Способ распознавания очагов подземных экзогенных 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.

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 C^р_вых(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)
C^р_вых(τ) = C^ф_вх(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
С^p_вых(τ+1) = C^ф_вх(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.

Формула изобретения

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
C^р_вых(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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3