CC BY
90
- © В.А. Малашкина, С.С. Перекатов,
2013
УДК 622.86:621.867.2
В.А. Малашкина, С.С. Перекатов
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ВОЗГОРАНИЕ НА ШАХТНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРАХ НА РАННЕЙ СТАДИИ*
Статья посвящена особенностям обнаружения процесса возгорания на шахтных ленточных конвейерах на ранней стадии. Определены основные информационные параметры начальной стадии возгорания в процессе эксплуатации ленточных конвейеров.
Ключевые слова: ленточные конвейеры, возгорание, шахта.
При подземной разработке месторождений полезных ископаемых наиболее опасной и травматической аварией по данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору являются подземные пожары.
За последние 15 лет доля подземных пожаров от общего количества аварий в угольной промышленности составила в среднем 48,5 % ежегодно [1]. В то же время количество не принятых к учету подземных пожаров в среднем составляет 39,3 % в год. Приведенные данные еще раз подтверждают, что одним из наиболее распространенных видов аварий на горных предприятиях являются подземные пожары.
Материальный ущерб от подземных пожаров составляет десятки миллионов рублей. Доля ущерба является самой высокой и составляет порядка 80 - 95 % затрат на ликвидацию всех аварий возникающих на горных предприятиях вследствие сниженной производственной дисциплины горнорабочих и ухудшающегося общего технического состояния угольных шахт и рудников [1].
Опасность подземных пожаров является гораздо большей, чем пожаров на поверхности, так как, кроме большого материального ущерба, подземные пожары часто сопровождаются отравлениями людей продуктами горения.
В настоящее время основными мерами противодействия возникновению подземных пожаров и взрывов на шахтах и рудниках является совершенствование производственных процессов добычи полезных ископаемых связанных со снижением времени контакта топлива с кислородом и влагой окружающей атмосферы, уменьшением пылеобразования, исключением потенциальных источников зажигания (перегрева), использованием взрывозащищенного оборудования и специальных строительных конструкций и т.п., а также использованием средств аэрогазового контроля, специальных систем обнаружения пожаров и их тушения.
Однако большинство приведенных мероприятий не дают требуемого эффекта, поскольку отсутствует возможность контролировать ряд факто-
*Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, Соглашение №14.В37.21.0655.
ров, таких как образование просыпи угля, возникновение взрывоопасных концентраций угольной пыли в моменты запуска и остановки оборудования, проведение сварочных и других огневых работ повышающих риск возникновения пожароопасных ситуаций в несколько десятков раз. Использование же взрывозащищенного оборудования, конструкций, а также применение специальных химических средств, приводит к значительному увеличению материальных затрат. При работе средств аэрогазового контроля довольно часто применяют устаревшие приборы газового контроля, модернизация которых началась только в последние годы.
По причинам возникновения подземные пожары подразделяются на: эндогенные, возникающие от самовозгорания полезного ископаемого, и экзогенные, возникающие от внешних тепловых импульсов.
При эндогенном пожаре, как правило, горит полезное ископаемое, находящееся в выработанном пространстве, возгорание которого происходит от самонагревания и самовозгорания оставленных целиков, угольных пачек, сульфидных руд, рудной залежи и т.п. Эндогенные пожары практически не оказывают влияния на температурный режим действующих выработок, но опасны из-за выделения оксида углерода, проникающего в выработки через трещины в целиках и, в отдельных случаях, способного сделать атмосферу непригодной для дыхания. Лаже при малых размерах эндогенного пожара (5 - 50 кг горящего угля), находящегося в нескольких десятках метров от действующих выработок, выделения оксида углерода, засасываемые посредством депрессии вентиляционной струи, увеличивают его концентрацию до значений выше ПЛК. Эндогенные пожа-
ры могут, кроме этого, способствовать выделению в атмосферу непредельных углеводородных соединений и водорода, что повышает взрыво-опасность выработок.
Наиболее вероятными местами возникновения эндогенных пожаров в процентном соотношении от общего числа являются [2]:
отбитый уголь в лаве за конвейером - 4,9%;
в углеспускных печах - 25,1%; в бортах выработки - 20,2%; в местах геологического нарушения пласта - 14,2%;
в вывалах угля - 28,4%. Особенно слабо изучена низкотемпературная стадия (до 100 °С) самовозгорания угля, так как большинство исследователей «часто заменяют трудно определяемую окисляемость кислородом при низких температурах более удобной для воспроизведения окисляемостью при повышенных температурах. Но при этом воспроизводятся не те процессы, которые вызывают самовозгорание. Принцип физического подобия грубо нарушается со всеми нежелательными последствиями» [3, 4]. Способность угля к самовозгоранию и наличие окислителя могут привести к появлению пламенного горения, и, следовательно, к возникновению экзогенного пожара [5].
Наиболее вероятными местами возникновения экзогенных пожаров в процентном соотношении от общего числа являются:
очистные выработки - 4,9 %; штреки:
- конвейерные (откаточные) - 25,1 %;
- вентиляционные - 1,7 %; наклонные выработки:
- с ленточными конвейерами - 20,2 %;
- прочие - 5,5 % тупиковые выработки - 14,2 %; другие выработки - 28,4.
В соответствии с «Едиными правилами безопасности при разработке рудных и нерудных месторождений» [6] все шахтные конвейеры должны быть оборудованы аппаратурой управления и контроля, умышленное отключение которой приводит к возникновению частых экзогенных пожаров.
Лля повышения пожарной безопасности в подземных выработках шахт и рудников единственной мерой является постоянный мониторинг аэрологических параметров с их дальнейшим анализом, позволяющий выявить возгорание на начальной стадии развития и выполнить действия, направленные на предотвращение или снижение последствий аварий. Лля этого на основе конкретных параметров участка шахты в местах установки ленточных конвейеров и контролируемых аэрологических параметров шахтной атмосферы необходимо постоянно осуществлять идентификацию текущей пожарной обстановки. Это позволит выявить подземный пожар на начальной стадии возгорания.
Как было отмечено ранее самыми распространенными местами возникновения подземных пожаров на рудниках и шахтах являются горные выработки, оборудованные ленточными конвейерами.
Однако в выработках различного технологического назначения количество и состояние горючих материалов неодинаково, потенциальные источники появлений открытого огня не равноценны и условия возникновения и развития пожаров - также различны. Не одинаковы и условия развития и тушения пожаров. Особенно быстро развиваются пожары в наклонных выработках, закрепленных деревом и оборудованных ленточными конвейерами. При этом определить причину возгорания практически невозможно,
если пожар уже перешел в развитую стадию. При этом на начальной стадии это могло быть как быстро- развивающееся экзогенное возгорание, так и эндогенный пожар, перешедший в экзогенный.
При наличии благоприятных условий для окислительного процесса и аккумуляции выделяемой теплоты возможна подготовка (процессы деструкции) материала к воспламенению.
В целом процесс развития возгорания материала можно условно разделить на четыре фазы (классификация НИИГЛ (г. Лонецк)) [2]:
- первая фаза — идет поглощение теплоты (эндотермическая реакция), сопровождающееся интенсивным окислительным процессом деструкции. В течение этой фазы выделяется видимый и невидимый дым, представляющий собой в смеси с воздухом — аэрозоль. Лисперсной фазой этого аэрозоля являются твердые частицы массы различной величины, возникающие при тепловых процессах деструкции. Температура окружающей газовой среды практически остается постоянной;
- вторая фаза — при этой фазе скорость окислительного процесса увеличивается. За счет этого начинает происходить накопление тепла, то есть нарушается баланс между скоростью выделения тепла и скоростью теплоот- вода из зоны окисления. Идет экзотермическая реакция без воспламенения. Локальная температура материала в зоне окислительной реакции повышается до 200-280 °С. В процессе этих реакций, кроме интенсивного дымовыделения (термическое разложение материала), происходит химическое разложение, при котором выделяются основные индикаторные газы — оксиды углерода (оксид и диоксид углерода), пары воды. При этом температура окружаю-
щей газовой среды повышается незначительно;
- третья фаза — при этой фазе идет активный пиролиз материала с выделением и локальным загоранием продуктов термического разложения, состоящих из газов и аэрозолей. Локальная температура в зоне пиролиза материала поднимается до 280 — 500°С. На третьей фазе начинается рост температуры газовой среды, окружающей зону загорания. Начинают зарождаться конвективные потоки подогреваемого воздуха;
- четвертая фаза - локальная температура материала в зоне воспламенения достигает 500 °С, при этом пламя охватывает всю зону. Интенсивно идет подготовка новых участков к воспламенению. Появляется движение фронта пламени по поверхности материала. Начинает увеличиваться поверхность охвата пламени. Начинается интенсивный (по экспоненте) рост температуры окружающей газовой среды. При этом формируются и разрастаются конвективные потоки подогреваемого воздуха.
Описанный процесс возгорания материала отображает раннюю стадию развития очага пожара. Эта стадия по мере развития возгорания трансформируется в начальную стадию пожара, которая характеризуется нестационарным процессом развития.
При стабилизации физических параметров, не связанных с тепломассо-переносом, возгорание переходит из начальной - в развитую стадию. Очевидно, что для борьбы с пожарами с минимальными затратами и ущербом, очаг возгорания необходимо обнаруживать именно в начальной стадии развития, а процесс тушения должен заканчиваться до перехода к развитой стадии.
Горные выработки, оборудованные ленточными конвейерами, имеют высокую пожарную нагрузку, поскольку существует опасность возгорания конвейерной ленты, деревянных элементов крепи, минеральных масел в гидромуфтах и редукторах, электрических кабелей и штыба.
На начальной стадии пожар сопровождается изменением значительного количества физических параметров рудничного воздуха и горного массива.
Как известно, [7, 8] во время первых трех фаз возгорания меняется газовый состав атмосферы. Далее изменяется поле температур газов и стенок горных выработок Т, °С. Вследствие этого в горизонтальных выработках пожар увеличивает аэродинамическое сопротивление горной выработки, что приводит к снижению скорости потока воздуха V, м/с, или объемного расхода воздуха О, м3/с. В наклонных горных выработках (даже при незначительных углах наклона в 1 - 3 градуса) возникает тепловая депрессия пожара. Это приводит к значительному изменению давлений в узлах вентиляционной сети. Происходит снижение скорости воздуха в аварийной выработке для пожара в выработке с нисходящим движением воздуха или резкое увеличение скорости воздуха при пожарах в выработках с восходящим движением воздуха и одновременным перераспределение потоков в части вентиляционной сети, подверженной аварии.
Проведенный анализ методов обнаружения подземных пожаров и особенностей их развития, а также анализа литературных источников [9, 10, 11, 22, 13], позволили установить аварийные критерии начавшегося пожара на конвейерной линии:
- температура воздушного потока Т;
- скорость изменения температуры УТ;
- концентрация оксида углерода Ссо;
- скорость изменения концентрации оксида углерода Усо;
- скорость воздушного потока V.
- влажность воздуха Ш;
- давление воздуха Р;
- температура поверхности приводного барабана Тб;
-температура поверхности конвейерной ленты (над роликами) Тр.
Пожар может считаться обнаруженным в случае превышения текущего значения любого информационного параметра его предельной величины, то есть достижения аварийного критерия.
Как показывает статистика на стационарных ленточных конвейерах в наклонных стволах, уклонах и бремсбергах возникло подавляющее число пожаров - 83 %. Высокая пожарная опасность стационарных ленточных конвейеров в основном обусловлена большими нагрузками на них, повышенной скоростью движения ленты, широким применением резинотросовых лент, длительной работой при несоблюдении условий эксплуатации и недостаточной пожарной профилактик [8].
Рассмотрим распределение их по причинам возникновения, принятым в технической литературе [12, 13]
1. Неправильная эксплуатация конвейерных линий.
2. Неправильная эксплуатация электрооборудования.
3. Чрезмерное трение движущихся частей между собой.
4. Прочие причины (заштыбовка, порывы ленты и т.д.).
Пожары по причине чрезмерного трения движущихся частей ленточного конвейера происходят достаточно часто (примерно, каждый пятый пожар). Большое количество пожаров происшедших по причине неправиль-
ной эксплуатации ленточного конвейера, фактически произошла от трения, явившегося следствием неправильной эксплуатации конвейера.
В.М. Юрченко в своей работе [14] считает, что пожары на шахтных ленточных конвейерах возникают в результате:
- трения при пробуксовке ленты на приводных барабанах;
- трения ленты о не вращающиеся концевые или натяжные барабаны;
- трения ленты о не вращающиеся ролики;
- трения ленты о неподвижные металлоконструкции конвейера и части става;
- трения ленты о стойки крепления и борт горной выработки;
- короткого замыкания электрооборудования на конвейере и в электрической сети;
- загорание от посторонних источников.
В вышеприведенном перечне ничего не сказано о влиянии заштыбов-ки ветвей конвейера, которая оказывает существенное влияние на возникновение возгорания. Причем температура и время продолжительности начальной стадии возгорания в зависимости от марки угля (содержания летучих веществ) различна. В процессе передачи тягового усилия барабаном конвейерной ленте за счет силы трения участвует угольная мелочь (штыб), который также нагревается и может стать причиной возгорания. Поэтому установление зависимости влияния качественных характеристик угля на снижение времени обнаружения возгораний применительно к условиям эксплуатации ленточных конвейеров в подземных горных выработках может позволить обнаружение возгораний на ленточных конвейерах на ранней стадии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2010 году / Колл. авт. М.: Промышленная безопасность, 2011. — 447 с.
2. Лобазнов A.B. Разработка способа и средств обнаружения начальной стадии подземных пожаров: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.26.03.- Москва, 2011.222 с.
3. Вяльцев A.B. Разработка метода оценки риска возникновения пожаров и снижения пожарной опасности на угольных шахтах Восточного Донбасса: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.26.03 - Москва, 2010.- 121 с.
4. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом: ПБ 03-553-03; Утв. Рос-технадзором России 13.05.03. - М., 2005. -85 с.
5. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-618-03; Утв. Ростехнадзо-ром России 05.06.03. - М., 2010.-150 с.
6. Азбель М.Д. Разработка многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля в угольных шахтах: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук 05.26.03 - Кемерово; 2002. - 235 с.
7. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации. ППБ 01-03. Утв. приказом МЧС России от 18.06.2003 № 313. -М., 2010. - 175 с.
8. Абрамов А.Ф., Бойко В.А., Гра-шенков Н.Ф. и др. Справочник по рудничной вентиляции. М., Недра, 1977, 328 с.
9. Захаренко Д.М. Проблемы раннего обнаружения очагов пожара, тления; взрыва угольной пыли / Сб. тез. Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы использования канско-ачинских углей на электро-станциях». Красноярск, 2000. — С. 141 — 150.
10. Griffin R. In-Mine Evaluation of Underground Fire and Smoke Detec-tors. Mor-gantown WV: University of West Virginia, 1978. - 18 p.
11. William L. Grosshandler A Review of Measurements and Candidate Signatures for Early Fire Detection. Gaithersburg: NISTIR, 1995. - 36 p.
12. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах: Справ, пособие. - М.: Недра, 1994. - 336 с.
13. Веселовский B.C., Алексеева Н.Д., Виноградова Л.П. и др. Самовозгорание промышленных материалов. - М.: Наука, 1964. - 321 с.
14. Юрченко В.М. Новый взгляд на причины пожаров на шахтных конвейерах// Уголь. 2003. №2. - С. 56 - 59.S2S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Малашкина Валентина Александровна - доктор технических наук, профессор каф. АОТ, Перекатов Сергей Сергеевич - студент, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
A
