ЛЕКЦИЯ 14.1 ПОДЗЕМНЫЕ ПОЖАРЫ И СПОСОБЫ ИХ ТУШЕНИЯ
План:
Рудничные пожары и их классификация. Возникновение эндогенных пожаров и методы их контроля. Способы и средства тушения подземных пожаров.1. РУДНИЧНЫЕ ПОЖАРЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Рудничными пожарами называют пожары, возникающие как в подземных или открытых горных выработках так и в массиве полезного ископаемого. К рудничным пожарам относят также пожары в надшахтных зданиях, на складах полезного ископаемого и других местах, которые могут распространиться в горные выработки или отравить атмосферу в них газообразными продуктами горения.
ПОДЗЕМНЫЙ ПОЖАР — стихийно возникающий процесс горения, распространяющийся в горных выработках или в массиве полезных ископаемых; создаёт опасность для жизни людей и наносит материальный ущерб.
Основные причины подземного пожара — нарушения правил технической эксплуатации электрооборудования и кабельных сетей, паспортов ведения буровзрывных работ, техники безопасности при использовании открытого огня, эксплуатации неисправного маслозаполненного оборудования и ленточных конвейеров, Самовозгорание угля, руд, торфа, при некачественном выполнении мер пожарной профилактики и изоляционных работ.
По причинам возникновения рудничные пожары делят на эндогенные, возникающие от самовозгорания полезного ископаемого или вмещающих пород, и экзогенные, которые являются следствием внешних тепловых импульсов (огневые работы при резке и сварке металлов, короткое замыкание в электропроводке, выгорание ВВ при взрывных работах, пробуксовка и трение конвейерной ленты и др.).
В зависимости от места возникновения рудничные пожары делят на подземные и поверхностные. В отличие от поверхностных подземные рудничные пожары имеют ряд особенностей и являются одной из наиболее опасных аварий в шахте.
Особенностью подземных пожаров является их плохая доступность для активного тушения непосредственным воздействием огнегасительных средств. Наличие за очагами пожара по ходу вентиляционной струи высокой температуры, дыма и других продуктов горения не позволяет организовать тушение горящей выработки с двух сторон. Под действием огня выходит из строя и теряет свою несущую способность крепь горных выработок, что приводит к обрушению пород кровли, еще больше осложняющему аварию.
Подземный пожар в своем развитии проходит три стадии:
- разгорание; развившийся пожар; затухание.
Разгоранию свойственны нарастание количества сгорающего в единицу времени материала, расхода на горение кислорода, повышение концентрации углеродсодержащих газов в продуктах горения, увеличение температуры продуктов горения.
Развившийся подземный пожар характеризуется полным расходом кислорода на горение и максимальной концентрацией углеродсодержащих газов при постоянном расходе воздуха, сгоранием в единицу времени постоянного (максимального) количества горючего материала и постоянством температуры продуктов горения.
В стадии затухания наблюдаются увеличение в продуктах горения концентрации кислорода, снижение содержания углеродсодержащих газов и уменьшение температуры пожарных газов.
Развитие подземного пожара зависит от мощности и длительности действия начального теплового импульса, количества и характера расположения горючего материала и скорости воздушного потока у очага.
Развитие пожара в выработке, закрепленной деревянной крепью, можно представить следующим образом. Вначале пламя распространяется по затяжкам в направлении движения воздуха и вверх. При малой скорости вентиляционной струи разгорание происходит быстрее, чем при большой. В закрепном пространстве, где скорость воздушного потока минимальна, пламя распространяется по вертикали и, достигнув кровли, охватывает всю поверхность выработки.
Примерно через 10 мин после начала горения из кровли падают затяжки, образуя на почве очаги, которые воспламеняют другие элементы крепи. Большая часть периметра выработки оказывается охваченной огнем. Увеличение скорости вентиляционной струи в это время способствует более активному развитию пожара. Через 35 -50 мин после начала пожара затяжки полностью сгорают, начинают подать на почву выработки ножки и верхняки крепи. По истечении 2 - 2,5 ч с начала загорания деревянная крепь практически полностью сгорает.
По мере увеличения площади горения наблюдается повышение температуры продуктов горения, нарастание содержания оксида и диоксида углерода, метана и водорода. По достижении температуры пожарных газов 500 - 550 °С пожар стабилизируется. При этом концентрация кислорода в продуктах горения, как правило, не превышает 15 - 16%, тогда как содержание диоксида углерода достигает 5 - 6%.
Пожары в шахтах и рудниках, опасных по взрывчатости пыли и выделению горючих газов, могут привести к взрыву пылегазовоздушных смесей на аварийном участке в ходе ведения противопожарных работ.
Рудничные пожары наносят значительный экономический ущерб, однако основной их опасностью является распространение по горным выработкам пожарных газов и дыма, которые могут настигнуть и отравить людей, работающих в шахте.
Наиболее опасны экзогенные пожары. Они быстро активизируются и за короткое время могут отравить атмосферу горных выработок на большом их протяжении.
Интенсивность разгорания подземного пожара в горных выработках зависит от вида крепи, влажности горючих элементов крепи, сечения горной выработки, скорости движения вентиляционного потока, величины первоначального теплового импульса и др.
По мере полного развития подземного пожара, характеризующегося достижением максимальных температур (1400-1500°С), в зависимости от скорости вентиляционного потока и вида горючих материалов в выработке устанавливается определённая скорость перемещения огня (до 100 м/ч).
Горящая горная выработка условно разделяется на участок выгоревшей крепи, зону горения (состоящую из участка беспламенного горения и участка интенсивного пламенного горения) и зоны термической подготовки древесины и подсушки древесины. Особенность подземного пожара — способность заметно перемещаться навстречу вентиляционному потоку, если скорость последнего не превышает 1 м/с.
В очаге подземного пожара интенсивно генерируются ядовитые и удушливые газы, которые, попадая в вентиляционной поток, создают определённую опасность для жизни рабочих, находящихся в шахте.
При горении деревянной крепи и угля в атмосфере пожарного участка в опасных концентрациях появляются оксид углерода (до 7%), углекислый газ (до 17%), сернистый газ и сероводород, происходит резкое падение содержания кислорода (до 0-2%).
Подземные пожары бурно развиваются в выработках, оборудованных ленточными конвейерами. При скорости проветривания 2,5-3 м/с в течение первых 20-30 мин с момента воспламенения ленты пожар распространяется на расстояние 150-200 метров. При этом выделяются опасные для жизни людей продукты термического разложения резиновых и синтетических лент — оксид углерода, фосген, цианистый водород, оксиды азота и др.
Подземный пожар — распространённый вид аварии, т. к. на его долю приходится более половины всех аварий, возникающих на горных предприятиях.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ И СРЕДСТВА ИХ КОНТРОЛЯСамовозгораться могут практически все ископаемые угли и содержащие углистое вещество породы. Процесс самовозгорания углей полностью не изучен, известны лишь факторы, способствующие или тормозящие самовозгорание, а также некоторые закономерности самонагревания и самовозгорания угля.
Наибольшее признание получила теория комплекса «уголь— кислород», согласно которой самовозгорание угля является физико-химическим процессом, самоускоряющимся по мере повышения температуры за счет тепловыделения в результате реакции окисления угля. В соответствии с этой теорией вначале происходит низкотемпературное окисление угля — адсорбция кислорода углем с образованием на его поверхности неустойчивых кислородных соединений. При этом выделение теплоты незначительно. Затем с повышением температуры начинается расщепление неустойчивых кислородных комплексов с образованием конечных продуктов окисления угля — углекислого газа, оксида углерода, воды, при котором выделение теплоты возрастает в 1,5—2 раза. Самонагревание происходит при аккумулировании углем 60—70 % теплоты, выделяющейся при его окислении.
Склонность угля к самовозгоранию определяется рядом его физико-химических свойств, в том числе химической активностью, структурными и прочностными характеристиками, природной влажностью, газоносностью и др.
По химической активности все угли делятся на три группы: высокоактивные — бурые угли; умеренно активные—каменные угли (наиболее опасны по самовозгоранию угли марок ДиГ); малоактивные— антрациты.
В зонах тектонических нарушений уголь, как правило, обладает повышенной химической активностью. Кроме того, тектоническая нарушенность пласта снижает скорость подвигания очистного забоя и увеличивает эксплуатационные потери, что также способствует самовозгоранию угля.
Наиболее характерными местами возникновения эндогенных пожаров являются выработанные пространства (66,9%) и подготавливающие и вскрывающие выработки (24,6%).
Ранние признаки эндогенного пожара можно обнаружить несколькими методами.
Рис. 1. Последовательность проявления внешних признаков развивающегося эндогенного пожара
Начинающийся пожар в шахте можно обнаружить по внешним признакам, последовательность проявления которых в выработках приведена на рис. 1.
Контроль за развитием ранних стадий самовозгорания угляосуществляется преимущественно по выявлению оксида углерода. При этом ранним признаком самовозгорания угля считается появление в шахтном воздухе устойчивого содержания оксида углерода 0,001—0,0015 % и выше. Обычно вслед за этим наблюдают повышение влажности и появление тумана, а затем, если не будут приняты меры, можно ожидать появления запаха гари и резкого возрастания концентрации оксида углерода до сотых и десятых долей процента.
При помощи экспресс-метода газоанализаторами ГХ-4 работники участка ВТБ контролируют содержание оксида углерода на участках, разрабатывающих склонные к самовозгоранию угля пласты.
Стационарный автоматический газоанализатор «Сигма-СО» устанавливают в горных выработках, в которых наиболее вероятно появление оксида углерода (исходящие вентиляционные струи очистных забоев, участков, этажей и панелей). Он состоит из собственно газоанализатора, размещенного во взрывозащищенном корпусе, пробоотборного зонда и самописца и может определять концентрацию оксида углерода до 0,03% с погрешностью измерения ±2,5% при максимальной длине каналов связи 10 км. Масса прибора 100 кг. Принцип действия прибора основан на поглощении оксидом углерода радиации в инфракрасной области излучения. Источником излучения являются две нихромовые нити. Появление оксида углерода в анализируемой пробе снижает поток инфракрасной радиации в рабочей камере, что вызывает уменьшение температуры и давления находящейся в ней газовой смеси. Это приводит к изменению емкости конденсатного преобразователя, которое пропорционально концентрации оксида углерода.
В лабораторных условиях для установления содержания оксида углерода в рудничной атмосфере применяют промышленные хроматографы, а также приборы «Сигма-С0-602» и «Эндотестер», обеспечивающие точность определения до 0,0005 %.
Ранние стадии самовозгорания угля определяют также по содержанию в рудничной атмосфере непредельных углеводородов (этилена и ацетилена). Исследованиями установлено, что отношение фоновых концентраций этилена и ацетилена в шахтном воздухе близко к единице. При самонагревании угля концентрация этилена возрастает в тысячи раз, в то время как изменение содержания ацетилена сравнительно невелико. После воспламенения угля отношение концентраций этилена и ацетилена становится близким к фоновому значению, но их абсолютные концентрации возрастают во много раз. Это позволяет отличать стадию горения угля от стадии его самовозгорания.
Для обнаружения невидимых очагов самовозгорания угля по тепловому состоянию горных выработок применяется индикатор* «Квант», являющийся переносным автономным прибором. Для пеленгации нагретых поверхностей выработки стрелка индикатора устанавливается на нулевое показание по известному «холодному» предмету. При перемещении индикатора по исследуемой выработке по отклонению стрелки прибора фиксируют местонахождение нагретой поверхности.
Для контроля за самовозгоранием угля в выработанном пространстве и целиках используют температурные датчики и воздухоотборные шланги. Температурные датчики устанавливают в шпурах, пробуренных в целиках по середине расстояния от почвы до кровли выработки. Первый датчик располагают на расстоянии 3 м от угла целика, все последующие — через каждые 10—15 м. Шпуры, в которые устанавливают температурные датчики, заполняют глиной на глубину 0,5 м от устья.
На угольных шахтах контроль за ранними признаками эндогенных пожаров осуществляется специально организованной контрольно-наблюдательной службой, которая отбирает пробы рудничного воздуха и замеряет температуру, проводит лабораторный анализ отобранных проб воздуха, оценивает результаты анализа и контроля. Места и периодичность отбора проб воздуха контрольно-измерительной службой, порядок экспресс-определения оксида углерода в горных выработках и наблюдений за внешними признаками самовозгорания определяет главный инженер шахты по согласованию с командиром ВГСЧ.
3 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ТУШЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ
Тушение подземных пожаров осуществляют следующими способами:
- активным — непосредственным воздействием на очаг пожара огнегасительными средствами (водой, химической и воздушно-механической пеной, огнегасительным порошком, песком) или разборкой очагов с заливкой горящей массы водой. Его обычно применяют при всех открытых пожарах в начале их возникновения; пассивным — изоляцией пожарного участка перемычками с засыпкой при необходимости провалов, тампонированием трещин в целиках и вмещающих породах. К изоляции прибегают тогда, когда пожар нельзя ликвидировать непосредственным, тушением из-за недоступности очагов горения для непосредственного воздействия огнегасительными средствами; комбинированным — непосредственное тушение в комплексе с изоляцией пожарных участков, затоплением их водой или заполнением инертными газами. Его используют, когда пожар принял значительные размеры и непосредственное тушение не дает должного эффекта или когда невозможно ликвидировать пожар только путем изоляции
Тушение пожара активным способом производят, как правило, со стороны свежей струи воздуха. Одновременно принимают меры по преграждению распространения огня по исходящей струе (и в примыкающие выработки) путем устройства водяных занавес, удаления деревянной крепи и других материалов на определенном участке, установки временных огнестойких перемычек и др.
Вода для тушения применяется в распыленном состоянии или в виде компактных струй. В распыленном состоянии воду используют для создания водяных завес, преграждающих распространение пожара по выработкам, и для тушения пожаров в вертикальных и наклонных выработках. Для создания водяных завес применяют винтовые водоразбрызгиватели ВВР-1, обеспечивающие при давлении 0,3 МПа факел распыленной воды диаметром 7 м с дальностью полета капель до 5 м. Расход воды при этом составляет 30 м3/ч.
Вода в виде компактной струи создается пожарными стволами. Достоинства компактной струи — возможность сосредоточить большие массы воды на ограниченном участке, охваченном огнем, механическое воздействие струи на горящее тело (сбивание пламени, размыв горящего угля), возможность быстрого маневрирования струями воды с безопасного расстояния. Для тушения пожаров в труднодоступных местах за крепью выработок, в куполах применяют водоструйные пики, состоящие из перфорированных труб с заостренными наконечниками. Пику забивают за крепь выработки в обрушенную породу или трещиноватый целик на требуемую глубину и под давлением подают воду.
Воздушно-механическая пена обладает высокой подвижностью. Заполняя все сечение горящей выработки, она доставляется воздушной струей к удаленным очагам горения. Высокая стойкость и вязкость пены позволяет ей растекаться по поверхности твердых и жидких материалов, проникать в пустоты и купола. Покрывая раскаленные куски угля, породы, горящую или тлеющую крепь и заполняя пустоты вокруг очага горения, пена препятствует притоку кислорода в зону горения, прекращает пламенное горение своей жидкой фазой, охлаждает горящие поверхности, снижая температуру очага пожара.
Огнегасительные порошки представляют собой смесь неорганических солей (сульфата и фосфатов аммония) и гидрофобных добавок. Их применяют в качестве заряда ручных огнетушителей ОП-8Б1 и других, для выпуска в вентиляционный поток при тушении пожара установкой «Вихрь». Механизм огнетушащего действия порошка основан на обрыве реакций горения за счет образования на горящей поверхности твердой полифосфатной пленки, препятствующей доступу кислорода к очагу горения.
Ручные огнетушители с зарядом огнегасительного порошка применяют для тушения любого горящего материала и электроборудования, находящегося под напряжением. Одним огнетушителем ОП-8Б1 можно потушить 6 м2 деревянной крепи, масло, горящее на площади 4 м2, 2 м2 конвейерной ленты, 40 кг угля.
В последние годы огнегасительные порошки широко применяют для дистанционного тушения пожаров, особенно в тупиковых выработках. Для этого используется установка «Вихрь» и порошково-пенная установка ППУ. Принцип действия их основан на создании порошкового облака, которое может перемещаться по выработке вентиляционным потоком (при скорости струи 1,5 м/с на 20—30 м) или нагнетаться вентилятором по трубам. По мере прекращения активного горения в зоне действия порошкового облака выработку охлаждают водой или пеной, после чего устройство передвигают ближе к очагу пожара и вновь начинают подачу порошка.
Тушение подземного пожара выемкой пожарного очага применяют на пластах тонких и средней мощности при ликвидации очагов самовозгорания угля, обнаруженных в выработанном пространстве или в трещиноватых целиках на большом расстоянии от очистного забоя или примыкающих штреков. Очаг оконтуривают разведочными выработками, заливают водой и при необходимости грузят потушенную массу в вагонетки.
Способ тушения пожара инертной парогазовой смесью заключается в том, что на пути воздушной струи, поступающей к очагу пожара, устанавливают генератор парогазовой смеси. Поступающий к очагу пожара воздух заменяется инертной газовой смесью, которая, проходя через очаг пожара, прекращает пламенное горение с последующим охлаждением горевших материалов до нормальной температуры. На. оснащении ВГСЧ имеются парогазовые генераторы ГИГ-4 и ГИГ-1500 с подачей соответственно 340 и 1500 м3/мин парогазовой смеси. Они действуют по принципу турбореактивного двигателя с дополнительным выжиганием кислорода из газообразных продуктов сгорания топлива (керосина) и охлаждением их распыленной водой или пеной до 80—100 °С.
Вырабатывая генератором парогазовая смесь содержит около 52 % азота, 40 % водяного пара, 7 % углекислого газа и около 3—5 % кислорода.
При изоляции пожарного участка (пассивный способ тушения) во всех действующих и погашенных выработках, примыкающих к пожарному участку, с поступающими или нейтральными струями воздуха возводят кирпичные, бетонито-вые или чураковые перемычки, а также тампонируют трещины и засыпают провалы, соединяющие изолируемый участок с действующими выработками и земной поверхностью. Для повышения герметичности изоляции дополнительно возводят изолирующие рубашки в местах прососов воздуха, снимают депрессию с пожарного участка, тампонируют, гуммируют или подыливают целики, перемычки и выработки.
После изоляции в атмосфере пожарного участка снижается содержание кислорода, повышается концентрация углекислого газа, метана (на газоносных пластах). При этом в результате газификации и сухой перегонки угля появляются значительные концентрации горючих пожарных газов: оксида углерода, гомологов метана (этана, пропана, бутана). Образование взрывчатых концентраций горючих газов в пожарных участках можно предотвратить закрытием в определенном порядке вентиляционных проемов в изоляционных перемычках, маневрированием вентиляционными струями, подачей инертных газов (азот, углекислый газ, парогазовая смесь). В шахтах, опасных по газу и пыли, для локализации взрывов возводят взрывоустойчивые изоляционные перемычки. Чаще всего при их возведении используют водный гипсовый раствор, приготовляемый на месте работ из порошкообразного гипса с пластифицирующими добавками. Перемычки сооружаются без врубов. Раствор, залитый между двумя опалубками, быстро затвердевает, образуя через 1,5 ч твердый материал с пределом прочности на сжатие не менее 3 МПа. Перемычка из такого материала при ее толщине 1,5—2 м хорошо выдерживает давление ударной волны взрыва и является достаточно герметичной, несмотря на отсутствие вруба.
Если во время работ по изоляции произошел взрыв метана, на пожарном участке работы прекращают и людей отводят в безопасное место. Возобновляют работы на пожарном участке только после принятия мер, исключающих вероятность повторных взрывов. Если же эти меры не дают положительных результатов и взрывы продолжаются, то пожарный участок изолируют перемычками на безопасных расстояниях или затопляют водой.
При тушении подземных пожаров применяют следующие вентиляционные режимы: сохраняют существовавший до возникновения пожара; сохраняют существовавшее направление вентиляционной струи с увеличением или уменьшением расхода воздуха; реверсируют (опрокидывают) вентиляционную струю с сохранением, увеличением! или уменьшением расхода воздуха; закорачивают вентиляционную струю при нормальном или реверсивном ее направлении; создают нулевую вентиляцию путем исключения выработок пожарного участка из вентиляционной сети шахты или остановки вентилятора главного проветривания.
В начале устанавливают вентиляционный режим, предотвращающий распространение пожарных газов в выработки, в которых находятся люди. Если пожар возник в начале поступающей вентиляционной струи (в надшахтном здании, стволе, околоствольном дворе, главном квершлаге и т. п.), то осуществляют реверсирование вентиляционной струи. При пожаре в середине пути движения вентиляционной струи ее закорачивают или реверсируют и даже останавливают вентилятор (если это не вызовет опрокидывания струи под действием тепловой депрессии или взрыва горючих газов).
Вентиляционный режим шахты и аварийного участка после эвакуации людей на поверхность устанавливается оперативным планом ликвидации аварий в зависимости от обстановки и вида выполняемых работ по тушению пожара.
Подземные пожары, пожары в подземных выработках шахт (рудников) и в массиве полезного ископаемого. П. п. возникают как от внешних тепловых импульсов (экзогенные П. п.) — от неосторожного обращения с огнем, неисправности электрооборудования, трения механизмов и т. п., так и в результате самовозгорания угля, углистых пород и сульфидных руд (эндогенные П. п.). Особо опасными П. п. становятся при наличии в шахте метана, взрывчатой угольной или сульфидной пыли.
п. и предупреждение их последствий заключается в том, что наряду с общими пожарно-профилактическими мероприятиями (использование негорючих материалов для крепления горных выработок, трудновоспламеняемых конвейерных лент и электрических кабелей в негорючих оболочках, устройство разветвленной сети пожарного водопровода и др.), предусматривается применение специальных схем вскрытия и подготовки месторождений. Они позволяют локализовать участок в случае пожара и отвести пожарные газы в общешахтную исходящую струю воздуха, минуя остальные участки, на которых находятся люди. Все подземные рабочие обеспечиваются самоспасателями (см. Горноспасательное оборудование), позволяющими выйти в безопасное место из выработок, заполненных пожарными газами.
В начальной стадии развития экзогенные П. п. тушат непосредственным воздействием на очаг водой, огнетушащими средствами и т. п. п., очаги которых находятся, как правило, в труднодоступных местах, а также принявшие большие размеры экзогенные пожары тушат способом изоляции (в выработках устанавливают специальные изолирующие сооружения, прекращающие доступ воздуха в район пожара). В некоторых случаях приходится прибегать к затоплению пожарных участков водой. При изоляции пожарных участков, опасных по выделению метана, для предупреждения взрыва в район пожара нагнетают негорючие газы (CO2, N2) или парогазовую смесь, образуемую выхлопными газами газотурбинного двигателя, охлажденными диспергированной водой, что снижает концентрацию кислорода в воздухе пожарного участка до пределов, исключающих возможность взрыва метана (комбинированный способ).
Подземные пожары могут продолжаться длительные периоды времени (месяцы или годы, в отдельных случаях — до нескольких тысяч лет — Фанские горы), пока не истощится тлеющий пласт. Они могут распространяться на значительные площади по шахтным выработкам и трещинам в массиве горных пород. Поскольку они подземные, их чрезвычайно трудно погасить, что не в последнюю очередь связано с трудностью либо невозможностью доступа к очагу горения.
Некоторые возгорания угольных пластов — естественные явления. Некоторые угли могут самовозгораться при температурах ниже 100°C (212°F) при определённой влажности и размерах кусков. Лесные пожары (вызванные молнией или другие) могут поджигать уголь, залегающий близко от поверхности, и тление может распространяться через пласты, создавая условия для воспламенения более глубоких пластов. Доисторические обнажения шлака на Американском Западе — результат доисторических горений угля, которые оставили остаток, сопротивляющийся эрозии лучше чем матрица. По оценкам учёных, Горящая гора в Австралии является самым старым из известных горящих месторождений угля — пожар там продолжается около 6000 лет.
В мире существуют тысячи активных неустранимых подземных пожаров, особенно в Китае и Индии, где бедность, недостаток правительственного регулирования и безудержное развитие вместе создают угрозу окружающей среде. Современные слоевые горные разработки открывают тлеющие пласты угля воздуху, возобновляя горение.[1].
