论文部分内容阅读
摘要：矿井火灾的危害形式主要表现为对井下通风系统的破坏，造成井下风流紊乱，本文通过对风流紊乱的不同表现形式进行原因分析，发现井下火灾产生的火风压是造成风流紊乱的根本原因，并针对不同的风流紊乱形式提出了相应的应对措施。
关键词：矿井火灾；风流紊乱；火风压
一、概述
矿井火灾发生后，如不及时控制，火灾产生的附加效应就会使得井下风流紊乱，造成人员伤亡，灾情扩大。分析井下风流紊乱的形式和其产生原因，对预防井下风流紊乱的发生，减少矿井火灾带来的损失具有重要的意义
二、风流紊乱的基本形式
井下发生火灾时，在高温和烟气综合作用下，井下正常情况下巷道内的风流流向和风量分配受到影响，这种情况我们称之为风流紊乱，当井下发生风流紊乱时，井下通风系统受到破坏，火灾产生的有毒有害气体进入进风流中，会造成大量的人员伤亡。
（一）烟流逆退
井下火灾燃烧中的火焰与生成的烟气在热浮力的作用下，一起向上流动，如图1所示，在矿井巷道中，如果火源处向上流动的烟流受到顶板的阻挡，热的烟气将在巷道的顶部沿着巷道进、回风两个方向流动，其中巷道顶部逆着巷道进风方向流动的烟气，我们称之为烟流逆退[1]。
顶板对流动的烟气有粘性影响，在十分靠近顶板的烟气薄层内，烟气的流动速度比离顶板较远的烟气流动速度慢，随着烟气的向前推移烟气温度在降低，其向上的升力减弱，气体内部粘性影响随着据顶板距离的增加而传递，烟气速度慢慢减小，当烟气向前推进到一定距离后、在粘性影响的作用下，烟气逆着进风方向流动的速度变为零，此时在进风流和烟气升力下降的综合作用下，烟气转为顺着进风风流向下流动。火焰附近的热烟气人具有一定的升力，会很快上浮，顶板上部的烟流会形成一连串的漩涡，它们将烟气层下方的空气卷进来，因此烟流的厚度逐渐增加，而速度逐渐降低。逆退的烟流最后又顺风流动，这种现象我们称之为烟流滚退。
综合上述分析，我们得知烟流逆退在水平通风、上行通风和下行通风的巷道中都可以产生，而且在下行通风巷道中，烟流浮力方向和通风方向相反，烟流逆退现象会更加明显，逆流的烟气量较其它通风形式中大。
烟流逆退现象会对处于风流上风侧的灭火人员造成威胁，逆退回来的烟气中有大量的一氧化碳等有毒有害气体，其所携带的热量也会对灭火人员造成危害。伴随着烟流逆退，高温的火烟可能进入到进风系统中，造成回燃和爆炸现象，这将会带来更大的危害，使事故扩大。
（二）风流逆转
井下火灾产生的火风压可能会造成井下某些通风支路的通风压力变化，从而引起通风支路风流方向发生改变，这种支路风流方向发生改变的现象我们称之为风流逆转。
1.上行通风旁侧支路的风流逆转
上行通风是指风流从标高底的地方流向标高高的地方。在上行通风主干风路上发生火灾时，火风压对主干路通风压力的作用方向和主通风机在此处产生的机械风压方向一致，此时火风压是加强了上行通风主干风路的通风，所以主干风路不会发生风流逆转现象。但是在主干风路旁侧并联的支路风路受到的影响恰恰相反， 火风压使得旁侧支路的总风压变小甚至反向，这样旁侧支路的风量就会减小或者反向。所以上行通风风流旁侧支路的风流逆转是井下火灾引发的风流紊乱的常见形式之一。
上图所示为简单的通风节点网络图，假设3个采区布置在风网的2—4，3—4，3—5三条支路中，如果1号采区的进风巷道内发生火灾，正常情况下烟流将随风侵入到1号采区，并通过4—5、5—6回风支路排出地面，就如图（a）所示；图（b）所示为在火灾时旁侧支路只要保持原有风向不变，就不会受到烟流的侵袭，Ⅱ、Ⅲ 号采区也将处于安全之中。实际情况时当火势发展迅猛时，往往会从主干风路的排烟段凤雏一股烟流，沿着旁侧支路全断面的逆着原来风向，朝着最近的节点流去，旁侧支路的风流就发生了逆转；如图（c）所示，如果3—5支路的风流逆转时，烟气就会波及全矿了。
又如图3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1-2-A-3-F-4-B-5-6的風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。
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3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4表示下行主干风路3-5 发生风流逆转。
三、风流紊乱的原因分析
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，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，在火风压的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。
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[2]。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，因此二者都可稱为热风压。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。
（一）局部火风压对风流紊乱的影响
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，我们给出两种火风压的计算公式。
（2）全矿火风压对风流紊乱的影响
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：
四、风流紊乱的防治措施
（一）反风法
1.全矿反风法
当产生大量有毒有害气体的事故（如火灾、瓦斯或煤尘爆炸等）发生在矿井的主进风区域（如井底车场、主要进风道等），必须及时采取全矿反风措施，否则爆炸产生的有毒有害气体或火灾产生的高温烟流就会随进风流侵入到井下各个工作场所，会使灾害进一步扩大。
2.局部反风法
局部反风方法适用于采区内部进风侧发生火灾，特别是下行风流工作面的进风侧发生火灾的情况，通过预先设置一些控风设施，一旦发生火灾及时启动这些设施，使得风流在此区域内实现反向流动，将有害气体和烟流直接引入到矿井或采区的回风巷道内，使灾变烟流不侵袭工作场所，并可有效地防止下行风流的主干风路发生逆转。
（二）短路法
当事故发生在进风侧时，在有害气体、烟流流经巷道的前方寻找与矿井总回风道、采区回风巷或工作面回风巷相连接的联络巷，将其风门打开，使风流短路，将气流直接引入回风流中。这种方法适用于防止下行风流发生烟流逆退或者风流逆转。
（三）调压法[5]
调压法多用于防止上行风流的旁侧支路发生风流逆转。根据第三节中推导出的上行风流旁侧支路风流逆转的公式可以得到以下几种风流逆转的防治措施：
1.降低内部分系统的局部火风压
常采取的方法有两种：一是在火源的上风头张挂风帘或构筑临时防火墙来控制向火源供风，阻止火势进一步发展；二是采取直接灭火措施控制火势发展。
2.提高或保持外部分系统的风压值
常采用的方法是保持主通风机正常运转且提高主通风机负压值。
3.增大内部分系统的风阻值
常采取的方法有在火源进风测挂风帘或修筑临时闭墙。
4.减小外部分系统的风阻值
五、结语
通过对井下火灾引起风流紊乱的原因分析，并结合火风压理论和数学计算分析，提出了针对不同种风流紊乱形式的应对措施，其中反风法、短路法和调压法是应对井下火灾造成风流紊乱的有效方法。
参考文献：
[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008：245-246.
[2]王省身，张国枢.矿井火灾防治[J].机电产品开发与创新，2007，20（4）.
[3]王省身，陈全. 几种火风压算式的分析比较[J].火灾科学，1996.
[4]李传统.火风压机理及烟流参数变化规律的研究[D].徐州：中国矿业大学，1995.
[5]戚宜欣，王省身.控风措施推理及其火灾模拟验证[J].中国矿业大学学报，1993.
作者简介：
沈洪才（1974-- ），高级工程师，现任中煤平朔北岭煤业有限公司副总工程师。
关键词：矿井火灾；风流紊乱；火风压
一、概述
矿井火灾发生后，如不及时控制，火灾产生的附加效应就会使得井下风流紊乱，造成人员伤亡，灾情扩大。分析井下风流紊乱的形式和其产生原因，对预防井下风流紊乱的发生，减少矿井火灾带来的损失具有重要的意义
二、风流紊乱的基本形式
井下发生火灾时，在高温和烟气综合作用下，井下正常情况下巷道内的风流流向和风量分配受到影响，这种情况我们称之为风流紊乱，当井下发生风流紊乱时，井下通风系统受到破坏，火灾产生的有毒有害气体进入进风流中，会造成大量的人员伤亡。
（一）烟流逆退
井下火灾燃烧中的火焰与生成的烟气在热浮力的作用下，一起向上流动，如图1所示，在矿井巷道中，如果火源处向上流动的烟流受到顶板的阻挡，热的烟气将在巷道的顶部沿着巷道进、回风两个方向流动，其中巷道顶部逆着巷道进风方向流动的烟气，我们称之为烟流逆退[1]。
顶板对流动的烟气有粘性影响，在十分靠近顶板的烟气薄层内，烟气的流动速度比离顶板较远的烟气流动速度慢，随着烟气的向前推移烟气温度在降低，其向上的升力减弱，气体内部粘性影响随着据顶板距离的增加而传递，烟气速度慢慢减小，当烟气向前推进到一定距离后、在粘性影响的作用下，烟气逆着进风方向流动的速度变为零，此时在进风流和烟气升力下降的综合作用下，烟气转为顺着进风风流向下流动。火焰附近的热烟气人具有一定的升力，会很快上浮，顶板上部的烟流会形成一连串的漩涡，它们将烟气层下方的空气卷进来，因此烟流的厚度逐渐增加，而速度逐渐降低。逆退的烟流最后又顺风流动，这种现象我们称之为烟流滚退。
综合上述分析，我们得知烟流逆退在水平通风、上行通风和下行通风的巷道中都可以产生，而且在下行通风巷道中，烟流浮力方向和通风方向相反，烟流逆退现象会更加明显，逆流的烟气量较其它通风形式中大。
烟流逆退现象会对处于风流上风侧的灭火人员造成威胁，逆退回来的烟气中有大量的一氧化碳等有毒有害气体，其所携带的热量也会对灭火人员造成危害。伴随着烟流逆退，高温的火烟可能进入到进风系统中，造成回燃和爆炸现象，这将会带来更大的危害，使事故扩大。
（二）风流逆转
井下火灾产生的火风压可能会造成井下某些通风支路的通风压力变化，从而引起通风支路风流方向发生改变，这种支路风流方向发生改变的现象我们称之为风流逆转。
1.上行通风旁侧支路的风流逆转
上行通风是指风流从标高底的地方流向标高高的地方。在上行通风主干风路上发生火灾时，火风压对主干路通风压力的作用方向和主通风机在此处产生的机械风压方向一致，此时火风压是加强了上行通风主干风路的通风，所以主干风路不会发生风流逆转现象。但是在主干风路旁侧并联的支路风路受到的影响恰恰相反， 火风压使得旁侧支路的总风压变小甚至反向，这样旁侧支路的风量就会减小或者反向。所以上行通风风流旁侧支路的风流逆转是井下火灾引发的风流紊乱的常见形式之一。
上图所示为简单的通风节点网络图，假设3个采区布置在风网的2—4，3—4，3—5三条支路中，如果1号采区的进风巷道内发生火灾，正常情况下烟流将随风侵入到1号采区，并通过4—5、5—6回风支路排出地面，就如图（a）所示；图（b）所示为在火灾时旁侧支路只要保持原有风向不变，就不会受到烟流的侵袭，Ⅱ、Ⅲ 号采区也将处于安全之中。实际情况时当火势发展迅猛时，往往会从主干风路的排烟段凤雏一股烟流，沿着旁侧支路全断面的逆着原来风向，朝着最近的节点流去，旁侧支路的风流就发生了逆转；如图（c）所示，如果3—5支路的风流逆转时，烟气就会波及全矿了。
又如图3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1-2-A-3-F-4-B-5-6的風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。
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3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4表示下行主干风路3-5 发生风流逆转。
三、风流紊乱的原因分析
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，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，在火风压的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。
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[2]。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，因此二者都可稱为热风压。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。
（一）局部火风压对风流紊乱的影响
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，我们给出两种火风压的计算公式。
（2）全矿火风压对风流紊乱的影响
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：
四、风流紊乱的防治措施
（一）反风法
1.全矿反风法
当产生大量有毒有害气体的事故（如火灾、瓦斯或煤尘爆炸等）发生在矿井的主进风区域（如井底车场、主要进风道等），必须及时采取全矿反风措施，否则爆炸产生的有毒有害气体或火灾产生的高温烟流就会随进风流侵入到井下各个工作场所，会使灾害进一步扩大。
2.局部反风法
局部反风方法适用于采区内部进风侧发生火灾，特别是下行风流工作面的进风侧发生火灾的情况，通过预先设置一些控风设施，一旦发生火灾及时启动这些设施，使得风流在此区域内实现反向流动，将有害气体和烟流直接引入到矿井或采区的回风巷道内，使灾变烟流不侵袭工作场所，并可有效地防止下行风流的主干风路发生逆转。
（二）短路法
当事故发生在进风侧时，在有害气体、烟流流经巷道的前方寻找与矿井总回风道、采区回风巷或工作面回风巷相连接的联络巷，将其风门打开，使风流短路，将气流直接引入回风流中。这种方法适用于防止下行风流发生烟流逆退或者风流逆转。
（三）调压法[5]
调压法多用于防止上行风流的旁侧支路发生风流逆转。根据第三节中推导出的上行风流旁侧支路风流逆转的公式可以得到以下几种风流逆转的防治措施：
1.降低内部分系统的局部火风压
常采取的方法有两种：一是在火源的上风头张挂风帘或构筑临时防火墙来控制向火源供风，阻止火势进一步发展；二是采取直接灭火措施控制火势发展。
2.提高或保持外部分系统的风压值
常采用的方法是保持主通风机正常运转且提高主通风机负压值。
3.增大内部分系统的风阻值
常采取的方法有在火源进风测挂风帘或修筑临时闭墙。
4.减小外部分系统的风阻值
五、结语
通过对井下火灾引起风流紊乱的原因分析，并结合火风压理论和数学计算分析，提出了针对不同种风流紊乱形式的应对措施，其中反风法、短路法和调压法是应对井下火灾造成风流紊乱的有效方法。
参考文献：
[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008：245-246.
[2]王省身，张国枢.矿井火灾防治[J].机电产品开发与创新，2007，20（4）.
[3]王省身，陈全. 几种火风压算式的分析比较[J].火灾科学，1996.
[4]李传统.火风压机理及烟流参数变化规律的研究[D].徐州：中国矿业大学，1995.
[5]戚宜欣，王省身.控风措施推理及其火灾模拟验证[J].中国矿业大学学报，1993.
作者简介：
沈洪才（1974-- ），高级工程师，现任中煤平朔北岭煤业有限公司副总工程师。