CC BY
46
-------------------------------- © В.К. Костенко, Т.В. Костенко,
2005
УДК 622.822(088.8)
В.К. Костенко, Т.В. Костенко
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИ ИНЕРТИЗАЦИИ ВОЗДУХА В ГОРНАХ ВЫРАБОТКАХ
Государственная военизированная горноспасательная служба Министерства топлива и энергетики Украины (ГВГСС) ежегодное принимает участие в ликвидации 73-210 аварий со значительными разрушениями и травмами (в том числе смертельными) людей. Большинство подземных аварий, ликвидированных ГВГСС, связано с пожарами, удельный вес которых составляет 54 % (рис. 1), с обрушениями горных пород (22,5 %) и загазованностью (7,7 %). При объеме добычи угля составляющем 2 % от мирового, количество аварий 1-й категории, связанных с пожарами, взрывами газа и пыли на украинских шахтах составляет 37 % от общего количества в угольной промышленности всех стран мира.
На протяжении последних пятнадцати лет в шахтах Украины ежегодно регистрировали от 6 до 36 эндогенных пожаров. Активным способом было погашено 36 %, изолировано - 59%, комбинированным способом ликвидировано 5 % пожаров. Они стабильно остаются на втором месте, после экзогенных пожаров, по количеству и на первом за размером нанесенных ущербов, которые достигали от 12 до 40 % от потерь, причиненных авариями в угольной промышленности (например, в 1999 году составили 21,4 % или около 8 млн. гривень). Кроме прямых убытков, связанных с потерей техники, горных выработок и подготовленных к выемке запасов угля, в интенсивно отрабатываемых выемочных полях особенно большие убытки связаны с простоями лав или несвоевременной подготовкой фронта очистных работ. За последние годы эндогенными пожарами были выведены из эксплуатации или осложнена подготовка самых продуктивных в Украине выемочных полей на
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Рис.
шахтах: "Привольнянская", им. А.Ф. Засядько, им. Г.Г. Капустина, "Самсоновская-Западная" и др.
Эндогенные пожары возникают из-за самонагревания угля в труднодоступных местах, таких как выработанное пространство, в целиках, за крепью подготовительных выработок. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловленная самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий. Наметилась тенденция к увеличению продолжительности и трудоемкости их тушения. В этой ситуации предотвращение или ограничение до безопасных пределов самонагревания угля - самый перспективный путь борьбы с эндогенными пожарами.
Одним из наиболее перспективных способов предупреждения, локализации и тушения пожаров в шахтах является инертизация атмосферы аварийного участка, под которой понимают искусственное снижение концентрации кислорода в атмосфере горных выработок путем подачи у него инертного газа. Инертизациия с помощью газообразного азота позволяет решить следующие задачи в ходе ликвидации подземного пожара: сократить срок ликвидации аварии; предотвратить взрывы газовоздушной смеси на аварийном участке; ускорить охлаждения высокотемпературной зоны до безо-
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
I □ Экзогенные пожары □ Эндогенные пожары I
1. Динамика пожаров в угольных шахтах Украины
6
7
пасного уровня; сократить к минимуму или полностью прекратить процесс горения.
Рекомендуется применять газообразный азот в следующих случаях:
• при изоляции пожарных участков, а также при изоляции в сочетании с разными способами ускорения процесса охлаждение очага пожара (рециркуляция, периодическое изменение направления движения пожарных газов и т.д.) для предупреждения взрывов и прекращения горения:
• при ликвидации пожаров в горизонтальных тупиковых выработках любой длины, в случае подачи азота в тупиковую часть по трубопроводу (возможен вариант подачи азота через вентиляторы местного проветривания и вентиляционные трубопроводы);
• при ведении взрывных работ в горных выработках для создания инертной среды в месте производства взрыва;
• для предупреждения эндогенных пожаров в скоплениях угля, которые образовались в результате внезапных выбросов.
Способы и средства подачи азота выбирают, исходя из горнотехнических условий, наличия технических средств подачи азота, принятой технологической схемы выпуска его в горные выработки аварийного участка и избранного способа ликвидации аварии. Для этого, как правило, используют жидкий азот и установки для его газификации. Применение жидкого азота сдерживают присущие этой технологии недостатки: необходимость применять сложное дорогостоящее криогенное оборудование; сложность и дороговизна транспортировки и хранения, значительные потери при этом; затраты энергии на газификацию и др.
Более прогрессивным представляется способ получения газообразного азота непосредственно на шахте с помощью устройств, разделяющих воздух на составляющие его компоненты - газоразделительных станций. Научные основы этой технологии были разработаны в НПО «Респиратор», а в научно-исследовательском институте горной механики им М.М. Федорова с участием других украинских исследовательских организаций и производственных предприятий создана мощная передвижная установка типа АМГП-15/0,7СУ1 (таблица). Она предназначена для получения из атмосферного воздуха газообразного азота, который используется для предупреждения, локализации и гашения подземных пожаров в шахтах, обеспечения безопасности ведения горных работ, а также
для других пожаровзрывобезопасных технологий в народном хозяйстве.
Основные технические данные установки типа АМГП-15/0,7СУ1
Наименование параметра, размерность Значение
Всасываемый газ Атмосферный воздух
Производительность винтового компрессорного агрегата, приведенная к нормальным условиям, м3/мин 40 ± 2
Давление начальное, номинальное, МПа (кгс/см2) 0,101 (1,033)
Давление конечное, номинальное, МПа (кгс/см2) 1,1 (11)
Производительность станции по азоту на выходе из мембранного модуля при концентрации азота 95 %, м3/мин 15 ± 2
Концентрация азота на выходе из станции, % 95,5
Давление азота на выходе, номинальное, МПа (кгс/см2) 0,8 (8)
Масса станции в снабженном состоянии, кг, не более 32000
Средняя наработка на отказ, ч, не менее 3000
Средний ресурс до капитального ремонта, ч, не менее 20000
Основными элементами установки являются мембранные газоразделительные аппараты, которые составляют единый блок (батарею). Аппараты работают по методу мембранного деления, суть которого состоит в разной скорости прохождения газов через плоскую полимерную перегородку за счет перепада парциальных давлений.
Атмосферный воздух сжимается компрессором до рабочего давления и подается в блок очистки, где отделяются капельная влага и масло, потом он поступает в фильтр-адсорбер, где отдаляются пары масла. Очищенный воздух поступает в мембранный блок, где за счет перепада парциальных давлений кислород проникает под мембрану и выбрасывается в атмосферу, азот - подается потребителю. С помощью регулирующего вентиля осуществляется изменение расхода и концентрации азота.
Азотно-компрессорная станция устанавливается на поверхности шахты и соединяется специально проложенным или технологическим шахтным трубопроводом с аварийным участком.
Рис. 2. Схема подачи инертного газа к очагу горения (а) и распределение давления газа (б) в выработке: Рв Ри - соответственно давление воздуха до и позади изолирующей перемычки
а
б
В зависимости от горнотехнических условий, имеющихся технических средств подачи азота и принятой схемы выпуска его в изолированное пространство определяется соответствующий порядок работы азотно-компрессорной станции и подготовительных операций, связанных с доставкой газообразного азота в аварийный участок.
Шахтный технологический трубопровод специально готовят для подачи газообразного азота. С этой целью все ответвления (трубопроводы, которые идут на другие участки, отводы) от основной магистрали перекрывают и на каждом отводе устанавливают заглушки. Это делается для предотвращения утечек азота и загази-рования им других эксплуатационных участков шахты.
Перед подачей азота осматривают трубопровод и устраняют выявленные неисправности. После этого осуществляют пробный выпуск азота, выявляют местные утечки и устраняют их. По соответствующим методикам рассчитываются параметры подачи азота в аварийный участок. При этом подача азота может осуществляться со стороны откаточного или венти-ляционного горизонтов, через
проемы в изолирующих перемычках, а также по буровым скважинам, пройденным с поверхности в изолированный пожарный участок.
Однако, опыт применения газоразделительных установок при ликвидации подземных аварий на шахтах им. А.Ф. Засядько в Донецке, им. Ф.Э. Дзержинского ГП «Ровенькиантрацит» и других показал, что добиться эффективного подавления очагов горения с их помощью не удается.
Проблема заключается в том, что в полученном из работающих в оптимальном режиме мембранных установок азоте содержится до пяти процентов кислорода. Кроме того, в изолированный объем поступает в виде утечек воздух, который фильтруется через тело перемычки и трещины во вмещающих выработку породах (рис. 2). Концентрация кислорода в изолированном перемычками объеме увеличивается до 10 % и более. Таким образом, не обеспечивается необходимый для подавления тлеющего горения состав газовой смеси, в которой содержание кислорода не должно превышать 1-2 %.
Обеспечить рациональный режим инертизации изолированного объема горных выработок представляется возможным за счет использования энергии потока инертного газа, поступающего от мембранной установки. Для этого в выработке возводят дополнительную изолирующую перемычку, а от трубопровода для подачи азота делают ответвление, через которое газ поступает в пространство (камеру) между двумя перемычками (рис. 3).
Давление азота в трубопроводе достигает одного МПа (см. таблицу) и намного превышает воздушный напор на перемычку, составляющий несколько десятков даПа. Когда камера заполняется азотом, подачу его через ответвление регулируют таким образом, чтобы выровнять давление в выработке со стороны поступающей свежей воздушной струи и между перемычками. В этой ситуации отсутствуют подсосы воздуха через перемычку в камеру.
Перепад давлений перераспределяется на участок выработки, разделенный дополнительной перемычкой по обе ее стороны которой находится азот, он же составляет вещество утечек. Таким образом, исключаются подсосы воздуха в изолированную выработку.
Рис.3. Схема подачи инертного газа к очагу горения с предотвращением утечек воздуха (а) и распределение давления газа (б) в выработке при новом (сплошная) и старом (пунктир) способах инертизации: Рв, Ри, - соответственно газовое давление до и позади изолирующей перемычки; Р1 - газовое давление позади изолирующей перемычки при существующем способе
а
б
После заполнения азотом участка аварийной выработки между перемычками и очагом самонагревания или горения, интенсивность подачи инертного газа можно сократить. Этим обеспечивается такой режим работы газоразделительной установки, при котором снижается до минимума содержание кислорода в составе вырабатываемой инертной смеси.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Костенко В.К. - кандидат технических наук,
Костенко Т.В.,
Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина.
