矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律研究现状与发展趋势

刘业娇，崔一诺，任玉辉，邢 辉，陈 颖，李茂林

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010； 2.包头稀土高新技术产业开发区安全生产监督管理局，内蒙古 包头 014010； 3.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室,河南 焦作 454000)

煤炭是我国国民经济发展的基础性能源，2019年我国一次能源生产总量达39.7亿t标准煤，煤炭消费占能源消费总量比重为57.7%，煤炭资源在能源消费结构中仍然占据较大比重[1]。因此，煤矿的安全生产至关重要。而矿井火灾事故是煤矿常见的事故类型之一，其产生的高温烟流和有毒有害气体会严重威胁井下人员的生命安全，还会诱发瓦斯、煤尘爆炸事故，使矿井通风系统发生紊乱，导致事故范围扩大，增加救灾难度。

矿井火灾分为外因火灾和内因火灾。巷道火灾是一种在纵向尺寸比横向尺寸大一个数量级以上的狭长空间发生的火灾。矿井外因火灾大多属于巷道火灾，其可燃物主要是煤、坑木、胶带、风筒等固态燃烧物料。矿井巷道又分为水平巷道和倾斜巷道，目前关于矿井水平巷道火灾时期火源热释放速率、火区阻力、烟流滚退距离、临界风速，以及烟气分布规律的研究较多，但关于矿井倾斜巷道火灾时期不同巷道坡度、不同风速、不同火源位置等条件下烟流温度、压力、速度、密度、有毒有害气体浓度，以及逆流层和临界速度等问题的研究相对较少[2-3]。通过总结分析矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律的理论、实验和数值模拟研究现状，找出其不足之处和发展趋势，对于完善整个矿井巷道火灾理论及进行火灾救援具有重要的现实意义[4]。

1 矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律理论研究现状

对矿井巷道火灾时期火风压与浮力效应、火区阻力与节流效应、火源热释放速率、风流逆转、逆流层长度、临界风速、火灾气体浓度等内容的理论分析和相关数学模型的建立是探索矿井巷道火灾烟流运移规律的基础。

20世纪50—90年代，波兰、美国、德国、日本等国家的学者针对上述问题都进行了深入研究，奠定了现代矿井通风火灾理论的基础[5-8]。21世纪初，Hitoshi、Florencio等又针对不同截面巷道、不同温度、不同燃烧物条件下的矿井倾斜巷道火灾烟气流动规律进行了研究，得到了烟层最大温升的计算公式及其位置等结论[9-10]。

在国内，学者们对矿井火灾烟流蔓延规律也进行了大量理论研究。王德明等首次提出了矿井火区热阻力的概念[11]；李传统等研究得到了不同类型矿井巷道内火灾燃烧区热阻力系数的表达式[12]；张国枢、王文才等推导出火风压的计算公式[13-14]；李祥春等研究得到了火灾时期巷道风速与瓦斯浓度的关系[15]。同时，部分学者对矿井火灾时期烟气逆流现象也进行了大量研究，如张兴凯对逆流层形成的条件给出了理论判据公式[16]；周心权等提出烟流滚退烟羽流数学物理模型，给出了计算逆流层长度方程式[17]；刘剑等研究得到了倾斜巷道坡度、火源强度、巷道风速与逆流层长度的关系[18]。

目前关于矿井倾斜巷道火灾烟气运移规律的理论研究已取得较多成果，但已建立的有关火风压、火区阻力、烟流滚退距离、临界风速等数学模型较少综合考虑巷道坡度、风速、火源位置和强度等因素的影响，还需要深入研究和拓展。

2 矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律实验研究现状

2.1 火风压

火风压是矿井倾斜或垂直巷道发生火灾时，可燃物燃烧释放的大量热能转换成对高温烟流和空气做功的机械能,是对巷道风流产生的附加风压。从波兰学者维-布德雷克[5]创立局部火风压理论开始，矿井火风压相关理论一直被全世界各国学者不断研究和完善。20世纪80—90年代，德国、日本的学者通过火灾燃烧试验研究巷道火灾的风向、风量、风压和节流效应[7-8]。国内学者董海燕、路宝生通过建立较大规模的火灾实验模型，研究了火风压的产生机理、影响因素及其矿井通风系统的灾变规律[19-20]；潘竞涛利用传感器、自动风门风窗等设施实现了对矿井火灾时期火风压和风流的控制[21]。

火风压能造成矿井巷道风流的紊乱，以致发生风流逆转或烟流滚退现象，因此，摸清火风压的产生原因和活动规律，对于研究矿井倾斜巷道火灾烟流的运移规律至关重要，可以从一定程度上避免灾情扩大，有助于高效完成矿井火灾抢险任务。

2.2 火区阻力

火区阻力是在火灾发生过程中因火灾的热力作用引起发火巷道增加的附加通风阻力，其由火区热阻力和火焰障碍局部阻力组成。王德明等通过矿井火灾时期节流效应实验首次提出火区热阻力的概念[11]；李传统[12]、李宗翔[22]等通过矿井火灾燃烧区热阻力实验修正了矿井火灾巷道通风热阻力的计算方法。

还有学者重点研究了矿井火灾时期影响火区阻力大小的各种因素，张兴凯通过火灾燃烧实验发现火区热风阻会随着入口风速及烟流温度的升高而增大[16]；周延针对纵向通风水平隧道的火区阻力进行了特性实验研究，结果表明火区阻力(摩擦阻力和加速阻力)与火区长度有直接关系[23]；王文才等利用等比例巷道模型进行了火区阻力的测定，结果表明巷道火灾时期火区阻力与火源热释放特性有关,即火区规模、火源燃烧温度和释放的热量越大,火区阻力也越大[24]；田志超等通过实验研究了火区阻力与火区风量的关系，得出火灾时期火区阻力与火区风量具有相反的变化趋势的结论[25]。

火区阻力与节流效应之间的关系也十分密切，其是造成矿井火灾巷道产生节流效应和导致矿井通风系统风流紊乱的主要原因。研究火区阻力是研究矿井巷道火灾烟气流动规律的基础内容，对保障矿井通风系统的可靠性和稳定性也具有重要意义。

2.3 逆流层

矿井巷道火灾中产生的热效应可以改变火灾巷道的风向和风量，形成一定的逆流层，导致矿井通风系统发生紊乱，给火灾巷道火源上风侧的灭火工作和人员救援工作带来很大困难，因此，需要对火区逆流现象进行深入研究和控制。

国外学者Thoma、Atkinson等通过试验表明在矿井巷道火灾逆流现象中，浮力效应起主导作用，同时引入临界Froude数推导出临界风速计算公式[26-27]；Edwards等进行了煤矿火灾烟流滚退临界风速模型实验研究，证明了临界风速与火源强度之间存在1/3次方的正比关系[28]；日本学者通过大规模的坑木带燃烧实验，考察了烟流的逆流(滚退)现象，得到巷道火灾发生逆流的临界风速为1.5 m/s[8]。在国内，煤科总院重庆分院自1988年开始，先后对实际规模巷道火灾进行了大量火灾实验，研究表明火区节流和逆流的界限风速为1 m/s[29]；刘剑等建立了长80 m、宽4 m、高3.5 m拱形下行通风倾斜巷道模型，研究得到了多组火灾工况下烟气逆流层的变化规律[18]；徐明伟等建立了全矿井3D模型，根据巷道原始风速推算了风流发生紊乱的时间[30]。

前人对巷道火灾时期逆流层和临界风速做了较多研究，但大多数未综合考虑不同巷道倾角和火源强度等因素的影响，因此，关于矿井倾斜巷道火灾时期逆流层和临界风速的研究还需进一步完善和深入。

2.4 巷道火灾烟流参数变化规律

矿井火灾发生时产生的有毒有害气体和烟尘严重影响井下作业环境的能见度，同时易给作业人员带来中毒、窒息危险，不利于应急救援和安全疏散，故深入研究矿井巷道火灾时期的烟流参数变化规律十分重要。近几十年来，国内外学者针对矿井巷道火灾时期的烟气运移分布规律、风流状态、烟流参数等做了大量不同规模的火灾实验研究，包括矿井巷道现场火灾实验和矿井火灾实验室模型实验两大类。

20世纪80年代，美国学者在矿井巷道中进行了大规模的火灾实验，研究了巷道不同风流速度对火灾烟气组分、温度，以及胶带燃烧特性的影响[6]；国内学者张兴凯[16]、蒋军成[31]、李杰林[32]等也进行了现场火灾实验，研究了发火巷道风流速度、风流阻力与烟气温度的关系，以及井下常见可燃材料的燃烧过程及其特性。

近年来，学者们大多在实验室采用缩小尺寸模型对矿井巷道火灾时期的烟流参数变化规律进行研究。刘业娇以内蒙古鄂尔多斯市丁家梁煤矿采区进风系统为实验系统原型，按照相似比1∶20建立了巷道火灾物理实验模型，研究得到了火区下风侧巷道烟流的温度、速度、压力和密度的变化规律[33]；李士戎建立了相似比1∶20隧道火灾实验系统，研究移动火源和不同通风速率条件下隧道空间烟流及温度场的分布情况[34]；刘圣按照相似比 1∶20建立了无通风动力倾斜巷道实验模型，研究了巷道倾角对火灾时期烟流温度和压力的影响规律[35]，但其未考虑不同风速和不同火源位置对火灾时期烟流运移规律的影响。

为充分掌握矿井倾斜巷道火灾烟流参数的变化规律，最适宜在实际井下倾斜巷道中进行有关火灾实验，但这需要耗费巨大的人力、财力和物力，实验安全性也很难得到有效保证，所以实施起来难度很大；而在实验室建立缩小尺寸火灾实验模型是一种相对便捷、安全、省力的研究手段，但因其不能完全体现矿井实际倾斜巷道的工况特点，其应用也有很大的局限性。

3 矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律的数值模拟研究现状

随着计算机科学技术的发展和数值模拟软件(如 CFAST、FDS、FLUENT、PYROSIM、PHOENICS、IRC、BRI等软件)的普及，近年来学者们在针对矿井火灾烟气流动规律的研究中愈加重视应用火灾模拟软件及程序进行矿井火灾烟气运移规律、传热方式、逆流和临界风速、烟气成分、热释放速率、烟流压力、温度、密度等的研究。

国外学者David提出了针对火灾物理模型的区域模拟、网络模拟和场模拟3种计算机网格划分方法[36]；Wooddburn、Lea、Kuhner等采用CFD软件建立了矿井巷道火灾的二维模型或多维模型，并利用雷诺时均NS方程，模拟研究了烟气紊流场分布情况[37-39]。国内学者贾进章利用深度优先搜索法研究了矿井火灾烟流温度的分布规律[40]；邓权龙进行了分区域火灾模拟，划分出矿井火灾的安全区域[41]；程卫民等对矿井火灾时期的压力、温度分布及污染物的蔓延区域等进行了模拟研究[42]。也有学者针对影响矿井巷道火灾烟流运移规律的不同因素进行了相关的数值模拟研究，张晓涛、鲁亚丽、贾静等分别模拟研究了巷道坡度、火源强度、风速等对火灾时期烟流分布情况的影响[43-45]；周福宝、ZHOU Gang等采用数值模拟方法对矿井火灾时期烟流滚退距离或烟流逆流层长度进行了研究[46-47];ZHOU Gang、索在斌、王建国等通过数值模拟得到了矿井火灾烟气流动分布及蔓延的整体规律[47-49]。

目前针对矿井水平巷道火灾过程的数值模拟成果较多，但针对矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律及影响因素的数值模拟相对较少。总体而言，由于数值模拟技术相对于传统的物理实验方法具有易操作、投资少、风险小、可建复杂模型、模拟结果直观和精确度高等特点，其已成为矿井火灾和通风系统研究的主要技术手段。

4 矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律研究的局限性

国内外针对火灾时期矿井巷道烟流运移规律的研究已取得阶段性成果，但也存在以下几方面的问题：

1)关于风流逆转、烟流滚退距离、临界风速等问题的研究大多针对矿井水平巷道，而针对倾斜巷道的研究较少，且未考虑矿车、带式输送机等可能出现的阻塞现象。

2)对于综合考虑不同巷道坡度、不同火源位置和火源强度、不同入口风速等条件下矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律及临界风速的研究较少。

3)目前建立的矿井倾斜巷道火灾实验模型大多尺寸较小，根据矿井巷道实际情况按比例建立的大尺寸实验模型较少。

4)在矿井巷道火灾方面的实验和数值模拟研究中大多将火源处理成热释放速率恒定、种类单一的点火源，而实际巷道中可燃物种类繁多，其分布连续性较强，处理成点火源无法真实还原火灾烟流的蔓延过程；同时，井下实际发火地点随机性较强，而在实验或数值模拟研究中往往需要固定火源位置，这点也具有较大的局限性。

5)现阶段关于矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律的数值模拟研究多为一维或二维模拟，三维模拟较少，但矿井火灾巷道实际上是三维的，且各巷道之间也有相互作用，故现有的数值模拟研究也无法完全体现实际火灾巷道烟气的运移规律。

5 矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律研究的发展趋势

关于矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律的进一步研究，应更加注重理论研究、实验研究和数值模拟技术的紧密结合，应从以下几方面加强研究：

1)关于矿井倾斜巷道火灾时期产生的火风压、火区阻力、烟流滚退距离、临界风速等参数及其相互之间的影响关系的研究需更加深入。

2)应进一步建立更贴近现场实际条件的大尺寸、全方位、立体化的矿井倾斜巷道火灾实验模型，在实验过程中要同时考虑不同因素(如巷道坡度、可燃物种类、火源位置和强度、风速大小等)对烟流运移规律的影响。

3)在物理建模和数值模拟时，边界条件、初始条件，以及材料属性的设置应紧密结合现场工况条件，同时考虑巷道间的相互影响，从而使模拟结果能更真实地反映倾斜巷道火灾烟流的蔓延规律。