автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Обоснование параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору

На правах рукописи

СОЛОГУБ Ольга Васильевна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ ПО ГАЗОВОМУ

ФАКТОРУ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (в горной промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 АП^ 2011

Москва 2011

4843914

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель

доктор экономических наук, профессор

Умнов Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Куликова Елена Юрьевна; кандидат технических наук Вернигор Владимир Михайлович Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула)

Защита диссертации состоится 27 апреля 2011 г. в /3 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 25 марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

КОРОЛЕВА

Валентина

Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время все больше внимания уделяется строительству и эксплуатации подземных объектов различного назначения, особенно широкие масштабы приобретает строительство тоннелей большого сечения. Это вызвано высокой стоимостью земли, необходимостью сохранения природного ландшафта и другими причинами.

Опыт эксплуатации тоннелей свидетельствует о том, что пожары в них происходили и происходят во всем мире и нередко приводят к катастрофическим последствиям. Так, с 2000 по 2001 гг. было 3 крупных пожара в автодорожных тоннелях Европы, унесших жизни 191 человека. В 2005 и 2007 гг. также не удалось избежать жертв при пожарах в тоннелях Италии. В последнее десятилетие в России было сдано в эксплуатацию много транспортных тоннелей, при этом уже было зафиксировано несколько серьезных пожаров и возгораний, при которых был нанесен ущерб здоровью людей как следствие отравления газообразными продуктами горения, в частности угарным газом. Таким образом, защита человека при пожаре в тоннелях большого сечения прежде всего должна быть направлена на снижение опасного воздействия угарного газа, то есть на снижение его концентраций до предельно допустимых значений.

На сегодняшний день для защиты людей от опасного воздействия газового фактора в подземном сооружении применяются технические и организационные мероприятия, основанные на большом опыте, накопленном при добыче полезных ископаемых, а также при строительстве и эксплуатации тоннелей различного назначения. Основную роль при этом играет вентиляция. Но имеющиеся решения не всегда обеспечивают необходимый уровень защиты людей.

В научных исследованиях, проведенных ранее в области безопасности горных выработок по газовому фактору, отражены вопросы снижения опасного

воздействия на людей токсичных газовоздушных смесей, образовывающихся при пожаре. Однако до сих пор не рассматривались существенно изменившиеся в последнее время условия современных тоннелей, заключающиеся в больших площадях поперечных сечений, увеличении их протяженности и связанной с этим большой плотности людей и материальных объектов, находящихся в них. Поэтому научные исследования, направленные на определение параметров системы пожарной безопасности для тоннелей большого сечения, в настоящее время являются весьма актуальными.

Цель работы - установление зависимостей концентрации пожарного газа в атмосфере тоннелей большого сечения от влияющих в пространстве и времени факторов для обоснования параметров системы пожарной безопасности тоннелей, позволяющей снизить воздействие на людей газового фактора.

Идея работы заключается в применении математического моделирования процесса газопереноса в пространстве тоннеля большого сечения с течением времени от момента начала пожара.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Оценка газового фактора в атмосфере тоннеля при пожаре осуществляется с учетом распределения концентрации пожарного газа путем математического моделирования газопереноса по протяженности и высоте сооружения под действием скорости движения воздуха, подъемной силы, диффузии.

2. Влияние формы поперечного сечения на степень заполнения атмосферы тоннеля пожарными газами определяется с помощью предложенных коэффициентов кф, основанных на сопоставлении высоты загазованной области при различных формах сечения выработки.

3. Оптимальные параметры системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору, включающие расстояние между аварийными выходами, время эвакуации людей, рекомендуемую скорость

движения воздуха, целесообразно определять на основе полученных зависимостей концентрации пожарного газа от расстояния до очага пожара с учетом коэффициента заполнения тоннеля пожарными газами кф\ средней скорости движения воздуха в тоннеле; времени от начала пожара; высоты от почвы выработки; площади поперечного сечения.

4. Разработанный алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору позволяет оптимизировать их путем подбора защитных мероприятий на разных стадиях жизненного цикла тоннелей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- анализом большого количества научно-технических материалов и литературных источников о пожарной безопасности подземных сооружений;

представительным объемом исследований с использованием лабораторного стенда «Моделирование процессов газопереноса в сооружениях тоннельного типа»;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований процесса переноса пожарного газа в атмосфере тоннеля (погрешность не более 23%).

Научное значение работы состоит в разработке методического подхода к определению параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения на основе учета динамики пожарных газов.

Практическая значимость исследований состоит в разработке рекомендаций по повышению безопасности людей при пожарах в тоннелях большого сечения на стадиях проектно-планировочных решений сооружения, его строительства и эксплуатации.

Реализация работы. Результаты исследований приняты для использования при разработке системы пожарной безопасности строящегося комплекса тоннелей дороги Адлер - Горноклиматический курорт «Альпика-

Сервис» в районе г. Сочи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2008 -2009 гг., научной конференции стипендиатов Германской службы академических обменов в 2009 г. в г. Бонн (Германия), международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов» в г. Москве в 2010 г., научных семинарах кафедр «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона», «Аэрология и охрана труда».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научных работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения; содержит 20 таблиц, 39 рисунков, список литературы из 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В последнее десятилетие в России наблюдается увеличение объемов строительства тоннелей большого сечения. Так, например, согласно концепции освоения подземного пространства в г. Москве объемы подземного строительства имеют положительную тенденцию и по сравненшо с 2008 г. площадь подземных сооружений, в том числе транспортных тоннелей, в 2010 г. увеличилась на 30%. Также в связи-с проведением зимних Олимпийских игр 2014 г. осуществляется большой объем работ по возведению транспортных тоннелей в районе г. Сочи. Увеличивается количество тоннелей большого сечения горнодобывающих предприятий, обусловленное применением более мощных технологий для обеспечения требуемого объема добытого полезного ископаемого.

Мировой и отечественный опыт строительства и эксплуатации тоннелей показал, что большую опасность для людей в тоннелях представляют пожары.

В начале этого тысячелетия произошло сразу несколько крупных пожаров с человеческими жертвами в автодорожных тоннелях Европы. При этом имеющиеся средства противопожарной защиты не обеспечивают должного уровня безопасности. При пожаре на людей оказывают влияние следующие опасные факторы: повышенная температура окружающей среды, токсичные газовоздушные смеси, дым, комбинированное воздействие опасных факторов. Анализ причин гибели людей при пожарах в автодорожных тоннелях показывает, что в 64 % случаев причиной является отравление оксидом углерода. Это происходит в результате того, что химический состав воздушной среды при горении существенно изменяется и на человека воздействует так называемый газовый фактор.

Процесс распространения токсичного газа в атмосфере тоннеля при пожаре достаточно сложен и зависит от многих факторов. Для решения задач по газо- и теплопереносу в сооружениях тоннельного типа широко используются расчетные методы, позволяющие определить основные параметры воздушной среды подземного сооружения при пожаре. Данные методы основаны на уравнениях газовой динамики, и их решение для граничных условий позволяет получить расчеты полей скорости движения воздуха, температуры воздуха, а также концентрации определенного вещества в атмосфере.

Исследованию вопросов обеспечения безопасности использования подземных сооружений, в том числе по газовому фактору, посвящены труды: A.A. Скочинского, Л.Н. Быкова, Л.А. Пучкова, А.Д. Климанова, Н.Г. Матвиенко, Б.Ф. Кирина, И.О. Калединой, Е.Ю. Куликовой, В.И. Дремова, К.З. Ушакова, A.A. Форсюка и других ученых. Решением проблем повышения безопасности эксплуатации тоннелей большого сечения занимались и занимаются в настоящее время научно-исследовательские коллективы: МГГУ, МАДИ, ИГД СО РАН, ВНИИПО, С-ПбГУ и другие. Вопросам пожарной безопасности тоннелей посвящены труды: В.П. Беляцкого, Н.Ф. Давыдкина,

Д.В. Зедгенизова, А.А. Ныркова, И.В. Лугина, А.М. Красюка, Л.В. Маковского, В.П. Чижикова, В.Я. Цодикова и других исследователей.

С учетом особенностей строительства и эксплуатации современных тоннелей для изучения процессов формирования в них газового фактора при пожарах и разработки эффективных средств защиты необходимо проведение исследований, позволяющих более точно учесть существующие условия, заключающиеся в значительной протяженности тоннелей, больших площадях их поперечных сечений, разнообразии форм сечений, а также существенном изменении пространственного распределения газообразных продуктов горения во времени.

Изложенное выше определило следующие задачи исследований:

• анализ существующих технических мероприятий, норматавно-правовой базы и научных исследований в области безопасности человека при пожарах в горных выработках;

• определение основных параметров безопасности в тоннелях большого сечения при пожарах;

• анализ основных факторов, влияющих на распространение пожарных газов с учетом особенностей рассматриваемых сооружений;

• математическое моделирование процесса распространения пожарного газа в атмосфере тоннеля и реализация модели в виде компьютерной программы;

• физическое моделирование процесса распространения пожарного газа в атмосфере тоннеля с уточнением результатов, полученных при математическом моделировании;

• определение зависимостей концентрации пожарных газов в пространстве тоннеля от влияющих на процесс газопереноса факторов;

• разработка рекомендаций для защиты людей от газового фактора при пожарах в тоннелях большого сечения.

Под системой пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору в работе понимается совокупность технических и организационных мероприятий, направленных на предотвратите воздействия газового фактора на людей, оказавшихся в тоннеле во время пожара. Таким образом, оценка газового фактора заключается в определении концентрации пожарного газа и ее сопоставлении с нормативными значениями. Основным критерием безопасности человека по газовому фактору при пожаре является соответствие концентрации пожарных газов нормативным величинам в разных точках пространства тоннеля, где могут находиться люди. При этом в качестве основных характеристик тоннеля большого сечения, от которых зависит концентрация газа, выделены его протяженность, площадь поперечного сечения, высота, скорость движения воздуха.

Концентрация газа в различных участках тоннеля формируется путем газообмена между соседними граничащими объемами и является переменной во времени и в пространстве величиной. В связи с необходимостью детального описания этих процессов было принято решение их исследование осуществлять на основе математического моделирования.

Для оценки распределения концентрации газа по высоте и протяженности было предложено рассматривать пространство тоннеля в виде совокупности элементарных объемов одинакового размера. Как показал анализ, распределение концентраций по ширине тоннеля отличается незначительно. В этой связи при моделировании достаточно рассматривать пространство тоннеля в двух измерениях (рис.1).

В предложенной модели концентрация пожарного газа в элементарном объеме в определенный момент времени определяется его массой, которая, в свою очередь, формируется из массы газа, содержащегося в рассматриваемом объеме в определенный момент времени, а также массы газа, переместившегося из четырех граничащих объемов и обратно. Количество переместившегося газа определяется массой газа в соседнем объеме, степенью его переноса, которую

1

)

(

)

( ч

) \

тоннель'

элементарный объем

1 жг* 0 т0 ¡Ж

Ц 4

Рис. 1. Формирование концентрации пожарного газа в элементарном объеме

целесообразно оценивать в виде соответствующих коэффициентов газопереноса. На основании вышеизложенного масса газа, содержащегося в рассматриваемом объеме в момент времени будет определяться следующим образом (1):

т,

** ч

(1)

где уп, - масса газа, содержащегося в рассматриваемом объеме в момент времени Г, г; то-,-\ - масса газа, содержащегося в рассматриваемом объеме в момент времени 1-1, г; Щ., - масса газа, перенесенного через границы с соседними объемами в момент времени г, г; г - номер граничащего объема, ¡' е[1...4]; к - коэффициент переноса газа, поступающего из соседних объемов; доли единицы; к - коэффициент переноса газа, исходящего в соседние объемы, доли единицы.

На основе проведенного анализа установлено, что основными факторами, влияющими на газообмен между элементарными объемами при

пожаре в тоннелях, являются подъемная сила пожарных газов, диффузия, а также продольное движение воздуха в тоннеле. Таким образом, коэффициент перемещения газа из соседних объемов с учетом перечисленных влияющих сил определяется по формуле (2)

к = к„+кд+ка, (2)

где к -коэффициент перемещения газа между соседними объемами, доли единицы; к„ -коэффициент перемещения за счет движения воздуха, доли единицы; кд -коэффициент перемещения за счет диффузии по вертикальной или по горизонтальной оси, доли единицы; ка -коэффициент перемещения за счет подъемной силы, доли единицы.

Коэффициенты к„ и ка предложено определять по формулам (3) и (4). Коэффициент кд определяется в зависимости от того, в каком направлении действует диффузия: для вертикального по формуле (5), для горизонтального по формуле (6):

;' (3)

, _ 1

дв~ ; (5)

где Л - длина участка тоннеля, м; Я - высота тоннеля, м; уср - средняя скорость движения воздуха в тоннеле, м/с; - скорость подъема пожарного газа, м/с; I -промежуток времени, с; - скорость газопереноса за счет диффузии, м/с.

Применение предложенной модели процесса распространения пожарного газа в атмосфере тоннеля требует значительного объема вычислений. В этой связи на ее основе разработана компьютерная программа, позволяющая просчитать концентрацию пожарного газа в каждой точке тоннеля, исходя из

, _ 1

а~ ц'Угр'% \ (4)

_1_ Н

Кг ~ гт 'Уа , (6)

конкретных условий, и получить наглядное изображение ее изменения в пространстве тоннеля (рис.2).

Рис.2. Формирование концентрации пожарного газа в атмосфере тоннеля.

Обозначения: 1 - тоннель; 2 - очаг пожара; 3 - зона загазирования; 4 -

препятствия

В связи с действием подъемной силы образующаяся газовая смесь изначально стремится занять верхнюю подсводовую часть тоннеля. Площадь (5г) заполнения пожарными газами в верхней части сечения тоннеля будет определяться его формой и размером (Я). Степень заполнения предложено оценивать показателем кф - расстояние от самой высокой точки- кровли тоннеля до отметки, на которую опустились пожарные газы с концентрацией, превышающей ПДК (рис.3).

зона загазирования

Рис.3. Поперечный разрез тоннеля

Проведенный анализ различных форм поперечных сечений тоннелей показал, что все они могут быть представлены пятью основными вариантами: прямоугольной, прямоугольной с круглым сводом, круглой, эллиптической,

полукруглой формами.

Для определения величины кф, соответствующей каждой из форм сечения тоннеля, путем численных методов и геометрических преобразований была получена ее зависимость от площади загазованной области поперечного сечения (5г) круглой формы и радиуса (Я) тоннеля (8):

К =

0,017-Я2 +0,009-Л-0,022

1,44

(8)

Для удобства определения степени заполнения тоннеля пожарными газами был предложен коэффициент заполнения тоннеля пожарными газами кф, представляющий собой отношение величины Иф различных форм к данной величине для прямоугольной формы, принятой за эталон (рис.4).

Предложенная математическая модель и коэффициенты заполнения тоннеля пожарными газами позволяют описать формирование и динамику газового фактора в тоннеле большого сечения для разных условий и форм поперечных сечений.

прямоугольная прямоугольная с круглым сводом

круглая

эллиптическая

полукруглая

Рис.4. Коэффициенты заполнения тоннеля пожарньми газами кф для различных

форм поперечного сечения

Дня уточнения полученных при помощи математического и компьютерного моделирования результатов необходимо было произвести натурное исследование. В этих целях был создан экспериментальный стенд «Моделирование процессов газопереноса в сооружениях тоннельного типа», на

котором физически моделировался процесс загазованности тоннеля. Общий вид стенда представлен на рис. 5. При этом расхождение результатов математического и физического моделирования не превысило 25 %, что является достаточным для принятия решений о мероприятиях по обеспечению безопасности в тоннелях большого сечения при пожарах по газовому фактору.

Рис 5. Схема лабораторного стенда «Моделирование процессов газопереноса в

сооружениях тоннельного типа» Обозначения: 1 - вентилятор; 2- стальной воздуховод; 3 - источник угарного газа (горелка);"

4 - щбкий воздуховод; 5 - позиции замеров концентрации угарного газа

В целом систему пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору обусловливают следующие основные параметры: расстояние между аварийными выходами, скорость движения воздуха, площадь поперечного сечения и его форма. Для их определения с использованием описанной математической модели были выявлены зависимости концентрации газа от расстояния до очага пожара I с учетом коэффициента заполнения тоннеля пожарными газами кф, средней скорости движения воздуха в тоннеле уф; времени от начала пожара г, высоты от почвы тоннеля Я; площади поперечного сечения 5. При этом для построения двухмерных зависимостей в ряде случаев соответствующие параметры принимали фиксированные значения (I =240 м; 2=300 с; уср =1,5 м/с; 5=70 м2; Я=2 м). Мощность пожара М была принята 5 МВт.

Зависимость концентрации газа от расстояния до очага пожара с учетом коэффициента заполнения тоннеля пожарными газами кф, представленная на рис.6, показывает, что концентрация газа в месте очага пожара достигает наибольших значений, а по мере удаления от него уменьшается. Для различных вариантов форм поперечного сечения концентрация газа принимает различные значения: чем больше величина параметра кф, тем выше концентрация.

С = (О, ООО 11} - О, Ш11 +1, %Ь - 2,40) • кф Л2 =0,71

Рис. 6. Зависимость концентрации газа от расстояния до очага пожара с учетом коэффициента заполнения тоннеля пожарными газами кф.

Зависимость концентрации газа от средней скорости движения воздуха имеет вид, представленный на рис.7. При этом наибольшее значение концентрации достигается при скорости движения воздуха, близкой к 1,6 м/с.

Зависимость концентрации газа от высоты то почвы тоннеля представлена на рис.8. Как видно из графика, концентрация газа при приближении к кровле тоннеля растет, что обусловлено влиянием подъемных сил.

Зависимость концентрации газа от продолжительности горения представлена на рис.9. Из построенного графика следует, что концентрация газа достигает пикового значения при длительности процесса газопереноса более 1,5 мин.

С = -1,6013у2 +15,91^ - 7,6816 Я2 = 0,68

V, м/с

0,6

1,2

1,8

2,4

Рис. 7. Зависимость концентрации газа от средней скорости движения воздуха

Рис. 8. Зависимость концентрации газа от высоты от почвы тоннеля

С, мг/м 5

40 60 80 100

С = -0,09713 + 0,9998^ + 1,997И - 4,2809 йг = 0,72

Рис. 9. Зависимость концентрации газа от времени от начала пожара

у = -1,2331п(5) +4,1004 йг = 0,73

40

'во

'120

5, м ^60

Рис. 10. Зависимость концентрации газа от площади поперечного сечения тоннеля

Выявленная зависимость концентрации газа от площади поперечного сечения представленна на рис.10. При этом с увеличением площади поперечного сечения концентрация газа уменьшается.

Для реализации последовательности действий по определению и использованию параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору разработан соответствующий алгоритм, представленный на рис.11.

Исходными данными для определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения являются характеристики объекта, а также информация о пожаре и состоянии воздушной среды на момент пожара.

К характеристикам объекта относятся длина тоннеля, площадь поперечного сечения и данные о его форме, радиус в случае круглых частей формы сечения. При возникновении пожара необходима информация о месте возникновения очага пожара, его мощности, значениях температуры окружающей воздушной среды и температуры пожарных газов, а также величине средней скорости движения воздуха

На первом этапе алгоритма производится расчет концентрации пожарного газа с использованием разработанной компьютерной модели. Исходными данными для расчета являются: температура окружающей среды Тв, температура пожарного газа Тг, средняя скорость движения воздуха в тоннеле уф, начальная концентрация пожарного газа в объеме - «очаг пожара», а также геометрические характеристики тоннеля: длина, площадь поперечного сечения и его форма.

Основываясь на данных о концентрации пожарного газа, полученных с использованием компьютерной модели, далее определяется расстояние от самой высокой точки кровли тоннеля до отметки, на которую опустились пожарные газы Иф для прямоугольной формы.

С учетом коэффициентов заполнения тоннеля пожарными газами кф расстояние пересчитывается для случая с рассматриваемой формой. Величина Иф необходима для обоснования наиболее безопасного варианта формы поперечного сечения тоннеля. Но решение по выбору формы поперечного сечения с точки зрения безопасности людей по газовому фактору принимается на стадиях разработки проекта тоннеля большого сечения.

Расчет времени эвакуации, при котором люди могут находиться в безопасных условиях по газовому фактору (концентрация газа не превышает ПДК), производится как сумма времени движения человека в области с концентрацией, которая меньше ПДК, и в областях с концентрацией токсичного газа, которая больше ПДК ^ на основе знаний о средней скорости движения человека по горизонтальной выработке в условиях задымленности.

Исходные данные

Параметры тоннеля Аварийная ситуация «Пожар»

Длина Место аварии Температура пожарного газа, Тг; температура окружающей среды, Т,; концентрация газа в элементарном объеме - «очаг пожара»; средняя скорость движения воздуха в тоннеле, ^

Форма поперечного сечения

Радиус

Плоедць поперечного сечения

Расчет расстояния до аварийного выхода, I.

Расчет величины расстояния Аф с учетом фактора формы поперечного сечения тоннеля

Расчет концентрации токсичного газообразного вещества С с использованием компьютерной модели

Расчет времени движения человека до аварийного выхода, I

Выбор мероприятий по защите человека от газового ( )актора

Расчет необходимого времени движения до безопасной зоны, 1 Расчет необходимого расстояния между аварийными выходами, Ы Обустройство передвижными спасательными пунктами Аварийный режим вентиляции

Расчет необходимой скорости движения

воздуха и определение его направления,у

Рис.11. Алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору

Максимальное требуемое расстояние между аварийными выходами может пересчитываться относительно принятого нормируемого с учетом коэффициентов заполнения тоннеля пожарными газами.

На следующем этапе алгоритма производится сравнение расчетной концентрации со значением ПДК. При превышении расчетной концентрации газа ПДК необходимо применять мероприятия по защите людей от воздействия газового фактора в зависимости от стадии жизненного цикла тоннеля (проектирование, строительство, эксплуатация). При проектировании противопожарной защиты тоннелей большого сечения на основе разработанного алгоритма производится прогнозирование различных сценариев пожаров. Далее производится расчет необходимого времени движения до безопасной зоны, необходимого расстояния между аварийными выходами, а также принимается решение о необходимости обустройства тоннеля передвижными спасательными пунктами. Для тоннелей, находящихся в процессе строительства или эксплуатации, основным мероприятием по защите людей от воздействия газового фактора служит аварийный режим вентиляции, заключающийся в регулировании работы вентиляторных устройств для' обеспечения подачи необходимого количества воздуха и вытяжки дымовых газов. Это позволяет обеспечить снижение концентрации пожарных газов, незадымленность путей эвакуации, а также создание благоприятных условий для ликвидации аварии.

Результаты исследований приняты для разработки системы пожарной безопасности комплекса тоннелей дороги Адлер - Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» в районе г. Сочи. Рассматриваемый объект представляет собой строящийся в настоящее время двухполосный автотранспортный тоннель длиной около 2,3 км и площадью поперечного сечения 130 м2. Для условий данного объекта был смоделирован процесс газопереноса при пожаре, и на основе оценки газового фактора с помощью разработанного алгоритма определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого

сечения по газовому фактору наиболее безопасным вариантом формы поперечного сечения из предложенных, с учетом технологии сооружения (круглая, полукруглая и прямоугольная с круглым сводом), был определен вариант круглой формы. На основе этого даны рекомендации по размещению аварийных выходов, в частности определено максимальное расстояние между ними, обеспечивающее безопасность людей при эвакуации в случае воздействия газового фактора при пожаре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для горного дела задачи повышения пожарной безопасности при строительстве и эксплуатации тоннелей большого сечения по газовому фактору путем обоснования параметров системы пожарной безопасности данных сооружений с учетом динамики пожарных газов в пространстве тоннелей.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. На основе анализа технических мероприятий, нормативно-правовой базы и научных исследований в области безопасности человека при пожарах в горных выработках различного назначения установлено, что при оценке газового фактора необходимо учитывать современные особенности тоннелей, заключающиеся в значительной протяженности и больших площадях поперечных сечений, влияющих на пространственное распределение газообразных продуктов горения во времени.

2. Установлено, что основными параметрами, определяющими безопасность тоннелей большого сечения по газовому фактору при пожарах, являются: площадь и форма поперечного сечения тоннеля, скорость движения воздуха, высота от почвы тоннеля, время от начала пожара.

3. Разработана математическая модель процесса переноса пожарного газа

в атмосфере тоннеля, отражающая влияние движения воздуха, подъемной силы и диффузии на газоперенос и позволяющая определять и прогнозировать величину концентрации газа с учетом пространственных и временных характеристик.

4. Исследования влияния форм поперечного сечения тоннеля на безопасность людей при пожаре по газовому фактору, позволили разработать коэффициенты заполнения тоннеля пожарными газами кф, а также установить, что наиболее безопасным вариантом формы поперечного сечения тоннеля относительно прямоугольной является эллиптическая форма (кф = 0,78).

5. Проведено физическое моделирование процесса переноса пожарного газа в атмосфере тоннеля, при этом расхождение с результатами математической модели не превысило 23%.

6. Установлены зависимости концентрации пожарного газа от расстояния до источника пожара при различных формах поперечного сечения тоннеля, средней скорости движения воздуха, высоты от почвы тоннеля, времени от начала пожара и площади поперечного сечения тоннеля.

7. Разработан алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору, включающий следующие этапы: расчет концентрации пожарного газа на основе компьютерной модели; расчет расстояния до аварийного выхода; расчет времени движения человека до аварийного выхода; мероприятия по защите людей от воздействия газового фактора.

8. Методические рекомендации по защите человека при пожаре в тоннелях большого сечения на этапе разработки проекта противопожарной защиты объекта и снижению опасных концентраций пожарного газа реализованы для условий строящегося комплекса тоннелей дороги Адлер -Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» в районе г. Сочи.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Сологуб О.В., Умнов В.А. Анализ причин возникновения пожаров в эксплуатируемых транспортных тоннелях II Известия ТулГУ. Естественные науки. Серия: «Науки о Земле». - 2007. - Выпуск 2. - С.281-283.

2. Сологуб О.В. Влияние естественной тяги на проветривание Краснополянского тоннеля // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 1- С.32-34.

3. Кобылкин С.С., Сологуб О.В. Обзор существующих средств программного обеспечения для моделирования вентиляции подземных сооружений и шахт. // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2009. - №ОВ 13 «Аэрология». - С. 115-132.

4. Сологуб О.В. Обоснование параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору. Деп. рук. № 818/03-11 от 23 декабря 2010 г. (6 стр.) // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. 3.

Подписано в печать 26. ОЗ -20// Формат 60x90/16 Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ №

ОИУП МГГУ, Москва, Ленинский проспект, д. 6

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ

БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ТОННЕЛЬНОГО ТИПА.

1.1. Современное состояние в области развития тоннелестроения в России и мире.

1.2. Аварийные ситуации в современных тоннелях.

1.3. Опасные факторы, действующие на людей при пожарах в тоннелях большого сечения.

1.4. Исследования в сфере обеспечения безопасности людей при пожарах в современных тоннелях.

Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ТОКСИЧНОГО ВЕЩЕСТВА ПРИ ПОЖАРЕ В ТОННЕЛЕ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ.

2.1. Анализ особенностей современных тоннелей большого сечения.

2.2. Исследование факторов, влияющих на процесс распространения токсичного вещества при пожаре в тоннеле большого сечения.

2.3. Анализ методов моделирования процесса газопереноса в подземных сооружениях тоннельного типа и обоснование методики моделирования.

Выводы.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗОПЕРЕНОСА В

ТОННЕЛЕ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ.

3.1. Разработка математической модели процесса газопереноса в тоннеле

3.2. Компьютерное моделирование процесса газопереноса в тоннеле большого сечения при пожаре.

3.3. Исследование влияния форм поперечного сечения тоннеля на процесс газопереноса при пожаре.

3.4. Физическое моделирование процесса газопереноса в тоннеле большого сечения при пожаре.

3.5. Выявление зависимостей концентрации пожарного газа от расстояния до источника пожара при различных формах поперечного сечения тоннеля, средней скорости движения воздуха, высоты от почвы тоннеля, времени от начала пожара и площади поперечного сечения тоннеля.

Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ.

4.1. Разработка алгоритма определения параметров безопасности тоннелей большого сечения при пожаре.

4.2. Формирование рекомендаций по защите людей от газового фактора при пожаре в тоннеле большого сечения.

4.3. Реализация результатов работы на совмещенной (автомобильной и железной) дороги Адлер -горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» в районе г. Сочи.

Актуальность работы. В последнее время все больше внимания уделяется строительству и эксплуатации подземных объектов различного назначения, особенно широкие масштабы приобретает строительство тоннелей большого сечения. Это вызвано высокой стоимостью земли, необходимостью сохранения природного ландшафта и другими причинами.

Опыт эксплуатации тоннелей свидетельствует о том, что пожары в них происходили и происходят во всем мире и нередко приводят к катастрофическим последствиям. Так, с 2000 по 2001 гг. было 3 крупных пожара в автодорожных тоннелях Европы, унесших жизни 191 человека. В 2005 и 2007 гг. также не удалось избежать жертв при пожарах в тоннелях Италии. В последнее десятилетие в России было сдано в эксплуатацию много транспортных тоннелей, при этом уже было зафиксировано несколько серьезных пожаров и возгораний, при которых был нанесен ущерб здоровью людей как следствие отравления газообразными продуктами горения, в частности угарным газом. Таким образом, защита человека при пожаре в тоннелях большого сечения прежде всего должна быть направлена на снижение опасного воздействия угарного газа, то есть на снижение его концентраций до предельно допустимых значений.

На сегодняшний день для защиты людей от опасного воздействия газового фактора в подземном сооружении применяются технические и организационные мероприятия, основанные на большом опыте, накопленном при добыче полезных ископаемых, а также при строительстве и эксплуатации тоннелей различного назначения. Основную роль при этом играет вентиляция. Но имеющиеся решения не всегда обеспечивают необходимый уровень защиты людей.

В научных исследованиях, проведенных ранее в области безопасности горных выработок по газовому фактору, отражены вопросы снижения опасного воздействия на людей токсичных газовоздушных смесей, образовывающихся при пожаре. Однако до сих пор не рассматривались существенно изменившиеся в последнее время условия современных тоннелей, заключающиеся в больших площадях поперечных сечений, увеличении их протяженности и связанной с этим большой плотности людей и материальных объектов, находящихся в них. Поэтому научные исследования, направленные на определение параметров системы пожарной безопасности для тоннелей большого сечения, в настоящее время являются весьма актуальными.

Цель работы - установление зависимостей концентрации пожарного газа в атмосфере тоннелей большого сечения от влияющих в пространстве и времени факторов для обоснования параметров системы пожарной безопасности тоннелей, позволяющей снизить воздействие на людей газового фактора.

Идея работы заключается в применении математического моделирования процесса газопереноса в пространстве тоннеля большого сечения с течением времени от момента начала пожара.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

• Оценка газового фактора в атмосфере тоннеля при пожаре осуществляется с учетом распределения концентрации пожарного газа путем математического моделирования газопереноса по протяженности и высоте сооружения под действием скорости движения воздуха, подъемной силы, диффузии.

• Влияние формы поперечного сечения на степень заполнения атмосферы тоннеля пожарными газами определяется с помощью предложенных коэффициентов кф, основанных на сопоставлении высоты загазованной области при различных формах сечения выработки.

• Оптимальные параметры системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору, включающие расстояние между аварийными выходами, время эвакуации людей, рекомендуемую 5 скорость движения воздуха, целесообразно определять на основе полученных зависимостей концентрации пожарного газа от расстояния до очага пожара с учетом коэффициента заполнения тоннеля пожарными газами кф\ средней скорости движения воздуха в тоннеле; времени от начала пожара; высоты от почвы выработки; площади поперечного сечения.

• Разработанный алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору позволяет оптимизировать их путем подбора защитных мероприятий на разных стадиях жизненного цикла тоннелей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- анализом большого количества научно-технических материалов и литературных источников о пожарной безопасности подземных сооружений;

- представительным объемом исследований с использованием лабораторного стенда «Моделирование процессов газопереноса в сооружениях тоннельного типа»;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований процесса переноса пожарного газа в атмосфере тоннеля (погрешность не более 23%).

Научное значение работы состоит в разработке методического подхода к определению параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения на основе учета динамики пожарных газов.

Практическая значимость исследований состоит в разработке рекомендаций по повышению безопасности людей при пожарах в тоннелях большого сечения на стадиях проектно-планировочных решений сооружения, его строительства и эксплуатации.

Реализация работы. Результаты исследований приняты для использования при разработке системы пожарной безопасности строящегося комплекса тоннелей дороги Адлер - Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» в районе г. Сочи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2008 - 2009 гг., научной конференции стипендиатов Германской службы академических обменов в 2009 г. в г. Бонн (Германия), международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов» в г. Москве в 2010 г., научных семинарах кафедр «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона», «Аэрология и охрана труда».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научных работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения; содержит 20 таблиц, 39 рисунков, список литературы из 115 наименований.

Выводы

Разработана математическая модель процесса переноса пожарного газа в атмосфере тоннеля, отражающая влияние движения воздуха, подъемной силы и диффузии на газоперенос и позволяющая определять и прогнозировать величину концентрации газа с учетом пространственных и временных характеристик.

Исследования влияния форм поперечного сечения тоннеля на безопасность людей при пожаре по газовому фактору, позволили разработать коэффициенты заполнения тоннеля пожарными газами кф, а также установить, что наиболее безопасным вариантом формы поперечного сечения тоннеля относительно прямоугольной является эллиптическая форма (кф = 0,78).

Установлены зависимости концентрации пожарного газа от расстояния до источника пожара при различных формах поперечного сечения тоннеля, средней скорости движения воздуха, высоты от почвы тоннеля, времени от начала пожара и площади поперечного сечения тоннеля.

4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО

СЕЧЕНИЯ ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ

4.1. Разработка алгоритма определения параметров безопасности тоннелей большого сечения при пожаре

Для реализации последовательности действий по определению и использованию параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору разработан соответствующий алгоритм, представленный на рис. 4.1.

Исходными данными для определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения являются характеристики объекта, а также информация о пожаре и состоянии воздушной среды на момент пожара. К характеристикам объекта относятся длина тоннеля, площадь поперечного сечения и данные о его форме, радиус в случае круглых частей формы сечения. При возникновении пожара необходима информация о месте возникновения очага пожара, его мощности, значениях температуры окружающей воздушной среды и температуры пожарных газов, а также величине средней скорости движения воздуха.

На ' первом этапе алгоритма производится расчет концентрации пожарного газа с использованием разработанной компьютерной модели. Исходными данными для расчета являются: температура окружающей среды Тв, температура пожарного газа Тг, средняя скорость движения воздуха в тоннеле уср, начальная концентрация пожарного газа в объеме-«очаг пожара», а также геометрические характеристики тоннеля: длина, площадь поперечного сечения и его форма.

Основываясь на данных о концентрации пожарного газа, полученных с использованием компьютерной модели, далее определяется расстояние от самой высокой точки кровли тоннеля до отметки, на которую опустились пожарные газы кф для прямоугольной формы.

Исходные данные I

Параметры тоннеля Аварийная ситуация «Пожар»

Длина Место аварии Температура пожарного газа Тг, температура окружающей среды Тв, концентрация газа в элементарном объеме-«очаг пожара», средняя скорость движения воздуха в тоннеле мср

Форма поперечного сечения

Радиус

Площадь поперечного сечения

Расчет расстояния до аварийного выхода I. 1

Расчет величины расстояния кф с учетом фактора формы поперечного сечения тоннеля 1

Расчет концентрации токсичного газообразного вещества С с использованием компьютерной модели

Расчет времени движения человека до аварийного выхода 1

Выбор мероприятий по защите человека от газового с )актора

Расчет необходимого времени движения до безопасной зоны, 1 Расчет необходимого расстояния между аварийными выходами 1ав Обустройство передвижными спасательными пунктами Аварийный режим вентиляции I

Расчет необходимой скорости движения воздуха и определение его направления, у

Рис.4.1. Алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору

С учетом коэффициентов заполнения тоннеля пожарными газами кф расстояние кф пересчитывается для случая с рассматриваемой формой. Величина 1ц необходима для обоснования наиболее безопасного варианта формы поперечного сечения тоннеля. Но решение по выбору формы поперечного сечения с точки зрения безопасности людей по газовому фактору принимается на стадиях разработки проекта тоннеля большого сечения.

Расчет времени эвакуации, при котором люди могут находиться в безопасных условиях по газовому фактору (концентрация газа не превышает ПДК), производится как сумма времени движения человека в области с концентрацией меньшей ПДК и в областях с концентрациями токсичного газа большей ПДК ^ на основе знаний о средней скорости движения человека по горизонтальной выработке в условиях задымленности.

Максимальное требуемое расстояние между аварийными выходами может пересчитываться относительно принятого нормируемого с учетом коэффициентов заполнения тоннеля пожарными газами.

На следующем этапе алгоритма производится сравнение расчетной концентрации со значением ПДК. При превышении расчетной концентрации газа ПДК, необходимо применять мероприятия по защите людей от воздействия газового фактора, которые принимаются в зависимости от стадии жизненного цикла тоннелей (проектирование, строительство, эксплуатация). При проектировании противопожарной защиты тоннелей большого сечения, на основе разработанного алгоритма производится прогнозирование различных сценариев пожаров. Далее производится расчет необходимого времени движения до безопасной зоны, необходимого расстояния между аварийными выходами, а также принимается решение о необходимости обустройства тоннеля передвижными спасательными пунктами. Спасательные камеры и передвижные спасательные пункты организуются в тоннеле, выход по которому может быть неосуществим из-за большой задымленности, загазованности и других обстоятельств. В камерах

119 или у пунктов люди должны иметь возможность дождаться помощи или воспользоваться самоспасателями. Камеры и пункты должны содержать запас самоспасателей, средств первой помощи, а также средств для обновления воздуха (от баллона, из пневмосети, через скважины с поверхности и т.д.).

Для тоннелей, находящихся в строительстве или эксплуатации, основным мероприятием по защите людей от воздействия газового фактора служит аварийный режим вентиляции, заключающийся в регулировании работы вентиляторных устройств для обеспечения подачи необходимого количества воздуха и вытяжки дымовых газов. Это позволяет обеспечить снижение концентрации пожарных газов, незадымленность путей эвакуации, а также создание благоприятных условий для ликвидации аварии.

4.2. Формирование рекомендаций по защите людей от газового фактора при пожаре в тоннеле большого сечения

Пожарные газы, распространяющиеся по тоннелю, постепенно охлаждаются, перемещаются вниз к дорожному полотну и перемешиваются со свежим воздухом, поступающим со стороны портала. Такой эффект можно предотвратить механическим путем. Осевые вентиляторы, установленные во многих тоннелях для вентиляции при нормальных условиях, являются в данном случае не очень эффективными, так как они выдувают токсичные горячие газы от источника в сторону одного из порталов, что препятствует эффективной работе спасательной бригады с этой стороны тоннеля (на основании тестов, исследования пожаров в тоннелях, натурные эксперименты, Норвегия) [96].

При проектировании системы тоннельной вентиляции согласно [57] следует учитывать:

- нормируемые параметры микроклимата и состава воздуха в сооружениях согласно 5.17;

- нормируемые метеорологические условия города;

- гидрогеологические условия залегания линии;

- наличие термальных и сернистых вод в окружающих грунтах;

- выделение радона, метана и иных газов из окружающих грунтов;

- преобладание количества приточного воздуха над удаляемым на 15 -20%;

- обеспечение не менее чем трехкратного воздухообмена в час по внутреннему объему пассажирских и других помещений, обслуживаемых тоннельной вентиляцией;

- подачу наружного воздуха не менее 30 мЗ/ч, а в часы пик - не менее 50 мЗ/ч на одного пассажира;

- обеспечение предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе тоннелей и пассажирских помещений;

- годовой тепловой баланс, обеспечивающий допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха при минимальном росте температуры окружающих грунтов;

- дымоудаление при пожаре на станции или в тоннеле;

- влияние негативных факторов, возникающих при прогнозируемых чрезвычайных ситуациях техногенного и другого характера;

- применение устройств для снижения шума и вибрации, возникающих при работе вентиляционных агрегатов;

- применение мероприятий по снижению влияния эффекта "дутья", возникающего при движении поездов.

При возникновении пожара к вентиляции предъявляются требования защиты людей от пожарных газов (при выводе их из подземного сооружения и во время работ по ликвидации пожара), предупреждение распространения пожара. Выбор вентиляционного режима при пожаре зависит от места его возникновения и мощности, количества выделяемых пожарных газов, схемы вентиляции, путей вывода людей, наличия средств регулирования воздушными потоками [2].

Количество воздуха, которое необходимо подавать в тоннель по условиям обеспечения разбавления и эффективного разбавления вредных веществ, выделяемых транспортными средствами в наиболее неблагоприятном режиме работы и окружающим тоннель горным массивом, до уровня предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ, а также по условиям тепловыделений, следует определять расчетом [59].

Расчет воздухообмена по содержанию вредных веществ в воздухе транспортной зоны тоннеля (отнесенному к внутреннему его объему) следует определять только по окиси углерода СО, выделяемой с выхлопными газами дизельных и карбюраторных двигателей, концентрация которых не должна превышать значений, приведенных в табл. 4.1 [58].