ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Важным условием успешного развития угольной промышленности является ускорение темпов очистных работ. В этой связи первостепенное значение приобретает своевременный ввод в действие подготовительных выработок. Дальнейшее совершенствование горнопроходческих работ сдерживается пожарами, в оперативном тушении которых заложен значительный резерв роста производительности труда в очистных забоях.

Пожары в тупиковых горных выработках, особенно пройденных по газоносным угольным пластам, характеризуются отсутствием подступов для непосредственного воздействия на очаг огнетушащими средствами, возможностью ведения работ только со стороны исходящей вентиляционной струи с высокой температурой и задымленностью, опасностью нарушения вентиляционных труб, возможностью скопления горючих газов до взрывоопасной концентрации [1].

Активное тушение пожара в таких условиях – крайне опасная операция ввиду того, что в любой момент может произойти вспышка или взрыв метано-воздушной смеси. Опасность возникновения взрывов значительно усложняет ведение аварийных работ, препятствует эффективному использованию традиционных огнетушащих средств (воды, пены, порошка и т.п.), создает угрозу здоровью и жизни горноспасателей. По этой причине более половины пожаров возникающих в тупиковых выработках газовых шахт, ликвидируется способом изоляции путем возведения специальных перемычек на дальних подступах к очагу пожара.

1. Цель, идея и научная задача работы

Целью работы является разработка эффективного способа локализации взрывных волн в тупиковых выработках газообильных шахт, обеспечивающего возможность активного тушения очага пожара при потенциальной угрозе взрыва метано-воздушной смеси.

Научная задача – установление закономерностей затухания энергии взрывной волны в среде воздушно-механической пены, обусловленных влиянием структурно-механических и реологических свойств дисперсной среды и разработка на этой основе инженерного метода расчета длины пенной пробки, обеспечивающей эффективную локализацию взрыва метано-воздушной смеси в тупиковой горной выработке.

Идея работы заключается в использовании воздушно-механической пены не только в качестве традиционного огнетушащего средства, но и в роли взрывоподавляющего вещества для повышения эффективности и безопасности тушения пожаров в тупиковых выработках шахт, опасных по газу и пыли.

2. Анализ подземных пожаров на предприятиях Украины

Из общего числа аварий в 2010 году наибольший удельный вес занимают подземные пожары – 28,5 %. Их количество в сравнении с 2009 годом уменьшилось на 7 пожаров.

Экономический ущерб от пожаров в 2010 году составил около 1,3 млн. грн, его удельный вес в ущербе от всех аварий этого года равен 51,5 %. Длительность ликвидации подземных пожаров в 2010 г. составила 903,5 часов (54,8  % от длительности ликвидации аварий), а трудоемкость их ликвидации – 38009 чел/часов (71,7 % от трудозатрат на ликвидацию аварий) [2].

За последние годы эти показатели имеют следующую динамику относительно общегодовых показателей (см. табл. 1, рис. 1).

Таблица 1. Удельные показатели от общегодовых показателей

Годы Ущерб, % Длительность, % Трудоемкость, %
2005 14,7 32,7 27,1
2006 57,8 63,9 63,5
2007 80,1 55 30,5
2008 78,7 42,3 52,8
2009 54,4 54 67
2010 51,5 54,8 71,7
Удельные показатели от годовых значений для подземных пожаров

Рисунок 1 – Удельные показатели от годовых значений для подземных пожаров

Из общего числа подземных пожаров 2010 г. (12), 9 были потушены активным способом, 3 изолированы. В 2-х случаях возгорающимся веществом был метан, 1 пожар имел эндогенное происхождение. Виды пожаров и их количество приведены в рисунке 2.

Сравнительные данные о количестве подземных пожаров за 1999–2009 годы

Рисунок 2 – Сравнительные данные о количестве подземных пожаров за 1999–2009 годы

Общий ущерб от экзогенных пожаров (11 подземных и 8 на поверхностных комплексах шахт) составил 7,5 млн. грн (соответственно 6,3 и 1,2 млн. грн), что составляет 27,6 % (53,6 % в 2009 году) общего ущерба от всех аварий и аварийных ситуаций [2]. При ликвидации экзогенных пожаров спасено материальных ценностей на сумму более 1229,3 млн. грн.

3. Динамика развития пожаров в тупиковых выработках газовых шахт

Внедрение в угольную промышленность стран новых современных систем разработки, прогрессивной технологии и высокопроизводительной угледобывающей техники незамедлительно потребовало увеличения протяженности подготовительных выработок и оснащения их высокоскоростными проходческими комбайнами. Это привело к тому, что тупиковые выработки, особенно в газовых шахтах, стали одним из потенциально возможных мест возникновения аварий, особенно пожаров, сопровождающихся горением метана.

Анализ аварийности угольных шахт Украины показывает, что за последние 10 лет количество пожаров в тупиковых выработках колеблется от 2 до 10 в год, а их доля составляет 7–9 % в общем количестве подземных пожаров [3].

При пожарах в тупиковых выработках газовых шахт, как правило, нарушается нормальный режим проветривания ввиду остановки ВМП или повреждения вентиляционных труб. При этом происходят сложные термодинамические процессы, которые приводят к увеличению в несколько раз метановыделений при повышении температуры угольного массива всего на 1–2 °С [1]. Вследствие изменения тепловых условий процессов горения, деструкции и десорбции горючих, газовый состав тупиковой выработки непрерывно изменяется. Для угля и древесины – основных горючих веществ горных выработок, характерны те же стадии горения, что и для обычных топок: сушка, возгонка летучих, непосредственное горение и газификация коксового остатка. На стадии сушки и возгонки выделяется влага и образуются новые органические вещества – летучие и нелетучие. Летучие выделяются в виде смеси горючих газов: водорода, метана и других углеводородов при сравнительно низких температурах (до 400 °С) [10]. На стадиях горения и газификации при 600–900 °С образуется окись и двуокись углерода в различных соотношениях в зависимости от условий, при которых идет процесс. Одновременно в пожарном участке газовых шахт происходит выделение газов, сорбированных в угле и породах. Обычно выделяется чистый метан, но иногда с примесями углекислоты и азота. Изредка вместе с метаном в небольших количествах выделяется водород, этан, этилен. При этом замкнутая форма конвективного потока в забое выработки, а также расположение очага пожара в средней ее части или вначале может привести к ускоренному накоплению горючих газов.

Анализ состава рудничной атмосферы как при активном тушении пожаров, так и при изоляции аварийного участка показывает, что метан в 97,8 % случаев – единственный горючий компонент пожарных газов [4]. Содержание его может расти от долей процента до нескольких десятков процентов.

Известно, что метан и воздух могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При наличии источника воспламенения смесь становится взрывоопасной, если в воздухе находится от 5 до 15 об.%. Наибольшей силы взрыв достигает, когда в атмосфере содержится 9,5 об.% газа, так как в этом случае метан полностью сгорает. При концентрации метана в воздухе свыше 16 об.% смесь спокойно горит без существенного повышения давления. Взрывоподобные реакции с малым эффектом нарастания давления зачастую называются вспышками. В качестве вспышек рассматривают реакцию замещения взрывчатых смесей вблизи нижнего или верхнего пределов взрываемости. Однако, различие в определении вспышки и взрыва кинетически не оправданы, так как вспышка представляет собой взрыв небольшой мощности.

4.Состояние техники безопасности и анализ современного опыта борьбы со взрывами пылегазовоздушных смесей при тушении подземных пожаров

Практика борьбы с подземными пожарами, а также проведенные в Украине и за рубежом научные исследования помогли найти эффективные средства и способы ведения горноспасательных работ. Наряду с техническим прогрессом в технологическом процессе выемки угля и созданием новых средств пожаротушения происходит усовершенствование существующих и создание новых средств тушения пожаров. Например, в результате перехода горных работ на более глубокие горизонты усложнились горнотехнические и горно-геологические условия, возросшее горное давление значительно затруднило поддержание горных выработок, подачу по ним необходимого количества воздуха к очистным и подготовительным забоям, увеличилась метанообильность угольных пластов. В связи с этим возросло количество пожаров, осложняющихся взрывами метано-воздушных смесей [5].

Ликвидация пожаров этого класса, как активным способом, так и методом изоляции пожарного участка сопряжена с опасностью поражения горноспасателей ударной волной. Это вызвало необходимость иметь на вооружении ВГСЧ высокоэффективные установки, изучить и освоить новые дистанционные способы подачи огнетушащих составов на очаг пожара. Поэтому были разработаны и внедрены в производство пенная установка «Вьюга», порошково-пенный комплекс «Буря», освоен способ дистанционной подачи воздушно-механической пены и огнетушащего порошка на очаг пожара по вентиляционным трубам. По этой же причине был разработан и применяется на практике способ получения инертной пены на основе азота и т.д.

Сложность тушения пожаров в тупиковых выработках газообильных шахт обуславливается совокупностью следующих обстоятельств [6]:

  1. Обратный поток нагретых пожарных газов осложняет ведение горноспасательных работ.
  2. Непосредственное место возникновения пожара обычно не проветривается вследствие сгорания вентиляционных труб.
  3. Существует повышенная опасность возникновения взрыва в виду сложности обеспечения требуемой интенсивности проветривания всей выработки.

В то же время отсутствие других подводящих выработок, через которые может поступать свежий воздух к очагу пожара, обеспечивает возможность надежной изоляции выработки в небольших объемах ограниченным количеством перемычек. При этом выбор способа тушения пожара в тупиковых выработках газообильных шахт обуславливается изменением газовой обстановки аварийного участка.

Практика тушения подземных пожаров показала, что при повышении содержания горючих газов выше допустимых пределов (2 % по метану) следует прибегнуть к увеличению количества подаваемого в тупиковую выработку воздуха. В настоящее время это реализуется принятием мер по снижению утечек воздуха в вентиляционном ставе либо вводом в работу дополнительного вентилятора местного проветривания.

Установлено, что уменьшить количество воздуха, подаваемого в тупиковую выработку, в которой возник пожар, или полностью прекратить ее проветривание допустимо только в том случае, когда содержание горючих газов превышает верхний предел их взрываемости.

В проветриваемых тупиковых выработках тушение должно проводиться с применением инертных газов. Наилучший эффект предупреждения взрывов при тушении пожаров в горизонтальных и наклонных (проводимых сверху вниз) тупиковых выработках достигается с применением углекислого газа. При тушении пожаров в восстающих выработках целесообразно применять азот. Однако, способ предотвращения взрывов с помощью инертных газов обладает рядом существенных недостатков, обусловленных самим механизмом их воздействия на процесс воспламенения взрывоопасных смесей, требующим подачи в метано-воздушную среду очень большого количества инертного газа. При этом применение углекислого газа ограничивается вследствие сильного его поглощения углем, породами, шахтными водами, плохим перемещением по изолированным выработкам большой протяженности. Азот легче воздуха и поэтому мало применим в вертикальных и наклонных выработках, кроме того он выносится из пожарного участка с утечками воздуха [7]. Поэтому в последнее время наметилась тенденция к более широкому применению высокопроизводительных генераторов инертного газа (типа ГИГ-4 и ГИГ-1500), как одного из основных средств снижения содержания кислорода в атмосфере пожарного участка до взрывобезопасной концентрации. Однако, не всегда возможно исключить воспламенение метано-воздушной смеси и последующий взрыв. Поэтому, кроме мероприятий по предотвращению взрыва необходимо принять меры, направленные на гашение уже сформировавшейся ударной волны и ликвидацию источника инициирования.

Все существующие способы гашения взрывных волн можно условно разделить на следующие [8]:

  1. Поглощение энергии избыточного давления газа за счет деформации устройств, располагаемых на пути распространения воздушной волны.
  2. Аккумулирование энергии волны специальными аккумуляторами.
  3. Снижение скорости газового потока за счет пропускания его через расширительные камеры.
  4. Повышение сопротивления движению газа путем пропускания его через систему узких каналов.
  5. Снижение температуры воздуха в воздушной ударной волне.
  6. Генерирование ударной волны равной или большей интенсивности, направленной навстречу набегающей волне.

На угольных шахтах нашей страны для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей нашли широкое применение сланцевые и водяные заслоны [9], состоящие из ряда опрокидывающихся полок с инертной пылью или легкоразрушаемых полимерных сосудов, заполненных водой, как в первом, так и во втором случае, из расчета 400 кг/м² поперечного сечения выработки в месте их установки. В основном заслоны предназначены для гашения пламени взрыва, однако за счет большой массы (в среднем 6–7 тонн) частично снижают и энергию ударной волны, расходуемую на их разрушение.

Для решения задач, связанных с защитой горноспасателей от поражающего воздействия ударных волн при тушении пожаров в тупиковых выработках газовых шахт необходимо:

  1. Исследовать закономерности процесса взаимодействия взрывной волны с воздушно-механической пеной.
  2. Изучить влияние структурно-механических и реологических свойств пен, а также условий их применения на интенсивность затухания взрывной волны.
  3. Разработать физическую модель процесса локализации взрыва метано-воздушной смеси пеной, с учетом ее структурно-механических и реологических свойств.
  4. Разработать способ локализации взрывных волн при тушении пожаров воздушно-механической пеной в тупиковых горных выработках.
  5. На основании обобщения результатов исследований разработать научно-обоснованные рекомендации по применению воздушно-механической пены для локализации взрыва газов при тушении пожаров в тупиковых выработках шахт, опасных по газу и пыли.

5. Автоматическая система взрывоподавления – локализации взрывов

Автоматическая система взрывоподавления (см. рис. 3) – локализации взрывов (АСВП-ЛВ) предназначена для защиты горных выработок от распространения по ним взрывов метановоздушной смеси и (или) угольной пыли, путем создания заслона в виде облака из огнетушащего порошка во взвешенном состоянии. Применяется в шахтах, опасных по газу и разрабатывающих угольные пласты, опасные по взрывам пыли, в качестве взрыволокализующих заслонов [11].

Автоматическая система взрывоподавления

Рисунок 3 – Автоматическая система взрывоподавления

Система АСВП-ЛВ работает в ждущем режиме и приводится в действие ударной воздушной волной (УВВ), образованной в результате взрыва метано-пылевоздушной смеси. От воздействия УВВ на приёмный щит АСВП-ЛВ происходит динамическое выбрасывание в пространство горной выработки высокоэффективного огнетушащего порошка энергией сжатого воздуха, находящегося под высоким давлением в рабочей полости системы. В результате в объёме горной выработки по всему её сечению на пути распространения фронта пламени формируется надежный заслон в виде долгоживущего облака огнетушащего порошка во взвешенном состоянии. Этот заслон ликвидирует подошедший фронт пламени (гасит его) и прекращает (локализует) процесс распространения взрывов по сети горных выработок [11].

Работа автоматической системы взрывоподавления (АСВП-ЛВ)

Рисунок 4 – Работа автоматической системы взрывоподавления (АСВП-ЛВ)
(анимация: 8 кадров, 10 циклов повторення, 272 килобайт)

Достоинства системы АСВП-ЛВ представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры АСВП-ЛВ

Длина создаваемого заслона (облака) пламегасящей среды, не менее 30 м
Минимальная чувствительность срабатывания системы, при давлении на фронте УВВ 0,02 МПа
Инерционность срабатывания системы 15,20 мс
Масса огнетушащего порошка «П-АГС» 25 кг
Объем рабочей полости 1326 см³
Рабочее давление сжатого воздуха в рабочей полости УЛВ 10–14 МПа (100–140 кгс/см²)

Заключение

В данной работе рассмотрена актуальная для угольной промышленности задача, состоящая в повышении безопасности и эффективности тушения сложных подземных пожаров в тупиковых выработках газообильных шахт при потенциальной угрозе взрыва метано-воздушной смеси.

Список источников

  1. Булгаков Ю.Ф. Разработка способа локализации взрыва метано-воздушной смеси пеной при тушении пожаров в тупиковых горных выработках / Ю.Ф. Булгаков // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Днепропетровск, 1987. –16 с.
  2. Анализ аварий и горноспасательных работ на предприятиях, обслуживаемых ГВГСС в угольной промышленности Украины за 2010 год. – Донецк, 2011. – 76 с.
  3. Разработка средств дистанционного тушения пожаров в длинных тупиковых выработках угольных шахт [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tekhnosfera.com....
  4. Гасюкевич В.К. Исследование условий применения смесей флегматизаторов с инертными газами для нейтрализации взрывчатых свойств метана. – Донецк, 1968. – 114 с.
  5. Орлов Н.В. Ликвидация сложных подземных аварий / Н.В. Орлов, Н.Д. Зрелый, А.Л. Романчук // Техника. – Киев, 1981. – 182 с.
  6. Овчинников В.Ф. Предупреждение взрывов при изоляции подземных пожаров. - М.: Недра, 1964. – 145 с.
  7. Соболев Г.Г. Горноспасательное дело. - М.: Недра, 1979. – 320 с.
  8. Покровский Г.И. Успехи газодинамики. - М.: Знание, 1974. – 64 с.
  9. Петрухин П.М.Параметры основных заслонов для гашения взрывов пыли углей различной стадии метаморфизма / П.М. Петрухин, М.И. Нецепляев, В.С. Сергеев // Сб.научн.трудов МакНИИ, вып.№7. – Макеевка-Донбасс, 1976. – С. 43–46.
  10. Канторович Б.В. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива. - М.: Металлургиздат, 1960.
  11. Взрывные и буровзрывные работы в шахтах, карьерах и рудниках [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.resurs.org.ua....