CC BY
31
УДК 622.82.6:662.61
В.А. Уварова (кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
Т.М. Грачева (старший научный сотрудник ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
В.Е. Уваров (студент Новосибирского государственного технического университета)
Исследование динамических параметров процесса дымообразования при термодеструкции материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах
Экспериментально определены динамические характеристики процесса дымообразования при термодеструкции материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах. Для классификации материалов по дымообразующей способности проведены исследования в целях разработки метода определения интегрального показателя Я, характеризующего динамику процесса дымообразования, что актуально для моделирования процесса распространения дыма в условиях протяженных горных выработок.
Ключевые слова: ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДЫМООБРАЗОВАНИЯ, ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА, ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ, ТЛЕНИЕ, ГОРЕНИЕ
При горении различных материалов, используемых в шахтах, выделяются газообразные, жидкие и твердые вещества, называемые продуктами горения. Эти вещества, образовавшиеся в результате горения, распространяются в газовой среде и создают задымление. Дым - это мелкодисперсная композиционная система, состоящая из продуктов горения, включая раскаленные твердые частицы веществ, а также воздуха, паров жидкостей и газов. Объем выделившегося дыма, его плотность, токсичность и скорость образования зависят от свойств горящего материала и от условий протекания процесса горения.
При развитии пожара задымленность может значительно опережать действие на людей других опасных факторов пожара. Основная опасность дыма состоит в уменьшении видимости, в результате чего человек теряет ориентиры для своевременного выхода из опасной зоны и продукты сгорания действуют на него в течение недопустимо длительного периода времени. В условиях ограниченного пространства горных выработок и отсутствия естественного освещения это создает реальную угрозу жизни и здоровью людей.
В связи с этим требуется дальнейшее развитие методов испытаний, позволяющих наиболее объективно определять дымообразующую способность материалов, используемых в шахтах,
учитывающих 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.
Влияние физико-химических свойств веществ и условий горения на дымообразующую способность материалов изучено недостаточно, поэтому для оценки ее применяется большое количество разных методов. Эти методы делятся на две основные группы: гравиметрические (измерение массы частиц дыма, осевших на фильтре) и оптические (определение плотности дыма путем измерения поглощения света).
Оптический метод используется в ГОСТ 12.1.044-89 [1], где в статическом режиме определяется один показатель - массовый коэффициент дымообразования Dm. Этот коэффициент вычисляется по минимальному значению величины светопропускания, зафиксированной в режимах тления или пламенного горения, который соответствует максимальному значению оптической плотности дыма. При этом в методе учитывается лишь начальная масса материала без учета конечной степени разложения и не рассматривается общее количество дыма, образующееся за время термодеструкции образца.
Существующие лабораторные методы экспериментального определения характеристик пожарной опасности материалов во многом носят сравнительный характер и не отражают реального поведения материала при пожаре.
Одним из основных недостатков существующего метода по ГОСТ 12.1.044-89, как показано в статье [2], является отсутствие динамического контроля интенсивности дымообразования, которая, собственно, и определяет время распространения дыма из зоны очага пожара в другие области, а следовательно, и опасное воздействие дыма при эвакуации.
В то же время вышеуказанный нормативный метод является в настоящее время безальтернативным, и поэтому наиболее перспективным выступает усовершенствование способа оценки результатов и классификации материалов путем введения дополнительных критериев.
В лаборатории НЦ ВостНИИ был проведен ряд экспериментов с целью исследования динамических характеристик процесса дымообразования материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах. Это такие материалы, как резина 2ШТС-ТГ, футеровка полиуретановая для приводных колес УНИКСПУР ^095LF, решетка с добавлением негорючего модифицированного полипропилена «Антифлейм», сетка шахтная стеклянная СШ с покрытием из ПВХ-пасты ПШС-6, ПУР-патрон полиуретановая система смол Беведол/Беведан (Карбо-Цакк), форполимер уретано-вый СКУ -ПФЛ-100, стеклопластик КППН.
Исследование динамических характеристик процесса дымообразования проводилось на лабораторной установке для исследования термической деструкции материалов по свидетельству РФ на полезную модель №14083 конструкции НЦ ВостНИИ [3]. Для сопоставления результатов эксперимент проводили для образцов материалов неизменной массы и размеров, каждый образец испытывали в двух режимах: тления и горения.
Подготовленный образец помещали в камеру сгорания трубчатой печи, через которую осуществляли непрерывную подачу воздуха с фиксированным расходом. По достижении температуры тления (горения) образца отмечали время начала эксперимента. Оптическую плотность дыма определяли с помощью измерителя светопропускания (фотоэлектроколориметр). Показания снимали через определенные промежутки времени (15 с), каждый раз отмечая по секундомеру вре-
Светопропускание, %
мя и соответствующее ему значение светопропускания £. В результате были получены экспериментальные зависимости изменения величины светопропускания дымового потока в режимах тления и горения от времени (рисунки 1 и 2).
Время, мин
--- Резина 2ШТС-ТГ
Футеровка полиуретановая для приводных колес УНИКСПУР 1В095ЬР
___ Решетка с добавлением негорючего модифицированного полипропилена
«Антифлейм»
А Сетка шахтная стеклянная СШ с покрытием из ПВХ-пасты ПШС-6
. . _ ПУР-патрон полиуретановая система смол Беведол/Беведан (Карбо-Цакк)
Форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100
Рисунок 1 - Экспериментальные кривые, отражающие динамику изменения величины светопропускания при термической деструкции материалов в режиме тления
Светопропускание, %
Время, мин
Резина 2ШТС-ТГ
Футеровка полиуретановая для приводных колес УНИКСПУР 1В095ЬР
Решетка с добавлением негорючего модифицированного полипропилена «Антифлейм»
Сетка шахтная стеклянная СШ с покрытием из ПВХ-пасты ПШС-6 ПУР-патрон полиуретановая система смол Беведол/Беведан (Карбо-Цакк) Форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100
Рисунок 2 - Экспериментальные кривые, отражающие динамику изменения величины светопропускания при термической деструкции материалов в режиме горения
Характерные экспериментальные кривые показывают, что при одном и том же значении минимального светопропускания время процесса дымообразования для разных материалов значительно отличается. Это свидетельствует о том, что при одной и той же массе образцы разных материалов могут гореть разное время. Соответственно они генерируют в процессе термического разложения разное количество дыма, хотя основной показатель - значение минимального светопропускания - у них почти одинаков.
По данным экспериментов для каждого материала был вычислен интегральный показатель величины дымообразования Я, геометрически представляющий собой площадь под кривой изме-
нения величины светопропускания от времени и характеризующий общее количество дыма, образующееся в процессе термического разложения:
R=JS 6P,(t )<*, d)
t1
где Rj - интегральный показатель величины дымообразования;
So6p - величина светопропускания, %;
ti, t2 - время начала и окончания процесса термодеструкции образца, мин.
Для обработки результатов экспериментов и вычисления интегрального показателя была создана специальная компьютерная программа, позволяющая автоматизировать процесс расчетов.
В таблице 1 представлены статические и динамические параметры процесса дымообразования: минимальная величина светопропускания Smjn, определенная в ходе проведения эксперимента, и интегральный показатель величины дымообразования Rj, вычисленный для каждого образца в двух режимах - тления RmK и горения R.p,
Таблица 1 - Статические и динамические параметры процесса дымообразования
Наименование исследуемого материала Процесс тления Процесс горения
Smim % Rтл. Smim % Rгop.
Резина 2ШТС-ТГ 10 730,9 1 501,8
Футеровка полиуретановая для приводных колес УНИКСПУР 1В0951_Р 53 197,8 13 343,8
Решетка с добавлением негорючего модифицированного полипропилена «Антифлейм» 8 763,4 8 499,7
Сетка шахтная стеклянная СШ с покрытием из ПВХ-пасты ПШС-6 49 209,3 48 229,0
ПУР-патрон полиуретановая система смол Беведол/Беведан (Карбо-Цакк) 26 408,5 8 224,4
Стеклопластик КППН 8 392 0 184,5
Форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100 36 708 37 325
Анализ полученных результатов показал, что образцы с близкими значениями минимальной величины светопропускания Smjn имеют значительную разницу по интегральному показателю R. Так, например, материал решетки с добавлением негорючего модифицированного полипропилена «Антифлейм» и Пур-патрон полиуретановой системы смол Беведол/Беведан (Карбо-Цакк) имеют одинаковые величины Smjn, равные 8%. При этом интегральный показатель R первого материала (499,7) превышает значение интегрального показателя второго материала (229,0) в два раза.
Таким образом, видно, что минимальная величина светопропускания 8тш, которая является основным параметром для определения дымообразующей способности материалов по ГОСТ 12.1.044-89 может являться только одним из критериев для отнесения материала к той или иной группе по дымообразующей способности. Другим критерием, который определяет время распространения дыма из зоны очага пожара в другие области, а следовательно, и опасное воздействие дыма на эти области и пути эвакуации, является интенсивность дымообразования. В связи с этим целесообразно было бы использовать при классификации материалов по дымообразующей способности не только минимальное значение светопропускания, но также время его достижения. Этот процесс характеризует интегральный показатель, выражающий динамику дымообразования и общее количество дыма, генерируемого материалом в процессе термодеструкции.
Выводы
1 Недостатком существующего ГОСТ 12.1.044-89 в части определения дымообразующей способности материалов является использование статического метода с определением одного показателя - массового коэффициента дымообразования Пт, вычисляемого по максимальному значению оптической плотности дыма, которая соответствует минимальному значению величины светопропускания.
2 Предложено дальнейшее развитие методов испытаний, позволяющих наиболее объективно определять дымообразующую способность материалов, используемых в шахтах, учитывающих 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.
3 В лаборатории НЦ ВостНИИ был проведен ряд экспериментов с целью исследования динамических характеристик процесса дымообразования материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах. В результате были получены экспериментальные зависимости изменения величины светопропускания дымового потока в режимах тления и горения от времени.
4 На основании проведенных исследований и анализа экспериментальных зависимостей был предложен интегральный показатель процесса дымообразования Я, геометрически представляющий собой площадь под кривой изменения величины светопропускания от времени и характеризующий динамику дымообразования и общее количество дыма, генерируемого материалом в процессе термодеструкции.
5 В целях совершенствования метода по ГОСТ 12.1.044-89 для классификации материалов по дымообразующей способности предлагается использовать не только минимальное значение светопропускания, но также интегральный показатель Я, характеризующий динамику процесса дымообразования, что актуально для моделирования процесса распространения дыма в условиях протяженных горных выработок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
2 Трушкин, Д.В. Проблемы определения дымообразующей способности строительных материалов/ Д.В. Трушкин, И.М. Аксенов // Пожаровзрывобезопасность. -2002. - №1. -С. 29-37.
3 Уварова, В.А. Установка для исследования термической деструкции материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2006. -№2. -С.131-134.
STUDY OF SMOKE GENERATION PROCESS DYNAMIC PARAMETERS AT THERMAL DESTRUCTION OF MATERIALS WHICH ARE RECOMMENDED FOR USE IN MINES
V.A. Uvarova, T.M. Gracheva, V.Ye. Uva-
rov
Through experiments dynamic characteristics of smoke generation process at thermal destruction of materials recommended for use in mines are determined. For classification of materials according to smoke generation ability the studies were fulfilled in order to develop method of integral factor R determination, which characterizes smoke generation process dynamics that is actual for smoke spreading process modeling in conditions of extensive mine galleries.
Key words: SMOKE GENERATION DYNAMIC PARAMETERS, FIRE HAZARDOUS PROPERTIES, INTEGRAL FACTOR, SMOULDERING, BURNING
Уварова Варвара Александровна
Tел.(3842)64-28-07
Грачева Татьяна Михайловна
Tел.(3842)64-18-65
Уваров Вадим Евгеньевич
Tел.(3842)64-28-07
