進(jìn)風(fēng)井筒火災(zāi)時(shí)風(fēng)流控制技術(shù)及其應(yīng)用

文 / 唐建華（湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

煤礦生產(chǎn)中，火災(zāi)是五大自然災(zāi)害之一。其中，進(jìn)風(fēng)井筒火災(zāi)危害特別嚴(yán)重，這類(lèi)火災(zāi)發(fā)展速度快，來(lái)勢(shì)兇猛，往往造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。1986年11月24日3時(shí)30分，棗礦集團(tuán)山家林煤礦-380m皮帶巷發(fā)生火災(zāi)，死亡24人，重傷2人，輕傷24人，燒毀5部皮帶運(yùn)輸機(jī)及其設(shè)備。1993年8月9日，貴州省某礦進(jìn)風(fēng)斜井井底車(chē)場(chǎng)內(nèi)的變電所發(fā)生火災(zāi)，同時(shí)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)斜井木支架起火。當(dāng)時(shí)回風(fēng)側(cè)27人中僅2人脫險(xiǎn)，25人遇難。在救災(zāi)過(guò)程中誤停主要通風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，又使救災(zāi)人員23人遇難，其中包括救護(hù)隊(duì)員1人、消防隊(duì)員3人、礦總工程師及安全科長(zhǎng)。2010年1月5日13時(shí)40分，湖南省湘潭市湘潭縣譚家山鎮(zhèn)立勝煤礦發(fā)生井下電纜起火，死亡34人，直接經(jīng)濟(jì)損失2962萬(wàn)元。2007年10月22日20時(shí)39分，湖南省長(zhǎng)沙礦業(yè)集團(tuán)五畝沖煤礦副井進(jìn)風(fēng)井筒發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)發(fā)展迅猛。在湖南省長(zhǎng)沙礦業(yè)集團(tuán)救護(hù)大隊(duì)全力搶救下，控制火災(zāi)范圍，避免了人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。本人從風(fēng)流控制的角度研究進(jìn)風(fēng)井火災(zāi)時(shí)風(fēng)流控制技術(shù)。通過(guò)長(zhǎng)沙礦業(yè)集團(tuán)五畝沖煤礦進(jìn)風(fēng)副井火災(zāi)事故，詳細(xì)闡述火災(zāi)時(shí)風(fēng)流控制技術(shù)，為其他礦井火災(zāi)時(shí)搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急救援提供技術(shù)借鑒。

1、五畝沖煤礦介紹

五畝沖煤礦隸屬于湖南省長(zhǎng)沙礦業(yè)集團(tuán)，為國(guó)有獨(dú)資煤炭開(kāi)采企業(yè)。該礦位于湖南省長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)市煤炭壩鎮(zhèn)境內(nèi)，距長(zhǎng)沙市區(qū)75km、寧鄉(xiāng)市區(qū)25km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力450kt/a，1989年礦井技術(shù)改造后生產(chǎn)能力提升為600 kt/a。該礦井開(kāi)拓方式為立井單水平上、下山開(kāi)拓。礦井通風(fēng)方式為中央邊界式、通風(fēng)方法為抽出式。礦井主要通風(fēng)機(jī)型號(hào)為G4-73-11No22D、電機(jī)功率為355kw、電機(jī)轉(zhuǎn)速為730r/min、風(fēng)壓為1360～2600Pa、風(fēng)量為40～90m3/s、反風(fēng)方式為風(fēng)道反風(fēng)。礦井進(jìn)風(fēng)井筒有主井、副井及箕斗井，回風(fēng)井筒為邊界風(fēng)井。礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如下：

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2、礦井風(fēng)壓及副井火災(zāi)時(shí)風(fēng)壓的變化

副井井筒內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隨著火勢(shì)的發(fā)展副井井筒內(nèi)空氣溫度不斷發(fā)生變化。副井井筒內(nèi)溫度增加時(shí)，副井至風(fēng)井的自然風(fēng)壓、主井至副井的自然風(fēng)壓、箕斗井至副井的自然風(fēng)壓均發(fā)生改變。

2.1主井、副井、箕斗井、風(fēng)井之間自然風(fēng)壓

（1）主井至風(fēng)井

（2）副井至風(fēng)井

（3）箕斗井至風(fēng)井

（4）主井至副井

（5）箕斗井至副井

（6）箕斗井至主井

式中：

Hn1、Hn2、Hn3、Hn4、Hn5、Hn6——主井至風(fēng)井、副井至風(fēng)井、箕斗井至風(fēng)井、主井至副井、箕斗井至風(fēng)井、箕斗井至主井自然風(fēng)壓，Pa

P01、P02、P03——主井、副井、箕斗井井口地面大氣壓，Pa；

H1、H2、H3——主井、副井、箕斗井垂直深度，m；

T1、T2、T3、T4、——主井、風(fēng)井、副井、箕斗井內(nèi)空氣的平均溫度K；

R——礦井空氣常數(shù)，287J/（Kg . K）

g——重力加速度，9.8m/s2；

2.2 副井發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)、回風(fēng)井筒之間自然風(fēng)壓

（1）副井至風(fēng)井

（2）主井至副井

（3）箕斗井至副井自然風(fēng)壓

式中： t——火災(zāi)時(shí)副井內(nèi)空氣的平均溫度，℃；

3、進(jìn)風(fēng)副井火災(zāi)時(shí)風(fēng)流流動(dòng)分析

3.1 火災(zāi)前風(fēng)流流動(dòng)

因主井、副井、箕斗井、風(fēng)井安裝設(shè)備的不同、分配風(fēng)量的差異以及風(fēng)流與圍巖熱交換等因素的影響，導(dǎo)致主井、副井、箕斗井、風(fēng)井等井筒內(nèi)空氣密度、溫度不同。從前面計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，主井至風(fēng)井自然風(fēng)壓75.29Pa，副井至風(fēng)井自然風(fēng)壓70.46Pa，箕斗井至風(fēng)井自然風(fēng)壓85.53Pa，主井至副井自然風(fēng)壓4.63Pa，箕斗井至副井自然風(fēng)壓15.13Pa，箕斗井至主井自然風(fēng)壓10.20Pa。主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓1960 Pa，風(fēng)量為70m3/s。在主要通風(fēng)機(jī)、自然風(fēng)壓、礦井通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施的作用下，礦井主井、副井、箕斗井的風(fēng)量分別為51.12 m3/s、16.88 m3/s、2.00 m3/s。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)量分配圖如下：

圖2 火災(zāi)前礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)量分配圖

3.2 火災(zāi)時(shí)風(fēng)流流動(dòng)

（1）主井至風(fēng)井的風(fēng)路上

（2）在副井至風(fēng)井的風(fēng)路上：

①當(dāng)副井為進(jìn)風(fēng)時(shí)，不妨令Q副〉0；

②當(dāng)副井為回風(fēng)時(shí)，不妨令Q副〈0；

③當(dāng)副井風(fēng)流停滯時(shí)，不妨令Q副=0；

式（1）減去式（2）得：

式（1）減去式（3） 得：

（1）式減去（4）式 得：

（3）把上述計(jì)算結(jié)果代入（5）、（6）、（7）式得：

①當(dāng)副井為進(jìn)風(fēng)時(shí)，即 Q副〉0；t〈15.43℃

②當(dāng)副井為回風(fēng)時(shí)，即Q副〈0；t〉15.43℃

③當(dāng)副井風(fēng)流停滯時(shí)，即 Q副=0；t=15.43℃

式（1）除式（2）得

式（1）除式（3）得

式（1）除式（4）得

式中：Hf——主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的相對(duì)全壓，Pa；

R主——主井風(fēng)阻，N·s2/m8；

R副——副井風(fēng)阻，N·s2/m8；

R′——除主井、副井、箕斗井外其他風(fēng)路總風(fēng)阻，N·s2/m8；

Q主——主井風(fēng)量，m3/s；

Q副——副井風(fēng)量，m3/s；

Q風(fēng)——風(fēng)井風(fēng)量，m3/s；

（5）火災(zāi)導(dǎo)致風(fēng)流紊亂

副井發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)產(chǎn)生的煙流沿著風(fēng)流迅速擴(kuò)散到礦井進(jìn)風(fēng)流中，波及全礦井的安全生產(chǎn)。隨著火勢(shì)的發(fā)展，副井及附近空氣密度、溫度等狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，造成礦井風(fēng)流紊亂。當(dāng)副井內(nèi)空氣溫度小于、等于或大于15.43℃時(shí)，副井內(nèi)的風(fēng)流將發(fā)生順流、停滯、逆流流動(dòng)。副井內(nèi)風(fēng)流順流、停滯、逆流等風(fēng)流紊亂現(xiàn)象與主要通風(fēng)機(jī)的全壓、火災(zāi)時(shí)主井至副井自然風(fēng)壓、副井至風(fēng)井自然風(fēng)壓、主井風(fēng)阻、副井風(fēng)阻等因素有關(guān)?；馂?zāi)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、火區(qū)位置圖如下。

圖3 火災(zāi)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)、火區(qū)位置示意圖

圖4 火災(zāi)時(shí)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)量分配圖

4火災(zāi)時(shí)礦井風(fēng)流控制措施

4.1 打開(kāi)-100m中央泵房及變電所回風(fēng)上山調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，形成短路風(fēng)流

當(dāng)副井井筒發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙流進(jìn)入礦井總進(jìn)風(fēng)巷道，大量有毒有害氣體與礦井進(jìn)風(fēng)風(fēng)流混合，再進(jìn)入礦井作業(yè)地點(diǎn)，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的安全。

火災(zāi)時(shí)，打開(kāi)-100m中央泵房及變電所回風(fēng)上山調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，形成短路風(fēng)流，主要作用如下:

（1）礦井通風(fēng)阻力減小，主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小，主要通風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量增大，礦井總進(jìn)風(fēng)量增大，主井、副井風(fēng)量增大，主井、副井通風(fēng)阻力增加?；馂?zāi)時(shí)，副井風(fēng)流流動(dòng)不易反向，有利于保障進(jìn)風(fēng)側(cè)搶險(xiǎn)救災(zāi)人員的安全。

（2）火災(zāi)產(chǎn)生的大部分有毒有害氣體直接進(jìn)入總回風(fēng)系統(tǒng)，從而大大降低礦井總進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流中有毒有害氣體的濃度，有利于保障礦井作業(yè)人員的安全。

（3）因風(fēng)流短路，井下其他用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量減小，礦井各作業(yè)地點(diǎn)CH4、CO2濃度逐漸增加，造成CH4、CO2濃度超限。為減少風(fēng)流短路的影響，打開(kāi)箕斗井調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，增加進(jìn)風(fēng)量；同時(shí)停止井下采、掘作業(yè)，減少CH4、CO2涌出量。

4.2 在主井設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)帳，增加主井通風(fēng)阻力

從上述計(jì)算可知，當(dāng)副井為進(jìn)風(fēng)時(shí)，即Q副〉0； ，增加R主即增加主井風(fēng)阻，有利于保持副井風(fēng)流穩(wěn)定。副井火災(zāi)時(shí)，在主井設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)帳，增加主井風(fēng)阻，主井風(fēng)量減少，副井風(fēng)量增加，副井產(chǎn)生的煙流量也會(huì)增加。為減少副井煙流量，可調(diào)節(jié)箕斗井風(fēng)量。增加箕斗井進(jìn)風(fēng)量，副井煙流量將減少。調(diào)節(jié)后，主井進(jìn)風(fēng)量減少，箕斗井進(jìn)風(fēng)量增加，副井產(chǎn)生的煙流主要部分由中央泵房回風(fēng)上山直接進(jìn)入總回風(fēng)巷，大大減少礦井主要進(jìn)風(fēng)巷有毒有害氣體的濃度。

4.3 在副井設(shè)置噴水設(shè)施，降低副井風(fēng)流溫度

副井火災(zāi)時(shí)，在副井設(shè)置噴水設(shè)施，降低副井風(fēng)流溫度。由公式（9）可知，當(dāng)副井風(fēng)流溫度t減小，減小。

由公式（8）可知：當(dāng)副井為進(jìn)風(fēng)時(shí)，即Q副〉0；減小即減小主井至副井自然風(fēng)壓，有利于保持副井風(fēng)流穩(wěn)定。

另外副井內(nèi)噴水，有利于熄滅火區(qū)，減少副井產(chǎn)生的煙流量。

4.4 在副井設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)帳，減少副井風(fēng)量

外因火災(zāi)發(fā)展速度快，來(lái)不及撲滅，井筒內(nèi)風(fēng)流溫度迅速上升，往往造成風(fēng)流反向。在副井設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)帳，減少副井風(fēng)量。副井風(fēng)量減小，副井內(nèi)空氣溫度上升，從前述計(jì)算式可知：增加，有利于副井風(fēng)流反向，火災(zāi)產(chǎn)生的煙流直接排至地面，達(dá)到局部反風(fēng)的效果；另一方面，減少副井風(fēng)量，有利于火區(qū)熄滅。但是，在火區(qū)熄滅的過(guò)程中，副井內(nèi)空氣溫度逐漸降低，減小，風(fēng)流又可能反向；打開(kāi)箕斗井調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，增加箕斗井風(fēng)量，有利于防止風(fēng)流再次反向。在副井設(shè)置風(fēng)帳時(shí)，同時(shí)，在副井內(nèi)安裝灑水噴霧裝置，加速火災(zāi)熄滅。

4.5 全礦性反風(fēng)

利用主要通風(fēng)機(jī)反風(fēng)設(shè)施進(jìn)行全礦性反風(fēng)，阻止煙流進(jìn)入采、掘工作面。全礦性反風(fēng)有短路反風(fēng)和礦井反風(fēng)，其中，短路反風(fēng)后風(fēng)流不進(jìn)入采、掘工作面，風(fēng)流經(jīng)風(fēng)井、主要進(jìn)風(fēng)大巷、井底車(chē)場(chǎng)直接短路回風(fēng)；礦井反風(fēng)利用全礦井反風(fēng)設(shè)施使全礦井風(fēng)流反向，反風(fēng)后，風(fēng)流進(jìn)入采、掘工作面。

短路反風(fēng)使井下采、掘工作面風(fēng)量大幅度減少，可能導(dǎo)致瓦斯積聚。礦井反風(fēng)使采、掘工作面仍有部分風(fēng)量，但是，必須有完善的、可靠的反風(fēng)風(fēng)門(mén)，否則，可能達(dá)不到反風(fēng)目的，造成風(fēng)流紊亂，增加人員撤退的難度。

五畝沖礦井是低瓦斯礦井，副發(fā)生火災(zāi)，宜采用短路反風(fēng)。打開(kāi)總進(jìn)風(fēng)與總回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)及中央泵房回風(fēng)上山調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，啟動(dòng)主要通風(fēng)機(jī)反風(fēng)設(shè)施，礦井抽出式通風(fēng)方法改為壓人式通風(fēng)方法，將副井火災(zāi)的煙流直接排至地面。人員從箕斗井撤至地面?！?/p>