Способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности

 

Изобретение относится к горной промышленности, борьбе с подземными пожарами. Технический результат - повышение точности локации очагов подземных пожаров, определение их размеров, снижение затрат на тушение пожаров, безопасность горных работ. Сущность изобретения: измеряют концентрацию индикаторных газов в приповерхностном слое почвы и надповерхностном воздуха. Дополнительно определяют скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности. Местонахождение очага подземного пожара определяют под точкой с максимальной скоростью фильтрации газа. Размер прогретой пожаром зоны соответствует размеру области, в которой скорость фильтрации газа превышает фоновое значение. Скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности определяют по формулам: V=V₀C/τS₀C₀ или V=QC/S₀C₀, где V₀ - объем изолированного надповерхностного слоя воздуха, C - концентрация индикаторного газа в изолированном объеме воздуха через время τ или соответственно в откачиваемом газе, C₀ - концентрация индикаторного газа в почве, S₀ - площадь контакта изолированного объема надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью, Q - расход откачиваемого из изолированного надповерхностного слоя газа. В качестве индикаторных газов используют пожарные газы или метан. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с подземными пожарами.

Известен способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности, включающий измерение концентрации индикаторных газов в надповерхностном слое воздуха (А.с. СССР N 1684524, кл. E 21 F 5/00).

Недостатком данного способа является неудовлетворительная точность локации из-за большой площади газовой аномалии в надповерхностном слое воздуха и ее смещения потоками ветра.

Наиболее близким техническим решением является способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности, включающий пробивку шпуров в приповерхностный слой почвы на дневной поверхности и определение в них концентрации индикаторных газов (А.с. СССР N 1460338, кл. E 21 F 5/00).

Недостатком известного способа является низкая эффективность установления местонахождения очага пожара из-за рассеивания индикаторных газов в почве, а также невозможности определения размера прогретой зоны.

Целью изобретения является повышение эффективности способа локации очагов подземных пожаров.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу локации очагов подземных пожаров, включающему измерение концентрации индикаторных газов в приповерхностном слое почвы и надповерхностном слое воздуха, дополнительно определяют скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности, причем местонахождение очага подземного пожара определяют под точкой с максимальной скоростью фильтрации, а размер прогретой очагом пожара зоны соответствует размеру области, в которой скорость фильтрации газа превышает фоновое значение.

Скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности определяют по формуле где V_о - объем изолированного надповерхностного слоя воздуха; C - концентрация индикаторного газа в изолированном объеме воздуха через время τ; S_о - площадь контакта изолированного объема надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью; C_о - концентрация индикаторного газа в почве.

Для оценки скорости фильтрации газа через горные породы к поверхности используют формулу где Q - расход откачиваемого из изолированного надповерхностного слоя газа; C - концентрация индикаторного газа в откачиваемом газе; S_о - площадь контакта изолированного надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью;
C_о - концентрация индикаторного газа в почве.

В качестве индикаторных газов для определения скорости фильтрации можно использовать как пожарные газы, образующиеся при нагревании угля, так и газы, выделяемые из угля и вмещающих пород при естественной температуре, например метан.

Образующийся в очаге подземного пожара индикаторный газ разносится потоками фильтрующегося воздуха и за счет молекулярной диффузии на большие расстояния. Так, математическое моделирование и шахтные наблюдения показали, что размер аномалии пожарных газов на земной поверхности над подземным пожаром может составлять сотни метров. При таких размерах газовых аномалий трудно определить местонахождение очага пожара по концентрации индикаторного газа. Кроме того, по размерам газовых аномалий невозможно оценить размеры прогретой очагом зоны.

Повысить эффективность локации очагов подземных пожаров возможно при измерении скорости фильтрации газа через горные породы к поверхности. Это объясняется тем, что существенное количество газа из очага к поверхности переносится конвективным потоком, образуемым за счет тепловой депрессии, развиваемой очагом. Поэтому над центром очага, имеющим максимальную температуру, возникает наибольшая скорость фильтрации газа. По мере движения от центра к периферии очага температура угля и, соответственно, тепловая депрессия и скорость фильтрации также будут снижаться. На границе прогретой зоны скорость фильтрации станет равной фоновой, обусловленной перепадом давления за счет работы вентиляторов проветривания. Данное обстоятельство и позволяет оценивать размеры прогретой очагом зоны по величине зоны с аномальной скоростью фильтрации.

Для определения скорости фильтрации газа через горные породы можно использовать метод замера концентрации индикаторного газа в почве C_о и изолированном надповерхностном слое воздуха C через время τ после изоляции. Учитывая, что с поверхности за это время выделится газа
V_г = τ S_оvC_о,
а в изолированном объеме количество этого газа равно
V_г = V_оC,
где S_о - площадь контакта изолированного объема надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью;
v - скорость фильтрации газа через горные породы;
V_о - объем изолированного надповерхностного слоя воздуха.

Приравнивая полученные соотношения, получаем формулу (I) для определения скорости фильтрации газа.

Второй метод определения скорости фильтрации газа предусматривает от качку газа из изолированного надповерхностного слоя воздуха. Количество откачиваемого индикаторного газа в этом случае равно
Q_г=QC,
а выделится с поверхности
Q_г = vS_оC_о,
где Q - расход откачиваемого из изолированного надповерхностного слоя газа;
C - концентрация индикаторного газа в откачиваемом газе;
v - скорость фильтрации газа через горные породы;
S_о - площадь контакта изолированного надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью;
C_о - концентрация индикаторного газа в почве.

Приравнивая эти выражения получаем формулу (2) для определения скорости фильтрации газа через горные породы.

В качестве индикаторных газов целесообразно использовать пожарные газы, образующиеся в очаге пожара. Одновременно можно использовать в качестве индикаторных газы, повышенное содержание которых традиционно для выработанного пространства при естественной температуре, например метан. При этом появляется возможность определять местонахождение самонагреваний, которые уже формируют конвективные потоки за счет тепловой депрессии, но еще не выделяют достаточного количества пожарных газов.

Способ осуществляют следующим образом.

Для локации подземных пожаров на земной поверхности пробивают шпуры, в которых измеряют концентрацию индикаторных газов C_о. Одновременно на поверхность устанавливают емкость, изолирующую надповерхностный слой воздуха объемом V_о и имеющую площадь контакта с поверхностью S_о. Затем, по первому варианту, через некоторое время τ в этой емкости измеряют содержание индикаторного газа C и подсчитывают скорость фильтрации газа через горные породы по формуле (1). При использовании второго варианта из установленной емкости непрерывно откачивают воздух, измеряя в нем содержание индикаторного газа. В этом случае скорость фильтрации газа определяют по формуле (2). В качестве индикаторных используют пожарные газы или газы, повышенное содержание которых характерно для выработанного пространства. После выявления зоны с повышенной скоростью фильтрации газа через горные породы, определяют местонахождение очага пожара под точкой с максимальной скоростью фильтрации газа. Найденный на поверхности размер зоны с повышенной по сравнению с фоновой скоростью фильтрации газа равен прогретой очагом пожара зоне горной массы.

Применение предложенного способа повысит точность локации очагов под земных пожаров и позволит определять их размеры, что снизит затраты на тушение пожаров и повысит безопасность горных работ.

Формула изобретения

1. Способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности, включающий измерение концентрации индикаторных газов в приповерхностном слое почвы и надповерхностном воздуха, отличающийся тем, что дополнительно определяют скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности, причем местонахождение очага подземного пожара определяют под точкой с максимальной скоростью фильтрации, а размер прогретой очагом пожара зоны соответствует размеру области, в которой скорость фильтрации газа превышает фоновое значение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности определяют по формуле

где V_o - объем изолированного надповерхностного слоя воздуха;
С - концентрация индикаторного газа в изолированном объеме воздуха через время τ;
С_o - концентрация индикаторного газа в почве;
S_o - площадь контакта изолированного объема надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость фильтрации газа через горные породы к поверхности определяют по формуле

где Q - расход откачиваемого из изолированного надповерностного слоя газа;
С - концентрация индикаторного газа в откачиваемом газе;
S_o - площадь контакта изолированного надповерхностного слоя воздуха с земной поверхностью;
C_o - концентрация индикаторного газа в почве.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что в качестве индикаторных газов используют как пожарные газы, образующиеся при нагревании угля, так и газы, выделяемые из угля и вмещающих пород при естественной температуре, например метан.