火灾防治理论与技术第一章

第一章 矿井火灾学基础 第一节 火灾发生的三要素第二节 燃烧的分类及形式第三节 矿井燃烧产物及其危害 第一节 火灾发生的三要素 矿井火灾的定义 矿井火灾是指发生在矿井井下或地面井口附近 威胁矿井安全生产 形成灾害的一切非控制燃烧 是煤矿生产中的主要自然灾害之一 根据发生火灾的原因可以将矿井火灾分为 内因火灾和外因火灾两大类 内因火灾亦称煤炭自燃火灾 是指煤因氧化产热而自然发火产生的火灾 外因火灾又称外源火灾 是指外部热源如明火 机械冲击与摩擦 电流短路 静电等引燃可燃物造成的火灾 内因火灾是矿井火灾的主要形式 它约占矿井火灾总数的90 外因火灾虽然发生次数较少 但造成的灾害程度最严重 国内外有记载的重大恶性火灾事故 90 以上属于外因火灾 矿井火灾分类 火灾发生的三要素 燃烧要发生需要满足三个方面的条件 可燃物 热源和氧气 O2 通常称为燃烧三要素 只有在三要素同时具备的条件下燃烧才有可能发生 同样 燃烧发生后 如果缺少任一条件 燃烧就会熄灭 可燃物 源 热 氧 气 几乎所有的有火焰的燃烧都会在氧气浓度低于10 12 时熄灭 但是低温干馏性的燃烧却要在氧气浓度低于2 时才会熄灭 瓦斯在氧气浓度低于12 的空气中会失去爆炸性 矿井可燃物及其特性 1 煤 煤是一种以碳质为主的多相异性层状有机复合体 其含碳量在约70 变质程度低的褐煤 到96 变质程度高的无烟煤 间 次烟煤和烟煤的含碳量位于两者之间 除了有机质外 煤中还混有大量的矿物质如黄铁矿类 亚铁盐类以及其它的无机杂质 它是由在严格的地热和压力的外部条件下由植物转化而形成的均质岩相组分 煤显微成分 组成的 这是一个生物化学过程 常见煤种的燃烧热值 1 固体可燃物 燃点是可燃固体被加热到一定温度 遇明火发生持续燃烧时的最低温度 是表示可燃物着火燃烧难易程度的重要指标 根据各种不同变质程度煤的燃点可区分不同煤种的燃烧危险性 褐煤的燃点最低 危险性最高 烟煤居中 无烟煤的燃点最高 危险性最低 此外 由燃点和变质程度的关系可以得出如下规律 即 变质称度越高的煤 燃点越高 燃烧的危险性越小 煤的燃点 常见煤种的燃点 煤的热分解 煤燃烧后产物主要以气态形式存在 如CO CO2等 也包括液态的水和固态的焦炭等物质 煤受热后 首先干燥而后可燃性气体开始析出 在一定的温度和供氧条件下 可燃性气体在煤颗粒周围着火燃烧 形成光亮的火焰 燃烧特点是 速度快 温度高 火焰长 时间短 发展猛烈 当所析出的可燃气体燃尽后 煤颗粒才开始燃烧起来 固体热分解温度指可燃固体受热发生分解的初始温度 其与可燃固体燃烧危险性的关系为 可燃固体的热分解温度越低 燃点也越低 燃烧的危险性越大 反之 亦然 矿井下不同地区不同煤种的热分解温度 2 坑木 主要成分是碳 50 氢 6 4 和氧 42 6 还有少量的氮 0 01 0 2 以及其他元素 0 8 0 9 但不含其它燃料中常含有的硫元素 坑木中还含有水分 水分多少随坑木干燥程度而不同 一般而言 坑木中的含水量冬天略低于10 夏天为12 左右 含水量越多 坑木越不易燃烧 导热性和导电性都较高 不同坑木的燃烧热不同 但大致都在2X104kJ kg左右 坑木的组成 坑木的热分解 由于井下高温环境或火源的加热 导致坑木发生分解 在不同的温度下分解的气体成分和含量不同 130 时 首先是水的蒸发 接着开始微弱的分解 到150 时开始显著的分解 200 时纤维素开始分解 270 380 开始剧烈的分解 坑木分解时在不同温度下 分解产物的体积及各种气体成分的百分比见下表 坑木分解时产物体积及各种气体成分的百分比 坑木的燃烧特点 坑木的燃烧大体分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段 有焰燃烧是坑木受热分解出的可燃气体的燃烧 同煤析出的可燃气体燃烧一样 它的特点是燃烧速度快 燃烧量大 占整个坑木燃烧重量的70 火焰温度高 燃烧时间短 发展猛烈 可燃气消耗殆尽时 坑木中的碳才开始出现无焰燃烧 即表面燃烧 3 胶带 目前的矿井运输胶带一般采用三种材料 丁二烯橡胶 SBR 简称丁苯橡胶 氯丁 二烯 橡胶 NP 和聚氯乙烯 PVC 这些材料的混合型材料也同样在矿井中使用 为了提高带体的阻燃性 通常采用的技术手段是添加含锑 磷 卤等元素的有机与无机阻燃剂 胶带的组成 中国矿业大学曾利用锥形量热仪对煤矿井下常用的聚氯乙烯 PVC 阻燃输送带 非阻燃橡胶输送带 CR 以及坑木等材料在热释放性能 CO生成速率等燃烧特性进行了试验 试验结果表明 非阻燃的CR输送带的热释放速率远远大于PVC阻燃输送带和坑木 其最大热释放速率和平均热释放速率分别比后两者大55 和40 左右 阻燃PVC输送带的CO生成率远远大于坑木和非阻燃CR输送带 随着辐射能量的增加 PVC输送带中CO生成率变化微小 其平均数值0 1203kg kg 比坑木和CR输送带大出90 和80 这说明PVC输送带虽阻燃效果明显 产生热量相对较少 但其着火后产生有毒有害气体的数量多 危害性大 故仍需进一步改进阻燃胶带的防火性能 胶带的燃烧性 2 气体可燃物 煤矿井下常见气体可燃物有甲烷 CH4 乙烷 C2H6 乙烯 C2H4 一氧化碳 CO 氢气 H2 硫化氢 H2S 等 在矿井下 危害最大的可燃气体就是瓦斯 它的爆炸往往造成大量的人员伤亡 设备和通风设施的破坏 巷道坍塌 给矿井带来了灾难性后果 气体燃烧不需要像固体 液体那样经过熔化 分解 蒸发等过程 所以燃烧速度较固体和液体快 常见可燃气体与空气按化学当量比配制的混合气体在直径为25 4mm的管道中 测试的燃烧速度列于下表 对于甲烷的体积百分数为9 10 时 燃烧速度达到了最大值 气体可燃物的燃烧热 矿井下常见可燃气体的燃烧热 气体可燃物的燃烧温度 燃烧温度是指可燃物所产生的热量将燃烧产物加热到的最高温度 矿井下常见气体可燃物的燃烧温度 3 液体可燃物 煤矿井下的液体可燃物主要是各种油料 就数量 发生频次以及造成危害的程度而言 它们在矿井可燃物中所占据的份额较固体和气体可燃物小 这里简单介绍 闪点是衡量燃烧液体火灾危险性的一个重要参数 根据物质的闪点 可以区分各种液体燃烧危险性的大小 显然 液体的闪点越低 它的危险性也就越大 只有液体处于闪点以上温度时 才有着火的危险 我国在危险化学品分类时 对于易燃液体按照闪点的大小分为三类 第一类 低闪点液体 闪点温度低于 18 的液体 第二类 中闪点液体 闪点温度在 18 到低于23 的液体 第三类 高闪点液体 闪点温度在23 到低于61 的液体 常见液体的闪点见下表 常见液体的闪点 矿井的热源 热源是触发燃烧的必要因素 在矿井里 煤的自燃 瓦斯 煤尘燃烧与爆炸 放炮作业 机械摩擦生热 电流短路火花 电气设备运转不良产生的过热 吸烟 烧焊以及其它明火都可能是引火的热源 氧气 燃烧实际上就是剧烈的氧化 任何燃烧过程 如果缺乏足够的氧气 都难以持续 所以说 氧气的供给是维持燃烧 形成火灾必不可少的条件 但作为助燃物的氧气也必须达到一定的浓度燃烧才能发生 几乎所有的有火焰的燃烧都会在氧气浓度低于10 12 时熄灭 但是低温干馏性的燃烧 如煤自燃 却要在氧气浓度低于2 时才会熄灭 瓦斯在氧气浓度低于12 的空气中会失去爆炸性 火灾发生的三要素对矿井防灭火的的启示是什么 一切防灭火技术都是围绕这三要素展开 其目的就是为了消除三要素中的任何一个或全部 如向采空区或火区内注黄泥或粉煤灰浆 水起到降温消除热源作用 固体不燃介质 黄泥 煤煤灰 覆盖在易自燃的浮煤上阻止了煤与氧气的接触 如注惰性气体 CO2 N2等 则是为降低氧气浓度 使燃烧缺少氧气 再例如直接灭火中挖出固体可燃物的方法 破坏了燃烧三角形中代表可燃物这条边 是最简单 最彻底的灭火方法 第二节 燃烧的分类及形式 1 基本燃烧形式 分解燃烧表面燃烧蒸发燃烧扩散燃烧预混燃烧 根据可燃物燃烧过程的差异 燃烧可分为五种基本燃烧形式 分解燃烧 分解燃烧出现于固体和部分液体燃料的燃烧中 在燃烧过程中 可燃物首先遇热分解 热分解产物和氧气反应发生燃烧产生火焰 矿井火灾中前期和中期的大部分燃烧现象都属于这一类型 木材在空气中燃烧 失去水分 火源首先加热木材 木材发生热分解 产生燃烧火焰放出热量 继续加热木材 释放出挥发性气体 表面燃烧 无火焰的固体燃烧 发生于固体燃料燃烧的后期 固体可燃物燃烧时 例如木材的燃烧 不断分解出挥发性气体 而挥发性气体燃烧放出的热量继续维持新的固体燃料热分解和燃烧 当原来燃烧的燃料所含挥发性气体完全分解后 只剩下不能分解 气化的固体炭 这时 燃烧在焦炭与空气的接触表面进行 称为表面燃烧 固体燃料呈红热表面 但没有火焰 燃烧的速度与可燃物的表面积有关 蒸发燃烧 液体燃烧不是液相燃烧而是液体蒸发所产生的蒸汽与空气混合发生着火 可燃性液体如酒精 苯等 由于液体蒸发产生的蒸气被点燃起火而形成的 萘 硫磺等在常温下虽为固体 但它们熔点低 在受热后会升华产生蒸气或熔融后产生蒸气 因而同样能够引起蒸发燃烧 扩散燃烧 可燃气体从管道孔口或巷道局部空间流出 在与空气汇合时 可燃气体与空气靠分子间扩散而混合 当其混合浓度达到燃烧界限时 遇火源在该范围内就会发生燃烧 并随着可燃气体和氧气的不断补给 混合 使燃烧得以继续 这种燃烧形式称为扩散燃烧 在煤矿井下的采空区或者采煤工作面 有时候会发生瓦斯涌出遇到点火源而燃烧的现象 这种燃烧就属于扩散燃烧 如果燃烧很稳定 一般情况下是不会发生爆炸的 只要及时加以扑灭 就不会带来重大的人员伤亡 预混燃烧 在井下一定环境条件下 可燃气体与空气在着火前已经预先充分混合 且其浓度处于燃烧 爆炸 界限之内 遇火源即会发生燃烧 称为预混燃烧 这种燃烧在混合气体分布空间快速蔓延 在一定条件下还会转变为爆炸 矿井火灾引起的爆炸事故往往是由预混燃烧引起的 因为扩散燃烧仅在很小的扩散区内进行 分解燃烧也仅在小范围的空气与挥发物混和界面进行 作用范围小 富氧燃烧和富燃料燃烧 富氧燃烧是供氧充分的燃烧 受限空间内可燃物燃烧数量小 供氧充足的燃烧 下风侧氧浓度一般在15 以上 这类燃烧的特点是耗氧量少 火源范围小 火势强度小和蔓延速度较低 富氧燃烧和富燃料燃烧 富燃料燃烧受限空间内可燃物燃烧数量大 供氧不足的燃烧 下风侧氧浓度一般低于5 可能会产生爆燃或爆炸和 跳蛙 现象 燃烧从富氧燃烧发展到富燃料燃烧是一很重要的过程 一旦转变为富燃料燃烧 表明火势大 供风不足 预示着发生灾难的危险性和严重性大大增加 在该环境下必须及时撤离包括救护队员在内的所有人员 富燃料燃烧实验 跳蛙 现象 轰燃与回燃 轰燃 flashover 和回燃 backdraft 是受限空间火灾中对火灾过程产生突然而巨大影响的两种特殊火行为 由于它们对人员的安全构成特别严重的威胁 故受到国内外火灾科学研究人员的关注 成为当前火灾科学研究中的一个热点 轰燃 轰然是受限空间火灾局部缓慢燃烧发展到空间内所有可燃物突然全面快速燃烧的特殊火行为 其特点是在一定受限空间中所有的可燃物几乎同时被点燃 轰燃的形成 受限空间火灾通常分为3个阶段 发展阶段 完全发展阶段和熄灭阶段 在火灾的发展阶段与完全发展阶段之间有一个温度急剧上升的狭窄区 通常称为轰燃区 如图所示 它是火灾发展的重要转折阶段 受限空间火灾发展过程示意图 轰燃现象 发展期火势发展较小 火灾是局部和低强度的 当热量聚集到一定的程度 更大范围的可燃物被点燃 从而产生更大的热量 最后使整个空间内的可燃物全部被点燃 由于该过程发生得很快 所有可燃物有一种突然同时被点燃的效应 故称轰燃 轰燃发生时从外观上看形成一片火海 是受限空间火灾由局部燃烧向全面燃烧的瞬间快速过渡过程 矿井巷道内坑木发生轰燃后的景象 煤矿井下的轰燃现象 井下可燃物荷载分布较多的地点就易发生轰然现象 如输送机胶带巷道发生火灾时 如果火焰的热辐射强度足够引燃其下端一定距离外的胶带并且风流不足以对燃烧的持续构成影响时 那么就容易发生胶带火焰逐段蔓延的局部轰燃现象 该现象最初被形象的称为 跳火 即火焰沿烟流流动方向下端的胶带面蔓延开来 逐段的传播下去 这种现象对火灾的传播速度影响较大 它能加快火灾沿胶带表面的传播速度 试验表明其数值可达10m min 回燃 回燃是指富燃料燃烧产生的高温不完全燃烧产物 烟气 遇新鲜空气时发生的快速爆燃现象 在矿井火灾中常出现的再生火灾或次生火灾通常就是指的回燃现象 回燃发生的必要条件可以归纳为两点 1 存在前导燃烧 形成大量未燃的高温可燃组分 2 这种高温可燃组分与新鲜空气的突然接触 回燃过程 回燃的发展过程 火没了 可以进去了 曼哈顿一个三层建筑火灾中 二楼的消防队员被一楼突然喷上的火烧死上海一栋高层建筑的民居发生火灾 窗户破裂喷出火球 众多的案例 据FireSafetyJournal中的一篇文章统计 1969 1976 美国 英国和加拿大关于烟气爆炸的127件案例中 与回燃有关的就有109件 为什么要研究回燃 突发性和强大的破坏性 3 矿井燃烧产物及其危害 燃烧产物主要以气态形式存在 通常称为烟气 其成分主要取决于可燃物的组成和燃烧条件 大部分属于有机化合物 它们主要由碳 氢 氧 硫 磷等元素组成 在空气充足的条件下 燃烧产物主要是完全燃烧产物 不完全燃烧产物的数量很少 如果空气不足或温度过低 不完全燃烧产物量相对增多 火灾烟气从物质组成来讲是一种很复杂的混合物 主要包括三个部分 1 可燃物热解或燃烧产生的气相燃烧产物 如CO2 CO 水蒸气等 2 未完全燃烧的液 固相分解物和冷凝物微小颗粒 3 未燃的气态可燃物和卷吸混入的大量空气 燃烧产物对人和环境造成很大的危害 主要表现在三个方面 1 缺氧 窒息作用 2 毒性 刺激性和腐蚀性 3 高温气体的热损伤作用 一氧化碳 CO CO是一种无色 无味 无臭的气体 相对密度为0 97 微溶于水 能与空气均匀地混合 CO能燃烧 浓度在13 75 时有爆炸的危险 CO与人体血液中血红素的亲合力比氧大200 300倍 血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞 一旦CO进入人体后 首先就与血液中的血红素相结合 因而减少了血红素与氧结合的机会 使血红素失去输氧的功能 从而造成人体血液 窒息 HbCO指数 CO随空气吸入后 通过肺泡进入血液循环 与血液中的血红蛋白 Hb 和血液外的其他某些含铁蛋白质 如肌红蛋白 二价铁的细胞素等 形成可逆性的结合 由于其与血红蛋白的亲和力要比氧与血红蛋白的亲和力大240倍 故把血液内氧合血红蛋白中的氧排挤出来 而形成碳氧血红蛋白 HbCO 又由于碳氧血红蛋白的离解比氧合血红蛋白 HbO2 的离解慢3600倍 故HbCO较之HbO2更为稳定 1 CO所致组织缺氧及其程度取决于以下因素 HbCO饱和度 空气中CO浓度愈高 肺泡气中CO分压愈大 血液中HbCO饱和度愈高 吸入空气中氧和CO分压 吸入高氧分压气体 可加速HbCO解离和CO排出 每分钟肺通气量 劳动量大 空气和血液中CO达到平衡的时间缩短 HbCO 动脉血氧量 对缺氧最敏感的中枢神经系统能量供应障碍 使大脑和基底神经节 尤其是苍白球和黑质发生变性 软化或坏死 出现中枢神经系统损害 2 急性中毒临床表现主要为中枢神经 心血管以及血液系统方面症状 如剧烈头痛 头昏 恶心 呕吐 短暂昏厥 不同程度意识障碍或昏迷 皮肤粘膜呈樱桃红色 重者并发脑水肿 休克或严重心肌损害 呼吸衰竭 出现以锥体系或锥体外系症状精神意识障碍为主要表现的CO神经精神后发症或迟发脑病 一氧化碳中毒症状与浓度的关系 一氧化碳对人的生理作用 已升井的340人中均有一氧化碳中毒迹象 山西卫生部门已紧急从太原征调68台高压氧舱奔赴现场 各种缺氧症的治疗设备 舱体是一个密闭圆筒 通过管道及控制系统把纯氧或净化压缩空气输入 舱外医生通过观察窗和对讲器可与病人联系 大型氧舱有10 20个座位 空气中一氧化碳的主要来源有 井下爆破 矿井火灾 煤炭自然以及煤尘 瓦斯爆炸事故等 规程 规定 矿内空气中CO浓度不得超过0 0024 矿内CO的来源与允许浓度 二氧化碳 CO2 二氧化碳是无色 略带酸臭味的气体 比重为1 52 是一种较重的气体 很难与空气均匀混合 故常积存在巷道的底部 在静止的空气中有明显的分界 火灾中产生的CO2气体也会造成人员的呼吸中毒 当人处在CO2体积分数为10 的环境中时还会有生命危险 不同体积分数的CO2对人体的影响 二氧化碳 CO2 规程 规定 采掘工作面的进风流中 二氧化碳不超过0 5 采区回风巷和采掘工作面回风巷回风