автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Совершенствование средств и способов тушения подземных пожаров в угольных шахтах

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние и задачи исследований по обеспечению безопасности 8 тушения подземных пожаров

1.1. Критические условия возникновения взрыва

1.2. Способы флегматизации горючих смесей и эффективность 12 тушения пламенного горения при ликвидации эндогенных пожаров

1.3. Существуюш;ие методы предотвращения взрывов и ликвида- 16 ции эндогенных пожаров

1.4. Задачи исследований

2. Аналитические исследования распределения фильтрационных 20 потоков воздуха в выработанном пространстве

2.1. Исследование распределения фильтрационных потоков возду- 20 ха в выработанном пространстве

2.2. Исследование фильтрационных потоков флегматизаторов под 31 действием общешахтной депрессии

2.2.1. Ввод газообразного азота в выработанное пространство 31 с откаточного горизонта

2.2.2. Ввод в выработанное пространство с откаточного гори- 39 зонта паровоздушной смеси хладона 114 В

2.2.3. Запуск газообразного азота в выработанное простран- 49 ство по скважинам

3. Определение зон метанонакоплений и путей выхода открытого 62 огня в них

3.1. Оценка статистических данных по выходу огня и метанонако- 62 плений

3.2. Механизм выхода огня из выработанного пространства в дей- 65 ствующие выработки при эндогенных пожарах

4. Разработка средств флегматизации и воздействия на газовые 74 среды и открытый огонь при осложненных эндогенных пожарах и тактики их применения

4.1. Разработка средств подачи хладоновой смеси в выработанное 74 пространство шахт

4.2. Практическое применение на шахтах флегматизаторов при ло- 84 кализации и тушении эндогенных пожаров, осложненных угрозой взрыва

4.3. Тактика применения оборудования для флегматизации газо- 100 вых сред и ингибирования пламени

4.3.1. Тактика применения комплекса ПГХКА

4.3.2. Тактика применения комплекса оборудования для механизации и безопасной изоляции в шахтах «КОМБИ»

В последние годы угольная промышленность России, одна из ведуш;их отраслей народного хозяйства, встала на путь ежегодного повышения добычи угля. В 2000 году добыча угля в Кузбассе составила 100 млн. тонн. Наибольшие трудности возникают при подземной разработке крутых пластов.

Ежегодно в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса добывается подземным способом более 10 млн. т угля, из них половина идет на коксование, причем потребность в коксующемся угле быстро растет.

Уровень механизированной добычи угля по Кузбассу на пластах с углами падения менее 35 град, составляет 86%, а на пластах крутого падения - 8,2%. Низкий уровень механизации добычи угля на пластах крутого падения и медленные темпы его роста обусловлены отсутствием средств механизации для специфических условий шахт Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения Кузбасса. Сложные условия залегания характеризуются большой мощностью пластов (10-16м и более), сближенностью, наличием нарушений, высокой газоносностью, склонностью углей к самовозгоранию.

Несмотря на большой объем проводения профилактических мероприятий на шахтах ОАО «Прокопьевскуголь» и ОАО «Киселевскуголь» эндогенные пожары еще имеют место и приносят огромный экономический ущерб шахтам.

По числу ежегодно возникающих эндогенных пожаров ОАО «Прокопьев-скуголь» и ОАО «Киселевскуголь» занимают первое место в угольной промышленности России. Если абсолютное число ежегодно возникающих пожаров имеет тенденцию к снижению, то степень тяжести процесса ведения горноспасательных работ по локализации и тушению эндогенных пожаров увеличивается.

Почти каждый второй эндогенный пожар осложняется пламенным горением, при котором огонь выходит в действующие выработки или взрывоопасной ситуацией, характеризующейся наличием концентрации горючих газов выше нижнего предела взрываемости. Ликвидация осложненных эндогенных пожаров повышает опасность ведения горноспасательных работ, приводит к несчастным и смертельным случаям с горноспасателями.

Поэтому разработка безопасных и надежных способов тушения эндогенных пожаров и предотвраш;ение взрывов при этом является актуальной задачей, имеющ;ей важное народнохозяйственное и социальное значение. Решение этой задачи может быть достигнуто созданием средств инертизации взрывоопасной среды с применением азота и новых средств подачи флегматизаторов в зону очага пожара.

Все исследования выполнены по тематике Российского научно-исследовательского института в лаборатории горноспасательного дела при непосредственном участии автора в проведении лабораторных и шахтных испытаний.

Цель работы - повысить безопасность ведения горноспасательных работ по локализации и тушению подземных пожаров, осложненных взрывами газов.

Задачи исследований: исследовать закономерности движения фильтрационных потоков воздуха в выработанном пространстве и пути миграции флегматизаторов; установить опасные зоны накопления метана при эндогенных пожарах в выемочных полях и пути выхода огня в них; выявить режимы подачи флегматизаторов во взрывоопасные зоны накопления метана; разработать образцы оборудования для флегматизации газовых сред и тушения пламенного горения при ликвидации эндогенных пожаров с применением жидкого азота и хладона 114В2 и тактику применения разработанной техники.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При вводе паров хладона 114В2 концентрацией 1,1% с откаточного штрека в выработанное пространство флегматизируется только локальная область, в непосредственной близости от точки ввода, так как действующие напоры на участках не обеспечивают транспортирование паров хладона в спутном патоке.

2. Способ ввода газообразного азота с откаточного горизонта эффективно флегматизирует объем выработанного пространства между откаточным и вентиляционным горизонтами, при условии непрерывного испарения 1мА/ч жидкого азота на протяжении свыше 24 ч.

3. При запуске азота в выработанное пространство с поверхности, производительность скважины от 6 до 15 мАмин не позволяет достигнуть 87% флег-матизации, а увеличение подачи азота до 30 мА/мин обеспечивает флегматиза-цию за 5 ч, еш;е большее увеличение - до 100 мУмин - обеспечивает флегмати-зацию за 2 ч.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается: обоснованностью принятых исходных предпосылок с использованием современных представлений научных основ взрывобезопасности при работе с горючими газами; успешным использованием нормативных документов, регламентирующих применение способов и средств флегматизации в подразделениях ВГСЧ Кузбасса; положительными результатами многолетнего внедрения и использования разработанных способов и средств тушения на 22 шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.

Научное значение работы заключается: в получении численного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс фильтрации газов в выработанном пространстве при его аэродинамической связи с дневной поверхностью и различных режимах запуска флегматизаторов; в установлении закономерности изменения перепада давления между очистным забоем и вентиляционным горизонтом. При уходе щита от отметки 20 м до50и80м перепад давления увеличивается и составляет 40 и 50 Па. Величина градиента давления изменяется в обратной последовательности и составляет соответственно 1,5; 0,8; 0,75 Па/м; в процессе движения очистного забоя, при уравненном давлении свыше 90% утечек воздуха составляют утечки из рабочего горизонта в действуюш;ие выработки и 10% выносятся на дневную поверхность. С уменьшением высоты выемочного столба утечки на дневную поверхность уменьшаются; в определении эффективного режима подачи флегматизаторов по скважинам с поверхности и с откаточного штрека в спутный поток утечек в выработанное пространство.

Практическое значение работы сводится к разработке: способов и средств подачи флегматизаторов в выработанное пространство и горные выработки пожарных участков, обеспечивающих безопасность ведения горноспасательных работ; технологических схем применения разработанных средств и тактики военизированных горноспасательных частей в шахтах по локализации и тушению пожаров, осложненных угрозой взрыва газов.

Аналитические исследования закономерностей движения фильтрационных потоков воздуха в выработанном пространстве и путей миграции флегмати-заторов, включающие большой объем вычислительных операций на ЭВМ, выполнялся коллективом научных работников. Поэтому в различные периоды времени при проведении вычислительных операций по численному решению системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс фильтрации газов в выработанном пространстве, при его аэродинамической связи с дневной поверхностью, и различных режимах запуска флегматизатора принимали участие сотрудники лаборатории ведения горноспасательных работ при тушении пожаров ВО ВПИИГД Д.Ю. Палеев и В.И. Почуева.

Личный вклад автора, в данной части исследований, заключается в постановке задачи исследований, разработке методики, научном обобщении и интерпретации результатов исследований, выявлении закономерностей, реализации выводов и подготовке к опубликованию результатов проделанной работы.

Кроме этого автором установлено: закономерность изменения перепада давления между отметкой очистного забоя и вентиляционным горизонтом; в определении потенциально взрывоопасных зон скопления метана в выемочных участках крутопадающих пластов и условий предотвращения взрывов газов в них; в определении эффективного режима подачи флегматизаторов с поверхности по скважинам и с откаточного штрека; в разработке нормативных документов по размещению и эксплуатации криогенной техники в шахтах Кузбасса; в разработке и внедрении способов и средств применения жидкого азота и хладона 114В2, тактики ВГСЧ при ведении горноспасательных работ в шахтах по локализации и тушению подземных пожаров; в обучении личного состава подразделений ВГСЧ при внедрении результатов работы и ликвидации пожаров на шахтах.

Диссертация основывается на работах, выполненных Российском НИИ горноспасательного дела при непосредственном участии автора.

Автор считает своим долгом выразить благодарность докт. техн. наук Голику A.C. и докт. техн. наук Палееву Д.Ю.

Выводы

Определен эффективный режим подачи флегматизаторов по скважинам с юверхности и с откаточного штрека в шахте в спутный поток в выработанное фостранство от 30 до 100 мЛмин.

Разработаны, изготовлены и внедрены способы и средства для флегмати-ации газовых сред при локализации и тушении подземных пожаров, осложнен-[ых угрозой взрыва газов

Разработана, испытана и внедрена тактика военизированных горноспаса-ельных частей при ведении горноспасательных работ в чрезвычайных ситуа-щях с использованием криогенной и хладоно-криогенной техники.

Предложены меры безопасности при работе с криогенной и хладоно-:риогенной техникой.

Вставка

Рис. 4.13. Технологическая схема приготовления инертной вспененной суспензии в подземной горной выработке 1- пожарно-оросительный труборовод; 2 - испарительный блок комплекса «КОМБИ»; 3 - пеносмеситель; 4 - емкость для пенообразователя; 5 - Насос типа ШПНП; 6 - глинистая пульпа; 7 - пеногенератор типа «Циклон»; 8 - трубопровод; 9 - газообразный азот.

Рис. 4.14. Схема применения комплекта оборудования «КОМБИ»

1 - комплект оборудования «КОМБИ»; 2 - пожарно-оросительный трубопровод; 3 - трубопроводы подачи сжатого газообразного азота; 4 - емкость пенообразователя; 5,6 - емкость антипирогена; 7- емкость смеси заполнителя; 8 - насос ШПНП-1; 9 - смеситель эжекционный ПС-1; 10 - трубопровод напорный; 11- тройник; 12 - пика пожарная ПП-3; 13 - купол горной выработки

113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований газодинамических процессов и разработке средств флегмати-зации и воздействия на газовые среды при подземных пожарах, а также тактики их применения изложены новые технические решения, повышающие безопасность горноспасательных работ в чрезвычайных ситуациях при ликвидации подземных пожаров в угольных шахтах.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель газодинамических процессов в выработанном пространстве щитового выемочного поля с учетом аэродинамической связи с земной поверхностью.

2. Установлены потенциально взрывоопасные зоны наиболее вероятного загазирования метаном, способные при наличии теплового импульса генерировать взрыв газа. Эти зоны включают подщитовое пространство, рассечку, входящую сбойку, вентиляционную сбойку.

3. Предложены пути и способы флегматизации потенциально взрывоопасных зон. Доказано расчетным путем и экспериментально, что оптимальным является режим проветривания выемочного участка, при котором действующий напор на вентиляционном горизонте превышает нулевое значение на 30-50Па (Н/мЛ), что способствует выносу вредных и взрывоопасных газов из рабочего пространства.

4. Установлено, что воспламенение «газового шнура» от очага пожара происходит в двух случаях: в результате контакта взрывоопасной смеси газов с высокотемпературным очагом и при ее смешивании с высокотемпературным газовым потоком, истекающим из очага. Воспламенение происходит при трех обязательных условиях: температура контактной поверхности должна превышать температуру зажигания, а температура, устанавливающаяся в результате смешивания продуктов горения и смеси газов, составляющих «газовый шнур» превышает температуру самовоспламенения смеси газов: скорость выделения тепла должна быть выше скорости теплоотвода во внешнюю среду - в стенках «газового шнура».

5. Установлен механизм выхода открытого огня из выработанного пространства. Предотвращение взрыва газов возможно при выполнении одного из следующих пяти условий: ликвидирован очаг пожара - источник теплового инициирования взрыва газа; полностью флегматизирована взрывоопасная среда в зоне накопления метана в выработанном пространстве; произведено флегматизирующее блокирование выхода «газового шнура» в зону накопления метана; осуществлен разрыв «газового шнура» между очагом горения и зоной накопления метана; произведена флегматизация «газового шнура» между очагом горения и зоной накопления метана.

6. При запуске газообразного азота в выработанное пространство по скважинам с производительностью 6, 15, 30, бОмЛ/мин установлено, что производительность 6 и 15мЛ/мин не позволяет достигнуть 87% флегматизации; увеличение подачи до 30мУмин изменяет поле концентрации до 87% азота, который распространяется по пути фильтрационного потока за 5часов. Увеличение производительности скважины по азоту до 60, ЮОмЛмин обеспечивает мощный поток, истекающий по направлению фильтрации и захватывающей область ниже линии скважин на глубину 10-12м, что создает эффект притормаживания набегающего фильтрационного потока.

7. Разработано 15 новых способов и устройств, обеспечивающих безопасность горноспасателей в чрезвычайных ситуациях по ликвидации подземных пожаров. Отработаны тактико-технические приемы использования новой техники и технологические схемы ее применения.

1. Розловский А.И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. Изд. Химия, М., 1972.-365с.

2. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.- М., Наука, 1968. 492с.

3. Набандян А.Б., Воеводский В.В. Механизм окисления и горения кислорода. М., из-во АН СССР, 1949.

4. Руководство по применению азота и инертных газов для борьбы с эндогенными пожарами в шахтах. Ред. изд. Отдел Кемерово, 1984.

5. Rosser W, Jnamis, Wies Н, Comb. Flame, 195 (1963).

6. Friedman R, Lewy J. Comb. Flame, 195 (1963).

7. Laak, Wagner H. 8 the Symposium (Jntemational) on Combustion.p. 432-438.

8. Berl B, Fire Res Abstr, 3, 113, 1961.

9. Чеховских A.M., Гудков В.И., Шадрин П.Н, и др. Детонационное горение метана в тупиковых выработках шахт. Техника безопасности , ожрана груда и горноспасательное дело, 1968, №11-12, с. 17-18.

10. Петров А.И., Голик А.С., Палеев Д.Ю., Лагутин В.И. Опыт предотвращения взрывов и тушение пожаров на шахтах Кузбасса. М. 1984. с.52.

11. Баратов А.Н.,Иванов Е.П. Пожаротушение на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, М., «Хи-уия», 1971.

12. Баратов А.Н. Химическое ингибирование пламен. Ж. ВХО им. Менделеева, №3,1967, с. 176-284.

13. O'Heal С/ Effects of Halogenaated extinguiching Agents of Fiame Que-leting of The Action Symposium Jntemational on Combustion, 1956.

14. Устав военизированных горноспасательных частей по организации и ведению горноспасательных работ в уугольных и сланцевых щахтах. М. 1991. -185.

15. Руководство по применению азота для предотвращения взрывов при изоляции пожарных участков шахт, Донецк, 1979.

16. Чеховских A.M., Гудков В.И., Шадрин П.Н., Плотников В.М. Способ локализации взрывов газов и пылив шахтах. А.с. №250081, БИ № 26,М. , 1969.

17. Чеховских A.M., Шадрин П.Н., Плотников В.М., Дик А.Н. Взрыво-Астойчивая противопожарная перемычка. А.с.№258218, БИ №1, М., 1970.

18. Зельдович Я.Б., Баренблат Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М., Наука, 1981.

19. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности приработе с горючими газами и парами. М., «Химия» , 1980.

20. Чеховских A.M., Гудков В.И., Шадрин П.Н. и дрю Детонационное Аорение метана в тупиковых горных выработках шахт. Техника безопасности, эхрана труда и горноспасательное дело. ЦНИЭИуголь,1968, №11-12.

21. Бвратов А. , Тесленко Г., Макеев В. Новый огнетушащий состав Тожарное дело, 1973, № 11.

22. Провести исследования по установлению области применения способа выравнивания давления воздуха для борьбы с подземными пожарами и га-юм. Отчет. 1978г. Фонды ВО ВНИИГД.

23. Отчет «Изучение процессов самонагревания и самовозгорания углей.» -М: Фонд МХТИ им. Д.И.Менделеева мин. выс. и сред, образования СССР, 1982, С.93.

24. Саранчук В.И. Окисление и самовозгорание угля. Киев: Наукова думка, 1982, с. 163.

25. Отчет «Изыскание новых перспективных направлений по созданию способов и средств для предупреждения самовозгорания угля». Кемерово: Фонд ВостНИИМинуглепрома СССР, 1981, с. 143.

26. Отчет «Разработка и проверка в опытных условиях многоцелевого огнтушащего порошка на основе фосфатов и полифосфатов». Киев, фонд СНИЛ ВНИИПО МВД СССР в Киеве, 1980, с. 227.

27. Кучер Н,В„ Компанец В,А„ Бутузова Л.Ф, Структура ископаемых /глей и их способность к окислению. Киев: Наукова думка, 1980, с. 167.

28. Камнева А.И., Александров И.В. Современное состояние проблемы самонагревания и самовозгорания твердых горючих ископаемых. -ХТТ,1977, №4, с. 103-107.

29. Спицына Н.Г. Исследование начальной стадии автоокисления углей шектрохимическими методами. Диссерт. На соискание ученой степени санд.техн. наук: М. МХТИ им Д.И.Менделеева , 1982, с. 159.

30. Александров И.В., Гаврилов Ю.Г., Камнева А.И. Новые представления о механизме начальной стадии автоокисления и самонагревания твердых "орючих ископаемых. -ХТТ,19854, №5, с. 23-29.

31. Гандельсман Дизенфекционное дело . М: Медицина, 1971.

32. Веселовский B.C., Алексеева H.A.,Виноградова Л.П. Самовозгорание промышленных материалов. М.:1964, с.245.

33. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крьшов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах.- М: Недра, 1977, С.318.

34. Саранчук В.И. Борьба с горением породных отвалов. Киев: Наукова думка, 1978, с. 168.

35. Рабкин Р.Л., Аксенова Т.А. Усовершенствованный метод определения температуры вспышки ископаемых углей. ХТТ, 1975, №3, с.79-81.

36. Новицкий Н.В., Бабкин Р.Л., Мартынова М.И., ЛопаеваН.П., Меха-чева Л.А. «Исследование склонности к самовозгоранию углей новых месторождений Кузбасса. ХТТ, 1980,№5, с.29-33.

37. Смуткина З.С., вролова Н.В., Добровольский H.H. и дрю Применение метода дериватографии для оценки активности по отношению к кислороду воздуха бурого угля и продуктов его переработки.- ХТТ, 1989, №3, с.17-20.

38. Редькин СП., Зорин Ф.И. Влияние конечной температуры пиролиза угля на реакционную и характер взаимодействия коксовых остатков с кислородом.- ХТТ 1991, №6, с.91-95.

39. Саранчук В.И., Галушко Л.Я., Матвеев Н.Г. Микрокалориметриче-ZKOQ исследование процесса низкотемпературного окисления угля и углесодер-жащих пород. ХТТ, 1992, №2 с. 103-109.

40. Скочинский A.A., Макаров С. 3. Исследования о применениианти-пирогенов при борьбе с рудничными пожарами. М.-Л: изд. Академия наук СССР, 1947,с.238.

41. Замыслов В.А., Соболевский А.Л., Родэ В.В., Луковников А.Ф. Ин-гибирование окисления термически обработанных углей . ХТТ, 1982, №1, с. 114120.

42. Нешин Ю.И., Сухов В. А., Давыдова Ж.А., Луковников А.Ф. Термохимическое исследование низкотемпературного окисления термообработанных углей. ХТТ, 1991,№2, с.46-55.

43. Краткая химическая энциклопедия:т. 5- М.: Советская энциклопедия, 1967, с. 700-701, 709-710, 716-718.46. ГОСТ 1692-5547. ОСТ 6-01-76-79

44. Уэндландт Термические методы анализа.- пер. с англ. Яз. Под ред. Степанова В.А., Берштейна В. А. М.: Мир, 1978, с. 526.

45. Берг Л.Г. Введение в термографию. -М.: изд. Академии наук СССР, 1961,0.368.

46. Голик Г.А., Шмадченко В.П. Сравнительная оценка пенообразую-щей способности поверхностно- активных веществ, применяемых для тушения и покализации эндогенных пожаров, ВО ВНИИГД ВУ ВГСЧ Минуглепрома СССР. Кемерово, вып.9, с. 31-35.

47. Фельдман Л.П. Уравнение неустановившегося движения метановоз-душной смеси в выработках и выработанном пространстве участка. в кн. % ;*азработка месторождений полезных ископаемых. Вып.22, Киев1971,с.95-105.

48. Мясников A.A. Исследование метанообильности выработок в зави-жмости от интенсивности в порядке отработки выемочных участков. Диссерта-дия на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., ИГД, АН СССР, 1959.

49. Маевская В.М., Поликаров А.Г., Бонецкий В.А. Рраспределение дав-тения и скорости воздуха в выработанном пространстве. В кн. Вентиляция пахт и предупреждение эндогенных пожаров. Тр.ВостРШИ. Том 26, Кемерово, 975,с.28-39.

50. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978, с.

51. Чубаров Б.В., Чуприков А.Е., Гильденберг А.И. и др. Способ создания изолирующей перемычки и ее ликвидации. Патент РФ на изобретение № 2148719.

52. Чубаров Б.В., Чуприков А.Е., Моськин А.Б., Лапин В.А. Способ тушения пожара в куполе горной выработки шахты. Патент РФ №2136889,БИ №25, 1999.

53. Чубаров Б.В., Чуприков А.Е., Транспортная автомобильная станция по сервисному обслуживанию криогенной техники «КРИОТАССервис», Кемерово, ЦНТИ, 1995г. №145.

54. Голик А.С., Чубаров Б.В., Федорович А.П., СинА.Ф Механизм вы-кода огня из выработанного пространства в действующие выработки при эндогенных пожарах. Вестник Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Кемерово, 2000.

55. Чубаров Б.В., СинА.Ф., Федорович А. П. Эффективность тушения пламенного горения при ликвидации эндогенных пожаров. Вестник Междуна-эодной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Кемерово, 2000.