Обзор методов обнаружения подземных пожаров

Любые физические явления, в том числе процессы самовозгорания, тления, пожара или взрыва угольной пыли, могут быть идентифицированы по ряду факторов, проявлением которых это явление сопровождается. Общим принципом работы всех устройств обнаружения загораний [1] является измерение физических величин, связанных именно с этими факторами.

Физиологический метод

Данный метод является самым простым, однако, не совсем точным. Он основан на установлении признаков пожара органами чувств человека и делится на визуальные и воздействующие непосредственно на человека.

Визуально появление пожара можно установить по увеличению влажности воздуха (появление тумана и выпотов), появлению пожарных запахов (в угольных шахтах – запаха гари, керосина, бензина, а также смолы в результате сухой перегонки угля).

Предчувствие человеком появления пожара вызывается воздействием на организм СО и его постепенным угоранием.

В Кузбассе, например, физиологическим методом было обнаружено 70% от общего количества пожаров (данные за 80-е гг. прошлого века).

Данный метод лежит в основе принципа использования т.н. ручных извещателей (рис 1).

Рис. 1. Внешний вид искробезопасного ручного извещателя для взрывоопасных зон установки

Тепловой метод (физический)

Тепловой метод обнаружения пожаров хорошо известен по работе т.н. тепловых извещателей, широко используемых в различных местах пребывания людей, а также сфер его жизнедеятельности.

Тепловые извещатели (рис. 2), предназначенные для работы во взрывоопасных средах, таких как угольные шахты или рудники служат для выдачи сигнала о превышении температуры в месте установки извещателя.

Рис. 2 Тепловой извещатель ДПС-038 искробезопасный

На данный момент распространение получили несколько типов [2] тепловых извещателей, применяемых в подземных выработках шахт и рудников: извещатели максимального действия: срабатывают при превышении заданного уровня температуры; извещатели максимальнодифференциального действия, которые выдают управляющий сигнал в случае повышения температуры окружающей среды на 30 °С за 7 с.

Тепловой метод также был положен в идею создания и применения термокабелей (рис. 3).

Рис 3. Устройство термокабеля PHSC.

Термокабель представляет собой единый датчик непрерывного действия. Линейное детектирование имеет уникальные преимущества при использовании в местах затрудненного доступа, например, конвейерные штреки.

Дымовой (физический)

При горении органических веществ с потоками пожарных газов в воздух поднимаются небольшие частицы несгоревшего и сгоревшего вещества (золы), которые образуют аэрозольное облако - дым. Так как появление дыма возможно на стадии нагрева, то благодаря возможности определения аэрозольных следов в воздухе этот метод эффективен при раннем обнаружении возгорания [3].

Дымовые датчики должны обнаруживать частицы с субмикронными размерами. По принципу действия дымовые датчики делятся на ионизационные и оптические .

Ионизационные датчики работают на принципе изменения электропроводности воздуха, облученного α-лучами радиоактивного источника. В датчиках же оптического типа используются оптические свойства дыма, характеризующие поглощение или рассеивание света.

Химико-аналитический метод (метод мониторинга газового состава)

Данный метод основан на измерении содержания газов в атмосфере горной выработки и дальнейшем анализе этого состояния. Наиболее характерные газы для мониторинга в атмосфере горной выработки: углеродосодержащие оксиды CO и CO 2 , оксиды азота N x O y , кислород O 2 .

Если в шахтной атмосфере через каждые три часа в течение суток постоянно содержится 0,01 % CO по объему и больше, то это означает, что на участке непременно начался рудничный пожар.

К химико-аналитическому методу относится также анализ пожарных коэффициентов R 1 и R 2 .

Первый из них:

R i =

+ co 2

- ^O 2

• 100 , где +CO 2 - увеличение количества углекислого газа

при пожаре,-O2 – величина, на которую в рудничном воздухе уменьшилось содержание кислорода

Второй:

R 2 =

+ CO - ^O 2

100 , где +CO – увеличение количества окиси углерода

Значения пожарных коэффициентов для углей марок К и ОС приведены в табл. 1.

Таблица 1

Пожарные коэффициенты для углей марок К и ОС

Температура очага, °С	Коэффициент		Физиологический признак
	R 1	R 2
20	0,5	0	––––
20 – 35	10 – 30	0	––––
35 – 50	30 – 45	0,5	Выделение пара, потение стенок выработки
50 – 60	45 – 65	0,5 – 12	Сильный запах гари
80	65	12	Запах керосина

Метод прогнозирования по выбросу метана

Данный метод позволяет обнаружить пожар по резкому возрастанию (импульсу) газообильности на участке по сравнению с обычными днями. В основе метода лежит увеличение тяги воздуха к очагу пожара при окислении, что, в свою очередь, приводит к увеличению количества метана на участке. Наиболее достоверными показателями служат импульсы метана в воскресные дни, когда не ведутся очистные работы и нет дополнительного газовыделения из угля.

Минералогический метод

В основе его лежит появление при пожаре в шахтной воде новых минеральных образований, особенно при разработке новых сульфидных руд. При пожаре в указанных условиях могут появляться до 20 новых соединений. Химический состав воды, вытекающей из выработанного пространства на колчеданных рудниках, зависит от минералогического состава горных пород, а также от происходящих там химических процессов. При повышенной температуре вода отличается высокой окисленностью и повышенным содержанием серной кислоты и ряда минералов (Cu, Fe и др.). Увеличение серной кислоты (свободной или связанной) происходит в пределах 0,05 до 30-50 г/л, железа – 0,09-33, меди – 0,02-8 г/л.

Статистический метод

Данный метод заключается в обработке имеющихся данных по пожарам с помощью уравнений множественной корреляции. Например, для шахт Донбасса, указанное уравнение имеет следующий вид:

y = x 1 + x 2 + x 3 + x 4 + x 5 + x 6 + x 7 + x 8 + x 9 + x 10 + x 11 + x 12 + x 13 + x 14 + x 15 + x 16 + x 17

где x1 - x17 отражают следующие факторы:химическая активность углей, угол падения, мощность пласта, глубина, утечки через выработанное пространство, подвигание забоя, депрессия участка, способ управления кровлей, характер вмещающих пород, система разработки, причины потерь угля в выработанном пространстве, марки угля, время возникновения пожара в течение года.

Также к статистическому методу относят метод, разработанный ВНИИГД [3], предназначенный прежде всего для определения количественной пожароопасности выработок и шахт. Экзогенные пожары не связаны однозначно известными физическими законами и условиями в горных выработках и поэтому место и время их возникновения установить с достаточной точностью невозможно. Поэтому целесообразно рассматривать возникновение и развитие пожаров в горных выработках угольных шахт как случайный процесс.

В качестве коэффициента пожароопасности принято произведение вероятности возникновения пожара в выработке и вероятности его развития. Вероятность развития пожара зависит от наличия в выработках горючих материалов и трудности их тушения. Они определялись по трудозатратам ВГСЧ на тушение пожаров.

При нахождении законов распределения вероятностей статистические данные дифференцировались с учетом технологического назначения выработки, вида применяемой энергии, рода откатки, категории шахты по газу, группы крепи. На основании этих факторов составлена расчетная таблица вероятностей пожарной опасности выработок, которая используется при установлении пожарной опасности выработок определенного технологического назначения. Расчет пожарной опасности производится по формуле: П(А) = 1*П уд , где ЩА) -пожароопасность выработки; l i - длина выработки, П уд , м; - удельная пожароопасность выработки (табл. 2).

Таблица 2.

Удельная пожароопасность и вероятность возникновения пожаров в некоторых типах выработок

Наименовани е выработки	Категория шахты по газу	Тип применяемой энергии	Группа крепи	Пожароопасность 1 м выработки	Вероятность возникновения пожара на 1 м выработки
Стволы вертикальные	Все категории	Пневмо- и электроэнергия	Негорючая	478 ⋅ 10 - 8	4783 ⋅ 10 - 8
Стволы наклонные	Все категории	Пневмо- и электроэнергия	Горючая	542 ⋅ 10 - 8	1022 ⋅ 10 - 8
Околостволь ные дворы	Все категории	Пневмо- и электроэнергия	Негорючая	20 ⋅ 10 - 8	661 ⋅ 10 - 8

Используя данные значения, легко находятся ожидаемое среднее количество пожаров.