進風井筒火災時風流控制技術及其應用

文 / 唐建華（湖南理工職業技術學院）

煤礦生產中，火災是五大自然災害之一。其中，進風井筒火災危害特別嚴重，這類火災發展速度快，來勢兇猛，往往造成重大人員傷亡和財產損失。1986年11月24日3時30分，棗礦集團山家林煤礦-380m皮帶巷發生火災，死亡24人，重傷2人，輕傷24人，燒毀5部皮帶運輸機及其設備。1993年8月9日，貴州省某礦進風斜井井底車場內的變電所發生火災，同時導致進風斜井木支架起火。當時回風側27人中僅2人脫險，25人遇難。在救災過程中誤停主要通風機，導致風流逆轉，又使救災人員23人遇難，其中包括救護隊員1人、消防隊員3人、礦總工程師及安全科長。2010年1月5日13時40分，湖南省湘潭市湘潭縣譚家山鎮立勝煤礦發生井下電纜起火，死亡34人，直接經濟損失2962萬元。2007年10月22日20時39分，湖南省長沙礦業集團五畝沖煤礦副井進風井筒發生火災，火勢發展迅猛。在湖南省長沙礦業集團救護大隊全力搶救下，控制火災范圍，避免了人員傷亡和重大財產損失。本人從風流控制的角度研究進風井火災時風流控制技術。通過長沙礦業集團五畝沖煤礦進風副井火災事故，詳細闡述火災時風流控制技術，為其他礦井火災時搶險救災、應急救援提供技術借鑒。

1、五畝沖煤礦介紹

五畝沖煤礦隸屬于湖南省長沙礦業集團，為國有獨資煤炭開采企業。該礦位于湖南省長沙市寧鄉市煤炭壩鎮境內，距長沙市區75km、寧鄉市區25km。礦井設計生產能力450kt/a，1989年礦井技術改造后生產能力提升為600 kt/a。該礦井開拓方式為立井單水平上、下山開拓。礦井通風方式為中央邊界式、通風方法為抽出式。礦井主要通風機型號為G4-73-11No22D、電機功率為355kw、電機轉速為730r/min、風壓為1360～2600Pa、風量為40～90m3/s、反風方式為風道反風。礦井進風井筒有主井、副井及箕斗井，回風井筒為邊界風井。礦井通風系統示意圖如下：

圖1 礦井通風系統示意圖

2、礦井風壓及副井火災時風壓的變化

副井井筒內發生火災時，隨著火勢的發展副井井筒內空氣溫度不斷發生變化。副井井筒內溫度增加時，副井至風井的自然風壓、主井至副井的自然風壓、箕斗井至副井的自然風壓均發生改變。

2.1主井、副井、箕斗井、風井之間自然風壓

（1）主井至風井

（2）副井至風井

（3）箕斗井至風井

（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——主井至風井、副井至風井、箕斗井至風井、主井至副井、箕斗井至風井、箕斗井至主井自然風壓，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、風井、副井、箕斗井內空氣的平均溫度K；

R——礦井空氣常數，287J/（Kg . K）

g——重力加速度，9.8m/s2；

2.2 副井發生火災時進、回風井筒之間自然風壓

（1）副井至風井

（2）主井至副井

（3）箕斗井至副井自然風壓

式中： t——火災時副井內空氣的平均溫度，℃；

3、進風副井火災時風流流動分析

3.1 火災前風流流動

因主井、副井、箕斗井、風井安裝設備的不同、分配風量的差異以及風流與圍巖熱交換等因素的影響，導致主井、副井、箕斗井、風井等井筒內空氣密度、溫度不同。從前面計算的結果來看，主井至風井自然風壓75.29Pa，副井至風井自然風壓70.46Pa，箕斗井至風井自然風壓85.53Pa，主井至副井自然風壓4.63Pa，箕斗井至副井自然風壓15.13Pa，箕斗井至主井自然風壓10.20Pa。主要通風機負壓1960 Pa，風量為70m3/s。在主要通風機、自然風壓、礦井通風調節設施的作用下，礦井主井、副井、箕斗井的風量分別為51.12 m3/s、16.88 m3/s、2.00 m3/s。礦井通風網絡及風量分配圖如下：

圖2 火災前礦井通風網絡及風量分配圖

3.2 火災時風流流動

（1）主井至風井的風路上

（2）在副井至風井的風路上：

①當副井為進風時，不妨令Q副〉0；

②當副井為回風時，不妨令Q副〈0；

③當副井風流停滯時，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）把上述計算結果代入（5）、（6）、（7）式得：

①當副井為進風時，即 Q副〉0；t〈15.43℃

②當副井為回風時，即Q副〈0；t〉15.43℃

③當副井風流停滯時，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——主要通風機進風口的相對全壓，Pa；

R主——主井風阻，N·s2/m8；

R副——副井風阻，N·s2/m8；

R′——除主井、副井、箕斗井外其他風路總風阻，N·s2/m8；

Q主——主井風量，m3/s；

Q副——副井風量，m3/s；

Q風——風井風量，m3/s；

（5）火災導致風流紊亂

副井發生火災后，火災產生的煙流沿著風流迅速擴散到礦井進風流中，波及全礦井的安全生產。隨著火勢的發展，副井及附近空氣密度、溫度等狀態參數發生變化，造成礦井風流紊亂。當副井內空氣溫度小于、等于或大于15.43℃時，副井內的風流將發生順流、停滯、逆流流動。副井內風流順流、停滯、逆流等風流紊亂現象與主要通風機的全壓、火災時主井至副井自然風壓、副井至風井自然風壓、主井風阻、副井風阻等因素有關?；馂臅r通風系統、通風網絡、火區位置圖如下。

圖3 火災時通風系統、火區位置示意圖

圖4 火災時通風網絡及風量分配圖

4火災時礦井風流控制措施

4.1 打開-100m中央泵房及變電所回風上山調節風門，形成短路風流

當副井井筒發生火災時，火災產生的煙流進入礦井總進風巷道，大量有毒有害氣體與礦井進風風流混合，再進入礦井作業地點，嚴重威脅作業人員的安全。

火災時，打開-100m中央泵房及變電所回風上山調節風門，形成短路風流，主要作用如下:

（1）礦井通風阻力減小，主要通風機負壓減小，主要通風機抽風量增大，礦井總進風量增大，主井、副井風量增大，主井、副井通風阻力增加?；馂臅r，副井風流流動不易反向，有利于保障進風側搶險救災人員的安全。

（2）火災產生的大部分有毒有害氣體直接進入總回風系統，從而大大降低礦井總進風巷風流中有毒有害氣體的濃度，有利于保障礦井作業人員的安全。

（3）因風流短路，井下其他用風地點風量減小，礦井各作業地點CH4、CO2濃度逐漸增加，造成CH4、CO2濃度超限。為減少風流短路的影響，打開箕斗井調節風門，增加進風量；同時停止井下采、掘作業，減少CH4、CO2涌出量。

4.2 在主井設置調節風帳，增加主井通風阻力

從上述計算可知，當副井為進風時，即Q副〉0； ，增加R主即增加主井風阻，有利于保持副井風流穩定。副井火災時，在主井設置調節風帳，增加主井風阻，主井風量減少，副井風量增加，副井產生的煙流量也會增加。為減少副井煙流量，可調節箕斗井風量。增加箕斗井進風量，副井煙流量將減少。調節后，主井進風量減少，箕斗井進風量增加，副井產生的煙流主要部分由中央泵房回風上山直接進入總回風巷，大大減少礦井主要進風巷有毒有害氣體的濃度。

4.3 在副井設置噴水設施，降低副井風流溫度

副井火災時，在副井設置噴水設施，降低副井風流溫度。由公式（9）可知，當副井風流溫度t減小，減小。

由公式（8）可知：當副井為進風時，即Q副〉0；減小即減小主井至副井自然風壓，有利于保持副井風流穩定。

另外副井內噴水，有利于熄滅火區，減少副井產生的煙流量。

4.4 在副井設置調節風帳，減少副井風量

外因火災發展速度快，來不及撲滅，井筒內風流溫度迅速上升，往往造成風流反向。在副井設置調節風帳，減少副井風量。副井風量減小，副井內空氣溫度上升，從前述計算式可知：增加，有利于副井風流反向，火災產生的煙流直接排至地面，達到局部反風的效果；另一方面，減少副井風量，有利于火區熄滅。但是，在火區熄滅的過程中，副井內空氣溫度逐漸降低，減小，風流又可能反向；打開箕斗井調節風門，增加箕斗井風量，有利于防止風流再次反向。在副井設置風帳時，同時，在副井內安裝灑水噴霧裝置，加速火災熄滅。

4.5 全礦性反風

利用主要通風機反風設施進行全礦性反風，阻止煙流進入采、掘工作面。全礦性反風有短路反風和礦井反風，其中，短路反風后風流不進入采、掘工作面，風流經風井、主要進風大巷、井底車場直接短路回風；礦井反風利用全礦井反風設施使全礦井風流反向，反風后，風流進入采、掘工作面。

短路反風使井下采、掘工作面風量大幅度減少，可能導致瓦斯積聚。礦井反風使采、掘工作面仍有部分風量，但是，必須有完善的、可靠的反風風門，否則，可能達不到反風目的，造成風流紊亂，增加人員撤退的難度。

五畝沖礦井是低瓦斯礦井，副發生火災，宜采用短路反風。打開總進風與總回風聯絡巷風門及中央泵房回風上山調節風門，啟動主要通風機反風設施，礦井抽出式通風方法改為壓人式通風方法，將副井火災的煙流直接排至地面。人員從箕斗井撤至地面?！?/p>