Обеспечение эффективности тушения экзогенных пожаров в угольных шахтах

Ю.Ф. Булгаков, директор Института горного дела и геологии при НТУ (Донецк)

С.Ю. Варшавский, главный специалист по оперативной работе ОАО «ВГСЧ»

Решение проблемы обеспечения эффективности тушения экзогенных пожаров в угольных шахтах неразрывно связано с прогрессом в создании современных технических средств и способов пожаротушения. Важное значение в этой связи приобретают принципы подхода к разработке и проектированию изделий противопожарного назначения, конструкция которых должна постоянно совершенствоваться по мере осложнения горнотехнических и горно-геологических условий добычи угля.

Ксожалению, не всегда разрабатываемые технические средства пожаротушения соответствуют действующим нормативным требованиям и правилам техники безопасности. Зачастую это обусловлено тем, что разработчики изделий противопожарного назначения вынуждены одновременно решать две задачи – получить максимальный огнетушащий эффект и обеспечить минимальные материальные затраты на разработку и изготовление новой техники. Для решения первой задачи необходимо знать причины возникновения и характер развития пожара, иметь достоверные данные об изменениях его параметров с тем, чтобы управлять ими с помощью технических средств и способов пожаротушения. Вторая, экономическая задача, заключается в нахождении оптимального решения из множества возможных вариантов. Эта задача усложняется необходимостью учета большого количества технико-экономических и социальных факторов, среди которых особое место занимает эффективность и безопасность применения изделий противопожарного назначения.

Как правило, указанные факторы закладываются в техническую документацию и оцениваются разработчиками на этапе создания макетных и экспериментальных образцов изделий. Испытания проводят в лабораторных и полигонных условиях по стандартным методикам, после чего корректируется конструкторская документация с учетом выявленных технических недостатков. В соответствии с откорректированной конструкторской документацией заводы-изготовители выпускают опытную партию изделий, которые испытывают в шахтных условиях.

Основным комплексным показателем степени соответствия изделия своему прямому назначению является эффективность. Обычно при определении эффективности проектируемых средств противопожарной защиты используют различные аппроксимационные модели, основанные, как правило, на применении законов теории вероятности и математической статистики. Эти модели разрабатывают, предполагая, что процесс эксплуатации изделия определяется внешними причинами и зависит от внутреннего состояния системы. Очевидно, что современные средства тушения экзогенных пожаров представляют собой сложные инженернотехнические системы, состоящие из большого количества узлов и деталей, которые, в конечном счете, влияют на эффективность изделия в целом.

Комплексный показатель эффективности представляет собой количественное соотношение между приведенными затратами на разработку и изготовление изделия и возможным ущербом от пожара.

Этот показатель выражается в виде функциональной зависимости

 037 222(1)

где, (α1, α2, ...αn – параметры изделия; β1, β2,...βn– параметры среды; γ1, γ2, ...γn – приведенные затраты.

Показатель эффективности в данном случае выражается функционалом от процесса функционирования.

Обычно в практике разработки технических средств пожаротушения огнетушащую эффективность изделий определяют по соответствующим методикам. Говоря о безопасности тушения экзогенных пожаров в угольных шахтах, следует иметь в виду не абстрактную безопасность горнорабочих и горноспасателей, а безопасность, обеспеченную с помощью технических средств и способов путем снижения воздействия негативных факторов пожара и взрыва до нормативных значений, не оказывающих вредного воздействия на организм человека (на блок-схеме – gn; Vn; T).

Все переменные величины классифицированы по общим признакам на входные, внешние, выходные и управляющие. Входные величины представляют собой параметры развитого подземного пожара (тепловая мощность пожара gn, Дж/с; скорость распространения Vn, м/ч; температура пожарных газов Т на заданном расстоянии от очага пожара, °С).

Выходные параметры пожара регламентируются «Правилами безопасности в угольных шахтах» и «Уставом ВГСС по организации и ведению горноспасательных работ».

038

В качестве управляющих переменных принимаются параметры технических средств пожаротушения: вид огнетушащего вещества Вв; расход огнетушащего вещества Рв кг/с; огнетушащая эффективность конкретной установки по тушению модельного очага пожара Эу, м2. Внешними переменными, обеспечивающими нормальную работу установок пожаротушения будут: рабочее давление в баллонах Р, МПа; время возможной непрерывной работы Тн, ч; возможная дальность подачи огнетушащего вещества или состава L, м; интенсивность подачи огнетушащего вещества или состава на очаг пожара J, кг/м3с; запас огнетушащего вещества конкретной установки Зу, кг.

Для нормального функционирования системы управления, представленной на рисунке, необходимо знать не только начальные значения входящих параметров объекта управления, но и скорость изменения значении этих переменных, т.е. динамические характеристики процесса.

Данные о входных и выходных переменных объекта управления позволяют построить модель процесса тушения пожара с помощью конкретного технического средства или способа. Рассмотрим простейший случай построения модели процесса по одной из переменных на входе и выходе. Пусть на входе объекта управления имеем случайную функцию X, а на выходе – случайную функцию Y. Требуется определить вероятностные характеристики объекта.

Построенные по экспериментальным данным корреляционные Кхх и взаимные корреляционные Кух функции позволяют составить уравнение, описывающее динамику изменения объекта:

039(2)

где Кхх – корреляционная матрица, составленная по значениям ординат корреляционной функции входной случайной функции Х(t);

040

где Кij = Кij; Кij=Кхх(j–y); i,j=1, 2, 3,…, m; Кxy – матрицастолбец, элементами которой являются ординаты взаимной корреляционной функции входа и выхода;

041(3)

G – матрица-столбец, состоящая из элементов, представляющих собой значение ординат искомой весовой функции,

042(4)

Значение ординат весовой функции gi 1,2,3,m используются для дальнейшего моделирования и синтеза системы управления, выбора методов и параметров контроля, расчета точности и др.

Если путем идентификации по экспериментальным данным построить для стационарных линейных объектов аналитическую весовую функцию, то это позволит найти и другие важные характеристики объекта, например передаточную функцию G(р).

По известной весовой функции g(?) с помощью преобразования Лапласа находим:

043(5)

Если p=i?, то частотная характеристика объекта будет:

044(6)

В соответствии с передаточной функцией G(p) можно записать уравнение, описывающую динамику изменения объекта, в следующем виде:

045(7)

Изложенные принципы системного подхода позволят обосновать, выбор параметров технических средств и способов пожаротушения и обеспечить безопасность и эффективность ведения аварийно-спасательных работ.

Основными средствами пожарной безопасности угольных шахт в первоначальный период, как известно, являются огнетушители. Необходимость совершенствования существующих и созданием новых высокоэффективных первичных средств пожаротушения, позволяющих оперативно тушить очаги пожара в начальной стадии развития, предотвращая тем самым большие материальные убытки, задача для постоянного решения. Практика ведения горноспасательных работ и опыт применения огнетушителей ВГК шахт показали хорошую огнетушащую способность и подтвердили теоретически обоснованную целесообразность использования огнетушителей лишь в течение 15–30 мин с момента возникновения очага пожара. В дальнейшем, по мере развития пожара, эффективность применения огнетушителей значительно снижается и в действие должны вводиться более мощные средства пожаротушения.

Анализ аварийности на шахтах в течение последних лет показал, что активным способом было потушено около 60% от общего количества пожаров экзогенного происхождения, причем в начальной стадии, с использованием огнетушителей, лишь 10.2%.

Статистические данные по количеству пожаров, потушенных в стадии развития, занижены, так как при успешном тушении пожара силами ВГК шахт оперативные подразделения ВГСЧ не всегда привлекаются к ликвидации аварии, а пожары в этом случае не регистрируются в установленном порядке. Средняя длительность тушения пожаров в начальной стадии развития 1.0–1.3 час. Одновременно с применением огнетушителей в 30% случаев применялась вода, подаваемая из пожарно-оросительного трубопровода.

Современные шахтные огнетушители можно классифицировать по виду огнетушащего состава, его массе, виду энергоносителя. По виду огнетушащего состава они делятся на порошковые, пенные (воздушно-пенные), химические пенные, комбинированные. По массе огнетушащего вещества (состава): от 10 кг (ручные) до 100 кг (возимые). Вид энергоносителя: газы, образующиеся в результате химической реакции; сжатый воздух, содержащийся в специальном баллончике под высоким шипением (15–20 МПа); газ (обычно – диоксид углерода), заключенный в специальный баллончик; газогенерирующие устройства, содержащие заряд определенного химического состава.

Пенные и химические огнетушители в основном предназначены для тушения загораний твердых материалов органического происхождения, горючих жидкостей и плавящихся твердых веществ. В шахтных условиях они применяются для тушения деревянных элементов крепи, горюче-смазочных материалов, конвейерных лент, горящего угля. В качестве огнетушащего заряда в конструкциях пенных огнетушителей обычно используют 6%-ные водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ), пенообразователи и др. Химические пенные огнетушители заправляют трехкомпонентными зарядами, в состав которых входят кислота, щелочь и 6%-ный раствор ПАВ. Ввиду высокой коррозионной активности заряда химических пенных огнетушителей, а также повышенной влажности и химической агрессивности шахтной среды срок службы корпусов указанных огнетушителей, как правило, не превышает 2.5–3 лет.

Кроме того, химические пенные огнетушители имеют и другие серьезные недостатки: низкую огнетушащую способность (55В), отсутствие возможности обеспечения прерывистой подачи пены, что существенно снижает тактические возможности их применения. Пенные и химические пенные огнетушители нельзя применять для тушения электрооборудования под напряжением. Однако, несмотря на указанные недостатки, пенные и химические пенные огнетушители до сих пор выпускаются отечественной промышленностью, а необходимость коренного совершенствования их конструкции сегодня очевидна.

Порошковые огнетушители предназначены для тушения загораний твердых веществ органического происхождения, горючих жидкостей, газов и электрооборудования, находящегося под напряжением. Выброс огнетушащего состава осуществляется под давлением сжатого воздуха или газа, содержащегося в специальном баллоне. В некоторых конструкциях огнетушителей, например ОПШ-10Г, в качестве побудителя расхода используйся газогенерирующий заряд, при сгорании которого образуется рабочий газ. К недостаткам шахтных порошковых огнетушителей следует отнести низкую огнетушащую способность при тушении горящего угля и резинотросовых конвейерных лент ввиду низкой теплоемкости порошковых огнетушащих составов.

Газовые огнетушители на основе диоксида углерода предназначены для тушения загораний твердых материалов органического происхождения, горючих жидкостей, газов и электрооборудования, однако ввиду крайне низкой огнетушащей эффективности (соответственно, 13 и 34В) и большой массы (13 и 25 кг) в угольных шахтах практически не применяются.

Наиболее перспективны огнетушители, которые комбинированно воздействуют на очаг горения ввиду их универсальности и высокой огнетушащей способности. Исследованиями последних лет доказано, что даже простым смешением огнетушащих веществ можно значительно повысить огнетушащую способность состава по сравнению с исходными компонентами. При этом особый интерес представляют соединения комбинированных гомогенных и гетерогенных ингибиторов с порошковыми составами.

В последние годы широкое развитие получили исследования, направленные на создание переносных и возимых порошково-пенных огнетушителей, в наибольшей степени удовлетворяющих современным требованиям к повышению огнетушащей способности изделий противопожарного назначения. В основе сочетания указанных составов лежит идея повышения огнетушащей эффективности традиционных средств пожаротушения за счет получения синергического эффекта путем соединения ингибирующих свойств порошка с изолирующей и охлаждающей способностью пены. Важным аспектом этих исследований является вопрос нахождения оптимального режима и последовательности подачи огнетушащих составов на очаг горения.

В настоящее время основным критерием, характеризующим эффективность огнетушителей, является огнетушащая способность, определяемая при тушении модельных очагов пожара классов А, В, С и Д, а также электрооборудования, находящегося под напряжением. Разработано большое количество показателей и методов оценки эффективности огнетушителей, учитывающих их стоимостные показатели и технические характеристики. Наиболее обоснован интегральный показатель I(t), предложенный авторами работы, который может быть использован для оптимизации тактико-технических параметров огнетушителей.

046

где Е – огнетушащая способность, м2; P(t) – фактическое значение вероятности безотказной работы огнетушителя, n – количество огнетушителей, используемых в течение года; ?(t) – поправочный коэффициент; Сопт – оптовая цена огнетушителя, руб.; Сэ – затраты на эксплуатацию, руб.

Упростим уравнение (1) и запишем его для одного огнетушителя (n=1) при условии, что ?(t)=0, в виде

047

Уравнения (1) и (2) не учитывают вероятности повторного воспламенения очага пожара, которая очень велика, особенно при одновременном горении материалов и веществ различного агрегатного состояния. Кроме того, при тушении сложных пожаров (например, класса А+В; В+С и др.) важное значение имеет время свободного развития пожара до начала применения огнетушителей. Так, например, модельный очаг 144В (4.52 м2) после 3 мин свободного горения невозможно потушить даже с помощью двух порошковых огнетушителей типа ОПШ-10, так как после прекращения подачи огнетушащего порошка происходит повторное воспламенение бензина от бортов противня, нагретых до температуры, превышающей температуру самовоспламенения паров горючего. В этом случае весьма эффективным является интенсивное охлаждение бортов противня пеной, обладающей высокой теплоемкостью. В аварийных условиях подобная ситуация может сложиться при тушении порошковыми огнетушителями деревянной затяжки арочной крепи, при сильном разогревании металлического каркаса последней или горящей резинотросовой конвейерной ленты.

Для адекватной оценки эффективности огнетушителей при тушении сложных пожаров введем понятие вероятности гарантированного тушения, т.е. тушения, при котором не происходит повторного воспламенения горючего, и охарактеризуем его безразмерным коэффициентом Рг. Значение данного коэффициента может изменяться от 0 до 1 и определяется путем статистической обработки накопленных экспериментальных данных. Коэффициент Рг показывает в долевом отношении количество случаев гарантированного тушения сложных пожаров тем или иным типом огнетушителей. Так, для порошковых огнетушителей типа ОПШ-10 Рг равен 0.87, для пенных 0.93 и комбинированных 0.98. Теоретически это значит, что при тушении сложных пожаров из каждых 100 случаев применения порошковых огнетушителей может произойти 13 повторных воспламенений, а при использовании комбинированных огнетушителей – лишь 2. Естественно, что классы модельных очагов для каждого конкретного огнетушителя будут различными.

С учетом вышеизложенного, определим интегральные коэффициенты для пенных, порошковых и порошково-пенных огнетушителей:

048

Как показали расчеты, эффективность порошково-пенного огнетушителя, характеризуемая значением интегрального показателя, равного 0.038, превышает соответственно интегральные показатели пенного и порошкового огнетушителей соответственно на 18 и 35%. Очевидно, что повышение огнетушащей эффективности комбинированного пожаротушения объясняется тем, что тушение пожара в пламенной фазе производится порошком, а интенсивное охлаждение – пеной.

Уравнение позволяет оценивать эффективность существующих огнетушителей и научно обосновывать требования к техническим параметрам новых перспективных изделий противопожарного назначения..

Журнал "Горная Промышленность" №5 (87) 2009, стр.51