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1、矿井火灾防治技术矿井火灾防治技术主讲人：主讲人： 李宗翔李宗翔（教授、博士教授、博士）联系方式：；宅E-mail：第五章第五章 矿井火灾早矿井火灾早期发现期发现早期预报外因火灾早期预报内因火灾 第六章第六章 矿井火灾风矿井火灾风流的紊乱及其防治流的紊乱及其防治矿井火灾分类n按发火地点和对矿井通风的影响可分为上行风流火灾，下行风流火灾和进风流火灾三类。上行风流火灾下行风流火灾回风井回风井进风流火灾工作面n1上行风流火灾 是指沿倾斜或垂直井巷、回采工作面自下而上流动的风流，即风流从标高的低点向高点流动的井巷火灾。n当上行风流中发生火灾时，因热力作用而产生的火风压，其作用方向与风流方向一致，亦即与矿
2、井主要通风机风压作用方向一致。在这种情况下，它对矿井通风的影响的主要特征是，主干风路(从进风井流经火源到回风井)的风流方向一般将是稳定的，即具有与原风流相同的方向，烟流将随之排出，而所有其他与主干风路并联或者在主干风路火源后部汇入的旁侧支路风流，其方向将是不稳定的，甚至可能发生逆转，形成风流紊乱事故。因此，所采取的防火措施应力求避免发生旁侧支路风流逆转。n2下行风流火灾n是指沿着倾斜或垂直井巷、回采工作面(如进风井、进风下山以及下行通风的工作面)自上而下流动的风流，即风流由标高的高点向低点流动的巷道火灾。n在下行风流中发生火灾时，火风压的作用方向与矿井主要通风机风压的作用方向相反。因此，随火势
3、的发展，主干风路中的风流，很难保持其正常的原有流向。当火风压增大到一定程度，主干风路的风流将会发生反向，烟流随之逆退，从而酿成又一种形式的风流紊乱事故。n在下行风流内发生火灾时，通风系统的风流由于火风压作用所发生的再分配和流动状态的变化，要比上行风流火灾时复杂得多，因此，需要采用特殊的救灾灭火技术措施。n3进风流火灾n发生在进风井、进风大巷或采区进风巷道内的火灾。n之所以要区别出这种类别的火灾，主要是由于其发展的特征、对井下职工的危害以及可能采取的灭火技术措施，在更大程度上又有别于上、下行风流火灾。发生在矿井内的煤自燃火灾，一般不易早期发现，发生后又因供氧充分，发展迅猛，不易控制。井下采掘人员
4、大都处在下游风流中，极易遭受火灾火烟侵害，造成中毒伤亡事故。在很多情况下，即使是矿井有所准备，如给工人配备自救器等，在这种火灾中还是会发生大量的人员伤亡事故。如1956年，比利时包斯德卡赛尔(Bois-de-Cazier)煤矿，进风井筒火灾造成262人死亡，矿井被关闭。对于这种火灾，除了根据发火风路的结构特性上行还是下行，使用相应的控制技术措施外，更应根据风流是进风流的特点，使用适应这种火灾防治的技术措施，如全矿或局部反风等。 6-1 6-1 火灾时期常见的风流紊乱形式火灾时期常见的风流紊乱形式1 直接烟侵地区n 井下发火后，火烟一般是随风流流经一系列的巷道，最后经由回风井排出地面。 如果火烟
5、在排往地面的沿途，通过所有巷道时仍保持其发火前的原有风向（原有风向不变），火烟弥漫的区域称为直接烟侵地区。n 这种直接烟侵现象在井下发生火灾时是必然的，十分危险。位于直接烟侵地区的人员要尽快撤离，以防止烟侵的危害。解除直接烟侵危害的方法一是使烟流短路，或是实现反风。2 主干风路n 主干风路是指发生火灾后，从入风井口经火源点到回风井的路线。 如图所示。一、基本概念 3 旁侧支路n主干风路以外的其余支路均称旁侧支路。n如图中的支路。4 节点n矿井风流的起点(入风井口)、终点(主通风机排风口)、通风网路或通风系统中的分风点与台风点统称节点。5 支路n连接节点的通路称支路。它可能是由一段巷道组成，也可
6、能由多条巷道组成。二、风流的紊乱形式1 旁侧风流的逆转n在风流紊乱中旁侧支路风流的逆转是最常见的一种形式。2 主干风路烟流的逆退n 如图所示。火灾发生时，一方面是沿着主干风路的回风段向地面排烟，当火势很大时，还充满巷道全断面，逆着主干风路进风方向，朝着最近的进风节点逆流而退，称之为烟流的逆退。n这种风流的紊乱现象可能发生在上行风流通风的采区内。但更常见的是发生在下行风流通风地区。三、火灾对通风系统的影响三、火灾对通风系统的影响n1、烟流逆退（roll back）n2、风（烟）流逆转n3、火烟滚退n在火源上风头，巷道一断面内，既有风流沿着底板以原有的风向向火源流动，同时又有烟流因热上浮沿着顶板逆
7、风回退，形成在外观上看来似乎是烟流在回旋、滚动。 如图所示。n火烟的温度越高，流动速度越慢，发生滚退的机率与范围越大。n火烟滚退，多是主干风流逆退与旁侧风流逆转即将发生的前兆。n以上各种火灾时期的风流紊乱现象，可能单独发生，也可能逐个地接连发生，也可能是同时发生。无论怎样发生，都会扩大烟浸范围，造成灾难性的、后果极为严重的火灾事故。6-2 火风压的生成与计算火风压的生成与计算一、火风压的概念n矿井发生火灾时，通风网络中出现的附加热风压称为火风压。实际上，火风压为矿井火灾时期自然风压的增量。n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。n全矿火风压：
8、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)。火风压火风压（浮力效应）n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及火灾前后的空气密度差有关。在地面建筑中这种现象也很普遍，被称为烟囱效应烟囱效应，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力，尤其是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热风压。火风压火风压（浮力效应）n在矿井中，火灾产生的热动力是一种浮升力，这种浮力效应(Thebuoyancye
9、ffect)就被称为火风压。火风压就是火风压就是高温烟流经倾斜或垂直的井巷时产生的自然风压的增量高温烟流经倾斜或垂直的井巷时产生的自然风压的增量。火风压与矿井自然风压的产生机制是一致的，都是在倾斜和垂直的巷道上出现的空气的密度差所至，只是使空气密度发生变化的热源不同，故这二者都可称为热风压。n矿井发生火灾后，由于火风压的作用会改变原通风系统中压力的分布和风量的分配，即可能使通风系统风流发生紊乱，扩大事故范围，造成更为严重的损失。二、矿井火灾的热风压计算火风压火风压火风压(hF)为：hF=(Zg -ZF g)-(Zg -Z0 g)=Z g( 0 - F )(6-1)式中hF局部火风压，Pa；Z高
10、温烟流流经回风井简的垂高，m；矿井进风井简内风流的平均密度，kg/m3；0发火前出风井简内风流的平均密度，kg/m3；F发火后出风井简内烟流的平均密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2。n设火灾前后出风井筒内的绝对大气压力近似不变，即P=常量，根据盖吕萨克定律可以写出式中 T0火灾前回风井简内风流的平均绝对温度，K；TF火灾后回风井简内风流烟流的平均绝对温度，K。将之代入(6-1)式，整理得(6-1)上式是用火灾温度表达的火风压计算公式。(6-1a)式中t 火灾前后烟流温度的增值，K或；n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
11、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。火风压的特点（作用）n在风路中发生火灾时，火风压的作用只有在高温烟流流经的上行或下行巷道里才能表现出来。n高温火烟对矿井通风的影响就好象在其流过的上行或下行巷道里安设了局部通风机一样，它们的作用方向在上行风路中与烟流方向相同，在下行风路中则相反。n是火燃能量释放的结果。是火燃能量释放的结果。节流效应（节流效应（The Choke effect）n节流效应是矿井火灾过程中的一种典型现象。矿井火灾时期，由于火烟的热力作用等的影响，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。如果由于火灾的发生，主干风路的进风量可能
12、下降，这种现象称之为节流效应。n1.影响烟流温度的因素n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)距火源点的距及通过该点的量；3)在火源与该点之间，从其它支路参入的风量及其温度。n2.燃烧温度n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1400，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。n表6-1列出几种燃烧物的燃烧温度。三、巷道烟流的温度及其计算n燃烧温度愈高，说明燃烧物热值愈高，热量越大，火势扩展愈迅
13、猛。n在矿井里发生火灾时，由于火源附近发生煤的干馏，以及火灾初起时空气的过量供给，所以火源点的燃烧温度变化范围极大，但实际也要超过1000，最高达1500。三、巷道烟流的温度及其计算n3.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6-14所示的巷道，周长U，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，则有dQ= UdxT(616)式中dQ 单元长度巷道壁每秒的吸热量，J/s；T 距火源点x处烟流温度的增值，K； 对流传热系数(换热系数)，当烟流流过巷道时，其温度变化1时，每秒在1m2的巷壁上所吸收的热量(J/m2K)；值可按下面的经验公式求得=2+
14、，或=2+在矿井条件下 取510；v 为烟流速度，m/s。三、巷道烟流的温度及其计算烟流流过巷道单元长度的失热量为dQ=- G CPdT(616)式中dQ 烟流的失热量，J/s；G烟流量，kg/s；CP定压比热，J/kgK；dT在单元长度(dx)内烟流温度的下降值。单元长度巷道壁面的吸热量等于烟流失热量。 UdxT=- G CPdT三、巷道烟流的温度及其计算积分整理得(6-18)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。下面给出一个实例可以看出烟流距火源的距离下面给出一个实例可以看出烟流距火源的距离x(m)及烟量及烟量G(kg/
15、s)对对烟流冷却程度的影响。烟流冷却程度的影响。 烟流速度烟流速度 v = 0.1、0.5、1、3、6m/s例：烟流流经断面为6m2、周长U=10m的梯形巷道，取=7，CP=1.0052J/kgK，烟流密度1.01kg/m3，烟流速度为0.1、0.5、1.0、3.0、6.0m/s时，距离火源x处的温度增值T与火源温度增值T0之比按公式(6-18)求得，其结果见图。n从上图可以看出：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。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。如将烟速度控制在0
16、.1m/s时，从图6-2可以看出，在距火源101m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1000，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6m/s时，则只有在距火源1318m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，降低局部火风压的有效措施。4.掺入风流后烟流温度的计算设烟流的温度为TF掺和入风流的温度为TV混合后的温度为(618)式中Tm掺入风流后，混合气体的温度，K；CPF、CPV、CPm 分别代表烟流、掺入风流以及混合后气体的比热，(J/kgK)；MF、MP 混合气体中烟流与风流各占的百分比，(MF
17、+MV 1)。取CPF=CPV=CPm则Tm MF TF +MV TV(620)n当烟流温度为TF =500，风流温度TV=20记时，根据掺入烟流的风量不同，所计算得的混合气体温度见图6-3。n井下发生火灾时，原生火源排出的高温烟流在流经的沿途接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，但火烟的成份有时差别较大。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。n1、当火灾气体从火源排出后，在其流经的巷道内具有非常高的温度(超过火灾气体的着火温度)，且含有多量的可燃成分，只是由于缺氧而不能燃烧。
18、这些火灾气体一旦与含氧丰富的风流相汇合，在汇合点就可能点燃，这种情况均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。四、再生火源n出现了再生火源含氧风流高温火灾烟流四、再生火源n2、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。n3、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。n再生火源可能发生
19、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。四、再生火源n综上所述，产生再生火源的条件可以概括为以下三个方面n火灾气体的成份；n火烟温度；n可燃物的分布情况。n扑救火灾延续的时间愈长，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。n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。n有时也可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。n火灾
20、燃烧的时间愈短，烟流的速度愈低，单纯依靠巷道冷却作用使烟流温度降低所需的距离也愈短，所以在火源前方构筑防火墙以减少向火区供风也是防止再生火源的一项措施。四、再生火源火灾时期发生风流紊乱的形式各异，如前所述，原因也不尽相同，但其主要原因有四个方面：n局部火风压的生成；n过量烟气的产生；n主通风机风压；n网络风阻的影响。一、旁侧支路风流逆转的原因与防治n旁侧支路风流的逆转主要是由于在上行风路中发生火灾时，没能及时控制，产生了较大的局部火风压而形成的。6 - 3 风流紊乱的原因及其防治风流紊乱的原因及其防治6 - 3 风流紊乱的原因及其防治风流紊乱的原因及其防治火灾时期发生风流紊乱的形式不一，已如前
21、述，其原因也不尽相同，但其主要原因有四个方面：n局部火风压的生成； n过虽烟气的产生；n主扇风压；n通风网络风阻的影响。1、旁侧支路风流逆转的原因与防治旁侧支路风流的逆转主要是由于在上行风路中发生火灾时，没能及时控制，产生了较大的局部火风压而形成的。火灾时期仿真分析模拟实验n举例矿井火灾时期旁侧支路风流逆转正常时期：n401、402工作面原始风量10.8m3/s火灾时期：n402工作面温度600，通风机转数340r/minn402工作面风量38m3/s，401面风量-10.9m3/s，发生逆转n调整通风机能力对此影响；n正常时期n火灾时期 2、复杂通风系统简化封闭回路图a 主干风路b 旁侧支路
22、c 风机风路简单封闭回路复杂风路下行上行abcQc RcRa QaRb Qbhchahbn旁侧支路风流发生逆转的判别式（上行火灾）n假设在主干风路a中发生了火灾，产生的局部火风压ha，在ha的作用下此时风流发生了逆转，在逆转烟流的的作用下，旁侧支路b产生的火风压为hb，ha与hb方向均朝上。n分别沿回路ac和回路ab列出风压方程为nha+hc=RaQa2+RcQc2(6-26)nha-hb=RaQa2+RbQb2(6-27)n由(6-27)(6-26)-(6-27)得n根据风量平衡定律Qc=Qa-Qb，显然有QcQ散n煤矿常见的外因火源主要有以下几种： n）电能热源： ）摩擦热 。 ）放明炮、
23、糊炮等。 4）明火（高温焊碴、吸烟）。二、外因火灾的预防二、外因火灾的预防n 1、我国的消防方针-预防为主，消防结合n 2、防火对策-矿井火灾的防治可以采取下列三个对策： n ）技术(Engineering)对策n (1)灾前对策-防止起火、防止火灾扩大n (2)灾后对策-报警、控制、灭火、避难n ）教育（Education）对策 - 知识、技术、态度n ）管理（法制(Enforcement）对策-制定各种规程、规范和标准，且强制性执行。n 这三种对策简称“三”对策。前两者是防火的基础，后者是防火的保证。三、预防外因火灾的技术措施三、预防外因火灾的技术措施 n 预防火灾发生有两个方面：一是防止
24、火源产生；二是防止已发生的火灾事故扩大，以尽量减少火灾损失。n（一）防止火灾产生 n 1、防止失控的高温热源产生和存在。按煤矿安全规程及其执行说明要求严格对高温热源、明火和潜在的火源进行管理。n 2、尽量不用或少用可燃材料，不得不用时应与潜在热源保持一定的安全距离。 3 3、防止产生机电火灾。、防止产生机电火灾。4 4、防止摩擦引燃（）防止胶带摩擦起火。、防止摩擦引燃（）防止胶带摩擦起火。胶带输送机应具有可靠的防打滑、防跑偏、胶带输送机应具有可靠的防打滑、防跑偏、超负荷保护和轴承温升控制等综合保护系统；超负荷保护和轴承温升控制等综合保护系统；（）防止摩擦引燃瓦斯。（）防止摩擦引燃瓦斯。5 5、
25、防止高温热源和火花与可燃物相互作用。、防止高温热源和火花与可燃物相互作用。（二）防止火灾蔓延的措施（二）防止火灾蔓延的措施 限制已发生火灾的扩大和蔓延，是整个防限制已发生火灾的扩大和蔓延，是整个防火措施的重要组成部分。火灾发生后利用已有火措施的重要组成部分。火灾发生后利用已有的防火安全设施，把火灾局限在最小的范围内，的防火安全设施，把火灾局限在最小的范围内，然后采取灭火措施将其熄灭，对于减少火灾的然后采取灭火措施将其熄灭，对于减少火灾的危害和损失是极为重要的。其措施有：危害和损失是极为重要的。其措施有：1 1、在适当的位置建造防火门，防止火灾事故扩、在适当的位置建造防火门，防止火灾事故扩大。大
26、。2 2、每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库。、每个矿井地面和井下都必须设立消防材料库。3 3、每一矿井必须在地面设置消防水池，在井下、每一矿井必须在地面设置消防水池，在井下设置消防管路系统。设置消防管路系统。4 4、主要通风机必须具有反风系统或设备，反风、主要通风机必须具有反风系统或设备，反风设施并保持其状态良好设施并保持其状态良好四、灾变时期风流控制四、灾变时期风流控制 1 1、矿井发火时对通风制度的基体要求是：矿井发火时对通风制度的基体要求是： ）保护灾区和受威协区域的职工迅速撤至安全）保护灾区和受威协区域的职工迅速撤至安全地区或井上；地区或井上； ）有利限制烟流在井巷中发生非控制性
27、蔓延，）有利限制烟流在井巷中发生非控制性蔓延，防止火灾范围扩大防止火灾范围扩大 ）不得使火源附近瓦斯聚积到爆炸浓度，不容）不得使火源附近瓦斯聚积到爆炸浓度，不容许流过火源的风流中瓦斯达到爆炸浓度，或使火源许流过火源的风流中瓦斯达到爆炸浓度，或使火源蔓延到有瓦斯爆炸的地区；蔓延到有瓦斯爆炸的地区； ）为救护创造条件。）为救护创造条件。2 2、火灾时常用的通风制度有以下几种火灾时常用的通风制度有以下几种1)1)维持正常通风，稳定风流。维持正常通风，稳定风流。(1)(1)火源位于采区内部，火源位于采区内部，(2)(2)网络复杂的高瓦斯；网络复杂的高瓦斯；(3)(3)独头独头巷道；巷道；(4)(4)采区或矿井采区或矿井 回风道；回风道；(5)(5)减少向火源供风减少向火源供风2)2)停风机停风机(1)(1)进风井口，进风井口，(2)(2)独头巷道独头巷道CH4CH4浓度浓度 上限，上限，(3)(3)主通风机主通风机成为阻力；成为阻力；3)3)反风反风(1)(1)全矿反风；全矿反风；(2)(2)区域性反风；区域性反风；(3)(3)局部反风局部反风 4)4)风流短路风流短路-进风系统进风系统
