Развитие методов исследования пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, рекомендуемых к применению в шахтах, на экспериментальной базе ОАО «НЦ ВостНИИ»

В.А. Уварова

канд. техн. наук, старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.822.3

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ, РЕКОМЕНДУЕМЫХ К ПРИМЕНЕНИЮ В ШАХТАХ, НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЕ ОАО «НЦ ВОСТНИИ»

Описано развитие направления исследований пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов (показатели дымообразования и токсичности продуктов горения) на экспериментальной базе ОАО «НЦ ВостНИИ» за период 1990-2011гг.

Ключевые слова: ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ, ТОКСИЧНОСТЬ, ДЫМООБРАЗОВАНИЕ, ШАХТЫ, ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

Впервые ученые Научного центра ВостНИИ начали заниматься исследованиями пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, рекомендуемых к применению в шахтах, в 90-х годах прошлого века. Интерес к процессу горения и веществам, выделяющимся в воздух горной выработки, возник, когда была начата работа по определению причин преждевременного отказа фильтрующих самоспасателей, применяемых в те годы в шахтах.

Ученые лаборатории профилактики и изоляции выработанных пространств кандидат технических наук Миллер Ю.А. и лаборатории физико-химических методов исследования кандидат технических наук Хавова В.И., старший научный сотрудник Грачева Т.М. провели совместную работу по исследованию защитных свойств фильтрующих самоспасателей. С этого и началось исследование процесса горения и продуктов термического разложения веществ и материалов, используемых в угольных шахтах, с целью изучения процесса образования хлопьевидных осадков и влияния их на изменение аэродинамических характеристик фильтров.

Исследовались продукты горения угля, древесины и резинотканевых конвейерных лент, составляющих основную часть материалов, присутствующих в горных выработках. Было установлено, что при горении конвейерных лент всех типов выделяются как газообразные продукты, так и твердые в виде дыма и хлопьев, а также определена за-

висимость свойств выделяющихся аэрозолей от температуры горения лент.

С целью изучения газообразных продуктов горения и хлопьевидных аэрозолей была разработана установка «Термодес» для исследования продуктов термической деструкции материалов. Большой вклад в создание установки внес кандидат технических наук Миллер Ю.А. и инженер Светлов Г.М.

Установка (рисунок 1) была изготовлена силами Кемеровского экспериментального завода средств безопасности, входящего в то время в состав ВостНИИ. В 1999 г. на установку было получено свидетельство на полезную модель. Установка «Термодес» использовалась как аналог горной выработки, в которой происходит термическая деструкция материала, например тление или горение шахтной конвейерной ленты. Образец материала помещали в трубчатую печь, подвергали нагреву с одновременной продувкой струей воздуха, которая продвигала по трубе, модели-

рующей условия горной выработки, продукты термической деструкции, состоящие из дыма, хлопьевидных аэрозолей и газовой фазы. Сущность метода термической деструкции материалов заключается в проведении разложения образца при определенной регулируемой температуре, охлаждении продуктов деструкции до комнатной температуры, гравиметрическом (весовом) определении массы аэрозоля, его визуальной и микроскопической оценке [2].

Определение состава аэрозольной фазы при термической деструкции материалов заключалось в отборе на фильтр твердых продуктов термической деструкции материалов. На основании полученных измерений давалась количественная и качественная оценки выделяющихся аэрозолей: состава газовой фазы, скорости выгорания материала, массового расхода материала в пересчете на условную горную выработку, средней по сечению выработки массовой концентрации аэрозоля [3].

В результате исследований было установлено, что аэрозоли термической деструкции материалов в максимальном режиме разложения представлены мелкосажистыми частицами черного цвета, масса которых составляет до 10 % от общей массы материала и превышает предельно допустимые нормы в сотни и тысячи раз. Аэрозоли термической деструкции конвейерных лент, вентиляционных труб, оболочек электрокабелей, пластмассовых изделий имеют кислую реакцию среды. В случае пожара они являются источником дополнительной опасности для работников шахт, попадающих в аварийные ситуации, так как оказывают токсическое, раздражающее и прижигающее дей-

ствие. В результате расследования ряда аварий было выявлено, что срок использования фильтрующих самоспасателей, используемых в то время в шахтах, значительно снижается за счет того, что самоспасатель забивается хлопьевидными продуктами горения задолго до того, как ресурс фильтра выработан до конца.

Впоследствии в шахтах фильтрующие самоспасатели повсеместно были заменены на изолирующие, но это направление продолжало развиваться уже как исследовательская работа по экологической оценке материалов, а затем по определению критериев пожарной опасности материалов и изделий для угольных шахт.

Необходимость экологической оценки материалов возникла в связи с резким увеличением количества синтетических и природных полимерных материалов, используемых в угольных шахтах. Это материалы на основе резины, стеклопластика, винипласта, полиэфирные и орга-номинеральные составы.

Важным аспектом в исследовании процессов термической деструкции материалов являлось определение температур, при которых происходит тление и горение образца. Выбор минимальной и максимальной температур деструкции шахтных материалов производился с использованием дериватографа

Рисунок 2 - Лабораторный дериватограф Q -1500D системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдей

Q-1500D системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдей (рисунок 2), в динамическом режиме в диапазоне температур от 20 до 1000 0С со скоростью 5 град/мин. Одновременно определялось изменение веса (TG) и скорость изменения веса (DTG).

Сущность исследований с применением дериватографии заключается в том, что в процессе непрерывного программируемого нагрева образца фиксируются происходящие в нем изменения:

• потеря веса (TG), обусловленная выделением летучих компонентов либо протеканием химической реакции с изменением массы образца (например разложение с образованием летучих продуктов);

• поглощение или выделение тепла (ДТА) вследствие фазовых переходов (твердое-твердое, жикость-газ, твердое-жидкость и др.), адсорбции или химической реакции.

Наряду с исследованием аэрозольной фазы на установке «Термодес» был проведен большой комплекс исследований по определению качественного и количественного составов газовой фазы термической

деструкции материалов, используемых в шахтах. Было установлено, что газовая фаза, образующаяся при термическом разложении шахтных материалов, может содержать следующие компоненты: оксиды углерода и азота, хлористый водород и цианистый водород, сероводород, водород, оксиды серы, альдегиды, предельные и непредельные углеводороды [4]. Количественный состав газовой фазы при термической деструкции материалов определялся путем отбора проб газа при достижении максимальной задымленности отходящего газовоздушного потока и анализа газовых проб на хроматографах «Кристалл-2000», «Газохром-2000», фотоколориметре КФК-3 (рисунок 3). На основе проведенных исследований в 2005 г. был разработан способ оценки токсичности продуктов горения материалов [4], который защищен патентом на изобретение [5]. Оценка токсичности производится с помощью установки «Термодес» и позволяет испытывать твердые, жидкие и сыпучие материалы, определять величину показателя токсичности и соответственно клас-

сифицировать материалы по этому показателю.

На основании полученной величины показателя токсичности в комплексе с другими критериями пожаров-зрывоопасности веществ и материалов, такими как коэффициент дымообразования, кислородный индекс, температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, группа горючести, делается заключение о возможности применения испытуемого материала в условиях шахты.

Важнейшим достижением изобретения по сравнению с действующим ГОСТ 12.1.044-89 [6] является исключение необходимости проведения эмпирической токсикометрии с использованием животных. Отличием явилось также то, что газовые компоненты, полученные в результате термодеструкции образца, оценивают на однонаправленность действия, определяют удельные массы токсичных газов и приводят их к значению одного из них с наиболее выраженным действием, а именно окиси углерода, которое принимают за показатель токсичности.

Рисунок 3 - Комплекс газохроматографических приборов

В последние годы в лаборатории были начаты исследования, которые позволяют наиболее объективно определять дымообразующую способность используемых в шахтах материалов и учитывать не только максимальную оптическую плотность дыма, но и динамику задымления, зависящую как от скорости дымообразования материала, так и от объема, конфигурации и протяженности горных выработок [7].

Следует отметить, что по ГОСТ 12.1.044-89 [6] для определения коэффициента дымообразования используется оптический метод. Испытания проводятся на установке «Дым» (рисунок 4) производства Балашихинского ВНИИПО, где в статическом режиме определяется один показатель - массовый коэффициент дымообразования Dm. Эта установка также имеется в лаборатории ОАО «НЦ ВостНИИ».

Одним из основных недостатков существующего метода по ГОСТ 12.1.044-89 [6], как показано в статье [7], является отсутствие динамического контроля интенсивности дымообразования, которая и определяет время распространения дыма из зоны очага пожара в другие области, а, следовательно, и опасное воздействие дыма при эвакуации.

Для дальнейшего исследования дымообразующей способности веществ и материалов использовалась установка «Термодес», разработанная учеными НЦ ВостНИИ (рисунок 1). Использование установки позволило экспериментально определять динамические характеристики процесса дымоо-бразования при термодеструкции материалов. Чтобы классифицировать материалы по дымообразующей способности, были проведены исследования по разработке мето-

да определения интегрального показателя дымообразования. В результате этих исследований был разработан способ определения дымообразующей способности твердых веществ и материалов, защищенный патентом на изобретение [8].

В целях совершенствования метода по ГОСТ 12.1.044-89 [6] для классификации материалов по дымообразующей способности учеными

ОАО «НЦ ВостНИИ» предлагается использовать не только минимальное значение светопропускания, но также интегральный показатель R, характеризующий динамику процесса дымообразования, что актуально для моделирования процесса распространения дыма в условиях протяженных горных выработок. За последние годы были проведены испытания более 150 твердых, жидких и порошкообразных ве-

ществ и материалов. Это шахтные конвейерные ленты, полиэфирные ампулы, сетки шахтные полимерные, смачивающие и связующие вещества, анкеры стеклопласти-ковые и базальтопластиковые для крепления горных выработок, пена

монтажная, герметик, материал для футеровки приводных колес, материал полиэтиленовых мешков для устройства водяных заслонов, пенополиуретан (рисунок 5). Количество новых полимерных материалов, предлагаемых раз-

личными фирмами и компаниями на рынке, постоянно растет, разрабатываются новые материалы, совершенствуются старые, поэтому актуальность исследований их пожаровзрывоопасных свойств несомненна.

В 2010-2011 гг. установка для исследования термической деструкции материалов была модернизирована на основе современных электронных приборов и оборудования. Модернизация включала в себя замену трубчатой печи, побудителя тяги, электронного измерителя светопропускания. Для качественного и количественного анализа продуктов термической деструкции были приобретены новые приборы: хроматограф «Кристалюкс-4000 М» (рисунок 3), спектрофотометр СФ-2000 (рисунок 6), портативные муль-тигазоанализаторы «Комета-М» и «М-40», позволяющие одновременно определять до пяти компонентов газовой пробы (рисунок 7).

Таким образом, за прошедший период 1990-2011 гг. учеными ОАО «НЦ

Рисунок 6 - Спектрофотометр и фотоэлектроколориметр, использующиеся для количественного анализа продуктов деструкции материалов

ВостНИИ» был выполнен большой объем экспериментальных и теоретических исследований, что позволило внести значительный вклад в изучение процессов горения веществ и материалов.

Коллектив ученых лаборатории планирует заниматься дальнейшими исследованиями, повышающими точность, объективность и достоверность оценки пожаров-зрывоопасных свойств веществ и

материалов и разработкой соответствующих критериев, позволяющих рекомендовать эти вещества и материалы для безопасного использования в шахтах.

RESEARCH METHODS DEVELOPMENT OF FIRE- AND EXPLOSIVELY DANGEROUS SUBSTANCES AND MATERIALS PROPERTIES RECOMMENDED FOR USE IN UNDERGROUND MINES, ON EXPERIMENTAL BASE OF OAO «NC VostNII» V. A. Uvarova

Research branch development of fire- and explosively dangerous substances and materials properties (factors of smoke formation and toxicity of combustion products) on experimental base of OAO "NC VostNII" at the period of 1990 - 2011 years.

Key words: FIRE- EXPLOSION DANGER, TOXICITY, SMOKE FORMATION, MINES, LABORATORYEQUIPMENT,TESTMETHODS

Уварова

Варвара Александровна тел. (3842) 64-29-35

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Свидетельство на полезную модель № 14083 G01N25/00. Установка для исследования термической деструкции материалов/ А.А. Трубицын, В.А. Уварова, Т.М Грачева, В.И. Хавова, Н.В. Трубицына; заявитель и патентообладатель ВостНИИ. - № 99126328/20; заявл. 14.12.1999; опубл. 20.06.2004, Бюл.17.

2. Уварова, В.А. Установка для исследования термической деструкции материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - №2. - 2006. - С. 131-134.

3. Уварова, В.А. Исследование состава аэрозольной фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах/ В.А. Уварова, В.И. Хавова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - №2. - 2007. - С. 47-53.

4. Уварова, В.А. Исследование состава газовой фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах/ В.А. Уварова, В. И. Хавова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - №1. - 2009. - С. 54-58.

5. Пат. 2300098 Российская Федерация, G01N25/02. Способ оценки токсичности продуктов горения материалов/ А.А. Трубицын, Н.В. Трубицына, В.А. Уварова, Т.М Грачева; заявитель и патентообладатель ООО «ВостЭКО». -№ 2005137275; заявл. 30.11.2005; опубл. 27.05.2007.

6. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

7. Уварова, В.А. Исследование динамических параметров процесса дымообразования при термодеструкции материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева, В.Е. Уваров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - №2. - 2010. - С.166-173.

8. Пат. 2418294 Российская Федерация, G01N25/00. Способ определения дымообразующей способности твердых веществ и материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева. В.Е. Уваров; заявитель ОАО «НЦ ВостНИИ». -№ 2009140559; заявл. 02.14.2009; опубл. 10.05.2011.

33