第七讲 火灾时期风流的紊乱

2/1/2023矿井火灾防治理论与技术第七讲火灾时期风流的紊乱第一节火灾时期常见的风流紊乱形式

一旦矿井发生火灾事故，不管是内因火灾还是外因火灾，由于是缺氧燃烧，往往成生大量的有毒有害气体及高温烟流。如果烟流流经的通道不畅通以及火源温度特别高，生成大量的烟雾，则往往容易造成矿井风流局部或全矿性的紊乱，烟流可能侵入不该到达的区域。如果没有正确的防范措施，将会造成严重的后果，导致事故的扩大，造成更大的伤亡事故。例如1947年1月30

波兰莫泽尤夫矿，采区上山发生火灾，由于矿井通风管理薄弱，加之领导对火灾时期风流的变化规律缺乏知识，处理不当，以至位于火区上风侧远离火源的采区遭到有毒气体的侵袭，致使２５人物股丧生。

1)矿井概况

通风系统示意图(图6-33a)与网路图(图6-33b)只绘出了与火灾有关部分。风流从进风井筒进入生产水平后，通过大巷、石门(2-3-1-5)分别流向矿井两翼的各个煤层采区。西翼采区因自然发火封闭，生产安排在东翼采区和西翼的上阶段。暗井是从上阶段下放重车的通道。

2)事故发生经过火灾的发生是由于封闭的老火区复燃外延引燃了邻近采区上山(3)的木支架造成的。事故发生的当天一位区长曾于12点30分检查工作路过此地，并且发觉从火区密封墙上向外涌出青烟，这时井下各个采区都在照常工作，但42min后，突然从原来上风的暗井下口向石门涌出大量浓烟，掺入新风，毒化了位于上风头的采区。因为没有估计到火势的发展，没有预料到火烟会从暗井下涌，所以没有通知和撤出东翼采区的工人，以致25人中毒牺牲。

3)事故原因及教训此次事故的发生完全是由于老火区封闭不严，燃烧外延而引起，基层领导也未能给予足够的重视，尽管发现火情而却未能及时处理，以致酿成了此次事故，从中可以总结出如下的经验教训：(1)在处理矿井火灾时，尤其针对发生在上行风流中的火灾，首先要着眼于控制火势的发展，以减小火风压的生成，这就要求将直接灭火法放在首位。同时要求在火源前面张挂临时风帘，以减少向火源点供风达到减弱火势的目的。(2)在火源前面张挂风帘一是可以减少向火区供风，控制火势发展，同时也起了增大火区支路风阻稳定风流的作用。但在瓦斯矿井要十分注意检查火源与风帘之间的巷道里是否有局部积聚的瓦斯。(3)保证回风系统的排烟道路畅通，因此，在排烟的道路上如果有风窗存在，要及时开启，如果能找到一条临时的通道使烟流短路，以最小的阻力排出矿井就更为理想。不过关键在于日常对矿井回风系统的管理，保持回风道支架完整，断面足够大，风速无超限的区段，没有局部阻塞是十分重要的。(4)在上行风流中发生火灾时，在排烟的线路上已经撤出人员的情况下，千万不能停．止主扇运转，更不允许轻易采取反风措施。1、基本概念1、直接烟侵区——火灾时期，风流保持正常流动时，火烟随风流流动直接侵入的地区。2、主干风路——从入风井经火源到风井扇风机扩散器流出的风路。3、旁侧支路——除主干风路以外的支路。4、节点——通风网路中的起始点、分风点与汇风点。5、火风压——矿井火灾时期通风网路中出现的附加热风压，即火灾时期自然风压的增量。2、风流紊乱的形式1）旁侧支路风流的逆转火灾时期火烟可能从主干风路的排烟段分出一股烟流流朝着最近的旁侧支路逆流流动。2）主干风路风流的逆退火灾时期火烟可能一方面从主干风路的排烟段排出，另一方面还可能充满巷道全断面逆着主干风路的进风方向朝着最近的节点流去。3）火烟的回流在火源上风头巷道同一断面内既有新鲜风流沿着底板保持原有方向向火源流动，同时又有烟流沿着顶板逆风回退。第二节火风压的生成与计算

1、火风压的概念

矿井发生火灾时，通风网路中出现的附加热风压称为火风压。也有人称火风压为矿井火灾时期自然风压的增量。

局部火风压：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。

全矿火风压：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的总值(代数和)。

2、局部火风压的计算

1)流体静力学方法

根据火风压的定义知：火风压，即火灾时期矿井自然风压的增量，等于发火后矿井的自然风压值与发火前矿井的自然风压值之差。如图6-6a、b、c所示为矿井通风系统示意图，若在出风井井底车场发生火灾后，局部火风压hf为：火风压hf的计算式中：Z——高温烟流流经倾斜或垂直巷道的标高差；m；

ρ0——火灾前后巷道空气密度；kg/m3；

g——重力加速度；m/s2；

Tf——火灾后巷道风流平均温度；ºK；△t——发火前后巷道温度的平均增值；℃；从上式可以看出：Z值愈大，亦即高温烟流流经井巷始末两端的标高差愈大，hf值愈大；火源燃烧炽烈，烟量大而温高，△t值大，hf

值也大；在平巷内，Z值近似为零，hf

值甚小，无火风压。2)热动力学方法

根据热动力学的原理，火风压为火灾时期矿井自然风压的增量，其推导的计算公式为：式中：Z——高温烟流流经倾斜或垂直巷道的标高差；m；

ρf——火灾前后巷道空气密度；kg/m3；

g——重力加速度；m/s2；

T0——火灾前巷道风流平均温度；ºK；△t——发火前后巷道温度的平均增值；℃；这两个计算公式：流体静力学方法偏小，热动力学方法偏大。由两个公式可以看出：Z值越大，即高温烟流流经井巷始末两端的标高差愈大，hf值愈大；△t值越大，即火源燃烧越大，烟烟流温度越高，hf

值也大；Z值为0，hf为零。即在平巷内不产生火风压。火风压的方向永远向上。

3、烟流的温度及其计算方法

1)影响烟流温度的因素

烟流温度对火风压值起着决定性的作用，在烟流排出的过程中，沿程各点的温度取决于下述因素：

①火源点燃烧物的燃烧温度；②距火源点的距离及通过该点的烟量；③在火源与该点之间，从其它支路参入的风量及其温度。

2)燃烧温度煤炭充分燃烧(供氧充足)生成CO2时，其燃烧温度可达2500℃。缺氧燃烧不充分时，生成大量的CO，其燃烧温度可达140O℃。

燃烧温度即火焰的温度，因热量是从物质燃烧的火焰中放出的，燃烧物质不同，火焰的温度也不相同。表6-1列出几种燃烧物的燃烧温度。表6-1矿井常见燃烧物燃烧温度表燃烧物燃烧温度（℃）燃烧物燃烧温度（℃）烟煤1647煤油700-1030木材100-1177甲烷1800汽油

1200

CO

1680

3)烟流温度计算烟流在排往出风井口的过程中，随着远离火源，温度逐渐降低。如图所示的巷道，周长L(m)，烟流流过的单元长度dx，单元长度巷道壁每秒吸收的热量为dQ(J／s)，则有；式中:dQ——单元长度巷道壁每秒的吸热量，J／s；△T——距火源点x(m)处烟流温度的增值，K；

α——对流传热系数(换热系数)，当烟流流过巷道时，其温度变化1K时，每秒在1m2的巷壁上所吸收的热量(J／m2K)；α值可按下面的经验公式求得：

α=2+α＇v1/2

或α=2+α＇v2/3在矿井条件下α＇取5-10；v为烟流速度，m／s。烟流流过巷道单元长度的失热量为：式中：dQ——烟流的失热量，J／s；

G—烟流量，kg／s；

CP——定压比热，J／kg.K；

dT——在单元长度(dx)内烟流温度的下降值，K。令则积分整理得式中：△T0——火源点温度的增值，K。从公式(6-18)可以看出，△T随烟量的增多而增高，随火源点的距离增大而减小。下面给出一个实侧可以看出烟流距火源的距离x(m)及烟量G(kg／s)对烟流冷却程度的影响。（6-18）(6-17)单元长度巷道壁面的吸热量等于烟流失热量。∴

例：烟流流经断面为6m2、周长1Om的梯形巷道，取α′=7，Cp=1.005kJ／kgK，烟流密度ρs=101kg／m3。求烟流速度为0.1、0.5、1.0、3.0、6.0m／s时，距离火源xm处的温度增值△T与火源温度增值△T0之比。根据公式(6-18)计算，其结果列如表6-2。表6-2烟流速度不同，距火源距离不同时，火烟温度降低程度表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

距火源点X(m)V(m/s)△T/△T0从上表可以看出：烟速愈低，距火源的距离愈远，则火烟温度的降低程度愈大，反之则相反。譬如，发火以后，在火源前方(上风侧)建立临时防火墙或悬挂风帘，以控制对火源的供风，使烟量减少，烟速降低，这对控制其温度增值将是有效的。如将烟速控制在0.1m／s时，从表6-2可以看出，在距火源10lm处，火烟温度的增值△T仅是火源点温度增值△T0

的千分之一。若火源温度增值为100O℃，则在101m处仅比原来的气温增高1℃。反之，如不采取措施截断供风，烟速为6.0m／s时，则只有在距火源1313m的地方，才能出现与上述相同的结果。因此，减少火源点的供风是冷却烟流，降低局部火风压的存效措施。

4)掺入风流后烟流温度的计算设烟流的温度为Ts，掺入风流的温度为TV混合后的温度为：(6-19)式中:Tm——掺入风流后，混合气体的温度，K；

CPs、CPv、CPm——分别代表烟流、掺入风流以及混合后气体的比热，(J／kg.K)；

ms、mv——混合气体中烟流与风流各占的百分比，(ms+mv=1)。取则(6-2O)当烟流温度为Ts=50O℃，风流温度Tv=20℃时，根据掺入烟流的风量不同，所计算得的混合气体温度如表6-3。表6-3渗入烟流的风量不同，混合气体的温度表mv（%）10203040506070Tm（℃）452404352308260212146从表6-3看出，掺入风量有降低烟温的作用，但是并不显著。而且向火烟中掺入新风使其温度下降以减少局部火风压的方法，只有当火烟温度低于其本身的着火温度，而且也低于流经巷道中可燃物的着火温度时才能采用，否则掺入新风的地方，不管是由于火烟本身发生燃烧，还是由于煤或坑木发生燃烧，都可能产生再生火源。应当指出的是，在回风系统的巷道中设置水幕，一旦发生火灾，在排烟的沿途，启动使之喷淋，对降低烟流的温度是十分显著的，国内外在使用这一方法中不仅收到了降低烟温的作用，而且起到阻火的效果，将火灾控制在一定的范围内，阻止其蔓延。

综上所述，火灾发生时控制供风，以阻止火势发展、降低火源点及排出烟流的温度；启动水幕系统，阻火降温等都是减少局部火风压生成、防止风流紊乱的可行措施。在排烟的沿途掺入新风降温的措施则是有条件的，只有在不引起再生火源的条件下，方可采用。

4、再生火源

井下发生火灾时，原生火源排出的高温烟流在流经的沿途掺入新风的地点再次着火，并引燃木支架或煤壁所生成的火源称之为再生火源。

从原生火源排出的火烟具有高温的特点，在流经的巷道中，如果没有新风流的参入，烟流因缺氧无法引燃巷道中的可燃物。但如果高温烟流流经的巷道有新风流的参入，当烟流温度高于巷道中可燃物（木背板、木支架、电缆、皮带等）的着火点时高温烟流将在参新风的地点再次发生燃烧，形成再生火源。再生火源的产生，将是非常危险的，它将使事故扩大、造成风流紊乱。产生再生火源的危险性与火烟的温度、成分有密切的关系，在下列几种条件下都可能产生再生火源。

1)富燃料再生火源

当火灾气体从火源排出后，烟流温度非常高，高于火灾气体的着火温度，且含有大量的可燃成分，由于缺氧而不能燃烧。当有新鲜风流参入时，有了供氧条件，就会在汇合点燃烧并引燃巷道中的可燃物。这类火灾往往发生在巷道的交叉点。燃烧的火灾气体点燃支架、煤壁，电缆等，立即形成交叉点处的再生火源。

2)富氧再生火源

当高温火灾气体含有足够量的氧，但可燃性气体成分不多时，它本身虽不能燃烧，但是在它流经的沿途一遇可燃物，就有可能产生再生火源。

3)引起煤炭自燃含有一定浓度可燃气体的火烟，虽然它的温度低于自燃或点燃其它可燃物的温度，但是由于救灾延续时间过长，在其流过的沿途与煤巷壁面接触能使煤壁温度提高，如果在煤壁内存在裂隙或裂缝，由于温度增高，有可能引起煤的自燃或瓦斯燃烧而形成再生火源。

再生火源可能发生在一个地方，也可能发生在排烟沿途的多个地点。再生火源的发生使救灾工作复杂化，为此在扑灭火灾时，一定要注意了解从火源点到风井排烟的沿途是否存在发生再生火源的条件。综上所述，产生再生火源的条件可以概括为以下三个方面：

①火灾气体的成份；②火烟温度；③可燃物的分布情况。（1）火灾燃烧的时间愈长，再生火源发生的可能性愈大。因此，如果短时间内不能控制火势和完成灭火工作时，必须根据具体情况采取冷却火烟、煤壁与支架的措施。最有效的降低温度的方法是设立水幕，水幕既可以冷却烟流，又可以阻挡火势蔓延。（2）可以采用改变火烟排出路线的方法以防再生火源的发生，例如令高温烟流通过不燃性材料支护的岩巷。（3）在火源前方构筑防火墙以减少向火区供风。5、灾变时期的火源分类1）富氧燃烧（非受限燃烧）火源燃烧产生的挥发性气体在燃烧中已基本耗尽。火源下风侧氧气浓度保持15%以上。2）富燃料燃烧（受限燃烧、贫氧燃烧）火源燃烧时火势大、温度高，火源产生大量炙热挥发性气体与主风流混合形成炙热烟流，烟流中氧气浓度低于2%。性质分类富燃料燃烧受限燃烧富氧燃烧非受限燃烧基本特征燃料多，供氧不足燃料不足，供氧多特点火势范围大，火势大，蔓延快火势范围小，火势小，蔓延慢耗氧多，剩余氧少（2%左右）耗氧少，剩余氧多（15%左右）剩余大量可燃挥发物可燃挥发物基本耗尽易引起再生火源与爆炸不易引起再生火源与爆炸危险性大危险性小3）矿井火灾火源分带富燃料燃烧火灾火源分带图

1—冷却带；2—焦化带；3—燃烧带；4—高温热解带；5—剩余燃料带；6—预热带；O2—氧气浓度；∑C—可燃气体浓度；tf—温度。富氧燃烧火灾火源分带图1—冷却带；2—焦化带；3—燃烧带；4—预热带。4）富燃料火灾危险性5）富燃料类火灾的防治

富燃料燃烧取决于可燃物的类型、数量及供氧量。可燃物越容易引燃，燃料数量越大，供氧量相对于燃料量不足(如停风、减风、巷道垮塌等)，空气预热温度越高，则发生富燃料类火灾的可能性越大。富燃料燃烧还取决于巷道断面的大小，下风侧可燃物种类、数量和分