Особенности и условия развития экзогенных пожаров. Физико-химические процессы горения, происходящие при экзогенных подземных пожарах в шахтах, сходны с этими процессами при пожарах в зданиях и сооружениях

Физико-химические процессы горения, происходящие при экзогенных подземных пожарах в шахтах, сходны с этими процессами при пожарах в зданиях и сооружениях поверхностного комплекса, но условия развития этих пожаров различны и заключаются в следующем.

 

1. Пожар на поверхности развивается при практически неограниченном притоке к нему атмосферного воздуха. Подземный же пожар развивается в воздушном потоке, имеющем определенное направление и скорость движения в выработках.

2. При пожаре на поверхности практически все тепло рассеивается в окружающую атмосферу, в то время как при подземном пожаре только часть его выносится вентиляционным потоком на поверхность, а часть, особенно значительная при тушении изоляцией, аккумулируется окружающими горными породами. Поэтому условия затухания пожара на поверхности, заключающиеся в прекращении горения и снижения температуры горящего материала до пределов, исключающих повторное воспламенение, для подземного пожара необходимы, но недостаточны. Чтобы потушить подземный пожар, необходимо снизить и температуру боковых пород выработки, в которой действовал пожар, до указанных выше пределов.

3. Распространение пожара на поверхности происходит в основном по так называемому горючему мостику путём перемещения процесса горения на предварительно нагретые до воспламенения соседние участки горючего материала и в некоторых случаях путем теплоизлучения. Прерывание горючего мостика брандмауэрами и другими конструкциями из негорючего материала, как правило, приводит к его локализации.

Распространение же пожара в горных выработках происходит также и при отсутствии горючего мостика – потоком раскаленных пожарных газов. Поэтому для локализации подземного пожара необходимо не только прервать горючий мостик, но и снизить температуру потока пожарных газов до пределов, исключающих воспламенение горючего материала на пути распространения пожара.

Схематично горящую горную выработку можно представить как протяженный вентилируемый канал, часть периметра которого выложена слоем горючего материала. Так как процессы горения и теплопередачи качественно отличаются, то в процессе горения условно можно выделить следующие 4 (четыре) зоны (рис. 1).

 

Рис.1. Формирование зон горения горной выработки: I - зона охлаждения;

II - зона догорания; III - зона горения; IV - зона предварительного нагрева; 1, 2, 3 - соответственно направление вентиляции, распространения пламени и движения продуктов горения

Первая зона является зоной охлаждения. Она образуется после сгорания шахтной крепи в результате охлаждения горного массива воздухом.

Вторая – зона догорания, в которой образовавшийся древесный уголь окисляется кислородом воздуха.

Третья – это зона горения летучих веществ, выделившихся при пиролизе древесины.

Четвертая – зона предварительного прогрева деревянной крепи и горючих материалов.

В первом приближении механизм развития подземного экзогенного пожара проветриваемой горной выработки может быть представлен следующим образом. Вначале пламя распространяется по деревянным затяжкам в направлении движения воздушной струи и вверх. При малых скоростях проветривания пламя распространяется в основном вертикально вверх, вследствие разности плотностей пожарных газов и поступающего воздуха. При этом за стойками крепи, где теплосъём минимальный, пламя распространяется вверх и, достигнув затяжек кровли, поджигает их. Примерно через 5-10 минут после начала горения затяжки кровли падают вниз, образуя на почве очаги, которые воспламеняют боковые элементы конструкции крепи. С этого момента на большей части периметра выработки начинается интенсивное развитие пожара. При увеличении скорости движения воздушного потока пожар развивается быстрее, в то время как вначале разгорания такое же увеличение скорости только сдерживает его развитие. Через 25-30 минут на участке выработки, который воспламеняется в течение первых 5 минут, почва покрывается раскаленными затяжками, а пламенное горение крепи к этомумоменту времени в основном заканчивается. Более длительное время наблюдается наличие пламени в замках крепи. Через 35-40 минут на почву начинают падать горящие верхняки, через некоторое время - и боковые - стойки. Через 45-50 минут затяжки на почве полностью сгорают, а через 120-150 минут полностью сгорает и вся крепь. По мере увеличения горящей поверхности наблюдается повышение температуры продуктов горения и нарастание в них окиси и двуокиси углерода, метана и водорода. При полном расходе кислорода на горение наступает относительная стабилизация значений температуры и состава продуктов горения при неизменном расходе воздуха, подаваемого к очагу пожара. Очевидно, что в этом случае расход материала на горение – максимальный.

В зависимости от мощности начального теплового импульса развитие пожара может происходить следующим образом.

При мощном тепловом импульсе быстро наступает вторая стадия развития пожара. Если же мощность теплового импульса недостаточна для быстрого развития пожара, то происходит медленное распространение пламени по поверхности горючего материала. Такой режим развития пожара является неустойчивым, и при этом может наблюдаться либо самопроизвольное разгорание очага до наступления второй стадии либо прекращение горения в зависимости от того превышает приток тепла в этой зоне теплоотвод или нет. Переход подземного пожара из неустойчивого режима горения в стационарную фазу возможен при температуре пожарных газов 500-550°С. При этом, важное значение имеет направление и скорость вентиляционной струи, а также величина пожарной загрузки и физико-химические свойства горючих материалов.

При малых скоростях вентиляционной струи пожар распространяется, в основном, навстречу движения вентиляционной струи, а при больших скоростях – увлекается воздушной струей. В определенном диапазоне скоростей пожар может перемещаться одновременно в обе стороны.

Зависимость скорости вентиляционного потока V и средней скорости перемещения пожара по выработке V_п, справедлива в диапазоне V = 0,5-5,2 м/с, определяется выражением

Кроме того, скорость вентиляционной струи оказывает существенное влияние и на температуру пожарных газов в очаге горения, которая может быть определена из выражения

 

В реальных условиях эта температура в выработках, закрепленных арочной крепью с деревянной затяжкой, может составлять 1000-1590 °С. При этом влажность деревянных элементов крепи оказывает тормозящее воздействие на развитие пожара только в первоначальный момент времени.

По мере распространения пожарных газов по горной выработке происходит их естественное охлаждение. Для подсчета их температуры на заданном расстоянии L от очага пожара предложено выражение

 

где: t₁ – температура в очаге пожара, °С; t_п – температура стенки выработки до возникновения в ней пожара, °С; a –коэффициент теплоотдачи пожарных газов к стенке выработки, Вт/(м^{2. о}С); Р – периметр выработки, м; G – весовой расход воздуха, кг/ч; С_р – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг^{. о}С).

 

Температура стенки выработки до возникновения в ней пожара может быть рассчитана по формуле

где: Н – глубина выработки, м; h_o – глубина зон постоянной температуры t_o, м;

r – средняя величина температурного градиента для данного угольного бассейна, м/°С.

Коэффициент теплоотдачи пожарных газов к стенке выработки может быть подсчитан по эмпирической зависимости

где x – безразмерный коэффициент шероховатости выработки; S – сечение

выработки в свету, м²; А – эмпирический коэффициент теплопроводности, определяемый по формуле

где l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м^..оС); m – коэффициент динамической вязкости, кгс/м²; g – ускорение силы тяжести, м/с².

 

Особенности протекания подземного пожара заключаются в ограничении его воздушным потоком и стенками горных выработок. Вследствие первой особенности состав рудничной атмосферы претерпевает существенные изменения (рис.2), которые зависят от температуры в очаге пожара.

 

Рис.2. График зависимости температуры пожарных газов t от их состава С

 

Даже при деятельном разбавлении продуктов горения (пожарных газов) массовая концентрация кислорода снижается до 12 %, а объемная доля окиси углерода достигает 0,5-1 %. При температуре 1200°С массовая концентрация кислорода приближается к нулю (см. рис.2). Время разгорания пожара в горных выработках зависит от скорости вентиляционной струи, влажности крепи и других условий (рис.3).

Рис.3. Графическое изображение связи времени разгорания подземного пожара Т с влажностью крепи w: 1, 2, 3 – при скорости вентиляционной струи соответственно 3, 2 и 1 м/с.

 

Стенки выработок накапливают большие количества тепла, что обеспечивает передачу теплового импульса на большие расстояния по струе и создает теплокумулятивный эффект – взаимный разогрев теплоизлучением противоположных стенок выработок. Для ограничения распространения пожара по вентиляционной струе необходимо, в отличие от пожара на поверхностном объекте, охладить поток пожарных газов и стенки выработок. Рудничный пожар в горных выработках площадью сечения 6-12 м² при скорости вентиляционной струи l,7 м/с распространяется как по ее ходу, так и навстречу ей, хотя и медленно; при скорости вентиляционной струи более 1,7 м/с - только по ходу воздушной струи. Распространение пожара навстречу вентиляционному потоку происходит по обычному механизму: нагрев - подготовка к горению - возгорание - горение. По ходу вентиляционной струи скорость распространения пожара может быть весьма значительной и пропорциональной скорости воздушного потока (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости скорости перемещения пожара по горным

выработкам V_п от скорости вентиляционной струи

При высокой температуре в очаге из-за отсутствия кислорода в отходящих газах горения не наблюдается, а происходит коксование и возгонка горючих материалов.

Ограничение экзогенного пожара стенками выработок и вентиляционной струёй позволяет использовать это обстоятельство для борьбы с пожаром путем вентиляционных маневров. Так, изменяя многократно направление вентиляционной струи с малым содержанием кислорода, удавалось тушить подземные пожары.