矿井巷道火灾烟流运动理论研究.pdf

第 3期 2 0 1 1年 3 月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 3 M m r ． 2 0 1 1 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 3 ～0 0 2 2 --0 4 DOI C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP． 2 0 1 1 0 2 2 6 ． 1 6 1 6 ． 0 1 1 矿井巷道火灾烟流运 动理论研究 王文才， 乔旺， 李刚， 王瑞智 内蒙古科技大学矿业工程学院 ，内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 摘要 ； 煤矿井下发 生火灾时会产生大量有毒有害的高温烟流， 这些烟流沿着井下巷道流动， 对井下工作 人 员及设备 构成严 重威胁 。针 对该 问题 ， 研 究 了倾斜巷 道和 水平巷 道 的火 灾烟 流的运 动规律 当火灾发 生在 上行 通风巷 道 中时 ， 由于火风压 和浮 力效应 的作 用， 火 灾烟流将 向火 区的 下游 流动 ； 当火 灾发 生在 下行 通风 巷道 中时， 在火灾初期 ， 火风压较小， 火灾烟流沿着巷道风流的方向向下运动 ， 随着火势的发展， 火风压不断 增 大 ， 当上 游的风速低 于临界 风速 时 ， 火灾烟流 向新鲜风 流方 向流动 ； 在 水 平巷道 火 灾前期 ， 节 流效应作 用不 明显 ， 火 灾烟 流向新 鲜风流 方向流动 ， 随 着火势 的发展 ， 节流效应 作 用增大 ， 当节流 效应值 和巷道 的通风 阻力 值 一样 大时 ， 火 灾烟流 将逆流 。该 文对巷道 火 灾的救 灾工作具有 一定 的指导作 用 。 关键 词 矿 井 ； 巷 道 火灾 ； 烟 流 ；火风压 ；临界 风速 ；节流效应 中图分类号 T D 6 7 2 文献标识码 A 网络出版时间 2 0 1 1 一O 2 2 6 1 6 1 6 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 1 0 2 2 6 ． 1 6 1 6 ． 0 1 1 ． h t m1 Re s e a r c h o f M o v e me n t Th e o r y o f F i r e S mo k e Fl o w o f M i n e Ro a d wa y W ANG W e n - c a i ， QI AO W a n g ，L I Ga n g， W ANG Ru i z h i S c h o o l o f Mi n i n g En g i n e e r i n g o f I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Ba o t o u 01 4 01 0，Ch i na Ab s t r a c t A l o t o f p o i s o n o u s a n d h a r mf u l s mo k e f l o w wi t h h i g h t e mp e r a t u r e wi l l b e p r o d u c e d wh e n t h e r e i s a f i r e i n c o a l mi n e u n d e r g r o u n d ．Th e s mo k e f l o w wi l l mo v e a l o n g mi n e r o a d wa y a n d h a v e s e r i o u s d a n g e r f o r u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l a n d d e v i c e s ．S o t h e p a p e r r e s e a r c h e d mo v e me n t r u l e o f f i r e s mo k e f l o w o f i nc l i ne d r o a d wa y a n d h o r i z o nt a l r o a dwa ywhe n f i r e ha p p e ns i n u ps t r e a m v e nt i l a t i n g r o a dwa y， f i r e s mo k e f l o w wi l l mo v e d o wn s t r e a m o f f i r e a r e a b e c a u s e o f f u n c t i o n s o f f i r e p r e s s u r e a n d b u o y a n c y e f f e c t ； wh e n f i r e ha p pe ns i n d o wns t r e a m ve nt i l a t i ng r oa dwa y，f i r e pr e s s u r e i s s m a l l e r a t e a r l y s t a ge o f f i r e，S O f i r e s mo k e f l o w wi l l mo v e d o wn wa r d a l o n g d i r e c t i o n o f a i r f l o w o f r o a d wa y；wi t h i n c r e a s i n g o f f i r e ，f i r e p r e s s u r e i nc r e a s e s c o ns t a nt l y，f i r e s mo ke f l o w wi l l mo v e a l o n g d i r e c t i o n of f r e s h a i r f l o w whe n a i r s p e e d o f u ps t r e a m i s l owe r t ha n c r i t i c a l a i r s pe e d；f un c t i o n o f t hr o t t l i n g e f f e c t i s n o t o bv i o us a t e a r l y s t a ge o f f i r e i n h o r i z o n t a l r o a d wa y 。f i r e s mo k e f l o w wi l I mo v e a l o n g d i r e c t i o n o f f r e s h a i r f l o wwi t h i n c r e a s i n g o f f i r e ， f un c t i o n o f t hr ot t l i n g e f f e c t i nc r e a s e s ， f i r e s m o ke f l o w wi l l ma ke r e v e r s e mov e m e nt whe n v a l u e o f t hr o t t l i ng e f f e c t i s a s b i g a s v a l ue o f v e nt i l a t i ng r e s i s t a n c e o f r oa dwa y． The p a p e r ha s c e r t a i n gu i l d i n g 收稿 日期 2 O 1 O 一1 O 一2 5 基金项 目 国家自然科学基金资助项 目 5 1 0 6 4 0 1 8 ， 内蒙古 自治 区 自然科学基金资助项 目 2 0 0 9 MS 0 7 0 9 ， 内蒙古 自治区高等学校科 学研究项 目 N J 1 0 0 9 3 作者筒介 王文才 1 9 6 3 一 ， 男 ， 内蒙古伊金霍洛旗人 ， 教授 ， 硕 士研究生导师 ， 博士 ， 现从事安全工程及矿业技术经济的教学与研究 工作 。E - ma i l ； w e n c a i 8 8 8 8 8 y a h o o ． c o rn． c r t 2 0 1 1 年 第 3期 王文 才等 矿 井巷 道 火 灾烟 流运 动理 论研 究 2 3 f un c t i on f or r e l i e f wo r k of f i r e of r o a d wa y． Ke y wo r d s m i ne，f i r e of r o a dwa y，s mo ke f l o w ，f i r e p r e s s ur e，c r i t i c a l a i r s p e e d，t h r ot t l i ng e f f e c t 0 引言 煤 矿井 下开 采环 境差 、 空 间狭 小封 闭 ， 一 旦发 生 火 灾事 故 ， 火 灾产 生 的 有 毒 有 害气 体 烟流 和 高 温 气 体 很难 自然 排除 ， 这 些 浓 烟 和 热气 会 很 快 在 井 下 巷 道 蔓延 ， 对 井 下 工作 人 员 及 设 备 构 成 严 重威 胁 。 由 于井 下条 件 有 限 ， 火灾 一般 燃烧 不充 分 ， 会产 生大 量 有 毒有 害 的 高 温 烟 流 。这 些 烟 流 沿 着 井 下 巷 道 流 动 ， 充满烟流的巷道光线模糊不清 ， 使井下受威胁人 员 很难在 短 时间 内作 出正确 判 断并选 择 出安全 的逃 生路 线 _ 1 ] 。 大 部 分 火 灾 伤 亡 者 多 因烟 气 毒 害 性 所 致 ， 其 中因一 氧化 碳 中 毒 窒息 死 亡 或 被 其 它 有毒 烟 气 熏死 者 占火 灾 总 死 亡 人 数 的 4 0 ～ 5 0 [ 2 ] 。 在 井下 火灾 的救 援 与逃 生 时 ， 充 分 掌 握 火 灾 烟 流 的 流 动方 向能 够 帮助人 员逃 生与 救灾 工作 安全 、 快 速 、 有 效地 进行 。本 文 主要 研 究矿井 巷 道火 灾烟 流 的流动 方 向 。 1火灾烟 流 运动理 论 矿井火 灾 中 的烟气 是 由燃 烧 材料燃 烧 释放 出 的 水蒸 气 、 有 毒气 体 、 燃 烧 材料燃 烧 不充分 产 生 的未燃 物质 以及混 入 到烟 流 中的空气 等组 成 的 。 由于 在不 同环境 中受 到 节流效 应 、 浮力 效应 、 火风 压 等不 同作 用 的影 响 ， 火灾 烟流 的运 动状 态在 不 同的巷 道 、 不 同 的风速 、 不 同 的环 境 下 是 有差 异 的 。火 灾 过 程 中释 放 出大量 的热量 ， 使 燃 烧 产 生 的 烟 流 以及 火 源 附 近 的空气 受热 ， 从 而使 这些气 体 体积增 大 ， 相对 于周 围 未 受热 的空 气来 说 ， 受 热 的空 气 密度 低 于 未 受 热 的 空 气密 度 ， 产生局 部 密 度 差 别 ， 进 而 引 起 重力 差 ， 产 生 浮力效 应 和局 部压 强梯 度现 象 。这些 作用 使受 热 的烟流 和空 气上 升 ， 未 受热 的 空气下 降 ， 形成 局部 空 气 对流 。 由于巷 道具 有 一 定 的高 度 ， 在 巷 道 的 同 一 断 面纵 向通 风 的条件 下 ， 当 巷道 内风 速 达 到 某 一 数 值 时 ， 巷 道 内会 出现受 热 的烟流 和空 气上 升 、 按 逆 向 风 流方 向流 动 、 新 鲜 风 流 沿巷 道 底 部 流 向火 源 的 现 象 ， 即火灾 烟 流 的逆 流 分层 现象口 ] 。 1 ． 1 倾斜 巷 道 火 灾烟 流运 动规律 火风 压 是 指 当火 灾 发 生 在倾 斜 巷 道 中 时 ， 燃 烧 物释 放 出来 的大量 热能 转换 成对 烟流 和空 气作 功 的 机械 能 ， 对 井 巷 风 流 产 生 的 附 加 风 压 。火 风 压 是 一 种 自然 风压 ， 其作 用 原 理 犹 如 在 巷 道 内安 设 一 部 通 风机 ， 由于火 风压 的作 功方 向总 是 向上 的 ， 当火 灾 发生在倾斜的上行通风的巷道 中时 ， 火风压 的作功 方 向和主要 通风 机作 功方 向是 一致 的 ； 相 反 ， 当火 灾 发 生在倾 斜 下行 通 风 的 巷道 中时 ， 火 风 压 的作 功 方 向与 主要通 风机作 功 方 向相反 _ 4 ] 。 火 风 压 可造 成 井 下巷 道 风 流 的紊 乱 ， 当火 灾 较 大 时 ， 火 风压 的能量也 将增 大 ， 这时 的火 风压 可能造 成 井下 风流 逆转 现象 火 风 压对 井 下 通 风 网 络 的作 用 非常 明显 。因此 ， 研 究火 风 压对 于研究 井下 巷道 烟 流运 动状 况非 常重要 。 1 ． 1 ． 1 火风 压 的计算 火 风压 可 以简单理 解 为密度 变化 引起 的竖 直 向 上 的浮力 和 ， 是巷 道 中 自然 风 压 的增 加 部 分 。产 生 火 风压必 须 同时 具 备 2个 条件 1 火 灾 必 须 发 生 在具 有一 定 高差 的巷 道 中 ； 2 风 流密 度 必 须 发 生 变化 。取 巷 道 内空气 的平 均 密度 为 1 ． 2 5 k g ／ m。 ， 由 火 风压 的定 义可得 火风 压 的表达 式为 [ 5 ] H 火 一1 ． 2 5z 式 中 H火为 火 风 压 ， P a ； Z为 火灾 烟 流 流 经 巷 道 的标高 差 ， m； l 为火灾 前 的巷 道 温 度 ， ℃； t 2 为 火 灾后 的巷 道温 度 ， ℃ 。 当巷 道 采 用 下行 通 风 方式 时 ， 火 灾 烟 流流 经 巷 道 的标高差 Z为 负值 ， 这 时火 风压 的作 用 与通 风 机 的作 用相 反 ， 火 风压 将 阻碍矿 井 的通风 ； 当巷 道采 用 上行 通风方 式 时 ， 火 灾 烟 流流 经 巷道 的标 高 差 Z为 正值 ， 这 时火风 压 的作用 与通 风机 的作 用相 同 ， 火 风 压 将有 助 于矿井 的通 风 。 1 ． 1 ． 2上 行通 风烟 流运 动规 律 当火 灾 发 生在 倾 斜 上行 通 风 巷道 中时 ， 由于火 风 压 和浮力 效应 的 作 用 ， 火 灾 烟 流将 向火 区的 下游 流 动 ， 如 图 1所示 ， 火 灾烟 流将 在火 区下 游 的巷 道 中 蔓 延 ， 并 污染 火 区下 游 的巷 道 ， 威胁 火 区下游作 业人 员的生命安全。 1 ． 1 ． 3下行 通 风烟 流运 动规律 当火 灾 发生 在倾 斜 下 行 通 风巷 道 中时 ， 由于火 风 压作 用力 向上 ， 火风 压 阻碍巷 道 的通 风 ， 这时 巷道 内烟流运 动规 律将 分 为 以下 2种 情 况 在火 势 发 展 的初 期 ， 由于火势 小 ， 火 区烟 流 的 温度 较 低 ， 火 风 压 较小 ， 这 时通 风压力 作 用大 于火 风压 的反作 用 ， 巷道 火灾 烟流 的运 动依 然是 沿着 巷道 风流 的方 向 向下运 动 ， 如 图2 所示 ； 随 着 火 区 火 势 的不 断 发 展 ， 火 区烟 2 4 工矿 自动化 2 0 1 1年 3月 图 1倾 斜 上 行 通 风 巷 道 火灾 烟流 流 动 示 意 图 流的温度不断升高， 火风压不断增大， 这时火区上游 的风 速慢慢 降低 ， 当上游 风速低 于临界 风速时 ， 通风 压力的作用小于火风压的反作用 ， 这时巷道火灾烟 流 向新 鲜风 流方 向流 动 ， 如 图 3所示 ， 从而使 烟 流向 火区上 游未 污染 区 弥 漫 ， 直 接 危及 上 游作 业 人 员 的 生命安 全 。 图 2倾斜 下 行 通 风 巷 道 火 灾 初期 烟流 运 动 示 意 图 图 3 倾斜下行通 风巷道火灾火势最大时烟流运动示意图 为 了能够有效 控 制火 灾 烟 流 的运 动 ， 定 义一 个 临界风速 ， 当巷道风速高于这个风速时 ， 巷道内逆流 的火灾 烟流 消失 ， 火 灾烟流 沿巷道 向火 区下游蔓延 ； 当巷道风速低于这个风速时， 火灾烟流运动将会发 生逆转， 火灾烟流沿火 区上游 的巷道蔓延。在井 下 发 生火灾 时 ， 根据 需要来 调节巷 道风速 ， 能够 有效地 增加 火 区上 、 下游作 业人 员 的逃 生时 间 ， 避免 临界 烟 流在井 下巷道 内大 面积 扩 散 。因此 ， 研 究 抑 制 临界 烟气逆 流 的临界纵 向风速具 有重 要 的工 程意义 。 结 合水 力 直 径 的概念 ， 总 结 出临 界风 速 的预 测 公式为 [ 6 f c一 0 ． 4 0 0 ． 2 0 “ 。 ≤ 0 ． 2 0 l 一0 ． 4 0 0 ． 2 0 式 中 、 分 别 为 无 量 纲 的 临界 风 速 和无 量 纲 的热释放速 率 。 丽 VC C一 gH 式 中 Q为 燃烧物 的热 释放速 率 ， k W ； 为 巷道 空气 的平均 密度 ， k g ／ m。 ； 为 火 区周 围 的空 气 温 度 ， K； C 为空 气 比热 ， l 【 J ／ k g K ； g为 重 力 加 速 度 ， m／ s 。 ； 耳 为 巷 道 水 力 直 径 ， m； V C为 临 界 风 速 ， m／ s 。 1 ． 2 水 平巷道 火 灾烟 流运 动规律 当火 灾 发生 在 水平 或者 近 似水 平 的巷 道 中时 ， 由于火灾烟流流经巷道 的标高差为零或者几乎为 零 ， 因此 ， 火风 压不会 发生 在水平 巷道火灾 中。影 响 水 平巷 道火灾 烟流运 动 的主要是 发生火 灾时 的节 流 效应 。 在水 平 巷道 火 灾过 程 中 ， 由于 火 区 的燃 烧 物 和 火焰 占有一 定 的空 间 ， 风 流 流过 巷 道 的有 效 过 流断 面面积减小 ， 加之火 区附近空气受热膨胀 ， 火区附近 的阻力 比火 区上游 巷 道 的 阻力 明显 增 大 ， 火 区形 成 了一个局部阻力， 这个局部阻力就像在巷道内安设 一 部 局部 调节 风窗 ， 增 大 了该 段巷道 的 阻力 ， 影 响巷 道内的烟流流动。这种 由于风流受热体积增大以及 燃烧 物 和火焰减 小烟 流在巷道 内的流动空 间而产生 的阻碍烟流流动的局部阻力， 称之为火灾烟流的节 流效应 。 巷道火灾产生的节流效应烟流阻力 H 的计算 公 式 为[ 7 ] H 一 0 ． 5 p l [ MK一 1 g Hc o s 卢 1 一 MK ] 式 中 p 。 为 火灾 前 的 风流 密度 ， k g ／ m。 ； 为火 灾 前的风流 速度 ， m／ s ； MK为 火 灾燃 烧 生 成 物 的相 对变 化量 ， MK T ／ ， 、 分别 为火灾 前 与火 灾 时 的巷道 内温度 ； H 为巷道 高度 ， m； 口为巷道 坡度 。 在 水平 巷道火 灾前期 ， 由于火 势较小 ， 烟流 温度 较小， 节流效应作用不呢显 ， 火灾产生的烟流依然按 照 原风 流路线运 动 ， 火 灾烟 流 将 逐渐 蔓延 火 灾 下 流 的空 间 ， 如 图 4 所 示 ； 随着 火势 的发 展 ， 火 区温 度升 高 ， 节流效 应作用 增大 ， 这时 的火 区犹如一个 在巷道 中敷设 的柔性风障， 加大了巷道的通风阻力； 随着节 流效应的逐渐增大 ， 火灾巷道的通风阻力也随着逐 渐增大， 火灾巷道风速逐渐减小 ， 当节流效应值和巷 道 的通 风 阻力 值一 样 大 时 ， 火 灾 巷 道 的风 速几 乎 为 零 ， 这 时的火灾 烟 流将 逆 流 ， 如 图 5所示 ， 火 灾 烟 流 将 污染火 区上游 的 巷道 ， 威 胁 火 区上 游 作业 人 员 的 生命 安全 。 第 3 期 2 0 1 1年 3月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n N0 ． 3 Ma r ． Z O 1 l 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 3 0 0 2 5 0 4 DOI C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ T P ． 2 0 1 1 0 2 2 6 ． 1 6 1 9 ． 0 1 2 一 种改进的光伏阵 列最大 功率点跟踪方法 徐 瑞 东 ， 胡义 华 ， 陈 昊 ， 左 兰 中国矿 业大 学信 电学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 O 0 8 摘 要 针 对光伏 阵 列最 大功 率点跟 踪 常用 的控制 方 法 即恒压 法 、 扰 动观 察 法、 增加 电导 法存 在 的问题 ， 提 出了一种将 恒 压法 和扰 动观察 法相结合 的快速 最 大功 率点跟 踪控 制 方法 。该 方法采 用恒 压法获 取光 伏 阵列 最 大功率 点处 的近似 电压 ， 然后 根 据光 伏 阵列 的输 出 电压 与 该 近 似 电压 的差 值 确 定扰 动 步 长 如 果 差 值较 大， 则表 明光伏 阵列 工作 点 离最 大功率 点 比较远 ， 应 采 用较 大 的步 长 ； 如 果差值 较 小 ， 应 采 用 较 小 的步 长 ， 从 而减 小功 率振 荡 。仿 真 和 实验 结 果表 明 ， 该 方 法不仅 可 快速跟 踪光 伏 阵列 的最 大功率 点 ， 而且 可有效 减 小功 率振 荡。 关键 词 光 伏 阵列 ；最 大功 率点 跟踪 ；恒压 法 ； 扰 动 观察 法 ；增加 电导法 ；功 率振 荡 ； MP P T 中图分 类 号 T M9 1 4 ． 4 文献 标识 码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 1 --0 2 --2 6 1 6 1 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 1 0 2 2 6 ． 1 6 1 9 ． 0 1 2 ． h t ml An I m p r o v e d M e t h o d o f M PPT o f Ph o t o v o l t a i c Ar r a y XU Ru i - d o ng， HU Yi hua， CHEN H a o， ZU O La n Sc h oo l of I nf o r m a t i o n a nd El e c t r i c a l Engi ne e r i ng o f CUM T ． ，Xuz h ou 2 21 00 8，Chi n a Abs t r a c t I n v i e w of pr o bl e m s e x i s t e d i n c o m mo n c o nt r o l me t h od s of c on s t a nt v o l t a g e m e t ho d， 收 稿 日期 2 0 1 0 1 1 2 5 基金项 目 中国矿业大学 青年基 金资助项 目 0 C 0 8 0 2 4 9 作者简介 徐瑞东 1 9 7 9 一 ， 男， 江苏启 东人 ， 讲师 ， 博 士研究生 ， 主要研究方 向为电力电子技术。E ma i l r u i d o n g x u 1 6 3 ． c o rn 图 4 水 平 巷 道 火 灾 初 期 烟 流运 动示 意 图 图 5 水平 巷道 火灾火势最大时烟流运动示意 图 2 结语 结合 火风 压 、 节 流效 应 、 临界 风速 对巷 道火 灾 的 影 响 ， 总结 了倾 斜 巷 道 和水 平 巷 道 的火 灾 烟 流 的 运 动方 向 ， 可 用 于指导 巷道 火灾 的救 灾工 作 。另外 ， 当 巷道 发生 火灾 时 ， 井 下工 作人 员应 保持 冷静 ， 根 据火 势 的发展 状况 ， 避开 烟 流和 高温 区 ， 规 划 出正确 的逃 生路 线 。 参 考 文 献 [ 1 ] 卢平 ， 丛北华 ， 廖光煊． 纵 向通风水 平 隧道 火灾 烟气 流 动特性研究[ J ] ． 中 国工程科学 ， 2 0 0 4 ， 6 1 0 5 9 6 4 ． E 2 1陈伟红 ， 张磊． 地下建筑火灾 中的烟气控制及烟气 流动 模拟研究 进展 I- J ] ． 消防技术与产品信息 ， 2 0 0 4 1 0 6 ． I- 3 ] 闷治国 ， 朱合华 ， 杨 其新． 火灾 时隧 道火风 压及 其对通 风影 响的试验研究 I- J ] ． 同济 大学 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 1 2 1 5 92 1 5 96 ． E 4 ]郭江炜 ， 宋双林 ， 于碉． 倾 斜 隧道火 区 阻力 构成 特性 的 研究 [ J ] ． 消防科学 与技 术 ， 2 0 0 8 ， 2 7 3 1 7 0 - 1 7 2 ． [ 5 ] 褚燕燕 ， 蒋仲安． 矿井巷 道火灾烟气运动模 拟研究 E J ] ． 矿业 安全 与环保 ， 2 0 0 7 ， 3 4 5 1 3 - 2 6 ． 1- 6 ]袁建 平 ， 方正 ， 黄海 峰 ， 等． 水 平隧道火灾通风纵 向临界 风速 模 型 口] ． 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 ， 2 0 0 9 ， 3 1 6 66 7O ． I- 7 ] 郭春 ， 王明年 ， 周仁 强． 公 路 隧道火 灾 中火 区节 流效应 ， 理论及试 验研 究I- J ] ． 四川建筑科学研 究 ， 2 0 0 9 ， 3 5 2 25 8 2 6l_