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矿井火灾时期的风流紊乱

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矿井火灾时期的风流紊乱

摘要 矿井火灾发生以后，如果不能及时控制火势，火灾产生的附加热效应将改变矿井中的风流方向和流量，即产生风流紊乱，而井下的风流紊乱往往是造成人员重大伤亡、使灾害扩大的主要因素。
关键词 流体力学 矿井火灾 风流紊乱 火风压
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。
1.烟流逆退
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（smoke rollback）。
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。

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

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。
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。

2. 风流逆转
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。

二、风流紊乱的产生原因
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。
1. 火风压
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。

按照作用范围的不同，火风压可以分为:
局部火风压
全矿火风压

1） 局部火风压
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，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，如下图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。
2） 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.节流效应
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。
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；ρ——空气的密度，m/s3；Rt ——与密度无关的巷道通风阻力系数， Rt =R/ρ 。
经转换，方程可以写成：

由于P和Rt均为常数，所以：

由于M=ρQ，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。

三、风流紊乱的发生条件
1、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1－2－A－3－F－4－B－5－6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
图2-4 下行风流发生火灾的风网示图

2、 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。
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。

四、风流紊乱的防止措施
煤矿井下一旦发生事故后，特别是重大的爆炸或火灾事故，最紧急的工作之一就是对井下风流进行有效控制，防止风流紊乱的发生。如果控风措施合理，不仅可以有效地限制烟流在井巷中发生非控制性蔓延，防止灾害范围扩大，还可以最大限度的减少灾害的损失以及避免人员伤亡。
常用的风流控制的方法包括：
反风法
短路法
调压法

1、反风法
1） 全矿反风
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
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。
2． 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。
3． 调压法
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（hi），措施如下：
（1）在火源的上风头张挂风帘或构筑临时防火墙以控制向火源供风，阻止火势的进一步发展；
（2） 采取直接灭火措施控制火势发展，扑灭火灾。
2） 提高或保持外部分系统的风压值（ho），措施如下：
（1）要保持担负火区通风的主通风机正常运转；
（2）决不允许停止主通风机运行，更不能放下主通风机闸门；
（3）轴流式风机可通过调整叶片角度来提高主通风机风压；
（4）离心式风机可通过调整前导器来提高主通风机风压。
3）增大内部分系统的风阻值（Ri），措施如下：
（1）在火源的进风侧张挂风帘；
（2）在火源的进风侧构筑临时密闭。
在高瓦斯矿井中实施这一措施时，应对火区中瓦斯浓度进行有效的监控，并及时检查是否存在瓦斯局部聚积的情况，防止发生再生事故。
4） 减小外部分系统的风阻值（Ro），措施如下：
（1）提起排烟主通风机风峒中的闸门；
（2）开启排烟道路上的调节风门；
（3）防止局部冒顶事故的发生，以免造成排烟通道的堵塞；
（4）在日常通风管理中，要切实加强回风系统巷道的维护工作，尽量杜绝局部堵塞现象的发生。

参考文献
《矿井火灾学》 中国矿业大学出版社 王德明
《流体力学》 北京大学出版社 吴望一
《矿井火灾时的风流控制》 工业安全与环保 王省身
《矿井火灾灾变通风理论及其应用》 煤炭工业出版社 戚颖敏
《对矿井火风压的认识及近似计算》 煤炭技术 陈贵林，刘恒昆
《浅谈矿井火灾中火风压的产生及其危害》 张利
《矿井火风压使风流逆转的条件及控制措施》 煤炭技术 康虎林，孟庆财