第三节 矿井火灾时期的风流控制

矿井火灾时期的风流状态模拟的目的是正确的控制风流，以保证井下人员的安全撤离及救灾人员的安全工作，防止火灾事故的扩大，并有利于灭火工作的进行。

矿井火灾时期通风系统风流的控制的实质是：确定应施加于通风系统的各种控制的方式,位置和数量，以使通风系统的风流状态由某个已知的初态，在一定的时间内转移到所希望的某种状态。这属于控制论中的大系统最优控制问题。这一课题比火灾通风模拟更加复杂，目前仍处于研究初级阶段。本节仅以对火灾通风模拟结果分析的角度，简述火灾时期风流控制的一些基本问题。

一、 火灾时期受灾区域的确定

矿井发生火灾后，矿井各部分的风流都将不同程度的受到影响，但通常所说的受灾区域主要是指火灾和烟流蔓延所及的区域。

火灾时期风流控制的一条重要原则就是尽量减少受灾区域的范围。

在实际发生火灾的矿井，目前一般是通过人员的实地侦查和监测系统的检测来确定受灾区域，这样往往只能是被动的了解已发生的情况。

当采用计算机对火灾时期的通风状态进行动态模拟时，可以迅速模拟得到火灾发生后不同时刻烟流在通风望网络中的蔓延状态。结合图形显示输出，在通风系统图或网络图上采用不同颜色和线型可以表示出不同的烟流程度。这样可以直观的看出矿井的受灾区域。通过数值模拟还可以对烟流蔓延的趋势作出超前估计。这对于正确选择遇险人员的撤离路线是非常重要的。

在矿井发生火灾后，针对具体情况，通过采取风流短路，局部减风或反风，防止角联分支风流反向，全矿反风等措施，疏导烟流和改变烟流蔓延路径，可以缩小烟流的蔓延范围，减少受灾区域范围或降低烟流蔓延的速度，为救灾赢得时间。

二 火灾时期风流控制的基本要求和原则

1 火灾时期风流控制的基本要求

（1）保证矿井受灾区域内人员的安全撤离；

（2）防止火灾的扩大，尽可能限制烟流在通风网络中的蔓延范围；

（3）避免火灾气体或瓦斯达到爆炸危险的浓度；

（4）有利于灭火和减少灾害损失。

2 火灾时期风流控制的一般原则

（1）在火情不明或一时难于确定较好风流控制措施时，应首先保证矿井的正常通风，稳定风流方向，切忌随意调控风流；

（2）发生火灾的分支，在确保可燃气体，瓦斯和煤尘不发生爆炸的前提下，应尽可能减少供风，以减弱火势和有利于灭火和封闭火区；

（3）处于火源下风侧，并连接着工作地点或进风系统的角联分支，应保证其风向与烟流流向相反，以防烟流蔓延范围扩大；

（4）处于烟流路线上，直接与总回风相连的风量调节分支，应打开其调节风门使风流段度，直接将烟流导入总回风中；

（5）在矿井进风系统中发生火灾时，应进行全矿性反风。这时通风网络中的调节设施应根据反风后的实际系统状况而定；

（6）在高瓦斯矿井和具有煤尘爆炸危险的矿井，应保证烟流流经的路线上具有足够的风量，避免形成爆炸条件；

（7）在选择风流控制措施时，主要应考虑打开和设置风门，风窗和密闭墙等，并且一般不宜设在高温烟流流经的井巷内；必要时也可以停开或调节矿井主通风机，但必须十分谨慎；

（8）对采取各种风流控制措施后可能出现的各种后果要全面考虑，如果可能，应对各种措施的实施效果事先用计算机进行数值模拟。

三 火灾时期风流控制措施的效果模拟

矿井火灾时期所采取的各种风流控制措施一般可以归结为对网络分支的增阻，减阻，改变通风网络结构和改变风机的性能曲线。

在使用火灾通风模拟软件进行火灾通风的动态模拟时，通过随时修改网络数据中相应分支的风阻使和改变网络结构及风机特性曲线，就可以模拟出采取这些措施后的风流状态，从而可以对这些措施的效果进行分析。

修改网络数据可以采用人机对话的方式逐个输入，也可以采用数据文件的方式快速输入。修改网络数据后的通风模拟解算应以采取这些措施之前的风流状态为初始状态。

第 四 节 火灾通风模拟软件和计算示例

矿井火灾通风模拟软件是一个复杂而庞大的软件。这种软件的编制不仅需要熟悉矿井火灾通风数学模型，而且需要较高的计算机软件编制技巧。一套成熟的矿井火灾通风模拟软件的编制需要投入很多人力、物力，源程序代码一般达数万条甚至几十万条。因此软件一般都是以编译成可执行代码的商品化软件的形式出现。一般通风技术人员不必对其编制的技术细节作过多的探究，而主要应重于运用这些软件解决实际问题，熟悉软件的使用方法，对模拟解算的输出结果进行分析。

矿井火灾通风模拟需要较多的原始数据，包括与正常通风网络解算相同的网络数据和风机特性数据，井巷围岩热物理参数、节点标高数据、火源特性参数、通风系统图形文件等。这些数据的格式和输入方法在软件的使用说明书中都会有说明。模拟解算所得到的结果的数

据量也很大，它们的输出格式和意义也会在使用说明书中详细说明。

目前国内外很多单位都在研究开发矿井火灾通风模拟软件。现在较成熟的有美国密之安技术大学的MFIRE、我国西安矿业学院的CFIRE和淮南矿业学院的FIRES等。

下面主要介绍淮南矿业学院研究开发的FIRES软件的使用方法，以及使用FIRES软件模拟矿井火灾发展过程的示例。

一 、FIRES软件的使用方法

FIRES软件具有良好的用户界面，采用汉字菜单命令方式选择各种功能用汉字显示各种提示信息，解算所需的各种原始数据都采用数据文件方式输入；软件本身配有一个全屏幕/表格式数据文件编辑器和风机曲线与火源特性曲线的图形输入子系统。该软件具有正常通风通风网络解算、正常通风热计算、火灾通风稳态模拟、火灾通风动态模拟、避灾路线的选择等功能。FIRES软件在火灾模拟过程中，可以在屏幕上显示矿井通风网路图，并在网路图上用不同颜色和宽度线条动态的标示火灾烟流的蔓延范围和风向变化情况，并可以随时在图上标注风量、风压、风速、温度、烟流浓度等数据，以及随时绘出各分支的温度和烟流浓度的沿程变化曲线等。通风网路图采用淮南矿业学院开发的MVCAD软件进行绘制。模拟解算的结果可随时以文件方式存入磁盘。

进行矿井火灾通风模拟一般需要一下6个数据文件，下面简述各数据文件的内容和格式。

1、 网络基础数据文件

1） 数据格式

I RNAM RTYP RSHP J1 J2 a L S R Q

……(N行)

参数说明

1支名称（17个字符）；

RTYP——分支类型：1——一般分支；2——伪分支；3——风机分支

RSHP——分支断面形状；1——圆形；2——半圆形；3——三心拱；4——梯形；5——；已知风阻；6——固定风量；

J1 ——分支始节点；

J2 ——分支末节点；

α——阻力系数

L——分支长度，m

S——分支断面积，㎡

R——分支风阻，

Q——分支需风量

风机特性数据文件

1） 数据格式

NFN

NCP NCN FBR FNAM

QF HF

……(NCP行)

QF NF

……(NCN行)

…………（NFN台风机）

2） 参数说明

NFN——风机台数；

NCP——风机的H—Q曲线特征点数

NCN——风机的N—Q 曲线特征点数

FBR——风机所在分支号

FNAM——风机型号等说明文字

QF——风机特性点风量

HF——风机特性点风压

NF——风机特性点功率

2、 网络分支热参数数据文件

1） 数据格式

αAV LAV SAV CONAV DIFAV

I CON DIF QH WT

……(N行)

2） 参数说明

Αav ——阻力系数缺省值，缺省值是指当某个参数没有正常赋值时，自动赋给该参数

值；

LAV ——分支长度缺省值，

SAV ——分支断面缺省值；

CONAV ——分支围岩导热系数缺省值；

DIFAV ——分支围岩导温系数缺省值；

I ——分支序号；

CON ——分支I的围岩导热系数；

DIF —— 分支I的围岩导温系数；

QH ——分支I中每米巷道生热率；

WT ——分支I中每米巷道水份蒸发率；

4、 网络节点参数数据文件

1) 数据格式

NSUR TSUR PSUR VT

NJN ZC TC GR

I ZJ TRJ

……(NJN行)

3） 参数说明

NSUR ——地面大气节点号；

TSUR ——地面节点空气温度；

PSUR ——地面节点大气压力；

VT ——矿井总通风时间；

NJN ——网络节点数；

ZC ——恒温带深度；

TC ——恒温带温度；

GR ——围岩增温率，当GR＞0时不必输入节点原始围岩温度，而是通过节点标高和增

温率自动计算；

I ——节点编号；

ZJ —— 节点标高；

TRJ ——节点原始岩温，当GR＞0时不必输入；

5、火源特性曲线数据文件

1）数据格式

NFR

NCT NCF FB FP FV

TIME TF

… … (NCT行)

TIME FM

… … (NCF行)

………… （NFR个火源）

3） 参数说明

NPR ——火源个数；

NCT ——火源TF—t曲线特征点个数；

NCF ——火源FM—t曲线特征点个数；

FB ——火源所在分支号；

FP ——火源离所在分支始节点距离；

FV ——火源向前传播速度；

TF ——火源温度；

FM ——火源烟流浓度；

TIME ——火源发生后时间；

6、 网络数据修改进程文件

1） 数据格式

TIME NB F

I RTYP RSHP J1 J2 R WT

…… (NB行)

………………（任意多组）

2） 参数说明

TIME ——进行数据修改时间，min;

NB ——在TIME时刻要作修改的分支数；

F —— 修改风机特性曲线的标志，F=1时读入新风机特性文件；

其余参数与网络基础数据文件相同，当参数≤0时表示不修改该参数。

通过修改分支的风阻值，可以模拟增阻或减阻控风措施；读入新的风机特性曲线可以模拟风机调节效果；通过改变分支类型 可以决定是否听开风机；通过改变分支的始末节点可以改变网络结构；通过输入每米巷道水分蒸发率可以模拟喷水灭火降温的效果等。

二 、火灾通风模拟示例

图8-5是一个多水平矿井的通风网络图，该图及部分原始数据取自文献［45］。该网络有55条分支，36个节点，1台主通风机和1台井下辅助通风机，以下的火灾模拟过程纯属假设，并不是对实际火灾的模拟

按前述格式准备好火灾通风模拟所需的数据文件。

假设火灾发生在分支18中离始节点10m处。该分支为一回风立井，火源特性曲线如图8-3。从发生火灾时刻开始，以1min为时间步长，模拟矿井通风网络中风流温度、烟流浓度及风量等参数的动态变化过程，并模拟采取各种控风措施的效果。

1、 火灾通风模拟结果

为了清楚的看出各种参数的动态变化规律，将模拟得到的有关分支的风流质量流量、节点风温和烟流浓度随时变化的曲线绘出。

图8-6（a）和(b)是通风网络中受火灾影响较大的一些分支：6、14、18、20、22、23、25、26和48中质量流量随时间变化的曲线。

图8-7（a）和(b)分别是火源及模拟得到的节点18、19和20中烟流浓度和风流温度随时间变化的曲线。

图（a）、(b) 和(c)是模拟得到的通风网络中烟流流经的其余节点的烟流浓度随时间的变化曲线。

2、 火灾通风模拟结果分析

火灾发生后，火源温度迅速升高，在最初5min内，火源温度升高至1000℃，火源分支18及其同一路线上的分支14、23、25、26和48等分支的质量流量都会有不同程度的增加，而且越接近火源的分支风量增加越明显，而与火源并联的分支6沿线、20和22的风量则减少。至5min时，烟流已蔓延至分支21中，分支20和22的风量已处于反风的临界状态。

在5min时，分支11和23中的风门在人员撤离时为阻止烟流蔓延而关上，但风门不是很严密。在分支11和23加阻后，导致火源分支18及其沿线分支的风量急剧降低，分支14和22中的风流很快即已反向，而分支6和20中的风量增加，风流由分支20→21→22→15进入火源，烟流也经22进入14和15分支，将威胁工作面17和东翼进风分支13。在15→16→18→19→21→22路线上形成循环回路。

由于烟流流经22立井时，在其中产生与火源分支18方向相反的“火风压”

因而使分支18的风量继续减少，至9min时，分支18及沿线的风量已发生反向。如不采取措施，烟流将沿15和14分支流入东翼，工作面17也受到火灾的直接威胁。节点19、20、21及后续各节点，由于火源风流反向及分支20的新鲜风流的增加，而出现烟流浓度的下降，在烟流浓度变化曲线上出现一个大的波峰。

在10min时，停开分支6中的辅助通风机。之后，分支14、18沿线的风量迅速回升，风向恢复正常；分支20和6沿线的风量迅速减少，很快发生风流反向，烟流将可能沿分支20流入分支10， 对工作面9及西翼进风分支35构成威胁。

在12min时，在分支10和分支14中构筑临时风门，以减少流入火源的风量和防止烟流进入分支10。采取这些措施后，分支6沿线的风流恢复正常风向，流入火源分支18的风量减少，达到了预期目的。但分支22中的风向仍处于反向状态，烟源已开始进入分支15。

在15min时，派救护队员进入分支11将其中的风门打开，以疏导烟流；并派救护队员进入分支15，在其中安设临时风门，阻止烟流进入工作面17，并进一步减少火源风量。采取这些措施后，分支22的风向逐渐恢复正常，并保持稳定，火源分支18的风量也有所减少。

至此，各分支的风向都已按要求得到控制，风量基本稳定；火源也已得到控制，火势逐渐减弱。烟流经节点19→20→21→22→23→32→12→34→36两条路线排出地面。各烟流流经节点烟流浓度随时间变化的动态过程见图8-8.

3、 本示例反映出的某些一般规律

（1） 烟流温度沿程衰减较快；如在12min时，火源温度约1000℃，而距火源约85m的节点18的温度约为400℃，距节点18约180m的节点19处的温度降至约50℃，而距节点19约170m的节点20的温度的变化已不很明显，见图8-7（b）

（2） 烟流浓度的蔓延受风流状态变化的影响较大，而且烟流浓度沿程分布具有延时现象，即在分支始节点出现烟流峰而需延迟一段时间才能到达末节点。因此在远离火源的地点烟流浓度的变化可能会比火源的烟流浓度的变化滞后一段较长的时间。

（3） 当火灾发生在采区内部时，火灾对其附近井巷的风流状态影响较大，面对采区外部的井巷的风流状态影响较小。如在火源附近的风流状态急剧变化是，分支26和48的风量变化却很小。

（4） 处于烟流路线上与回风相连的分支中不能安设风门阻截烟流，而应设法疏导烟流；减少火源进风应在火源进风侧进行。

（5） 处于火源下风侧与进风系统相连的角联分支，如示例中的分支22，其风向应保持与烟流方向相反，避免烟流蔓延至进风中；而处于回风系统内部的角联分支，其风向变化一般影响不大，如示例中的分支20，其风向就不必严格控制。

（6） 火灾时期通风系统风流状态的变化规律十分复杂，各种风流控制措施的效果靠人工难于准确预测，采用FIRES软件模拟后，可以准确获得风流状态变化的情况，有利于指挥救灾。

用计算机对火灾时期的通风状态进行动态模拟，经过国内外许多学者的努力，已经取得了很大进展，并已开始在一些煤矿应用。由于矿井火灾问题的复杂性，在模拟过程中不可避免的要进行各种简化处理，因此模拟结果的可靠性还需要经过实践的检验。尽管如此，这些软件的推广应用，对于帮助人们认识火灾时期风流状态变化规律，编制矿井灾害事故预防和处理计划，以及进行人眼的避灾、救灾培训都会有较大帮助。随着课题的研究深入，以及与矿井环境监测系统、救灾决策专家系统、矿井通风系统优化控制系统相结合，会改善矿井系统抗灾应变能力。

第08章矿井火灾时期的通风网络解析