劉業(yè)嬌，崔一諾，任玉輝，邢 輝，陳 穎，李茂林

(1.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.包頭稀土高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 3.河南理工大學 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室,河南 焦作 454000)

煤炭是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性能源，2019年我國一次能源生產(chǎn)總量達39.7億t標準煤，煤炭消費占能源消費總量比重為57.7%，煤炭資源在能源消費結(jié)構(gòu)中仍然占據(jù)較大比重[1]。因此，煤礦的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。而礦井火災事故是煤礦常見的事故類型之一，其產(chǎn)生的高溫煙流和有毒有害氣體會嚴重威脅井下人員的生命安全，還會誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故，使礦井通風系統(tǒng)發(fā)生紊亂，導致事故范圍擴大，增加救災難度。

礦井火災分為外因火災和內(nèi)因火災。巷道火災是一種在縱向尺寸比橫向尺寸大一個數(shù)量級以上的狹長空間發(fā)生的火災。礦井外因火災大多屬于巷道火災，其可燃物主要是煤、坑木、膠帶、風筒等固態(tài)燃燒物料。礦井巷道又分為水平巷道和傾斜巷道，目前關(guān)于礦井水平巷道火災時期火源熱釋放速率、火區(qū)阻力、煙流滾退距離、臨界風速，以及煙氣分布規(guī)律的研究較多，但關(guān)于礦井傾斜巷道火災時期不同巷道坡度、不同風速、不同火源位置等條件下煙流溫度、壓力、速度、密度、有毒有害氣體濃度，以及逆流層和臨界速度等問題的研究相對較少[2-3]。通過總結(jié)分析礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律的理論、實驗和數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，找出其不足之處和發(fā)展趨勢，對于完善整個礦井巷道火災理論及進行火災救援具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

1 礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律理論研究現(xiàn)狀

對礦井巷道火災時期火風壓與浮力效應、火區(qū)阻力與節(jié)流效應、火源熱釋放速率、風流逆轉(zhuǎn)、逆流層長度、臨界風速、火災氣體濃度等內(nèi)容的理論分析和相關(guān)數(shù)學模型的建立是探索礦井巷道火災煙流運移規(guī)律的基礎(chǔ)。

20世紀50—90年代，波蘭、美國、德國、日本等國家的學者針對上述問題都進行了深入研究，奠定了現(xiàn)代礦井通風火災理論的基礎(chǔ)[5-8]。21世紀初，Hitoshi、Florencio等又針對不同截面巷道、不同溫度、不同燃燒物條件下的礦井傾斜巷道火災煙氣流動規(guī)律進行了研究，得到了煙層最大溫升的計算公式及其位置等結(jié)論[9-10]。

在國內(nèi)，學者們對礦井火災煙流蔓延規(guī)律也進行了大量理論研究。王德明等首次提出了礦井火區(qū)熱阻力的概念[11]；李傳統(tǒng)等研究得到了不同類型礦井巷道內(nèi)火災燃燒區(qū)熱阻力系數(shù)的表達式[12]；張國樞、王文才等推導出火風壓的計算公式[13-14]；李祥春等研究得到了火災時期巷道風速與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系[15]。同時，部分學者對礦井火災時期煙氣逆流現(xiàn)象也進行了大量研究，如張興凱對逆流層形成的條件給出了理論判據(jù)公式[16]；周心權(quán)等提出煙流滾退煙羽流數(shù)學物理模型，給出了計算逆流層長度方程式[17]；劉劍等研究得到了傾斜巷道坡度、火源強度、巷道風速與逆流層長度的關(guān)系[18]。

目前關(guān)于礦井傾斜巷道火災煙氣運移規(guī)律的理論研究已取得較多成果，但已建立的有關(guān)火風壓、火區(qū)阻力、煙流滾退距離、臨界風速等數(shù)學模型較少綜合考慮巷道坡度、風速、火源位置和強度等因素的影響，還需要深入研究和拓展。

2 礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律實驗研究現(xiàn)狀

2.1 火風壓

火風壓是礦井傾斜或垂直巷道發(fā)生火災時，可燃物燃燒釋放的大量熱能轉(zhuǎn)換成對高溫煙流和空氣做功的機械能,是對巷道風流產(chǎn)生的附加風壓。從波蘭學者維-布德雷克[5]創(chuàng)立局部火風壓理論開始，礦井火風壓相關(guān)理論一直被全世界各國學者不斷研究和完善。20世紀80—90年代，德國、日本的學者通過火災燃燒試驗研究巷道火災的風向、風量、風壓和節(jié)流效應[7-8]。國內(nèi)學者董海燕、路寶生通過建立較大規(guī)模的火災實驗模型，研究了火風壓的產(chǎn)生機理、影響因素及其礦井通風系統(tǒng)的災變規(guī)律[19-20]；潘競濤利用傳感器、自動風門風窗等設(shè)施實現(xiàn)了對礦井火災時期火風壓和風流的控制[21]。

火風壓能造成礦井巷道風流的紊亂，以致發(fā)生風流逆轉(zhuǎn)或煙流滾退現(xiàn)象，因此，摸清火風壓的產(chǎn)生原因和活動規(guī)律，對于研究礦井傾斜巷道火災煙流的運移規(guī)律至關(guān)重要，可以從一定程度上避免災情擴大，有助于高效完成礦井火災搶險任務。

2.2 火區(qū)阻力

火區(qū)阻力是在火災發(fā)生過程中因火災的熱力作用引起發(fā)火巷道增加的附加通風阻力，其由火區(qū)熱阻力和火焰障礙局部阻力組成。王德明等通過礦井火災時期節(jié)流效應實驗首次提出火區(qū)熱阻力的概念[11]；李傳統(tǒng)[12]、李宗翔[22]等通過礦井火災燃燒區(qū)熱阻力實驗修正了礦井火災巷道通風熱阻力的計算方法。

還有學者重點研究了礦井火災時期影響火區(qū)阻力大小的各種因素，張興凱通過火災燃燒實驗發(fā)現(xiàn)火區(qū)熱風阻會隨著入口風速及煙流溫度的升高而增大[16]；周延針對縱向通風水平隧道的火區(qū)阻力進行了特性實驗研究，結(jié)果表明火區(qū)阻力(摩擦阻力和加速阻力)與火區(qū)長度有直接關(guān)系[23]；王文才等利用等比例巷道模型進行了火區(qū)阻力的測定，結(jié)果表明巷道火災時期火區(qū)阻力與火源熱釋放特性有關(guān),即火區(qū)規(guī)模、火源燃燒溫度和釋放的熱量越大,火區(qū)阻力也越大[24]；田志超等通過實驗研究了火區(qū)阻力與火區(qū)風量的關(guān)系，得出火災時期火區(qū)阻力與火區(qū)風量具有相反的變化趨勢的結(jié)論[25]。

火區(qū)阻力與節(jié)流效應之間的關(guān)系也十分密切，其是造成礦井火災巷道產(chǎn)生節(jié)流效應和導致礦井通風系統(tǒng)風流紊亂的主要原因。研究火區(qū)阻力是研究礦井巷道火災煙氣流動規(guī)律的基礎(chǔ)內(nèi)容，對保障礦井通風系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也具有重要意義。

2.3 逆流層

礦井巷道火災中產(chǎn)生的熱效應可以改變火災巷道的風向和風量，形成一定的逆流層，導致礦井通風系統(tǒng)發(fā)生紊亂，給火災巷道火源上風側(cè)的滅火工作和人員救援工作帶來很大困難，因此，需要對火區(qū)逆流現(xiàn)象進行深入研究和控制。

國外學者Thoma、Atkinson等通過試驗表明在礦井巷道火災逆流現(xiàn)象中，浮力效應起主導作用，同時引入臨界Froude數(shù)推導出臨界風速計算公式[26-27]；Edwards等進行了煤礦火災煙流滾退臨界風速模型實驗研究，證明了臨界風速與火源強度之間存在1/3次方的正比關(guān)系[28]；日本學者通過大規(guī)模的坑木帶燃燒實驗，考察了煙流的逆流(滾退)現(xiàn)象，得到巷道火災發(fā)生逆流的臨界風速為1.5 m/s[8]。在國內(nèi)，煤科總院重慶分院自1988年開始，先后對實際規(guī)模巷道火災進行了大量火災實驗，研究表明火區(qū)節(jié)流和逆流的界限風速為1 m/s[29]；劉劍等建立了長80 m、寬4 m、高3.5 m拱形下行通風傾斜巷道模型，研究得到了多組火災工況下煙氣逆流層的變化規(guī)律[18]；徐明偉等建立了全礦井3D模型，根據(jù)巷道原始風速推算了風流發(fā)生紊亂的時間[30]。

前人對巷道火災時期逆流層和臨界風速做了較多研究，但大多數(shù)未綜合考慮不同巷道傾角和火源強度等因素的影響，因此，關(guān)于礦井傾斜巷道火災時期逆流層和臨界風速的研究還需進一步完善和深入。

2.4 巷道火災煙流參數(shù)變化規(guī)律

礦井火災發(fā)生時產(chǎn)生的有毒有害氣體和煙塵嚴重影響井下作業(yè)環(huán)境的能見度，同時易給作業(yè)人員帶來中毒、窒息危險，不利于應急救援和安全疏散，故深入研究礦井巷道火災時期的煙流參數(shù)變化規(guī)律十分重要。近幾十年來，國內(nèi)外學者針對礦井巷道火災時期的煙氣運移分布規(guī)律、風流狀態(tài)、煙流參數(shù)等做了大量不同規(guī)模的火災實驗研究，包括礦井巷道現(xiàn)場火災實驗和礦井火災實驗室模型實驗兩大類。

20世紀80年代，美國學者在礦井巷道中進行了大規(guī)模的火災實驗，研究了巷道不同風流速度對火災煙氣組分、溫度，以及膠帶燃燒特性的影響[6]；國內(nèi)學者張興凱[16]、蔣軍成[31]、李杰林[32]等也進行了現(xiàn)場火災實驗，研究了發(fā)火巷道風流速度、風流阻力與煙氣溫度的關(guān)系，以及井下常見可燃材料的燃燒過程及其特性。

近年來，學者們大多在實驗室采用縮小尺寸模型對礦井巷道火災時期的煙流參數(shù)變化規(guī)律進行研究。劉業(yè)嬌以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市丁家梁煤礦采區(qū)進風系統(tǒng)為實驗系統(tǒng)原型，按照相似比1∶20建立了巷道火災物理實驗模型，研究得到了火區(qū)下風側(cè)巷道煙流的溫度、速度、壓力和密度的變化規(guī)律[33]；李士戎建立了相似比1∶20隧道火災實驗系統(tǒng)，研究移動火源和不同通風速率條件下隧道空間煙流及溫度場的分布情況[34]；劉圣按照相似比 1∶20建立了無通風動力傾斜巷道實驗模型，研究了巷道傾角對火災時期煙流溫度和壓力的影響規(guī)律[35]，但其未考慮不同風速和不同火源位置對火災時期煙流運移規(guī)律的影響。

為充分掌握礦井傾斜巷道火災煙流參數(shù)的變化規(guī)律，最適宜在實際井下傾斜巷道中進行有關(guān)火災實驗，但這需要耗費巨大的人力、財力和物力，實驗安全性也很難得到有效保證，所以實施起來難度很大；而在實驗室建立縮小尺寸火災實驗模型是一種相對便捷、安全、省力的研究手段，但因其不能完全體現(xiàn)礦井實際傾斜巷道的工況特點，其應用也有很大的局限性。

3 礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件(如 CFAST、FDS、FLUENT、PYROSIM、PHOENICS、IRC、BRI等軟件)的普及，近年來學者們在針對礦井火災煙氣流動規(guī)律的研究中愈加重視應用火災模擬軟件及程序進行礦井火災煙氣運移規(guī)律、傳熱方式、逆流和臨界風速、煙氣成分、熱釋放速率、煙流壓力、溫度、密度等的研究。

國外學者David提出了針對火災物理模型的區(qū)域模擬、網(wǎng)絡(luò)模擬和場模擬3種計算機網(wǎng)格劃分方法[36]；Wooddburn、Lea、Kuhner等采用CFD軟件建立了礦井巷道火災的二維模型或多維模型，并利用雷諾時均NS方程，模擬研究了煙氣紊流場分布情況[37-39]。國內(nèi)學者賈進章利用深度優(yōu)先搜索法研究了礦井火災煙流溫度的分布規(guī)律[40]；鄧權(quán)龍進行了分區(qū)域火災模擬，劃分出礦井火災的安全區(qū)域[41]；程衛(wèi)民等對礦井火災時期的壓力、溫度分布及污染物的蔓延區(qū)域等進行了模擬研究[42]。也有學者針對影響礦井巷道火災煙流運移規(guī)律的不同因素進行了相關(guān)的數(shù)值模擬研究，張曉濤、魯亞麗、賈靜等分別模擬研究了巷道坡度、火源強度、風速等對火災時期煙流分布情況的影響[43-45]；周福寶、ZHOU Gang等采用數(shù)值模擬方法對礦井火災時期煙流滾退距離或煙流逆流層長度進行了研究[46-47];ZHOU Gang、索在斌、王建國等通過數(shù)值模擬得到了礦井火災煙氣流動分布及蔓延的整體規(guī)律[47-49]。

目前針對礦井水平巷道火災過程的數(shù)值模擬成果較多，但針對礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律及影響因素的數(shù)值模擬相對較少。總體而言，由于數(shù)值模擬技術(shù)相對于傳統(tǒng)的物理實驗方法具有易操作、投資少、風險小、可建復雜模型、模擬結(jié)果直觀和精確度高等特點，其已成為礦井火災和通風系統(tǒng)研究的主要技術(shù)手段。

4 礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律研究的局限性

國內(nèi)外針對火災時期礦井巷道煙流運移規(guī)律的研究已取得階段性成果，但也存在以下幾方面的問題：

1)關(guān)于風流逆轉(zhuǎn)、煙流滾退距離、臨界風速等問題的研究大多針對礦井水平巷道，而針對傾斜巷道的研究較少，且未考慮礦車、帶式輸送機等可能出現(xiàn)的阻塞現(xiàn)象。

2)對于綜合考慮不同巷道坡度、不同火源位置和火源強度、不同入口風速等條件下礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律及臨界風速的研究較少。

3)目前建立的礦井傾斜巷道火災實驗模型大多尺寸較小，根據(jù)礦井巷道實際情況按比例建立的大尺寸實驗模型較少。

4)在礦井巷道火災方面的實驗和數(shù)值模擬研究中大多將火源處理成熱釋放速率恒定、種類單一的點火源，而實際巷道中可燃物種類繁多，其分布連續(xù)性較強，處理成點火源無法真實還原火災煙流的蔓延過程；同時，井下實際發(fā)火地點隨機性較強，而在實驗或數(shù)值模擬研究中往往需要固定火源位置，這點也具有較大的局限性。

5)現(xiàn)階段關(guān)于礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究多為一維或二維模擬，三維模擬較少，但礦井火災巷道實際上是三維的，且各巷道之間也有相互作用，故現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究也無法完全體現(xiàn)實際火災巷道煙氣的運移規(guī)律。

5 礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律研究的發(fā)展趨勢

關(guān)于礦井傾斜巷道火災煙流運移規(guī)律的進一步研究，應更加注重理論研究、實驗研究和數(shù)值模擬技術(shù)的緊密結(jié)合，應從以下幾方面加強研究：

1)關(guān)于礦井傾斜巷道火災時期產(chǎn)生的火風壓、火區(qū)阻力、煙流滾退距離、臨界風速等參數(shù)及其相互之間的影響關(guān)系的研究需更加深入。

2)應進一步建立更貼近現(xiàn)場實際條件的大尺寸、全方位、立體化的礦井傾斜巷道火災實驗模型，在實驗過程中要同時考慮不同因素(如巷道坡度、可燃物種類、火源位置和強度、風速大小等)對煙流運移規(guī)律的影響。

3)在物理建模和數(shù)值模擬時，邊界條件、初始條件，以及材料屬性的設(shè)置應緊密結(jié)合現(xiàn)場工況條件，同時考慮巷道間的相互影響，從而使模擬結(jié)果能更真實地反映傾斜巷道火災煙流的蔓延規(guī)律。