李 晴，康建宏,2，周福寶,3，雷柏偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.江蘇省城市地下空間火災(zāi)防護(hù)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京100012； 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隧道是現(xiàn)代城市重要交通設(shè)施，是改善運(yùn)輸條件有效手段。隧道交通在給生活帶來(lái)便利同時(shí)，隧道火災(zāi)事故也造成了重大損失。隨著隧道長(zhǎng)度和數(shù)量增加、車流密度和速度增加，隧道火災(zāi)事故發(fā)生頻率也隨之增加，給隧道消防安全帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。

目前，針對(duì)巷/隧道火災(zāi)的熱動(dòng)力災(zāi)害行為、煙氣蔓延特性以及溫度分布等，很多學(xué)者開展了一系列小尺寸實(shí)驗(yàn)研究。李炎鋒等[3]在6.6 m×1.3 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)的中尺度隧道內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究不同通風(fēng)條件下坡度對(duì)煙氣蔓延速度的影響規(guī)律。楊健等[4]在1/20的縮尺隧道內(nèi)探究通風(fēng)風(fēng)速對(duì)不同燃燒物和隧道截面尺寸下頂棚最大煙氣溫升的影響，建立了火源上游無(wú)量綱溫升與距離的相關(guān)關(guān)系。梁強(qiáng)等[5]基于小尺寸狹長(zhǎng)通道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)汽油燃燒產(chǎn)物濃度變化和煙氣溫度分布情況。馬礪等[6]理論分析了封堵行為對(duì)煙氣質(zhì)量流率的卷吸作用，并實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了不同封堵比例下煙氣溫度特性，構(gòu)建了考慮封堵率影響下煙氣溫度縱向衰減的預(yù)測(cè)模型。

盡管小尺寸實(shí)驗(yàn)在揭示火災(zāi)機(jī)理方面發(fā)揮了重要作用，但是由于其無(wú)法“再現(xiàn)”復(fù)雜的實(shí)際巷道條件，在指導(dǎo)工程實(shí)踐方面存在一定的局限性。因此，開展大尺寸尤其是全尺寸實(shí)驗(yàn)尤為重要。傅培舫等[7]在貼合實(shí)際條件的實(shí)驗(yàn)巷道中開展燃燒測(cè)試，監(jiān)測(cè)火災(zāi)時(shí)期燃燒區(qū)熱阻力與熱動(dòng)力的變化關(guān)系。胡隆華[8]在3種大型公路隧道中開展油池火實(shí)驗(yàn)，研究煙氣一維擴(kuò)散過程中沿隧道頂板的分布，建立了不同通風(fēng)速度下CO濃度和煙氣最大溫度的縱向衰減模型。王彥富等[9]在全尺寸巷道中實(shí)驗(yàn)研究火源上游煙氣逆流特性，建立了預(yù)測(cè)煙氣逆流長(zhǎng)度的計(jì)算模型。史聰靈等[10-11]分別在地鐵區(qū)間隧道和車站隧道進(jìn)行全尺寸甲醇燃燒實(shí)驗(yàn)，研究通風(fēng)排煙系統(tǒng)開啟下煙氣擴(kuò)散規(guī)律以及溫度變化情況。孫少華等[12]實(shí)驗(yàn)探究了機(jī)械通風(fēng)速度對(duì)火源熱釋放速率、煙氣溫度以及燃燒產(chǎn)物成分的影響。

以上有關(guān)全尺寸巷/隧道火災(zāi)研究大多關(guān)注于煙氣輸運(yùn)特性和溫度縱向分布，較少考慮到煙氣溫度隨時(shí)間的演化規(guī)律，且缺乏相關(guān)的預(yù)測(cè)模型。本文基于能量守恒定律和熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立巷/隧道火災(zāi)風(fēng)煙流溫度演化的預(yù)測(cè)模型，并通過開展全尺寸巷道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)以及將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與幾個(gè)典型隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果可為巷/隧道火災(zāi)時(shí)期的煙氣控制和救援提供理論參考。

1 巷/隧道火災(zāi)風(fēng)煙流溫度預(yù)測(cè)模型

1.1 直巷內(nèi)煙流溫度預(yù)測(cè)模型

巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，整個(gè)燃燒過程處于完全紊流的狀態(tài)。用單位時(shí)間內(nèi)燃料的消耗量來(lái)表示燃料消耗率mr，引入比燃料消耗率k(t)，其定義為燃料消耗率mr與進(jìn)風(fēng)量m0的比值。單位時(shí)間內(nèi)燃料燃燒的總產(chǎn)熱量E計(jì)算如式(1)～(2)所示：

E=mrq=m0k(t)q

(1)

其中，

m0=ρQ

(2)

式(1)中：mr為燃料消耗率，kg/s；q為燃料熱值，J/kg;k(t)為t時(shí)間內(nèi)燃料消耗率;t為燃燒時(shí)間，s;m0為進(jìn)風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s。

式(2)中：ρ為空氣密度，kg/m3；Q為進(jìn)風(fēng)體積流量，m3/s。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]對(duì)不同燃料和通風(fēng)條件下的火災(zāi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，比燃料消耗率隨燃燒時(shí)間的變化規(guī)律可用式(3)描述：

(3)

式中：m為燃燒物的質(zhì)量，kg。

燃料燃燒釋放的能量使空氣、煙氣以及燃燒產(chǎn)物從常溫升到高溫，且氣體的比熱容受溫度的影響較小，因而氣體的焓增由式(4)計(jì)算：

ΔH=CpρQ(T-T0)

(4)

式中：Cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；T為煙流溫度，K；T0為巷道初始溫度，K。

火災(zāi)煙流與壁面之間對(duì)流換熱是一個(gè)包含自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的復(fù)雜過程，其對(duì)流換熱系數(shù)α可以由式(5)計(jì)算[14]：

α=kQ0.8U0.2S-1

(5)

式中：α為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；U為巷道周長(zhǎng)，m；S為巷道截面積，m2；k為對(duì)流換熱系數(shù)常量，依據(jù)井下煤和巖石的導(dǎo)熱系數(shù)[15]，結(jié)合量綱分析得到：巖巷中對(duì)流換熱系數(shù)常量范圍為10～46，煤巷中對(duì)流換熱系數(shù)常量范圍為58～94，本文計(jì)算取中間值。

煙氣與巷/隧道壁面及環(huán)境之間熱交換功率可由式(6)計(jì)算：

(6)

式中：qr為對(duì)流換熱功率，W；x為煙流蔓延到的位置與火源的距離，m。

燃料燃燒釋放的能量絕大部分用于氣體的焓增以及與巷/隧道邊界和環(huán)境之間熱交換功率，即式(7)：

E=ΔH+qr

(7)

把式(1)、式(4)和式(6)帶入到式(7)中，得到直巷/隧道火災(zāi)時(shí)期風(fēng)煙流溫度演化的預(yù)測(cè)模型表達(dá)式如式(8)所示：

(8)

1.2 分叉和匯合巷道內(nèi)的煙流溫度預(yù)測(cè)模型

巷道的分叉和匯合直接影響煙氣蔓延和溫度變化，在圖1所示的分叉巷道中，發(fā)火巷道中煙流經(jīng)過分叉點(diǎn)后進(jìn)入其他巷道，忽略分叉點(diǎn)處的局部損失，溫度的改變主要受巷道風(fēng)量、巷道尺寸以及蔓延距離的影響，此時(shí)氣體的焓增不變，煙氣蔓延到巷道n中A位置處的對(duì)流換熱量由式(9)表示：

qA=k[Q0.8×U1.2x1S-1+Qn0.8×Un1.2x2Sn-1)(TA-T0)

(9)

式中：Q和Qn分別為發(fā)火巷道和巷道n上的風(fēng)量，m3/s；U和Un分別為發(fā)火巷道和巷道n的周長(zhǎng)，m；S和Sn分別為發(fā)火巷道和巷道n的面積，m2；x1為分叉點(diǎn)到火源的距離，m；x2為A位置到分叉點(diǎn)的距離，m；TA為A位置處的煙流溫度，K。

圖1 分叉巷道示意Fig.1 Schematic diagram of bifurcation roadway

由式(8)得巷道n中A位置處的煙流溫度變化為式(10)所示：

(10)

如圖2所示的匯合巷道，當(dāng)發(fā)火巷道的煙流與其他巷道風(fēng)流在井巷交叉點(diǎn)處混合時(shí)，假設(shè)在匯合點(diǎn)處各組分達(dá)到完全均勻混合，風(fēng)溫達(dá)到平衡，忽略匯合點(diǎn)處局部損失，此時(shí)空氣的焓增為加熱發(fā)火巷道和其他巷道內(nèi)空氣和燃燒產(chǎn)物所需能量之和，見式(11)所示：

(11)

式中：Qi和Qj分別是巷道i(i=1,2,…,j-1)和巷道j上的風(fēng)量。

煙氣蔓延到巷道j中B位置處的對(duì)流換熱量由式(12)表示：

qB=k[Q0.8×U1.2x3S-1+Qj0.8×Uj1.2x4Sj-1)(TB-T0)

(12)

式中：Uj為巷道j的周長(zhǎng)，m；Sj為巷道j的面積，m2；x3為匯合點(diǎn)到火源的距離，m；x4為B位置到匯合點(diǎn)的距離，m；TB為B位置處的煙流溫度，K。

圖2 匯合巷道示意Fig.2 Schematic diagram of confluence roadway

由式(8)得巷道j中B位置處的煙流溫度變化如式(13)所示：

(13)

從式(8)、式(10)和式(13)可以看出，煙流溫度演化模型T(x,t)是時(shí)間和距離的函數(shù)，巷/隧道發(fā)生火災(zāi)，火源下游某一位置，某一時(shí)刻的煙流溫度可通過計(jì)算得到。

2 全尺寸巷道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

2.1 國(guó)家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)實(shí)驗(yàn)巷道布置

如圖3所示，在國(guó)家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)開展的全尺寸巷道實(shí)驗(yàn)，火源所在的進(jìn)風(fēng)巷道長(zhǎng)69 m，截面上半部分為直徑3.2 m的半圓形，下半部分為長(zhǎng)3.2 m、高0.8 m的矩形。巷道采用負(fù)壓抽出式通風(fēng)，火源所在進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為434 m3/min，風(fēng)速為0.9 m/s。

圖3 國(guó)家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)實(shí)驗(yàn)巷道布置Fig.3 Layout of test roadways in national mine emergency rescue Kailuan team

實(shí)驗(yàn)燃燒材料為木材，由尺寸為長(zhǎng)0.8 m、寬0.04 m的木條搭建成0.8 m×0.8 m×0.4 m(長(zhǎng)×寬×高)的木垛，木垛總質(zhì)量為45 kg，放置在金屬托盤上，托盤由金屬支架墊起離地0.4 m，置于進(jìn)風(fēng)巷道中心處。在距離火源不同位置的上、下游截面上布置煙氣溫度傳感器，每個(gè)截面設(shè)有13個(gè)熱電偶用于監(jiān)測(cè)不同高度層的煙氣溫度。此外，巷道內(nèi)安裝氣體濃度傳感器和風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)記錄木垛燃燒產(chǎn)生的CO2濃度變化以及巷道內(nèi)的風(fēng)速值，傳感器具體位置見圖3(a)所示。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)首先引燃底部木材，利用放置在火源上游的激光片觀察火勢(shì)發(fā)展過程，并觀察火災(zāi)煙氣運(yùn)移情況。

2.2 國(guó)內(nèi)其他全尺寸巷道實(shí)驗(yàn)條件

傅培舫[13]在重慶煤科院分院通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)開展了14次燃燒實(shí)驗(yàn)，選擇井下可能的易燃物作為火源，以堆積布置、沿長(zhǎng)均勻布置等分布方式模擬點(diǎn)火源、線火源以及皮帶運(yùn)輸機(jī)火災(zāi)，探究不同燃燒物質(zhì)、燃燒規(guī)模和通風(fēng)條件下燃燒產(chǎn)物的熱物理參數(shù)變化和風(fēng)煙流演化規(guī)律。胡隆華[8]在大風(fēng)埡口隧道和元江1#隧道開展6次全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，以汽油為燃料，通過風(fēng)機(jī)提供縱向風(fēng)速，研究不同火源熱釋放速率下隧道內(nèi)的頂棚最大煙氣溫度和溫度縱向分布規(guī)律。表1中列出了在重慶煤科分院的通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道、大風(fēng)埡口實(shí)驗(yàn)隧道以及元江1#實(shí)驗(yàn)隧道開展全尺寸實(shí)驗(yàn)的部分實(shí)驗(yàn)條件，包含：隧道尺寸、燃燒物種類、燃燒物質(zhì)量、熱值以及縱向通風(fēng)速度。

表1 不同隧道各次火災(zāi)實(shí)驗(yàn)初始條件Table 1 Initial conditions of each fire test in different tunnels

3 結(jié)果與討論

圖4呈現(xiàn)了在開灤實(shí)驗(yàn)巷道開展的全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，火焰燃燒的發(fā)展階段和穩(wěn)定階段。穩(wěn)定階段火勢(shì)達(dá)到最大，此時(shí)火源功率最大，產(chǎn)生更多煙氣，且煙氣分層現(xiàn)象明顯。圖5展示了位于火源上、下游8 m處截面上的煙氣溫度分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)：縱向通風(fēng)對(duì)火源兩側(cè)煙氣溫度有較大影響，上游8 m截面中心線上煙氣最高溫度從2.2 m高度上的216 ℃，降至1.0 m高度上的33 ℃，而在火源下游8 m處的截面中心線上，煙氣最高溫度從2.2 m高度上的262 ℃，降至1.0 m高度上的49 ℃。

圖4 不同階段火焰燃燒狀態(tài)Fig.4 Flame combustion state at different stages

圖5 距離火源不同位置截面上的煙氣溫度分布情況Fig.5 Smoke temperature distribution on cross sections at different locations away from fire source

圖6展示了距離火源不同位置處巷道頂棚煙氣溫度隨燃燒時(shí)間變化的理論計(jì)算和開灤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，二者的變化趨勢(shì)基本一致，都有溫度迅速上升的發(fā)展階段、達(dá)到最大溫度的穩(wěn)定階段及溫度緩慢下降的衰減階段，該變化趨勢(shì)符合火災(zāi)火源燃燒特性曲線[16]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比理論結(jié)果，實(shí)際燃燒中的穩(wěn)定階段維持時(shí)間較長(zhǎng)，且火區(qū)附近煙氣溫度衰減較慢，這是因?yàn)樵趯?shí)際燃燒過程中，持續(xù)燃燒的火焰對(duì)近火源區(qū)域空氣的加熱使得熱量散失得慢，溫度不易降低，且巷壁圍巖的儲(chǔ)熱能力大，對(duì)巷道起到一定的保溫作用。燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣在浮力的驅(qū)動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，碰到頂板后沿著隧道縱向蔓延，因而距離火源越遠(yuǎn)，頂棚煙氣達(dá)到最大溫度的時(shí)間越長(zhǎng)。圖6所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，火源正上方和距離火源20 m位置煙溫達(dá)到峰值的時(shí)間分別約為7 min和11 min。煙氣在縱向蔓延的過程中由于熱阻力和能量交換，溫度持續(xù)衰減，最大溫度應(yīng)在火源正上方。而在實(shí)驗(yàn)巷道中，由于縱向通風(fēng)的作用，煙氣受到的熱動(dòng)力小于縱向通風(fēng)提供的動(dòng)壓，火源上方的煙氣向下風(fēng)側(cè)偏離，導(dǎo)致最大溫度出現(xiàn)在火源下游1 m的位置，如圖7所示。煙氣最高溫度沿巷道縱向衰減的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在9%以內(nèi)。

圖6 煙流溫度隨時(shí)間變化的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison between theoretical calculation and experimental data on variation of smoke flow temperature with time

圖7 煙流最高溫度隨距離變化的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison between theoretical calculation and experimental data on variation of maximum smoke flow temperature with distance

圖8所示在重慶煤科分院通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道在第3次實(shí)驗(yàn)條件下(用800 kg的冷云杉作為燃燒物，縱向通風(fēng)速度為2.6 m/s)，距離火源不同位置處煙流溫度隨隨時(shí)間變化的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看到二者的變化趨勢(shì)基本一致。圖9中煙氣最高溫度的理論值和實(shí)驗(yàn)值的誤差率最小約為3%，最大不超過14%。需要指出的是：距離火源96 m和114 m的溫度測(cè)點(diǎn)布置在燃燒巷道與主巷道匯合后的巷道中，此位置處的溫度變化通過公式(13)獲得。

圖8 重慶煤科分院通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道在第3次實(shí)驗(yàn)條件下煙流溫度隨時(shí)間變化的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Comparison between theoretical calculation and test data on variation of smoke flow temperature with time of ventilation experimental roadway of Chongqing Coal Science Research Institute under the third experimental conditions

圖9 重慶煤科分院通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道在第3次實(shí)驗(yàn)條件下煙流最高溫度隨距離變化的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison between theoretical calculation and test data on variation of maximum smoke flow temperature with distance of ventilation experimental roadway of Chongqing Coal Science Research Institute under the third experimental conditions

如圖10所示，在重慶煤科分院的通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道開展的如表1所列的各次實(shí)驗(yàn)條件下火源頂棚最高溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和通過式(8)計(jì)算得到的理論值進(jìn)行對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)：通過理論計(jì)算得到的溫度最大值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果大致相符，其誤差率基本穩(wěn)定在5%以下。

圖10 重慶煤科分院通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道在各次實(shí)驗(yàn)條件下火源頂棚最高溫度的理論值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10 Comparison between theoretical values and measured data of ceiling maximum temperature above fire source of ventilation experimental roadway of Chongqing Coal Science Research Institute under various experimental conditions

為了驗(yàn)證分叉巷道內(nèi)煙流溫度預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，引入Chen等[17]在分叉隧道內(nèi)開展的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型對(duì)比。如圖11所示，當(dāng)主巷道風(fēng)速為0.2 m/s和0.6 m/s時(shí)，通過公式(10)計(jì)算的煙流溫度理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，二者具有較好的一致性，說明公式(10)一定程度上可以預(yù)測(cè)分叉巷道內(nèi)煙流溫度變化。

圖11 通過公式(10)計(jì)算的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.11 Comparison between theoretical results calculated by formula (10) and experimental data

從圖12所示的煙氣溫度沿巷道縱向衰減的理論結(jié)果與重慶煤科分院通風(fēng)實(shí)驗(yàn)巷道、大風(fēng)埡口實(shí)驗(yàn)隧道以及元江1#實(shí)驗(yàn)隧道全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果可知，火災(zāi)煙氣溫度演化的理論模型可以給出預(yù)測(cè)結(jié)果。大風(fēng)埡口實(shí)驗(yàn)隧道和元江1#實(shí)驗(yàn)隧道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值有相對(duì)較大的偏差，分析可能的原因如下：理論模型的建立是基于礦井火災(zāi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其燃燒物多為坑木、膠帶等，燃燒不充分且燃料消耗率較低，而在大風(fēng)埡口實(shí)驗(yàn)隧道和元江1#實(shí)驗(yàn)隧道開展實(shí)驗(yàn)所用的燃料是燃燒效率較高的汽油，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，燃料的燃燒效率不同是導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果偏差的主要原因?？傮w上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果較為吻合，該理論模型可以描述煙氣溫度在巷道內(nèi)的縱向衰減情況。

圖12 煙氣溫度沿巷道衰減的理論值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.12 Comparison between theoretical values and experimental data of smoke temperature attenuation along roadway

4 結(jié)論

1)巷/隧道火災(zāi)風(fēng)煙流溫度預(yù)測(cè)模型所呈現(xiàn)的煙氣溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以反映火災(zāi)發(fā)展的3個(gè)階段，且煙氣溫度的變化趨勢(shì)基本符合火災(zāi)火源燃燒特性曲線。

2)理論模型能夠預(yù)測(cè)頂棚最大煙氣溫升以及溫度縱向衰減現(xiàn)象，煙氣最高溫度的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差率在15 %以內(nèi)。