CC BY
19
■ А.С. Ярош // A.S. Yarosh [email protected]
канд. техн. наук, академик МАНЭБ, генеральный директор АО "НИИГД", 650002, Россия, г. Кемерово, пр-т Шахтеров, 14 candidate of technical sciences, academician of MANEB, general director of AO "NNGD", 14, Shakhterov Av., Kemerovo, 650002, Russia
УДК 614.8:622:658.3
ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ И ПОТЕНЦИАЛА ЗАЩИТЫ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ ПРИ НОРМАЛЬНОМ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ И АВАРИИ «ПОЖАР-ВЗРЫВ» МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
THE PROBLEM OF ASSESSING THE RELIABILITY AND PROTECTION POTENTIAL OF A MULTIFUNCTIONAL SAFETY SYSTEM OF A COAL MINE DURING NORMAL OPERATION AND A FIRE-EXPLOSION ACCIDENT OF A METHANE-AIR MIXTURE
В статье показана актуальность проблемы количественной оценки потенциала защиты многофункциональной системы безопасности угольной шахты при аварии «пожар-взрыв» метановоздушной смеси. Приведен состав основных подсистем мониторинга противопожарной и аэрологической защиты локализирующих аварию «пожар-взрыв» метановоздушной смеси. Проведена количественная оценка предела разрушения подземных сооружений и силы ударной воздушной волны. Математически определен коэффициент потенциала защиты многофункциональных систем безопасности. Доказывается основополагающим принцип превентивности. The article shows the relevance of the problem of quantitative assessment of the protection potential of a multifunctional safety system of a coal mine in the event of a fire-explosion accident of a methane-air mixture. Given the composition of the main subsystems of monitoring of upper-air fire-prevention and protection accident localization "fire-explosion" of a methane-air mixture. A quantitative assessment of the limit of destruction of underground structures and the force of the shock air wave was carried out. Mathematically determined the ratio of protection capacity multifunction systems security. The basic principle of prevention is proved.
Ключевые слова: ПРЕДЕЛ РАЗРУШЕНИЯ , КОЭФФИЦИЕНТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ГОТОВНОСТИ ПОДСИСТЕМ, КОЭФФИЦИЕНТ ПОТЕНЦИАЛА ЗАЩИТЫ, ПРИНЦИП ПРЕВЕНТИВНОСТИ. Key words: LIMIT OF DESTRUCTION , COEFFICIENT OF TECHNICAL READINESS OF SUBSYSTEMS, COEFFICIENT OF PROTECTION POTENTIAL, THE PRINCIPLE OF PREVENTION.
лементарныи состав автоматизированной многофункциональной системы безопасности (МФСБ) на каждой конкретной шахте и количество ее
Конкретный состав функциональных подсистем МФСБ определяют при разработке в соответствии с ТЗ в зависимости от этапа внедрения на шахте. Фактическое противодействие аварии эндогенный пожар - взрыв метаново-душной смеси на объекты защиты и элементы МФСБ приведено на (рис.2).
подсистем имеют свою специфику в зависимости от категории шахты по газу и конкретных горно-геологических условий, масштабов шахты, поэтому в практике нет двух одинаковых МФСБ. При авариях эндогенный пожар - взрыв метановодушной смеси в угольной шахте в поле исследования попадают два основные элемента МФСБ: подсистема противопожарной защиты и подсистема аэрологической защиты, см. рис.1.
Рассмотрим, какой потенциал противодействия аварии эндогенный пожар - взрыв метановодушной смеси может иметь типичная МФСБ , что отражено на рисунке 3. При сравнении таблицы 1 видно ,что фактического давления УВВ не выдерживает ни один объект в шахте, за ис-
Рисунок 1.Состав подсистем мониторинга противопожарной защиты и аэрологической защиты Figure 1. Composition of fire protection and aerological protection monitoring subsystems
Рисунок 2. Воздействие поражающих факторов аварии эндогенный пожар - взрыв метановодушной
смеси на объекты защиты и элементы МФСБ Figure 2. The impact of the damaging factors of the accident endogenous fire - explosion of methane-air mixture on the objects of protection and elements of the MFSS
Авария эндогенный пожар -взрыв ЩЯЩЩКЙДНВЯЩ смеси МФСБ - элементы защиты:
Датчики метана
Температура при взрыве метана, 694 -22563К(^21-1983СС)
Отключение энергии
Блокировки
Давление взрывной волны, 0,414-3,456 МПа Сланцевые заслоны
Скорость Бзрывной волны. 12,23-1285,56 м/с Водяные заслоны
Перемычки
Реверс воздушной стэуи
Активное тушение пожара на начальной стадии персоналом
Рисунок 3. Противодействие МФСБ шахты факторам аварии эндогенный пожар - взрыв метановодушной смеси
Figure 3. Counteraction of the IASF mine to accident factors endogenous fire - methane-air mixture explosion
Таблица 1. Характеристика разрушающего воздействия УВВ при взрыве метана Table 1. Table 1. Characterization of the destructive effect of air-blast during methane explosion
Объект Разрушающее давление УВВ, МПа Характер разрушения Оценка предела разрушения и силыс УВВ в 1,935 МПа (среднее) ,разы
Бетонная перемычка толщиной 4,1м 5 Трещины и смещение перемычки на 0,4м
Бетонная противопожарная перемычка толщиной 0,25 м 0,080-0,1 Полное разрушение 25
Кирпичная(шлакоблочная) перемычка толщиной 0,24-0,3бм 0,04-0,05 Полное разрушение 48
Оборудование массой до тонны (лебедки, вентиляторы) 0,04-0,06 Смещение с фундамента, опрокидывание, поломка 48
Вагонетки расположенные торцевой стороной к направлению действия УВВ 0,14-0,25 Сбрасывание с рельсов. Общая деформация кузова и рамы 14
Проходческие машины 0,125-0,14 Опрокидывание деформация и повреждение деталей 16
Водо- и воздухопроводы , подвешенные к стенке выработки 0,030-0,05 Деформация и поломка в результате обрыва крепления 64
Электросети 0,035-0,042 Деформация в результате обрыва крепления 55
Арочная крепь 0,15-0,2 Деформация арок, поломка забутовки 12
Вентиляционный трубопровод 0,03-0,04 Обрыв деформация 64
Деревянные вентиляционные перемычки и двери 0,02-0,04 Поломка досок и стоек 97
Электрооборудование 0,015-0,02 Деформация ,поломка 129
ключением бетонной перемычки толщиной 4,1 м при давлении 5МПа, которые не возводятся, нет смысла возводить, т.к. такое препятствие УВВ может породить вторичный взрыв. Хотя определенное гашение УВВ происходит, но незначительное, т.к. предел разрушения и сила УВВ соотносятся у электрооборудования - 1:129, а у бетонной противопожарной перемычки толщиной 0,25 м -1:25, кроме того сила УВВ может достигать 3-5 МПа, т.е. если сравнивать с бетонной перемычкой (25 см), то при максимальной силе УВВ соотношение 1:50.
Относительно сланцевых и водяных можно отметить, что они гасят частично силу ударной волны, но незначительно, в пределах 0,04 - 0,2 МПа, согласно графиков в ряде научных исследований Руденко Ю.Ф., Палеева Д.Ю., Крайнова А.Ю. Лукашова О.Ю., Васенина И.М., Шрагера Э.Р., Костеренко В.Н. [2,С.46], [3,С.377], [4,С.381], [5,С.385], но полностью ликвидировать последствия барического воздействия , даже в определенных сочетаниях системы заслонов и перемычек невозможно, т.к. один водяной заслон обеспечивает снижение ударной волны в 0,04МПа , что составляет соотношение давлений 1: 125.
Оценка эксплуатационной готовности в нормальном режиме функционирования по нормативным требованиям [6], производится по коэффициенту технической готовности подсистем (К) формула (1):
Т
К =
т0-т; со
где Т0 - наработка на отказ, ч
ТВ -время восстановления работоспособности
подсистемы, ч
При этом расчетные значения должны быть К > 0,93.
г '
В принципе Кг не характеризует безопасность опасного объекта, а характеризует техническое состояние МФСБ. Анализ состояния и развития современных МФСБ раскрыт в ряде публикаций [7], [8] и др. с позиций технических параметров систем. Однако, пользователей МФСБ (обслуживающий персонал, собственников и подземных работников) больше интересует производная от технического состояния - способность не допустить аварии, что в первом плане выполняется функциями систем мониторинга и контроля, а второе противодействие аварии функциями защиты, см. (рис.З).Функция защиты МФСБ способна на начальной стадии ликвидировать пожар и взрыв малого потенциала.
На основе вышеприведенного и табл.1, утверждается что, потенциал современных МФСБ
шахт (РМФСБ) в аспекте противостояния аварии «эндогенный пожар - взрыв метана» ( РА) по поражающему фактору УВВ на порядки ниже. Предлагается защитный потенциал МФСБ оценивать коэффициентом потенциала защиты МФСБ , и стремиться его повышать (2). Р„
К,
МФСБ
МФСБ
(2)
Следовательно, основа стратегии безопасности шахты - предупреждение аварийных ситуаций (принцип превентивности).
Ввиду того, что саморегулирующимся процессом аварии «пожар-взрыв» метана в угольной шахте управлять невозможно, а средние параметры поражающих факторов воздействия достигают катастрофичных значений: температуры при взрыве метана - 1475°К и более, давления взрывной волны -1,935 МПа и более, скорости взрывной волны - 648,9 м/с и более, то современные системы МФСБ не могут на 100% (в абсолюте) устранить вероятность возникновения данного типа аварий. Соотношение потенциалов защитных устройств по барическому противодействию (заслонов, перемычек и т.п.) слабее до 2-х и более порядк порядков потенциала избыточного давления при взрыве, следовательно, основным принципом функционирования МФСБ шахты является - пре-вентивность мероприятий обеспечивающих безопасность.
Для повышения защитной функции МФСБ шахты, необходимо усиливать контроль и мониторинг опасных объектов, что обеспечивается, при Кг^1. При оптимизации структуры и потенциала МФСБ по принципу синергети-ческого взаимодействия элементов подсистем, повышается противодействие поражающим факторам аварии, что характеризуется:
К,
МФСБ
МФСБ
тах
Вышеприведенное позволяет выдвинуть следующий вывод: эффективность МФСБ шахты характеризуется коэффициентом потенциала защиты (2), что в математической форме имеет интегрированный вид: Л Ра
К
МФСБ :
тах, (2)».
МФСБ
суммарный потенциал аварии ( в энергетических единицах);
ТРмфсб суммарный потенциал МФСБ( в энергетических единицах).
В случае аварии «пожар-взрыв» функция МФСБ шахты становится второстепенной, т.к. ей не был обеспечен принцип превентивности
безопасности (по существу это базовый принцип всей теории безопасности), и в этот момент вводится план ликвидации аварии и система МФСЖА(многофункциональная система жизнеобеспечения при аварии) во взаимодействии МФСБ.
циента потенциала защиты КМФСБ, который ни нормативно, ни количественно не определен, ввиду отсутствия систематизированных данных и исследований по данной тематике. Также не определен эталон сравнения, единица измерения защиты системы, что предопределяет дальнейшие исследования по данной тематике, с привлечением ведущих институтов и лабораторий по безопасности.
Формализованные методы определения параметров защитного потенциала МФСЖА в нормативном плане практически не разработаны, за исключением предлагаемого коэффи-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Умнов А.Е., Голик А.С. Палеев Д.Ю. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях.М.:Недра,1990.-
2. 2. Руденко Ю.Ф., Палеев Д.Ю., Крайнов А.Ю. Взаимодействие ударной волны с водяным заслоном и взрывоу-стойчивой перемычкой//Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды Х международной научно-практической конференции -Кемерово: иУу СО РАН,2008-306с.
3. З.Палеев Д.Ю., Лукашов О.Ю., Васенин И.М., Шрагер Э.Р, Крайнов А.Ю., Костеренко В.Н. Взаимодействие ударной волны метана с облаком порошкового ингибитора// Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : научн. журнал /Сиб.гос.индустр. ун-т; под общей ред. В.Н.Фрянова.- Новокузнецк,2017.-№3,С.377-381
4. 4. Палеев Д.Ю., Лукашов О.Ю., Васенин И.М., Шрагер Э.Р, Крайнов А.Ю., Костеренко В.Н. Взаимодействие ударной волны метана с водяным заслоном// Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : научн. журнал /Сиб.гос.индустр. ун-т; под общей ред. В.Н.Фрянова.- Новокузнецк,2017.-№3,С.381-384
5. 5. Палеев Д.Ю., Лукашов О.Ю., Васенин И.М., Шрагер Э.Р., Крайнов А.Ю., Костеренко В.Н. Гашение энергии ударной волны водяным заслоном при взрыве слоевого скопления метана// Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : научн. журнал /Сиб.гос.индустр. ун-т; под общей ред. В.Н.Фрянова.-Новокузнецк,2017.-№3,С.385-389
6. 6.ГОСТ Р 55154-2012 Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования. Национальный стандарт Российской Федерации. Дата введения 2014-01-01
7. 7.Сайт^рго1Г1.опПп .Безопасность. Развитие многофункциональных систем безопасности. Ваганов В.С.[текст] Дата обращения: 07.01.19. 18-24
8. 8.Михайлов О.В., Полосухин А.С. Анализ современного состояния многофункциональных систем безопасности шахты //Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды XIII международной научно-практической конференции -Кемерово: СО РАН, КемНЦ СО РАН, ИУУ СО РАН, Кузбасский государственный технический университет, ООО КВК «Экспо - Сибирь»,2011-429с. с. 36-39
REFERENCES
1. Umnov, A. E., Golik A. S. Paleev, D. Yu., the Prevention and containment of explosions in the underground.M.: Nedra, 1990.- 286p.
2. Rudenko Yu. f., Paleev, D. Yu., Krainov A. Yu, Interaction of shock wave with a water barrier and shatter-resistant jumper// Energy security of Russia. New approaches to the development of the coal industry: Proceedings of the X international scientific-practical conference -Kemerovo: IUU SB RAS,2008-306p.
3. 3.Paleev, D. Yu., Lukashev O. Yu., Vasenin I. M., Schrager E. R., Krainov A. Yu., Kosarenko V. N. The interaction of shock wave with a cloud of methane inhibitor powder// high technologies of development and utilization of mineral resources : scientific. journal / Sib.state industry. University; under the General editorship of V. N. Franova.- Novokuznetsk, 2017.- No. 3,P. 377-381
4. 4. Paleev, D. Yu., Lukashev O. Yu., Vasenin I. M., Schrager E. R., Krainov A. Yu., Kosarenko V. N. The interaction of shock waves of methane with water barrier// high technologies of development and utilization of mineral resources : scientific. journal / Sib.state industry. University; under the General editorship of V. N. Franova.- Novokuznetsk, 2017.- No. 3,P. 381-384
5. 5. Paleev, D. Yu., Lukashev O. Yu., Vasenin I. M., Schrager E. R., Krainov A. Yu., Kosarenko V. N. The energy dissipation of a shock wave with a water barrier in the explosion of a layered accumulation of methane// high technologies of development and utilization of mineral resources : scientific. journal / Sib.state industry. University; under the General editorship of V. N. Franova.- Novokuznetsk, 2017.- No. 3,P. 385-389
6. 6.GOST R 55154-2012 mining Equipment. Coal mine safety systems are multifunctional. General technical requirements. National standard of the Russian Federation. Date of introduction 2014-01-01
7. 7.Website: dprom.onlin .Security. The development of multi-security systems.VaganovV. S.
8. [text] date accessed: 07.01.19. 18-24
9. 8.Mikhailov, O. V., Polosukhin, A. S. analysis of the current state of multifunctional mine safety systems. Energy security of Russia. New approaches to the development of the coal industry: Proceedings of the XIII international scientific and practical conference-Kemerovo: SB RAS, Kemnts SB RAS, IU SB RAS, Kuzbass state technical University, LLC KVK Expo -Siberia,2011 - 429s. C. 36-39
286с.
научно-технический журнал № 3-2019
ВЕСТНИК
