Эколого-экономическая эффективность новых способов тушения развившихся подземных пожаров в труднодоступных местах

Эколого-экономическая эффективность новых способов тушения развившихся подземных пожаров в труднодоступных местах

Костенко В.К., Завьялова Е.Л. 

Проблема и ее связь с важнейшими научными и практическими задачами.

Тушение подземных пожаров в труднодоступных местах, таких как выработанные пространства лав, деформированные угольные целики, купола за крепью подготовительных выработок, бункера и тому подобное, является наиболее трудоемким, продолжительным, опасным и дорогостоящим видом подземных горноспасательных операций в современной мировой практике угледобычи. На протяжении последних пятнадцати лет в шахтах Украины ежегодно регистрировали от 6 до 36 эндогенных пожаров. Активным способом было погашено 36%, изолировано - 59%, комбинированным способом ликвидировано 5% пожаров. Они стабильно остаются на втором месте после экзогенных пожаров по количеству и на первом - по размеру нанесенного ущерба, который составляет от 12 до 40% от потерь, причиненных авариями в угольной промышленности. Кроме прямых убытков, связанных с потерей техники, горных выработок и подготовленных к выемке запасов угля, в интенсивно отрабатываемых выемочных полях особенно большие потери связаны с простоями лав или несвоевременной подготовкой фронта очистных работ. За последние годы эндогенными пожарами были выведены из эксплуатации или осложнена подготовка самых продуктивных в Украине выемочных полей на шахтах "Привольнянская", им. А.Ф. Засядько, им. Г.Г. Капустина, "Самсоновская – Западная", "Краснолиманская", «Красноармейская – Западная» №1 и др. Наряду с этим подземные пожары также оказывают негативное экологическое воздействие и на окружающую среду. В результате пожара в атмосферу выбрасываются такие вредные вещества, как двуокись углерода и серы, окиси углерода и азота, в воду поступают фенолы и формальдегиды, снижается прочность горелой породы, в результате чего требуется применение более мощной крепи в горных выработках. Таким образом, разработка новых способов предупреждения и тушения развившихся подземных пожаров в труднодоступных местах является актуальной научно-практической задачей. Анализ последних исследований и публикаций. Особенно сложным представляется тушение происходящих в труднодоступных местах пожаров от самовозгорания взаимодействующего с воздухом угля [1, 2]. Непосредственное воздействие в таких условиях на очаг горения огнетушащими средствами, как правило, невозможно из-за сложности проникновения к очагу горения, угрозы осложнения таких аварий задымлением, загазированием, а нередко взрывами пылегазовоздушных смесей, обрушениями горнах пород в выработки, нестабильности режимов проветривания и повышенными температурами в местах ведения аварийных работ. Одним из наиболее перспективных способов предупреждения, локализации и тушения пожаров в шахтах является инертизация атмосферы аварійного участка, под которой понимают искусственное снижение концентрации кислорода в атмосфере горнах выработок путем подачи в него флегматизирующего горение газа [2, 3]. Чаще всего, в настоящее время, используют газообразный азот, хотя существуют технологии применения диоксида углерода, парогазовой смеси. Инертизациия с помощью газообразного азота позволяет решить следующие задачи в ходе ликвидации подземного пожара: сократить срок ликвидации аварии; предотвратить взрывы газовоздушной смеси на аварийном участке; ускорить охлаждение высокотемпературной зоны до безопасного уровня; локализовать или полностью прекратить процесс горения. Для обеспечения рационального режима инертизации воздуха в изолированном объеме горных выработок авторами предложено использовать энергию потока инертного газа, поступающего от мембранной установки [4, 5]. Для этого в выработке возводят дополнительную изолирующую перемычку, а от трубопровода для подачи азота делают ответвление, через которое газ поступает в пространство (камеру) между двумя перемычками. Когда камера заполняется азотом, подачу его через ответвление регулируют таким образом, чтобы выравнять давление в выработке со стороны поступающей свежей воздушной струи и между перемычками. В этой ситуации отсутствуют подсосы воздуха через перемычку в камеру. Перепад давлений перераспределяется на участок выработки, разделенный дополнительной перемычкой, по обе стороны которой находится азот, он же составляет вещество утечек. Таким образом, возведением в воздухоподающей выработке дополнительной перемычки и подачей за нее азота достигается замена утечек воздуха на утечки азота, и, следовательно, исключаются подсосы воздуха в изолированную выработку.

Это позволило разработать способы тушения подземных пожаров [2-5], позволяющие обеспечить более эффективную ликвидацию аварии с учетом особенностей работы мембранных установок. Однако при закрытии проемов в перемычках увеличивается депрессия, приложенная к изолированному объему, и резко возрастает поступление метана из выработанного пространства и вмещающих выработки трещиноватых газосодержащих пород. Кроме того, в период заполнения камеры инертным газом продолжаются утечки воздуха в изолированный объем сквозь тела перемычек и трещины в окружающем их горном массиве, что ведет при смешивании с метаном к образованию взрывоопасной смеси. Поскольку флегматизація газовоздушной смеси осуществляется путем подачи инертного газа от мембранной газоразделительной установки, продуктивность которой значительно менше утечек воздуха в период заполнения камеры между перемычками инертным газом, это ведет к увеличению длительности периода образования смеси с низким содержанием кислорода, в результате чего значительный объем может быть заполнен взрывоопасной смесью. Таким образом, несмотря на увеличение эффективности тушения подземных пожаров в результате реализации предложенных способов [2-5], существувет угроза взрыва в изолированном объеме горных выработок, обусловленная значительной длительностью периода образования взрывобезопасной газовой смеси с низким содержанием кислорода. Это обстоятельство значительно снижает эколого-экономическую эффективность предложенных способов тушения развившихся подземных пожаров в труднодоступных местах. Постановка задачи исследований. Задачей данных исследований является обеспечение безопасности ведения работ по предупреждению и тушению очагов горения в горных выработках за счет сокращения периода перехода от газовоздушной среды с опасной концентрацией горючих компонентов к инертной атмосфере и недопущения формирования взрывоопасной метановоздушной смеси. Это позволит повысить эколого-экономическую эффективность способов тушения развившихся подземных пожаров в труднодоступних местах. Результаты исследований. Авторами предложен способ предупреждения и тушения очагов горения в подземных выработках. 

Поскольку задачей, решаемой при разработке нового способа, было сокращение периода перехода от газовоздушной среды с опасной концентрацией горючих компонентов к инертной атмосфере и недопущение создания взрывоопасной метановоздушной смеси, необходимо как можно быстрее заполнить изолированный объем горных выработок инертным газом. Таким образом, объем элластичной оболочки должен быть не менее объема горных выработок на участке от изолирующих перемычек до очага горения. Оболочка может состоять из цепи эластичных фрагментов, соединенных жесткими трубопроводами с кранами. Если последняя состоит из фрагментов, то для сокращения времени заполнения изолированного объема инертным газом необходимо обеспечить их параллельное подсоединение к проемной трубе. Регулирование депрессии осуществляют на основной перемычке с помощью регулятора расхода інертного газа таким образом, чтобы перепад давлений в выработке перед основной перемычкой и в пространстве между перемычками был незначительным.

Количество инертного газа, поступающего из оболочки, достаточно для заполнения участка от дополнительной перемычки до очага горения. Инертный газ, поступающий от мембранной газоразделительной установки, будет компенсировать утечки через выработанное пространство. Резкое сокращение количества кислорода в изолированном объеме горных выработок сводит к минимуму вероятность появления взрывоопасной метановоздушной смеси, тем самым обеспечивается безопасность ведения работ в период существования угрозы взрыва.

Выводы. Таким образом, за счет размещения в горных выработках дополнительно эластичной оболочки, заполненной инертным газом, и одновременной подачей газа из оболочки и мембранной газоразделительной установки, можно значительно уменшить время заполнения изолированного пространства, и тем самым, сократить период перехода отвоздушной среды с опасной концентрацией горючих компонентов к инертной атмосфере в изолированном аварийном участке. Этим достигается решение поставленной задачи обеспечения безопасности ведения работ по предупреждению и туше нию пожаров в подземных горных выработках. При этом сокращение времени ликвидации аварии и риска появления взрывоопасной метановоздушной смеси приведет к уменьшению выделения парниковых и токсичных газов в окружающую среду, снижению расходов на ведение аварийных работ, а следствательно, эколого-экономическая эффективность способов тушения развившихся подземных пожаров в труднодоступных местах увеличится.

Список литературы

1. Булгаков Ю.Ф. Тушение пожаров в угольных шахтах/ Ю.Ф.Булгаков. – Донецк: НИИГД, 2001. – 280 с.

2. Предупреждение и тушение подземных эндогенных пожаров в труднодоступных местах/ [Костенко В.К., Булгаков Ю.Ф., Подкопаев С.В. и др.]; под ред. В.К. Костенко. – Донецк: Изд-во «Ноулидж» (донецкое отделение), 2010. – 253 с.

3. Костенко В.К. /Технологія профілактики та гасіння підземних пожеж у важкодоступних місцях/ В.К.Костенко, Т.В. Костенко// Форум гірників – 2000: матеріали міжнарод. конф., 12-14 жовт. 2005 р. Т.3.– Дніпропетровськ, 2005. – С. 47 – 54. 

4. Пат. на винахід №77132 Україна, МПК Е21F 5/00. Спосіб подачі інертного газу до джерела горіння або самонагрівання вугілля/ В.К. Костенко, Т.В. Костенко; заявник і власник ДонНТУ. – № 200506546; заявл. 04.07.2005; опубл. 16.10.2006, Бюл. №10.

5. Патент на винахід № 79818 Україна, МПК Е21F 17/107. Спосіб попередження та гасіння джерел самонагрівання або горіння/ В.К. Костенко, Т.В. Костенко; заявник і власник ДонНТУ. – № 200502992; заявл. 01.04.2005; опубл.25.07.2007, Бюл. № 11.