采用纵向通风的矿井巷道中多重火灾的火灾行为—模拟尺寸矿井巷道火灾试验火灾行为分析

【摘要】

文章分析了矿井纵向通风巷道多次火灾的火灾行为. 描述了火灾发生的条件和火灾现象. 该分析基于模拟尺度火灾试验的试验数据. 涉及多个燃料项的火灾可能导致火焰水平倾斜并充满整个截面，从而导致点火提前、火灾增长速度加快、火灾蔓延速度加快和严重的火灾行为. 由于空气夹带的减少，火焰长度也会变长. 本文提出了连续火焰长度的相关关系式. 分析结果将有助于识别和预防沿矿井巷道分布的几个大型可燃物品可能发生的火灾情况.

关键词

多重火灾；矿井巷道；火蔓延；火焰长度；火灾增长

1.介绍

在沿巷道分布有可燃物的矿井巷道中，最大的风险之一是火灾从一个较大的燃料项，持续向多个相邻的燃料项蔓延，火灾通过纵向通风进行扩散. 这将导致严重的火灾行为，并对矿工和消防救援人员构成重大风险.

本文研究了纵向通风矿井巷道火灾逐项连续蔓延的现象. 在这样的火灾中，预计会出现什么情况和现象?了解可能发生的现象，将有助于更好的防火设计和潜在场所的防火安全. 本文在研究火灾现象时，应用了早期模拟尺寸火灾试验的试验数据并进行了分析. 试验数据来源于Hansen和Ingason[1]提出的模拟尺寸试验，这些试验与本文提出的工作目标非常吻合. 本文的目的是描述纵向通风矿井巷道多燃料燃烧时的火灾行为及其对周围环境的影响. 对于地下硬岩矿[2]，需要更好地了解火灾行为，由于该领域的研究一般限于开放空间案例或只有自然通风的案例，因此本文进一步强调了对这方面知识的需要.

已有大量研究对开放空间中多处火灾合并火焰的火灾行为进行了研究[3-5]. 当放置的位置足够接近时，单独的火焰将合并成一个火焰长度较长的单一火焰. 这是由于减少了空气夹带以及火焰临近，它们导致了由于压力梯度造成的火焰相互倾斜，最终合并的现象. 当火焰开始出现时，火焰长度会随着距离的减小而显著增加，但当火焰完全融合后，火焰之间的距离对火焰长度的影响不大. 在自然通风条件下进行的火灾研究中，使用了燃气燃烧器、池火和木垛火等火源.

与露天火灾不同，矿井巷道内的多重火灾会受到周围表层的影响. Wan等人在有两个丙烷燃烧器分别作用的模拟尺寸隧道中进行了大量火灾试验. 在试验过程中，燃烧器的热释放速率和间距是变化的. 研究发现，气体燃烧器间距对于开放空间火焰长度的影响程度要大于隧道. 并由此提出了一种开始合并和完全合并火焰的判据，同时提出了顶棚气体温度分布和火焰长度的预测模拟方法；Ji 等人[7]提出了一项研究方法，在有两个池火灾存在的模拟尺寸隧道中进行了试验，研究了在不同放热率和火灾距离下火灾之间的相互作用. 火灾的质量损失率随距离的增加呈先增大后减小的趋势. 研究发现，隧道火灾在达到最大质量损失速率时，其火灾间距相比于露天火灾的间距（达到最大质量损失速率）更短. 发生在隧道内的池火与相邻池火的质量损失率均高于露天火灾的质量损失率——两项研究均未采用强迫纵向通气.

基于在矿井火灾中进行的池火或气体燃烧器火灾特性试验得到广泛性结论会有些麻烦和可疑性，因为这些火灾往往会成为固体材料的火灾，不同热释放率、火焰蔓延速度、火焰长度和不同燃料表面的热辐射度将会影响火灾发展(相对于气体燃烧器火灾).

Ingason[8]以木垛为火焰荷载，进行了大量的模拟隧道火灾的模拟尺寸火灾试验，试验涉及到几辆HGV拖车. 本研究的主要目的是研究不同通风速率对最大放热速率和火灾增长速率的影响. 研究发现，通风率的增加导致单位燃料最大放热率的增加，比相应的明火情况高出1.4到1.55倍. 当通风速率分别增大到3m /s和5m /s时，火灾增长速率增加了2 ~ 3倍. 纵向通风对通风控制火灾放热率的影响更大，其中孔隙度因子是关键参数.

Hansen和Ingason[1][9]对单个燃料项的燃烧，和地下结构中多个物体的热释放率的计算进行了研究，并将计算结果与模拟规模火灾试验结果进行了比较. 模拟火灾试验包括不同数量的木床和托盘以相同的距离进行放置，以及在不同距离点燃木床和木盘堆的试验. 试验是在一个具有纵向通风的模拟比例尺矿井巷道中进行的.

本文列举和讨论了在矿山巷道中单火源火灾的一般火焰行为，描述了汉森和Ingason[1]的模拟尺寸试验，介绍了模拟尺寸试验的结果，并从火灾行为和对周围环境的影响方面进行了分析.

2. 矿井巷道的一般火灾行为-单火源火灾

在特定和孤立的位置，地下矿井的燃料荷载是相当大的. 可燃物品的空间分布或多或少是连续的，例如，可作为大型采矿车辆停车场的矿井. 矿井巷道内的燃料载荷主要集中在较低的区域，因此不一定会被炽热的火灾气体所吞没，也不会受到火焰顶棚撞击的较大影响，从而限制了火灾传播机制的作用[2].

根据不同的活动类型，可以在矿井巷道中找到几种不同类型的可燃物. 例如可燃物的种类可包括车辆、易燃液体、木托盘、电缆、轮胎、软管、传送带等.

车辆火灾是地下硬岩矿山最常见的火灾类型[10-11]，可导致高放热率和大范围烟气扩散. 大型矿车最大放热速率可达数十兆瓦，对矿井消防系统进行测试后的结果表明车辆火灾给矿井人员带来了很大的问题和风险. 根据车辆的类型，燃油负荷和结构会有所不同，但车辆上通常还会发现轮胎、易燃液体、电缆和软管等其他可燃物.

易燃液体火灾的特点是火灾增长迅速;大量快速产生烟雾.

轮胎和大量液压软管发生火灾的特点是产生大量烟雾和火灾持续时间长，这将增加撤离矿工的风险. 轮胎、电缆、软管和其他固体材料中火灾的放热速率将由当时所涉及的表面积大小决定.

矿井巷道火灾可以通过通风控制，也可以通过燃料控制. 通风控制火灾的放热率将由可用氧气的数量(即，没有过量的氧气)决定，而燃料的数量将决定燃料控制火灾的放热率. 判断火灾是通风控制还是燃料控制[12]，用以下公式:

（1）

当式(1)的结果大于1时，火灾由燃料控制. 由于矿井巷道一般尺寸较大，且存在纵向通风，巷道火灾在大多数情况下为燃料控制火灾.

矿井巷道未屏蔽火焰的受机械通风纵向通风流的影响，在火焰倾斜时可以直观地看到. 倾斜火焰会导致火焰传播速度加快，火焰生长速度加快，最大放热速度加快，临近燃料点火速度加快，视角系数增大，同时也会发生火焰撞击. 对于具有纵向通风的隧道火灾，建立了Li和Ingason的以下火焰倾斜角度关系，并对模拟尺寸和大规模火灾试验进行了验证 [14].

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

其中是比热，千焦/千克·K;

为火的直径，m;

为矿井巷道高度，m;

为火源中心与矿井巷道天花板之间的垂直距离，m;

为无量纲放热率;

为环境温度，K;

为纵向速度，米/秒;

为无量纲通风速度;

为无量纲纵向速度;

为特征羽流速度;

为火焰中心与矿井巷道天花板下方最高温度位置形成的火焰角;

为环境空气的密度，kg / m3.

由于火焰辐射机制的重要性，火焰长度对于火焰向邻近物体的传播也起着重要的作用. 以下是Ingason和Li[14]的得出的相关性公式，它们与在矿井巷道[15]进行的全尺寸火灾试验中观察到的无量纲火焰长度相匹配:

（9）

（10）

（11）

其中是矿井巷道的横截面积，m2 ;为火焰长度，m; 为无量纲火焰长度.

在上述关联式中考虑了巷道几何形状，突出了几何形状对巷道火焰长度的影响.

随着纵向通风流量的增加，巷道内的火焰长度和火焰温度会随着夹带空气的增加而减小，从而提高了燃烧效率. 纵向通风量增大会引起放热速率和火灾增长速率的初始增大，并最终在一定的通风量下达到最大值. 当对流冷却超过火焰的辐射加热时，通风速度的进一步增加将导致放热速率和火灾增长速率的降低. 图1为模拟比例尺矿井巷道火灾试验底板实测的入射热流密度. 试验将在下一章作进一步的描述. 在燃烧的木托盘堆下游1米处，以3种不同的通风速度测量了热流. 可以看出，0.6 m/s时的最大热流密度比0.3 m/s和0.9 m/s时高. 模拟尺度试验的全尺度通风速度分别为1.16 m/s、2.32 m/s和3.49 m/s.

图1. 模型火灾试验中不同通风速度下的热通量

主要的火灾蔓延机制将随着火灾之间的距离，燃料项位置相对于通风流动的方向，以及火灾气体的蔓延，和火灾涉及的材料类型的不同而变化.

对于较短的距离，火焰辐射将在传播机制方面发挥关键作用. 因此，对于火灾蔓延期间的包含各种燃料组件的车辆的燃烧，火焰辐射机制是非常重要的. 随着距离的增加，对流换热机理的重要性也会增加.

通风流可以将燃烧气体从邻近的燃料组件中推开，从而减少对流换热项的影响. 另一方面，纵向通风流会使火焰向邻近的燃料项倾斜，增加火焰辐射传递项的重要性.

矿井巷道本身也会影响火灾行为. 靠近火源的围岩会增加火源的再辐射机制，增加放热速率. 相反，火灾下游的岩石会对火灾气体产生冷却作用，从而减少烟雾的分层和下游燃料物品着火的危险. 在许多情况下，矿井巷道高度是相当大的，从而减少火焰撞击天花板的危险. 矿井巷道的倾斜度也会影响火灾行为，倾斜度的增大会导致火焰倾斜度的增大，进而导致燃料的提前着火、火焰蔓延速度加快等.

矿井巷道的普遍开放性和冷却效果，加上可燃物质的一般限量，将减少闪络的可能性. 即使闪络不太可能发生;严重、快速蔓延和高强度的火灾也并非不可能. 具有大量可燃物连续存在的矿井巷道很可能是发生大规模危险火灾的地方.

矿井巷道内烟气的扩散很大程度上是由纵向通风流决定的. 纵向通风速度决定了矿井发生的烟气分层，烟气分层同时也是由矿井巷道的尺寸、放热速率以及与火灾的距离决定的. 在低风速或无强迫风速的情况下，火灾附近的烟气分层较高，而在高风速的情况下，火灾下游的烟气分层较低. 随着矿井巷道高度的增加和火源的距离的增加，垂直温度梯度和烟气分层会减小. 放热速率的增加将导致垂直温度梯度的增加和烟层的形成. 图2显示了矿井巷道过程中烟气的分层情况，垂直温度梯度、分层以及平均火灾气体温度随距离的增加而降低.

图2. 单一火源的矿井巷道烟气分层

3.进行模拟尺寸火灾试验

以下是对已进行的火灾试验的简要总结. 对于木质托盘的更详细的描述，试验步骤和试验放热率结果见Hansen和Ingason[16].

Hansen和Ingason[1]进行了一系列的模拟尺寸矿山巷道/隧道火灾试验，在1:15模拟尺寸隧道(隧道长10米，宽0.6米，高0.4米)中共进行了12次试验. 试验参数为:木托盘桩间距与纵向通风速率(试验采用0.3 m/s、0.6 m/s、0.9 m/s的纵向通风速率). 本研究旨在探讨不同纵向通风速率下，木托盘桩间距的变化对火灾蔓延的影响. 模拟尺寸隧道示意图见图3，热电偶、探针、仪器位置见图4.

图3. 模型隧道示意图

图4. 热电偶、探头和仪器的位置

试验中应用的火荷载由按比例缩小的松木托盘桩组成，每个桩由五个单独的木托盘桩组成. 三次试验火灾作为参考试验，由一堆货盘组成，而在其他试验中，火灾荷载由四堆柴盘组成，每堆柴盘之间的距离不同.

在试验过程中，测量或计算了以下参数: gt;记录相邻桩的点火时间，并手工记录:

gt;总放热速率.

gt;燃烧气体温度;大部分热电偶都是沿着天花板放置的. 两组热电偶也被放置在距离入口4.65米和8.75米的位置，测量不同垂直位置的温度，从这些位置可以计算出平均火灾气体温度.

gt;隧道尽头的气体浓度.

gt;地板上几个位置的热流

英语原文共 29 页

资料编号：[3547]