Разработка средств дистанционного тушения пожаров в длинных тупиковых выработках угольных шахт

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания безопасных условий при ведении горноспасательных работ по локализации и тушению пожаров в длинных тупиковых выработках угольных шахт.

Концентрация горных работ, применение на шахтах высокомеханизированных выемочных комплексов, приводят к необходимости проведения тупиковых выработок большой протяженности (500 м и более). На 01.01.2001 г. на шахтах Минуглепрома Украины было 115 (14,7%) таких выработок.

Сочетание неблагоприятных факторов, таких как высокое метановыделение, значительная пожарная загрузка, наличие источников воспламенения, а также сложные условия проветривания тупиковых подготовительных выработок определяют их повышенную пожароопасность.

Существующие способы и средства тушения пожаров в тупиковых выработках, особенно большой протяженности, не всегда являются эффективными. Около 25% возникающих в таких выработках пожаров изолируют, что приводит к нарушению сроков ввода в действие новых выемочных горизонтов, консервации уже подготовленных к выемке запасов угля, и потерям горного оборудования.

Анализ аварийности, содержания опубликованных по этой тематике результатов проведенных в Украине и за рубежом исследований [64] показывает, что в настоящее время тушение пожаров в тупиковых выработках является не решенной проблемой горноспасательного дела. Недостаточно исследованы вопросы дистанционного тушения очагов пожаров в тупиковых горных выработках протяженностью свыше 500 м с применением скважин и технологических трубопроводов. Между тем, дистанционный способ является единственно возможным при активном тушении пожаров в таких выработках.

В этой связи разработка способа дистанционного тушения пожаров в длинных тупиковых выработках, в том числе: создание надлежащих технических средств для реализации способа тушения пожарараскрытие особенностей транспортирования огнетушащих составов по технологическим трубопроводамобеспечение огнетушащей концентрации порошка для объемного тушения пожара в призабойном пространстве — является актуальной научнотехнической задачей, решение которой позволит повысить эффективность и безопасность ведения горных и аварийно-спасательных работ.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ НИИГД по программам: «Разработать тактику и технические средства ликвидации аварий в шахтах, ведения горноспасательных работ и спасения людей», «Создать и внедрить способы и средства активного тушения экзогенных пожаров в шахтах, инертизации атмосферы с целью предотвращения взрывов при тушении пожаров», а также НИР, выполненной по заказу ГХК «Красно дону го ль».

Цель работы — повышение безопасности ведения горноспасательных работ при ликвидации чрезвычайных ситуациях — пожаров в длинных тупиковых выработках.

Идея работы заключается в дистанционной подаче огнегасительных средств в очаг пожара по технологическим трубопроводам, оснащенными концевыми устройствами, открывающимися при заданной температуре.

Задачи исследования: проанализировать условия зарождения и развития очагов горениявыявить режимы транспортирования двухфазных смесей по технологическим трубопроводамразработать образцы оборудования для автономного и автоматического вскрытия технологических трубопроводов при ликвидации пожаров в длинных тупиковых выработках тактику применения разработанной техники.

Методы исследований. Комплексный подход к выполнению работы предусматривал использование следующих видов исследований: теоретические, основанные на фундаментальных положениях гидравлики и аэрогазодинамики транспортирования двухфазных смесей, анализе условий зарождения и развития очагов горениятеории упругости при математическом моделировании процесса деформирования узлов конструкций, содержащих термочувствительные элементыматематической статистике, теории подобия при изучении тепломассопереноса в призабойном пространстве;

— экспериментальные, включающие шахтные и полигонные исследования способов, режимов и средств доставки огнетушащего порошка по технологическим трубопроводам.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан метод расчета терморазрушаемых заглушек трубопроводов, позволяющий определять напряженно-деформированное состояние сферических мембран в зависимости от варьируемых в широком диапазоне величин: перепада температур, упругих свойств материала, геометрических параметров (толщина, радиус кривизны, радиус основания), граничных условий крепления основания и полюса.

2. Получены закономерности движения двухфазных смесей при пневмотранспортировании огнетушащего порошка по шахтным технологическим трубопроводам за счет энергетического баланса турбулентного потока в режимах «взвешенного» движения с подпиткой сжатым воздухом по длине трубопровода при использований поршневого эффекта порции порошка:.

3. Разработан новый материал с регулируемым пределом термопластичности (термопрочности), позволивший создать принципиально новые конструкции автоматических устройств для разгерметизации технологических трубопроводов и обеспечить их работу в автоматическом и дистанционно-управляемом режимах.

4. Установлены экспериментально-аналитическим способом оптимальные параметры подачи порций порошка и сжатого воздуха в трубопровод, что позволило довести дальность транспортирования порошка до 2000 м и более.

5. Разработан механизм процесса тушения пожара в забое тупиковой выработки струей порошка, подаваемого из технологического трубопровода, учитывающий горнотехнические условия призабойного пространства, скорость вентиляционного потока, время начала тушения, расход и способ подачи огнетушащего порошка, что позволило выбрать параметры дистанционного воздействия на очаг горения, обеспечивающие безопасность ведения горноспасательных работ в длинных тупиковых выработках. Научная новизна работы состоит в следующем: разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния сферических мембран, учитывающий динамику температуры, упругие свойства материала, его геометрические свойства, условия крепления основания и полюсаобоснован режим подачи огнетушащего порошка и сжатого воздуха по технологическим трубопроводам, обеспечивающим пневмотранспортирование смеси на заданное расстояние в поршневом режимесоздан новый материал с регулируемым в широком диапазоне, за счет изменения ингредиентов, пределом тепловой прочности, позволяющий разрабатывать устройства для автоматического и автономного дистанционного приведения в действие противопожарных системустановлены закономерности и взаимосвязи процессов развития пожаров в тупиковых выработках и тушения их огнетушащим составом, позволяющие обосновать технические и организационные решения по эффективному и безопасному ведению горноспасательных работ.

Научная новизна диссертационной работы подтверждена в Федеральном институте промышленной собственности Российской Федерации, выдавшем автору 3 приоритета на патент.

Достоверность научных положений подтверждается: обоснованностью принятых исходных предпосылок с использованием современных представлений о транспортировании двухфазных смесей, условий зарождения и развития очагов горения: удовлетворимой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований по теории упругости при математическом моделировании процесса деформирования узлов конструкций, содержащих термочувствительные элементыапробацией и внедрением разработанного способа и технических средств дистанционного тушения пожаров в ГХК Краснодону голь. Научное значение работы заключается: в получений численного решения системы уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние сферических мембран, учитывающих комбинацию температуры упругих свойств материалов и его геометрических параметровв установлении закономерностей интенсивности подачи огнетушащего порошка и сжатого воздуха от диаметра технологического трубопровода, что позволило обеспечить пожаротушащую концентрацию при дистанционном тушении по трубопроводу диаметром 100 мм на длину 1000 мв создании нового материала с регулируемым в широком диапазоне температур от -196 до +250°С, за счет изменения ингредиентов, пределом тепловой прочности, позволяющего разрабатывать устройства автоматического, и автономного действия;

Практическое значение работы сводится к разработке: методики определения параметров пожара в призабойной части тупиковой выработки и выборе режимов подачи огнегасительных средств для его тушенияизготовлению и внедрению новых конструкций концевых устройств автоматически открывающих технологический трубопровод при нагреве воздуха до заданной температуры или по управляющему сигналутехнических средств и способов дистанционного тушения подземных пожаров в тупиковых выработках, обеспечивающих безопасность горноспасательных работ.

Личный вклад автора состоит: в создании сплава способного разрушаться при заданной температурев определении эффективных режимов подачи двухфазных смесейв разработке устройств способных вскрывать технологические трубопроводы дистанционно в автоматическом режиме- 8 в разработке нормативных документов по тушению пожаров в угольных шахтах Донбассав обучении личного состава подразделений ГВ ГСС Украины при внедрении результатов работы по ликвидации пожаров на шахтах.

Реализация выводов и рекомендации работы. Основные научные положения работы вошли в отраслевые нормативно-технические документы:

— «Руководство по тушению пожаров в длинных тупиковых выработках» Донецк, НИИГД, 1997;36 е.;

— «Наставление по тушению пожаров в угольных шахтах» Донецк, НПО «Респиратор», 1998,-80с.;

Выводы и рекомендации диссертации используются в программах курсов: повышения квалификации среднего и старшего командного состава в Центре подготовки горноспасателей ГВ ГСС Украиныкафедры охраны труда Донецкого горнотехнического университета и Алчевского горно-металлургического института.

Апробация работы. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались на: заседаниях ученых советов НИИГД (1998г., 1999 г., 2000 г.) и МакНИИ (1889г., 2001 г.) — технических советов производственных объединений по добыче угля «Луганску голь» и «Краснодонуголь», штаба ГВ ГСС Донбасса (1997, 1998гг.) — международной научно-практической конференции «Пути развития горноспасательного дела» (Донецк, НПО «Респиратор», 1997 г.) — 5-й международной научно-технической конференции «Проблемы экологического мониторинга и охраны труда». (Севастополь, СГТУ, 1997 г.) — международной научно-практической конференции «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия» (Алчевск, ДГМИ, 1999 г.) — научной конференции МВД НИИПО (Киев, 2001 г.) — заседании технического совета в январе 2001 года Центрального штаба ВГСЧ России, в департаменте угольной промышленности России, в штабе ВГСЧ Ростовской области, горнотехнической инспекции Ростовуголь.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, из которых 3 приоритета на патент в Российской Федерации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ. Творческий вклад автора опубликованных работ состоит в том, что он провел анализ состояния вопросов, обосновал направления научного поиска, им выполнены теоретические и экспериментальные исследования, разработаны математические модели, произведена обработка и обобщение результатов экспериментов.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения. Она содержит 115 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 22 таблиц, список из 101 источника использованной литературы и одного приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в создании устройств для разгерметизации технологических трубопроводов, раскрытии особенностей формирования огнетушащей концентрации воздушно-порошковой смеси в призабойном пространстве, движения порошка в трубопроводах, разработке технологических приемов, обеспечивающих эффективные и безопасные действия при чрезвычайных ситуациях в шахтах, т. е. дистанционное тушение пожаров в тупиковых горных выработках угольных шахт.

Основные научные и практические результаты сводятся к следующему: Установлены закономерности и взаимосвязи процессов развития пожаров в тупиковых выработках и тушения их подаваемым из технологического трубопровода огнетушащим составом, позволившие обосновать технические и организационные решения по эффективному и безопасному ведению горноспасательных работ, выразившиеся в создании способа и технических средств дистанционного тушения подземных пожаров в тупиковых выработках.

Разработан новый метод расчета напряженно-деформированного состояния тонких сферических оболочек, учитывающий варьируемые в широком диапазоне величины: перепада температур, упругих свойств материала, геометрических параметров (толщина, радиус кривизны, радиус основания), граничных условий крепления основания и полюса. Результаты расчета позволяют определить параметры терморазрушаемых заглушек трубопроводов, разработать новые конструкции устройств автоматически открывающих технологический трубопровод при нагреве воздуха до заданной температуры.

Экспериментально установлено новое физическое явление, заключающееся в преобразовании со скоростью около 2 Мах кристаллической решетки монокристалла при диффузии термореактивных веществ. Создан новый монокристалл с пределом термопрочности, регулируемым соотношением ингредиентов, действующий в диапазоне температур -196.+250 °С. Разработаны.

103 и прошли испытания малоинерционные термочувствительные элементы для узлов разгерметизации технологических трубопроводов, основанные на использовании установленного явления.

Получены теоретически и экспериментально подтверждены закономерности движения двухфазных смесей при различных режимах пневмотранспортирования огнетушащего порошка по шахтным технологическим трубопроводам. Установлено, что огнетушащий порошок можно успешно транспортировать по трубопроводам диаметром 50. .100 мм на расстояние соответствующее протяженности существующих тупиковых выработок. Дальность доставки определяется диаметром, шероховатостью, наличием местных сопротивлений в трубопроводе, а также режимом и характером пневмотранспортирования, расходом порошка и сжатого воздуха. Наиболее приемлемым режимом подачи порошка по технологическим трубопроводам является пульсирующий поток.

Разработана методика предварительного выбора параметров дистанционного воздействия на очаг горения и предложения по совершенствованию тактико-технологической схемы «Состав и последовательность работ при ликвидации пожара в тупиковой выработке» (Приложение 20 к п. 131 Устава ГВГСС. 1997 г), обеспечивающие оперативность и безопасность ведения горноспасательных работ в длинных тупиковых выработках.

На основе созданного сплава способного разрушаться при достижении заданной температуры, разработаны, изготовлены и внедрены два устройства для автоматического вскрытия пожаротушащих систем. Вещество и устройство имеют приоритет • в Федеральном институте промышленной собственности Российской Федерации.

В 11-м западном конвейерном штреке пл. к5″ г. 717 г/ш им. «50-летия СССР», в 21-м восточном конвейерном штреке пласта 13 на шахте «Суходольская-Восточная» холдинга «Краснодонуголь» произведены опытно-промышленные использования технологии тушения пожаров в тупиковых выработках с использованием технологического трубопровода. Примененная тактикотехнологическая схема предполагает как подтапливание очага горения в призабойном пространстве, так и возможность подачи пены или диоксида углерода. Кроме того, предусмотрена секционная защита проложенного в выработке ленточного конвейера промежуточными автоматическими устройствами с пеногенераторами. Экономический эффект от применения технологии составил 240,7 тыс.грн. [64].