630

Таблица 2.2

Характеристики аварийных ситуаций, связанных с прорывом водогрунтовых масс

Таблица 2.3

Ориентировочные теплопотери человека при пребывании в холодной воде при температуре +6…...+9 °С

Данные определены применительно к двухслойной летней одежде. В зависимости от экипировки людей следует вводить коррективы. Необходимо учитывать, что тяжелая намокшая одежда, попадание воды в обувь повышают энергетические потери и снижают защитную реакцию людей на переохлаждение, а пребывание людей в холодной воде без физической

51

нагрузки в течение 20...…30 мин приводит к чрезмерным теплопотерям (более 200 кДж/м2), стрессовым нагрузкам, снижению температуры тела до 24…...25 °С и наступлению смерти. Механические повреждения могут быть следствием динамического воздействия на людей волны прорыва, кусков грунта, крепи или предметов, вовлекаемых в движение волной прорыва.

2.4. Пожары, загазования и взрывы в строящихся тоннелях

2.4.1. Особенности пожаров в подземных выработках

Пожары в тоннелях [34, 35] характеризуются быстрым нарастанием параметров (среднеобъемной температуры до 1500 оС и теплового потока до 300 кВт/м2), высокой задымленностью, образованием токсических газов и паров взрывоопасной концентрации и могут принимать длительный характер (до нескольких суток). При сгорании кислорода в зоне пожара приток свежего воздуха вызывает опасность взрыва горючих газов. Пожары в тоннелях относят к наиболее опасным происшествиям в связи с трудностью проникновения к очагу и подачи достаточного количества огнетушащих веществ в условиях высоких температуры и давления, ограничения обзора и видимости в замкнутом пространстве, резкого снижения огнестойкости строительных конструкций. Почти каждый случай пожара приводит к повреждению крепи и оборудования, отравлению ядовитыми газами, иногда – к гибели людей. Повреждения подземных конструкций вызывают значительный материальный ущерб, особые сложности и длительные сроки восстановления сооружения. В свою очередь, разрушения крепи могут вызвать обрушения грунта и прорывы подземных вод. Это определяет повышенные требования к огнестойкости подземных конструкций.

2.4.2.Классификация подземных пожаров

Встроящихся тоннелях чаще всего возгораются жидкости с высокой точкой воспламенения (сырая нефть, дизтопливо, масла и другие нефтепродукты), древесина и целлюлозные материалы, пластмассы с низкой плотностью (пенополиуретан и др.). Классификация подземных пожаров по источникам воспламенения приведена в табл. 2.4.

52

Таблица 2.4

Классификация подземных пожаров по источникам воспламенения

В зависимости от источника воспламенения пожары в подземных выработках бывают двух видов: возникающие от самовозгорания (эндогенные) и от внешних тепловых импульсов (экзоген-

53

ные). Эндогенная пожароопасность (самовозгорание полезных ископаемых или материалов) присуща горнодобывающим предприятиям и зависит от склонности к самовозгоранию полезных ископаемых и степени отвода тепла из выработки. Наиболее распространенными источниками экзогенного возгорания являются неисправности электрооборудования (перегрев двигателей, короткое замыкание, возникновение дугового разряда, искрение и др.), контакт горючего материала с пламенем (при взрывных, сварочных работах). Причиной пожаров от открытого огня в подавляющем большинстве является нарушение правил пожарной безопасности в местах, где имеется легко воспламеняющийся материал (горюче-смазочные материалы, древесина и т. п.). Подземные пожары могут быть локальными, т.е. ограниченными одной (например, тупиковой) выработкой, и распространяющимися по выработкам. При распространяющихся пожарах в выработках сгорает все, что способно гореть (объекты пожара). Объектами пожара являются: деревянные элементы крепи, горючие жидкости, взрывчатые материалы, взрывоопасные газы, электрооборудование, резиновая оболочка кабелей и пр. Горящая древесина выделяет большое количество окиси углерода, углекислого газа и дыма, при достаточном количестве воздуха вызывает резкое нарастание температуры; при наличии поддува свежего воздуха горит при любой влажности и способна поджигать другие горючие материалы. Электрооборудование и кабели являются одними из наиболее распространенных объектов пожара в связи с частым возникновением короткого замыкания в электрических проводах (50...…60 % пожаров) и неисправностей электрооборудования (18…...20 %). Горючие жидкости образуют при горении большое количество затрудняющих дыхание продуктов. При горении кабелей, гибких вентиляционных труб из брезента или прорезиненной ткани, деревянных элементов временной крепи, обработанной огнезащитными составами, и др. пожары в выработке независимо от скорости вентиляционной струи относят к III классу. Чрезвычайно опасными объектами пожаров являются взрывчатые материалы и метан из-за быстрого распространения пожара, трудности его тушения и высокой вероятности взрыва.

При пожарах в горизонтальных выработках не исключается опасность быстрого уноса продуктов горения на другие участки, и поэтому должны приниматься экстренные меры для предотвращения загазования мест, где находятся люди.

54

При пожарах в наклонных выработках с нисходящим провет-

риванием продукты горения быстро распространяются вниз в начальный период пожара, затем нередко изменяют направление под действием тепловой депрессии. В результате могут оказаться загазованными все выработки, что резко осложняет спасательные работы.

Пожары в околоствольных дворах опасны тем, что продукты горения могут быть перенесены вентиляционной струей в выработки, стволы, на поверхностные технологические комплексы и создавать угрозу людям. Быстрому развитию пожаров в околоствольных дворах способствует наличие горючих материалов (в том числе древесины) и электрооборудования.

Пожары в воздухоподающих стволах опасны тем, что они распространяются не только вниз, но и на объекты поверхностного технологического комплекса (при опрокидывании воздушного потока). Быстрое загазование выработок при таких пожарах резко осложняет эвакуацию людей и ликвидацию пожара.

По степени развития и распространения подземные пожары разделяют на пожары ранней стадии развития и широко распространяющиеся (осложненной стадии). Каждый пожар (за исклю-

чением возгорания метана) в начальной стадии обычно имеет незначительные очаги, которые могут быть ликвидированы подручными средствами. При несвоевременном принятии мер пожар может принять катастрофические размеры. Степень распространения подземного пожара зависит от вида объектов горения, времени начала активных действий по тушению пожара, степени горючести материалов, местоположения очага пожара и наличия свободных подступов к местам горения, возможности регулирования вентиляционного режима и пр. Опрокидывание вентиляционной струи может существенно затруднить работы по тушению пожара. Степень распространения пожара зависит также от подготовки объекта к его тушению, эффективности методов и средств тушения, степени подготовленности персонала к ликвидации пожара.

Когда пожары удается своевременно ликвидировать, последствия могут ограничиваться образованием трещин в конструкциях, разуплотнением и просадками грунтового массива. Развитие трещин приводит к увеличению водопритока в сооружение, разуплотнению грунта вокруг сооружения, деформациям и разрушению обделки.

55

2.4.3. Поражающие воздействия пожара

Степень поражающего действия пожара на людей и конструкции определяет плотность теплового излучения (тепловой поток). Под критической плотностью теплового излучения qкр, кВт/м2, понимают величину излучения, при которой теряет рабочие качества конструкционный материал либо возможны самовоспламенение горючих веществ или ожоги незащищенной кожи человека (табл. 2.5). Ближней границей зоны теплового воздействия является зона горения, за дальнюю границу зоны принимают такое удаление, где превышение критического значения теплового излучения qкр может вызвать воспламенение материалов (qкр = 3,5 кВт/м2). Степень поражения человека при тепловом воздействии пожара (табл. 2.5) зависит от степени ожогов кожи и размеров обожженной площади, возраста и др.

Степень повреждения кожи при воздействии источника теплового поражения определяют интенсивностью источника. Различают 4 степени ожогов кожи: I степень характеризуется гиперемией, II – образованием пузырей, степень IIIА – поражением деры, IIIБ – некрозом всех слоев кожи, IV – поражением кожи и глубоких тканей. Данные по степени термических поражений людей представлены в табл. 2.6.

56

Таблица 2.6

Классификация термических поражений по степени тяжести в зависимости от размеров обожженной площади S

I Ожоги II–IIIА степеней при S< 10 %

IIОжоги II–IIIА степеней при 10 <S< 40 %,ожоги IIIБ–IV степеней при S< 10 %

IIIОжоги II–IIIА степеней при S > 40 %,ожоги IIIБ–IV степеней при 10 < S< 40 % или ожоги IV степени при S< 30 %

Высокая температура и влажность окружающего воздуха резко осложняют работу в изолирующих респираторах. При работе в них легкие исключаются из системы терморегуляции, и при температуре выше +40 °С и высокой влажности становится возможным перегрев организма. При выбросах горючих газов и жидкостей, помимо ожогов кожи, воздействие теплового излучения огненных шаров может вызвать поражение сетчатки глаз. Степень поражения тепловым излучением огненных шаров и горящих проливов определяется величиной теплового потока q,

В качестве внешней границы смертельного поражения людей при воздействии огненного шара принимают величину дозы, равную 375 кДж/м2.

Данные о вероятности смертельного поражения в зависимости от индекса полученной дозы излучения I = q 1,33tоб, а также процент пораженных при воздействии теплового излучения огненных шаров представлены в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Вероятность смертельного поражения в зависимости от индекса полученной дозы излучения при огненных шарах

Действие взрыва характеризуется несколькими составляющими: воздушной ударной волной, разлетом осколков разрушенных материалов, передачей детонации, распространением ядо-

57

витых газообразных продуктов взрыва. Прямое (первичное) поражающее действие воздушных ударных волн связано с изменением давления в окружающей среде в результате прихода взрывной волны. Степень поражения человека при этом определяется величиной избыточного давления в первичной и отраженной волнах; величиной атмосферного давления; массой, возрастом, положением человека в пространстве и др. Поражающее действие воздушной волны характеризуется избыточным давлением на фронте волны P, кПа. Порог поражения человека

P = 3 кПа. Поражающее действие токсичных выбросов характе-

ризуется концентрацией С, мг/л, кг/м3, ингаляционной токсодозой LD и временем экспозиции. В качестве показателя последствий действия воздушной ударной волны взрыва на конструкции принимают степень разрушения сооружения (табл. 2.8).

Таким образом, пожарам в подземных выработках присущи следующие особенности. Температурные режимы их отличаются высокими температурами в фазе активного горения, большой продолжительностью фазы затухания, что объясняется специфическими условиями газообмена между внутренним объемом подземного сооружения и окружающим грунтовым массивом. Продолжительность подземного пожара, как правило, существенно больше продолжительности пожара в наземных сооружениях, а режим остывания более существенно отражается на огнестойкости конструкций вследствие значительно большей тепловой инерционности, обусловленной наличием теплового взаимодействия с грунтовым массивом. Потеря огнестойкости подземных конструкций приводит к гораздо более серьезным последствиям по сравнению с наземными сооружениями: существенно ухудшаются условия спасения пострадавших и тушения пожара; значительно увеличивается материальный ущерб; ре-

58

монт и восстановление подземного сооружения после пожара становятся чрезвычайно сложными, а в некоторых случаях невозможными. Ввиду повышенной влажности возможен эффект взрывного разрушения бетонных и железобетонных конструкций, что необходимо учитывать при организации тушения. В связи с тем, что тушение и локализация пожаров в тоннелях оцениваются как трудноосуществимые, главнейшим направлением является пожаро-, взрывобезопасная концепция проектирования и строительства, предусматривающая обнаружение и ликвидацию пожара на начальной стадии его развития.

2.4.4. Загазование и задымление тоннелей

Проникание вредных газов в тоннель может вызвать отравления людей, ухудшение видимости, химическое разложение материалов конструкций и оборудования. Некоторые газы образуют взрывоопасные смеси. Повышение концентрации углекислого газа в тоннельной атмосфере опасно, так как он вытесняет кислород и делает состав воздуха не пригодным для дыхания. Аварийные ситуации могут вызвать также газы, выделяемые двигателями внутреннего сгорания. Даже небольшое содержание токсичных газов в подземной выработке представляет опасность для здоровья и жизни работающих; значительное их скопление может стать причиной внезапного выброса грунта и газа, горного удара, взрыва, пожара.

2.4.5. Взрыв газовоздушных смесей

При возгорании газовоздушных смесей в составе атмосферы подземной выработки происходят значительные изменения. Содержание кислорода по мере повышения температуры до 700 °С плавно уменьшается, а далее происходит резкое падение, которое при температуре около 1200 °С приближается к нулю. При этом содержание углекислого газа, окиси углерода и метана может достигнуть и превысить соответственно 17 %, 8 % и 2 %. Взрывоопасность смесей горючих газов с воздухом при обычных для подземных выработок температурах и давлениях имеет следующиепределы:метана–5...…15%, окисиуглерода12,5...…74 %, ацетилена 3…...65 %; этана 3,2...…12,5 %. Если в атмосфере присутствует смесь горючих газов, нижний предел ее взрываемости определяют по формуле

где ni – объемная доля каждого горючего газа, %; Ni – нижний предел взрываемости каждого из горючих газов.

59

Для смеси, состоящей из 80 % метана, 10 % водорода и 10 % этана, нижний предел взрываемости составляет:

Х = 100 / (80 / 5 + 10 / 4,1 + 10 / 3,2) = 4,6 %.

В соответствии с требованиями правил безопасности содержание ядовитых газов в воздухе после проветривания забоя не должно превышать: углекислого – 0,5 %, остальных газов в пересчете на условную двуокись углерода – 0,008 %. Однако определить состав внутритоннельной атмосферы (взять пробу) сразу после взрыва невозможно.

При взрыве газопылевоздушной смеси в подземных выработках формируется воздушная ударная волна (ВУВ) и резко (до 9 раз) возрастает давление (при распространении взрывной волны по выработке появлению фронта пламени обычно предшествует волна сжатого воздуха). Встретив на своем пути скопление взрвывоопасной газовой смеси, она сжимает ее, а подошедшее пламя воспламеняет, причем давление, которое развивает второй взрыв, должно быть равным 9Р, где Р > 0,1 МПа, поэтому при взрыве в выработке давление может оказаться Р1 > 0,9 МПа. В связи с этим разрушение выработок при первом, втором и последующих взрывах бывает разным, и не всегда по нему можно определить очаг взрыва. При слабом источнике воспламенения детонация развивается не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. Скорость распространения фронта пламени с течением времени увеличивается, и при достаточной концентрации взрывчатой газовой смеси приближается к детонационной. Наличие источника воспламенения может вызвать повторный взрыв без дополнительного поступления в нее взрывоопасных газов.

2.4.6. Выбросы грунта и газа

Выбросы грунта в форме «стреляний» или горных ударов представляют собой внезапные мгновенные разрушения скального массива на поверхности выработки с перемещением грунтовой массы внутрь выработки вследствие концентрации напряжений. Опасность горных ударов возникает в сводах и крыльях крупных антиклинальных и синклинальных складок, ослабленных складками низких порядков; в тектонических блоках, ограниченных разломами и другими нарушениями. Возникновению горных ударов способствует дислоцированность грунтов (вздутия, пережимы, перегибы, местные разрывы пластов и пр.). Вероятность внезапных выбросов возрастает с увеличением углов падения грунта и мощности слоев.

60