基于数值模拟的矿井火灾疏散路径选取研究＊

武 爽 季经纬 赵 平 叶珊珊

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008）

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，根据统计数据，在全国国有大型煤矿当中，具有自然发火危险性的矿井约占到总矿井数的50%。通常矿井发生火灾与煤矿瓦斯爆炸、突出等相互作用，从而导致更为严重的二次灾害。矿井特殊的地质环境、复杂恶劣的疏散路线，严重地制约着矿井火灾发生时的人员疏散。一旦发生火灾，井下矿工难以第一时间获得逃生信息，存在很长的疏散延迟时间，疏散时间的延长进一步造成人员疏散的困难。人员在逃生过程中受到伤害的原因主要来源于火灾过程中所产生的烟气。这些烟气包括一氧化碳、二氧化碳等，都能造成人员呼吸困难和其他中毒症状。最为困难的是产生的烟气致使疏散路径的能见度迅速下降，进而影响人员疏散。因此，研究矿井火灾中烟气的蔓延方式是探究矿井火灾人员疏散的重要手段。

季经纬推导建立了矿井发生火灾过程中风流速度、烟气中毒性气体体积浓度与火源热释放速率及能见度的关系式，并提出了矿井火灾过程中火场能见度的简单估算方法。周福宝等人模拟了矿井火灾烟流滚退距离的相关行为，通风风速和火源热释放速率是影响烟流滚退距离的两个重要参数。张敬瑶等对煤矿井下人员疏散进行了计算机仿真模拟，证实采用人员疏散模拟技术对矿井人员流动和疏散行为进行研究是可行的。本文是针对某矿井发生火灾之后，利用FDS软件来分析烟气蔓延情况、一氧化碳的浓度、烟气温度、能见度等，为矿井发生火灾时制定相应的预案和人员安全疏散提供依据。

1 矿井火灾模型

鉴于矿井火灾真实的烟气蔓延过程难以观察和测量，在此运用火灾模拟软件FDS来计算发生在矿井中的烟气运行过程，选取某个矿井作为模拟对象，来探究矿井火灾发生时人员疏散路径的选取等。

1.1 矿井概况

模型选取了某矿井的巷道采掘图，见图1。该矿井有两个采掘工作面，巷道总长度为1050m，工作面宽度为350m，两条斜井进新风，污风从采场出来，汇集到回风井排出。

图1 某矿井巷道图

1.2 FDS模型建立

为了适应FDS建模的需要，要求对相应的图形做简要的处理，以便能将现实的工程与处理的模型达到高度耦合，一方面简化了无关结果的繁琐性，使计算量在可控制范围内，而又不影响计算，提高了计算效率；另一方面可以使计算模型更为符合实际工程，更好地为工程应用服务。模型的处理是多方位的，包括网格的数量、火源的设置、风机参数的设定等等。

1.2.1 网格的设置

矿井巷道纵横交错，巷道呈斜坡状向下延伸，如果直接在巷道附近设置网格，势必造成网格数量巨大，计算难以进行，为此对巷道进行适当简化，考虑到该矿井坡度为1∶10，坡度较小，可以将坡度影响烟气蔓延的因素加以缩小，故将坡度较小的主副斜井视为水平巷道。主副斜井的宽度为7m，其他巷道为4m，巷道整体高度为3m。距离火源较大的巷道网格大小设置为1m×1m×1m，在设置火源附近的网格时，为了提高计算精度，需要通过计算来确定网格的大小。

火源附近的网格大小受初始火源特征尺寸D＊控制：

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式中：D＊——火源特征尺寸，m；

Q——火源功率，kW；

ρ∞——空气密度，kg／m3；

cp——恒压比热，kJ／（kg·K）；

T∞——环境温度，K。

通过查阅一系列的文献资料，将火源热释放速率设为5MW，代入式（1），可以计算得到D＊＝1.99，一般来说，火源附近的尺寸为0.1 D＊时，计算结果接近理想值，为此，我们将火源附近的尺寸设置为0.2m。这样一来，设置的网格总数目为546080。

根据《煤矿安全规程》可知，主要进、回风巷的最高允许风速为8m／s；运输机巷，采区进、回风巷的最低允许风速为0.25m／s，最高允许风速为6m／s。故将模拟的主副斜井风速设置为4m／s，回风巷风速设置为5m／s。

1.2.3 引燃材料的设定

模拟机电硐室内由于短路导致电缆燃烧，最终引起机电设备的严重火灾，所以将引火源设定为橡胶，即FDS的反应物（Reaction）为橡胶。

1.2.4 火源位置的设定

如何设置火源位置是模拟过程中一个很重要的因素，为了使模拟更具典型意义，将火源设置在最危险的位置，即位于两个采掘工作面之间，火灾发生时对两个工作面都有影响。

1.2.5 探测器的设定

主要设定了一氧化碳体积分数探测器（CO Volume Fraction）、温度探测器（Temperature）以及能见度探测器（Visibility），目的是通过对这些火灾烟气特征量的探测来预见疏散的安全路径，总共在8个位置设置了探测器，各探测器的分布如图2所示。

1.3 模型各部分的功能概述

煤矿火灾模拟的整个模型见图2，为减少计算量，在不影响计算结果的情况下，模型中将回风巷简化为回风通风机，起到回风的作用，但不需要计算网格。模型共有两个工作面，探测器设置在整个矿井巷道之中，包括测点1、2、3、4、5、6、102和402号，负责测定各点的能见度、一氧化碳浓度、温度等，火源设置在两个工作面之间的一处联络巷中，其中火源大小设置为5MW，在此处设置能够突出火源作为最危险性情况的特征，避灾硐室位于离火源左侧最近的联络巷内，回风风机布置在两个工作面右侧的回风巷道尽头，新风从模型最右侧的两条主副斜井进入，由回风风机将污风排出。

图2 模型示意图

2 模拟结果及讨论

考虑到矿用自救器的使用时间为25～40min，矿井发生火灾后人员可以通过使用自救器来避免有毒烟气的侵入，进行逃生。因此模拟总计进行2400s，分别对烟气蔓延、一氧化碳浓度、能见度和温度来进行分析说明，探讨与疏散相关的效应。

2.1 烟气蔓延

通过对烟气蔓延情况的模拟，可以看到，在火灾发生之后，如果仍然采用普通的通风方式，烟气会不断地涌入工作面进、回风巷道，即使人员佩戴自救器，由于自救器不是对外封闭的一个呼吸系统，烟气中的某些有害气体诸如CO等会漏入呼吸器中，造成人员疏散的困难。烟气蔓延图见图3。

图3 普通送风状态下600s烟气蔓延图

由于工作面距离主副斜井350m，通过大量的试验得到人员在井下行走的速度为1.11m／s，因此这段距离人员需行走315s，而在发生火灾后人员对于灾害的响应时间由于没有文献可以查到，参考建筑中对于人员响应时间的描述，在此可设为10min，这是一个较为保守的数字，因此综合考虑，人员从工作面到达主副斜井的总时间约为900s。

正常通风状态下402测点CO浓度变化见图4，在CO浓度变化曲线中，横线对应安全规程所规定的CO浓度上限0.0024%，可以看出，780s时测点402位置其CO浓度就已超过上限值，人员通过此处具有一定的危险性。即处于2号工作面的井下工作人员无法沿着进风巷及主副斜井进行疏散，而1号工作面的人员可以沿着进风巷与主副斜井进行疏散。

图4 正常通风状态下402测点CO浓度随时间变化曲线

针对2号工作面人员在火灾发生时无法从进风巷疏散的问题，利用反风来进行疏散，反风状态下402测点CO浓度变化见图5。

图5 反风状态下402测点CO浓度随时间变化曲线

很明显，采用反风之后，测点402位置的CO浓度在火灾发生后的40min内均未达到上限值0.0024%，人员可以安全地通过该区域达到安全状态。即采用反风方式进行通风后，辅助回风巷和回风巷烟气很难侵入，有助于人员从回风巷中进行疏散。

2.2 能见度结果

对于1号工作面而言，在火灾发生后，人员可以在很充裕的时间内从回风巷安全疏散，而对于2号工作面，在普通通风状态下，回风巷道附近的402测点能见度在700s时下降很快，在780s即达到能见度为10m的危险数字。采用反风之后，能见度基本不发生变化，即2号工作面的人员能够安全通过回风巷，两种通风状态下能见度随时间变化曲线见图6。

图6 两种通风状态下能见度随时间变化曲线

3 结论

（1）针对所模拟矿井，研究了人员在火灾过程中的疏散状况。发现在普通通风状态下人员很难从进风井安全疏散，这主要是由矿井通风状态决定。对于发生在主副斜井之中或是进风巷的火灾，由于新风的不断挤入，使火灾成为一个受燃料控制的火灾。而在矿井内燃料丰富，导致火灾难以衰减，风助火大，火灾难以扑灭，且烟气会随着风流进入工作面进风巷，切断井下工作人员沿原路返回的道路。

（2）验证了反风对于矿井火灾人员疏散的有效因素，发现反风能够减小回风巷道中烟气密度以及CO浓度，增大巷道中的能见度，为人员从回风井疏散提供保证。火源位置离进风口越近，反风效果越好，越能有利于人员安全疏散。

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