巷道火災密閉過程中煙氣溫度及流動特性研究*

馬 礪，劉 順，李超華，張鵬宇，劉尚明

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 陜西省煤火災害防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

因礦井巷道空間狹窄、環境復雜等特點，一旦發生火災，火災產生的高溫煙氣會迅速充滿整個巷道空間，又因巷道四周為煤巖壁，煙氣熱量難以排出，導致溫度加速上升，從而對巷道的結構及井下設備造成嚴重破壞；同時高溫煙氣逆流會造成風流回流和紊亂，擴大巷道受災面積，嚴重威脅礦井安全[1]。

在巷道火災煙氣方面，國內外學者進行大量研究。Newman等[2]通過縮尺寸巷道實驗研究存在強通風的礦井巷道的煙氣分層情況；周延等[3]通過縮尺寸巷道實驗研究火源放熱率和巷道風速對煙氣逆流層長度的影響；周福寶等[4]通過數值模擬研究巷道火災的煙流滾退距離，并提出其變化規律的無因次表達式；文虎等[5]通過數值模擬研究水平巷道發生火災時期的溫度場和煙氣逆流層的變化規律；劉劍等[6]研究傾斜巷道火災的煙氣流動特性；李小菊等[7]研究不同巷道截面形狀對煙氣能見度的影響；周煜琴等[8]研究巷道中的運輸設備對火災煙氣的影響。此外，文獻[9-11]對巷道膠帶火災的煙氣特性展開相關研究。以上研究大多基于巷道未密閉的條件下，但巷道發生火災后通常會采取構筑密閉墻的方法控制火勢，而密閉條件下煙氣的溫度變化規律及流動特性則鮮有研究。水平巷道是礦井中最常見的1種形式，因此本文基于某煤礦1段水平進風巷展開縮尺寸實驗，結合數值模擬對巷道火災密閉過程中煙氣的溫度及流動特性進行研究，以期為巷道密閉滅火提供一定理論指導。

1 實驗設計

1.1 實驗臺參數

本文實驗采用縮尺比例為1∶10的礦井巷道火災相似模擬實驗臺。巷道主體長度為7.7 m，截面寬度為480 mm，高為420 mm，頂板為半徑240 mm的拱形結構，模型一側采用阻燃不銹鋼材料，另一側采用可拆卸耐高溫透明玻璃，以觀察巷道模型內火焰及煙氣的變化。在實驗臺頂部沿中心點縱向對稱布置19個熱電偶(以火源為中心兩端熱電偶對稱布置)，對巷道火災溫度場變化進行實時監測記錄。實驗臺主體、橫向截面圖及溫度測點布置如圖1所示。

圖1 相似模擬實驗臺Fig.1 Similarity simulation test bench

1.2 火源功率設置

為確定縮尺寸實驗燃燒條件的火源功率大小，通過Froude縮尺法則，針對巷道空間的火災過程和煙氣運動，在理想假設條件下，對基本方程組先后進行無量綱化和歸一化處理，得出實驗所用火源功率與實際火源功率轉換關系，如式(1)所示：

(1)

式中：Qm為縮尺寸火源功率，kW；Qf為全尺寸火源功率，MW；lm為縮尺寸巷道長度，m；lf為全尺寸巷道長度，m。考慮到巷道內的主要可燃物為輸送機膠帶、木材、機械設備等，實驗中采用不同尺寸的油盤來代替巷道火源。根據礦井火災燃燒特性實驗中得到的火源熱釋放速率[12]，確定本文實驗中火源功率為4，6，8 MW，依據該法則進行相似計算，得到縮尺寸實驗用的火源功率為12.65，18.97，25.30 kW，具體參數見表1。

表1 實驗參數Table 1 Experiment parameters

1.3 實驗工況設置

實驗采取單側密閉方式，即在巷道一側使用模擬密閉墻進行封堵，密閉比例定義為密閉墻與巷道截面的面積之比。密閉方式如圖2所示。

圖2 不同密閉方式示意Fig.2 Schematic diagram of different sealing modes

對于何時開始實施密閉問題，Yao等[13]通過縮尺寸實驗研究初始密閉時間對通道火災的影響，并根據溫度變化曲線將燃燒劃分為4個階段，結果表明在燃燒發展階段之前實施密閉可以有效降低通道內的溫度，對燃燒抑制效果較好。12.65 kW火源功率，無密閉條件下的頂板中心煙氣溫度曲線如圖3所示，燃燒在45 s左右進入發展階段，溫度短時間內迅速增加。因此為減少高溫煙氣對巷道的破壞，實驗選取45 s作為巷道密閉的起始時間。

自然通風環境下，通過風速測量儀測得巷道內通風速度的平均值為0.24 m/s。實驗工況見表2。

2 實驗結果分析

2.1 密閉比例對火焰形狀的影響

巷道密閉過程中，火焰形狀會產生改變。通過油盤實驗，在火源功率為25.30 kW條件下，對燃燒后10，90 s時的火焰形狀進行觀察，觀察結果如圖4所示。其中，火焰傾角定義為火焰中軸與火源垂直中線之間的夾角。

圖3 12.65 kW火源功率無密閉條件下煙氣溫度變化Fig.3 Variation of smoke temperature without sealing conditions under 12.65 kW fire source power

表2 實驗工況Table 2 Experimental conditions

由圖4可知，燃燒后10 s時，火焰傾角為85°，接近貼地，此時巷道未進行密閉，火焰受到通風作用的影響，發生較大程度的傾斜；而在燃燒后90 s時，由于在巷道進風側進行不同程度的密閉，導致送風截面面積減小，通風作用對火焰的影響減弱，25%，50%，75%密閉比例條件下的火焰傾角均出現不同程度的減小，同時受持續燃燒影響，油池表面的火焰面積變大；當完全密閉后，無通風作用，火焰形狀近似垂直，火羽流直達巷道頂板，形成頂棚射流。

圖4 不同密閉條件下火焰形狀(Q=25.30 kW)Fig.4 Flame shapes under different sealing conditions (Q=25.30 kW)

2.2 不同密閉比例條件下煙氣溫度變化

在不同密閉比例條件下，為對比不同火源功率下煙氣溫度及燃燒時間的變化，從火源開始燃燒到熄滅，對頂板中心的熱電偶數據進行分析，得到煙氣溫度隨時間的變化情況，如圖5所示。

由圖5可知，在45 s之前，燃燒處于初始階段，火源產煙率低，頂板溫度上升不明顯；在45～90 s，燃燒進入發展階段，生成大量煙氣，沖擊到頂板處并向兩側擴散，溫度急劇上升；從90 s開始，燃燒開始變得穩定，煙氣溫度緩慢上升，25%和50%密閉比例時，燃燒在265 s左右開始衰減，75%和100%密閉比例時，燃燒則在160 s左右開始衰減；在燃燒的衰減階段，煙氣溫度不斷下降，同時柴油量不斷減少，導致油池面積減小，各火源燃燒效率變低，出現低火源功率條件下的煙氣溫度大于高火源功率的情況。

圖5 不同密閉條件下煙氣溫度變化Fig.5 Variation of smoke temperature under different sealing conditions

通過對比圖5(a)～(d)可知，隨著密閉比例的增加，燃燒持續的時間也變短，密閉比例為25%時測得3種火源功率的平均燃燒時長為430 s，50%時為392 s，75%時為287.3 s，100%時為262.7 s，說明密閉墻的增加隔絕大量氧氣，對燃燒起到抑制作用。巷道密閉比例為25%時，3種火源功率下的煙氣最高溫度分別為206.7，272.1，297.3 ℃；50%時，3種火源功率下的煙氣最高溫度分別為243.0，277.7，306.4 ℃，較小的密閉比例使大量新鮮風流流入巷道內，風流有助于排出燃燒池燃燒產生的熱量，削弱熱傳導和熱對流對巷道頂板的作用，使得升溫趨勢不明顯。密閉比例為75%和100%時，在密閉后10～20 s，升溫速率加快，溫度開始突增，25.30 kW火源功率下2種密閉比例最高溫度分別可達577 ℃和650 ℃；同時燃燒會提前進入衰減階段，且火源功率越大衰減越早。這是由于在密閉比例較高的條件下，密閉墻阻擋大量進入巷道的新鮮風流和氧氣，巷道內通風網絡發生紊亂，煙氣無法從進風口散出，熱量積聚到巷道頂板處，導致頂板溫度劇增；而在此封閉空間內，火源功率越大，燃燒消耗的氧氣越多，會在更短的時間內消耗盡巷道內原有的氧氣，導致燃燒更早地受到抑制。

2.3 不同密閉比例條件下的煙氣最高溫升模型

最高溫升ΔTmax指燃燒過程中煙氣達到的最高溫度與環境溫度的差值。根據實驗得到的頂板中心煙氣最高溫度數據，繪制出各工況條件下最高溫升變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 不同工況下最高溫升變化Fig.6 Variation of maximum temperature rise under different experimental conditions

由圖6可知，火源功率越大，ΔTmax也越大；隨著密閉比例的增加，在50%之前，ΔTmax緩慢上升，50%之后，ΔTmax急劇上升。文獻[14-16]通過理論與實驗方法得到在自然通風環境下煙氣最高溫升的表達式如式(2)所示：

(2)

式中：α是常數，與通道模型尺寸相關；Q是火源功率，kW；H是燃料到頂棚的高度，m。

表3 煙氣最高溫升模型的擬合結果Table 3 Fitting results of smoke maximum temperature rise model

3 模擬實驗及結果分析

在實際巷道中必須采取機械通風來保證井下人員的安全，密閉過程中煙氣流動會受到縱向通風的影響[17]。因此以數值模擬的方式研究存在機械通風的巷道在密閉過程中煙氣的逆流特性。

3.1 模型建立及參數設置

采用FDS模擬巷道火災，網格選取為X×Y×Z=0.04 m×0.02 m×0.02 m，巷道模型尺寸和溫度測點布置與縮尺寸實驗臺一致。在巷道中間建立1個0.18 m×0.18 m×0.02 m的長方體燃燒器作為火源，燃料為正庚烷。在巷道模型兩端設置縱向通風表面，實施密閉的一側設置為供風表面，另一側設置為排風表面。巷道模型如圖7所示。

圖7 巷道模型Fig.7 Roadway model

模擬實驗中主要考慮巷道膠帶火災。根據文獻[9-11]可知，一般膠帶火災的火源功率為2～4 MW，因此模擬選取4 MW作為火源功率，對應的縮尺寸火源功率為12.65 kW。在進行模擬實驗前要先進行驗證，保證模擬結果的可靠性。對12.65 kW火源功率、0.24 m/s風速、無密閉條件下的模擬與縮尺寸實驗得到的頂板中心煙氣溫度變化曲線以及巷道縱向溫度分布曲線進行對比，對比結果如圖8所示。

圖8 模擬結果與縮尺寸實驗結果對比Fig.8 Comparison of simulation results and scale-reduced experimental results

由圖8可知，模擬與縮尺寸實驗得到的煙氣溫度曲線在各燃燒階段的變化趨勢相近，在劇烈燃燒階段溫度數值相吻合；模擬得到的縱向溫度分布也與實驗結果相一致。因此可以說明該模擬可有效開展巷道火災煙氣特性的研究。

以實驗中的0.24 m/s為起始風速，經多組模擬驗證，當縱向通風速度大于0.6 m/s時，巷道內煙氣逆流得到控制，因此以煙氣逆流現象的控制效果為標準，設置實驗的初始速度為0.6 m/s，以0.1 m/s的增長梯度設置后續實驗的縱向通風速度，直至煙氣逆流現象不明顯。

3.2 模擬結果分析

煙氣逆流長度定義為煙氣向與通風速度相反的方向運動的最遠位置到火源中心正上方的縱向距離”[18]。煙氣逆流長度示意如圖9所示。

圖9 煙氣逆流長度示意Fig.9 Schematic diagram of smoke backflow length

所測得各工況下煙氣逆流長度值見表4。

由表4可知，當風速為0.6 m/s時，無密閉和25%密閉條件下的煙氣逆流長度分別為1.86 m和2.42 m，當風速分別大于0.8 m/s和0.9 m/s時，煙氣逆流會得到較好的控制直到不發生逆流。在50%和75%密閉條件下，0.6 m/s的風速將不再對煙氣逆流起抑制作用，此時煙氣從進風口排出。密閉比例的增加導致進入巷道內的通風風量減少，縱向通風產生的動壓力也隨之減小，當煙羽流撞擊頂板射流后，水平方向的慣性力增加，此時較小的縱向通風產生的沿巷道進風風向的動壓力小于熱煙氣慣性力，煙氣從進風口蔓延出去。當風速分別為0.7 m/s和0.8 m/s時，煙氣逆流會得到一定抑制，逆流長度分別為2.41 m和2.46 m，隨著風速的增加，逆流長度不斷減小，當風速分別大于1.1 m/s和1.2 m/s時，煙氣逆流會得到較好的控制直到不發生逆流，依據相似性原理式(3)，此時實際巷道風速應大于3.5 m/s和3.8 m/s。因此，在巷道密閉過程中將縱向通風風速設定為3.8 m/s能使煙氣逆流得到較好的控制。

表4 不同模擬工況下煙氣逆流長度Table 4 Lengths of smoke backflow under different simulation conditions m

(3)

式中：vm代表縮尺寸實驗中的縱向通風風速，m/s；vf代表實際巷道中的縱向通風風速，m/s。

綜上所述，在巷道縱向通風速度不變的條件下，密閉比例的增加會導致煙氣逆流長度上升，增加縱向通風速度可有效抑制煙氣逆流。因此在密閉過程中可通過增加機械通風來控制巷道內煙氣的蔓延，避免高溫煙氣及有毒有害氣體對人員的傷害。

4 結論

1)巷道一端進行密閉后，火焰傾角會立即減小，且隨著密閉比例的增加，傾角不斷減小；當巷道完全密閉后，火焰近似垂直，巷道頂板的熱輻射和溫度也會增加。

2)巷道在50%和75%密閉比例之間存在1個突變值，當超過此突變值后，頂板溫度會急劇升高，同時燃燒會更快進入衰減階段，且火源功率越大衰減越早；推導出密閉條件下的煙氣最高溫升模型，依據該模型可以對5種密閉比例條件下的巷道頂板最高溫度進行預測。

3)在巷道縱向通風速度不變的條件下，密閉比例的增加會導致煙氣逆流長度上升，增加縱向通風速度可有效抑制煙氣逆流；依據相似性原理，當實際巷道火源功率為4 MW時，縱向通風風速設定為3.8 m/s能使煙氣逆流得到較好的控制。