СПОСОБ БОРЬБЫ С ПОДЗЕМНЫМИ ПОЖАРАМИ Российский патент 1997 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для борьбы с подземными пожарами, возникающими в горных выработках и выработанном пространстве.

Известен способ борьбы с подземными пожарами, включающий изоляцию подземных пожаров [1]
Недостатком способа является длительность и низкая эффективность из-за теплоизоляционных свойств угля и отсутствия теплосъема с очага пожара.

Кроме того, известен способ борьбы с подземными пожарами, включающий подачу глинистой пульпы в шахту [2]
Наиболее близким к описываемому способу является способ борьбы с подземными пожарами, включающий подачу в выработанное пространство распыленной жидкости и ее замораживание путем смешивания с инертным газом [3]
Недостатком данных способов является низкая эффективность из-за невозможности объемной обработки, недостаточно теплосъема и малой дальности транспортирования подаваемого состава.

Целью изобретения является повышение эффективности борьбы с подземными пожарами за счет увеличения дальности транспортирования жидкости, объемной обработки и повышения хладагентного действия.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу борьбы с подземными пожарами, включающему подачу жидкости в выработанное пространство или горные выработки с очагами пожаров или окисляющимся материалом, жидкость предварительно распыляют до аэрозольного состояния и замораживают путем смешивания с распыленным жидким инертным газом и подают в потоке образующегося газа в очаг пожара или обрабатываемую зону. Дополнительным отличием является то, что жидкость предварительно переводят в парообразное состояние и замораживают, смешивая с распыленным жидким азотом. Кроме того, в пар дополнительно разбрызгивают частицы жидкости. Соотношение смешиваемых жидкости и жидкого инертного газа определяют по выражению

где G_г расход жидкого инертного газа, кг/с; G_ж расход жидкости, кг/с; c_ж теплоемкость жидкости, Дж/(кг.К); c_г теплоемкость инертного газа, Дж/(кг.К); Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг; Q_иг теплота испарения жидкого инертного газа, Дж/кг; Т_ж температура замерзания жидкости, К; Т_г температура подаваемого жидкого инертного газа, К.

Соотношение смешиваемого пара и жидкого инертного газа определяют по формуле

где G_п расход пара, кг/с; c_п теплоемкость пара, Дж/(кг.К); c_кж теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/(кг.К); Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг; Q_зкж теплота замерзания сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/кг; Т_п - температура пара, К; Т_кп температура конденсации пара, К; Т_зкж температура замерзания сконденсировавшейся из пара жидкости.

Соотношение пара, вводимой жидкости и жидкого инертного газа определяют из выражения

где Т_з температура, при которой замерзают сконденсировавшаяся из пара жидкость и распыляемая жидкость, К.

В выработанное пространство в начале подают инертный газ с температурой ниже точки замерзания жидкости и сконденсировавшегося пара, а затем смесь с замороженными частицами. Подачу смеси можно чередовать с нагнетанием инертного газа, причем газ подают в импульсном режиме. Дополнительно в образующуюся смесь подают воздух, причем концентрация кислорода в образующейся смеси ниже значения, поддерживающего процесс самонагревания и горения.

В распыляемую жидкость, пар или их смесь можно вводить метан, причем в сжиженном состоянии. В качестве инертного газа используют азот, в качестве жидкости воду, сжиженную углекислоту, раствор антипирогена, пенообразующий раствор, гелеобразующий состав или суспензию, а в качестве пара водяной пар.

Дополнительно в образующуюся смесь вводят порошок, являющийся антипирогеном и/или хладагентом. Порошок может взаимодействовать с жидкостью с поглощением теплоты или образуя вязкий воздухонепроницаемый состав. Кроме того, распыляемые компоненты заряжают электрическими зарядами, причем частицы жидкости и пара заряжаются одним, а инертный газ и порошок противоположным по знаку зарядом. Получаемую смесь вводят в поток воздуха, в направлении его движения через выработанное пространство или горные выработки к очагу самонагревания или пожара. Получаемую смесь можно подавать в импульсном режиме.

Подача жидкости при борьбе с подземными пожарами приводит к тому, что она стекает по почве пласта, не производя объемную обработку и не имея большой дальности транспортирования в горизонтальном направлении в выработанном пространстве и воздухе горных выработок.

Устранить эти недостатки возможно распыляя жидкость до аэрозольного состояния и замораживая путем смешивания с распыленным жидким инертным газом. Образующийся при этом газ подхватывает мельчайшие частицы замороженной жидкости и переносит их на большое расстояние, т.к. эти частицы скользят по поверхности и не оседают на ней. Происходит и объемная обработка, т.к. частицы распределены по всему объему движущегося газа. При попадании этих замороженных частиц в разогретые области происходит дополнительный теплосъем из-за отнятия тепла на расплавление и нагрев жидкости. Распыление жидкости до аэрозольного состояния увеличивает дальность их транспортирования, так как с уменьшением размера частиц увеличивается время нахождения их во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц увеличивает их общую поверхность, что приводит к росту теплосъема с поверхности обрабатываемых объемов.

Предварительный перевод жидкости в парообразное состояние и последующее замораживание его еще более повысит эффективность борьбы с пожарами. Это достигается за счет уменьшения размера частиц пара по сравнению с частицами жидкости.

Значительно повысить содержание замороженных частиц и обеспечить их равномерное распределение в обрабатываемом объеме возможно при распылении жидкости в потоке пара. Замораживание этого состава приводит к образованию частиц различного размера. При движении такой смеси происходит равномерная обработка объема из-за различного времени оседания этих частиц. Особенно существенен этот факт при профилактической обработке материалов. Кроме того, распыление частиц жидкости в потоке пара позволяет значительно расширить полезное действие смеси за счет ввода антипирогенных, хладагентных и т.п. компонентов.

Для замерзания жидких аэрозолей при смешивании с распыленным жидким инертным газом должно соблюдаться условие
Q_г≥Q_ж (4)
где Q_г количество тепла, требуемое для газификации и нагревания жидкого инертного газа; Q_ж количество тепла, отнимаемое от жидкости при ее охлаждении и замораживании.

Тепло, требуемое для газификации жидкого инертного газа, определяется из уравнения
Q_г G_гc_г(Т_зж Т_г) + G_гQ_иг (5)
где G_г расход жидкого инертного газа, кг/с; c_г - теплоемкость инертного газа, Дж/(кг.К); Q_иг теплота испарения жидкого газа, Дж/кг; Т_зж температура замерзания жидкости, К; Т_г - температура жидкого инертного газа, К.

Тепло, отнимаемое от жидкости при ее замораживании, найдем из формулы
Q_ж G_жc_ж(Т_ж Т_зж) + Q_зжG_ж (6)
где G_ж расход жидкости, кг/с; c_ж теплоемкость жидкости, Дж/(кг.К); Q_зж теплота замерзания жидкости, Дж/кг; Т_ж - температура жидкости, К.

Подставляя уравнения (5) и (6) в (4), получим соотношение, обеспечивающее замерзание жидкости и испарение жидкого газа

Конденсация и замерзание пара происходит при условии
Q_г≥Q_п
где
Q_п количество тепла, отнимаемое от пара при замораживании.

Тепло, отнимаемое от пара при его замораживании, определяем из уравнения
Q_п G_пc_п(T_п T_кп) + G_пc_кж(T_кп T_зкж) + G_пQ_кп + G_пQ_зкж (9)
где G_п расход пара, кг/с; c_п теплоемкость пара, Дж/(кг.К); c_кж теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/(кг.К); Q_зкж теплота замерзания сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг; Q_кп теплота конденсации пара, Дж/кг; Т_п температура пара, К; Т_кп температура конденсации пара, К; Т_зкж - температура замерзания сконденсировавшейся жидкости, К.

Подставляя уравнения (5) и (9) в (8), имеем

Замерзание пара и замерзаемой жидкости при смешивании с жидким газом происходит при условии
Q_г≥Q_ж + Q_п (11)
Используя уравнения (5), (6) и (9) для подстановки в (11), получаем соотношение расхода компонентов, обеспечивающего замерзание частиц пара и жидкости

где Т_з температура, при которой замерзают сконденсировавшаяся из пара жидкость и распыляемая жидкость, К.

Для увеличения дальности транспортирования замороженных частиц и жидкости в выработанном пространстве целесообразно вначале подавать в него инертный газ с температурой ниже точки замерзания подаваемых жидкостей. Это приведет к охлаждению скопления и большему времени сохранения частиц в замороженном состоянии. В результате частицы охлаждают более удаленные скопления окисляющегося материала.

Чередование подачи замороженной смеси и инертного газа способствует лучшему переносу частиц, так как газ разносит осевшие частицы. Особенно эффективна импульсная подача газа, снижающая аэродинамическое сопротивление обрабатываемых скоплений за счет выноса ранее осевших частиц в необработанные зоны.

Увеличить дальность транспортирования замороженных частиц возможно за счет дополнительной подачи воздуха в смесь. При этом возрастает скорость потока и снижается осаждаемость частиц. Особенно эффективна такая добавка при профилактической обработке окисляющегося материала. Для предотвращения возможности увеличения повышения температуры обрабатываемого материала необходимо концентрацию кислорода в смеси поддерживать ниже значения, поддерживающего процесс самонагревания и горения.

Для увеличения дальности транспортирования замороженных частиц целесообразно в распыляемые пар и жидкость вводить метан. Замораживание жидкости, в которой растворен метан, приводит к тому, что она начинает таять при более высокой температуре. Поэтому частицы сохраняются в твердом состоянии более длительное время и дальность их переноса увеличивается. При подаче метана в жидком состоянии, имеющем низкую температуру, снижается общая температура смеси, что повышает эффективность борьбы с пожарами. При осаждении таких замерзших частиц в порах и трещинах снижается воздухопроницаемость пород и приток кислорода к окисляющемуся материалу.

В качестве жидкого инертного газа целесообразно применять азот, как наиболее распространенный, а в качестве жидкости использовать воду. Подача в качестве жидкости сжиженной углекислоты позволяет значительно уменьшить температуру замерзшей жидкости.

Наиболее целесообразно в качестве пара использовать водяной пар. Жидкость может быть раствором антипирогена, пенообразователя, суспензии или гелеобразующего состава. В результате замораживания увеличивается дальность их транспортирования и объем обработки. Эффективность действия смеси возрастает в случае дополнительного введения порошка, являющегося антипирогеном и/или хладагентом. Взаимодействие порошка с жидкостью с поглощением теплоты увеличит дальность транспортирования дольше сохраняющихся твердых частиц и хладагентный эффект обработки. При взаимодействии порошка с жидкостью с образованием вязкого воздухонепроницаемого состава на окисляющемся материале образуется слой, препятствующий притоку кислорода, снижаются утечки воздуха.

Заряжение смешиваемых компонентов электрическими зарядами способствует быстрому образованию смеси и увеличивает дальность транспортировки частиц. Так, заряд частиц жидкости и пара одним, а инертного газа противоположным по знаку электрическими зарядами приводит к тому, что происходит притягивание частиц жидкого инертного газа к частицам пара или жидкости. В результате возрастает теплообмен и скорость замерзания жидкости. Оседающие на поверхности частицы передают ей свои электрические заряды, что приводит к отталкиванию одноименно заряженных частиц и увеличивает дальность их транспортирования. Порошок также отталкивается от поверхностей и осевших частиц и взаимодействует в основном с оттаявшей жидкостью с образованием дополнительных эффектов.

Для увеличения дальности транспортирования смеси целесообразно вводить ее в поток воздуха в направлении его движения через выработанное пространство или горные выработки к очагу самонагревания или пожара. Импульсная подача смеси также способствует увеличению дальности транспортирования ее в выработанном пространстве и горных выработках.

Способ реализуется следующим образом.

В случае необходимости предупредить самонагревание или подавить очаг пожара в выработанном пространстве или горной выработке к зоне обработки подводят трубопровод, соединенный с камерой смешения. В камеру смешения распыляют жидкий инертный газ, например, азот и распыляют в виде аэрозоля жидкость, пар из парогенератора или смесь этих компонентов. При необходимости в пар и/или жидкость предварительно вводят метан в газообразном или сжиженном виде. Расход компонентов осуществляют регуляторами по формулам (1), (2) или (3). Для повышения эффективности борьбы с пожарами в полученную смесь частиц льда и инертного газа вводят порошок, способный взаимодействовать с растаявшей жидкостью.

Скорость подачи полученной смеси можно увеличить добавкой воздуха или направляя в направлении движения потока воздуха к очагам самонагревания или пожара. В случае необходимости увеличить дальность транспортировки частиц или снизить аэродинамическое сопротивление выработанного пространства, возросшего из-за оседания частиц, смесь начинают подавать в импульсном режиме или чередуют с подачей инертного газа также в импульсном режиме.

Применение предложенного способа позволит повысить эффективность борьбы с подземными пожарами за счет увеличения дальности транспортирования антипирогена и хладагента и повышения теплосъема с разогретых поверхностей. За счет объемной обработки уменьшается время подачи и требуемый расход средств и материалов на предупреждение и подавление подземных пожаров.

Использование: изобретение относится к горной промышленности может быть использовано для предупреждения и подавления подземных пожаров и направлено на повышение эффективности борьбы с подземными пожарами за счет увеличения дальности транспортирования жидкости, объемной обработки и повышения хладагентного действия. Сущность изобретения: жидкость переводят в аэрозольное состояние, пар или смешивают эти компоненты и смешивают с распыленным жидким инертным газом по соотношениям, обеспечивающим замерзание жидкости. При необходимости в смесь вводят порошок и в потоке образующегося инертного газа подают в выработанное пространство или горные выработки. Благодаря этому сокращается время и затраты материалов на предупреждение и подавления подземных пожаров. Повышается безопасность горных работ. 25 з.п. ф-лы.

1. Способ борьбы с подземными пожарами, включающий подачу в выработанное пространство распыленной жидкости и ее замораживание путем смешивания с инертным газом, отличающийся тем, что перед подачей в выработанное пространство производят предварительное смешивание компонентов в камере смешения, жидкость распыляют до аэрозольного состояния, а для замораживания используют инертный газ в жидком распыленном состоянии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость предварительно переводят в парообразное состояние и замораживают, смешивая с распыленным жидким инертным газом. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в пар дополнительно разбрызгивают частицы жидкости, а затем образующуюся смесь замораживают, смешивая с распыленным жидким инертным газом. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение смешиваемой жидкости и жидкого инертного газа определяют по выражению

где G_г расход сжиженного инертного газа, кг/с;
G_ж расход распыляемой жидкости, кг/с;
С_ж теплоемкость жидкости, Дж/кг•К;
С_г теплоемкость инертного газа, Дж/кг•К;
Q_з ж теплота замерзания жидкости, Дж/кг;
Q_и г теплота испарения жидкого инертного газа, Дж/кг;
Т_ж температура подаваемой жидкости, К;
Т_з ж температура замерзания жидкости, К;
Т_г температура подаваемого сжиженного инертного газа, К. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что соотношение смешиваемых пара и жидкого инертного газа определяют по формуле

где G_п расход пара, кг/с;
С_п теплоемкость пара, Дж/кг•К;
С_к ж теплоемкость сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/кг•К;
Q_к п теплота конденсации пара, Дж/кг;
Q_з к ж теплота замерзания сконденсировавшейся из пара жидкости, Дж/кг;
Т_п температура пара, К;
Т_к п температура конденсации пара, К;
Т_з к ж температура замерзания сконденсировавшейся из пара жидкости. 6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что соотношение пара, жидкости и жидкого инертного газа определяют из выражения

где Т_з температура, при которой замерзают сконденсировавшаяся из пара жидкость и распыляемая жидкость, К. 7. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в выработанное пространство вначале подают инертный газ с температурой ниже точки замерзания жидкости и сконденсировавшегося пара, а затем смесь с замороженными частицами. 8. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что подачу образующейся смеси в выработанное пространство чередуют с нагнетанием инертного газа, причем газ подают в импульсном режиме. 9. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в образуемую смесь дополнительно подают воздух. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что концентрация кислорода образующейся газовой смеси ниже значения, поддерживающего процесс самонагревания и горения. 11. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в распыляемую жидкость, пар или смесь предварительно вводят метан. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что метан вводят в сжиженном состоянии. 13. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве жидкого инертного газа используется жидкий азот. 14. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду. 15. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют сжиженную углекислоту. 16. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что в качестве пара используют водяной пар. 17. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют раствор антипирогена. 18. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют пенообразующий раствор. 19. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют гелеобразующий состав. 20. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют суспензию. 21. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что в образующуюся смесь дополнительно вводят порошок, являющийся антипирогеном и хладагентом. 22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что вводимый порошок взаимодействует с жидкостью с поглощением теплоты. 23. Способ по п. 21, отличающийся тем, что вводимый порошок взаимодействует с жидкостью, образуя вязкий воздухонепроницаемый состав. 24. Способ по пп.1 3 и 21, отличающийся тем, что распыляемые компоненты заряжают электрическими зарядами, причем частицы жидкости, пара и порошка заряжают одним, а инертный газ противоположным по знаку зарядами. 25. Способ по пп.1 23, отличающийся тем, что получаемую смесь вводят в поток воздуха в направлении его движения через выработку. 26. Способ по пп.1 24, отличающийся тем, что получаемую смесь подают в импульсном режиме.