Параметры встречных потоков пожарных газов при авариях в шахтах

Создана программа для персональной ЭВМ, позволяющая автоматизировать расчет основных параметров встречных потоков пожарных газов совместно с решением задачи воздухораспределения в сети горных выработок. Приведена блок-схема расчета зоны распространения ядовитых газов. Использование этой программы позволяет определить наиболее опасные участки шахты и уточнить положение мест расстановки датчиков УТАС (унифицированной телекоммуникационной системы диспетчерского контроля и автоматизированного управления горными машинами и технологическими комплексами).

Ключевые слова: параметры вентиляции, аварии на шахтах, автоматизация расчета, конвективные потоки, телекоммуникационная система. шахта воздухораспределение конвективный пожар При тушении пожаров часто с помощью вентиляционных маневров сокращают объем подаваемого воздуха на аварийный участок для снижения интенсивности горения. Скорость воздушной струи может уменьшаться и вследствие увеличения естественной тяги. В таких условиях под кровлей горных выработок образуются встречные конвективные потоки газовоздушной смеси, поскольку при малых скоростях воздуха нагретые газы не успевают смешиваться с воздушным потоком и могут двигаться ему навстречу. Ядовитые продукты горения со встречным конвективным потоком могут попасть в выработки со свежей струей воздуха, примыкающие к аварийной, и распространиться дальше по сети. Концентрация оксида углерода и других вредных примесей может достигать опасных пределов в выработках по ходу струи, исходящей из аварийного участка, и в расположенных на свежей струе, где могут быть люди.

Эйснер и Смит [12] упоминают о взрыве и последующем пожаре на шахте Whitehaven (1910), когда продукты горения распространились навстречу вентиляционной струе на 335 м, погибли 86 человек. Эти же авторы наблюдали случай, когда при небольшом пожаре на конвейере образовался встречный шлейф пожарных газов длиной 90 м (скорость вентиляционной струи при этом была около 0,25 м/с). Вынос продуктов горения нагретыми газами навстречу свежей струе воздуха неоднократно фиксировался в ходе ликвидации пожаров на шахтах [6] и в дорожных тоннелях [13]. В ходе экспериментальных исследований, проведенных в штольне НИИГД, С. Н. Осипов и В. М. Жадан отмечали, что «при скорости вентиляционной струи 3,1 м/с движения дыма (пожарных газов) навстречу вентиляционному потоку почти не наблюдалось. При малой же скорости вентиляционной струи конвективные потоки отходят очень далеко от места горения» [7].

Возможность образования конвективных потоков нагретых газов и загазирование горных выработок в аварийных условиях необходимо учитывать при выборе методов и средств тушения пожара, на этапе разработки планов ликвидации аварий для определения безопасных путей выхода людей и расчета маршрутов отделений горноспасателей.

Поиску закономерностей образования и распространения конвективных потоков газов в подземных выработках посвящено много исследований [1, 3, 5, 8, 9, 14]. В работах [1, 5, 14] предложено объяснение данного явления и описание процессов в основном на качественном уровне. Расчетная методика, основанная на эмпирических зависимостях, содержит ряд неточностей, имеет ограниченную область применения и не позволяет оценить влияние встречного потока на вентиляционную сеть. На практике она не используется из-за своей сложности.

Позднее в работе [8] сформулирована в общем виде задача взаимодействия различных источников тяги, действующих в горных выработках. Система уравнений, приведенная в статье [8], позволяет определить распределение скоростей воздушного потока по длине и сечению выработок для известного поля температур. В дальнейшем [3, 9] было получено решение данной задачи с учетом изменения температуры вдоль выработки. В работе [3] предложены аналитические зависимости для расчета поперечной составляющей скорости потока и длины встречного шлейфа пожарных газов с учетом высоты и угла наклона выработки, направления и скорости вентиляционной струи, температуры в зоне горения.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, распространение пожарных газов по горным выработкам зависит от многих факторов: вида и объема горящих материалов, времени горения, расхода воздуха, наклона аварийной выработки, её геометрических размеров и др.

С целью автоматизации расчета параметров конвективных потоков разработана специальная программа для операционных систем Windows, интегрированная в комплекс программ «Вентиляция шахт», фрагмент интерфейса которой приведен на рис. 1.

Рис. 1. Диалоговое окно ввода исходных данных и представления результатов для программы моделирования пожара с учетом конвективных потоков.

Моделируется пожар в конвейерном уклоне с нисходящим проветриванием, угол наклона 7,7°. Пожарная нагрузка — резинотросовая лента шириной 1 м и горючая затяжка; очаг пожара расположен в 20 м от начального узла выработки.

На первом этапе рассчитывают распределение воздуха в сети до пожара, а также вводят данные о геометрических параметрах аварийной выработки (считываются из базы данных) и ее пожарной нагрузке. Значение максимальной температуры в зоне горения уточняет технолог и вводит в соответствующее поле экранной формы или его принимают по рекомендациям [7]. Оценивают дальность распространения пожара на момент времени ф, затем рассчитывают параметры распределения температуры вдоль пожарной выработки.

По найденной зависимости для температуры с помощью формулы прямоугольников [11] находят среднеинтегральный и среднегармонический коэффициенты плотности:

.

(1).

где L — длина выработки, м;

T — абсолютная температура, К;

Т 0 — температура воздуха при нормальных условиях, К;

x — продольная координата, м;

n — количество разбиений;

— шаг.

Определяют тепловую депрессию и корректируют значение аэродинамического сопротивления пожарной ветви:

. (2).

В тех случаях, когда пожарные газы не успевают достаточно охладиться в аварийной ветви (она слишком короткая или очаг пожара расположен близко к конечному узлу), они вызывают заметное изменение температуры в последующих выработках. Это приводит к образованию дополнительной депрессии пожара и дополнительного аэродинамического сопротивления. Чтобы с большей точностью учесть влияние пожара на проветривание, в программе предусмотрен расчет тепловой депрессии и уточнение сопротивления выработок, следующих за аварийной по ходу вентиляционной струи.

С учетом параметров пожара рассчитывают воздухораспределение в сети. По полученному значению скорости воздуха и другим параметрам аварийной выработки оценивают возможность образования встречного конвективного потока, рассчитывают характеризующие его величины. Определяют длину шлейфа пожарных газов. Если она превышает расстояние от начального узла аварийной выработки до очага пожара, распространение пожарных газов по выработкам зависит от схемы соединения выработок в начальном узле. Если в этом узле потоки сходятся (рис. 2, а), то зону распространения пожарных газов образуют выработки на исходящей из очага струе.

Рис. 2. Варианты соединения выработок: а — потоки сходятся в узле; б — потоки выходят из узла

В случае же, когда есть выработки, кроме аварийной, выходящие из ее начального узла (рис. 2, б), оценивают объем пожарных газов, поступающих с конвективным потоком в начальный узел в единицу времени:

(3).

где Qк — объем газа, поступающего с конвективным потоком к началу выработки в единицу времени, м³/с;

— средняя скорость в конвективном потоке у начального узла выработки, м/с;

Lґ — расстояние от начального узла выработки до места возгорания, м;

b — ширина конвективного потока (ширина выработки), м;

Hґ(-Lґ) — толщина слоя продуктов горения у начального узла, м.

Рассчитанный приток пожарных газов в начальный узел выработки позволяет определить объем вредной примеси (например, оксида углерода), поступающей в него с конвективным потоком. Для этого необходимо дополнительно оценить ожидаемую концентрацию примеси в потоке. В программе производится расчет концентрации примеси во встречном потоке из предположения, что продукты горения распределяются между основным (исходящим из аварийной ветви) и встречным конвективным потоком пропорционально их объемам:

(4).

где Qав — расход воздуха в аварийной выработке, м³/с;

Сав — объемная доля примеси;

q — объем примеси, поступающей к началу выработки в единицу.

времени, м³/с.

Далее во всех выработках сети определяют концентрации примеси, как описано в работе [2].

Алгоритм определения зоны распространения пожарных газов приведен на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема расчета зоны распространения пожарных газов

По исходным данным (см. рис. 1) выполнен прогноз ситуации через 40 мин с момента воспламенения. По расчету: пожар распространится по выработке на расстояние около 11 м, тепловая депрессия H_e = 17,94 даПа, коэффициент изменения аэродинамического сопротивления k_Г = 2,2, расход воздуха в аварийной ветви Q_ав = 9,0 м³/с (скорость воздуха сократится до u₁=0,69 м/с). Определена вероятная длина шлейфа: 71 м. Так как она больше расстояния от начала выработки до очага пожара, существует опасность попадания пожарных газов в выработки, примыкающие к аварийной со стороны свежей струи. В программе рассчитывают объем газа, поступающего с конвективным потоком в начальный узел аварийной выработки, и определяют долю примеси во всех ветвях сети.

Результаты решения задачи по программе могут быть представлены в виде таблицы и графически. На схеме [10] (рис. 4) в выработках показаны рассчитанные доли оксида углерода.

Рис. 4. Фрагмент схемы вентиляции. Выделена зона пожарных газов, определенная с учетом действия конвективного потока

Доля примеси передается цветом: превышает 0,4% - красный цвет; 0,2…0,4% - оранжевый; 0,1…0,2 — розовый; 0,04…0,1 — желтый; 0,01…0,04 — зеленый; меньше 0,01 — белый.

По справочным данным [4], после нескольких часов пребывания человека в среде, где доля оксида углерода 0,016%, появляются слабые признаки отравления. При доле СО, равной 0,048%, слабое отравление появляется через 1 ч; при доле оксида углерода 0,128% по объему тяжелое отравление наступает через 1…2 ч, а доля СО, равная 0,4%, смертельно опасна даже при кратковременном воздействии.

Для сравнения на рис. 5 приведена зона пожарных газов, рассчитанная для этого же случая без учета действия конвективных потоков. В этом случае предполагается, что продукты горения распространяются только по направлению вентиляционной струи. Как видно из схемы, при этом выработки, примыкающие к лаве № 594, считаются безопасными. В то же время метод расчета, учитывающий образование конвективных потоков, показывает, что в эти выработки попадает оксид углерода в таком объеме, который может вызвать тяжелое отравление.

Рис. 5. Результаты определения зоны пожарных газов без учета конвекции

Разработанная программа для ПЭВМ облегчает анализ аварийных ситуаций. Расчет параметров конвективных потоков совместно с решением задач воздухораспределения в сети горных выработок [10] позволяет выделить наиболее опасные участки горных выработок и уточнить места расстановки датчиков системы УТАС. Возможность образования встречных потоков необходимо учитывать и при разработке планов ликвидации аварий.

• 1. Воскобойников В. И. Опрокидывание вентиляционных струй в шахтах при пожарах в горизонтальных выработках / В. И. Воскобойников, А. К. Каратаев, В. В. Дебелый // Уголь. — 1974. — № 1. — С. 53−56.
• 2. Кравченко Н. М. Расчет концентраций пожарных газов в сети горных выработок шахт / Н. М. Кравченко // Проблемы охраны труда и техногенно-экологической безопасности: материалы 8-й Междунар. науч.-техн. конф. (1−4 окт. 2003 г.). — Севастополь, 2003. — С. 29−31.
• 3. Кравченко Н. М. Влияние поперечной составляющей температурного градиента на образование встречного потока пожарных газов /

Н.М. Кравченко // Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД. — Донецк, 2008. — Вып. 45. — С. 116−123.

• 4. Куликов Г. С. Справочник по вентиляции для младшего технического надзора шахт и рудников / Г. С. Куликов. — М.: Госгортехиздат, 1961. — 235 с.
• 5. Определение параметров встречного конвективного потока при пожаре в горной выработке / А. М. Устинов, Г. В. Калякин,

В.В. Кравчук, В. М. Татаренко // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1986. — № 2. — С. 94−96.

• 6. Опыт ликвидации сложных аварий на угольных шахтах Украины / Ю. А. Гладков, И. П. Белик, Н. И. Привалов и др. — Киев: Тэхника, 1992. — 192 с.
• 7. Осипов С. Н. Вентиляция шахт при подземных пожарах /

С.Н. Осипов, В. М. Жадан. — М.: Недра, 1973. — 152 с.

8. Пашковский П. С. Влияние различных источников тяги на воздухораспределение в горных выработках / П. С. Пашковский,.

Н.М. Кравченко // Науковий вісник УкрНДІПБ МВС України. — 2002. ;

№ 1 (5).- С. 161−165.

• 9. Пашковский П. С. Угроза проникновения пожарных газов навстречу свежей струе воздуха в выработках/ П. С. Пашковский, Н. М. Кравченко // Уголь Украины. — 2003. — № 1. — С.54 — 56.
• 10. Пашковский П. С. Моделирование на ЭВМ процесса распространения продуктов термодеструкции материалов в сети горных выработок / П. С. Пашковский, М. В. Кравченко, Н. М. Кравченко //
• 10-я сессия Международного бюро по горной теплофизике (14−18 февр.
• 2005 г.). — Гливице, Польша, 2005. — С. 561−564.
• 11. Смирнов В. И. Курс высшей математики / В. И. Смирнов: в 5 т.

Т. 1. М.: Наука, 1974. — 480 с.

• 12. Eisner H.S. Convection effects from underground fires / H.S. Eisner, P.B. Smith // Colliery Guardian. — 1954. — Vol. 189, N. 4879. — P. 311−315.
• 13. Kumar S. Mathematical Modelling of Fires in Road Tunnels /

S. Kumar, G. Cox // 5th Int. Symposium on Aerodynamics and Ventilation in Vehicle Tunnels. — 1985. — P. 61−76.

14. Raine E.J. Layering of firedamp in longwall workings / E.J. Raine // Trans. Inst. Min. Engng. — 1960. — Vol. 119, part. 10, July. — P. 89−94.