Введение к работе
Актуальность проблемы. В соответствии с законодательством Украины об охране труда, обеспечение пожарной безопасности промышленных объектов, в том числе и угольных шахт, является неотъемлемой частью государственной деятельности в области охраны жизни и здоровья людей, национального богатства и окружающей природной среды.
Статистические данные свидетельствует о том, что, несмотря на снижение добычи угля, количество экзогенных пожаров не уменьшается. Ежегодно в Украине происходит от 50 до 80 подземных пожаров экзогенного происхождения, которые наносят экономический ущерб угольным предприятиям в размере 20...40 млн. грн. в год.
Анализ хода ликвидации подземных аварий показывает, что оперативные подразделения ГВГСС прибывают на пожарный участок лишь спустя 1,5...2 часа с момента возникновения пожара. За это время пожар может распространиться по горной выработке, закрепленной деревянной крепью, на расстояние примерно 100... 150 м, что практически исключает возможность его эффективного тушения с помощью первичных средств пожаротушения. Особенно сложные условия создаются в шахтах, опасных по газу и пыли, ввиду реальной угрозы взрывов метановоздушных смесей. В таких случаях тактико-технические возможности существующих средств активного тушения практически полностью исчерпываются, а пожар удается потушить лишь путем изоляции аварийного участка с помощью взрывоустойчивых перемычек. При этом из технологической цепи шахты на длительное время выводятся горные выработки, содержащие дорогостоящее оборудование и подготовленные к выемке запасы угля. Динамика травматизма свидетельствует о том, что 34 % тяжелых травм, в том числе с летальным исходом, горноспасатели получают в результате воздействия поражающих факторов взрывов газа при ведении аварийно-спасательных работ и тушении сложных подземных пожаров. Главная причина этого - несовершенство технических средств и отсутствие научно обоснованных способов тушения сложных подземных пожаров.
В этой связи раскрытие особенностей развития подземных пожаров в горных выработках и разработка средств и способов порошкового, пенного и комбинированного тушения сложных подземных пожаров, в том числе при потенциальной угрозе взрывов метановоздушных смесей, является актуальной научно-технической проблемой, решение которой позволит повысить эффективность и безопасность ведения горноспасательных работ.
Связь диссертационной работы с научными программами, планами НИР, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ НИИГД по программам: "Разработать тактику и технические средства ликвидации аварий в шахтах, ведения горноспасательных работ и спасения людей", "Создать и внедрить способы и средства активного тушения экзогенных пожаров в шахтах и инертизации атмосферы с целью предотвращения взрывов при тушении пожаров» и отражена в отчетах о НИР№1903604000,1919202270,1992481000,1929410362,199309000, 1992059000,
1926225000, 1992457000, 199418000, 1993038000, 1929610026, 1993018000, которые выполнялись автором в качестве руководителя или ответственного исполнителя.
Цель работы - раскрытие особенностей развития подземных пожаров в горных выработках и разработка средств и способов порошкового, пенного и комбинированного тушения сложных подземных пожаров (с учетом потенциальной угрозы взрывов метановоздушных смесей).
Идея работы заключается в раскрытии и использовании особенностей развития и распространения подземных пожаров по горным выработкам и комплексном применении огнетушащих материалов, веществ и составов, обладающих различными физико-химическими свойствами.
Методы исследований - аналитический и экспериментальный, базирующиеся на теории горения, математической физики, реологии, математическом и физическом моделировании процессов тушения пожаров и локализации взрывов метановоздушной смеси, экспериментальном определении режимов работы пожаротушащих установок, стендовых, лабораторных и шахтных испытаниях. Основные научные положения, выносимые на зашиту и их новизна:
-
Раскрыт механизм тушения пожара (ингибирования пламени) заряженными частицами порошка, заключающийся в притягивании в зону горения положительно или отрицательно заряженными ионами пламени частиц порошка с противоположными зарядами; при этом установлена эмпирическая зависимость дальности распространения порошка по горной выработке от размера и величины заряда его частиц, напряженности электрического поля и скорости вентиляционной струи.
-
При подавлении путем обрушения пород кровли очагов самонагревания угля в выработанном пространстве лавы раскрыты условия локализации (ограничения зоны действия) взрывов метановоздушной смеси, заключающиеся в гашении пламени и уменьшении давления во фронте взрывной волны при прохождении ее через толщу обрушенных пород; при этом установлены эмпирические зависимости для определения степени снижения давления от ширины полосы и гранулометрического состава обрушенных пород.
3.Экспериментально установлено резкое повышение эффективности пожаротушения при последовательном использовании пламегасящих и охлаждающих составов: огнетушащего порошка и воздушно-механической пены; огнетуша-щего порошка и аэрозоля; аэрозоля и воздушно-механической пены; при этом для модельных очагов пожара класса В определены рациональные численные значения соотношений: порошка и пены; порошка и аэрозоля; пены и аэрозоля (соответственно 1:1,10:1,90:1).
4. Экспериментально доказана возможность истечения раствора пенообразователя из корпуса огнетушащих средств и получения аэрозольно-механической пены при использовании газообразных продуктов сгорания аэрозольобразую-щих составов; установлены зависимости для определения кратности генерируемой пены от температуры и давления газов.
-
Установлены причины повторного воспламенения очагов пожара после прекращения огнетушащего воздействия, заключающиеся в сохранении внутри очага температуры, превышающей критическую температуру возгорания горючих материалов; при этом получен интегральный критерий оценки огнетушащей эффективности средств пожаротушения, отличающийся учетом вероятности гарантированного тушения пожара еще на стадии проектирования изделий противопожарного назначения.
-
Обоснован принцип создания шахтных автоматических систем пожаротушения, базирующийся на представлении подземного пожара как управляемой системы с определенными параметрами (температурой, тепловой мощностью, скоростью распространения по горной выработке), предопределяющими выбор способов и сочетания средств пожаротушения, обеспечивающих максимально возможную огнетушащую эффективность для каждого конкретного пожара.
-
Эспериментально доказана возможность истечения огнетушащего порошка из емкостей установок под давлением газообразных продуктов сгорания аэрозолей; установлены температурные условия псевдоожижения порошка и предотвращения его спекания при горении аэрозольобразующих зарядов. Научное значение работы заключается в следующем:
доказана возможность существенного повышения огнетушащей эффективности шахтных средств пожаротушения за счет использования совокупного огнетушащего эффекта, получаемого путем одновременного использования различных по физической природе огнетушащих составов, таких как: воздушно-механическая пена и аэрозоль, огнетушащий порошок и аэрозоль, воздушно-механическая пена и огнетушащий порошок. Установлено, что наиболее универсальной является комбинация огнетушащего порошка и воздушно-механической пены;
определена физическая сущность и исследованы закономерности тушения сложных подземных пожаров, в том числе при потенциальной угрозе взрывов метановоздушных смесей;
разработан метод оценки огнетушащей эффективности шахтных огнетушителей, новизна которого заключается в том, что он позволяет учитывать вероятность повторного воспламенения очагов пожара, особенно при одновременном горении веществ различного агрегатного состояния.
Практическое значение работы заключается в следующем:
разработаны способы и технические средства тушения сложных подземных пожаров, в том числе:
технология подавления очагов самонагревания и локализации возможных взрывов обрушенными горными породами в выработанном пространстве очистных забоев;
способ повышения эффективности дистанционного тушения пожаров за счет увеличения дальности подачи порошка по сети горных выработок; разработан комплекс технических средств повышенной огнетушащей эффективности - огнетушителей, передвижных и стационарных установок, автоматических систем, позволяющих тушить подземные пожары любого класса.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались на:
- 6-й Всесоюзной научно-практической конференции "Горение и тушение по
жаров" (Москва: ВНИИПО, 1979 );
19-й Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы в физике аэродисперсных систем" (Одесса: Технический университет им. И.И.Мечникова, 1986 );
Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование способов борьбы с эндогенными пожарами" (Донецк: ВНИИГД, 1987 );
Республиканском научно-техническом семинаре "Профилактика и тушение пожаров на объектах народного хозяйства" (Севастополь: Приборостроительный институт, 1988 );
Республиканской научно-технической конференции "Разработка и внедрение новых средств и способов, обеспечивающих улучшение охраны труда и техники безопасности" (Свердловск: ВНТО цветной металлургии, 1989);
3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Взрывобезопасность технологических процессов, пожаро-и взрывозащита оборудования и сооружений" (Черкассы: ВНИИБХП, 1990 );
- Республиканской научно-технической конференции "Взрыво-безопасность
технологических процессов" (Северодонецк: ВНИИБХП, 1992 );
1-й Международной научно-технической конференции "Проблемы экологического мониторинга и охраны труда" (Севастополь: НИИ аналитического приборостроения, 1993);
Международном рабочем совещании по проблемам техники безопасности и охраны окружающей среды при подземной добыче угля (Польша: г. Щирк, Главный горный институт, 1994 );
Международной конференции "Проблемы пожарной безопасности" (Киев: УкрНИИПБ, 1995 );
3-й Международной научно-технической конференции "Проблемы экологического мониторинга и охраны труда" (Севастополь: НИИ аналитического приборостроения, 1995);
Международной научно-практической конференции "Пути развития горноспасательного дела" (Донецк: НИИГД. 1997 );
- Международной научно-технической конференции "Охрана труда в подзем
ных и открытых шахтах и рудниках" (Болгария: Варна, Научно-технический
союз по горному делу, геологии и металлургии, 1998 ).
- Международной научно-практической конференции «Современные дости
жения в области рудничной вентиляции, кондиционирования шахтного возду
ха, борьбы со взрывами метана и предупреждения эндогенных пожаров»
(Польша: Щирк, Главный горный институт, 1999).
Реализация выводов и результатов работы. Основные научные положения работы вошли в отраслевые нормативно-технические документы, в том числе: параметры способа локализации взрывов метановоздушных смесей при пожарах в выработанном пространстве выемочных участков включены в «Рекомендации по безопасной отработке лав при наличии пожаров в выработанном пространстве». -Донецк: НИИГД, 1986 .- 95 с, «Руководство по подавлению очагов
самонагревания, расположенных в выработанных пространствах, путем ускоренного подвигания лавы»- Донецк: НИИГД, 1999.-15 с, а также в «Рекомендации по тушению подземных пожаров пеной в тупиковых горных выработках при потенциальной угрозе взрыва метановоздушной смеси».- Донецк: НИИГД, 1990.- 19с; «Рекомендации по применению пористых взрывопреградителей при ликвидации аварий». -Донецк: НИИГД, 1996 .- 8 с.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по увеличению дальности подачи огнетушащих порошков по сети горных выработок вошли во «Временные рекомендации по дистанционному объемному тушению пожаров в забоях длинных тупиковых выработках за счет подачи порошка по технологическим трубопроводам».- Донецк: НИИГД, 1992.- 24 с, а также -«Рекомендации по увеличению дальности подачи огнетушащего порошка за счет взаимодействия разнополюсных электрических зарядов порошкового факела и очага пожара».- Донецк: НИИГД, 1995.-14 с.
Технология подавления очагов самонагревания и локализации взрывов в выработанных пространствах путем ускоренного подвигания лавы отрабатывалась в течение 1985... 1998гг. на шести шахтах Луганской, Донецкой и Днепропетровской областей. Способы и технические средства тушения пожаров, в том числе стационарные и мобильные установки внедрены на угольных предприятиях Украины и России. Автоматические системы типа САП-1 и их модификации серийно выпускаются НПО «Респиратор» для противопожарной защиты горных выработок, надшахтных зданий и сооружений, экскавационно-транспортного оборудования, а также вскрышных и добычных комплексов угольных разрезов России. Указанные системы находят также широкое применение для противопожарной защиты взрывоопасных объектов и технологических линий в других отраслях народного хозяйства. Результаты исследований внедрены в учебном процессе Донецкого центра по подготовке горноспасателей, а также используются конструкторами и научными сотрудниками НИИГД при разработке образцов новой техники и проектов противопожарной защиты шахт.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 50 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 разделов, заключения и содержит 299 страниц основного текста, 36 рисунков, 15 таблиц и список использованных литературных источников из 207 наименований. Автор признателен и благодарен проф., доктору техн. наук П.С.Пашковскому за постоянное внимание к работе и оказанную научно-прикладную консультативную помощь в процессе ее выполнения; проф., доктору техн. наук И.Е.Болбату за многолетнее содействие в выработке направлений исследований и координацию работ по проблеме тушения экзогенных пожаров и локализации взрывов метановоздушных смесей; сотрудникам лаборатории тушения подземных пожаров и надшахтных комплексов НИИГД, участвующих в выполнении исследований во взрывной штольне НИИГД и на экспериментальном полигоне.
