Разработка систем и создание технических средств пожарного водоснабжения горных выработок глубоких шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство топлива и энергетики Украины

Государственный Макеевский научно-исследовательский институт

по безопасности работ в горной промышленности МакНИИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ И СОЗДАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОЖАРНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ

Ющенко Юрий Николаевич

Макеевка-2002

Аннотация

Ющенко Ю.Н. Разработка систем и создание технических средств пожарного водоснабжения горных выработок глубоких шахт: Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - Пожарная безопасность. Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности Министерства топлива и энергетики Украины, Макеевка, 2002 г.

Диссертация посвящена вопросам повышения уровня противопожарной защиты горных выработок глубоких шахт. Предложен новый подход к разработке систем пожарно-оросительного водоснабжения и средств пожаротушения, заключающийся в комплексном рассмотрении процессов совместной их работы средств пожаротушения и систем пожарно-оросительного водоснабжения, определении взаимосвязей между основными параметрами и создание на этой основе регулятора давления, объединяющего их в единую систему для обеспечения ликвидации подземного пожара в выработках глубоких шахт. Установлена зависимость гидравлических параметров системы водоснабжения от напорно-расходных характеристик пожарного оборудования, его количества и геодезических мест размещения, что позволило обосновать принципы объединения двух систем пожаротушения и водоснабжения в единую систему, обеспечивающую гарантированную подачу воды к потребителям при тушении пожаров. Определено влияние сопротивления и площади проходного сечения дросселирующих устройств, а также геодезических мест их расстановки в вертикальных и наклонных трубопроводах на напорно-расходные характеристики системы водоснабжения и устойчивость ее работы, в результате чего получены зависимости допустимой высоты расположения дросселирующего устройства от площади проходного сечения и параметров низконапорной сети. Обоснованы нормативные расходы воды на тушение и локализацию подземных пожаров при определенной степени дисперсности водяной завесы, при этом установлена эмпирическая зависимость доли испаряющейся воды от среднего диаметра капли, пожарной нагрузки выработки и температуры пожарных газов. Аргументирован принцип создания статически и динамически уравновешенного затвора, заключающийся в снижении гидродинамической силы, которая препятствуют его передвижению в режиме запирания путем размещения затвора в высоконапорной полости. Это позволило создать регулятор давления нового поколения, при этом перестановочное усилие затвора снижено в 3,6 раза, что позволило во столько же раз повысить его чувствительность и снизить массогабаритные характеристики. Разработаны алгоритм и методики расчета совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования при тушении подземных пожаров, а также расчета редукционного клапана для работы в системах водоснабжения глубоких шахт.

Основные результаты работы использованы при создании ряда отраслевых нормативных документов, технических средств - клапана редукционного переносного ПРК, клапана редукционного стационарного СКР, клапана редукционного общешахтного РМ-150, которые нашли широкое применение на шахтах Украины, России, Казахстана.

Ключевые слова: система водоснабжения, пожарное оборудование, кавитация, гидродинамические процессы, локализация, тушение, подземный пожар, регулятор давления, глубокие шахты, дросселирующие устройства.

Анотація

Ющенко Ю.Н. Розробка систем і створення технічних засобів пожежного водопостачання гірничих виробок глибоких шахт: Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.02 - Пожежна безпека. Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, Макіївка, 2002 р.

Дисертація присвячена питанням підвищення рівня протипожежного захисту гірничих виробок глибоких шахт. У роботі запропонований новий підхід до розробки систем пожежно-зрошувального водопостачання і засобів пожежогасіння, що полягає у комплексному дослідженні процесів спільної їх роботи, визначенні взаємозв'язків між основними параметрами та створення на цій основі регулювальника тиску, що об'єднує їх в єдину систему для забезпечення ліквідації підземних пожеж у виробках глибоких шахт. Створені регулювальники тиску нового покоління зі статично і динамічно урівноваженим затвором. Встановлена закономірність розставляння їх у вертикальних і похилих трубопроводах. Обгрунтована умова безкавітаційної роботи регулювальників тиску в шахтних системах водопостачання. Определені нормативні витрати води на гасіння і локалізацію підземних пожеж в залежності від міри її дисперсності, пожежного навантаження гірничої виробки. Основні результати роботи використані при розробці ряду галузевих нормативних документів, при створенні редукційних клапанів, які знайшли широке застосування на шахтах України, Росії, Казахстану.

Ключові слова: система водопостачання, пожежне обладнання, кавітація, гідродинамічні процеси, локалізація, гасіння, підземна пожежа, регулювальник тиску, глибокі шахти, дроселіруючи пристрої.

Abstract

Yustchenko Yu. Development of systems and creation of technical means of fire prevention water supply of mine workings in diip vines: Typescript.

Thesis for a candidate's of technics degree, speciality 21.06/02- Fire safety.- The State Scientific-research Institute on Safety in Mines of Makeyevka, Ministry of Fuel and Power Engineering of the Ukraine, Makeyevka, 2002.

The thesis is devoted to the problems of increase of the level of fire protection of the mine workings in the deep mines. A new approach to development of fire-fighting sprinkling water supply and fire-fighting means is proposed in the work. It consists in complex investigation of the processes of their common operation, determination of independence's between the basic parameters and creation of the pressure regulator that combines them in the united system to guarantee fighting the underground fires in the mine workings of the deep mines. The pressure regulators of the new generation with the gate having dynamic and standing balance are created. Mechnism of their arrangement in the vertical and inclined pipe-lines is ascertained. Condition of the uncavitated work of the pressure regulators in the mine water supply systems is substantiated. The normative water consumptions for fighting and localization of the underground fires depending on degree of its dispersion, fire load of the mine working are substantiated. The basic results of the work are used be development of a number of branch normative documents, by creation of the pressure reducing valves that are widely used in the mines of the Ukraine, Russia and Kazakhstan.

Descriptors: water supple system, fire-fighting equipment, cavitation, hydrodynamic processes, localization, fighting, underground fire, pressure regulator, deep mines, throttling devices.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Система подземного водоснабжения предприятий угольной и горнорудной промышленностей используется в технологическом процессе добычи и составляет основу пожарной защиты шахт.

За последние годы произошел заметный рост количества крупных подземных пожаров, приводящих к значительным убыткам из-за несвоевременной или недостаточной подачи воды на пожаротушение. Причиной такого положения является то, что на больших глубинах пожарно-оросительная сеть находится под высоким давлением и ее гидравлические параметры не соответствуют параметрам пожарного оборудования. Соединение двух систем - пожаротушения и водоснабжения в единую требует решения ряда вопросов проектирования, как самих систем, так и регуляторов давления, обеспечивающих совместную их работу.

В связи с тем, что добыча угля ведется на глубинах 900 м и более, разработка систем водоснабжения и технических средств, обеспечивающих эффективную работу средств пожаротушения на больших глубинах, является актуальной задачей, решение которой обеспечит своевременную ликвидацию подземных пожаров современных шахт.

Связь работы с научными программами, планами, темами

В диссертационную работу вошли результаты многолетних исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ НИИГД по программам "Создать и освоить серийное производство средств противопожарной защиты шахт на 1996-1998 гг."; "Создать и освоить серийное производство шахтной трубопроводной арматуры на 1996-1998 гг."; "Создать и внедрить способы и средства активного тушения экзогенных пожаров в шахтах и инертизации атмосферы с целью предотвращения взрывов при тушении пожаров" (НИР № 1919311010, № 0629406000, № 1919201100, № 1110002010).

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание систем и создание технических средств пожарного водоснабжения, обеспечивающих эффективность пожарного оборудования при высоких давлениях и расходах воды в условиях глубоких шахт.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать гидравлические процессы и режимы совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования.

2. Исследовать гидростатические и гидродинамические процессы работы регуляторов давления в системах пожарного водоснабжения глубоких шахт.

3. Найти технические решения подачи необходимого количества воды к пожарному оборудованию при тушении подземных пожаров в глубоких шахтах.

4. Разработать алгоритмы и методики расчета параметров совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования, а также конструктивных и гидравлических параметров шахтных регуляторов давления воды.

5. Создать технические средства снижения и стабилизации давления воды в шахтных пожарно-оросительных сетях с высокими гидравлическими параметрами.

Идея работы заключается в комплексном исследовании процессов совместной работы средств пожаротушения и систем пожарно-оросительного водоснабжения, определении взаимосвязей между их основными параметрами и создании на этой основе оборудования, объединяющего их в единую систему для обеспечения ликвидации подземных пожаров.

Объект исследования- пожарно-оросительные системы водоснабжения и средства пожаротушения на глубоких горизонтах шахт.

Предмет исследования - гидродинамические процессы в системах противопожарного водоснабжения с дросселирующими устройствами.

Методы исследования. При проведении исследований были использованы основные законы гидравлики, тепломассопереноса и методы системного анализа, математической статистики и обработки данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна

1. Установлена закономерность образования нестационарного режима движения воды в вертикальных и наклонных трубопроводах, оборудованных дросселирующими устройствами, при подаче ее к пожарному оборудованию на большие глубины, заключающаяся в разрыве сплошности потока воды при увеличении расхода ее через конечный потребитель до значения большего, чем при подаче через дросселирующее устройство. Это позволило обосновать допустимую глубину расположения дросселирующего устройства по заданным его проходному сечению и гидравлическим параметрам низконапорной сети и допустимое сопротивление устройства при заданной глубине его установки.

2. Раскрыт механизм совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования, заключающийся во влиянии на гидродинамические процессы в пожарно-оросительной сети технологических параметров тушения и локализации подземного пожара. Установлена зависимость гидравлических параметров системы водоснабжения от напорно-расходных характеристик пожарного оборудования, его количества и геодезических мест размещения при подаче воды самотеком из поверхностного резервуара и насосами водоотлива, что позволило обосновать принципы объединения двух систем пожаротушения и водоснабжения в единую систему, обеспечивающую гарантированную подачу воды к потребителям при тушении пожаров.

3. Уточнен механизм теплообмена нагретых пожарных газов и мелкораспыленной воды, заключающийся в изменении степени охлаждения газового потока в зависимости от ее дисперсности, которая характеризует интенсивность парообразования. При этом установлена эмпирическая зависимость количества испаряющейся жидкости от диаметра капель и температуры газового потока, исходящего из зоны горения, что позволило обосновать нормы расхода воды на тушение и локализацию подземного пожара в зависимости от пожарной нагрузки горной выработки, скорости распространения пожара и гидродинамических параметров пожарного оборудования.

4. Обосновано условие бескавитационной работы шахтного регулятора давления, заключающееся в том, что площадь дросселирующего окна затвора щ₃ не должна превышать значение его критической площади щ_{3 кр} (щ₃ < щ_{3 кр}), при этом установлены взаимосвязи напорно-расходных характеристик систем водоснабжения и конструктивных параметров проточной части регуляторов давления, определяющие критическую площадь дросселирующего окна по кавитационному фактору. Это позволяет на стадии проектно-конструкторских работ, варьируя геометрическими параметрами затвора и проточной части корпуса регулятора давления, добиться бескавитационной его работы в требуемом диапазоне функционирования пожарного оборудования.

5.Уточнен механизм воздействия гидромеханических сил на затвор плунжерного типа, заключающийся в учете гидродинамической силы, определяемой разностью давлений регулируемой среды, действующих на грани дросселирующих окон, их количества и формы при перемещении затвора перпендикулярно потоку жидкости. Установлено, что размещение затвора в высоконапорной полости регулирующего органа снижает перестановочное усилие в 3,6 раза. Это явилось основой создания регуляторов давления нового поколения со статически и динамически уравновешенным затвором и высокой чувствительностью при одновременном снижении массо-габаритных характеристик регулятора.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:

корректностью постановки задач, применением современного математического аппарата и вычислительной техники;

соответствием установленных закономерностей гидравлических параметров системы водоснабжения напорно-расходным характеристикам пожарного оборудования, его количеству, геодезическим местам размещения и основным физическим законам гидродинамики;

необходимым объемом экспериментального материала, полученного в шахтах, пожарной штольне, на специально разработанном стенде, используемых при разработке систем и технических средств пожарного водоснабжения горных выработок глубоких шахт;

удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными (относительная погрешность не более 15 %);

широкой апробацией и промышленным внедрением результатов работы.

Научная новизна работы заключается в установлении научно обоснованных параметров работы системы пожарного водоснабжения на основе комплексного исследования процессов взаимодействия ее с пожарным оборудованием при тушении и локализации пожаров глубоких горизонтов шахт.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке и внедрении на шахтах регуляторов давления жидкости и комплексного метода расчета совместной работы систем пожарного водоснабжения и пожарного оборудования, что позволяет использовать в проектах противопожарной защиты шахт решения, обеспечивающие ликвидацию пожаров на больших глубинах.

Реализация выводов и предложений работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке следующих нормативных документов:

ДНАОП 1.1.30-1.01-00 Правила безопасности в угольных шахтах: Утв. приказом Министерства труда и социальной политики Украины от 22.08.2000 г. № 215, пп. 6.3.4, 6.3.7, 6.3.8;

КД 12.5.016-95. Технические требования к системам водоснабжения шахт и шахтной трубопроводной арматуре, введен в действие с 1996.01.01, разделы 2 и 3;

КД 12.07.403-96. Разработка проекта противопожарной защиты угольных шахт: Методика, введен в действие с 1997.07.01, раздел 5, приложения Е, К, Л, М, П, С;

ГСТУ 29.2.04675545.004-2001. Установки попередження і гасіння пожеж водою автоматичні: Загальні технічні вимоги, введен в действие с 2002.04.01;

Рекомендации по реконструкции систем пожарно-оросительного водоснабжения (по заданию Минуглепрома Украины), разделы 2 и 5.

На основании результатов диссертационной работы созданы для угольной промышленности Украины технические средства, в конструкции которых использованы авторские свидетельства № 1108402 “Регулятор давления жидкости” и № 1417639 “Регулятор давления”, а именно: клапан редукционный переносной ПРК, клапан редукционный стационарный СКР, клапан редукционный общешахтный РМ-150. Эти изделия внедрены на угольных шахтах Минтопэнерго Украины, в ГВГСС, ПО “Джезказганцветмет” и ГОАО “Казцинк” (Казахстан), ПО “Якуталмаз” и ГОАО “Гайский горно-обогатительный комбинат” (Россия).

Разработанная в процессе исследований методика и регулятор давления могут быть применены на горно-добывающих предприятиях угольной, цветной и черной металлургии, химии и на предприятиях других отраслей, ведущих разработки полезных ископаемых на больших глубинах.

Личный вклад соискателя состоит:

в постановке задач по всем разделам диссертационной работы;

научном руководстве теоретическими и экспериментальными исследованиями и непосредственном участии в них, в том числе лабораторных и натурных испытаниях создаваемой техники и разработке рекомендаций по ее использованию;

- в создании методик, лабораторных стендов и установок для проведения научных исследований;

- в статистической обработке результатов, полученных при выполнении исследований;

- в систематизации и научном анализе полученных результатов, разработке научно обоснованных технических решений по созданию регуляторов давления нового поколения с высокой чувствительностью и малыми массогабаритными характеристиками.

В публикациях с соавторами основные идеи принадлежат соискателю.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на республиканском научно-техническом семинаре “Профилактика и тушение пожаров на объектах народного хозяйства” (Севастополь, СПИ, 1988 г.); научно-технической конференции “Проблемы пожарной безопасности” (Киев, УкрНИИПБ, 1995 г.); научно-практической конференции “Пути развития горноспасательного дела” (Донецк, НИИГД, 1997 г.); XVI Всемирном Горном конгрессе “Горная промышленность на пороге XXI века” (Болгария, 1994 г.); Научно-технической конференции по охране труда в подземных и открытых шахтах и рудниках (Болгария- Варна, 1998 г.); научно-практической конференции “Крупные пожары: предупреждение и тушение” (Россия, Москва, НИИПО, 2001 г.); 29-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности в угольной промышленности (Польша, 2001г.), на расширенном заседании ученого совета НИИГД НПО “Респиратор” (Донецк, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации получено два авторских свидетельства на изобретение и опубликовано 16 научных работ, 14 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК Украины.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 115 наименований, содержит 143 страницы основного текста, 29 рисунков, 4 таблицы, 5 приложений. Общий объем работы 184 страницы.

2. Содержание работы

Первый раздел диссертации посвящен анализу условий и режимов работы систем противопожарного водоснабжения горных выработок современных шахт.

Характерная особенность пожарно-оросительного водоснабжения шахт - высокое давление, возникающее за счет сил тяжести столба жидкости от источника водоснабжения до потребителя, снижение которого до требуемых Правилами безопасности значений, является одной из проблем успешного освоения глубоких горизонтов шахт.

В работах Б.В. Зверева, А.А. Качалова, Е.Н. Иванова, А.А. Федорца и других определены нормативные требования по проектированию трубопроводов, даны рекомендации по применению трубопроводной арматуры В работах А.И. Козлюка, В.Д. Гугучкина, Г.В. Гриня, Е.Л. Степановского, В.В. Мазуренко приведены теоретические и экспериментальные исследования шахтных редукционных клапанов ПШ-4, ПШ-4М, КР-3, которые имеют постоянный коэффициент редуцирования.

Применение такой регулирующей арматуры для водоснабжения глубоких горизонтов шахт практически невозможно, так как с увеличением входного давления Р_в растет и давление Р_н в низконапорной ветви трубопровода.

Методы расчета систем водоснабжения, представленные в работах В.Г. Величко, А.И. Козлюка, которые основаны на выборе оптимальных вариантов установки существующей регулирующей арматуры, не учитывают взаимного влияния последовательно установленных редукционных клапанов при движении жидкости в вертикальных и наклонных трубопроводах.

Существующие методики оценки кавитационных явлений, представленные в работах А.Д. Альтшуля, Э.С. Арзуманова, Р. Кнеппа, базируются на индивидуальной экспериментальной проверке и не позволяют определить при условии бескавитационной работы параметры регуляторов давления на стадии проектно-конструкторских работ.

В работах А.М. Кушнарева, К.И. Позднякова и других даны методы расчета нормативных расходов воды, необходимых для локализации и тушения подземных пожаров. Однако они не учитывают фактической пожарной нагрузки в горной выработке, конструктивных и гидравлических параметров применяемого пожарного оборудования.

Отсутствует метод расчета совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования при различных технологических схемах его подключения к пожарному трубопроводу.

Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям процессов и режимов совместной работы систем водоснабжения и пожарного оборудования.

Для снижения давления воды в системе водоснабжения используют устройства, перекрывающие проходное сечение подающих трубопроводов. Неправильная их расстановка может привести к разрыву сплошности потока воды, а следовательно, к изменению напорно-расходных характеристик системы водоснабжения.

В связи с этим проведены исследования процессов движения жидкости в вертикальных и наклонных трубопроводах. Определено условие разрыва струи за дросселирующим устройством - расход воды через него Q₁ меньше, чем через конечный потребитель Q₂ (Q₂ >Q₁). Установлена допустимая высота h₁ расположения дросселирующего устройства по заданным его проходному сечению и гидравлическим параметрам низконапорной сети и допустимое сопротивление S_д дросселирующего устройства при заданной глубине его установки:

, (1)

, (2)

где Н_ш- глубина шахты, м;

?_н - удельное сопротивление и длина труб в низконапорной сети соответственно, сІ/м⁶, м;

А_н, S_м, S_п, S_д - гидравлическое сопротивление всех местных сопротивлений, потребителя, дросселя соответственно, сІ/м⁶;

h_н - разность геодезических отметок руддвора и потребителя, м;

А_о- удельное сопротивление трубопровода до дросселя, сІ/м⁶.

Определено время установления стационарного режима (Q₁ = Q₂) подачи жидкости к конечному потребителю после разрыва струи:

, (3)

где ;

Н₁ и Н₂ - текущая и начальная геодезические высоты уровня столба жидкости по отношению к конечному потребителю соответственно, м;

щ- площадь сечения трубопровода в горизонтальной плоскости, мІ.

Установлено, что скорость снижения напора зависит от общего сопротивления низконапорной ветви и конечного потребителя (рис. 1).



Рис 1. Изменение напора жидкости в трубопроводе перед потребителем при разрыве струи: Q₂ = 50 мі/ч; 2 - Q₂ = 80 мі/ч; 3 - Q₂ = 100 мі/ч; 4 - Q₂ = 130 мі/ч

Для тушения пожара к системе водоснабжения подключают несколько потребителей, которые имеют различные гидравлические характеристики, геодезические уровни установки, сопротивления подводящих трубопроводов.

Для исследования процессов совместной работы систем водоснабжения и пожарного оборудования была рассмотрена схема пожарно-оросительной сети, питающаяся от пожарного водоема, расположенного на определенном геодезическом уровне. Сеть трубопроводов разветвляется на две ветви, одна из которых питает завесу, вторая - пожарные стволы.

Исходя из условия, что система должна обеспечить расход воды, равный сумме расходов через все потребители, установлена зависимость давления в точке разветвления Н_тв от напорно-расходных характеристик пожарного оборудования, его количества и геодезических мест размещения. Значение Н_тв определяют из решения уравнения

(4)



где Н_тв - напор в точке разветвления, м;

В_тв - суммарное гидравлическое сопротивление, включающее сопротивление по длине и местные сопротивления на участке от водоема до точки разветвления, сІ·м ^-5;

В_З - общее сопротивление ветви с завесой, в том числе сопротивления форсунок завесы, сІ·м^-5;

В_ст - общее сопротивление ветви с пожарными стволами, включая сопротивления пожарных стволов, сІ·м^-5;

h_тв - разность геодезических высот между водоемом и точкой разветвления, м;

h₃ - геодезический перепад от точки разветвления до водяной завесы, м;

h_ст - геодезический перепад от точки разветвления до пожарных стволов, м;.

При размещении одного из потребителей ниже другого на определенной глубине могут возникнуть условия, когда давление в точке разветвления достигнет нулевого значения. Таким условием является равенство нулю свободного члена (с = 0).

В период ликвидации подземного пожара нередки случаи отбора воды на технологические цели, подача воды в трубопровод насосами водоотлива. Данные варианты исследованы и получены соответствующие зависимости.

Определены гидравлические характеристики сложной системы: насос - регуляторы давления - пожарно-оросительная сеть - пожарное оборудование с регуляторами давления, имеющими напорно-расходную характеристику, при которой давление на выходе из них не зависит от входного давления и расхода воды. При этом Н_тв определяют из решения уравнения

, (5)

Где Н_настр- напор на выходе из гидроредуктора, м;

h_нс - геодезический перепад между регулятором и точкой разветвления, м;

В_нс - сопротивление сети от регулятора до точки разветвления, сІ·м^-5.

Определив по зависимости (5) гидравлические параметры системы водоснабжения и сравнивая значение найденного сопротивления регулятора с его минимальным значением S_p^min, устанавливают режим ее работы. При S_р ? S_p^min - нерегулируемый режим, при

S_р > S_p^min - регулируемый режим, являющийся основным для шахтных пожарно-оросительных сетей.

Расход воды, необходимый для успешного тушения пожаров, определяется количеством теплоты, выделяемой в зоне горения, а давление - дисперсностью или дальностью подачи воды.

На основании решения уравнения теплового баланса для зоны горения в горной выработке установлена температура газового потока на выходе из нее в зависимости от различных факторов пожара:

, (6)

где Q_н - низшая теплота сгорания, кДж/кг;

с_рг - теплоемкость твердого горючего материала и газового потока соответственно, кДж/(кг·К);

t_восп, t_го, t_во, t_пор- температура воспламенения материала, материала до пожара, газов на входе в зону горения, пород соответственно, К;

с_г- плотность газового потока, кг/мі;

G_г - объемный расход газового потока, мі/с;

к_ф- коэффициент теплообмена между газовым потоком и стенкой выработки, кДж/(с·мІ·К);

F_ст- площадь стенок выработки, мІ.

Скорость перемещения очага пожара определится зависимостью

, (7)

где н - стехиометрический коэффициент;

с_к- плотность кислорода, кг/мі;

G_в- объемный расход воздуха, мі/с;

С_о, С_к- доля кислорода до и после очага пожара соответственно;

в - коэффициент неполноты сгорания;

В_н- удельная пожарная нагрузка горной выработки, кг/м.

Водяная завеса должна обеспечить снижение температуры t_тк газового потока до значения t_к, при котором исключается воспламенение горючих материалов в горной выработке.

Удельный расход воды будет зависеть от количества теплоты, затрачиваемой на ее нагревание и испарение:

, (8)

где с_рж, с_рп- удельная теплоемкость жидкости, пара соответственно, кДж/(кг·К); t_гк

t_к - температура газового потока на входе и выходе из водяной завесы соответственно, К;

t_жо, t_жк- температура жидкости на входе и выходе соответственно, К;

r - теплота парообразования, кДж/кг.

Для уточнения нормируемых расходов воды использованы результаты огневых натурных экспериментов, проводимых ранее в НИИГД. Обработка этих данных свидетельствует, что доля воды ч₁, испарившейся в завесе, значительно зависит от диаметра d_к капель жидкости, температуры t_гк газового потока и может быть аппроксимирована зависимостью вида

, (9)

где а - эмпирический коэффициент, который вычисляется для каждого эксперимента. Его значение определялось как среднее арифметическое и равно 7695 °С/ммІ.

Таким образом, разработаны нормы расхода воды на тушение и локализацию подземных пожаров в зависимости от степени дисперсности водяной завесы и температуры газового потока, представленные в табл. 1.

Таблица 1. Расходы жидкости Q_ж (мі/ч) на 1 мі/с расхода нагретого газа

Температура на входе tгк, єС	Средний диаметр капли dк, мм
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
1200	0,938* 1,63	0,774 1,93	0,562 2,55	0,358 3,66	0,201 5,53	0,0994 8,26
1000	0,923 1,32	0,735 1,62	0,5 2,24	0,292 3,42	0,146 5,39	0,0626 8,05
800	0,908 1,006	0,68 1,30	0,42 1,94	0,215 3,18	0,090 5,19	0,031 7,41
600	0,88 0,69	0,60 0,97	0,315 1,61	0,128 3,90	0,041 4,63	0,0099 5,85
400	0,823 0,37	0,463 0,60	0,177 1,20	0,046 2,23	0,0082 2,97	0,001 3,17

* В числителе - значения ч₁; в знаменателе - значения расхода жидкости Q_ж

В третьем разделе описаны исследования гидростатических и гидродинамических процессов работы регуляторов давления в системах пожарного водоснабжения глубоких шахт.

Установлены взаимосвязи напорно-расходных характеристик системы водоснабжения и конструктивных параметров проточной части регуляторов давления, позволяющие определить критическую площадь дросселирующего окна затвора по кавитационному фактору (давление в дросселирующем окне Р_сж меньше либо равно давлению насыщенных паров жидкости Р_нп):

, (10)

где щ₂- площадь сечения трубопровода, где установлен дроссель, мІ;

е - коэффициент сжатия; ;

Р₁, Р₂ - давления жидкости до и после дросселирующего органа, Па;

В = (щ₁ /щ₂)І;

щ₁ - площадь сечения входного патрубка, мІ.



Рис. 2. Зависимость давления Р_сж в зоне сжатия струи от поперечного сечения щ₃ прохода регулятора при различных диаметрах d₁ на входе, d₂ на выходе и давлении Р₁ на входе при Р₂ = 1 МПа: 1 - d₁= 0,1 м,d₂= 0,15 м, В=0,1975; 2 - d₁= 0,1 м,d₂= 0,125 м, Р₁ = 4 МПа; 3 - d₁= 0,1м, d₂= 0,125 м, Р₁= 6МПа; 4 - d₁= d₂=0,1 м, Р₁= 4 МПа; 5 - d₁= 0,05 м, d₂= 0,1 м, Р₁= 4 МПа; 6 - Р_нп = 23324 Н/мІ

Численные исследования полученной зависимости (рис. 2) показывают, что она выражается графически линейной функцией. При увеличении проходного сечения прямая пересекает критическую линию Р_сж= Р_нп, регулятор переходит в кавитационный режим работы.

Условие бескавитационной работы регулятора давления заключается в том, что площадь дросселирующего окна затвора не должна превышать значения его критической площади щ_з< щ_{3 кр}.

Теоретические расчеты, проведенные по зависимости (10), совпадают с экспериментальными данными, полученными Т.М. Баштой, Д.Ф. Гуревичем, Р. Кнеппом. Относительная погрешность результатов не превышает 10 %.

Основным параметром, определяющим конструкцию привода регулятора давления, является сила, препятствующая передвижению затвора. В связи с этим были проведены исследования гидромеханических сил, действующих на затвор плунжерного типа с боковыми дросселирующими окнами.

Установлено, что при перемещении затвора перпендикулярно потоку жидкости, в следствии того, что одна из граней, образующих дросселирующее окно, уходит в зону низкого давления, а противоположная ей находится в зоне высокого давления, возникает гидродинамическая сила, определяемая разностью давлений до Р_в (МПа) и после Р_н (МПа) регулятора, площадью грани дросселирующего окна S_г (м) и количеством окон к:

. (11)

Для уменьшения гидродинамической силы необходимо уменьшить перепад давлений на гранях дросселирующего окна. Для этого затвор был помещен в высоконапорную полость регулятора. Результаты экспериментальных исследований (рис. 3), проведенных на гидравлическом стенде НИИГД, показали, что размещение затвора в высоконапорной полости снижает усилие, препятствующее движению затвора, в 3,6 раза и повышает чувствительность регулятора давления.

Рис. 3. Определение чувствительности регулятора давления: 1 - давление в резервуаре пневмопривода; 2, 3 - давление в подмембранной камере

Оценка разработанной принципиальной схемы шахтного регулятора давления проводилась на основании результатов исследований напорно-расходных характеристик. Определено влияние формы дросселирующего окна на работу регулятора давления.

Установлены зависимости напорно-расходных характеристик регуляторов давления с дросселирующими окнами прямоугольной, треугольной и круглой форм.

На основании полученных результатов установлено, что давление на выходе разработанного регулятора слабо зависит от входного давления и расхода через него, а определяется давлением в пневматической камере в режиме запирания и зависит от формы дросселирующего окна.

Экспериментальная оценка напорных характеристик редукционного клапана проводилась на гидравлическом стенде НИИГД. Результаты теоретических исследований напорных характеристик подтверждаются экспериментальными данными. Относительная погрешность результатов составляет 13 %.

Четвертый раздел содержит экспериментальные исследования процессов и режимов совместной работы систем водоснабжения и пожарного оборудования.

Исследования движения жидкости при разрыве струи в вертикальных трубопроводах проводились в условиях шахты “Центральная”. На пожарном трубопроводе диаметром 200 мм, установленном в стволе № 2, были смонтированы две замерные станции на горизонте 217 и 622 м, которыми имитировались условия разрыва струи. В общей сложности проведено четыре эксперимента. Максимальная относительная погрешность результатов измерений по сравнению с расчетными данными не превышает 15 %.

Для подтверждения полученных зависимостей, определяющих гидравлические параметры совместной работы систем водоснабжения и пожарного оборудования, были проведены на шахте “Комсомолец Донбасса” экспериментальные исследования работы системы водоем-сеть-завеса, стволы. Пожарные стволы размещены ниже завесы на 50 м. Результаты численных расчетов и натурных экспериментов отличаются не более чем на 5,9 %.

Исследования процессов локализации и тушения пожара в подземной выработке мелкораспыленной водой проводились в условиях пожарной штольни НИИГД, представляющей собой горизонтальную проветриваемую выработку с площадью поперечного сечения 4,0 мІ. Скорость вентиляционного потока 2 м/с. В качестве пожарной нагрузки использовались резинотканевая конвейерная лента, гибкий электрический кабель и деревянная затяжка. Водяная завеса создавалась с помощью установки пожаротушения с пятью распылителями воды типа РВ-10 со средневзвешенным диаметром капель 0,2·10^-3 м. Относительная погрешность результатов экспериментов по измерению температуры пожарных газов до и после водяной завесы, а также численных расчетов по полученным зависимостям не превышает 12 %.

В пятом разделе изложены методики и алгоритмы расчета параметров совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования, а также шахтного редукционного клапана при проектировании систем противопожарного водоснабжения горных выработок глубоких шахт.

Блок-схемы алгоритмов расчета могут быть дополнены другими блоками, однако содержание и последовательность их должны оставаться неизменными.

Проведенные по данным методикам расчеты позволили создать редукционные клапаны нового поколения, обеспечивающие надежную работу систем водоснабжения глубоких горизонтов угольных шахт, что подтверждено опытом эксплуатации их на шахтах Украины. Годовой экономический эффект от внедрения редукционного клапана равен 10,8 тыс. грн.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной научно-технической проблемы, заключающейся в обосновании принципов совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования, раскрытии механизма объемного воздействия мелкораспыленной воды на очаг горения, установлении закономерностей движения жидкости в трубопроводах с дросселирующими устройствами, на основании чего созданы регуляторы давления нового поколения, обеспечивающие устойчивую работу системы при подаче воды к пожарному оборудованию на большие глубины.

Основные научные результаты и выводы, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Анализ состояния пожарного водоснабжения шахт свидетельствует о том, что в настоящее время отсутствуют методы расчета совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования при различных технологических схемах его подключения, не учитывается взаимное влияние установленных последовательно редукционных клапанов при движении жидкости в вертикальных и наклонных трубопроводах. Для эффективной работы пожарного оборудования на больших глубинах регулятор давления должен иметь конструкцию, при которой давление на выходе из него не зависит от входного давления и расхода жидкости через него, а также обеспечивающую условия его бескавитационной работы.

2. На основании исследования процессов совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования установлена зависимость гидравлических параметров системы водоснабжения от напорно-расходных характеристик пожарного оборудования, его количества и геодезических мест размещения, что позволило обосновать принципы объединения двух систем - пожаротушения и водоснабжения в единую систему, обеспечивающую гарантированную подачу воды к потребителям при тушении подземных пожаров глубоких шахт.

3. Определено условие разрыва сплошности потока воды при подаче ее к пожарному оборудованию по вертикальным и наклонным трубопроводам с одним или несколькими дросселирующими устройствами, заключающееся во влиянии сопротивления и площади проходного сечения дросселирующих устройств, а также геодезических мест их расстановки в вертикальных и наклонных трубопроводах на напорно-расходные характеристики системы водоснабжения и устойчивость ее работы, в результате чего получены зависимости, определяющие допустимую глубину размещения дросселирующего устройства по заданным проходному сечению и параметрам низконапорной сети и допустимое сопротивление при заданной глубине установки дросселя.

4. Обоснованы нормативные расходы воды на тушение и локализацию подземных пожаров при определенной степени дисперсности водяной завесы. Получена эмпирическая зависимость доли испаряющейся воды от среднего диаметра капли, пожарной нагрузки выработки и температуры газового потока, исходящего из зоны горения.

5. Раскрыты условия образования кавитационных явлений в регулирующей трубопроводной арматуре, установлены взаимосвязи между напорно-расходными характеристиками системы водоснабжения и конструктивными параметрами регулятора давления, что дает возможность на стадии проектирования, варьируя геометрические параметры дросселирующего органа и проточной части корпуса, добиться бескавитационной его работы в требуемом диапазоне перепадов давлений.

6. Установлено, что на затвор плунжерного типа с боковыми дросселирующими окнами действует гидродинамическая сила, возникающая при его перемещении перпендикулярно потоку жидкости, зависящая от разности давлений, действующих на грани дросселирующих окон, их количества и формы. Обоснован принцип создания статически и динамически уравновешенного затвора, заключающийся в снижении гидродинамической силы, которая препятствует его передвижению в режиме запирания путем размещения затвора в высоконапорной полости. Это позволило создать регулятор давления нового поколения, обладающий высокой чувствительностью и сравнительно малыми массогабаритными характеристиками.

7. Определено влияние формы дросселирующего окна на напорно-расходные характеристики регулятора давления, согласно разработанной принципиальной схеме, при этом установлено, что давление на выходе из него не зависит от входного давления и расхода жидкости, а определяется силовыми характеристиками привода в режиме запирания и формой дросселирующих окон.

8. Разработана принципиальная схема и создан универсальный регулятор давления, обеспечивающий эффективную работу пожарного оборудования при высоких давлениях и расходах в условиях глубоких горизонтов современных шахт.

9. Результаты экспериментальных исследований силовых характеристик регулирующих органов плунжерного типа подтвердили гипотезу о том, что установка затвора в высоконапорной полости значительно снижает усилия, препятствующие его движению. В разработанном редукционном клапане перестановочное усилие затвора снижено в 3,6 раза, что позволило во столько же раз повысить его чувствительность при одновременном снижении массогабаритной характеристики.

10. Результаты выполненных экспериментальных исследований статических и динамических режимов совместной работы водоснабжения и пожарного оборудования при тушении и локализации подземных пожаров, нормируемых расходов воды на их локализацию, гидравлических и механических характеристик высоконапорных регуляторов давления подтверждают результаты теоретических исследований. Относительная погрешность этих результатов не превышает 15 %.

11. Разработаны алгоритмы и методики расчета параметров совместной работы системы водоснабжения и пожарного оборудования при тушении подземных пожаров, а также расчета редукционного клапана для работы в системах пожарного водоснабжения на больших глубинах.

12. Годовой экономический эффект от использования разработанного редукционного клапана СКР составил в ценах 1989 г. на одно изделие 1,8 тыс. руб., что в ценах 2002 г. - около 10,8 тыс. грн.

водоснабжение пожарный шахта

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Средства и методы понижения давления в пожарно-оросительных сетях шахт / А.И. Козлюк, Г.В. Гринь, Ю.Н. Ющенко // Уголь Украины. - 1986.- № 1.- С. 31-32. 2. Критические параметры кавитации в редукционных клапанах / Ю.Н. Ющенко // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / ВНИИГД.- Донецк, 1992.- С. 82-90.

3. Нагрузки на затворы в трубопроводной арматуре / Ю.Н. Ющенко, Ю.В. Гавриш // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1992.- С. 90-91.

4. Методика расчета сетей пожарно-оросительного водоснабжения шахт / Ю.Н. Ющенко, Ю.В. Гавриш, А.А. Клычков // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1995.- С. 45-49.

5. Критерий тушения пожаров водяными завесами / Ю.Н. Ющенко, К.И. Поздняков // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1996.- С. 66-70.

6. Эффективность водяных завес при тушении пожаров / Ю.Н. Ющенко, К.И. Поздняков // Горноспасательное дело: Сб. науч, трудов / НИИГД.- Донецк, 1997.- С. 35-37.

7. Условия возникновения разрыва струи пожарно-оросительной сети шахт / Ю.Н. Ющенко // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1998.- С. 31-36.

8. Нормативный расход воды на локализацию подземного пожара / Ю.Н. Ющенко // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1999.- С. 21-26.

9. Совместная работа системы водоснабжения и пожарного оборудования/ Ю.Н. Ющенко // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1999.- С. 27-30.

10. Режимы работы потребителей воды при подаче ее насосами / Ю.Н. Ющенко, Г.В. Гринь // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов /НИИГД.- Донецк, 1999.- С. 30-36.

11. Влияние технологического расхода воды на режимы работы потребителей / Ю.Н. Ющенко, Г.В. Гринь // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1999.- С. 39-40.

12. Тушение экзогенных пожаров распыленной водой / Ю.Н. Ющенко, К.И. Лапин // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 1999.- С. 40-45.

13. Движение жидкости в вертикальных и наклонных трубопроводах шахтных систем водоснабжения / Ю.Н. Ющенко // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 2000.- С. 47-52.

14. Влияние параметров редукционного клапана на условия возникновения кавитации / Ю.Н. Ющенко, К.И. Лапин, Г.В. Гринь // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов / НИИГД.- Донецк, 2000.- С. 55-60.

15. Yustchenko Yu. N. Water supply of fire protection systems of deep mines // 29-th International Conference of Safety in Mines. Research Institutes.- Szczyrk, 8-11Oktober 2001.- Vol. 2.- Р.97-104.

16. Автоматические установки пожаротушения и локализации для горных выработок шахт / Ю.Н. Ющенко, К.И. Лапин // Крупные пожары: Предупреждение и тушение: Мат. ХVІ науч.-практич. конф.- М: ФГУ ВНИИПО МВД России, 2001.- С. 161-162.

17. А.С. 1108402 СССР МКИ 4 G 05D 16/06, G 05 D 16/08. Регулятор давления жидкости / А.И. Козлюк, Г.В. Гринь, Ю.Н. Ющенко, В.В. Мазуренко (СССР); ВНИИГД.- № 3583449/18-24; Заявл. 27.04.83; Опубл. 15.08.84, Бюл. № 3.

18. А.С. 1417639 СССР МКИ 4 G 05 D 16/06. Регулятор давления / Г.В. Гринь, А.И. Козлюк, М.В. Колышенко, Ю.Н. Ющенко (СССР); ВНИИГД.- № 4015343/24-24; Заявл. 03.02.86.

Размещено на Allbest.ru