第七講 火災時期風流的紊亂

2/1/2023礦井火災防治理論與技術第七講火災時期風流的紊亂第一節(jié)火災時期常見的風流紊亂形式

一旦礦井發(fā)生火災事故，不管是內因火災還是外因火災，由于是缺氧燃燒，往往成生大量的有毒有害氣體及高溫煙流。如果煙流流經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流局部或全礦性的紊亂，煙流可能侵入不該到達的區(qū)域。如果沒有正確的防范措施，將會造成嚴重的后果，導致事故的擴大，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，由于礦井通風管理薄弱，加之領導對火災時期風流的變化規(guī)律缺乏知識，處理不當，以至位于火區(qū)上風側遠離火源的采區(qū)遭到有毒氣體的侵襲，致使２５人物股喪生。

1)礦井概況

通風系統示意圖(圖6-33a)與網路圖(圖6-33b)只繪出了與火災有關部分。風流從進風井筒進入生產水平后，通過大巷、石門(2-3-1-5)分別流向礦井兩翼的各個煤層采區(qū)。西翼采區(qū)因自然發(fā)火封閉，生產安排在東翼采區(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)生經過火災的發(fā)生是由于封閉的老火區(qū)復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)生的當天一位區(qū)長曾于12點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，這時井下各個采區(qū)都在照常工作，但42min后，突然從原來上風的暗井下口向石門涌出大量濃煙，摻入新風，毒化了位于上風頭的采區(qū)。因為沒有估計到火勢的發(fā)展，沒有預料到火煙會從暗井下涌，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)事故原因及教訓此次事故的發(fā)生完全是由于老火區(qū)封閉不嚴，燃燒外延而引起，基層領導也未能給予足夠的重視，盡管發(fā)現火情而卻未能及時處理，以致釀成了此次事故，從中可以總結出如下的經驗教訓：(1)在處理礦井火災時，尤其針對發(fā)生在上行風流中的火災，首先要著眼于控制火勢的發(fā)展，以減小火風壓的生成，這就要求將直接滅火法放在首位。同時要求在火源前面張掛臨時風簾，以減少向火源點供風達到減弱火勢的目的。(2)在火源前面張掛風簾一是可以減少向火區(qū)供風，控制火勢發(fā)展，同時也起了增大火區(qū)支路風阻穩(wěn)定風流的作用。但在瓦斯礦井要十分注意檢查火源與風簾之間的巷道里是否有局部積聚的瓦斯。(3)保證回風系統的排煙道路暢通，因此，在排煙的道路上如果有風窗存在，要及時開啟，如果能找到一條臨時的通道使煙流短路，以最小的阻力排出礦井就更為理想。不過關鍵在于日常對礦井回風系統的管理，保持回風道支架完整，斷面足夠大，風速無超限的區(qū)段，沒有局部阻塞是十分重要的。(4)在上行風流中發(fā)生火災時，在排煙的線路上已經撤出人員的情況下，千萬不能停．止主扇運轉，更不允許輕易采取反風措施。1、基本概念1、直接煙侵區(qū)——火災時期，風流保持正常流動時，火煙隨風流流動直接侵入的地區(qū)。2、主干風路——從入風井經火源到風井扇風機擴散器流出的風路。3、旁側支路——除主干風路以外的支路。4、節(jié)點——通風網路中的起始點、分風點與匯風點。5、火風壓——礦井火災時期通風網路中出現的附加熱風壓，即火災時期自然風壓的增量。2、風流紊亂的形式1）旁側支路風流的逆轉火災時期火煙可能從主干風路的排煙段分出一股煙流流朝著最近的旁側支路逆流流動。2）主干風路風流的逆退火災時期火煙可能一方面從主干風路的排煙段排出，另一方面還可能充滿巷道全斷面逆著主干風路的進風方向朝著最近的節(jié)點流去。3）火煙的回流在火源上風頭巷道同一斷面內既有新鮮風流沿著底板保持原有方向向火源流動，同時又有煙流沿著頂板逆風回退。第二節(jié)火風壓的生成與計算

1、火風壓的概念

礦井發(fā)生火災時，通風網路中出現的附加熱風壓稱為火風壓。也有人稱火風壓為礦井火災時期自然風壓的增量。

局部火風壓：礦井發(fā)生、火災后，高溫火煙流經每段傾斜或垂直的井巷時，在局部區(qū)段上產生的火風壓。

全礦火風壓：礦井發(fā)生火災后，高溫火煙流經每段傾斜或垂直井巷時，所產生的局部火風壓的總值(代數和)。

2、局部火風壓的計算

1)流體靜力學方法

根據火風壓的定義知：火風壓，即火災時期礦井自然風壓的增量，等于發(fā)火后礦井的自然風壓值與發(fā)火前礦井的自然風壓值之差。如圖6-6a、b、c所示為礦井通風系統示意圖，若在出風井井底車場發(fā)生火災后，局部火風壓hf為：火風壓hf的計算式中：Z——高溫煙流流經傾斜或垂直巷道的標高差；m；

ρ0——火災前后巷道空氣密度；kg/m3；

g——重力加速度；m/s2；

Tf——火災后巷道風流平均溫度；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，亦即高溫煙流流經井巷始末兩端的標高差愈大，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，Z值近似為零，hf

值甚小，無火風壓。2)熱動力學方法

根據熱動力學的原理，火風壓為火災時期礦井自然風壓的增量，其推導的計算公式為：式中：Z——高溫煙流流經傾斜或垂直巷道的標高差；m；

ρf——火災前后巷道空氣密度；kg/m3；

g——重力加速度；m/s2；

T0——火災前巷道風流平均溫度；oK；△t——發(fā)火前后巷道溫度的平均增值；℃；這兩個計算公式：流體靜力學方法偏小，熱動力學方法偏大。由兩個公式可以看出：Z值越大，即高溫煙流流經井巷始末兩端的標高差愈大，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。即在平巷內不產生火風壓?；痫L壓的方向永遠向上。

3、煙流的溫度及其計算方法

1)影響煙流溫度的因素

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

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

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

燃燒溫度即火焰的溫度，因熱量是從物質燃燒的火焰中放出的，燃燒物質不同，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)煙流溫度計算煙流在排往出風井口的過程中，隨著遠離火源，溫度逐漸降低。如圖所示的巷道，周長L(m)，煙流流過的單元長度dx，單元長度巷道壁每秒吸收的熱量為dQ(J／s)，則有；式中:dQ——單元長度巷道壁每秒的吸熱量，J／s；△T——距火源點x(m)處煙流溫度的增值，K；

α——對流傳熱系數(換熱系數)，當煙流流過巷道時，其溫度變化1K時，每秒在1m2的巷壁上所吸收的熱量(J／m2K)；α值可按下面的經驗公式求得：

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

例：煙流流經斷面為6m2、周長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，距離火源xm處的溫度增值△T與火源溫度增值△T0之比。根據公式(6-18)計算，其結果列如表6-2。表6-2煙流速度不同，距火源距離不同時，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，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(上風側)建立臨時防火墻或懸掛風簾，以控制對火源的供風，使煙量減少，煙速降低，這對控制其溫度增值將是有效的。如將煙速控制在0.1m／s時，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，如不采取措施截斷供風，煙速為6.0m／s時，則只有在距火源1313m的地方，才能出現與上述相同的結果。因此，減少火源點的供風是冷卻煙流，降低局部火風壓的存效措施。

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

CPs、CPv、CPm——分別代表煙流、摻入風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流各占的百分比，(ms+mv=1)。取則(6-2O)當煙流溫度為Ts=50O℃，風流溫度Tv=20℃時，根據摻入煙流的風量不同，所計算得的混合氣體溫度如表6-3。表6-3滲入煙流的風量不同，混合氣體的溫度表mv（%）10203040506070Tm（℃）452404352308260212146從表6-3看出，摻入風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使其溫度下降以減少局部火風壓的方法，只有當火煙溫度低于其本身的著火溫度，而且也低于流經巷道中可燃物的著火溫度時才能采用，否則摻入新風的地方，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，都可能產生再生火源。應當指出的是，在回風系統的巷道中設置水幕，一旦發(fā)生火災，在排煙的沿途，啟動使之噴淋，對降低煙流的溫度是十分顯著的，國內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，將火災控制在一定的范圍內，阻止其蔓延。

綜上所述，火災發(fā)生時控制供風，以阻止火勢發(fā)展、降低火源點及排出煙流的溫度；啟動水幕系統，阻火降溫等都是減少局部火風壓生成、防止風流紊亂的可行措施。在排煙的沿途摻入新風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)生火災時，原生火源排出的高溫煙流在流經的沿途摻入新風的地點再次著火，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，在流經的巷道中，如果沒有新風流的參入，煙流因缺氧無法引燃巷道中的可燃物。但如果高溫煙流流經的巷道有新風流的參入，當煙流溫度高于巷道中可燃物（木背板、木支架、電纜、皮帶等）的著火點時高溫煙流將在參新風的地點再次發(fā)生燃燒，形成再生火源。再生火源的產生，將是非常危險的，它將使事故擴大、造成風流紊亂。產生再生火源的危險性與火煙的溫度、成分有密切的關系，在下列幾種條件下都可能產生再生火源。

1)富燃料再生火源

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

2)富氧再生火源

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

3)引起煤炭自燃含有一定濃度可燃氣體的火煙，雖然它的溫度低于自燃或點燃其它可燃物的溫度，但是由于救災延續(xù)時間過長，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)生在一個地方，也可能發(fā)生在排煙沿途的多個地點。再生火源的發(fā)生使救災工作復雜化，為此在撲滅火災時，一定要注意了解從火源點到風井排煙的沿途是否存在發(fā)生再生火源的條件。綜上所述，產生再生火源的條件可以概括為以下三個方面：

①火災氣體的成份；②火煙溫度；③可燃物的分布情況。（1）火災燃燒的時間愈長，再生火源發(fā)生的可能性愈大。因此，如果短時間內不能控制火勢和完成滅火工作時，必須根據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立水幕，水幕既可以冷卻煙流，又可以阻擋火勢蔓延。（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，例如令高溫煙流通過不燃性材料支護的巖巷。（3）在火源前方構筑防火墻以減少向火區(qū)供風。5、災變時期的火源分類1）富氧燃燒（非受限燃燒）火源燃燒產生的揮發(fā)性氣體在燃燒中已基本耗盡?；鹪聪嘛L側氧氣濃度保持15%以上。2）富燃料燃燒（受限燃燒、貧氧燃燒）火源燃燒時火勢大、溫度高，火源產生大量炙熱揮發(fā)性氣體與主風流混合形成炙熱煙流，煙流中氧氣濃度低于2%。性質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，供氧多特點火勢范圍大，火勢大，蔓延快火勢范圍小，火勢小，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性大危險性小3）礦井火災火源分帶富燃料燃燒火災火源分帶圖

1—冷卻帶；2—焦化帶；3—燃燒帶；4—高溫熱解帶；5—剩余燃料帶；6—預熱帶；O2—氧氣濃度；∑C—可燃氣體濃度；tf—溫度。富氧燃燒火災火源分帶圖1—冷卻帶；2—焦化帶；3—燃燒帶；4—預熱帶。4）富燃料火災危險性5）富燃料類火災的防治

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