矿用胶带火灾危险性评价研究

王振兴，周廷斌，王伟峰，康付如，任晓伟

(1.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

带式输送机作为煤炭运输系统的中枢，可大幅提升煤炭开采效率[1]。据统计，当前矿用胶带在籍长度超过1800万m，每年递增约20万m。然而，胶带输送系统降低劳动强度的同时，也增大了潜在的火灾隐患[2-4]。由于胶带输送系统运行时同托辊和煤炭等连续摩擦、负荷过大，再加上运行时间长等原因，易造成胶带升温、起火、燃烧等，从而引燃周围电气设备、煤炭、电缆等[5-8]。矿用胶带火灾在燃烧大量煤炭资源，烧毁矿用设备的同时，易造成大量的人员伤亡[9-11]。近年来，矿用胶带火灾事故时有发生。2020年9月，重庆松藻矿用发生重大胶带火灾事故，造成16人死亡，42人受伤的严重后果。

由于大型矿用胶带火灾实验成本高且耗时，数值模拟成为矿用胶带火灾研究的常用手段。YUAN等[12]对矿用胶带火灾进行了模拟，建立了矿用胶带火焰蔓延的计算流体力学模型。张圣柱等[13]模拟胶带巷火灾风流流动状态，建立了胶带火灾预警与控制系统。齐庆杰等[14]应用数值模拟发现火灾蔓延速率与风速呈正相关。苏墨等[15]模拟了申家庄矿发生胶带火灾时各参数的变化情况，得到了影响人员逃生的主要因素。张洪亮[16]模拟了井下胶带火灾的发生、发展过程。郭军等[17]采用物理相似模拟的方法，确定了适宜胶带火灾发展的最佳风速。

近年来，学者们开展了矿用胶带火灾热释放速率、总热释放量、有效燃烧热等单一指标的研究分析，从而实现对矿用胶带的火灾危险性评价[18，19]。然而，考虑到矿用胶带火灾的复杂性，单一指标以及主观分析可能导致对关键指标的疏忽[20]。因此，笔者使用NBS烟密度测试箱测试曹家滩矿用胶带火灾烟气的光透过率，利用锥形量热仪(CONE)分析矿用胶带燃烧过程中热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)和生烟速率(SPR)等参数，并以CONE实验结果作为样本数据，基于熵权法结合灰色关联度法综合评价不同热辐射条件下矿用胶带的火灾危险性。研究结果可为矿用胶带火灾风险的防治提供依据。

1 实验内容

1.1 实验材料

采用陕煤曹家滩矿业有限公司采集的运煤胶带为样品，主要材质为PVG型整芯阻燃带，执行MT 914—2002标准。

1.2 实验方法

根据《塑料 烟生成 第2部分：单室法测定烟密度试验方法》[21]标准，每块试样的面积为75.0 mm×75.0 mm，厚度为11.0 mm，使用SDB型NBS烟密度测试箱(NLFRM-39)，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胶带的光透过率。

根据《建筑材料热释放速率试验方法》[22]标准，每块试样面积为100.0 mm×100.0 mm，厚度为11.0 mm，使用CCT型锥形量热仪(昆山莫帝斯科燃烧技术仪器有限公司)，分别在25、30、35 kW/m2的热辐射强度下对胶带进行燃烧性能测试。

2 实验结果与讨论

2.1 烟气的光透过率

矿用胶带燃烧时烟气的光透过率-时间曲线如图1所示。由图1可知，矿用胶带在50 kW/m2的热辐射强度下，光透过率迅速下降，41 s时下降至8.3%，在这之后光透过率下降速度放缓，59 s时下降至0.027%，70 s时降至0。由此可见，矿用胶带在50 kW/m2的辐射强度下产烟量很大，光透过率迅速降为0，能见度快速降低，对火灾发生时人员疏散和灭火极为不利。此外，实验测得矿用胶带的起燃时间为310 s，表明矿用胶带燃烧时的光透过率在起燃前便降为0。

图1 矿用胶带燃烧时烟气的光透过率-时间曲线Fig.1 Light transmittance-time curve ofsmoke during combustion of mine belt

2.2 热释放速率和总热释放量

矿用胶带不同热辐射强度下的热释放速率(HRR)和总热释放量(THR)曲线如图2所示。

图2 矿用胶带在不同热辐射强度下的HRR和THR曲线Fig.2 HRR and THR curve of mine belt under different thermal radiation intensities

由图2(a)可知，3种不同热辐射强度实验中，HRR的变化趋势相似。随着热辐射时间的增加，矿用胶带吸热分解，热量集聚到一定程度时，开始燃烧，HRR迅速增加。随后，随着可燃物含量不断减少，HRR逐渐下降。随热辐射强度的增加，热释放速率峰值(PHRR)不断增加，试样到达PHRR的时间(tPHRR)不断缩短，tPHRR1由586 s降至175 s，tPHRR2由905 s降至609 s。热辐射强度35 kW/m2时，PHRR1、PHRR2则由26.08，72.08 kW/m2分别增加至72.45，93.03 kW/m2，分别增加了177.80%和29.06%。矿用胶带在燃烧过程中HRR均出现了2处峰值，这可能是由于胶带燃烧出现第1个峰值后，胶带表面形成炭层，阻碍其进一步燃烧。随着热量的进一步集聚，胶带快速充分燃烧，HRR达到第2个峰值。

由图2(b)可知，在热辐射强度为25 kW/m2时，燃烧进程缓慢，直到400 s左右才会有热量的释放。随着热辐射强度的不断增加，试样释放热量的初始时间不断提前。THR随着热辐射强度的增加而增加，35 kW/m2时的THR值为130.54 MJ/m2，比25 kW/m2时增加了36.22%，火灾热危害性显著增大。

2.3 生烟速率和总烟产量

生烟速率(SPR)和总烟产量(TSP)是评价火灾危险程度的重要参数。矿用胶带在不同热辐射强度下的SPR和TSP曲线如图3所示。

图3 矿用胶带在不同热辐射强度下的SPR和TSP曲线Fig.3 SPR and TSP curves of mine belt under different thermal radiation intensities

由图3可知，矿用胶带烟气的产生主要集中在前1800 s，实验初始阶段的烟气主要是由于胶带受热分解产生。随着辐射强度的增加，矿用胶带的SPR和TSP也相应地增加。25，30，35 kW/m2热辐射强度下，达到生烟速率峰值(PSPR)的时间(tPSPR)分别为823，154，61 s。在25 kW/m2的热辐射强度下，矿用胶带的PSPR和TSP分别为0.03 m2/s和47.30 m2，而35 kW/m2时，矿用胶带的PSPR和TSP分别为0.07 m2/s和62.22 m2，较25 kW/m2时分别增加了45.55%和31.54%。因此，热辐射强度的增强提高了SPR和TSP，增大了矿用胶带燃烧产生的烟气危险性。

2.4 一氧化碳释放量

矿用胶带燃烧过程中CO释放量变化如图4所示。

图4 矿用胶带在不同热辐射强度下CO产量Fig.4 CO production of mine belt under different thermal radiation intensities

由图4可知，CO含量的变化规律与图2中矿用胶带的HRR曲线变化规律相似，可以推测矿用胶带燃烧过程中，热释放速率大部分是由生成CO的反应提供的。同时，胶带上附着的煤粉也导致CO第2次峰值的出现，并且大于第1次峰值，这与热释放速率规律相吻合。在35 kW/m2的热辐射强度下，CO最大生成速率峰值和平均生成速率分别为0.2857，0.0786 g/s，较25 kW/m2热辐射强度下分别增加了22.99%和3.97%，表明热辐射强度的增大明显提高了毒性气体的生成速率。

2.5 火灾危险性综合评价

表1 矿用胶带在不同热辐射强度下的锥量数据Table 1 Cone calorimeter data of mine belt under different thermal radiation intensities

表2 矿用胶带火灾危险性综合评价系统Table 2 Comprehensive evaluation system for fire risk of mine belt

表3 矿用胶带危险性评价各指标信息熵及权重Table 3 Information entropy and weight of each index in risk assessment of mine belt

正向指标：

负向指标：

式中，Xij为第j个评价指标下第i个评价对象的评价值；min(Xj)为第j个评价指标数值的最小值；max(Xj)为第j个评价指标数值的最大值。

ej反应了指标的离散程度，值越大，指标的离散程度越小，则权重越小。由表3可知，矿用胶带火灾危险的主要指标权重大小为：A1(0.5216)>A2(0.2522)>A3(0.2261)。这说明燃烧危险是矿用胶带火灾危险的主要控制因素。矿用胶带火灾危险的次要指标权重大小为：B2>B6>B9>B7>B1>B3>B8>B5>B4。放热指数和生烟速率峰值权重分别为0.1384和0.1285，对矿用胶带火灾危险性有着较大的影响。相比之下，引燃时间和火灾性能指数的权重分别为0.0881和0.0880，这两者对矿用胶带火灾危险性的影响较小。

表4 矿用胶带在不同热辐射强度下的灰色加权关联度Table 4 Grey weighted correlation degree of mine belt under different thermal radiation intensities

由表4可知，在辐射强度为25、30和35 kW/m2时，矿用胶带火灾危险的灰色加权关联度分别为1.52、1.88和2.26。35 kW/m2下的矿用胶带火灾危险灰色加权关联度较25 kW/m2增加了48.68%，这是由于较高的热辐射强度更有利于燃烧以及有毒有害气体的生成。在不同的热辐射条件下，燃烧危险的灰色关联度始终高于其他危险的关联度。显然，燃烧危险是矿用胶带火灾危险的主要控制因素。

3 结 论

1)在50 kW/m2的热辐射强度下，测试箱内的光透过率下降迅速，70 s时即降为0。

2)随着热辐射强度的增加，试样的燃烧速度加快，PHRR、THR、PSPR和TSP也显著增大，35 kW/m2时PHRR和THR较25 kW/m2分别增加了29.06%和36.22%，PSPR和TSP分别增加了45.55%和31.54%。

3)在25、30、35 kW/m2的热辐射强度下，矿用胶带火灾危险性灰色加权关联度分别为1.52、1.88、2.26，基于熵权理论得出影响矿用胶带火灾危险性因素的权重排序为：燃烧危险(0.5216)>生烟危险(0.2522)>毒性气体危险(0.2261)。