礦山自燃火災的性能化防火設計方法探討
作者：中國礦業商務網
2008-12-15 00:00
來源：不詳
摘要：根據礦山火災的特點，並結合礦山自然發火區防火的現場經驗，探討了性能化方法在自燃礦山防火
設計中的應用。給出了礦山防火的性能目標的廣義定義，充分發揮性能化防火
設計方法在
安全目標的確定性、
設計方法的靈活性和評估驗證的必要性等方麵的優點，能有效地對礦山火災進行防治、救援，為礦山自燃火災的防治提供新的
設計思路。同時探討了性能化設計方法在礦山防火設計中的研究難點和應用前景。
關鍵詞：自燃火災；性能化設計；性能目標；火災場景
礦山火災是礦井重大災害之一。井下一旦發生火災，對井下人員的生命 安全、礦井設備、礦產資源以及地表環境都會產生很大的危害。多年來，通過科研人員和現場技術人員的共同努力，摸索 總結出了很多卓有成效的礦山防火設計方法和設計 01manbetx 。但由於各個礦山的開采條件、通風係統、生產裝備差異很大，難以適用統一的 標準。因此，要做好礦山防火工作，必須要有突出個性化特點的設計，火災性能化設計方法的產生與發展為這種思路提供了實現的依據。
性能化防火設計是未來消肪設計的發展方向，也是消防 安全工程技術發展的必然趨勢和結果。目前，已有學者研究性能化方法在礦山火災防治中的應用，文獻[2]中給出了礦山防火性能化設計的定義，並說明了礦山防火性能化設計可以達到的效果。但性能化的設計方法在礦山火災防治領域中涉及較少，在礦山防火中的應用研究還處於摸索階段。
筆者根據礦山內因火災的特點，結合我國礦山多年來對自然發火區防火所取得的經驗，探討丁基於性能化防火設計的思想和方法在礦山自燃火災防治設計中的應用。
1 礦山火災的特點
1)礦內火災是在有限空間的井巷中發生的，火焰及有毒氣體隨巷道內空氣流動向各處蔓延，尤其是CO不易擴散衝淡。
2)井下空間狹窄，滅火困難，不便采用大型強力滅火器滅火。
3)礦內空間小，氧氣不充沛，煤或者硫化礦自燃時，產生的有毒氣體，特別是CO，SO 2的含量極高，易致人死亡。
4)內因火災征兆不明顯，開始僅以井下空氣的溫度和濕度緩慢增加而顯現，從自熱到自燃的過程較長，尤其在礦柱或采空區的自燃，難於及時發現。
正是由於礦山火災的以上特點，更需要在防火設計過程中尋求適合礦山火災防治的技術和方法。
2 性能化防火設計方法
2.1 基本概念和優點
性能化防火設計方法的概念首先在建築領域中提出。它的主要特點是在防火設計時僅提出消防 安全所需要的性能要求或指標，而不明確規定設計人員采用某些特定的解決方法。如何達到這一指標要求，采取什麼樣的工程 措施完全由設計人員確定，但是設計人員最終要向審核人員證明其所選擇的解決方法是安全可靠的，所采用的設計計算方法是得到公認的，審核人員也要利用相應的評估工具檢驗設計方案是否達到安全目標，其設計步驟如圖1所示。
圖1 性能化設計方法的流程圖
與傳統的“處方式”規範相比，性能化防火設計具有三大特點：安全目標的確定性、設計方法的靈活性和評估驗證的必要性。性能化設計方法更為科學合理，具有更大的靈活性，有助於發揮設計人員的才華和創造性。
2.2 礦山性能化設計的性能規範和防火安全目標
性能化設計方法是建立在消防安全工程學原理與方法之上的，性能化設計方法的發展又推動了性能化規範的發展。性能化規範的作用是製定防火安全的係統目標，包括社會性目標、功能性目標、性能要求。防火安全目標是進行性能化設計的核心所在，是安全係統最終應達到的總體效果，包括了“性能目標和性能 標準”兩個具體的項目。
礦山防火的性能目標就是：礦山發生火災後，進行火勢控製，最大程度地降低火災造成的人員傷亡和財產、設備的損失，以及火災後對環境的影響；或對火災 02manbetx.com 隱患區的治理，徹底消除火災的發生；從而增強礦山的防災、抗災能力，保證礦山生產的正常進行。性能 標準是量化的指標，是指單個消防設備或整個係統的有關技術指標，性能 標準所提供的臨界值可以在設計方案中作為計算數據使用。礦山防火的性能規範要求見表1。
表1 礦山防火安全的條統目標
2.3 礦山性能化設計方案的評估
設計方案初步確定後，需要對方案實施後的效果是否能實現既定的性能目標進行科學的檢驗和評估，以便最終確定是否采用該方案。可以通過以下兩個方麵來進行評估：
1)計算機數值模擬。目前國內外有多種商業軟件可以模擬礦井火災時期煙氣流的速度、溫度、壓力分布，以及有毒、有害氣體的擴散變化情況。通過模擬結果，很容易判斷出是否符合性能目標，從而確定是否采納方案。
2)現場實驗。在發火區采用現場實驗，對設計方案在火災防治中的實際應用效果進行科學的觀測、記錄，根據實測結果來判斷是否能實現既定的性能目標。
3 性能化方法在礦山自燃火災防火設計中的應用
3.1 礦岩發火燃燒機理
某礦礦體含硫量高，自燃傾向性強，引起礦岩自燃的主要物質是黃鐵礦，發生的氧化反應式為
礦石自燃主要發生在礦體與炭質頁岩的接觸破碎帶內。回采崩落硫化物遇氧後發生氧化放熱反應，熱量聚積一定程度後形成礦石自燃，而其上部的炭質頁岩起到助燃作用。接觸破碎帶及炭質頁岩中的黃鐵礦的氧化速度較快，而灰岩含礦帶中黃鐵礦的氧化速度最低，表2為不同礦岩燃燒指標比較。
表2 不同礦岩燃燒指標
通過對礦岩發火燃燒機理的 03manbetx 可知：井下防火 措施應以抑製供氧量為主。這一結論為礦山防火設了技術思路及切入點。
3.2 防火設計方案的確定與 03manbetx 評怙
為達到礦山的防火安全目標，並根據礦山的實際情況，該礦采取了多種方法、 措施來進行井下防火設計。總的要求是：盡可能使礦石與空氣接觸的時間短，從而減少礦石發生氧化的機會，徹底治理火區 02manbetx.com 隱患，消除火災的發生。
1)開采 技術 措施。選擇合理的開拓方式和采礦方法，盡量減少礦層的切割量，少留礦柱，合理布置采區，快速回采，保證采區回采時間少於自然發火期，回采完畢後及時封閉采空區。
2)通風防火措施。實行機械通風，建立可靠的通風係統，加強通風 管理，盡量控製新鮮風流進入崩落區，並加強通風係統的測定和 管理，以及對隔火礦柱的監測和預報工作。
3)阻化劑灌水防火。先後采用灌水滅火降溫、灌泥漿滅火、用石灰作阻化劑灌水滅火等技術方法來進行防火降溫，各方案的優缺點對比見表3。
表3 各方案優缺點評估
通過3種方案的對比 03manbetx 、評估，並且通過現場實驗所獲得的監測結果與性能標準的對照，該礦最後采用了用石灰作阻化劑灌水滅火的技術方案來進行防火降溫。
采用該方案時，該礦向崩落高溫區大量灌入2%~3%的石灰水，經過1a的大量灌石灰水後，高溫礦岩平均溫度從132.8℃降至77.1℃，灌水後火區高溫區的範圍也逐步縮小；灌水前井下水的pH=1，灌水後pH值上升至2～4；大量灌水滅火降溫以前，井下工作麵的SO 2體積分數為7.74×10 -5，通過大量灌水後井下的SO 2體積分數小於5×10 -6，達到了性能標準的要求。
在地表，由於礦岩移動引起的塌陷區活動導致她氣體冒出，汙染大氣環境。該礦利用塌陷區周圍的有利地形，實施定向爆破，把岩土拋擲至火區上方地表，進行覆蓋，晟後把泥漿排到覆蓋區內，將覆蓋區的孔隙充填密實，取得了很好的效果，陷落區的SO 2體積分數從1.57×10 -4下降到5×10 -6以下，完全達到了性能標準。
實踐證明：對大麵積的崩落區火區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、加強通風 管理、盡量控製新鮮風流進入崩落區，是行之有效的方法，也證明了性能化設計方法在礦山防火設計中的應用是可行的。
4 結語
利用性能化防火設計方法的優點，結合礦山火災的特點，對性能化設計方法在礦山防火設計的應用進行了初步的探討，並介紹了該方法在某礦自然發火區防火設計中的應用，證明了性能化方法在礦山防火設計中應用的可行性。
目前研究性能化方法在礦山防火設計中應用的難點，一方麵是沒有製定出適合礦山防火的性能化規範體係和性能化標準；另一方麵，由於每起礦山火災都有其獨特的發展、蔓延特性，都有其不同的火災場景，而火災場景又決定了火災發展的趨勢和預測目標。所以研究火災場景模型的設置是進行礦山防火設計的關鍵步驟。
隨著計算機技術的發展和各種火災模型的開發，對於礦山火災時期煙氣流的速度場、溫度場、汙染物濃度場的運動分布規律等都有了較為深入的研究，這為礦山火災的防治提供了堅實的理論基礎，將極大地促進性能化方法在礦山防火設計中的推廣應用
關鍵詞：自燃火災；性能化設計；性能目標；火災場景
礦山火災是礦井重大災害之一。井下一旦發生火災，對井下人員的生命 安全、礦井設備、礦產資源以及地表環境都會產生很大的危害。多年來，通過科研人員和現場技術人員的共同努力，摸索 總結出了很多卓有成效的礦山防火設計方法和設計 01manbetx 。但由於各個礦山的開采條件、通風係統、生產裝備差異很大，難以適用統一的 標準。因此，要做好礦山防火工作，必須要有突出個性化特點的設計，火災性能化設計方法的產生與發展為這種思路提供了實現的依據。
性能化防火設計是未來消肪設計的發展方向，也是消防 安全工程技術發展的必然趨勢和結果。目前，已有學者研究性能化方法在礦山火災防治中的應用，文獻[2]中給出了礦山防火性能化設計的定義，並說明了礦山防火性能化設計可以達到的效果。但性能化的設計方法在礦山火災防治領域中涉及較少，在礦山防火中的應用研究還處於摸索階段。
筆者根據礦山內因火災的特點，結合我國礦山多年來對自然發火區防火所取得的經驗，探討丁基於性能化防火設計的思想和方法在礦山自燃火災防治設計中的應用。
1 礦山火災的特點
1)礦內火災是在有限空間的井巷中發生的，火焰及有毒氣體隨巷道內空氣流動向各處蔓延，尤其是CO不易擴散衝淡。
2)井下空間狹窄，滅火困難，不便采用大型強力滅火器滅火。
3)礦內空間小，氧氣不充沛，煤或者硫化礦自燃時，產生的有毒氣體，特別是CO，SO 2的含量極高，易致人死亡。
4)內因火災征兆不明顯，開始僅以井下空氣的溫度和濕度緩慢增加而顯現，從自熱到自燃的過程較長，尤其在礦柱或采空區的自燃，難於及時發現。
正是由於礦山火災的以上特點，更需要在防火設計過程中尋求適合礦山火災防治的技術和方法。
2 性能化防火設計方法
2.1 基本概念和優點
性能化防火設計方法的概念首先在建築領域中提出。它的主要特點是在防火設計時僅提出消防 安全所需要的性能要求或指標，而不明確規定設計人員采用某些特定的解決方法。如何達到這一指標要求，采取什麼樣的工程 措施完全由設計人員確定，但是設計人員最終要向審核人員證明其所選擇的解決方法是安全可靠的，所采用的設計計算方法是得到公認的，審核人員也要利用相應的評估工具檢驗設計方案是否達到安全目標，其設計步驟如圖1所示。
圖1 性能化設計方法的流程圖
與傳統的“處方式”規範相比，性能化防火設計具有三大特點：安全目標的確定性、設計方法的靈活性和評估驗證的必要性。性能化設計方法更為科學合理，具有更大的靈活性，有助於發揮設計人員的才華和創造性。
2.2 礦山性能化設計的性能規範和防火安全目標
性能化設計方法是建立在消防安全工程學原理與方法之上的，性能化設計方法的發展又推動了性能化規範的發展。性能化規範的作用是製定防火安全的係統目標，包括社會性目標、功能性目標、性能要求。防火安全目標是進行性能化設計的核心所在，是安全係統最終應達到的總體效果，包括了“性能目標和性能 標準”兩個具體的項目。
礦山防火的性能目標就是：礦山發生火災後，進行火勢控製，最大程度地降低火災造成的人員傷亡和財產、設備的損失，以及火災後對環境的影響；或對火災 02manbetx.com 隱患區的治理，徹底消除火災的發生；從而增強礦山的防災、抗災能力，保證礦山生產的正常進行。性能 標準是量化的指標，是指單個消防設備或整個係統的有關技術指標，性能 標準所提供的臨界值可以在設計方案中作為計算數據使用。礦山防火的性能規範要求見表1。
表1 礦山防火安全的條統目標
2.3 礦山性能化設計方案的評估
設計方案初步確定後，需要對方案實施後的效果是否能實現既定的性能目標進行科學的檢驗和評估，以便最終確定是否采用該方案。可以通過以下兩個方麵來進行評估：
1)計算機數值模擬。目前國內外有多種商業軟件可以模擬礦井火災時期煙氣流的速度、溫度、壓力分布，以及有毒、有害氣體的擴散變化情況。通過模擬結果，很容易判斷出是否符合性能目標，從而確定是否采納方案。
2)現場實驗。在發火區采用現場實驗，對設計方案在火災防治中的實際應用效果進行科學的觀測、記錄，根據實測結果來判斷是否能實現既定的性能目標。
3 性能化方法在礦山自燃火災防火設計中的應用
3.1 礦岩發火燃燒機理
某礦礦體含硫量高，自燃傾向性強，引起礦岩自燃的主要物質是黃鐵礦，發生的氧化反應式為
礦石自燃主要發生在礦體與炭質頁岩的接觸破碎帶內。回采崩落硫化物遇氧後發生氧化放熱反應，熱量聚積一定程度後形成礦石自燃，而其上部的炭質頁岩起到助燃作用。接觸破碎帶及炭質頁岩中的黃鐵礦的氧化速度較快，而灰岩含礦帶中黃鐵礦的氧化速度最低，表2為不同礦岩燃燒指標比較。
表2 不同礦岩燃燒指標
通過對礦岩發火燃燒機理的 03manbetx 可知：井下防火 措施應以抑製供氧量為主。這一結論為礦山防火設了技術思路及切入點。
3.2 防火設計方案的確定與 03manbetx 評怙
為達到礦山的防火安全目標，並根據礦山的實際情況，該礦采取了多種方法、 措施來進行井下防火設計。總的要求是：盡可能使礦石與空氣接觸的時間短，從而減少礦石發生氧化的機會，徹底治理火區 02manbetx.com 隱患，消除火災的發生。
1)開采 技術 措施。選擇合理的開拓方式和采礦方法，盡量減少礦層的切割量，少留礦柱，合理布置采區，快速回采，保證采區回采時間少於自然發火期，回采完畢後及時封閉采空區。
2)通風防火措施。實行機械通風，建立可靠的通風係統，加強通風 管理，盡量控製新鮮風流進入崩落區，並加強通風係統的測定和 管理，以及對隔火礦柱的監測和預報工作。
3)阻化劑灌水防火。先後采用灌水滅火降溫、灌泥漿滅火、用石灰作阻化劑灌水滅火等技術方法來進行防火降溫，各方案的優缺點對比見表3。
表3 各方案優缺點評估
通過3種方案的對比 03manbetx 、評估，並且通過現場實驗所獲得的監測結果與性能標準的對照，該礦最後采用了用石灰作阻化劑灌水滅火的技術方案來進行防火降溫。
采用該方案時，該礦向崩落高溫區大量灌入2%~3%的石灰水，經過1a的大量灌石灰水後，高溫礦岩平均溫度從132.8℃降至77.1℃，灌水後火區高溫區的範圍也逐步縮小；灌水前井下水的pH=1，灌水後pH值上升至2～4；大量灌水滅火降溫以前，井下工作麵的SO 2體積分數為7.74×10 -5，通過大量灌水後井下的SO 2體積分數小於5×10 -6，達到了性能標準的要求。
在地表，由於礦岩移動引起的塌陷區活動導致她氣體冒出，汙染大氣環境。該礦利用塌陷區周圍的有利地形，實施定向爆破，把岩土拋擲至火區上方地表，進行覆蓋，晟後把泥漿排到覆蓋區內，將覆蓋區的孔隙充填密實，取得了很好的效果，陷落區的SO 2體積分數從1.57×10 -4下降到5×10 -6以下，完全達到了性能標準。
實踐證明：對大麵積的崩落區火區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、加強通風 管理、盡量控製新鮮風流進入崩落區，是行之有效的方法，也證明了性能化設計方法在礦山防火設計中的應用是可行的。
4 結語
利用性能化防火設計方法的優點，結合礦山火災的特點，對性能化設計方法在礦山防火設計的應用進行了初步的探討，並介紹了該方法在某礦自然發火區防火設計中的應用，證明了性能化方法在礦山防火設計中應用的可行性。
目前研究性能化方法在礦山防火設計中應用的難點，一方麵是沒有製定出適合礦山防火的性能化規範體係和性能化標準；另一方麵，由於每起礦山火災都有其獨特的發展、蔓延特性，都有其不同的火災場景，而火災場景又決定了火災發展的趨勢和預測目標。所以研究火災場景模型的設置是進行礦山防火設計的關鍵步驟。
隨著計算機技術的發展和各種火災模型的開發，對於礦山火災時期煙氣流的速度場、溫度場、汙染物濃度場的運動分布規律等都有了較為深入的研究，這為礦山火災的防治提供了堅實的理論基礎，將極大地促進性能化方法在礦山防火設計中的推廣應用
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