Розробка способів і засобів порошкового і пінного гасіння складних підземних пожеж

Автор вдячний проф., доктору техн. наук П.С.Пашковському за постійну увагу до роботи і зроблену науково-прикладну консультативну допомогу в процесі її виконання; проф., доктору техн. наук И.Е.Болбату за багаторічне сприяння у виробітку напрямків досліджень і координацію робіт із проблеми гасіння екзогенних пожеж і локалізації вибухів метаноповiтряних сумішей; співробітникам лабораторії гасіння підземних пожеж НДIГРС, що брали участь у виконанні досліджень у вибуховий штольні НДIГРС і на експериментальному полігоні.

2. ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Основні положення теорії виникнення і розвитку підземних пожеж розроблені в працях А.А. Скочинського, В.Я. Балтайтиса, М.П. Зборщика, В.В.Осокина, А.И. Козлюка, П.С. Пашковського, И.Е. Болбата, В.И. Саранчука, С.Н. Осипова, одержали свій подальший розвиток у роботах Г.Г. Соболєва, В. М. Жадана, Ю.М. Марковича, В.П. Чаркова, Г.В.Гріня, А.М. Кушнарьова, вчених і дослідників Росії, Японії, Німеччини, Польщі й інших країн.

Водночас перехід гірських робіт на більш глибокі обрії сприяв збільшенню кількості складаних і затяжних аварій через ускладнення гірсько-технічних і гірсько-геологічних розумів, збільшення метаночисленнiсть вугільних шарів. У зв'язку з цим зросла кількість пожеж, що ускладнюються вибухами метаноповiтряних сумішей. Ліквідація пожеж цього класу являє собою складну науково-технічну проблему і сполучена з небезпекою поразки гiрничорятувальникiв ударною хвилею. Однак існуючі уявлення про особливості розвитку підземних пожеж і розроблені на їхній основі способи і засоби пожежогасіння не забезпечують повною мірою рішення цієї проблеми.

Перший розділ присвячений дослідженню причин виникнення і розвитку підземних пожеж, а також аналізу проблеми гасіння складних підземних пожеж. У нему сформульовані задачі дослідження, а також обгрунтований основний принцип створення шахтних засобів пожежогасіння, що базується на уявленні підземної пожежі як керованої системи з визначеними параметрами (температурою, тепловою потужністю, швидкістю поширення по гірській виробітцi), що визначають вибір способів і сполучення засобів пожежегасіння, що забезпечують максимально можливу вогнегасящу ефективність для кожної конкретної пожежі.

Аналіз причин виникнення і механізм розвитку пожеж у гірських виробітках викладений у роботах Ю.М. Марковича. Так, процес горiння в гірської вироботцi, на думку Ю.М. Марковича, можна представити як протяглий канал, що вентилюється, частина периметра якого обшита пальним матеріалом, запаленим з середини. Він запропонував описувати процес тепловіддачі газового потокові гірському масиву у виді критериальной залежності

Nu = 0,278 Re^0,8

Залежність середньої швидкості переміщення пожежі по вироботцi Vп від швидкості вентиляційного потоку V запропонована В.М. Жаданом у виді

Vп = . (2)

Формула справедлива для швидкостей повітряного струменя в діапазоні 0,5...5,2 м/с. Крім того, швидкість вентиляційного струменя робить істотний вплив і на температуру пожежних газів у вогнищі горіння і за даними того ж автора може бути визначена з вираження

T_о = . (3)

Залежності (1)-(3), що описують динаміку розвитку підземної пожежі, необхідно враховувати при визначенні параметрів шахтних установок пожежогасіння. Відомо також, що при пожежах у тупикових виробітках газових шахт, як правило, порушується нормальний режим провітрювання через припинення вентилятора місцевого провітрювання або ушкодження вентиляційних труб. При цьому відбуваються складні термодинамічні процеси, що на думку Щербаня А.Н. приводять до збільшення в декілька разів метановидiлення при підвищенні температур вугільного масиву усього на 1...2 ⁰С.

Співробітниками НДIГРС проаналізований інформаційний матеріал по ліквідації пожеж у гірських виробітках шахт СНД і України за останні 30 років. У результаті аналізу проб повітря, відібраних на вихідних струменях при пожежах у діючих виробітках (у 20... 300 м від пожежі), установлене, що концентрація метану в межах вибуховостi спостерігалася в 218 із 1000 випадків. Тому поряд із гасінням складних підземних пожеж необхідно розробляти способи локалізації можливих вибухів метаноповiтряних сумішей.

Питанням виникнення і поширення вибухів у гірських виробітках присвячені роботи Балтайтиса В.Я., А.А.Гурина, Н.Р.Шевцова, П.М. Петрухина, М.И. Нецепляева, В.Н. Качана, В.С. Сергєєва, И.Ф. Ярембаша, А.М. Чеховских, В.М. Плотникова, С.Н. Осипова й інших учених.

Водночас слід зазначити, що вибухи метаноповiтряних сумішей, що виникають при гасінні підземних пожеж у вироблених просторах лав і тупикових виробітках, характеризуються визначеною специфічністю. По-перше, джерелом запалення вибухонебезпечної суміші є відкрите полум'я пожежі. По-друге, як правило, вибухи виникають поблизу меж вибуховости газо-повітряних сумішей і при сучасному рівні контролю газової обстановки пожежної ділянки цілком передбачені. У третіх, попередження вибухів метаноповiтряних сумішей при гасінні пожеж ускладнюється тим, що заходи щодо вибухогасiння необхідно здійснювати в умовах підвищеної температури і задимлености рудникової атмосфери.

У даний час відсутні науково обгрунтовані способи гасіння таких пожеж. Не з'ясована до кінця можливість гасіння вогнищ самонагрівання у вироблених просторах виiмкових ділянок методом прискореного відходу лави і локалізації можливих вибухів заваленими породами покрiвлi.

Особлива роль у системі протипожежної безпеки шахт приділяється засобам активного гасіння пожежі - вогнегасникам, стаціонарним і мобільним установкам, автоматичним системам сигналізації і пожежогасіння. Донедавна розробка первинних засобів пожежогасіння велася без належного наукового обгрунтування, а концепція створення автоматичних систем пожежогасіння взагалі була відсутня. Необхідність наукового обгрунтування перерахованих вище невирішених питань, а також поставлена ціль, що випливає з аналізу стана проблеми, визначили необхідність вирішити наступні задачі:

1. Досліджувати залежність дальності подачі вогнегасного порошку, вiд його розміру і розміру заряду його часток, напруженості власного електричного поля полум'я, а також швидкості повітряної вентиляційного струменя і розробити спосіб підвищення ефективності дистанційного гасіння пожеж тонкодiсперсним порошком.

2. Досліджувати особливості механізму локалізації можливих вибухів метаноповiтряних сумішей у виробленому просторі лави заваленими породами стріхи і розробити технологію придушення вогнищ самонагрівання у вироблених просторах очисних вибоїв методом прискореного відходу лави.

3. Досліджувати можливість одержання сiнергичного вогнегасящого ефекту, за рахунок використання різних по фізичній природі складів таких як: повітряно-механічна піна й аэрозоль, вогнегасний порошок і аэрозоль, повітряно-механічна піна і порошок, і обгрунтувати параметри порошково-пінного гасіння складаних підземних пожеж.

4. Вивчити закономірності процесу витікання розчину пiноутворювача з ємкості вогнегасника під дією газів, що утворяться при горiннi аерозольутворюваючих складів, а також досліджувати вплив температури газів на процес генерування піни для обгрунтування конструктивних параметрiв нових вогнегасників комбінованої дії.

5. Розробити метод оцінки ефективності шахтних вогнегасників за рахунок обліку імовірності повторного загоряння вогнищ пожежі, особливо при одночасному горінні речовин різного агрегатного стану. Це дозволило оцінювати вогнегасящу спроможність знову розроблювальних типів вогнегасників на стадії проектування і скоротити тим самим витрати на розробку нових виробів протипожежного призначення.

6. Досліджувати закономірності витікання аэрозольно-порошкової суміші із посудини під тиском, а також визначити параметри технологічного циклу роботи аэрозольно-порошкової установки. Вивчити вплив співвідношення кількості порошку й аэрозолю на ефективність установок комбінованої дії.

7. Сформулювати принцип і основні положення концепції створення сучасних шахтних автоматичних систем пожежогасіння, що дозволяють обгрунтовувати вибір засобів протипожежного захисту для конкретного об'єкта в залежності від рівня його пожежної небезпеки. Це дозволило підвищити ефективність активного гасіння пожеж у початковій стадії їхнього розвитку, запобігаючи тим самим можливі матеріальні збитки вугільних підприємств від ізоляції гірських виробіток, що містять коштовне обладнання і підготовлені до виїмки запаси вугілля.

У іншому розділі приведені результати теоретичних досліджень, спрямованих на підвищення ефективності гасіння складних підземних пожеж, у тому числі при потенційній погрозі вибухів у тупикових гірських виробітках і у вироблених просторах лав, а також доведена можливість збільшення ефективної дальності транспортування порошків, по мережі гірських виробіток. У основу математичної моделі збільшення дальності транспортування порошків покладене диференціальне рівняння Ньютона, що описує рух частки в повітряному потоці, конкретизоване для випадку тяжіння зарядженої частки полум'ям за рахунок сили електростатичної взаємодії:

U _х - вертикальна складової швидкості повітряного потокові, м/с; t - година, с; - щільність речовини кг/м³; ; - щільність продуктів горіння, кг/м³; r- радіус частки, м; Е - напруженість електричного поля полум'я, V/м; q - заряд частки порошку, Кл; - динамічна в'язкість газового середовища,· Па*с;

При цьому установлене вплив сили електростатичної взаємодії між полум'ям і аеродисперсним середовищем і отримані залежності, що дозволяють визначати значення дальності подачі порошку для випадку незаряженных Х₁ і заряджених Х₂ часток.

При цьому прийняті наступні позначення:

- динамічна в'язкість газового середовища, Пас; Ux - ежектує струмінню порошку швидкість газового потокові, м/с; Vo - початкова горизонтальна швидкість частки, м/с; t - година,с.

; ; .

Як випливає з розрахунків, за інших рівних розумів, дальність фронту просування заряджених часток перевищує аналогічне значення для незаряджених часток на 25...30 % , що дозволяє гасити пожежі у виробітках, протяжністю до 400... 450 м і розширити тим самим можливості порошкової техніки.

Особливу небезпеку представляють пожежі, що виникають унаслідок самозаймання вугілля у виробленому просторі лави. Складність гасіння таких пожеж обумовлена не тільки відсутністю підходів до вогнища горіння, але і можливістю створення вибухонебезпечної концентрації пальних газів. Останнім часом НДIГРС обгрунтована можливість придушення вогнищ самонагрівання і локалізації можливих вибухів методом прискореного посування лави. Однак локалізуючи можливостi завалених порід вивчені недостатньо. У основу виконаних досліджень покладена гіпотеза однорідності структури завалених порід покрiвлi, що утворять пористе проникне середовище, що відокремлює діючі виробітки від пожежі. Фізична картина процесу в спрощеному виді представляється в такий спосіб.

При вибуху метаноповiтряної суміші у виробленому просторі виділяється визначена кількість енергії, обумовлена об'ємом і утриманням пальних газів, що в міру розширення впливають на завалені породи. Енергія вибуху витрачається на подолання сил тертя й опори завалених порід. У результаті фільтрації вибухових газів через завалені породи стріхи відбувається гасіння полум'я і зниження тиску у фронті вибухової хвилі. Ефективність придушення вогнища самонагрівання методом відходу лави залежить від гірсько-геологічних і гірсько-технічних розумів і в першу чергу від місця його розташування, властивостей порід стріхи, кроку завалення стріхи, швидкості посування очисного вибою, депресiї виiмочної ділянки. У свою чергу ефективність локалізації можливих вибухів залежить від відстані від вибою лави (або діючі виробітки) до епіцентру вибуху. Для практичних цілей важливо знати характерний лінійний розмір породної смуги hр, що гарантує гасіння полум'я вибуху і зниження тиску у фронті хвилі Р_ф до безпечного розміру (0,006 МПа), регламентованої “Статутом ДВГРС по організації веденню гiрничорятувальних робіт”. На підставі вищевикладеного були виділені основні розміри, що характеризують процес локалізації вибуху заваленими гірськими породами. До них віднесені: тиск у фронті вибухової хвилі, ступінь заповнення виробленого просторові, ширина смуги завалених порід і їхня кусковатiсть. Отримано вираження, що дозволяє визначати ступінь зниження тиску вибуху у виді:

P1 / P0 = hp / [1+(1+)^-1] k1 k2 H, (7)

де Р₁ - тиск у фронті вибухової хвилі, МПа; Р₀ - атмосферний тиск, МПа; - безрозмiрний показник адiабати; hp - відстань від діючей виробітки до вогнища пожежі (ширина смуги завалених порід), м;

к₁ - коефіцієнт заповнення виробленого просторові заваленими породами, м^-1; к₂ - кусковатiсть завалених порід (середній діаметр фракцій), м; Н - довжина загазованної ділянки, м. Надалi. адекватність опису процесу за допомогою даної залежності перевірялася на етапі проведення експериментальних досліджень.

У третьому розділі подані результати експериментальної перевірки робочих гіпотез і допущень, математичних моделей і теоретичних передумов. Експериментальні дослідження проведені на розроблених лабораторних установках і стендах із наступною перевіркою й уточненням результатів у натурних умовах. Викладено основні положення розроблених нових способів гасіння складаних пожеж при потенційній погрозі вибухів метаноповiтряних сумішей, що захищені авторськими посвідченнями.

На етапі натурних іспитів уточнювалися кількісні характеристики процесу гасіння підземних пожеж, визначалися розміри відхилень теоретичних даних від досвідчених, оцінювалась придатність теоретичних залежностей для опису досліджуваних процесів. Методики проведення натурних іспитів базуються на результатах теоретичних досліджень.

Процес гасіння пожежі в тупиковій гірської виробітцi за допомогою повітряно-механічної піни досліджувався на лабораторній установці й в умовах штольнi, що представляє собою горизонтальне вироблення довжиною 300 м, площею поперечного перерiзi у світлі 8,9 м². Для створення реальних аварійних розумів, у тупикову частину штольні робили запуск метану, що накопичувався до вибухонебезпечної концентрації. У цих умовах спрацьовувався новий спосіб активного гасіння пожежі, що полягає в послідовній дистанційній подачі порошку і повітряно-механічної піни по гірських виробітках. При цьому порошок забезпечує ефективне об'ємне гасіння пожежі, а повітряно-механічна піна прохолоджує нагріті гірські породи. Безпека гасіння пожежі забезпечувалася за рахунок створення захисної пінної пробки визначеної довжини, що гарантує ефективну локалізацію вибухів метаноповiтряних сумішей. При цьому визначалися наступні параметри гасіння: продуктивність установки по піні і порошку, час безупинної роботи установки, дальність подачі порошку і просування пінного потокові, ступінь перекриття перерiзу виробітки піною, реологiчнi характеристики піни, параметри вибухів метаноповiтряних сумішей. Подача порошку і заповнення виробітки піною робилося за допомогою порошково-пінної установки ППУ. Гiдродинамичнi і реологiчнi параметри пінного потокові розраховували з умови гасіння пожежі і локалізації можливого вибуху.

Виконані дослідження лягли в основу розробки технології комбінованого дистанційного об'ємного гасіння пожеж у тупикових гірських виробітках при потенційній погрозі вибухів метаноповiтряних сумішей .

Відпрацьовування технології придушення вогнищ самонагрівання і локалізації вибухів у виробленому просторі методом прискореного відходу лави проводився в два етапи.

На етапі лабораторних досліджень перевірялася правомірність прийнятих гіпотез і допущень про адiабатичний характер розширення вибухових газів у районі пожежі, а також вивчався вплив гранулометрiчного складу гірських порід на досліджуваний процес.

На етапі натурних іспитів уточнювалися кількісні характеристики процесу, оцінювалися розміри відхилень теоретичних даних від досвідчених, визначалася придатність теоретичних залежностей для опису механізму гасіння полум'я і зменшення тиску у фронті вибухової хвилі. Методика проведення досліджень базується на результатах теоретичних досліджень. Експериментальні дослідження проводилися на ударних трубах і в умовах вибухової штольні. Ударна труба довжиною 11,5 м закрита з однієї сторони товстостінним фланцем і перебуває з окремих секцій діаметром 0,4 м. Труба оснащена тензометрiчними датчиками тиску, датчиками полум'я плівкового типу, а також електричним запалювачем метаноповiтряної суміші і пробовiтбiрними пристроями. На заданій відстані від закритого кінця вибухової труби з породи, гранулометричний склад якої, обумовлений по показнику середнього діаметра фракцій, складав від 0,02 до 0,4 м викладалась пориста перепона шириною від 1,1 до 3.0 м.

Готування вибухової метаноповiтряної суміші здійснювалося відомим методом парцiальних тисків. При цьому об'ємне утримання метану у вибуховій камері, місткістю 160 л, складало від 8 до 10 %. Послідовність виконання експериментів була така. У вибухову камеру з балона під тиском запускали “чистий” метан і створювали вибухову метаноповiтряну суміш приблизно стехiометричної концентрації. За допомогою пробовiтбiрникiв і iнтерферометра вимірювали концентрацію метана на різних відстанях від закритого кінця труби. Включали ініціатор вибуху (нiхромову спіраль) і фіксували показання осцiлографа, по яких розраховували швидкість поширення полум'я й ударної хвилі.

Підготування експериментів містило в собі зведення породної пробки з заданими геометричними параметрами. У процесі підготування експериментальних досліджень фіксувалися наступні параметри: загальна довжина породної пробки, об'єм вибухової камери, об'ємне утримання метану, кусковатiсть породи, місце розташування ініціатора вибуху.

Аналіз результатів досліджень, проведених на ударних трубах, показує, що завалені гірські породи ефективно гасять вибухову хвилю і полум'я вибуху бiнарних газових сумішей і аерогазодисперсних систем. При цьому тиск вибуху газоповiтряної суміші за перепоною довжиною 3 м знизилося в 20 разів, а перепона довжиною 2 м знизила тиск у фронті вибухової хвилі при вибуху газоповiтряної суміші в 14,5 разу. Ударна хвиля в обох випадках вироджується в хвилю стиску, що поширюється з дозвуковою швидкістю.

При наявності повітряного зазора порядку 0,1...0,3 діаметри труби інтенсивність зниження тиску різко скорочується і не перевищує 3...4 разів. Полум'я вибуху у всіх експериментах гаснуло в межах пористої перепони і не запалювало газоповiтряну суміш за ній навіть при наявності повітряного зазора у верхній частині труби, що досягає 0,1...0,2 її діаметри. При великих зазорах спостерігалося “проскакування” полум'я за зону перепони.

Експериментальні дослідження, приведені у вибуховій штольні, показали, що у випадку відсутності захисної породної смуги (нульова серія експериментів), по виробiтцi поширюється комплекс аеродинамічних обурень у виді ударної хвилі і фронту полум'я. Тиск у фронті хвилі в зоні поширення вибуху коливається від 0,13 до 0,2 МПа . Характер наростання тиску по штольні показань на мал. 1, крива 1.

При цьому полум'я вибуху поширюється на відстань 60...70 м. Наявність породної смуги в гірській виробітцi змінює характер формування вибухового процесу. У міру розширення вибухові гази досягають породної смуги і починають інтенсивно на неї впливати. При цьому енергія вибуху витрачається на виконання роботи з подоланням сил внутрішнього тертя і на переміщення породної смуги. Зазначені процеси супроводжуються теплообміном між вибуховими газами і породною смугою.

Очевидно, що вибухостiйкiсть породної смуги обумовлена в першу чергу її шириною, а в другу - гранулометрiчним складом породи.

У другій серії експериментів ширина породної смуги була мінімальна і рівнялася 3 м. Гранулометрiчний склад породи, обумовлений по показнику середнього діаметра фракцій, складав 0,3 м. У цьому випадку відбулася повна руйнація породної смуги. При цьому тиск у тупиковій частині виробітки наростало в порівнянні з нульовою серією експериментів (тобто без породної пробки) до 0,07 МПа протягом 0,8 с.

Швидкість поширення полум'я складала 40 м/с, а довжина поширення полум'я 12 м (до породної смуги), що свідчить про те, що теплова енергія вибуху була поглинена породою. Датчики полум'я, розташовані за породною пробкою не зафiксували наявності теплового імпульсу, на відміну від нульової серії експериментів, коли полум'я поширювалося на 60...70 м від тупика. Безпосередньо за породною пробкою тиск вибухової хвилі досягало 0,05...0,06 МПа. Це говоритиь про те, що породна смуга не виконала функцію скорочування надлишкового тиску до безпечного розміру. Розвиток вибухового процесу продовжувався і максимум надлишкового тиску був відзначений за породною смугою (див. мал. 1, крива 4).

Таким чином, наявність у гірській виробітки породної смуги шириною 3 м практично не впливає на характер формування ударної хвилі. Логічним продовженням експериментів було збільшення ширини породної смуги з метою збільшення її вибухостiйкостi.

У третій серії експериментів ширина породної смуги складала 6 м, гранулометрiчний склад порід, обумовлений по показнику середнього діаметра фракцій, був наступним: 30 % - d _ср = 0,03 м і 70 % - d _ср = 0.16 м. При вибуху 100м3 стехiометрiчнoї суміші відбувалося “запирание” вибухових газів у плині 1 с. При цьому тиск у тупиковій частині виробітки зросло до максимального значення Р = 0,195 МПа, після чого почало падати. Падіння тиску пояснюється частковим рухом породної смуги і проривом вибухових газів через неї. За породною смугою розмір тиску не перевищив 0,035 МПа (мал. 2, крива 3).

Таким чином, породна смуга шириною 6 м цілком гасить полум'я, а тиск у фронті хвилі знижує в 6 разів у порівнянні з параметрами, отриманими в нульовій серії експериментів.

Четверта серія експериментів була проведена в аналогічних умовах при ширині породної смуги 8 м, а гранулометрiчний склад породи, обумовлений по показнику середнього діаметра фракцій, складав 0,4 м. У якості заставного матеріалу використовувалася порода більш дрібної фракції.

Як показали осцилограми стримування вибухових газів у замкнутому об'ємі продовжувалося протягом 1,1 с. Тиск при цьому досягло 0,2 МПа, після чого вибухові гази проникнули за породну пробку, затрачуючи свою енергію на подолання сил внутрішнього тертя, нагрiв і переміщення породи. Внаслідок енергетичних утрат тиск вибухових газів за породною пробкою складло 0,012 МПа, що майже в 3 рази нижче, чим у попередньому досвіді з hp ₌ 6 м. Безпечного рівня тиск у досвіді № 4 (крива 2) досягло на відстані 20 м від породної пробки.

Таким чином, натурнi експерименти підтвердили припущення про спроможність завалених порід гасити полум'я і знижувати тиск до безпечного рівня. Проведений комплекс лабораторних і натурних досліджень дозволив розробити науковообгрунтованi рекомендації по використанню властивостей завалених гірських порід при веденні гiрничорятувальних робіт.

У четвертому розділі викладені теоретичні передумови і результати експериментальних досліджень по підвищенню ефективності гасіння пожеж у початковій стадії розвитку за рахунок модернізації існуючих і створення нових перспективних типів шахтних вогнегасників. Виконано їхню комплексну оцінку, а також викладені результати розробки й іспити аерозольнопiнного вогнегасника підвищеної ефективності. Викладено теоретичні основи створення комбінованих вогнегасників і результати їхньої практичної реалізації в конструкціях ранцевих і пересувних первинних засобів пожежогасіння.

Сучасні шахтні вогнегасники були класифiкованi по виду вогнегасного складу, виду енергоносія. Найбільше перспективними визнані вогнегасники, що комбiновано впливають на вогнище горіння через їхню універсальність і скроні вогнегасну спроможність. При цьому особливий інтерес представляє з'єднання комбінованих гомогенних і гетерогенних інгібіторів із порошковими складами.

Порошково-пінні вогнегасники найбільшою мірою задовольняють сучасним вимогам по вогнегаснiй спроможності. У основі сполучення зазначених складів лежить ідея різкого підвищення ефективності традиційних засобів пожежогасіння за рахунок одержання сiнергiчного ефекту шляхом з'єднання властивостей порошку, що ингiбiрує, з ізолюючою й охолодною спроможністю піни. Важливим аспектом цих досліджень є питання перебування оптимального режиму і послідовності подачі складів на вогнище горіння.

У даний час основним критерієм, що характеризує технічний рівень вогнегасників, є вогнегасяща ефективність, обумовлена при гасінні модельних вогнищ пожежі класів А,B, С и Д, а також електроустаткування, що знаходиться під напругою. Розроблено велику кількість показників і методів оцінки ефективності вогнегасників, що враховують їхні вартісні показники і технічні характеристики. Найбільше обгрунтований інтегральний показник I_(t), запропонований В.В. Пивоваровим, однак цей показник не враховує імовірність повторного загоряння вогнища пожежі, що дуже велика, особливо при одночасному горінні матеріалів і речовин різного агрегатного стана. Нами запропонований уточнений показник, що може бути використаний для оцінки ефективності вогнегасника на стадії проектування:

, (10)

де Е - вогнегасяща спроможність, м²; Рг- безрозмiрний коефіцієнт гарантованого гасіння; Р(t) - фактичне значення імовірності безвідмовної роботи вогнегасника; С_опт - оптова ціна вогнегасника в грн; Сє - витрати на експлуатацію, грн. При гасінні складаних підземних пожеж (наприклад, класу А+В; В+С и ін.) важливе значення має час вільного горіння до початку застосування вогнегасників. Так, наприклад, модельне вогнище бензину 144В (4,5м2) після 3 хвилин вільного горіння неможливо погасити за допомогою двох порошкових вогнегасників типу ОПШ-10, тому що після припинення подачі порошку відбувається повторне запалення бензину від бортів листа, нагрітих до температур, що перевищує температуру самозапалювання парiв пального. У цьому випадку дуже ефективним є інтенсивне охолодження бортів листа піною, що володіє високою теплоємністю.

Для адекватної оцінки ефективності вогнегасників при гасінні складаних пожеж уведемо поняття імовірності гарантованого гасіння, тобто гасіння, при якому не відбувається повторного запалення пального, і охарактеризуємо його безразмiрний коефіцієнтом Рг. Значення даного коефіцієнта може змінюватися від 0 до 1 і визначається шляхом статистичного опрацювання накопичених експериментальних даних. Як показали розрахунки, ефективність порошково-пінного вогнегасника, що характеризується значенням інтегрального показника, перевищує відповідно інтегральні показники пінного і порошкового вогнегасників відповідно на 18 і 35 %.

Рівняння (10) дозволяє оцінювати ефективність існуючих вогнегасників і науково обгрунтовувати вимоги до технічних параметрів нових перспективних виробів протипожежного призначення, у тому числі і комбінованій дії, наприклад аэрозольно-пiнних.

П'ята глава присвячена питанням підвищення ефективності гасіння розвитих пожеж. У ній приводяться результати теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на удосконалення існуючих і створення нових мобільних і стаціонарних шахтних установок пожежогасіння з поліпшеними експлуатаційними характеристиками.

З цією метою був виконаний аналіз технічного рівня й обгрунтовані напрямки підвищення ефективності шахтних мобільних і стаціонарних установок пожежогасіння. Аналіз показав, що пріоритетним напрямком створення мобільних і стаціонарних шахтних засобів пожежогасіння варто вважати створення універсальних установок комбінованого типу, здатних гасити розвитi підземні пожежі всіх класів. При цьому дуже перспективними, на наш погляд, є такі комбінації складів як порошок-пiна, порошок-аэрозiль, порошок-вода, пiна-аэрозiль.

Розробка нової високоефективної автономної порошково-пінної шахтної установки, призначеної для протипожежного захисту приводних станцій стрічкових конвеєрів була почата з теоретичних досліджень по визначенню можливості охолодження приводних барабанів стрічкових конвеєрів повітряно-механічною піною.

У результаті рішення системи рівнянь, що описують процеси нагрівання приводного барабана й охолодження його піною, отримана залежність, що дозволяє визначати необхідну масу піни М _п:

де : F -сила тертя при буксуваннi, Н; Т_о - початкова температура пари барабан-стрічка, ⁰С; - температура навколишнього повітря, ^о С; V - окружна швидкість барабана, м/с; D - діаметр барабана, м; Тmax - максимальна температура стрічки, ⁰С ; f - коефіцієнт буксування, 0 f 1, - тривалість буксування барабана, с; В - ширина барабана (стрічки ), м; S1 - вільна площа поверхні, м²; С_п - теплоємність піни, (Дж/кг* град); М_п - маса піни, кг; - коефіцієнт тепловіддачі від обертового барабана до повітря, (Вт/м²·град) - кут обхвату барабана стрічкою, рад;

Рівняння (13) дозволяє розрахувати кількість піни, необхідну для охолодження приводних барабанів з обліком її кратності.

Експериментальні дослідження з визначення параметрів порошково-пінної установки проводилися на спеціально розробленому лабораторному стенді (мал. 7).

Установка перебуває з двох судин відповідно для збереження порошку і розчину пiноутворювача, механічно з'єднаних між собою загальною рамою, а також запірно-пусковою арматурою з захисними і контрольними елементами. У якості робочого газу в установці використовується стиснуте повітря, укладенє у 20 літровому балоні під надлишковим тиском 15МПа. Через редуктор і запірні клапани робочий газ може подаватися при відкритому пристрої пуску одночасно або послідовно в порошкову і пінну ємності, місткістю 100 л шкірна.

У якості порошкових розпилювачів 9 використовувалися оригінальні пристрої з регульованою подачею порошку шляхом зміни перетину вихідного отвору. При цьому застосовувався серійний порошок типу П-2АП. Пiногенерируючим пристроєм служив серійний малогабаритний пiногенератор типу ОВП-100. Для одержання повітряно-механічної піни використовувалися водяні розчини пiноутворювача типу ПО-6К.

Конвейер довжиною 25 м із приводом монтувався в експериментальному штреку, перетином у світлі 10 м², закріпленому металевою арковою крiппю з дерев'яним затягуванням. Привід конвейера постачений електродвигуном потужністю 32 кВт. При цьому вантажна (щонабігає) гілка конвейерної лінії кріпилася наглухо до стопорного обладнання, чим імітувалася зупинка приводного барабана.

Гілка, що збігає, кріпилася до натяжному дiнамометричного обладнання, що дозволяє регулювати і реєструвати ступінь натягу стрічки в широких межах (від 0 до 50000 Н). У робочих поверхнях барабанів були передбачені технологічні відчини, у які монтувалися термоелектричні хромель-копелеви термопари.

Експерименти проводилися по наступній методиці. Включався двигун і приводний барабан починав обертатися і тертися про заклинену стрічку нагрiває її до температур термодеструкцii (350 і більш ⁰С). Після запалення обкладок стрічки включалася установка і на приводний барабан по черзі подавалися порошок і повітряно-механічна піна. Зміна температур обечайки барабана при охолодженні пінами різної кратності подане на мал. 9. Кратність подаваної піни варіювалася від 50 до 100 одиниць. Проведені експерименти дозволили зробити наступні виводи щодо конструктивних параметрів установки.

По-перше, для запобігання запалення стрічки температура обичаек приводних барабанів не повинна перевищувати 270...280 ⁰С (для випробуваних типів стрічок). По-друге, найбільше ефективним сполученням складів є комбінація порошку П-2АП і повітряно-механічної піни кратністю 50. При цьому тривалість подачі порошку на вогнище пожежі повинна бути не менше 10...12 с, а піни, відповідно - 80...100 с.

По-третє, масова витрата порошку повинна складати 3...4 кг/с, а розчину пiноутворювача відповідно - 1...1,2 л/с.

Перераховані параметри лабораторної установки були враховані при розробці ТУ на серійний виріб. Досвідчена партія установок була випущена в 1996 р. НПО “Респіратор” (Луганським заводом “Обрій”).

Для підвищення ефективності гасіння розвитих пожеж створена принципово нова шахтна 1000 кг порошково- аэрозольна установка підвищеної ефективності.

Розробка установки була почата з теоретичних досліджень і обгрунтування моделі її функціонування. Принципова відмінність установки полягає в тому, що витиснення порошку із ємкості установки здійснюється за рахунок енергії газів, що утворяться при горiннi аерозольутворюваючого складу. Це є одним із шляхів подальшого підвищення ефективності гасіння пожеж за рахунок створення комбінованих складів, причому правильний добір і кількісне сполучення компонентів комбінованих складів забезпечують їх “сiнегизм”, тобто різке підвищення вогнегасящої ефективності. Встановлено, що гасіння пожеж порошком із додаванням аерозольутворюваючих складів, помітно підвищує ефективність перших і, крім того, що утворяться при горiннi АОС гази можна використовувати в якості енергоносія для розпушивання порошку і транспортування його до вогнища пожежі. Це дає можливість цілком або частково відмовитися в установках пожежогасіння від застосування балонів, у яких міститься стиснуте повітря під високим тиском.

Р₂ = - безразмiрний тиск у ємкості установки;

Pа - атмосферний тиск, Па; ?_п - щільність порошку, кг/м³;

? - коефіцієнт витрати видачного отвору;

В - емпіричний коефіцієнт опору трубної магістралі.

Rcm - газова постійна газо-повітряної суміші, Дж/(кг? К);

Т_см - температура газо-повітряної суміші в ємкості установки, ^оК.

Видача порошку починається з моменту руйнації запірної мембрани, тобто при Р₂ = Р_разр, де Р_разр - тиск руйнації мембрани, Па. Отже, необхідно ввести наступну умову:

де d - діаметр видачного отвору установки, м.

Оскільки в установках пожежогасіння використовується аероднище для попереднього розпушування порошку, то вмикання аерозольних зарядів повинно відбуватися з деяким запізнюванням після вiдкриття балона з повітрям. Вводимо наступну умову:

де ?_заж - час умикання зарядів, с.

Припинення горіння заряду фіксується в момент, коли h(? ) = L, де L - довжина шашки аєрозольного заряду, м. Варіюючи довжину L одному заряду або кількість шашок із фіксованою довжиною можна змінювати час горіння.

Для розрахунку параметрів роботи установки зроблене допущення, що Т_см ” Т₁, тобто гази, що утворяться при згоряння АОС, прохолоджуються при надходженні в ємкість з ОП до температур повітря Т₁. Повітря з балона надходить у ємкість установки через редуктор, настроєний на фіксований тиск, тобто Р₁ = Р_ред = const.

Система рівнянь із початковими умовами (14) і обмеженнями(15, 16) реалізувалася на ЕОМ чисельно для кожного конкретного випадку.

Експериментальні дослідження параметрів функціонування і розробка конструкції шахтної 1000 кг пересувної порошково-аэрозольної установки підвищеної ефективності (УПАА-1000) проводилися на спеціальному стенді.

Стенд (мал. 10) перебуває з наступних основних блоків і вузлів: судини з порошком 1, генератора аэрозолю 8, станції пожежної сигналізації 15, пускового блока 16, блока балонів 20 і стрічкового конвейера 27.

Судина з порошком 1 містить у собі ємкість, аероднище 2, розпушувач 3, трубопровід повітряний 4, редуктор 5, захисний канал 6, манометр 7, трубопровід транспортний 29 і клапан випускний 25.

Генератор аерозолю 8 перебуває з ряду ідентичних секцій, вихідні патрубки яких з'єднані в один колектор, постачений манометром 7 і спеціальним захисним клапаном 6. Кожна секція генератора аэрозолю містить ресивер 9, камеру охолодження 10, камеру з аерозольутворюючою речовиною 2, пристрій пiджигу 12 (запалювач). Кожна камера з аерозольутворюючою речовиною, перебуває з 5 шт. зарядів, що мiстить у собі : ресивер, кришку-сітку, охолоджувач аерозолю, корпус, перегородку, аерозольутворюючий склад, контактний провід і запалювач.

До складу станції пожежної сигналізації 15 входять власне станція, блок перемикачів 14 (маніпулятор) і сигнальний шлейф із датчиками 23.

До складу стрічкового конвеєра 27 входять: камера для збору порошково-аерозольної суміші 24, клапан випускний 25 і форсунки-розпилювачи 26.

Аналізуючи результати експериментів по визначенню оптимального співвідношення порошкової компоненти й аерозольної складової у вогнегасящiй суміші, можна прийти до наступних виводів: введення аерозольної компоненти в порошок, приблизно на 40...50 % підвищує ефективність гасіння, пожеж класу А, у тому числі і конвейерній стрічці;