矿井火灾对巷道瓦斯积聚影响的研究.pdf

矿井火灾对巷道瓦斯积聚影响的研究 朱海刚,周心权,姜 伟,王 轩 中国矿业大学北京资源与安全工程学院,北京100083 摘 要通过分析矿井火灾所产生的浮力和节流效应的产生机理和特点,进行了巷道火灾对井下风 流状态影响的研究。认为火灾所引起的风流状态的变化对井下直接源瓦斯涌出影响不明显,但对诸如 采空区等间接源瓦斯涌出影响明显。对于水平巷道、 上行通风巷道和下行通风巷道内发生的火灾,其对 风流状态变化的影响各异,所以这对与之相连的角联巷、 并联巷和串联巷内瓦斯运移积聚的影响不尽 相同。 关键词火区阻力;火风压;风流状态;瓦斯积聚 中图分类号TD75 2 文献标识码A 文章编号1008 - 4495200803 - 0018 - 03 收稿日期2007 - 09 - 10;2007 - 10 - 29修回 基金项目国家科学自然基金项目50534090 ;国家 “973” 计划项目2005CB221506 作者简介朱海刚1980 , 男,安全技术及工程专业硕 士研究生。 矿井火灾对井下风流状态扰乱是一种常见现 象,而井下风流状态的变化必然对瓦斯的涌出和运 移产生影响,进而可能在部分巷道出现瓦斯积聚的 现象。矿井火灾所产生的浮力效应、 节流效应以及 过量烟气的生成等是导致井下风网风流紊乱的主要 原因。因此,研究火灾对瓦斯涌出和运移的影响,对 实施预防矿井火灾时期瓦斯积聚的措施、 防治瓦斯 爆炸具有重要的现实意义。 1 矿井火灾的热力作用 矿井巷道发生火灾后,会在巷道中产生 “浮力效 应” 和 “节流效应” 。这些热力作用可能直接导致矿 井通风系统的风流紊乱,使部分巷道出现瓦斯积聚。 1.1 浮力效应 矿井火灾时期,由于部分巷道中风流温度升高、 密度减小,而导致通风网络中热风压发生变化的现 象称为 “浮力效应”,常用 “火风压” 表示 “浮力效应” 的大小。矿井发生火灾时,通风网路中出现的附加 热风压称为火风压,并分为局部火风压和全矿火风 压。局部火风压对矿井通风的影响就像在其流过的 上行或下行巷道内安设了辅助通风机一样,其作用 方向在上行风路中与烟流方向相同,在下行风路中 相反。 局部火风压引起通风网络中风压分布的变化, 是产生 “浮力效应” 的原因,反映了 “浮力效应” 的大 小,对巷道1 ,2 ,其数值由式1计算 [1] hNigρa-ρmΔZ1 式中 hNi 某巷道i的火风压,Pa ; ρm 火灾后通道的平均风流密度,kgΠm3; ρa 火灾前通道的平均风流密度,kgΠm3; ΔZ 巷道标高差,m。 由ρ m ρa Ta Tm ,得到 hNgρa 1 - Ta TmΔZ 2 式中Tm,Ta分别为考虑或未考虑通道1 ,2风流与 热环境交换时的该通道风流平均温度,K。 1.2 节流效应 由于火灾生成的燃烧产物和水蒸气加入引起风 流质量和体积流量的增加,以及风流温度变化的影 响引起的风流流量的进一步增加,而出现风流流动 阻力增加、 火源上风侧风量减少的现象,称为节流效 应。 近年来的研究表明 [2] ,节流效应的产生主要是由 于燃烧中过量烟气的生成和火区阻力所引起。 火区 阻力由烟流热膨胀产生的热阻力和因风流受到火区 火焰的障碍作用产生的局部阻力组成。 风流流经某通道因温度体积膨胀引起的节流产 生的压力降ΔhL用下列公式计算[1] ΔhLhLaF2 Tm Ta - 1 3 式中 ΔhL 某通道风流因节流效应产生的压 力降,Pa ; hLa 火灾发生前风流流动产生的压力 81 2008年6月 矿业安全与环保 第35卷第3期 降,Pa ; Tm 火灾发生后该通道风流的平均绝对 温度,K; Ta 火灾发生前该通道风流的平均绝对 温度,K; F 火灾发生后风流质量的增加系数。 联立式2和式3可以得到 “节流效应” 和 “浮 力效应” 对通道风流压降变化的综合影响 hThN-ΔhL gρa 1 - Ta TmΔZ -hLa F 2 Tm Ta - 1 4 hT的值为正,趋于增加风量;hT的值为负,趋于 减少风量。 2 风流状态的变化对瓦斯涌出的影响 矿井风流携带的瓦斯来源可分为直接源与间接 源2类。煤体直接涌出瓦斯量的大小,取决于3个 因素瓦斯压力,渗透系数,瓦斯含量系数。后2个 因素对于同一煤体来说其影响是相同的,故瓦斯涌 出量的大小取决瓦斯压力的大小。对同一煤体来说 瓦斯涌出量的大小取决于煤壁内的瓦斯压力与井下 大气压力之差。而煤岩体瓦斯压力一般在600 kPa 以上,采落煤炭的瓦斯压力一般大于200 kPa ,矿井 风流状态变化能引起矿井大气压力变化的数值仅 4 kPa ,远远低于瓦斯压力 [3] 。因此,通风绝对压力变 化不能引起直接源煤壁或破碎煤块瓦斯涌出量发生 明显的变化。 间接源瓦斯,就是涌向巷道或已采空间,未被风 流立即带走而积存在这个区域的瓦斯,或是以分子 扩散的形式向附近巷道迁移,或是受通风状态变化 及井下大气条件变化的影响而向附近巷道流动的瓦 斯。从旧巷和采空区涌出的瓦斯多属于这种类型。 文献[3]指出因通风绝对压力变化而导致从采空区 涌出的瓦斯量不会有多大变化。 然而,风流状态变化所引起的通风绝对压力变 化必然伴随着风量有较大的增减。文献[4]指出虽 然风量变化对直接源瓦斯涌出量没有明显的影响, 但对于间接瓦斯源来说,风量变化对瓦斯涌出有着 明显的影响,风量增加瓦斯量也增加,不过这种现象 有时间性的,主要取决于采空区中积存瓦斯量和邻 近层涌入采空区瓦斯量以及漏风量的大小。但与火 灾所引发井下风流状态频繁变化相比,这种现象的 时间还是较长,如果风量不断变化,瓦斯涌出量也随 着不断地变化,增大了部分巷道出现瓦斯积聚的可 能性。 3 井巷瓦斯层积聚形成原因 尽管巷道中风流一般呈紊流状态,但在瓦斯涌 出矿井的井巷顶部瓦斯也可能集结成层,形成瓦斯 积聚,因为混合气体的密度不同引起的上浮作用可 以减弱甚至完全消除紊流的混合作用。当紊流作用 的动能不足以提供反抗重力的功,紊流作用将消失。 这时,分子扩散作用是使气体混合的唯一因素。在 紊流流体中,气体层的形成与巷道倾角、 巷道壁粗糙 度和无因次成层系数NL有关 [1] 。NL由渥卡特逊数 NRi导出。NRi是一个描述气体层特性的重要参数 NRigΔ ρ ρ q Wv 3 5 NL 1 N 1Π3 Ri v gΔ ρ ρ q W 1Π3 6 式中 g 重力加速度,一般为9.8 mΠs 2 ; ρ 气体密度,kgΠm 3 ; q 进入气体层的点源瓦斯气体流量, m 3Π min; v 风速,mΠmin; W 巷宽,m。 若考虑巷道倾角α对上浮力的影响,渥卡特逊 数NRi应乘以cosα。 当NRigΔ ρ ρ q Wv 3cosα增加时, 紊流混合作用效果迅速降低。 当NRi 0.83时,可以 忽略紊流混合作用的影响。 在水平巷道,当NL 5 ,增加风速对瓦斯层 长度减少的影响已不显著。 表1为沈阳煤矿设计院、 北京规划院对大巷不 出现瓦斯分层确定的风速值 [5] 。说明火灾时井下风 流状态的不稳定很有可能使部分巷道出现无风或微 风,如果再有瓦斯涌出,就会在该巷道顶部形成瓦 斯层。 表1 瓦斯分层与风速关系 巷道支护形式瓦斯分层风速Π m Π s 不出现分层 0.7 半圆、 拱形巷过渡状态0.51～0.7 出现分层 1.1 梯形、 混凝土、 支架巷过渡状态0.72～1.1 出现分层 0.72 4 不同巷道内火灾对巷道瓦斯运移和积聚 的影响 巷道内瓦斯的运移和积聚不仅与矿井火灾所引 91 2008年6月 矿业安全与环保 第35卷第3期 发的 “浮力效应” 和 “节流效应” 有关,还与巷道布置、 火灾规模及原先正常通风状况有关。 4.1 水平巷道火灾 这种情况一般认为只存在节流效应,浮力效应 可忽略。节流效应与燃烧规模和风速大小有关。当 燃烧规模小于250～500 kg木材时,或风速小于 1 mΠs ,节流效应不明显;当燃烧规模超过4 500 kg 木材时,将出现明显的节流效应。如图1所示,与 着火巷串联的平巷由于节流效应使该串联巷风量减 小,易在巷道顶部形成瓦斯层;如果着火巷与其并联 巷间有角联巷,该角联巷可能出现风流停滞或风流 逆转的现象,更易在巷道顶部形成瓦斯层。 图1 水平巷道火灾及其相连的角联巷 4.2 上行通风巷道火灾 发生在上行通风巷道的火灾将产生浮力和节流 2种效应。若火源下风侧的温度高,标高变化大,或 风量不太大,浮力效应的增风作用大于节流效应的 减风影响,使风量增加。如图2所示,伴随着上山风 量增加,相邻并联巷风量减小。若相邻并联巷原有 风压小,则可能出现相邻上山风流停滞或逆转现象, 增加该巷道顶部瓦斯层形成并积聚的趋势。 4.3 下行通风巷道火灾 下行通风巷道火灾产生的节流和浮力效应与原 有通风压力作用风向相反,趋于减小该巷风量甚至 出现风流反向、 烟流逆退现象,极易在与之相连的串 联巷顶部形成瓦斯层,出现瓦斯积聚的现象,如图3 所示。另外,如果该下行通风巷道标高差大,或燃料 充足,或巷道风压不大,这种火灾会很容易使该巷道 出现风流流量和流向的频繁变化,所以,在与之串联 巷道内的瓦斯积聚现象会更严重。 图2 上行通风巷道火灾及其与之并联的巷道 1 火焰区;2 风流绕行;3 风速减小或紊乱区;4 瓦斯层。 图3 下行通风巷道及其与之串联的巷道 5 结论 在不同巷道内发生的火灾,产生的节流效应和 浮力效应对风流状态变化影响是不同的,进而对巷 道内瓦斯的运移、 积聚产生不同的影响,这对矿井火 灾发生后采取有效措施防止瓦斯爆炸事故的发生具 有重要的理论和现实意义。由于瓦斯积聚的影响因 素不仅与火灾规模大小及地点有关,而且还与巷道 形状构造如高冒处瓦斯构造破坏带等多种因素有 关,因而在各种因素下矿井火灾对瓦斯运移和积聚 的影响还有待进一步研究。 参考文献 [1]周心权,吴兵.矿井火灾救灾理论与实践[M].北京煤炭 工业出版社,1996. 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Studied results indicated that the change of airflow status caused by roadway fire has no marked influence on gas emission from direct gas source , but it has marked influence on gas emission from indirect gas sources such as gob area. If the fire takes place in horizontal roadway , ascentional ventilation roadwayor descentional ventilation roadway , it has different influences on the change of airflow status , so the gas accumulation in their con2 nected diagonal roadways , parallel roadways and series roadways is not the same. Study on Thermal Comfort of High - temperature Mine and Its Appraisal Inds 27Through the investigation of high - temperature situation in mines and the analysis of some environmental factors affecting the thermal comfort of miners , a thermal comfort equation of miners was established and a thermal comfort diagram was drew up , a suitable air speed can be determined by consulting this thermal and the required air quantity can be calculated. 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These conclusions can provide basis for the de2 sign of hardware and software in dust measurement system, and also offer reference for the application of PMT in other aspects. Research on Intellectual Base of Mine Safety Pre - warning Expert System34 The intelligent base is the core of mine safety pre - warning expert system, and the establishment of the intelligent base is a crucial work of building mine safety pre - warning expert system. This paper firstly gives a description the classification of the intelligent base and its acquisition process. Secondly , it represented the factual and heuristic intelligence in mine safetyfield by utilizing logic and heuristic intelli2 gence and production rule respectively , and then it established the intelligent base with Microsoft SQL Sever 2000 , which thus laid a goodfoundationfor finally build2 ing and realizing the mine safety pre - warning expert system. 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