第5章 矿井火灾时期的风流紊乱(新).ppt

第五章矿井火灾时期的风流紊乱,第一节风流紊乱的基本形式及产生原因第二节风流紊乱的发生条件第三节风流紊乱的实验研究第四节风流紊乱的案例第五节风流紊乱的防止措施,第一节风流紊乱的基本形式及产生原因,一、风流紊乱的基本形式,所谓风流紊乱是指井下发生火灾时，在火和烟气的作用下，正常情况时巷道内风流的流动方向以及风量的分配被打乱，火灾产生的有毒有害烟气进入到进风流中，使得事故范围进一步扩大，造成大量的人员伤亡。风流紊乱的基本形式是烟流逆退和风流逆转。,由于浮升力的影响，火灾燃烧中的火焰与生成的烟气一起向上流动。如图1-1所示，在矿井巷道中，如果火源处向上流动的烟流受顶板的阻挡，热烟气将在巷道的顶部形成沿巷道进、回两个方向的流动，其中巷道顶部逆着巷道进风方向流动的烟流被称为烟流逆退（smokerollback）。由于顶板对流动的粘性影响，在十分贴近顶板的薄层内，烟气的流动速度比较低；随着垂直向下离开顶板距离的增加，其速度先增加然后减小；而下降超过一定距离后，速度便逐渐减小为零。这种速度分布使得烟流前锋的烟气转向下流，然而热烟气仍具有一定的浮力，还会很快上浮。于是顶板上部的烟流会形成一连串的旋涡，它们可将烟气层下方的空气卷吸进来，因此烟流的厚度逐渐增加，而速度逐渐降低。逆退的烟流由于受到通风系统压力的影响，流动速度逐渐减小，最后又顺风流流动，这种逆退烟流的回流现象也被称为烟流滚退。在实验模拟巷道中实拍到的烟流逆退现象如图1-2所示。,1.烟流逆退,图1-1矿井火灾烟流逆退示意图,图1-2火灾模拟实验中的烟流逆退现象,烟流逆退的危害：烟流逆退现象会对在风流上风侧灭火的救护队员造成威胁，逆退回来的烟气中往往包含了大量的有毒有害气体（如一氧化碳、二氧化硫等），其所挟带的热量有时还会使灭火队员的头顶上方的可燃物燃烧起来。伴随烟流的逆退，火烟有时也可能进入到进风系统中，在富燃料燃烧时还可能产生回燃和爆炸现象，这都将带来更大的危害，使事故扩大。,从烟流逆退的产生机制中可得出，烟流逆退在水平、下行或上行巷道中都会产生。显然，在下行巷道中逆退的烟流量最大，因为火灾烟流浮力的作用方向与风流流动方向是相反的；在上行巷道中逆退的烟流量最小，因为烟流浮力的作用方向与风流流动方向一致；而水平巷道中的烟气逆退流量则介于这二者之间。,在矿井火灾时期，火灾产生的火风压可能会造成某些支路压力的变化，从而会改变风流的流动方向。通风网络中的某分支风流方向发生改变的现象叫风流逆转，即该分支的风流方向与未起火时的方向相反。一般风流的逆转会使火灾区域扩大，为救灾和人员逃生带来更大的危害。过去国内外发生的许多起重特大火灾和瓦斯爆炸事故，都是由于发生风流逆转而造成了大量人员的伤亡。因此，保证矿井通风系统的稳定和防止风流逆转是矿井抗灾能力的一个最重要标志，同时也是矿井火灾时期救灾工作的一个重要原则。,2.风流逆转,为了分析矿井火灾对通风网络的影响，首先对通风方向与路线类型作如下定义：上行通风：在倾斜或垂直的巷道中，风流从标高低端向高端的流动。下行通风：在倾斜或垂直的巷道中，风流从标高高端向低端的流动。主干风路：发生火灾后，从入风井口经火源点到回风井的通路。旁侧支路：主干支路以外的其余支路均称旁侧支路。直接烟侵区：火烟在排往地面的沿途，通过所有的巷道时仍保持其发火前的风向不变，并受火烟弥漫的区域。矿井火灾时期常见的风流逆转风路有：上行通风的旁侧支路下行通风的主干风路,1）上行通风旁侧支路的风流逆转,在上行通风主干风路发生火灾时，火风压的作用方向与主通风机提供的风压作用方向一致，因此上行通风主干风路一般不会发生风流逆转，在火风压作用下，其风量还会增加。但上行通风旁侧支路在火风压的作用下，却会受到相反的影响。一般来说，火风压会使旁侧支路的风量减小，甚至造成旁侧支路的风流逆转，上行风流旁侧支路的风流逆转是火灾时期发生风流紊乱的常见形式之一。,如图1-3所示的简单风网，三个采区布置在风网的24、34、35三条支路中。若I号采区的进风巷道内发生火灾，正常情况下火烟将随风流侵袭到I号采区，并通过45、56回风支路排出地面（图a）。在火灾时期旁侧支路只要保持原有风向不变，就不会受到火烟的侵袭，、号采区也将处于安全之中。实际情况并非如此，当火势发展迅猛时，往往会从主干风路的排烟段分出一股烟流，沿着旁侧支路全断面地逆着原有的风向，朝着最近的节点流去，这就是旁侧支路的风流逆转，如图b所示。旁侧风流的逆转使火烟侵入了、号采区，从而扩大了事故的范围及其危害性。旁侧支路35的风流逆转造成烟气波及全矿（图c），危害更为严重，这种形式的风流紊乱在上行风流发生火灾时最易发生。,图1-3旁侧支路风流逆转,又如图1-4所示的简化通风网络，设火灾发生在采区的上山内即上行风路a1中，由于高温烟流流经上行风路，所以在烟流的流经路线上存在局部火风压，就相当于安设有局部通风机，如图中所示的hF1、hF2、hF3、hF4所示。这些局部火风压的作用方向与系统的主要通风机风压（hf）作用方向一致。在这种情况下，主干风路12A3F4B56的风向一般是保持原来的方向不变，而旁侧支路a2、b、c2则可能会发生风向逆转。,图1-4上行风流中发生火灾的风网示意图,旁侧支路风流逆转的原因在于：由于火风压的作用，使得主干风路的压力提高，也增大了旁侧支路回风侧的压力，随着火势的进一步发展，火风压值不断增大，旁侧支路的压差（如图1-4中的h3-4、hA-B、h2-5）就会减小，甚至可能变为零或负值，旁侧支路的风量也随之减小直至为零，最后风流发生逆转。,2）下行通风主干风路的风流逆转,当下行风流中发生火灾或有高温烟流流过时，所形成的火风压与通风机提供的风压作用方向相反，由于这二者的相互作用关系，主干风路的风流在火灾的初期，风量会逐步减小；随着火势的发展，火风压进一步增大，当火风压与风机提供的风压平衡时，风量为零，此时发生的燃烧为富燃料燃烧，这一过程近似为点状态，仅能维持较短的时间；当火风压继续增大时，即会发生风流的逆转，此时将有大量的新鲜风流进入已窒息的火区，在火区的高温条件下就可能发生回燃并可能引起爆炸。图1-5表示下行主干风路3-5发生风流逆转。,由于风流逆转时可能会出现回燃或爆炸，容易造成重大的人员伤亡和财产损失，是下行通风主干风路发生火灾的最危险阶段。在我国的煤炭开采史上，有很大一部分重大事故是由于矿井火灾和瓦斯爆炸发生主干风流的逆转而引起的。深刻掌握火灾时期下行风流火灾的变化规律，并采取积极有效的措施防止风流逆转的发生，对于矿井火灾的成功扑救具有十分重要的意义。,图1-5下行通风主干风路风流逆转,两种风流紊乱形式的特征见下表,外因火灾使火灾及附近地点空气的温度迅速上升，这就使空气产生热膨胀。与此同时，由于热的作用会带来两方面的影响。一方面，由于对空气的加热使其密度下降，在非水平的巷道分支将产生附加火风压；另一方面，通风巷道中会产生热膨胀，就会减少主干通风巷道的质量流量，即产生节流效应。以上两项作用将改变矿井通风系统的压力分布，从而改变原有矿井风量分配并产生风流紊乱，扩大事故范围，带来严重后果。,二、风流紊乱的产生原因,矿井发生火灾时，火灾的热力作用会使空气的温度增高而发生膨胀，密度小的热空气在有高差的巷道中就会产生一种浮升力，这个浮升力的大小与巷道的高差以及火灾前后的空气密度有关。在地面建筑中这种现象也很普遍，被称为烟囱效应，即通常室内空气的密度比外界小，这便产生了使气体向上运动的浮升力，尤其是在高层建筑中的许多竖井，如楼梯井、电梯井等，气体的上升运动十分显著，这种现象有时也叫热风压。在矿井中，火灾产生的热动力是一种浮升力，这种浮力效应就被称为火风压，它的产生机制与矿井自然风压产生机制是一致的，都是在倾斜和垂直的巷道上出现的空气的密度差所致，只是使空气密度发生变化的热源不同，因此二者都可称为热风压。因此火风压的定义是井下发生火灾时，由于高温烟流流经有标高差的井巷所产生的附加风压。从热力学的角度来说，火风压可理解为风流密度变化在垂直方向上产生的浮升力的总和，实质上就是矿井火灾时期高温烟流流经倾斜或垂直井巷时所造成的自然风压的增量。,1.火风压,按照作用范围的不同，火风压可以分为:,局部火风压是指矿井发生火灾后高温火烟流经每段倾斜或垂直的井巷时，在局部区段上产生的火风压。一般来说，只有在存在高差的倾斜及垂直巷道才会产生明显的火风压，水平巷道因标高差很小，所产生的火风压可忽略不计。局部火风压的作用相当于在高温烟流流经的风路上安设了一系列辅助通风机。局部火风压具有方向性，其作用方向总是向上。因此，当火区位于上行风流中时，局部火风压的作用方向与机械风压作用方向一致；当火区位于下行风流时，局部火风压的作用方向与机械风压作用方向相反，称之为负火风压。,局部火风压,全矿火风压,1）局部火风压,局部火风压的大小及其变化对风流逆转起关键作用，准确计算火风压对预测、分析和防止火灾时期的风流紊乱具有重要意义。根据火风压的定义，火风压的值等于发火后矿井的自然风压值与发火前矿井的自然风压之差，如图1-6为一矿井通风示意图，若在出风井井底车场发生火灾，局部火风压为：,式中：火风压，Pa；高温烟流流经回风井筒的垂高，m；矿井进风井筒内风流的平均密度，kg/m3；发火前出风井筒内风流的平均密度，kg/m3；发火后出风井筒内烟流的平均密度，kg/m3；重力加速度，m/s2。,通用的计算火风压公式的理论推导过程,设井下的某条巷道中发生火灾，火灾地点的前方为新鲜风流，后方为燃烧产生的高温烟流。对发火巷道作如下假设：（1）相对于巷道的入风量，燃烧产生的烟气量可以忽略；（2）设火势发展到稳定阶段，烟气流动为定常、变密度、紊流；（3）为简单起见，仅考虑一维流动；（4）由于流体变形速率引起的粘性应力很小，忽略之;（5）烟气流动过程不再发生化学反应。则根据烟气流动的模型可以得出下列方程组：,连续方程：运动方程：即：,在流动为定常情况下：又,令火灾前巷道内的平均密度，则,式中，Z为垂直方向的坐标,将上式沿流向定积分并整理得：,式中：密度在1，2两点的积分中值，一般精度下可取（1+2）/2。该式是紊流、变密度情况下一维管流的机械能方程。,上式左侧两项为不考虑密度变化时，一维管流上、下游1、2两截面上单位体积流体的总压能（即弹性压力势能、重力势能和动能之和）；右侧积分项为单位体积流体流经1、2截面时摩擦阻力损失hl，它不可逆地将机械能转化为热能而耗散。式中左侧的定积分项是相对于不考虑密度变化一维定常管流机械能方程的附加项。它具有压力的量纲，且含有因燃烧引起的密度差内容，据此可确定hF为火风压，则火风压的数学表达式为,式中为巷道发火前后的密度差（kg/m3）。,（1）火风压可以具体表述为：火灾产生的高温烟流由于密度变化引起的浮升力对单位体积流体所作的功。（2）密度差、重力场和垂直高差是火风压形成的三个必要条件，缺少密度差、垂直高差或重力场的任一条件都不可能产生火风压。（3）火风压是一个过程量，而非状态量。,假设发火前后火灾附近的压力近似不变，即Pconst，根据理想气体状态方程有：,式中：发火前回风井筒内风流的平均密度，kg/m3；发火后回风井筒内风流的平均密度，kg/m3；T发火前回风井筒内风流的平均绝对温度，K；TF发火后回风井筒内风流的平均绝对温度，K。将式（5-1-9）代入式（5-1-1），并记，整理得：式中：发火前后烟流温度的增量，K；巷道高程差，m。,根据上述分析，可得如下结论,例：如图1-7所示在并联风路上行风流中的3点上发生火灾，已知风机提供的风压h1-4200Pa，发火前出风井筒内风流的平均温度与平均密度分别为t20，kg/m3，巷道高程差30m，g取9.8m/s2，当在巷道中测得的火烟平均温度tF为354.8，试计算火烟在1-3-4巷道中产生的火风压的大小。,图1-7并联风路上行风流中发生火灾示意图,解：由火风压的计算公式有：Pa,由于风机提供的风压仅为200Pa，1-2-4巷道很快将发生风流逆转。,矿井发生火灾后，高温火烟流经每段倾斜或垂直井巷时，所产生的局部火风压之和即称之为全矿火风压。由于连接进出风井口的大气可以看作一个风阻为零的支路，矿井的通风系统可以看作是一个封闭回路系统，因此全矿火风压就是该封闭回路中的各分支局部火风压的代数和，更为准确的全矿火风压的计算式为：,2）全矿火风压,2.节流效应1）节流效应的定义,假设通风巷道的前端受到火灾的影响，气流流经该巷道后克服摩擦做功，记为P，单位为W。,式中：H巷道通风阻力，Pa；R风阻，N.s2/m8；Q风流的体积流量，m3/s；M风流的质量流量，kg/s；空气的密度，m/s3；Rt与密度无关的巷道通风阻力系数，Rt=R/。,矿井火灾时期，受火烟的热力作用的影响，主干风路以及旁侧支路中的风量往往会随着火势的发展而发生变化。由于矿井火灾的发生，巷道内的气体受热膨胀，流动阻力增大而造成空气质量流量减少的现象称之为节流效应。节流效应是矿井火灾过程中的一种典型现象，它类似于管道流中的热壅塞现象。,经转换，方程可以写成：,由于P和Rt均为常数，所以：,由于M=，又可以得到：,由式可以发现：矿井发生火灾时，空气的密度因热力作用而减小，空气的质量流量也会下降，但是，相反的是，空气的体积流量却会增加，这就是节流效应。,2）节流效应的产生机理,鉴于节流效应对矿井火灾时期风流状态的重要影响，近些年来国内外有关学者对其性质及其产生机理进行了研究，并取得了一定的进展。20世纪80年代末期以来，美国原矿业局（MineAdministrationofU.S.A.）、日本九洲煤炭矿山技术研究中心、中国矿业大学、煤科总院重庆分院和抚顺分院等科研单位先后在各种类型的火灾实验巷道中开展了火灾燃烧试验，研究火灾产生的节流效应。中国矿业大学王德明教授通过承担国家自然科学基金项目“井巷网络火灾特性及伴生现象机理的研究”和国家自然科学基金重点项目子课题“矿井特殊火行为”的研究，利用中国矿业大学“211工程”重点学科建设项目建设完成的“矿井火灾综合模拟实验系统”，开展了矿井火灾时期节流效应的实验研究，提出了火区阻力这一新概念并将火区阻力分为燃烧区产生的热阻力和火焰对风流流动的局部障碍阻力，从而对节流效应的产生机理进行了更为科学的解释。,（1）火区阻力的概念,矿井火灾过程中，由于燃烧产生的热力作用，发火巷道的火区附近将产生一个附加的通风阻力，称之为火区阻力。火区阻力由烟流热膨胀产生的阻力（热阻力）和风流受到火区内火焰的障碍作用产生的局部阻力两部分所组成。火区阻力与节流效应之间的关系十分密切，是发火巷道产生节流效应的根本原因。由于火区阻力主要由火灾的热力作用引起，故火源强度对其影响较大，一般来说，火源强度越大，则火区阻力越大，节流作用也越明显。为了使读者更好的理解火区阻力，现借助水平巷道火灾分区示意图（图1-8）对该概念进行进一步的分析。图中，A-A面为巷道的进风断面，D-D面为巷道的回风断面，为了说明问题的方便，现假定发火巷道为水平巷道，B-B面为燃烧区的前端面，C-C面为燃烧区的后端面。这样，可将发火的巷道划分为三个区：A-A面和B-B面之间为新鲜风流区，B-B面和C-C面之间为火灾燃烧区，C-C面和D-D面之间火灾烟流区（回风区）。,其中，热阻力既可发生在燃烧区（如图1-8中所示的B-C段），也可发生在火灾烟流区（回风区烟流与围岩的换热区如图1-8中C-D段），其大小与进风流的初始焓值有较大的关系；矿井火灾时期，巷道中的火焰犹如一个柔性障碍物，缩小了巷道通风的有效断面，从而对烟流的流动产生较大的局部阻力，称之为火焰的局部障碍阻力。火焰的局部障碍阻力仅与产生的火焰大小与厚度（燃烧带长度如图1-8中B-C段）有关。,图1-8水平巷道火灾分区示意图,假定火灾发生在水平巷道中。如图1-9所示，U、F、D分别为火灾巷道的新鲜风流区、燃烧区和烟流区。这三个区域的热力学特性为：在没有发生烟流逆退或烟流逆退不严重的情况下，可以认为新鲜风流区风流的热力参数保持不变；燃烧区内可燃物燃烧释放的热量加热燃烧产物（包括火灾烟气和燃烧未耗尽的空气），使其温度急剧升高；在烟流区内高温烟流与巷道壁面之间进行热量交换，烟流逐步冷却。图中11截面为燃烧区入口截面，22截面为燃烧区出口截面，烟流在11截面和22截面上的有关参数分别用下标1和2表示。为了分析和计算的方便，特作如下假设：巷道与环境无热和功的交换；巷道中火区的长度较短，粘性力影响可忽略不计；火灾发展到稳定阶段的一维流动；相对于巷道的进风量，烟气的生成量可忽略不计；燃烧产物的温度升高为燃烧释放的热量作为内热源所致。,（2）火区的热阻力,图1-9火灾巷道分区示意图,据以上假设，对图1-9所示系统建立一维、无粘及定常流的守恒方程组（以等截面管道进出口截面的参数来表示）如下：,连续性方程：,动量守恒方程：,式中：1、21、2截面上的风流密度，m/s3；1、21、2截面上的风流速度，m/s；p1、p21、2截面上的风流压力，Pa。,即得截面1和截面2之间的压力差：,当气流通过等截面巷道时，由于受热膨胀而必然加速，即10，则He0，由式得到节流系数。可见，在实际矿井中初始滞止焓主要取决于进口截面1-1的温度值，进口宏观动能可以忽略。因此，在不考虑风流定压比热变化情况下，可以说进风流的温度影响节流系数，在燃烧区中释放相同热量条件下，巷道的入风流初始温度低，则初始滞止焓值小，节流系数就小，节流效应就越明显。反之，巷道入风初始温度高，节流效应不明显。,式中：T1进风流温度；进风流速度。,可燃物烟气生成量在热阻力的推导过程中做了不计火灾产生烟气的假定，对于实际的矿井火灾来说，火灾过程不仅是一个能量输入的过程，也是一个质量输出的过程，各种可燃物的燃烧会产生大量烟气。设可燃物的燃烧速率为m3，火区入、回风侧的风流质量流量为m1、m2，由质量守恒定律得=,可知，=，若设保持不变，则烟气的产生更加削弱了巷道的入风量，导致节流系数趋于更小。,第二节风流紊乱的发生条件,一、上行通风时的旁侧支路风流逆转条件,旁侧支路风流的逆转主要是由于在上行风路中产生了较大的局部火风压。如图2-1所示的简化通风网络，设火灾发生在采区的上山内即上行风路a1中，此时主干风路12A3F4B56的风向一般保持原来的方向不变，而旁侧支路a2、b、c2则可能会发生风流逆转。,图2-1上行风流中发生火灾的风网示意图,为了考察旁侧支路的风向变化规律，我们任取一条b支路作为考察对象。以b支路为界将整个通风系统划分为内部分系统（i）和外部分系统（O）两个部分。把连接进出风井口的大气看作一个风阻为零的支路，于是可将图2-1在形式上变成如图2-2所示的封闭回路系统。此外，再以hi代表在内部分系统中出现的局部火风压hF1和hF2之和；ho代表在外部分系统中出现的火风压hF3和hF4和主通风机风压hf之和；Ri和Ro分别代表内部与外部分系统的合成风阻；Qi和Qo分别代表内部与外部分系统的风量；Rl和Ql分别代表风向待定的风阻与风量。这样便可将图2-2所示的通风系统封闭回路图转化为图2-3所示的简化封闭回路图。,图2-2通风系统封闭回路图图2-3通风系统简化封闭回路图,从图2-3中可以看出，由于内部分系统的风压hi的作用，旁侧支路b的风流从节点B流向A，而外部分系统的风压ho则使其风流从节点A流向B。,（1）若b支路的风流保持原来的方向AB，则沿闭合回路cAbB可列出风压方程如下：,同样情况下，沿闭合回路cAaB可列出风压方程为：,由（2-2）（2-1）/（2-1）可得：,因为所以故有,这就是旁侧支路b风流保持原有方向的条件式。,（2）同理可以导出旁侧支路b风流停滞的条件式为：,（3）同理可以导出旁测支路b风流逆转的条件式为：,分析以上得到的条件关系式，可得出以下结论：,如果火灾发生后未能有效控制火势的发展，将释放出大量的热量并伴随高温火烟生成，而这又可能导致在上行风路的内部分系统产生较大的局部火风压（hi），当hi值较大时，使得条件式2-5得到满足，从而使旁侧支路风流方向发生逆转，高温火烟随之侵袭位于旁侧支路中的采区或工作面。为了控制火势的发展，在可行的条件下，可能会考虑采取停止主通风机运转的措施。其实一旦停止主通风机运转，外部分系统火风压和主通风机风压之和（ho）将可能大大降低，甚至趋近于零，显然条件式2-5就更容易得到满足，从而出现旁侧支路的风流逆转。所以在矿井发生火灾的情况下，一般情况下不能停止主通风机运行，也不允许放下主通风机闸门。,为了控制火势的发展，截断向火源的供风，通常是在火源的上风头构筑临时密闭或张挂风帘。这样不仅控制了供风，抑止燃烧，而且还能够增大内部系统的合成风阻（Ri），使条件式2-3得到满足，从而起到稳定风流方向的作用，防止风流紊乱的发生和烟侵事故的扩大。外部分系统的合成风阻（R0）不仅包括回风区域的风阻，而且包括一部分进风和内部分系统相并联的风路（如C2）的风阻，其中回风区域的风阻对R0值起决定性的作用。由于运输、提升的需要，在进风系统井巷的日常管理中，要求其维护状况良好，并保持相当大的断面，所以其风阻值是较小的。而在回风系统的井巷中，局部阻碍物一般比较多且维护条件较差，故通常风阻较大。由于以上原因，R0值一般较高，容易满足条件式2-5，造成旁侧支路风流紊乱，使烟侵区域扩大。,二、下行通风时的主干风路风流逆转,下行风流中发生火灾时，火风压的方向与主通风机风压作用的方向相反，井下风流紊乱的情况与上行风流发生火灾的情况具有本质的差别。如图2-4所示的通风网络，设支路a是内部分系统，b是旁侧支路，c是外部分系统。h0为外部分系统风压，hi为内部分系统的火风压，hl为旁侧支路内的火风压。各支路（a、b、c）的风流方向是由h0、hi、hl三个量所决定的。显然，h0、hi、hl三者之中最大者（hmax）所在支路的风流具有固定方向且与最大风压（hmax）的作用方向相同；三者中的最小者（hmin）所在的支路的风流方向也具有固定方向但与最小风压（hmin）的作用方向相反；而中值风压（hm）所在支路的风流方向则是不定的，可能保持原有的方向，也可能发生逆转。,图2-4下行风流发生火灾的风网示意图,如图2-4所示的情形，要使风流保持原有的方向（即发火前的方向），只有当h0大于hi和hl时才有可能。若hi和hl中任何一个大于h0，而另一个小于h0时，外部分系统的风流便可能发生逆转；若hi和hl均大于h0时，则外部分系统的风流肯定要发生逆转。,一般来说，下行风流中发生火灾时，将有可能出现以下三种情况：,1）第一种情况（h0hihl或h0hlhi）,图2-5当h0hihl或h0hlhi时，可能的风流方向示意图,在这种情况下，风流的流动方向存在两种可能，如图2-5(b)和(c)所示：,（1）火灾虽然已经发生，但是b支路没有高温火烟流过，即局部火风压（hl）为零，此时各支路的风流仍然保持原有的流动方向，如图2-5a所示。此时有如下关系式：,对闭合回路cb和ca分别列出风压方程：,（2-6）,（2-7）,由（2-6）/（2-6）（2-7）得：,将小值Ql替换为大值Q0，则得不等式如下：,（2-8）,由此可得保持支路a，b正常风向的条件式为：,（2-9）,从上面的不等式可以看出，只有当外部分系统风压h0足够大，且内部分系统的火风压hi及外部分系统的风阻R0尽可能小时才能维持正常的风流方向，而可能发生风流逆转的内部分系统的风阻Ri不起作用。分析可以发现：条件式2-13与采用上行风流通风系统保持风流正常方向的条件式2-3形式虽然不同，但其含义与结果是一致的。,（2）当h0hihl时，支路a的风向可能会发生逆转如图2-6b。当支路a已经逆转，火烟将由内部分系统a流入旁侧支路b并在其中出现局部火风压hl，则有：,沿闭合回路cb得风压方程为：,沿闭合回路ab得风压方程为：,（2-10）,（2-11）,由（2-10）/（2-11）得：,将小值Ql替换为大值Q0，则h0hihl时，a支路风向逆转的条件式为：,（2-12）,因为h0hi，所以有：,因此，只要条件式得到满足，则支路a中的风流方向不确定。在这种情况下，会出现火烟滚退现象，即新鲜风流沿着巷道底部流向火源，而火烟则从巷道的顶部向着相反的方向流动，或者会出现火烟飘浮缭绕并慢慢充满整个巷道的现象。对支路a中风速的测量及火烟动态的观察，可以判断是否存在风流逆转的危险以及危险程度的大小。,（3）当时，内部分系统支路a的风流不会发生逆转，而旁侧风流b将发生逆转如图2-5c，则有：,沿闭合回路ba得风压方程为：,（2-13）,沿闭合回路ca得风压方程为：,（2-14）,（2-14）/（2-13）得：,将小值Q0换成大值Qi，则时，b支路风向逆转的条件为：,（2-15）,2）第二种情况（hih0hl或hlh0hi）,在这种情况下，也会出现两种可能的风流方向，只不过这两种情况均是火烟向旁侧支路b中流动，即都要在b中出现火风压hl，可能发生逆转的是外部分系统中支路c的风流。,图2-6当hih0hl或hlh0hi时可能的风流方向,（1）当hih0hl时，支路a中已经发生风流逆转，当支路c风流不发生逆转时有：,沿闭合回路a-b得风压方程为：,（2-16）,沿闭合回c-b得风压方程为：,（2-17）,（2-16）/（2-17）得：,将小值Qi换成大值Q0,因此可以推出，支路c发生风流逆转的条件为：,（2-18）,（2）当hlh0hi时，支路b已经发生逆转，当支路c不发生风流逆转时有：,沿闭合回路b-a得风压方程为：,（2-19）,沿闭合回路c-a得风压方程为：,（2-20）,（2-19）/（2-20）得：,将小值Ql替换为大值Qi,因此可以推出，支路c发生逆转的条件为：,（2-21）,3）第三种情况（hihlh0或hlhih0）,此时风流流动也存在两种变化可能性，如图2-7所示。在这种情况下，矿井外部系统的风流c一定会发生逆转。,图2-7当hihlh0或hlhih0时可能的风流方向,（1）当hihlh0时，支路c与a风路均发生逆转，当b发生逆转时有：,沿闭合回路a-c得风压方程为：,（2-22）,沿闭合回路b-c得风压方程为：,（2-23）,（2-22）/（2-23）得：,将小值Qi换成大值Q0，则hihlh0时，b支路发生逆转的条件为：,（2-24）,（2）当hlhih0时，支路c与支路b均发生逆转，当a发生逆转时有：,沿闭合回路b-c得风压方程为：,沿闭合回路a-c得风压方程为：,（2-25）,（2-26）,（2-26）/（2-25）得：,将小值Ql换成大值Q0，则hlhih0时，a风路发生逆转的条件为：,（2-27）,如果在上述的系统里没有一个小于h0的支路火风压存在时，整个矿井的风流都会反向，进风井就会变成回风井。如果火灾发生后通风系统已经变成由原来的回风井入风，则火灾的性质已经完全改变，由一个下行风流中的火灾变成了一个上行风流中的火灾。很显然，在这种情况下，必须把主通风机的风流方向加以改变，或将主通风机停转。由以上的讨论可知，下行风流中发生火灾时的情况要比在上行风流中发生火灾复杂得多，要保证采用下行通风方式的矿井在发火时不发生风流逆转的现象，也将更加困难。因此，从处理火灾的角度出发，应当尽量避免采用下行通风。当火灾已经发生在下行风流时，最好力争将火烟经由上行风流引向回风井,风路中发生火灾时风流方向判别表,第三节风流紊乱的实验研究,上面对矿井火灾时期上行风流的旁侧支路以及下行风流的主干风路的风流逆转条件及烟流逆退现象进行了分析。为深入探讨矿井火灾时期风流紊乱的过程，中国矿业大学建立了一套具备开展风流逆转火灾模拟试验的矿井火灾综合模拟实验系统，并开展了系列的试验研究。,一、实验系统,矿井火灾综合模拟实验系统包括井巷网络模型系统，实时参数测试系统，火灾气体分析系统，燃料持续供应及辅助测量系统，如下图3-1所示。网络模型系统是综合模拟实验系统的核心装备，包括模型巷道、阀门、通风机及配套装置等。实时参数测试系统主要指HP数据动态采集系统及其配套测试系统（如差压传感器、热电偶、皮托管等），主要用于风速、压力、温度、大气压力等参数的动态、连续采集。火灾气体成分系统包括傅里叶红外气体分析仪、采集管路和探头、气相色谱分析仪等。燃料持续供应系统包括燃料箱体，燃料泵，配套管路。辅助测量系统包括数码相机、摄像机、精密压差计等。,图3-1矿井火灾综合模拟系统组成示意图,井巷网络模型系统是一个复杂的通风管道系统，包含18条模型巷道分支和11个节点（含1个大气节点），如图3-2所示。通过开关安装于各个分支上的阀门，可以灵活地构建出多种典型而又复杂的通风网络。根据火灾试验对可燃物布置方式的不同要求，整个网络模型系统设置了2条燃烧分支。第一水平燃烧分支，长9m，可以连续敷设4m的燃烧材料，且可以调节倾角(0、10、20、30)，既可以模拟上行通风又可模拟下行通风，主要用于矿井火灾点火源的模拟试验；第二水平燃烧段长12m，可以连续敷设8m水平布置的燃烧材料，该燃烧段的倾角不可调节，但由于燃烧分支较长，主要用于线火源的模拟试验。为了观测和拍摄火灾过程出现的重要实验现象，每个燃烧分支的一个侧面都连续镶嵌有专门定制的石英玻璃（可耐1400高温）。模型巷道的主体结构由钢制外壳和耐火隔热硬质纤维板成型的管路构成。巷道的净断面为30cm30cm，断面结构示意图如图3-3所示。全部实验装置如图3-4所示。,图3-2矿井火灾综合模拟实验系统,图3-3模型巷道断面示意图,图3-4试验分支巷道网络图,网络模型系统采用4-72No5离心式通风机压入式通风。通风机配备有变频调速装置，在采用阀门控风的同时，可以通过调整电机转速从而改变风机特性调节系统的风量。,二、上行风流旁侧支路的风流逆转的实验研究,开展上行风流旁侧支路风流逆转的燃烧实验时，首先将燃烧分支2-5段的水平段与系统的20度倾角的预留口对接，即倾斜燃烧分支调节成具有20度倾角的分支。关闭二水平的闸门T4和三水平的闸门T8、T9以及回风口闸门T11，打开其余闸门，用成型石棉板将回风节点10堵死，使回风流由节点9流出。由此构成的试验分支系统的网络如图3-4所示。每次实验前，调节闸门T1、T2、T3的开启度，以控制分支1-4-5、2-5及2-3-6-5的风量达到预先设定值。分别在构成井巷网络实验系统的1-4-5分支、2-5燃烧分支、2-3-6-5分支布置速压测点，安设毕托管测试巷道的速压。选用美国Setra公司的Model239压力传感器测量其数值，测试结果由HP公司的75000VXI总线系统采集。,试验测量得到，燃烧过程中燃烧分支2-5、旁侧分支2-3-6-5和旁侧分支1-4-5的风速随时间的变化曲线分别如图5-3-5、5-3-6、5-3-7。,图3-5燃烧分支2-5风速变化曲线,图3-6旁侧支路2-3-6-5风速变化曲线,图3-7旁侧支路1-4-5风速变化曲线,从实验结果可以得到以下结论：,（1）从图3-5可以看到，刚点火初期，风速较稳定，直至5min时巷道的入风量迅速增加，到12min时，巷道的入风速已经达到最高点，1.59m/s。此时，可认为高温烟流在倾斜分支中的流动已产生较大的火风压，而上行风流中的火风压有助于通风，促使巷道的入风量增大。燃烧分支中在产生有助于通风的动力(火风压)的同时，还产生了有碍于通风的阻力（粘性摩擦阻力和火区阻力），但是由于倾斜分支中的动力作用更强，使得巷道入风量增大。当然这种增大趋势也会受到制约，随着入风量的增大巷道的粘性摩擦阻力也增大，这样阻力和动力就会达到一个平衡态。在达到最高点后，随着火势的减弱，火风压作用也削弱，燃烧分支中的入风量也就逐渐减少。至实验结束时，燃烧分支的入风量基本恢复到实验前的状态。,（2）图5-3-6揭示了上行风流火灾中的一种典型的风流紊乱现象旁侧支路的风流逆转。旁侧支路2-3-6-5是与燃烧分支直接并联的分支，它与燃烧分支的结构关系最密切，燃烧分支中风量的变化首先会影响到它。燃烧发生后，首先会在2-5段中产生较大的火风压，2-5段的火风压具有“吸”的作用，使燃烧分支紧邻的旁侧分支2-3-6-5中的风流流入燃烧分支，以增大燃烧分支的风量。从图5-3-6中可看出，旁侧分支2-3-6-5随2-5段中火风压的增加风量逐步减少，到9min时，巷道的入风量就减少到零，随后，风流发生了逆转，逆转风速最大时达到0.27m/s。,（3）在燃烧分支中火风压的作用下，旁侧支路1-4-5的入风量在点火后的几分钟内也呈下降趋势，但是由于1-4-5分支并不是与燃烧分支直接并联，其入风量受影响的程度相对2-3-6-5分支小一些。（4）对照图5-3-5、5-3-6、5-3-7，还可以看出，燃烧分支中的最大入风量，2-3-6-5分支中的最大逆转量和1-4-5分支中的最低入风量对应的时间都是在12min左右。从该实验中测定的各巷道风速随时间的变化关系曲线，可以直观地反映出上行风流中发生火灾时，往往会造成其旁侧支路发生风流逆转。,三、下行风流主干风路的风流逆转的实验研究,在考察下行通风巷道内风流逆转时，选用实验系统的第一水平燃烧段作为燃烧分支，并将该燃烧段的倾角调整为20度，构成一条倾斜的燃烧分支。关闭闸门T4、T8、T9、T11，完全打开闸门T5、T6、T7，用成型石棉板堵死节点9处的回风巷道，使得回风流由节点10流入大气，由此构成的实验网络系统为一个如图3-8所示的典型角联网络。每次实验前，控制闸门T1、T2、T3的开启度以控制分支1-4-5，1-2和2-3-6的入风量，使得倾斜燃烧分支中的风流下行，并且满足实验所需的风量范围。,图3-8下行风流火灾实验巷道网络图,试验研究表明，下行通风主干风路风流逆转过程可以分为：初期减风、风流停滞和风流逆转三个阶段。,下行风流主干巷道中发生火灾时，由于下行主干燃烧分支中的火风压与通风机提供的风压作用方向相反，下行主干分支中的风速在初期随火风压的增大而减小，出现明显的减风过程。如图3-9所示，随着风量的减小，燃烧产生的高温烟流聚集在火源进风侧的顶板附近，沿顶板逆流而行，出现了明显的烟流逆退现象，烟流逆退的距离不断加长，烟气层厚度不断加大。因此，在下行通风主干风路发生火灾时，若发现风速不断减小，表明火风压作用在增加，这是风流逆转的前兆，因此务必使救援人员快速撤离。,图3-9下行主干燃烧分支在火风压的作用下初期出现减风和烟流逆退现象,（1）初期减风,（2）风流停滞,图3-10下行主干燃烧分支的风流停滞状态,随着火风压的增加，当火风压与下行主干风路的机械风压基本平衡时，巷道中的风流出现停滞状态。如图3-10所示，由于火源缺少氧气的供给，火势逐渐减小，火灾燃烧呈现富燃料燃烧状态，巷道内出现大量可燃气体，此时为最危险时刻，一旦发生风流逆转，就会发生回燃或爆炸。,（3）风流逆转,图3-11下行主干燃烧分支风流逆转后的状态,当下行主干风路中的火风压超过机械风压的作用时，就发生了巷道内风流的逆转。如图3-11所示，在实验中可观察到突然从回风侧的发生燃烧且火势迅速扩大蔓延，石英玻璃上的部分炭黑被烧尽，观察窗变得明亮起来。产生这种现象的主要原因是：在富燃料燃烧阶段所产生的大量可燃气体，由于在逆转前巷道内的风速比较低，积聚的大量的可燃气体无法随风流排出巷道，而逆转发生的瞬间会从原回风侧涌入大量新鲜风流，同时烟气的温度很高，构成了回燃的条件，可燃气体迅速燃烧构成了新的火源点，这种现象也被称为“跳蛙”。,风流方向的突变过程是一个非常危险的阶段。这一阶段值得注意的是回燃现象的发生。在实际矿井情况下，还可能出现可燃气体的爆炸。对于有瓦斯涌出的巷道，在风流逆转的突变前后，巷道入风量的急剧减少，使得风流中的瓦斯相对浓度增加；风速的减少，为瓦斯的积聚创造了条件。当满足爆炸浓度的范围时，就很可能引发瓦斯爆炸。因此，当井下下行主干风路发生火灾时，为防止风流的逆转，不能对该区域实行减风或停风措施。,第四节风流紊乱的案例,1.上行风流火灾旁侧支路发生风流逆转,例4-1:某矿的采区上山发生火灾，由于矿井通风日常管理工作薄弱，再加上领导对火灾时期风流变化规律缺乏认识，处理不当，最终导致位于火区上风侧远离火源的采区遭到有毒有害气体的侵袭，造成25人牺牲。,图4-1某矿风流逆转与火烟弥漫井巷图,某火灾F发生在采区上山F-6的下部（图4-1），是由老火区Fo复燃引起的。老火区复燃外延引燃了临近采区上山的木支架造成了火势的扩大。在连接上山和石门2-5的平巷5-F里，原有一个带调节风窗的风门。但是在出事故的当时，上述风门已经由于在前几个星期修整道轨而被拆除了。风门的拆除，对支路3-7（盲井）来说是减少了内部分系统支路3-4-5-6-7的风阻Ri，再加上上山F-6中支架燃烧，火势发展迅猛，温度很高，以致在内部分系统内又产生了较高的局部火风压hi。所以非常有利于条件式（2-5）的满足，即,在这种情况下，分支风路3-7中风流毫无疑问将要发生逆转。特别是当时井下回风巷道维护的很不好，所以外部分系统得风阻Ro也很大，就更加有利于风流逆转条件的形成。盲井3-7中的风流逆转之后，火烟从3点进入石门。结果除了从2点分出的那条风流以外，几乎整个矿井都受到了火烟的侵袭。,例4-2：如图4-2所示，某矿火灾发生在西部采区的工作面上，发火原因系由于煤的自燃引起。火灾发生后，为了控制火势的发展，曾在通往火区的进风巷道里构筑了数道密闭墙如图4-2中的T1。在此期间并未发生任何一条风路风流逆转的现象。为了全部封闭火区，决定在火区的回风侧也构筑一道密闭墙，并且选择5-6平巷作为进入火区回风侧的通道。平巷5-6是一条设有风门T而隔断风流的旧巷。风门打开之后，人们即可随着新鲜风流到达回风侧，以便从事密闭工作。可是就在风门T打开之后，人们进入不久，在进风井底突然出现了火烟，接着火烟侵袭了整个矿井。所幸救灾人员离进风井较近，迅速撤离。后经救护人员侦察发现，这次火烟弥漫矿井事故系由于2-4平巷风流反向所引起的。,从风网图（图4-2(b)）上可以看出：在局部火风压的作用下，支路风流2-5-6应当首先逆转，但是没有发生这种现象。这是由于在火区的入风侧构筑了密闭墙T1，对风路2-5-6来说是内部系统的风阻Ri加大了，所以保持了风流正向流动，式（3-3）得到满足，因此风流2-5-6没能发生逆转。这时2-4-8支路风流也不会发生逆转，因为对它来说，组成内部分系统的另一条支路5-6也有风门密闭，形成了较大的内部份系统风阻Ri。但是将风门T打开后，内部分系统的风阻Ri突然减小，以致在局部火风压hf的作用下，支路风流2-4-8很容易地发生了逆转，从而造成了这次火烟弥漫矿井的事故。,图4-2某矿风流逆转与火烟弥漫井巷图,2.下行风流火灾主干风路发生风流逆转,例4-3：1956年8月8日在比利时B矿的提升井筒内（进风井）发生了外因火灾事故，由于主通风机缺乏反风设施和处理不当，造成了274人中毒死亡，救灾工作持续了两周之久。（1）矿井概况发生事故的矿井具有两个进风井，一个回风井，如图4-3（a）所示。进回风井筒相距30m，为中央并列式通风系统，在回风井安有两台离心式通风机，但无反风设施。矿井有三个生产水平，其深度分别为765m、907m、1035m，开拓水平为1100m。由于主通风机能力不够，在、生产水平分别安设有辅助通风机两台。且在765m、835m联络巷中建立了密闭墙与在建中的进风井隔绝。提升井筒内装备有多层罐笼提升矿车，在975m水平井底车场借助油压推车器将矿车推入罐笼。油压推车器动力油的储油罐设在907m水平，容量为850L。,（2）事故发生经过由于罐笼内阻车器损坏，一辆煤车在罐笼提升启动后坠入井筒内，撞坏了敷设于井筒内的电缆、油压推车器的油管、压风管路等。电缆损坏产生短路电弧火花，点燃了油管喷出的油料，又经压风吹送，火势迅猛发展，产生了大量浓烟，饱含有毒、有害和爆炸性气体。随着进风流首先侵袭了、生产水平，如图4-3（a）、（b）所示。油料燃烧的温度高达1250，在进风井筒内产生了相当可观的局部火风压，其作用方向与主通风机的风压方向相反，当超出主通风机在井筒内作用的风压时，风筒风流发生逆转，浓烟侵入生产水平。在不久的时间里，井下全部巷道为火烟笼罩。后来高温火焰又引燃了975m水平隔绝进、回风井的木制风门，火势延及回风井筒。至此全矿陷入火海之中。,（3）事故教训首先，矿井主通风机要有反风设施。如果矿井具有灵活、可靠的反风措施，在火灾发生之初，立即采取全矿反风，使出风井变为进风井，而火烟及时从进风井排出，然后再积极采取灭火措施，矿井就不会遭受如此严重的损失。其次，该矿虽然限于无主通风机反风措施，不能实现反风，但是如果在火灾初起时，立即停止主通风机的运转，打开出风井口防爆盖，并从地面采取灌水灭火，这样至少可以保护生产水平不受火烟侵袭。另外，由于井筒内火风压的作用，进风井将变为回风井。新鲜风流从原来的回风井进入井下。、生产水平也可以尽快地从火烟中解放出来，而且便于救护队利用紧急提升设备从原来的回风井下去施救。,最后，如果针对该矿的具体情况，预先制定灾害预防与处理计划，在火灾发生之初就有计划、有步骤地进行扑救，就不会造成如此严重的后果。例如派救护队员在风流反向之后如图4-1（c）所示，通过原回风井道1035m水平建立密闭墙T1，截断通向水平的5-6支路风流；下到水平建立密闭墙T2，截断4-7支路风流，并构筑位于3-7、2-9支路中的临时防火墙t1、t2和恢复975m水平的隔离风门，截断4-6短路风流，即可起到限制向火区供风，控制火势发展的作用。如果说经由原回风井下去构筑防火墙T2、t1路程过远，则可先建T3以截断支路7-8的风流。但是，这种情况下，有可能发生支路风流4-7逆转而酿成由3-7支路排出的火灾气体重返火源而发生爆炸的危险。因此，在构筑防火墙T3之后，要撤离一段时间，再进入火区建立T2和t1。如果可能时最好经回风井采取直接灭火，降低火源温度，向回风井喷射水流，即可阻止火势蔓延。,图4-3比利时煤矿火灾事故(a)通风系统示意图；(b)发火后烟流在风网中的分布；(c)停止主通风机打开井口防爆盖风流反向后风流分布图,例4-4：1986年栆庄山家林矿井下负380m水平胶带机巷发生重大火灾，火灾持续了3天，有24名矿工不幸遇难。其通风系统简图如下图。,图4-4矿井通风系统简图,（1）事故发生经过山家林矿停产检修时中班对380水平第一部胶带机头漏斗进行烧焊，烧焊结束后潜伏的火种于次日凌晨2时将胶带引燃，由于夜班胶带道及回风巷无人工作未及时发现，乃至发现时，火势已无法控制。这次事故也是典型的井下灾变中的火风压造成巷道内风流逆转，从而使灾变范围急剧扩大，以致造成重大伤亡，甚至波及救灾人员。事故中，一共发生了3处风流逆转：第一处风流逆转是在第二天早晨4时15分上仓斜胶带巷及其至第一暗斜井的通道风流逆转。如图5-4-5所示，火源点灾上仓胶带巷胶带机尾与380水平大巷第一部平胶带机街头衔接处，斜巷胶带燃烧所产生