讲义 通风安全及照明

-46-第一章隧道空气及气候条件第一节隧道中空气的成分一、地面空气湿空气中含有水蒸气，其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。地面空气中，水蒸气的浓度随地区和气候而变化，其体积浓度变化范围为0~4%。此外，实际空气中还含有微量的污染气体和尘埃。二、隧道空气的主要成分及其基本性质隧道空气主要来源于地面空气，虽然发生了一系列变化，但其主要成分仍然是氧气和氮气。1.氧气（O2）氧气是一种无色、无味的气体，相对于空气的比重为1.105，化学性质活泼，易使其它物质氧化，能助燃，是隧道火灾以及瓦斯、煤尘爆炸的必要条件。氧气是人呼吸所必需的气体，人的生命主要是依靠吃进食物和不断吸入空气中的氧气，在体内进行新陈代谢来维持的。空气中氧气浓度为21%左右对人的呼吸最为有利。空气中氧气浓度的降低会影响人的健康，甚至危及生命。隧道中由于有害气体的涌出、物质氧化、人员呼吸等消耗氧气，会导致隧道空气中氧气浓度降低。在通风不良或停风的隧道，氧气的浓度可以降低到5%以下，冒然进入会导致窒息死亡，我国煤矿每年都发生多起因缺氧造成的窒息死亡事故。另一方面，对于隧道瓦斯积聚区域或采空区，不可盲目送入空气，否则，会使之达到瓦斯爆炸的条件或引发煤炭自燃。考虑到隧道作业，体力劳动强度较大，《金属非金属矿山安全规程》(GBl6423—2006)(以后简称《规程》)规定：隧道采掘工作面进风流中的空气成分(按体积计算)，氧气不低于20％，二氧化碳不高于0．5％。工作地点按照人数计算风量时，每人每分钟不得低于4m3。2.氮气氮气是一种无色、无味、无毒的气体，相对于空气的比重为0.97；化学性质稳定，一般不与其它物质起反应，在隧道生产中常被当作惰性气体用来灭火或惰化采空区。正常情况下，空气中的氮气对人体无害，但是在隧道有限空间里，当空气中氮气浓度过高时，将相对降低氧气浓度而使人缺氧窒息。导致隧道空气中氮气浓度增大的原因主要有：①氧气的消耗，则氮气的浓度会相对增加。②从煤层或围岩中涌出氮气。③在隧道防灭火中人为注氮，惰化采空区时泄漏的氮气。④炸药爆破以及含氮有机物的腐烂等产生一定量的氮气。由于氮气无毒，实际中可以通过检测氧气的浓度来防止氮气的危害。第二节隧道空气中常见有害气体一、常见有害气体及其允许标准金属矿山隧道常见的对安全生产威胁较大的有毒气体有:一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、硫化物（硫化氢H2S和二氧化硫SO2）等，此外还有矿尘和氡气及其子体。这些有害气体来源于隧道爆破、矿石氧化与自燃、坑木腐烂、隧道无轨设备排的尾气、隧道火灾等都会产生有毒有害气体。1．一氧化碳CO2．氮氧化物3．二氧化硫SO24．硫化氢H2S5．浮扬粉尘隧道粉尘对人的健康有危害，硫化矿尘可引起人的皮肤发炎；铅、砷、汞尘进人人体会引起中毒；当人体长期吸人含游离二氧化硅(Si02)的矿尘时，会导致矽肺病。矿尘中游离二氧化硅含量越高，对人体危害越大。一般金属非金属矿山游离二氧化硅含量在30％-70％，也有高达90％以上的。第三节隧道气候一、隧道气候条件及其对人体热平衡的影响隧道气候条件是指隧道空气温度、湿度、大气压力和风速等参数所反映的综合状态，反映的是人体对隧道环境的热感受。人不论在休息或在工作时，身体不断地产生热量和散失热量，以保持热平衡，人体产生热量的多少取决于体质、年龄和劳动强度的大小。劳动强度越大，产生热量越多，成年人进行轻微劳动时每小时产生的热量约为500KJ，进行繁重劳动时每小时产生的热量约为1100KJ。人体产生热量的一部分用来维持人体自身的生理机能活动以及满足对外做功的需要，其余部分必须通过散热的方式排出体外。人体散热主要是通过人体皮肤表面与外界的对流、辐射和汗液蒸发这三种形式进行的，呼吸和排泄也散发少量的热。对流散热主要取决于周围空气的温度和流速；辐射散热主要取决于周围环境的温度；蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度，人体每蒸发1克汗液，可以散热2.42KJ。当空气的温度达到人的皮肤温度（33～34℃）时，出汗蒸发几乎成为人体唯一的散热方式。即工作环境的温度、湿度和风速三者的综合状态决定着人体的散热条件。三者在一定的范围内，人体能够依靠自身的调节机能，使散热量和产热量之间保持相对平衡，体温保持在36.5～37℃之间，维持人的正常生理活动。在隧道生产的劳动强度情况下，比较适宜的空气温度为20℃左右，风速为1m/s左右。此条件适合人体的对流和辐射散热，人的感觉会比较舒适。空气温度超过25℃将不利于劳动状态下人体的散热。空气的湿度决定着蒸发的效果。湿度低于30%，属于干燥空气，蒸发过快，会感到干燥；湿度高于80%，属于高湿空气，蒸发困难；湿度达到100%，蒸发停止，人体感觉适宜的湿度为50～60%。隧道环境中，空气的湿度难以调节，往往是通过温度和风速的合理调节给工作环境创造一个比较舒适的工作气候条件，这也是隧道通风的一个基本任务。当隧道气候条件不能满足人体的产热和散热的平衡时，则会对人体产生危害。比如，寒冷地区，气温低、风速大的环境，潮湿空气会带走人体过多的热量，人体就会发冷，甚至感冒。而高温、高湿的空气，会使人感到闷热。当温湿度过高的时候，会使人体的对流和辐射和蒸发散热大大减低，人体的热量不能及时散出，甚至超过人体的热承受能力，会给人体健康和隧道安全生产带来危害—即所谓的隧道热害。隧道高温热环境的危害主要表现在①人长时间处在高温热环境中生理调节机能将发生障碍，出现体温升高，代谢紊乱，心跳加快，心律失常，血压升高等现象，甚至虚脱中暑，严重时可导致昏迷或死亡。②高温高湿的作业环境中会使作业人员精神烦躁、疲惫乏力、精力不集中，增加了事故的发生率。③影响着作业人员劳动生产效率。④易引发其它灾害，如增大瓦斯涌出量，煤层自然着火危险性增加等。第二章隧道空气流动的基本理论本章的重点：1、空气的物理参数T、P、Φ、μ、ρ；2、风流的能量与点压力静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系3、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4、能量方程在隧道中的应用边界条件、压力坡度图本章的难点：点压力之间的关系能量方程及其在隧道中的应用主要研究内容：隧道空气沿隧道流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合隧道风流流动的特点，推导了隧道空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在隧道通风中的应用。第一节隧道空气流动规律1.1空气的主要物理参数一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。隧道表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄式温标：T=273.15+t二、压力（压强）1、定义：空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在隧道通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。三、湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对温度和含湿量三种。１、绝对湿度２、相对湿度例如：甲地：t=18℃，V＝0.0107Kg/m3,乙地：t=30℃，V＝0.0154Kg/m3解：查附表当t为18℃，s＝0.0154Kg/m3,,当t为30℃，s＝0.03037Kg/m3,∴甲地：φ＝V／S＝0.7＝70%乙地：φ＝V／S＝0.51＝51%乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100％时，此时的温度称为露点。上例甲地、乙地的露点分别为多少？３、含湿量隧道空气湿度的变化规律进风线路有可能出现冬干夏湿的现象。进风隧道有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100％，随着隧道排出的污风，每昼夜可从隧道内带走数吨甚至上百吨的地下水。1.2风流的能量与压力能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。一、风流的能量与压力1.静压能－静压2、重力位能1.3隧道通风中的能量方程当空气在隧道中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使得通风阻力和通风动力相平衡。关于能量方程使用的几点说明1.能量方程的意义是，表示1kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。2.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。3.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。4.正确选择求位能时的基准面。5.在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。６.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程第二节隧道断面上的风速分布及通风阻力本节重点和难点：摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算当空气沿隧道运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及隧道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。隧道通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。2.1隧道断面上风速分布一、风流流态1、管道流同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。二、隧道断面上风速分布（1）紊流脉动风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则变化。（2）时均速度瞬时速度vx随时间τ的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段T内，流速vx总是围绕着某一平均值上下波动。（3）隧道风速分布由于空气的粘性和隧道壁面摩擦影响，隧道断面上风速分布是不均匀的。层流边层：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度δ随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向隧道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。2.2摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力风流在隧道中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与隧道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：(Pa)λ－－无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。d——圆形风管直径，非圆形管用当量直径；1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出λ与Re的关系曲线，如图所示。结论分析：Ⅰ区——层流区。当Re＜2320(即lgRe＜3.36)时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。这表明λ与相对糙度ε/r无关，只与Re有关，且λ=64/Re。与相对粗糙度无关Ⅱ区——过渡流区。2320≤Re≤4000(即3.36≤lgRe≤3.6)，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段Ⅱ上。λ随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。Ⅲ区——水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态(Re＞4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度ε（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明λ与ε仍然无关，而只与Re有关。随着Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线Ⅲ。Ⅳ区——紊流过渡区，即图中Ⅳ所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有ε>>δ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区段，λ与Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：2．层流摩擦阻力当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：μ=ρ·ν∴可得圆管层流时的沿程阻力系数：∴古拉兹实验所得到的层流时λ与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1．摩擦阻力系数α隧道中大多数通风隧道风流的Re值已进入阻力平方区，λ值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的隧道，相对糙度一定，则λ可视为定值；在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3。对上式，令：α称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或N.s2/m4。则得到紊流状态下隧道的摩擦阻力计算式写为：第三节局部风阻与阻力由于隧道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。由于局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。一、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示：式中：ξ——局部阻力系数，无因次。层流ξ计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,当ξ确定后，便可用几种常见的局部阻力产生的类型：1、突变紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。2、渐变主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为Vhvp，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0,在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。3、转弯处流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。4、分岔与会合上述的综合。∴局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力二、局部阻力系数和局部风阻(一)局部阻力系数ξ紊流局部阻力系数ξ一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。1．突然扩大式中：v1、v2——分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；S1、S2——分别为小断面和大断面的面积，m；ρm——空气平均密度，kg/m3。对于粗糙度较大的隧道，可进行修正2．突然缩小对应于小断面的动压，ξ值可按下式计算：3．逐渐扩大逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。当Θ＜20°时，渐扩段的局部阻力系数ξ可用下式求算：式中α——风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4；n——风道大、小断面积之比，即Ｓ2／Ｓ1；θ——扩张角。4．转弯隧道转弯时的局部阻力系数(考虑隧道粗糙程度)可按下式计算：当巷高与巷宽之比H/b=0.2～1.0时，当H/b=1～2.5时式中ξ0——假定边壁完全光滑时，90°转弯的局部阻力系数，其值见表3-3-1；α——隧道的摩擦阻力系数，N.s2/m4；β——隧道转弯角度影响系数。5．风流分叉与汇合(二)局部风阻例3-3：某隧道突然扩大段，砌碹支护，断面S1=6m2，S2=24m2，通过风量Q=48m3/s，空气密度ρ=1.25kg/m3，求突然扩大局部阻力。解：设砌碹隧道α=0.005kg/m3ξ=(1-S1/S2)2=(1-6/24)2=0.563ξ’=ξ(1+α/0.01)=0.563(1+0.005/0.01)=0.845hL=ξ’ρV12/2=ξ’ρ(Q/S1)2/2=0.845×1.25(48/6)2/2=33.8Pa例3-4：某回风道，断面高2.8m，宽2.5m，混凝土棚支护，α=0.02kg/m3，有一直角转弯，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数ξ’解：表3-3-1，ξ0=0.93，由表3-3-2，β=1.0H/b=2.8/2.5=1.12,ξ’=[(ξ0+28α)b/H]β=[(0.93+28×0.02)2.5/2.8]×1=1.33若V=6m/s，ρ=1.2kg/m3,则：hL=ξ’ρV2/2=1.33×1.2×6×6/2=57Pa例3-5：某直角分叉隧道，θ2=0，θ3=90°，α=0.015kg/m3，V1=8m/s,V2=6m/s,V3=3m/s,ρ=1.25kg/m3,求hL1-2,hL1-3解：已知α=0.015kg/m3，Kα=1.35hL1-2=Kαρ/2(V12-2V1V2cosθ2+V22) =1.35×1.25/2(82-2×8×6×1+62)=3.37PahL1-3=Kαρ/2(V12-2V1V3cosθ3+V32)=1.35×1.25/2(82-2×8×3×0+32)=71.59Pa例3-6：某直角汇流隧道，θ1=0，θ2=90°，α=0.015kg/m3，V1=5m/s,V2=6m/s,V3=8m/s,ρ=1.25kg/m3,求hL1-3,hL2-3解：已知α=0.015kg/m3，Kα=1.35cosθ1=1,cosθ2=0,ω=Q1V1cosθ1/Q3=3.125 hL1-3=Kαρ/2(V12-2V3ω+V32)=1.35×1.25/2(52-2×8×3.125+82)=39PahL2-3=Kαρ/2(V22-2V3ω+V32) =1.35×1.25/2(62-2×8×33.125+82)=42Pa第四节降低隧道通风阻力措施降低隧道通风阻力，对保证隧道安全生产和提高经济效益都具有重要意义。无论是隧道通风设计还是生产隧道通风技术管理工作，都要尽可能地降低隧道通风阻力。应该强调的是，由于隧道通风系统的阻力等于该系统最大阻力路线上的歌分支的摩擦阻力和局部阻力之和，因此，降阻之前必须首先确定通风系统的最大阻力路线，通过阻力测定调查最大阻力路线上阻力分布，找出阻力超常的分支，对其实施降低摩擦阻力和局部阻力措施。如果不在最大阻力路线上降阻是无效的，有时甚至是有害的。摩擦阻力是隧道通风在阻力的主要组成部分，因此要以降低隧道摩擦阻力为重点，同时注意降低某些风量大的隧道的局部阻力。一、降低隧道摩擦阻力措施1．减小摩擦阻力系数α。在隧道建设时尽量选用α实施较小的支护方式，施工时要注意保证施工质量，尽可能使隧道壁面光滑平整。砌碹隧道的α值一般只有支架隧道的30%--40%，因此，对于服务年限长的主要隧道，应尽可能采用砌碹支护方式。锚喷支护的隧道，应尽量采用光爆工艺，使隧道壁面的凹凸度不大于50mm。对于支架隧道，也要尽可能使支架整齐，必要时用背板等背好帮顶。2．保证有足够大的隧道断面。在其它参数不变时，隧道断面扩大33%，Rf值可减少50%。3．选用周长较小的隧道。在隧道断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。因此，立井井筒断面采用圆形断面，斜井、石门、大巷等主要采用拱形断面，次要隧道以及采区内服务时间不长的隧道才采用梯形断面。4．减少隧道长度。因隧道的摩擦阻力和隧道长度成正比，故在进行通风系统设计和改善通风系统时，在满足开采需要的前提下，要尽可能缩短风路的长度。5．避免隧道内风量过于集中。隧道摩擦阻力与风量的平方成正比，隧道内风量过于集中时，摩擦阻力就会大大增加。因此，要尽可能使隧道的总进风早分开，使隧道的总回风晚汇合。二、降低局部阻力措施局部阻力与ξ值成正比，与断面的平方成反比。因此，为降低局部阻力，应尽量避免隧道断面的突然扩大或突然缩小，断面大小悬殊的隧道，其连接处断面应逐渐变化。尽可能避免隧道直角转弯或大于90°的转弯，主要隧道内不得随意停放车辆、堆积木料等。要加强隧道总回风道的维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。 第五节隧道通风动力空气在隧道中流动需要克服通风阻力，必须提供通风动力以克服空气阻力，才能促使空气在隧道中流动，实现隧道通风。隧道通风动力有由自然条件形成的自然风压和由通风机提供的机械风压两种。一、自然风压及其变化规律1、自然风压 如图4-1所示，该隧道的自然风压为：H自=－，Pa式中 Z——隧道最高点到最低点间的距离，m； g——重力加速度，m/s2； ρ1、ρ2——分别为0-1-2和5-4-3隧道中dz段空气密度，kg/m3。由于空气密度ρ与高度Z有着复杂的函数关系，因此用式（4-1）计算自然风压比较困难。为了简化计算，一般先测算出0-1-2和5-4-3隧道中空气密度的平均值ρ均进、ρ均回，分别代替式（4-1）中的ρ1和ρ2，则式（4-1）可写为：Ｈ自＝（ρ均进－ρ均回）gＺ，Pa自然风压具有如下几种性质：1.形成隧道自然风压的主要原因是隧道进、出风井两侧的空气柱重量差。不论有无机械通风，只要隧道进、出风井两侧存在空气柱重量差，就一定存在自然风压。2.隧道自然风压的大小和方向，取决于隧道进、出风两侧空气柱的重量差的大小和方向。这个重量差，又受进、出风井两侧的空气柱的密度和高度影响，而空气柱的密度取决于大气压力、空气温度和湿度。由于自然风压受上述因素的影响，所以自然风压的大小和方向会随季节变化，甚至昼夜之间也可能发生变化，单独用自然风压通风是不可靠的。因此《规程》规定，每一个生产隧道必须采用机械通风。3.隧道自然风压与井深成正比；隧道自然风压与空气柱的密度成正比，因而与隧道空气大气压力成正比，与温度成反比。地面气温对自然风压的影响比较显著。地面气温与矿区地形、开拓方式、井深以及是否机械通风有关。一般来说，由于隧道出风侧气温常年变化不大，而浅井进风侧气温受地面气温变化影响较大，深井进风流气温受地面气温变化的影响较小，所以隧道进、出风井井口的标高差越大，隧道越浅，隧道自然风压受地面气温变化的影响也越大，一年之内不但大小会变化，甚至方向也会发生变化；反之，深井自然风压一年之内大小虽有变化，但一般没有方向上的变化。4.主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定的影响。因为隧道主通风机的工作决定了隧道风流的主要流向，风流长期与围岩进行热交换，在进风井周围形成了冷却带，此时即使风机停转或通风系统改变，进、回风井筒之间仍然会存在气温差，从而仍在一段时间之内有自然风压起作用，有时甚至会干扰主要通风机的正常工作，这在建井时期表现尤为明显，需要引起注意。二、自然风压的控制和利用自然通风作用在隧道中普遍存在，它在一定程度上会影响隧道主要通风机的工况。要想很好地利用自然通风来改善隧道通风状况和降低隧道通风阻力，就必须根据自然风压的产生原因及影响因素，采取有效措施对自然风压进行控制和利用。1.对自然风压的控制在深井中自然风压一般常年都帮助主要通风机通风，只是在季节改变时其大小会发生变化，可能影响隧道风量。但在某些深度不大的隧道中，夏季自然风压可能阻碍主要通风机的通风，甚至会使小风压风机通风的隧道局部地点风流反向。这在隧道通风管理工作中应予重视，尤其在山区多井筒通风的高瓦斯隧道中应特别注意，以免造成风量不足或局部隧道风流反向酿成事故。为防止自然风压对隧道通风的不利影响，应对隧道自然通风情况作充分的调查研究和实际测量工作，掌握通风系统及各水平自然风压的变化规律，这是采取有效措施控制自然风压的基础。在掌握隧道自然风压特性的基础上，可根据情况采取安装高风压风机的方法来对自然风压加以控制，也可适时调整主要通风机的工况点，使其既能满足隧道通风需要，又可节约电能。2.设计和建立合理的隧道通风系统由于矿区地形、开拓方式和隧道深度的不同，地面气温变化对自然风压的影响程度也不同。在山区和丘陵地带，应尽可能利用进出风井口的标高差，将进风井布置在较低处，出风井布置在较高处。如果采用平硐开拓，有条件时应将平硐作为进风井，并将井口尽量迎向常年风向，或者在平硐口外设置适当的导风墙，出风平硐口设置挡风墙。进出风井口标高差较小时，可在出风井口修筑风塔，风塔高度以不低于10m为宜，以增加自然风压。3.人工调节进、出风侧的气温差在条件允许时，可在进风隧道内设置水幕或借隧道淋水冷却空气，以增加空气密度，同时可起到净化风流的作用。在出风井底处利用地面锅炉余热等措施来提高回风流气温，减小回风井空气密度。4.降低隧道风阻尽量缩短通风路线或采用平行隧道通风；当各采区距离地表较近时，可用分区式通风；各隧道应有足够的通风断面，且应保持隧道内无杂物堆积，防止漏风。5.消灭独井通风在建井时期可能会出现独井通风现象，此时可根据条件用风幛将井筒隔成一侧进风另一侧出风；或用风筒导风，使较冷的空气由井筒进入，较热的空气从导风筒排出。也可利用钻孔构成通风回路，形成自然风压。6.注意自然风压在非常时期对隧道通风的作用在制定《隧道灾害预防和处理计划》时，要考虑到万一主要通风机因故停转，如何采取措施利用自然风压进行通风以及此时自然风压对通风系统可能造成的不利影响，制订预防措施，防患于未然。三、自然风压的测定生产隧道多用实测法掌握自然风压的变化规律。自然风压的测定法有两种,直接测定法和间接测定法。1.直接测定法隧道在无通风机工作或通风机停止运转时，在总风流的适当地点设置临时隔断风流的密闭，将隧道风流严密遮断，而后用压差计测出密闭两侧的静压差，该静压差便是隧道的自然风压值。或将风硐中的闸门完全放下，然后由风机房水柱计直接读出隧道自然风压值（如图4-2所示）。2.间接测定法以抽出式通风隧道为例。如图4-3所示的抽出式通风隧道，因风硐中通风机入口风流的相对全压h全与自然风压H自的代数和等于隧道的通风阻力，即h全+H自=RQ2式中 R——隧道总风阻，Ns2/m8； Q——隧道总风量，m3/s。所以首先在通风机正常运转时，测出隧道总风量Q及通风机入风口处风流的相对全压h全，而后停止主要通风机的运转，若有自然风流，立即测出自然风流的风速v自，计算出自然通风的风量Q自=S×v自，S是测v自处的风硐的断面积，可得下式：H自=RQ自2解式（4-3）和（4-4）的联立方程组，得隧道自然风压：H自=h全，Pa第三章隧道通风技术与设备第一节隧道通风动力及通风机矿用通风机是隧道通风的主要动力。它对于隧道的重要性，不亚于肺脏对人体的作用。加之它的功率较大，日夜不停地运转，因此，耗电量很大。据统计，全国统配煤矿平均主扇电耗约占全矿电耗的16％。所以合理地选择和使用通风机，不仅关系到隧道的安全生产和职工的身体健康，而且对隧道的技术经济指标也有着一定的影响。矿用通风机按其服务范围，可分为三种：1．主要通风机(主扇)：服务于全矿或隧道的某一翼(或采区)；2．辅助通风机(辅扇)：服务于隧道通风网路的某一分支(某一采区或采煤工作面)风路，帮助主扇工作，以保证该分支所需的风量；3．局部通风机(局扇)：服务于独头隧道掘进。通风机按其构造和工作原理来分，可分为离心式扇通风机和轴流式通风机。一、离心式通风机离心式通风机的工作原理，就像旋转雨伞时，雨水由于离心力的作用，沿雨伞的边缘，以切线方向飞离的现象相同。离心式通风机主要由动轮(又叫工作轮、叶轮)、螺形外壳、进风道和扩散器等部件组成。有些离心式风机还在动轮前面装设具有叶片的前导器，使气流在进入动轮的方向产生扭曲，以调节风机产生的风压和风量。离心式风机的构造示意图，如图4—6所示。根据风机叶片弯曲形式的不同，可分为前倾式（β2＞900）、后倾式（β2＜900﹚和径向式（β2＝900）三种。前倾式叶片多用于鼓风机；后倾式叶片的风机效率高，大型风机一般都是后倾式；小型离心式风机，为便于制造，多用径向叶片。离心式通风机有单侧吸风口与双侧吸风口两种，增加吸风口的目的在于增加扇风机的风量。二、轴流式通风机如图4—7,轴流式风机主要由进风口、叶轮、整流器、主体风筒、扩散器和传动轴等部件组成。轴流式通风机运转时，空气沿风机轴的方向进入集风口，叶轮的旋转把空气向前推进，并产生压力，然后经扩散器排出.轴流式通风机依工作轮数有：一级(或一段)和二级(或两段)通风机。增加工作轮数可增加通风机的风压和风量。工作轮固定在主轴上，由齿轮联轴节使主轴和电动机相联。工作轮由轮毂和在其上安装的若干叶片组成。叶片用螺栓固定在轮毂上，叶片呈梯形(中间是空的)，其横截面和机翼形相似，如图4—8所示。θ称为轴流式通风机的叶片安装角，即从叶片的风流入口处与风流出口处的联线(弦线)和工作轮旋转方向的切线间的夹角。θ角是可调的，因通风机的风压、风量的大小与θ角有关，所以工作时可根据所需要的风量、风压调节θ角度。三、对旋式通风机1994年9月，原煤炭部颁发了《关于推广使用四项通风安全装备的决定》，对旋式局部通风机被列为在全国推广使用的四项装备之一。对旋式局部通风机也是一种轴流式通风机，和传统轴流式通风机相比较，具有高效率、高风压、大风量、性能好、高效区宽、噪声低、运行方式多、安装检修方便等优点。现在我国已经研制成功新一代高效节能矿用防爆对旋式主要通风机。对旋式通风机由集流器、一级通风机、二级通风机、扩散筒和扩散塔组成。风机采用对旋式结构，一、二级叶轮相对安装，旋转方向相反；在主风筒中设置有稳流环，使得通风机性能曲线中无驼峰区，无喘振，在任何阻力情况下均可稳定运行。通风机噪音较低，绝大多数型号在无消声装置的情况下，噪声均可低于90dB（A）。通风机叶轮叶片安装角可以调整，一般分为45。、40。、35。、30。及25。五个角度。一、二级叶轮叶片安装角角度可以一致，也可不同，又可调节为小于或等于45。范围内任意角度运行。可以单级运行，也可以双级运行，因此可调范围极广，尤其在隧道投产初期可只运行一级。通风机和扩散器均安装在带轮的平板车上，下设轨道，安装维修很方便。可以反转反风。在各种情况下，反风率均为70%以上；不需要反风道及通风机的基础，也可不要主通风机房，只需要建造电控值班室。电动机轴承和电动机定子有测温装置，可遥测和报警。电动机轴承还配备了不停机注油和排油管装置。目前，对旋式通风机有数十个系列。四、离心式和轴流式通风机的比较离心式和轴流式两类风机，各有优缺点，应根据各矿自己的特点和具体条件选用适宜的风机。表4—1离心式和轴流式风机综合比较表项目离心式轴流式平均效率特性曲线性能调节起动噪音转数故障机会检修并联工作适用较高平缓利用闸门调节，经济性差。调整前导器角度，尾翼，安装角调整范围较小。全闭较小较低较少较方便稳定性好风阻变化小，风量变动大的隧道，即h小变，Q大变时。较低陡削可调整叶片安装角，叶片数，级数等，经济性较好．全开很大较高较多较复杂稳定性差风阻变化大，风量变动小的隧道。即h大变，Q小变时．第二节隧道运营期间通风方式与通风管理通风目的：通过通风改变隧道内空气的化学组成和气候条件，使之满足人员工作、车辆运行的卫生和安全要求，保证隧道正常营运。改善隧道内空气污染途径：1)、无公害汽车；2)、滤毒装置还原；3)、稀释。1、隧道内废气的有害物质1)、汽车废气：含有多种有害成分，是气态和浮游固态微粒的混合物，如一氧化碳、煤烟、铝、磷化物、硫等。2)、汽车携带的尘土和卷起的尘埃。2、汽车废气的危害汽车废气的危害主要有两方面：1)、危害人体健康，主要物质为CO，因而在设计中只考虑CO的设计浓度。2)、烟雾降低能见度。3、汽车排放的特点：1)、汽油车：CO排放量大，几乎不排烟。2)、柴油车：排烟量大，CO排放量小。通风设计中，车辆有害气体的排放量以及与之对应的交通量都应有明确的远景设计年限，二者应相匹配。计算近期的需风量时应采用相应年份的交通量。在确定新风量时，应对计算行车速度以下的各工况车速以20km/h为一档分别计算，并考虑交通阻滞状态，取其较大者作为设计需风量。因为卫生标准有两个指标(CO和烟雾容许浓度)，所以应对二者分别计算需风量，取较大值为设计值。交通量：国际上实用的交通量取值法，是PIARC推荐的第30h交通量。即统计全年365d每天24h共有8760h交通量，采用第30h交通量作为依据，用来作为具体通风量计算的交通量。很明显，8760h交通量是逐个测得的，因此只有在老路改建时才有可能获得这些数据。作为新路，便不可能获得这些资料。那时，为了进行通风量计算，只得采用年平均日交通量的14％（山岭重丘区隧道）、12％（平原微丘区隧道）、9％（城镇隧道）作为通风量计算的小时交通量。自然通风：不采用任何人工通风措施，完全依靠风的自然流动和汽车行驶所产生的交通风来排除隧道内废气的通风方式。纵向式通风：是指靠设置在隧道内的风机产生的通风压力使新鲜空气通过隧道口或送风竖井进入隧道并沿隧道轴线流动，并将污染空气通过隧道口或排风竖井排出隧道的通风方式。与自然通风的原理是相同的。半横向式通风分为送风半横向式和排风半横向式。半横向式通风只需要设置一个送风道或排风道。送风半横向式指新鲜空气由风机、风井送入送风道，经送风孔进入行车道稀释空气后沿隧道排出。排风半横向式指污染空气经排风道由风机排出洞外。全横向式通风：将隧道断面分为送风道、排风道和行车道三部分，新鲜空气由送风道进入隧道后横穿隧道断面稀释污染空气后由排风道排出洞外。组合式通风：根据某些特殊需要，将上述几种基本通风形式组合而成的通风方式。静电吸尘式通风：空气中的微粒子流经电晕放电区域带电，带电粒子在电场力的作用下而被吸附于吸尘板上，从而使空气得以净化。以处理烟尘为主，已在日本、挪威成功应用于公路隧道。是否设置机械通风的选择选择通风方式时，首先需要决定隧道内所需通风量，然后讨论自然风和交通风能否满足需要，如果不能满足需要或者缺乏可靠性（自然风和交通风是否稳定），就应当采用机械通风。目前还没有可靠的计算自然通风的隧道最大容许长度的一般算式。从世界各国的隧道实例看，长度较短的隧道，在一定的交通量下可以考虑用自然通风。第三节隧道施工期间通风方式与通风管理隧道施工通风方案某隧道采用混合式通风。进口通风长度为3500m，出口通风长度为3200m。1.进口通风计算计算参数确定：供给每个人的新鲜空气量按3m3/min；控制通风计算按开挖爆破一次最大用药量200kg；放炮后通风时间按30min；软式风管百米漏风量1.0%,风管内摩擦系数为0.01;洞内风速不小于0.25m/s;隧道内气温不超过28℃；风量计算：按洞内允许最低风速计算风量：Q1＝60×A×V=60×60×0.25=900(m3/min)式中：V-洞内最小风速0.25m/sA-整洞开挖断面,取60m2洞内施工最多人数按80人计Q2＝3×80×1.2=288(m3/min),安全系数k=1.2按爆破时最多药量计算风量：Q3＝5Gb/t=5×200×35.35/30=1178(m3/min)式中：G-同时爆破的炸药用量200kgb-爆炸时有害气体成量,取35.35t-通风时间,取30min取以上最大值1178m3/min作为工作面所需风量,实际所需风机风量Q机要大于:Q机=p×Q=1.79×1178=2108m3/min式中:Q机-计算最大风量,2108m3/minp-系统漏风系数,p=1/(1-1/100×p100)=1.79所需风机压力计算:使用风管直径1.5m,风管平均流速V=18.9m/s风管内摩擦阻力h1=λ(L/D)ρ(V2/2)=5001Paλ-摩擦系数,根据使用经验、取λ＝0.01L-通风管长,取3500mD-风管直径,取D=1.5mρ-空气密度,取ρ=1.2kg/m3风管内局部阻力h局=ζρ(V2/2),按风管内局部阻力h1的5%考虑,总阻力h=5001×105%=5251Pa2.横洞通风计算通过横洞通风最远距离按1500m计算。按爆破时最多药量计算风量：Q3＝5Gb/t=5×200×35.35/30=1178(m3/min)式中：G-同时爆破的炸药用量200kgb-爆炸时有害气体成量,取35.35t-通风时间,取30min取以上最大值1178m3/min作为工作面所需风量,实际所需风机风量Q机要大于:Q机=p×Q=1.79×1178=2108m3/min式中:Q机-计算最大风量,2108m3/minp-系统漏风系数,p=1/(1-1/100×p100)=1.79所需风机压力计算:使用风管直径1.5m,风管平均流速V=18.9m/s风管内摩擦阻力h1=λ(L/D)ρ(V2/2)=2143Paλ-摩擦系数,根据使用经验、取λ＝0.01L-通风管长,取1500mD-风管直径,取D=1.5mρ-空气密度,取ρ=1.2kg/m3风管内局部阻力h局=ζρ(V2/2),按风管内局部阻力h1的5%考虑,总阻力h=2143×105%=2250Pa3.风机选择根据进口、横洞口计算所需风机的风量、风压及通风方式选择风机，通风设备配备及参数见表1。同时，出口通风长度与进口相差不大，也采用与进口型号相同的风机。表1配备风机及参数表风机型号供风量(m3/min)功率(KW)风压（Pa）数量(台)SDFN12.51550～2920110×25355～13782SDAφ40011205084.施工通风布置本隧道出口通风布置将1台SDFN12.5风机置于出口，每间隔1km设置1台SDAφ400射流风机助推，将掌子面的污浊空气排出。进口通风布置分为二个阶段。第一阶段：进口与横洞未贯通前，将2台SDFN12.5风机分别置于进口、横洞口，采用压入式通风。第二阶段：进口与横洞贯通后，将进口的轴流风机移至洞内横洞后20m左右处，并将2台SDAφ400射流式风机，放在轴流风机前方10m处，正洞开挖面污浊空气通过横洞排出，正洞向前延伸时，每间隔1km设置1台SDAφ400射流风机助推，同时横洞内设1台SDAφ400射流风机助推。通风平面布置见图1。图1施工通风布置图通风筒通过衬砌模板台车时，为避免在台车范围内管路无处吊挂而只能固定在台车上，致使台车无法移动或通风无法进行，不能做到两工序平行作业，施工中采用“立杆吊挂”法。即在通风筒通过模板台车时，在台车附近管路一侧每隔一定距离立一竖杆，竖杆之间拉铁线连接，在接近台车时，风筒由衬砌边墙逐渐过渡到竖杆，并沿连接竖杆的铁线向前吊挂，通过模板台车之后继续向前吊挂直到最后一个立杆，风筒再过渡回边墙，沿边墙向前吊挂至开挖面附近。施工通风管布置见图2。图2洞内管线布置图5.通风防尘的辅助措施及注意事项采取水幕降尘:水幕降尘对改善洞内施工环境、减少粉尘污染十分重要。在距工作面40m距离内设置3道水幕，水幕降尘装置安在边墙上，爆破后打开水幕开关，降尘10min左右停止。洞内洒水：在出碴后和出碴过程中用高压水冲洗岩壁及对碴堆分层洒水，减少装碴过程中扬起粉尘，运输道路保持湿润，防止车辆运输扬起尘土。防降阻是实现长距离通风关键，严格控制风管采购质量，安装时保持风管成直线，防止弯折变形。要特别注意风管防护，避免出碴机械摩擦损失，更要注意衬砌台车对风管的影响，破损的风管及时修复。成立专门的管线专业工班，专门负责通风设备和管道的日常使用、管理、检查、维护、养护等工作。保持设备的良好工作状态，保证风管平顺，完好无损，并使之标准化、制度化、规范化。第四章隧道消防设计在缺乏行业消防设计规范的情况下,根据隧道火灾的起因、种类和特点,提出防火和灭火的措施,认为消火栓的布置间距应在保证最少,支水枪的充实水柱同时到达隧道内任何部位的前提下,根据具体情况经过计算确定,水喷淋灭火系统对隧道的消防的有效性还有待探讨.

随着改革开放的深入,我国经济建设和社会发展取得了巨大的成就.国家每年投入大量资金进行公路等基础设施建设.福建属于多山省份,近年来,随着公路交通事业的发展,公路等级的提高,对公路线型的要求也越来越高.为了克服高程障碍,优化线路,缩短里程,修建隧道必不可少,而且数量越来越多,规模越来越大.隧道是公路交通的咽喉要道,结构复杂,环境密闭,空间狭窄,能见度差,流动车辆多,车速快,一旦发生火灾,扑救相当困难,往往造成重大的人员伤亡和财产损失.故在隧道设计时,应贯彻"预防为主,防消结合"的方针,采取有效的防火与灭火措施,使火灾控制在最低限度,使隧道真正起到安全输送人员和物资的作用.

1火灾的起因、种类及特点

1.1火灾的起因

公路隧道一般远离市区,是车辆流通的必经之道,火灾的起因主要有以下5种可能:(1)人为纵火;(2)汽车本身系统故障起火;(3)汽车装载的货物遇明火或热源引起燃烧或自燃;(4)汽车相撞起火;(5)电气线路短路起火.

1.2火灾的种类及特点

根据隧道火灾的起因和物质燃烧的特性分析,隧道可能发生的火灾种类大致有A,B,C,E4类.A类指汽车装载的可燃固体燃烧的火灾或常温下呈半凝固状态的重油燃烧的火灾;B类指汽车装载的可燃液体燃烧的火灾或汽车本身的油箱燃烧的火灾;C类指汽车运载的可燃气体燃烧的火灾;E类为带电物体燃烧的火灾.其中以汽车相撞引发的A,B类火灾最为常见.这些火灾由于受隧道空间的限制,火焰和烟雾无法向上发展,迫使其往纵向扩散,并且很快充满隧道.据资料[1]报道,两辆货车或公共汽车相撞酿成的火灾,在起火25s后就充分发展,3min左右火源上方顶部温度已达到1000℃左右,10min内达1000℃以上.如此迅猛的火势给人员疏散和灭火造成很大的困难.

2防火与灭火措施

2.1防火措施

根据隧道火灾的起因,设计时,通常采取以下几种防火措施:

(1)在隧道进口设管理站,加强交通安全管理和消防管理;

(2)限制车速,限制载有易燃易爆物品及其他危险品的车辆进入隧道或由专业车辆引入;

(3)各种电气线路采取穿管保护,电缆采用阻燃电缆或耐火电缆;

(4)长隧道内设置电视监控系统,事故报警按纽,避难通道,应急灯,电话以及通风机等;

(5)选用耐高温、耐潮湿环境的防火涂料;

(6)所有的灯具、电话箱、灭火设施箱体均要求用非燃烧材料制作.

2.2灭火措施

2.2.1灭火剂的选择

由于当前我国尚没有隧道消防设计规范,所以隧道消防设计时,通常根据隧道内可能发生的火灾种类选择灭火剂.一般有(1)干粉,磷酸铵盐干粉灭火剂,可用于扑救除活泼金属外的其它各类火灾,对火灾种类复杂的隧道特别适用.设计时,通常选用磷酸铵盐干粉灭火剂.(2)水,是自然界中广泛存在的天然灭火剂,取之方便,价格便宜,可用于扑救隧道内的A类火灾.同时,由于水在温度升高时,吸收大量的热,能有效地降低燃烧物质和周围物质的温度,使燃烧停止,所以,对于隧道内除A类外的其它各类火灾,还具有冷却降温和冲淡稀释作用.(3)泡沫,主要用于扑救隧道内的B类火灾,特别是隧道内最可能引发的汽油火灾.由于水成膜泡沫能在油类的表面形成一层很薄的水膜,抑制油品向上蒸发,依靠水膜和泡沫的双重作用,使燃油与空气隔绝,迅速而有效地将火扑灭.有实验[2]表明水成膜泡沫灭火剂的灭火效率约为普通蛋白泡沫的3倍.故目前我院隧道设计均选用水成膜泡沫灭火剂.但对于水溶性B类火灾,如醇、酮、醚、酯等火灾,水成膜泡沫很快被破坏而不起作用,所以本人认为,在经济条件许可时,应首选抗溶性水成膜泡沫灭火剂,因为它既适合扑救水溶性B类火灾,同样适合扑救非水溶性B类火灾.

2.2.2灭火设施

隧道内一旦发生火灾,受空间狭小的限制,容易造成交通混乱,为了疏散车辆和人员,必须尽可能地把火灾限制在最小范围内,要做到这一点,隧道内必须配置强而有效的灭火设施.根据隧道的长度,我们把隧道分为三类(与《公路隧道设计规范》JTJO26-90略有不同).第一类为500m以下的隧道,称之为短隧道,由于汽车在隧道内通行的时间不足1min,火灾危险小,故设计时一般只考虑配置便携式磷酸铵盐干粉灭火器.第二类为500-1000m(含500m)的隧道,称之为中隧道,火灾危险性较大,除配置便携式磷酸铵盐干粉灭火器外,还配置水-水成膜泡沫两用灭火设施.这种灭火设施的配置只能根据火灾种类选择水或水成膜泡沫之一进行灭火,第三类为1000m(含1000m)以上的隧道,称之为长隧道,火灾危险性大,起火后容易造成重大的火灾损失,除配置便携式磷酸铵盐干粉灭火器外,还分别配置消火栓灭火设施和水成膜泡沫灭火设施.这种灭火设施的配置,在用水成膜泡沫灭火设施灭火的同时,还可用消火栓灭火设施对火灾周围进行冷却.根据火场灭火情况,一般首先发现火灾并面临火灾的是司机和乘客,他们没有专门的灭火技能,必须使用隧道内配置的消防设施,对他们来说便携式磷酸铵盐干粉灭火器是最好的灭火设施.随着火灾的发展,隧道管理所兼职消防人员到达隧道,他们具有专门的灭火技能,但不携带消防设备,对他们来说,使用隧道内配置的消火栓或水成膜泡沫灭火设施是最好的灭火手段.由于隧道一般都远离市区,社会消防队员总是最迟到达火灾现场,他们具有特殊的灭火技能,且自带灭火设备,对于他们来说,一般只要求供给充足的水源,为满足他们的需要,我们在隧道进出口设置了室外消火栓和水泵接合器.由于福建公路建设起步较晚,隧道灭火尚无经验,根据上海延安东路过江隧道灭火统计资料[2],隧道通车5年多发生过中小型火灾十余次,其中65%的火灾是第一发现者即司机和乘客扑灭的,35%的火灾是第一发现者和随后到达的隧道管理所兼职消防队员共同扑灭的.日本道路公社团所属的隧道,1960年至1980年期间共发生24次火灾,其中15次是在社会消防队员到达火灾现场之前,由司机、乘客以及隧道管理所兼职消防队员共同扑灭的.这些火场经验说明了隧道内配置消防设施立足自救的重要性和必要性.

3工程实例

福建双湖公路寿宁段罗宁隧道,全长1368m,属二级公路长隧道,要求设计为单洞双车道双向行车,最大车速为40km/h,隧道横向宽度9m,双车道路面宽度7.5m,车道净高5m.本人认为该隧道虽然属二级公路隧道,但为单洞双车道双向行车隧道,交通事故概率相对双洞四车道即单洞双车道单向行车隧道高,火灾危险性较大,必须立足于自救,故设计时,按照上述的灭火措施进行隧道内灭火设施配置,即每隔50m设消防洞室一处,每处消防洞室内配置消火栓箱和水成膜泡沫灭火装置箱各一个.消火栓箱内设SNJ65室内减压稳压消火栓1个,25m长直径65的衬胶水龙带2条,直径19水枪1支,同时还配消防水喉.水成膜泡沫灭火装置箱内设30L水成膜泡沫液贮罐1个,比例混合器1个,泡沫喷射枪1支,25m长直径20的喷射胶管1条.泡沫混合液流量为30L/min,混合液的质量分数为3%,喷射时间30min以上.同时洞内还配4具8kg的便携式磷酸铵盐干粉灭火器(《建筑灭火器配置设计规范》规定,B类轻危险级场所,灭火器最大保护半径为15m,考虑隧道内与建筑物内不同,从消防洞室取灭火器到火灾现场均可直线到达,参照1997年日本隧道设计要领,设置间距取50m).

4需要探讨的问题

4.1消火栓的布置间距

按照《公路隧道设计规范》JTJ026-90要求,消防水栓每隔50m设一个,本人认为应按照隧道的宽度、配置的水龙带长度以及水枪的充实水柱由计算确定.下面以布罗宁隧道消火栓布置为例进行计算分析(参照室内消火栓的布置).

消火栓保护半径

式中:R--消火栓保护半径,m;

Ld--水龙带敷设长度m;考虑水带的转弯曲折,折减系数取0.9.即Ld=2×25×0.9m

Ls--水枪充实水柱在平面上的投影长度m;根据火场经验,水枪射流上倾角度一般不超过45°,故按45°考虑;

Sk水枪充实水柱,m;直径19的水枪,当流量为5L/s时,其充实水柱为11.3m

则

消火栓的布置间距S=(R2-b2)0.5

式中:S--2支水枪的充实水柱同时到达隧道内任何部位时消火栓的间距,m;

R--消火栓保护半径,m;

b--消火栓的最大保护宽度,m,即隧道的最大宽度9m.

则S=(532-92)0.5=52m

按照《公路隧道设计规范》JTJ026-90要求,设计时消防洞室间距取50m.需要探讨的是,这是在每个消火栓配置2条水龙带串联使用的情况下计算的.但是国内很多隧道消火栓的间距按50m布置,而每个消火栓仅配置一条水龙带,本人认为这种布置只能保证一支水枪充实水柱到达隧道内任何部位,一旦火灾发生在该消火栓处,人们无法靠近使用,其他消火栓也爱莫能助,整个消防系统就形同虚设.要保证2支水枪的充实水同时到达隧道内的任何部位,按上述公式计算,消火栓的间距不得大于29m.同样,隧道宽度不同,消火栓的布置间距也不一样.所以本人认为消火栓的布置间距应在保证最少2支水枪的充实水柱的同时到达隧道内任何部位的前提下,根据具体情况经过计算确定.

4.2水喷淋系统

《公路隧道设计规范》JTJ026-90中要求长隧道内应设水喷淋系统,每隔5m设喷头1只.这种设计方案国外很多国家持不推荐态度,他们认为隧道初期火灾通常发生在乘客内部,或车辆下部,或顶部为防水设计的发动机厢内,顶部喷水没有灭火效果.而且受空间限制,隧道顶部的温度极高,在巨热的火焰上喷水,不会压制火焰,相反使烟雾层向下移动,并与空气混合,不但降低了能见度,同时还威胁隧道中人员的人身安全[1].日本曾经在5座设置水喷淋系统的长隧道中,共发生6次火灾,投入运行的只有日本坂隧道1次,但没有效果.虽然水喷淋系统在起火后1min就自动投入运行,但喷水25min后火势不但没有得到控制,反而继续扩大,而且还发生了爆炸,共烧毁汽车174辆!死亡7人.在美国众多的隧道中,也仅有3座设置水喷淋系统.鉴于这些原因,我们在设计时没有考虑设置水喷淋灭火系统.对于火灾危险性特别大的长隧道,是否需要配置,有待于进一步探讨.

水火无情,火灾是各国人民难免遇到的灾难之一,一旦发生,将使人们辛勤创造的物质财产和宝贵生命,顷刻间化为灰烬.为了避免灾难,首先应重视安全防火,同时要配备强有力的灭火设施.特别对于公路隧道,社会消防队往往不能保证及时到达现场,必须立足于自救.只有坚持贯彻"预防为主,防消结合"的方针,才能保证隧道畅通无阻.第五章隧道火灾预防与扑救根据近年来高速公路隧道通车里程增加，各类灾害事故高发的实际，从高速公路隧道火灾的的特点、高速公路隧道火灾的扑救对策及注意事项等方面简要阐述了高速公路隧道火灾的扑救。近年来，随着我国经济建设的快速发展，各类车辆急剧增加，城市交通建设迅猛发展，隧道数量和通车里程大幅增加。2009年5月28日通车的西康高速公路，不仅桥梁、隧道占了全长的72%，而且拥有亚洲第一、全长18.02公里的秦岭终南山隧道和全国第三、全长11.2公里的包家山隧道，使安康成为全省乃至全国高速公路隧道最多的城市之一。与此同时，与高速公路隧道相关的各类火灾事故也大幅增加，高速公路隧道火灾的扑救已成为安康消防急需解决的重大课题。2009年9月、2010年6月安康消防支队先后在王家台隧道、包家山隧道开展了高速公路隧道火灾扑救演练，在此笔者结合包家山隧道的演练和实际情况，就高速公路隧道火灾的扑救谈谈自己粗浅的粗浅看法。一、包家山隧道概况（一）隧道所处的地理概况包家山隧道位于包茂高速小河至安康段，全长11.2km，为双向四车道，中线间距38m。隧道近似南北走向，平均海拔550m，平均气温15.8℃，极端最高气温41.7℃，极端最低气温-9.5℃。常年主导风向为西北风。（二）隧道内建筑概况隧道建筑限界净高5m、净宽10.25m，其中行车道宽2×3.75m；在行车道两侧设0.5m的路缘带及0.75m的余宽;隧道右侧设置紧急停车带，间距750m，有效长度30m，宽度较正常地段加宽2.75m。两隧道间设人行横通道和车行横洞。车行横洞净宽4.5米，净高5.0m，与隧道中线夹角为60°,人行横洞净宽净宽2m，净高2.5m，间距250m，与行车横洞间隔布置。（三）隧道内消防系统概况隧道内每50m设置室内消防栓箱一处，共计220处。内设直径65mm接口2个，箱内有泡沫灭火剂储存桶一个、8kg干粉灭火剂2具，箱外设置手动报警按钮一个、自动报警装置一个。隧道左、右线采用直径200mm防干管贯穿，并与右线通过横通道连接成环网，管网流量39.8L/s。在南洞口设100m³高位消防水池3座。有线广播每50m一个，共计200个；紧急电话每400m设一部，共计28部。（四）隧道管理所概况包家山隧道的管理隶属包家山隧道管理所，管理所位于安康市汉滨区茨沟乡佛爷岩村包家山隧道西安至安康方向出口处，管理所主要设监控、路政和消防三大部门。其中消防队现有人员28人，下设两个中队，分别驻勤于包家山隧道南口和大棕坡隧道南口。消防队现有消防水罐车1辆，泡沫车、救援器材车、拖车各1辆，消防摩托8辆，其中背负式、水罐式各四辆，队员个人装备有火服、火靴、呼救器、空气呼吸器、头盔等消防装备。（五）距离隧道最近的公安消防中队概况距离隧道最近的公安消防队为安康市消防支队汉滨区中队，行车距离56公里。汉滨中队编制官兵45人，现有42人，有32米举高车一辆、18吨大吨位水罐车一辆、泡沫车1辆、普通水罐车2辆、器材消防车1辆，共计6辆。二、高速公路隧道的火灾特点（一）火势猛烈，突发性强汽车在高速行驶中具有很大的惯力，车身又携带有一定的燃油，有的汽车运输各种可燃、易燃、易爆等物品，相撞后迅速起火。因此起火后，借着风洞效应、火势凶猛，并且由于部分驾驶员不熟悉灭火流程，加上司机害怕、希望尽快逃生等心理作用，第一时间无法控制初起火灾。在较短时间内会形成大火。（二）人员疏散逃生难，车辆和货物不易疏散和保护由于高速公路隧道内建筑物和空间狭小、一旦发生火灾事故后，整个洞内浓烟很大，不易扩散，即使洞内有照明设施也起不到太大作用。加之烟气有毒，火灾在发展过程中也需要大量氧气，使洞内空气稀薄、温度高。隧道内火灾发生后，氧气在短时间内会大量减少，逃生的人们很快因缺氧而窒息晕倒、死亡。（三）烟雾大、能见度低、排烟效果差烟雾的产生主要与可燃物的物理和化学特性、燃烧状态和供氧程度有关，由于隧道空间和密闭状态等情况的特性，火灾发生时，隧道内氧气不足，多产生不完全燃烧，发烟量较大，而且产生的热烟气难以快速扩散，导致火灾初期升温迅速，并产生较强的热冲击，致使逃生人员和进攻人员的能见度不足。由于产生浓烟大于排烟的情况，隧道内自然排烟和人工排烟无法大于火灾产生的大量烟雾，因此造成洞内聚集大量浓烟，无法排出。给扑救工作带来极大影响，并且由于热烟气致使轰燃现象随时发生。（四）火灾类型多样化，施救难度大虽然目前高速公路禁止危化品撤离进入，但在实际调研中发现每天行驶在高速公路和隧道内的危化品车辆不在少数。这些装载危化品的车辆一旦发生火灾后，易形成爆炸性火灾，在燃烧过程中，由于空间狭窄，烟气不易扩散，能见度低，燃烧不充分等原因，容易产生大量有毒气体，造成人员逃生不及、救助困难的局面。然而隧道火灾又有地下，易燃、易爆、电器火灾、坍塌等事故现场的共性。施救过程中对器材装备和人员要求又很高，难度增大。（五）易爆炸燃烧、发生垮塌由于车辆火灾是高速公路隧道火灾的主要危险，引起汽车火灾又多数是电气线路短路、汽化器、载重汽车气动系统和车辆相互撞击起火等，无论什么原因引起火灾，都因高温积热不散、辐射热强，多数会造成汽车油箱爆炸，一旦发生火灾，火源的温度高，燃烧蔓延速度快，如遇车辆运载是易燃易爆物品或后继遇难车辆多，这更将加剧燃烧和火势的快速发展。据计算，隧道内失火爆炸成灾时间一般5—10min，时间较短，如发生事故时车辆运载的可燃物品、化学品、危险品相当多的话，危险性进一步增大，极易导致人员伤亡设施毁坏。另外，目前已建和在建的高速公路隧道多依山而建，多为预混结构，如果发生连锁爆炸还会引起隧道垮塌，造成灾难性的后果。（六）地势复杂、灭火力量无法展开一般的高速公路隧道多建在山区或水边，洞口附近开阔地的面积窄小，没有大空间的停车位置。因此高速公路隧道发生火灾后，现场作业的消防车辆无法正常通行，大型消防装备和灭火人员不能全部接近于火场，加之洞内通讯信号受阻，通讯不畅，使扑救人员与隧道外指挥人员联系不便。三、高速公路隧道火灾的扑救对策要想做好公路隧道火灾扑救工作，首先消防部门应做好平时的火灾预防和灭火的各项准备工作。因此，研究和探讨高速公路隧道火灾的扑救各种战法就成为当务之急。随着公安部消防局勤务制度的改革，以及全勤指挥部建设的铺开，各基层作战单位的专业队伍和攻坚组的成立，打大仗、打恶仗的作战思想已经在各基层单位形成。面对高速公路隧道潜在的火灾危险性日趋严重情况下，我们应把认真准备、周密部署、积极抢救和疏散被困人员，科学的利用战法和现代装备，作为有效的控制和扑救公路隧道火灾的有效工作之一。（一）要做好高速公路隧道火灾的预案制定工作因为，预案是火灾扑救工作、实行计划指挥的基本依据，是消防灭火勤务工作的重要组成部分。目前，消防局最新编制的表格式母子预案下发各基层单位，其科学性、实用性、指导性较强，各基层单位应结合实际搞好调研，在调研的基础上制定完善的预案，并适时开展熟悉和实地演练工作。（二）正确决策、科学调集灭火力量在当前灭火救援中，调度指挥应做为高速公路隧道扑救工作的重点。因为汽车在高速公路隧道发生火灾后，造成不仅隧道内车辆拥堵，洞外的路面上也会造成道路堵塞，因此说，接警后，一定要清楚发生灾害的地点、科学的调派力量，从最近或者相反道路上及时进入事故地点，防止由于堵车而影响灭火、救人。在调度指挥的同时，要及时通知联动单位和社会相关单位到场，并预先通知相关中队做好出动的准备工作。（三）缜密侦察、报告及时高速公路隧道内发生火灾后，到场的力量要首先封锁洞口（高速公路已自行封闭的可免去此步骤），防止再有车辆进入，在侦察中，要清楚高速公路隧道里面是否有人员被困、车辆数量，并使用可燃气体探测仪进行探测洞内的可燃气体的浓度，防止轰燃发生。并向相关知情人员了解，洞内是否有其它易燃易爆等化学危险品车辆，是否有其它管线穿越洞内，并了解隧道的地质构造情况。因为侦察的准确是指挥员正确决策、科学部置力量、采取正确措施的重要保证。在侦察的同时，要及时把侦察到的各种信息及时反馈到指挥中心，做到即发即报。（四）充分发挥高速公路隧道内部固定消防设施的作用高速公路隧道消防设施设置的原则是立足自救，立足扑救初期火灾。高速公路隧道内与消防有联系的一般有自动报警系统、手动报警系统、视频监控系统、气体监测系统、消火栓系统、送排风系统等组成。在实际的扑救过程中，要充分利用其内部报警、监控、监测、消火栓、排烟等系统，为火灾的扑救提供便利；另外，灭火人员还可以利用隧道内的人行、车行横通道（联通两个隧道的通道，一般是平行的），作为进攻的主要路线，尽快到达火点位置，实施救人和灭火。（五）成立指挥部，科学部署力量由于隧道建造地点的特殊，指挥部的地点应选择在临近现场，便于观察，便于指挥、相对安全的上风方向，并且根据现场实际需要，应在下风方向的一侧洞口和主攻方向的前沿设立临时指挥部，还应该在距离火灾现场附近设临时消防车辆和装备及社会联动单位车辆的停车地点，待命，随调随到。与现场无关的各种车辆，一律不许进入洞口附近，防止影响灭火车辆进出。指挥部应根据现场情况在车辆赶赴现场进，要把力量合理分配，直接进入地点，防止重复绕行，影响交通和灭火力量到达不及时。（六）充分发挥战勤保障和社会联动力量的作用隧道内发生重大火灾后，一般很难快速扑灭，基本上是灭火作战时间长、通讯保障技术含量高、灭火剂消耗量大、器材和防护装备用量大、对指挥作战人员体能要求高等特点。如果采取封洞等灭火方法时，更需要社会力量协助。因此说，做好战勤保障和发挥社会联动力量是扑救长此类重要保证。四、高速公路隧道火灾的灭火行动要求及注意事项在扑救高速公路隧道火灾行动过程中，应该注重：调度指挥、进攻路线、个人防护、疏散救人、防止爆炸和顶部塌落伤人等方面的工作。（一）正确选择行车路线和进攻方向首先要在受理火警时，应准确了解事故发生的具体地点、在隧道内距离、确定最便捷的出动力量和安全行车路线。其次在灭火力量到场后，应观察烟雾流动方向，灭火力量尽可能在烟雾流动的上风方向，选择上风方向为进攻点。（二）加强灭火行动中的安全准备进入公路隧道内进行侦察、救人、灭火的消防人员，在进攻前设专人对空气呼吸器、对讲机、隔热服、照明等个人防护装备仔细检查；进入隧道的进攻人员，要分成若干小组，形成梯队，每个小组由34人组成，保持联络，相互照应，相互保护，相互救助；在隧道火灾猛烈阶段时，墙壁温度很高，水枪射流的选择不应直接射到墙体，以防热气浪烫伤；进攻人员贴着地面进行，不要距离车辆轮胎附近，防止轮胎爆破伤人；另外，要设立专门的观察组，时刻观察烟气流动和烟气颜色变化，防止爆炸。要求到场的建筑等方面的技术专家，随时注意由于隧道火灾和爆炸对洞内的墙壁的影响，要做到科学预测。防止造成次生灾害事故。（三）防止发生复燃复爆现象火灾扑灭后，要继续冷却，并将车体及时拖出隧道，并清理和收集地表上的燃油。重点对隧道内死角、下水管道等低洼处用喷雾水枪进行清理，冲洗油蒸气的浓度，防止油蒸气浓度过高引发复燃、复爆。火灾扑灭后，需要对着火后的隧道进行通风换气，并用燃气检测认仪反复检测确认无危险后，方可通车。（四）注意洞顶表皮塌落和照明等电器伤人首先，进入隧道进攻人员，要时刻注意洞顶部，由于高温而引发的墙皮脱落，而引发伤及消防人员的事故，进攻人员要用水枪对前方远距离顶部进行水枪扫射。其次，注意照明灯具爆破和电器设备对消防人员的伤害，进攻前要切断电源。最后，注意观察洞顶部的排风等其它设备的紧