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采礦安全控制并下火災(zāi)蔓延的噴水區(qū)實(shí)驗(yàn)研究

文檔作者：松浦木尾文檔來源：日本公和資源研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月23日
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控制井下火災(zāi)蔓延的噴水區(qū)實(shí)驗(yàn)研究()
撲滅巷道中木材火災(zāi)的實(shí)際需水量
〔日本〕日本公和資源研究所松浦木尾
一、引論
井下一旦發(fā)生明火火災(zāi),就很難撲滅。197511月在內(nèi)(Horonai)煤礦,1981年11月
在夕張煤礦和1984年1月在三池(Miike)煤礦發(fā)生的火災(zāi),就足以說明問題。當(dāng)時(shí)迫于火
勢(shì),只得向井下灌水,淹掉礦并以撲熄大火。多次的試驗(yàn)已經(jīng)說明,噴水滅火法是撲滅蔓延
大火的有效方法。
要確定噴水區(qū)所需用水量,就必須先預(yù)算出燃燒所釋放出的熱量。1983年1 Komai等的
第一份報(bào)告已經(jīng)對(duì)撲滅最大火災(zāi)所需用水量進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)方面的闡述當(dāng)時(shí),為了對(duì)最
嚴(yán)重的火災(zāi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,在400m長(zhǎng)的試驗(yàn)巷道中燃燒了稠密的木垛。在這種情況下,
火災(zāi)所釋放出的熱量是最大的。但是在實(shí)際的生產(chǎn)巷道中,可燃物的布置并不利于燃燒。例
如,大部分木材有一側(cè)是與巷道巖壁相接觸。在這情況之下,火焰所釋放出的熱量達(dá)不到
最大,因此,噴水地區(qū)需水量也就可以相應(yīng)地低一些。為了研究在實(shí)際條件下的滅火用水
量,進(jìn)行了一系列全面試驗(yàn)工作。
二、試驗(yàn)方法
1.在以木質(zhì)背板支護(hù)的巷道中的火災(zāi)試驗(yàn)
用巷道中廢棄木垛作燃燒試驗(yàn)的情況下,由于其木材相對(duì)表面比木質(zhì)背板相對(duì)表面積大,
木材與空氣的接觸面也較大,燃燒所釋放的熱量也就多得多。在這種試驗(yàn)時(shí),所測(cè)得的溫度
經(jīng)常超過1200℃或13000℃
為研究實(shí)際木材支護(hù)的巷道中的火災(zāi)狀況,進(jìn)行了5次木質(zhì)背板火災(zāi)試驗(yàn)。在這種情況
下,由于木質(zhì)背板的一側(cè)與巷道壁接觸,造成燃燒相對(duì)面積較小,火災(zāi)釋放的熱量比之木垛
火災(zāi)要小。在進(jìn)行噴水滅火試驗(yàn)之前,還進(jìn)行了研究木質(zhì)肯板燃燒特征的預(yù)備性試驗(yàn)。
圖1是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安排。試驗(yàn)卷道為400m
風(fēng)機(jī)火源
長(zhǎng),斷面5.4m2,木質(zhì)背板是中間劈開的直徑
風(fēng)流
9cm的松木。如圖1所示,松木背板用厚6mm
熱電偶
噴水區(qū)
鋼板拱型支架支承,與巷道壁相接觸。由于巷
木支護(hù)區(qū)100m
道壁并不平整,背板與巷道壁之間并非完全結(jié)
-400m
拱型支架
2n水管
合,造成木質(zhì)背板與巷道壁之間的縫隙中有少
一木背板
噴頭
量風(fēng)流。
安設(shè)木質(zhì)背板的巷道全長(zhǎng)100m,每單位
木背板支護(hù)區(qū)
水區(qū)
巷道容積用木材量為31kg/m3。著火之前的通
圖1井下明火試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安排
風(fēng)風(fēng)速為2m/s,用5kg報(bào)紙和10L煤油點(diǎn)燃860
320
kg廢木材。燃燒試驗(yàn)時(shí)的空氣溫度由按間隔5m安設(shè)在卷道中的C一A熱電偶進(jìn)行測(cè)量。
2.噴水區(qū)的火災(zāi)試驗(yàn)
為測(cè)量噴水滅火的效果,在使用木質(zhì)背板支護(hù)的巷道中假設(shè)有一噴水區(qū),如圖1所示。
噴水區(qū)是由幾部拱型2m鋼管構(gòu)成,上安有4個(gè)或5個(gè)噴嘴。噴嘴的樣式與第一份報(bào)告中的
噴嘴相同。噴出水霧的形狀為實(shí)心的錐體噴射角度為120°,水滴平均直徑約為0.2或0.4
mm。這種噴嘴的布置方式可使整個(gè)巷道斷面得到均勻的噴射水霧。除通風(fēng)風(fēng)速之外,其他試
驗(yàn)條件均與預(yù)備性試驗(yàn)的內(nèi)容相同。
每一試驗(yàn)的噴水用水量是根據(jù)Qmx得出的。Q是由使用廢木垛進(jìn)行的火災(zāi)試驗(yàn)得出
的。如同第一份報(bào)告中所指出的,Qm(L/min)是由經(jīng)驗(yàn)公式(1)得出的近似值。為了
要考察實(shí)際使用木質(zhì)背板支護(hù)的巷道中的需水量,按表1中所列的條件進(jìn)行三次試驗(yàn)。這些
試驗(yàn)的目的是要確定等式(2)中的校正系數(shù)a,就是與一場(chǎng)理論上最嚴(yán)重的火災(zāi)相比較,
撲救一場(chǎng)在實(shí)際使用木質(zhì)背板支護(hù)的巷道中發(fā)生的火災(zāi)到底能減少多少水量。
 Qmux=38.V.S
(1)
 Q=
(2)
其中,Qma(L/min)和Q(L/min)分別是理論上最嚴(yán)重火災(zāi)和實(shí)際木質(zhì)背板支護(hù)巷道火災(zāi)
的需水量。S(m2)是巷道的斷面積,V(m/S)是通風(fēng)風(fēng)速。
試驗(yàn)條件
表1
試次序
V
Q
 Q/
第1次
0
388
0.95
第2次
35
520
072
N50B
第3次
3.5
412
0.57
n0
v通風(fēng)風(fēng)速,mQ一水證,L/min一噴水區(qū)長(zhǎng)度,m一噴數(shù),個(gè)
三、結(jié)果
1.不進(jìn)行噴水的木質(zhì)背板火災(zāi)
圖2所示,是在木質(zhì)背板支護(hù)區(qū)發(fā)生火災(zāi)而又不予噴水的情況下測(cè)得的溫度曲線?；鹧?
1000
000m2mn30m
800
噴水區(qū)
800
 ain
4m
50m
600
木材支護(hù)區(qū)
600
材
400
400支護(hù)區(qū)
22
200
200
木材支護(hù)區(qū)
05010015020025
100
L50
距離(m)
距離(m)
圖2不進(jìn)行噴水的火災(zāi)試驗(yàn)中的溫度距離線圖
圖3設(shè)立噴區(qū)的效果
321
燒起之后,圖中的參數(shù)依時(shí)間而變化。圖2中的曲線表明,火焰是朝向木背板支護(hù)區(qū)的下風(fēng)
方向蔓延的。在見明火30分鐘后,火勢(shì)在穩(wěn)定的燃狀態(tài)中的平均蔓延速度為1.8m/min
在試驗(yàn)過程中,在木背板支護(hù)區(qū)所測(cè)的最高溫度為:050m區(qū)段850;50100m區(qū)
段,800℃與廢木垛火焰溫度相比,低了400℃或更多。
2.噴水區(qū)的效果
表1所列試驗(yàn)條件之下所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映在圖3中該試驗(yàn)結(jié)果顯示了在噴水區(qū)上風(fēng)
流測(cè)得最高溫度與距離的關(guān)系。試驗(yàn)1的Q/Qm比值為0.95,即Q約等于Qmax,而下風(fēng)流
的最高溫度降至240℃,這表明,試驗(yàn)1的用量足以將下風(fēng)區(qū)的溫度降至300℃以下,而且
還綽綽有余。300℃是撲滅蔓延火場(chǎng)的允許溫度限度。
試驗(yàn)2的Q/Q比值降至0.72。下風(fēng)的溫度是05,火焰被噴水區(qū)所控制。再看實(shí)驗(yàn)
3,Q/Qx比值低達(dá)0.57,下風(fēng)最高溫度是40℃,這說明噴水量不足。如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)以
另一種方式表示(如圖4),每次試驗(yàn)中的噴水區(qū)的效果就會(huì)明顯了圖4中的曲線是每次
試驗(yàn)中測(cè)得的250℃等溫線,等溫線圈起的區(qū)域就是火區(qū)的范圍,在試驗(yàn)1中,溫度高于250
℃的區(qū)域只出現(xiàn)在噴水區(qū)下風(fēng)流中。而在試驗(yàn)3中,一個(gè)高溫區(qū)在噴水區(qū)的下風(fēng)流方向120
m范圍內(nèi)持續(xù)了60分鐘。也就是說,試驗(yàn)3中所用的412L/min的水量不足以撲滅木材火焰
圖5的畫法與圖4同。圖5中的曲線是300等溫線圖中可見,試驗(yàn)2所用的噴水區(qū)將高
溫區(qū)局限在一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)這一結(jié)果,可以估計(jì),試驗(yàn)2中所用水量幾乎等于撲滅
這幾個(gè)試驗(yàn)所采用的木質(zhì)背板支護(hù)巷道中蔓延火災(zāi)所需的最低需水量。
通過上述試驗(yàn)結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:用以撲滅木質(zhì)肯板支護(hù)的巷道中的火災(zāi)的噴
水區(qū)的需水量大約是撲滅理論上最嚴(yán)重火災(zāi)需水量Q(見式1)的70%這樣,修正系
數(shù)a的值約為0.7
200
=250℃
15
150
300℃
100
 N2
100
積木區(qū)
褪
積木區(qū)
噴水區(qū)
50
噴水區(qū)
積木區(qū)
積區(qū)
2040
80100
0
2040
時(shí)間min
時(shí)間(mua
圖4設(shè)噴水區(qū)的火災(zāi)試驗(yàn)的時(shí)間距離由線
圖5設(shè)噴水區(qū)的火災(zāi)試驗(yàn)的時(shí)間距離曲線
四、討論
1.可燃物在巷道中的放置方式不同時(shí)火災(zāi)釋放的熱量
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,巷道中可燃物的安置方式不同導(dǎo)致?lián)錅缦锏阑馂?zāi)的需水不同,這
322
一點(diǎn)是很清楚的。其主要原因是火災(zāi)所釋放的熱量因可燃物在巷道中的布置方式的不同而大
有差別。
根據(jù)不同支護(hù)方式的木料造成的火災(zāi)的溫度曲線,我們可以討論火災(zāi)時(shí)的熱量釋放率。
圖6中畫出了2條有代表性的溫度曲線。兩條曲線都是在實(shí)驗(yàn)巷道木材支護(hù)區(qū)中心對(duì)不同的
支護(hù)方式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得的,當(dāng)時(shí)的通風(fēng)速度為2m/s曲線A和曲線B分別是木質(zhì)背板支護(hù)火
災(zāi)溫度及廢木垛火災(zāi)溫度曲線。曲線A是在表1中所列的試驗(yàn)1中所測(cè)得的,曲線B是在模
擬最嚴(yán)重火災(zāi)(見第一部報(bào)告)的試驗(yàn)中所測(cè)得的。在第一個(gè)試驗(yàn)中,所用的背板支護(hù)材料
是從中間劈開的松木,在后一試驗(yàn)中木垛是用柳杉,屬木材的鋸下腳料砌成的。不同的可燃
物的數(shù)量是相等的。松樹和柳杉屬樹木的熱值大致相同。這樣,發(fā)火時(shí)溫度或釋放熱量的差
別主要取決于支護(hù)木材的布置方式。圖6標(biāo)明了在火災(zāi)時(shí)木材支護(hù)區(qū)段上風(fēng)處的通風(fēng)風(fēng)流速
度。從圖6可知,木質(zhì)背板發(fā)生火災(zāi)時(shí),其溫度(曲線A)比木垛著火溫度(曲線B)低200℃
或更多。而且,曲線A超過300℃的時(shí)間亦比曲線B超過300℃的時(shí)間短了約30分鐘。比較A、
B兩條曲線,可以清楚地看到,木質(zhì)背板在著火時(shí)釋放的熱量是較低的。利用公式(3),
我們可以粗略地估算出火災(zāi)時(shí)的熱量釋放率E(keal/s)
 E-(T-T.)CprSV
(3)
其中
T火焰溫度,
T入風(fēng)風(fēng)流溫度,℃
V通風(fēng)風(fēng)流速度,m/s
Cy常壓狀態(tài)下的空氣比熱,kcal/kg℃
一空氣密度,kg/m3
4000
通風(fēng)風(fēng)速B
3000
日
12
00
1.5
2000
80
1000
400
6100200
020406080100200
020406080100120
時(shí)間(min
時(shí)間(m1
圖6木材在巷道中放置方式不同時(shí)發(fā)生火災(zāi)
圖7不同形狀木材失火后釋敢熱量比較
的溫度-風(fēng)速曲線
數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)
溫度:木材護(hù)區(qū)的人風(fēng)處
通風(fēng):木材護(hù)區(qū)
為了用公式(3)進(jìn)行計(jì)算,T和V值是從圖6中查出的,C值是由公式(4)得出
的近似值。
C=4.74×10-+0.237
(4
323
公式(3)算出的結(jié)果在圖7中標(biāo)出,在
1600
 Q=a3.8.v.
/K=1.5圖7中可以看出,在發(fā)火25或30分鐘之后,熱
1200
a=1
K2.0-2.量釋放率達(dá)到最大值,而后逐漸變小,消失
日
在計(jì)算圖7的結(jié)果時(shí),排除了試驗(yàn)初始階段的
800
B
點(diǎn)火影響,這樣來估計(jì)的熱量是純木燃燒所
a=0.7
產(chǎn)生的能量。
400
在圖7中,木質(zhì)背板火災(zāi)(曲線A)和木
 Exp No. 2
垛火災(zāi)(曲線B)的最大熱量釋放率分別為2940
kcal/s和4010kcal/s兩者的比值為0.73,即
6
通風(fēng)風(fēng)速m/s)
木質(zhì)背板火災(zāi)的最大熱量釋放率是木垛火災(zāi)最
圖8通風(fēng)風(fēng)速與需水量之間的關(guān)系
大火災(zāi)熱量釋放率的73%。這一數(shù)值與噴水撲
大質(zhì)背板巷道
滅木質(zhì)背板火災(zāi)所得出的用水比a=0.7是恰恰
B:最大火災(zāi)(木垛)
相等的。
在第一份報(bào)告中火災(zāi)釋放的熱能是按下列公式計(jì)算出來的
 E=V.S.q/(A.K)
其中:q(kacol/kg)是木材的單位重量熱值。A(m3/kg)是理論上燃燒單位重木材所需的
空氣容量,K是如達(dá)到完全燃燒的超額空氣系數(shù)根據(jù)木垛燃燒試驗(yàn)結(jié)果,K值取1.5但
是,在木質(zhì)背板火災(zāi)中,K值估計(jì)達(dá)到2.0或.5,這是從不設(shè)噴水區(qū)的預(yù)備試驗(yàn)得出的。K
值與卷道火災(zāi)燃燒狀態(tài)之間的關(guān)系還須進(jìn)一步弄清,以確定K值與a值之間的相互關(guān)系。
2.根據(jù)木燃料的布置方式對(duì)用水量進(jìn)行修正
假設(shè)噴水區(qū)的蒸發(fā)率是恒定的,那么噴水水霧所帶走熱量則與噴水流量成比例。另一
方面,燃燒產(chǎn)生的熱量與公式(3)或第一份報(bào)告中的公式(2)的額外空氣系數(shù)K有關(guān)。
在上面闡述的及火災(zāi)釋放的熱量與噴水降溫之間熱量平衡的基礎(chǔ)上,我們可以得出如下
結(jié)論:噴水降溫所需水量與火災(zāi)產(chǎn)生的熱量成比例在木質(zhì)背板火災(zāi)中,所需水量Q(L/min)
可以減少到最大火災(zāi)最大需水量Qmax的70%左右。這一減少比率是與兩種火災(zāi)(譯注即
木質(zhì)背板火災(zāi)與木垛火災(zāi)生成的熱量的比半相符合的。這一事實(shí)說明,需水量可以按巷道
中的可燃物質(zhì)(即木材、膠帶、電纜及其他)的布置方式加以修正。圖8中所表示的,就是
以木質(zhì)背板火災(zāi)為例作出的修正。公式(6)是圖8中虛線的近似公式。
Q=a38s.v=27.5
(6)
(a=0.7)
對(duì)于在其他木材(可燃物)布置方式情況下a所取的值,尚須經(jīng)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。
五、結(jié)論
經(jīng)過對(duì)具體試驗(yàn)的討論,我們研究了在巷道中為防止火災(zāi)蔓延而設(shè)的噴水帶所需的水量
,其研究結(jié)果簡(jiǎn)述如下
(1)噴水區(qū)需水量與熱量釋放率或巷道火災(zāi)溫度成正比。
(2)巷道火災(zāi)的熱量釋放率在很大程度上取決于巷道中的木燃料的布置方式。
(3)在發(fā)生木質(zhì)背板火災(zāi)時(shí),噴水滅火所需水量可以降低到滅最大火災(zāi)需水量的70%。
參考文獻(xiàn)略〕
劉承秘譯劉玉洲校
324

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