狭长受限空间火场传播速率的影响因素研究.pdf

1 42 东瞧爰 科技 2 0 0 9 年 第6 期 狭 长受限 空间火 场传播速率 的影响 因素研 究 刘辉辉 ， 徐超 中国矿业大学安全工程学院， 江苏 徐州2 2 1 I l 6 摘要基于对狭长受限空间火场的实验研究， 并综合了 煤矿井下巷道的特点， 研究了影响狭长受限空间火场传播速率的多种因素。研究结 果表明 空间内的障碍物会增加火场 的传播速率； 固体壁面会产生反射波， 对火场 的传播速率有抑制作用， 甚至可能造成熄火； 狭长 空间的长度 是能否形成爆 轰 火场传播达到最大速率 的条件之 一。 关键词狭长 受限空间 传播速率 障碍物反射波爆 轰 中图分类号 T D 7 5 文献标识码A Lo ng a n d n ar r o w s pa c e l i mi t e d by t h e i mp a c t o f t h e fir e s p r e a d r a t e f a c t o r s L i u Hu i h u i ．Xu C h a o S c h o o l o f S a f e t y E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y ， x u z h o u ， J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e l o n g a n d n a l T O W s p a c e i s l i mi t e d e x p e r i me n ta l s t u d y o f t h e fi r e ，S t u d i e d t h e e ff e c t s o f l o n g a n d n a r r o w s p a c e l i mi t ed t h e fi r e s p r e a d r a t e o f a v a r i e t y o f f a c t o r s o T h e r e s u l ts s h o w t h a t S p a c e o b s t a c l e s w i l l i n c r e a s e t h e s p r e a d of t h e fi re rat e ； S o l i d wa l l wi l l b e refl e c t ed wa v e ，Ra t e o f s p r e a d 0 f t h efir ei n h i b i t ， Ma y e v e n c a u s e e n g i n e； L o n g a nd n a l 3 w s p a c ei swh e fl a e rt h el e n g t h o f o n e o fthe c o n d i ti o nsf o rt h ef o r ma t i o nof d e t o n a ti o n Ma x i mu m r a t e of s p r e a d o f t h e f i re ． K e yw o r d s L o n g a n d n a r r o w s p a c e i s l i m i t ed S p r e a dra t e O b s ta c l e s R e fl e c t ed w a v e D e t o n a t i o n 煤矿井下巷道是典 型的狭长受 限空 问， 因此狭 长 受限空间火场传播速率的研究对煤矿的安全生产有十 分重要 的意义 。 1 障碍 物对 火场传 播 速率 的作 用机理 周凯元等对直管道内无障碍物 的情况进行 了研 究 ， 得 出结论 对 于相等的点火距离即火焰加 速段 的长 度 ， 密闭端点火比开 口端点火的火焰 速率 ， 相 同的气 体 和点火距离， 较小管径的管道中火焰的传播速率也较 小。研究者还对管道中设置加速环的情况进行了实验 研究， 实验结果表明管道 内障碍物对火焰加速率的影 响主要取决于加速环的个数 ， 而环间距的影响居次要 地位。在同样的点火条件下， 当管内有障碍物加速环 时， 与没有障碍物时相比， 火焰速率提高了， 并且点火 能量的影响仅限于火焰传播的初期。以上实验均在激 波管中进行， 管道 内壁光滑， 其结果 比较理想， 然而对 于一个内壁产生腐蚀或被污垢污染并有大量凸起物附 着的管道， 将会比一个具有光滑内壁的管道产生更大 的火焰加速度。 桂晓宏等进行了一系列管道内瓦斯爆炸的实验研 究 ， 实验结果见表 1 。 从表中看出， 随障碍物数量增加， 火焰的传播速率 明显增大， 障碍物对火焰的传播有显著的加速作用。 收稿 日期 2 0 0 9 0 61 0 作者简介 刘辉辉 1 9 8 6一 ， 男， 江苏徐州人， 现为中国矿业大学 安全工程学 院安全工程专业在读本科 生。 表 1 障碍物 的数量 、 长径 比与火场传播速率的关系 序号 障碍物 的数量 长径 比 I ．／D 速率 m ／ s 1 无 2 0 9 7 ． 7 2 无 3 6 7 3 ． 2 3 无 5 0 3 6 ． 1 4 2 2 0 1 3 9． 8 5 2 3 6 l l 1 ． 3 6 2 5 0 9 8 ． 7 7 4 2 0 1 7 7 ． 1 8 4 3 6 1 2 5 ． 0 9 4 5 0 1 1 9． 8 2 固体 壁 面对 火场 传播 速率 的作用 机理 管道终端壁面激波反射可看作对固壁的正反射 ， 当一维 受限空间 中运动 激波正 面遇到 固壁 时 ， 固壁 表 面上的压强会进一步提高， 并远大于入射波后的压强。 用下标 0和 1分别表示入射波前后的状态， 下标 1 和 2 则表示反射波前后的状态。一维空间中固定壁面激波 反射遵循 的边界条件为质点速度为 0 0u 2 0 对于理想气体， 由激波关系式和雨贡纽方程可推 导出激波在固壁上反射后的压力 [ 一 等] ／ [ P_ 。LP P 1 1 P 川 一 l ～一l， I 一十 I l l r l 0 r r 0 也 可表示为超压 比 P 2 -- P l -1 [ ] plp 0 rl pI r十l 用 。 ， 分别表示入射激波和反射波的速度， 则 其关 系为 2 0 0 9 年 第6 期 东 堪j iI 钟枝 1 4 3 象 [ ] I t - l ] ／ r[ 1 ] 对于实际气体 ， 一维空间中固壁反射波的强度 超 压、 波速 小于上述公式计算值。反射后激波的传播规 律与正向激波相同。通过计算得出如下结论 1 反射波过后， 气体被压缩， 压力、 温度提高， 对 火焰传播有加速作用。 2 由于反射波与火焰传播方向相反， 反射波过 后产生的伴流速度方 向与火焰传播方向相反， 对火焰 传播有抑制作用 。 3 与火焰传播速度水平、 反射波强度及管道结 构有关。当反射波与火焰相交时， 对火焰传播影响最 大。当火焰传播速度很高时， 火焰过后 ， 反射波才传播 到该区域， 此时反射波对火焰传播速度无影响 但有可 能对火焰结构产生影响 。通过对实验结果分析得出 一 维受限空间 中终 端壁面反射波产生的伴 流速度对 火 焰传播起主导作用 ， 即总的效果是终端壁面反射波抑 制管内火焰传播。 3空 间长 度对 火场传 播速 率的作 用机理 井下巷道内发生火灾时， 开始的燃烧波是正常火 焰传播 ， 由正 常火焰 传 播产 生 的 已燃 气体 ， 随温 度 升 高， 体积会膨胀 ， 此 时就 会产生一 系列 的压缩 波 ， 这些 压缩波向未燃混气传播， 使未燃混气的压强、 密度、 温 度发生一个微小增量， 最后重叠在一起形成激波， 一旦 形成激波， 由于激波后面压力非常高， 使未燃混气着 火， 经过一段时间以后， 正常火焰传播与激波引起的燃 烧合二为一， 激波后的已燃气体又连续向前传递一系 列的压缩波， 并不断提供能量以阻止激波强度的衰减， 从而得到一稳定的爆轰波。爆轰波的传播速度比正常 火焰传播速度快的多， 达到火焰传播速度 的最大值。 因为由一系列连续压缩波重叠形成爆轰波有一个过 程 ， 需要 一段距离 ， 狭长空间的长度是火场传播 后期的 影响因素。爆轰波形成的过程如图 1 。 a 正常火焰传播 I _ 一0前面形成一系列压缩波 d ， d 一d ， d ” ⋯⋯； b 正常火焰传播 O 0 前方爆轰波 u ～u已形成， 并使未燃混合气着火； c 正常火焰传播 与爆轰波引起的燃烧合二为一 图1 爆轰形成过程示意图 上接第 1 4 1页 通过对东三 9 群 层岩体的力学分析及冲击地压 的 形成机理分析 ， 结合工作面的情况采取了如下措施 1 打放能孔。在 2 N煤柱下及两侧 l o re范 围 内 的巷道两帮各打一系列大孔径钻孑 L ， 切割煤体， 增加裂 隙， 使应力重新分布， 将原来煤体围岩的储能状态， 改 变为缓慢释放状态 ， 从而达到防治冲击地压的 目的。 钻孑 L 参数如下 孔径 1 5 0 ra m， 孔深7 m 减压区边缘 ， 设 备 7 5 液压钻 ， 孔高位置 1 ． 1 m 为煤 厚的 1 ／ 2处 孔 间 距 2 m， 采用单一布置形式 。 2 震动爆破。 在 2 群 煤柱下方并前后 l O re范围内 的巷道两帮各打一系列的震动爆破孔 ， 进行震动爆破， 以改变煤体应力分布状态， 使应力峰值内移， 改变煤体 的物理力学性质， 释放煤体能量， 增加破碎带宽度， 增 加冲击地压的夹持阻力。钻孔参数如下 孔径 4 2 m m， 孔深 5 m， 孔高位置 1 ． 1 m， 孑 L 间距 2 m， 每孔装药 量 0 ． 1 k g ／ m， 炮孔用黄土充填， 填实以增加震动效果。 3 煤体注水。在煤体下方及前后5 m范围内的巷 道两帮每隔 8 m各打一个注水孔， 向煤层注入压力水 ， 以改变煤体的物理力学性质， 降低强度， 使煤体塑化 ， 改善应力分布状态， 使煤体能量释放在时间上稳定、 在 空间上均匀， 从而达到治理冲击地压。钻孔参数如下 孔径 6 3 m m， 孔深3 0 m， 孔高位置 1 ． 2 m， 平行煤柱钻孔， 封孔长度 4 m， 注水孔 问距 8 m。 4 放顶。 在工作面两侧顺槽安全出口处及时进 行钻孔放顶， 割断与相邻工作面的力学关系及缩短古 塘悬板长度， 以缩短工作面周期来压步距， 减轻采场的 集中压力和弹性能积聚， 以防治冲击地压。参数 按步 距 5 m在工作面两端头布置一组钻孔， 每组两个， 垂高 5 m， 仰角7 5 。 ， 与巷道夹角0 。 ， 孔径4 2 m m。炸药为 3级 乳化炸药， 装药量每孔7卷。 5 为了及时切断顶板， 巷道两端头各采用两架 切顶支架进行支护。 6效益 忻州窑矿东三盘区 9 嚣 采用上述冲击地压防治措 施以来 ， 已顺利地开采了8 5 0 1 、 8 5 1 2三个工作面并经 历了 l 6条上方煤柱， 未发生一次冲击地压事故， 减少 了事故的影响时问及对综采设备的毁坏 ， 增加了综采 开采的安全系数， 每个等长工作面比原来提前 2 O天采 完 ， 显著提高了综采工作面的效益。 1 44 互 撼晨 斜l枝 2 0 0 9 年 第6 期 1 2 下 薄煤层综合 防尘技 术实践 张全新 ， 王亚强， 李思芳 滕 州市辰龙集 团金达煤矿 ， 山东 滕 州2 7 7 5 1 4 摘要金达煤矿主采石炭二叠系的第l 2 ． F 煤层， 煤厚 1 ， 2 o 1 ． 4 5 m 。该煤层脆性大、 易破碎， 生产中产生大量煤尘， 直接威胁着职工身体健 康和 生命安全。该文介绍 了金达 煤矿在机 掘、 炮掘 、 机采、 炮采生产 工艺过程 中所采取 的防尘措施及取得 的成果 ， 为 1 2 薄煤 层 的综合 防尘摸 索出了一套新途径。 关键词 薄煤层 综合 防尘技术实践 中圈分类号 T I Y 7 1 4 ． 3 文献标识码B 金达煤矿 l 2 煤具有煤尘爆炸危险， 煤尘爆炸指 数为 4 5 ． 0 0 ％， 属高爆性煤层。该煤层原生裂 隙不发 育、 空隙率低， 注水达不到理想效果。该矿把煤尘列为 矿井重大危险源 ， 把煤 尘隐患 治理列 为通 防工 作 的重 中之重 ， 长抓不懈 。 I 机 掘 工面 长压 短抽 除尘技 术 的改进 金达煤矿现有机掘工作面两个， 采用 “ 长压短抽” 方式通风除尘 。在距迎头 3 0～ 4 0 r n 处安设湿式除尘器 一 台。负压风筒 自抽 出式局部 通风机接 至迎 头 ， 将 局 部通风机正压风筒在距迎头 2 0 3 0 m处 的抽 出式风机 之前断开， 造成断开处与迎头之间的范围内形成负压 区， 使煤岩尘充分被抽出， 使浮尘在迎头产尘区域即被 抽走 ， 避免 了对后路 的污染 。 1 ． 1 改进 方 法 为 了提高湿式 除尘器 的除 尘效果 ， 尽可 能加 大除 尘器灭尘的能力 ， 对除尘器的结构进行了局部改进。 1 湿式 除尘 器 购进 时 ， 抽 出式 风机 和 除尘水 箱 之间用正压风简短节进行联接， 矿 自制了螺旋式刚性 收稿 日期 2 0 0 9 0 8- 2 1 作者 简介 张全欣 1 9 6 9一 ， 男 ， 现在滕 州市辰龙集 团金 达煤矿从 事生产 技术管 理工作 。 风筒， 使含尘污风以螺旋前进的状态进入除尘水箱 ， 加 大了风 流的紊 流程度 ， 加大了风 流中的粉尘 与水 浴 、 水 膜 、 水滴和改进后增加的高压喷雾的融合程度。 2 在刚性风筒上安装 4个喷雾头， 采用高压水喷 雾， 压力不低于4 M P a ， 将水箱的进水管封闭， 使加水方 式由流水状态改为喷雾状态， 加水的同时起到除尘作 用， 使水和粉尘进行点接触， 增加了一道除尘环节。 3 在 除尘 水 箱 的排风 口安设 一 道逆 风流 的 喷 雾 ， 由高压泵 另出一路水管供水 ， 对 即将排 出的仍带 有 粉尘的风流再进行 一次除尘 ， 使 水和粉尘进行 点接触 。 1 ． 2使 用效果 通过 以上改进 ， 克服了湿式除尘器本身存在的缺 陷 ， 在 1 2 2 1 4运输 巷综掘 工作 面应用 效 果 明显。煤尘 浓度对 比见表 1 。 表 1 除尘风机改进前后煤 尘浓 度比较 表 名称 单位 使用前 使用后 全尘 m g／ m 4 7 5 ． 1 0 3 8 ． 2 4 呼吸性粉尘 m g／i n 4 6 0 ． 2 4 4 1 ． 1 O 2炮掘 工作 面远 程爆破 喷雾 金 达煤矿 自行研制 了远程 自动爆破装置 。该装置 从图中不难看出只有狭长空间的长度足够长时， 才会形成爆轰波， 其主要会影响火场后期的传播速率。 当形成爆轰波时 ， 其火场的传播速率会达到最大值。 4结论 1 障碍物对火焰的传播有显著的加速作用。 2 受限空间中终端壁面反射波产生的伴流速度 对火焰传播起主导作用， 即总的效果是终端壁面反射 波抑制管内火焰传播 ， 甚至会造成熄火现象。 3 狭长空间的长度足够长时， 就有可能会形成 爆轰波 ， 使火焰的传播速率达到最大。 参考文献 ’ [ 1 ] 周凯元， 李宗芬丙烷一空气爆燃波的火焰面在直管道中 的加速运动爆炸与冲击， 2 0 0 0 ， 2 0 2 1 3 71 4 2 ． [ 2 ] 桂晓宏 ， 林伯泉火焰速度与超压关系淮南工业学院学 报 ， 1 9 9 9 ， 1 9 4 1 4 1 8 ． [ 3 ] 林柏泉， 营从光， 周世宁， 茹阿鹏受限空间瓦斯爆炸反射 波及对火焰传播的影响中国矿业大学学报， 2 0 0 5 ， 3 4 1 1 3 [ 4 ] 李增华． 燃烧学． 徐州 中国矿业大学出版社