煤礦電纜火災危險性研究

任曉偉，王振興，王 銳，康付如，王 洋，韓東洋，王偉峰，齊龍輝，徐勇勇

（1.陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719001；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

伴隨著智能礦山的建設，電氣設備投入增大，煤礦電纜幾乎遍布各個巷道[1-2]。然而，由于電纜短路、漏電、過載、外部火源波及等原因，煤礦電纜火災事故時有發生。煤礦電纜火災蔓延速度可達20 m/min，火災發展迅速，并釋放大量CO、HCl 等有毒有害氣體，同時會引發瓦斯、煤塵爆炸事故，嚴重威脅礦工的生命安全[2-3]。2017 年3 月，黑龍江雙鴨山礦業公司東榮二礦井下發生電纜著火和罐籠墜落事故，17人遇難；2017 年2 月，湖南省漣源市祖保煤礦脫軌的礦車擊中供電電纜，引起短路起火，引爆煤塵，造成10 人死亡；2010 年7 月，陜西韓城市小南溝煤礦副斜井井底動力電纜著火，造成28 人死亡；2010 年3 月，河南新密市東興煤業有限公司主井西大巷電纜著火，25 名被困礦工全部遇難；2010 年1 月，湖南湘潭市立勝煤礦和江西新余市廟上煤礦井下各發生了1 起電纜著火，分別造成34 名和12 名礦工遇難。煤礦電纜火災引起的一系列重特大煤礦事故，教訓沉痛。

國內外許多學者開展了電纜燃燒行為的研究。Kaczorekchrobak 等[4]研究發現聚氯乙烯基電纜火災危險性隨輻射強度的增加而上升，其燃燒釋放熱量的同時，排放大量有毒煙氣；Meinier 等[5]對核電站使用的無鹵阻燃電纜的燃燒行為進行了分析，重點研究了外部熱流和電纜間距對電纜火災特性的影響；Li 等[6]研究發現隨著電弧尺寸的增大，110 kV 交聯聚乙烯電纜火焰的點燃速度加快，火焰在垂直和水平方向上的傳播都顯著增加；Magalie 等[7]使用錐形量熱儀研究了電纜的火災性能，發現護套會延遲熱釋放速率主峰的出現；陳善求等[8]研究發現超高溫耐火電纜具有較低的火災危險性；諶文佳等[9]通過TG-FTIR、GC-MS 分析發現PVC 電纜絕緣層在200℃前開始失重，分解產生鄰苯二甲酸二辛酯等塑化劑為主的氣體；遲媛等[10]利用數值模擬得到了狹長空間電纜火災煙氣蔓延規律和溫度場分布；賈伯巖等[11]利用PyroSim 模擬綜合管廊內電纜火災煙氣的蔓延情況，并提出了煙氣防治措施；張小翌等[12]利用FDS 軟件模擬分析了煤礦硐室電纜火災發展過程中煙流、CO 體積分數度、O2體積分數、溫度的發展演化規律。

針對煤礦用電纜燃燒性能的研究較少，且多通過模擬手段。為有效防控煤礦電纜火災，有必要針對性地對其火災安全性能進行實驗研究。研究表明錐形量熱儀是全面研究材料火災行為的1 種有效測試方法[13-14]，NBS 煙密度測試箱可以定量表征火災煙氣的光透過率。因此，使用NBS 煙密度測試箱和錐形量熱儀測試分析了煤礦用電纜火災煙氣的光透過率及不同熱輻射功率下點燃時間、熱釋放速率、煙氣生成速率等燃燒性能參數，并在此基礎上對煤礦電纜的火災危險性進行了定量表征。

1 材料與方法

試驗選用的電纜為陜西陜煤曹家灘礦業有限公司使用的MYP-660/1 140 V 型煤礦阻燃電纜，該電纜直徑為24 mm。其中，外護套和絕緣層主要材質均為PVC，同時輔以塑化劑、穩定劑、抗氧化劑、潤滑劑等各類添加劑，以提高其阻燃性能。

根據GB/T 8323.2—2008 煙密謀試驗箱，使用SDB 型NBS 煙密度測試箱（NLFRM-39）對礦用電纜火災煙氣的光透過率進行測試。對礦用電纜進行切割，使其每根的長度為75 mm，然后3 根拼接成1 個試樣，保證材料尺寸的規矩以及質量的均勻。在50 kW/m2的輻射強度下，采用無焰引燃方式，按照單室法測定煙密度試驗方法測試礦用電纜的光透過率。

根據GB/T 16172—2007《建筑材料熱釋放速率試驗方法》，采用昆山莫帝斯科燃燒技術儀器有限公司生產的CCT 型錐形量熱儀進行測試。試驗過程中，4 根100 mm 長電纜并排、緊貼放置在試樣安裝架上，保證材料尺寸的規矩以及質量的均勻。熱輻射強度分別選取25、30、35、40 kW/m2。每組試樣進行3次試驗，取3 次的平均值，3 次測試的平均誤差不大于10%。

2 結果分析

2.1 火災煙氣的光透過率

采用NBS 煙密度測試箱對礦用電纜火災煙氣進行煙密度測試，礦用電纜火災煙氣的光透過率-時間曲線圖如圖1。

圖1 礦用電纜火災煙氣的光透過率-時間曲線圖Fig.1 Smoke light transmittance curve of mine cable fire

由圖1 可以看出，礦用電纜在50 kW/m2的輻射強度下，光透過率在前20 s 時下降不明顯，20～82 s之間下降速度很快，光透過率迅速由99.5%下降至7.5%，82 s 之后光透過率下降速度放緩，119 s 時下降至0.033%，130 s 時基本降至0。此外，3 次重復試驗的平均起燃時間為86 s，這表明礦用電纜在50 kW/m2的輻射強度下產煙量很大，光透過率下降很快，在130 s 基本降為0，能見度很低，對火災發生時人員疏散和滅火極為不利。

2.2 引燃性

材料的點燃時間（TTI）是指在一定熱輻射通量下使材料表面恰好能維持有焰燃燒時需要的時間，以s 為單位。TTI 越長表明材料在此條件下越不易點燃，材料的阻火性能越好。另外，TTI 越長，越難點燃，產生的毒性氣體越少。煤礦電纜錐形量熱儀測試的相關數據見表1。

表1 錐形量熱儀測試相關數據Table 1 Related data of cone calorimeter test

測試結果表明，在25 kW/m2的熱輻射條件下，3次重復試驗煤礦電纜試樣在30 min 內均未被引燃；30、35、40 kW/m2熱輻射強度下煤礦電纜的TTI 分別為526、149、155 s；熱輻射強度由30 kW/m2增加至35 kW/m2時，TTI 迅速縮短，而在35 kW/m2和40 kW/m2熱輻射強度下煤礦電纜的TTI 變化不明顯。

2.3 熱釋放速率

熱釋放速率（HRR），尤其是熱釋放速率峰值（PHRR）對評估材料火安全性更具實際意義，它與火災的最大強度有關。煤礦電纜在30、35、40 kW/m2熱輻射強度下的HRR 曲線如圖2。

圖2 煤礦電纜在不同輻射功率下的HRR 曲線圖Fig.2 HRR curves of mine cable fire under different thermal radiation power

從圖2 和表1 可以看出：煤礦電纜的HRR 曲線通常會出現2 個明顯的峰值，一般第2 次峰值明顯高于第1 次峰值，為主峰值PHRR，這主要是由煤礦電纜特殊的結構決定[15]；燃燒初期電纜的外護套燃燒，出現第1 次峰值，隨著燃燒的繼續，電纜內部的絕緣層和填充物開始燃燒，HRR 迅速增大，達到第2次峰值，隨后迅速下降之后進入緩慢放熱階段；30、35、40 kW/m2熱輻射強度下煤礦電纜的PHRR 分別為57.31、61.19、68.78 kW/m2；此外，隨著熱輻射強度由30 kW/m2增加至35 kW/m2，煤礦電纜的熱釋放速率達到PHRR 所需的時間（tPHRR）大幅縮短，由658 s 縮短至273 s，而PHRR 增加了6.77%；熱輻射強度由35 kW/m2增加至40 kW/m2，tPHRR 變化不大，而PHRR 增加了12.28%。

2.4 總熱釋放量

煤礦電纜在30、35、40 kW/m2熱輻射強度下的總熱釋放量（THR）曲線如圖3。

圖3 煤礦電纜在不同輻射功率下的THR 曲線圖Fig.3 THR curves of mine cable fire under different thermal radiation power

由圖3 可知：煤礦電纜在不同熱輻射功率下的THR 均隨著時間緩慢地增大后迅速增加，之后又緩慢增加；煤礦電纜燃燒試驗結束后，在30、35、40 kW/m2熱輻射強度下的THR 分別達到7.08、5.80、14.12 MJ/m2，40 kW/m2熱輻射強度下的THR 值顯著增加；這可能是由于40 kW/m2熱輻射強度下煤礦電纜的PHRR 明顯較大，燃燒更為劇烈，因此外護套和絕緣層的燃燒更為充分。

2.5 煙氣產生規律

煙氣產生速率（SPR）和總產煙量（TSP）是評價火災危害程度的重要參數，煤礦電纜在30、35、40 kW/m2熱輻射強度下的SPR 和TSP 曲線如圖4 和圖5。

圖4 煤礦電纜在不同輻射功率下的SPR 曲線圖Fig.4 SPR curves of mine cable fire under different thermal radiation power

圖5 煤礦電纜在不同輻射功率下的TSP 曲線圖Fig.5 TSP curves of mine cable fire under different thermal radiation power

從圖4 和圖5 可以看出：隨著熱輻射強度由30 kW/m2提高至35 kW/m2，電纜達到SPR 峰值（PSPR）的時間縮短，但PSPR 和TSP 明顯降低。熱輻射功率為30 kW/m2時電纜的PSPR 和TSP 分別為0.054 m2/s 和7.05 m2，熱輻射功率35 kW/m2和40 kW/m2時電纜的PSPR 分別為0.047、0.048 m2/s，TSP 分別為6.44、4.55 m2，與30 kW/m2時相比，PSPR 分別減少了12.96%和11.11%，TSP 分別降低8.65%和35.46%；35、40 kW/m2熱輻射強度下，達到PSPR 的時間（tPSPR）由30 kW/m2熱輻射強度下的551 s，分別縮短至171、187 s。

2.6 火災危險性

2.6.1 火災蔓延指數

火災蔓延指數（FGI）是PHRR 與到達tPHRR 之比，單位為kW/（m2·s）。PHRR 越大，tPHRR 越小，FGI 值越大，火災危險性就越大。FGI 的公式為：

式中：PHRR 為熱釋放速率峰值，kW/m2；tPHRR為到達熱釋放速率峰值的時間，s。

不同熱輻射功率下煤礦電纜FGI 計算結果如圖6。由圖6 可知：熱輻射強度為30 kW/m2時的煤礦電纜的FGI 為0.087 kW/（m2·s），熱輻射強度為35、40 kW/m2時煤礦電纜FGI 為0.224、0.242 kW/（m2·s）；由此可見，煤礦電纜火災蔓延速度隨熱輻射功率的增大而增大。

圖6 不同熱輻射功率下煤礦電纜FGI 計算結果Fig.6 FGI of mine cable fire under different thermal radiation power

2.6.2 火災性能指數

火災性能指數（FPI）是TTI 與PHRR 之比，單位為（m2·s）/kW，可預估該材料在點燃后是否易于發生閃燃。FGI 和FPI 的公式表示如下：

式中：TTI 為點燃時間，s；PHRR 為熱釋放速率峰值，kW/m2。

不同熱輻射功率下煤礦電纜FPI 計算結果如圖7。由圖7 可知：熱輻射功率為30 kW/m2時，FPI為9.178 （m2·s）/kW，35 kW/m2和40 kW/m2時FPI分別為2.435、2.254（m2·s）/kW。電纜試樣燃燒時的FPI 與熱輻射功率成反比，即熱輻射功率越大，電纜火災危險性越大。

圖7 不同熱輻射功率下煤礦電纜FPI 計算結果Fig.7 FPI of mine cable fire under different thermal radiation power

2.6.3 放熱指數

放熱指數（THRI6min）是指材料燃燒前6 min 內釋放熱量總和的對數。單位為MJ/m2，公式表示為：

式中：HRR6min為取前6 min 熱釋放速率的平均值，kW/m2。

THRI6min越小，表明在煤礦電纜燃燒前期釋放熱量越少，為電纜火災早期快速處置和應急救援提供了更有利的條件。熱輻射功率為30 kW/m2時THRI6min為-0.25 MJ/m2，說明在該條件下前6 min煤礦電纜主要處于吸熱階段。熱輻射功率為35、40 kW/m2時，THRI6min為0.69、0.70 MJ/m2，表 明 前6 min 煤礦電纜主要為放熱階段，且隨著熱輻射功率的增加，THRI6min增加，熱損害越大，電纜火災危險性越大。

2.7 炭渣結構分析

不同熱輻射功率下錐量測試后煤礦電纜試樣的殘炭圖如圖8。

圖8 不同熱輻射功率下煤礦電纜錐量殘炭圖Fig.8 Residual carbon of mine cable after cone calorimeter test

由圖8 可知：表25 kW/m2熱輻射功率下煤礦電纜殘炭整體性較好，隨著熱輻射功率增加，煤礦電纜殘炭破碎程度逐漸加重；熱輻射功率40 kW/m2下煤礦電纜殘炭表面破碎形成大量較小顆粒。這主要是由于熱輻射功率越大，煤礦電纜燃燒越劇烈，電纜外護套和絕緣層燃燒越充分，進而產生大量裂隙和氣體。

3 結 語

1）煤礦電纜在50 kW/m2的熱輻射強度下產煙量很大，光透過率下降很快，20～82 s 之間由99.5%下降至7.5%，在130 s 基本降為0。與30 kW/m2時相比，35、40 kW/m2時PSPR 分別減少了12.96%和11.11%，TSP 分別降低8.65%和35.46%，tPSPR 由551 s 分別縮短至171、187 s。

2）隨熱輻射強度增加，煤礦電纜的PHRR 增大，THRI6min增加，電纜火災熱危險性越大。此外，熱輻射強度為40 kW/m2時的THR 值為14.12 MJ/m2，明顯高于30、35 kW/m2時的THR。

3）煤礦電纜的FGI 隨熱輻射功率的增大而增大，FPI 隨熱輻射功率的增大而減小，即熱輻射功率越大，電纜火災危險性越大。同時，炭渣結構分析表明熱輻射功率越大，煤礦電纜燃燒越劇烈，電纜外護套和絕緣層燃燒越充分。