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)境都會產(chǎn)生很大的危害。多年來，通過科研人員和現(xiàn)場技術(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)計方法和設(shè)計規(guī)程。但由于各個礦山的開采條件、通風系統(tǒng)、生產(chǎn)裝備差異很大，難以適用統(tǒng)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(shè)計，火災(zāi)性能化設(shè)計方法的產(chǎn)生與發(fā)展為這種思路提供了實現(xiàn)的依據(jù)。

性能化防火設(shè)計是未來消肪設(shè)計的發(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2中給出了礦山防火性能化設(shè)計的定義，并說明了礦山防火性能化設(shè)計可以達到的效果。但性能化的設(shè)計方法在礦山火災(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，結(jié)合我國礦山多年來對自然發(fā)火區(qū)防火所取得的經(jīng)驗，探討丁基于性能化防火設(shè)計的思想和方法在礦山自燃火災(zāi)防治設(shè)計中的應(yīng)用。

1 礦山火災(zāi)的特點

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)空氣流動向各處蔓延，尤其是CO不易擴散沖淡。

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(nèi)空間小，氧氣不充沛，煤或者硫化礦自燃時，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)，從自熱到自燃的過程較長，尤其在礦柱或采空區(qū)的自燃，難于及時發(fā)現(xiàn)。

正是由于礦山火災(zāi)的以上特點，更需要在防火設(shè)計過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)計方法

2.1 基本概念和優(yōu)點

性能化防火設(shè)計方法的概念首先在建筑領(lǐng)域中提出。它的主要特點是在防火設(shè)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(guī)定設(shè)計人員采用某些特定的解決方法。如何達到這一指標要求，采取什么樣的工程措施完全由設(shè)計人員確定，但是設(shè)計人員最終要向?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)計計算方法是得到公認的，審核人員也要利用相應(yīng)的評估工具檢驗設(shè)計方案是否達到安全目標，其設(shè)計步驟如圖1所示。

圖1 性能化設(shè)計方法的流程圖



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

2.2 礦山性能化設(shè)計的性能規(guī)范和防火安全目標

性能化設(shè)計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)計方法的發(fā)展又推動了性能化規(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，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(shè)計的核心所在，是安全系統(tǒng)最終應(yīng)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(fā)生火災(zāi)后，進行火勢控制，最大程度地降低火災(zāi)造成的人員傷亡和財產(chǎn)、設(shè)備的損失，以及火災(zāi)后對環(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；從而增強礦山的防災(zāi)、抗災(zāi)能力，保證礦山生產(chǎn)的正常進行。性能標準是量化的指標，是指單個消防設(shè)備或整個系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)指標，性能標準所提供的臨界值可以在設(shè)計方案中作為計算數(shù)據(jù)使用。礦山防火的性能規(guī)范要求見表1。

表1 礦山防火安全的條統(tǒng)目標



2.3 礦山性能化設(shè)計方案的評估

設(shè)計方案初步確定后，需要對方案實施后的效果是否能實現(xiàn)既定的性能目標進行科學(xué)的檢驗和評估，以便最終確定是否采用該方案?？梢酝ㄟ^以下兩個方面來進行評估：

1)計算機數(shù)值模擬。目前國內(nèi)外有多種商業(yè)軟件可以模擬礦井火災(zāi)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(jié)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(xiàn)場實驗。在發(fā)火區(qū)采用現(xiàn)場實驗，對設(shè)計方案在火災(zāi)防治中的實際應(yīng)用效果進行科學(xué)的觀測、記錄，根據(jù)實測結(jié)果來判斷是否能實現(xiàn)既定的性能目標。

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

3.1 礦巖發(fā)火燃燒機理

某礦礦體含硫量高，自燃傾向性強，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)頁巖的接觸破碎帶內(nèi)。回采崩落硫化物遇氧后發(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)頁巖起到助燃作用。接觸破碎帶及炭質(zhì)頁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比較。

表2 不同礦巖燃燒指標
通過對礦巖發(fā)火燃燒機理的分析可知：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。

3.2 防火設(shè)計方案的確定與分析評怙

為達到礦山的防火安全目標，并根據(jù)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(shè)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(fā)生氧化的機會，徹底治理火區(qū)事故隱患，消除火災(zāi)的發(fā)生。

1)開采技術(shù)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(qū)，快速回采，保證采區(qū)回采時間少于自然發(fā)火期，回采完畢后及時封閉采空區(qū)。

2)通風防火措施。實行機械通風，建立可靠的通風系統(tǒng)，加強通風管理，盡量控制新鮮風流進入崩落區(qū)，并加強通風系統(tǒng)的測定和管理，以及對隔火礦柱的監(jiān)測和預(yù)報工作。

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)方法來進行防火降溫，各方案的優(yōu)缺點對比見表3。

表3 各方案優(yōu)缺點評估

通過3種方案的對比分析、評估，并且通過現(xiàn)場實驗所獲得的監(jiān)測結(jié)果與性能標準的對照，該礦最后采用了用石灰作阻化劑灌水滅火的技術(shù)方案來進行防火降溫。

采用該方案時，該礦向崩落高溫區(qū)大量灌入2%~3%的石灰水，經(jīng)過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?。还嗨熬滤膒H=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體積分數(shù)為7.74×10-5，通過大量灌水后井下的SO2體積分數(shù)小于5×10-6，達到了性能標準的要求。

在地表，由于礦巖移動引起的塌陷區(qū)活動導(dǎo)致她氣體冒出，污染大氣環(huán)境。該礦利用塌陷區(qū)周圍的有利地形，實施定向爆破，把巖土拋擲至火區(qū)上方地表，進行覆蓋，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，取得了很好的效果，陷落區(qū)的SO2體積分數(shù)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、加強通風管理、盡量控制新鮮風流進入崩落區(qū)，是行之有效的方法，也證明了性能化設(shè)計方法在礦山防火設(shè)計中的應(yīng)用是可行的。

4 結(jié)語

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

目前研究性能化方法在礦山防火設(shè)計中應(yīng)用的難點，一方面是沒有制定出適合礦山防火的性能化規(guī)范體系和性能化標準；另一方面，由于每起礦山火災(zāi)都有其獨特的發(fā)展、蔓延特性，都有其不同的火災(zāi)場景，而火災(zāi)場景又決定了火災(zāi)發(fā)展的趨勢和預(yù)測目標。所以研究火災(zāi)場景模型的設(shè)置是進行礦山防火設(shè)計的關(guān)鍵步驟。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和各種火災(zāi)模型的開發(fā)，對于礦山火災(zāi)時期煙氣流的速度場、溫度場、污染物濃度場的運動分布規(guī)律等都有了較為深入的研究，這為礦山火災(zāi)的防治提供了堅實的理論基礎(chǔ)，將極大地促進性能化方法在礦山防火設(shè)計中的推廣應(yīng)用。

參考文獻：

1 戚宜欣.礦井火災(zāi)煙流溫度場及濃度場的數(shù)值模擬J.西安礦冶學(xué)院學(xué)報，1994(1)：26-33

2 周福寶，王德明.礦山火災(zāi)防治的性能化設(shè)計方法J.金屬礦山，2004(10)：55-58

3 倪照鵬，邱培芳.我國開展建筑性能化防火設(shè)計技術(shù)研究的思路J.消肪科學(xué)與技術(shù)，2002，9(5)：18-23

4 隋鵬程.中國礦山災(zāi)害M.長沙：湖南人民出版社，1998

5 方正，程彩霞，盧兆明.性能化防火設(shè)計方法的發(fā)展及其實施建議J.自然災(zāi)害學(xué)報，2003，12(1)：63-68

6 田玉敏.以性能為基礎(chǔ)的建筑防火設(shè)計探討J.建筑防火，2002(3)：3-7

7 伍愛友，肖國清.性能化設(shè)計方法在高層建筑防火設(shè)計中的應(yīng)用J.中國安全科學(xué)學(xué)報，2006，16(1)：83-87

8 王浩波，霍然.關(guān)于性能化防火分析與設(shè)計規(guī)程的討論J.消防科學(xué)與技術(shù)，2f103，7(22)：281-284