巷道火災(zāi)密閉過(guò)程中煙氣溫度及流動(dòng)特性研究*

馬 礪，劉 順，李超華，張鵬宇，劉尚明

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

因礦井巷道空間狹窄、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈺?huì)迅速充滿(mǎn)整個(gè)巷道空間，又因巷道四周為煤巖壁，煙氣熱量難以排出，導(dǎo)致溫度加速上升，從而對(duì)巷道的結(jié)構(gòu)及井下設(shè)備造成嚴(yán)重破壞；同時(shí)高溫?zé)煔饽媪鲿?huì)造成風(fēng)流回流和紊亂，擴(kuò)大巷道受災(zāi)面積，嚴(yán)重威脅礦井安全[1]。

在巷道火災(zāi)煙氣方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量研究。Newman等[2]通過(guò)縮尺寸巷道實(shí)驗(yàn)研究存在強(qiáng)通風(fēng)的礦井巷道的煙氣分層情況；周延等[3]通過(guò)縮尺寸巷道實(shí)驗(yàn)研究火源放熱率和巷道風(fēng)速對(duì)煙氣逆流層長(zhǎng)度的影響；周福寶等[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究巷道火災(zāi)的煙流滾退距離，并提出其變化規(guī)律的無(wú)因次表達(dá)式；文虎等[5]通過(guò)數(shù)值模擬研究水平巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)期的溫度場(chǎng)和煙氣逆流層的變化規(guī)律；劉劍等[6]研究?jī)A斜巷道火災(zāi)的煙氣流動(dòng)特性；李小菊等[7]研究不同巷道截面形狀對(duì)煙氣能見(jiàn)度的影響；周煜琴等[8]研究巷道中的運(yùn)輸設(shè)備對(duì)火災(zāi)煙氣的影響。此外，文獻(xiàn)[9-11]對(duì)巷道膠帶火災(zāi)的煙氣特性展開(kāi)相關(guān)研究。以上研究大多基于巷道未密閉的條件下，但巷道發(fā)生火災(zāi)后通常會(huì)采取構(gòu)筑密閉墻的方法控制火勢(shì)，而密閉條件下煙氣的溫度變化規(guī)律及流動(dòng)特性則鮮有研究。水平巷道是礦井中最常見(jiàn)的1種形式，因此本文基于某煤礦1段水平進(jìn)風(fēng)巷展開(kāi)縮尺寸實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)巷道火災(zāi)密閉過(guò)程中煙氣的溫度及流動(dòng)特性進(jìn)行研究，以期為巷道密閉滅火提供一定理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)采用縮尺比例為1∶10的礦井巷道火災(zāi)相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。巷道主體長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，模型一側(cè)采用阻燃不銹鋼材料，另一側(cè)采用可拆卸耐高溫透明玻璃，以觀察巷道模型內(nèi)火焰及煙氣的變化。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部沿中心點(diǎn)縱向?qū)ΨQ(chēng)布置19個(gè)熱電偶(以火源為中心兩端熱電偶對(duì)稱(chēng)布置)，對(duì)巷道火災(zāi)溫度場(chǎng)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體、橫向截面圖及溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Similarity simulation test bench

1.2 火源功率設(shè)置

為確定縮尺寸實(shí)驗(yàn)燃燒條件的火源功率大小，通過(guò)Froude縮尺法則，針對(duì)巷道空間的火災(zāi)過(guò)程和煙氣運(yùn)動(dòng)，在理想假設(shè)條件下，對(duì)基本方程組先后進(jìn)行無(wú)量綱化和歸一化處理，得出實(shí)驗(yàn)所用火源功率與實(shí)際火源功率轉(zhuǎn)換關(guān)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(zhǎng)度，m；lf為全尺寸巷道長(zhǎng)度，m?？紤]到巷道內(nèi)的主要可燃物為輸送機(jī)膠帶、木材、機(jī)械設(shè)備等，實(shí)驗(yàn)中采用不同尺寸的油盤(pán)來(lái)代替巷道火源。根據(jù)礦井火災(zāi)燃燒特性實(shí)驗(yàn)中得到的火源熱釋放速率[12]，確定本文實(shí)驗(yàn)中火源功率為4，6，8 MW，依據(jù)該法則進(jìn)行相似計(jì)算，得到縮尺寸實(shí)驗(yàn)用的火源功率為12.65，18.97，25.30 kW，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters

1.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采取單側(cè)密閉方式，即在巷道一側(cè)使用模擬密閉墻進(jìn)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(duì)于何時(shí)開(kāi)始實(shí)施密閉問(wèn)題，Yao等[13]通過(guò)縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究初始密閉時(shí)間對(duì)通道火災(zāi)的影響，并根據(jù)溫度變化曲線將燃燒劃分為4個(gè)階段，結(jié)果表明在燃燒發(fā)展階段之前實(shí)施密閉可以有效降低通道內(nèi)的溫度，對(duì)燃燒抑制效果較好。12.65 kW火源功率，無(wú)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(jìn)入發(fā)展階段，溫度短時(shí)間內(nèi)迅速增加。因此為減少高溫?zé)煔鈱?duì)巷道的破壞，實(shí)驗(yàn)選取45 s作為巷道密閉的起始時(shí)間。

自然通風(fēng)環(huán)境下，通過(guò)風(fēng)速測(cè)量?jī)x測(cè)得巷道內(nèi)通風(fēng)速度的平均值為0.24 m/s。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 密閉比例對(duì)火焰形狀的影響

巷道密閉過(guò)程中，火焰形狀會(huì)產(chǎn)生改變。通過(guò)油盤(pán)實(shí)驗(yàn)，在火源功率為25.30 kW條件下，對(duì)燃燒后10，90 s時(shí)的火焰形狀進(jìn)行觀察，觀察結(jié)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(wú)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(shí)驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions

由圖4可知，燃燒后10 s時(shí)，火焰傾角為85°，接近貼地，此時(shí)巷道未進(jìn)行密閉，火焰受到通風(fēng)作用的影響，發(fā)生較大程度的傾斜；而在燃燒后90 s時(shí)，由于在巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)行不同程度的密閉，導(dǎo)致送風(fēng)截面面積減小，通風(fēng)作用對(duì)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(xiàn)不同程度的減小，同時(shí)受持續(xù)燃燒影響，油池表面的火焰面積變大；當(dāng)完全密閉后，無(wú)通風(fēng)作用，火焰形狀近似垂直，火羽流直達(dá)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(duì)比不同火源功率下煙氣溫度及燃燒時(shí)間的變化，從火源開(kāi)始燃燒到熄滅，對(duì)頂板中心的熱電偶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到煙氣溫度隨時(shí)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(chǎn)煙率低，頂板溫度上升不明顯；在45～90 s，燃燒進(jìn)入發(fā)展階段，生成大量煙氣，沖擊到頂板處并向兩側(cè)擴(kuò)散，溫度急劇上升；從90 s開(kāi)始，燃燒開(kāi)始變得穩(wěn)定，煙氣溫度緩慢上升，25%和50%密閉比例時(shí)，燃燒在265 s左右開(kāi)始衰減，75%和100%密閉比例時(shí)，燃燒則在160 s左右開(kāi)始衰減；在燃燒的衰減階段，煙氣溫度不斷下降，同時(shí)柴油量不斷減少，導(dǎo)致油池面積減小，各火源燃燒效率變低，出現(xiàn)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(guò)對(duì)比圖5(a)～(d)可知，隨著密閉比例的增加，燃燒持續(xù)的時(shí)間也變短，密閉比例為25%時(shí)測(cè)得3種火源功率的平均燃燒時(shí)長(zhǎng)為430 s，50%時(shí)為392 s，75%時(shí)為287.3 s，100%時(shí)為262.7 s，說(shuō)明密閉墻的增加隔絕大量氧氣，對(duì)燃燒起到抑制作用。巷道密閉比例為25%時(shí)，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(shí)，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(fēng)流流入巷道內(nèi)，風(fēng)流有助于排出燃燒池燃燒產(chǎn)生的熱量，削弱熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流對(duì)巷道頂板的作用，使得升溫趨勢(shì)不明顯。密閉比例為75%和100%時(shí)，在密閉后10～20 s，升溫速率加快，溫度開(kāi)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(dá)577 ℃和650 ℃；同時(shí)燃燒會(huì)提前進(jìn)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(jìn)入巷道的新鮮風(fēng)流和氧氣，巷道內(nèi)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生紊亂，煙氣無(wú)法從進(jìn)風(fēng)口散出，熱量積聚到巷道頂板處，導(dǎo)致頂板溫度劇增；而在此封閉空間內(nèi)，火源功率越大，燃燒消耗的氧氣越多，會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)消耗盡巷道內(nèi)原有的氧氣，導(dǎo)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(guò)程中煙氣達(dá)到的最高溫度與環(huán)境溫度的差值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的頂板中心煙氣最高溫度數(shù)據(jù)，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(xiàn)[14-16]通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)方法得到在自然通風(fēng)環(huán)境下煙氣最高溫升的表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

式中：α是常數(shù)，與通道模型尺寸相關(guān)；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(jié)果Table 3 Fitting results of smoke maximum temperature rise model

3 模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在實(shí)際巷道中必須采取機(jī)械通風(fēng)來(lái)保證井下人員的安全，密閉過(guò)程中煙氣流動(dòng)會(huì)受到縱向通風(fēng)的影響[17]。因此以數(shù)值模擬的方式研究存在機(jī)械通風(fēng)的巷道在密閉過(guò)程中煙氣的逆流特性。

3.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

采用FDS模擬巷道火災(zāi)，網(wǎng)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(cè)點(diǎn)布置與縮尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)一致。在巷道中間建立1個(gè)0.18 m×0.18 m×0.02 m的長(zhǎng)方體燃燒器作為火源，燃料為正庚烷。在巷道模型兩端設(shè)置縱向通風(fēng)表面，實(shí)施密閉的一側(cè)設(shè)置為供風(fēng)表面，另一側(cè)設(shè)置為排風(fēng)表面。巷道模型如圖7所示。

圖7 巷道模型Fig.7 Roadway model

模擬實(shí)驗(yàn)中主要考慮巷道膠帶火災(zāi)。根據(jù)文獻(xiàn)[9-11]可知，一般膠帶火災(zāi)的火源功率為2～4 MW，因此模擬選取4 MW作為火源功率，對(duì)應(yīng)的縮尺寸火源功率為12.65 kW。在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)前要先進(jìn)行驗(yàn)證，保證模擬結(jié)果的可靠性。對(duì)12.65 kW火源功率、0.24 m/s風(fēng)速、無(wú)密閉條件下的模擬與縮尺寸實(shí)驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 模擬結(jié)果與縮尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of simulation results and scale-reduced experimental results

由圖8可知，模擬與縮尺寸實(shí)驗(yàn)得到的煙氣溫度曲線在各燃燒階段的變化趨勢(shì)相近，在劇烈燃燒階段溫度數(shù)值相吻合；模擬得到的縱向溫度分布也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。因此可以說(shuō)明該模擬可有效開(kāi)展巷道火災(zāi)煙氣特性的研究。

以實(shí)驗(yàn)中的0.24 m/s為起始風(fēng)速，經(jīng)多組模擬驗(yàn)證，當(dāng)縱向通風(fēng)速度大于0.6 m/s時(shí)，巷道內(nèi)煙氣逆流得到控制，因此以煙氣逆流現(xiàn)象的控制效果為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)的初始速度為0.6 m/s，以0.1 m/s的增長(zhǎng)梯度設(shè)置后續(xù)實(shí)驗(yàn)的縱向通風(fēng)速度，直至煙氣逆流現(xiàn)象不明顯。

3.2 模擬結(jié)果分析

煙氣逆流長(zhǎng)度定義為煙氣向與通風(fēng)速度相反的方向運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)位置到火源中心正上方的縱向距離”[18]。煙氣逆流長(zhǎng)度示意如圖9所示。

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

所測(cè)得各工況下煙氣逆流長(zhǎng)度值見(jiàn)表4。

由表4可知，當(dāng)風(fēng)速為0.6 m/s時(shí)，無(wú)密閉和25%密閉條件下的煙氣逆流長(zhǎng)度分別為1.86 m和2.42 m，當(dāng)風(fēng)速分別大于0.8 m/s和0.9 m/s時(shí)，煙氣逆流會(huì)得到較好的控制直到不發(fā)生逆流。在50%和75%密閉條件下，0.6 m/s的風(fēng)速將不再對(duì)煙氣逆流起抑制作用，此時(shí)煙氣從進(jìn)風(fēng)口排出。密閉比例的增加導(dǎo)致進(jìn)入巷道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)量減少，縱向通風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力也隨之減小，當(dāng)煙羽流撞擊頂板射流后，水平方向的慣性力增加，此時(shí)較小的縱向通風(fēng)產(chǎn)生的沿巷道進(jìn)風(fēng)風(fēng)向的動(dòng)壓力小于熱煙氣慣性力，煙氣從進(jìn)風(fēng)口蔓延出去。當(dāng)風(fēng)速分別為0.7 m/s和0.8 m/s時(shí)，煙氣逆流會(huì)得到一定抑制，逆流長(zhǎng)度分別為2.41 m和2.46 m，隨著風(fēng)速的增加，逆流長(zhǎng)度不斷減小，當(dāng)風(fēng)速分別大于1.1 m/s和1.2 m/s時(shí)，煙氣逆流會(huì)得到較好的控制直到不發(fā)生逆流，依據(jù)相似性原理式(3)，此時(shí)實(shí)際巷道風(fēng)速應(yīng)大于3.5 m/s和3.8 m/s。因此，在巷道密閉過(guò)程中將縱向通風(fēng)風(fēng)速設(shè)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(zhǎng)度Table 4 Lengths of smoke backflow under different simulation conditions m

(3)

式中：vm代表縮尺寸實(shí)驗(yàn)中的縱向通風(fēng)風(fēng)速，m/s；vf代表實(shí)際巷道中的縱向通風(fēng)風(fēng)速，m/s。

綜上所述，在巷道縱向通風(fēng)速度不變的條件下，密閉比例的增加會(huì)導(dǎo)致煙氣逆流長(zhǎng)度上升，增加縱向通風(fēng)速度可有效抑制煙氣逆流。因此在密閉過(guò)程中可通過(guò)增加機(jī)械通風(fēng)來(lái)控制巷道內(nèi)煙氣的蔓延，避免高溫?zé)煔饧坝卸居泻怏w對(duì)人員的傷害。

4 結(jié)論

1)巷道一端進(jìn)行密閉后，火焰傾角會(huì)立即減小，且隨著密閉比例的增加，傾角不斷減?。划?dāng)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(huì)增加。

2)巷道在50%和75%密閉比例之間存在1個(gè)突變值，當(dāng)超過(guò)此突變值后，頂板溫度會(huì)急劇升高，同時(shí)燃燒會(huì)更快進(jìn)入衰減階段，且火源功率越大衰減越早；推導(dǎo)出密閉條件下的煙氣最高溫升模型，依據(jù)該模型可以對(duì)5種密閉比例條件下的巷道頂板最高溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3)在巷道縱向通風(fēng)速度不變的條件下，密閉比例的增加會(huì)導(dǎo)致煙氣逆流長(zhǎng)度上升，增加縱向通風(fēng)速度可有效抑制煙氣逆流；依據(jù)相似性原理，當(dāng)實(shí)際巷道火源功率為4 MW時(shí)，縱向通風(fēng)風(fēng)速設(shè)定為3.8 m/s能使煙氣逆流得到較好的控制。