通風(fēng)換氣對煤礦井下電纜巷火災(zāi)影響分析

桂小紅，游建平，蘇樹君，李穎，李偉

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083

煤礦井下電纜巷是工礦區(qū)的一個(gè)地下空間，可將電纜、給排水等各種工程管線集于一體，是保障工礦區(qū)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]。2015年之前，我國已建成的電纜巷不足100 km。在電纜巷(網(wǎng))建設(shè)列入“十三五”規(guī)劃之后，截至2018年4月，我國在建電纜巷里程已超7 800 km[2]。我國正在加速推進(jìn)電纜巷的建設(shè)，加強(qiáng)對地下空間的利用。

電纜巷高速發(fā)展的同時(shí)也帶來了新的安全問題。這類狹長地下密閉空間一旦發(fā)生火災(zāi)，救援是個(gè)很大的難題，火災(zāi)危險(xiǎn)性較其他火災(zāi)也更大。

國內(nèi)外學(xué)者對于地下電纜火災(zāi)已進(jìn)行了大量的研究。Xie等[3]通過實(shí)驗(yàn)對新、老地下電纜保護(hù)材料的防火特性進(jìn)行了研究比較。Niu和Li[4]根據(jù)對電纜隧道的數(shù)值模擬研究提出了電纜艙火災(zāi)的最佳滅火時(shí)間，為電纜火災(zāi)的消防工作提供了參考。Huang等[5]建立了在自然通風(fēng)條件下電纜火災(zāi)蔓延的溫度模型，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。Zhang等[6]對地下電纜火災(zāi)的煙氣傳播過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。Tao等[7]對電纜火災(zāi)的燃燒特性以及放射速率進(jìn)行了研究，并建立了電纜火災(zāi)放射速率模型。Hao等[8]應(yīng)用FDS軟件模擬了電纜火災(zāi)的發(fā)生時(shí)T型走廊的溫度場變化，為地下T型電纜管道走廊的火災(zāi)研究提供了一定參考。柴一波[9]通過全尺度的試驗(yàn)研究，認(rèn)為高壓細(xì)水霧具有更好地降溫防復(fù)燃效果，后處理更加容易。楊永斌[10]研究了點(diǎn)火源位于不同水平和豎直位置情況下，管廊內(nèi)部火場溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析總結(jié)了火勢在不同電纜層間蔓延的趨勢及范圍。劉德軍[11]等針對目前代表性巷道支護(hù)理論從圍巖內(nèi)部、巷道表面和復(fù)合控制3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述和分析，探討了巷道支護(hù)技術(shù)研究方向。王彥文[12]等針對礦井電纜安全提出一種電纜絕緣“準(zhǔn)在線”監(jiān)測的新方法，為礦井電力電纜安全監(jiān)測提供了新思路。

可見，已有的研究主要集中在研究電纜材料燃燒特性和更適宜的電纜艙結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方法，而對于不同通風(fēng)情況下的電纜巷火災(zāi)情況還未有過細(xì)致研究。本文通過改變電纜巷通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置不同的工況，根據(jù)模擬結(jié)果對比分析通風(fēng)換氣次數(shù)對于地下電纜巷火災(zāi)的影響，以期為電纜巷的火災(zāi)控制提供參考。

1 電纜巷火災(zāi)數(shù)值模擬

1.1 模擬軟件

本文采用三維火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件(FDS)對電纜巷電纜火災(zāi)進(jìn)行研究。FDS是專門解決火災(zāi)動(dòng)力學(xué)發(fā)展的通用程序，獨(dú)特的快速算法和適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度可以較為快速準(zhǔn)確地分析三維火災(zāi)問題。

1.2 基本假設(shè)

低速流動(dòng)假設(shè)：模擬中電纜燃燒產(chǎn)生的流場，為速度小于100 m/s的低速流場。

燃燒假設(shè)：模擬中電纜熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w和氧氣一旦混合便立即燃燒。

1.3 電纜模型簡化

電力電纜的基本結(jié)構(gòu)由線芯、絕緣層、屏蔽層和保護(hù)層4部分組成。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電力電纜燃燒的熱釋放主要由保護(hù)層和絕緣層提供；線芯(一般為銅質(zhì))不易燃燒，對火災(zāi)影響極小。因此，在燃燒模擬試驗(yàn)中，將電力電纜簡化為等量的交聯(lián)聚乙烯材料。

1.4 基本控制方程

1.4.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程即連續(xù)性方程，可表述為在單位時(shí)間里微元體質(zhì)量的增量等于流入該微元體的凈質(zhì)量。質(zhì)量守恒方程表示形式如下：

式中，ρ為密度，g/cm3；t為時(shí)間，s；v為速度矢量，m/s；s為流入質(zhì)量，g。

1.4.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程其本質(zhì)為牛頓第二定律，可表述為微元體中流體動(dòng)量對時(shí)間的變化率等于作用于該微元體所有力之和。動(dòng)量守恒方程表示形式如下：

式中，p為微元體上的靜壓，Pa；g為重力加速度，m/s2；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s。

1.4.3 能量守恒方程

能量守恒定律是熱交換系統(tǒng)必須滿足的基本定律，本質(zhì)上為熱力學(xué)第一定律。該定律等量關(guān)系為：微元體能量增量等于進(jìn)入微元體的凈熱通量加上體積力與表面力對微元體所做的功，即

式中，E為微元體的總能量，J；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；sk為化學(xué)反應(yīng)引起的放熱與吸熱，J；h為微元體重力勢能，J；k為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；p為壓強(qiáng)，Pa。

1.5 電纜巷物理模型構(gòu)建

在本文模擬中，電纜巷設(shè)置為橫斷面寬2.0 m、高3.0 m，長度為一個(gè)防火分區(qū)長度，200 m；電纜設(shè)置為雙側(cè)布置，中間預(yù)留檢修通道1.0 m。在三維坐標(biāo)中模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)置x軸為(0，2 m)，y軸為(-100 m，100 m)，z軸為(0，3 m)?；鹪丛O(shè)置在管廊中部的左側(cè)電纜處。構(gòu)建的電纜巷物理模型如圖1所示。

圖1 電纜巷物理模型

1.6 網(wǎng)格劃分

在FDS火災(zāi)模擬中，網(wǎng)格劃分的大小對于模擬結(jié)果的精度具有很大的影響。目前，一般根據(jù)火源的特征直徑D*來確定合適的網(wǎng)格大小，認(rèn)為將網(wǎng)格大小設(shè)置為火源的特征直徑D*的十分之一比較好，既不會(huì)對模擬結(jié)果的精度有太大的影響，也不會(huì)使模擬時(shí)間過長?；鹪吹奶卣髦睆紻*的計(jì)算公式為

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率,kW；ρ∞為環(huán)境密度，g/m3；cp為比熱容，J/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K。

本文采取分段劃分網(wǎng)格的方法。根據(jù)火源特征直徑計(jì)算，將整個(gè)物理模型劃分為3段：在y軸(-20 m，20 m)段，設(shè)置網(wǎng)格大小為0.1 m×0.2 m×0.1 m，劃分網(wǎng)格數(shù)12 000個(gè)；在(-100 m，-20 m)段和(20 m，100 m)段，設(shè)置網(wǎng)格大小為0.2 m×0.4 m×0.2 m，劃分網(wǎng)格數(shù)各30 000個(gè)。整個(gè)物理模型劃分網(wǎng)格數(shù)共72 000個(gè)。

1.7 不同工況設(shè)置

根據(jù)規(guī)范中對于通風(fēng)要求，正常狀態(tài)下通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h，事故通風(fēng)換氣次數(shù)不小于6次/h。在本模擬中，設(shè)置4種不同的工況，通風(fēng)換氣次數(shù)分別為0次/h、2次/h、4次/h和6次/h。

通風(fēng)次數(shù)與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速轉(zhuǎn)化公式為

式中，n為通風(fēng)次數(shù)；v為通風(fēng)速度，m/s；s為進(jìn)風(fēng)口面積m2；t為通風(fēng)時(shí)間，s；V為電纜巷容積，m3。

1.8 邊界條件設(shè)置

1.8.1 火源設(shè)置

火源模型采用t2型火源設(shè)置，即熱釋放速率近似按時(shí)間的平方規(guī)律發(fā)展?；鹪丛O(shè)置于電纜巷中心?；馂?zāi)增長曲線可由下式表示：

Q=α(t-t0)2

式中，Q為火源熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長系數(shù)；t為火災(zāi)發(fā)生后的時(shí)間，s；t0為開始有效燃燒所需的時(shí)間，s。

1.8.2 其他邊界條件設(shè)置

墻壁及電纜支架設(shè)置為惰性物質(zhì)，不考慮其燃燒性能；環(huán)境初始溫度設(shè)置為20 ℃，初始?xì)鈮簽?01.325 kPa。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口各設(shè)置于y軸-99 m和99 m處，大小均為0.25 m2。通風(fēng)速度大小設(shè)置見表1。

表1 各工況設(shè)置

1.9 數(shù)值計(jì)算模型

流體動(dòng)力學(xué)模型為求解適于熱驅(qū)動(dòng)的低速流動(dòng)N-S方程，數(shù)值計(jì)算方法采用時(shí)間和空間上的具有二階精度的顯式預(yù)測校正算法，并使用大渦模擬方法采用小網(wǎng)格模型來對湍流作模擬計(jì)算。

燃燒模型使用單步混合控制反應(yīng)模型，對可燃?xì)怏w和氣體燃燒產(chǎn)物顯式計(jì)算。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 煙氣擴(kuò)散模擬結(jié)果分析

在火源作用下，電力電纜交聯(lián)聚乙烯開始熱解燃燒，4種工況下各個(gè)時(shí)刻煙氣擴(kuò)散情況如圖2所示。

圖2 各時(shí)刻煙氣擴(kuò)散

根據(jù)煙氣擴(kuò)散情況，統(tǒng)計(jì)得到順風(fēng)側(cè)和逆風(fēng)側(cè)各時(shí)刻擴(kuò)散距離以及不同工況下煙氣最大擴(kuò)散距離和擴(kuò)散時(shí)間，結(jié)果見表2、表3。

表2 工況1—4順風(fēng)側(cè)和逆風(fēng)側(cè)各時(shí)刻擴(kuò)散距離

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知，在順風(fēng)一側(cè)，隨通風(fēng)速率增加煙氣擴(kuò)散速度有顯著增長，對比各工況達(dá)到最大擴(kuò)散距離時(shí)間，較工況1無通風(fēng)條件，工況2—4達(dá)到最大擴(kuò)散距離時(shí)間依次縮短了31.8%、40%、55.5%；在逆風(fēng)側(cè)，達(dá)到最大擴(kuò)散距離時(shí)間出現(xiàn)先增長后下降的趨勢，原因?yàn)樵谕L(fēng)速率較低時(shí)，風(fēng)流無法阻擋煙氣的蔓延，煙氣前沿還是能夠緩慢擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)流速度達(dá)到一定值時(shí)，煙氣很快被風(fēng)流阻擋，無法繼續(xù)蔓延。根據(jù)上述數(shù)據(jù)擬合得到，該臨界風(fēng)速大致為1.70 m/s。

表3 工況1—4最大擴(kuò)散距離及擴(kuò)散時(shí)間

對煙氣逆風(fēng)側(cè)最大擴(kuò)散距離與通風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到煙氣逆風(fēng)側(cè)最大擴(kuò)散距離與通風(fēng)風(fēng)速存在以下關(guān)系(圖3)：

(2)

式中，L為煙氣逆風(fēng)側(cè)最大擴(kuò)散距離，m；v為通風(fēng)風(fēng)速，m/s。

根據(jù)式(2)可得，在逆風(fēng)側(cè)最遠(yuǎn)通風(fēng)距離大致為50.8 m。

圖3 逆風(fēng)最大擴(kuò)散距離與風(fēng)速關(guān)系

聯(lián)立式(1)和式(2)，可得到煙氣逆風(fēng)側(cè)最大擴(kuò)散距離與通風(fēng)換氣次數(shù)的關(guān)系：

(3)

2.2 空氣濃度模擬結(jié)果分析

火災(zāi)模擬中，電纜巷(-40 m，40 m)段工況1-4每100 s空氣濃度分布情況如圖4所示。

在工況1無通風(fēng)情況下，隨著時(shí)間的推移，整體的空氣含量一直處于下降的狀態(tài)，在第1 000 s時(shí)，巷內(nèi)的空氣含量基本處于50%至70%之間。

而在工況2—4中，隨著通風(fēng)速度的增大，空氣含量下降情況有明顯的減緩。在第1 000 s時(shí)，工況2艙內(nèi)整體空氣含量大致處于55%～75%之間，工況3艙內(nèi)整體空氣含量大致處于55%～75%之間，工況4艙內(nèi)整體空氣含量大致處于60%～90%之間。

對于工況1—4，電纜巷內(nèi)整體空氣主要分布在高度0至1 m范圍。在工況1中，火源兩側(cè)空氣濃度基本一致，同截面上下空氣含量差不超過10%。在工況2—4中，同截面空氣含量差在逆風(fēng)側(cè)逐步增大，在順風(fēng)側(cè)逐步減小。原因?yàn)檫M(jìn)行通風(fēng)時(shí)，逆風(fēng)側(cè)由于逆風(fēng)，高溫?zé)煔馕挥谏喜繜o法擴(kuò)散并不斷堆積，而下部煙氣較少，無法阻擋風(fēng)流，被風(fēng)流帶至順風(fēng)側(cè)，導(dǎo)致上下部的空氣含量差較為明顯；而在火源順風(fēng)側(cè)，風(fēng)流與煙氣擴(kuò)散方向一致，風(fēng)流加速煙氣的擴(kuò)散，使順風(fēng)側(cè)上下部的空氣含量處于較為均勻的水平。

2.3 火源點(diǎn)頂棚溫度分析

火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中，火源上方距離頂棚0.2 m處各工況溫度隨時(shí)間變化情況如圖5所示。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)整理可得到表4。

圖4 工況1—4下空氣濃度分布

圖5 工況1—4下火源上方距離頂棚0.2 m處溫度隨時(shí)間變化

表4 工況1—4火源頂棚穩(wěn)定溫度及所需時(shí)間

可見，通風(fēng)換氣次數(shù)對于火源頂棚達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間無明顯影響，但對其溫度大小有一定影響，表現(xiàn)為頂棚穩(wěn)定溫度與通風(fēng)換氣次數(shù)大小呈現(xiàn)反比趨勢(圖6)。

圖6 火源頂棚溫度與通風(fēng)換氣次數(shù)關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文中，通過改變通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置了4種工況，應(yīng)用FDS仿真模擬得到4種工況下的火災(zāi)發(fā)生發(fā)展結(jié)果，對比火災(zāi)煙氣擴(kuò)散情況、頂棚溫度情況以及火災(zāi)熱釋放速率變化情況，分析得到以下結(jié)論：

(1) 在通風(fēng)逆風(fēng)側(cè)，風(fēng)速小于1.70 m/s時(shí)，煙氣達(dá)到最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離的時(shí)間隨風(fēng)速增大而增大；在風(fēng)速大于1.70 m/s時(shí)，煙氣達(dá)到最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離的時(shí)間隨風(fēng)速增大而減小。

(2) 得到了逆風(fēng)側(cè)最遠(yuǎn)通風(fēng)距離與通風(fēng)速度的關(guān)系式。模擬得出逆風(fēng)側(cè)煙氣擴(kuò)散距離在50.8～100 m之間。

(3) 逆風(fēng)側(cè)由于上部區(qū)域煙氣含量更高，并受氣流阻擋作用仍在不斷堆積，而下部煙氣含量較小，隨風(fēng)流向順風(fēng)側(cè)蔓延，擴(kuò)散作用明顯，從而形成逆風(fēng)側(cè)同截面上下部空氣含量差距較大、順風(fēng)側(cè)空氣含量分布較為均勻的情況。

(4) 通風(fēng)換氣次數(shù)對于火源頂棚達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間無明顯影響，但對其溫度大小有一定影響，火源頂棚穩(wěn)定溫度與通風(fēng)換氣次數(shù)大小呈現(xiàn)反比趨勢。