Способы обнаружения и локации очагов подземных пожаров

В. А. Портола

д-р техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Куз ГТУ им. Т. Ф. Горбачева», профессор ЮТИ ТПУ

A. А. Дружинин

канд. техн. наук, и.о. генерального директора ОАО «НИИГД»

B. И. Храмцов

канд. техн. наук, директор Института промышленной и экологической безопасности ФГОУ ВПО «Куз ГТУ им. Т. Ф. Горбачева»

УДК 622.271

СПОСОБЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЦИИ ОЧАГОВ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ

Приведены результаты исследования пожарной опасности шахт Кузбасса и эффективности применяемых способов обнаружения самовозгорания угля в шахтах. Установлено, что вынос угольной пыли в выработанное пространство затрудняет обнаружение ранней стадии самовозгорания газоаналитическим методом из-за увеличения образования индикаторных газов при низкотемпературном окислении. Рекомендовано расширить использование для обнаружения самовозгорания угля радон и жидкий аэрозоль, появляющийся в воздухе после фильтрации через очаг самонагревания.

Ключевые слова: САМОВОЗГОРАНИЕ, ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО, УГОЛЬНАЯ ПЫЛЬ, РАДОН, ГАЗОВЫЕ СЪЕМКИ, ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ, ПОДЗЕМНЫЕ ПОЖАРЫ

Одним из самых распространенных видов аварий на шахтах Кузбасса являются пожары, причем в последние годы среди подземных пожаров превалируют эндогенные, возникающие в результате самовозгорания горючего материала. Для развития самовозгорания необходим горючий материал, окисляющийся кислородом воздуха при естественной температуре окружающей среды. Непрерывное выделение тепла от реакции окисления требует постоянного притока воздуха к активным центрам, располагающимся на поверхности материала. В зависимости от активности, теплофизических характеристик материала, скорости притока воздуха и условий теплообмена с окружающей средой процесс самовозгорания может длиться от нескольких часов до сотен суток.

Наиболее часто самовозгораются бурый и каменный уголь, торф, сульфидные руды, горючие сланцы. Очаги самовозгорания возникают в скоплениях разрыхленного угля, обеспечивающих фильтрацию воздуха и незначительные потери тепла из-за небольшого коэффициента теплопроводности пористой структуры. В начале процесса самовозгорания в угле имеется незначительное количество активных центров, способных взаимодействовать с кислородом,

поэтому поддерживается кинетический режим горения. По мере повышения температуры угля количество активных центров возрастает, возникает дефицит кислорода, и процесс горения смещается в область диффузионного горения. При достижении температуры самовоспламенения из-за большой активности горючего материала кислород во внутреннем объеме скопления практически исчезает и появляется пламя, в котором взаимодействуют образующиеся из угля горючие газы с кислородом воздуха. В возникающем чисто диффузионном режиме горения температура перестает возрастать вследствие лимитирующего действия молекулярной диффузии горючего газа из угля и кислорода из окружающего воздуха в зону горения.

Пожары в шахтах угрожают здоровью и жизни людей по причине выделения токсичных продуктов, снижения концентрации кислорода. Подземные пожары способны вызвать взрывы горючих газов и угольной пыли, под действием высокой температуры могут обрушиться горные выработки, нарушиться проветривание в шахте. Действующие подземные пожары значительно осложняют ведение горных работ, приводят к потере подготовленных к выемке запасов угля, дорогостоящей угледобывающей техники, тем самым наносят шахтам огромный экономиче-

ский ущерб, связанный с проведением работ по их тушению.

Особенно сложным считается тушение эндогенных пожаров, большая часть из которых возникает в результате самовозгорания угля в выработанном пространстве, что затрудняет их обнаружение на ранней стадии развития. В случае отсутствия точных данных о состоянии и местонахождении очага пожара резко снижается эффективность подачи хладагента. Поэтому для ликвидации очагов самовозгорания, возникающих в выработанном пространстве, в основном используется комбинированный способ тушения, предусматривающий изоляцию пожарного участка с подачей хладагента.

Проведенный анализ показал, что очаги самовозгорания возникали на шахтах Кузбасса в течение всего периода добычи угля. Наиболее пожароопасным в регионе является Прокопьевско-Киселевское месторождение, к особенностям которого относится наличие крутопадающих, химически активных пластов угля. Так, за период с 1951 по 1961 г. только на шахтах этого района ежегодно возникало до 43 эндогенных пожаров [1]. В последующие годы число эндогенных пожаров постепенно снижалось благодаря применению разработанных способов профилактики самовозгорания угля. Особенно резкое снижение количества ежегодно возникающих эндогенных подземных пожаров наблюдалось с началом реструктуризации угольной промышленности России, приведшей к закрытию шахт с наиболее

сложными и опасными условиями труда. Так, в 1990-1998 гг. на всех шахтах России каждый год регистрировалось около 30 эндогенных пожаров, в том числе около 20 в Кузбассе, а с 1999 г. это число снизилось до 10-15 (в Кузбассе около 10 случаев) [2].

Применение более совершенной и высокопроизводительной угледобывающей техники привело к дальнейшему снижению количества возникающих на шахтах экзогенных и эндогенных пожаров. Общее количество подземных пожаров, возникших на шахтах Кузбасса за последние годы, приведено в таблице 1.

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод о том, что общее количество ежегодно возникающих подземных пожаров, особенно эндогенного происхождения, резко сократилось в 2000 году. Следующее существенное снижение произошло в 2005 году. В последующие годы число ежегодно регистрируемых подземных пожаров остается на одном уровне. Причем большую часть подземных пожаров (более 70 %) составляют пожары от самовозгорания угля. Так, за последние три анализируемые года возникло только два экзогенных пожара и восемь эндогенных.

Экономический ущерб, причиненный подземными пожарами угольным шахтам Кузбасса за последние годы, представлен на рисунке 1.

Приведенные на рисунке 1 данные свидетельствуют, что наибольший экономический ущерб на угольных шахтах обусловлен эндо-

Таблица 1 - Количество подземных пожаров, возникших на шахтах Кузбасса

Год Общее количество Количество Количество

подземных пожаров эндогенных пожаров экзогенных пожаров

2010 6 4 2

2009 2 2 -

2008 2 2 -

2007 5 3 2

2006 4 3 1

2005 4 2 2

2004 8 8 -

2003 7 6 1

2002 6 2 4

2001 7 6 1

2000 6 3 3

1999 10 8 2

1998 19 12 7

Всего за период 87 62 25

300000 250000 200000150000 100000500000

а-

ш.

llhJlo

я.

2001

2003

2005

2007

2009

1

Ущерб от пожаров

Ущерб от эн до ген н ых пожаров

Ущерб от экзоген ных пожаров

Рисунок 1 - Экономический ущерб (тыс. руб.) от подземных пожаров в Кузбассе за последние десять лет

генными пожарами. Так, на их долю приходится около 62 % от ущерба, причиняемого всеми подземными пожарами. Потери, вызванные пожарами, в том числе эндогенного происхождения, в последние годы незначительно колеблются относительно среднего уровня. Исключение составляет 2010 г., когда произошло резкое увеличение экономического урона, наносимого эндогенными пожарами. В последние три анализируемых года основные экономические потери происходят из-за возникновения самовозгорания угля. Например, за период с 2008 года по 2010 год ущерб от эндогенных пожаров превышает 90 % от общих потерь.

Значительно снизить экономический ущерб от эндогенных пожаров позволяет своевременное обнаружение процесса самовозгорания, что позволяет быстро и с минимальными затратами ликвидировать очаги в выработанном пространстве. Так, в 2009 г. ущерб от двух возникших эндогенных пожаров составил 49 млн 999 тыс. руб., а средние экономические потери от одного пожара достигли 24 млн 999,5 тыс. руб. В этот же год на шахтах Кузбасса были зарегистрированы четыре инцидента, закончившиеся быстрой ликвидацией очагов самовозгорания на ранней стадии развития; общий экономический ущерб составил 15 млн 763 тыс. руб., а средние потери от одного инцидента равны 3 млн 940 тыс. руб. Из приведенных данных видно, что в случае раннего обнаружения и быстрой ликвидации очага самовозгорания средний экономический ущерб снижается в 6,3 раза.

В настоящее время наибольшее распространение на шахтах получили химико-аналитические методы обнаружения и контроля процессов самовозгорания угля. В качестве индикаторов эндогенного пожара используются оксид углерода, водород, предельные и непре-

дельные углеводороды. Для обнаружения оксида углерода в рудничной атмосфере в горных выработках устанавливают стационарные датчики, непрерывно измеряющие состав рудничной атмосферы. Сотрудники шахты определяют содержание оксида углерода экспресс-методом, переносными газоанализаторами. Пробы газа периодически отбираются для анализа в лабораторных условиях на хроматографах.

Сложность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля по концентрации оксида углерода, водорода, предельных и непредельных углеводородов вызвана их выделением не только при повышении температуры, но и при низкотемпературном окислении угля, а также при разрушении угля. Причем в последние годы ситуация ухудшается в связи с внедрением высокопроизводительной угледобывающей техники, работа которой сопровождается образованием большого количества пыли.

Для оценки влияния размера частиц угля на интенсивность выделения различных газов были проведены эксперименты. Пробы угля помещали в стеклянные емкости, герметично закрывали и выдерживали в течение 24 часов при температуре 25 оС. Затем на хроматографе определяли состав газов в отобранной пробе. Уголь вновь помещали в емкость с атмосферным воздухом и через 24 часа вновь анализировали пробу отобранного газа. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

В результате проведенных исследований выявлено, что со снижением размера частиц угля происходит увеличение образования при низкотемпературном окислении таких газов, как оксид углерода, водород, этан, этилен, пропан. Так, содержание оксида углерода в воздухе после контакта с углем фракции 0,062-0,2 мм

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕстниК

Таблица 2 - Состав газов в пробах угля разной фракции

Состав газов Уголь фракции 1-3 мм Уголь фракции 0,064-0,2 мм

Через 24 часа Через 48 часов Через 24 часа Через 48 часов

со2 0,47 0,31 0,22 0,30

О2 11,20 14,57 6,43 11,44

СО 0,0256 0,0285 0,0810 0,0818

Н2 0,0000 0,0002 0,0008 0,0003

СН4 20,46 9,13 9,16 1,32

С2Н6 0,01690 0,01014 0,02949 0,02244

С2Н4 0,00000 0,00004 0,00024 0,00008

С2Н2 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000

С3Н8 0,00593 0,00426 0,00805 0,00732

С3Н6 0,00001 0,00000 0,00001 0,00000

И_С4Н10 0,00137 0,00092 0,00251 0,00217

Н-С4Н10 0,00078 0,00616 0,00064 0,00061

достигло через 24 часа 0,081 %. Однако с уменьшением размера частиц угля наблюдается снижение концентрации углекислого газа и метана. Единственным газом, не выделяющимся при низкотемпературном окислении, является ацетилен.

Данные показывают, что интенсивное выделение оксида углерода при естественных температурах окружающей среды затрудняет обнаружение ранней стадии самовозгорания. Определение фонового значения индикаторных газов в отрабатываемых лавах зачастую не повышает эффективность выявления очагов самовозгорания, так как отбор проб производится в начале работы лавы. По мере работы лавы в выработанном пространстве увеличивается масса угольной пыли, мелких частиц угля, что может существенно увеличить интенсивность выделения индикаторных газов при низкотемпературном окислении.

Учитывая низкую эффективность газоаналитического метода обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля в шахтах, необходимо применять и другие способы идентификации очагов самовозгорания. Так, для обнаружения и определения местонахождения очагов подземных пожаров предложено использовать газовую съемку, проводимую на земной поверхности [3]. Один из вариантов проведения такой съемки предусматривает пробивку скважин на земной поверхности глубиной около 1 м и определение в ней концентраций индикаторных пожарных газов, появление которых свидетельствует о наличии очага. Преимуществом способа является возможность определить местонахождение очага в выработанном пространстве. Недостатком - сложность обнаружения процес-

са самовозгорания на ранней стадии, когда тепловая депрессия, развиваемая очагом, еще не формирует конвективный поток газов от очага к поверхности.

На практике реализуются предложения использовать для обнаружения и локации очагов эндогенных пожаров выделение радиоактивного газа радона, образующегося в горных породах и угле при распаде радия [3, 4]. При повышении температуры выделившийся радон, ранее сорбированный на поверхности угля, начинает выделяться в окружающую атмосферу и потоками воздуха разносится к действующим горным выработкам, земной поверхности. В основном используется поверхностная радовая съемка, позволяющая обнаружить выделения радона с земной поверхности. Появление зон с аномальным повышением концентрации радона свидетельствует о наличии очага самовозгорания в выработанном пространстве, а также позволяет определить местонахождение очагов самовозгорания, так как аномалия радона на поверхности является проекцией подземного очага. Однако остается проблема обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания из-за незначительных конвективных потоков к поверхности от небольших по размеру и температуре очагов.

На шахтах Кузбасса применяется способ обнаружения ранней стадии самовозгорания угля по изменению влагосодержания воздуха во входящей и исходящей из выработанного пространства струе воздуха, и по их соотношению делается вывод о наличии очага самонагревания [5]. Недостатком данного способа является то, что при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %, как на входящей, так и на ис-

ходящей струе воздуха, выявить изменение влагосодержания практически невозможно. Также в условиях с повышенной относительной влажностью воздуха, входящего в выработанное пространство, возможно образование конденсационного аэрозоля, содержание которого в рудничном воздухе в данном случае не контролируется.

Для повышения эффективности раннего обнаружения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве необходимо замерять общее количество содержания в воздухе водяного пара и жидкого аэрозоля во входящей и исходящей из контролируемого участка струе [6-8]. В случае, если в выработанном пространстве образовался очаг самонагревания угля, то в воздухе кроме пара появляется жидкий аэрозоль, который образуется при следующих условиях. Сначала поступающий воздух нагревается в очаге самонагревания и его относительная влажность уменьшается, стимулируя испарение влаги из угля и пород. В результате испарения начальной влаги угля и воды, образующейся при химических реакциях окисления, влагосодержа-ние воздуха возрастает. Пройдя очаг самонагревания, прогретый воздух быстро остывает в выработанном пространстве до естественной температуры угля и вмещающих пород. Этот процесс сопровождается увеличением относительной влажности воздуха до 100 % с последующей конденсацией избытка влаги, выделившейся из разогретого угля. В этом случае количество влаги в исходящем воздухе будет выше максимальной влажности входящего воздуха за счет содержания в нем жидкой фазы.

Критерий для обнаружения процесса самонагревания, учитывающий суммарное количество влаги в воздухе в виде пара и жидкости, образующей мелкодисперсные взвешенные аэрозоли, можно представить в следующем

виде:

К = 0,622

Рр<Р

Рп - Ра>

о рт

+ м.

где Рр - давление насыщенного водяного пара, Па; Ро - барометрическое давление воздуха, Па; ф - относительная влажность воздуха; М - количество жидкого аэрозоля в воздухе, кг/кг.

Таким образом, проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.

1. Обнаружение очагов самовозгорания на ранней стадии позволяет быстро ликвидировать опасную ситуацию и существенно снизить экономический ущерб, наносимый эндогенными пожарами.

2. При низкотемпературном окислении угля выделяются индикаторные газы, которые используются для обнаружения самовозгорания, но не могут применяться для выявления ранней стадии процесса.

3. По мере уменьшения размера частиц угля увеличивается интенсивность образования индикаторных газов, используемых для обнаружения самовозгорания угля.

4. Поверхностные газовая и радоновая съемки малоэффективны для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания из-за незначительной тепловой депрессии разогретого угля, способствующей выносу индикаторных газов к земной поверхности.

5. Для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля уелесообразно измерять содержание в рудничной атмосфере суммарное количество пара и жидкого аэрозоля, образующегося при остывании воздуха, прошедшего через разогретый уголь.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Дмитрюк, Н. Ф. Борьба с подземными пожарами от самовозгорания угля / Н. Ф. Дмитрюк, Ф. Ф. Эйнер, К. М. Ремезов, З. Л. Рыкова. - Москва, 1962. - 128 с.

2. Портола, В. А. Обоснование и разработка способов обнаружения, локации и контроля за ходом тушения очагов самовозгорания угля в шахтах: дис. ... д-ра. техн. наук / В. А. Портола. - Кемерово, 2002. - 317 с.

3. Портола, В. А. Локация очагов подземных пожаров с поверхности / В. А. Портола ; под ред. В. А. Колмакова ; Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2001. - 176 с.

4. Портола, В. А. Контроль подземных эндогенных пожаров по выделению радона с земной поверхности / В. А. Портола // Безопасность труда в промышленности. - 2004. -№ 2. - С. 5-7.

5. Портола, В. А. Обнаружение очагов самовозгорания угля на ранней стадии развития / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Безопасность труда в промышленности. - 2009. - № 4. - С. 34-37.

6. Портола, В. А. Способ и устройство идентификации самонагревания угля в шахтах / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2009. - № 6. - С. 42-45.

7. Портола, В. А. Контроль эндогенной пожароопасности шахт по теплофизическим параметрам воздуха / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2010. - № 1. - С. 65-70.

WAYS OF DETECTION AND LOCATION OF UNDERGROUND FIRES CENTERS

V. A. Portola, A. A. Druzhinin, V. I. Hramtsov

The results of fire risk research of Kuzbass mines and efficiency of used methods of spontaneous combustion of coal in mines are given. It is established that the coal dust removal in the gob area complicates to detection of early stages of spontaneous comdustion gas analytical method due to formation of indicator gases at low-temperature oxidation. It is recommended to expand use of detection of self-ignition of coal radon and the liquid aerosol appearing in air after a filtration through the center of self-heating.

Key words: SPONTANEOUS COMBUSTION, GOB AREA, COAL DUST, RADON, GAS, SURVEY, MOISTURE CONTENT, SUBSURFACE FIRE

Голоскоков Сергей Иванович e-mail: s.goloskokov@nc-vostnii.ru

Недосекина Нина Михайловна e-mail: jajabingsms@gmail.com

Сазонов Михаил Сергеевич e-mail: jajabingsms@gmail.com

Голоскоков Евгений Иванович e-mail: kem.tdu@mail.ru

Терентьева Наталья Анатольевна e-mail: tna.nc-vostnii@yandex

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНО-СПАСАТЕЛЬНОГО ДЕЛА

БЕЗОПАСНОСТЬ ГОРНЯКОВ - НАША РАБОТА реклама

Научно-исследовательский институт горноспасательного дела основан в 1933 году. За десятилетия работы институт принял участие в тушении сотен подземных пожаров, выполнил сотни экспертиз проектов по безопасности ведения горных работ в шахтах. ОАО «НИИГД» является головной организацией по проблемам противоаварийной и противопожарной защиты предприятий угольной промышленности России. Для обеспечения эндогенной пожарной безопасности угольных предприятий Кузбасса в 2012-2013 годах работниками ОАО «НИИГД» выполнено более 240 научно-практических работ.

В 2014 году ОАО «Научно-исследовательский институт горноспасательного дела» возобновил деятельность «Лаборатории вентиляции и дегазации угольных шахт», «Лаборатории комплексного обеспыливания и пылевзрывозащиты», а также создал новую лабораторию «Электротехники, АСУ ТП и КИПа» и тем самым значительно расширил спектр выполняемых услуг в области промышленной безопасности.

В настоящее время ОАО «НИИГД» выполняет проекты и экспертизы промышленной безопасности, разрабатывает рекомендации и мероприятия, проводит технические аудиты в части прогноза и профилактики эндогенной пожа-роопасности, вентиляции и дегазации, борьбы с пылью и электробезопасности угольных предприятий, разрабатывает инженерно-технические мероприятия ГО и ЧС и паспорта безопасности.

Наш контакты:

650002, г. Кемерово, пр. Шахтёров, 14 Тел.: 8(3842) 64-19-60, 64-25-71

' ' '( 11' ' щ . ;

гi'

t