[01673762]矿井巷道火灾中火区温度、阻力、节流效应以及通风网络解算的研究

本项目为2010年度国家自然科学基金项目,批准号为51064018。 一、课题来源与背景 矿井火灾是煤矿生产中的主要自然灾害之一,在火灾巷道中的风流可以视为一维可压缩风流,火区最高温度是计算火区及下风向巷道风流温度的基本数据,热烟气层在随着风流向前流动过程中,同时有一个下降速度,下降速度的大小将直接关系到热烟气在下风向巷道中的影响范围。火区阻力是造成火区巷道节流效应、出现逆流或风流逆转的主要原因,为了对火区阻力及其产生的节流效应以及火区阻力影响下的矿井通风网络解算进行深入研究,确保矿井安全生产,减少火灾事故带来的严重损失,特提出课题。 二、研究目的与意义 该项目通过理论分析和实验研究,可以合理确定火区及下风向巷道中不同位置的温度、空气静压、空气密度和风流速度的变化规律;科学计算火区节流阻力,为准确确定火区阻力、合理分析火区节流效应和准确解算矿井巷道火灾条件下的通风网络提供依据。 三、主要论点和论据 项目以矿井巷道火灾为研究对象,针对矿井水平及上向或下向倾斜巷道中的火灾,利用采区进风系统相似模拟实验模型,采用理论分析与实验室模拟实验相结合的综合研究方法开展了研究。其研究的主要论点和论据如下： （1）按照氧消耗原理测定了火灾材料的热释放速率,实验研究了矿井巷道火灾时火源的热释放速率曲线以及火源的放热量,实验研究了风流动压Hv=0时火灾材料的热释放速率Q0以及Hv≠0时火灾材料的热释放速率Qv,分析得出了通风影响系数k对Qv影响的关系式Qv=kHv+Q0; （2）根据空气经过火灾燃烧区时温度的升高值,得出了矿井巷道火灾时火区下风向巷道的温度场方程; （3）理论分析和建立了矿井巷道火灾时火区及下风巷道中空气的静压、密度以及流动速度方程,并据此确定了矿井巷道火灾时火区阻力的构成以及火区阻力系数的主要影响因素; （4）理论分析和实验验证了火区节流系数的计算方法以及火区阻力系数与火区节流系数的关系,并据此提出了火区阻力系数和火区风阻的计算方法; （5）理论分析和实验验证了水平巷道火灾时烟气逆流临界风速的确定方法; （6）理论分析了矿井巷道火灾时火风压的计算方法,理论研究了火风压和火区阻力对矿井通风网络风向和风量的影响,得出了上行和下行通风巷道发生火灾时与其并联巷道风流流向的判别方法,系统提出了提高巷道风流稳定性的有效技术措施; （7）系统总结了矿井火灾时风流的控制技术及其适用条件,系统总结了矿井不同位置巷道火灾时优先采用的风流控制技术方案; （8）研究了风流温度对井巷风阻的影响,得出了矿井巷道火灾时井巷风阻的确定方法; （9）在研究通风机风压特性曲线最小二乘法拟合方法的基础上,提出了矿井巷道火灾时通风网络解算的迭代计算法原理,并系统给出了矿井巷道火灾时改进的斯考德-恒斯雷法（回路法）解算步骤和方法。 四、创见与创新 （1）合理建立矿井巷道火灾中火区及下风向巷道中的温度方程、空气静压方程、空气密度方程和风流速度方程,准确确定火区及下风向巷道中的火区节流阻力和火区阻力,为正确分析矿井巷道火灾中火区及下风向巷道中的节流效应提供依据。 （2）正确揭示矿井通风网络火区及下风向巷道逆流或风流逆转的形成条件、特征及其对矿井通风网络的影响,科学建立矿井巷道火灾条件下通风网络解算的迭代计算法,并系统编制该迭代计算法的计算机解算程序,为矿井的通风设计、通风系统可靠性分析、工作面火灾防治和救援以及均压通风提供理论和技术上的指导。 五、社会经济效益 该项目的研究对于作好矿井通风设计、通风系统可靠性分析、工作面火灾防治和救援以及均压通风均具有重要的理论与现实意义,有利于保护煤炭资源和减少空气污染,具有巨大的社会效益。 六、存在的问题 项目研究中,实验是在以相似比例为1:20的相似模拟实验模型中进行的,建议将来能在巷道全尺寸模型中进行有关的实验,以进一步验证和修正本项目的有关研究结论。 七、研究成果情况 课题组已发表研究论文25篇,其中被EI收录9篇;发明实用专利1项,出版研究专著2部,培养博士学位研究生1人、硕士学位研究生5人。项目研究完成了预期的成果指标。 八、获奖情况 截止目前,项目未申报和获得任何资助。