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

(Сисх эт)ф= 1084,3 - 9,1 = 1075,2·10-7%;

(Сисх ац)ф= 29,3 - 5,1 = 24,2·10-7%;

(Сисх эт)ф/(Сисх ац)ф= 1075,2·10-7/24,2·10-7= 44,43

Фактические объемные доли индикаторных компонентов и их соотношения превышают более чем на 25 % фоновые значения, что свидетельствует о наличии процесса самовозгорания.

Определим температуру угля в месте самовозгорания.

а) По результатам пробоотбора в утечках из выработанного пространства.

По табл.4.2 устанавливаем, что для марки Г величинаt при Сэт/Сац= 38,64 составляет 90 °С.

Температура вмещающих пород составит

tо= 9 + (790+30)/33 = 32оС

Максимальную ошибку в определении величиныt примем равной 15 % (так как схема проветривания - с подсвежением на выработанное пространство, а расположение скопления угля, в кото­ром происходит процесс самовозгорания, неизвестно).

Тогда температура угля в очаге самовозгорания составит

tу= 90(1+15/100) + 32 = 135,5оС

б) По результатам пробоотбора в исходящей струе.

По данным табл.2 устанавливаем, что для угля марки Г вели­чинаt равна

98 °С (приCэт/Cац= 44,43).

Тогда

tу= 98 (1 + 15/100) + 32 = 145оС

Расхождение между температурами, определенными по результатам пробоотбора в утечках из выработанного пространства и в исхо­дящей струе, составит 145-135,5 = 9,5 °С, что вполне приемлемо. К анализу ситуации принимается максимальная из двух температур.

Вывод. В контролируемом участке температура угля в очаге составляет 145 °С, что соответствует ранней стадии самовозгорания.

Пример 4. Установить наличие процесса самовозгорания, опре­делите его стадию в температуру угля в очаге на выемочном участке, отрабатывающем крутопадающий пласт по столбовой системе разра­ботки и проветриваемом по возвратноточной схема проветривания.

Схема участка показана на рис.4.7а. Отбор проб в процессе контроля производился в погашаемом тупике вентиляционного штрека (точка 1) и поступающей струе участка (точка 6). Данные о результатах анализа проб газов и сведения о фоновых содержаниях этилена и ацетилена приведены в табл.4.10.

1. Определяем средние объемные доли индикаторных компонентов в местах отбора проб.

а) В погашаемом тупике вентиляционного штрека:

этилена

(Ступ эт)ср= (156,8+167,3+172,4)/3 = 165,5·10-7%;

ацетилена

(Ступ ац)ср= (102,1+114,3+121,9)/3 = 112,8·10-7%

Таблица 4.10

б) В поступающей струе:

этилена

(Сп эт)ср= (9,8+11,8+8,7)/3 = 10,0·10-7%

ацетилена

(Сп ац)ср= (4,9+6,2+4,8)/3 = 5,3·10-7%

2. Определяем фактические объемные доли индикаторных компонентов, выделяющихся на контролируемой участке, к их соотношение в погашаемом тупике вентиляционного штрека:

(Ступ эт)ф= 165,5 - 10,0 = 155,5·10-7%

(Ступ ац)ф= 112,8 - 5,3 = 107,5·10-7%

Ступ эт)ф/(Ступ ац)ф= 155,5·10-7/107,5·10-7= 1,45

Выводы. Фактические объемные доли индикаторных компонентов, выделяющихся на контролируемом участке, превышают более чем на порядок их фоновые значения. Соотношения содержаний этилена и ацетилена близки к единице. Это свидетельствует о наличии процесса самовозгорания угля в стадии горения.

ПРИМЕЧАНИЕ. Для упрощения расчетов в примерах 1...4 множитель 10-7опущен.

Пример 5. В выработанное пространство изолированного пожар­ного участка с поверхности по скважинам подавалась воздушномеханическая пена для тушения пожара. Определить время, через которой можно отбирать проба газа на содержание этилена и ацетилена, если отбор их на исходящей струе производится через полихлорвиниловый трубопровод длиной 260 м с внутренним диаметром 8 мм, про­ложенный по вентиляционному штреку. Определить также время про­дувки этого трубопровода. Схема участка показана на рис.4.10. Пло­щадь поперечного сечения вентиляционного штрека в свету 10 м2. Расстояние от конца пробоотборной трубки до призабойного прост­ранства - 420 м. Участок изолирован гипсовыми перемычками. Пере­пад давления через перемычку у места пробоотбора составляет 55 Па. Длина лавы 180 м, площадь поперечного сечения призабойного про­странства 4,2 м2. Отбор проб производится с помощью установки УЭ-1.

Время, через которое отбираются пробы, можно определить из следующего выражения (применительно к схеме, представленной на рис.4.8)

τ= в +τ выр пер+τ пр пер

гдеτ выр пер,т, τ пр пер- время переноса индикаторных компонентов по вентиляционному штреку от призабойного про­странства до входного конца трубопровода и по призабойному пространству соответственно.

(При расчете времени переноса индикаторных компонентов по призабойному пространству считаем, что очаг самонагревания находится на максимальном удалении от вентиляционного штрека, т.е. на рас­стоянии длины лавы).

Утечки воздуха через перемычку составят

g =g н√(h /500) = 16√(155/500) =5,31 м3/мин

Время переноса индикаторных компонентов по призабойному пространству

τ пр пер=180·4,2/60·5,31 = 2,37 ч

Рис. 4.10. Схема аварийного участка

Время переноса индикаторных компонентов по вентиляционному штреку

τ выр пер= 420·10,0/60·5,31 = 13,18 ч

Тогдаτ = 6 + 2,37 + 13,18 = 21,55 ч.

Время продувки пробоотборного трубопровода

τ пр= 3140·0,0082· 260/9 = 5,8 мин

4.4. Локация очагов эндогенных пожаров (нагреваний) по приповерхностному составу горючих газов

Формирование состава газов в подпочвенном слое, расположен­ном над отработанными угольными пластами» происходит за счет молекулярной диффузии и конвективного переноса газов, выделяю­щихся из оставленного в выработанном пространстве угля. Естественный фон составляют газы, выделяющиеся из угля и вмещающих пород, образующихся при механическом разрушения и низкотемпературном окислении угля. Перенос этих газов обусловлен в основном перепа­дом давлений между выработанным пространством и поверхностью, молекулярной диффузией.

В случае развития процессов самонагревания и самовозгорания дополнительно появляются газы, возникающие при высокотемператур­ном окислении и термическом разложении угля, перенос которых на поверхность ускоряется вследствие тепловой депрессии, разви­ваемой очагом. В подпочвенном слое при этом возникает газовая аномалия, являющаяся вертикальной проекцией очага. Перенос газов к поверхности возможен также по фильтрационным каналам, наличие которых обусловлено трещинами различного происхождения, разломами и провалами, возникающими при ведения горных работ, старыми плохо изолированными горными выработками как подземными, так и имеющими выход на дневную поверхность. В этом случае газовая аномалия в подпочвенном слое может быть смешана от вертикальной проекции очага. Кроме того, образуются отдельные точечные выхода газов на поверхность.

Очаги нагревания могут находиться в пределах действующего выемочного поля, которое проветривается нагнетательным или всасывающим способом с определенной величиной действующего напора. В случае нахождения очагов в изолированных выемочных полях величина и знак действующего напора также оказывает влияние на условия формирования подпочвенного состава горючих газов за счет утечек воздуха через изолирующие перемычки и по другим каналам аэродинамической связи. При нагнетательном способе проветривания действующий напор способствует движению пожарных газов к поверх­ности и, следовательно, увеличивает содержание газов в подпочвенном слое. При всасывающем способе происходит обратное явление.

На интенсивность газовой аномалии и время ее возникновения влияет стадия развития эндогенного пожара, концентрация пожарных газов, температура очага, глубина его местонахождения от поверх­ности, время от начала возникновения, свойства вмещающих пород и угля. Содержание горючих газов уменьшается при движении к зем­ной поверхности. Кроме того, на определенной глубине от поверхности происходит естественный газообмен с атмосферным воздухом, что приводит к разбавлению газовой аномалии, вплоть до содержания, которое по уровню ниже порога чувствительности измерительной аппа­ратуры. В связи с этим изменяется глубина скважин, на которой при определенной чувствительности измерительного прибора обнаружива­ется наличие пожарных газов.

Для оценки фонового состава атмосферы проведены исследования газовыделения из угля различных марок при его механическом раз­рушении и длительном хранении. Анализ полученных результатов по­казывает, что в атмосфере выработанного пространства могут содер­жаться следующие газы: СО2, СО, О2, Н2, СН4, С2Н6, С2Н4, С3Н8, С3Н6, С3Н10. Существенного различия в составе газов, выделяющихся при длительном хранении и механическом разрушении угля, нет. В наибольшем количестве из угля выделяется метан, однако интенсивность газовыделения существенно зависит от степени мета­морфизма угля.

Повышение температуры угля вызывает рост выделения оксида углерода, водорода, метана и его гомологов. Наибольшей скоростью повышения интенсивности выделения обладает оксид углерода. Повышение содержания водорода и метана происходит более медленными темпами, но при нагревании свыше 300 °С интенсивность выделения водорода и метана возрастает. Содержание всех горючих газов ( Сг), образующихся при нагревании угля (t ) до 300 °С, описывается уравнением:

Сг = 100,00937t- 2,47

Таким образом, основными газами, образующимися при самовозгорании угля и распространяющимися к дневной поверхности, будут оксид углерода, водород и метан. Значительное повышение содержания метана в атмосфере выработанного пространства возможно в при естественной температуре. Однако в этом случае содержание других пожарных газов будет незначительным. Учитывая, что процесс самовозгорания возможен только при достоянном проветривании выра­ботанного пространства, обеспечивающем притон кислорода к поверх­ности угля, в районе очага пожара содержание основных пожарных газов будет сопоставимо с содержанием метана.

4.4.2. Методика проведения газовой съемки приповерхностного состава горючих газов

Газовая съемка подпочвенного воздуха производится на поверх­ности шахтного поля без отбора проб для анализа в лаборатории, что значительно сокращает объем работ я время для ее выполнения. Над предполагаемым местом очага на поверхности с помощью маркшей­дерских инструментов разбивается сетка скважин со стороной квад­рата 20 м. Сетка сориентирована по простиранию пласта угля и должна заведомо перекрывать возможное место очага пожара (верти­кальную его проекцию на поверхность). Вкрест простирания пласта сетка разбивается так, чтобы перекрыть проекцию всего пожарного горизонта (панельного, уклонного поля) до падению, а при необхо­димости (если неизвестно, на каком горизонте возник пожар) и со­седнего горизонта. На крутом падении, как правило, оказывается достаточным от трех до пяти рядов скважин вкрест простирания.

При проведении замеров сетку скважин можно увеличить в обоих измерениях, если в ее граничных точках будет обнаружено наличие горючих газов, и сгустить в районе появления высокого содержания. Сгущать сетку скважин можно и при возникновении предположения 0 наличии нескольких очагов пожара (нагреваний).

На рис.4.11 приведен пример размещения сетки скважин на шахтном поле в районе предполагаемого очага пожара. Всего наме­чено три ряда скважин, сориентированных по простиранию пласта, по 7 штук в каждом.

Рис. 4.11. Размещение сетки скважин на шахтном поле

По веем точкам сетки бурятся иди пробиваются скважины диаметром от 20 до 42 мм. Замер содержания горючих газов во доведение разбавления атмосферным воздухом производится непосредственно 0осде извлечения инструмента путем опускания в скважину воздухозаборной трубки. Проба воздуха закачивается в газоопределитель микросодержаний горючих газов. Глубина скважин составляет 1,0 м, что достаточно для выявления газовой аномалии в приповерхностном сков при нагнетательном способа проветривания и над изолированными выемочными полями при всасывающем способе, так как в этом случае величина отрицательно , действующего напора незначительна.

Показания газоопределителя, регистрирующего сумму горючих газов, в делениях шкалы прибора наносятся на схему сетки скважин и строятся карты изоконцентраций. Таким образом определилась газо­вая аномалия о центром в районе скважины 5 6. На рис.4.11 показан вариант обнаружения горючих газов ее границе размеченной сетки скважин (скважина 16), что привело к необходимости расширить ее, в результате чего выявлено второе аномальное пятно.

Если над предполагаемым местом очага пожара, т.е. в районе газовой съемки, нет нарушений поверхности от ведения горных работ, сохранялись наносы, то в таком случае район газовой аномалии является вертикальной проекцией очага пожара. Спроектировав газо­вую аномалию на пласт по плану горных работ, можно получить точное место очага пожара (нагревания).

При наличии трещин, провалов (особенно на крутом падении) погашенных горных выработок, имевших ранее выход на дневную по­верхность, максимальные значения содержания пожарных газов при нагнетательном способе проветривания могут быть обнаружены за пределами вертикальной проекции очага пожара. В этом случае для установления точного места очага целесообразно произвести ревер­сию вентиляционной струи с созданием в пожарном районе небольшого отрицательного напора, что позволит предотвратить вынос пожарных газов по фильтрационным каналам и в то же время сохранить газовую аномалию за счет молекулярной диффузии и тепловой депрессии.

При возникновении очага самонагревания (пожара) в действую­щих горных выработках со значительным отрицательно действующим напором (до 200 Па в более) газовая аномалия может быть не обна­ружена в приповерхностном слое на глубине 1 м. В этом случае необходимо увеличивать глубину разведочных скважин до 2...3 м. При Действующем напоре 400 Па и более для локации очага пожара необходимо произвести снижение его путем регулирования вентиляционной сети или реверсирование главного вентилятора.

Если газовая съемка подпочвенного воздуха производится в условиях, позволяющих считать газовую аномалию вертикальной проекцией очага, сетку скважин и результаты можно наносить сразу на план горных работ (рис.4.12). Под газовой аномалией может оказаться два и более отрабатываемых, и ли отработанных самовозгорающихся пласта. В этом случае необходимы дополнительные данные, например, анализы проб газа, набранных из-за перемычек в шахте, температурный каротаж глубоких скважин.

5. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ТУШЕНИЕ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЕН И АЗОТА

В последние годы в угольной промышленности отмечается тен­денция к увеличению размеров выемочных полей и повышению нагрузки на очистной забой за счет оснащения их дорогостоящими механизиро­ванными комплексами. Экономический ущерб от изоляции такого поля при эндогенном пожаре достигает 1,0 млн рублей и более. Вместе с тем, свыше 70 % эндогенных пожаров изолируются с потерей на долгое время подготовленных запасов угля и дорогостоящего обору­дования. Поэтому для всех угольных бассейнов страны проблема активной профилактики, локализации и тушения эндогенных пожаров без изоляции действующих выемочных полей приобрела особу» акту­альность.

Многолетний опыт профилактики и тушения эндогенных пожаров в Кузбассе и Донбассе показал необходимость широкого внедрения в подразделениях ВГСЧ и угольных шахтах современных способов борьбы с эндогенными пожарами с помощью инертной пены, газообраз­ного и жидкого азота и твердеющей пены.

5.1. Основные свойства пен. Исходные компоненты

Пена является двухфазной (газожидкостной:) системой с опреде­ленной устойчивостью структуры, массы и объема, Жидкая фаза пени представляет собой водный раствор поверхностно-активного вещества (пенообразователя) или водный раствор карбамидно-формальдегидной смолы с пенообразователем, а газовая фаза - воздух или инертный газ (азот, парогазовая смесь, углекислый газ или продукты горения),

Рис. 4.12. Нанесение сеток скважин и результатов газовой съемки непосредственно на пиан горюй работ

Для предупреждения, тушения и локализации подземных пожаров используются газомеханическая и твердеющая пены.

5.1.1. Газомеханическая пена

Газомеханическая (воздушно-механическая или инертная) пена образуется при набрызгивании водного раствора пенообразователя на сетку, через которую продувается воздух (газ), эжектируемый за счет энергии вода или принудительно подаваемый вентилятором. Возможно также бессеточное получение пены в пожарных рукавах и в трубопроводах при одновременной подаче в них водногоpac твора пенообразователя и газа в строго определенных соотношениях.

Кратность пены ( К ) характеризуется отношением объема (расхода) пены к объему (расходу) пенообразующего водного раствора, расходуемого на ее получение

K =Vп/Vж= (Vг+Vж)/Vж(5.1)

или

К=Qп/Qж= (Qг+Qж)/Qж(5.2)

гдеVп,Vг,Vж- соответственно объем пены, газа и жидкости, м3;

Qп,Qг,Qж- соответственно расход пены, газа и жидкости, м3/с.

По кратности пена подразделяется на три группы: низкократная (К≤50), средней кратности (50< К≤ 300), высокой кратности ( К >300).

Кратность пены зависит не только от типа, количества и качества пенообразователя, воды и газа, но и от способа ее получения и конструктивных особенностей пеногенераторных установок.

Чем ниже кратность пены, тем больше в ней жидкости и тем выше эффект тушения очага пожара и охлаждения нагретых боковых пород. Однако высокократная пена может транспортироваться по горным выработкам и трубам на большие расстояния, чем низкократная. Поэтому при высокой производительности пеногенератора на очаг пожара. попадает такое же количество жидкости, как и при подаче низкократной пены.

Плотность пены ( ρп, кг/м3) зависит от ее кратности, плотности воды, пенообразователя и газа. Так как плотность 5-процентного водного раствора пенообразователя близка к плотности воды и равна ρж= 1000 кг/м3, плотность пены может быть определена яз выражения

ρп= ρг+ 1000/К (5.3)

где ρг- плотность газовой фазы пены, кг/м3.

Плотность воздушно-механической пены в зависимости от кратности при

ρг= ρв= 1,2 кг/м3приведена ниже.

Кратность 10 50 100 200 300 400 500 600

Плотность, кг/м3101,2 21,2 11,2 6,2 4,5 3,7 3,2 2,8

Плотность пены учитывается при расчете и выборе ограждающих пеноупорных перемычек, возводимых при заполнении вертикальных и наклонных выработок.

Устойчивость пены - это ее способность сохранять во времени свою структуру, объем, массу. В зависимости от устойчивости пены при отекании жидкой ее фазы постоянно происходит непрерывное увеличение кратности и уменьшение плотности и объема пены, что существенно влияет на дальность подачи и объем заполнения выработки. Устойчивость пены зависит от типа и качества пенообразо­вателя, состава воды и газа. Она определяет выбор типа пенообразователя для тушения пожаров.

При выборе пенообразователя необходимо учитывать следующее:

из пенообразователей, отечественного производства высоко­устойчивую пену позволяет получать "Сампо";

при неправильном хранении и транспортировании пенообразователь может терять свои свойства, что значительно снижает устойчивость пены;

жесткость вода более 40 мг-экв/л и реакция среды ( рН } меньше 5 резко ухудшает процесс пенообразования и считают устойчивость гены, поэтому всегда, при применении шахтной воды необходимо брать данные о ее качестве в геологической службе шахты;

продукты сгорания, особенно с высокой температурой и содержанием СО2свыше 15 %, ухудшают процесс пеногенирации и свойства пены. Поэтому при использовании продуктов горенияи парогазовой смеси в качестве инертного газа в пеногенираторе необходимо применять только специальные пенообразователи: из серийных - "Сампо", из вновь созданных - "Поток", ПФ-2 и ПФ-3.

5.1.2. Пенообразователи

Пенообразователи относятся к группе поверхностно-активных выжата (ПАВ), незначительные добавки которых в воду (0,5...6 %) снижают поверхностное натяжение (с 72 до 29 мН/м) и повышают смачивающую способность (с 300 до 5 с), обеспечивают процесс пеногенерации и устойчивость пены.

Пенообразователи легко растворяются в воде, могут длительное время храниться при нормальной температуре, не теряют своих свойств при замерзании и оттаивании. Они отвечают санитарно-гигиеническим требованиям и серийно выпускаются предприятиями Миннефтехимпрома СССР. Физико-химические свойства пенообразова­телей, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл.5.1

ВНИИГД совместно с ВНИИПАВ и Бориславским филиалом ГосНИИ-хлорпроект разработаны пенообразователи "Поток" и содержащие фторированные ПАВ ПФ-2 "Кубоксалим" и ПФ-3 "Фторам", которые предназначены как для получения высокоустойчивых пен в нормаль­ных условиях, так и инертных пен с использованием высокотемпера­турных продуктов горения и парогазовой смеси. Физико-химические свойства новых пенообразователей приведены в табл.5.2. Качество пенообразователей определяется в лабораториях ВГСЧ и БНИИГД.

Для повышения устойчивости пены и ее изолирующих свойств рекомендуется применять модифицирующие глинистые добавки: бенто­нита всех марок, каолино-гидрослюдистые порошки и т.д. Введение 1..5 % таких добавок в раствор пенообразователя увеличивает устойчивость пены в 2...5 раз. Это обеспечивает более быстрое заполнение пеной горных выработок и качественную изоляцию очага пожараof доступа свежего воздуха. Добавление глинистых материалов свыше 5 % нецелесообразно ввиду повышения вязкости пенообразующих суспензий и ухудшения процесса пеногенерации на сетках.