【文章內(nèi)容簡介】 。 在上面 的表達式中， 為無量綱加熱準則數(shù)，可通過以下公式求得： tc eH0epsHcT?QsmA??? /J kg 式中， To——滯止溫度， K； cp——煙氣的等壓熱容， J/(mol. K)； s——單位質(zhì)量煙流在燃燒區(qū)內(nèi)的吸熱量， J/kg； —— 單位時間燃燒區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量， W； —— 燃燒區(qū)內(nèi)煙氣的質(zhì)量流量， kg/()； A—— 燃燒區(qū)巷道截面積， m2。 Q? m??②局部障礙阻力的計算公式為： 22212rhu???式中： hr ——局部繞流阻力， Pa； ζ ——局部障礙阻力系數(shù)； ρ2 ——巷道火區(qū)出口密度， kg/m3； μ2 ——火區(qū)出口速度， m/s。 ?③按照力的疊加原理，火區(qū)阻力可以表示為： 2 2 22 2 2 2 2 21 1 1 ()2 2 2fz t th c u u c u? ? ? ? ?? ? ? ?式中： 表示火區(qū)阻力 ， 單位為 Pa；其他各參數(shù)意義同本節(jié)前文 。 fZh?由于火區(qū)阻力直接影響巷道中風(fēng)量的大小，因此對火災(zāi)時期的風(fēng)網(wǎng)進行解算或應(yīng)用救災(zāi)決策軟件對火災(zāi)進行模擬計算時就應(yīng)考慮火區(qū)阻力對風(fēng)量的影響，上述計算火區(qū)阻力的公式就為其計算提供了方法。 ? 綜上所述，節(jié)流效應(yīng)是在礦井火災(zāi)發(fā)生時，巷道內(nèi)的氣體受熱膨脹，流動阻力增大而造成空氣質(zhì)量流量減少的現(xiàn)象。礦井火災(zāi)時期所產(chǎn)生的火區(qū)阻力就是產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)的原因。 （ 5）火區(qū)阻力的試驗研究 ?王德明教授利用中國礦業(yè)大學(xué)的火災(zāi)綜合模擬實驗系統(tǒng)開展了火區(qū)阻力的試驗研究。圖 111～圖 112分別是在兩種不同強度的點火源試驗條件下水平巷道燃燒實驗段中的通風(fēng)阻力及流量變化的測定結(jié)果。 圖 111 弱點火源水平分支的火區(qū)阻力及流量變化值 圖 112 強點火源 水平分支的火區(qū)阻力及流量變化值 ?火區(qū)阻力試驗得出的結(jié)論為 ： ①火區(qū)阻力與 火勢發(fā)展過程 有關(guān)。點火后，較短時間內(nèi)火區(qū)阻力隨火勢的發(fā)展迅速增大，進入巷道的風(fēng)量也明顯下降；當(dāng)火源穩(wěn)定后，火區(qū)阻力與風(fēng)量趨于穩(wěn)定。 ②火區(qū)阻力與 火源強度 有關(guān)。兩種不同強度點火源的試驗表明：火源強度越大，產(chǎn)生的火區(qū)阻力就越大，節(jié)流作用就越明顯。 ③火區(qū)阻力由熱阻力與火焰局部障礙阻力構(gòu)成，火焰的局部障礙阻力對火災(zāi)過程中的節(jié)流效應(yīng)起主導(dǎo)作用。 3）節(jié)流效應(yīng)的影響因素 ?（ 1）節(jié)流系數(shù) 定義節(jié)流系數(shù)為燃燒時火區(qū)入風(fēng)側(cè)風(fēng)流質(zhì)量流量與冷態(tài)時風(fēng)流質(zhì)量流量之比，則節(jié)流系數(shù) ? ?? ? ? ?2 2 22 2 20 2 , 02 2 , 0 2 , 00/ 1/ 12hcp T M T MTmMTp T M T Hem????? ? ? ?? ? 式中， He為無量綱加熱準則數(shù)； 為燃燒時火區(qū)入風(fēng)側(cè)風(fēng)流質(zhì)量流量； 為冷態(tài)時風(fēng)流質(zhì)量流量。 hm?cm?0TcsHep? 其中， 為單位質(zhì)量煙流在燃燒區(qū)內(nèi)的吸熱量， J/kg； T0為滯止溫度， K。 QsmA??? ?因為燃燒時產(chǎn)生熱量， s0，則 He0，由式得到節(jié)流系數(shù) 1，即燃燒時巷道風(fēng)流質(zhì)量流量小于正常通風(fēng)時期巷道的風(fēng)流質(zhì)量流量，巷道的入風(fēng)量減少了，產(chǎn)生了節(jié)流效應(yīng)。 ??節(jié)流系數(shù) 是標志巷道火災(zāi)過程中節(jié)流效應(yīng)是否發(fā)生及流量變化程度的量。節(jié)流系數(shù)越小，質(zhì)量流量減少就越多，節(jié)流效應(yīng)也就越明顯。 （ 2）節(jié)流效應(yīng)的影響因素 ?②初始滯止焓 將 ， 代入到式中，得到： 0TcsHep? 00 Tch p?)/21(1)/21(100 hsTcs p ????? 初始滯止焓 h0作為無因次加熱準則數(shù)的分母項，它與節(jié)流系數(shù)的變化趨勢是一致的。也就是說，在巷道燃燒區(qū)中釋放相同熱量的前提下，初始滯止焓較低，節(jié)流系數(shù)較小，即能產(chǎn)生更明顯的節(jié)流效應(yīng)。 燃燒規(guī)模（或燃燒釋熱速率）直接影響著燃燒區(qū)的放熱量。對于相同質(zhì)量流量的氣體，燃燒規(guī)模大則單位質(zhì)量氣體所受的加熱量也大，在進風(fēng)風(fēng)流的初始滯止焓 CpTo相同的情況下，無因次加熱數(shù) He也增大，則節(jié)流系數(shù)較小，節(jié)流效應(yīng)明顯。 ?①燃燒規(guī)模 ?初始滯止焓可以用下式表示： 22110uTchp ???對于一般實際礦井條件下巷道火災(zāi)燃燒區(qū)的進口參數(shù)來說， 0℃ 時空氣的平均定壓比熱 Cp= 103 J/（ ）， 100℃ 時為 103 J/（ ），隨溫度增大， Cp變化很小，巷道通風(fēng)風(fēng)速一般小于 10m/s，進風(fēng)流溫度一般在 0℃ ～ 30℃ 之間，經(jīng)過簡單計算可知， 。 可見，在實際礦井中初始滯止焓主要取決于進口截面 11的溫度值，進口宏觀動能可以忽略。因此，在不考慮風(fēng)流定壓比熱變化情況下，可以說進風(fēng)流的溫度影響節(jié)流系數(shù)，在燃燒區(qū)中釋放相同熱量條件下，巷道的入風(fēng)流初始溫度低，則初始滯止焓值小，節(jié)流系數(shù)就小，節(jié)流效應(yīng)就越明顯。反之，巷道入風(fēng)初始溫度高，節(jié)流效應(yīng)不明顯。 式中： T1 —— 進風(fēng)流溫度； —— 進風(fēng)流速度。 1u1Tcp 221u?③可燃物煙氣生成量 在熱阻力的推導(dǎo)過程中做了不計火災(zāi)產(chǎn)生煙氣的假定，對于實際的礦井火災(zāi)來說，火災(zāi)過程不僅是一個能量輸入的過程，也是一個質(zhì)量輸出的過程，各種可燃物的燃燒會產(chǎn)生大量煙氣。設(shè)可燃物的燃燒速率為 m3，火區(qū)入、回風(fēng)側(cè)的風(fēng)流質(zhì)量流量為 m m2，由質(zhì)量守恒定律得 = — 2.m3.?可知， = ，若設(shè) 保持不變， 則煙氣的產(chǎn)生更加削弱了巷道的入風(fēng)量，導(dǎo)致節(jié)流系數(shù)趨于更小。 2.m1.mhm?第二節(jié) 風(fēng)流紊亂的發(fā)生條件 ?一、上行通風(fēng)時的旁側(cè)支路風(fēng)流逆轉(zhuǎn)條件 旁側(cè)支路風(fēng)流的逆轉(zhuǎn)主要是由于在上行風(fēng)路中產(chǎn)生了較大的局部火風(fēng)壓 。 如圖 21所示的簡化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)火災(zāi)發(fā)生在采區(qū)的上山內(nèi)即上行風(fēng)路 a1中，此時主干風(fēng)路 1－ 2－ A－ 3－F－ 4－ B－ 5－ 6的風(fēng)向一般保持原來的方向不變，而旁側(cè)支路 a b、 c2則可能會發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn) 。 圖 21 上行風(fēng)流中發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)網(wǎng)示意圖 ?為了考察旁側(cè)支路的風(fēng)向變化規(guī)律，我們?nèi)稳∫粭l b支路作為考察對象。以 b支路為界將整個通風(fēng)系統(tǒng)劃分為內(nèi)部分系統(tǒng)（ i）和外部分系統(tǒng)（ O）兩個部分。把連接進出風(fēng)井口的大氣看作一個風(fēng)阻為零的支路，于是可將圖 21在形式上變成如圖 22所示的封閉回路系統(tǒng)。此外，再以 hi代表在內(nèi)部分系統(tǒng)中出現(xiàn)的局部火風(fēng)壓 hF1和 hF2之和； ho代表在外部分系統(tǒng)中出現(xiàn)的火風(fēng)壓 hF3和 hF4和主通風(fēng)機風(fēng)壓 hf 之和； Ri和 Ro分別代表內(nèi)部與外部分系統(tǒng)的合成風(fēng)阻 ； Qi和 Qo分別代表內(nèi)部與外部分系統(tǒng)的風(fēng)量； Rl和 Ql分別代表風(fēng)向待定的風(fēng)阻與風(fēng)量。 ?這樣便可將圖 22所示的通風(fēng)系統(tǒng)封閉回路圖轉(zhuǎn)化為圖 23所示的簡化封閉回路圖。 圖 22 通風(fēng)系統(tǒng)封閉回路圖 圖 23 通風(fēng)系統(tǒng)簡化封閉回路圖 ?從圖 23中可以看出，由于內(nèi)部分系統(tǒng)的風(fēng)壓 hi 的作用，旁側(cè)支路 b的風(fēng)流從節(jié)點 B流向 A，而外部分系統(tǒng)的風(fēng)壓 ho 則使其風(fēng)流從節(jié)點 A流向 B。 ?（ 1）若 b支路的風(fēng)流保持原來的方向 A → B， 則沿 閉合回路 c－ A－ b－ B可列出風(fēng)壓方程如下： 22022 ll QRQRh ??同樣情況下，沿閉合回路 c－ A－ a－ B可列出風(fēng)壓方程為 ： 22022 iii QRQRhh ???由 [（ 22）－（ 21） ]/（ 21）可得： 2002220220 0 QRQRQRQRQRQRhh iilllliii ????因為 所以 故有 li Q ??0i ?000 RRhh ii ?這就是旁側(cè)支路 b風(fēng)流保持原有方向的條件式。 ?（ 2）同理可以導(dǎo)出旁側(cè)支路 b風(fēng)流停滯的條件式為： 00 RRhh ii ??（ 3）同理可以導(dǎo)出旁測支路 b風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的條件式為 ： 00 RRhh ii ?分析以上得到的條件關(guān)系式，可得出以下結(jié)論 ： ?①如果火災(zāi)發(fā)生后未能有效控制火勢的發(fā)展，將釋放出大量的熱量并伴隨高溫火煙生成，而這又可能導(dǎo)致在上行風(fēng)路的內(nèi)部分系統(tǒng)產(chǎn)生較大的局部火風(fēng)壓（ hi ），當(dāng) hi 值較大時，使得條件 式 25得到滿足，從而使旁側(cè)支路風(fēng)流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，高溫火煙隨之侵襲位于旁側(cè)支路中的采區(qū)或工作面。 ?②為了控制火勢的發(fā)展，在可行的條件下，可能會考慮采取停止主通風(fēng)機運轉(zhuǎn)的措施。其實一旦停止主通風(fēng)機運轉(zhuǎn)，外部分系統(tǒng)火風(fēng)壓和主通風(fēng)機風(fēng)壓之和（ ho）將可能大大降低，甚至趨近于零，顯然 條件式 25就更容易得到滿足，從而出現(xiàn)旁側(cè)支路的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。所以在礦井發(fā)生火災(zāi)的情況下，一般情況下不能停止主通風(fēng)機運行，也不允許放下主通風(fēng)機閘門。 ?③為了控制火勢的發(fā)展，截斷向火源的供風(fēng)，通常是在火源的上風(fēng)頭構(gòu)筑臨時密閉或張掛風(fēng)簾。這樣不僅控制了供風(fēng)，抑止燃燒，而且還能夠增大內(nèi)部系統(tǒng)的合成風(fēng)阻（ Ri），使條件式 23得到滿足，從而起到穩(wěn)定風(fēng)流方向的作用，防止風(fēng)流紊亂的發(fā)生和煙侵事故的擴大。 ?④外部分系統(tǒng)的合成風(fēng)阻（ R0）不僅包括回風(fēng)區(qū)域的風(fēng)阻，而且包括一部分進風(fēng)和內(nèi)部分系統(tǒng)相并聯(lián)的風(fēng)路（如 C2）的風(fēng)阻，其中回風(fēng)區(qū)域的風(fēng)阻對 R0值起決定性的作用。由于運輸、提升的需要，在進風(fēng)系統(tǒng)井巷的日常管理中，要求其維護狀況良好，并保持相當(dāng)大的斷面，所以其風(fēng)阻值是較小的。而在回風(fēng)系統(tǒng)的井巷中，局部阻礙物一般比較多且維護條件較差，故通常風(fēng)阻較大。由于以上原因， R0值一般較高，容易滿足條件式 25，造成旁側(cè)支路風(fēng)流紊亂，使煙侵區(qū)域擴大。 二、下行通風(fēng)時的主干風(fēng)路風(fēng)流逆轉(zhuǎn) ?下行風(fēng)流中發(fā)生火災(zāi)時，火風(fēng)壓的方向與主通風(fēng)機風(fēng)壓作用的方向相反，井下風(fēng)流紊亂的情況與上行風(fēng)流發(fā)生火災(zāi)的情況具有本質(zhì)的差別。 ?如圖 24所示的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)支路 a是內(nèi)部分系統(tǒng)， b是旁側(cè)支路，c是外部分系統(tǒng)。 h0為外部分系統(tǒng)風(fēng)壓， hi為內(nèi)部分系統(tǒng)的火風(fēng)壓，hl為旁側(cè)支路內(nèi)的火風(fēng)壓。各支路（ a、 b、 c）的風(fēng)流方向是由 h0、hi、 hl三個量所決定的。顯然， h0、 hi、 hl三者之中最大者（ hmax）所在支路的風(fēng)流具有固定方向且與最大風(fēng)壓（ hmax） 的作用方向相同；三者中的最小者（ hmin）所在的支路的風(fēng)流方向也具有固定方向但與最小風(fēng)壓（ hmin）的作用方向相反；而中值風(fēng)壓（ hm）所在支路的風(fēng)流方向則是不定的，可能保持原有的方向，也可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)。 圖 24 下行風(fēng)流發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)網(wǎng)示意圖 ?如圖 24所示的情形，要使風(fēng)流保持原有的方向（即發(fā)火前的方向），只有當(dāng) h0大于 hi和 hl時才有可能。若 hi和 hl中任何一個大于 h0，而另一個小于 h0時，外部分系統(tǒng)的風(fēng)流便可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)；若 hi和 hl均大于 h0時，則外部分系統(tǒng)的風(fēng)流肯定要發(fā)生逆轉(zhuǎn)。 ?一般來說，下行風(fēng)流中發(fā)生火災(zāi)時，將有可能出現(xiàn)以下三種情況： ?1）第一種情況（ h0hihl或 h0 hl hi） 圖 25 當(dāng) h0hihl或 h0 hl hi時，可能的風(fēng)流方向示意圖 在這種情況下，風(fēng)流的流動方向存在兩種可能，如圖 25 (b)和 (c)所示： ?（ 1）火災(zāi)雖然已經(jīng)發(fā)生，但是 b支路沒有高溫火煙流過，即局部火風(fēng)壓（ hl）為零，此時各支路的風(fēng)流仍然保持原有的流動方向，如圖 25a所示。此時有如下關(guān)系式： 00i l lQ Q Q Q Q? ? ? ?， 0l i lh h h? ? ?， 對閉合回路 c－ b和 c－ a分別列出風(fēng)壓方程： 220 0 0 llh R Q R Q??220 0 0 0()i i lh h R Q R Q Q? ? ? ?（ 26） （ 27） 由（ 26） /[（ 26）－（ 27） ]得： 220 0 0220()lli l l i lh R Q R Qh R Q R Q Q?????將小值 Ql替換為大值 Q0，則得不等式如下： 2 2 20 0 02 2 2()()l l l l li l l i l l l lh R Q R Q R R Qh R Q R Q Q R Q??????（ 28） 由此可得保持支路 a