礦山火災(zāi)是礦井重大災(zāi)害之一。井下一旦發(fā)生火災(zāi)，對(duì)井下人員的生命安全、礦井設(shè)備、礦產(chǎn)資源以及地表環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生很大的危害。多年來(lái)，通過(guò)科研人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的共同努力，摸索總結(jié)出了很多卓有成效的礦山防火設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)程。但由于各個(gè)礦山的開(kāi)采條件、通風(fēng)系統(tǒng)、生產(chǎn)裝備差異很大，難以適用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，要做好礦山防火工作，必須要有突出個(gè)性化特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，火災(zāi)性能化設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)生與發(fā)展為這種思路提供了實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。

性能化防火設(shè)計(jì)是未來(lái)消肪設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，也是消防安全工程技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)和結(jié)果。目前，已有學(xué)者研究性能化方法在礦山火災(zāi)防治中的應(yīng)用，文獻(xiàn)2中給出了礦山防火性能化設(shè)計(jì)的定義，并說(shuō)明了礦山防火性能化設(shè)計(jì)可以達(dá)到的效果。但性能化的設(shè)計(jì)方法在礦山火災(zāi)防治領(lǐng)域中涉及較少，在礦山防火中的應(yīng)用研究還處于摸索階段。

筆者根據(jù)礦山內(nèi)因火災(zāi)的特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)礦山多年來(lái)對(duì)自然發(fā)火區(qū)防火所取得的經(jīng)驗(yàn)，探討丁基于性能化防火設(shè)計(jì)的思想和方法在礦山自燃火災(zāi)防治設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 礦山火災(zāi)的特點(diǎn)

1)礦內(nèi)火災(zāi)是在有限空間的井巷中發(fā)生的，火焰及有毒氣體隨巷道內(nèi)空氣流動(dòng)向各處蔓延，尤其是CO不易擴(kuò)散沖淡。

2)井下空間狹窄，滅火困難，不便采用大型強(qiáng)力滅火器滅火。

3)礦內(nèi)空間小，氧氣不充沛，煤或者硫化礦自燃時(shí)，產(chǎn)生的有毒氣體，特別是CO，SO2的含量極高，易致人死亡。

4)內(nèi)因火災(zāi)征兆不明顯，開(kāi)始僅以井下空氣的溫度和濕度緩慢增加而顯現(xiàn)，從自熱到自燃的過(guò)程較長(zhǎng)，尤其在礦柱或采空區(qū)的自燃，難于及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

正是由于礦山火災(zāi)的以上特點(diǎn)，更需要在防火設(shè)計(jì)過(guò)程中尋求適合礦山火災(zāi)防治的技術(shù)和方法。

2 性能化防火設(shè)計(jì)方法

2.1 基本概念和優(yōu)點(diǎn)

性能化防火設(shè)計(jì)方法的概念首先在建筑領(lǐng)域中提出。它的主要特點(diǎn)是在防火設(shè)計(jì)時(shí)僅提出消防安全所需要的性能要求或指標(biāo)，而不明確規(guī)定設(shè)計(jì)人員采用某些特定的解決方法。如何達(dá)到這一指標(biāo)要求，采取什么樣的工程措施完全由設(shè)計(jì)人員確定，但是設(shè)計(jì)人員最終要向?qū)徍巳藛T證明其所選擇的解決方法是安全可靠的，所采用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是得到公認(rèn)的，審核人員也要利用相應(yīng)的評(píng)估工具檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到安全目標(biāo)，其設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

圖1 性能化設(shè)計(jì)方法的流程圖



與傳統(tǒng)的“處方式”規(guī)范相比，性能化防火設(shè)計(jì)具有三大特點(diǎn)：安全目標(biāo)的確定性、設(shè)計(jì)方法的靈活性和評(píng)估驗(yàn)證的必要性。性能化設(shè)計(jì)方法更為科學(xué)合理，具有更大的靈活性，有助于發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的才華和創(chuàng)造性。

2.2 礦山性能化設(shè)計(jì)的性能規(guī)范和防火安全目標(biāo)

性能化設(shè)計(jì)方法是建立在消防安全工程學(xué)原理與方法之上的，性能化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展又推動(dòng)了性能化規(guī)范的發(fā)展。性能化規(guī)范的作用是制定防火安全的系統(tǒng)目標(biāo)，包括社會(huì)性目標(biāo)、功能性目標(biāo)、性能要求。防火安全目標(biāo)是進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)的核心所在，是安全系統(tǒng)最終應(yīng)達(dá)到的總體效果，包括了“性能目標(biāo)和性能標(biāo)準(zhǔn)”兩個(gè)具體的項(xiàng)目。

礦山防火的性能目標(biāo)就是：礦山發(fā)生火災(zāi)后，進(jìn)行火勢(shì)控制，最大程度地降低火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)、設(shè)備的損失，以及火災(zāi)后對(duì)環(huán)境的影響；或?qū)馂?zāi)事故隱患區(qū)的治理，徹底消除火災(zāi)的發(fā)生；從而增強(qiáng)礦山的防災(zāi)、抗災(zāi)能力，保證礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行。性能標(biāo)準(zhǔn)是量化的指標(biāo)，是指單個(gè)消防設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，性能標(biāo)準(zhǔn)所提供的臨界值可以在設(shè)計(jì)方案中作為計(jì)算數(shù)據(jù)使用。礦山防火的性能規(guī)范要求見(jiàn)表1。

表1 礦山防火安全的條統(tǒng)目標(biāo)



2.3 礦山性能化設(shè)計(jì)方案的評(píng)估

設(shè)計(jì)方案初步確定后，需要對(duì)方案實(shí)施后的效果是否能實(shí)現(xiàn)既定的性能目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的檢驗(yàn)和評(píng)估，以便最終確定是否采用該方案。可以通過(guò)以下兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)估：

1)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。目前國(guó)內(nèi)外有多種商業(yè)軟件可以模擬礦井火災(zāi)時(shí)期煙氣流的速度、溫度、壓力分布，以及有毒、有害氣體的擴(kuò)散變化情況。通過(guò)模擬結(jié)果，很容易判斷出是否符合性能目標(biāo)，從而確定是否采納方案。

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。在發(fā)火區(qū)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案在火災(zāi)防治中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行科學(xué)的觀(guān)測(cè)、記錄，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)判斷是否能實(shí)現(xiàn)既定的性能目標(biāo)。

3 性能化方法在礦山自燃火災(zāi)防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 礦巖發(fā)火燃燒機(jī)理

某礦礦體含硫量高，自燃傾向性強(qiáng)，引起礦巖自燃的主要物質(zhì)是黃鐵礦，發(fā)生的氧化反應(yīng)式為



礦石自燃主要發(fā)生在礦體與炭質(zhì)頁(yè)巖的接觸破碎帶內(nèi)?；夭杀缆淞蚧镉鲅鹾蟀l(fā)生氧化放熱反應(yīng)，熱量聚積一定程度后形成礦石自燃，而其上部的炭質(zhì)頁(yè)巖起到助燃作用。接觸破碎帶及炭質(zhì)頁(yè)巖中的黃鐵礦的氧化速度較快，而灰?guī)r含礦帶中黃鐵礦的氧化速度最低，表2為不同礦巖燃燒指標(biāo)比較。

表2 不同礦巖燃燒指標(biāo)
通過(guò)對(duì)礦巖發(fā)火燃燒機(jī)理的分析可知：井下防火措施應(yīng)以抑制供氧量為主。這一結(jié)論為礦山防火設(shè)了技術(shù)思路及切入點(diǎn)。

3.2 防火設(shè)計(jì)方案的確定與分析評(píng)怙

為達(dá)到礦山的防火安全目標(biāo)，并根據(jù)礦山的實(shí)際情況，該礦采取了多種方法、措施來(lái)進(jìn)行井下防火設(shè)計(jì)?？偟囊笫牵罕M可能使礦石與空氣接觸的時(shí)間短，從而減少礦石發(fā)生氧化的機(jī)會(huì)，徹底治理火區(qū)事故隱患，消除火災(zāi)的發(fā)生。

1)開(kāi)采技術(shù)措施。選擇合理的開(kāi)拓方式和采礦方法，盡量減少礦層的切割量，少留礦柱，合理布置采區(qū)，快速回采，保證采區(qū)回采時(shí)間少于自然發(fā)火期，回采完畢后及時(shí)封閉采空區(qū)。

2)通風(fēng)防火措施。實(shí)行機(jī)械通風(fēng)，建立可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)通風(fēng)管理，盡量控制新鮮風(fēng)流進(jìn)入崩落區(qū)，并加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)定和管理，以及對(duì)隔火礦柱的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作。

3)阻化劑灌水防火。先后采用灌水滅火降溫、灌泥漿滅火、用石灰作阻化劑灌水滅火等技術(shù)方法來(lái)進(jìn)行防火降溫，各方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 各方案優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)估

通過(guò)3種方案的對(duì)比分析、評(píng)估，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所獲得的監(jiān)測(cè)結(jié)果與性能標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照，該礦最后采用了用石灰作阻化劑灌水滅火的技術(shù)方案來(lái)進(jìn)行防火降溫。

采用該方案時(shí)，該礦向崩落高溫區(qū)大量灌入2%~3%的石灰水，經(jīng)過(guò)1a的大量灌石灰水后，高溫礦巖平均溫度從132.8℃降至77.1℃，灌水后火區(qū)高溫區(qū)的范圍也逐步縮??；灌水前井下水的pH=1，灌水后pH值上升至2～4；大量灌水滅火降溫以前，井下工作面的SO2體積分?jǐn)?shù)為7.74×10-5，通過(guò)大量灌水后井下的SO2體積分?jǐn)?shù)小于5×10-6，達(dá)到了性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在地表，由于礦巖移動(dòng)引起的塌陷區(qū)活動(dòng)導(dǎo)致她氣體冒出，污染大氣環(huán)境。該礦利用塌陷區(qū)周?chē)挠欣匦危瑢?shí)施定向爆破，把巖土拋擲至火區(qū)上方地表，進(jìn)行覆蓋，晟后把泥漿排到覆蓋區(qū)內(nèi)，將覆蓋區(qū)的孔隙充填密實(shí)，取得了很好的效果，陷落區(qū)的SO2體積分?jǐn)?shù)從1.57×10-4下降到5×10-6以下，完全達(dá)到了性能標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)踐證明：對(duì)大面積的崩落區(qū)火區(qū)采用以石灰作阻化劑的大量灌水降溫滅火方法，以及地表覆蓋、井下局部密閉、加強(qiáng)通風(fēng)管理、盡量控制新鮮風(fēng)流進(jìn)入崩落區(qū)，是行之有效的方法，也證明了性能化設(shè)計(jì)方法在礦山防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

利用性能化防火設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合礦山火災(zāi)的特點(diǎn)，對(duì)性能化設(shè)計(jì)方法在礦山防火設(shè)計(jì)的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探討，并介紹了該方法在某礦自然發(fā)火區(qū)防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，證明了性能化方法在礦山防火設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性。

目前研究性能化方法在礦山防火設(shè)計(jì)中應(yīng)用的難點(diǎn)，一方面是沒(méi)有制定出適合礦山防火的性能化規(guī)范體系和性能化標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，由于每起礦山火災(zāi)都有其獨(dú)特的發(fā)展、蔓延特性，都有其不同的火災(zāi)場(chǎng)景，而火災(zāi)場(chǎng)景又決定了火災(zāi)發(fā)展的趨勢(shì)和預(yù)測(cè)目標(biāo)。所以研究火災(zāi)場(chǎng)景模型的設(shè)置是進(jìn)行礦山防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種火災(zāi)模型的開(kāi)發(fā)，對(duì)于礦山火災(zāi)時(shí)期煙氣流的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律等都有了較為深入的研究，這為礦山火災(zāi)的防治提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，將極大地促進(jìn)性能化方法在礦山防火設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用。

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