С.Н.Смоланов, канд. техн. наук (Центральный штаб ГВГСС)
П.С.Пашковский, доктор техн. наук (НИИГД)
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТУШЕНИЯ СЛОЖНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ
Проблема повышения эффективности борьбы с подземными пожарами приобретает особую актуальность в Донбассе в связи с усложнившимися горно-геологическими и горно-техническими условиями, с ведением очистных и подготовительных работ на глубоких горизонтах. Значительное увеличение газовыделения, горного давления, скорости вентиляционной струи и температуры затрудняли тушение пожаров.
Все подземные пожары, возникающие в угольных шахтах, условно можно разделить на две группы: простые, которые тушат за несколько суток, и сложные, длительность тушения их может достигать нескольких месяцев, а иногда и лет. Пожары первой группы ликвидируются активным способом, т.е. непосредственным воздействием на очаг огнегасительными средствами. Пожары второй группы гасят методом их изоляции, к нему прибегают обычно в тех случаях, когда пожар находится в недоступном месте (например, в выработанном пространстве) или существует угроза взрыва, которую невозможно предотвратить.
Удельный вес сложных развившихся пожаров составляет примерно 10%, однако они дают до 95% всех убытков от аварий. Поэтому проблема сводится в первую очередь к повышению эффективности тушения пожаров второй группы. Сократить в несколько раз сроки их тушения можно путем применения рециркуляции, когда продукты горения многократно подаются к очагу пожара.
Область применения метода рециркуляции — выемочные участки угольных шахт. В качестве источника тяги используется в основном тепловая депрессия самого пожара, так как в этом случае обеспечивается минимальное поступление свежего воздуха к очагу. Для создания контура замыкают между собой вентиляционный и откаточный штреки [1]. Для ускорения тушения пожара и охлаждения пород до безопасного уровня следует стремиться к тому, чтобы скорость движения газов в контуре рециркуляции была максимальной.
Увеличение утечек приводит к снижению расхода газов в контуре рециркуляции, кислорода поступает больше к очагу и сам пожар активизируется.
Примером применения метода рециркуляции может служить шахта "Краснолиманская" (г. Родинское), где 21 января 2001 г. после взрыва метана в 6-й южной лаве южного уклона пласта k5 начался пожар. Свежая струя поступала по уклонам и конвейерному штреку в лаву (рис. 1), а из нее исходящая направлялась на вентиляционный штрек, затем в грузовой ходок. Размеры выемочного участка по простиранию 400 м, по падению 211 м, глубина ведения очистных работ 857 м.
Взрыв осложнился пожаром: сначала горел метан в выработанном пространстве лавы, затем загорелся уголь. По данным анализов, выполненных в НИИГД, к исходу вторых суток за 1 ч сгорало 1500 м3 метана и 2,5 т угля. Очаги находились в лаве и на вентиляционном штреке. Из-за выгорания крепи произошли завалы. Расход воздуха на аварийном участке сократился с 1400 до 170 м3/мин, после чего начало увеличиваться содержание метана. Возникла угроза нового взрыва. В этих условиях было принято решение об изоляции аварийного участка. Изолирующие перемычки А, Б и В установили на взрывобезопасном расстоянии в южном уклоне, в людском и грузовом ходках первой ступени. Разность высотных отметок между 6-м южным конвейерным и 6-м южным вентиляционным штреками 35 м.
Из-за пожара в лаве сформировалась тепловая депрессия 150 Па, ее было решено использовать при тушении. Для создания контура рециркуляции в изолированном участке открыли вентиляционные двери Г и Д, разделяющие свежую и исходящую струи. Замеры показали, что, несмотря на завалы, в выработках изолированного участка рециркулировало 110 м3/мин газовоздушной смеси, которая из 6-го южного вентиляционного штрека поступала в уклон и ходок второй ступени, а затем в 6-й южный конвейерный штрек и лаву.
Рис. 2. Схема аварийного участка после сокращения его объема: Е, 3, Ж, И — взрывоустойчивые перемычки; 1 — рециркуляционный трубопровод; 2 — направление движения газового потока при рециркуляции; 3 — очаг пожара.
Содержание кислорода в 6-м штреке уменьшилось до 1,6%. Следовательно, в нем образовалась инертная смесь. Посредством рециркуляции она повторно подавалась к очагу пожара. Известно, что горение прекращается при содержании кислорода менее 8% [2]. О затухании пожара можно судить по концентрации оксида и диоксида углерода. В течение трех суток после завершения работ по изоляции в аварийном участке содержание СО, уменьшилось в 2,8 раза (с 2,8 до 1%), а СО — в 50 раз (с 0~,2 до 0,04%).
Применение рециркуляции создало предпосылки для сокращения объема изолированных выработок. Действительно, если бы рециркуляции не было, то по 6-му южному конвейерному штреку поступал бы свежий воздух, а в лаве существовала взрывоопасная зона с концентрацией метана 4,5— 15% при высоком содержании кислорода (> 14%). Выполнение работ вблизи выемочного участка создало бы угрозу взрыва метана. При рециркуляции в лаву поступала взрывобезопасная смесь с содержанием кислорода менее 2%, что исключало угрозу взрыва.
В дальнейшем в целях возможности ведения подготовительных работ в районе 8-го горизонта (подготовка 8-й южной лавы) был сокращен объем изолированного пространства. Перемычки установлены в следующих выработках (рис. 2): 6-й южный конвейерный штрек (перемычка Е); вентиляционный штрек 6-й южной лавы (Ж): обходная. соединяющая вентиляшюнный штрек 6-й южной лавы с грузовым ходком южного уклона пласта k5 II ступени (3); в районе сопряжения вентиляционного штрека с грузовым ходком южного уклона пласта k5 (И). Когда установили перемычки. изолированным оказался лишь выемочный участок 6-й южной лавы. Перемычки А, Б и В были ликвидированы (рис. 1).
После сокращения объема изолированного пожарного участка определена температура угля в 6-й южной лаве в районе очага пожара методом непредельных углеводородов [3]. Оказалось, что она превышает 300—400°С. Критическая температура (при которой возможен рецидив пожара) для данного шахтопласта составляет 115°С. В сложившихся условиях восстановление нормального проветривания 6-й южной лавы могло привести к рецидиву — пожару и взрыву метановоздушной смеси.
Расчеты показали, что при отсутствии движения газовоздушной среды в изолированном пространстве температура нагретого угля снизится до критической через 2.5 — 3 мес. Решено интенсифицировать процесс остывания нагретых пород путем рециркуляции газов с низким содержанием кислорода. Для этого в грузовом ходке II ступени смонтировано два параллельиых трубопровода диаметром 32 см, концы заведены в изолированное пространство через проемы в перемычках Е и 3 (рис. 2). При выборе диаметра трубопроводов учитывалось, что в замкнутом контуре, образованном выработками выемочного участка 6-й южной лавы и двумя нитками трубопроводов, расход газовой смеси из-за завалов будет малым. Было бы нерационально в данных условиях применять трубы большого диаметра.
В качеетве источника тяги использовалась тепловая депрессия самого пожара. В целях ее увеличения в трубопровод периодически подавался диоксид углерода с низкой температурой, в шахту он доставлялся в стандартных 40-литровых баллонах. Дополнительно трубопровод охлаждался с помощью льда и воды.
В течение всего периода рециркуляции каждый час измерялись расход газовой смеси в трубопроводе и ее температура. Расход определялся по разности вентиляционных давлений на 100-метровом участке трубопровода, температура измерялась градусником в трубопроводах. Ежесуточно из них и из-за изолирующих перемычек отбирались пробы воздуха, которые анализировались в лаборатории на газовые компоненты. Для замеров в трубопроводах имелись штуцеры, закрываемые заглушками.
При пожаре нагреву подвергались породы в основном в 1 зоне горения. Температура стенок конвейериого штрека и, большей части вентиляционного оставалась такой же, как и до аварии. При рециркуляции газовоздушная струя, двигаясь по лаве, воспринимала теплоту от нагретых боковых пород; проходя по вентнляционному штреку, она отдавала полученную теплоту окружающим породам. Происходил перенос теплоты от более нагретых участков к менее нагретым, т.е. шел процесс выравнивания температуры в изолированном пространстве.
Расход воздуха в начальньий период рециркуляции составил 20 м/мин, при подаче в трубопроводы диоксида углерода он увеличивался до 46 м3/мин. Через девять суток расход газов в грубопроводах снизился почти в 2 раза. Это могло произойти из-за уменьшения тепловой депрессии пожара и снижения температуры нагретых пород, что подтвердил лабораторный анализ проб воздуха: температура угля в изолированном пространстве снизилась до 90 — 100°С, т.е. стала меньше критической. Затем был разведан аварийный участок, признаков горения не обнаружено и это послужило основанием для начала восстановления работы на аварийном участке.
Выводы.
Путем применения рециркуляции удалось сократить время, затраченное на тушение пожара и охлаждение нагретого угля до безопасного уровня, примерно в 2 — 2.5 раза по сравнению с методом, при котором остывание пород происходит естественным путем. В качестве инертного газа использовались продукты горения, а движение газов осуществлялось за счет энергии самого пожара. Таким образом, имеются предпосылки для существенного сокрашения сроков тушения сложных подземных пожаров и убытков от них.
