質(zhì)等多種因素共同作用。在逃生過程中，由于報警設(shè)備在煙氣達(dá)到預(yù)警值時已經(jīng)發(fā)出警報，這期間人員聽到警報后已經(jīng)開始疏散，可以在逃生疏散通道設(shè)置逃生裝置。

國家規(guī)定，緊急避險系統(tǒng)是煤礦必備系統(tǒng)之一。發(fā)生火災(zāi)時要采取風(fēng)流短路的方式進(jìn)行風(fēng)流控制。此外在上山通道建立避難救生艙。因?yàn)闇囟葘θ藛T的影響范圍有限，所以主要考慮CO的運(yùn)移規(guī)律對逃生避難救生艙的位置進(jìn)行分析。

4.2 建立膠帶巷道火災(zāi)風(fēng)流控制系統(tǒng)

通過對模型數(shù)值的模擬，和對巷道內(nèi)氣體污染物的運(yùn)動分析，可知控風(fēng)方案具有一定的可行性。可以通過設(shè)置自動風(fēng)門、CO和煙霧傳感器、聲光報警器和避難救生艙并結(jié)合人員疏散速度來建立膠帶巷的火災(zāi)風(fēng)流控制系統(tǒng)。

5 總結(jié)

礦井火災(zāi)時煤礦五大災(zāi)害之一，火災(zāi)一旦發(fā)生會產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)，如果不加以控制，火災(zāi)將會造成更大、更嚴(yán)重的后果。本文在現(xiàn)階段已有的研究基礎(chǔ)上，通過建模分析火災(zāi)時膠帶巷的通風(fēng)狀態(tài)，為建立風(fēng)流控制系統(tǒng)提供了指導(dǎo)依據(jù)。本文主要是分析了膠帶巷發(fā)生常見的火災(zāi)時的風(fēng)流控制技術(shù)。但由于實(shí)際火災(zāi)發(fā)生時的復(fù)雜性，還有很多問題需要更加深入地分析。