Профилактика и тушение эндогенных пожаров

2

Контрольно-курсовая работа на тему:

«Профилактика и тушение эндогенных пожаров»

Содержание

Введение

Теории самовозгорания углей

Молекулярный механизм окисления

Самонагревание и самовозгорание углей

Условия самонагревания и самовозгорания углей

Тушение водой

Тушение огнетушителями, инертной пылью и песком

Тушение с помощью зольных суспензий

Список используемых источников

Введение

Эндогенные пожары возникают из-за самонагревания угля в труднодоступных местах, таких как выработанное или закрепленное пространство, в целиках, угольных насосах за изоляционными перемычками, пластах спутниках. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий. Активным способом тушат около 36 %, изолируют 59 %, комбинированным способом ликвидируют 5% пожаров. Обозначилась тенденция к увеличению продолжительности и трудоемкости их тушения. В связи с этим, предотвращение или ограничение до безопасных пределов самонагревания угля - самый перспективный и экономически целесообразный путь борьбы с эндогенными пожарами.

Особенно актуальной в кризисной для угольной промышленности ситуации представляется разработка так называемых общетехнических мер, позволяющих снизить пожароопасность горных выработок за счет выбора рациональных технологических режимов и приемов процесса выемки угля, без увеличения его себестоимости профилактическими мероприятиями.

Теории самовозгорания углей

Общепризнанной теории, объясняющей все многообразие явлений самовозгорания углей, пока не существует.

В разное время выдвигались многочисленные теории, из которых самыми распространенными являются: пиритная, бактериальная, теория комплекса «уголь-кислород» и фенольная.

Пиритная теория объясняет самовозгорание углей наличием в них включений пирита, который под действием кислорода воздуха и воды переходит в сульфат железа со значительным выделением теплоты, нагревающей массу угля до температуры горения. Пиритная теория пользовалась признанием во второй половине XIX в. Дальнейшими наблюдениями было установлено много случаев активного самовозгорания углей, не содержащих пирита или включающих весьма малые его количества (малосернистые угли Кузбасса и др.). Поэтому в настоящее время пиритная теория признана несостоятельной.

Бактериальная теория считает начальной причиной нагревания угля процессы жизнедеятельности бактерий, способствующих окислению органического вещества углей. Позднейшими исследованиями доказано, что роль бактерий в процессе окисления угля настолько ничтожна, что не может вызвать даже и начальной стадии его самовозгорания.

Теория комплекса уголь-кислород получила самое широкое признание. Согласно этой теории, самовозгорание углей обусловлено развитием сорбционных процессов при поглощении углем кислорода воздуха. В первой стадии происходит адсорбция кислорода углем с образованием на его поверхности неустойчивых кислородных соединений; во второй стадии -- расщепление неустойчивых кислородных соединений, образовавшихся в первой стадии, и образование конечных продуктов окисления угля -- углекислоты, окиси углерода, воды. Во второй стадии выделяется до 70% всего тепла, образующегося при окислении.

Фенольная теория основана на наиболее высокой способности фенола к окислению по сравнению со всеми достаточно изученными органическими соединениями угля. Это приводит к выводу, что кислород воздуха, прежде всего действует на фенольные группы, присутствующие в органической части ископаемых углей.

Фенольная теория окисления углей конкретизирует частные случаи теории комплекса «уголь-кислород».

Существование нескольких теорий самовозгорания углей обусловлено тем, что каждая из них достаточно обоснованно трактует ту или иную сторону вопроса, не рассматривая во взаимодействии многих факторов, от которых зависит самовозгорание угля.

Молекулярный механизм окисления

При окислении горючих материалов происходит химическое соединение их с кислородом. В чистом виде окисление наблюдается редко; обычно оно сопровождается реакциями распада больших молекул и ассоциации образующихся осколков молекул.

Молекулярный механизм окисления очень сложен и мало изучен. Считают, что газообразный кислород сначала адсорбируется углем, затем отнимает электроны у атомов углерода и водорода, из которых состоит уголь, и соединяется с ними.

Вследствие сложности состава ископаемых углей характер образующихся при этом соединений очень разнообразен.

Схематически молекулярная структура бурых и каменных углей представляется состоящей из ядер с плотным расположением атомов и с боковыми группами их по периферии. Ядра в основном состоят из атомов углерода, расположенных в одной плоскости в углах правильных шестиугольников. Боковые атомные группы могут иметь разнообразное строение, вследствие рыхлой структуры они химически более активны, чем ядра.

Молекулярная структура углей обусловливает их склонность к окислению и изменение механизма окисления по мере его развития. У бурых углей количество боковых атомных групп велико, и они содержат много кислорода и водорода. Чем менее угли карбонизованы, тем легче они разрушаются; кислород и водород из них постепенно удаляются в виде Н_зО, СО₂ и СН₄, а оставшиеся атомы углерода присоединяются к ядрам. Вследствие этого размеры ядер увеличиваются, и их относительное количество в угле становится больше. Соответственно при большей степени метаморфизма уменьшается химическая активность углей, так как их молекулярная структура становится более плотной: уменьшается склонность к окислению, а также изменяется молекулярный механизм реакций окисления.

Из всех атомных групп, содержащихся в углях, наиболее легко поддаются окислению фенольные группы, при окислении которых образуется вода. Более стойки карбоксильные группы: при окислении они распадаются на СО₂ и Н₂О. Количество атомных групп, содержащих кислород, убывает в генетическом ряду метаморфизма от молодых к более карбонизованным углям; соответственно уменьшается склонность углей к окислению в данном ряду и изменяется молекулярный механизм окисления. У молодых углей много фенольных и карбоксильных групп. В результате разрушения этих групп при окислении уголь обогащается углеродом и соответственно уменьшается выход из него летучих веществ. Сильно метаморфизованные угли имеют мало фенольных и карбоксильных атомных групп, поэтому их разрушение с избытком компенсируется присоединением к углю кислорода, вследствие чего уголь обогащается атомными группами, содержащими кислород, и выход из него летучих веществ по мере развития процесса окисления увеличивается.

С процессами разрушения в угле фенольных и карбоксильных групп связано изменение состава продуктов окисления. В начале окислительного процесса у всех углей главным продуктом является вода, образовавшаяся за счет наиболее легко окисляемых фенольных групп, количество которых в угле сначала увеличивается, а на поздних стадиях окисления уменьшается.

Одновременно происходит распад карбоксильных групп, количество которых в угле непрерывно увеличивается. Продуктом распада карбоксильных групп является углекислый газ. Таким образом, состав продуктов окисления угля по мере развития процесса изменяется, т. е. количество Н₂О уменьшается, а СО₂ увеличивается.

Некоторые исследователи считают, что первым продуктом окисления являются перекисные соединения (пероксиды). Однако перекисные соединения не накопляются в веществе и могут существовать только как быстро исчезающие промежуточные соединения, которые вскоре перегруппировываются в обычные кислородные соединения.

Для окисления угля большое значение имеет вода, которая даже в небольшом количестве заметно ускоряет этот процесс. Например, при отсутствии воды газовые смеси взрываются труднее, чем в ее присутствии. Вода ускоряет окисление угля при низких температурах, в этом случае оно происходит не за счет газообразного кислорода, а за счет более активного кислорода, растворенного в адсорбционных пленках на поверхности угля. Кроме того, набухание поверхностных слоев на стенках микро-трещин производит расклинивание этих трещин и вызывает разрастание их сети в куске угля, что увеличивает реагирующую поверхность угля и соответственно ускоряет окисление.

Окисленные атомные группы непрочно удерживаются в молекулах угля и постепенно отщепляются. Состав отщепляемых углем продуктов окисления непостоянен и зависит от состава угля и условий окисления. Основные продукты окисления: NО, СО₂ и СО; кроме них выделяются SO₂, NН_з, N₂ и более сложные соединения, которые трудно отличить от продуктов термического разложения.

Вследствие отщепления окисленных атомных групп только часть прореагировавшего кислорода удерживается углем. Распределение прореагировавшего кислорода между продуктами окисления закономерно изменяется с повышением температуры. При низких температурах большая часть прореагировавшего с углем кислорода идет на образование воды, а другая часть на образование СО₂. Максимальное количество кислорода удерживается углем при температуре 200°. При более высокой температуре образующиеся в угле окисленные атомные группы становятся менее устойчивыми и разлагаются с выделением главным образом углекислого газа. При температуре 400° кислород практически не удерживается углем и переходит весь в летучие продукты окисления.

При достаточно высокой температуре начинается общее термическое разложение вещества, сильно осложняющее процесс окисления, так как образующиеся при этом ненасыщенные соединения окисляются легче, чем исходное вещество.

Горючие материалы могут окисляться не только свободным кислородом, но и кислородом связанным:

· в водной среде -- перекисью водорода, высшими окислами железа, марганца и хрома, азотной кислотой и т. п.;

· при повышенных температурах -- солями азотной, азотистой, хлорноватой и хромовой кислот, а также окислами некоторых металлов;

· при высоких температурах (выше 500°) --двуокисью углерода и парами воды.

Самонагревание и самовозгорание углей

Самонагревание -- процесс естественного повышения температуры веществ в результате их окисления; переходит в самовозгорание, если температура достигает критического значения.

Склонность к окислению -- способность вещества вступать в химические реакции с кислородом.

Склонность к самовозгоранию -- частный случай склонности к окислению.

Самовозгорание углей -- одна из причин подземных пожаров. При разработке угольных пластов, склонных к самовозгоранию, расходуются большие средства на противопожарную профилактику и тушение возникших, пожаров.

Для успешной борьбы с самонагреванием и самовозгоранием необходимо уметь определять склонность углей к самовозгоранию, обнаруживать пожарные очаги в начальной стадии их зарождения и оценивать степень пожароопасности горных выработок.

Условия самонагревания и самовозгорания углей

Основные физические условия самовозгорания угля: склонность к окислению; плохая теплоотдача и приток воздуха.

При отсутствии хотя бы одного из этих условий самовозгорание не происходит.

У каменных углей самонагревание начинается не сразу после соприкосновения угля с воздухом, а по истечении некоторого времени -- инкубационного периода, продолжительность которого зависит от степени метаморфизма и внешних условий. Бурые угли не имеют инкубационного периода. Они начинают самонагреваться сразу после соприкосновения с воздухом.

В течение инкубационного периода происходит низкотемпературное окисление, при котором уголь самоактивируется. Выделяющееся при этом тепло успевает рассеиваться.

Затем наступает период самонагревания, когда вследствие ускорившегося окисления тепла выделяется больше, чем рассеивается. При достижении углем критической температуры скорость окисления увеличивается, температура возрастает и происходит возгорание. Если же критическая температура не достигнута или вследствие изменения внешних условий усиливается теплоотдача, то происходит охлаждение. В дальнейшем уголь выветривается и становится инертным.

Самовозгораться может только разрыхленный уголь. Случаи возникновения пожарных очагов в ненарушенных и непроницаемых для воздуха целиках угля неизвестны.

Мощные пласты угля более опасны в пожарном отношении, чем маломощные, так как при отработке мощных пластов в выработанном пространстве остаются большие скопления разрыхленного угля, которые трудно изолировать от притока воздуха.

Максимальное количество подземных пожаров возникает в период с декабря по апрель. Это объясняется усиленной циркуляцией воздуха, сокращением объема профилактических работ в зимнее время и более частыми колебаниями барометрического давления при неустойчивой погоде.

Тушение водой

Вода -- самое распространенное средство тушения пожаров вследствие ее высоких огнегасительных свойств, небольшой стоимости и удобства транспортировки.

Огнегасительные свойства воды:

· поданная под напором струя воды сбивает пламя с горящих предметов;

· обладая высокой теплоемкостью и большой скрытой теплотой парообразования, вода охлаждает горящую поверхность ниже температуры, необходимой для поддержания горения;

· смачивая смежные с горящей поверхностью участки и предметы, вода предотвращает распространение на них пламени;

· пар, образующийся при попадании воды на горящую поверхность, изолирует ее на некоторое время от воздуха.

Отрицательные свойства воды, как огнегасительного средства:

· при попадании воды внутрь очага в количестве, недостаточном для полной его ликвидации, происходит бурное парообразование и диссоциация на водород и кислород, что способствует горению и приводит к образованию взрывчатой газовой смеси.

· большое внезапное парообразование, а также взрывы смеси водорода с кислородом могут привести к несчастным случаям с людьми, занятыми тушением пожара. Поэтому воду следует вначале направлять не в центр, а на менее раскаленную периферию очага, перемещая струю к центру по мере затухания очага пожара;

· вода является проводником электричества, поэтому необходимо выключать ток, прежде чем приступить к тушению горящего электрооборудования;

· парообразование, которым сопровождается тушение пожаров водой, способствует отслаиванию пород, в результате чего могут происходить обрушения. Поэтому необходимо крепить подступы к пожару;

· чистой водой нельзя тушить горючие жидкости, так как они всплывают на поверхность воды, что приводит к увеличению площади горения и способствует усилению пожара;

· вода, попадающая при тушении пожара в нижележащие выработки, способствует самонагреванию и самовозгоранию угля.

Тушение огнетушителями, инертной пылью и песком

Огнетушители -- наиболее удобное средство тушения открытых очагов пожаров в начале их возникновения. В шахтах наибольшее распространение получили химические густопенные ручные огнетушители ОП-3 и мощные воздушно-пенные огнетушители МВП-3, смонтированные на тележках со скатами.

В тех случаях, когда в условиях шахты нельзя организовать своевременную подачу достаточного количества воды, огнетушители являются основным средством тушения не только в начале возникновения пожара.

При наступлении на очаг одновременно действуют, возможно, большим числом огнетушителей, а для преграждения распространения пожара огнетушители используются экономно, чтобы только задержать продвижение пожара и не допустить перерыва в действии на него огнетушителями.

Для тушения пожаров в начальной стадии, в особенности при загорании смазочных и обтирочных материалов, должны использоваться песок или инертная пыль.

Преимущество сыпучих инертных материалов как средства активного тушения -- небольшая стоимость и простота применения. Песок и инертная пыль позволяют безопасно тушить горящее электрооборудование, а также разлитые легко воспламеняющиеся жидкости. При тушении песок или инертную пыль рассыпают по горящей поверхности лопатами или совками, а также специальными пульверизационными аппаратами эжекторного типа.

Тушение с помощью зольных суспензий

Одним из перспективных способов предупреждения и локализации эндогенных пожаров на действующем участке является метод создания барьерных поясов на пути движения пожарных газов с последующим их подавлением в выработанном пространстве. Барьерные пояса создаются в виде перемычек с наполнителем, в качестве исходного материала которого наиболее приемлемыми являются захоронения вредных для человека отходов производства (летучая зола электростанций, отходы флотации обогатительных фабрик и шлаков котельных и т.п.). Этот вопрос имеет два аспекта.

Во-первых, летучие золы и другие сухие отходы производства способны заполнять пустоты выработанного пространства, значительно сокращая или полностью ликвидируя токи воздуха в отработанных зонах, не давая кислороду возможности активно окислять уголь и доводить его до самовозгорания. Кроме того, сокращение или полная ликвидация утечек воздуха через выработанное пространство улучшает проветривание шахты. Это позволяет создавать изоляционные барьерные полосы, а в сочетании с добавками вяжущих производить изоляцию отработанных участков от действующих. Добавка зол, начиная с 5%, сцементирует глину, делает отложения менее пластичными, что позволяет улучшить и обезопасить традиционный способ профобработки, уменьшить вероятность прорыва глин. Летучая зола обладает низким содержанием горючих (2- 10%), значительно расширяет возможность захоронения в смеси с ней других экологически вредных веществ, в том числе отходов флотации обогатительных фабрик и шлаков котельных.

Во-вторых, не менее важным аспектом этого вопроса является экологическая вредность летучих зол и других мелкодисперсных отходов производства, приводящих к загрязнению воздушной среды с тяжелыми экологическими последствиями. Даже незначительное сокращение содержания в атмосфере и почве данных микроэлементов будет весьма полезным для очистки окружающей среды.

Решая эту проблему, впервые в отечественной практике использовалась летучая зола электростанций для борьбы с эндогенными пожарами в шахтах.

На рисунке приведена технологическая схема для предупреждения и локализации эндогенного пожара через скважины, пробуренные с поверхности в условиях отрицательных температур.

Система для приготовления и подачи зольных суспензий работает следующим образом. К обсадной трубе скважины 19, пробуренной в выработанное пространство или пожарный участок, подвергающийся обработке, подсоединяют посредством колена 17 генератор 22 инертной пены в сборе с рукавом 4 подачи жидкого азота и трубопроводами 2 и 11 выхлопных газов. При подаче воды пеносмеситель подсасывает из емкости 7 пенообразователь, и готовый пенообразующий раствор попадает в генератор 22, где смешивается с жидким азотом, поступающим под давлением из емкости 3, и генерируемая пена через колено поступает в выработанное пространство аварийного участка. При этом выхлопные газы двигателей автомобилей 3 и 1 обеспечивают через нагревательный элемент улучшение условий теплосъема, обогревают трубу 23 и исключают обмерзание трубопровода, что наиболее характерно при необходимости повышения производительности генератора 22 инертной пены.

Выхлопные газы двигателей машин 3 и 1 проходят через двухзаходный винт с лопастями 13 и 21 и выбрасываются в атмосферу по патрубку 24, а по патрубку 25 сброса через выкидной перфорированный ствол поступают на подогрев пенообразователя, что обеспечивает накопление тепла, что немаловажно для зимних условий. Контроль за качеством генерирования пены и давлением в пенопроводе обеспечивается через смотровое окно 20 и по манометру 16.

Технология приготовления и подачи зольных суспензий позволяет повысить эффективность предупреждения и тушения эндогенных пожаров в выработанных пространствах шахт через пробуренные скважины без дополнительных трудозатрат за счет использования работающих двигатеппей, обслуживающих групповую профилактическую скважину с захоронением вредных для человека отходов производства.

Система для приготовления и подачи зольных суспензий:

1,3- транспортные емкости для хранения и выдачи жидкого азота; 2, 11 - рукав подачи выхлопных газов работающего двигателя; 4 - сильфонный рукав подачи жидкого азота на генератор; 5- расходный вентиль; 6 - трубопровод воды или пульпы; 7 - емкость пенообразователя; 8 - пеносмеситель; 9 -распылитель подачи жидкого азота; 10, 15- патрубок; 12-нагревательный элемент кожуха; 13, 21 -лопасти двухзаходного винта; 14-патрубок ввода выхлопных газов; 16 - манометр; 17 - колено соединительное; 18 -обсадная труба скважины; 19- скважина, пробуренная в очаг эндогенного пожара; 20 - смотровое окно; 22 - генератор инертной пены; 23 - труба генератора; 24, 25 - патрубки сброса выхлопных газов двигателей.

Заключение

Основные направления прогноза, предупреждения и ликвидации отрицательного воздействия пожаров должны быть, обеспечены комплексом мероприятий, направленных на выполнение требований в отношении охраны окружающей среды, действующего законодательства, санитарных норм и правил, гигиенических норм, противопожарных нормативов, местных экологических условий.

Список использованных источников

1. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф.- Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров на угольных шахтах.- М.: Недра, 1977. -320 с.

2. Саранчук В.И.. Баев Х.А. Теоретические основы самовозгорания угля. - М.: Недра, 1976. - 151 с.

3. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. - М.: Недра, 1987.-177 с.

4. Физические основы самовозгорания угля и руд / В.С. Веселовский, Л.П.Виноградова, Г.Л. Орлеанская и др. - М.: Наука, 1972. -197 с.

5. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров / В.С. Веселовский, Л.П. Виноградова, Г.Л. Орлеанская и др. - М.: Наука, 1975. -160 с.

11. Михеев Г.Ф. Обнаружение самовозгорания угля на ранней стадии. - М.: Углетехиздат, 1951. -100 с.