海拔高度对矿井巷道火灾烟气蔓延规律的影响研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.165

海拔高度对矿井巷道火灾烟气蔓延规律的影响研究

黄锐^,¹, 吴娥^,¹, 吴林¹^,²

1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2.中南大学安全理论创新与促进研究中心，湖南长沙 410083

Study on the Influence of Altitude on Smoke Propagation Law in Mine Roadway Fire

HUANG Rui^,¹, WU E^,¹, WU Lin¹^,²

1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2.Safety and Security Theory Innovation and Promotion Center（STIPC），Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

通讯作者: 吴娥（1995-），女，贵州毕节人，硕士研究生，从事高寒高海拔金属矿山典型灾害防治研究工作。wue2397588229@126.com

收稿日期: 2019-10-05 修回日期: 2020-01-17 网络出版日期: 2020-05-07

基金资助:

国家“十三五”重点研发计划项目“高海拔高寒地区矿山人机功效与应急救援技术”. 2018YFC0808406

Received: 2019-10-05 Revised: 2020-01-17 Online: 2020-05-07

作者简介 About authors

黄锐（1975-），男，四川邛崃人，副教授，从事工业通风技术与矿山安全评价方面的研究工作huangrui@csu.edu.cn , E-mail：huangrui@csu.edu.cn

摘要

矿井火灾已成为矿山安全生产过程中重点关注的问题之一，尤其高原地区受制于复杂的环境因素，火灾时期的抢险救灾成为难题，因此研究海拔高度对火灾烟气传播规律的影响具有重要的实践意义。采用火灾数值模拟软件FDS，对5种不同海拔高度（0，1 000，2 000，3 000，4 000 m）下矿井巷道火灾进行动态模拟，通过观察烟气扩散和动态升温过程，分析不同海拔高度下烟气扩散和温度分布规律，并对比不同海拔高度下矿井巷道内温度、烟气行为（CO浓度）和能见度等参数的变化情况，据此分析海拔高度对矿井火灾时期人员安全疏散的影响。结果表明：火灾烟气蔓延速率随着海拔高度的增加而减小，且高海拔地区减小幅度更大；随着海拔高度的增加，火灾蔓延过程中产生的顶峰温度和CO浓度值均减小，且能见度增强，对人体产生的危害也相应减小。总体来说，当海拔相对较高的矿井发生火灾时，相较于正常海拔地区，安全疏散时间延长，安全疏散距离缩短，更有利于人员逃生。

关键词： 海拔高度 ; 矿井火灾 ; 烟气流动 ; 温度场 ; CO浓度 ; 数值模拟

Abstract

In the process of mine safety production，frequent mine fire accidents have caused huge casualties and economic losses，which has become one of the major concerns.The environment conditions of mines at different altitudes are completely different，which directly affects the evolution of the mine fire，and brings great challenges to the emergency rescue work during the mine fire.Therefore，it is of great practical significance to study the effect of altitude on the law of smoke spread during the mine roadway fire period.In this paper，based on the construction of the mine fire model，the key paramaters of the fire smoke at the characteristic height of the human eye (z=1.6 m) were used as the focus，fire scenarios of the mine mechanical and electrical chamber at five groups of different altitudes from 0 m to 4 000 m（equal points） was simulated by using the Fire Dynamics Simulator（FDS）.By observing the process of smoke diffusion and dynamic temperature rise in different fire scenarios，the law of smoke diffusion and temperature distribution in mine roadway at different altitudes was analyzed.At the same time，the changes of temperature，smoke behavior（CO concentration），visibility and other fire smoke characteristic parameters in the mine fire at different altitudes were compared，so as to analyze the influence of altitude on the safety evacuation of underground personnel during mine fires.The results show that：（1）With the increase of altitude，the rate of smoke spread and the influence range of smoke in the mine fire are correspondingly reduced.In the transverse diction，the effective and safe evacuation route should be far away from the fire side in the tunnel；（2）With the increase of altitude，the characteristic parameters of fire smoke also change to some extent，that is the peak temperature and CO concentration decrease，while the visibility gradually increases；（3）Compared with low-altitude areas，when the fire occurs in the mine with relatively high altitude，the safety evacuation time is prolonged and the safety evacuation distance is shortened，which makes the possibility of people’s safety escape is greater.In general，this paper reveals the mechanism of the effect of altitude on the smoke spread of mine fire，which can be used as reference for the prevention and control of mine fire accidents.

Keywords： altitude ; mine fire ; smoke flow ; temperature field ; CO concentration ; numerical simulation

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本文引用格式

黄锐, 吴娥, 吴林. 海拔高度对矿井巷道火灾烟气蔓延规律的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 293-300 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.165

HUANG Rui, WU E, WU Lin. Study on the Influence of Altitude on Smoke Propagation Law in Mine Roadway Fire[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(2): 293-300 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.165

随着西部大开发及“一带一路”倡议的深化推进，西部高寒高海拔地区矿产资源的开发正在全面有序展开，目前西部地区已建成一大批矿山项目^[1]。西部高原地区具有空气稀薄、大气压力低、气候寒冷和干燥等特点^[2]，极大地影响了高原矿产资源的开发效率，成为制约我国西部大开发的关键因素。另外，在矿产资源开发过程中，井下高温环境、气体氧化（矿尘）和复杂电网等不安全因素使得矿山极易发生火灾事故，且往往伴随着严重的人员伤亡和巨大的经济损失^[3]。例如2015年12月17日辽宁连山兴利矿井火灾事故导致17人死亡和17人受伤，直接经济损失达2 199.1万元^[4]。毋庸置疑，特殊的高原环境决定了高原矿井火灾的防治方法和探测规律与正常海拔地区有所差异，尤其是火灾产生的热烟流对矿井火灾应急救援和安全疏散有很大影响，同时也给火灾探测和防治带来了新的挑战和机遇。因此，为推动西部地区经济发展，进一步改进高原矿井火灾防治技术，减少事故伤亡和损失，应高度重视高原环境下矿井火灾发生发展规律。

目前，有关变压方面的火灾研究成果很多，但主要局限在简单的火源燃烧特性上，如压力和氧气浓度对可燃物燃烧特性的影响^[5,6]，火源热释放速率^[7,8]，火焰高度及温度^[9,10]等，这些研究表明低压环境降低了火灾燃烧速率，同时削弱了烟气对流热损失。近年来，研究人员将压力与隧道火灾相融合来研究隧道内烟气运动规律和温度分布特性，如Ji等^[11,12]探索了环境压力对烟气温度分布和烟气运动特性的影响；Wang等^[13]在压力变化的模拟飞机货舱中研究了烟雾行为，发现在较低压力下烟雾的空气夹带系数较小。然而，上述研究着重于压力对火灾的影响，将海拔高度与火灾相融合的研究比较少^[14,15]，且仅仅侧重于高海拔矿井火灾与正常海拔矿井火灾之间的简单对比，缺乏普适性，不足以认知海拔高度对火灾特性的影响规律。通过火灾模拟可得到巷道内温度分布和烟气浓度等参数，据此研究其火灾发展规律，采取科学可行的火灾防控措施，为性能化评估提供依据。

由于矿井通风系统的复杂性和火灾灾变的破坏性，在井下进行大规模火灾燃烧试验的可行性不足。因此本文利用火灾动力学模拟软件FDS进行矿井火灾实体建模，模拟了（0，1 000，2 000，3 000，4 000 m）5种不同海拔高度下的巷道火灾场景，以人眼特征高度处火灾烟气关键参数为关注点，研究了矿山所在海拔高度对巷道内温度分布、烟气浓度等参数变化规律的影响，以期为不同海拔高度矿井制定合理有效的人员应急救援计划提供参考。

1 矿井火灾模型

1.1 模拟场景

模拟场景为矿井生产系统中常见的水平巷道，其断面为三心拱形，巷道壁由混凝土制成，其物理参数由FDS内部指定，如其热导率为1.8 W/（m·K），密度为2 280 kg/m³，比热为1.04 kJ/（kg·K）。电缆是位于配电柜上方的一个长方体模型，其属性见表1。

表1 电缆物理参数

Table 1 Physical parameters of cable

参数名称	参数取值
密度/（kg·m^-3）	1 380
比热容/（kJ·kg^-1·K^-1）	1.289
热导率/（W·m^-1·K^-1）	0.192

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机电硐室位于巷道壁一侧，与巷道连通。在机电硐室中部设定边长为1 m的正方形引火源，其燃料为正庚烷，选择t²火模型作为火灾增长模型，热释放速率为20 MW，模型表达式为

Q = a t^{2}

（1）

式中：Q为火源热释放速率（kW）；a为火灾增长系数（kW/s²）；t为火灾发展时间（s）。

考虑到隧道内人眼特征高度为1.5~1.6 m^[15]，因此沿巷道中心线1.6 m高度设置探测设备，矿井火灾模型如图1所示。图中蓝色部分为配电柜模型，而配电柜上方的黑色部分即为电缆模型，红色正方形为火源模型。

图1

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图1 矿井火灾模型

Fig.1 Fire model of mine

若风速大于或等于临界风速，火灾烟气将沿巷道在火源下游区域单向蔓延，难以开展不同海拔隧道内烟气蔓延规律的比较及评估，而海拔变化直接带动大气中环境参数的变化，从而影响隧道火灾的临界风速值。因此，基于控制变量法，为简化问题并突出海拔高度的影响，本文将模拟场景处理为恒定风速的小风速矿井，即风速小于临界风速。临界通风风速计算公式如下^[16]：

\{\begin{matrix} v_{c}^{'} = 0.40 \times {(0.20)}^{- 1 / 3} (Q^{'})^{1 / 3}, Q^{'} \leq 0.20 \\ v_{c}^{'} = 0.40, Q^{'} > 0.20 \end{matrix}

（2）

Q^{'} = \frac{Q}{ρ_{a} T_{a} C_{p} g^{1 / 2} H^{5 / 2}}

（3）

v_{c}^{'} = \frac{v_{c}}{g H^{1 / 2}}

（4）

式中： $v_{c}^{'}$ 和 $Q^{'}$ 分别为无量纲风速和无量纲热释放速率； $v_{c}$ 为临界风速（m/s）；Q为火源热释放速率（kW）； $ρ_{a}$ 为巷道内平均空气密度（kg/m³）； $T_{a}$ 为初始环境温度（K）； $C_{p}$ 为空气比热［kJ/（kg·K）］，这里取1.014 kJ/（kg·K）； $H$ 为巷道顶底板之间距离（m）； $g$ 为重力加速度（m/s²）。经计算，0 m海拔下临界风速为2.41 m/s，为确保所用风速能适用于高海拔矿井巷道火灾，取1 m/s作为模拟巷道中的纵向通风速度。

1.2 边界及网格设置

网格尺寸的正确设置是确保得到有效模拟结果的基本前提，最佳网格尺寸应满足2个条件：模拟结果精度良好且计算时间较短。国内外学者通过大量研究证实，当火灾特征尺寸 $D^{*}$ 与网格尺寸 $δ_{x}$ 之比在4~16之间时，FDS数值模拟计算结果可以准确描述模型内各参数的变化^[17]。火灾特征尺寸计算公式如下：

D^{*} = {(\frac{Q}{ρ_{a} C_{p} T_{a} g^{1 / 2}})}^{2 / 5}

（5）

式中： $T_{a}$ 为初始环境温度（℃）。由于不同海拔条件下式（5）中大气参数存在差异，因此选择0 m和3 000 m海拔分别进行网格独立性分析，结合模拟场景，所测试的网格包括0.1、0.2、0.4和0.5共4个方案。结果发现方案一模拟时间过长，而方案三与方案四中同一规模的巷道火灾下温度差异较大，只有方案二的网格测试结果比较收敛，因此最终网格尺寸被确定为0.2。He等^[18]研究表明，将燃油控制室火灾模拟的计算域扩展到垂直舱室开口以外，同时增加到最大开口水力直径的1/2，可以将模拟结果的不准确性降到最低。因此本文在模拟隧道的通风入口处添加了拓展计算域，如图1所示，模型中各障碍物尺寸见表2。表中 $x$ 、 $y$ 、 $z$ 分别代表各物体在 $x$ 、 $y$ 、 $z$ 方向的尺寸。

表2 模型中各障碍物尺寸

Table 2 Size of obstructions in the model(m)

方向	巷道尺寸	机电硐室尺寸	配电柜尺寸	拓展计算域
x	4	4	2	6
y	100	4	1	4
z	3.7	3	2	6

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1.3 初始环境参数

高海拔地区空气稀薄，大气压力低，空气密度小，会影响空气的对流散热以及燃料燃烧产生的烟气浓度，因此，大气压力和空气密度的计算就显得尤为重要。根据苟红松等^[19]的研究，海拔每升高100 m，气压下降约700 Pa，且海平面到11 km以下地区大气压力 $P_{z}$ 与海拔 $z$ 的非线性关系可表示为

P_{z} = 101.323 \times {(1 - \frac{z}{44339})}^{5255876}

（6）

其他参数可根据文献［20,21］得到。由于高寒高海拔地区昼夜温差大，矿井通风口温度低，容易造成结冰、井筒堵塞及水管冻裂等危害，而除冰作业困难且不安全，因此，通常需要采取一定供暖措施以确保设备运行效率和安全性^[22,23]，海拔3 000 m和4 000 m处的初始温度设置应略高于实际值。经计算，5种海拔高度下环境参数具体取值如表3所示。

表3 5种海拔高度下的初始环境参数

Table 3 Initial environmental parameters at five altitudes

海拔高度/m	温度/℃	压力/kPa	O₂质量分数/（kg·kg^-1）
0	20	101.325	0.2312
1 000	20	89.874	0.2152
2 000	15	79.494	0.1978
3 000	10.5	70.107	0.1807
4 000	7	61.639	0.1629

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2 模拟结果与分析

在隧道火灾中，烟气是威胁人员生命安全的主要因素，统计数据表明，大约85％的遇难人员死于有毒热烟气^[24]。通常使用如下指标确定隧道内火灾危险临界条件^[25]：（1）人眼特征高度处烟气温度超过80 ℃时；（2）人眼特征高度处CO浓度达到0.25%时；（3）人眼特征高度处能见度低于10 m时。因此，在数值模拟过程中布置了温度探测器、CO探测器和能见度探测切片，从温度场、CO浓度和能见度3个方面分析矿井火灾时期烟雾场的变化规律。由于不同海拔高度下隧道内初始环境温度不同，因此烟气温度用 $Δ_{T}$ 表示，以减小研究误差。

Δ_{T} = T_{x} - T_{a}

(7)

式中： $T_{x}$ 为距离火源x m处监测点的温度值（℃）； $T_{a}$ 为初始环境温度（℃）。

2.1 温度场分析

图2为准稳态时（200~300 s）不同海拔高度下人眼特征高度处（z=1.6 m）温度（ $T_{x} - T_{a}$ ）纵向分布曲线图，其中0~4 000 m表示海拔高度。从图中可以看到，火源下游10 m范围内，温度和温升速率均随海拔的升高而下降；随着烟气与冷空气的混合，人眼特征高度处温度沿隧道纵向呈现下降趋势，并且海拔越低，烟温下降速度越快、下降时间越早；从图中虚线框内可明显看到，高海拔隧道内顶峰温度低于普通海拔隧道，且各海拔高度顶峰温度下降温差随海拔的增加而逐级增大。

图2

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图2 不同海拔高度下温度纵向分布

Fig.2 Longitudinal distribution of temperature at different altitudes

对上述现象的原因分析如下：当海拔升高时，空气中氧含量下降，导致氧气供应不足以支持燃料的完全燃烧；同时高海拔地区环境温度低，气压小，空气密度相应减小，导致空气夹带系数较小，因此，高原环境在冷却火灾的同时削弱空气热对流，导致高海拔隧道内烟气流动速率小于低海拔隧道，此结论与其他学者的研究^{[5,11,12,13,14]}发现相契合。此外，按照Li等^[7]和于春雨等^[8]的理论，在火灾发展过程中，火源热释放速率随海拔升高而下降，导致海拔升高时，温度也相应下降。

通过烟气扩散模拟可以观察烟气蔓延顺序及火势大小。为充分表现不同海拔高度下隧道内烟气流动情况，选择“火灾发展三阶段”中“初期发展阶段”作为研究重点区段。由于此模拟中火灾在70 s左右到达“充分发展阶段”，因此，取火灾发生后10 s和50 s作为研究参考点，如图3所示，图中黑色为火灾烟气，黄色为火焰。由图可知，巷道纵向上在火源作用下生成高温烟气并形成火羽流，且海拔较低的隧道内火羽流较高，火势向顶板上方发展，即垂直纵向发展，而海拔较高的隧道内，火焰平铺在火源下游的隧道底板上方，属于水平横向发展。从图3（a）中可以看出，烟气流动速率随海拔升高而下降，在图3（b）中，烟流滚退距离随海拔升高而明显缩短。

图3

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图3 不同海拔高度下烟气时空演化情况对比

Fig.3 Comparison of spatial and temporal evolution of smoke at different altitudes

分析产生上述现象的原因如下：一是高海拔隧道中烟气流动速率小于正常海拔隧道；二是由于高海拔地区大气压力和空气密度较低，导致同一风速对不同海拔隧道火灾中烟气的影响力度不同。对于较高海拔，隧道内火焰倾角较大，4 000 m海拔下此现象最明显，火焰在火源下游较大范围内与底板平行，出现火焰平铺于顶板上方的现象。而对于低海拔隧道火灾，火焰尖端离火源位置较近，即风对火灾的影响力度较小。因此，隧道内临界通风速度随海拔升高而减小。

2.2 CO浓度分析

选择火源附近较为典型的监测点（-18，-6，6，18 m）分析CO浓度变化情况，如图4所示。从图4中可以看出，CO浓度随海拔升高而下降；火源上游（-18 m和-6 m）CO浓度低于火源下游（18 m和6 m）。当海拔为0 m时，上游区域两测点CO浓度差和下游区域两测点CO浓度差均是5个海拔中最大的，以下将上、下游两测点CO浓度差分别简称为“上游CO浓度差”和“下游CO浓度差”。从图中可以明显看出，“上游CO浓度差”和“下游CO浓度差”均随海拔高度升高而逐渐缩小；在图4（e）中“上游CO浓度差”和“下游CO浓度差”均接近于0，表明火灾时期低海拔隧道中巷道纵向上的CO浓度梯度比较明显，即图3中火势的发展现象，低海拔隧道内火焰向上发展，而较高海拔隧道中火焰水平横向发展，导致“上游CO浓度差”与“下游CO浓度差”随海拔升高而缩小；当海拔为3 000 m和4 000 m时，-6 m位置的CO浓度值接近于0，-18 m位置的CO浓度始终是一条直线，说明只有少部分烟气回流到火源上风侧，并且未到达-18 m监测点位置。

图4

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图4 CO浓度随时间变化曲线

注：“-”表示监测点位于火源上风侧，例如“-18 m”和“18 m”分别表示位于火源上、下风侧18 m的监测点

Fig.4 Variation curve of CO concentration with time

2.3 能见度分析

矿井火灾发生时会产生大量烟气，聚集在巷道顶板下方并形成烟气层影响人员疏散。烟气的浓度关系到井下的能见度和空气中的氧含量，事关井下人员的生命安全，影响井下人员逃生，因此火灾中烟气浓度是监测的重点之一。图5是40 s时人眼特征高度处隧道内能见度变化对比图，黑线部分为10 m等能见度线。

图5

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图5 不同海拔高度下能见度对比

Fig.5 Comparison of visibility at different altitudes

图中显示，正常海拔隧道火灾发展过程中，能见度低于高海拔隧道，能见度影响范围大于高海拔隧道。火灾从机电硐室蔓延到主巷道后，在0 m海拔隧道内沿隧道纵向运动，烟气基本属于平行运动状态，而在海拔较高的隧道中，烟气粘附在火灾发生侧的巷道侧壁上运动，即机电硐室一侧的巷道壁，而未完全充满整条巷道的宽度，随着监测点的远离，到达另一侧巷道壁的烟气逐渐减少。

综上所述，海拔高度对火灾烟气的扩散有较大影响。一方面，当矿井发生火灾时，在横向上应远离隧道内火灾发生侧进行安全疏散，从而减小火灾对被困人员的危害，抓住时机安全撤离；另一方面，随着隧道所在海拔高度的增加，火灾蔓延速率减小，烟气影响范围减小，由火灾产生的烟气温度和CO浓度下降，且能见度增强。因此，当海拔相对较高的矿井发生火灾时，相较于低海拔地区，安全疏散时间延长，安全疏散距离缩短，如若采取措施改善高海拔特殊环境对人体生理功能的影响，则高海拔地区矿井火灾中人员逃生更加容易。

3 结论

通过火灾数值模拟软件FDS模拟了5组不同海拔高度下矿井火灾场景，得到各海拔高度下人眼特征高度处（z=1.6 m）巷道温度场、能见度和CO浓度等火灾烟气特性变化规律，分析得出如下主要结论：

(1) 高海拔矿井火灾烟气蔓延速率随海拔高度的增加而减小，且较正常海拔地区降幅更大；随着海拔高度的升高，烟气影响范围相对较小，其烟气粘附在火灾发生侧的巷道侧壁上运动，因此，当矿井发生火灾时，在横向上应远离隧道内火灾发生侧进行有效安全疏散。

(2) 随着海拔高度的升高，火灾烟气特性参数也发生一定的变化，包括：隧道内顶峰温度呈下降趋势，且降幅增大；火灾特征气体（CO）浓度逐渐减小，后保持稳定；能见度逐渐变大，常规海拔隧道火灾中能见度能影响整条巷道，但高海拔隧道中能见度主要影响火灾发生侧区域。

(3) 相比低海拔地区矿井，较高海拔矿井发生火灾时，安全疏散时间延长，安全疏散距离缩短，人员安全逃生可能性更大。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

杨彪

高寒高海拔地区矿山工程设计要点思考

[J].中国钼业，2018，42（3）：11-16.