基于FDS 的細水霧抑制熄滅帶式輸送機火災研究

李 賀 ，沈先華 ，田 麗 ，路潔心 ，魯 義 ，曾 鋼

（1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湘煤集團白山坪礦業有限公司 磨田煤礦，湖南 衡陽 421800）

隨著礦井不斷向大型化、機械化和自動化方向發展，帶式輸送機已成為井下運輸的主力軍。大量帶式輸送機的應用增加了發生火災的危險性，為煤礦安全生產帶來了安全隱患[1]。作為新型滅火技術的細水霧以其清潔、高效、成本低的優點被廣泛應用[2-6]。DASGOTRA 等[7]應用FDS 軟件等重點分析了細水霧粒徑、流量、噴嘴高度及壓力對撲滅油池火災滅火效率的影響；JAYAWEERA等[8]驗證了高雷諾數條件下的標度關系可以擴展到低雷諾數情況，得出了低雷諾數下霧滴粒徑的最佳范圍。我國對細水霧滅火技術的研究起步較晚，早期對于細水霧撲滅礦井火災的研究主要集中在滅火機理方面[9-11]。近年來，越來越多的學者將研究重點轉移到細水霧滅火的過程上來[12-14]。常新明等[15]提出小粒徑細水霧通過吸熱阻氧效應使燃燒反應速率降低，而大粒徑水霧在火焰鋒面無法完全汽化，易引起湍流增強效應使爆炸強度增強；劉俊奎[16]認為增大噴霧壓力可以縮短滅火時間，提升滅火效果；鄧琦等[17]認為細水霧粒徑為250～400 μm，霧化角度為120°，流量為2.0～2.5 L/min，噴頭高度為1 m 時滅火效果較理想；劉志鵬[18]提出采空區細水霧主要依靠工作面兩端的壓差，將細水霧帶入采空區與自燃煤體產生熱交換，吸收大熱熱量以實現明顯的降溫效果；賴鑫瓊[19]通過數值模擬得出了不同噴霧參數下霧滴速度、粒徑的變化情況。基于此，開展了模擬巷道中細水霧對撲滅帶式輸送機火災的滅火過程，在改變霧滴粒徑、噴霧流量、噴嘴間距的情況下，通過分析巷道內溫度及滅火時間，研究不同參數對細水霧滅火效果的影響。

1 模型及參數設置

1.1 巷道模型

以江西省安源煤礦378 工作面為研究對象，該工作面位于礦井西翼3204 盤區3119 運輸巷與3205 平石門之間，走向長度為250 m，傾斜長度為80 m，工作面面積為20 000 m2，378 出山復采工作面井下位置位于3119 運輸巷和3117 運輸巷之間，東邊以700 m 保安煤柱線為界，西邊以3117 補斗為界，上部有372 下段采空區。378 工作面巷道模型如圖1。

圖1 378 工作面巷道模型Fig.1 Roadway model of 378 working face

1.2 工況設置

根據巷道的實際尺寸建立了巷道的幾何模型。火源大小為1.5 m×1.5 m，火源功率為3 MW。模擬共設置10 個熱電偶以監測巷道內溫度分布，以火源為中心，每隔10 m 設置1 個熱電偶，距火源30 m 后，每隔30 m 設置1 個熱電偶。溫度切片設置在人眼特征高度（1.6 m）處。巷道風流方向設置為縱向通風，風速為0.25 m/s，模擬時間為900 s。在模擬細水霧滅火時，將反應設置為復雜化合物燃燒，燃燒材料為聚氯乙烯。噴頭布置在主通風巷道頂部距頂板0.1 m 處。

為研究不同特性參數對細水霧滅火效果的影響，設置以下12 種工況，具體工況設置見表1。

表1 工況設置Table 1 Working condition setting

2 影響細水霧滅火因素分析

2.1 霧滴粒徑對滅火效果的影響

對霧滴粒徑為20、50、100、200 μm 的模型進行計算，不同粒徑細水霧巷道內溫度分布如圖2。

圖2 不同粒徑細水霧巷道內溫度分布Fig.2 Temperature distribution in different particle sizes

霧滴粒徑大小對滅火效果有明顯的影響。隨著燃燒的進行，火災范圍不斷擴大，巷道內溫度升高且分布不均勻。在火源下風向的測點6 最先達到噴淋裝置觸發溫度74 ℃，導致101.9 s 開始噴淋細水霧，隨著液滴降落到火焰附近，火焰與霧滴進行對流換熱，在兩者的相互作用下，液滴吸收大量熱量開始汽化，由于初始階段細水霧吸收的熱量遠遠小于火災燃燒產生的熱量，巷道內溫度繼續升高。257 s 時，測點6 升高至最高溫度312℃，此時火災燃燒產生的熱量與細水霧吸收的熱量相等，隨著噴水量的增加，細水霧吸收的熱量不斷增大，測點6 溫度開始下降。霧滴粒徑為20、50、100、200 μm 時，分別在276、389、253、357 s 時上升到最高溫度后開始下降，而溫度差異最顯著的測點3 在霧滴粒徑為200 μm 時溫度最高，為379 ℃，在霧滴粒徑為100 μm 時溫度最低，為286 ℃，說明霧滴粒徑為100 μm 時降溫時間比其他粒徑降溫時間快，最先使巷道內溫度下降。不同霧滴粒徑下滅火時間如圖3。

圖3 不同霧滴粒徑下滅火時間Fig.3 Extinguishing time at different droplet particle sizes

2.2 噴霧流量對滅火效果的影響

為了研究噴霧流量對滅火效果的影響，模擬中設定霧滴粒徑100 μm，火源功率3 MW，風速0.25 m/s 不變。GB 50898—2013《細水霧滅火系統技術規范》中提出，對于電纜隧道這類場所，當噴頭的安裝高度 ≤3 m 時，系統的最小噴霧強度為1 L/（min·m2）。根據此規定將噴霧流量分別設置為2、4、6、8 L/min，對這4 種工況進行數值模擬。不同噴霧流量時巷道內溫度分布如圖4。

圖4 不同噴霧流量時巷道內溫度分布Fig.4 Temperature distribution at different spray flows

從圖4 可以觀察到，隨著噴霧流量的增大，細水霧快速吸收火災釋放的大量熱量，導致火場內整體溫度不斷降低。其原因是噴霧流量的增大，導致細水霧粒子的大量增加，一部分細水霧粒子還未等到進入火焰就由于高溫蒸發，而另一部分穿過火焰內徑，進一步靠近燃燒物表面，吸收了帶式輸送機燃燒所釋放的能量。因此，使燃燒物表面的溫度得以下降，導致可燃物達不到其燃點而使燃燒終止。巷道內溫度變化與噴霧流量成反比，噴霧流量越大，巷道內溫度降低越快。其中流量為8 L/min 巷道內整體溫度較其他工況降低最為明顯。這是由于一定程度上的大流量細水霧能在火災初期快速吸收并帶走熱量，使火焰溫度迅速降低，從而影響整個巷道內的溫度分布。

反映滅火效果的1 個重要因素就是滅火時間，滅火時間越長，火災持續的時間越長，滅火效果越差；反之滅火時間越短，滅火效果越好。因此從滅火時間的長短來評判滅火效果的優劣。滅火時間即開始施加細水霧至火焰熄滅的時間，當溫度達到燃燒物所需的臨界溫度后火焰停止燃燒。不同噴霧流量滅火時間如圖5。

圖5 不同噴霧流量滅火時間Fig.5 Fire extinguishing time of different spray flows

由圖5 可以看出：在本次模擬中，火焰被徹底撲滅的時間分別為484.1、440.3、376.5、353.8 s；滅火時間隨著噴霧流量的增加呈現逐漸減小的趨勢；當噴霧流量為2～8 L/min 時，隨著噴霧流量的增大滅火時間不斷減小，這是由于隨著流量的增加，細水霧蒸發吸熱帶走的熱量不斷增加，整個巷道范圍內的溫度也不同程度地體現了下降的趨勢；噴霧流量為8 L/min 時，滅火時間最短為353.8 s，滅火效果最好；當噴霧流量為6 L/min 時，達到滅火效果的耗水量為27.46 L，8 L/min 的耗水量為33.6 L，僅比前者增加用水量6.14 L，滅火時間卻提前了22.7 s，滅火效率大大提高。從溫度和氧氣體積分數來看，增加流量能夠快速降低巷道內溫度與氧氣體積分數，顯著提高細水霧對帶式輸送機火災的滅火效率。雖然隨著流量的增大，滅火所消耗的水量也有所增加，但與滅火效果帶來的優點相比，耗水量的增量并不能夠相提并論，因此為獲得最理想的滅火效果，選取8 L/min 作為本工況下的最佳噴霧流量。

2.3 噴頭間距對滅火效果的影響

為了研究噴頭間距對滅火效果的影響，根據上文得出的結論，選取滅火效果相對來說比較明顯的霧滴粒徑100 μm、噴霧流量8 L/min 作為本節的參考數據。GB 50898—2013《細水霧滅火系統技術規范》中指出，在噴頭安裝高度 ≤3 m 的電纜隧道等應用場所，噴頭的最大布置間距不超過3 m，其數量不應少于5 只。因此模擬中設置5 個噴頭，分別對噴頭間距為0.5、1.0、2.0、3.0 m 的4 種工況進行數值模擬。不同噴頭間距巷道內溫度分布如圖6。

圖6 不同噴頭間距下巷道內溫度分布Fig.6 Temperature distribution under different nozzle densities

由圖6 可以看出，噴頭間距的變化對巷道內溫度有明顯影響。101.9 s 時，噴淋裝置開始啟動，火焰與霧滴之間將進行對流換熱，傳遞到水滴的熱量用于提高溫度并蒸發水霧，但細水霧吸收的熱量還遠遠小于火災燃燒釋放的熱量，因此溫度持續升高且升高速率無明顯變化。當升高到最高溫度時，細水霧吸收的熱量等于火災燃燒釋放的熱量。此時隨著噴水量的不斷增加，細水霧吸收熱量也不斷增加，直到遠大于火災燃燒散發的熱量，因此巷道內溫度快速降低，當火焰區域的溫度下降至燃燒所需的臨界溫度以下時，火焰將熄滅。通過觀察圖6 可以發現，隨著噴頭間距的減小，巷道內溫度呈現不斷升高的趨勢，這是因為噴頭間距越小，細水霧的噴射范圍覆蓋火災范圍越大，滅火效果越明顯。而噴頭間距過大，將會導致細水霧的噴射范圍不能完全覆蓋火災范圍，未被細水霧噴射到的火災的范圍不斷擴大，無法達到理想的滅火效果。當噴頭間距為0.5 m 時，巷道內溫度降低最為明顯，但0.5 m 與1 m 的穩定溫度相同，均為20 ℃，最高溫度也僅相差4 ℃，降溫效果并無差別。但若選擇0.5 m 的間距，每10 m則需安裝20 個噴頭，而1 m 的間距僅需要10 個噴頭，經濟成本降低一半，考慮到經濟適用性選擇1 m 的間距作為最佳參數。

不同噴頭間距下滅火時間如圖7。

圖7 不同噴頭間距下滅火時間Fig.7 Fire extinguishing time at different nozzle spacing

由圖7 可以觀察到，噴頭間距的差異對滅火效果影響非常明顯。相同條件下，滅火時間與噴頭間距呈正相關，噴頭間距越大，滅火時間越長。當巷道中噴頭間隔3 m 時，滅火時間最長，為326.6 s，當巷道中噴頭間隔0.5 m 時，滅火時間最短，為239.9 s。隨著噴頭間距的增加，滅火時間延長，這是由于增加噴頭間距增加，單位距離內的噴水量隨之減小，水滴吸熱蒸發帶走的熱量顯著減少，巷道內溫度降低較慢。同樣可以看出，隨著噴頭間距的減小，滅火時間雖有所降低，但其降低的速率也有所差別，a段（即噴頭間距由0.5 m增加至1 m 時）滅火時間降低速率最大，c段次之，b段最小，因此模擬設計的工況中當噴頭間距為0.5 m 時滅火時間最短且效率最高。由于間距為0.5 m 時細水霧的降溫效果不明顯，不如間距為1 m的細水霧系統，又考慮到經濟成本等因素，噴頭數量增加會提高細水霧系統的安裝成本，因此選擇噴頭間距為1 m 作為其最佳參數。噴頭間距＞3 m的工況未做相關研究，但可以推斷出噴頭間距超過一定數值時，滅火時間增加，但實際應用中不應只依靠滅火時間1 個因素來選取最佳噴頭間距，無限增加噴頭數量會提高工程成本，應綜合考慮滅火時間與滅火時間降低速率，選取滅火時間降低速率較大且噴頭數量較少的方案，有利于降低成本，增加方案的實用性。

3 結 語

1）細水霧對于撲滅帶式輸送機火災有明顯效果。在霧滴粒徑為100 μm，噴頭流量為8 L/min，噴頭間距為1 m 的細水霧滅火過程中，細水霧的冷卻降溫效果顯著，對撲滅火災起到關鍵性作用。因此在帶式輸送機火災中應用細水霧滅火優選霧滴粒徑為100 μm，噴頭流量為8 L/min，噴頭間距為1 m，以快速撲滅火災。

2）相同流量下，在一定范圍內，滅火時間與霧滴粒徑大小成反比，霧滴粒徑越小，蒸發速率越快，滅火效果越好。

3）相同霧滴粒徑下，噴霧流量越大，滅火效果越好。當噴霧流量足夠大時，吸熱降溫是決定滅火效果的關鍵因素。

4）相同霧滴粒徑與噴霧流量下，噴頭間距大小對滅火效果影響顯著。在一定范圍內，滅火時間隨著噴頭間距的增加而變大。理論上噴頭間距越小滅火效果越好，但考慮到經濟成本，應結合實際選取最優噴頭間距。