M.A. Тревиц, Л. Юан, A.C. Смит, Э.Д. Симонс, Г.В. Гудман

National Institute for Occupational Safety and Health,
Pittsburgh Research Laboratory, Pittsburgh, PA

Состояние исследованиq подземных пожаров в шахтах Соединенных Штатов Америки

В период с 1990 по 2007 гг., 1601 пожаров произошло в горнодобывающей промышленности США(в среднем 89 пожаров в год). Основными причинами пожаров на шахтах были открытое пламя резки и сварки, фрикционный нагрев и возгорания, короткое замыкание, неисправности оборудования и самовозгорание угля. Тот факт, что пожары продолжают происходить с пугающей регулярностью – подчеркивает важность признания и устранения потенциальной опасности и необходимость совершенствования технологии управления огнем и подавления, чтобы обеспечить наилучший результат. Национальный Институт Профессиональной Безопасности и Здоровья (NIOSH) развивает комплексную программу исследований, которая позволяет произвести быстрое обнаружения, управления и подавление подземных пожаров. Эта статья представляет собой обзор последних достижений исследований и исследовательской программы NIOSH для шахты.

ВВЕДЕНИЕ

В угледобывающей отрасли США насчитывает около 331 000 человек. Она имеет одни из самых высоких темпов смертности по сравнению с любой другой отраслью промышленности США. Число погибших, травм и катастроф, хотя и реже, чем в прошлом, продолжают происходить с пугающей регулярностью (NRC, 2007). В период с 1990 по 2007 гг., 1601 пожаров произошло в горнодобывающей промышленности США(в среднем 89 пожаров в год).

Рисунок 1 – Зарегистрированные подземные пожары в США (1990-2007 гг.)

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ NIOSH

Современные исследования NIOSH ориентированы на понимание причины и контроль самовозгорание угля, экзогенных пожаров и последствий выбора вентиляционных режимов, также поднимается вопрос обеспечения конвейерных выработок эффективными средствами пожаротушения и дистанционных методов для решения проблемы пожаров угольных шахт. Целью данной работы является снижение количества пожаров и улучшить в шахте управления огнем и технологии пожаротушения, чтобы обеспечить наибольшую возможную степень безопасности для работников угольных шахт.

Доклад о состоянии каждой программной области изложен следующим образом:

Самовозгорание

Самовозгорание продолжает представлять опасность для американских угольных шахтах, особенно в западной части США, где уголь, как правило, добывают на уже достаточно больших глубинах . За период 1990-2006, более 20 подземных пожаров произошло по причине самовозгорания. Самовозгорание происходит тогда, когда тепло, которое поступает из угля не достаточно рассеивается через проводимости и / или конвекции, причиной тому низкая температура реакции угля с кислородом воздуха, в результате чего чистый прирост температуры в угольной массе. Окисления угля является необратимой экзотермической реакцией и скорость реакции увеличивается с ростом температуры. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости окисления. Если не предотвратить соответствующим действием, этот процесс приводит к тепловому импульсу и огонь вспыхивает. Самонагрев угля часто встречается и, к несчастью, не может быть легко обнаружен. В шахтах, которые опасны по выбросам газа, в частности метана, самовозгорание угля может закончиться мощным взрывом.

Особую опасность представляют шахты третьей категории по метану и сверхкатегорийные. Частота таких пожаров и связанных с опасностью взрыва, как ожидается, увеличится так как за последнее время увеличилась добыча угля на более глубокозалегающих горизонтах, т.е. главная опасность связана с тем, что шахты более глубокие, где количество метана растет в геометрической прогрессии, а также увеличилась длина лав и панелей шахтного поля.

Недавно была разработана компьютерная модель на основе шахтной аэростатики, аэродинамики и гидравлики (обычно называемая "CFD"), которая воссоздает поведение шахтной вентиляционной струи при возникновении аварийной ситуации. Был проведен ряд экспериментов, которые включали в себя самые характерные аварии, таких как самовозгорание угля, взрыв метано-воздушной смеси и тд. Эта работа может быть использована для оказания помощи в проектировании систем вентиляции, где риск возникновения самовозгорания и других аварийных ситуаций слищком высок.

Пламя резки и сварки

Для определения причин пожаров и травм, вызванных пламенем от резки или сварочных работ, отчеты по расследованию данных происшествий были тщательно изучены, работники, выполняющие и присутствующие при сварочных работах, были опрошены, исследование проводилось в пределах нескольких шахт. Данные этих исследований были проанализированы, чтобы определить причину пожаров от резки и сварки в горнодобывающей промышленности. Перспективы прямого вмешательства таковы, что для того, чтобы предотвратить пожары, требуется в кратчайшие сроки определить место возникновения возгорания и принять необходимые меры. Были проведены эксперименты в условиях шахты, где использовались стандартные требования для ликвидации и недопущения распространения пожаров, вызванных рассматриваемыми причинами. Существующие методы обучения и процедуры были рассмотрены и для совершенствования этих методов и процедур были разработаны и испытаны в полевых условиях новые рекомендации и правила. Разработанный инструктаж по технике безопасности осведомленности инструментов, "Ликвидация пожаров", планируется к выпуску в ближайшее время.

Пожаротушение ленточных конвейеров

NIOSH в партнерстве с организацией по шахтной безопасности и гигиене труда (МСХА), начал тестовую программу для определения эффективности системы пожаротушения на ленточных конвейерах, находящихся в выработках с высокой скоростью воздушного потока (рис. 2). Полномасштабные эксперименты оценивали эффективность сухого химического порошка, находящегося под давлением (порошковые системы пожаротушения), системы распылителей воды и водных систем во взаимодействии с большой скоростью воздушного потока 0,2,5 и 7,1 м/с (0,500 и 1400 м/мин). Данные, полученные в этой работе, будут использоваться для разработки руководящих принципов установки и использования системы пожаротушения в сильно вентилируемых выработках с ленточными конвейерами.

В конце 2007 года рамки данного исследования были изменены, чтобы включить рекомендации Группы технических исследований об использовании потоков воздуха и состава , свойств огнезащитных материалов в подземной добычи угля.

Рисунок 2 – Ленточный конвейер, оборудованный установкой пожаротушения по технологии NIOSH

В связи с этим исследованием, было доказано что применение различных составных частей ленточного конвейера ( металлических / неметаллических) должно регламентироваться показателями огнестойкости и воспламеняемости применяемых материалов на всех без исключения шахтах. Результаты ясно показали опасность применения неутвержденных конвейерный лент и показали, что использование утвержденных конвейерный лент может значительно снизить потенциальную опасность пожара. Так как именно они являются основной причиной пожаров в конвейерных выработках из-за своих физико-химических свойств.

Дистанционные способы борьбы с подземными пожарами

Возможность дистанционного решения проблемы пожаров угольных шахт может уменьшить воздействие на работников во время возникновения опасных ситуаций. Целью данной работы является оценка, улучшение или изменение дистанционных противопожарных технологий, в том числе установление различных противопожарных сооружений, изменение режимов проветривания в шахте (вентиляция барьерами), управления огнем и технологии пожаротушения. Эти научно-исследовательские работы проводятся при активном участии промышленности и специалистов MSHA по технических исследованиям, выступающим в качестве партнеров.

Полномасштабные эксперименты, которые были основаны на установлении противопожарных заслонов и перемычек, созданных на основе специального цемента и жесткой, пены были проведены специалистами NIOSH. Местом проведения этих опытов стала экспериментальная шахта, находящаяся на озере Линн (LLEM). LLEM (расположен примерно в 97 км (60 миль) к юго-востоку от Питтсбурга, штат Пенсильвания) является объектом мирового значения, его уникальность и сложность состоит в том, что после произошедшего крупномасштабного взрыва, там уже очень долгое время не утихает мощный подземный пожар. Эта работа привела к новому пониманию ограниченности современных технологии и разработке новых. Одним из главных результатов можно назвать новую технологию, которая позволяет подавать необходимый материал для сооружения пожарных преград, находясь на удалении от опасного места (с помощью специальных скважин). Также проведены важные исследования, которые показали необходимость использования насыщенной азотом пены. При увеличении азота резко возрастает огнетушащая способность применяемой пены.(рис. 3).

Рисунок 3 – Использование пены с высоким содержанием азота на экспериментальной шахте

БУДУЩЕЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ

Исследовательская программа NIOSH по изучению подземных пожаров в угольных шахтах будет продолжаться. Основной упор будет делаться на проведении экспериментов в реальных условия шахты, либо в приближенных (искусственное моделирование пожаров). Работа будет сосредоточена на шахтах западной части США, где на данный момент наиболее глубокие шахты. Данные с этих шахт будут анализироваться и применяться для калибровки модели CFD. CFD моделирования будут также использованы для исследования азота, а именно возможности закачки газа для предотвращения спонтанных затоплений в угольных шахтах (как бывает при тушении обычной водой), также для выбора наиболее рационального режима вентиляции шахты при возникновении аварийных ситуаций.

Особое внимание будет уделяться противопожарной защите ленточных конвейеров и выработок, оборудованных ими. Для этого будут применяться самые последние достижения в области огнестойких и трудно-воспламеняющихся материалов, рациональные режимы проветривания и моделирования расхода воздуха. Для обеспечения пожарной безопасности является необходимостью детальная проверка и маркировка всех конвейерных лент по их трудно-воспламеняемости и, конечно же, проверка токсичности продуктов горения. Также растет неуклонно применение современных систем мониторинга окружающей шахтной атмосферы, что позволит предупреждать пожар, быстро выявлять его очаги, кроме того, следить за составом рудничного воздуха, а именно содержанием опасных газов и пыли, и их взрывоопасных концентраций.

Пожарная безопасность еще будет обеспечиваться с помощью эффективных систем пожаротушения, что включает в себя как стационарные, так и переносные установки. Характер их применения будет различным для разных потребностей, т.е. отдельно для ленточных конвейеров и выработанных пространств, для которых характерно самовозгорание угля. Наиболее широкое применение должны получить вентиляционные сооружения, позволяющие перевести пожар в контролированное состояние, не допустить его распространения по другим горным выработкам шахты и обезопасить работников угольной промышленности. Несомненный вклад в борьбу с подземными пожарами будет вноситься с помощью новейших компьютерных программ, которые позволят моделировать пожары, решать проблемы выбора вентиляционного режима проветривания, установки преград. Кроме того, данные программы показывают наиболее безопасные маршруты для входа горняков на поверхность и для подхода к пожару отрядов горноспасательных служб. Т.е. основной заслугой таких программ является возможность использования их для прогнозирования аварийных ситуаций, соответственно вырабатывая наиболее рациональные правила и рекомендации по ведению горных работ и поведению работников при возникновении разного рода опасностей. Также будет п родолжаться исследование в области дистанционного тушения пожаров. Особенно тестирование использования инертных газов, что на сегодняшний день является одним из приоритетных направлений.

Неопровержимым фактом является то, что наиболее важным является работа с работниками угледобывающей промышленности. Шахтеры должны неукоснительно соблюдать технику безопасности и знать все свои действия во время аварийных ситуаций. Помочь этому могут различные инструктажи, рекомендации, консультации специалистов.

В связи со значительными изменениями условий работы шахтеров на более глубоких шахтах, появлением новой техники и технологий пожаротушения следует также изменить нормативную документацию по данному вопросу. Выработать новые правила, стандарты, рекомендации. Что позволит наиболее эффективно бороться с пожарами, заметно снизить риск их возникновения и уменьшить человеческие жертвы.

В ближайшее время планируется осуществление инновационного проекта, он заключается в строительстве принципиально новой площадки для исследования пожаров на базе заброшенной шахты. Будет установлен реактивный двигатель, который будет выдувать пламя в горные выработки, это позволит максимально приблизиться к пониманию вопросов тушения пожаров. Целыми сутками мониторинговые системы будут собирать всю необходимую информацию, состав, свойства рудничной атмосферы, температуру, поведение угля в массиве и боковых пород. Данная установка поможет выявить лучшие режимы вентиляции и способы пожаротушения.

Также сейчас проходит проверку новая временная надувная установка преграждения потока воздуха. Она быстро возводится, что позволит в короткие сроки изолировать загазированные участки. Это поможет не допустить распространения вредных, токсичных газов по другим выработкам шахты.

Рисунок 4 – Временная надувная установка преграждения воздушного потока

ВЫВОДЫ

Хочется надеяться, что эта работа приведет к более глубокому пониманию условий, приводящих к пожарам и поможет в вопросах их предупреждения и тушения. Эти исследования также должны привести к появлению новой практики в проветривании горных выработок.

Все приведенные выше исследования должны позволить значительно снизить количество аварий с гибелью людей в угольной промышленности США. К тому же, вероятно, все это позволит заметно увеличить нагрузку на очистной забой и, как следствие, увеличить объемы добычи.

Список литературы

1. DeRosa, M.I., 2008, Industrial Hygienist, Pittsburgh Research Laboratory, NIOSH, Personal Communication, March 22.
2. Mutmansky, , J.M. Brune, J.F. Calizaya, F. Mucho, T.P. Tien, J.C. Weeks J.L., 2007, Final Report of the Technical Study Panel on the Utilization of Belt Air and the Composition and Fire Retardant Properties of Belt Materials in Underground Coal Mining, NIOSH, 132 p.
3. National Institute for Occupational Safety and Health, 2008a. NIOSH Mining Webpage, , April 8.
4. National Institute for Occupational Safety and Health, 2008b. NIOSH Mining Webpage, , July 5.
5. National Research Council and Institute of Medicine (NRC). 2007. Mining Safety and Health Research at NIOSH. Committee to Review the NIOSH Mining Safety and Health Research Program. Rpt. No. 2, Reviews of Research Programs of the National Institute for Occupational Safety and Health. Washington D.C.: The National Academies Press, 290 p.
6. Rowland J.H., 2008, Research Physicist, Pittsburgh Research Laboratory, NIOSH, Personal Communication, April 22.