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礦井火災嚴重程度評價

文檔作者：張興凱文檔來源：中國安全生產科學研究院）		點擊數：	更新時間： 2021年11月19日
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礦井火災嚴重程度評價
張興凱教授
（中國安全生產科學研究院）
學科分類與代碼：620.2030
【摘要】頻發的礦井火災造成了重大的人員傷亡和財產損失。對礦井生產安全的風險評價是提高其本
質安全程度、減少事故發生的重要手段。筆者通過對礦井火災燃燒過程與煙流在井巷里流動過程的分析，建立了
礦井火災煙流最高溫度、煙流氧氣濃度以及污染區域井巷煙流溫度的數學模型；給出了用礦井火災煙流污染范圍、
煙流中氧氣濃度、煙流溫度組成的礦井火災嚴重程度評價模型；建立了火災嚴重程度評價模型的特征線解算方法；
并對一個9 個分支的礦井通風網絡進行了評價計算。
【關鍵詞】礦井火災；風險評價；嚴重程度
Severity Assessment of Mine Fire
ZHANG Xing-kai，Prof.
（China Academy of Safety Science &amp;amp; Technology）
Classification and code of disciplines：620.2030
Abstract： Frequently occurred mine fires result in enormous casualty and property loss. Risk assessment of mine is a very important
means to improve the level of essential safety and to reduce the incidence of accident. Through the analyses of firing process
and smoke flow behavior in tunnel in case of mine fire，a numerical model is established for the highest temperature of the smoke，
the concentration of oxygen in smoke and the temperature of smoke in the tunnel of polluted area. The model provides another
model for severity assessment composed of the scope of pollution owing to smoke，the concentration of oxygen in the smoke and the
temperature of smoke during the mine fire，and the method to resolve the model. And a mine ventilation network with nine subsystems
is assessed through numerical calculation.
Key words： Mine fire Risk assessment Severity
1 前言
2004 年9 月8 日，位于土耳其北部黑海沿岸卡斯塔莫努
省的一座銅礦發生火災，造成19 名礦工死亡。2004 年11 月
20 日發生在河北沙河市一座鐵礦井下的火災，造成70 人死
亡。我國礦井火災事故的發生頻率仍然較高，根據文獻［1］
的資料，在2002 ～ 2004 年，我國共發生一次死亡一人以上（含
一人）礦井火災35 起，累計死亡225 人，其中一次死亡3 人以
上（含3 人）礦井火災事故28 起。眾多的礦井火災，不僅造成
了重大的人員傷亡和財產損失，而且嚴重影響了人們的正常
生產和生活，甚至造成社會的恐慌。
因此，世界主要采礦國家都加強了對礦井火災的防治力
度，投入大量的人力、物力，開發先進的技術手段，預防礦井
火災事故的發生。礦井火災風險評價是預防礦井火災的有
效手段之一。文獻［2］給出了礦井安全狀況的模糊綜合評價
方法。文獻［3］進行了礦井火災原因分析，提出了礦井火災
事故的預防措施。文獻［4］提出了一種基于風險度量理論的
煤礦安全系統評價方法。前人的工作為礦井火災嚴重程度
的定量評價奠定了基礎。由于礦井生產的特殊性，礦井火災
嚴重程度不僅與火災規模有關，還與井巷分布、煙流流動狀
態和范圍等有關。因此，進行礦井火災嚴重程度評價必須首
先確定火災及其煙流的污染情況。
2 礦井火災煙流狀態
2.1 礦井火災的燃燒方程
礦井火災的燃燒方程可用火災煙流中氧氣（或有毒有害
氣體）濃度和煙流最高溫度給出。對于以A 類火災為主的礦
第1 5 卷第4 期
2 0 0 5 年4 月
中國安全科學學報
China Safety Science Journal
Vol . 1 5 No . 4
═══════════════════════════════════════════════════════════════
Apr . 2 0 0 5
井火災，與風流相比，煙流中氣體濃度改變較大的是氧氣、一
氧化碳和二氧化碳。根據質量守恒定律，建立火災煙流濃度
方程式。用氧氣濃度表示的礦井火災燃燒方程式為
?C（O2
）
?t + v?C（O2
）
?x + C（O2
）?v
?t =γKUC（O2
）
S
C（O2
）| t = 0 = C0
C（O2
）| x = 0 = C（O2
）（ t } ）
（1）
式中，C（O2
）——— 煙流氧氣濃度；
C0
——— 火災發生時風流氧氣濃度，即新鮮風流氧氣
濃度；
C（O2
）（ t）——— 火區入風側氧氣濃度；
t——— 火災發生時間，s；
S——— 發生火災井巷斷面積，m2；
v——— 火區煙流速度，m/ s；
γ——— 井巷周邊可燃物所占比例；
U——— 井巷斷面周長，m；
x——— 火區長度，m；
K——— 燃燒反應速度常數，m/ s。
由煤和氧氣反應方程式可知，燃燒生成1 mol 一氧化碳
產生的熱量為q1 kJ，燃燒生成1 mol 二氧化碳產生的熱量為
q2 kJ。因此，可由煙流氧氣濃度計算燃燒生成熱量。在穩定
燃燒條件下，風流流過火區前后靜壓變化很小，若假定風流
定壓比熱為常數，則火區回風側煙流溫度由下式給出
Tm = T0 + 2θC0 （ δq1 + q2
）
φρ0 cp （ 2 +δ）[ 1 - exp(γKUL ) ] Sv
（2）
式中，Tm
———火區回風側煙流溫度，煙流最高溫度，K；
T0
———火區入風側風流溫度，新鮮風流溫度，K；
φ———火區回風側煙流質量流量與入風側風流質量流
量之比，可取1 ～ 1.15；
θ———轉換系數，即燃燒生成熱量與進入煙流熱量之比；
δ———煙流中一氧化碳與二氧化碳濃度之比；
cp
———煙流定壓比熱，kJ（/ kg·K）；
ρ0
———火區入風側風流密度，kg / m3。
2.2 污染區煙流溫度
根據能量守恒定律，建立穩定流動方程式，積分后得污
染區煙流溫度分布模型。忽略動能變化的井巷沿程煙流溫
度方程式為
T = Ak +（T1 - Ak
）exp（- Bkx）
Ak = T0 - Jmg
αbU
Bk =αbU
mc
ü
ý
þ
ïï
ïï
p
（3）
式中，T———距井巷入風側x 處的煙流溫度，K；
m———煙流質量流量，kg / m3；
T1
———井巷入風側煙流溫度，K；
T0
———火災前井巷風流溫度，K；
αb
———煙流與井巷物體間的不穩定傳熱系數，W（/ m2·K）；
J———井巷坡度。
對于由幾條井巷相交的通風系統內節點，由于流入節點
各井巷煙流溫度不同，且煙流摻混過程中的靜壓變化很小，
當混合路徑很短時，可作為絕熱過程，即流入節點各井巷煙
流（風流）焓之和等于流出節點各井巷煙流焓之和。則流出
節點的煙流溫度為
T1 = Σ
N
i = 1
m2icp2iT2i
cp2Σ N
i = 1
m2i
（4）
式中，下標2 表示流入節點井巷回風側煙流溫度；下標1 表
示流出節點井巷入風側煙流溫度；N———流入節點的
井巷數。
對于通風系統內節點，當煙流（風流）流入節點在節點匯
合時，若假定匯合的路徑很短且完成混合時間很短，則煙流
（風流）混合過程可近似為等壓過程。如果假設在混合過程
中，完成混合時間無限小，則流出節點各煙流濃度是均勻的。
流出節點煙流質量濃度為
C1 = Σ
N
i = 1
v2iS2iC2i
Σ N
i = 1
v2iS2i
（5）
3 礦井火災嚴重程度評價
3.1 煙流污染范圍
煙流污染范圍可用兩個指標確定，即有毒有害氣體的濃
度和煙流溫度，火災產生的有毒有害氣體包括一氧化碳、二
氧化碳、硫化物氣體及其他有毒有害氣體等，這些統稱煙流。
由于礦井生產的特殊性，煙流污染與風流流動狀態和路徑
有關。
火災發生t 時刻，煙流到達范圍為
X = v t （6）
式中，X———距離，m；
v———煙流速度，m/ s。
因此，煙流污染范圍是火災及其被火災煙流污染的一系
列巷道的集合。在煙流污染范圍井巷的人員可能中毒、窒息
或被燒傷。如將可能造成人員傷亡的井巷稱為危險井巷。
當滿足下列條件（1）～ 條件（3）之一與條件（4）時，被煙流污
染的井巷即為危險井巷：
（1）Qr
Q > Cy
，其中Qr
為火災煙流產生量，kg / s；Q 為礦
井總風量，m3 / s；Cy
為人員致死、致傷等致害濃度，kg / m3。
（2） Qr
Σ N
i = 1Qi
> Cy
，其中Qi
為火災下風側污染或可能被污
染的井巷的最大風量。
（3）Tr > Ty
，其中Tr
為通風系統的總匯風節點被污染井
巷的最低煙流溫度，Ty
為煙流致死、致傷等致害允許溫度。
（4）煙流已經到達，且C1 > Cy
或T1 > Ty
。
· 26 ·
中國安全科學學報
China Safety Science Journal
第15卷
2005
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年
3.2 火災經濟損失損失
火災總經濟損失等于設備（設施）損失、資源損失、人員
傷亡損失和停產損失之和，可用下式給出：
D =Σ
N
i = 1
（Bi + Zi + Pi + Ci
） （7）
式中，N———火區、污染區的巷道數；
Bi
、Zi
、Pi
、Ci
———第i 個火區或污染區巷道的設備（設
施）損失、資源損失、人員傷亡損失和
停產損失。
對于設備（設施），當煙流溫度超過破壞溫度或由于火災
停產達到需要維修的年限時，即發生設備損失。如井巷由于
火災破壞，需要維修；被火焰烘烤或在高溫煙流井巷中的機
電設備需要維修，甚至報廢。被火災燒掉的或由于火災影響
無法開采的資源為損失的資源。在致死、致傷煙流污染區的
人員是傷亡人員，產生人員傷亡損失。由于火災使正常的
生產過程中斷，導致停產，造成停產損失。
3.3 計算分析
采用特征線差分方法，解算式（1），編寫礦井火災嚴重程
度評價軟件，通過礦井通風網絡解算和礦井火災過程模擬計
算可以獲得礦井火災嚴重程度的定量評價結果。
對于如下圖所示的通風系統，給出其初始數據如表1所
示。通過通風網絡解算和礦井火災過程模擬計算，給出火災
時期的燃燒狀態及煙流污染情況，如表2 ～ 表5 所示。
通風系統圖
表1 初始數據
分支號入，回風節點入，回風標高（m） 風阻（kg / m3） 長度（m） 內熱源熱量（J / s） 巷道斷面積（m2）
1 3，4 - 650，- 500 3.077 500 1 000 5.0
2 6，1 - 200，- 15 0.688 500 0 10.0
3 1，3 - 15，- 650 1.393 700 0 7.0
4 1，2 - 15，- 700 2.090 700 0 7.0
5 3，2 - 650，- 700 1.069 200 0 4.0
6 2，5 - 700，- 450 1.030 500 1 500 5.0
7 4，5 - 500，- 450 1.540 200 0 4.0
8 4，6 - 500，- 200 4.316 500 1 500 7.0
9 5，6 - 450，- 200 2.266 500 1 000 7.0
風機參數：分支號2；風量379 m3 / s，255 m3 / s，543 m3 / s；風壓147.2 Pa，343.4 Pa，490.5 Pa
圍巖參數：恒溫帶標高- 15 m；恒溫帶溫度288.3 K；變溫帶溫度梯度0.015 K/ m；導熱系數 1.5 W（/ m·K）
源點風流參數：節點號1，靜壓101 396 Pa，密度1.21 kg / m3，溫度293 K
火災參數：分支號1，距入風端距離30 m，火區初始長度0.5 m
表2 火災燃燒狀態變化
火災時間（min） 火區長度（m） 火區回風端氧濃度（%） 煙流最高溫度（K） 火焰燃燒速率（m/ s）
0 0.50 21.00 298.3 0.000
1 1.03 20.27 329.0 0.529
5 2.99 18.74 391.9 0.479
10 5.23 16.70 476.1 0.423
15 7.15 14.49 567.0 0.360
20 8.76 12.12 656.1 0.299
表3 火災前系統風流狀態
分支號入，回風節點入，回風端風速（m/ s） 入，回風端溫度（K） 入，回風端密度（kg / m3） 污染長度（m）
1 3，4 2.38，2.47 298.3，304.7 1.27，1.22 0.5
2 6，1 3.29，3.23 296.6，291.2 1.20，1.21 0.0
3 1，3 2.55，2.48 293.1，299.4 1.21，1.26 0.0
4 1，2 2.17，2.12 293.1，299.8 1.21，1.27 0.0
5 3，2 1.38，1.37 298.3，306.9 1.26，1.24 0.0
6 2，5 4.05，4.21 300.9，304.2 1.26，1.21 0.0
7 4，5 0.18，0.18 303.4，302.0 1.22，1.22 0.0
8 4，6 2.00，2.04 303.4，297.7 1.22，1.19 0.0
9 5，6 2.77，2.80 303.0，296.9 1.22，1.20 0.0
· 27 ·
═══════════════════════════════════════════════════════════════
第四期張興凱： 礦井火災嚴重程度評價
表4 火災150 s 時的系統污染狀態
分支號入，回風節點入，回風端風速（m/ s） 入，回風端溫度（K） 入，回風端密度（kg / m3） 污染長度（m）
1 3，4 2.34，2.72 298.6，308.2 1.27，1.20 366.8
2 6，1 3.43，3.39 298.0，293.9 1.19，1.20 0.0
3 1，3 2.55，2.42 293.1，298.6 1.21，1.27 0.0
4 1，2 2.15，2.03 293.1，299.5 1.21，1.27 0.0
5 3，2 1.29，1.30 298.6，301.1 1.27，1.26 0.0
6 2，5 3.87，3.99 299.9，300.8 1.27，1.23 0.0
7 5，4 0.16，0.16 300.8，303.2 1.23，1.22 0.0
8 4，6 2.04，2.07 308.0，298.3 1.20，1.19 0.0
9 5，6 2.76，2.82 300.8，297.7 1.23，1.19 0.0
表5 火災900 s 時的系統污染狀態
分支號入，回風節點入，回風端風速（m/ s） 入，回風端溫度（K） 入，回風端密度（kg / m3） 污染長度（m）
1 3，4 2.06，3.01 298.8，323.8 1.27，1.14 477.2
2 6，1 3.47，3.47 299.4，294.2 1.19，1.20 500
3 1，3 2.38，2.27 293.1，298.8 1.21，1.27 0.0
4 1，2 2.01，1.91 293.1，299.7 1.21，1.27 0.0
5 3，2 1.39，1.39 298.8，301.2 1.27，1.26 0.0
6 2，5 3.79，3.89 300.1，300.8 1.27，1.23 0.0
7 5，4 0.09，0.09 300.8，302.6 1.23，1.23 0.0
8 4，6 2.21，2.16 323.3，301.6 1.15，1.18 500.0
9 5，6 2.73，2.80 300.8，297.8 1.23，1.19 0.0
通過解算還可以給出各巷道的污染時間。在1 號分支發
生火災時，當火災發生193. 8 s 時1 號分支全部被煙流污染，
煙流進入8 號分支。由于在火風壓的作用下，火災過程中
7 號分支風流方向發生逆轉，因此該分支沒有被污染。當火
災發生439.2 s 時，8 號分支被全部污染，煙流進入2 號分支。
當火災發生585.8 s時，2 號分支完全被污染，煙流已流出回風
井。可以看出，煙流污染速度較快，且火區及其附近巷道的
氧氣濃度較低，可以在短時間內使人窒息或中毒。因此，當
火災發生時，應盡快使人員離開污染區或可能污染區。
4 結論
評價模型及其解算結果表明：
（1）對于發生在礦井的明火火災，火災煙流溫度越高、煙
流中氧氣濃度越低，火災后果越嚴重；
（2）發生在進風井巷的火災，容易造成大范圍的污染區，
可能造成的火災損失越大；
（3）礦井火災影響因素是十分復雜的，上述評價方法獲
得評價結果的可信度，取決于模擬計算參數的選取；
（4）使用該方法時，需要有評價專家、設計專家、生產專
家和礦山防滅火專家參加，合理選擇計算的初邊值條件。
由于礦井火災嚴重程度評價計算量較大，對于復雜的通
風系統，必須借助計算機進行通風網絡解算才能獲得最終
結果。
（收稿：2004 年12 月；作者地址：北京市朝陽區惠新西街
17 號；中國安全生產科學研究院；郵編：100029）
參考文獻
1 國家安全生產監督管理局（煤礦安全監察局）. 事故快報［. EB/ OL］Http：/ / www. chinasafety. gov. cn，2005.1.5
2 李國軒等. 礦山安全性評價與安全事故的預防及處理［M］. 北京：中國商業出版社，2001.9
3 沈斐敏. 安全系統工程理論與應用［M］. 北京：煤炭工業出版社，2001.6
4 馬謙杰等. 基于風險度量理論的煤礦安全的系統評價［M］. 中國安全科學學報，2004，14（4）：20 ～ 23，31
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中國安全科學學報
China Safety Science Journal
第15卷
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