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矿井火灾救灾 第一节 矿井火灾概述 一、燃烧的基本概念[1] （一）燃烧的特征 可燃物和氧化剂两种组分在空间发生激烈化学反应的过程叫作燃烧。它常常伴随放热、发光过程，会生成新物质。反应物中化学性质活泼的氧原子组分称为氧化剂（助燃剂），被氧化剂所氧化的物质称为燃料或可燃物，反应生成物称为燃烧产物。 放热、发光和生成新物质是燃烧反应的三个特征，是区别燃烧和非燃烧现象的依据。点亮的灯泡中钨丝放热、发光，但未生成新物质，属于物理过程，而非燃烧现象。金属生锈、动物呼吸会放热，并产生新物质，但因反应速度低，放热速度慢，无发光现象，所以也不是燃烧反应。 （二）燃烧的条件 燃烧须同时具备三个条件（燃烧三角形，见图6-1）燃料（可燃物）、供氧（氧化剂）和热源，通常称为燃烧的三要素。缺少任一条件，燃烧都不可能发生，若燃烧发生后缺少任一条件，则会熄灭，这是矿井防灭火工作的根本依据。矿井防灭火的措施，其目的是为了除去燃烧的全部或部分条件。燃烧除要求上述三要素外，还要求可燃物、氧化剂和热源应具备一定数量、浓度或能量。例如，在空气中氧浓度小于12％时，瓦斯便不能燃烧。燃烧以链式反应方式进行，反应可分为三步。第一，链引发因高温热解产生一定数量的反应活性中心游离基；第二，链传递游离基与反应物作用产生新游离基并不断重复这一过程；第三，链中止当反应物被完全消耗或由于惰性物质的作用，使游离基失去活性而减少以至消失，链式反应中止。链引发需要具有一定能量的引燃能源，低于595℃的热源不能使瓦斯与空气的混合气体燃烧。一定数量的燃料（可燃物）、充足的供氧及具备一定能量的热源是燃烧的充分必要条件。 近年来，提出燃烧四面体的概念（见图6-1），即除上述三个基本燃烧要素外，还存在链反应要素，它存在于某些燃烧过程中，尤其是火焰前沿的自由基连锁反应，由于其反应速度极快，从而控制着火的增长速度。基于中断燃烧中链增长反应原理而发明的新型灭火剂和阻燃剂具有更好的灭火效果，从而支持了链反应是燃烧过程的基本要素的新观点。 氧化剂 可燃物 热源 可燃物 氧化剂 热源 链反应 图6-1 燃烧三角形和燃烧四面体 （三）燃烧的形式 绝大多数火灾事故是在大气条件下发生的，因此，可燃物在空气中的燃烧状况是矿井火灾的主要研究内容。矿井火灾中可燃物可分为固态，如煤、木材、橡胶、合成高分子化合物等；气态，如瓦斯、热解产生的各种挥发性气体、一氧化碳等；液态，如燃油、润滑油等三大类。它们在井下火灾中的燃烧形式有以下几种[1] 1、扩散燃烧 也称气体燃料燃烧。甲烷CH4、一氧化碳CO、乙炔C2H4等可燃气体从管道孔口或巷道局部空间流出，在与空气汇合时，可燃气体与空气靠分子间扩散而混合，当其混合浓度达到燃烧界限时，遇火源则在该范围内燃烧。由于可燃气体和氧气O2的不断补给、混合，使燃烧继续，如图6-2所示。 图6-2 扩散火焰结构图 1-空气；2-扩散混合区；3-气态燃料；4-管口 2、分解燃烧 出现于固体和部分液体燃料的燃烧中。在燃烧过程中，可燃物首先遇热分解，热分解产物和氧反应产生火焰燃烧。如木材、煤、橡胶、合成高分子化合物等固体燃料，柴油、煤油、润滑油等高沸点油脂类流体以及蜡、沥青等固体烃类物质的燃烧。木材在空气中燃烧时，火源首先加热木材，使其失去水分而干燥，然后木材发生热分解，释放出挥发性气体，产生燃烧火焰，放出热量。释放的热量继续加热木材，使木材不断分解，从而使燃烧延续。矿井火灾时期，着火带中燃烧带燃烧属于这一类型。 3、表面燃烧 发生于固体燃料燃烧的后期。固体可燃物燃烧时，不断分解出挥发性气体。而挥发性气体燃烧放出的热量继续维持新的固体燃料热分解和燃烧。当原来燃烧的燃料所含挥发分气体，煤焦油分解完后，剩下固体炭（焦炭）。这时，燃烧在焦炭与空气的接触表面进行，称为表面燃烧。固体燃料呈红热表面，但没有火焰。在矿井火灾中，着火带中的焦化带燃烧属于这一类型。 4、预混燃烧 可燃气体与空气预先充分混合的燃烧。在井下一定环境条件下，可燃气体与空气已在着火前预先充分混合，其浓度处于燃烧（爆炸）界限之内，遇火源即会发生燃烧。这种燃烧在混合气体分布空间快速蔓延，称为预混燃烧。这种燃烧在一定条件下会转变为爆炸。矿井火灾引起的爆炸事故往往是由预混燃烧引起的。因为扩散燃烧仅在很小的扩散区内进行，分解燃烧也仅在小范围的空气与挥发物混合界面进行，作用范围小。在一定通风条件下，煤层涌出的瓦斯与矿井火灾分解的高温挥发性气体混合，形成较大范围可燃性气体，一经点燃，就会出现预混燃烧，并可能在半封闭空间内迅速地自我加速发展成为爆炸。 二、矿井火灾的特征 长期从事各类矿井灾害事故处理和救护的同志认为在不同矿井灾害中，矿井火灾救灾难度最大、技术性最强、危险性最大。这是矿井各类灾害事故的不同特征决定的，下面将进行各种灾害的特征的比较。 （一）矿井灾害的不同特征[42] 矿井重大灾害性事故有瓦斯（煤尘）爆炸、瓦斯突出、火灾、水灾、顶板灾害等。不同灾害具有不同特性，致灾条件，发生、发展规律，对环境和人员产生不同的破坏和影响，因此，对应的防治措施也有所不同。 矿井火灾时期，火源燃烧生成的高温烟流向下风侧蔓延，并因可能风流逆转，进入进风区，致使烟流蔓延范围扩大。由于火灾燃烧时间远大于瓦斯爆炸、突出，水灾和顶板灾害，因此，矿井火灾作用时间长、范围大。 瓦斯爆炸产生高温高压冲击波，如果爆炸不引起火灾，具有瞬间、大范围影响特性；煤与瓦斯突出高压气体和固体突然冲击的动力现象，往往对矿井造成瞬时局部范围影响；矿井水灾是较高压力的水突然涌出动力现象，也具有瞬时、局部范围的影响特征；顶板灾害是地压作用下顶板不同程度的垮塌造成造成的灾害，其作用特征也是瞬时、局部的。 纯瓦斯爆炸（不诱发火灾）的高温高压和突出灾害的高压冲击波作用是瞬时变化而非常复杂的，但是，发生对通风设施和通风系统的破坏及其影响后一般是稳定的，即不随时间而变化。其复杂性和瞬时性决定了不可能在灾变发生的极短时间内作出控风决策并付诸实施。其破坏的稳定性决定了救灾时期的控风和救护工作相对容易。所以对于这类灾变事故，必须以预防为主，预先分析不同强度的灾害对通风设施和通风系统的可能影响。当然，抑爆减灾措施是必要的。在制定灾变措施的同时，考虑灾害破坏的稳定特性，可以在灾变后，由救护队先恢复一定区域的通风，再恢复全矿通风。其稳定性决定了灾后事故处理的难度不太大。 （二）矿井火灾的致灾特征和对策 矿井火灾的长期性和动态变化性决定了救灾的难度、危险性和技术性即高科技成果应用的可行性和重要性。矿井火灾持续时间长，对矿井通风系统的影响是长期的。由于火源燃烧强度的变化，高温烟流与巷壁热交换强度的变化，风流紊乱现象发生和烟流蔓延区域的变化，致使风流状态相关参数（风量、风压、风阻、有害气体组份和浓度等）发生动态变化。而矿井火灾时期延续的长期性和动态特征造成灾变通风的独有的特性。其长期性，提供了风流控制救灾决策和实施可能以足够的时间，为分析和控制高温烟流流动状态的高科技含量的技术应用提供可能。而这时间又非常紧张，救灾指挥者具有无法推卸的责任并且对其是一个严峻的考验。没有能应付各类事故的周密灾害预防处理计划和措施的预先演习和实施，没有对井下人员的安全教育，使他们熟悉救灾和自救的措施，单靠发生灾变时，仓促决策和处理事故，往往不能成功救灾；其长期性和动态变化特性的结合，又对人员撤退和救灾工作连续造成威胁，增加了救灾决策和现场抢险的难度和危险。现场救灾实践证实，矿井火灾救灾是当前技术条件下各灾种救灾中难度最大，又最危险，技术要求最强，任务最艰巨的一项任务。 矿井火灾防治在坚持“预防为主”方针的同时，必须强调在矿井火灾的过程中，有效的救灾、控风技术的应用。矿井火灾时期，通风机与风温变化引起的火风压共同作用提供风流流动的动力，从而破坏了正常状态下原有通风动力机械风压和正常通风的自然风压与风流状态的平衡，导致矿井各巷道风流状态剧烈变化甚至部分巷道风流方向突然逆转。逆转风流携带大量火灾生成的高温、有毒、有害气体，污染进风区的新鲜风流，致使火灾影响范围扩大，井下人员遇难危险增加以及抢险救灾难度增大。 矿井火灾时期风流状态控制就是应用风流控制调节设施（主要是风门启闭），使火风压造成的危及撤人救灾的风流状态转变为一定区域的安全风流状态。很明显，风流状态控制的前提是已知火风压所引起的风流紊乱状态，而风流动态模拟技术就是用来解决这个问题。矿井火灾时期风流状态模拟，就是应用计算机数值分析方法，解算矿井通风网络各分支风量、风温、风压、有害气体浓度、节点压力和通风机工况等参数在火灾影响下的动态变化及风流逆转的位置、时间及影响范围的一种技术。 （三） 煤矿火灾及火源燃烧类别[27] 1、煤矿火灾分类 根据火源种类的不同，通常矿井火灾分为两大类。 （1）外因火灾 外因火灾指由于外来火源如明火、放炮、机械摩擦或撞击、爆炸、电气火化、电弧或过流、机械设备运转不良等原因造成的火灾。外因火灾的特点是发生突然、发展迅猛、变化复杂、影响面广，如果发现不及时，处理不妥当，往往造成人员伤亡和财产损失，容易酿成重大灾害事故。统计资料表明，煤矿重大恶性火灾事故90％属于外因火灾。尽管外因火灾往往发生在巷道或工作面内，教容易发现，但由于发生突然、发展迅猛，对火灾报警和处理的及时性要求更为严格。 （2）内因火灾（或称自燃） 指煤炭在一定的氧化条件和储热环境下（地面煤堆、井下采空区或裂隙发育的煤巷壁），因自身发生物理化学变化（破碎－吸氧－氧化－放热）积聚热量而升温导致着火形成的火灾。内因火灾的特点是发生、发展过程较长，对生产造成连续的威胁和影响，并造成资源的巨大损失，但对人员伤亡的影响相对于外因火灾较小。内因火灾因往往发生在人员难以进入的内部区域，火源位置难以准确定位。 外因和内因火灾在其隐患侦知，火情发现的气体分析，火区封闭、管理等方面的技术支持和实践有其共性，在火灾治理灭火技术和实践方面有所不同，因此本书在灭火技术等方面分别介绍，在其它具有共性的方面统一简述。 2、煤矿火灾火源燃烧分类 （1）火源燃烧分类的由来 矿井火灾救灾实践显示，一些火灾可能引发瓦斯爆炸，也可能在新的位置诱发再生火源，但大多数火灾并没有引起爆炸，也就是说矿井火灾中有一类火灾更危险。救护队在救灾实践中发现，低瓦斯的火区也可能发生瓦斯爆炸；火区侦察中有时发现，火区存在几个火源，而不是仅仅顺下风侧连续燃烧；一次火灾案例曾出现一段煤巷引起的火灾越过几十米无可燃物的岩石巷道引燃相联的另一段煤巷可燃物的情况，原希望岩石巷道能隔绝火灾，未对岩巷及与其相联的下风侧煤巷采取隔火措施，结果救灾决策失败。为什么会出现这些情况呢上述问题一直困扰着救护人员，这就是本部分介绍相关知识的目的。 过去，对于火灾时期火源燃烧并未根据燃烧环境氧气与燃料，燃烧生成物组分和浓度进行分类，而这些因素恰好与火灾防治有密切关系。从火灾中了解不同类火灾的特性，凸现最危险一类火灾的危险性，转化条件和防治措施，无疑，对于针对不同类火灾，采取适当的技术、措施，对于提高救灾的及时性，有效性和安全性具有重要意义。 （2）富氧燃烧和富燃料燃烧类火灾的基本特性 富氧燃烧 具有与地面火灾相似的燃烧和蔓延机理，称为非受限燃烧。火源燃烧产生的挥发性气体在燃烧中已基本耗尽，无多余炽热挥发性气体与主风流汇合并预热下风侧更大范围内的可燃物。燃烧产生的火焰以热对流和热辐射的形式加热邻近可燃物至燃点，保持燃烧的持续和发展。火源范围小，火势强度小，蔓延速度较低，耗氧量少，致使相当数量的氧剩余。下风侧氧浓度一般保持在15％（体积浓度）以上，故称为富氧燃烧。 富燃料燃烧 火源燃烧时，火势大，温度高，火源产生大量炽热挥发性气体，不仅供给燃烧带消耗，还能与被高温火源加热的主风流汇合形成炽热烟流，预热火源下风侧较大范围的可燃物，使其继续生成大量挥发性气体。另一方面，燃烧位置的火焰通过热对流和热辐射加热紧邻可燃物使其温升至燃点。由于保持燃烧的两种因素的持续存在和发展，此类火灾使燃烧在更大范围进行，并以更大速度蔓延致使主风流中氧气几乎全部耗尽，剩余氧浓度低于2％。所以，此类火灾蔓延受限于主风流供氧量。在地面火灾中，由于此类火灾仅发生在一些空间受限制或通道断面较小的情况下，故也称为受限火灾。基于其下风侧烟气氧浓度接近零的特征，一般称之为富燃料类火灾或贫氧类火灾。其下风侧烟流常为高温预混可燃气体，与旁侧新鲜风流交汇后，易形成新的火源点，这种形成多个再生火源的现象称为火源发展的“跳蛙”现象，即多个间断火源点就象青蛙跳跃落脚点一样。再生火源的出现增大了预混气体进入火源引起爆炸的概率并加快了火灾蔓延的速度。 表6-1概述了富氧燃烧和富燃料燃烧类火灾的基本特性。 表6-1 两类火灾的基本特性 富燃料燃烧 受限燃烧 富氧燃烧 非受限燃烧 基本特征 燃料多、供氧不足 燃料不足、供氧多 特点 火源范围大,火势大,蔓延快 火源范围小,火势小,蔓延慢 耗氧多,剩余氧少2左右 耗氧少,剩余氧多15左右 剩余大量可燃挥发物 可燃挥发物基本耗尽 易引起再生火源和爆炸 不易引起再生火源和爆炸 危险性更大 危险性稍小 （3）矿井火灾火源分带 ①富燃料燃烧火源分带 如图6-3所示，沿风流方向分为四个带。各带烟流的平均温度（tf），氧浓度O2（％）和碳化物组分C（％）的变化对应显示在图的上半部分。 图6-3 富燃料燃烧火灾火源分带示意图 A冷却带 火源燃烧已掠过该带，火焰已熄灭。仅存在受迫对流传热，无氧化反应发生，巷道壁温下降但仍高于风流温度，使流经该带的风流温度缓慢上升，风流的氧浓度不变且不含碳化物。 B焦化带 可燃物的高温焦化残余物焦炭，与风流中的氧发生氧化反应，继续燃烧，属于表面燃烧形式。流经该带的风温上升，碳化物浓度增长，氧浓度开始减少。 C高温热解带 分为燃烧和剩余燃料两个分带。在燃烧分带，可燃物热解生成的挥发性可燃气体在风流中燃烧，烟流浓度达到最高值，碳化物浓度继续增高，烟流中氧浓度几乎降到零。因氧气缺乏，燃烧停止，剩余部分炽热挥发性气体流向下风侧，该分带燃烧属于热解燃烧。在剩余燃料分带，高温挥发性气体与燃烧产生的热共同作用加热该分带可燃物，使其热解生成大量挥发性气体，并混合于烟流中顺风流动。在该分带，热解过程吸热，氧化放热反应停止，温度开始下降，氧浓度接近零。 D预热带 含有挥发性气体的高温烟流向巷壁传热，温度继续下降，同时烘干、预热下风侧巷道壁，为火源蔓延创造条件。该带的传热过程以受迫对流传热为主，在接近高温热解带的区域也存在热辐射现象。 ②富氧类火灾分带 富氧类火灾分带 如图6-4所示。此类火灾在冷却带和焦化带与富燃料类火灾相似，只是因火势较小，焦化带中氧浓度降低较少。在燃烧带，由于富氧燃烧时温度较低，分解的挥发性气体量较少，故全部在该带燃烧中耗尽，无显著的高温热解带，也不存在剩余燃料分带。在燃烧带中风流氧浓度的减少远小于富燃料类火灾，风流温度和碳化物浓度也低于富燃料类火灾。 图6-4 富氧类燃烧火灾火源分带示意图 （四）富燃料燃烧火灾的危险性及防治 1、富燃料类火灾的危险及形成条件 （1）富燃料类火灾的危险性 尽管富燃料类火灾发生的几率较小，但它是最危险的矿井火灾。它增加了直接灭火和救灾工作的困难和危险，扩大了灾害影响范围，增加了封闭火区的困难和危险，而且可能引起爆炸事故。发生富燃料类燃烧的原生火源，生成大量高温爆炸性挥发份气体，因氧气有限，未能大量消耗，顺风（或逆风）流向下（上）风侧。若遇到有相联巷道进风，形成仍存有具有引爆高温的爆炸性预混气体，就有可能发生爆炸。若下（上）风侧有大量可燃物，就有可能产生再生火源。再生火源的出现加速了火源燃烧蔓延速度并加大了火源范围，增加了爆炸性预混气体进入火源的几率，这就是火区可能出现多次爆炸的原因。火区发生爆炸后，加剧火区的风流紊乱状况和预混气体进入火源引起瓦斯爆炸的几率。若有漏风和高瓦斯涌出补给爆炸消耗的氧气和瓦斯，则爆炸可能多次发生。富燃料火灾危险性分析综合如下（参见图6-5）。 图6-5 富燃料类燃烧的危险性示意图 ①富燃料燃烧可产生近1000℃的高温，分解出大量挥发性气体，生成可燃性高温烟流，并预热相邻地区可燃物，使其温度超过燃点，生成大量炽热爆炸性的挥发性气体。这就是为什么低瓦斯火区会出现瓦斯爆炸的原因。 ②炽热含挥发性气体的烟流与相接巷道新鲜风流交汇后燃烧，使原火源下风侧可能出现若干再生火源，即燃烧蔓延的“跳蛙”现象。这就是火区出现多个火源并可能越过无可燃物的岩石巷道引燃相连的煤巷可燃物的原因。 ③高温烟流与相接巷道新鲜风流交汇后产生的上述危险，使从事直接灭火的人员面临决策的困惑。在直接灭火时，为保证人员在相接巷道从事救灾工作和通行的安全，要求新鲜风流经相联接巷道流向着火巷道，而避免烟流流向相联接巷道。但是，新鲜风流的引入，在火源下风侧又可能产生爆炸危险。 ④由于炽热气体上浮力和节流阻力的影响，在火源上风侧巷顶出现逆风流方向的烟流滚退现象。 ⑤火源上、下风侧炽热气体与新鲜风流交汇，在接触界面上的燃烧可能引燃巷道煤壁和支护木材。 ⑥进行富燃料类火灾直接灭火的人员，常常能发现“风压脉动”或风流流动的剧烈波动现象。这种风流方向和大小的剧烈变化，是由于燃烧火焰的紊乱滚动和炽热气体与空气接触界面上的燃烧或“软”爆炸（局部范围的小爆炸）产生的。风压脉动造成可以察觉的风量脉动现象，往往是出现瓦斯燃烧爆炸的前兆。在救灾过程中发现这种现象应立即组织人员撤退。 （2）产生富燃料类火灾的火源特性 富燃料燃烧取决于可燃物的类型、数量及供氧量。可燃物越容易引燃，燃料数量越大，供氧量相对于燃料量不足（如停风、减风、巷道垮塌等），空气预热温度越高，则发生富燃料类火灾的可能性越大。 （3）影响富燃料燃烧的其它因素 富燃料燃烧还取决于巷道断面大小，下风侧可燃物种类，数量和分布形式。巷道周长和断面积之比愈大（巷道断面愈小），愈容易发生富燃料类火灾。A罗伯特在0.1m2的模型巷道火灾实验中发现坑木火灾可自行发展为富燃料类火灾。火源下风侧有充足的易燃物，如下风侧巷道棚顶为高挥发分煤（该处与流经的高温烟流中温度最高部分接触），易发展为富燃料类火灾。 在矿物油类火灾实例中已发现不少富燃料燃烧现象。油类火灾当其燃油表面积A（m2）与空气流量Qa（m3/s）之比A/Qa0.5时，往往形成富燃料类火灾。煤类火灾一般为富氧类火灾，坑木类火灾存在两种火灾的可能，取决于上述条件。 2、富燃料类火灾的防治 在矿井火灾已发展成富燃料类火灾时，控制富燃料类火灾是危险和困难的。最好的手段是防止出现富燃料火灾或避免富氧类火灾转变为富燃料类火灾。 （1）防止富燃料火灾出现的方法 ①应该减少火焰沿巷道蔓延的速度，即在火灾刚发生时，及时采取措施灭火，避免火势扩大，或者在火源下风侧形成洒水水幕，减少下风侧可燃挥发性气体的产生，减少火势蔓延速度。 ②除非有十分可靠而安全的减风、停风理由，否则应维持火区的通风，即不减少风速。 如果矿井火灾已成为富燃料类火灾或已由富氧类火灾转变为富燃料类火灾，是难以转变为富氧类火灾的。这时，为避免发生危险，与其浪费时间进行危险而收效不大的灭火，不如尽力防止其发展。 （2）控制富燃料类火灾 ①在着火巷道的相接邻巷道内喷水，喷高倍泡沫，防止火势向其中蔓延。 ②加固着火巷与相接巷道间的风门，隔墙，减少漏风。 ③若时间容许，将混凝土或其他不燃性密封剂喷射在隔墙的周边和隔墙外几米距离的巷顶和巷帮上半部，减少火势蔓延和漏风的可能。 ④在火源上风侧构筑带有自动关闭门的临时风门。有人员在内，不得关闭风门。 ⑤若能迅速准备充足的惰气，可以向着火巷注入惰气。注气氮效果差，其冷却效果不好。故最好注入液氮或液态CO2，其目的是冷却火区，减小火势，并减少火源邻近区域挥发性气体的产生量。 ⑥人员撤出灾区，关闭位于火源前方的自动风门，在可能的情况下，继续进行喷水，喷射高效泡沫和注入CO2等项工作。 ⑦救护人员进行较大范围的火区封闭作业。若进行全矿封闭，需关闭主要通风机，封闭通往地面的所有出口。 上面对富燃料类火灾的处理手段是在保证人员安全的前提下，在着火区域尽可能采取一些抑制火势的措施，然后封闭火区或矿井。对于富燃料火灾是往往不能采用直接灭火方式，只能在完成上述步骤后进行远距离控制间接灭火，如地面注入惰气等。 第二节 矿井火灾对风流流动状态的影响 一、矿井火灾的火风压 （一）矿井自然风压和火风压的产生及其对通风系统的影响 矿井风流中，因热能和机械能的相互转换推动风流流动而做功的能量称为矿井通风能量，单位体积的风流所具有的自然通风能量称为自然风压。它与矿井通风机提供的机械风压联合作用作为通风动力，克服风流流经矿井和扩散器的阻力，以及扩散器出口的动力损失。风流流动过程中热能和机械能的转换是产生的自然风压的实质，风流密度和温度变化是热交换过程的结果。因此，常常根据热交换引起的风流密度变化来计算自然风压。夏天入风井风温高于回风井风温，入风井大气密度低于回风井大气密度，形成抵抗机械风压的自然风压；冬天入风井风温低于回风井风温，入风井大气密度高于回风井大气密度，形成辅助机械风压的自然风压，因此，在山区以及深井，自然风压的影响不能忽略。 （二）矿井自然风压和火风压对通风系统的影响。 矿井火灾时期，风流流动状态受到机械风压、自然风压和火风压的综合影响。矿井火灾对风流状态的影响即火风压的影响，表现为“节流效应”和“浮力效应”。由于火灾生成的燃烧产物和水蒸气加入引起的风流质量和体积流量的增加，以及气流温度变化的影响引起的风流体积流量的进一步增加，而出现的风流流动阻力增加的现象，称为节流效应。节流力即热阻力，由于其方向始终与风流方向相反，所以增大了风流流动阻力。火灾引起风流温度的增加，空气密度减少，使风流自行上浮流动的现象，称为浮力效应，浮力效应作用于有高差的巷道中。烟囱中热烟在没有其它外加动力情况下自动上升至大气就是因浮力效应作用所致。 过去，有人把矿井火灾对风流的影响，用火源处存在一风压随火风压动态变化的虚拟辅助通风机来表示。这种假设把火灾的影响视为单一热源的影响是不恰当的，忽略了火源产生的高温烟流流经火源下风侧各条巷道，并因风流逆转进入火源上风侧巷道所产生的多个火风压的影响，引起全矿通风系统风温及风量分布的变化。所以，矿井火灾的影响应视为其数量等于全矿井风网独立回路数中受烟流高温影响下的回路，其风压等于相应独立回路火风压的辅助通风机对通风系统的影响。通风网络理论中的独立回路即矿井风网划分回路时，该回路含有一条只存在于该回路而不存在于其它回路的分支（巷道），这条分支称为基准分支。独立回路数目等于风网中基准分支数（风网分支总数节点总数-1）。 二、火风压作用下的风流紊乱现象及其危害 （一）矿井风流的紊乱现象 矿井火灾产生的浮力和节流效应，引起矿井风流状态的紊乱变化。该变化可分为如下三类[21，37] 1、风流（烟流）逆转在浮力和节流效应共同作用下，反抗机械风压的影响，致使矿井某些巷道风流方向发生变化，称为风流逆转。逆转主要发生在其反向热风压大于正向机械风压的旁侧支路（主干风路是指从入风井经火源到回风井的通路，旁侧支路是指除主干风路外的其余支路）。 2、烟流逆退在浮力或节流效应分别作用下（取决于巷道倾角），加上巷道纵、横断面方向温度、压力梯度的影响，在着火巷火源上风侧，新鲜风流继续沿巷道底部供风的同时，烟流沿巷道顶部逆向流出。风流逆退可能发生在着火巷及其相连接的主干风路上。 3、烟流滚退在火源下风侧节流效应和巷道断面温度、压力梯度影响下，在新鲜风流沿巷道底部按原风向流入火源的同时，火源产生的烟流沿上风侧巷道顶部逆向回退并翻卷流向火源。在一定条件下，这种现象也可能发生在下风侧［6］。 逆转以同种流体单向流动为主，逆退是不同流体（烟流与新鲜风流）异向流动，滚退是在同一断面上，既有新风和烟流的异向流动，又有烟流翻卷引起的同种流体异向流动。滚退是逆退和逆转发生的先兆。 图6-6（a）分别显示了在平巷、上山和下山通风中，热效应作用力分布的变化。火源生成的高温烟流在浮力效应作用下升至巷道顶部，并向上、下风侧分别流动，其中，顺风向下风侧流动容易，逆风向上风侧回流较困难，由上浮力大小和下风侧节流效应及巷道特征决定。在烟流上升，并向主要下风侧消散时，在火源下部形成低压区，上风侧新鲜风沿巷道底部流入火源补充，在一定条件下，下风侧烟流也可能滚退流入火源。 如图6-6（b）风流经巷道A进入下山B和C。下山B着火，在火源上风侧出现滚退烟流，并随火势增强而出现烟流逆退，致使烟流进入巷道A和下山C。在一定条件下，下山C风流也出现逆转。这三种紊乱现象特征参见表6-2。 表6-2 矿井火灾时期风流紊乱现象 紊乱的形式 发生地点 发生原因 表象 逆转 主要出现在旁侧支路 旁侧支路中反向热风压＞其正向机械风压 烟流反原风流方向流动，一般全断面逆转 逆退 着火巷主干风路、上行、平巷通风；下行通风 火源下风侧节流效应、反向热风压巷道横断面温度、压力、梯度影响 火源上风侧同一巷道断面出现不同流体异向流动 滚退 着火巷火源上风侧少数可发生在下风侧 下风侧节流效应巷道横断面温度、压力梯度影响 火源上风侧（有时在下风侧）巷道断面既出现流体异向流动，又出现烟流反卷异向流动 图6-6 矿井火灾引起的风流紊乱 a-不同倾角巷道热力分布变化；b-火源附近风流紊乱状况示意图 （二）风流紊乱现象的危害 1、风量减少 巷道风量的减少，对于无瓦斯或瓦斯涌出量小的矿井，或许不至于构成威胁。但在瓦斯涌出量大的矿井，则可能形成爆炸性混合气体而存在爆炸隐患。特别是当爆炸性混合气体通过着火带时，很容易引起瓦斯爆炸。 2、风流逆转 风流逆转引起风流流动状态的紊乱，可能给人员撤退和救灾工作造成更大的困难，带来更大的危险。 （1）逆转风流携带大量有毒有害气体，蔓延至更大区域，甚至污染进风区域，扩大受灾范围，甚至威胁整个矿井。 （2风流逆转经历减风停风反风的过程。在减风和停风阶段，因风量剧减，风流中瓦斯浓度相对升高，并因风速减少，为瓦斯形成局部聚集创造了条件。在巷道中形成纵向和横向的局部瓦斯聚集带时，就具备了可能爆炸的条件。 （3风流逆转使火源下风侧富含挥发物的风流或局部瓦斯聚集带的污风再次进入着火带的可能性增大，从而增加了爆炸的可能性，这就是为什么在金属，非金属矿井火灾中，也会发生可燃气体爆炸的原因。 3、烟流逆退 烟流逆退对火源上风侧直接灭火人员造成直接威胁。由于烟流与进风混合再次进入火源，在一定条件，可能诱发瓦斯爆炸。烟流逆退致使烟流进入其他巷道，可能造成与风流逆转相似的结果。 4、烟流滚退 滚退现象导致火源上风侧烟流与新鲜风流掺混后，再逆流回火源，在一定条件下，可能诱发瓦斯爆炸。烟流滚退对火源上风侧从事直接灭火的人员也构成直接威胁。 由于烟流的逆退、回流现象与目前矿井火灾风流动态模拟中风流单向流动的假设不符，所以增加了矿井火灾风流动态模拟结果与实际状态的误差。美国矿业局20世纪90年代曾进行有关研究工作，应用美国海军部关于舰船防灭火研究中的盐水模拟实验，分析了不同密度的介质混合流动的规律、完善非稳定风流流动的数学模型并用于矿井火灾防治中，但至今未获得可用于实践的成果。 因此，在矿井火灾时期，维持风流流动状态，特别是风向的稳定性，是救灾工作的最重要的任务之一。下面分析矿井火灾产生的浮力效应热风压和节流效应在不同巷道对风流流动状态的影响。 三、不同巷道发生火灾对风流状态的影响 为简化分析，使读者容易理解，这里仅作定性分析，研究浮力、节流力和机械动力在平巷、上山和下山对风流流向的作用后果。分析依据以下四原则①浮力方向始终向上；②节流力始终与风向相反；③一般情况下，浮力远大于节流力；④机械动力方向不变。 1、水平巷道火灾 水平巷道发生火灾时是否存在火风压应该说由于高温风流导致的气体膨胀产生风流流动的新阻力－热阻力，又称节流阻力。发生在水平巷道的火灾，若忽略相邻倾斜巷道的温度变化影响，一般认为，只存在节流作用，浮力效应的影响可忽略，节流作用增大风流流动的阻力，其结果导致着火巷风量减少。资料记载，风量减少量可达30％［7，8］。节流效应与燃烧规模和风速大小有关。当燃烧规模小于250～500kg木材时，或风速小于1m/s，节流效应不明显，当规模超过4500kg木材时，将出现明显的节流效应。在平巷火灾情况下，着火巷及与之串联的巷道不会发生风流逆转，但两条并联平巷间的角联巷的风向可能逆转。 图6-7 在浮力、节流力作用下巷道风向的变化 2、上行通风巷道火灾 发生在上行通风巷道的火灾产生浮力和节流两种效应。如图6-7（a）所示，由于浮力效应的增风作用大于节流效应的减风影响，使上山风量增加。若燃料足够，风量增加将提高供氧量，增强火势，使热风压的作用更强。因此，上山火灾风向一般不会发生逆转，伴随着上山风量的增加，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。若需保持相邻并联巷风流稳定，需在发火巷的进风侧加大风阻，用以减少着火带的供氧量和控制火势；或者增大并联巷通风压力，如增大通风机风压，或减少与并联巷串联的进回风巷压力，从而增加通风机风压分配到并联巷的数量。图6-8显示一个倾角为72，长80m上山底部有200kg坑木燃烧时该巷风量Q和风压pmv随时间的变化［9］。 图6-8 上山风量和风压随时间的变化 3、下行通风巷道火灾 如图6-7（b）所示，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。在风量减少情况下，供氧量减少，火势减弱，从而削弱火灾产生的节流和上浮效应，又出现增加风量的趋势。如同6-7c所示，在风流反向情况下，下行风流变为上行。反向时期，风量一般远小于正常下行风量，因为这时的风流上行与正常的上行风巷情况不同，其浮力效应须克服通风机在该巷作用的风压和节流效应的影响。反向风量小，导致火势减小，使其产生的浮力效应不足以克服通风机风压和节流效应的影响，而引起风流再次反向下行。这种风流流量和流向的频繁变化，在下行通风的巷道着火时，时有发生，除非下行通风巷道标高差小，或燃料不足，或该巷道风压很大，否则，这种现象是很显著的，常造成风流流量甚至流向的剧烈波动。图6-9（a）显示倾角为72，长80m下山通风巷道发生中小型火灾时的实测的风流状态变化的波动状况［9］。因此，下山发生火灾，风向很可能逆转，而且可能出现风向频繁变化的情况，这是救灾时需特别注意的。是否能保持持续的风流逆转后的方向，取决于以下几种因素。 （1）火源在下山位置的影响在火源两侧应具有足够的标高差，在竖井或斜巷底部发生火灾因生成热烟流直接导入底部平巷，不足以在该下行风巷立即产生足够自然风压火风压引起全井巷风流逆转，往往通过与着火井巷相连的联络巷逐步分阶段的发生风流逆转。在顶部发生火灾则因下山充满炽热烟流，易使风流逆转上行，因此，在竖井和斜巷顶部发生火灾比底部更容易引起下山风流逆转。但是，竖井和斜巷顶部发生火灾风流逆转后，往往不能产生足够的自然风压维持风流逆转，因为风流逆转后，新鲜风上行，生成热烟流直接导入顶部平巷，在该下行风巷也不能产生足够的自然风压火风压克服通风压力，风流可能又反向恢复向下流动的原来方向。 （2）烟流中氧浓度的影响烟流中，特别是在火势很大的火源下风侧烟流中的氧浓度远低于新鲜空气。在火势大的火灾引起风向逆转的情况下，火源的进风为氧浓度低的回流烟流所替代，必然使火势减弱。若向火源回流的氧浓度低的烟流段足够长，将在较长期间减小火源产生的火风压，使之不足以克服通风压力，因而不可能保持这种风流逆转状态。 （3）原有通风风压的影响若下行通风巷道风压较低，火势发展迅速，使下行风速减小、停滞和反转，则可能保持持续的风流逆转状态。图6-9（b）显示与6-9（a）相同的下山，发生火势发展迅速的火灾对风流状态变化的影响，其风流逆转状态比较稳定[9]。 （4）火势大小的影响发生在下行通风巷道的火源火势大，如图6-7（c）所示，致使浮力作用（4）大于机械动力（2）和节流力（3）的共同作用，所以风向逆转后不易发生再反向。 图6-9（a）下山发生中小型火灾风量和风压随时间的变化 图6-9 （b） 下山火势发展迅速时风量和风压的关系 （5）掺入新鲜风流的影响当火灾持续时间较长时，从被破坏的压风管道渗出的压风或来自其他巷道的风流在火源原下风侧与逆转风流混合，增加逆流进入火源风流的氧浓度，产生较大的火风压，则可能维持风流逆转状态。图6-10进行了有无新鲜风流渗入情况的对比。a无新鲜风流渗入。b流量为6m3/min的新鲜风流在火源原下风侧与烟流混合。 图6-10 下山火灾时有无新鲜风流掺入时的风量变化 （a）烟流尚未与新鲜风混合；（b）烟流已与新鲜风混合 上述分析提供了在救灾工作中，分析风流流动状态和维持风流逆转状态的措施。另外，要稳定下行风巷风流流向，防止风流逆转，可以采用增加该巷通风压力的措施，即增加风机风压，或在并联的下行风巷增阻，但在瓦斯涌出量大矿井应慎用，因下行通风火灾风量本身就要减少，并联巷采取增阻措施，其风量进一步减少，增大瓦斯浓度。另外，虽然增阻措施使着火巷风量有所增加，但很可能仍然比着火巷火灾前的风量还低，仍然存在瓦斯积聚的可能性。 由于下行通风巷道着火产生的上浮和节流效应均与矿井通风压力的作用方向相反减少了风量和供氧量，所以，下行通风巷道的火势一般不如上行通风巷道发展的强劲。 第三节 矿井火灾隐患侦知及预警技术 一、气样可靠性判断 正确的火源状态判定主要取决于可靠的气样采集和正确的分析，下面将较详细地讨论在气样采集，分析过程中会导致错误结论的种种现象和相应的防止方法，供救灾决策人员分析、判断火区燃烧状况时参考。 （一）浓度变化趋势分析 对气样浓度数值与已确立的浓度变化趋势不相符的气样应舍弃。一般说来，只要不发生环境的剧烈变化，如爆炸、巷道严重垮塌、防火墙被破坏造成积水或空气的流入流出，或大气压力急剧变化引起大量新鲜空气或CO2，CH4流入等，那么，火区气体组分变化是和缓平滑的。由于气体浓度以及它们之间浓度变化的比值呈指数变化的形式，所以，检测数据或比值最好画在对数x、y轴均采用对数坐标或半对数只有x或y轴采用对数坐标坐标图上，使相关关系变为直线，便于分析和推测发展趋势。在条件变化不大的情况下，根据作出的直线可以合理估计已发生的情况并预测将可能出现的现象。若用通常的非对数坐标作图，对于火情和发展趋势的分析就会困难得多。 （二）特里克特比率Tr 特里克特比率（琼斯-特里克特比率）Tr是一种剔除无效气样，避免错误判断的有力工具。它主要根据火灾生成气体的浓度之间有一定的相互依存比例来确定的。当比例不正常时，意味着气样受到某种干扰而无效。当气样的Tr超过1.6时，该气样应不予考虑。若火灾的主要燃料是煤，Tr大于1的气样就值得怀疑。例如，在一次矿井火灾实例中，主要通风机排风处取得的气样含有CO2 0.86％，CO 1.26％，H2 1.53％，CH4 0.94％，O2 19.8％，N2Ar 75.6，并未分析气样可靠性就据此决定撤走直接灭火人员。若以下列Tr的定义式（6-1）来检验气样的可靠性 对于本例Tr0.860.751.26-0.251.53/0.26575.6-19.816.4,因Tr值远大于1.6，所以该气样不可靠，不应