周亚博， 吴斌杰， 柏杨， 姚奇， 张永亮， 牟宏伟

（1. 锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司, 内蒙古 锡林郭勒 026000；2. 青岛理工大学 机械与汽车工程学院, 山东 青岛 266520）

0 引言

矿井火灾严重威胁着地下工人和工业财产的安全[1-3]，一旦井下发生火灾，巷道将形成高温烟气环境，其中含有有毒窒息气体（如CO、CO2、NOx、HCL、Cl2、H2S、SO2、NH3等）和有害烟雾颗粒[4]，严重威胁井下人员的生命安全[5]。由于无法科学合理地界定危险区域，当矿井发生火灾时，井下人员的疏散和紧急救援行动的实施非常困难[6-7]。烟气的流动扩散情况是划分火灾危险区的重要依据，探索火灾烟流规律是矿井火灾应急救援的关键技术工作。

许多专家学者从多种角度对巷道火灾的烟气流动进行了研究。薛彦平[8]应用Pyrosim 软件，模拟了巷道不同分岔状态（分叉形状、分叉角等）对烟气蔓延的影响。Zhao Shengzhong 等[9]对纵向通风巷道的烟分岔流进行了一系列小尺度实验研究，提出了预测烟雾分岔流特征长度的理论模型。Huang Youbo 等[10]在自然通风和强制通风条件下进行了不同放热速率的缩小尺度实验，表明分岔结构对火焰羽流有显著影响。索在斌[11]采用理论分析与数值模拟结合的方法，得出火灾时期烟气运移规律及火灾时期相关参数变化。王建国等[12]通过改变火源规模与风速对综采工作面进风巷火灾的能见度、CO 浓度、温度变化进行了研究。李祥春等[13]通过模拟软件研究了入口风速对巷道火灾速度场、温度场、瓦斯浓度的影响。索在斌等[14]通过建立上行通风巷道模型，研究了坡度对火灾时期温度场和压力场及烟气蔓延的影响。沈云鸽等[15]研究了在“L”型巷道的火灾烟气蔓延分布情况。陈亮等[16]将火源视为固定温度2 000 K、固定气体释放量的高温烟气释放源，研究巷道内温度和有毒气体的分布情况。刘蓓蓓[17]应用FDS 软件构建火灾热分解模型，得出火灾规模由热释放速率最大值决定这一结论。上述文献通过实验研究和数值模拟等多种方法对巷道内灾变烟流扩散过程进行了深入研究，优化和分析了不同巷道火灾中高温气体分布、有害气体浓度、热释放过程等重要指标的变化规律，但对典型巷道中火灾危险区域划分和时间之间关系的研究较少。

矿井开采中“T”型巷道普遍存在，揭示该类型巷道火灾危险区域和最佳疏散时间的逻辑关系，准确划分火灾安全区域，对火灾情况下井下作业人员安全逃生具有重要指导作用。因此，本文应用Pyrosim 软件建立“T”型巷道模型，利用可燃物在热辐射下热解并燃烧的性质建立火源，根据数值模拟结果和物理相似模拟准则，建立“T”型巷道危险区域划分标准，通过监测巷道内温度和气体浓度的变化，确定巷道内火灾烟气分布规律，对“T”型巷道安全区域进行准确划分，从而更好地提高火灾逃生效率。

1 数值模拟

1.1 物理模型与火源

模拟模型为内蒙古某矿山-506 m 处的“T”型巷道，巷道壁面的热物理性质参数设置见表1。模拟假设如下：① 火灾发生前，巷道内风流温度均匀。② 通风风流及火灾产生的烟气视为理想气体。③ 烟气在巷道内流动过程中不再发生化学反应。④ 巷道壁无渗透，除通风口外，巷道内为封闭空间。

图1 巷道模型Fig. 1 Roadway model

在可燃物上方0.1 m 处设置一个存在时间为1 s的1 000 ℃热粒子，使可燃物在热辐射作用下热解并燃烧。设置100 L 柴油燃烧为火源，柴油热物理参数见表2。

表2 柴油热物理参数Table 2 Thermophysical parameters of diesel fuel

实验矿山-506 m 处“T”型巷道湿度为70%，温度为25 ℃，在巷道Ⅰ、Ⅱ高1.6 m（人体口鼻高度）每隔4 m 设置温度、CO 浓度、CO2浓度探测器，同时在巷道Ⅰ、Ⅱ中间设置纵向温度、CO 浓度、CO2浓度切片，以观察火灾烟气随时间分布情况。

1.2 网格设置

网格的尺寸是由火焰特征尺寸D*/δ决定的，其中D*为矿井火灾特征直径， δ为模拟时设置的网格尺寸，D*/δ在4～16 时模拟结果具有收敛性。

式中:Q为燃烧功率； ρ为空气密度；CP为空气的定压比热容；t0为初始温度；g为重力加速度，9.8 m/s2。

由式（1）计算得D*=1.639 m。为保证D*/δ在4～16 内，则火灾模拟过程中网格尺寸 δ应为，即δ应为0.102～0.410。

在实际模拟过程中，当网格尺寸设置为0.102 时，计算时间将非常巨大，而网格尺寸设置为0.410 时，得出的结果不稳定。因此，采用0.20，0.25，0.33 m 3 种常见的网格尺寸进行比较，热释放速率曲线模拟结果如图2 所示。可看出网格尺寸分别为0.20，0.25，0.33 m 时热释放速率曲线比较接近。因此，将存在火源的巷道Ⅰ网格设置为0.25 m×0.25 m×0.25 m，由于巷道Ⅱ中无火源存在，不涉及燃烧等复杂的计算，网格的划分对其烟气流动计算影响较小，所以将其网格设置为0.5 m×0.5 m×0.5 m，共140 800 个网格。根据模拟结果可知，烟气在80 s 前后扩散至整个巷道，100 s 时烟气流动趋于稳定，因此将模拟时间设定为100 s。

2 数值模拟结果与分析

2.1 温度分布

不同时间点垂直截面的温度云图如图3 所示。可看出火灾产生的高温烟气扩散到巷道下风侧后，巷道内的平均温度随时间推移逐渐升高，但随距火源距离的增加而降低，巷道Ⅱ的烟气温度明显低于巷道Ⅰ，高温气流在40 s 左右时蔓延至整个巷道Ⅰ，到80 s 附近蔓延至整个巷道，在100 s 时巷道Ⅰ出口处温度达132 ℃，巷道Ⅱ出口处温度达75 ℃。

图3 不同时间点沿巷道垂直截面的温度云图Fig. 3 Temperature distribution along the vertical section of roadway at each time point

2.2 烟气浓度分布

在火源燃烧过程中，产生的烟气被风夹带，并沿巷道蔓延。应用Tecplot 软件进行处理，得到20，40，60，80，100 s 时 CO 和CO2体积分数在巷道纵轴面上的分布，如图4、图5 所示。

“昆北”去声字“字”的唱调（《长生殿·酒楼》【集贤宾】“姓字老樵渔”，776）的唱调。因去声字的调值和字腔的音势是呈状的低—高—低，故即为“字”的字腔。其中的末音，即为“字”的字腔结点，此后的即为过腔。

图4 不同时间点CO 和CO2 体积分数沿巷道Ⅰ垂直截面的等值线Fig. 4 Contour maps of CO and CO2 volume fration at different time points along the vertical section of roadwayⅠ

图5 不同时间点CO 和CO2 体积分数沿巷道Ⅱ垂直截面的等值线Fig. 5 Contour maps of CO and CO2 volume fraction at different time points along the vertical section of roadwayⅡ

由图4 可看出，火源处CO 体积分数最大值约为24 000×10-6。在烟流扩散过程中，火源处附近的CO 体积分数基本不变，烟气在浮力作用下蔓延至巷道顶板处。随着烟气在巷道中持续扩散，CO 体积分数随着与火源距离的增加而降低，巷道中的CO 体积分数等值线沿水平方向分层。由CO 体积分数等值线在垂直方向上的分布特征可看出，在浮力作用下，烟气沿巷道顶部流动。CO 在巷道底板的体积分数低于巷道顶部，即从上到下逐渐降低。大约40 s 时高温烟气已蔓延整个巷道Ⅰ下风侧。

由图5 可看出，烟气中CO2体积分数的变化规律与CO 变化相似。火源处CO2体积分数最高，约为65 000×10-6。火源附近CO2体积分数在柴油燃烧过程中变化不大，呈现从下到上逐渐降低的态势。CO2体积分数在火源燃烧时的分布与CO 一样，风流通过巷道混合高温烟雾沿巷道顶部向下风侧蔓延，随着与火源距离增加，CO2体积分数逐渐降低，等值线纵向分布逐渐密集。可看出由于CO2产量比CO 高，所以巷道Ⅱ的CO2体积分数等值线分布较CO 更接近地面，CO 分布更接近巷道顶板。在大约20 s 时，高温烟气开始蔓延至巷道Ⅱ，80 s 时火灾产生的烟雾已蔓延至整个巷道。由于被风流稀释，巷道Ⅱ的CO 体积分数明显低于巷道Ⅰ。

3 安全区域划分

3.1 火灾烟气的危害

在以往众多的各类火灾事故中，烟气中的 CO、CO2是夺人性命的罪魁祸首[18]。为了明确在巷道中火灾烟气蔓延危险区域分布，以烟气中的CO、CO2和烟气温度为评价对象，对巷道进行烟气蔓延区域危险性划分。

根据不同温度及不同体积分数的CO、CO2对人体的影响（表3—表5），对井巷火灾高温、毒害进行危害等级划分[19]，分别为安全区域（危险等级1）、轻度危险区域（危险等级2）、中度危险区域（危险等级3）、重度危险区域（危险等级4），见表6。

表3 不同温度对人体的影响Table 3 The effect of different temperatures on the human body

表4 CO 对人体的影响Table 4 Effects of CO on human body

表5 CO2 对人体的影响Table 5 Effects of CO2 on human body

表6 矿井火灾高温危险性分级Table 6 High temperature hazard classification of mine fire

3.2 安全区域划分结果

3.2.1 温度安全区域划分

利用巷道Ⅰ、Ⅱ各时间步长的巷道烟气温度分布模拟结果，绘制30，45，65 ℃ 3 条温度分级线，对2 条巷道温度场的安全区域进行划分，结果如图6所示。

图6 温度随巷道水平长度变化Fig. 6 Temperature variation with horizontal length of the roadway

由图6（a）可看出，安全区域主要出现在火源上风侧，随着时间的推移在下风侧相同位置的温度逐渐升高，最高温度均出现在火源附近。在火灾的前20 s，巷道Ⅰ的火灾最高温度已超过危险等级4 的临界值，100 s 时的最高温度达809 ℃。随着风流的介入，温度逐渐降低，在巷道Ⅰ末尾处回到危险等级2、3。由图6（b）可看出，巷道Ⅱ中各时间点的温度均不在危险等级4，总体趋势与巷道Ⅰ类似，随着巷道距离的增加，温度逐渐降低至危险等级1、2。

根据上文数据处理后的烟气高温危险性划分结果见表7。可看出随着火源的持续燃烧，巷道Ⅰ的安全区域与轻度危险区域的总范围基本不变，由于火灾的烟气逆流，上风侧的安全区域逐渐被压缩,随着温度上升，中度危险区域逐渐变为重度危险区域，巷道Ⅰ中测点主要集中在重度危险区域。巷道Ⅱ随着时间推移由中度危险区域逐渐变为轻度危险区域与安全区域，巷道Ⅱ中测点主要集中在轻度危险区域。

表7 烟气高温危险性划分结果Table 7 Flue gas high temperature hazard classification results

3.2.2 烟气毒害安全区域划分

火灾烟气中的一些气体会导致人体中毒窒息和死亡，这些气体主要成分为CO、CO2。因此，当烟气在巷道蔓延时，有必要评估CO 和CO2体积分数，以对有危险的区域进行分类[20]。在火灾过程中，巷道Ⅰ、Ⅱ中CO 和 CO2体积分数变化如图7 所示。可看出产生的 CO 和 CO2聚集在顶板，顺着风流向火源下风侧扩散，随着时间的增加，火源附近的气体体积分数比较高，升幅较大，很快超过了重度危险区域的阈值。当持续的风流快速经过火源处，CO 和CO2被吹向火源下风侧，CO 和 CO2体积分数迅速降低。

图7 巷道中CO 和CO2 体积分数变化Fig. 7 Variation of CO and CO2 volume fraction in the roadway

巷道Ⅰ、Ⅱ中烟气毒性的危险性划分结果见表8、表9。可看出巷道Ⅰ中CO2的安全区域范围较CO 大，CO 的危险性更大，主要集中在轻度、中度危险区域。巷道Ⅱ中CO 主要分布区域与巷道Ⅰ相似，体积分数均在重度危险区域阈值以下，而CO2均在安全区域范围内。由于CO 和CO2危险性分类的部分区域是一致的，所以根据高毒性水平的结果，将巷道Ⅰ、Ⅱ中CO 和CO2毒性危险性分类结果合并，并进一步划分，划分结果见表10。

表8 巷道Ⅰ烟气毒性危险性划分结果Table 8 Risk classification results of flue gas toxicity of roadway I

表9 巷道Ⅱ烟气毒性的危险性划分结果Table 9 Risk classification results of flue gas toxicity of roadway Ⅱ

表10 烟气毒性危险性划分结果Table 10 Results of flue gas toxicity risk classification

3.3 危险区域综合分析

对烟气高温、毒性划分结果进行处理，以观察巷道火灾的危险区域范围随时间的变化，如图8 所示。由图8（a）、（b）可知在巷道Ⅰ中，危险等级2、3 随时间的变化不大，危险等级1 的范围随时间变化逐渐变小，均在40 s 时变化率最大，危险等级2 的范围随时间的推移逐渐变大，在40 s 时变化率最大。在40 s 后危险等级1 的范围均呈现线性减小趋势，危险等级2 的范围均呈现线性增大趋势。由图8（c）、图8（d）可知2 种划分结果的区域变化相似，2 种划分方法均未出现重度危险区域，危险等级1 的范围随时间推移逐渐减小，在60 s 前呈线性减小趋势，60 s 后变化率逐渐降低为0。危险等级2 的范围随时间推移线性增大，在60 s 时达到最大后逐渐减小，危险等级3 范围在60 s 时从0 开始线性增大。

图8 危险区域范围随时间的变化Fig. 8 Changes in the range of the hazardous zones with time

对划分结果进行整合处理后，巷道Ⅰ、Ⅱ的总危险范围随时间变化如图9 所示。

图9 危险区域总范围随时间的变化规律Fig. 9 The law of changes in the total range of the hazard zones with time

由图9 可看出，在巷道Ⅰ中危险等级2、3 随时间的变化很小，巷道Ⅰ中安全区域与重度危险区域在40 s 时变化度最大，因此处在巷道Ⅰ的人员在发生火灾时应尽量在40 s 内完成逃生；巷道Ⅱ中安全区域与重度危险区域在60 s 时变化度最大，因此位于巷道Ⅱ的人员在发生火灾时应尽量在60 s 内完成逃生。在巷道Ⅰ、Ⅱ中危险等级1、4 范围的变化具有明显的规律性。通过拟合得出危险区域的范围和时间之间的关系：

式中：WⅠ为巷道Ⅰ的危险区域范围；WⅡ为巷道Ⅱ的危险区域范围；t为时间。

4 结论

1） 风流通过巷道混合高温烟雾沿巷道顶部向下风侧蔓延，随着与火源距离增加，浓度逐渐降低，CO、CO2体积分数等值线纵向分布逐渐密集。

2） 将烟气扩散区域划分为安全区域（等级为1）到重度危险区域（等级为4）4 类。温度划分结果中巷道Ⅰ中测点主要集中在重度危险区域，CO、CO2毒性划分结果中巷道Ⅰ的CO2安全区域范围较CO 大，CO 危险因素更大，主要集中在轻度、中度危险区域，在巷道Ⅱ主要集中在轻度危险区域。

3） 在巷道Ⅰ中危险等级1 的范围随时间的推移逐渐变小，危险等级4 的范围随时间的推移逐渐变大，且均在40 s 时变化率最大，危险等级2、3 变化率很小。在巷道Ⅱ中2 种划分方法的区域范围变化相似，危险等级2、3 均在60 s 时变化率最大，结合高温和有毒气体划分结果，通过拟合确定了危险区域总范围与时间的关系。

4） 该划分方法在前人的研究基础上能够得出各危险等级范围随时间的变化关系，及各时间点区域危险性的变化趋势，为矿井火灾救援中危险区域判断提供了思路和方法。