Назад в библиотеку

---

Тушение подземных пожаров методом рециркуляции газовых потоков

Автор: П.С. Пашковский, д–р техн. наук, первый заместитель директора по научной работе, В.И. Лебедев, канд. техн. наук, завотделом НИИГД Респиратор, В.З. Брюм, директор ГП «Петровский завод угольного машиностроения», Донецк
Источник: Національна бібліотека України В.І. Вернадського

Рассмотрено влияние тепловой депрессии, утечек воздуха через изолированный пожарный участок и завалов в выработанном пространстве на рециркуляцию воздушного потока, создаваемого тепловой депрессией. Даны практические рекомендации по интенсификации процессов тушения пожаров методом рециркуляции продуктов горения.

Тушение пожаров в подземных горных выработках – чрезвычайно сложный и опасный процесс. Особую сложность представляет тушение развившихся пожаров, которые не удалось ликвидировать в начальной стадии непосредственным воздействием на очаг пожара огнетушительными средствами. Тушение таких пожаров осуществляют изоляцией, причем длительность тушения может достигать нескольких месяцев, а иногда лет, что объясняется следующим.

Процесс тушения подземного пожара методом изоляции заключается в снижении температуры нагретых пород и угля до значения ниже критической температуры, т.е. температуры, исключающей рецидив пожара после вскрытия изолированного участка. В соответствии с законом Фурье в неподвижной различно нагретой среде передача теплоты обусловлена в основном коэффициентом теплопроводности. В зависимости от значения коэффициента теплопроводности вещества разделяются на легко– и труднопроводящие теплоту. К легкопроводящим относятся металлы, коэффициент теплопроводности которых больше, чем известняка в среднем в 150 раз, углей – в 1700 раз, неподвижного воздуха – в 18000 раз. Поэтому очень медленно снижается температура нагретого угля в изолированных участках.

Разработан и применяется на практике метод сокращения сроков изоляции подземных пожаров посредством создания рециркуляции газообразных продуктов горения [1]. Суть его заключается в многократной подаче к очагу пожара газовой смеси с низкой концентрацией кислорода, что способствует прекращению горения, приводит к перераспределению теплоты по длине выработок и частичному выносу ее за пределы изолированного объема, а в итоге – к ускорению ливидации подземного пожара.

Рециркуляцию газовоздушной смеси можно создать за счет тепловой депрессии самого пожара или за счет механических источников тяги. Первый способ является более безопасным, так как действующие выработки отделены от аварийного участка ненарушенными взрывоустойчивыми перемычками. Этот метод можно применять на шахтах, опасных по газу. Однако существует опасность того, что по мере снижения температуры уменьшится тепловая депрессия, а это, в свою очередь, может привести к крайне нежелательному прекращению рециркуляции на заключительном этапе тушения пожара. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Существуют три вида движения воздуха в шахтах: ламинарное (слоистое), турбулентное (вихревое) и промежуточное [2]. На заключительном этапе рециркуляции движение воздуха будет происходить с малой скоростью, характерной для ламинарного режима. Рассмотрим подробнее этот этап (рис. 1). Ветвь 2–3–4 представляет собой ту часть шахты, где произошел пожар. Это может быть, например, выемочный участок, выемочная панель или отдельная выработка. В этой части горных выработок формируется тепловая депрессия пожара. Ветвь 2–5–4 является замыкающей выработкой, по которой продукты горения поступают повторно к очагу пожара.

В соответствии со вторым законом вентиляционных сетей [4], учитывая ламинарный характер движения воздуха, для контура рециркуляции 2–3–4–5–2 можно записать следующее равенство:

ra (Qp + Qут)+ rб Qp – hт = 0, (1)

где ra – аэродинамическое сопротивление ветви 2–3–4, Па·с²/м⁶;

Qp – расход воздуха, рециркулируемого в рассматриваемом контуре, м³/с;

Qут – утечки воздуха через изолированный участок, м³/с;

rб – аэродинамическое сопротивление замыкающей ветви 2–5–4, Па·с²/м⁶;

hт – тепловая депрессия, сформировавшаяся при пожаре в изолированном участке, Па.

Из уравнения (1) получим

Из формулы (2) следует, что количество воздуха, вовлеченного в рециркуляцию, зависит от значения тепловой депрессии, аэродинамического сопротивления выработок и утечек воздуха, причем, чем больше утечки воздуха, тем меньше расход рециркулируемых газов.

Для повышения эффективности рециркуляции следует стремиться к тому, чтобы утечки воздуха через изолированный участок были минимальны. Многочисленные исследования, проведенные в разных странах, показали, что утечки воздуха через изоляционные перемычки подчиняются квадратичному закону [1, 2]. Учитывая это, для контура 1–2–3–4–6–1 (см. рис. 1) можно записать следующее равенство:

где Ra, Rб – сопротивление перемычек соответственно А и Б, Па·с²/м⁶;

hв – разность вентиляционных давлений (депрессия) между пунктами 1 и 6 (т.е. депрессия вентилятора главного проветривания, приходящаяся на изолированный участок), Па.

Из равенства (1) имеем

тогда уравнение (3) можно представить в виде

откуда

Из формулы (6) следует, что для уменьшения утечек воздуха через изолированный участок необходимо снижать его депрессию и увеличивать сопротивление изолирующих перемычек. Одновременно следует стремиться к тому, чтобы сопротивление замыкающей выработки rб было минимальным.

Сопоставляя формулы (2) и (6), приходим к выводу, что, с одной стороны, расход воздуха, вовлеченного в рециркуляцию, зависит от утечек воздуха, с другой стороны – утечки воздуха зависят от количества рециркулируемой газовой смеси. Причем оба параметра зависят от аэродинамического сопротивления выработок, образующих контур рециркуляции, т.е. от rа и rб. Уменьшение последних приводит к усилению рециркуляции и снижению утечек воздуха через изолированный пожарный участок.

Из формулы (2) следует, что рециркуляция газов в изолированном участке прекращается в тот момент, когда выполняется равенство

hт = rаQут. (7)

В данном случае тепловая депрессия расходуется на перемещение утечек воздуха внутри изолированного участка, на перемычки А и Б (см. рис. 1) она не влияет.

Из формулы (7) следует, что критическая депрессия, при которой прекращается рециркуляция газов в изолированном участке, зависит от сопротивления этого участка rа и утечек воздуха через него. В зависимости от значения параметра rа можно выделить два крайних случая:

· на аварийном участке завалы отсутствуют или они не оказывают существенного влияния на указанный параметр;

· на аварийном участке произошли обширные завалы.

Проанализируем влияние завалов на примере аварии, произошедшей на шахте «Краснолиманская» в 6–й южной лаве пласта k5 (рис. 2). Выемочный участок имел следующие размеры: по простиранию 400 м, по падению 277 м. Проветривался он по возвратноточной схеме: свежая струя поступала в лаву по конвейерному штреку, отработанный воздух выводился по вентиляционному штреку. Разность высотных отметок между конвейерным и вентиляционным штреками 35 м. Пожар возник в лаве, сначала горел метан, затем метан и уголь. Из–за пожара в лаве сформировалась тепловая депрессия 150 Па. Было решено ее использовать для тушения пожара. Участок был изолирован взрывоустойчивыми перемычками. Утечки воздуха через изолированный участок 15 м3/мин (0,25 м³/с). Для создания контура рециркуляции проложили два трубопровода, концы которых завели за перемычки № 3 и 5. Рассмотрим следующие возможные варианты рециркуляции.

1, 2, 3, 5 – изоляционные перемычки, 4 – трубопровод

Вариант 1, при котором сохраняются существующие до аварии выработки. Параметр rа определяется сопротивлением 6–й южной лавы и прилегающими к ней штреками и равен 2,3 Па·с²/м⁶. Учитывая, что Qут = 0,25 м/с, по формуле (7) получим

hт1=2,3·0,25 = 0,57 Па,

т.е. рециркуляция прекратится при уменьшении тепловой депрессии до 0,57 Па.

Вариант 2 соответствует положению, которое сложилось после образования завалов в лаве и в вентиляционном штреке. Измерения показали, что из–за завалов сопротивление 6–й южной лавы и прилегающих к ней выработок достигло 600 Па·с²/м⁶. Значение утечек воздуха через изолированный участок практически не изменилось. В этом случае

hт2 = 600 · 0,25 = 150 Па,

т.е. при наличии завалов рециркуляция прекращается даже при тепловой депрессии 150 Па.

В процессе тушения пожара сопротивление контура рециркуляции может самопроизвольно изменяться. Поэтому необходимо контролировать этот процесс путем измерения параметров замыкающей ветви (депрессии, расхода газов, концентрация газов в отбираемых пробах).

Как уже отмечалось, пожар считается потушенным, если температура угля в изолированном участке снизится до температуры, исключающей рецидив пожара.

Оценим значение тепловой депрессии, которая может сложиться к моменту снижения температуры до требуемого уровня.

Тепловую депрессию можно подсчитать термодинамическим методом, заключающемся в том, что тепловые процессы, происходящие в шахте, рассматриваются в высотно–термической системе координат: Н – геодезическая высота и Т – абсолютная температура [2].

В качестве примера на рис. 3 приведена диаграмма изменения температуры газов в контуре рециркуляции. Начало оси координат помещается на горизонтальной плоскости, проходящей через узел 4 (см. рис. 1).

Участок ав диаграммы характеризует рост температуры газового потока при прохождении через зону очага пожара, участок вс характеризует остывание газов при их движении по выработке 2–3–4, участок са определяет температуру в замыкающей выработке 2–5–4.

В соответствии с термодинамическим методом работа 1 кг воздуха, совершаемая по замкнутому контуру а–в–с–а, равна площади, ограниченной данным контуром, деленной на абсолютную температуру, соответствующую центру тяжести этой площади [2], т.е.

где Sk – площадь контура, м·К;

γ– удельная масса воздуха, кг/м³;

Тц – абсолютная температура центра тяжести, К.

Площадь контура Sk можно подсчитать по формуле

где К – коэффициент, учитывающий конфигурацию контура;

Н– разность высотных отметок участка, на котором формируется тепловая депрессия, м;

Т– приращение температуры струи в зоне пожара, К.

Для условий Донбасса критическая температура, при которой исключается рецидив пожара, находится в пределах 90…115°С. При расчетах примем ее равной 90°С. На диаграмме (см. рис. 3) температура в точке в не должна превышать указанное значение. Если принять температуру струи при подходе к очагу пожара равной 30°С, то приращение ее на участке ав не должно превышать 60°С. Для рассматриваемых условий можно принять γ= 1,2 кг/м³; Тц = 300 К; К = 0,5. Тогда формула (8) примет вид

Известно, что приращение температуры в выработке на расстоянии Х от очага пожара определяется по формуле [3]

где t– приращение температуры в очаге пожара, К;

С – коэффициент, учитывающий аэротермические свойства горящей выработки (сечение, шероховатость стенок, теплоемкость проходящих газов);

Q – расход газов, кг/с.

Из последней зависимости следует, что при затухании процесса рециркуляции (Q стремится к нулю) температура газов за зоной горения резко падает. В этот период тепловая депрессия формируется в бывшей зоне горения. Поэтому формулу (10) удобно представить в виде

hт = 30l(2)sinα , (12)

где l(2) – протяженность зоны горения (нагревания), м;

α– угол наклона выработки, в которой происходит горение, °.

Методом изоляции ликвидируют обычно сложные развившиеся пожары. В таких случаях протяженность зоны горения – не менее 10 м. В таблице приведены результаты расчетов тепловой депрессии для выработок с небольшими углами наклона, где тепловая депрессия минимальна.

Сопоставляя данные таблицы с результатами расчета, выполненными для условий шахты «Краснолиманская», приходим к выводу, что при отсутствии значительных завалов на аварийном участке рециркуляция сохраняется до того момента, когда температура угля в нем станет ниже критической. При наличии существенных завалов рециркуляция может прекратиться раньше времени. В таких условиях может возникнуть необходимость в применении специальных вентиляторов. Во всех случаях следует стремиться к тому, чтобы утечки воздуха через изолированный пожарный участок были минимальными. Сократить утечки через изолированный участок можно путем уменьшения:

· депрессии вентилятора главного проветривания hв, приходящейся на изолированный участок;

· аэродинамического сопротивления той ветви, в которой при рециркуляции происходит опрокидывание воздушного потока (ветвь 2–5–4 на рис.1).

Снижение депрессии hв достигается следующими способами: уменьшением депрессии и подачи воздуха главным вентилятором, увеличением сопротивления выработок, по которым воздух поступает к изолированному участку и отводится от него. Уменьшить сопротивление rб в рассмотренном выше случае (см. рис. 2) можно путем увеличения диаметра или количества трубопроводов. Лучшие результаты можно получить, если вместо трубопроводов использовать выработку.

Интенсифицировать процесс рециркуляции можно путем подачи в контур рециркуляции инертного газа. Рассмотрим его влияние на утечки воздуха.

Предположим, инертный газ, например азот, подают в контур рециркуляции в пункт 2 (см. рис. 1). На основании второго закона сетей [2] для контура 1–2–3–4–6–1 можно записать следующее уравнение:

где q – расход (подача) инертного газа, м³/с. Для контура 2–3–4–5–2 аналогично можно записать равенство

ra(Qут + Qр + q) = hт – rбQp (14)

Обозначим

q=kQут (15)

и примем, что q<Qут.

С учетом формулы (14) уравнение (13) примет вид

Тогда утечки воздуха через изолированный пожарный участок равны

где Qут.ин. – утечки воздуха в период подачи инертного газа, м³/с.

Из последнего выражения следует, что, чем интенсивнее будет подаваться инертный газ, тем меньше будут утечки воздуха через изолированный участок. Это благотворно скажется на процессе рециркуляции.

Степень снижения утечек воздуха можно выразить коэффициентом f на основе зависимостей (2) и (16):

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

· с помощью рециркуляции, осуществляемой за счет тепловой депрессии пожара, можно снизить температуру угля в изолированном участке до значения, исключающего рецидив пожара;

· негативное влияние на рециркуляцию оказывают утечки воздуха через изолированный участок и возникающие в нем завалы;

· интенсифицировать процесс рециркуляции можно путем подачи в изолированный участок инертных газов: экономически это целесообразно осуществить на заключительном этапе тушения пожара;

· на протяжении тушения пожара следует контролировать параметры рециркуляции и своевременно принимать меры по ее поддержанию.

Список литературы

1. Болбат И.Е. Аварийные вентиляционные режимы в угольных шахтах / И.Е. Болбат, В.И. Лебедев, В.А. Трофимов. – М.: Недра, 1992. – 208 с.
2. Горное дело: энциклопедический справочник: в 11 т. Т. 6. – М.: Углетехиздат, 1959. – 376 с.
3. Тушение подземных пожаров на угольных шахтах / Г.Г. Соболев, В.П. Чарков и др. – М.: Недра, 1977. – 248 с.
4. Цой С. Основы теории вентиляционных сетей / С. Цой, Е.И. Рогов. – Алма–Ата: Наука, 1965. – 284 с.