Разработка средств и способов предупреждения и локализации эндогенных пожаров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Мячин, Валерий Васильевич

• Мячин, Валерий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мячин, Валерий Васильевич

Введение

1 Состояние вопроса

2 Исследование степени воздействия огнегасительных веществ 21 на процесс окисления и горения

2.1 Механизм воздействия исследуемых веществ 29 на процесс окисления угля

2.2 Исследование теплосъема при воздействии на процесс 33 горения угля исследуемыми веществами

2.3 Исследование влияния хлорсодержащих веществ 36 на пенообразующую способность растворов

2.4 Изменение скорости сорбции кислорода 38 при обработке угля огнегасительными веществами

3 Лабораторные и аналитические исследования свойств золы и 41 зольных пульп

3.1 Определение реологических и физических свойств 42 золошлакоматериалов

3.2 Исследование реологических свойств пульпы из материалов 47 золошлакоотвалов и глины

3.2.1 Оценка интенсивности отложения золы из 47 пульпы при ее фильтрации через насыпки и изучение их воздухопроницаемости

3.2.1.1 Методика лабораторных исследований

3.2.1.2 Определение интенсивности отложения золы 50 в зависимости от консистенции пульпы, величины слоя насыпки и крупности ее частиц

3.2.2 Оценка интенсивности отложения глины из пульпы при ее 60 фильтрации через насыпку

3.3 Исследование формирования изоляционной полосы 67 при подаче зольной пульпы в выработанное пространство

3.3.1 Условия моделирования процесса

3.3.2 Выбор параметров моделирования 69 3.3.3. Конструкция модели выработанного пространства

3.3.4 Определение параметров насыпки угля для модели

3.3.5 Методика исследования

3.3.6 Результаты исследований

3.3.7 Расчет производительности заиловочного пульповода

4 Разработка средств и способов локализации самовозгорания угля

4.1 Разработка средств подачи

4.2 Тактика применения комплекса

4.3 Практическое применение на шахтах 103 технологических схем комплексного предупреждения и локализации эндогенных пожаров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка средств и способов предупреждения и локализации эндогенных пожаров»

Ежегодно проводимые анализы аварийности и травматизма показывают, что, несмотря на большой объем проводимых профилактических работ, аварии вида «эндогенный пожар» на шахтах Кузбасса занимают около 45% от общего количества аварий. Эндогенные пожары наносят огромный экономический ущерб, а ликвидация их сопряжена с опасностью для жизни горноспасателей.

Если абсолютное число ежегодно возникающих аварий имеет тенденцию к снижению, то степень тяжести аварий, а вместе с этим и процесса ведения горноспасательных работ, осложняется. Анализ аварий за последние годы показывает, что почти каждый второй эндогенный пожар осложняется или пламенным горением или взрывоопасной ситуацией. Ликвидация осложненных пожаров требует длительного времени ведения горноспасательных работ, в том числе и работы в респираторах; приводит к несчастным случаям с горноспасателями. Эти обстоятельства свидетельствуют об актуальности разработки способов и средств предупреждения и локализации эндогенных пожаров. Проблема предупреждения и локализации эндогенных пожаров очень сложная. Для ее решения принят комплексный подход, включающий проведение превентивных мероприятий, направленных на торможение окислительных процессов в угольных скоплениях, и изоляцию очагов самовозгорания.

Цель работы - разработка средств и способов предупреждения и локализации эндогенных пожаров на пластах угля склонных к самовозгоранию.

Идея работы заключается в увеличении длительности инкубационного периода самовозгорания угля за счет использования ингибирующих хлорсо-держащих веществ и повышения воздухонепроницаемости выработанного пространства путем применения золошлакоматериалов для создания изоляционных «полос».

Задачи исследований:

- установить закономерности влияния различных ингибирующих веществ на процесс окисления угля для определения наиболее эффективных компонентов активной пены, снижающих химическую активность угля;

- установить интенсивность отложения золы электростанций из пульпы и возможность создания из нее изоляционных «полос» в выработанном пространстве;

- разработать средства превентивной дезактивации углей, тактику их применения горноспасателями для предупреждения самовозгорания и локализации эндогенных пожаров в шахте;

- провести опытно-промышленные испытания и внедрение способов и средств предупреждения и локализации эндогенных пожаров,

Методы исследований

В работе использован комплексный метод исследований, включающий: аналитические исследования производительности заиловочного пульпопровода; лабораторные исследования процесса окисления природных углей; лабораторные исследования интенсивности отложения золы из пульпы при ее фильтрации через насыпки и изучение их воздухопроницаемости; шахтные исследования по возведению зольных изоляционных «полос» для локализации эндогенных пожаров.

Научные положения, выносимые на защиту:

- хладон 114В2 ингибирует процесс горения летучих веществ в газовой фазе после перехода стадии низкотемпературного окисления угля в неуправляемый автокаталитический процесс и практически не препятствует протеканию окислительных процессов;

- обработка угля раствором пенообразователя сокращает инкубационный период самовозгорания (по сравнению с водой) на 15% за счет уменьшения сорбционной влагоемкости угля;

- усиление ингибирующих свойств активной пены происходит при добавлении, в качестве ее компонентов, ингибирующих средств, содержащих активный хлор, в частности гипохлорит кальция;

- интенсивность отложения золы зависит от консистенции пульпы, величины слоя насыпки и крупности ее частиц.

Достоверность научных положений подтверждается:

- необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;

- положительными результатами промышленного внедрения разработанных средств и способов предупреждения и локализации эндогенных пожаров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Установлено, что хлад он 114В2 ингибирует процесс горения летучих веществ в газовой фазе после перехода стадии низкотемпературного окисления угля в неуправляемый автокаталитический процесс и не препятствует протеканию окислительных процессов.

Установлено, что обработка угля раствором пенообразователя сокращает инкубационный период самовозгорания на 15%, по сравнению с водой.

Установлено усиление ингибирующих свойств пенообразующнх растворов при добавлении, в качестве их компонента хлорсодержащих веществ: хлорамина и гипохлорита кальция.

Изучены реологические свойства золошлакоматериалов, определяющие возможность их дистанционной подачи в выработанное пространство.

Практическое значение работы:

Экспериментально подтверждена возможность образования изоляционных «полос» в выработанном пространстве наращиванием осажденной золы из пульпы.

Разработаны способы и средства подачи активной пены и золы в выработанное пространство выемочных полей для предупреждения и локализации эндогенных пожаров;

Разработана тактика применения средств для предупреждения и локализации эндогенных пожаров в шахтах.

Личный вклад автора:

- Установлены закономерность влияния хладона 114В2 на процесс горения летучих веществ в газовой фазе и отсутствие препятствия протеканию окислительных реакций.

- Установлена закономерность снижения химической активности угля после обработки хлорсодержащими ингибирующими веществами, составляющими основу нового антипирогена.

- Определены реологические свойства золошлакоматериалов и установлена возможность дистанционной подачи их по трубопроводам для создания воздухонепроницаемых изоляционных «полос», локализующих эндогенный пожар в выработанном пространстве.

- Обоснованы, разработаны и внедрены средства и способы, тактико-технические приемы предупреждения самовозгорания и локализации эндогенных пожаров на шахтах.

- Организовано обучение личного состава подразделений ОВГСО для внедрения результатов работы и локализации пожаров на шахтах.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность канд. техн. наук Горбатову В.А., докт. техн. наук Голику А.С., инж. Игишевой А.А., Голик Г.А. а также оперативному составу Новокузнецкого ОВГСО за весьма ценные консультативные указания и оказание научно-технической помощи при проведении лабораторных и шахтных исследований.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Потенциальная аварийность шахт России достаточно высока в силу природных и техногенных опасностей. В 2001 году в РФ эксплуатировалось 125 шахт, из них, по факторам природного характера, 100 шахт отнесены к опасным по газу метану, в том числе: 17 шахт I категории, 18 - II категории, 16 - III категории, 26 - сверхкатегорные и 23 - опасные по внезапным выбросам газа, угля и породы. По экзогенной пожароопасности к I категории отнесены 105 шахт, ко II - 15, к III и выше - 2.

Кроме того, 13 шахт являются опасными по горным ударам, 96 шахт разрабатывают пласты угля, опасные по взрывчатости угольной пыли, в 104 подготовительных забоях при остановке вентиляторов местного проветривания загазирование до 2% -ой концентрации метана произойдет в течение 30 мин.

Количество наклонных выработок с неустойчивым проветриванием при возникновении тепловой депрессии пожара: с нисходящим проветриванием - 711, с восходящим - 168.

Протяженность горных выработок, крепление которых не соответствует требованиям Правил безопасности по огнестойкости, составляет 47,923 км. Общая протяженность горных выработок, оборудованных ленточными конвейерами для транспортировки угля, составляет 622,93 км.

На 93 шахтах разрабатываются пласты угля, склонные к самовозгоранию.

Для изоляции выработанного пространства, возведено всего 11747 перемычек, в том числе 4362 перемычки возведены на склонных к самовозгоранию пластах угля. Следует отметить, что качество 1536 перемычек из этого количества не соответствуют требованиям «Руководства по изоляции.», в том числе 615 перемычек возведены на склонных к самовозгоранию пластах угля. Кроме того, 788 перемычек изолируют выработанные пространства с содержанием кислорода более 12%. Несвоевременно были изолированы 17 очистных участков, разрабатывающих склонные к самовозгоранию угольные пласты.

Наиболее остро проблема предупреждения и локализации эндогенных пожаров стоит перед горноспасателями Кузбасса, так как из 71 шахт России, разрабатывающих пласты угля склонные к самовозгоранию, 53 - находятся в Кузбассе.

Ретроспективный анализ эндогенной пожароопасности угольных шахт Кузбасса за период с 1991 по 2001 год показал (данные приведены в таблице 1 и рис. 1), что частота возникновения эндогенных пожаров перемещается с пластов крутого падения на пласты пологого падения.

Замеченная тенденция увеличения количества эндогенных пожаров на пологих пластах объясняется: значительными потерями угля, имеющими место при добыче угля из мощных пологих пластов, из-за отсутствия эффективной технологии угледобычи; трудностями обеспечения надежной изоляции выработанных пространств при применении бесцеликовых схем; сложностью поддержания пожаробезопасных параметров проветривания в связи с высокой воздухопроницаемостью обрушенных пород.

В связи с тем, что, в основном, высокой пожароопасностью характеризовались шахты, эксплуатирующие угольные пласты крутого падения, технологические схемы и средства для борьбы с эндогенными пожарами были разработаны для горно-геологических и горнотехнических условий характерных для крутого падения.

Таблица 1

Годы 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Количество пожаров

Всего 20 22 21 18 13 23 9 14 10 8 10

На крутых пластах 16 17 13 14 10 16 9 8 7 5 6

На пологих пластах, ед. % от всего кол-ва 4 20 5 22 8 38 4 22 3 23 7 30 - 5 35 3 30 3 37 4 40

Годы

I i Пожаров всего I I На пологих пластах —О- %

Рис.1 Характер распределения эндогенных пожаров на пологих пластах угольных шахт Кузбасса за период с 1991 по 2001 год

Обзор современных способов предотвращения самовозгорания угля в процессе подземной отработки угольных пластов показал следующее.

В настоящее время наиболее распространенным способом предотвращения эндогенных пожаров является профилактическая обработка выработанного пространства глинистой пульпой. Первоначально глинистая пульпа использовалась только как средство тушения действующих эндогенных пожаров. Первые технологические схемы подачи глинистой пульпы в пожарные участки были весьма примитивными - глинистую пульпу получали, размывая наносы вокруг скважин, пробуренных в выработанное пространство в район предполагаемого очага эндогенного пожара, куда она поступала самотеком. В настоящее время глинистую пульпу готовят на стационарных пунктах и подают в выработанное пространство по трубопроводам. Широко применяются технологические схемы подземного заиливания.

Недостатками технологии профилактического заиливания выработанного пространства являются высокая трудоемкость и необходимость подачи

10 больших объемов глинистой пульпы, которые могут быть причиной опасности прорыва пульп в действующие выработки. Основным недостатком считается практическая сложность обеспечения эффективной объемной обработки выработанного пространства из-за растекания пульпы по почве пласта и неуправляемого оседания твердого осадка суспензии. При подаче глинистой пульпы в выработанное пространство действующей лавы и в случае выхода ее в очистной забой ухудшаются условия передвижки механизированной крепи, поэтому такой профилактической обработке подвергают обычно отработанные выемочные столбы. Глинистая пульпа применялась также для повышения герметичности перемычек путем заполнения пространства между перемычками. Однако обеспечить качественное заполнение глинистым материалом пространство между перемычками сложно, практически невыполнимо, т.к. по верхнему контуру перемычек после осаждения глины из суспензии образуется воздушное пространство.

В развитие традиционного способа заиливания выработанного пространства с целью предотвращения эндогенных пожаров было предложено использование бентонитовых глин в качестве основы для приготовления профилактических суспензий. Водные растворы бентонитовых глин для этих целей нашли широкое применение в угольных шахтах ФРГ и Великобритании. Положительным свойством бентонитовых растворов является переход их в гелеобразное состояние при набухании в воде. Это предопределяет сохранение ими устойчивого агрегатного состояния в виде геля и низкую степень расслоения на твердый осадок и воду. Благодаря этому качеству эффективность профилактической обработки выработанного пространства водными растворами бентонитовых глин значительно лучше профилактики суспензиями на основе суглинков.

ВО ВНИИГД были исследованы и предложены для тушения и профилактики эндогенных пожаров в шахтах водо-воздушные инертные пены и инертная вспененная глинистая пульпа, которые в настоящее время широко используются в больших объемах. В качестве газовой среды при получении пен и инертной вспененной глинистой пульпы используют азот, доставляемый с воздухоразделительных производств в криогенных емкостях.

Применение инертных пен и инертной вспененной глинистой пульпы при тушении и предупреждении эндогенных пожаров можно рассматривать как комбинированный способ, так как их воздействие на пожар двойное и складывается из изоляции (заиливания) выработанного пространства и инер-тизации газом очагов самовозгорания (горения). Все это обусловило широкое применение инертных пен и инертной вспененной глинистой пульпы для локализации и предупреждения эндогенных пожаров.

Основным недостатком инертных пен и инертной вспененной глинистой пульпы является их низкая стойкость. Критический анализ применения вспененных инертным газом глинистых пульп в присутствии пенообразователя позволяет заключить, что это направление борьбы с эндогенными пожарами на основе комбинированного воздействия имеет большие потенциальные возможности для повышения эффективности предупреждения и локализации эндогенных пожаров за счет разработки новых составов и получения седиментационно стойких пен.

Действие перечисленных способов предупреждения и тушения эндогенных пожаров осуществляется в основном за счет изоляции концентрированных потерь угля от утечек воздуха.

Среди способов профилактики самовозгорания угля имеются такие, которые основаны на химическом воздействии непосредственно на активные центры угольного вещества, снижая его окислительную активность.

В качестве антипирогенов было предложено и опробовано большое количество различных химических соединений. Все антипирогены используются для обработки выработанного пространства, целиков угля и концентрированных потерь угля преимущественно в виде водных растворов. В шахтах при отработке мощных и средней мощности пластов в зонах геологических нарушений производилась обработка краевых частей целиков водными растворами антипирогенов. Расход антипирогенов при этом составлял 15-20 л раствора на 1 м обрабатываемого угля (в пересчете на нерастворенный в воде антипироген 2-3 кг химических соединений в кристаллическом состоянии). Недостатком такой обработки являлся большой расход антипирогена и значительные затраты ручного труда. Практический опыт обработки краевой части целиков угля показал, что обеспечить равномерную пропитку всего объема угля таким методом задача практически невозможно. Вследствие этого эффективность такого способа применения антипирогенов для обработки целиков угля остается низкой.

Широкое применение для предупреждения эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующих выемочных участков нашел способ снижения эндогенной пожароопасности, основанный на обработке разрыхленных потерь угля водными растворами антипирогенов в виде тонкодисперсных аэрозольных частиц, подаваемых в выработанное пространство в потоке утечек воздуха. Указанный способ прошел широкую апробацию и используется на многих шахтах восточных районов страны. Аэрозольная технология профилактики самовозгорания угля в действующих выемочных участках оказалась эффективной, позволила резко сократить расход антипирогенов при отработке пологих пластов угля. Аэрозольная технология позволяет осуществлять равномерную объемную обработку антипирогенами выработанного пространства и разрыхленных потерь угля, образующихся по мере подвигания очистного забоя. Результаты специальных исследований по определению глубины зоны эффективной обработки выработанного пространства показали, что эта зона не превышает 10-25 м от линии очистного забоя и зависит от устойчивости пород кровли. Таким образом, в случае образования концентрированных потерь разрыхленного угля в глубине выработанного пространства, например, отжим угля при раздавливании краевой части массива, обработать эти потери с помощью аэрозолей антипирогенов, зачастую, не представляется возможным.

На шахтах ФРГ при отработке пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, практикуются сплошные технологические схемы отработки без оставления межлавных целиков и с изоляцией выработанного пространства от сохраненных штреков воздухонепроницаемыми ангидритными и фосфо-гипсовыми полосами. Обычно эти меры сочетаются с инертизацией атмосферы отработанной и изолированной части столба азотом. Для осуществления этих мероприятий на шахтах ФРГ имеется специальное высокопроизводительное оборудование и трубопроводы разводки азота по всем выемочным участкам. Положительно оценивая опыт профилактики самовозгорания угля в шахтах ФРГ необходимо отметить, что таким образом обрабатывают пласты малой и средней мощности. На мощных пластах, характерных для большинства угольных месторождений Восточных районов страны, опыт ФРГ в настоящее время практически не осуществим, как в технологическом, так и в организационном плане.

Для тушения различных материалов в шахте ВНИИГД были разработаны огнетушащие порошки П-1, П-2АП, П-2АП2 на основе фосфорно-аммонийных солей. На этой же основе во ВНИИПО разработан порошковый состав для тушения твердых тлеющих материалов. Механизм тушения пламени порошковыми составами достаточно не изучен, существуют иногда противоречивые мнения по этому вопросу.

Из анализа литературных источников, можно заключить, что действие порошковых составов происходит за счет ингибирования химической реакции горения, по гетерогенному механизму, газообразными продуктами испарения и разложения ингибитора. Кроме того, здесь достигается эффект огне-преграждения, достигаемого при прохождении пламени через узкие каналы между частицами порошка по аналогии с огнепреградителями.

Отличительной особенностью ингибиторов горения является их высокая огнегасительная способность по сравнению с тепловыми флегматизато-рами, действие которых осуществляется физическим путем - снижение температуры горения за счет отвода тепла из зоны реакции. Ингибирующие вещества очень эффективны. Для превращения горючей среды в негорючую достаточно введения всего нескольких процентов ингибитора.

Применение химически активных ингибиторов особенно перспективно для обеспечения безопасности горноспасателей при ведении ликвидационных работ в условиях пожара в горных выработках угольных шахт.

В последние годы в Кузбассе для тушения огня, вышедшего в действующие выработки, применяется хладон 114В2 и его смеси с бромистым этилом, азотом.

В отличие от инертных газов, не влияющих на кинетику и механизм процесса горения, галоидуглеводороды обладают способностью тормозить реакции горения путем вывода из зоны реакции активных центров продолжения цепей, что приводит к обрыву цепной реакции и прекращению горения. Низкие флегматизирующие концентрации, большая летучесть и высокая упругость паров галоидуглеводородов обеспечивают возможность дистанционной подачи их в зону очага пожара и быстрого создания взрывобезопасной атмосферы во всем объеме горной выработки.

Огнегасительным порошком и галлоидуглеводородами (хладонами) возможно тушение почти всех горючих материалов, но их применение при тушении очагов самовозгорания в труднодоступных местах ограничено в связи с техническими трудностями подачи его в зону горения.

Работами А.Н. Баратова [4,5] и зарубежных исследователей Ф.Бельса и К.О'Нила [6] отмечено, что роль ингибитора сводится к связыванию и разрушению активных центров-атомов и радикалов, путем гетерогенного механизма, в результате чего происходит обрыв реакционной цепи. Однако анализом литературных источников установлено, что до настоящего времени не проводились исследования огнегасительных свойств различных веществ по тушению горящего угля.

Все случаи горения, имеющие место в угольных шахтах, как самые медленные процессы, вызванные самонагреванием угля в выработанном пространстве, так и быстро протекающие - взрывное или детонационное горение метана, связаны с экзотермическими реакциями окисления органических веществ кислородом воздуха.

При горении конденсированных сред, таких как каменный уголь, всегда имеет место горения в газовой фазе. Поэтому многие основные положения из теории горения газовых сред и основные принципы их тушения могут быть распространены и на конденсированные среды. В общем случае газовая среда, способная к горению и распространению взрывного процесса, состоит из горючего и окислительного компонентов, которые в процессе горения или взрыва взаимодействуют друг с другом.

Окислитель, в роли которого в условиях выработок и выработанного пространства выступает исключительно кислород, содержится только в рудничном воздухе, а горючее, в роли которого могут выступать сразу несколько газов: метан, водород, окись углерода, гомологи метана, содержится только в рудничном газе. Для того чтобы возникло пламенное горение рудничного газа или его взрыв, необходимо образование горючей смеси, то есть смешение исходных компонентов в определенных пропорциях. В горных выработках это происходит двумя путями.

Первый путь, наиболее распространенный и наиболее опасный, когда воспламеняется предварительно перемешанная и, следовательно, максимально реакционно-способная горючая смесь рудничного газа и воздуха. Это часто происходит в результате нарушения нормального режима проветривания горных выработок и загазования их атмосферы до взрывоопасных концентраций. Взрывоопасные концентрации образуются и при подземных пожарах, когда также нарушается нормальный режим проветривания аварийного участка, а процесс выделения горючих газов в зоне температур интенсифицируется. В этих случаях взрывоопасная среда иногда успевает сформироваться на довольно большом протяжении горных выработок, сгорание ее может происходить практически мгновенно с образованием мощных ударных волн с катастрофическими последствиями.

Второй путь образования горючей смеси, более редкий, но не менее опасный, когда рудничный газ и воздух не были предварительно перемешаны и их сгорание происходит уже в процессе взаимного смешения. Примером может служить факельное горение метана при суфлярном его выделении в атмосферу горной выработки. Кислород в зону пламенного горения метана поступает в этом случае путем диффузии из окружающего пламя воздуха. Такое пламя имеет довольно сложную структуру и называется диффузионным.

Основные взрывоопасные компоненты рудничной атмосферы в условиях подземного пожара - это метан, водород, окись углерода, гомологи метана, процентное содержание которых в объеме может меняться в довольно широких пределах.

Метано-воздушная смесь с содержанием метана до 5-6% горит при наличии постоянного источника воспламенения; от 5-6 до 14-16% - взрывается; свыше 14-16%) - не горит и не взрывается, но может гореть спокойным пламенем вблизи источника воспламенения и при притоке кислорода извне. Быстрое сгорание метана в виде вспышки происходит только вблизи нижнего и верхнего концентрационных пределов взрываемости.

С ростом количества метана в воздухе от 5-15% сила взрыва вначале возрастает, достигает максимума при 9,5%, затем, при дальнейшем повышении содержания метана, уменьшается. В этом случае часть метана остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана эта часть охлаждает пламя взрыва, а при содержании метана свыше 14-16%) происходит его полное самогашение и взрыва не возникает. Наиболее легко воспламеняются смеси, содержащие 7-8% метана.

Температура продуктов метана в неограниченном объеме достигает 1875°С, а внутри замкнутого объема 2150-2650°С. Давление газа в месте взрыва в среднем в 9 раз превосходит начальное давление метано-воздушной смеси до взрыва. При распространении взрывной волны по выработке появления пламени всегда предшествует волна сжатого воздуха. Встретив на своем пути скопление газа, она сжимает его, а подошедшее пламя воспламеняется. Такое предварительное сжатие всегда способствует развитию высоких давлений во взрывной волне (до 30 кге/см и выше) и увеличения скорости ее распространения.

Скорость распространения взрывной волны вдоль выработки по мере увеличения содержания метана свыше 5-6% сначала возрастает, а затем снижается до нуля при 14-15%. Всевозможные препятствия (сужения, выступы, отдельные предметы и т. д.), способствуя повышению давления, увеличивают скорость распространения взрывной волны от нескольких десятков до нескольких сотен метров в секунду.

При взрыве метана в шахтах наблюдается два удара - прямой и обратный. Прямой удар представляет собой волну, распространяющуюся от источника воспламенения к периферии. Обратный удар - волна, распространяющаяся в обратном направлении - к центру взрыва, вследствие возникшего там разрежения после конденсации образующихся при взрыве паров и остывания продуктов сгорания. Обратный удар обычно слабее прямого.

Соответственно различают и два вида пламени - первичное и вторичное. Первичное является собственно пламенем взрыва, вторичное - результат дожигания оставшегося на пути взрыва метана при поступлении к нему кислорода из прилегающих выработок. Не исключена возможность, что в результате такого притока снова образуется взрывчатая смесь и при наличии источника воспламенения происходит вторичный и часто более сильный взрыв.

Водород при содержании в воздухе от 4-74% образуется взрывчатую смесь, температура самовоспламенения которой 580-600°С, т. е. на 150-200°С более низкая, чему метана. Присутствие водорода в составе рудничного газа сокращает, а при значительном (30%) его количестве устраняет «запаздывание» взрыва.

Источниками появления водорода могут быть выделение его из полезного ископаемого и боковых пород, образование при пожаре.

Окись углерода горит и взрывается при содержании ее в воздухе от 12,5 до 75%о, взрыв достигает наибольшей силы при 30%> СО, температура воспламенения газовоздушной смеси в этом случае 630-810°С, цвет пламени голубовато-синий.

Источниками появления окиси углерода в рудничном воздухе являются взрывные работы, пожары, взрывы угольной пыли и метана.

Кроме метана в рудничной атмосфере могут встретиться углеводороды, его гомологи: этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Ню), пентан (С5Н112), этилен (С2Н4), ацетилен (С2Н2).

Перечисленные углеводороды, как видно из данных табл.1, могут представлять большую опасность, чем метан. Содержание их в рудничном газе ничтожно, однако количество некоторых их них может резко возрасти при пожарах от самовозгорания угля.

Таблица 2

Угле- Относительная Температура Концентрационные водороды плотность самовоспламенения, °С пределы взрываемости

Этан 1,05 548 2,2 - 15,0

Пропан 1,56 514 2,4 - 7,4

Бутан 2,07 489 1,5 - 6,5

Пентан 2,49 518 1,45 - 6,5

Этилен 0,97 542 3,0 - 34,0

Ацетилен 0,91 406 2,5 - 81

Вышесказанное показывает, что сложность ведения горноспасательных работ при локализации подземных пожаров усугубляется опасностью для жизни горноспасателей, обусловленную вредными газами, образующимися в результате горения угля.

Выводы

Обзор способов предотвращения эндогенных пожаров и их критический анализ показывают, что у всех способов имеются недостатки, вследствие чего максимальная эффективность в профилактике эндогенных пожаров может быть достигнута при комплексном использовании одновременно нескольких способов, которые по своим технологическим параметрам наиболее полно соответствуют конкретным горно-геологическим условиям. При этом выявление наиболее эффективных веществ и поиск новых ингибиторов для тушения горящего угля при ликвидации эндогенных пожаров весьма актуально.

Кроме этого, при возникновении пожаров в выработанном пространстве пологих угольных пластах для предотвращения перемещения очага самовозгорания по пласту и сокращения доступа воздуха требуются надежные способы изоляции и средства для ее осуществления. Анализ состояния вопроса показал, что существующие способы изоляции выработанного пространства не отвечают требованиям промышленной безопасности при их применении на пластах пологого падения.

В связи с этим разработка способов изоляции очагов самовозгорания и средств для ее осуществления, а также поиск новых ингибиторов является актуальной задачей и ставится целью настоящей работы.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие основные задачи:

- установлена закономерность влияния различных ингибирующих веществ на реакцию окисления угля для определения наиболее эффективных компонентов активной пены, снижающих его химическую активность;

- установлена интенсивность отложения золы электростанций из пульпы и возможность создания из нее изоляционных «полос» в выработанном пространстве;

- разработаны средства для превентивной дезактивации углей и тактика их применения горноспасателями для предупреждения самовозгорания и локализации эндогенных пожаров в шахте;

- проведены опытно-промышленные испытания и внедрение способов и средств предупреждения и локализации эндогенных пожаров.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Мячин, Валерий Васильевич

Выводы

Моделирование процесса осаждения твердой фазы из пульп позволяет сделать вывод о возможности применения зольной пульпы для создания изолирующих «полос» в выработанном пространстве и возведения изолирующих перемычек.

Установлено, что за счет заполнения пустот обрушенной породы отложившимися частицами золы образуется плотный массив, который обладает высокой воздухонепроницаемостью.

Исследования характера отложений золы и глины из потоков пульпы показали, что применение глины менее эффективно, так как высота слоя заиленного глиной почти в 2 раза меньше.

При свободной фильтрации зольных пульп через выработанное пространство происходит снижение соотношения Т:Ж с 1:4 на входе до 1:10 на выходе. Консистенция же глинистой пульпы на этой длине фильтрации меняется весьма незначительно.

3.3.7 Расчет производительности заиловочного пульпопровода

В практике тушения эндогенных пожаров очень часто приходится прокладывать в аварийном порядке пульпопроводы к месту ведения работ по горным выработкам. Протяженность пульпопроводов иногда при этом достигает нескольких километров, причем имели место случаи, когда из-за недостаточного геодезического перепада и большого сопротивления движению смеси подземного пульпопровода в виду большой длины его доставить заи-ловочную смесь не удавалось. В результате работы по монтажу пульпопроводов оказывались бросовыми, а время на ликвидацию аварии упущенными.

Для проектирования заиловочного трубопровода нами предложен теоретический метод расчета производительности для условий шахт Кузбасса.

Для вывода соотношений, связывающих основные гидродинамические параметры движения в ставе, запишем уравнение Бернулли для сечений I, II, III и IV в соответствии со схемой, предложенной на рис 19. Pj V,2 Р2 V2 . Р3 v32 . = Z2 + ~ + —+ in 2 = Z3 + — + + in з = у 2g у 2g 1 Т 2g Z4+^L + ^L + i„,-4. (3-21) у 2g где:

Vi, V2, V3, V4 - скорость течения пульпы в сечениях I, II, III, IV, м/с; Рь Р2, Рз, Р4 - гидростатическое давление в сечениях, мм.вод.ст.; g - ускорение свободного падения, м/с ; у- удельный вес суспензии, н/м3; ini-2, in2-3> in3-4 - полные потери напора в ставе между соответствующими сечениями, мм. вод.ст.

Рис. 19. Расчетная схема для определения производительности пульпопровода.

I, II, III, IV - рассматриваемые сечения пульпопровода;

Hh Н2, Н5, Н4 - глубина сечений от поверхности, м; о]> У1 ~ поверхность земли; х, о,у - горизонтальная поверхность через низшую точку пульпопровода;

Z/, Z2, Z3, Z4 - геометрические высоты сечений I, III, IV над плоскостью хоу, Z2= 0, м.

В силу неразрывности потока и равенства сечений можно записать:

V1=V2=V3=V4 = Q = ^ (3.22) о d2 где:

Q - расход пульпы, м /с\ со - площадь сечения става, м\ d - диаметр трубопровода, м.

Обозначив через Н0 наибольшую глубину заложения става, а через Hi расстояние от поверхности до i сечения пульпопровода можно записать:

Zi=H0-Hi (3.23)

Приняв во внимание, что Р\—Рд и с небольшими допущениями, Р4—Рд, при условии равенства сечения с учетом (3.22), (3.23) из (3.21) находим:

Н4=Ч2+Ч3+Ч4 (3-24)

Или в общем случае можно записать:

Hk=£in, (3.25) i=l где:

Нк - глубина конца става от поверхности, м; ini - полные потери напора в ставе на i - том участке, мм.вод.ст.; п - число участков.

В работе «Технологические схемы заиловочных работ для предупреждения и тушения эндогенных пожаров в шахтах восточных районов СССР» (ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности . - Кемерово . -1979. - 191с.) для определения полных потерь напора предлагается формула: in = 0.75rk(i0 -im) (3.26) где: i0 - потери давления по длине трубопровода при движении в нем воды, мм. вод. cm; im - потери напора на местные сопротивления, мм.вод.ст, im« 0.05*0.1/,; rk - коэффициент, учитывающий сопротивление при перекачке суспензии, зависящий от ее консистенции.

Значение коэффициента гк

Объемная консистенция суспензии, т:ж 1:2 1:3 1:5 1:8 1:10 1:12

Поправочный коэффициент гк 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2

Используя соотношение Дарси-Вейсбаха для определения потерь напора по длине трубопровода и, принимая im = 0.1 i0 из выражений (3.25) и (3.26) находим производительность трубопровода:

Q = (3.27) л/8 у 0.825rkroL v или

Н db

Q = 3600-3.828 —^—,м3/ч (3.28) v rkrgL где:

L - длина трубопровода, м; rg - коэффициент сопротивления по длине в зависимости от диаметра и износа.

Значения коэффициента rg представлены в табл. 25.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, на основе выполненных лабораторных и шахтных исследований влияния различных веществ на окислительные процессы в природных углях, изучения свойств золы и зольных пульп, установлена эффективность использования хлорсодержащих веществ в качестве ингибиторов самонагревания угля; формирования изоляционной «полосы» при подаче зольной пульпы в выработанное пространство. Разработаны новые технические решения для подачи активной пены и создания изоляционных полос в выработанном пространстве, внедрение и применение которых, в значительной степени, обеспечивает высокую эффективность предупреждения и локализации эндогенных пожаров в угольных шахтах.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Лабораторными исследованиями установлено влияние различных веществ на окислительные процессы природных углей и выявлено катализирующее воздействие пенообразователя на уголь, сокращающее инкубационный период самовозгорания (по сравнению с водой) на 15 %.

2. Ингибирующие вещества, содержащие активный хлор - гипохлорит кальция, хлорная известь, хлорамин при добавлении в пенообразователь способствуют дезактивации угля, устраняют катализирующее влияние пенообразователя и тормозят радикально-цепной механизм окисления угля за счет химического ингибирования, а также улучшают свойства пены, повышая ее стойкость в 2 - 2,5 раза.

3. Установлена зависимость интенсивности отложения золы от консистенции пульпы, крупности ее частиц и величины слоя насыпки. Уменьшение фракции с 50 до 10 мм увеличивает интенсивность отложения золы в 3 раза, а величину аэродинамического сопротивления в 9 раз. При повышении соотношения Т:Ж с 1:20 до 1:4 интенсивность отложения и величина аэродинамического сопротивления возрастают в 2 раза.

4. Произведен расчет производительности заиловочного пульпопровода и установлены критические скорости движения пульпы по трубопроводу. Значение критической скорости при диаметре трубопровода 100мм составляет 1,2 м/с для высокоустойчивых, 1,3 м/с для среднеустойчивых и 1,4м/с для малоустойчивых пульп.

5. Экспериментально подтверждена возможность образования изоляционных «полос» в выработанном пространстве наращиванием осажденной золы из пульпы. Эффективность отложения золы в обрушенных породах в 1,5 раза выше интенсивности отложения глины при применении пульп с одинаковым соотношением Т:Ж в интервале от 1:20 до 1:4.

6. Разработаны, изготовлены и внедрены средства и способ возведения изоляционных «полос» в выработанном пространстве из дистанционно подаваемой зольной пульпы, новизна которых подтверждена ФИПС шестью свидетельствами на полезную модель.

7. Разработанные средства и способы предупреждения и локализации эндогенных пожаров, внедренные на 6 шахтах Кузбасса, позволили локализовать 10 эндогенных пожаров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мячин, Валерий Васильевич, 2002 год

1. Лудзиш B.C. Аварийность и травматизм на шахтах Кузбасса и меры по их снижению / B.C. Лудзиш, Г.И. Кулаков. Новосибирск: Изд. СО РАН, 1999.

2. Веселовский B.C. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров.-М.: Наука, 1975.

3. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах.- М.: Недра, 1987.

4. Баратов А.Н. Пожаротушение на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности/ А.Н. Баратов, Е.П. Иванов.- М.: Химия, 1971.

5. Баратов А.Н. Химическое ингибирование пламен.// ВХО им. Менделеева,- 1967,-№3.

6. O'Heal С/ Effects of Halogenaated extinguiching Agents of Fiame Queneting of The Action Symposium International on Combustion, 1956.

7. Розловский А.И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами-. М.: Химия, 1972.

8. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике." М.:Наука, 1968.

9. Руководство по применению азота и инертных газов для борьбы с эндогенными пожарами в шахтах. -Кемерово: изд. Отдел ВостНИИ, 1984.

10. Набандян А.Б. Механизм окисления и горения кислорода. /А.Б. Набан-дян, В.В. Воеводский.-М.: изд АН СССР, 1949.

11. Rosser W, Jnamis, Wies Н, Comb. Flame, 195 (1963).

12. Friedman R, Lewy J. Comb. Flame, 195 (1963).

13. Замыслов В.А. Ингибирование окисления термически обработанных углей./ В.А.Замыслов, A.JI. Соболевский, В.В. Родэ, А.Ф. Луковников.// ХТТ.- 1982.

14. Уэндландт Термические методы анализа.- пер. с англ. Яз. Под ред. Степанова В.А., Берштейна В. А. М.: Мир, 1978.

15. Берг Л.Г. Введение в термографию. —М.: изд. Академии наук СССР, 1961.

16. Инструкция по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. -Прокопьевск Кемерово: 1973.

17. Отчет заключительный по этапу 1616.03.01 «Усовершенствовать технологические схемы и способы ведения заиловочных работ для предупреждения и тушения подземных пожаров в условиях Прокопьевско-Киселевского района». Кемерово, 1973. Фонды ВостНИИ.

18. Использование летучей золы для борьбы с подземными пожарами. "Coal Age".-1970.-№8.

19. Тушение подземных пожаров пылевидной золой."Соа1 Age".- 1968. № 5.

20. Мерфи Е.М. Применение летучей золы для заполнения камер и штреков способом нагнетания. "Рипорт оф инвест, бюро майнз". США, 1968, № 7214.

21. Я.Пекелко. Ликвидация самовозгорания угля и подземного пожара на шахте Дукла (Чехословакия), 1955.

22. Roges С. Изоляция участков после отработки. Перемычки из летучей золы. "Pubis.techn.char bonn France. Bull informs.techn.".-1965.- № 2.

23. Curcic А. и др. Научно-исследовательские работы по изысканию методов предупреждения подземных пожаров с применением химических и инертных материалов. -1970.-№ 4.

24. Мелентьев В.А. «Гидрозолоудаление и золоотвалы»/ В.А.Мелентьев, Е.З.Нагли.-JI., 1968.

25. Береженко Е.Т. Получение вяжущих веществ и изделий из них на основе отходов тепловых электростанций. //Строительство и архитектура 1974.-№4.

26. Студзинский С.А. Об использовании местных материалов и отходов производства для вяжущего в твердеющей закладке// «Горный журнал».-1977,-№ 1.

27. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов.-М.: 1975.

28. Методика определения физико-механических характеристик закладочного материала. Составитель к.т.н. В.В.Добровольский. -М.: 1970.

29. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механческих свойств горных пород. -Л.: 1972.

30. Пустыльник Е.А. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968.

31. Касандрова О.Н. Обработка результатов наблюдений /О.Н. Касандрова, В.В. Лебедев. -М.: Наука, 1970.

32. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.

33. Тихомиров В. Как принимать решение// Техника и наука. -1973,- № 2-17.

34. Морис Маскет Течение однородных жидкостей в пористой среде. -Гос-топтехиздат.-1949, перевод.

35. Алехичев С.П.Аэродинамика зон обрушения и расчет блоковых утечек воздуха/С.П.Алехичев, Л.А.Пучков. -Л.: 1968.

36. Бан А. Влияние свойств горных пород на движение в них жидкости/ А.Бан, А.Ф.Богомолова, В.А.Максимов и др.- М.: Гостоптехиздат, 1962.

37. Аравин В.И. Теория движения жидкостей и газов в недеформированной пористой среде/ В.И.Аравин, С.Н.Нумеров.- М: 1953.

38. Эйнер Ф.Ф. Заиливание и распределение заиловочного материала. Сборник. Профилактика, изоляция и тушение подземных пожаров. -М.: 1961.

39. Отчет по этапу 1611.06.0100 «Провести исследования по установлению области применения способа выравнивания давления воздуха для борьбы с подземными пожарами и газом»,- Кемерово: Фонды ВостНИИ, 1978.

40. Добровольский В.В. Методика определения физико- механических характеристик закладочного материала. -М.: 1970.

41. Койда Н.У. О применении теории подобия при фильтрации жидкости// Журнал физ.химии.- XXXIУ .- № 4.

42. Гиринский Н.К. Определение коэффициента фильтрации по данным откачек при неустановившихся дебите и понижениях.- М.: Госуд. изд. геологической литературы, 1950.

43. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой сре-де.-М.: 1947.

44. Эйнер Ф.Ф. Эффективность профилактического заиливания в зависимости от места ввода пульпы в выработанное пространство// Бюллетень. Технология и экономика угледобычи. 1960. №11.

45. Захаров А.Б. О механизме действия пульпы при профилактическом заиливании отработанных мощных крутых пластов Кузбасса // Борьба с подземными пожарами на шахтах Кузбасса :Сборник ЦИТИ угля,- 1959.

46. Маевская В.М.Распределение давления и скорости воздуха в выработанном пространстве/ В.М.Маевская, В.А.Бонецкий, А.Г.Поликаров: Труды ВостНИИ. т.26,.- Кемерово, 1975.

47. Мячин В.В Технологическая схема тушения подземных пожаров через скважины с поверхности/ В.В. Мячин, А.Е. Чуприков //Безопасность труда в промышленности. 2001. - № 5. - С. 45-46.

48. Чуприков А.Е. Приготовление и перекачивание заиловочной пульпы и тампонажных растворов/ А.Е. Чуприков, В.В. Мячин, А.П. Федорович// Безопасность труда в промышленности. 2001. - № 9. - С. 26-27.

49. Мячин В.В. Новое оборудование для изоляции пожаров в горных выработках угольных шахт Кузбасса/ Министерство энергетики РФ; ЦШ ВГСЧ//Информационный бюллетень. 1999№ 12.

50. Мячин В.В. Применение криогенной техники для подавления подземных пожаров в угольных шахтах / В.В. Мячин, А.Е. Чуприков// Вестник МА-НЭБ.-2000. -№11(35). -С. 81.

51. Мячин В.В. Оценка теплового эффекта окисления угля при обработке его растворами хлорсодержащих веществ и механизм воздействия их на окислительный процесс/ В.В. Мячин, А.С Голик// ТЭК и ресурсы Кузбасса. 2002. - №4 - С.96 - 99.

52. Голик А.С. др. Анализ аварийности на предприятиях угольной промышленности России за 2000 г./ А.С. Голик, В.В.Мячин, В.А. Зубарева./-РосНИИГД.- Кемерово, 2001.

53. Голик А.С. др. Анализ аварийности на предприятиях угольной промышленности России за 2001 г./ А.С. Голик, В.В.Мячин, В.А. Зубарева./- РосНИИГД.- Кемерово,2002.

54. Свидетельство РФ на полезную модель № 23647 Устройство тушения пожара в тупиковой горной выработке / В.В. Мячин, А.Е. Чуприков. БИ. -2002.-№ 18.

55. Свидетельство РФ на полезную модель № 22188 Система предупреждения и локализации эндогенных пожаров на действующем участке. / Чу-приков А.Е., Мячин В.В., Попов В.Б. БИ. - 2002. - № 7.

56. Свидетельство РФ на полезную модель № 22972 Устройство возведения изолирующей перемычки. / Чуприков А.Е., Голик А.С., Мячин В.В. БИ. -2002.-№ 13.

57. Свидетельство РФ на полезную модель № 21083 Устройство для газификации криогенной жидкости. / Мячин В.В., Чуприков А.Е., Син А.Ф. -БИ. -2001. -№35.

58. Свидетельство РФ на полезную модель № 19871 Устройство возведения изолирующей перемычки через скважину. /,Мячин В.В., Чуприков А.Е., Крылов В.А. БИ. - 2001. - № 28.