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矿井火灾时期的风流紊乱 院 系 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 教 师 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。 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。 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。 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