СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ОЧАГОВ ПОДЗЕМНЫХ ЭКЗОГЕННЫХ ПОЖАРОВ Российский патент 1994 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к автоматической пожарной сигнализации и может быть использовано в угольной промышленности для распознавания очагов подземных экзогенных пожаров в ранней стадии их развития.

Известны способы обнаружения ранних стадий подземных пожаров. В этом способе величина концентрации продуктов горения (оксид углерода) определяется как разность замеров в исходящей и поступающей в горную выработку воздушной струе с последующим исследованием этой концентрации на превышение порогов предупреждения и оповещения. Основным недостатком указанного способа является тот факт, что усредненные величины порогов предупреждения и оповещения распространяются на все выработки шахт без учета горно-технических характеристик каждой контролируемой выработки, что существенно снижает достоверность решения о возникновении в ней очага пожара.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ распознавания ранних стадий экзогенных пожаров в шахтах, основанный на замере скорости воздушной струи на участке контроля, поперечных размеров выработки, времени развития экзогенного пожара и статистическом сравнении массивов пороговых и фактических значений концентраций продуктов горения (оксида углерода) на их адекватность [2]. Основным недостатком этого способа является тот факт, что интенсивное выделение углекислого газа происходит только при пламенной фазе развития пожара. В то же время при тлении материалов, когда происходит формирование очага загорания, в основном выделяется дым, а углекислого газа выделяется очень мало. Таким образом, достоверно распознать очаг пожара в ранней стадии его развития, т.е. в момент его формирования (фаза тления), с помощью известного метода не представляется возможным. Это приводит к тому, что быстроразвивающиеся пожары, например, на ленточных конвейерах, будут обнаружены со значительным опозданием, что существенно снизит эффективность применяемых технических средств активного тушения.

Целью изобретения является повышение достоверности распознавания в ранней стадии очагов подземных экзогенных пожаров на фоне нестационарных технологических помех.

Поставленная цель достигается тем, что в способе распознавания по дыму очагов подземных экзогенных пожаров, основанном на замере скорости воздушной струи, на участке контроля поперечных размеров выработки, времени развития экзогенного пожара и статистическом сравнении массивов пороговых и фактических значений концентраций продуктов горения на их адекватность, в качестве продукта горения используют аэрозоль (пыль+дым), дополнительно измеряют длину участка контроля, регистрируют и запоминают величину входной концентрации аэрозоля в воздушной струе в начале участка, определяют время прохождения воздушной струей участка контроля, а затем по истечении этого времени возвращают из памяти входную концентрацию аэрозоля и по ней вычисляют расчетное значение концентрации, приведенное к выходу с участка, по зависимости
Cрв

_ых(τ) = C - 1+ exp- , (1) где С_вых^р (τ) - расчетная массовая концентрация аэрозоля на выходе участка контроля в момент времени τ , вычисленная по входной на момент времени τ L/60V_c,
τ - время развития очага экзогенного пожара, считая с момента появления дыма с поверхности материала, к которой приложено тепловое поджигающее воздействие, мин;
- зарегистрированная входная массовая концентрация аэрозоля в начале участка контроля на момент времени τ -L/60V_с, мг/м³;
L - длина участка контроля, м;
V_с - скорость воздушной струи в выработке, м/с;
P, S - периметр и площадь поперечного сечения горной выработки в пределах участка контроля, соответственно м и м²;
0,225 - электрический коэффициент, м/с;
4˙ 10^-3 - электрический коэффициент, м/с; после чего регистрируют выходную концентрацию аэрозоля в конце участка и сравнивают ее с расчетной и при соблюдении условия
C_вых^ф (τ ) - С_вых^р (τ ) > ПП_р + Ф_р (2) где С_вых^ф ( τ ) - выходная зарегистрированная массовая концентрация аэрозоля в конце участка контроля на момент времени τ , мг/м³;
ПП_р - приведенная погрешность измерительных приборов, мг/м³;
Ф_р - максимальный рабочий фон аэрозоля в пределах участка контроля, мг/м³, формируют массивы по формулам:
пороговый - С_п( τ ) = C_вых^р ( τ ) + ПП_р + Ф_р (3)
разностей - Δ (τ ) = С_вых^Ф(τ) - С_п( τ ), (4) а затем их статистически сравнивают, причем статистическое неравенство их средних свидетельствует o возникновении очага загорания. При этом длина участка контроля не должна превышать максимальную длину, вычисляемую по формуле
L_max= 346,6 , (5) где 346,6 - эмпирический коэффициент, с/м.

Область применения заявляемых зависимостей (1) - (5) ограничена ранней (начальной) стадией развития экзогенного пожара. Ранняя (начальная) стадия развития пожара характеризуется интервалом времени, считая с момента возникновения теплового поджигающего воздействия, в пределах которого величина скорости распространения фронта пламени удовлетворяет условию
О ≅ V_r( τ) ≅ 0,7V_пр, (6) где Vr( τ ) - скорость распространения фронта пламени на момент времени τ , м/мин;
V_пр - предельная скорость распространения пожара по выработке, м/мин.

Предлагаемый способ распознавания по дыму очагов подземных экзогенных пожаров включает следующие операции:
измерение скорости (V_с) воздушной струи;
определение по размерам выработки площади ее поперечного сечения (S) и периметра (Р);
измерение длины L участка контроля и проверка на условие
L ≅ L_max= 346,6 (7)
При несоблюдении условия (7) длина L принимается равной L_max;
регистрация с помощью датчиков дыма массовой концентрации (С_вх^ф) аэрозоля (пыль+дым) на входе участка контроля и засылка ее для запоминания в память микропроцессора (микро-ЭВМ);
определение времени прохождения воздушной струей участка контроля по формуле
τ₃ = L/60V_c; (8)
возврат из памяти массовой концентрации (С_вх^ф) аэрозоля на входе участка контроля и пересчет ее на новое значение (С_вых^р), приведенное к выходу с этого участка и обусловленное выпадением аэрозоля на длине этого контролируемого участка, по формуле (1)
Cрв

_ых(τ) = Cфв_х(τ-τ₃)1 + exp- ; регистрация с помощью датчиков дыма массовой концентрации С_вых^ф аэрозоля (пыль+дым) на выходе с участка контроля и сравнения ее по зависимости (2) с вычисленной конечной концентрацией С_вых^р, приведенной к одной временной фазе с С_вых^ф
С_вых^ф ( τ ) - С_вых^р ( τ )> ПП_р + Ф_р где ПП_р принимается по технической документации на используемые приборы;
Ф_р определяется заранее при нормальном режиме эксплуатации оборудования в выработке;
при соблюдении условия (2) начинают измерять время τ с помощью секундомера и формировать массивы пороговый и разностей по формулам (3) и (4) в интервале времени, но не менее 6 мин, с шагом 1 мин
С_п(τ ) = C_вых^ф (τ ) + ПП_р + Ф_р
Δ (τ ) = С_вых^ф τ( ) - С_n (τ );
вычисляют среднее по массиву разностей Δ (τ ) по формуле
= Δ(τ), (9) где n - число замеров, выполненных в выбранном интервале времени с шагом 1 мин;
вычисляют среднеквадратичное отклонение S_Δ массива разностей от среднего по формуле
S_Δ= (10)
вычисляют расчетный t-критерий Стьюдента по формуле (см. Зажигаев Л.С. и др. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. - М.: Атомиздат, 1978, - с. 232).

t = (11)
Сравнивают расчетный t-критерий Стьюдента с его табличным значением при f = n-1 степенях свободы и выбранном уровне значимости α , при этом, если /t/≥ t_кр α f, то гипотеза о существенном расхождении между пороговым массивом и массивом разностей принимается, что свидетельствует о возникновении очага загорания в выработке. Если /t/ < t_кр α ,f, то принятая гипотеза отвергается, т. е. между массивами нет существенного различия, что свидетельствует об отсутствии очага загорания, а зафиксированные отклонения от порогового массива обусловлены случайными колебаниями концентрации аэрозоля, состоящего только из угольной и породной пыли.

Рассмотрим пример реализации заявляемого способа для средних горно-технических условий горных выработок при возникновении очага загорания на ленточном конвейере по вышеизложенной методике:
измеряют скорость воздушной струи V_c = 1,5 м/с;
измеряют размеры выработки: высота Н = 2,75 м,
ширина В = 3,64 м. Oпределяют площадь поперечного сечения выработок S = Н ˙В =2,75 ˙ 3,64 = 10 м² и периметр Р = 2(Н+В) = =2(2,75 + 3,64) = 12,78 м.;
измеряют длины участка контроля L = 100 м и проверяют ее соответствие максимально допустимой длине L_max= 346,6· = 407 м. Условие, чтобы L≅ L_max cоблюдается;
регистрируют с помощью датчиков дыма (аэрозолей) массовую концентрацию аэрозоли С_вх^ф (пыль угольная + породная) в момент времени t на входе в участок контроля и засылают это значение в память микропроцессора (микро-ЭВМ) для формирования массива входных значений концентраций с шагом 1 мин.

Результаты измерения представлены в табл.1.

Определяем время прохождения воздушной струей длины участка контроля, т.е. время задержки информации
τ_з= = 1,11 ≈ 1 мин;
по истечении времени τ_з =1 мин возвращаем из памяти значение входной массовой концентрации аэрозоли С_вх^ф (τ ) и пересчитываем его с учетом выпадения аэрозоли к сечению на выходе с участка по формуле
Сpв

_ых(τ+1) = Cфв_х(τ)1 + exp
Результаты расчета представлены в табл.2.

Приведенная погрешность используемых приборов, например, радиоизотопных датчиков дыма типа РИД-6М с аналоговым выходом, ориентировочно равна ПП_р ≈ 25 мг/м³.

Максимальный рабочий фон аэрозоля (пыли) в выработках, например, при работе ленточного конвейера составляет по данным эксплуатации примерно Ф_р ≈ 30 мг/м³.

Регистрируем, например, с помощью радиоизотопных датчиков типа РИД-6М с аналоговым выходом массовую концентрацию аэрозоля в сечении на выходе участка контроля С_вых^ф.

Результаты замеров представлены в табл.3.

В 00 ч 09 мин было выполнено условие (2). С этого момента начинается анализ, запускается секундомер и ведется отсчет времени развития пожара.

Формируем пороговый массив и массив разностей по формулам (3) и (4).

Сформированные массивы представлены в табл.4.

Вычисляем среднее по массиву разностей по формуле (9)
= = 97,3.

Вычисляем среднеквадратичное отклонение от среднего по формуле (10).

Расчет представлен в табл.5.

S_Δ= = 66,2
Вычисляем расчетный t-критерий по формуле (11)
t = = 3,6
Табличное значение t-критерия при f = 6-1 = 5 степенях свободы и уровне значимости α = 0,05 равно 2,01.

Таким образом, расчетный t-критерий больше табличного t-критерия Стьюдента, чем подтверждается гипотеза о том, что пороговый массив и массив разностей по своим средним существенно отличаются друг от друга и принадлежат разным генеральным совокупностям, следовательно, в выработке возник и развивается очаг пожара.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа может быть получен за счет распознавания очага экзогенного пожара в ранней стадии его развития, что позволит своевременно потушить его силами горнорабочих или техническими средствами пожаротушения, включаемых автоматически или дистанционно по команде диспетчера. При этом ущерб от такого пожара будет незначительным, а расход огнетушащих веществ малым. Все это позволит предприятию, внедрившему предлагаемый способ, получить определенный экономический эффект за счет снижения ущербов, нанесенных пожаров.

Использование: в угольной, рудной и других отраслях промышленности для распознавания по дыму очагов подземных экзогенных пожаров. Сущность изобретения: измеряют длину участка контроля в выработке и ее поперечные размеры. Регистрируют и запоминают величину входной концентрации пыледымового аэрозоля в начале участка контроля. По истечении времени прохождения воздушной струей этого участка вычисляют расчетное значение, приведенное к выходу с участка по математическому выражению, после чего регистрируют выходную концентрацию аэрозоля и сравнивают ее с расчетной, формируют массивы пороговых значений концентраций аэрозоля и разностей фактических и пороговых значений концентраций аэрозоля, а затем их статистически сравнивают и по результатам сравнения делают вывод о наличии очага пожара в выработке. 5 табл.

СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ОЧАГОВ ПОДЗЕМНЫХ ЭКЗОГЕННЫХ ПОЖАРОВ, включающий измерение скорости воздушной струи на участке контроля, поперечных размеров выработки, времени развития экзогенного пожара и статистическое сравнение массивов пороговых и фактических значений концентраций продуктов горения на их адекватность, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности распознавания в ранней стадии очагов экзогенных пожаров на фоне нестандартных технологических помех, в качестве продукта горения используют пыледымовой аэрозоль, при этом дополнительно измеряют длину участка контроля, регистрируют величину входной концентрации пыледымового аэрозоля в воздушной струе в начале участка контроля, определяют время прохождения воздушной струей участка контроля и по истечении этого времени определяют расчетное значение концентрации аэрозоля на выходе участка контроля из выражения
Cрв

_ых(τ) = C - 1+ exp- ,
где C_вых^p(τ) - расчетная массовая концетрация аэрозоля на выходе участка контроля в момент времени τ , вычисленная по входной на момент времени τ - , мг/м³;
τ - время развития очага экзогенного пожара, считая с момента появления дыма с поверхности материала, к которой приложено тепловое поджигающее воздействие, мин;
C - - зарегистрированная входная массовая концентрация аэрозоля в начале участка контроля на момент времени τ - L / 60V_c , мг / м³ ;
L - длина участка контроля, м;
V_с - скорость воздушной струи в выработке, м/с;
P, S - периметр и площадь поперечного сечения горной выработки в пределах участка контроля соответственно, м и м²;
0,225 - эмпирический коэффициент, м/с;
4 · 10^-3 - эмпирический коэффициент, м/с,
после чего регистрируют выходную концентрацию аэрозоля в конце участка контроля, сравнивают ее с расчетной и при соблюдении условия
C_вых^ф(τ) - C_вых^p(τ) >> ПП_p + Ф_p ,
где C_вых^ф(τ) - выходная зарегистрированная массовая концентрация аэрозоля в конце участка контроля на момент времени τ , мг/м³;
ПП_р - приведенная погрешность измерительных приборов, мг/м³;
Ф_р - максимальный рабочий фон аэрозоля в пределах участка контроля, мг/м³;
формируют массивы пороговых значений концентраций аэрозоля и разностей фактических и пороговых значений концентраций аэрозоля определяемых из выражений
C_п(τ) = C_вых^p(τ) + ПП _p + Ф_p ;
Δ (τ) = C_вых^ф(τ) - C_п(τ) ,
а затем из статистически сравнивают, причем возникновение очага загорания устанавливают по статистическому неравенству их средних значений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальную длину участка контроля определяют по формуле
L_max= 346,6 ,
где 346,6 - эмпирический коэффициент, с/м.