НПАОП 10.0-7.05-90 Руководство по борьбе с эндогенными пожарами на шахтах Минуглепрома СССР

Пеносмесителъ ПС (рис.5.25) состоит из корпуса 1, в котором установлены сопло 3, штуцер 4, обратный клапан 2, я всасывающего рукава 7, подсоединенного к штуцеру 4 при помощи ниппеля 6 и накидной гайки 5.

Рис. 5.24. Схема пенокомплекса:

1,6- пожарные рукава; 2 - всасывающие рукава; 3 - воздушный рукав;

4 - смеситель-пеногенератор; 5 - тройник; 7 - соединительные рукава;

8 - приводной двигатель насосного агрегата; 9 - дозирующее устрой­ство к насосному агрегату "Монолит" или "Пневмолит"; 10 - инжекторы; 11 - фильтр; 12 - трехходовое развет­вление

Рис. 5.25. Пеносмеситель ПС:

а- 1-е исполнениеб- 2-е исполнение,

1 - корпус; 2 - клапан обратный; 3 - сопло; 4 - штуцер; 5 - гайка накидная;

6 - ниппель; 7 - рукав всасывающий

В зависимости от исполнения корпус 1 пеносмесителя снабжается соединительными головками 8 или фланцами 10. Корпус 1 имеет три ножки 9, на которые устанавливают пеносмеситель перед присоеди­нением рукавных линий.

Принцип работы пеносмесителя заключается в том, что вода под рабочим насосом поступает в сопло 3, а из него - в горловину диффузора корпуса 1. В полости корпуса, примыкающей к соплу, со­здается разрежение, благодаря которому пенообразователь по рукаву 7 подсасывается в диффузор корпуса, где он смешивается с водой. Полученный раствор пенообразователя подается затем по водорода рукавам или трубопроводам к генератору лены.

Наиболее распространенные в практике тушения подземных по­жаров схемы включения пеносмесителей типа ПС в системе получения огнетушащей пены приведены на рис.5.26.

5.3. Расчет параметров пенного способа борьбы с эндогенными пожарами.

Для борьбы с эндогенными пожарами в выработанном пространстве действующих очистных забоев с помощью воздушно-механической и инертной пен необходимо определять для каждых горно-геологических и горно-технических условий следующие параметры:

координаты зоны активного самонагревания угля;

радиус обработки выработанного пространства;

дальность подачи пены в обрушенных породах;

продолжительность подачи пены с определенной производительностью и кратностью.

6.3.1. Определение координат зоны активного самонагревания угля в выработанном пространстве заключается в установлении координат площади выработанного пространства, в которой воздуха достаточно для развития окислительного процесса, но недостаточно для выноса тепла.

Границы зоны активного самонагревания при выемке угля обратным ходом и возвратноточной схеме проветривания определяются из следующих выражений:

А1= В l ((Q b -Qут-V1 S )/(Q b -Qут))а, (5.4)

А2= В l ((Q b -Qут-V2 S )/(Q b -Qут))а,

Рис.5.26.Cxe мы включения пеносмесителя типа ПС в системы получения огнетушащей пены при подземном пожаротушении:

а - при применении одного пеносмеситля;

б - при применении параллельно включенных пеносмесителей

где А1иA2,- расстояния от забоя до ближней и дальней границ зоны активного самонагревания соответственно, м;

В - безразмерный коэффициент, характеризующий устойчи­вость кровли пласта к обрушению (например, для неустойчивости кровли В = 0,5; средней устойчивости -0,70; весьма устойчивых - 1,0);

l - расстояние от забоя да зоны обрушенного массива, где прекращается процесс обрушения пород кровли, м (для условий Донбассаl = 100 м);

Q b - количество поступающего в лаву воздуха, м3/мин;

Qут=max {Q b -Q i }i = 1,2…,n -максимальные утечки воздуха в выработанное пространство, м3/мин ;

Q i .- расход воздуха, проходящего по лаве вi - й точке замера, м3/мин;

V1иV2- верхнее и нижнее значения скоростей соответственно из интервала пожароопасных скоростей утечек воздуха через выработанное пространство, м/мин

(V1= 0,9 м/мин;V2= 0,1 м/мин);

S - площадь поперечного сечения лавы, м2;

α= [Q bhl - Qут(S + hl)]B/Qут S (5.5)

где α - безразмерный параметр, характеризующий интенсивность уменьшения утечек воздуха через выработанное пространство по мере удаления от очистного забоя;

h - мощность пласта, м.

Пример. Определить координата зоны активного самонагревания угля в выработанном пространстве пласта мощностью 1,4 м с действующим очистным забоем сечением 4,0 м2для условий шахт Донбасса с глинистыми и песчаными сланцами, залегающими в кровле пласта. Производим замер расхода воздуха, поступающего в лаву. Затем по всей длине лавы через каждые 15 м и еще в 10 точках, в том числе и на выходе из лавы.

Результаты измерений расхода воздуха сведены в табл.5.15. Как видно из табл.5.15. максимальные утечки воздуха в выработанное пространство имеют место в 8-й замерной точке:

Qут=max {Qb -Qi } i=1,2…n = 450-400 = 50 м3/мин

Мощность пластаh = 1,4 м.

Площадь поперечного сечения лавыS = 4,0 м2.

Таблица 5. 15.

Измерение параметров расхода воздуха

В кровле пласта залегают легко обрушаемые глинистые и песчаные сланцы, Поэтому коэффициент В , характеризующий устойчивость кровли пласта к обрушению, принят равным 0,5, а параметрl = 100 м. Величина параметра α , характеризующего интенсивность убывания утечек воздуха через выработанное пространство по мере удаленияo т очистного забоя, вычислялась из выражения (5.5)

α = 0,5(450·1,4·100 - 50(4,0 + 1,4·100))/50·4,0 = 139,5

4 Расстояние от забоя до ближней и дальней границ активной зоны самонагревания соответственно определяются зависимостями (5.4):

А1= 50[(450-50-0.9· 4.0)/450·50]139.5= 14 м;

А2= 50[(450-50-0.1· 4.0)/450·50]139.5= 43,5 м;

5.3.2. Дальность продвижения пены в обрушенных породах выра­ботанного пространства зависит от горно-геологических условий и параметров самой пены и определяется по формуле:

_

L = 7.01 · 10-3√(H ·Kф· Тж· К ) (5.6)

_ _

Кф= 2,3· 10-4/μ n ·τ (x ) ,

где Кф- коэффициент фильтрации пены в обрушенных породах

выработанного пространства, м/с;

Н - давление в пенном потоке на выходе из пеногенерирующей установки,M Пa ;

_

К - среднеинтегральная кратность пены, движущейся в выработанном пространстве;

Тж- стойкость пены, с;

_

μп- динамическая вязкость пены, (Н · с)/м2;

_

τ - среднее значение удельного аэродинамического сопротивления выработанного пространства в зоне активного самонагревания, кг/(с·м3);

7,01·10-3- размерный коэффициент.

Величина Н дана в технические характеристиках пенных уста­новок.

_

Вязкость пены μпопределяемся как среднеинтегральное значение вязкости пены в интервале [О, Тж] по формуле:

_

μп=μо/γ [1 -e-γ] (5.7)

Значение μозависит от применяемого пенообразователя иo т способа вспенивания. Например, пена, полученная на установке УИП, имеет начальную вязкость:

μо=2(Н·с)/м2-для пенообразователи ПО-1Д;

μо= 4,1 (Н·с)/м2- для пенообразователя "Поток".

Для применяемых на шахах в настоящее время пенообразователей (ПО-1Д, Сульфонол НП-3) величина γ = 3,3. Тогда μп= μо0,18.

C реднеинтегральное значвми кратности пены К определяется из выражения:

К = Ко/β [e β -1], (5.8)

Где Ко- начальная кратность пены;

β - коэффициент, учитывающий синерезис жидкости из пены, движущейся в обрушенных породах (для ПО-1Д и НП-3 β= 2,7).

Удельное аэродинамическое сопротивление выработанного про­странства определяется из выражения:

τ(х) =l ,6·10-6·х+ 29 , кг/(с·м3), (5.9)

где х - расстояние от места выпуска вены до линии забоя, м.

Среднее значение удельного аэродинамического сопротивления определяется из зависимости:

τ(х) =0,5[τ(A1) +τ(A2)], (5.10)

где значениеA1иA2. взяты из формулы (5.4).

Если величинаL , определенная по формуле (5.6), больше размера выработанного пространства по падениюL3,L принима­ется равной значениюL3.

ЕслиL3/L =N , то пена подаемся со стороны забоя с помощью пики, при этом количество точек додачи девы равно (N - 1 ) , ПриN ≥ 6 применение пен для борьбы с эндогенными пожарами в выработанном пространстве без точной локации очага неэффективно.

Пример. Определить дальность продвижения пены, полученной на основе пенообразователя ПО-1Д, в обрушенных породах при обра­ботке активной зоны самонагревания угля в выработанном пространстве пластаl '8, производимой установкой УИП с вентиляционного штрека. Начальная кратность пены Ко= 20,

Вязкость пены на основе пенообразователя ПО-1Д

μо= 2,0 (Н·с)/м2

Величина Н для установки УИП равна 0,5·106Па,

Стойкость пены Тж= 6 ч.

Среднеинтегральные значения вязкости и кратности пены равны :

_ _

μп= 0,36; К = 100.

Место выпуска пены в выработанное пространство удалено от линии забоя на 30 м. Удельное аэродинамическое сопротивление подсчитано до формуле (5.10)

_

τ(х) = 31,9 кг/(с·м3).

Дальность подачи пены рассчитана по формуле (5.6)

L = 7.01·10-3√(0.5·106·2.16·104·100·Kф)

Кф= 2,3·10-4/0,36·31,9

ТогдаL = 7.01·10-3√(1.08·1012·2.3·10-4/0.36·31.9 = 70.1√0.216 = 32.8 м.

5.3.3. Продолжительность подачи пены в выработанное прост­ранство для охлаждения очага самонагравания определяется из выра­жения

tп= │2,8·10-4·ln ([(α 1-α 2-α 3)Tоч+α 2То]/[(α 1-α 2-α 3)Tк+α 2То]) /(α3-α2-α1) │+ 1.5

(5.11)

где Точ- температура в очаге самовозгорания перед запуском пены, °С;

То- средняя температура воздуха в лаве, °С;

Тк- температура в очаге, которую намечают достичь, охлаждая очаг пеной, °С. Коэффициенты α1,α2, рассчитываются по формулам:

α 1= 4u(C o- Cисх )/(lnC o- lnCисх )(0,06 + W') ;

гдеu - среднее значение удельной скорости сорбции кислорода углем в интервалеTо...Tкрм3/(с·кг), определяется ВНИИГД по пробам угля;

С o - содержание кислорода в поступающей в лаву струе

воздуха, %;

Сисх- содержанке кислорода в исходящей из выработанного

пространства струе воздуха, %;

W ' - рабочая влажность угля, %;

h - мощность пласта, м.

Значения коэффициента α3при различной кратности ( К ) движущейся в выработанном пространстве девы приведены ниже

Например, при К = 60 α3= 1,7·10-4(1/с).

Величина Ткропределяется соотношением этилена к ацетилену.

Объем подаваемой лавы определяется по формуле:

V п =tп qуст, (5.13)

гдеqуст- производительность установки, м3/ч.

Объем заполненного пеной выработанного пространства выражается через А1,А2иL

Vпр= (А1- А2)h ·ε ·L , (5.14)

где ε - коэффициент пористости обрушенных пород.

Пример. Определить продолжительность подачи пени в выработан­ное пространство для охлаждения очага самонагревания угля, распо­ложенном на расстоянии приблизительно равном 30 м от забоя лавы в верхней части выработанного пространства. Зона активного само­нагревания определяется по формуле (5.4) в диапазоне 14...43,5 м.

На вентиляционном штреке возводятся две изолирующие перемыч­ки. Одна - на расстоянии 20 м от линии забоя, а вторая - на рас­стоянии 40 м.

В образовавшуюся камеру между перемычками по трубам подается инертная пена.

Предварительно по методу непредельных углеводородов опреде­ляется температура очага Точ.Предположим, Точ= 180 °C . Резуль­таты проб рудничной атмосферы на поступающей в лаву и исходящей из лавы струе воздуха показали, что содержание кислорода составляет:

Со= 0,20; Сисх= 0,08.

Рабочая влажность угляW ' = 7 %, Температура воздуха в лаве То= 30 °С, Очаг самонагревания решено охладить до Тк= 40 °С.

Интенсивность подачи пены рассмотрена в предыдущем примере. Решено подавать низкократную пену ( Ко= 20) установкой УИП.

Тогда значение К = 100.

Среднее значение удельной скорости сорбции кислорода углем в интервале

То...Тк;

u = 0,33·10-6м3/(кг·с).

По исходным данным определяем значения коэффициентов α1,α2,α3;

α1= 40,3·0,12·10-6//0,13(-1,61)-(-8,53) = 1,22·10-6/0,92 = 1,33·10-6;

α2= 1,25·10-7/1,4·0,13 = 6,87·10-7= 0,89·10-6;

α3= 1,2·10-4= 120·10-6.

Продолжительность подачи пены для подавления очага самонагревания :

tп= (2,8·10-4/119,04·10-6) ·ln [(119.64·180-0.89·30)/(119.64·40-0.69·30)] + 1.5

Объем подаваемой пены равен :

Vн= 5ч ·10 м3/мин = 60·5·10 м3= 3000 м3.

Объем заполненного пеной выработанного пространства при величине пористости выработанного пространства ε = 0,5 составит :

Vпр= (43,5-14) ·0,5·1,4·32,8 = 677 м3.

5.3.4. Расчет дальности подачи азота и пены но трубам

Подача газообразного азота с поверхности осуществляется по

шахтным трубопроводам: пожарно-оросительным, сжатого воздуха

и дегазационным. Интенсивность подачи газообразного азота во

многом зависит от пропускной способности шахтных трубопроводов.

При подаче газообразного азота с поверхности к месту установки пеногенератора могут применяться трубопроводы различных диаметров поэтому в процессе расчета их фактическая длина на уча­стках с одинаковым диаметром заменяется трубопроводом диаметром 150 мм, который обладает такой же пропускной способностью, как и рассматриваемый трубопровод переменного сечения.

Приведенная длина трубопровода определяется по формуле

n

Lпр = Σ к ilфi, (5.15)

i=1

гдеk i - коэффициент приведения для i -го участка трубопро­вода одного диаметра;

lфi - фактическая длинаi -го участка трубопровода одного диаметра, м.

Для наиболее часто встречающихся в горных выработках трубопроводов различных диаметров величина коэффициента К i приведена ниже.

Число одновременно работающих пеногенораторов зависит от ко­личества скважин, пробуренных к предполагаемым очагам горения. Возможный объем пространства, заполняемого одним пеногенератором составляет около 2000 м3,

Обеспечение необходимого для тушения дебита газообразного азота перед пеногенератором и последующая подача инертной пены В очаг пожара требует соответствующего давленая в начальном сечении азотоподающего трубопровода (в месте его подсоединения к газификационной установке или к емкости с жидким азотом). Его величина определяется по формуле

Ра= Ртр+ ΔР , (5.16)

где Ртр- давление, необходимое для подачи газообразного азота от газификационной установки к пеногенератору, МПа (кгс/см2);

ΔР - давление, необходимое для подачи инертной пены в очаг пожара по пожарным рукавам, металлическому трубопро­воду или скважине, МПа (кгс/см2).

Пропускная способность азотоподающего трубопровода определя­ется величиной приведенной длиныLпри предельного значения дав­ления, зависящегоof «ила применяемого для подачи азота трубопро­вода (пожарно-оросительный, воздушный или дегазационный).

3ная общий объем заработанного пространства, в котором рас­положен очагVо, и производительность одного пеногенератора по газообразному азоту определяют общее количество пеногенераторов для одновременной работы и, следовательно, необходимый дебит газообразного азота.

Если для получения инертной пены используется подаваемый с поверхности по трубопроводам газообразный азот, то величина давления Ртропределяется по графику (рис.5.27), а давления ΔР- по формуле:

ΔР =b 'L 'тр, (5.17)

гдеL 'тр- длина рукавного или металлического (с учетом длины скважины) трубопровода от устройства УИП до очага пожара, м;

b ' - коэффициент, учитывающий потери давления на 1 м длины пеноподающего трубопровода (кгс/см2)м-1(для прорезиненных пожарных рукавов диаметром 77 ммb ' = 0,019, для металлического трубопровода диамет­ром 100 ммb ' = 0,016 (кгс/см2)м-1.

Подача пен в выработанное пространство, купола горных выра­боток и другие труднодоступные места для профилактики, локализа­ции и тушения эндогенных пожаров осуществляется, как правило, поj трубопроводам или скважинам малого сечения, имеющим любые углы наклона и множество поворотов, представляющих местные сопротивления.

В результате проведенных исследований, на трубах диаметром 100 мм установлено, что потери давления на местные сопротивления не превышают 5 % от общих потерь, поэтому ими можно пренебречь.

В наклонных и вертикальных трубопроводах увеличение ияи уменьшение потерь давления (в зависимости от направления подачи пены) рассчитывается по формуле

ΔРг= ρсрghг= ρпРср hг/Ро104, (5.18)

где ρср -средняя плотность пены в вертикальном (наклоном) участке пенопровода, кг/м3;

Рис. 5.27. .График зависимости давления от приведенной длины трубопровода при дебите азота, м3/ч:

1-1500; 2-3000; 3-4500; 4-6000; 5-7500; 6-9000; 7-10500 ; 8-12000

g - ускорение свободного падения, м/с2;

hг- разность геодезических высот между началом и концом

участка пенопровода, м

ρп- плотность пены, приведенная к нормальным условиям,

(ρп= ρв+ ρр/Ко);

ρв- плотность воздуха, равная 1,2 кг/м3;

ρр- плотность раствора пенообразователя, равная 1000 кг/м3;

Ко- кратность даны, приведенная к нормальным условиям;

Pср- среднее давление в вертикальном (наклонном) участке

пенопровода, кгс/см2.

Для определения потерь давления при движении пен по трубо­проводам можно пользоваться формулой

ΔР = λпρп lQ2 п/π2 d2, Па (5.19)

где λп- коэффициент сопротивления лены;

l - длина пенопровода, м;

Qп- производительность по пене, м3/с;

d - диаметр трубопровода, м.

Зависимость коэффициента сопротивления пены от кратности при ее подаче по трубопроводу диаметром 100 мм и производительностью 0,083 м3/с показана на рис.5.28.

Исследованиями доказано, что произведение коэффициента со­противления и плотности пены в любой точке пенопровода остается постоянной. Поэтому при определении потерь давления необходимо учитывать приведенную к нормальным условиям кратность и коэффициент сопротивления пены для этой кратности.

Ввиду того, что по пожарным рукавам пена подается на небольшие расстояния (до 200 м), то потери напора определяются из формулы

Р = ΔРl , (5.20)

где Р - потери давления в пожарных рукавах, кгс/см2;

ΔР - удельные потери на 1 п.м., кгс/см2;

(ΔР= 0,019 кгс/(см2·м) для рукавов диаметром 77 мм и производительностиQп= 5 м3/мин);

l - длина пожарных рукавов, м.

Рис. 5.28. Зависимость коэффициента гидравлического

Сопротивления пены от кратности

Пример расчета. Определитъ, какое давление необходимо создать в начале трубопровода диаметром 100 мм для додачи пены производительностью 0,083 м3/с и кратностью 100. Схема трубопровода показа­на на рис.5.29.

Рис.5.29. Схема трубопровода

Расчет потерь давления в трубопроводе при движении пены необходимо вести поэтапно, начиная с конца трубопровода. При истечении из нее пены избыточное давление принимаем равным 0. По рис.5.28 определяем коэффициент сопротивления пены кратностью 100, λп= 0.19.

1. Определяем давление в точке 2, которое необходимо создать для подачи пены к точке 1 пo формуле (5.19), а ρп= ρв+ 1000/100 = 11,2 кг/м3, тогда

ΔР2= 8·0,19·11,2·500·(8,3·10-2)2/9,88·10-3= 594720 Па =5,95 кгс/см2

2. Давление в точке 3 без учета геодезической высоты

ΔР3= 8·0,19·11,2·700(8,3·10-2)2/9,86·10-3= 833000 Па = 8,33 кгс/см2

Для учета влияния геодезической высоты оределяем среднее давление между точками 2 и 3

ΔРср= (ΔР2+ ΔР3)/2 = (5,95 + 8,33)/2 = 7,14 кгс/см2

тогда ΔРг= ρпΔРср hг/104= 11.2·7.14·100/104= 0.8 кгс/см2.

Так как пена подается сверху вниз, то давление в точке 3 будет равно

ΔР'3= ΔР3- ΔРг= 8,33 - 0,8 = 7,53 кгс/см2

3. Давление в точке 4

ΔР4= 8·0,19·11,2·400(8,3·10-2)2/9,86·10-3+ ΔР3 = 476000 Па + 7,53 кгс/см2= 12,29 кгс/см2

4. Давление в точке 5 без учета геодезической высоты

ΔРэ= 8·0,19·11,2·300(8,3·10-2)2/9,86·10-3+ ΔР4= 357000Па + 12,29 кгс/см2= 15,86 кгс/см2.

5. Определяем влияние геодезической высоты

ΔРср= (ΔР4+ ΔР5)/2 = (12,29 + 15,86)/2 = 14,07 кгс/см2

ΔРг= 11,2·14,07· 500/104= 4,72 кгс/см2

тогда давление в точке 5

ΔР5=15,86 - 4,72 = 11,14 кгс/см2.

5.3.5. Определение времени тушения эндогенного пожара инертной пеной

Время тушения пожара инертной пеной зависит от следующих факторов: температуры газов в очаге пожара и температуры боковых пород, объема выработанного пространства, купола или пустот, раз­мера обрушенных кусков породы, количества одновременно работающие пеногенераторов.

Температура газов в очаге пожара определяется по результатам анализов проб воздуха с аварийного участка на непредельные углеводороды. Даяние об объемах выработанного пространства, куполов и пустот за крепью, размерах кусков пород представляет служба главного геолога шахты.

Общее время тушения очага и охлаждения боковых пород инертной пеной определяется по формуле

τт= τсн+ τохл , (5.20)

Время, необходимое для уменьшения в выработанном пространстве или в куполе содержания кислорода, при котором прекращается пламенное горение (τсн ), определяется во формуле

τсн = (Vouv- a п )ln(Co/C)/(Q п+ а + К v)uv , (5.21)

гдеV o - объем выpa 6o танного пространства, пустот или куполов, м3;

uv- устойчивость пена, 1/с (для инертной пены, подавае­мой устройством УИП, uv = 1/3600 1/с);

Q п-производительность установки по инертной пене, м3/с ( для устройства УИП Q п = 10...12 м3/мин);

а- абсолютная метанообильность аварийного участка, м3/с ;

К v- константа скорости сгорания (для инертной пеныК v= 0,15 м3/с);

Co- начальное содержание кислорода в зоне очага пожара, %;

C- содержание кислорода, при котором прекращается горение материалов, % (для практических расчетов C= 4...5 %).

Значения натурального логарифма ln(Co/C) приведены ниже.

Время, необходимое для охлаждения инертной пеной нагретых пород до температуры, исключающей повторное загорание, определяется в последовательности, приведенной ниже.