книги из ГПНТБ / Белопол, А. Н. Борьба с подземными пожарами в сложных горногеологических и горнотехнических условиях угольных шахт [работникам служб техники безопасности]
.pdf
Министерство угольной промышленности СССР
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Серия «•Техника безопасности и горноспасательное дело»
А. Н. БЕЛОПОЛ, Н. Ф. ДМИТРЮК
БОРЬБА С ПОДЗЕМНЫМИ ПОЖАРАМИ
ВСЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Москва 1974
УДК 622.822
В работе рассматриваются вопросы возникновения, разви тия подземных пожаров в сложных горногеологических и гор нотехнических условиях, способы их обнаружения и изоля ции. а также средства и методы тушения. Кроме того, приве дены способы вскрытия запожаренных участков, горизонтов и шахт. Работа предназначается для работников шахт и науч но-исследовательских институтов.
© ЦНИЭИуголь, 1974.
Борьба с подземными пожарами, а также организация профи лактической службы на шахтах являются делом первостепенной важности. Частота возникновения подземных пожаров на 1 млн. т добываемого угля за последние 10 лет снизилась с 2,5 до 0,47. Однако с переходом горных работ на более глубокие горизонты пожароопасность шахт значительно увеличивается, а борьба с по жарами осложняется ввиду резкого изменения горногеологических и горнотехнических условий и возрастающей опасности взрывов газо-воздушных смесей. При этом взрывы нередко разрушают гор ные выработки и вентиляционные сооружения, вызывают новые пожары и приводят, как правило, к временному прекращению ра бот по их тушению, что необходимо для уточнения вызванной взрывом обстановки в шахте и разработки мер по дальнейшему тушению пожаров.
Анализ аварийности на шахтах Минуглепрома СССР показы вает, что количество эндогенных и экзогенных пожаров распреде ляется примерно поровну.
К наиболее пожароопасным угольным месторождениям отно сится Прокопьевско-Киселевский район Кузбасса, где самовзгоранию подвержены в основном мощные крутые пласты (от 6 до 16 м), собранные в многочисленные складки и сильно нарушенные.
Особое значение для шахт, отрабатывающих угольные пласты в толще многолетнемерзлых пород на месторождениях Северо-вос тока страны, имеет разработка надежных способов и средств об наружения и тушения сложных и опасных пожаров, ликвидация которых обычно сопровождается взрывами газо-воздушных сме сей. В таких условиях возникают факельные горения горючих га зов, пожары уходят в выработанное пространство, вызывая боль шие потери угля (до 65%) и его газификацию. Нередко экзоген ные пожары распространяются на выработанное пространство и требуют в этом случае больших затрат на их ликвидацию. Так, на угольных шахтах Норильска для тушения двенадцати пожаров методом заиливания по проекту было подано 1953 850 м3 глины в целике (при Т:Ж =1:4), что в суровых климатических условиях Севера потребовало огромных материальных затрат, создания спе циализированного управления с мощной технической базой.
3
ЙРИЧИНЫ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ
Эндогенные пожары. Анализ всех подземных пожаров на уголь ных шахтах с 1962 по 1971 г. показывает, что эндогенные пожары составляют 56,6% общего количества.
По отдельным угольным месторождениям и бассейнам, разра батывающим мощные пласты угля, склонного к самовозгоранию, число эндогенных пожаров достигает 35% и более. Так, на шах тах Средней Азии за рассматриваемый период они составили 92,9%, в Кузнецком бассейне — 49,4% (в Прокопьевско-Киселев- ском районе 90,5%).
При расследовании причин возникновения эндогенных пожа ров, способов обнаружения и предупреждения их в ранней стадии установлены некоторые закономерности, которые позволяют наме тить основные пути и средства предупреждения пожаров.
1.В условиях шахт, где применяются профилактическая обра ботка выработанного пространства и специальные мероприятия по предотвращению пожаров, обнаруженных в инкубационном перио де, каждая стадия самовозгорания угля протекает более значи тельное время, нежели в условиях лабораторного опыта. Так, кон центрации окиси углерода в каждой из стадий самовозгорания меньше, чем при лабораторном опыте, что объясняется рассеива нием ее в значительных объемах горных выработок.
2.Содержание окиси углерода в рудничной атмосфере выемоч
ных участков при обнаружении очагов пожара по явным призна кам их проявления (запах, дым, огонь) значительно выше тех кон центраций, по которым можно судить о начале процесса самовоз горания угля. Установить ранние стадии самовозгорания угля достаточно надежно можно только по наличию СО в рудничном воздухе.
3.По содержанию СО в рудничной атмосфере можно судить не только о наличии самовозгорания угля, но и о степени его раз вития. Поэтому важное значение имеет точность показаний при боров, применяемых для анализа проб рудничного воздуха, а так же минимальное содержание СО, которое они могут обнаружить.
4.Водород, также являющийся одним из показателей протека ющего в шахте процесса самовозгорания угля, в ранних стадиях развития пожара в рудничной атмосфере не обнаруживается.
5.Появление и устойчивое содержание в рудничном воздухе окиси углерода, даже в малых концентрациях, позволяет осуществ лять практические мероприятия по предотвращению эндогенных пожаров за 3—6 и более месяцев до их возникновения.
Разработанное в связи с этим «Положение о контрольно-на блюдательной службе по распознаванию ранних стадий возникно вения эндогенных пожаров на шахтах, разрабатывающих пласты угля, склонного к самовозгоранию», утвержденное Минуглепромом
СССР, во многом способствовало успешной работе в этой области. Опыт работы контрольно-наблюдательной службы на шахтах
4 .
Кузбасса показал, что по содержанию окиси углерода в рудничной атмосфере эндогенные пожары можно распознавать в самых раз личных горногеологических и горнотехнических условиях угольных шахт в инкубационном периоде, когда их дальнейшее развитие возможно прекратить при минимальных затратах сил и средств, без остановки горных работ.
Примером может служить отработка выемочного участка с за пасами ПО тыс. т на шахте «Маганак» комбината «Прокопьевскуголь», разрабатывающего сильно нарушенную часть пласта «Мощ ный». Геологическое нарушение (надвиг пласта), увеличившее мощность его до 20 м, вызвало необходимость применения весьма пожароопасных систем разработки: комбинированной с гибким перекрытием (КГП), управляемой с гибким перекрытием (УКГП) и ряда других.
Развитие эндогенного пожара, представляющего собой быстро протекающую химическую реакцию соединения вещества угля с кислородом воздуха, обусловливается количеством последнего и объемом скопления угля. Это позволяет определять размеры, пожа
ра, |
пользуясь уравнением |
|
|
|
|
Вс = 100-22,4 [(<7со° ~ |
?со.) + |
?со] • м /м ин, |
(1) |
где |
12 — атомный вес углерода; |
|
|
|
|
Q — количестве воздуха, поступающего к очагу пожара в еди |
|||
|
ницу времени, м3/мин; |
газа |
(углекислоты, |
окиси угле |
22,4 •— объем грамм-молекулы |
||||
|
рода) ; |
|
|
|
Qco, — содержание углекислоты в исходящей из пожарного уча
стка струе воздуха, в объемных процентах; |
на пожарный |
q 'c0}— содержание углекислоты в поступающей |
|
участок струе воздуха, в объемных процентах; |
|
<7со— содержание окиси углерода в исходящей |
из пожарного |
участка струе воздуха, в объемных процентах; Вс— количество угля, сгораемого в единицу времени, кг/мин.
Определение размеров пожара с достаточной точностью позво ляет быстро ориентироваться в аварийной обстановке и своевре-_ менно и качественно разрабатывать оперативный план локализа ции и тушения пожара.
Экзогенные пожары. Экзогенные пожары происходят главным образом из-за нарушения правил технической эксплуатации шахт: неправильного обращения с электрооборудованием и кабельной сетью, неправильного ведения буро-взрывных и электросварочных работ, нагревания от трения частей механизмов и транспортерных лент, неосторожного обращения с огнем и других причин.
Исследованиями, проводившимися при тушении большого чис ла пожаров в сложных горногеологических и горнотехнических условиях, установлено следующее:
5
развитие пожара зависит от количества и скорости воздуха, по ступающего к очагу, наличия горючих материалов, их теплотвор ной способности, а также от угла наклона выработки;
пожар, объектом горения которого является деревянная крепь, не распространяется против струи воздуха при скорости ее 1,7 м/сек, являющейся критической скоростью. При меньших ско ростях пожар развивается как по струе воздуха, так и против нее. При особенно больших скоростях движения воздушной струи (5— 12 м/сек) скорость распространения пожара достигает десятков, а иногда и сотен метров в час. Последнее имеет место, когда объ ектом пожара служат сухие затяжки, покрытые слоем пыли жир ных углей, или же в случае, когда в куполах над крепью скапли вается метано-воздушная смесь;
чем больше угол наклона выработки, тем с большей скоростью развивается пожар, вызывающий в свою очередь возникновение тепловой депрессии;
применение вентиляторов-толкачей для проветривания уклонов приводит к быстрому развитию пожаров, возникновению тепловой депрессии и, как следствие, опрокидыванию вентиляционной струи. При возникновении пожара подача электроэнергии в шахту пре кращается и вентилятор-толкач останавливается. В результате резко сокращается количество поступающего в уклон воздуха. Исследования показали, что при пожарах в уклонах, пройденных по углю, когда уклон, по-существу, превращается в огненную тру бу, тепловая депрессия может достигать сотен миллиметров водя ного столба.
Средняя скорость развития пожара по горизонтальным и на клонным выработкам (до 15°), закрепленным деревом или смешан ной крепыо с деревянными затяжками при расстоянии между ра мами 0,4—1,0 м при восходящей схеме проветривания, может быть
ориентировочно определена по графику |
(рис. |
1) или по формуле |
, |
м /ч . |
( 2) |
0,0111 + 0,009» |
|
|
В результате обобщения многолетнего опыта тушения экзоген ных пожаров и проведенных в пбследние годы исследований пред ставляется возможным определять направление развития и разме рь; пожара.
Образование горючих газов. Развитие и тушение подземного пожара как два противоположных процесса сопровождаются обра зованием инертных и горючих газов, в числе которых можно выде
лить: окись углерода (СО), углекислый |
газ |
(С02), |
метан (СН4), |
||
водород (Н2) и группу углеводородов |
ряда |
С„Н2« |
и Сп H2n+2, |
||
среди которых следует отметить этан |
(С2Нв), |
пропан |
(СзЫй) и бу |
||
тан (C4Hio). |
количественное |
|
определение |
||
Своевременное распознавание и |
|
||||
горючих газов имеет первостепенное значение. Так, |
исследования- |
||||
мй установлено, что при наличии углеводородов в пожарных га зах граница воспламеняемости метана снижается.
Пожар в шахте сопровождается обычно высокими температура ми (1000°С и более), а также процессами газификации, конверсии, диссоциации воды, простого термического разложения метана, а также более интенсивным выделением метана и углекислоты из угля и боковых пород. При газификации образуется большое ко личество горючих газов: СО(12—23%), С 02(6—12%) и Н2(12,5— 14%), чему во многом способствуют применяемые системы разра ботки (камерно-столбовая и щитовая), высокая влажность углей и др.
Рис. 1. График зависимости между скоростью венти ляционной струи и скоростью перемещения пожара по горизонтальным выработкам
Образование большого количества по объему окиси углерода и водорода происходит в результате реакций:
ЗСН4 + С 02 + 2Н20 = 4СО + 8Н2—158,2 ккал;
С 02 + СН4 + 59 ккал 2СО + 2Н2; Н20 + СН4 + 49 к т л ^ С О + ЗН2.
За счет конверсии окиси углерода происходит обогащение га зовой смеси водородом по уравнению
Н20 + С0 ;ГСО + Н2+Ю ккал.
При температуре 1000°С и более, которая обычно наблюдается при горении угля в камерах, под щитами и в других местах, воз можно образование газа (СО — 44%, Н2 — 45%, С 02 — 5%, N2 — 2—6%) по уравнению
Н20 + С + 31 ккал = СО + Н2.
В результате термического разложения метана, протекающего при высоких температурах,.газовая смесь обогащается окисью уг лерода и водородом с выделением некоторого количества тепла.
Разложение воды, применяемой для тушения пожара, при тем пературе свыше 1000° приводит к обогащению газовой смеси водо родом и кислородом
2Н20 |
Г 2 Н 2 + 0 2. |
|
|
|
|
|
Например, при полном разложении |
1 кг |
воды образуется |
||||
1244,4 л |
водорода |
(при нормальных условиях), |
что можно опреде |
|||
лить из отношения |
|
|
|
|
|
|
|
|
л: = |
44,8-1000 |
1244,4. |
|
|
|
|
36 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
При |
недостатке |
кислорода, что |
имеет |
место в ходе тушения |
||
и изоляции пожара, возможно образование газовой смеси водоро да, окиси углерода и углекислоты:
2СН4 + 0 2 = 2СО + 4Н2 + 17 ккйл', СН4 + Н20 = СО + ЗН2—49 ккйл]
2СН4 + 0 2 + 2Н20 = 2С02 4- 6Н2 -р37 ккйл.
Изучение механизма образования горючих пожарных газов, их химической природы дает возможность:
понять причины образования за сравнительно небольшой период времени большого количества горючих газов при тушении разви вающегося пожара, объектом горения которого являются уголь и другие горючие материалы;
научно обосновать безопасные методы тушения подземных по жаров в разнообразных горногеологических и горнотехнических условиях шахт, разрабатывающих пласты угля с различными фи зико-химическими свойствами;
разобраться в причинах большого числа повторных взрывов газо-воздушных смесей и принять действенные меры по их предот вращению;
вносить необходимые коррективы в оперативные планы туше ния подземных пожаров.
В этих целях необходимо иметь реальное представление о ди намике состава рудничного воздуха, что возможно осуществить пу тем отбора проб воздуха в наиболее характерных местах пожар ного участка, проведения быстрого и высококачественного хими ческого анализа с раздельным определением в пробах наиболее важных составных компонентов: кислорода, углекислоты, окиси углерода, водорода, метана и его гомологов. Содержание этих га зов, как показывает опыт, колеблется в широких пределах и зави сит от объекта пожара, его размеров, количества поступающего к нему воздуха, количества сгораемого в единицу времени горючего вещества (уголь, дерево и др.), средств и способов тушения пожа-
8
pa, а также от горнОгеологическйХ й горнотехнических условий, в которых развивается и тушится пожар.
Примером этому служит динамика пожарных газов в изолиро ванном пожарном участке, характеризующая герметичность изо ляции пожара, процессы горения, тушения и действия тепловой депрессии (рис. 2). Пробы воздуха отбирались каждые 30 мин по сле изоляции пожара. Максимальное содержание С 02, СО и Н2 в пожарных газах наблюдалось при заиливании запожаренного уча стка и низком содержании 0 2 (0,8—2,0%), образование которого в значительном количестве, как и Н2, можно объяснить диссоциа цией воды, подававшейся на большие массы раскаленного до вы сокой температуры угля.
6 7 8 9 10 4 12 13 14 15 16 17 t
Рис. 2. Динамика пожарных газов в изолированном пожарном участке
Образование и взрывы газо-воздушных смесей. Основными при чинами образования взрывчатых газо-воздушных смесей (метано воздушные, водородно-воздушные или смеси СН4+ Н2 +СО + воз дух) при тушении подземных пожаров являются: неправильно вы бранные аварийные вентиляционные режимы; нарушения провет ривания пожарного участка, вызванные обрушением угля и окру жающих пород, или ошибками, допущенными в ходе тушения по жара; изменение режима проветривания вследствие тепловой де прессии; остановка вентиляторов главного проветривания; подача большого количества воды на раскаленные массы угля и породы. Все эти причины, за исключением последней, приводят, как пра вило, к сокращению количества поступающего к очагу пожара воз духа и увеличению концентрации горючих газов.
Наличие взрывчатых газо-воздушных смесей и открытого огня вызывает вначале медленное горение, переходящее затем в дето нацию или взрыв, разрушительная сила которого зависит от объе ма газо-воздушной смеси.
9