矿井火灾关键参数监测分析研究

矿井火灾关键参数监测分析研究摘要：通过监测火灾关键参数，可以控制并防止火灾发展，避免造成伤亡和经济损失本文从火灾实验和数值模拟两方面总结国内外学者关于矿井火灾发展规律的研究成果，对矿井火灾发生条件、火灾发展过程、火灾类别、火灾案例等展开分析，针对外因火灾、内因火灾进行参数监测，提高对火灾区域分析的准确性和合理性，为高效救援提供依据用煤炭作为世界范围内重要的战略资源，在推动世界经济发展方面发挥着重要作用。在我国，煤炭作为主要能源和重要工业原料，为国民经济持续快速发展提供了能源保障。随着煤炭开采综合机械化水平提高，煤炭开采效率得到提高，但矿井火灾时有发生，造成大量人员伤亡。通过对我国煤矿进行统计，约70%为存在自然发火危险的矿井，约80%为自然发火煤层，且在矿井火灾总数中，自然火灾发生次数占比超过94%。因此，对矿井防火关键参数监测尤为重要，能够柴里煤矿位于山东省滕州市西南22km,井田行政区隶属滕州市西岗镇和微山县欢城镇，走向长全省煤矿严格按重新确定核定生产能力组织生产的通知》(鲁煤规发〔201632号文件),核定生产能力202万t/a。井田北起滕州市曹庄煤矿南边界，南以程楼断层在官桥火车站与京沪线接轨，全长19.44km。西距京杭老运河4km,东距104国道10km,水路、公路四通八截至2024年12月31日，矿井保有资源储量2矿井火灾发展规律研究现状美国在20世纪80年代通过60t煤炭大型火灾实验，研究风速对烟气运动的影响规律。Inoka基于大规模的巷道火灾实验研究不同燃烧条件下风速对矿井火灾发展规律的影响；Oka等进行巷道火灾实验，归纳火灾发生后高温烟气的流动规律，得出临界风速表达式，为修正临界风速奠定基础；Atkinson通过对0～10的倾斜隧道实验进行研究，得到临界风速的坡度修正系数；Baum等对火灾中形成的碳粒在风流中的传播规律进行研究；Rowland通过在实验巷道内燃烧不同可燃物，探究传感器在低风速下对烟雾及一氧化碳的响应时间，确定影响传感器布置的因子；蒋军成利用竖直巷道火灾实验平台开展多种燃烧材料的实验研究，分析其燃烧特性及各阶段的温度变化规律；王德明等141通过锥型量热仪对煤矿运输机胶带和木质材料进行比较实验，发现非阻燃胶带的热释放速率最大，还研究火灾蔓延速度和温度场；郭军采用相似试验台对火灾早期一氧化碳和烟气发展进行研究；西安科技大学王烨通过搭建1:12的缩比试验台研究矿井胶带火灾燃烧特性及火灾烟流传播规律。现有的数值模拟方法主要包括稳态模拟方法与非稳态模拟方法，区别在于风流状态是否随时间变化。在稳态模拟方法中，风流状态是稳定的，不随时间变化，而非稳态模拟方法的风流状态随时间全方位变化。矿井火灾发展是一个时刻变化的动态过程，因此采用非稳态模拟方法能全面展示火灾蔓延过程，更贴近曹雅婷通过对工作面进风巷火灾的模拟，分析烟雾传播规律和反应气体参数，探讨火灾发生后人员疏散条件和水帘对烟气参数的影响李翠平等基于火灾场量的几何特征、运行状态等构建矿井火灾场量的综合模型将火灾蔓延过程中温度、烟气浓度等参数可视化表达出来王伟峰采用类似小型实验平台的FDS模型田得到风速对温度场的直接影响、烟气扩散规律等李宗翔等基于已建立的实验平台开采用TF1M3D软件开展矿井火灾实验仿真开研究煤矿火灾中烟气扩散和气流扰动规律☆莫志刚采用FlowSimulation软件对胶带巷火灾进行数值仿真并对烟气流动特性进行研究为温度、一氧化碳及烟气传感器安装位置及布设间距奠定理论基础张辛亥使用FDS软件模拟井下烟道对巷道火灾的影响鹿广利使用FDS软件研究通风因素对巷道火灾热释放速率的影响覃思妙通过FDS研究风速对上行通风巷道火灾烟气和温度的影响3矿井火灾事故发生规律3.1矿井火灾发生条件与普通火灾类似开矿井火灾发生须同时拥有氧气、可燃物、热源三个因素开这一致灾理论为防灭火提供了参考用①可燃物：煤炭一旦与火源接触很容易引起火势蔓延导致火灾发生曲在开采过程中涌出的可燃气体如瓦斯、一氧化碳等都是易造成火灾的可燃性物质用②热源：引发火灾的热源须有特定的温度和充足热量用矿井下煤的自燃、瓦斯煤尘爆炸及其他明火等都可能成为热源用③氧气：燃烧是由可燃物质和氧化剂相互作用产生的放热反应用但是当空气中氧气含量低于3%可燃物质很难持久燃烧这也是矿井采取封闭或隔离方式进行火灾扑救的基本原理用因此开必须对井下风流和空气中的氧气含量进行控制开避免由于风速太大引起漏风导致煤自然发火并防止由于风流不畅通引起火工品分解和瓦斯煤尘堆积⁵1用火灾发生要素如图1所示可燃物3.2矿井火灾发展过程煤矿火灾发生发展是一个复杂过程开会产生大量有毒有害成分可以划分为初始增长阶段、充分发展阶段、减弱阶段用初始增长阶段：矿井火灾开始发生的时间段开火的蔓延区域通常限于火源周围开火源能量和影响范围有限在燃烧物周围的部分区域有高温外环境的平均温度和空气中有害气体浓度很低#由此可以看出此阶段正是救援和扑灭火灾的最好时机否则将造成火势蔓延导致事故发生用充分发展阶段：矿井火灾迅速发展的阶段火源能量以及蔓延面积迅速增大周边温度以及烟雾浓度随之升高很容易让巷道内其他可燃物助燃在火灾发展这一阶段火势维持时间取决于可燃物的特性与多少开还与通风状况有很大关系严重时还可能发生二次事故如爆炸等用对消防救援及人员逃生造成极大威胁用所以开如果不能在火灾初始增长阶段扑灭火灾接下来的救援工作会变得更加困难用减弱阶段：在此期间火源能量逐渐衰减直到不能提供最小点火能但应注意到在火灾减弱阶段仍有一段长期的固体残余物燃烧属于没有火焰燃烧局部有较高温度用如果巷道还有可燃气体这种高温能使可燃气体起火让其再次燃烧在巷道内某些物件未完全燃烧时极易出现复燃现象⁶1用火灾的发展过程如图2轰燃轰燃初始增长充分发展减弱图2火灾的发展过程3.3矿井火灾分类①内因火灾：以煤或其他可燃材料的氧化蓄热作用发生燃烧引发的火灾用主要发生在采空区、破碎煤壁等地点用②外因火灾：由外部热源引起如明火、机械摩擦等易发生在采掘工作面以及其他有机电装置的场所#3.4矿井火灾案例较大的矿井火灾造成事故往往是由外因火灾引起开外因火灾发生后会产生多种有害气体并降低能见度极大影响人员逃生及救援用此外矿井火灾不仅会在短时间内造成巨大的经济损失开也会使整个通风系统产生风流紊乱及风流逆转等隐患用近年来开部分矿井的外因火灾事故如表1所示用表1近年来矿井火灾事故原因及死亡人数时间地点事故原因电缆起火时间地点事故原因电缆起火764矿井火灾关键参数监测4.1外因火灾的关键参数监测及应对措施从早期的矿山火灾问题看，外因火灾居多。这主要是由于外因火灾的影响因素偏多，与工作面开采效果和井下安全管理效果均存在密切联系。此外，外因火灾是由于明火引发的火灾，在发生后，由于井下可燃物较多，很容易在短时间内大范围蔓延，烟雾和有害气体随风沿巷道扩散，可控性偏低，对外因火灾防治带来较大难度。针对外因火灾，应从三要素层面入手，针对可燃物多、火源风险较高地点，除加强可燃物数量控制行实时监测，从根源上对火灾发生率进行控制。外因火灾参数监测包括如下三点：①在机电硐室、采掘工作在采掘工作面、胶带巷等地点安装视频监控；③在单轨应对措施：一是根据生产情况，及时清理巷道浮煤，尤其是转载点的淤煤和撒煤，防止磨皮带。二是在皮带机头、油脂库、充电硐室、配电点严格按照要求配备消防沙箱、灭火器。三是锂电池单轨吊充电时，必须有专人值守，每天对单轨吊充电硐室的自动喷淋装置、烟雾和温度传感器进行巡查，确保装置可靠运行。4.2内因火灾的关键参数监测内因火灾大部分是由煤自燃引起，即有自燃倾向性的煤层，在一定的通风条件下会发生变化，聚集大量热量达到煤的自燃点引发火灾。矿井内因火灾的防治，可以通过对造成内因火灾的关键参数进行监测并对其进行预测，采取相应措施延长自然发火期。自燃倾向性预测法是依据煤自燃倾向性的差异，将其分为容易自燃、自燃和不易自燃三类煤层自燃等级，判别煤层自燃危险性，并据此制定防治措施。在煤氧化过程中，其分子发生裂解生成大量自由基，这些自由基与氧气发生反应，生成碳氢化合物及烃类化合物，同时释放大量热量。煤自燃的各个阶段会产生不同气体，其产生量、释放速率和比例等随温度变化而变化，在某种程度上反映了煤自燃的发展趋势，在火灾初始阶段可以用仪器检测和分析进行预报。环境条件是决定煤自燃程度的关键，指标气体浓度易受到复杂环境影响。要想及时、准确对煤层自燃情况进行预测，需要对矿井内的环境条件进行全面考虑，如空气流速、煤体粒径及氧气浓度等。为了提高指标气体的可靠性，消除环境因素的影响，可以采用复合指标气体，如果在高风速条件的井下，可以采用CO₂/CO、CH₄/CO复合体系；对于煤炭粒度较大的煤矿，可采用煤的燃烧以放热为主要特征，在燃烧过程中会聚集大量热量并快速升温，而温度是煤氧化状态的