王云泉

（中国中煤能源集团有限公司，北京 100120）

0 引言

矿井胶带火灾一直是威胁煤矿安全生产及作业人员生命财产的重大灾害。近年来，胶带输送已成为煤矿重要的运输方式，胶带的使用量逐年增加，已超过1800万m，致使井下发生火灾的潜在危险与日俱增，易引发火灾及其产生的有毒物质的蔓延，主要表现为高温烟气、有毒有害气体在矿井风流的流动失去控制时的无规律扩散，且井下空间小、工作场所狭窄、难以疏散等，易造成重大安全事故。如2015年黑龙江龙煤集团杏花煤矿输送带发生火灾事故，22人遇难；2020年9月27日，重庆能投渝新能源有限公司松藻煤矿发生皮带火灾事故，造成16人死亡、42人受伤。

本文以中煤集团王家岭煤矿为研究背景，针对王家岭煤矿通风系统和皮带运输系统的实际情况，利用火灾动态模拟软件（Fire Dynamics Simulator，FDS），采用大涡模拟方法，结合自身胶带燃烧特性，开展王家岭煤矿胶带巷火灾的温度场及灾变风流流动规律研究，包括CO气体蔓延规律和巷道烟气浓度变化规律，对矿井火灾后风流控制技术的研究，及当火灾发生后能够使火灾的影响范围限定在最小的损失范围之内，并为井下人员的逃生避灾提供指导，在降低井下人员的伤亡率、提高救援可能性方面有着十分重要的现实意义。

1 胶带巷火灾模型构建

1.1 几何模型构建

选取20102工作面附近的2号煤中央带式输送机巷作为火灾模拟对象，如图1(a)所示。模拟范围为300 m×6 m×3.6 m的巷道空间，且此巷道空间中300 m长巷道高差15 m，是倾斜巷道，为上行通风方式，对此改变了重力加速度值，重力加速度沿Y轴方向为-0.49 m/s，重力加速度沿Z轴方向为-9.32 m/s。

图1 数值模型构建

由于矿用运输机皮带都为阻燃型，为了确保矿用胶带燃烧的模拟数值能反映实际情况，对矿井下胶带参数进行相关测量，胶带规格及成分如表1所示，胶带的热物性及燃烧参数如表2所示。因此，得到皮带的热释放速率为99.12～152.34 kW/m。

表1 皮带规格及成分参数

表2 皮带的热物性及燃烧参数[4]

1.2 模型假设条件

由于数值模拟与矿井实际条件之间存在差异性，因此需设定假设条件：初始条件下巷道内有与入口风速相同的风流流动；火灾发生前，巷道内风流温度为20℃且均匀，标准大气压；不考虑围岩传热；不考虑火焰的辐射换热；除火源点外，不考虑其他可燃物。

1.3 网格划分

将整个数值模型划分为两个结构单元，其中2号煤中央带式输送机大巷以0.5 m×0.5 m×0.6 m为单元结构，联络巷1、联络巷2和联络巷3均以1 m×1 m×1.2 m为单元结构。

1.4 火源位置及测点布置

火源位置选为20102工作面皮带巷输送机转载点的l m×l m红色方块区域[见图1（b）]。在本次模拟中，设定火势已处于初期增长末期或充分增长初期，即将进入其燃烧峰值阶段，并会长期处于燃烧峰值燃烧，因此将其设定为恒定最大热源，其热释放率恒定为153 kW/m，以火源为中心，沿煤中央带式输送机大巷北段间隔30 m设置4个红外温度传感器，位于巷道上部，编号为A30、A60、A90和A120，间隔50 m设置3个烟雾传感器，编号为B50、B100和B150。此外，在2号煤中央带式输送机大巷北段和20102工作面胶带巷均设置风门，其中C1和C2风门完全关闭，C3临时风门控制风量，未完全闭合，风门附近设有烟雾传感器，编号为C1、C2和C3，模拟中烟雾传感器位置坐标点如表3所示。

表3 温度传感器和烟雾传感器位置坐标点

1.5 模拟条件设置

根据《煤矿安全规程》等法规标准相关规定，煤矿井下工作面中允许风速为0.25～4 m/s，因此，为了研究不同风速下胶带巷火灾温度场及灾变风流流动规律，并基于王家岭煤矿实际条件，入口风速分别设定为1 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s和3 m/s，模拟时间900s，以此开展数值模拟。

2 分析与讨论

2.1 不同风速下巷道温度变化

矿井胶带巷发生火灾后，会产生高温烟流，在风速的影响下，会使矿井胶带巷温度快速升高，且此模型为上行通风，火灾会产生附加热效应作用，从而引发巷道内风流紊乱，有害气体进入风流，致使灾害范围扩大，增大人员伤亡。不同风速下各位置点的温度变化如图2所示。

图2 不同风速下各位置点的温度变化

胶带巷中胶带着火后，不同测点位置温度随时间呈现出有规律的变化。在200s内，温度均呈现出显著的升高趋势，且距离火源位置较近的温度测点，其升温时间较早且温度快速升高，这体现出火源及烟气的蔓延过程。随后，在不同风速下的A30、A60、A90和A120测点温度均维持相对稳定状态，且温度没有衰减的趋势。

当风速为1 m/s时，超过400s后，温度开始保持稳定，且各位置处温度呈现出以下规律：A30>A60>A90>A120，其中A30测点最高温度为25.7 ℃，温度稳定于25.3 ℃附近。当风速为1.5 m/s时，超过300s后，A60测点温度最高，其次是A30测点温度，A120测点温度最小，A60测点温度稳定于23.7 ℃左右，表明热量在距离火源位置30 m和60 m以内易累积。当风速为2.5 m/s时，超过200s后温度平稳，A90位置温度最高，温度稳定在22.3 ℃左右，其次为A120测点温度，表明热量在距离火源位置90 m和120 m以内累积。当风速为3 m/s时，超过150s后温度稳定，A120测点温度较高，温度稳定于21.7 ℃左右，其次为A90位置温度。因此，随着风速的增大，各测点温度达到稳定所需时间逐渐减少，且温度也逐渐减弱，表明风速较大时，带走的热量较多，且烟流可能在巷道内未发生逆流，致使在巷道上部的风流在较短时间内达到平稳。

2.2 不同风速下CO蔓延规律

为了分析胶带巷着火后有毒有害气体分布特性，因此开展不同风速下有毒有害气体蔓延规律研究。

（1）风速1m/s

风速为1 m/s时，CO浓度及烟气分布如图3所示。风速为1 m/s时，在火灾发生400s后，由于烟气的热动力作用，发生烟气逆向流动，从火源处沿着巷道向模拟供风口处逆向蔓延，存在烟流逆转现象，且烟气已逐渐充满整个输送机巷道；在900s时，烟气继续积聚，且烟气主要积聚在火源处与模拟供风口处之间的上部。表明当火灾发生时，CO浓度伴随着燃烧时间的增加，在距离模拟供风口较近的输送机巷道积聚增加。因此，在模拟900s内，CO浓度一直处于增加状态，而在距离联络巷2较近的后半段输送机巷道中，CO的浓度则低于前半段的CO浓度。

图3 风速为1 m/s时CO浓度及烟气分布图

（2）风速1.5 m/s

风速为1.5 m/s时，CO浓度及烟气分布如图4所示。当风速为1.5 m/s时，由于烟气的热动力的推动，会出现与风速为1 m/s相同的逆向流动现象，导致烟气不能及时的从联络巷2和联络巷3中排出，且联络巷2中CO浓度高于联络巷3中CO浓度，致使其滞留于输送机巷道中。但是在风速为1.5 m/s情况下，烟气逆流在风流作用下，未能蔓延至模拟供风口处，表明烟气逆流被抑制，未能进一步在巷道中继续蔓延扩散。

图4 风速为1.5 m/s时CO浓度及烟气分布图

（3）风速2.5 m/s

风速为2.5 m/s时，CO浓度及烟气分布如图5所示。在风速2.5 m/s下，随着时间的延长，火灾烟气未发生烟气的逆向流动现象，而在通风作用下烟气直接向联络巷2处蔓延，且CO气体主要积聚于火源处与20102工作面胶带巷风门之间，这是由于在机械通风和火灾引起的附加热效应作用的影响下，20102工作面胶带巷风流逆转，致使CO积聚。而在中央带式输送机巷道内CO浓度在模拟时间内并未发生浓度积聚，伴随着通风作用，CO被及时排出。

图5 风速为2.5 m/s时CO浓度及烟气分布图

（4）风速3 m/s

风速为3 m/s时，CO浓度及烟气分布如图6所示。在风速为3 m/s时，由于机械通风作用，且风速较大，产生的烟气的流动方向与通风方向一致，并未发生烟气逆向流动，而且火灾烟气产生的炭黑被迅速从联络巷2和联络巷3中排出。

图6 风速为3 m/s时CO浓度及烟气分布图

通过4组不同风速模拟下CO浓度及烟气分布规律可知，随着风速的增加，巷道中的CO浓度及烟气蔓延范围逐渐减小。当风速低于1.5 m/s时，巷道中出现烟气逆转现象；当风速高于2.5 m/s时，巷道中未出现烟气逆转现象，且当风速为2.5 m/s时，通风风速的排烟效果较其余风速条件下，抑烟排烟效果更为理想，在2.5 m/s风速条件下，能迅速排出火灾燃烧产生的炭黑物质，更能有效地抑制CO的积聚，这为井下作业人员的疏散与安全有积极的意义。

2.3 不同风速下烟气占空气浓度比

不同风速下烟气占空气浓度比变化规律如图7所示。在短时间内，各测点位置烟气浓度均急剧升高，且随后保持平稳。在风速为1 m/s时，烟气出现了逆向流动，各探测点均探测出烟气浓度变化，其中C2测点的烟气占空气浓度比最大，最终稳定在98%左右，而C1测点出现了剧烈波动，B150测点所在的位置，只是出现的轻微的波动，波峰最高点达到了91%左右。其余各测点均保持在90%～97%之间。此外，烟气最先蔓延至B50测点位置，随后是C2测点位置。

图7 不同风速下烟气占空气浓度比变化规律

在通风风速为1.5 m/s时，由于机械通风作用的影响，在C1探测点均未探测到有烟气浓度变化，而测点B150受到机械通风和附加热效应作用的影响，烟气浓度出现了大范围的波动，波谷浓度比最低值为25%，最大值达到91%，而B50、B100和C3均稳定保持在80%～97%之间小范围波动，而浓度比最高探测点为B50点。

在通风风速为2.5 m/s时，由于在此风速下烟气未发生逆向流动，其蔓延方向完全与通风风流方向保持一致，因此C1测点均未探测到有烟气浓度变化，且其余三点B50、B100和C3测点烟气浓度比均小于1m/s风速下的三点。

当通风风速为3m/s时，C1测点未探测到烟气浓度变化，因此当通风风速大于1.5 m/s时，可达到抑制烟气逆流的作用。当风速为3 m/s时，B150测点烟气浓度最小，且B50、B100和C3测点烟气浓度最终保持在90%～94%之间波动。因此，由于机械通风的影响，随着风速的增大，各测点位置下的烟气浓度逐渐减小，烟气逆流逐渐减弱。

3 总结

本文以中煤集团王家岭煤矿上行通风方式的胶带巷为实际模型，建立上行通风方式的胶带巷火灾模型，并结合其自身胶带燃烧特性，开展胶带巷火灾的温度场及灾变风流流动规律探究，得出结论：

1）随着时间的延长，各测点温度均呈现出显著的升高趋势，且距离火源位置较近的温度测点升温时间较早，随后，各测点温度均保持平稳；随着风速的增大，各测点温度达到稳定所需时间逐渐减少，且当风速超过1.5m/s时，烟气逆流现象逐渐被抑制。

2）随着风速的增加，巷道中的CO浓度及烟气蔓延范围逐渐减小，且当风速高于2.5 m/s时，巷道中未出现烟气逆转现象，抑烟排烟效果较为理想。

3）各测点位置烟气浓度在短时间内均急剧升高，随后保持平稳，且随着风速的增大，各测点位置下的烟气浓度逐渐减小，烟气逆流逐渐减弱。