ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Важливою умовою успішного розвитку вугільної промисловості є прискорення темпів очисних робіт. У цьому зв'язку першорядне значення набуває своєчасне введення в дію підготовчих виробок. Подальше вдосконалення гірничопрохідних робіт стримується пожежами, в оперативному гасінні яких закладено значний резерв зростання продуктивності праці в очисних вибоях.

Пожежі в тупикових гірничих виробках, особливо пройдених по газоносним вугільним пластам, характеризуються відсутністю підступів для прямого впливу на вогнище вогнегасними засобами, можливістю ведення робіт тільки з боку вихідного вентиляційного струменя з високою температурою і задимленістю, небезпекою порушення вентиляційних труб, можливістю накопичення горючих газів до вибухонебезпечної концентрації [1].

Активне гасіння пожежі в таких умовах – вкрай небезпечна операція зважаючи на те, що в будь-який момент може статися спалах або вибух метано-повітряної суміші. Небезпека виникнення вибухів значно ускладнює ведення аварійних робіт, перешкоджає ефективному використанню традиційних вогнегасних засобів (води, піни, порошку тощо), створює загрозу здоров'ю і життю рятувальників. З цієї причини більше половини пожеж виникають у тупикових виробках газових шахт, ліквідується способом ізоляції шляхом зведення спеціальних перемичок на далеких підступах до вогнища пожежі.

1. Мета, ідея та наукове завдання роботи

Метою роботи є розробка ефективного способу локалізації вибухових хвиль у тупикових виробках газообільних шахт, що забезпечує можливість активного гасіння вогнища пожежі при потенційній загрозі вибуху метано-повітряної суміші.

Наукове завдання – встановлення закономірностей затухання енергії вибухової хвилі в середовищі повітряно-механічної піни, обумовлених впливом структурно-механічних і реологічних властивостей дисперсного середовища та розробка на цій основі інженерного методу розрахунку довжини пінної пробки, що забезпечує ефективну локалізацію вибуху метано-повітряної суміші в тупиковій гірничій виробці.

Ідея роботи полягає у використанні повітряно-механічної піни не тільки в якості традиційного вогнегасного засобу, а й у ролі вибухоподавляючої речовини для підвищення ефективності та безпеки гасіння пожеж у тупикових виробках шахт, небезпечних по газу і пилу.

2. Аналіз підземних пожеж на підприємствах України

Із загального числа аварій у 2010 році найбільшу питому вагу займають підземні пожежі – 28,5 %. Їх кількість у порівнянні з 2009 роком зменшилася на 7 пожеж.

Економічний збиток від пожеж у 2010 році склав близько 1,3 млн. грн, його питома вага у збитку від усіх аварій цього року дорівнює 51,5 %. Тривалість ліквідації підземних пожеж у 2010 році склала 903,5 годин (54,8 % від тривалості ліквідації аварій), а трудомісткість їх ліквідації – 38009 чол/годин (71,7 % від трудовитрат на ліквідацію аварій) [2].

За останні роки ці показники мають наступну динаміку щодо загальнорічних показників (див. табл. 1, рис. 1).

Таблиця 1. Питомі показники від загальнорічних значень

Роки Збиток, % Тривалість, % Трудомісткість, %
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
Питомі показники від річних значень для підземних пожеж

Рисунок 1 – Питомі показники від річних значень для підземних пожеж

Із загального числа підземних пожеж 2010 р. (12), 9 були погашені активним способом, 3 ізольовані. У 2-х випадках займистою речовиною був метан, 1 пожежа мала ендогенне походження. Види пожеж та їх кількість наведені на рисунку 2.

Порівняльні дані про кількість підземних пожеж за 1999–2009 роки

Рисунок 2 – Порівняльні дані про кількість підземних пожеж за 1999–2009 роки

Загальний збиток від екзогенних пожеж (11 підземних і 8 на поверхневих комплексах шахт) склав 7,5 млн. грн (відповідно 6,3 і 1,2 млн. грн), що становить 27,6 % (53,6 % у 2009 році ) загального збитку від всіх аварій і аварійних ситуацій [2]. При ліквідації екзогенних пожеж врятовано матеріальних цінностей на суму понад 1229,3 млн. грн.

3. Динаміка розвитку пожеж у тупикових виробках газових шахт

Впровадження у вугільну промисловість країн нових сучасних систем розробки, прогресивної технології та високопродуктивної вугледобувної техніки негайно вимагало збільшення протяжності підготовчих виробок і оснащення їх високошвидкісними прохідницькими комбайнами. Це призвело до того, що тупикові виробки, особливо в газових шахтах, стали одним з потенційно можливих місць виникнення аварій, особливо пожеж, що супроводжуються горінням метану.

Аналіз аварійності вугільних шахт України показує, що за останні 10 років кількість пожеж у тупикових виробках коливається від 2 до 10 на рік, а їх частка становить 7–9 % у загальній кількості підземних пожеж [3].

При пожежах у тупикових виробках газових шахт, як правило, порушується нормальний режим провітрювання зважаючи зупинки ВМП або пошкодження вентиляційних труб. При цьому відбуваються складні термодинамічні процеси, що призводять до збільшення в кілька разів метановиділення при підвищенні температури вугільного масиву всього на 1–2 °С [1]. Внаслідок зміни теплових умов процесів горіння, деструкції та десорбції горючих, газовий склад тупикової виробки безперервно змінюється. Для вугілля і деревини – основних горючих речовин гірських виробок, характерні ті ж стадії горіння, що і для звичайних топок: сушіння, сублімація летючих, безпосереднє горіння та газифікація коксового залишку. На стадії сушіння і сублімації виділяється волога і утворюються нові органічні речовини – летючі і нелетючі. Летючі виділяються у вигляді суміші горючих газів: водню, метану та інших вуглеводнів при порівняно низьких температурах (до 400 °С) [10]. На стадіях горіння та газифікації при 600–900 °С утворюється окис і двоокис вуглецю в різних співвідношеннях залежно від умов, за яких іде процес. Одночасно в пожежній ділянці газових шахт відбувається виділення газів, сорбованих у вугіллі і породах. Звичайно виділяється чистий метан, але іноді з домішками вуглекислоти й азоту. Зрідка разом з метаном в невеликих кількостях виділяється водень, етан, етилен. При цьому замкнута форма конвективного потоку в забої виробки, а також розташування вогнища пожежі в середній її частині або спочатку може призвести до прискореного нагромадження горючих газів.

Аналіз складу рудникової атмосфери як при активному гасінні пожеж, так і при ізоляції аварійної ділянки показує, що метан у 97,8 % випадків – єдиний горючий компонент пожежних газів [4]. Зміст його може рости від часток відсотка до декількох десятків відсотків.

Відомо, що метан і повітря можуть змішуватися один з одним в необмежених кількостях. При наявності джерела займання суміш стає вибухонебезпечною, якщо в повітрі знаходиться від 5 до 15 об.%. Найбільшої сили вибух досягає, коли в атмосфері міститься 9,5 об.% газу, так як в цьому випадку метан повністю згоряє. При концентрації метану в повітрі понад 16 об.% Суміш спокійно горить без істотного підвищення тиску. Вибухоподібні реакції з малим ефектом наростання тиску найчастіше називаються спалахами. В якості спалахів розглядають реакцію заміщення вибухових сумішей поблизу нижнього або верхнього меж вибуховості. Однак, відмінність у визначенні спалаху і вибуху кінетично не виправдані, так як спалах являє собою вибух невеликої потужності.

4. Стан техніки безпеки та аналіз сучасного досвіду боротьби з вибухами пилогазоповітряних сумішей при гасінні підземних пожеж

Практика боротьби з підземними пожежами, а також проведені в Україні та за кордоном наукові дослідження допомогли знайти ефективні засоби і способи ведення гірничорятувальних робіт. Поряд з технічним прогресом у технологічному процесі виїмки вугілля і створенням нових засобів пожежогасіння відбувається вдосконалення існуючих і створення нових засобів гасіння пожеж. Наприклад, в результаті переходу гірських робіт на більш глибокі горизонти ускладнилися гірничотехнічні і гірничо-геологічні умови, збільшений гірський тиск значно ускладнило підтримання гірничих виробок, подачу по них необхідної кількості повітря до очисних і підготовчих вибоїв, збільшилася метановість вугільних пластів. У зв'язку з цим зросла кількість пожеж, які ускладнюються вибухами метано-повітряних сумішей [5].

Ліквідація пожеж цього класу, як активним способом, так т методом ізоляції пожежної дільниці пов'язана з небезпекою ураження гірничорятувальників ударною хвилею. Це викликало необхідність мати на озброєнні ДВГРС високоефективні установки, вивчити і освоїти нові дистанційні способи подачі вогнегасних складів на вогнище пожежі. Тому були розроблені і впроваджені у виробництво пінна установка "В'юга", порошковий-пінний комплекс "Буря", освоєний спосіб дистанційної подачі повітряно-механічної піни і вогнегасного порошку на місце пожежі по вентиляційних трубах. З цієї ж причини був розроблений і застосовується на практиці спосіб отримання інертної піни на основі азоту і т.д.

Складність гасіння пожеж у тупикових виробках газообільних шахт обумовлюється сукупністю наступних обставин [6]:

  1. Зворотний потік нагрітих пожежних газів ускладнює ведення гірничорятувальних робіт.
  2. Безпосереднє місце виникнення пожежі зазвичай не провітрюється внаслідок згоряння вентиляційних труб.
  3. Існує підвищена небезпека виникнення вибуху на увазі складності забезпечення необхідної інтенсивності провітрювання усієї виробітки.

У той же час відсутність інших підвідних виробок, через які може надходити свіже повітря до вогнища пожежі, забезпечує можливість надійної ізоляції вироблення в невеликих обсягах обмеженою кількістю перемичок. При цьому вибір способу гасіння пожежі в тупикових виробках газообільних шахт обумовлюється зміною газової обстановки аварійної ділянки.

Практика гасіння підземних пожеж показала, що при підвищенні вмісту горючих газів вище допустимих меж (2 % по метану) слід вдатися до збільшення кількості подаваного в тупикову виробку повітря. В даний час це реалізується прийняттям заходів щодо зниження витоків повітря у вентиляційному ставі або введенням в роботу додаткового вентилятора місцевого провітрювання.

Встановлено, що зменшити кількість повітря, що подається в тупикову виробку, в якій виникла пожежа, або повністю припинити її провітрювання допустимо тільки в тому випадку, коли вміст горючих газів перевищує верхню межу їх вибуховості.

У провітрюваних тупикових виробках гасіння повинно проводитися із застосуванням інертних газів. Найкращий ефект попередження вибухів при гасінні пожеж в горизонтальних і похилих (проведених зверху вниз) тупикових виробках досягається із застосуванням вуглекислого газу. При гасінні пожеж у повсталих виробках доцільно застосовувати азот. Однак, спосіб запобігання вибухів за допомогою інертних газів має ряд істотних недоліків, обумовлених самим механізмом їх дії на процес займання вибухонебезпечних сумішей, які вимагають подачі в метано-повітряну середу дуже великої кількості інертного газу. При цьому застосування вуглекислого газу обмежується внаслідок сильного його поглинання вугіллям, породами, шахтними водами, поганим переміщенням по ізольованим виробках великої протяжності. Азот легше повітря і тому мало застосовується у вертикальних і похилих виробках, крім того він виноситься з пожежної дільниці з витоками повітря [7]. Тому останнім часом намітилася тенденція до більш широкого застосування високопродуктивних генераторів інертного газу (типу ГІГ-4 і ГІГ-1500), як одного з основних засобів зниження вмісту кисню в атмосфері пожежної ділянки до вибухобезпечної концентрації. Однак, не завжди можливо виключити займання метано-повітряної суміші і подальший вибух. Тому, крім заходів щодо запобігання вибуху необхідно вжити заходи, спрямовані на гасіння вже сформувалася ударної хвилі і ліквідацію джерела ініціювання.

Всі існуючі способи гасіння вибухових хвиль можна умовно розділити на наступні [8]:

  1. Поглинання енергії надлишкового тиску газу за рахунок деформації пристроїв, що розташовуються на шляху поширення повітряної хвилі.
  2. Акумулювання енергії хвилі спеціальними акумуляторами.
  3. Зниження швидкості газового потоку за рахунок пропускання його через розширювальні камери.
  4. Підвищення опору руху газу шляхом пропускання його через систему вузьких каналів.
  5. Зниження температури повітря в повітряної ударної хвилі.
  6. Генерування ударної хвилі рівною або більшою інтенсивності, спрямованої назустріч набігаючої хвилі.

На вугільних шахтах нашої країни для локалізації вибухів пилогазоповітряних сумішей знайшли широке застосування сланцеві і водяні заслони [9], що складаються з ряду перекидних полиць з інертним пилом або легкоруйнуємих полімерних судин, заповнених водою, як у першому, так і в другому випадку, з розрахунку 400 кг/м² поперечного перерізу виробки в місці їх установки. В основному заслони призначені для гасіння полум'я вибуху, однак за рахунок великої маси (в середньому 6-7 тонн) частково знижують і енергію ударної хвилі, що витрачається на їх руйнування.

Для рішення задач, пов'язаних із захистом гірничорятувальників від вражаючого впливу ударних хвиль при гасінні пожеж в тупикових виробках газових шахт необхідно:

  1. Дослідити закономірності процесу взаємодії вибухової хвилі з повітряно-механічною піною.
  2. Вивчити вплив структурно-механічних і реологічних властивостей пін, а також умов їх застосування на інтенсивність загасання вибухової хвилі.
  3. Розробити фізичну модель процесу локалізації вибуху метано-повітряної суміші піною, з урахуванням її структурно-механічних і реологічних властивостей.
  4. Розробити спосіб локалізації вибухових хвиль при гасінні пожеж повітряно-механічною піною в тупикових гірничих виробках.
  5. На підставі узагальнення результатів досліджень розробити науково-обгрунтовані рекомендації щодо застосування повітряно-механічної піни для локалізації вибуху газів при гасінні пожеж в тупикових виробках шахт, небезпечних по газу і пилу.

5. Автоматична система вибухоподавлення – локалізації вибухів

Автоматична система взривоподавлення (див. рис. 3) – локалізації вибухів (АСВП-ЛВ) призначена для захисту гірничих виробок від поширення по них вибухів метаноповітряної суміші та (або) вугільного пилу, шляхом створення заслону у вигляді хмари з вогнегасного порошку в підвішеному стані. Застосовується в шахтах, небезпечних по газу і розробляючих вугільні пласти, небезпечні за вибухами пилу, в якості взриволокалізующіх заслонів [11].

Автоматична система вибухоподавлення

Рисунок 3 – Автоматична система вибухоподавлення

Система АСВП-ЛВ працює в режимі очікування і приводиться в дію ударною повітряною хвилею (УВВ), утвореною в результаті вибуху метано-пилоповітряної суміші. Від впливу УВВ на приймальний щит АСВП-ЛВ відбувається динамічне викидання в простір гірничої виробки високоефективного вогнегасного порошку енергією стисненого повітря, що знаходиться під високим тиском в робочій порожнині системи. У результаті в об'ємі гірничої виробки по всьому її перетину на шляху поширення фронту полум'я формується надійний заслін у вигляді долгоживущего хмари вогнегасного порошку в підвішеному стані. Цей заслін ліквідує подошедший фронт полум'я (гасить його) і припиняє (локалізує) процес поширення вибухів по мережі гірничих виробок [11].

Робота автоматичної системи вибухоподавлення (АСВП-ЛВ)

Рисунок 4 – Робота автоматичної системи вибухоподавлення (АСВП-ЛВ)
(анімація: 8 кадрів, 10 циклів повторення, 272 кілобайт)

Переваги системи АСВП-ЛВ представлені в таблиці 2.

Таблиця 2. Основні параметри АСВП-ЛВ

Довжина створюваного заслону (хмари), не менше 30 м
Мінімальна чутливість срацьовування системи, при тиску на фронті УПХ 0,02 МПа
Інерційність спрацьовування системи 15,20 мс
Маса вогнегасного порошку «П-АГС» 25 кг
Об'єм робочої порожнини 1326 см³
Рабочий тиск стисневого повітря в робочій порожнині УЛХ 10–14 МПа (100–140 кгс/см²)

Висновки

У даній роботі розглянута актуальна для вугільної промисловості задача, що складається в підвищенні безпеки та ефективності гасіння складних підземних пожеж у тупикових виробках газообільних шахт при потенційній загрозі вибуху метано-повітряної суміші.

Перелік посилань

  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....