岳宁芳，蔡国斌，高文静，权岩萍，王 帆

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.靖远煤电股份有限公司 红会一矿，甘肃 白银 730614)

0 引言

随着矿井向大型化、机械化、自动化和智能化发展，长运距离胶带已成为煤矿井下运输的主要设备之一[1]。然而，胶带长期处于遗煤自燃、与滚筒等摩擦产热、电火花等复杂的矿井环境中，胶带被引燃的事故时有发生。胶带火灾在输送机上蔓延过程容易引发煤尘/瓦斯爆炸等破坏强度更大的二次灾害发生[2-3]。因此，运输巷胶带蔓延火灾的灾变防控一直是国内外学者研究焦点和重点。

矿井运输巷胶带火灾产生大量的毒害烟气，随风流扩散，可能造成巷道风流逆转，故合理的阻烟系统，能够有效抑制烟气温度、毒害烟气流动[4]。王欢等[5]借助FDS火灾动力学软件揭示了挡烟垂壁对狭长通道火灾烟气流动行为及温度分布特征；文虎等[6]采用正压送风排烟方法研究了火灾烟气在巷道中的运移分布规律，推算出抑制烟气逆流的预测函数表达式。然而，物理挡烟或者强送风方式只能抑制火灾烟气蔓延，不能有效降低毒害烟气体积分数和温度。针对这个问题，Emilio等[7]发现水雾能有效抑制火灾烟气蔓延，并揭示了水雾抑制与阻烟机理。相比水雾灭火系统，水雾阻烟系统的目的并不是直接扑灭巷道火灾，而是利用水雾形成挡烟板，将火灾区域与需要保护区域分隔开[8]；Sun等[9]研究了水雾阻烟系统在阻烟与降低温度方面的有效性，发现水雾能够有效阻止自然通风时的烟气蔓延；Wang等[10]发现在纵向通风条件下，随水雾水压的增大，水雾下游的温度分布没有明显变化；Li等[11]建立了1/3比例的细水雾隔烟物理相似试验台，提出了1种定性分析的水雾阻隔火灾烟气和热量有效方法，并总结了提高隧道水雾阻烟效率的重要参数；Sun等[12]利用小规模火灾试验，分析了水雾阻烟系统在未开启和开启时隧道火灾烟气平均流场与温度场，说明了火灾下游的水雾阻烟系统存在影响火源附近的烟气流场和温度场。

然而，上述研究大多把可燃物设置为固定火源，忽视实际巷道中的移动火源，特别是运输巷长运距离胶带火灾，不仅自身能够蔓延，而且可能在输送机开启状态发生火灾事故。因此，本文再现运输巷胶带蔓延火灾，并基于水雾冷却降温和稀释阻挡火灾烟气扩散的原理，借助FDS软件探究运输巷胶带蔓延火灾烟气中的水雾阻烟抑制性能影响因素，为煤矿井下蔓延火灾烟气控制提供指导。

1 火灾模型建立及参数设置

1.1 数值计算数学模型

FDS(火灾动力学模拟器)是美国国家标准与技术研究所开发的流体动力学软件，采用先进的大涡模拟技术(LES)，计算量小且精度高。目前，大多数消防工程问题均可采用FDS软件解决[13]。FDS数值计算过程所用基本控制方程[14]如式(1)～(4)所示：

质量方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

理想气体方程：

P0(t)=ρRT

(4)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；u为速度，m/s；p为压力，Pa；g为重力加速度，m/s2；f为单位质量，kg；τ为黏性应力，Pa·s；h为焓，J；qr为热辐射通量，W；k为传热系数，W/m2·K；T为温度，K；Di为扩散通量，kg/m2·s；Yi为体积热源，W/m3；P0为环境压力，Pa；R为通用体积常数。

1.2 物理模型及参数设置

以某煤矿运输巷为原型，采用比例为1∶2建立长30 m，高和宽均为3 m的FDS运输巷胶带蔓延火灾模型(如图1所示)，两端口均为开放，其中地板顶棚和墙壁的材料均为混凝土。胶带材料为XLPE，其长30 m，高和宽分别为0.2 m和1.0 m，放置在运输巷中间距地板1.0 m处。运输巷和胶带材料参数见表1，其他相关模拟参数见表2。

表2 模拟参数设置

图1 FDS运输巷胶带蔓延火灾模型

表1 运输巷与胶带材料参数设置

1.3 网格敏感性分析

网格敏感性决定火羽流发展状态是否良好，为提高网格的敏感度，网格划分过程遵循D*/δx规则，D*为火源特征尺寸，δx为火源所在网格的单元格尺寸，D*/δx取值推荐4～16之间[15]。D*由式(5)计算得出[14-15]：

(5)

式中:Q为火源强度，kW；ρ0为环境温度下的气体密度，kg/m3；Cp为空气定压比热容，kJ·(kg·K)-1；Ta为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

根据式(5)，D*取值范围为0.05～0.24 m。因此，建立网格单元尺寸0.05，0.10，0.15，0.20 m进行模拟计算，以最小网格单元格尺寸的计算结果为标准进行网格敏感性分析。由图2可见，0.10 m的网格尺寸更加均匀，这与0.05 m的网格尺寸相似，且误差均比0.15 m和0.20 m的网格尺寸小，结合工程要求和计算机性能，选择网格单元格尺寸为0.10 m进行本次火灾模拟计算。

图2 网格敏感性分析

2 结果与讨论

2.1 水雾稀释阻烟机理

水雾主要利用水滴形成“挡烟板”，通过与火灾高温烟气颗粒进行热量交换、对烟气颗粒机械驱散、吸附、凝聚等作用以及与空气卷吸混合稀释等方式，扰乱火灾烟气传播过程，从而形成热屏蔽效应，将火区与需保护区隔开，从而降低高温烟气的热浮力作用和水平蔓延扩散的动力，降低火灾对下游区域的热辐射[3,10]，水雾稀释阻烟机理示意如图3所示。通过比较火灾烟气通过水雾前后的烟气特征参数来确定不同通风速度、水雾层数、水雾密度及水雾流量等情况下的水雾阻烟效果。

图3 水雾稀释阻烟机理示意

2.2 通风速度对水雾阻烟效果的影响

通风时，胶带火焰羽流向下风侧弯曲，弯曲角度随着通风速度的增大而增大。在浮力和火风压的作用下胶带火灾产生的烟气和燃烧产物先是运动到顶板，受到顶板限制后随着风流产生的水平动量向下风侧方向运动，少部分向上风侧发展[6]。从图3也可以看出，由于胶带是沿着运输巷纵向放置，与通风方向一致，在风力的推动作用下，胶带火焰一直是可以移动的。当胶带火焰与火灾烟气运动到水雾位置时，火焰与烟气和水雾相互碰撞，火焰的运动被水雾阻断，但火灾烟气平稳的运动状态被水雾破坏。图4展示了通风风速为0.5，1.0，1.5 m/s和1个水雾喷头流量为30 L/min时，温度随通风速度的变化。当火灾烟气经过水雾时，烟气直接被阻挡冷却稀释，导致温度骤然下降(如图4的折线和温度切片所示，其中折线上面的温度切片截取高度为Z=2.7 m，折线下面的温度切片均截取沿胶带纵向方向中心位置为X=1.5 m)，形成较低温区域，这与Wang等[17]的实验结果一致。在通风风速为0.5，1.0，1.5 m/s时，火灾高温烟气水雾前后温度下降率为36.717%，34.256%和31.098%，可见随着通风速率的增大，水雾对高温烟气冷却的作用越低，水雾冷却率与通风速率的关系如图5所示。这是因为风速越大，高温烟气经过水雾时所用的时间减短，水雾对高温烟气颗粒的吸附和凝聚作用降低，即水雾对高温烟气颗粒的冷却作用降低。

图4 温度随通风速度的变化

图5 水雾冷却率与通风速率的关系

2.3 水雾层数对水雾阻烟效果的影响

为了研究水雾层数对水雾阻烟效果的影响，将火源强度设置为5 MW，通风速度设置为1.0 m/s，设置水雾层数为1～3层，其中每层水雾设置3个水雾喷头，水雾喷头的流量为30 L/min，同层水雾喷头的间距为0.8 m，每层水雾相隔2 m，第1，2和3层水雾分别离点火源距离为15，13和11 m。结合图6的云图和折线图可知(如图6的折线和温度切片所示，温度切片截取高度均为Z=2.7 m，折线下面的温度切片截取沿胶带纵向方向中心位置为X=1.5 m)，设置单层水雾时，通过2.2节分析可知，高温烟气颗粒与水雾的接触时间一定，故单层水雾对高温烟气颗粒冷却作用有限。随着水雾层增加，在运输巷截面可以形成多层水雾挡烟板，增大了有效阻烟面积，高温烟气颗粒逐层经过水雾时，被水雾充分接触，从而被吸附凝聚，致使高温火灾烟气可以得到冷却，使得水雾下游形成相对安全的区域。同时，一旦水雾层的数量达到一定量时，水雾上游的烟气聚集，形成高温危险区域，火灾持续发展，导致火灾高温烟气穿透能力随温度升高而升高，水雾的阻烟效果因此降低[4]。

图6 不同水雾层数时温度变化

2.4 喷头密度对水雾阻烟效果的影响

为研究喷头密度对水雾阻烟效果的影响，以1层水雾为例，分别设置1，3，6个水雾喷头，在通风速度为1.0 m/s和喷头流量为30 L/min时，比较高温烟气颗粒穿过水雾后的运移速度。如图7所示，截取高度为Z=2.9 m，折线下面的温度切片截取沿胶带纵向方向中心位置为X=1.5 m时烟气运移速度，胶带火灾蔓延到水雾位置时，受到水雾影响，蔓延速度明显减缓，烟气穿过水雾后速度也明显减缓。在胶带正上方设置1个水雾喷头时，水雾可以冷却胶带温度，减缓火灾蔓延或者熄灭水雾正下方的胶带火源。然而，单个水雾喷头形成的水雾面积比较小，高温烟气颗粒可从两边绕流扩散[16]，水雾所形成的面积不能完全阻挡火灾烟气。当水雾喷头数量增加时，2个喷头之间水雾有重叠，重叠后水雾孔隙率较小，高温烟气颗粒绕流几率变小，可将蔓延火灾和大部分高温烟气阻拦在水雾前，为火灾下游和水雾下游的火灾救援争取必要的时间。

图7 隧道高度为Z=2.9 m时烟气运移速度分布

2.5 喷头流量对水雾阻烟效果的影响

水雾喷头流量对胶带蔓延火灾烟气的阻烟效果情况如图8所示。由于运输巷中的胶带火灾是可移动的，产生的高温烟气随风流方向移动，根据2.1节的水雾稀释阻烟机理分析，烟气经过水雾时，一部分穿过水雾被冷却，而另一部分被水雾液沫夹带和与空气混合，产生卷吸作用[17]。由图8可看出，受水雾影响，烟气被阻挡在水雾前形成聚集区，水雾流量越大，聚集区的面积越大，烟气体积分数越大。而经过水雾后，烟气体积分数急剧下降，大部分水溶性烟气颗粒被水雾吸附和凝聚。但难溶水性和不溶水性的烟气颗粒穿过水雾继续随风流方向蔓延，从图8中也可以看出，难溶水性和不溶水性的烟气颗粒的体积分数维持在0.04%左右，这是由于胶带蔓延火灾离水雾比较近，在水雾附近胶带的不充分燃烧，且水雾附近的烟气颗粒与水雾接触时初动能较大[4]，不易被水雾驱散和卷吸，导致穿过水雾后仍存在烟气颗粒。

图8 运输巷不同位置烟气体积分数变化

3 结论

1)细水雾对运输巷的胶带蔓延火灾具有冷却和熄灭作用，减缓或者抑制蔓延火灾的进一步发展，对水雾下游的火灾应急救援起到积极作用。

2)胶带火灾发生后细水雾对高温火灾烟气颗粒扩散具有阻挡、冷却、吸附和凝聚作用，且阻烟效果与通风速度、水雾层数、水雾喷头密度和水雾喷头流量有关。通风速度较小时，选择向下喷射设置多层高密度和大流量的水雾阻烟效果较好。

3)水雾可有效阻挡、冷却、吸附水溶性烟气颗粒，胶带火灾烟气成分复杂，产生的不溶或难溶水雾的烟气颗粒可穿过水雾后将继续蔓延到水雾下游，严重影响下游应急救援，是否在水雾中添加特定的促溶剂提高难溶性烟气颗粒的稀释效率还需进一步研究。