皮带巷火灾数值模拟与人员疏散

上官昌培

（中煤能源新疆天山煤电有限责任公司，新疆 昌吉 831200）

0 引 言

矿井火灾又叫井下火灾，是煤矿五种常见灾害之一，皮带火灾作为矿井巷道火灾的一种，具有突发性强、涉及范围广、发展迅猛、灭火和救护困难大等特点[1]。如果能及时地发现火情，预先准确掌握井下巷道火势发展趋势、烟气运移规律和不同环境条件下火灾的燃烧强度、影响范围，便可在火势还可控的状态及时进行火灾扑救，快速撤离井下工作人员，将会减少火灾对煤矿生产经营造成的损失。本文主要采用理论分析、数值模拟及建模分析的研究方法，对皮带巷风流流动、人员疏散进行研究，通过理论分析及使用Fluent 软件对巷道火灾进行数值模拟，总结巷道火灾中烟气的运移规律和巷道风速对火灾及烟气运移的影响，通过建模分析井下工作人员安全疏散时间，为紧急情况下人员疏散提供依据，提高人员疏散效率。

山东科技大学颜国强等[2]运用灾变时期风流的稳定性和流动规律，结合井下巷道风流控制技术，深度研究了运用风流流动规律预防和控制烟流流向，为井下风流流动规律与现代化生产实践相结合做出了重要贡献。为探究不同风速条件下火灾烟流扩散过程和流动规律，黄刚[3]采用数值模拟软件Fluent 对不同风速条件下灾变时期巷道内烟气流动情况进行模拟。宋卫国[4]等为了分析出口条件对疏散时间的影响，模拟了人员在火灾等突发状况下的疏散过程，最终发现人员疏散时间受疏散场所出入口的参数影响明显。由于模拟人员密度和精度都不高，且模拟的场景较为单一，孙立博[5]等结合了动力学仿真模型和连续运动模型，构成了全新的算法。

2 皮带巷火灾时期风流的数值模拟

皮带巷皮带发火会产生大量高温有毒烟气，高温有毒烟气会短时间快速充斥工作面，对井下工作人员的生命安全产生严重威胁。本文主要模拟皮带着火时巷道内温度和CO 浓度的具体分布情况。采用Fluent 模拟皮带发火，得出直观的烟气温度和CO 浓度分布图。观察模拟结果，分析不同风速对于皮带巷烟气运移的影响。设置火源为体积火源，设置混合烟气以0.5 m/s 的恒定速度从火源处冒出。设置皮带巷新鲜风流进口风流入口风速分别为1、2 、 3 m/s，产生烟气的温度设为 293 K（等同于20℃）。

2.1 不同风速下巷道温度云图

2.1.1 入口风速1 m/s

风速为1 m/s 时，巷道温度分布如图1 所示。

图1 风速为1m/s 时巷道温度分布Fig.1 Roadway temperature distribution at wind speed of 1m/s

由图1 可知，火灾发生2 s 时刻巷内火源处的温度最高，产生的高温烟气随着风流混合流入巷道，火源后30 m 左右巷道区域受烟气高温影响比较明显。火源后30 m 内的空气在火源周围温度最高，距离火源越远温度越低，且温度越低扩散范围越大。巷道里在火源之前区域内，空气的温度几乎没有影响，高温烟气有向顶板运移的趋势，火源之后30 m 左右垂直方向布满高温烟气，但基本没有烟气回流现象发生。

火灾发生3 s 时刻，火源之后50 m 左右垂直方向布满高温烟气，巷道受高温烟气影响区域明显扩大。

火灾5 ～10 s，巷道内空气温度分布基本稳定，没有太大差异。这是由于新鲜低温风流不断流入，对高温烟气有一定的排出作用，火源点的高温烟气生成量和巷道通风对烟气的排出量达到平衡，所以巷道内气体的流动趋于稳定，巷道内温度的分布也就相应的稳定。

2.1.2 入口风速2 m/s

风速为2 m/s 时，巷道温度分布如图2 所示。

图2 风速为2 m/s 时巷道温度分布Fig.2 Roadway temperature distribution at wind speed of 2 m/s

由图2 可知，当风速增大到2 m/s 时，新鲜风流不断流入，与皮带燃烧产生的高温烟气混合，并吸收热量，随风流方向运移。相较风速1 m/s 时，高温烟气污染范围明显减少，污染范围为火源下游20 m 左右，说明巷道入口风速提高至2 m/s 可有效控制巷道高温烟气污染范围，为人员安全撤离提供保证，大大减少对井下机械设备的损坏。

相较风速为1 m/s 时刻的温度分布，高温烟气污染范围仅达到火源下游20 m 左右，10 s 之后巷道内烟气流动趋于稳定。

2.1.3 入口风速3 m/s

风速为3 m/s 时巷道温度分布如图3 所示。

图3 风速为3 m/s 时巷道温度分布Fig.3 Roadway temperature distribution at 3 m/s wind speed

由图3 可知，污染范围与风速为2 m/s 时灾区范围相差不大，因此对于控制高温烟气扩散方面，没有必要进一步提高风速，风速过高不但无益于控制灾区范围，反而容易引起煤尘飞扬，增加煤尘爆炸的可能性。

随时间推移，高温烟气随风流逐渐扩散至火源下游40 m 左右后趋于稳定，下游巷道污染严重，但高温烟气不再进一步扩散。

1602 工作面皮带巷内生产作业时通风正常，巷道内风流稳定。当皮带巷内发火时，由于皮带、煤等可燃物燃烧产生大量高温烟气，烟气向顶板运移会产生节流效应，使通风阻力增大，高温火源产生的火风压也会导致风流紊乱。但入口新鲜风流不断进入与高温烟气融合，并吸热带走高温烟气，火焰产生的高温烟气不断被稀释，最终烟气生成量与排烟量再次达到平衡，使得皮带巷中的气体运移趋于稳定。

2.2 不同风速下巷道CO 浓度分布云图

2.2.1 入口风速1 m/s

当风速为1 m/s 时，如图4 所示，CO 气体从火源处产生，随后与巷道新鲜风流混合，随风流方向涌入巷道下游。火源上游积聚浓度较高，CO 随风流方向扩散，在火源下游20 m 内，CO 的排出效果较好，但随巷道的延伸，阻力逐渐增大，风流受阻，导致CO 气体发生积聚现象。CO 气体出现明显的回流现象。

随时间推移，烟气回流情况明显好转，火源上游烟气回流范围大大减少，CO 烟气浓度明显降低，下游积聚的烟气也进一步排出。CO 浓度最高的位置位于火源周围，且随着新鲜风流进入，CO 高浓度区逐渐流向巷道下游。

通风时间继续增长后，CO 气体主要存在于火源下游20 m 范围内，火源处浓度最高，随风流扩散浓度明显降低。

图4 风速为1 m/s 时巷道CO浓度分布Fig.4 CO concentration distribution in roadway at 1 m/s wind speed

2.2.2 入口风速2m/s

当风速为2 m/s 时，如图5 所示。CO 从火源处产生，随后与巷道新鲜风流混合，流向巷道下游，未发现回流现象，巷道通风成功将污染范围控制在火源下游。CO 高浓度区位于火源下游20 m 左右并随新鲜风流向下游运移。CO 气体刚产生时由于新鲜风流的影响，运移方向大致与风流方向相同，到了火源下游10 m 左右，随着风流动能的下降，CO 气体出现上移趋势。CO 高浓度区域中，气体明显向顶板运移。

3 s 后CO 高浓度区进一步向巷道下游运移，且由于新鲜风流的影响，高浓度区域CO 进一步扩散，影响范围变大。

5 s 后CO 气体浓度明显降低，但影响范围依然很大，仅可保证了火源上游人员的安全疏散。

10 s 后随新鲜风流不断进入与CO 融合，并与CO 气体一起向下游运移，火焰产生的高浓度CO不断向巷道下游运移并被稀释，最终烟气生成量与排烟量达到平衡，使得皮带巷中的CO 分布情况趋于稳定。

图5 风速为2 m/s 时巷道温度分布Fig.5 Roadway temperature distribution at wind speed of 2 m/s

2.2.3 入口风速3 m/s

当风流速度提高到3 m/s 时，如图6 所示，2 s时刻没有烟气回流现象，可保证上游人员安全撤离，但风速的进一步提高，对于CO 气体的排出没有明显影响。

3 s 后CO 烟气浓度分布图，在巷道中部产生CO 积聚，浓度较高但随风流扩散逐渐浓度降低。

5 s、10 s 后CO 气体分布情况与同时刻风速为2 m/s 的分布情况基本一致，因此没有必要进一步提高风速，2 m/s 的风速可保证烟气不回流，巷道内烟气流动比较稳定，排出烟气的效果一般。

图6 风速为3 m/s 时巷道温度分布Fig.6 Roadway temperature distribution at wind speed of 3 m/s

3 人员安全疏散

3.1 皮带火灾人员安全疏散时间

皮带火灾中往往会产生大量有毒有害烟气，一般包括CO、CO2、HCL 等。工作面皮带巷一般较为狭窄，大量烟气容易堵住人员安全疏散通道。因此应保证皮带发火产生的烟气未对井下工作人员造成伤害之前，能够使工作人员全部撤离工作面，这一过程叫做皮带发火时，人员的安全疏散[6]。而疏散时间主要有2 种标志时间，可用安全疏散时间TASET(Available Safety Egress Time)，是指从皮带发火到火灾高温或者火灾烟气对井下工作人员造成伤害的时间；必需安全疏散时间TREST (Required Safety Egress Time)是指从皮带发火，到井下工作人员安全撤离出矿井所需时间。必需安全疏散时间TASET 又由3 种时间组成。

（1） T 感应：从皮带发火，到探测器探测到标志气体浓度超标所需的仪器感应时间。

（2） T 反应：从井下工作人员发觉危险情况，到做出撤离的反应所用的反应时间。

（3） T 疏散：从人员开始疏散到疏散结束的时间间隔。从井下灾害影响范围撤离至安全区域所需的时间。

当TRSET0 时，井下人员疏散过程需要经历一段承受时间，工作人员的人身安全将会受到威胁，即判定为不能安全疏散。因此可总结出安全疏散的公式如下：

现在利用自动火灾报警器可以减少T反应，而且大多数情况下，效果比较明显。且多数的人员在听到报警信号考虑如何撤离的问题所需时间一般很短，当火灾发生时，总有人会反应很快，其他人由于逃离行为的从众特性，跟着一起向外疏散，故在模型计算过程中一般不考虑T反应。则上式可写为：

3.2 感应时间

3.2.1 CO 传感器

根据矿井实际情况，KJ95N 型煤矿安全监控系统中使用的是KGA5 型CO 传感器。该传感器的测定范围为0 ～1 000 ppm，测量范围为0 ～100 ppm时，基本误差不超过4 ppm，遥控距离不大于5 m，角度不大于120°，报警方式为闪烁红色灯光和蜂鸣器报警。传感器响应时间不大于30 s。

3.2.2 烟雾传感器

根据煤井实际情况，KJ95N 型煤矿安全监控系统中使用的是KGN1 型烟雾传感器。该烟雾传感器属于矿用本安型，标志为“ibI”，传感器工作电压为8 ～12 V，工作电流15 mA，一般安装于皮带机头下风游的上方。当皮带发火产生烟雾时，可引发传感器工作，使KHP128-Z 主机动作，切断皮带输送机电源，有益于控制火灾进一步发展。

检测灵敏度：Ⅰ级传感器在烟雾浓度为 0.1 mg/m3时，响应时间为15 s；Ⅱ级传感器在烟雾浓度为0.1 mg/m3时，响应时间为30 s。

电源指示及报警：当检测到烟雾浓度超标后，红色LED 电源指示开始闪烁，频率为1 Hz。

3.3 疏散时间

从人员收到报警信号意识到需要撤离之后，到人员从危险区域撤离到安全区域所需的时间可用下式表示:

式中：L 为矿工从所在危险区域到安全地点的最大行走距离；V为人员行走速度，m/s。

（1） 矿工所在地到安全地点的最大行走距离L。

本文假设火灾发生在1602 工作面11 采区工作面皮带巷道，首采面的工作面走向推进长度为1 637 m，工作面长度为220 m，新鲜风流从采区集中运输上山进入，经过工作面后从回风巷排出，根据矿井开拓开采布置，在11 采区集中辅助运输上山和集中带式输送机上山之间布置一处永久避难硐室，位置位于采区回风巷出口附近，由于在设计风速下，火源上游没有高温区域，且工人随身佩戴的ZY-30 压缩氧自救器可提供30 min 的氧气，保证火灾上游人员安全从危险区域安全撤离。假设人员行走速度为1.2 m/s，则30 min 可让井下人员移动2 160 m，考虑其他不可控因素，为保证人员安全撤离，保留一定冗余数值，取1 700 m。而工作面走向最长为1 637 m，则皮带巷中工作人员可使用自救器安全撤离出危险区域撤离出井，故仅计算位于工作面和回风巷中人员的疏散问题。

（2） 人员行走速度。

根据1602 工作面的实际情况，正常生产中，人员绝大多数都分布在工作面，人员密度可以看做小于0.54，且矿工又都是成年男士，人员行走速度取1.2 m/s。必需安全疏散时间为：

TRSET=T感应+T疏散=30+ （1 637+220） /1.2=1 577.5 s。

3.4 忍耐时间

（1） 高温与忍耐时间。

人对于一定程度的高温是有相应的忍耐能力的，比如蒸饭的锅盖，快速触碰时接触时间极短，也不会感到烫。高温烟气对人也是同样的道理，当烟气温度为65 ℃时，工人可以短时间忍受；当烟气温度为120 ℃时，人体在15 min 内就会导致不可恢复性的伤害；当烟气温度为140 ℃时，人体仅能忍受5 min；当烟气温度为170 ℃时，人体的忍耐时间仅为1 min；当烟气温度高达几百摄氏度，人体基本无法承受。

当高温烟气与人体直接接触时，造成的损害通常是烫伤或呼吸道烧伤等，当温度达到110 ℃左右就可造成伤害。当高温烟气不与人体直接接触时，并不代表人员是安全的。若高温烟气层的热辐射强度达到一定数值，能对人体造成损害，则也认为人员不能安全疏散。有数据表明，烟气温度达到180 ℃左右时烟气层的热辐射强度就足以对人体造成损害。

（2） CO 体积分数判据。

由统计结果表明[7-8]，由于人的逃离行为有远离烟火和奔向开阔空间的特性，所以大部分火灾人员的伤亡并不是因为高温火源对人造成直接的伤害，更多的是有毒有害气体使人昏迷或失去行动能力，继而造成人窒息中毒死亡。其中在煤矿火灾事故中，代表性气体是CO。

CO 对人体的影响见表1，本文以CO 的扩散前锋为判定指标[9]。

4 结 论

（1） 当巷道内风速较小时，巷道内火灾产生的高温有毒有害烟气对火源下游巷道内空气污染严重。随着巷道内风速增大，排出烟气的速率有所增大，对火源下游巷道的污染会减轻，巷道气流的温度也随之降低，排烟的效果更好。

（2） 分别从感应时间、反应时间、疏散时间和忍耐时间4 个方面分析研究人员安全疏散所需时间，判断可用安全疏散时间，保障灾害期间人员安全。

表1 CO 对人体的影响Table 1 Effects of carbon monoxide on the human body