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矿井火灾火源燃烧特性及其对下风向巷道影响的研究

作　者: 姜宇鸿
导　师: 王文才
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 采矿工程
关键词: 火源燃烧特性放热量温度场火区阻力
分类号: TD752
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

矿井巷道发生火灾后，由于受巷道空间相对狭窄、封闭以及氧气供应不足等特点的影响，往往会造成重大人身财产损失。因此，针对矿井巷道火灾，研究火源燃烧特性、火区阻力以及火源燃烧过程中对下风向巷道的影响，对于合理评价火灾危险性、科学分析火区条件下通风系统可靠性、矿井火灾救援时合理控制风流方向以及随时掌握烟流流经巷道温度和风量，均具有重要的理论与现实意义。（1）本文通过相似实验模型实验测定了各测点的风流动压和温度，火区前后测点的静压差和下风向的烟气组分；对基于氧消耗原理的火源热释放速率方程，火源下风向巷道的温度场方程以及火区阻力方程进行了深入理论研究并确定了计算方法；确定了火源燃烧过程中不同时刻的火源热释放速率、火区阻力以及温度场分布。（2）分析了火源燃烧过程不同时刻的热释放速率，得出其变化过程要经历三个阶段，首先是快速发展阶段，该阶段火源迅速达到最大热释放速率；其次是稳定阶段，该阶段火源以最大热释放速率燃烧，持续时间大于发展阶段但小于衰减阶段；最后是缓慢衰减阶段，该阶段火源热释放速率随时间推移逐渐下降，持续时间大约占整个燃烧过程的2/3；正常通风情况下火源最大热释放速率和通风动压之间存在一次方程关系，煤和坑木分别为Q_max=0.0035H_v+0.0175和Q_max=0.0039H_v+0.06。（3）据火源热释放速率t²模型理论分析了热释放速率计算结果，得到了煤和坑木燃烧过程热释放速率t²模型，煤的发展系数和衰减系数分别为12kW/min²和0.12kW/min²，坑木分别为12kW/min²和2.2kW/min²。对火源热释放速率t²模型积分运算，建立了火源总放热量方程，总放热量除以煤的质量即为单位质量煤的放热量，计算得到单位质量煤和坑木的放热量分别为432kJ和1658kJ。（4）实验确定了温度场方程实验系数Kc，即在火灾发展阶段Kc=15～20，在火灾的稳定阶段Kc=10～15，在火灾的衰减阶段Kc=20～25。研究了断面温度t²模型理论，建立断面3温度变化t²模型，其发展系数和衰减系数分别为0.251K/min²和0.0708K/min²。（5）对火区下风向温度场变化规律分析表明，在矿井巷道火灾的发展和稳定阶段，下风向巷道中风流的温度随着距火区距离的增大而呈下降趋势。在火灾的衰减阶段，由于火源不稳定和新鲜风流的流入，下风向巷道中有一个温度下降最快区段，这个区段首先从靠近火灾区开始，然后逐渐向下风向巷道的远处移动。（6）对火源总阻力和火区阻力变化规律分析得出，巷道中火源在燃烧过程中，其总阻力由正面阻力、摩擦阻力和火区阻力构成；正面阻力随着燃烧物体积的减小而逐渐减少，摩擦阻力保持不变；火区阻力在发展和稳定燃烧阶段逐渐增大，在衰减阶段开始降低并趋向于零；火区阻力在风流温度增高到351.6K、巷道风量为0.419m3/s时，达到最大值71.5Pa。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-19
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 研究目的和意义  12
  1.3 国内外研究现状  12-17
    1.3.1 火源燃烧特性的研究现状  12-13
    1.3.2 矿井火灾场分布研究现状  13-14
    1.3.3 巷道火灾火区阻力研究现状  14-15
    1.3.4 矿井巷道火灾实验研究现状  15-17
  1.4 研究的内容、方法、方案及其技术路线  17-19
    1.4.1 研究内容  17
    1.4.2 研究方法与方案  17-18
    1.4.3 研究的技术路线  18-19
2 相似模拟实验模型的建立  19-36
  2.1 流体的相似理论  19-26
    2.1.1 流动相似  19-21
    2.1.2 流动相似准则  21-25
    2.1.3 流动相似准则在本研究项目中的应用  25-26
  2.2 相似实验模型的建立  26-29
    2.2.1 呼和乌素煤矿概况  26
    2.2.2 火灾模拟实验系统  26-29
  2.3 实验模型测点布置及其装置构成  29-36
    2.3.1 测点布置  29-30
    2.3.2 装置构成简介  30-36
3 矿井火灾火源燃烧热释放特性研究  36-49
  3.0 矿井火灾燃烧过程和燃烧机理  36
  3.1 矿井火灾燃烧形式  36-37
  3.2 按氧消耗原理测量火灾材料的热释放速率  37-41
  3.3 火源最大热释放速率的通风影响系数  41
  3.4 煤类火灾材料热释放特性实验研究  41-45
    3.4.1 实验材料  42
    3.4.2 实验过程  42
    3.4.3 实验结果  42-45
    3.4.4 实验结果分析  45
  3.5 坑木火灾热释放特性实验研究  45-49
    3.5.1 实验物料选取及过程  45-46
    3.5.2 实验结果  46-47
    3.5.3 实验结果分析  47-49
4 火源燃烧生成热量研究  49-54
  4.1 火源燃烧生成热研究  49-50
    4.1.1 由燃料消耗速率计算生成热  49-50
    4.1.2 由生成产物推算燃烧生成热  50
  4.2 火源燃烧热释放速率 t~2模型  50-51
  4.3 单位质量火灾材料放热量公式建立  51
  4.4 单位质量煤放热量实验研究  51-52
  4.5 单位质量坑木放热量实验研究  52-54
5 矿井巷道火灾时火区下风向巷道温度场分布研究  54-63
  5.1 影响烟流流动的因素  54-55
  5.2 下风向巷道中温度场方程研究  55-56
    5.2.1 空气经过火区的温度升高值计算  55
    5.2.2 下风向巷道温度场方程建立  55-56
  5.3 下风向巷道中温度场方程的实验验证  56-61
    5.3.1 实验结果  57-58
    5.3.2 温度场方程实验验证  58-61
  5.4 断面温度 t~2模型研究  61-63
    5.4.1 断面温度 t~2模型建立  61-62
    5.4.2 断面温度 t~2曲线拟合  62-63
6 火区阻力实验研究  63-71
  6.1 火区阻力构成  63
  6.2 水平巷道火区阻力方程研究  63-67
  6.3 火区阻力实验测定  67-71
    6.3.1 模型雷诺准则验证  67
    6.3.2 实验装置  67-68
    6.3.3 实验结果  68-70
    6.3.4 实验结果分析  70-71
结论  71-73
参考文献  73-78
在学研究成果  78-79
致谢  79

矿井火灾火源燃烧特性及其对下风向巷道影响的研究

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