皮帶巷火災數值模擬與人員疏散

上官昌培

（中煤能源新疆天山煤電有限責任公司，新疆 昌吉 831200）

0 引 言

礦井火災又叫井下火災，是煤礦五種常見災害之一，皮帶火災作為礦井巷道火災的一種，具有突發性強、涉及范圍廣、發展迅猛、滅火和救護困難大等特點[1]。如果能及時地發現火情，預先準確掌握井下巷道火勢發展趨勢、煙氣運移規律和不同環境條件下火災的燃燒強度、影響范圍，便可在火勢還可控的狀態及時進行火災撲救，快速撤離井下工作人員，將會減少火災對煤礦生產經營造成的損失。本文主要采用理論分析、數值模擬及建模分析的研究方法，對皮帶巷風流流動、人員疏散進行研究，通過理論分析及使用Fluent 軟件對巷道火災進行數值模擬，總結巷道火災中煙氣的運移規律和巷道風速對火災及煙氣運移的影響，通過建模分析井下工作人員安全疏散時間，為緊急情況下人員疏散提供依據，提高人員疏散效率。

山東科技大學顏國強等[2]運用災變時期風流的穩定性和流動規律，結合井下巷道風流控制技術，深度研究了運用風流流動規律預防和控制煙流流向，為井下風流流動規律與現代化生產實踐相結合做出了重要貢獻。為探究不同風速條件下火災煙流擴散過程和流動規律，黃剛[3]采用數值模擬軟件Fluent 對不同風速條件下災變時期巷道內煙氣流動情況進行模擬。宋衛國[4]等為了分析出口條件對疏散時間的影響，模擬了人員在火災等突發狀況下的疏散過程，最終發現人員疏散時間受疏散場所出入口的參數影響明顯。由于模擬人員密度和精度都不高，且模擬的場景較為單一，孫立博[5]等結合了動力學仿真模型和連續運動模型，構成了全新的算法。

2 皮帶巷火災時期風流的數值模擬

皮帶巷皮帶發火會產生大量高溫有毒煙氣，高溫有毒煙氣會短時間快速充斥工作面，對井下工作人員的生命安全產生嚴重威脅。本文主要模擬皮帶著火時巷道內溫度和CO 濃度的具體分布情況。采用Fluent 模擬皮帶發火，得出直觀的煙氣溫度和CO 濃度分布圖。觀察模擬結果，分析不同風速對于皮帶巷煙氣運移的影響。設置火源為體積火源，設置混合煙氣以0.5 m/s 的恒定速度從火源處冒出。設置皮帶巷新鮮風流進口風流入口風速分別為1、2 、 3 m/s，產生煙氣的溫度設為 293 K（等同于20℃）。

2.1 不同風速下巷道溫度云圖

2.1.1 入口風速1 m/s

風速為1 m/s 時，巷道溫度分布如圖1 所示。

圖1 風速為1m/s 時巷道溫度分布Fig.1 Roadway temperature distribution at wind speed of 1m/s

由圖1 可知，火災發生2 s 時刻巷內火源處的溫度最高，產生的高溫煙氣隨著風流混合流入巷道，火源后30 m 左右巷道區域受煙氣高溫影響比較明顯?；鹪春?0 m 內的空氣在火源周圍溫度最高，距離火源越遠溫度越低，且溫度越低擴散范圍越大。巷道里在火源之前區域內，空氣的溫度幾乎沒有影響，高溫煙氣有向頂板運移的趨勢，火源之后30 m 左右垂直方向布滿高溫煙氣，但基本沒有煙氣回流現象發生。

火災發生3 s 時刻，火源之后50 m 左右垂直方向布滿高溫煙氣，巷道受高溫煙氣影響區域明顯擴大。

火災5 ～10 s，巷道內空氣溫度分布基本穩定，沒有太大差異。這是由于新鮮低溫風流不斷流入，對高溫煙氣有一定的排出作用，火源點的高溫煙氣生成量和巷道通風對煙氣的排出量達到平衡，所以巷道內氣體的流動趨于穩定，巷道內溫度的分布也就相應的穩定。

2.1.2 入口風速2 m/s

風速為2 m/s 時，巷道溫度分布如圖2 所示。

圖2 風速為2 m/s 時巷道溫度分布Fig.2 Roadway temperature distribution at wind speed of 2 m/s

由圖2 可知，當風速增大到2 m/s 時，新鮮風流不斷流入，與皮帶燃燒產生的高溫煙氣混合，并吸收熱量，隨風流方向運移。相較風速1 m/s 時，高溫煙氣污染范圍明顯減少，污染范圍為火源下游20 m 左右，說明巷道入口風速提高至2 m/s 可有效控制巷道高溫煙氣污染范圍，為人員安全撤離提供保證，大大減少對井下機械設備的損壞。

相較風速為1 m/s 時刻的溫度分布，高溫煙氣污染范圍僅達到火源下游20 m 左右，10 s 之后巷道內煙氣流動趨于穩定。

2.1.3 入口風速3 m/s

風速為3 m/s 時巷道溫度分布如圖3 所示。

圖3 風速為3 m/s 時巷道溫度分布Fig.3 Roadway temperature distribution at 3 m/s wind speed

由圖3 可知，污染范圍與風速為2 m/s 時災區范圍相差不大，因此對于控制高溫煙氣擴散方面，沒有必要進一步提高風速，風速過高不但無益于控制災區范圍，反而容易引起煤塵飛揚，增加煤塵爆炸的可能性。

隨時間推移，高溫煙氣隨風流逐漸擴散至火源下游40 m 左右后趨于穩定，下游巷道污染嚴重，但高溫煙氣不再進一步擴散。

1602 工作面皮帶巷內生產作業時通風正常，巷道內風流穩定。當皮帶巷內發火時，由于皮帶、煤等可燃物燃燒產生大量高溫煙氣，煙氣向頂板運移會產生節流效應，使通風阻力增大，高溫火源產生的火風壓也會導致風流紊亂。但入口新鮮風流不斷進入與高溫煙氣融合，并吸熱帶走高溫煙氣，火焰產生的高溫煙氣不斷被稀釋，最終煙氣生成量與排煙量再次達到平衡，使得皮帶巷中的氣體運移趨于穩定。

2.2 不同風速下巷道CO 濃度分布云圖

2.2.1 入口風速1 m/s

當風速為1 m/s 時，如圖4 所示，CO 氣體從火源處產生，隨后與巷道新鮮風流混合，隨風流方向涌入巷道下游?；鹪瓷嫌畏e聚濃度較高，CO 隨風流方向擴散，在火源下游20 m 內，CO 的排出效果較好，但隨巷道的延伸，阻力逐漸增大，風流受阻，導致CO 氣體發生積聚現象。CO 氣體出現明顯的回流現象。

隨時間推移，煙氣回流情況明顯好轉，火源上游煙氣回流范圍大大減少，CO 煙氣濃度明顯降低，下游積聚的煙氣也進一步排出。CO 濃度最高的位置位于火源周圍，且隨著新鮮風流進入，CO 高濃度區逐漸流向巷道下游。

通風時間繼續增長后，CO 氣體主要存在于火源下游20 m 范圍內，火源處濃度最高，隨風流擴散濃度明顯降低。

圖4 風速為1 m/s 時巷道CO濃度分布Fig.4 CO concentration distribution in roadway at 1 m/s wind speed

2.2.2 入口風速2m/s

當風速為2 m/s 時，如圖5 所示。CO 從火源處產生，隨后與巷道新鮮風流混合，流向巷道下游，未發現回流現象，巷道通風成功將污染范圍控制在火源下游。CO 高濃度區位于火源下游20 m 左右并隨新鮮風流向下游運移。CO 氣體剛產生時由于新鮮風流的影響，運移方向大致與風流方向相同，到了火源下游10 m 左右，隨著風流動能的下降，CO 氣體出現上移趨勢。CO 高濃度區域中，氣體明顯向頂板運移。

3 s 后CO 高濃度區進一步向巷道下游運移，且由于新鮮風流的影響，高濃度區域CO 進一步擴散，影響范圍變大。

5 s 后CO 氣體濃度明顯降低，但影響范圍依然很大，僅可保證了火源上游人員的安全疏散。

10 s 后隨新鮮風流不斷進入與CO 融合，并與CO 氣體一起向下游運移，火焰產生的高濃度CO不斷向巷道下游運移并被稀釋，最終煙氣生成量與排煙量達到平衡，使得皮帶巷中的CO 分布情況趨于穩定。

圖5 風速為2 m/s 時巷道溫度分布Fig.5 Roadway temperature distribution at wind speed of 2 m/s

2.2.3 入口風速3 m/s

當風流速度提高到3 m/s 時，如圖6 所示，2 s時刻沒有煙氣回流現象，可保證上游人員安全撤離，但風速的進一步提高，對于CO 氣體的排出沒有明顯影響。

3 s 后CO 煙氣濃度分布圖，在巷道中部產生CO 積聚，濃度較高但隨風流擴散逐漸濃度降低。

5 s、10 s 后CO 氣體分布情況與同時刻風速為2 m/s 的分布情況基本一致，因此沒有必要進一步提高風速，2 m/s 的風速可保證煙氣不回流，巷道內煙氣流動比較穩定，排出煙氣的效果一般。

圖6 風速為3 m/s 時巷道溫度分布Fig.6 Roadway temperature distribution at wind speed of 3 m/s

3 人員安全疏散

3.1 皮帶火災人員安全疏散時間

皮帶火災中往往會產生大量有毒有害煙氣，一般包括CO、CO2、HCL 等。工作面皮帶巷一般較為狹窄，大量煙氣容易堵住人員安全疏散通道。因此應保證皮帶發火產生的煙氣未對井下工作人員造成傷害之前，能夠使工作人員全部撤離工作面，這一過程叫做皮帶發火時，人員的安全疏散[6]。而疏散時間主要有2 種標志時間，可用安全疏散時間TASET(Available Safety Egress Time)，是指從皮帶發火到火災高溫或者火災煙氣對井下工作人員造成傷害的時間；必需安全疏散時間TREST (Required Safety Egress Time)是指從皮帶發火，到井下工作人員安全撤離出礦井所需時間。必需安全疏散時間TASET 又由3 種時間組成。

（1） T 感應：從皮帶發火，到探測器探測到標志氣體濃度超標所需的儀器感應時間。

（2） T 反應：從井下工作人員發覺危險情況，到做出撤離的反應所用的反應時間。

（3） T 疏散：從人員開始疏散到疏散結束的時間間隔。從井下災害影響范圍撤離至安全區域所需的時間。

當TRSET0 時，井下人員疏散過程需要經歷一段承受時間，工作人員的人身安全將會受到威脅，即判定為不能安全疏散。因此可總結出安全疏散的公式如下：

現在利用自動火災報警器可以減少T反應，而且大多數情況下，效果比較明顯。且多數的人員在聽到報警信號考慮如何撤離的問題所需時間一般很短，當火災發生時，總有人會反應很快，其他人由于逃離行為的從眾特性，跟著一起向外疏散，故在模型計算過程中一般不考慮T反應。則上式可寫為：

3.2 感應時間

3.2.1 CO 傳感器

根據礦井實際情況，KJ95N 型煤礦安全監控系統中使用的是KGA5 型CO 傳感器。該傳感器的測定范圍為0 ～1 000 ppm，測量范圍為0 ～100 ppm時，基本誤差不超過4 ppm，遙控距離不大于5 m，角度不大于120°，報警方式為閃爍紅色燈光和蜂鳴器報警。傳感器響應時間不大于30 s。

3.2.2 煙霧傳感器

根據煤井實際情況，KJ95N 型煤礦安全監控系統中使用的是KGN1 型煙霧傳感器。該煙霧傳感器屬于礦用本安型，標志為“ibI”，傳感器工作電壓為8 ～12 V，工作電流15 mA，一般安裝于皮帶機頭下風游的上方。當皮帶發火產生煙霧時，可引發傳感器工作，使KHP128-Z 主機動作，切斷皮帶輸送機電源，有益于控制火災進一步發展。

檢測靈敏度：Ⅰ級傳感器在煙霧濃度為 0.1 mg/m3時，響應時間為15 s；Ⅱ級傳感器在煙霧濃度為0.1 mg/m3時，響應時間為30 s。

電源指示及報警：當檢測到煙霧濃度超標后，紅色LED 電源指示開始閃爍，頻率為1 Hz。

3.3 疏散時間

從人員收到報警信號意識到需要撤離之后，到人員從危險區域撤離到安全區域所需的時間可用下式表示:

式中：L 為礦工從所在危險區域到安全地點的最大行走距離；V為人員行走速度，m/s。

（1） 礦工所在地到安全地點的最大行走距離L。

本文假設火災發生在1602 工作面11 采區工作面皮帶巷道，首采面的工作面走向推進長度為1 637 m，工作面長度為220 m，新鮮風流從采區集中運輸上山進入，經過工作面后從回風巷排出，根據礦井開拓開采布置，在11 采區集中輔助運輸上山和集中帶式輸送機上山之間布置一處永久避難硐室，位置位于采區回風巷出口附近，由于在設計風速下，火源上游沒有高溫區域，且工人隨身佩戴的ZY-30 壓縮氧自救器可提供30 min 的氧氣，保證火災上游人員安全從危險區域安全撤離。假設人員行走速度為1.2 m/s，則30 min 可讓井下人員移動2 160 m，考慮其他不可控因素，為保證人員安全撤離，保留一定冗余數值，取1 700 m。而工作面走向最長為1 637 m，則皮帶巷中工作人員可使用自救器安全撤離出危險區域撤離出井，故僅計算位于工作面和回風巷中人員的疏散問題。

（2） 人員行走速度。

根據1602 工作面的實際情況，正常生產中，人員絕大多數都分布在工作面，人員密度可以看做小于0.54，且礦工又都是成年男士，人員行走速度取1.2 m/s。必需安全疏散時間為：

TRSET=T感應+T疏散=30+ （1 637+220） /1.2=1 577.5 s。

3.4 忍耐時間

（1） 高溫與忍耐時間。

人對于一定程度的高溫是有相應的忍耐能力的，比如蒸飯的鍋蓋，快速觸碰時接觸時間極短，也不會感到燙。高溫煙氣對人也是同樣的道理，當煙氣溫度為65 ℃時，工人可以短時間忍受；當煙氣溫度為120 ℃時，人體在15 min 內就會導致不可恢復性的傷害；當煙氣溫度為140 ℃時，人體僅能忍受5 min；當煙氣溫度為170 ℃時，人體的忍耐時間僅為1 min；當煙氣溫度高達幾百攝氏度，人體基本無法承受。

當高溫煙氣與人體直接接觸時，造成的損害通常是燙傷或呼吸道燒傷等，當溫度達到110 ℃左右就可造成傷害。當高溫煙氣不與人體直接接觸時，并不代表人員是安全的。若高溫煙氣層的熱輻射強度達到一定數值，能對人體造成損害，則也認為人員不能安全疏散。有數據表明，煙氣溫度達到180 ℃左右時煙氣層的熱輻射強度就足以對人體造成損害。

（2） CO 體積分數判據。

由統計結果表明[7-8]，由于人的逃離行為有遠離煙火和奔向開闊空間的特性，所以大部分火災人員的傷亡并不是因為高溫火源對人造成直接的傷害，更多的是有毒有害氣體使人昏迷或失去行動能力，繼而造成人窒息中毒死亡。其中在煤礦火災事故中，代表性氣體是CO。

CO 對人體的影響見表1，本文以CO 的擴散前鋒為判定指標[9]。

4 結 論

（1） 當巷道內風速較小時，巷道內火災產生的高溫有毒有害煙氣對火源下游巷道內空氣污染嚴重。隨著巷道內風速增大，排出煙氣的速率有所增大，對火源下游巷道的污染會減輕，巷道氣流的溫度也隨之降低，排煙的效果更好。

（2） 分別從感應時間、反應時間、疏散時間和忍耐時間4 個方面分析研究人員安全疏散所需時間，判斷可用安全疏散時間，保障災害期間人員安全。

表1 CO 對人體的影響Table 1 Effects of carbon monoxide on the human body