基于細水霧幕與縱向通風耦合系統的巷道火災研究

引言

隨著地下礦山開采深度的增加，礦山的機械設備和電氣設備增多[1]，與開采后無法及時運出的礦石和廢石堆積有關，開采深度越大，巷道的溫度與壓力也會顯著提升，在高溫和高壓環境下容易引發火災，造成了嚴重的人員傷亡[2]。由于巷道的特殊性，火災時高溫煙氣迅速聚集且難以排出，對巷道內人員的生命造成嚴重威脅[3]為了保障人員安全、降低火災風險，許多學者開展大量研究并提出了一系列控制方法。通常采用防火門[4、空氣幕[5、固體障礙物及通風系統等方法來控制煙霧傳播。然而，隨著研究的深入，這些方法已無法滿足礦山設計與消防安全需要[8]。固體障礙物較為被動，無法主動滅火與控制煙氣擴散，受限于巷道布局，難以靈活調整或重新配置。空氣幕與通風系統受氣壓變化影響，容易造成空氣流紊亂而導致更大的致災區域。因此，亟須采取抑制巷道火災煙氣蔓延的有效方法或措施。細水霧幕是一種利用高壓設備將水霧化成極細微的水滴，并通過噴灑形成的薄霧屏障，可以覆蓋整個巷道截面。本文使用計算流體動力學（CFD）軟件和火災動力學模擬器（FDS）[1構造全尺寸巷道模型，通過對比分析自然通風、縱向通風及細水霧耦合通風三種工況，系統研究了不同條件下火災煙氣、溫度和CO濃度的動態變化規律。該系統通過蒸發吸熱和吸附有毒氣體的雙重機制，配合縱向通風的定向氣流組織，實現了對火災煙氣的主動攔截和可控排放，為礦山火災防控提供了創新的解決方案，對保障井下人員安全疏散和應急救援具有重要的實踐價值。

一、數值模擬實驗

（一）物理模型及網格尺寸

本文以廣西某金屬礦山實際巷道為例構建物理模型，巷道界面為矩形，橫截面為 7.5m×5m ，長度為 200m 火源放置在巷道中段，位于底部中心線位置上，如圖1所示。巷道左側為供風口“supply”，可提供不同縱向風速，右側為出風口“open”，用來排煙。環境初始溫度為 20% ，壓力為 101.325kPa ，巷道壁面、頂板、地板均采用混凝土材料，壁面無滑移，與煙氣之間無滲透，因此擴散系數默認為0，溫度不變。

網格尺寸的選取決定了模擬結果的準確性。由《FireDynamicsSimulatorUser’sGuide》可得其定義公式，如公式（1），火災網格尺寸 dx 可由無量綱表達式 D^*/8x 計算確定。當 D^*/δx 取值范圍在4h—16h，可以認為模擬結果具有收斂性。研究表明，近火源區域的網格尺寸為0.05D^?-0.1D^? ，遠火源區域的網格尺寸不超過 0.5D^* ，細化網格尺寸對一定范圍內的模擬精度有提升作用。當進一步細化后，模擬所需時間更長，對模擬精度沒有明顯影響。本文所選火源功率為 10MW ，由公式（1）可得 D^* 為 2.42m，0.1D^? 與 0.5D^* 分別為 0.242m，1.21m 。近火源區域網格尺寸為 0.25m ，遠火源區域網格尺寸為 0.5m 滿足計算精度要求。

（二）火災場景及細水霧幕設置

為了研究煙霧擴散影響因素及水霧幕系統抑制的性能，本文模擬了三種火災場景。在場景1中，不采取任何措施，沒有縱向通風與細水霧系統，煙霧可在巷道內自由擴散；在場景2中，采用縱向通風，設置風速為 1m/s ，研究風速影響下的煙霧擴散規律;在場景3中，設置縱向通風與水霧系統的耦合，位置在 Δx=75m 處，研究耦合系統對煙霧的控制效果。使細水霧幕系統覆蓋整個巷道界面，水霧網由14個細水霧噴嘴組成，每個噴嘴的流量為 30L/min ，液滴速度為 10m/s ，液滴粒徑為 300μm ，噴射壓力為 10MPa ，液滴的質量通量為 0kg/（m²?s）-0.75kg/（m²?s）

二、結果與討論

（一）溫度分布情況

在場景1中，巷道內上層充滿了熱煙霧，火源中心溫度達到了 600^°C ，離火源區域越遠，溫度也會逐漸降低，在沒有其他因素影響下，溫度沿縱向呈對稱分布。在場景2中，在距火源 65m 的區域時溫度分布被阻斷，火源中心溫度較場景1降低，高溫區域明顯增加。在縱向通風的影響下，遠離火源區域溫度較高，煙霧層溫度分級明顯。在場景3中，高溫被限制在水霧幕中，溫度分布區域明顯減少，火災區域外的溫度接近于環境溫度。從結果可以清晰地看出，高溫煙氣無法擴散出細水霧幕外，溫度分布比較紊亂，影響范圍大大縮小，這有利于人員的快速疏散。

（二）CO濃度分布

在場景1中，火源周圍CO濃度較高，隨著煙霧擴散，CO濃度在巷道中逐漸升高，并呈現出明顯的擴散趨勢；在場景2中，縱向通風系統對CO濃度有所抑制，仍然存在較高的濃度區域，尤其是在火源附近。盡管煙氣擴散有所減緩，CO濃度的降低較為有限；在場景3中，細水霧系統顯著降低了火源周圍CO濃度，并在縱向通風的輔助下，CO濃度得到了有效控制。在不同環境條件下，CO濃度的增長速度及峰值差異較大。在場景1中，火源周圍CO 濃度非常高，濃度在距離火源約 100m 的地方急劇增加，形成了明顯的濃度峰值；在場景2中，縱向通風系統雖能夠在一定程度上降低CO濃度，但未能顯著降低火源附近的區域濃度；在場景3中，細水霧系統和縱向通風的結合明顯降低了火源附近的CO濃度。在場景1中，CO濃度大約在50s后急劇上升且在300s時達到峰值 20ppm ，這與巷道環境封閉性和通風條件較差有關;在場景2與場景3中，CO濃度變化相對平穩，積累速度較慢，CO濃度最大值分別是 12ppm 與 9ppm ，在模擬時間內增長速率遠低于自然條件下，這有利于更快地降低火災造成的危害。

（三）能見度分布

能見度作為評估礦井火災安全狀況的關鍵指標，其分布特征直接影響井下人員的逃生與救援效率。研究顯示，在自然通風狀態下，巷道內能見度普遍低于 10m ，尤其在底板 1m 高度范圍內能見度極低，嚴重制約了人員的疏散行動。相比之下，采用細水霧幕與縱向通風耦合系統后，巷道內能見度分布得到顯著改善。這種改善主要得益于細水霧系統對煙塵顆粒的有效吸附和沉降作用以及通風系統對煙氣的定向引導和稀釋效應。實測數據表明，該耦合系統能夠將關鍵疏散通道的能見度維持在安全閾值以上，為井下人員提供清晰的逃生路徑指引，顯著增強了礦井火災情況下的安全保障能力。

三種通風場景下火源區域的能見度均維持在較低水平，隨著距離增加呈現梯度恢復的特征。在自然通風（場景1）與縱向通風（場景2）條件下，20s—300s時段內能見度持續處于 10m 以下的危險范圍，表明煙氣影響迅速形成且持久；細水霧幕耦合系統（場景3）在初期50s出現能見度驟降至 10m 的過渡階段，隨后穩定在 5m 左右，呈現快速穩定的特性；縱向通風顯著改善了巷道中下部的能見度分布，使該區域能見度提升；耦合系統通過霧滴吸附作用延緩了煙氣擴散速率，雖然能見度絕對值較低，但形成了更可控的煙氣分布格局。這種能見度的時空演變特征顯示，耦合系統通過物理阻隔和化學吸附雙重機制，將煙氣影響控制在有限范圍內，相比單純通風系統更有利于建立安全的疏散通道。研究結果可為礦井火災應急方案的制定提供重要依據。

三、研究結論

本研究通過FDS數值模擬，系統研究了細水霧幕與縱向通風耦合系統對巷道火災煙氣蔓延、溫度場分布及CO擴散的抑制效果，可以得出以下結論。第一，該耦合系統能夠顯著降低高溫煙氣溫度（火源附近溫度控制在62^°C 以下）降低CO濃度（峰值降至 9ppm ，遠低于安全限值 24ppm ），并有效地改善能見度（抑制區域能見度維持在5m 以上）。第二，相較于單一通風或自然通風條件，耦合系統通過細水霧的蒸發吸熱、煙霧顆粒吸附及縱向通風的定向氣流控制，成功地將火災煙氣限制在細水霧幕范圍內，延緩了煙霧擴散速度，為井下人員疏散爭取了關鍵時間。第三，應用細水霧幕與縱向風耦合作用于礦井火災時，能有效地彌補傳統手段的不足，包括防火門（需人工操作、靈活性差）和空氣幕（易受氣流擾動影響）。相比之下，耦合系統可動態調節細水霧參數與通風風速，適應不同的火災場景，優化現有火災防控體系。此外，耦合系統快速降溫和穩定風流的作用能有效抑制火災在狹長巷道內擴散。

結語

綜上所述，研究結果與現有細水霧抑煙理論及通風控制方法相吻合，驗證了耦合系統的科學性與可行性。該技術可為礦山火災防控提供一種高效、靈活的解決方案，未來可通過實驗驗證及參數優化進一步提升其工程適用性。

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