礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

王振興，周廷斌，王偉峰，康付如，任曉偉

(1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

帶式輸送機(jī)作為煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)的中樞，可大幅提升煤炭開采效率[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前礦用膠帶在籍長(zhǎng)度超過(guò)1800萬(wàn)m，每年遞增約20萬(wàn)m。然而，膠帶輸送系統(tǒng)降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也增大了潛在的火災(zāi)隱患[2-4]。由于膠帶輸送系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)同托輥和煤炭等連續(xù)摩擦、負(fù)荷過(guò)大，再加上運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等原因，易造成膠帶升溫、起火、燃燒等，從而引燃周圍電氣設(shè)備、煤炭、電纜等[5-8]。礦用膠帶火災(zāi)在燃燒大量煤炭資源，燒毀礦用設(shè)備的同時(shí)，易造成大量的人員傷亡[9-11]。近年來(lái)，礦用膠帶火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。2020年9月，重慶松藻礦用發(fā)生重大膠帶火災(zāi)事故，造成16人死亡，42人受傷的嚴(yán)重后果。

由于大型礦用膠帶火災(zāi)實(shí)驗(yàn)成本高且耗時(shí)，數(shù)值模擬成為礦用膠帶火災(zāi)研究的常用手段。YUAN等[12]對(duì)礦用膠帶火災(zāi)進(jìn)行了模擬，建立了礦用膠帶火焰蔓延的計(jì)算流體力學(xué)模型。張圣柱等[13]模擬膠帶巷火災(zāi)風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)，建立了膠帶火災(zāi)預(yù)警與控制系統(tǒng)。齊慶杰等[14]應(yīng)用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)火災(zāi)蔓延速率與風(fēng)速呈正相關(guān)。蘇墨等[15]模擬了申家莊礦發(fā)生膠帶火災(zāi)時(shí)各參數(shù)的變化情況，得到了影響人員逃生的主要因素。張洪亮[16]模擬了井下膠帶火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。郭軍等[17]采用物理相似模擬的方法，確定了適宜膠帶火災(zāi)發(fā)展的最佳風(fēng)速。

近年來(lái)，學(xué)者們開展了礦用膠帶火災(zāi)熱釋放速率、總熱釋放量、有效燃燒熱等單一指標(biāo)的研究分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用膠帶的火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[18，19]。然而，考慮到礦用膠帶火災(zāi)的復(fù)雜性，單一指標(biāo)以及主觀分析可能導(dǎo)致對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)的疏忽[20]。因此，筆者使用NBS煙密度測(cè)試箱測(cè)試曹家灘礦用膠帶火災(zāi)煙氣的光透過(guò)率，利用錐形量熱儀(CONE)分析礦用膠帶燃燒過(guò)程中熱釋放速率(HRR)、總熱釋放量(THR)和生煙速率(SPR)等參數(shù)，并以CONE實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，基于熵權(quán)法結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法綜合評(píng)價(jià)不同熱輻射條件下礦用膠帶的火災(zāi)危險(xiǎn)性。研究結(jié)果可為礦用膠帶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的防治提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司采集的運(yùn)煤膠帶為樣品，主要材質(zhì)為PVG型整芯阻燃帶，執(zhí)行MT 914—2002標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)《塑料 煙生成 第2部分：?jiǎn)问曳y(cè)定煙密度試驗(yàn)方法》[21]標(biāo)準(zhǔn)，每塊試樣的面積為75.0 mm×75.0 mm，厚度為11.0 mm，使用SDB型NBS煙密度測(cè)試箱(NLFRM-39)，在50 kW/m2的輻射強(qiáng)度下，采用無(wú)焰引燃方式，按照單室法測(cè)定煙密度試驗(yàn)方法測(cè)試礦用膠帶的光透過(guò)率。

根據(jù)《建筑材料熱釋放速率試驗(yàn)方法》[22]標(biāo)準(zhǔn)，每塊試樣面積為100.0 mm×100.0 mm，厚度為11.0 mm，使用CCT型錐形量熱儀(昆山莫帝斯科燃燒技術(shù)儀器有限公司)，分別在25、30、35 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下對(duì)膠帶進(jìn)行燃燒性能測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煙氣的光透過(guò)率

礦用膠帶燃燒時(shí)煙氣的光透過(guò)率-時(shí)間曲線如圖1所示。由圖1可知，礦用膠帶在50 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下，光透過(guò)率迅速下降，41 s時(shí)下降至8.3%，在這之后光透過(guò)率下降速度放緩，59 s時(shí)下降至0.027%，70 s時(shí)降至0。由此可見，礦用膠帶在50 kW/m2的輻射強(qiáng)度下產(chǎn)煙量很大，光透過(guò)率迅速降為0，能見度快速降低，對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員疏散和滅火極為不利。此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)得礦用膠帶的起燃時(shí)間為310 s，表明礦用膠帶燃燒時(shí)的光透過(guò)率在起燃前便降為0。

圖1 礦用膠帶燃燒時(shí)煙氣的光透過(guò)率-時(shí)間曲線Fig.1 Light transmittance-time curve ofsmoke during combustion of mine belt

2.2 熱釋放速率和總熱釋放量

礦用膠帶不同熱輻射強(qiáng)度下的熱釋放速率(HRR)和總熱釋放量(THR)曲線如圖2所示。

圖2 礦用膠帶在不同熱輻射強(qiáng)度下的HRR和THR曲線Fig.2 HRR and THR curve of mine belt under different thermal radiation intensities

由圖2(a)可知，3種不同熱輻射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，HRR的變化趨勢(shì)相似。隨著熱輻射時(shí)間的增加，礦用膠帶吸熱分解，熱量集聚到一定程度時(shí)，開始燃燒，HRR迅速增加。隨后，隨著可燃物含量不斷減少，HRR逐漸下降。隨熱輻射強(qiáng)度的增加，熱釋放速率峰值(PHRR)不斷增加，試樣到達(dá)PHRR的時(shí)間(tPHRR)不斷縮短，tPHRR1由586 s降至175 s，tPHRR2由905 s降至609 s。熱輻射強(qiáng)度35 kW/m2時(shí)，PHRR1、PHRR2則由26.08，72.08 kW/m2分別增加至72.45，93.03 kW/m2，分別增加了177.80%和29.06%。礦用膠帶在燃燒過(guò)程中HRR均出現(xiàn)了2處峰值，這可能是由于膠帶燃燒出現(xiàn)第1個(gè)峰值后，膠帶表面形成炭層，阻礙其進(jìn)一步燃燒。隨著熱量的進(jìn)一步集聚，膠帶快速充分燃燒，HRR達(dá)到第2個(gè)峰值。

由圖2(b)可知，在熱輻射強(qiáng)度為25 kW/m2時(shí)，燃燒進(jìn)程緩慢，直到400 s左右才會(huì)有熱量的釋放。隨著熱輻射強(qiáng)度的不斷增加，試樣釋放熱量的初始時(shí)間不斷提前。THR隨著熱輻射強(qiáng)度的增加而增加，35 kW/m2時(shí)的THR值為130.54 MJ/m2，比25 kW/m2時(shí)增加了36.22%，火災(zāi)熱危害性顯著增大。

2.3 生煙速率和總煙產(chǎn)量

生煙速率(SPR)和總煙產(chǎn)量(TSP)是評(píng)價(jià)火災(zāi)危險(xiǎn)程度的重要參數(shù)。礦用膠帶在不同熱輻射強(qiáng)度下的SPR和TSP曲線如圖3所示。

圖3 礦用膠帶在不同熱輻射強(qiáng)度下的SPR和TSP曲線Fig.3 SPR and TSP curves of mine belt under different thermal radiation intensities

由圖3可知，礦用膠帶煙氣的產(chǎn)生主要集中在前1800 s，實(shí)驗(yàn)初始階段的煙氣主要是由于膠帶受熱分解產(chǎn)生。隨著輻射強(qiáng)度的增加，礦用膠帶的SPR和TSP也相應(yīng)地增加。25，30，35 kW/m2熱輻射強(qiáng)度下，達(dá)到生煙速率峰值(PSPR)的時(shí)間(tPSPR)分別為823，154，61 s。在25 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下，礦用膠帶的PSPR和TSP分別為0.03 m2/s和47.30 m2，而35 kW/m2時(shí)，礦用膠帶的PSPR和TSP分別為0.07 m2/s和62.22 m2，較25 kW/m2時(shí)分別增加了45.55%和31.54%。因此，熱輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)提高了SPR和TSP，增大了礦用膠帶燃燒產(chǎn)生的煙氣危險(xiǎn)性。

2.4 一氧化碳釋放量

礦用膠帶燃燒過(guò)程中CO釋放量變化如圖4所示。

圖4 礦用膠帶在不同熱輻射強(qiáng)度下CO產(chǎn)量Fig.4 CO production of mine belt under different thermal radiation intensities

由圖4可知，CO含量的變化規(guī)律與圖2中礦用膠帶的HRR曲線變化規(guī)律相似，可以推測(cè)礦用膠帶燃燒過(guò)程中，熱釋放速率大部分是由生成CO的反應(yīng)提供的。同時(shí)，膠帶上附著的煤粉也導(dǎo)致CO第2次峰值的出現(xiàn)，并且大于第1次峰值，這與熱釋放速率規(guī)律相吻合。在35 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下，CO最大生成速率峰值和平均生成速率分別為0.2857，0.0786 g/s，較25 kW/m2熱輻射強(qiáng)度下分別增加了22.99%和3.97%，表明熱輻射強(qiáng)度的增大明顯提高了毒性氣體的生成速率。

2.5 火災(zāi)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

表1 礦用膠帶在不同熱輻射強(qiáng)度下的錐量數(shù)據(jù)Table 1 Cone calorimeter data of mine belt under different thermal radiation intensities

表2 礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)Table 2 Comprehensive evaluation system for fire risk of mine belt

表3 礦用膠帶危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)各指標(biāo)信息熵及權(quán)重Table 3 Information entropy and weight of each index in risk assessment of mine belt

正向指標(biāo)：

負(fù)向指標(biāo)：

式中，Xij為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)值；min(Xj)為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值的最小值；max(Xj)為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值的最大值。

ej反應(yīng)了指標(biāo)的離散程度，值越大，指標(biāo)的離散程度越小，則權(quán)重越小。由表3可知，礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)的主要指標(biāo)權(quán)重大小為：A1(0.5216)>A2(0.2522)>A3(0.2261)。這說(shuō)明燃燒危險(xiǎn)是礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)的主要控制因素。礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)的次要指標(biāo)權(quán)重大小為：B2>B6>B9>B7>B1>B3>B8>B5>B4。放熱指數(shù)和生煙速率峰值權(quán)重分別為0.1384和0.1285，對(duì)礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)性有著較大的影響。相比之下，引燃時(shí)間和火災(zāi)性能指數(shù)的權(quán)重分別為0.0881和0.0880，這兩者對(duì)礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響較小。

表4 礦用膠帶在不同熱輻射強(qiáng)度下的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table 4 Grey weighted correlation degree of mine belt under different thermal radiation intensities

由表4可知，在輻射強(qiáng)度為25、30和35 kW/m2時(shí)，礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度分別為1.52、1.88和2.26。35 kW/m2下的礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度較25 kW/m2增加了48.68%，這是由于較高的熱輻射強(qiáng)度更有利于燃燒以及有毒有害氣體的生成。在不同的熱輻射條件下，燃燒危險(xiǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度始終高于其他危險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)度。顯然，燃燒危險(xiǎn)是礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)的主要控制因素。

3 結(jié) 論

1)在50 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下，測(cè)試箱內(nèi)的光透過(guò)率下降迅速，70 s時(shí)即降為0。

2)隨著熱輻射強(qiáng)度的增加，試樣的燃燒速度加快，PHRR、THR、PSPR和TSP也顯著增大，35 kW/m2時(shí)PHRR和THR較25 kW/m2分別增加了29.06%和36.22%，PSPR和TSP分別增加了45.55%和31.54%。

3)在25、30、35 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下，礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)性灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度分別為1.52、1.88、2.26，基于熵權(quán)理論得出影響礦用膠帶火災(zāi)危險(xiǎn)性因素的權(quán)重排序?yàn)椋喝紵ｋU(xiǎn)(0.5216)>生煙危險(xiǎn)(0.2522)>毒性氣體危險(xiǎn)(0.2261)。