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矿井火灾严重程度评价 张兴凯 教授 中国安全生产科学研究院 学科分类与代码62012030 【摘 要】 频发的矿井火灾造成了重大的人员伤亡和财产损失。对矿井生产安全的风险评价是提高其本 质安全程度、 减少事故发生的重要手段。笔者通过对矿井火灾燃烧过程与烟流在井巷里流动过程的分析,建立了 矿井火灾烟流最高温度、 烟流氧气浓度以及污染区域井巷烟流温度的数学模型;给出了用矿井火灾烟流污染范围、 烟流中氧气浓度、 烟流温度组成的矿井火灾严重程度评价模型;建立了火灾严重程度评价模型的特征线解算方法; 并对一个9个分支的矿井通风网络进行了评价计算。 【关键词】 矿井火灾;风险评价;严重程度 Severity Assessment of Mine Fire ZHANG Xing2kai,Prof. China Academy of Safety Science C0 火灾发生时风流氧气浓度,即新鲜风流氧气 浓度; C O2 t 火区入风侧氧气浓度; t 火灾发生时间,s; S 发生火灾井巷断面积,m2; v 火区烟流速度,m/ s; γ 井巷周边可燃物所占比例; U 井巷断面周长,m; x 火区长度,m; K 燃烧反应速度常数,m/ s。 由煤和氧气反应方程式可知,燃烧生成1 mol一氧化碳 产生的热量为q1kJ ,燃烧生成1 mol二氧化碳产生的热量为 q2kJ。因此,可由烟流氧气浓度计算燃烧生成热量。在稳定 燃烧条件下,风流流过火区前后静压变化很小,若假定风流 定压比热为常数,则火区回风侧烟流温度由下式给出 Tm T0 2θC0δq1 q2 Cy,其中Qi为火灾下风侧污染或可能被污 染的井巷的最大风量。 3TrTy,其中Tr为通风系统的总汇风节点被污染井 巷的最低烟流温度,Ty为烟流致死、 致伤等致害允许温度。 4烟流已经到达,且C1Cy或T1Ty。 62 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第15卷 2005年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 312 火灾经济损失损失 火灾总经济损失等于设备设施损失、 资源损失、 人员 伤亡损失和停产损失之和,可用下式给出 D ∑ N i 1 B i Zi Pi Ci 7 式中,N 火区、 污染区的巷道数; Bi、Zi、Pi、Ci 第i个火区或污染区巷道的设备设 施损失、 资源损失、 人员伤亡损失和 停产损失。 对于设备设施 , 当烟流温度超过破坏温度或由于火灾 停产达到需要维修的年限时,即发生设备损失。如井巷由于 火灾破坏,需要维修;被火焰烘烤或在高温烟流井巷中的机 电设备需要维修,甚至报废。被火灾烧掉的或由于火灾影响 无法开采的资源为损失的资源。在致死、 致伤烟流污染区的 人员是伤亡人员,产生人员伤亡损失。由于火灾使正常的 生产过程中断,导致停产,造成停产损失。 313 计算分析 采用特征线差分方法,解算式 1 , 编写矿井火灾严重程 度评价软件,通过矿井通风网络解算和矿井火灾过程模拟计 算可以获得矿井火灾严重程度的定量评价结果。 对于如下图所示的通风系统,给出其初始数据如表1所 示。通过通风网络解算和矿井火灾过程模拟计算,给出火灾 时期的燃烧状态及烟流污染情况,如表2～表5所示。 通风系统图 表1 初始数据 分支号入,回风节点入,回风标高m风阻kg/ m3长度m内热源热量J/ s巷道断面积 m 2 13 ,4- 650 , - 5003.0775001 0005.0 26 ,1- 200 , - 150.688500010.0 31 ,3- 15 , - 6501.39370007.0 41 ,2- 15 , - 7002.09070007.0 53 ,2- 650 , - 7001.06920004.0 62 ,5- 700 , - 4501.0305001 5005.0 74 ,5- 500 , - 4501.54020004.0 84 ,6- 500 , - 2004.3165001 5007.0 95 ,6- 450 , - 2002.2665001 0007.0 风机参数分支号2;风量379 m3/ s ,255 m3/ s ,543 m3/ s;风压147.2 Pa ,343.4 Pa ,490.5 Pa 围岩参数恒温带标高- 15 m;恒温带温度288.3 K;变温带温度梯度0.015 K/ m;导热系数1.5 W/ m K 源点风流参数节点号1 ,静压101 396 Pa ,密度1.21 kg/ m3,温度293 K 火灾参数分支号1 ,距入风端距离30 m,火区初始长度0.5 m 表2 火灾燃烧状态变化 火灾时间min火区长度m火区回风端氧浓度 烟流最高温度K火焰燃烧速率m/ s 00.5021.00298.30.000 11.0320.27329.00.529 52.9918.74391.90.479 105.2316.70476.10.423 157.1514.49567.00.360 208.7612.12656.10.299 表3 火灾前系统风流状态 分支号入,回风节点入,回风端风速m/ s入,回风端温度K入,回风端密度kg/ m3污染长度m 13 ,42.38 ,2.47298.3 ,304.71.27 ,1.220.5 26 ,13.29 ,3.23296.6 ,291.21.20 ,1.210.0 31 ,32.55 ,2.48293.1 ,299.41.21 ,1.260.0 41 ,22.17 ,2.12293.1 ,299.81.21 ,1.270.0 53 ,21.38 ,1.37298.3 ,306.91.26 ,1.240.0 62 ,54.05 ,4.21300.9 ,304.21.26 ,1.210.0 74 ,50.18 ,0.18303.4 ,302.01.22 ,1.220.0 84 ,62.00 ,2.04303.4 ,297.71.22 ,1.190.0 95 ,62.77 ,2.80303.0 ,296.91.22 ,1.200.0 72第四期 张兴凯矿井火灾严重程度评价 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表4 火灾150 s时的系统污染状态 分支号入,回风节点入,回风端风速m/ s入,回风端温度K入,回风端密度kg/ m3污染长度m 13 ,42.34 ,2.72298.6 ,308.21.27 ,1.20366.8 26 ,13.43 ,3.39298.0 ,293.91.19 ,1.200.0 31 ,32.55 ,2.42293.1 ,298.61.21 ,1.270.0 41 ,22.15 ,2.03293.1 ,299.51.21 ,1.270.0 53 ,21.29 ,1.30298.6 ,301.11.27 ,1.260.0 62 ,53.87 ,3.99299.9 ,300.81.27 ,1.230.0 75 ,40.16 ,0.16300.8 ,303.21.23 ,1.220.0 84 ,62.04 ,2.07308.0 ,298.31.20 ,1.190.0 95 ,62.76 ,2.82300.8 ,297.71.23 ,1.190.0 表5 火灾900 s时的系统污染状态 分支号入,回风节点入,回风端风速m/ s入,回风端温度K入,回风端密度kg/ m3污染长度m 13 ,42.06 ,3.01298.8 ,323.81.27 ,1.14477.2 26 ,13.47 ,3.47299.4 ,294.21.19 ,1.20500 31 ,32.38 ,2.27293.1 ,298.81.21 ,1.270.0 41 ,22.01 ,1.91293.1 ,299.71.21 ,1.270.0 53 ,21.39 ,1.39298.8 ,301.21.27 ,1.260.0 62 ,53.79 ,3.89300.1 ,300.81.27 ,1.230.0 75 ,40.09 ,0.09300.8 ,302.61.23 ,1.230.0 84 ,62.21 ,2.16323.3 ,301.61.15 ,1.18500.0 95 ,62.73 ,2.80300.8 ,297.81.23 ,1.190.0 通过解算还可以给出各巷道的污染时间。在1号分支发 生火灾时,当火灾发生193. 8 s时1号分支全部被烟流污染, 烟流进入8号分支。由于在火风压的作用下,火灾过程中 7号分支风流方向发生逆转,因此该分支没有被污染。当火 灾发生439.2 s时,8号分支被全部污染,烟流进入2号分支。 当火灾发生585.8 s时,2号分支完全被污染,烟流已流出回风 井。可以看出,烟流污染速度较快,且火区及其附近巷道的 氧气浓度较低,可以在短时间内使人窒息或中毒。因此,当 火灾发生时,应尽快使人员离开污染区或可能污染区。 4 结 论 评价模型及其解算结果表明 1对于发生在矿井的明火火灾,火灾烟流温度越高、 烟 流中氧气浓度越低,火灾后果越严重; 2发生在进风井巷的火灾,容易造成大范围的污染区, 可能造成的火灾损失越大; 3矿井火灾影响因素是十分复杂的,上述评价方法获 得评价结果的可信度,取决于模拟计算参数的选取; 4使用该方法时,需要有评价专家、 设计专家、 生产专 家和矿山防灭火专家参加,合理选择计算的初边值条件。 由于矿井火灾严重程度评价计算量较大,对于复杂的通 风系统,必须借助计算机进行通风网络解算才能获得最终 结果。 收稿2004年12月;作者地址北京市朝阳区惠新西街 17号;中国安全生产科学研究院;邮编100029 参 考 文 献 1 国家安全生产监督管理局煤矿安全监察局 . 事故快报. [ EB/ OL] Http / /www. chinasafety. gov. cn ,20051115 2 李国轩等.矿山安全性评价与安全事故的预防及处理[M]1 北京中国商业出版社,2001.9 3 沈斐敏.安全系统工程理论与应用[M]1 北京煤炭工业出版社,2001.6 4 马谦杰等.基于风险度量理论的煤矿安全的系统评价[M]1 中国安全科学学报,2004 ,144 20～23 ,31 82 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第15卷 2005年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 张兴凯 教授,博士,中国安全生 产科学研究院总工程师,主要从事 安全管理、 矿山安全技术的研究工 作。北京市高等学校青年学科 带头 人,享 受 政 府 特 殊 津 贴。 1983年本科毕业于河北矿业学院 采矿系,先后在煤炭科学研究总 院、 东北大学、 北京科技大学获得硕士学位、 博士学 位和完成博士后研究。曾在煤炭科学研究院抚顺分 院、 首都经济贸易大学从事过矿山安全技术与安全 管理科研与教学工作。主持或参与完成国家科研项 目5项,获得省部级科技进步奖7项。近年内发表学 术论文34篇,出版专著或合著论著3部。 赵望达 中南大学土木建筑工程 学院教授、 硕士生导师、 博士生副 导师。湖南双峰人, 1965年9月 生,1988年5月毕业于中南工业大 学工业自动化专业,获硕士学位。 从事安全科学与信息科学交叉领 域的科研和教学工作多年。指导 硕士生15名,协助指导博士生3名,获中南大学 “优 秀研究生指导教师” 称号。主持或参加包括国家重 点攻关项目在内的科研课题28项,主持的10个项目 中有8项通过省部级以上鉴定。获国家和省部科技 进步奖4项,获奖项目主要有“SLDC - I型充填仪表 微机监控系统的研究” 和 “高速铁路防风防雨安全监 测报警系统” 等。发表论文65篇,其中52篇为第一 作者,被国际三大检索收录12篇次。 王若菌 硕士研究生。辽宁省铁 岭县人,1979年12月生。2002年 毕业于南京工业大学城市建设与 安全环境学院安全技术及工程专 业,获学士学位。2002年10月至 今,继续在该学院攻读硕士学位, 主要从事化工装备安全技术及工 程、 数量化风险评估等研究。曾被评为 “三好研究 生” 。荣获 “化工安全与环境” 奖学金。参与了国家 自然科学基金项目 “典型化工过程灾害性事故预测 与防治技术基础研究” 和教育部骨干教师资助计划 项目的研究工作。 邵 辉 江苏工业学院安全工程 专业教研室主任、 安全工程研究所 所长、 院安全工程学科带头人,教 授,硕士生导师,国家注册安全工 程师,常州市人民政府安全生产专 家 组 专 家。1955年10月 生, 1982年元月毕业于淮南矿业学院。 目前主要研究方向为安全工程、 环境安全与监测、 生 产过程的安全控制。主持和参加省部级包括国家 自然科学基金以上科研项目15项,横向科研课题 20多项。通过省级鉴定并获省级科研成果证书 7项,获省科技进步三等奖一项、 市科技进步二等奖 两项,省、 市级自然科学优秀论文二等奖各一项,省 级教学成果二等奖两项。出版专著、 教材4部,公开 发表论文50多篇。 蔡 军 现为大连理工大学建筑 与艺术学院城市规划教研室讲师, 同济大学建筑城规学院城市规划 专业博士研究生。山东平原人, 1970年11月生。1997年获同济大 学城市规划硕士学位, 1994年至 今,曾参与多个城市的综合交通规 划工作,协助德州经济开发区完成了开发区东部新 区的总体规划编制任务,主持并完成葫芦岛市锦葫 路控制性详细规划、 禹城市汉槐街控制性详细规划 等多项规划设计任务。2004年获临沂市行政中心 规划设计竞赛三等奖一等奖、 二等奖空缺 ; 翻译图 书一部,发表科技论文多篇。 秦庭荣 博士研究生。安徽和县 人,1976年生。2003年考入上海海 事大学商船学院载运工具运用工 程专业硕士研究生,2004年被保送 硕博连读,师从于陈伟炯教授,主 攻安全科学技术、 海运安全与管理 方向。为主承担并完成 “金山化工 园区码头及港航水道论证” 、 上海市教委科技发展基 金项目 “船舶运输安全评价技术研究” 等课题。在 交通运输工程学报 、中国水运 等刊物发表 港口 航行环境安全的组合评价模式 、我国航运企业再 造初探 等论文数篇。 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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