Возможности использования пожарных извещателей для обнаружения самовозгорания угля на ранних стадиях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Таблица 5

Прогнозные природные напряжения горного массива Коневинского месторождения

Глубина разработки, м Значение напряжений Основные факторы, влияющие на природное напряженное состояние и устойчивость пород

на средненапряженных участках, МПа на высоконапряженных участках, МПа

Ов Опр Оп Ов Опр Оп

100 -2,7 -3,2 -3,0 -2,7 -3,2 -3,0 Мерзлые породы и переходные зоны мерзлых пород в талые. Гористый рельеф. Локальные участки интенсивной трещинова-тости и обводненности

150 -4,0 -4,8 -4,4 -4,0 -4,8 -4,4

200 -5,4 -6,5 -5,9 -5,4 -6,5 -5,9

250 -6,8 -8,2 -7,5 -6,8 -8,2 -7,5

300 -8,1 -9,7 -8,9 -8,1 -9,7 -8,9

350 -9,5 -11,4 -10,5 -9,5 -11,4 -10,5

400 -10,8 -10,8 -17,3 -10,8 -27,0 -27,0 Талые породы. Локальные участки интенсивной трещиноватости и обводненности

450 -12,2 -12,2 -19,4 -12,2 -30,5 -30,5

500 -13,5 -13,5 -21,6 -13,5 -33,7 -33,7

550 -14,9 -14,9 -23,8 -14,9 -37,2 -37,2

600 -16,2 -16,2 -25,9 -16,2 -40,5 -40,5

ов = ^И; оПр = -о„ = -2,5 ов .

Таким образом, на основе обобщения ранее проведенных [2; 3] и настоящих исследований авторы уточнили матрицу прогнозных величин первоначальных напряжений горного массива для конкретных условий Коневинского месторождения (табл. 5).

Величины прогнозных природных напряжений и физико-механических свойств пород и руд рекомендуется использовать в качестве исходных геомеханических условий для расчетов параметров подземной геотехнологии на руднике. Расчеты параметров безопасных и эффективных подземных геотехнологий следует вести с учетом пространственного положения границ мерзлых пород, сезонных и постоянных пере-

ходных зон мерзлых пород в талые и талых пород. Также необходимо учитывать влияние на напряженное состояние горных пород и устойчивость горных выработок гористого рельефа земной поверхности, областей интенсивной трещиноватости, тектонических разломов, обводненных участков.

При понижении горных работ до глубины 400 м и более рекомендуется повторить натурные измерения напряжений, отбор образцов горных пород и анализ тектонической нарушенности на глубоких горизонтах с целью уточнения и корректировки геомеханических условий на руднике.

Статья поступила 29.10.2014 г.

Библиографический список

1. Влох В.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра, 1994. 208 с.

2. Сосновский Л.И., Сосновская Е.Л.,Сафьянов А.С. Исследование природных напряжений массива горных пород на золоторудном Коневинском месторождении / Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр.

Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. Вып. 13. С. 79-88. 3. Сосновская Е.Л., Ясыченко В.Б. Обоснование матрицы природных напряжений массива горных пород жильных месторождений Сибири и Дальнего Востока // Вестник ИрГТУ. 2011. № 11. С.74-78.

УДК 614.841.47

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ НА РАННИХ СТАДИЯХ

© Г.И. Смирнов1, С.С. Тимофеева2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрена возможность и сформулированы основные принципы создания экспертной системы на основе многофакторного моделирования пожаров. Разработана методика расчетов времени срабатывания пожарных изве-щателей, позволяющая оптимизировать выбор и размещение пожарных извещателей в зависимости от характеристик объекта защиты и имеющейся на объекте пожарной нагрузки. Приведен алгоритм создания системы противопожарной защиты на объекте.

1Смирнов Григорий Иванович, аспирант, e-mail: s011ma@rambler.ru Smirnov Grigoriy, Postgraduate, e-mail: s011ma@rambler.ru

2Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, зав. кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405106.

Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405106.

Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: пожарные извещатели; самовозгорание углей; пожарный риск; алгоритм системы противопожарной защиты.

FIRE DETECTOR APPLICABILITY FOR EARLY DETECTION OF COAL SPONTANEOUS COMBUSTION G.I. Smirnov, S.S. Timofeeva

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers the possibility and formulates the basic creation principles of an expert system based on multi-factor modeling of fires. The authors develop a procedure to calculate the actuation time of fire detectors that allows to optimize the selection and placement of fire detectors depending on the characteristics of the object of protection and its fire load. An algorithm for fire protection system creation at a plant is provided. 7 sources.

Key words: fire detectors; spontaneous combustion of coal; fire risk; algorithm of a fire protection system.

Начало любого пожара, как и каждое физическое явление, может быть идентифицировано по ряду факторов, которыми оно сопровождается. Все без исключения устройства обнаружения загораний являются устройствами для измерения соответствующих физических величин, связанных именно с этими факторами [2].

Первые автоматические системы обнаружения пожара появились в начале XIX в. и представляли собой натянутые под потолком в помещении шнуры, на которых висел колокол. В случае возникновения возгорания и повышения температуры веревка рвалась, и колокол извещал окружающих о случившемся [3].

С тех пор до настоящего времени разработано множество различных систем пожарной сигнализации, реагирующих на все регистрируемые факторы начала загорания, разработано множество методик и нормативных документов, регламентирующих их применение. Однако и сегодня как сами системы обнаружения пожаров, так и способы их использования все еще далеки от совершенства, о чем говорят многочисленные случаи несвоевременно обнаруженных начинающихся пожаров, ставших причиной человеческих жертв, воздействия на окружающую среду, разрушения материальных ценностей. Данный факт свидетельствует об актуальности работы по модернизации систем пожарной сигнализации.

Вопросы обеспечения пожарной безопасности, в том числе вопросы оптимизации выбора и размещения пожарных извещателей, необходимо решать с учетом прогнозирования возникновения и развития возможного пожара. Каждый пожар является событием уникальным, причем уникальным именно на ранней стадии развития, характеристики которой зависят от многих факторов, в первую очередь от пожарной нагрузки. Современное состояние науки и развития техники позволяет строить модели возникновения и развития пожаров, которые могли бы способствовать решению задачи оптимизации выбора вида и типа извещателей, а так же параметров их размещения.

Для извещателей разных видов и типов наиболее важными характеристиками, с помощью которых можно было бы сравнивать их эффективность, являются пороговые параметры фиксирования фактора пожара, инерционность и контролируемая зона. Исходя из это-

го необходимым условием решения многопараметрической задачи выбора извещателя является определение порогового времени срабатывания на основе информации о динамике контролируемого фактора пожара в месте расположения извещателя относительно очага загорания, характеристик помещения и условий развития пожара, особенно в начальной стадии. Эти условия, в свою очередь, зависят от физико-химических характеристик пожарной нагрузки и ее размещения. Таким образом, корректно сформулированная задача оптимального выбора и применения извещателя решается с двух сторон: рассчитывается время достижения порогового значения контролируемого фактора и время реакции извещателей, имеющих набор жестко заданных рабочих характеристик и особенностей исполнения.

Общие принципы автоматического обнаружения пожаров и загораний сформулированы достаточно давно, в настоящее время усилия разработчиков в основном направлены на реализацию этих принципов в конкретных технических решениях. Набор факторов пожаров, которые находят отражение в явлениях преобразования форм и состояний материи, достаточно хорошо изучен, создано множество регистрирующих изменения этих факторов устройств, которые успешно справляются с задачами обнаружения загораний. Поэтому сегодня количественный и качественный прогресс в разработках приборной базы позволяет говорить о возможности не только своевременного, но и раннего (и даже сверхраннего) обнаружения пожаров техническими средствами. На этом фоне возникает актуальная проблема, как эффективно реализовать накопленные технические возможности приборного обнаружения пожаров на конкретных объектах защиты. Без решения этой задачи дальнейшее совершенствование приборной базы не гарантирует успешного практического применения пожарных извещателей. Речь идет об оптимальном выборе одного из многих видов и типов извещателей на различных объектах защиты.

Целью настоящей работы является оценка возможности использования пожарных извещателей для обнаружения угля на ранних стадиях.

Ранее в работах Г.И. Смирнова [5-7] была рассмотрена возможность и сформулированы основные принципы создания экспертной системы на основе

многофакторного моделирования пожаров. Кроме того, разработана методика расчетов времени срабатывания пожарных извещателей, позволяющая оптимизировать выбор и размещение пожарных извещателей в зависимости от характеристик объекта защиты и имеющейся на объекте пожарной нагрузки.

Экспертная система применения пожарных извещателей может быть создана на основе многофакторного моделирования пожаров, а также разработки методик расчетов времени их срабатывания. Решение этих задач будет способствовать повышению надежности и быстродействия работы систем пожарной сигнализации и снижению пожарных рисков. Так как пожарные датчики позволяют проводить точечное, лучевое, объемное, пассивное и активное зондирование энергетического и материального пространства, то моделирование пожаров должно давать объективную информацию как о локальных, так и об усредненных показателях контролируемых последствий горения. Пространственное и для локальных объемов моделирование контролируемых факторов пожаров связано не только с макропоказателями очага горения, такими как мощность, интенсивность излучения, дымовая нагрузка, но также темпом и градиентами их изменений по высоте и в горизонтальных направлениях в помещении.

Для оценки эффективности применяемой пожарной сигнализации логично оперировать временными параметрами, поскольку, прежде всего, от своевременности срабатывания сигнализации зависит и время начала тушения, и, соответственно, масштабы ущерба от пожаров. В работе [6] представлены расчетные формулы для определения времени срабатывания извещателей:

- тепловых:

тТ =

1 пор

пор

14,4* (7-пор- 7Q)3/2* ft5/2

Л* ».„*Uu* 7

80,1* г*(г„ор- 7Q)3/2* ft3/2

Л* »m*QH* ГС* ( »л)2

, при r < 0,18 * h; , при r > 0,18 * h,

где тТпор - пороговое время срабатывания теплового извещателя, с; Тпор и Т„ - пороговая и начальная температура чувствительного элемента извещателя, К; h - расстояние от поверхности горения до гладкого потолка помещения, м; г - расстояние от оси конвективной колонки пожара до извещателя в плоскости

потолка, м; л - коэффициент полноты сгорания; -

2 1

массовая скорость выгорания, кг-м -с ; ç„ - низшая теплота сгорания, Дж-кг" ; г>л - линейная скорость развития пожара, м-с" ;

- дымовых точечного зондирования:

3 |Спор* V2* F0*0,5*ft

тД.т. =

Тпор V feA* *м* ГС * (»л)2 ;

- дымовых лучевого зондирования:

тД.л. =

пор

N

V * Цу/щф)

Л * рм * (л)2 * £ * ö"

где т^ор и т^ор - пороговое время срабатывания дымо-

.л

тпор

вых точечного и лучевого зондирования извещателей,

3

с; Спор - пороговая концентрация дыма, кг-м ; F„ -прямоугольная площадь, защищаемая одним извеща-телем дыма, м2; h - высота помещения, м; - коэффициент дымообразования, кг кг"1; рм - массовая ско-

"2 "1

рость выгорания, кг-м -с ; г>л - линейная скорость

развития пожара, м-с"1; V - объем, защищаемый од-

3

ним извещателем, м ; /пор и /„ - интенсивности зондирующего оптического луча, падающего на фотоэлемент при наличии и отсутствии дыма, лк; L - длина измерительного луча (или блокируемое извещателем расстояние), м; Dm - дымообразующая способность, м2-кг-1;

- извещателей пламени:

* ^пор

*(Г4- 7-п4Н) '

где тСор - пороговое время срабатывания извещателя пламени, с; Т и Тпн - температуры поверхностей излучателя и чувствительного элемента пожарного извещателя, К; г - расстояние от извещателя до источника пожара, м; г>л - линейная скорость развития пожара, м^с"1; дпор - пороговая облученность извещателя, Вт-м2, £пр - приведенная степень черноты в системе

«излучатель - приемник», а = ■

= 5,7-10-8

Дж-с~1-м~2-К~4 (где й - постоянная Планка; к - постоянная Больцмана; с - скорость света).

Для расчета времени срабатывания извещателя-газоанализатора тПОО, реагирующего на изменение концентрации моноксида углерода СО, воспользуемся методикой, изложенной в ГОСТе 12.1.004-91 [1]:

Г Is 1 ¡1 7*Хпор

4)р = Ь* in I1--р

Чп

где коэффициенты В, Д г,а также показатель степени п зависят от параметров защищаемого объекта и характеристик пожарной нагрузки; V - объем защища-

3

емого помещения, м ; Ь - удельный выход токсичных газов при сгорании 1 кг материала, кг/кг (для СО -0,043); Хпор - пороговое значение концентрации контролируемого газа, кг-м-3.

Согласно методике расчета пожарного риска [4], подставляя рассчитанные значения, получаем:

В = 4,03 * 105 * — , кг; А = 1,05 * * рл2, кг-с-3; он м л

г = 4,05; п = 3.

Окончательно получим

тГор° = 130,84 *

V

»m*V*QI

* in [l - 4,19 * 10"

3

г

С

тпор =

*

л

пр

2

Т

т

1

7

^пор*Фн1 1

-II1/;

Аналогично могут быть получены расчетные формулы для определения времени срабатывания газоанализаторов, реагирующие на другие характеристические газы, выделяющиеся при горении. Легко заметить, что пороговое время срабатывания пожарных извещателей однозначно зависит от критических параметров их чувствительных элементов, характеристик пожарной нагрузки, свойств окружающей среды, объема помещения, а также от особенностей размещения извещателей. Для получения более достоверных результатов необходимо построение сложной математической модели процессов, протекающих на ранней стадии пожара. Но, во-первых, еще нет единого мнения о протекании этих процессов, во-вторых, применение какой бы то ни было модели в реальных условиях не всегда возможно. Тем не менее, данный подход может быть реализован для составления рекомендаций по выбору типа, характеристик и параметров размещения извещателей в дополнение к имеющимся нормативным документам и уже существующим рекомендациям [5; 6].

Предлагаемый подход может быть применен для разработки схемы противопожарной защиты самых различных объектов, при этом необходимо иметь в виду и тот факт, что начальная стадия горения может значительно отличаться от уже развившегося пожара. Для оценки уровня пожарной опасности принято оперировать понятием пожарный риск. Существующие методики определения пожарного риска применяются, в основном, для оценки рисков уже случившегося пожара и оперируют понятиями опасных факторов пожара [4]. Следовательно, возникает задача разработки системы критериев для оценки рисков возникновения пожара в самой ранней стадии его проявления, когда становится возможной регистрация первичных признаков - контролируемых факторов пожара. После решения данной задачи появляется возможность оценить, вероятность какого из контролируемых признаков пожара наиболее высока.

Авторами данной статьи предполагается создание технологии ранней диагностики самовозгорания углей на разных стадиях технологического цикла - от добычи, транспортирования и до сжигания. Под самовозгоранием углей понимают их воспламенение в результате самонагревания. Главной причиной самовозгорания углей является адсорбция ими кислорода и повышение температуры за счет длительного протекания в угле химических реакций с образованием продуктов окисления, полуокисления и т.п. Склонность угля к самовозгоранию зависит и от интенсивности притока кислорода из атмосферы воздуха, характера затрудненности отдачи тепла в окружающую среду. Если выделяющееся тепло не рассеивается с достаточной быстротой в окружающее пространство, то температура может достичь такого предела (80-90°С), что уголь загорится.

В подземных горных выработках опасными очага-

ми возможных пожаров могут являться:

- завалы очистных горных выработок с оставшимися угольными пачками в кровле или почве, а также недостаточной зачисткой угольной мелочи;

- участки с подработанными вышележащими угольными пластами;

- зоны тектонических нарушений с трещиноватыми и раздавленными углями.

Наиболее часто пожары возникают на пыльных пластах угля, причем они нередко сопровождаются взрывами угольной пыли. Установлено, что разность температур возгорания окисленного и неокисленного углей для углей, склонных к самовозгоранию, составляет 25-50°С. Показателем природной пожароопасно-сти служат такие факторы, как мощность пласта и угол падения. Мало пожароопасными являются пласты, у которых мощность составляет менее 2 м и угол падения менее 20 град. Возникновение эндогенных пожаров во многом определяется способами подготовки и системами разработки месторождений, режимом и схемами вентиляции и другими горнотехническими факторами. Если в пласте угля хотя бы одна пачка склонна к самовозгоранию, то весь пласт должен быть отнесен к самовозгорающимся.

Внешними признаками самонагревания и возникновения очага самовозгорания угля являются:

а) появление влажных пятен в штабеле, исчезающих с восходом солнца;

б) быстрое высыхание после дождя отдельных мест на штабеле с образованием сухих пятен;

в) появление проталин на снежном покрове штабеля или изменение оттенка снега в отдельных местах;

г) появление белого или голубоватого дыма над штабелем, а также запаха углеводородов и сернистых соединений.

В качестве основных мероприятий для предотвращения самовозгорания углей при хранении нормами устанавливаются:

- ограничение высоты штабелей угля;

- уплотнение угля в штабелях с целью воспрепятствования проникновению воздуха.

Для своевременного обнаружения признаков возможного саморазогревания и самовозгорания углей должно вестись регулярное наблюдение за состоянием угольных штабелей. Частота осмотров штабелей в месяц составляет: для углей I и II групп - 2 раза, для углей III группы - 4-5 раз, для углей IV группы -12-13 раз.

Предлагается создать систему противопожарной защиты на основе следующего алгоритма:

1. Оценка рисков возникновения пожара с выбором наиболее вероятных проявлений его первичных признаков.

2. Выбор типа извещателя.

3. Проверка соответствия нормативным документам.

4. Проектирование размещения в соответствии с нормативами.

5. Расчет времени срабатывания.

6. Разработка рекомендаций в случае несоответ-

L

ствия требованиям п. 5.

Предложенный алгоритм может быть практически реализован как в форме методики по его применению, так и путем разработки программных средств. Приме-

нение подобного алгоритма не противоречит нормативным документам и может способствовать снижению пожарных рисков.

Статья поступила 13.10.2014 г.

Библиографический список

1. ГОСТ 12.1.004-91. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования; утв. и введен в действие постановл. Гос. комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 14.06.91 № 875.

2. Акимов НА., Лесных В.В., Радаев Н.Н. Основы анализа и управления риском в природной и техногенной сферах: учеб. пособие. М.: Деловой экспресс, 2004. 352 с.

3. История систем пожарной сигнализации // Спецавтоматика. Комплексные системы безопасности [Электронный ресурс]. URL: http://spec-avtomatica.ru/info/37-istoriya-sistem-pozharnoy-signalizacii.html

4. Расчет динамики развития опасных факторов пожара [Электронный ресурс]. URL: http://apsplus.narod.ru/OFP.htm

5. Смирнов Г.И., Черных И.В. Эскиз экспертной системы

выбора вида и типа пожарных извещателей // Проблемы деятельности Государственной противопожарной службы регионов Сибири и Дальнего Востока: мат-лы I Сибирской науч.-практ. конф. (Иркутск, 25-26 марта 1998 г.). Иркутск: Изд-во ОНиРИО ВСИ МВД РФ, 1998. С. 113-116.

6. Смирнов Г.И., Тивина Е.И., Черных И.В. Формирование принципов расчетно-аналитического обоснования выбора пожарных извещателей // Вестник Восточно-Сибирского института МВД России. 1998. № 1 (4). С. 66-77.

7. Смирнов Г.И., Черных И.В. Современное состояние и направления развития приборной базы автоматического обнаружения пожаров // Вестник Восточно-Сибирского института МВД России. 1998. № 1 (4). С. 77-88.

УДК 621.926.47

АНАЛИЗ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТА РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ПОРОДЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ИХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ В ПОРШНЕВОМ ПРЕССЕ

А

© П.К. Федотов1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведено теоретическое обоснование возможности оценки производительности аппарата в технологическом процессе дробления горной породы, основным параметром которой является гранулометрическая характеристика. Данная характеристика для каждого отдельного куска породы зависит от величины и градиента потенциальной энергии деформации. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: пресс; метод конечных элементов; дробление; гранулометрическая характеристика.

ANALYSIS OF GRANULOMETRIC CHARACTERISTICS OF ROCK SAMPLE DESTRUCTION PRODUCTS WITH REGARD TO THEIR STRESS-STRAIN STATE UNDER DISINTEGRATION IN A PISTON PRESS P.K. Fedotov

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The significance of the work lies in the theoretical substantiation of the possibility of assessing device performance in the technological process of crushing rocks, whose main parameter is granulometric characteristic. The last depends on the size and gradient of the potential deformation energy for any individual piece of rock. 3 figures. 2 figures. 5 sources.

Key words: press; finite element method; crushing; granulometric characteristic.

Лабораторные исследования закономерностей процесса деформирования и дробления кусков горных пород построены главным образом на опыте одноосного сжатия образцов породы, которые имеют правильную (стандартную)2 форму в виде кубов (параллелепипедов с квадратным основанием) или цилиндров. Теории дробления соответствуют тому или иному процессу разрушения в зависимости от параметров

исходного гранулометрического состава породы и для различных условий дробления.

Исследования на образцах показывают, что получаемые закономерности достаточно устойчивы и позволяют проводить формализацию процесса дробления пород с удовлетворительной для практики точностью. Основной закономерностью здесь является зависимость гранулометрических параметров дробле-

1Федотов Павел Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии, тел.: 89149278978, e-mail: fedotovpavel@yandex.ru

Fedotov Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mineral Processing and Engineering Ecology, tel.: 8149278978, e-mail: fedotovpavel@yandex.ru

2Согласно ГОСТу 5219-50. Камни естественные для морских гидротехнических сооружений.