Тема выпускной работы:
Противoпожарная защита поверхностных зданий шахты. Автоматическая противопожарная защита башенных кoпров
Руководитель: д.т.н., проф., декан факультета ГТУ Ю. Ф. Булгаков
RUS | 
ENЕжегодно на шахтах Украины происходит от 160 до 200 пожаров на поверхности шахт и примерно столько же подземных пожаров. Несмотря на снижение объемов добычи угля, количество экзогенных пожаров имеет устойчивую тенденцию роста. Пожары происходят на обогатительных и брикетных фабриках, в подсобных помещениях АБК, угольных и лесных складах, деревообрабатывающих цехах и т.д. Особую опасность представляют пожары в башенных копрах расположенных непосредственно над устьями шахтных стволов.
Башенные копры являются необходимым элементом современной шахты. Назначение их – поддержание машинного зала, где устанавливаются многоканатные подъемные машины, которые поднимают уголь с разрабатываемых горизонтов. Башенные копры тем выше, чем больший по объему поднимаемый сосуд с находящимся в нем углем, иными словами, применение многоканатной системы делает возможным подъем груза до 100 т. с глубины порядка 3000 м.
Число пожаров происходящих на поверхности шахты составляет 9.1% от общего числа экзогенных пожаров. На этих пожарах максимальный ущерб наносят пожары именно в башенных копрах. Такие пожары могут повлечь за собой остановку всей шахты в целом и создать значительную опасность для горнорабочих, находящихся в подземных выработках.
Высокая пожарная опасность башенных копров обусловлена наличием горючей и взрывоопасной среды в его объеме. Гореть может маслосистема, уголь в бункере, электрокабели, возможен взрыв газа и пыли.
Пожарная опасность башенных копров усугубляется тем, что эти высотные сооружения нередко превышают 100-метровую отметку, что делает невозможным подачу огнетушащих составов с поверхности земли на очаг горения имеющимися средствами пожаротушения, а также осложняет выход людей с вышележащих этажей.
Анализ причин возникновения, развития и распространения пожаров на копре, показал, что предотвратить их ход можно лишь с использованием систем автоматической сигнализации и пожаротушения. При создании таких систем, неизбежно приходится сталкиваться с целым рядом сложных факторов, среди которых определение пожароопасных помещений, правильный выбор низковольтных датчиков температуры во взрывобезопасном исполнении, автономной станции пожарной сигнализации и высоконапорных автоматических установок, способных подавать огнетушащий состав на высоту 100 и более метров.
Исследовать пожарную опасность башенных копров . Разработать автономную автоматическую систему сигнализации и пожаротушения, позволяющей надежно защитить пожароопасные помещения, как башенных копров ,так и иных поверхностных сооружений шахт.
При этом представляется целесообразным использовать опыт НПП «Гефест» и НИИГД в области создания порошковых, аэрозольных и аэрозольно-пенных установок.
Пожар - неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб. Опасные факторы пожара: открытый огонь и искры; повышенная температура воздуха, предметов; токсичные продукты горения дым; пониженная концентрация кислорода; обрушение и повреждение зданий; взрвывы.
Горение - быстропротекающее химическое превращение веществ с выделением большого количества тепла и сопровождающееся ярким пламенем. Сущность горения заключается в нагревании источником зажигания горючего материала до начала его теплового разложения. Когда горючий материал разлагается, он выделяет пары углерода и водорода, которые соединяясь с кислородом воздуха в реакции горения, образуют двуокись углерода, воду и выделяют много тепла, а также окись углерода (угарный газ) и сажу. Наибольшая скорость горения происходит в чистом кислороде. Наименьшая - при содержании в воздухе 14-15 % объема кислорода.
Необходимые условия горения - наличие горючего вещества; наличие окислителя; начальный импульс (источник зажигания) для сообщения горючей смеси горячей энергии. По скорости распространения пламени горение подразделяется на: нормальное (до 10 м/с); взрывное (сотни м/с); детонационное (до 5000 м/с). Процесс горения бывает следующих видов: вспышка; воспламенение; самовозгорание; самовоспламенение; взрыв; детонация.
Вспышка - это быстрое сгорание горючей смеси без образования сжатых газов. Температура вспышки - это наименьшая температура горючего вещества, при которой образованные над его поверхностью пары или газы способны вспыхнуть в воздухе при поднесении источника зажигания. При этом скорость образования паров или газов еще недостаточна для устойчивого горения. Воспламенение - это возгорание, сопровождающееся появлением пламени.
Самовозгорание - это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе без наличия источников зажигания. Самовозгорание бывает: тепловым (при внешнем нагреве в-ва); микробиологическим (за счет самонагревания при возникновении жизнедеятельности микроорганизмов в веществе); химическим (за счет химических реакций). Самовоспламенение - это самовозгорание с появлением пламени. Самовоспламеняться могут бензин, керосин и т д.
Расширение разогретых пламенем газов и ускорение их движения способствуют формированию скорости распространения пламени до нескольких сот метров в секунду, что при возрастании турбулентности воздушных масс вызывает взрывы.
Взрыв - это весьма быстрое изменение химического (физического) состояния взрывчатого вещества, сопровождающееся выделением большого количества тепла и образованием большого количества газов, создающих ударную волну, способную своим давлением вызывать разрушения. Газообразные продукты взрыва, соприкасаясь с воздухом, нередко воспламеняются, что может вызывать пожар.
При прохождении во взрывоопасной среде ударной волны происходит скачкообразное изменение параметров состояния газов - давления, температуры, плотности, что вызывает детонационное горение.
Температура газов под действием ударной волны может повышаться до температур, вызывающих самовоспламенение, а во взрывоопасной среде вызывает химические реакции. Сочетание явления ударной волны с наличием зоны химической реакции порождает детонационную волну, в результате чего происходит детонация.
Горючие в-ва, применяющиеся в производстве, по агрегатному состоянию подразделяются на: газообразные (абс. давление паров при 50 °С >=300 кПа); жидкие (температура плавления не более 50 °С); твердые (> 50 °С); пыли (размер частиц < 850 мкм). Пожаро и взрывоопасность в-ва определяются группой горючести; температурой вспышки; температурой самовоспламенения; min энергией зажигания; нижним и верхним концентрационными и температурными пределами воспламенения; давлением взрыва; дисперсностью; летучестью и т д.
По горючести в-ва подразделяются на три группы: негорючие - это в-ва, неспособные гореть в воздухе нормального состава при температуре до 900 °С; трудногорючие - это в-ва, которые могут загораться под действием источника зажигания в воздухе нормального состава, но не способные к самостоятельному горению; горючие - в-ва, способные загораться от источника зажигания в воздухе нормального состава и продолжающие гореть после его удаления. В свою очередь горючие в-ва делятся на: легковоспламеняющиеся - от краткого воздействия источника зажигания с низкой энергией - спички, искры; средней воспламеняемости - воспламеняются от длительного воздействия источника зажигания с низкой энергией; трудно воспламеняющиеся - только под действием мощного источника зажигания. Понятие легкой воспламеняемости относится прежде всего к горючим жидкостям с температурой вспышки не более 61 °С. Min энергия зажигания - это энергия искры, эл разряда или статического эл-ва, достаточная для воспламенения легковоспламеняемой газо-, паро- или пылевоздушной смеси. Основными показателями пожаро- и взрывоопасности горючих газов является нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения горючих газов НПВ и ВПВ, а также нижний и верхний температурные пределы воспламенения НТПВ и ВТПВ.
Концентрационные пределы выражаются в объемных долях (%) или массовых концентрациях (мг/м). Наиболее пожароопасные пыли с температурой воспламенения до 250 °С (каменноугольная).
К ним относятся, прежде всего, вода, огнетушащие пены (химическая и воздушно-механическая), инертные газы, двуокись углерода и твердые огнетушащие вещества.
По сравнению с другими огнетушащими веществами вода имеет небольшую теплоемкость и пригодна для тушения большинства горючих веществ: один литр воды при нагревании от 0 до 100 °С поглощает 419 кДж теплоты, а при испарении - 2260 кДж. Вода обладает достаточной термической стойкостью (свыше 1700 °С) и по этому показателю она технически ценнее многих других огнетушащих веществ. Вода обладает тремя свойствами огнетушения: охлаждает зону горения или горящие вещества, разбавляет реагирующие вещества в зоне горения, изолирует горючие вещества от зоны горения.
Водяной пар в зоне горения уменьшает концентрацию кислорода, поддерживающего горение. Для борьбы с огнем вода может применяться в виде цельной, компактной, а также рассеянной (доядеробразной) струи. Следует помнить, что вода не всегда может быть использована для тушения огня, так как не все горящие предметы и вещества можно тушить водой.
Нельзя применять воду при тушении пожара в зданиях, где находятся вещества, вступающие с водой в химическую реакцию, в результате которой может произойти воспламенение пожароопасных газов или подняться (развиться) большая температура.
Нельзя тушить водой легковоспламеняющиеся и горючие жидкости с удельным весом меньше 1, потому что вода тяжелее и будет опускаться вниз, а горящая жидкость подниматься вверх, переливаться через края и увеличивать зону горения.
Вода электропроводна, поэтому нельзя тушить водой установки, находящиеся под током, чтобы не быть им пораженным и избежать короткого замыкания.
Когда для ликвидации возгорания нельзя использовать воду, применяют огнетушащие пены.Пена - это смесь газа с жидкостью. Пузырьки газа могут образовываться в результате химических процессов или механического смешения газа с жидкостью. Чем меньше размеры образующих пузырьков и сила поверхностного натяжения пленки жидкости, тем более устойчива пена. При небольшой плотности (0,1-0,2 г/см) пена растекается по поверхности горючей жидкости, изолируя ее от пламени. В итоге прекращается поступление паров в зону горения при одновременном охлаждении поверхности жидкости.
Химическая пена. Образуется при взаимодействии карбоната и бикарбоната натрия с кислотой в присутствии пенообразователя. Такую пену получают в инжекторных переносных приборах (пеногенераторах) из пенопорошка и воды. Пенопорошок состоит из сухих солей (сернокислотного алюминия, бикарбоната натрия) и лакричного экстракта, или другого пенообразующего вещества, который при взаимодействии с водой растворяется и немедленно реагирует с образованием двуокиси углерода. В результате выделения большого количества двуокиси углерода получается плотный покров устойчивой пены (слой толщиной 7-10 см), малоразрушающийся от действия пламени, не взаимодействующий с нефтепродуктами и не пропускающий пары жидкости.
Воздушно-механическая пена (ВМП). Представляет собой смесь воздуха, воды и пенообразователя. Она может быть обычной - 90 % воздуха и 10 % водного раствора пенообразователя (кратность до 12 %) и высокократной - 99 % воздуха, около 1 % воды и 0,04 % пенообразователя (кратность 100 % и больше). Стойкость воздушно-механической пены несколько меньше, чем пены химической. Стойкость уменьшается с увеличением показателя кратности пены. Огнетушащее действие воздушно-механической пены основано на термовлагоизоляции и охлаждении горючих веществ. На поверхности горящих жидкостей пена образует устойчивую пленку, не разрушающуюся под действием пламени в течение 30 минут, что достаточно для тушения горючих и легковоспламеняющихся жидкостей в резервуарах любых диаметров. Воздушно-механическая пена совершенно безвредна для людей, не вызывает коррозии металлов, практически электронейтральна и весьма экономична. Ее применяют также для тушения твердых горючих веществ - таких, как дерево, химические волокна и другие.
Тушение инертными газами. Инертные газы (002 и Nz) и водяной пар обладают свойством быстро смешиваться с горючими парами и газами, понижая при этом концентрацию кислорода, способствуя прекращению горения большинства горючих веществ. Огнетушащее действие инертных газов и водяного пара объясняется также тем, что они разбавляют горючую среду, снижая при этом температуру в очаге пожара, в результате чего происходит затруднение процесса горения.
Двуокись углерода широко применяют для ускорения ликвидации очага горения (в течение 2-10 секунд), что особенно важно при тушении небольших по площади поверхностей горючих жидкостей, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и других электротехнических установок, а также для предупреждения воспламенения и взрыва при хранении легковоспламеняющихся жидкостей, изготовлении и транспортировке горючих пылей (например, угольных).
Твердые огнетушащие вещества. Для ликвидации небольших очагов возгораний веществ, не поддающихся тушению водой и другими огненейтрализующими средствами, применяют твердые вещества в виде порошков. К ним относятся хлориды щелочных и щелочноземельных металлов (флюсы), альбумин - содержащие вещества, сухой остаток от выпаривания сульфатных щелочей, карналлит, двууглекислые и углекислые соды, поташ, кварцы, твердая двуокись углерода, песок, земля и другие. Огнетушащее действие порошкообразных веществ заключается в том, что они при плавлении, сопровождаемом образованием пленки, и своей массой изолируют зону пожара, затрудняют доступ воздуха к нему, охлаждают горючее вещество, механически сбивают пламя. Возле места их хранения надо иметь не менее 1-2 лопат.
Выбор тех или иных огнетушительных установок или других средств пожаротушения определяется в каждом отдельном случае, исходя из конкретной стадии развития пожара, масштабов горения и особенностей сгорания веществ и материалов.
Современные шахтные подьемные машины являються наиболее мощными из всего стационарного оборудования шахты, и потребляют до 40% всей электроэнергии, расходуемой шахтой.
Выбор электрооборудования башенных копров осуществляется в соответствии с требованиями ПУЭ. «Указаниями по определению категорий производств и классов помещений по взрывопожароопасности при проектировании шахт, разрезов, обогатительных и брикетных фабрик угольной промышленности».
Исследование пожарной опасности электрохозяйства башенных копров, показывает, что в одном башенном копре с 3-мя подъемными машинами общее количество кабелей, в среднем составляет 20-40 тысяч метров. Причем применяются кабели 16-30 видов с большим разнообразием изоляции жил кабелей и оболочек. В эксплуатации на копрах находится до 13,6 % бронированных кабелей и до 3,6 % гибких кабелей с горючей оболочкой. На многих башенных копрах Донецкого бассейна широко применяются кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией, оболочки которых изготавливаются из пластиката ПВХ, самозатухающего полиэтитена.
Прокладка кабелей иногда не соответствует нормативным документам, а именно кабели ничем не закрываются и при их воспламенении, может произойти быстрое задымление всех помещений башенного копра.
Для обеспечения достаточным количеством свежего воздуха рабочих мест в шахте, и в башенном копре, для очистки рудничной атмосферы от вредных и опасных газов и пыли, обеспечения нормальной температуры и влажности служит непрерывное принудительное проветривание. Рудничный газ с содержанием метна 5-16 % взрывоопасен. Вентиляция башенного копра приточно-вытяжная с механическим побуждением. В башенные копры метан может проникнуть при аварийных ситуациях в работе вентилятора.
На башенных копрах, присутствуют маслостанции, с находящимся в них маслом общим весом 2 т. Цель его применения – охлаждение редуктора, понижающего число оборотов электродвигателя. В самом редукторе находится до 800 кг масла. Масла применяются различных сортов. Несмотря на то, масло находится в замкнутом цикле, всегда есть опасность его утечки через неплотности во фланцевых соединениях через паранитовые прокладки. Возможно распространение утечки масла в лестничную клетку и на нижние этажи через монтажные проемы.
Автоматическая установка пожаротушения в башенных копрах шахт АУП (в дальнейшем АУП). АУП предназначается для автоматического обнаружения воспламенений, возникающих на (в) технологическом оборудовании, размещаемом в помещении башенных копров (электродвигатели и редукторы приводов многоканатных подъемных машин, маслонасосы, компрессорные установки, трансформаторы с масленным заполнением и др.), а также для отключения электроэнергии, подачи аварийного звукового сигнала и ароматической ликвидации пожара огнетушащим порошковым составом. АУП представляет собой функциональный комплекс аппаратуры и оборудования, обеспечивающий автоматизацию процессов обнаружения пожара, отключение электроэнергии на защищаемом оборудовании, оповещение об аварии, пуск устройства пожаротушения и ликвидацию очага загорания.
В состав АУП должны входить следующие основные составные части:
- пожарные извещатели;
- пусковое устройство;
- устройство порошкового пожаротушения;
- устройство отключения электроэнергии;
- звуковые аварийные сигнализаторы.
Пожарные извещатели максимального действия предназначены для обнаружения загораний в приводных электродвигателях подъемных машин, подачи сигнала в пусковое устройство, а так же для включения устройства пожаротушения при повышении температуры воздуха в выходном вентиляционном окне электродвигателя до 80-90 С. Пожарные извещатели дифференционного действия, предназначенных для обнаружения загораний в пожароопасных (категория В) помещениях башенных копров с маслонаполненным оборудованием, передачи сигнала на пусковое устройство для включения средства пожаротушения, срабатывающего при изменении температуры окружающего воздуха со скоростью 3 С/мин. и более и достижении перепада температур 3-10 С. Такие извещатели должны располагаться под потолком помещения на расстоянии 0,2-0,3 м от него из расчета один извещатель на 20 м.кв. площади пола или над каждым защищаемым объектом.
Устройство отключения электроэнергии должно быть взрывозащищенным и серийно выпускаемым.
Для звуковой сигнализации необходимо использовать серийно выпускаемые, взрывозащещенные сирены.
Возможным вариантом использования, в качестве устройства порошкового пожаротушения, могут быть следующие элементы установки УПК «Север», без конструктивных изменений:
- сосуд;
- баллон емкостью 40 л с запорно-пускрвым устройством и защитным кожухом;
- газоподающую трубку;
- груз массой не более 20 кг;
- трос;
- предохранительный клапан т/ф 17 с 11 нж на Ру =1,6 МПа;
- загрузочный люк, закрывающийся крышкой с шестью болтами;
- стравливающий клапан;
- мембранный узел;
- мембрана из медной ленты толщиной 0,12 мм;
- штуцер для подключения манометра с резьбой М 20;
- фильтры;
- коллектор.
Распределительные трубопроводы, внутренним диаметром 38 мм, должны собираться из отдельных звеньев длиной 1200-1500 мм с помощью соединительных муфт. Предусмотреть, чтобы каждое направление трубопровода заканчивалось одним или двумя распылителями.
Необходимо также предусмотреть устройство ручного пуска установки. При ручном пуске, как и при автоматическом, должно обеспечиваться отключение электроэнергии, включение аварийной сигнализации и срабатывание средств пожаротушения.
В качестве огнетушащего вещества надлежит использовать серийно выпускаемый огнетушащий порошковый состав отечественного производства. Удельный расход порошка не должен быть менее 0,2 кг/м.кв.с. Для эффективной ликвидации загораний внутри электродвигателей подъемных машин нормы удельного расхода и удельной массы огнетушащего порошка принимать соответственно 0,1 кг/c м.кв. и 1,0 кг/м.куб.
Современные башенные копры - это крупные многоэтажные сооружения, оснащенные высокомеханизированным и автоматизированным оборудованием для обеспечения бесперебойной работы подъемных машин. Наличие мощных электродвигателей, большого количества электрических распределительных щитов, высоковольтных кабелей, механических агрегатов и трущихся поверхностей механизма торможения, нескольких маслостанций и маслотрансформаторов, а также систематическое проведение ремонтных и сварочных работ обуславливают высокую потенциальную пожароопасность башенных копров. Как следствие этого, возникающие пожары характеризуются бурным развитием и тяжелыми условиями тушения (высокой температурой и задымленностью), и значительными материальными убытками.
Использование в таких условиях первичных средств пожаротушения редко приводит к желаемому результату. В таких условиях целесообразно применять автоматические системы пожаротушения. Однако до настоящего времени промышленный выпуск автоматических систем пожаротушения для башенных копров не освоен. Вследствие этого необходимость, дальнейшего изучения проблем связанных с противопожарной автоматизацией башенных копров очевидна.