第七講 火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流的紊亂

2/1/2023礦井火災(zāi)防治理論與技術(shù)第七講火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流的紊亂第一節(jié)火災(zāi)時(shí)期常見的風(fēng)流紊亂形式

一旦礦井發(fā)生火災(zāi)事故，不管是內(nèi)因火災(zāi)還是外因火災(zāi)，由于是缺氧燃燒，往往成生大量的有毒有害氣體及高溫?zé)熈?。如果煙流流?jīng)的通道不暢通以及火源溫度特別高，生成大量的煙霧，則往往容易造成礦井風(fēng)流局部或全礦性的紊亂，煙流可能侵入不該到達(dá)的區(qū)域。如果沒有正確的防范措施，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致事故的擴(kuò)大，造成更大的傷亡事故。例如1947年1月30

波蘭莫澤尤夫礦，采區(qū)上山發(fā)生火災(zāi)，由于礦井通風(fēng)管理薄弱，加之領(lǐng)導(dǎo)對(duì)火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流的變化規(guī)律缺乏知識(shí)，處理不當(dāng)，以至位于火區(qū)上風(fēng)側(cè)遠(yuǎn)離火源的采區(qū)遭到有毒氣體的侵襲，致使２５人物股喪生。

1)礦井概況

通風(fēng)系統(tǒng)示意圖(圖6-33a)與網(wǎng)路圖(圖6-33b)只繪出了與火災(zāi)有關(guān)部分。風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)井筒進(jìn)入生產(chǎn)水平后，通過大巷、石門(2-3-1-5)分別流向礦井兩翼的各個(gè)煤層采區(qū)。西翼采區(qū)因自然發(fā)火封閉，生產(chǎn)安排在東翼采區(qū)和西翼的上階段。暗井是從上階段下放重車的通道。

2)事故發(fā)生經(jīng)過火災(zāi)的發(fā)生是由于封閉的老火區(qū)復(fù)燃外延引燃了鄰近采區(qū)上山(3)的木支架造成的。事故發(fā)生的當(dāng)天一位區(qū)長(zhǎng)曾于12點(diǎn)30分檢查工作路過此地，并且發(fā)覺從火區(qū)密封墻上向外涌出青煙，這時(shí)井下各個(gè)采區(qū)都在照常工作，但42min后，突然從原來上風(fēng)的暗井下口向石門涌出大量濃煙，摻入新風(fēng)，毒化了位于上風(fēng)頭的采區(qū)。因?yàn)闆]有估計(jì)到火勢(shì)的發(fā)展，沒有預(yù)料到火煙會(huì)從暗井下涌，所以沒有通知和撤出東翼采區(qū)的工人，以致25人中毒犧牲。

3)事故原因及教訓(xùn)此次事故的發(fā)生完全是由于老火區(qū)封閉不嚴(yán)，燃燒外延而引起，基層領(lǐng)導(dǎo)也未能給予足夠的重視，盡管發(fā)現(xiàn)火情而卻未能及時(shí)處理，以致釀成了此次事故，從中可以總結(jié)出如下的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：(1)在處理礦井火災(zāi)時(shí)，尤其針對(duì)發(fā)生在上行風(fēng)流中的火災(zāi)，首先要著眼于控制火勢(shì)的發(fā)展，以減小火風(fēng)壓的生成，這就要求將直接滅火法放在首位。同時(shí)要求在火源前面張掛臨時(shí)風(fēng)簾，以減少向火源點(diǎn)供風(fēng)達(dá)到減弱火勢(shì)的目的。(2)在火源前面張掛風(fēng)簾一是可以減少向火區(qū)供風(fēng)，控制火勢(shì)發(fā)展，同時(shí)也起了增大火區(qū)支路風(fēng)阻穩(wěn)定風(fēng)流的作用。但在瓦斯礦井要十分注意檢查火源與風(fēng)簾之間的巷道里是否有局部積聚的瓦斯。(3)保證回風(fēng)系統(tǒng)的排煙道路暢通，因此，在排煙的道路上如果有風(fēng)窗存在，要及時(shí)開啟，如果能找到一條臨時(shí)的通道使煙流短路，以最小的阻力排出礦井就更為理想。不過關(guān)鍵在于日常對(duì)礦井回風(fēng)系統(tǒng)的管理，保持回風(fēng)道支架完整，斷面足夠大，風(fēng)速無超限的區(qū)段，沒有局部阻塞是十分重要的。(4)在上行風(fēng)流中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在排煙的線路上已經(jīng)撤出人員的情況下，千萬不能停．止主扇運(yùn)轉(zhuǎn)，更不允許輕易采取反風(fēng)措施。1、基本概念1、直接煙侵區(qū)——火災(zāi)時(shí)期，風(fēng)流保持正常流動(dòng)時(shí)，火煙隨風(fēng)流流動(dòng)直接侵入的地區(qū)。2、主干風(fēng)路——從入風(fēng)井經(jīng)火源到風(fēng)井扇風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器流出的風(fēng)路。3、旁側(cè)支路——除主干風(fēng)路以外的支路。4、節(jié)點(diǎn)——通風(fēng)網(wǎng)路中的起始點(diǎn)、分風(fēng)點(diǎn)與匯風(fēng)點(diǎn)。5、火風(fēng)壓——礦井火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)路中出現(xiàn)的附加熱風(fēng)壓，即火災(zāi)時(shí)期自然風(fēng)壓的增量。2、風(fēng)流紊亂的形式1）旁側(cè)支路風(fēng)流的逆轉(zhuǎn)火災(zāi)時(shí)期火煙可能從主干風(fēng)路的排煙段分出一股煙流流朝著最近的旁側(cè)支路逆流流動(dòng)。2）主干風(fēng)路風(fēng)流的逆退火災(zāi)時(shí)期火煙可能一方面從主干風(fēng)路的排煙段排出，另一方面還可能充滿巷道全斷面逆著主干風(fēng)路的進(jìn)風(fēng)方向朝著最近的節(jié)點(diǎn)流去。3）火煙的回流在火源上風(fēng)頭巷道同一斷面內(nèi)既有新鮮風(fēng)流沿著底板保持原有方向向火源流動(dòng)，同時(shí)又有煙流沿著頂板逆風(fēng)回退。第二節(jié)火風(fēng)壓的生成與計(jì)算

1、火風(fēng)壓的概念

礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通風(fēng)網(wǎng)路中出現(xiàn)的附加熱風(fēng)壓稱為火風(fēng)壓。也有人稱火風(fēng)壓為礦井火災(zāi)時(shí)期自然風(fēng)壓的增量。

局部火風(fēng)壓：礦井發(fā)生、火災(zāi)后，高溫火煙流經(jīng)每段傾斜或垂直的井巷時(shí)，在局部區(qū)段上產(chǎn)生的火風(fēng)壓。

全礦火風(fēng)壓：礦井發(fā)生火災(zāi)后，高溫火煙流經(jīng)每段傾斜或垂直井巷時(shí)，所產(chǎn)生的局部火風(fēng)壓的總值(代數(shù)和)。

2、局部火風(fēng)壓的計(jì)算

1)流體靜力學(xué)方法

根據(jù)火風(fēng)壓的定義知：火風(fēng)壓，即火災(zāi)時(shí)期礦井自然風(fēng)壓的增量，等于發(fā)火后礦井的自然風(fēng)壓值與發(fā)火前礦井的自然風(fēng)壓值之差。如圖6-6a、b、c所示為礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，若在出風(fēng)井井底車場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)后，局部火風(fēng)壓hf為：火風(fēng)壓hf的計(jì)算式中：Z——高溫?zé)熈髁鹘?jīng)傾斜或垂直巷道的標(biāo)高差；m；

ρ0——火災(zāi)前后巷道空氣密度；kg/m3；

g——重力加速度；m/s2；

Tf——火災(zāi)后巷道風(fēng)流平均溫度；oK；△t——發(fā)火前后巷道溫度的平均增值；℃；從上式可以看出：Z值愈大，亦即高溫?zé)熈髁鹘?jīng)井巷始末兩端的標(biāo)高差愈大，hf值愈大；火源燃燒熾烈，煙量大而溫高，△t值大，hf

值也大；在平巷內(nèi)，Z值近似為零，hf

值甚小，無火風(fēng)壓。2)熱動(dòng)力學(xué)方法

根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)的原理，火風(fēng)壓為火災(zāi)時(shí)期礦井自然風(fēng)壓的增量，其推導(dǎo)的計(jì)算公式為：式中：Z——高溫?zé)熈髁鹘?jīng)傾斜或垂直巷道的標(biāo)高差；m；

ρf——火災(zāi)前后巷道空氣密度；kg/m3；

g——重力加速度；m/s2；

T0——火災(zāi)前巷道風(fēng)流平均溫度；oK；△t——發(fā)火前后巷道溫度的平均增值；℃；這兩個(gè)計(jì)算公式：流體靜力學(xué)方法偏小，熱動(dòng)力學(xué)方法偏大。由兩個(gè)公式可以看出：Z值越大，即高溫?zé)熈髁鹘?jīng)井巷始末兩端的標(biāo)高差愈大，hf值愈大；△t值越大，即火源燃燒越大，煙煙流溫度越高，hf

值也大；Z值為0，hf為零。即在平巷內(nèi)不產(chǎn)生火風(fēng)壓。火風(fēng)壓的方向永遠(yuǎn)向上。

3、煙流的溫度及其計(jì)算方法

1)影響煙流溫度的因素

煙流溫度對(duì)火風(fēng)壓值起著決定性的作用，在煙流排出的過程中，沿程各點(diǎn)的溫度取決于下述因素：

①火源點(diǎn)燃燒物的燃燒溫度；②距火源點(diǎn)的距離及通過該點(diǎn)的煙量；③在火源與該點(diǎn)之間，從其它支路參入的風(fēng)量及其溫度。

2)燃燒溫度煤炭充分燃燒(供氧充足)生成CO2時(shí)，其燃燒溫度可達(dá)2500℃。缺氧燃燒不充分時(shí)，生成大量的CO，其燃燒溫度可達(dá)140O℃。

燃燒溫度即火焰的溫度，因熱量是從物質(zhì)燃燒的火焰中放出的，燃燒物質(zhì)不同，火焰的溫度也不相同。表6-1列出幾種燃燒物的燃燒溫度。表6-1礦井常見燃燒物燃燒溫度表燃燒物燃燒溫度（℃）燃燒物燃燒溫度（℃）煙煤1647煤油700-1030木材100-1177甲烷1800汽油

1200

CO

1680

3)煙流溫度計(jì)算煙流在排往出風(fēng)井口的過程中，隨著遠(yuǎn)離火源，溫度逐漸降低。如圖所示的巷道，周長(zhǎng)L(m)，煙流流過的單元長(zhǎng)度dx，單元長(zhǎng)度巷道壁每秒吸收的熱量為dQ(J／s)，則有；式中:dQ——單元長(zhǎng)度巷道壁每秒的吸熱量，J／s；△T——距火源點(diǎn)x(m)處煙流溫度的增值，K；

α——對(duì)流傳熱系數(shù)(換熱系數(shù))，當(dāng)煙流流過巷道時(shí)，其溫度變化1K時(shí)，每秒在1m2的巷壁上所吸收的熱量(J／m2K)；α值可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式求得：

α=2+α＇v1/2

或α=2+α＇v2/3在礦井條件下α＇取5-10；v為煙流速度，m／s。煙流流過巷道單元長(zhǎng)度的失熱量為：式中：dQ——煙流的失熱量，J／s；

G—煙流量，kg／s；

CP——定壓比熱，J／kg.K；

dT——在單元長(zhǎng)度(dx)內(nèi)煙流溫度的下降值，K。令則積分整理得式中：△T0——火源點(diǎn)溫度的增值，K。從公式(6-18)可以看出，△T隨煙量的增多而增高，隨火源點(diǎn)的距離增大而減小。下面給出一個(gè)實(shí)側(cè)可以看出煙流距火源的距離x(m)及煙量G(kg／s)對(duì)煙流冷卻程度的影響。（6-18）(6-17)單元長(zhǎng)度巷道壁面的吸熱量等于煙流失熱量。∴

例：煙流流經(jīng)斷面為6m2、周長(zhǎng)1Om的梯形巷道，取α′=7，Cp=1.005kJ／kgK，煙流密度ρs=101kg／m3。求煙流速度為0.1、0.5、1.0、3.0、6.0m／s時(shí)，距離火源xm處的溫度增值△T與火源溫度增值△T0之比。根據(jù)公式(6-18)計(jì)算，其結(jié)果列如表6-2。表6-2煙流速度不同，距火源距離不同時(shí)，火煙溫度降低程度表0.10.51.03.06.00.133.86100.89155.82279.95439.380.0167.72201.78311.63595.90878.750.001

101.58

302.66

467.45

893.85

1313.13

距火源點(diǎn)X(m)V(m/s)△T/△T0從上表可以看出：煙速愈低，距火源的距離愈遠(yuǎn)，則火煙溫度的降低程度愈大，反之則相反。譬如，發(fā)火以后，在火源前方(上風(fēng)側(cè))建立臨時(shí)防火墻或懸掛風(fēng)簾，以控制對(duì)火源的供風(fēng)，使煙量減少，煙速降低，這對(duì)控制其溫度增值將是有效的。如將煙速控制在0.1m／s時(shí)，從表6-2可以看出，在距火源10lm處，火煙溫度的增值△T僅是火源點(diǎn)溫度增值△T0

的千分之一。若火源溫度增值為100O℃，則在101m處僅比原來的氣溫增高1℃。反之，如不采取措施截?cái)喙╋L(fēng)，煙速為6.0m／s時(shí)，則只有在距火源1313m的地方，才能出現(xiàn)與上述相同的結(jié)果。因此，減少火源點(diǎn)的供風(fēng)是冷卻煙流，降低局部火風(fēng)壓的存效措施。

4)摻入風(fēng)流后煙流溫度的計(jì)算設(shè)煙流的溫度為Ts，摻入風(fēng)流的溫度為TV混合后的溫度為：(6-19)式中:Tm——摻入風(fēng)流后，混合氣體的溫度，K；

CPs、CPv、CPm——分別代表煙流、摻入風(fēng)流以及混合后氣體的比熱，(J／kg.K)；

ms、mv——混合氣體中煙流與風(fēng)流各占的百分比，(ms+mv=1)。取則(6-2O)當(dāng)煙流溫度為Ts=50O℃，風(fēng)流溫度Tv=20℃時(shí)，根據(jù)摻入煙流的風(fēng)量不同，所計(jì)算得的混合氣體溫度如表6-3。表6-3滲入煙流的風(fēng)量不同，混合氣體的溫度表mv（%）10203040506070Tm（℃）452404352308260212146從表6-3看出，摻入風(fēng)量有降低煙溫的作用，但是并不顯著。而且向火煙中摻入新風(fēng)使其溫度下降以減少局部火風(fēng)壓的方法，只有當(dāng)火煙溫度低于其本身的著火溫度，而且也低于流經(jīng)巷道中可燃物的著火溫度時(shí)才能采用，否則摻入新風(fēng)的地方，不管是由于火煙本身發(fā)生燃燒，還是由于煤或坑木發(fā)生燃燒，都可能產(chǎn)生再生火源。應(yīng)當(dāng)指出的是，在回風(fēng)系統(tǒng)的巷道中設(shè)置水幕，一旦發(fā)生火災(zāi)，在排煙的沿途，啟動(dòng)使之噴淋，對(duì)降低煙流的溫度是十分顯著的，國內(nèi)外在使用這一方法中不僅收到了降低煙溫的作用，而且起到阻火的效果，將火災(zāi)控制在一定的范圍內(nèi)，阻止其蔓延。

綜上所述，火災(zāi)發(fā)生時(shí)控制供風(fēng)，以阻止火勢(shì)發(fā)展、降低火源點(diǎn)及排出煙流的溫度；啟動(dòng)水幕系統(tǒng)，阻火降溫等都是減少局部火風(fēng)壓生成、防止風(fēng)流紊亂的可行措施。在排煙的沿途摻入新風(fēng)降溫的措施則是有條件的，只有在不引起再生火源的條件下，方可采用。

4、再生火源

井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，原生火源排出的高溫?zé)熈髟诹鹘?jīng)的沿途摻入新風(fēng)的地點(diǎn)再次著火，并引燃木支架或煤壁所生成的火源稱之為再生火源。

從原生火源排出的火煙具有高溫的特點(diǎn)，在流經(jīng)的巷道中，如果沒有新風(fēng)流的參入，煙流因缺氧無法引燃巷道中的可燃物。但如果高溫?zé)熈髁鹘?jīng)的巷道有新風(fēng)流的參入，當(dāng)煙流溫度高于巷道中可燃物（木背板、木支架、電纜、皮帶等）的著火點(diǎn)時(shí)高溫?zé)熈鲗⒃趨⑿嘛L(fēng)的地點(diǎn)再次發(fā)生燃燒，形成再生火源。再生火源的產(chǎn)生，將是非常危險(xiǎn)的，它將使事故擴(kuò)大、造成風(fēng)流紊亂。產(chǎn)生再生火源的危險(xiǎn)性與火煙的溫度、成分有密切的關(guān)系，在下列幾種條件下都可能產(chǎn)生再生火源。

1)富燃料再生火源

當(dāng)火災(zāi)氣體從火源排出后，煙流溫度非常高，高于火災(zāi)氣體的著火溫度，且含有大量的可燃成分，由于缺氧而不能燃燒。當(dāng)有新鮮風(fēng)流參入時(shí)，有了供氧條件，就會(huì)在匯合點(diǎn)燃燒并引燃巷道中的可燃物。這類火災(zāi)往往發(fā)生在巷道的交叉點(diǎn)。燃燒的火災(zāi)氣體點(diǎn)燃支架、煤壁，電纜等，立即形成交叉點(diǎn)處的再生火源。

2)富氧再生火源

當(dāng)高溫火災(zāi)氣體含有足夠量的氧，但可燃性氣體成分不多時(shí)，它本身雖不能燃燒，但是在它流經(jīng)的沿途一遇可燃物，就有可能產(chǎn)生再生火源。

3)引起煤炭自燃含有一定濃度可燃?xì)怏w的火煙，雖然它的溫度低于自燃或點(diǎn)燃其它可燃物的溫度，但是由于救災(zāi)延續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，在其流過的沿途與煤巷壁面接觸能使煤壁溫度提高，如果在煤壁內(nèi)存在裂隙或裂縫，由于溫度增高，有可能引起煤的自燃或瓦斯燃燒而形成再生火源。

再生火源可能發(fā)生在一個(gè)地方，也可能發(fā)生在排煙沿途的多個(gè)地點(diǎn)。再生火源的發(fā)生使救災(zāi)工作復(fù)雜化，為此在撲滅火災(zāi)時(shí)，一定要注意了解從火源點(diǎn)到風(fēng)井排煙的沿途是否存在發(fā)生再生火源的條件。綜上所述，產(chǎn)生再生火源的條件可以概括為以下三個(gè)方面：

①火災(zāi)氣體的成份；②火煙溫度；③可燃物的分布情況。（1）火災(zāi)燃燒的時(shí)間愈長(zhǎng)，再生火源發(fā)生的可能性愈大。因此，如果短時(shí)間內(nèi)不能控制火勢(shì)和完成滅火工作時(shí)，必須根據(jù)具體情況采取冷卻火煙、煤壁與支架的措施。最有效的降低溫度的方法是設(shè)立水幕，水幕既可以冷卻煙流，又可以阻擋火勢(shì)蔓延。（2）可以采用改變火煙排出路線的方法以防再生火源的發(fā)生，例如令高溫?zé)熈魍ㄟ^不燃性材料支護(hù)的巖巷。（3）在火源前方構(gòu)筑防火墻以減少向火區(qū)供風(fēng)。5、災(zāi)變時(shí)期的火源分類1）富氧燃燒（非受限燃燒）火源燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體在燃燒中已基本耗盡?；鹪聪嘛L(fēng)側(cè)氧氣濃度保持15%以上。2）富燃料燃燒（受限燃燒、貧氧燃燒）火源燃燒時(shí)火勢(shì)大、溫度高，火源產(chǎn)生大量炙熱揮發(fā)性氣體與主風(fēng)流混合形成炙熱煙流，煙流中氧氣濃度低于2%。性質(zhì)分類富燃料燃燒受限燃燒富氧燃燒非受限燃燒基本特征燃料多，供氧不足燃料不足，供氧多特點(diǎn)火勢(shì)范圍大，火勢(shì)大，蔓延快火勢(shì)范圍小，火勢(shì)小，蔓延慢耗氧多，剩余氧少（2%左右）耗氧少，剩余氧多（15%左右）剩余大量可燃揮發(fā)物可燃揮發(fā)物基本耗盡易引起再生火源與爆炸不易引起再生火源與爆炸危險(xiǎn)性大危險(xiǎn)性小3）礦井火災(zāi)火源分帶富燃料燃燒火災(zāi)火源分帶圖

1—冷卻帶；2—焦化帶；3—燃燒帶；4—高溫?zé)峤鈳В?—剩余燃料帶；6—預(yù)熱帶；O2—氧氣濃度；∑C—可燃?xì)怏w濃度；tf—溫度。富氧燃燒火災(zāi)火源分帶圖1—冷卻帶；2—焦化帶；3—燃燒帶；4—預(yù)熱帶。4）富燃料火災(zāi)危險(xiǎn)性5）富燃料類火災(zāi)的防治

富燃料燃燒取決于可燃物的類型、數(shù)量及供氧量。可燃物越容易引燃，燃料數(shù)量越大，供氧量相對(duì)于燃料量不足(如停風(fēng)、減風(fēng)、巷道垮塌等)，空氣預(yù)熱溫度越高，則發(fā)生富燃料類火災(zāi)的可能性越大。富燃料燃燒還取決于巷道斷面的大小，下風(fēng)側(cè)可燃物種類、數(shù)量和分