巷道環(huán)境與產(chǎn)煙產(chǎn)熱影響下的礦井火災(zāi)避災(zāi)路徑選擇

宋志強(qiáng),崔傳波,鄧存寶

(太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030600)

據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì),2021年我國(guó)原煤產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高,達(dá)到了41.3億t,煤炭需求不斷提升。同時(shí),由于我國(guó)礦產(chǎn)資源大多埋藏較深,地質(zhì)條件復(fù)雜多變,開(kāi)采難度大,導(dǎo)致每年發(fā)生不少煤礦安全事故,其中火災(zāi)是煤礦生產(chǎn)中重大災(zāi)害之一,造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重阻礙了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐[1]。煤礦巷道寬度與高度均比較狹小,發(fā)生火災(zāi)后,可燃物燃燒所產(chǎn)生的有害煙氣、急速降低的能見(jiàn)度、產(chǎn)生的高溫和人員心理上的恐慌等因素極大地增加了逃生與救援的難度[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),火災(zāi)中造成傷亡主要原因之一是盲目的逃生,所占比例高達(dá)85%[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤礦火災(zāi)下的人員逃生做了大量研究。Adjiski V等[4]開(kāi)發(fā)出一個(gè)模擬系統(tǒng),確定礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最佳疏散路徑,并將結(jié)果告知可能會(huì)受到影響的礦工;Ritter E等[5]使用數(shù)值模擬軟件Pyrosim,研究了風(fēng)門(mén)開(kāi)閉對(duì)火勢(shì)蔓延的影響,指導(dǎo)應(yīng)急救援系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),并證明了其有效;倪燕[6]使用當(dāng)量長(zhǎng)度算法,建立權(quán)重指標(biāo),定量分析巷道中各種環(huán)境因素對(duì)疏散的影響,并通過(guò)示例進(jìn)行證明;姜媛媛等[7]提出一種全新應(yīng)急救援路徑優(yōu)選方式,將煙霧濃度、溫度等影響救援的因素加以量化,同時(shí)以節(jié)點(diǎn)連通度為約束,結(jié)果表明考慮以上因素的救援路徑更加安全與科學(xué)。由于礦井火災(zāi)中逃生的影響因素極其復(fù)雜,不僅包括火災(zāi)中的有毒有害煙氣、急速降低的能見(jiàn)度、不斷升高的溫度,還包括復(fù)雜的巷道環(huán)境,例如巷道環(huán)境中的坡度及不平整度也會(huì)對(duì)人員逃生產(chǎn)生影響。為使人員疏散更接近實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景,筆者利用FDS數(shù)值模擬軟件對(duì)唐山溝12#煤層進(jìn)行火災(zāi)模擬,同時(shí)建立巷道危險(xiǎn)度模型,提出用人體耗氧量表征巷道動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度與靜態(tài)危險(xiǎn)度,定量分析火災(zāi)中CO體積分?jǐn)?shù)、能見(jiàn)度、溫度,以及巷道的坡度、不平整度對(duì)人員逃生的影響,在具備生存條件的前提下選擇最優(yōu)路徑,降低人員逃生壓力,從而為應(yīng)急救援提供理論與數(shù)據(jù)支持,快速判斷災(zāi)變時(shí)期巷道實(shí)時(shí)情況,提供最優(yōu)逃生路徑指導(dǎo)。

1 巷道環(huán)境對(duì)人員逃生的影響

由于巷道環(huán)境特別復(fù)雜,筆者只研究不同坡度和不平整度對(duì)人員逃生的影響。將巷道分支環(huán)境簡(jiǎn)化為上下坡路段、崎嶇不平路段及水平路段,如圖1所示。

圖1 巷道簡(jiǎn)化示意圖

假設(shè)某巷道分支長(zhǎng)度為L(zhǎng),坡道路段的坡度用θ表示,上坡路段的水平投影長(zhǎng)度用a表示,下坡路段的水平投影長(zhǎng)度用b表示,崎嶇不平或有障礙物路面長(zhǎng)度用c表示,不平整度用μ表示,則該巷道分支水平路段長(zhǎng)度為L(zhǎng)-a-b-c。其中,坡度θ=(高程差÷水平距離)×100%。

Bobbeet A C[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)不同坡度人員有著不同的逃生速度,如表1所示。

表1 井下不同坡度與對(duì)應(yīng)逃生速度

將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,井下逃生速度與坡度的關(guān)系如圖2所示,同時(shí)得出擬合度R2為0.989的擬合公式(1)。

圖2 井下逃生速度與坡度關(guān)系

vθ=1.065+1.656cos(4.184θ)-0.328 1sin(4.184θ)-0.527 5cos(8.368θ)-0.024 55sin(8.368θ)+0.323 8cos(12.552θ)+0.104sin(12.552θ)

(1)

式中:vθ為煤礦井下巷道逃生速度,m/s;θ為煤礦井下巷道坡度,%。

攝氧率與逃生速度的關(guān)系式采用美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)所推薦公式:

(2)

式中:υ(O2)為攝氧率,mL/(kg·min);vt為逃生速度,m/min。

當(dāng)逃生人員面對(duì)上坡的巷道環(huán)境時(shí),根據(jù)式(2)可以推導(dǎo)出人員逃生過(guò)程中攝氧量V1(O2)的計(jì)算公式:

V1(O2)=υ(O2)·T·G/1 000=(12vθ+54vθθ+

(3)

式中:V1(O2)為逃生人員上坡逃生過(guò)程中的攝氧量,mL;T為逃生時(shí)間,s;G為人員體重,kg。

由于式(2)并未直接說(shuō)明是否適用于下坡,因此借鑒王歡等[9]通過(guò)測(cè)量被試者各項(xiàng)身體指標(biāo)得出上樓耗氧量為下樓的2.7倍的結(jié)論,則逃生時(shí)面對(duì)下坡路段時(shí)攝氧量V2(O2)為相同長(zhǎng)度上坡路段耗氧量的1/2.7。根據(jù)式(3)可以推導(dǎo)出V2(O2)計(jì)算公式:

(4)

當(dāng)人員逃生面對(duì)巷道中有液壓支架等障礙物及坑洼不平的路面時(shí),出于本能,逃生人員仍然會(huì)以一定的速度奔跑,同時(shí),為了避免逃生過(guò)程中摔倒,逃生人員會(huì)調(diào)整步長(zhǎng)和邁步頻率保持速度,步長(zhǎng)減小的同時(shí)邁步頻率增加,耗氧量隨之增加,因此,可以用平均步長(zhǎng)s表征巷道的不平整程度μ,步長(zhǎng)越短,礦道的崎嶇程度越大。

有學(xué)者通過(guò)研究體育運(yùn)動(dòng)員在一定速度下攝氧量與步長(zhǎng)之間的相關(guān)性時(shí)得出結(jié)論:當(dāng)速率恒定,攝氧量與步長(zhǎng)s的關(guān)系呈現(xiàn)U形變化趨勢(shì)[10]。其中,速率保持3 m/s 時(shí),攝氧率與步長(zhǎng)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 3 m/s速度下攝氧率與步長(zhǎng)關(guān)系

將散點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到擬合度R2為0.958的保持逃生速度3 m/s下攝氧率與步長(zhǎng)擬合公式:

υ′(O2)=(5.459s2+808.6s-130 200)/(s-97.54)

(5)

若人員在井下長(zhǎng)度為c、崎嶇程度為μ的不平整巷道中平均逃生速度為2 m/s,則根據(jù)式(5)可以推導(dǎo)出逃生過(guò)程中耗氧量V3(O2)為:

V3(O2)=[(5.459s2+808.6s-130 200)/(s-

97.54)]·c/120

(6)

當(dāng)坡度為0°時(shí),根據(jù)式(2)可推導(dǎo)攝氧率為υ″(O2)=12vθ+3.5,因此,可以得到平整巷道的攝氧量V4(O2)為:

(7)

因此,利用逃生時(shí)面對(duì)巷道環(huán)境中的不同坡度和不平整度下的耗氧量表征靜態(tài)危險(xiǎn)度E1,則E1=V1(O2)+V2(O2)+V3(O2)+V4(O2)。

2 燃燒產(chǎn)煙產(chǎn)熱對(duì)人員逃生的影響

研究發(fā)現(xiàn),火災(zāi)過(guò)程中CO體積分?jǐn)?shù)、溫度、能見(jiàn)度是影響人員逃生的最主要因素[11]。引入速度系數(shù)概念,將實(shí)時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)、溫度和能見(jiàn)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成速度系數(shù)并最終轉(zhuǎn)換成人員耗氧量,結(jié)合巷道環(huán)境影響可更加真實(shí)反映人員逃生危險(xiǎn)度。CO體積分?jǐn)?shù)速度系數(shù)用k1(φ(CO))表示,溫度速度系數(shù)用k2(F)表示,能見(jiàn)度速度系數(shù)用k3(vis)表示,則總影響為v=v0·k1(φ(CO))·k2(F)·k3(vis)。其中,v為加入速度系數(shù)的逃生速度,m/s;v0為正常情況下逃生速度。

2.1 CO體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)逃生的影響

火災(zāi)中危害最嚴(yán)重的是CO氣體,其具有無(wú)色無(wú)味的特性。人在短時(shí)間內(nèi)大量吸入CO將會(huì)造成不可逆的臟器和呼吸道傷害[12]。朱書(shū)敏[13]在美國(guó)學(xué)者M(jìn)ike關(guān)于CO氣體對(duì)人員疏散影響分析的基礎(chǔ)上,總結(jié)出CO體積分?jǐn)?shù)與速度系數(shù)的關(guān)系式:

(8)

式中:φ(CO)為CO體積分?jǐn)?shù),%;t為人員在火場(chǎng)中的時(shí)間,s。

2.2 溫度變化對(duì)逃生的影響

根據(jù)美國(guó)學(xué)者M(jìn)ike大量關(guān)于溫度對(duì)人員疏散速度的影響實(shí)驗(yàn)[14],總結(jié)出溫度與速度系數(shù)的計(jì)算公式:

(9)

式中:vm為最大逃生速度,結(jié)合煤礦實(shí)際情況,此處取值為2.51 m/s;F1為礦井實(shí)際溫度,℃;Fw1為人員感到難受的溫度,取30 ℃;Fw2為對(duì)人員呼吸道等造成灼傷的溫度,取60 ℃;Fd為造成人員死亡的溫度,取120 ℃。

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2.3 能見(jiàn)度變化對(duì)逃生的影響

能見(jiàn)度直接影響逃生人員的視野范圍,過(guò)低的能見(jiàn)度會(huì)極大加重逃生人員的心理壓力,對(duì)逃生速度造成直接影響。用減光系數(shù)QC間接表征能見(jiàn)度影響下的速度系數(shù),減光系數(shù)QC=3/lvis[15],其中l(wèi)vis為能見(jiàn)度,m。

(10)

將FDS模擬數(shù)據(jù)經(jīng)Excel軟件處理后代入公式(8)～(10)計(jì)算得到速度系數(shù),換算出考慮火災(zāi)產(chǎn)煙產(chǎn)熱時(shí)耗氧量為V′(O2)=VCO(O2)+VT(O2)+Vvis(O2),動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度E2用產(chǎn)煙產(chǎn)熱下的總耗氧來(lái)表征,即E2=V′(O2),則人員逃生危險(xiǎn)度E可以表示為E=E1+E2。

3 FDS火災(zāi)數(shù)值模擬

3.1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

FDS數(shù)值模擬軟件是由NIST開(kāi)發(fā),主要用于求解火災(zāi)中煙氣流動(dòng)及熱傳遞過(guò)程,并通過(guò)結(jié)果可視化程序Smokeview實(shí)時(shí)了解煙氣蔓延情況、有毒有害氣體濃度,以及各種場(chǎng)數(shù)據(jù)[16]。利用FDS軟件建立唐山溝煤礦12#煤層8208工作面模型,如圖4所示。

圖4 唐山溝煤礦12#煤層8208工作面布置示意圖

圖4中,節(jié)點(diǎn)④-⑤、⑤-⑥之間設(shè)置有風(fēng)門(mén),共劃分網(wǎng)格399 936個(gè),采用并行運(yùn)算方式,運(yùn)行時(shí)間大約為25 h。根據(jù)網(wǎng)格精度計(jì)算公式,確定網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m最佳[17],火源位于膠帶巷入口500 m處,火源大小為1 m×1 m,采用最不利于疏散的“快速火”類型,對(duì)應(yīng)的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.046 89 kW/s2,增長(zhǎng)類型選擇t2型[18];模擬膠帶運(yùn)輸巷著火情況,根據(jù)煤礦生產(chǎn)安全規(guī)程及實(shí)際生產(chǎn)情況,將火源功率設(shè)置為10 kW,膠帶運(yùn)輸巷、軌道運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷風(fēng)速分別設(shè)置為2.8、4.0、6.8 m/s,火災(zāi)達(dá)到最大釋放功率的時(shí)間大約需要450 s;為排除風(fēng)流不穩(wěn)定對(duì)結(jié)果造成的影響,模擬開(kāi)始前先進(jìn)行風(fēng)流穩(wěn)定性模擬,結(jié)果顯示巷道風(fēng)流約為250 s達(dá)到穩(wěn)定,于是設(shè)置火源著火時(shí)間為250 s,總運(yùn)行時(shí)間為1 000 s;觀測(cè)火災(zāi)蔓延情況,設(shè)置溫度、能見(jiàn)度及CO體積分?jǐn)?shù)探測(cè)器,探測(cè)器高度均為人眼高度處(1.6 m)[19]。各測(cè)點(diǎn)位置描述見(jiàn)表2,風(fēng)流方向如圖4中箭頭所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)位置

3.2 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

通過(guò)火災(zāi)模擬結(jié)果,可以直接觀察到火災(zāi)發(fā)生后巷道煙氣蔓延,以及溫度、氣體濃度情況,從而可以分析火災(zāi)傳播特征,評(píng)估發(fā)生火災(zāi)后礦工逃生環(huán)境。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》將溫度大于60 ℃,CO體積分?jǐn)?shù)大于0.002 4%,能見(jiàn)度小于5 m作為危險(xiǎn)判定條件[20]。

模擬結(jié)果顯示,煙流主要經(jīng)過(guò)膠帶運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷蔓延,工作面有少量煙流,軌道運(yùn)輸巷并沒(méi)有煙流經(jīng)過(guò)。各測(cè)點(diǎn)處監(jiān)測(cè)的CO體積分?jǐn)?shù)變化情況如圖5所示。

圖5 各測(cè)點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)變化情況

從圖5可以看出,火災(zāi)發(fā)生后350 s內(nèi),測(cè)點(diǎn)1、2、3、7、8處CO體積分?jǐn)?shù)相繼超過(guò)0.002 4%,相關(guān)研究表明,人員在此濃度下40 min將會(huì)出現(xiàn)頭暈、惡心、乏力等中毒癥狀[21];軌道運(yùn)輸巷未發(fā)生煙流逆退現(xiàn)象,故軌道運(yùn)輸巷CO體積分?jǐn)?shù)為0;由于距離起火點(diǎn)較遠(yuǎn),工作面CO體積分?jǐn)?shù)始終沒(méi)有超限。

圖6 膠帶運(yùn)輸巷溫度變化情況

能見(jiàn)度變化亦是煤礦火災(zāi)后影響逃生的重要因素之一。能見(jiàn)度急劇降低,不僅增加了路線辨別的難度,也加重了逃生人員的恐慌心理,同時(shí)煙氣中的有毒有害氣體也對(duì)安全逃生構(gòu)成威脅。各測(cè)點(diǎn)處能見(jiàn)度變化如圖7所示。

圖7 各測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度變化情況

節(jié)點(diǎn)⑥(測(cè)點(diǎn)8)處在540 s時(shí)能見(jiàn)度降低至5 m,并持續(xù)降低,由于溫度和CO體積分?jǐn)?shù)未超限,假如逃生人員能在540 s內(nèi)通過(guò)此路口,則大大增加逃生成功的概率;節(jié)點(diǎn)⑨(測(cè)點(diǎn)6)處在模擬時(shí)間720～840 s內(nèi)短暫降低至5 m以下,并隨后回升到5 m以上;工作面及軌道運(yùn)輸巷始終沒(méi)有降低至5 m以下,同時(shí)溫度和CO體積分?jǐn)?shù)未影響人員逃生。

4 各巷道分支危險(xiǎn)度計(jì)算

假設(shè)井下人員平均體重為65 kg,位置均在工作面中部,分別計(jì)算靜態(tài)和動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度。

4.1 靜態(tài)危險(xiǎn)度計(jì)算

根據(jù)煤礦采掘圖等高線可計(jì)算出各分支坡度,并通過(guò)實(shí)地調(diào)查巷道獲得不平整道路長(zhǎng)度,同時(shí)統(tǒng)計(jì)人員步長(zhǎng),并將坡度、凹凸不平整度、步長(zhǎng)與各巷道長(zhǎng)度等,代入式(3)～(7)中,可求得各分支靜態(tài)危險(xiǎn)度,結(jié)果見(jiàn)表3;各路徑靜態(tài)危險(xiǎn)度如表4所示。

表3 各分支靜態(tài)危險(xiǎn)度

表4 各路徑靜態(tài)危險(xiǎn)度

4.2 動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度計(jì)算

由模擬結(jié)果可知,火災(zāi)發(fā)生后,節(jié)點(diǎn)⑥處與⑨處為工作面人員逃生關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),同時(shí)測(cè)點(diǎn)1距離火源最近,受火災(zāi)影響最嚴(yán)重,故著重討論節(jié)點(diǎn)⑥、節(jié)點(diǎn)⑨及測(cè)點(diǎn)1處火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員逃生的影響,默認(rèn)速度系數(shù)為1,即人員逃生速度未受影響。隨著火災(zāi)發(fā)展,巷道中能見(jiàn)度、溫度、CO體積分?jǐn)?shù)的變化將影響人員逃生速度,增加耗氧量,改變逃生的難度與時(shí)間,在速度系數(shù)降為0后,人員逃生速度變?yōu)?,喪失逃生能力。

圖8為節(jié)點(diǎn)⑨處速度系數(shù)圖。從圖8可以看出,節(jié)點(diǎn)⑨處在整個(gè)模擬環(huán)節(jié)中,CO體積分?jǐn)?shù)系數(shù)與溫度系數(shù)均為1不變,說(shuō)明CO體積分?jǐn)?shù)和溫度沒(méi)有影響到人員逃生速度,主要是由于節(jié)點(diǎn)⑩處風(fēng)橋的作用,降低節(jié)點(diǎn)⑨處煙流量,大部分風(fēng)流沿著風(fēng)橋進(jìn)入回風(fēng)巷。能見(jiàn)度速度系數(shù)最低為0.85,對(duì)逃生影響較小,輕微降低人員逃生速度。

圖8 節(jié)點(diǎn)⑨處速度系數(shù)

圖9為節(jié)點(diǎn)⑥處速度系數(shù)圖。從圖9可以看出,節(jié)點(diǎn)⑥處溫度未影響人員逃生速度,原因在于回風(fēng)巷與軌道運(yùn)輸巷之間聯(lián)絡(luò)巷中調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的阻礙作用,使煙流不會(huì)蔓延到軌道運(yùn)輸巷。能見(jiàn)度速度系數(shù)于620 s時(shí)最先降低至0,人員速度變?yōu)?,在620 s之后此節(jié)點(diǎn)處不具備逃生功能,禁止人員通過(guò)。

圖9 節(jié)點(diǎn)⑥處速度系數(shù)

圖10為測(cè)點(diǎn)1處速度系數(shù)圖。從圖10可以看出,測(cè)點(diǎn)1處CO體積分?jǐn)?shù)速度系數(shù)在火災(zāi)發(fā)生期間沒(méi)有顯著變化;而溫度速度系數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降直到變?yōu)?的趨勢(shì),表明溫度在火災(zāi)發(fā)生初期對(duì)人員逃生具有積極作用,能加快人員逃生速度,一定時(shí)間后,溫度升高,影響人體機(jī)能,速度系數(shù)降為0,失去逃生能力;能見(jiàn)度速度系數(shù)在火災(zāi)發(fā)生后50 s開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì),并在火災(zāi)發(fā)生后110 s時(shí)降為0,失去疏散能力,威脅人身安全。

圖10 測(cè)點(diǎn)1處速度系數(shù)

在具備生存條件的前提下,各路徑動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度如表5所示。

表5 各路徑動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度

選擇路徑的前提是工作面人員逃生過(guò)程中動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度在允許范圍內(nèi),即不存在高溫、超標(biāo)的CO體積分?jǐn)?shù),以及5 m以下的能見(jiàn)度情況,具有生存條件。在綜合考慮靜態(tài)危險(xiǎn)度與動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度之后,可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生后,工作面人員可以選擇的道路只剩下⑦-⑥-⑤-②,-⑩-⑨-⑤-②共2條道路,其危險(xiǎn)度分別為3 563.69和3 569.76。沒(méi)有選擇其他道路的原因是由于動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度為∞,這些路徑由于能見(jiàn)度急速降低,有毒煙氣充滿巷道,使人員喪失行動(dòng)能力甚至死亡。

5 結(jié)論

1)與以往的研究相比,同時(shí)考慮巷道環(huán)境和火災(zāi)產(chǎn)煙產(chǎn)熱對(duì)人體造成的影響,可以更加真實(shí)反映災(zāi)變時(shí)期人員逃生所面臨的實(shí)際情況。

2)通過(guò)速度系數(shù)圖可以發(fā)現(xiàn),在火災(zāi)發(fā)生前期,溫度對(duì)人員逃生有一定的促進(jìn)作用,有利于人員快速逃生;隨著火災(zāi)的發(fā)展,能見(jiàn)度速度系數(shù)最先下降并短時(shí)間內(nèi)降低至0,使巷道失去疏散功能。

3)在允許逃生時(shí)間內(nèi)且具有生存條件的情況下,優(yōu)選出2條逃生路徑:⑦-⑥-⑤-②與-⑩-⑨-⑤-②,逃生危險(xiǎn)度分別為3 563.69和3 569.76。