煤矿电缆火灾危险性研究

任晓伟，王振兴，王 锐，康付如，王 洋，韩东洋，王伟峰，齐龙辉，徐勇勇

（1.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719001；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

伴随着智能矿山的建设，电气设备投入增大，煤矿电缆几乎遍布各个巷道[1-2]。然而，由于电缆短路、漏电、过载、外部火源波及等原因，煤矿电缆火灾事故时有发生。煤矿电缆火灾蔓延速度可达20 m/min，火灾发展迅速，并释放大量CO、HCl 等有毒有害气体，同时会引发瓦斯、煤尘爆炸事故，严重威胁矿工的生命安全[2-3]。2017 年3 月，黑龙江双鸭山矿业公司东荣二矿井下发生电缆着火和罐笼坠落事故，17人遇难；2017 年2 月，湖南省涟源市祖保煤矿脱轨的矿车击中供电电缆，引起短路起火，引爆煤尘，造成10 人死亡；2010 年7 月，陕西韩城市小南沟煤矿副斜井井底动力电缆着火，造成28 人死亡；2010 年3 月，河南新密市东兴煤业有限公司主井西大巷电缆着火，25 名被困矿工全部遇难；2010 年1 月，湖南湘潭市立胜煤矿和江西新余市庙上煤矿井下各发生了1 起电缆着火，分别造成34 名和12 名矿工遇难。煤矿电缆火灾引起的一系列重特大煤矿事故，教训沉痛。

国内外许多学者开展了电缆燃烧行为的研究。Kaczorekchrobak 等[4]研究发现聚氯乙烯基电缆火灾危险性随辐射强度的增加而上升，其燃烧释放热量的同时，排放大量有毒烟气；Meinier 等[5]对核电站使用的无卤阻燃电缆的燃烧行为进行了分析，重点研究了外部热流和电缆间距对电缆火灾特性的影响；Li 等[6]研究发现随着电弧尺寸的增大，110 kV 交联聚乙烯电缆火焰的点燃速度加快，火焰在垂直和水平方向上的传播都显著增加；Magalie 等[7]使用锥形量热仪研究了电缆的火灾性能，发现护套会延迟热释放速率主峰的出现；陈善求等[8]研究发现超高温耐火电缆具有较低的火灾危险性；谌文佳等[9]通过TG-FTIR、GC-MS 分析发现PVC 电缆绝缘层在200℃前开始失重，分解产生邻苯二甲酸二辛酯等塑化剂为主的气体；迟媛等[10]利用数值模拟得到了狭长空间电缆火灾烟气蔓延规律和温度场分布；贾伯岩等[11]利用PyroSim 模拟综合管廊内电缆火灾烟气的蔓延情况，并提出了烟气防治措施；张小翌等[12]利用FDS 软件模拟分析了煤矿硐室电缆火灾发展过程中烟流、CO 体积分数度、O2体积分数、温度的发展演化规律。

针对煤矿用电缆燃烧性能的研究较少，且多通过模拟手段。为有效防控煤矿电缆火灾，有必要针对性地对其火灾安全性能进行实验研究。研究表明锥形量热仪是全面研究材料火灾行为的1 种有效测试方法[13-14]，NBS 烟密度测试箱可以定量表征火灾烟气的光透过率。因此，使用NBS 烟密度测试箱和锥形量热仪测试分析了煤矿用电缆火灾烟气的光透过率及不同热辐射功率下点燃时间、热释放速率、烟气生成速率等燃烧性能参数，并在此基础上对煤矿电缆的火灾危险性进行了定量表征。

1 材料与方法

试验选用的电缆为陕西陕煤曹家滩矿业有限公司使用的MYP-660/1 140 V 型煤矿阻燃电缆，该电缆直径为24 mm。其中，外护套和绝缘层主要材质均为PVC，同时辅以塑化剂、稳定剂、抗氧化剂、润滑剂等各类添加剂，以提高其阻燃性能。

根据GB/T 8323.2—2008 烟密谋试验箱，使用SDB 型NBS 烟密度测试箱（NLFRM-39）对矿用电缆火灾烟气的光透过率进行测试。对矿用电缆进行切割，使其每根的长度为75 mm，然后3 根拼接成1 个试样，保证材料尺寸的规矩以及质量的均匀。在50 kW/m2的辐射强度下，采用无焰引燃方式，按照单室法测定烟密度试验方法测试矿用电缆的光透过率。

根据GB/T 16172—2007《建筑材料热释放速率试验方法》，采用昆山莫帝斯科燃烧技术仪器有限公司生产的CCT 型锥形量热仪进行测试。试验过程中，4 根100 mm 长电缆并排、紧贴放置在试样安装架上，保证材料尺寸的规矩以及质量的均匀。热辐射强度分别选取25、30、35、40 kW/m2。每组试样进行3次试验，取3 次的平均值，3 次测试的平均误差不大于10%。

2 结果分析

2.1 火灾烟气的光透过率

采用NBS 烟密度测试箱对矿用电缆火灾烟气进行烟密度测试，矿用电缆火灾烟气的光透过率-时间曲线图如图1。

图1 矿用电缆火灾烟气的光透过率-时间曲线图Fig.1 Smoke light transmittance curve of mine cable fire

由图1 可以看出，矿用电缆在50 kW/m2的辐射强度下，光透过率在前20 s 时下降不明显，20～82 s之间下降速度很快，光透过率迅速由99.5%下降至7.5%，82 s 之后光透过率下降速度放缓，119 s 时下降至0.033%，130 s 时基本降至0。此外，3 次重复试验的平均起燃时间为86 s，这表明矿用电缆在50 kW/m2的辐射强度下产烟量很大，光透过率下降很快，在130 s 基本降为0，能见度很低，对火灾发生时人员疏散和灭火极为不利。

2.2 引燃性

材料的点燃时间（TTI）是指在一定热辐射通量下使材料表面恰好能维持有焰燃烧时需要的时间，以s 为单位。TTI 越长表明材料在此条件下越不易点燃，材料的阻火性能越好。另外，TTI 越长，越难点燃，产生的毒性气体越少。煤矿电缆锥形量热仪测试的相关数据见表1。

表1 锥形量热仪测试相关数据Table 1 Related data of cone calorimeter test

测试结果表明，在25 kW/m2的热辐射条件下，3次重复试验煤矿电缆试样在30 min 内均未被引燃；30、35、40 kW/m2热辐射强度下煤矿电缆的TTI 分别为526、149、155 s；热辐射强度由30 kW/m2增加至35 kW/m2时，TTI 迅速缩短，而在35 kW/m2和40 kW/m2热辐射强度下煤矿电缆的TTI 变化不明显。

2.3 热释放速率

热释放速率（HRR），尤其是热释放速率峰值（PHRR）对评估材料火安全性更具实际意义，它与火灾的最大强度有关。煤矿电缆在30、35、40 kW/m2热辐射强度下的HRR 曲线如图2。

图2 煤矿电缆在不同辐射功率下的HRR 曲线图Fig.2 HRR curves of mine cable fire under different thermal radiation power

从图2 和表1 可以看出：煤矿电缆的HRR 曲线通常会出现2 个明显的峰值，一般第2 次峰值明显高于第1 次峰值，为主峰值PHRR，这主要是由煤矿电缆特殊的结构决定[15]；燃烧初期电缆的外护套燃烧，出现第1 次峰值，随着燃烧的继续，电缆内部的绝缘层和填充物开始燃烧，HRR 迅速增大，达到第2次峰值，随后迅速下降之后进入缓慢放热阶段；30、35、40 kW/m2热辐射强度下煤矿电缆的PHRR 分别为57.31、61.19、68.78 kW/m2；此外，随着热辐射强度由30 kW/m2增加至35 kW/m2，煤矿电缆的热释放速率达到PHRR 所需的时间（tPHRR）大幅缩短，由658 s 缩短至273 s，而PHRR 增加了6.77%；热辐射强度由35 kW/m2增加至40 kW/m2，tPHRR 变化不大，而PHRR 增加了12.28%。

2.4 总热释放量

煤矿电缆在30、35、40 kW/m2热辐射强度下的总热释放量（THR）曲线如图3。

图3 煤矿电缆在不同辐射功率下的THR 曲线图Fig.3 THR curves of mine cable fire under different thermal radiation power

由图3 可知：煤矿电缆在不同热辐射功率下的THR 均随着时间缓慢地增大后迅速增加，之后又缓慢增加；煤矿电缆燃烧试验结束后，在30、35、40 kW/m2热辐射强度下的THR 分别达到7.08、5.80、14.12 MJ/m2，40 kW/m2热辐射强度下的THR 值显著增加；这可能是由于40 kW/m2热辐射强度下煤矿电缆的PHRR 明显较大，燃烧更为剧烈，因此外护套和绝缘层的燃烧更为充分。

2.5 烟气产生规律

烟气产生速率（SPR）和总产烟量（TSP）是评价火灾危害程度的重要参数，煤矿电缆在30、35、40 kW/m2热辐射强度下的SPR 和TSP 曲线如图4 和图5。

图4 煤矿电缆在不同辐射功率下的SPR 曲线图Fig.4 SPR curves of mine cable fire under different thermal radiation power

图5 煤矿电缆在不同辐射功率下的TSP 曲线图Fig.5 TSP curves of mine cable fire under different thermal radiation power

从图4 和图5 可以看出：随着热辐射强度由30 kW/m2提高至35 kW/m2，电缆达到SPR 峰值（PSPR）的时间缩短，但PSPR 和TSP 明显降低。热辐射功率为30 kW/m2时电缆的PSPR 和TSP 分别为0.054 m2/s 和7.05 m2，热辐射功率35 kW/m2和40 kW/m2时电缆的PSPR 分别为0.047、0.048 m2/s，TSP 分别为6.44、4.55 m2，与30 kW/m2时相比，PSPR 分别减少了12.96%和11.11%，TSP 分别降低8.65%和35.46%；35、40 kW/m2热辐射强度下，达到PSPR 的时间（tPSPR）由30 kW/m2热辐射强度下的551 s，分别缩短至171、187 s。

2.6 火灾危险性

2.6.1 火灾蔓延指数

火灾蔓延指数（FGI）是PHRR 与到达tPHRR 之比，单位为kW/（m2·s）。PHRR 越大，tPHRR 越小，FGI 值越大，火灾危险性就越大。FGI 的公式为：

式中：PHRR 为热释放速率峰值，kW/m2；tPHRR为到达热释放速率峰值的时间，s。

不同热辐射功率下煤矿电缆FGI 计算结果如图6。由图6 可知：热辐射强度为30 kW/m2时的煤矿电缆的FGI 为0.087 kW/（m2·s），热辐射强度为35、40 kW/m2时煤矿电缆FGI 为0.224、0.242 kW/（m2·s）；由此可见，煤矿电缆火灾蔓延速度随热辐射功率的增大而增大。

图6 不同热辐射功率下煤矿电缆FGI 计算结果Fig.6 FGI of mine cable fire under different thermal radiation power

2.6.2 火灾性能指数

火灾性能指数（FPI）是TTI 与PHRR 之比，单位为（m2·s）/kW，可预估该材料在点燃后是否易于发生闪燃。FGI 和FPI 的公式表示如下：

式中：TTI 为点燃时间，s；PHRR 为热释放速率峰值，kW/m2。

不同热辐射功率下煤矿电缆FPI 计算结果如图7。由图7 可知：热辐射功率为30 kW/m2时，FPI为9.178 （m2·s）/kW，35 kW/m2和40 kW/m2时FPI分别为2.435、2.254（m2·s）/kW。电缆试样燃烧时的FPI 与热辐射功率成反比，即热辐射功率越大，电缆火灾危险性越大。

图7 不同热辐射功率下煤矿电缆FPI 计算结果Fig.7 FPI of mine cable fire under different thermal radiation power

2.6.3 放热指数

放热指数（THRI6min）是指材料燃烧前6 min 内释放热量总和的对数。单位为MJ/m2，公式表示为：

式中：HRR6min为取前6 min 热释放速率的平均值，kW/m2。

THRI6min越小，表明在煤矿电缆燃烧前期释放热量越少，为电缆火灾早期快速处置和应急救援提供了更有利的条件。热辐射功率为30 kW/m2时THRI6min为-0.25 MJ/m2，说明在该条件下前6 min煤矿电缆主要处于吸热阶段。热辐射功率为35、40 kW/m2时，THRI6min为0.69、0.70 MJ/m2，表 明 前6 min 煤矿电缆主要为放热阶段，且随着热辐射功率的增加，THRI6min增加，热损害越大，电缆火灾危险性越大。

2.7 炭渣结构分析

不同热辐射功率下锥量测试后煤矿电缆试样的残炭图如图8。

图8 不同热辐射功率下煤矿电缆锥量残炭图Fig.8 Residual carbon of mine cable after cone calorimeter test

由图8 可知：表25 kW/m2热辐射功率下煤矿电缆残炭整体性较好，随着热辐射功率增加，煤矿电缆残炭破碎程度逐渐加重；热辐射功率40 kW/m2下煤矿电缆残炭表面破碎形成大量较小颗粒。这主要是由于热辐射功率越大，煤矿电缆燃烧越剧烈，电缆外护套和绝缘层燃烧越充分，进而产生大量裂隙和气体。

3 结 语

1）煤矿电缆在50 kW/m2的热辐射强度下产烟量很大，光透过率下降很快，20～82 s 之间由99.5%下降至7.5%，在130 s 基本降为0。与30 kW/m2时相比，35、40 kW/m2时PSPR 分别减少了12.96%和11.11%，TSP 分别降低8.65%和35.46%，tPSPR 由551 s 分别缩短至171、187 s。

2）随热辐射强度增加，煤矿电缆的PHRR 增大，THRI6min增加，电缆火灾热危险性越大。此外，热辐射强度为40 kW/m2时的THR 值为14.12 MJ/m2，明显高于30、35 kW/m2时的THR。

3）煤矿电缆的FGI 随热辐射功率的增大而增大，FPI 随热辐射功率的增大而减小，即热辐射功率越大，电缆火灾危险性越大。同时，炭渣结构分析表明热辐射功率越大，煤矿电缆燃烧越剧烈，电缆外护套和绝缘层燃烧越充分。