LIKWIDACJA PODZIEMNYCH PÓL POŻAROWYCH

W przypadku niepowodzenia aktywnego zwalczania pożaru podziemnego zaognioną część kopalni izoluje się od czynnych wyrobisk tamami pożarowymi. W ten sposób powstają otamowane pola pożarowe, które stanowią poważne zagrożenie dla załóg dołowych kopalń, zwłaszcza w razie wyjścia ognia przed tamy pożarowe. Prócz tego w otamowanych polach pożarowych pozostają często znaczne zasoby węgla przygotowane do eksploatacji oraz maszyny i urządzenia. Aby zmniejszyć zagrożenie załóg dołowych od strony pól pożarowych oraz odzyskać uwięzione w tych polach zasoby węgla i urządzenia, konieczne jest możliwie szybkie ugaszenie pożaru w otamowanej przestrzeni, a następnie zlikwidowanie pola pożarowego.

12.1.Ocena stanu pożaru w otamowanej przestrzeni

Po otamowaniu pożaru tamami pożarowymi w miarę upływu czasu zachodzą różne zmiany w atmosferze otamowanej przestrzeni. W początkowym okresie po zamknięciu tam pożarowych w polu pożarowym obserwuje się wzrastanie zawartości dwutlenku węgla CO₂, tlenku węgla CO, wodoru H₂, metanu CH₄, i węglowodorów alifatycznych C_m.H_n oraz zmniejszenie zawartości tlenu O₂.

Po osiągnięciu maksymalnych wartości zmniejsza się zawartość CO, H₂, CH₄, C_m.H_n, wzrasta natomiast stężenie O₂ i CO₂.W otamowanym polu pożarowym obserwuje się również zmiany wartości depresji naturalnej (cieplnej). Systematycznie prowadzone obserwacje wymienionych zmian pozwalają na wyciągnięcie odpowiednich wniosków dotyczących stanu pożaru w otamowanej przestrzeni.

12.1.1.Ocena stanu pożaru na podstawie wykresu krzywych K₁, K₂, K₃, K₄.

Przy ocenie stanu pożaru na podstawie wykresu krzywych K₁, K₂, K₃, K₄ konieczna jest znajomość składu gazów pożarowych w otamowanej przestrzeni. Wykresy krzywych K₁, K₂, K₃ i K₄ sporządza się na papierze milimetrowym. Oś pozioma jest osią czasu, podzieloną w dogodnej podziałce, na osi pionowej natomiast podaje się wartości wskaźników K₁, K₂, K₃ i K₄ obliczone ze wzorów:

K₁ = CO₂ + 0,5CO ; K₂ = O₂ + CO₂ + 0,5CO ; K₃ = CO + H₂ +C_m.H_n ; K₄ = CH₄.

We wzorach powyższych – O₂, CO₂, CO, H₂, CH₄, C_m.H_n oznaczają odpowiednio procentowe zawartości w gazach pożarowych: tlenu, dwutlenku węgla, tlenku węgla, wodoru, metanu i węglowodorów alifatycznych. Następnie na wykres nanosi się punkty, których odcięte są czasem pobrania próbek gazów pożarowych, rzędne zaś wartościami wskaźników K₁, K₂, K₃ i K₄ dla danego czasu pobrania próbki. Po odpowiednim połączeniu prostymi odcinkami tych punktów otrzymuje się krzywe K₁, K₂, K₃ i K₄, które charakteryzują przebieg zmian wartości tych wskaźników w miarę upływu czasu od początku pożaru bądź zapoczątkowania badania stanu pożaru. Wygasanie ognia w otamowanej przestrzeni przy niecałkowitym wyrównaniu potencjału aerodynamicznego wokół pola pożarowego w pokładach niemetanowych uwidacznia się wzajemnym oddalaniem się od siebie krzywych K₁ i K₂ z jednoczesnym zmniejszeniem lub niewzrastaniem krzywej K₃ oraz K₄(rys.a). W pokładach metanowych przebieg krzywej K₄ w zasadzie nie zależy od pożaru, lecz od metanowości, dlatego krzywą K₄ można posługiwać się przy badaniu pól pożarowych w pokładach niemetanowych. Wznowienie czynności pożaru (ożywienie ognia) uwidacznia się na wykresie wzrastaniem krzywych K₃ i K₄ przy występowaniu zbliżenia się do siebie krzywych K₁ i K₂ po okresie, kiedy krzywe oddalały się od siebie (rys.b.)

Gdy objętość otamowanej przestrzeni jest bardzo duża, wznowienie czynności pożaru uwidacznia się często tylko wzrostem krzywych K₃ i K₄, przy małych zmianach przebiegu krzywych K₁ i K₂, bądź nawet równoległym przebiegu tych krzywych (rys.c.). Prawie równoległy przebieg krzywych K₁ i K₂ z jednoczesnym niezmniejszaniem się do zera rzędnych krzywych K₃ i K₄, świadczy o wygasaniu ognia w warunkach dokładnego wyrównania potencjałów aerodynamicznych wokół otamowanego pola pożarowego (rys.d.). Gdy potencjały wokół pola pożarowego nie są całkowicie wyrównane, wówczas pomimo równoległego przebiegu krzywych K₁ i K₂, nawet przy zmniejszeniu się do zera rzędnych krzywych K₃ i K₄, może się okazać, że ogień nie wygasa, lecz ustalił się stan równowagi w paleniu się ognia w polu pożarowym.

Rys. Ocena stanu pożaru na podstawie krzywych K₁, K₂, K₃ i K₄

a-wygasanie ognia w otamowanej przestrzeni przy niecałkowitym wyrównaniu potencjałów aerodynamicznych wokół pola pożarowego,

b-wznowienie czynności pożaru w otamowanej przestrzeni przy niecałkowitym wyrównaniu potencjałów aerodynamicznych wokół pola pożarowego,

c-wznowienie czynności pożaru, przy dużej objętości pola pożarowego,

d-wygasanie ognia w otamowanej przestrzeni w warunkach dokładnego wyrównania potencjałów aerodynamicznych wokół pola pożarowego.

Jeśli przez dostatecznie długi okres, tzn. kilka lub kilkanaście tygodni w przypadku pożaru egzogenicznego o małym rozprzestrzenieniu się ognia bądź kilka lub kilkanaście miesięcy w razie pożaru endogenicznego bądź egzogenicznego, lecz o dużym rozprzestrzenieniu się ognia, krzywe K₁, K₂, K₃ i K₄ wskazują na wygasanie ognia, to można wyciągnąć wniosek o ugaszeniu ogniska pożaru. Trzeba jeszcze stwierdzić, czy w otamowanej przestrzeni przepływa lub gromadzi się woda w sąsiedztwie ogniska pożaru. Jeśli nie, to konieczny jest dłuższy okres do ochłodzenia miejsca wygaszonego ogniska pożaru.

12.1.2.Ocena stanu pożaru na podstawie krzywej R

Gdy systematycznie bada się skład gazów pożarowych w otamowanej przestrzeni, ocena stanu pożaru może być przeprowadzona na podstawie przebiegu krzywej R, której wykres sporządza się korzystając ze wzoru:

gdzie: CO,N₂ , O₂ oznaczają procentowe zawartości w próbce gazów pożarowych tlenku węgla, azotu, tlenu. W razie nie wyznaczenia przez laboratorium chemiczne procentowej zawartości azotu w gazach pożarowych należy ją wyliczyć odejmując od 100 sumę pozostałych składników

Rys. Ocena stanu pożaru na podstawie krzywej R

a-wygasanie ognia w otamowanym polu pożarowym,

b-ustalenie się procesu palenia w otamowanym polu pożarowym,

c-wznowienie czynności pożaru w otamowanym polu pożarowym

Wykres krzywej R sporządza się na papierze milimetrowym, nanosząc na nim układ współ. prostokątnych , przy czym na osi poziomej podaje się czas, pobierania próbek, na osi pionowej natomiast podaje się wartość wskaźnika R obliczonego ze wzoru. Następnie nanosi się wartość R₀

(linia prosta) poziomu charakteryzującego warunki tworzenia się CO i sorbowania O₂ w okresie przed otamowaniem danej części kopalni. Wartość wskaźnika R₀ oblicza się z tego samego wzoru co R. Dane do obliczenia R₀ bierze się z wyników wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych w okresie poprzedzającym otamowanie badanej przestrzeni. Jeżeli na wykresie krzywa R stale opada (rys.a),świadczy to o wygasaniu ognia w polu pożarowym. Pożar można uznać za ugaszony, jeżeli krzywa R pokryje się z krzywą R₀. Równoległy przebieg krzywej R do prostej R₀ (rys.b) wskazuje na ustalenie się równowagi w paleniu się ognia w otamowanej przestrzeni. Oddalanie się krzywej R od prostej R₀ (rys.c) po okresie zbliżania się krzywej R do R₀ dowodzi wznowienia czynności pożar(ożywienia ognia). Po nakryciu się krzywej R z R₀ należy jeszcze odczekać dostatecznie długi okres, w którym nastąpi wychłodzenie sąsiedztwa ogniska pożaru. Długość tego okresu ocenia się w zależności od warunków lokalnych.

12.1.3.Ocena stanu pożaru na podstawie depresji naturalnej(cieplnej)

Ocena stanu pożaru może być również przeprowadzona na podstawie przebiegu depresji naturalnej (cieplnej) w polu pożarowym l_n1-2. Wykres krzywej l_n1-2 konstruuje się na podstawie wzoru:

gdzie:

l_f1- dysypacja energii we wlotowej tamie pożarowej, [J/kg]

l_f2- dysypacja energii we wylotowej tamie pożarowej, [J/kg]

δφ_1-2- spadek potencjału aerodynamicznego w nie otamowanej tamami pożarowymi drodze (wyrobisku), które łączy tamę wlotową z tamą wylotową, [J/kg]

Wartość l_f1 i l_f2 mierzy się zwykłymi U-rurkami, spadek potencjału δφ_1-2 może być pominięta, jeśli jest bardzo mała w porównaniu z wartościami l_f1 i l_f2. Wykres krzywej l_n1-2 sporządza się na papierze milimetrowym, podaje się na osi odciętych czas brania próby na osi rzędnych zaś wartość depresji naturalnej (cieplnej) obliczonej z powyższego wzoru. Następnie na ten wykres nanosi się wartość depresji naturalnej(cieplnej) l_n0 (linia prosta pozioma), jaka panowała w kopalni przed powstaniem pożaru.

Rys.12.3 Ocena stanu pożaru na podstawie depresji cieplnej l_n

a-wygasanie ognia w otamowanym polu pożarowym,

b-wznowienie czynności pożaru w otamowanej przestrzeni,

c-ustalenie się procesu palenia

O ugaszeniu pożaru świadczy obniżenie się krzywej depresji naturalnej l_n1-2 do prostej l_n0(rys.a). Oddalenie się krzywej l_n1-2 od prostej l_n0 po okresie zbliżania się l_n1-2 do l_n0 świadczy o ożywieniu się ognia w otamowanej przestrzeni (rys.b). Równoległy przebieg krzywej depresji naturalnej l_n1-2 do prostej l_n0 (rys.c) dowodzi ustalenia się równowagi w procesie palenia. Po zbliżeniu się krzywej l_n1-2 do prostej l_n0 należy odczekać pewien okres, potrzebny do wychłodzenia sąsiedztwa ogniska pożaru. Długość tego okresu ustala się w zależności od warunków lokalnych.

12.1.4 Ocena stanu pożaru na podstawie temperatury gazów pożarowych i temperatury wody wypływającej spoza tam

Przed badania stanu pożaru w otamowanej przestrzeni na podstawie pomiaru temperatury gazów pożarowych i temperatury wody wypływającej spoza tam pożarowych należy ustalić, czy:

-ognisko pożaru nie jest zbyt daleko, aby miarodajne było wnioskowanie o ochłodzeniu się jego na podstawie ochłodzenia się gazów za tamami wydechowymi położonymi najbliżej ogniska pożaru,

-woda przepływa przez sąsiedztwo ogniska pożaru lub tam się gromadzi (na podstawie wysokości niwelacyjnych i znajomości warunków lokalnych).

Jeżeli okaże się, że na podstawie pomiaru temperatury gazów pożarowych lub temperatury wody wypływającej spoza tam pożarowych można wnioskować o ochłodzeniu się ogniska pożaru, sporządza się wykres zmian w czasie temperatury gazów pożarowych i temperatury wody wypływającej spoza tam. Wykres temperatury gazów pożarowych i temperatury wody wykreśla się na papierze milimetrowym, oś pionowa jest osią temperatury gazów pożarowych i wody wypływającej spoza tamy pożarowej, oś odciętych natomiast osią czasu. Na wykresie nanosi się linie poziome podające temperaturę powietrza T₀₁ i temperaturę wody T₀₂ przed otamowaniem pola pożarowego (przed powstaniem pożaru). Następnie nanosi się punkty, których odcięte są czasem wykonania pomiaru temperatury gazów pożarowych i wody wypływającej z pola pożarowego, rzędne zaś wartościami zmierzonych temperatur. Po odpowiednim połączeniu prostymi odcinkami tych punktów otrzymuje się krzywe T₁ i T₂. W przypadku małych otamowanych przestrzeni o ugaszeniu pożaru świadczy obniżenie się temperatury gazów za tamami (krzywa T₁) i temperatury wody wypływającej spoza tam (krzywa T₂) do temperatury pierwotnej T₀₁ i T₀₂(rys.12.4)

Rys.12.4. Ocena stanu pożaru na podstawie temperatury gazów pożarowych i temperatury wody wypływającej spoza tamy pożarowej

W przypadku wielkich otamowanych przestrzeni utrzymywanie się podwyższonej temperatury gazów lub wody świadczy o nieugaszaniu ognia. Ze zmniejszenia się natomiast tych temperatur nie można wyciągnąć wniosków, że ogień został wygaszony. Trzeba tu zastosować inne sposoby oznaczania pożaru. Z praktyki górniczej wynika, że tylko w wyjątkowych przypadkach prawidłowa ocena stanu pożaru może być przeprowadzona oddzielnie na podstawie pomiaru temperatury gazów pożarowych poza tamami pożarowymi lub pomiaru temperatury wody wypływającej spoza tam pożarowych. Lepsze wyniki uzyskuje się, jeśli jest możliwość równoczesnego pomiaru temperatury gazów pożarowych i temperatury wody wypływającej spoza tam pożarowych. Temperaturę gazów pożarowych poza tamami należy mierzyć termometrem maksymalno – minimalnym, temperaturę wody natomiast można mierzyć zwykłymi rtęciowymi termometrami górniczymi.

12.1.5Ocena stanu pożaru metodą statystyczną. Oznaką stłumienia pożaru w otamowanej przestrzeni jest stopniowe zmniejszanie się, a następnie brak przez dłuższy czas tlenku węgla i wodoru w próbkach gazów pożarowych pobranych spoza wszystkich tam pożarowych. Bardziej pewnym dowodem stłumienia pożaru jest brak CO i H₂ i C_mH_n, ale O₂, przy równoczesnym znacznym wzroście CO₂. Jeśli oprócz braku CO, H₂ i C_mH_n stężenie tlenu nie jest większe od 2 do 3%, a zawartość dwutlenku węgla jest nie mniejsza od 15-20%, co jest możliwe przy dużej szczelnościizolacji pola pożarowego, to można z dużym prawdopodobieństwem liczyć się z ugaszeniem pożaru. Oceniając stan pożaru w otamowanej przestrzeni, wyznacza się prawdopodobieństwo ustalonych wartości granicznych stężeń poszczególnych składników gazów pożarowych, jak O_2, CO₂, CO oraz H₂, CH₄ i C_mH_n. Przyjmuje się że wygaszenie pożaru następuje wówczas, gdy graniczne stężenia tlenu i dwutlenku węgla w polu pożarowym wynoszą odpowiednio: r_gO2=3% i r_gCO2=15%, przy równoczesnym braku CO, H₂, C_mH_n, a w polach niemetanowychprzy braku CH₄. Wielkości O₂ i CO₂ są traktowane jako zmienne losowe ciągłe, przy czym badając rozkłady zmiennych losowych, stosuje się dwa podstawowe parametry, tj. wartość oczekiwaną i wariancję zmiennej losowej. Jeśli liczba obserwacji jest duża, to wymienione wielkości są wyznaczone na podstawie szeregów rozdzielczych zmiennych losowych dla których sporządza się histogramy albo diagramy, analizując je można wysunąć hipotezę co do charakteru rozkładu zmiennej losowej, przy czym są to zazwyczaj rozkłady normalne lub zbliżone do normalnych.

12.1.5.1 Zmiany czasowe wartości średniej i odchylenia standardowego tlenu i dwutlenku węgla w polu pożarowym. Przy określonym rozkładzie potencjału aerodynamicznego wokół otamowanego pola pożarowego możliwe jest na podstawie badań statystycznych prognozowanie zmian czasowych zmiennych losowych R_O2 i R_CO2. Do zbudowania szeregów czasowych wartości średnich i odchyleń standardowych tych zmiennych konieczne są systematyczne badania statystyczne stężeń tlenu i dwutlenku węgla w otamowanym polu pożarowym. Dla umożliwienia prognostycznego wyznaczenia wartości średniej i odchylenia standardowego zmiennej losowej R_i konieczne jest określenie głównych tendencji rozwojowych odpowiednich szeregów czasowych tzw. funkcji trendu. Aby wyznaczyć ogólną tendencję zmian czasowych tych wielkości, należy wyrównać (wygładzić) otrzymane szeregi czasowe. Do opisu głównej tendencji rozwoju tych szeregów mogą być zastosowane następujące funkcje: ,

-funcja trendu, -tzw.zmienna czasowa, a₀-wyraz wolny, j- j-ty wsp. przy zmiennej czasowej, J-liczba wsp. występujących we wzorach,- liczba wszystkich wyrazów szeregu wyrazowego. Linia trendu ma płynny ma płynny przebieg i zaciera skokowe zmiany szeregu czasowego w poszczególnych okresach i wyrażą ogólną tendencję zmian wartości średnich i odchyleń standardowych zmiennych losowych R_O2 i R_CO2 w długim okresie, tj. ciągłe zmniejszanie lub zwiększanie tych wielkości w okresie minionym. Przy założeniu że prawidłowość ta będzie występowała w przyszłości możliwe jest prognostyczne określenie średniego stężenia O₂ i CO₂ w polu pożarowym oraz odchyleń standardowych od tych średnich dla dowolnych, jednak niezbyt odległych, okresów w przyszłości.

12.1.5.2Ocena prawdopodobieństwa przewyższenia granicznych stężeń tlenu i dwutlenku węgla w polu pożarowym. Znając typ rozkładu zmiennej losowej R_CO2 można określić prawdopodobieństwo przekroczenia przez tą zmienną wartości granicznej r_gCO2ne podstawie zależności P(R_CO2>r_gCO2)=1-F(r_gCO2); F(r_gCO2) – dystrybuanta zmiennej losowej R_CO2 dla R_CO2=r_gCO2. Jeśli wyznaczamy prawdopodobieństwo wystąpienia tlenu w polu pożarowym mniejszego od wartości granicznej r_gO2, to korzystamy ze wzoru P(R_O2<r_gO2)= F(r_gO2), gdzie F(r_gO2) oznacza tu dystrybuantę zmiennej losowej R_O2 dla R_O2=r_gO2. Im większa wartość powyższych prawdopodobieństw tym większe jest prawdopodobieństwo wygaszenia pożaru. W miarę upływu czasu prawdopodobieństwa powinny się zwiększać, przy czym jeśli w określonym czasie zawartość dwutlenku węgla będzie stale większa od 15%, a tlenu mniejsza od 3% to prawdopodobieństwa te będą równe 1. Jeśli rozkłady zmiennych losowych R_CO2 i R_O2 są normalne P(R_CO2>r_gCO2) = 1-F_o lub P(R_CO2< r_gO2)=F_ogdzie odpowiednia wartość liczbowa trendu wartości średniej CO₂ i O₂ obliczona dla okresu, przy czym k=1,2,...,K, a oznacza liczbę wyrazów szeregu czasowego. warość liczbowa trendu odchylenia standardowego odpowiednio dla CO₂ i O₂ dla wymienionego okresu, F_o dystrybuanta rozkładu normalnego. Na podstawie powyższych wzorów można określić dla przyjętych okresów wartości prawdopodobieństw przekroczenia granicznych stężeń CO₂ i O₂ co umożliwia prognostyczną ocenę stanu pożaru dla przyjętych okresów. Korzystając z wymienionych wzorów, można założyć prawdopodobieństwa P(R_CO2>r_gCO2) i P(R_O2<r_gO2) i wyznaczyć czas , w którym przekroczenia te nastąpią. Przyjmując wartości powyższych prawdopodobieństw można znaleźć w tablicach rozkładu normalnego kwantyl u_p odpowiadający temu prawdopodobieństwu. A ponieważ zachodzą związki F(u_P1)=F F(u_p2)=F po odpowiednim przekształceniu mamy ; ; zależności te umożliwiają wyznaczenie czasu w którym nastąpi przekroczenie wartości CO₂ powyżej r_gCO2=15% lub zmniejszenie wartości O₂ poniżej r_gO2 =3% z określonymi prawdopodobieństwami.