Травматизм при взрывах газа и пыли

Все это в итоге приводит к тому, что за многие десятилетия, начиная с 20-х годов XX столетия, в шахтах, оборудованных сланцевыми и водяными заслонами, не всегда удавалось локализовать взрывы метана и угольной пыли и предотвратить развитие их в крупные аварии с человеческими жертвами и большим материальным ущербом.

Использование автоматических средств гашения вспышек (взрывов) газа и пыли

Для повышения эффективности взрывозащиты требуется совершенствование существующих и разработка новых средств и способов борьбы с взрывами метана и угольной пыли, что, безусловно, является актуальной научно-технической задачей.

Один из перспективных способов решения поставленной задачи, состоящей в коренном усовершенствовании взрывозащиты угольных шахт, заключается в использовании автоматических средств гашения вспышек (взрывов) газа и пыли. Любая автоматическая система гашения (локализации) вспышек (взрывов) газа и пыли, а также пожаров, независимо от конкретного назначения и конструкции, состоит из трех основных элементов:

- огнетушащего вещества, предназначенного для создания в зоне реакции вспышки (взрыва) среды, подавляющей горение газа и пыли;

- исполнительного (взрывоподавляющего) устройства, предназначенного для принудительного диспергирования и подачи огнетушащего вещества в зону реакции вспышки (взрыва) таким образом, чтобы в ней образовалась пламегасящая среда с равномерным распределением гасящего материала требуемой концентрации;

- датчика, реагирующего на вспышку или взрыв и выдающего управляющий сигнал на срабатывание исполнительного устройства.

В качестве огнетушащего материала в рассмотренных выше автоматических системах локализации вспышек (взрывов) используются самые различные вещества - от простых флегматизаторов (инертной пыли или воды), гасящее действие которых состоит в снижении температуры до уровня, при котором прерывается горение, до высокоэффективных ингибиторов горения на основе легкоразлагающихся солей, обработанных специальными гидрофобизирующими и разрыхляющими добавками, способными погасить пламя вспышки (взрыва) при сравнительно малых удельных расходах, около 0,01-0,10 кг/м³ защищаемого объема выработки.

Принципы действия и конструкции взрывоподавляющих устройств

Анализ принципа действия и конструкции различных исполнительных взрывоподавляющих устройств показал, что для принудительного выброса дисперсного огнетушащего вещества из контейнера в зону вспышки может быть использована потенциальная энергия сжатой пружины; энергия взрывающего заряда; энергия сжатых газов, образующихся при сгорании в замкнутом объеме специальных газогенерирующих составов; энергия сжатого или сжиженного газа, помещенного в сосуды высокого давления. Устройства, в которых для выброса пламегасящего материала используются указанные источники энергии, проверены специалистами ЗАО «МВК по ВД при АГН» в ходе многочисленных исследований по гашению экспериментальных взрывов метана и угольной пыли в условиях, близких к натуральным. В результате были определены их основные преимущества и недостатки, а также область применения.

Так, механический привод, работающий от сжатой пружины, из-за большой инерционности и относительно малого запаса энергии может быть использован только для опрокидывания полок с инертной пылью или сосудов с водой в заслонах ПЗМ-2, когда окончательное диспергирование пламегасящего материала и распределение его по зоне реакции осуществляется за счет энергии ударной волны самого взрыва.

При использовании в исполнительном устройстве для диспергирования и выброса пламегасящего материала энергии детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ) достигается высокая эффективность и низкая инерционность процесса создания гасящей среды, что особенно важно при гашении в начальной стадии быстро развивающихся взрывов метана и угольной пыли. Как было экспериментально установлено, успешное гашение таких взрывов возможно лишь при условии создания в зоне реакции и на пути распространяющегося по выработке фронта пламени гасящего облака по всему сечению горной выработки за время не более 15-30 мс. Однако продолжительность существования пламегасящего облака, созданного устройством, функционирующим на энергии детонации заряда ВВ, крайне мала и не обеспечивает устойчивого гашения слабых и средних взрывов, т.е. при скоростях распространения фронта пламени по выработке меньше 100 м/с. Для устранения этого недостатка были разработаны комбинированные (двухступенчатые) исполнительные устройства, в которых на первой стадии пламегасящий дисперсный материал подается в очаг взрыва с помощью детонации заряда ВВ, а на второй - сжатым газом, содержащимся в баллоне или образовавшимся при сгорании газогенерирующего состава. Основной недостаток устройств, использующих энергию детонации ВВ, - высокая скорость выброса ингибитора, при которой может быть травмирован человек. Это обстоятельство обусловливает большую опасность таких устройств при ложных срабатываниях автоматических систем, вероятность которых не может быть полностью исключена. Особенно велика такая опасность при использовании устройств, в которых диспергирование пламегасящего вещества осуществляется детонацией заряда ВВ из легко разрушаемых контейнеров. Эта опасность существенно снижается, если дисперсный материал и рабочий заряд ВВ помещены в прочную неразрушаемую оболочку, а пламегасящее вещество выбрасывается через специальные распыляющие сопла в строго определенном направлении. Однако в данном случае значительно увеличиваются масса и габариты устройства, что усложняет его эксплуатацию.

Недостатки и достоинства исполнительных устройств

Необходимо также отметить и общий недостаток, присущий всем рассмотренным выше типам исполнительных устройств: освобождение сжатой пружины и инициирование рабочего заряда происходит с помощью электродетонаторов, обладающих чувствительностью к ударам и толчкам, что может послужить источником ложных срабатываний таких устройств, установленных в горных выработках шахты. В связи с этим подобные устройства должны быть оснащены специальными средствами защиты электродетонаторов от внешних (посторонних) воздействий.

Устройства, в которых диспергирование и выброс пламегасящего материала осуществляются газами, образующимися при сгорании специальных газогенерирующих составов, обладают определенными достоинствами. Для поджигания газогенерирующего состава используется не электродетонатор, а электровоспламенитель, что делает такие устройства нечувствительными к ударам и толчкам. Следовательно, снижается вероятность ложных срабатываний системы. Также проще и обслуживание таких устройств. Принимая во внимание, что быстродействие подобных устройств вполне достаточно для гашения на начальной стадии вспышек метана и угольной пыли (при использовании быстрогорящих газогенерирующих составов), можно считать возможным их применение в автоматических системах. Такие системы полезны для гашения вспышек метана при защите скоплений электрооборудования в шахтах или местах возможного фрикционного искрения. Для локализации динамично развивающихся взрывов метана и (или) угольной пыли быстродействия таких систем недостаточно. Важное требование к ним - отсутствие в составе образующихся газов ядовитых или высокотоксичных химических соединений. Кроме того, использование в них штатных средств инициирования вместо электровоспламенителя лишает системы с газогенерирующими составами преимуществ по сравнению с системами, содержащими ВВ, что влечет за собой необходимость выполнения всех мероприятий, положенных при допуске ВВ, или устройств, содержащих ВВ, к применению. Все это значительно усложняет эксплуатацию таких систем в угольных шахтах.

Для диспергирования огнетушащего материала также можно использовать энергию сжатого воздуха или инертного газа (азот, фреон и т.п.). При этом рабочий газ содержится или в отдельном сосуде или в одном сосуде с жидким или порошкообразным огнегасящим веществом. Запуск таких устройств осуществляется с помощью взрыворазрушаемых (обычно электродетонатором) диафрагм или механически открываемых клапанов. Преимущество данного способа диспергирования и выброса огнегасящего вещества состоит в минимальной инерционности процесса создания пламегасящей среды, автономности системы (при использовании механически открываемого клапана), возможности плавного регулирования (в определенных пределах), с помощью дросселирующих отверстий, времени существования гасящего облака, также возможности текущего контроля работоспособности этих систем по показаниям давления газа в рабочей камере. К недостатку таких устройств можно отнести определенную потенциальную опасность для горнорабочих и обслуживающего персонала, обусловленную постоянным размещением в выработке сосудов, работающих под высоким давлением.

Датчик, как важнейший элемент автоматических систем гашения

Важнейший элемент автоматических систем гашения, определяющий возможность своевременного обнаружения вспышки (взрыва), - датчик, реагирующий на какое-либо физическое явление, сопровождающее вспышку или взрыв, и выдающий сигнал на срабатывание исполнительного устройства. Как известно, любая вспышка (взрыв) метановоздушной или пылеметановоздушной среды сопровождается возникновением пламени, которое характеризуется значительным повышением температуры в зоне реакции и в окружающей среде, а также служит источником интенсивного электромагнитного или светового излучения в широком диапазоне частот. Кроме того, на определенной стадии развития взрывного процесса возникает ударная воздушная волна (УВВ), представляющая собой распространяющуюся по выработке зону повышенного давления. Все эти физические процессы, сопровождающие взрыв, могут быть зафиксированы с помощью специальных устройств, что позволяет использовать их в автоматических системах локализации в качестве датчиков, реагирующих на возникновение вспышки или взрыва.

Распространение получили датчики, реагирующие на высокую температуру пламени взрыва или пожара. В качестве чувствительного элемента таких датчиков в основном применяют различные термопары. К преимуществам таких датчиков следует отнести их высокую помехозащищенность и сравнительно простое устройство. Однако, несмотря на высокую чувствительность и сравнительно небольшую инерционность термопар, для срабатывания такого датчика необходим непосредственный контакт с пламенем. В связи с этим, для обеспечения своевременного диспергирования пламегасящего вещества перед подходом фронта пламени взрыва необходимо увеличивать расстояние между датчиком и исполнительным (взрывным) устройством до нескольких десятков метров. При этом, естественно, теряется основное преимущество автоматических систем - способность погасить взрыв (вспышку) на начальной стадии развития.

Перспективны, с точки зрения обеспечения быстродействия ждущих автоматических систем гашения взрывов, оптические датчики, реагирующие на световое излучение пламени, главным образом в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра. Как показали специальные исследования спектрального состава излучения пламени взрывов метана и угольной пыли, различных источников рудничного освещения, а также поглощения ультрафиолетового и инфракрасного излучения взвешенной в воздухе угольной и породной пылью, наиболее подходящими для шахтных автоматических систем взрывоподавления являются оптические датчики, чувствительные к инфракрасному излучению пламени, снабженные светофильтрами, не пропускающими излучение с длиной волны меньше 1,1·10^-6 м. Однако применение таких датчиков ограничено возможностью ложного срабатывания от воздействия других источников света и сложностью защиты оптических деталей от запыления в подземных горных выработках.

Как показал анализ результатов ряда исследований, возможно применение датчиков, реагирующих на повышение давления, т.е. на наличие УВВ. Такие датчики показали свою надежность и избирательность, поскольку они выдают сигнал на срабатывание автоматической системы только при взрывах метана (угольной пыли) и не реагируют на случайные вспышки. Однако следует учитывать, что при их разработке необходимо точно выставлять порог срабатывания: с одной стороны, повышая чувствительность (для гарантированного обнаружения взрывов в начальной стадии возникновения), с другой - борясь с ложными срабатываниями от посторонних помех (например, при ведении взрывных работ). Исследования показали, что оптимальный порог срабатывания таких систем должен быть порядка 0,02 МПа.

Исследования

В СССР в 80-х годах XX столетия испытания экспериментальных образцов основных функциональных узлов опытных образцов автоматических систем в металлической штольне МакНИИ и опытной штольне «Гранит» ВНПО «Респиратор» (Украина) показали, что они позволяют устойчиво гасить взрывы пылеметановоздушных смесей при наиболее взрывоопасных концентрациях, инициированных любыми возможными в шахтах источниками воспламенения, в том числе и детонацией свободно подвешенного (открытого) заряда ВВ. При этом источники воспламенения могут находиться как в тупике выработки, так и посреди загазованного участка. Надежное гашение взрывов, инициированных детонацией заряда ВВ в тупике выработки, обеспечивается автоматическим взрывоподавляющим устройством, содержащим не менее 30 кг ингибитора при длине облака не менее 15 м и удельном расходе ингибитора 0,10-0,15 кг на 1 м³ объема защищаемой выработки. В настоящее время в России применяются более эффективные огнетушащие порошки П-АГС и ИСТО-1. По данным ВостНИИ, при содержании таких порошков не менее 0,01 кг на 1 м³ объема защищаемой выработки исключается возможность воспламенения метановоздушной смеси.

К настоящему времени как в России, так и за рубежом накоплен достаточный опыт создания шахтных автоматических систем взрывопадавления, предназначенных для защиты различных конкретных объектов: подготовленных забоев, проходческих и выемочных комбайнов и т.д. В ходе разработок были созданы многочисленные варианты основных элементов и узлов таких систем, а их совершенствование продолжается и по сей день.

Обобщая вышеизложенное, можно отметить, что автоматические системы локализации взрывов метана и угольной пыли должны:

- обеспечивать выброс в зону реакции и на пути распространяющегося по выработке фронта пламени гасящего облака за время около 15-30 м/с при достаточной чувствительности к взрыву метана и угольной пыли;

- обеспечивать прекращение процесса взрыва при удельных концентрациях этих порошков 0,01-0,10 кг/м³;

- обладать высокой надежностью срабатывания, а также иметь систему контроля ее работоспособности;

- иметь защиту от самопроизвольного ложного срабатывания;

- не содержать элементы, которые могут быть источником выделения ядовитых или токсичных химических соединений;

- быть простыми в технологическом обслуживании, иметь большой срок эксплуатации (не менее 5-10 лет).

Заключение

Решение проблемы предотвращения взрывов метановоздушной смеси в лаве, в выработанном пространстве лавы или в прилегающих к выработанному пространству подготовительных выработках зависит от совершенствования системы разработки пласта и схем проветривания выемочного участка.

В шахтах применяют различные схемы проветривания выемочных участков, дегазацию пластов-спутников и отвод загазированного воздуха из выработанного пространства при помощи газоотсасывающих вентиляторов. Но все эти системы не рассчитаны на значительные изменения объемов выделяемого газа. Увеличение выделения газа в больших объемах всегда происходит неожиданно. Концентрация взрывоопасного газа в шахтном воздухе по ПБ контролируется автоматическими датчиками только в горных выработках, по которым перемещается исходящий поток шахтного воздуха за счет общешахтной депрессии. Поэтому выемочные участки при всех применяемых в шахтах схемах вентиляции с дополнительными способами отвода газовоздушной смеси через выработанное пространство, на которых не обеспечивается взрывобезопасность шахтной атмосферы, необходимо считать взрывоопасными объектами.

Для обеспечения взрывобезопасности необходимы новые принципы проветривания подземного пространства, новая методика расчета необходимого расхода воздуха, а не для обеспечения высокой нагрузки на забой. Расход воздуха для безопасного проветривания решит и проблему «газового барьера» при прогнозировании аномальной метаноносности угля в пласте впереди забоев и в смежных пластах. При таком прогнозировании станет возможным и адекватное регулирование параметров вентиляции с применением дополнительных способов дегазации.

Для стабилизации и улучшения состояния промышленной безопасности также необходимо:

- вести работу по обновлению основных фондов, оснащению шахт новой аппаратурой аэрогазового контроля, оснащению трудногорючими и трудносгораемыми конвейерными лентами;

- организовать структуру горно-геологического мониторинга последствий закрытия угледобывающих предприятий;

- разработать технологии движения эндогенной пожароопасности выработанных пространств, очистных забоев;

- активизировать работу по проведению исследований накопления и горения метана в выработанных пространствах с целью недопущения и перемещения его в действующей выработке с угрозой взрыва;

- внедрять на шахтах компаний взрывозащитные системы орошения для снижения запыленности при ведении подготовительных и очистных работ;

- оснастить угольные шахты аппаратурой аэрогазового контроля нового технического уровня, приборами оперативного контроля пылевзрывобезопасности горных выработок в системе наблюдения и оповещения об аварии, средствами поиска застигнутых аварией людей.

- разработать технологические схемы вскрытия и подготовки шахтных полей, обеспечивающих безопасный выход людей из шахт при авариях в течение времени защитного действия самоспасателей, либо принятие мер по созданию других более надежных средств самоспасения.

Список литературы

1. Взрывы метана в шахтах: первопричина и следствия. Журнал «Уголь» №5, 2005, с. 46 - 48.

2. Годовой отчет о деятельности федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2007 году.

3. Журнал-каталог "Пожарная автоматика 2007"

4. Электронный ресурс http://www.rosugol.ru

Размещено на Allbest.ru