Zagrożenia pożarowe w kopalniach powodowane stosowaniem

Jan WACHOWICZ
Zagrożenia pożarowe
w kopalniach powodowane
stosowaniem
materiałów organicznych
GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA
Katowice 2010
SPIS TREŚCI
Przedmowa .................................................................................................................................. 7
1. Wprowadzenie ...................................................................................................................... 9
1.1. Istota i przebieg pożaru ................................................................................................. 9
1.2. Wybrane przykłady wielkich pożarów ........................................................................ 10
1.3. Pożary podziemne z udziałem wyrobów z materiałów organicznych
w kopalniach węgla kamiennego ................................................................................ 11
2. Materiały organiczne i ich podstawowe właściwości....................................................... 16
2.1. Tworzywa sztuczne ..................................................................................................... 16
2.1.1. Klasyfikacja tworzyw sztucznych ................................................................. 16
2.1.2. Charakterystyka podstawowych materiałów polimerowych
stosowanych w górnictwie............................................................................. 18
2.2. Zachowanie się polimerów w podwyższonej temperaturze ........................................ 24
3. Podstawy teorii spalania .................................................................................................... 27
3.1. Termochemia .............................................................................................................. 27
3.2. Ciepło właściwe .......................................................................................................... 29
3.3. Ciepło spalania ............................................................................................................ 30
3.3.1. Reakcje chemiczne i stechiometria ................................................................ 30
3.3.2. Pomiary ciepła spalania ................................................................................. 31
3.4. Ciepło tworzenia ......................................................................................................... 34
3.5. Szybkość wydzielania się ciepła podczas pożaru........................................................ 35
3.6. Obliczanie adiabatycznej temperatury płomienia ....................................................... 36
4. Rozkład termiczny i stabilność materiałów ..................................................................... 38
4.1. Rozkład termiczny polimerów organicznych .............................................................. 39
4.2. Charakterystyka procesu spalania polimerów ............................................................. 41
4.3. Bezpłomieniowe spalanie materiałów organicznych .................................................. 43
5. Metody badania palności wyrobów z materiałów organicznych stosowanych
w górnictwie ........................................................................................................................ 45
5.1. Metody płomieniowe .................................................................................................. 45
5.2. Metoda oznaczania wskaźnika tlenowego .................................................................. 48
5.3. Analiza termiczna za pomocą metody derywatograficznej ......................................... 51
5.4. Metoda kalorymetru stożkowego ................................................................................ 53
5.4.1. Teoretyczne podstawy kalorymetrii zużycia tlenu ........................................ 53
5.4.2. Zasada działania kalorymetru stożkowego .................................................... 56
5.5. Analiza produktów rozkładu termicznego .................................................................. 58
5.6. Metoda sztolni modelowej .......................................................................................... 59
5.7. Metoda cierna.............................................................................................................. 59
5.8. Metoda rusztu propanowego ....................................................................................... 61
5.9. Metoda sztolni pożarowej ........................................................................................... 62
5.10. Metody badania palności drewna ................................................................................ 63
6. Wyroby z materiałów organicznych stosowane w górnictwie węglowym ..................... 65
6.1. Taśmy przenośnikowe................................................................................................. 66
6.1.1. Budowa taśm przenośnikowych .................................................................... 67
6.1.2. Pożary taśm przenośnikowych w kopalniach węgla kamiennego ................. 68
6.1.3. Mechanizm pożaru taśm przenośnikowych ................................................... 71
6.1.4. Zagrożenia związane ze stosowaniem taśm przenośnikowych...................... 73
6.1.5. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa stosowania taśm
przenośnikowych w kopalniach węgla kamiennego ...................................... 74
3
6.1.6.
Badanie palności taśm przenośnikowych metodą kalorymetru
stożkowego .................................................................................................... 76
6.1.7. Zagrożenie pożarowe wynikające z samonagrzewania produktów
ścierania okładek taśm przenośnikowych ...................................................... 82
6.2. Spoiwa i pianki organiczne stosowane do wzmacniania i uszczelniania
górotworu .................................................................................................................... 93
6.2.1. Rozkład termooksydacyjny spoiw i pianek organicznych
stosowanych w górnictwie............................................................................. 95
6.2.2. Zagrożenie pożarowe związane ze stosowaniem tworzyw
poliuretanowych ............................................................................................ 96
6.2.3. Toksyczne produkty rozkładu termooksydacyjnego materiałów
stosowanych do wzmacniania i uszczelniania górotworu.............................. 99
6.2.4. Trudnopalność materiałów do wzmacniania i uszczelniania
górotworu .................................................................................................... 100
6.3. Kable elektryczne...................................................................................................... 101
6.3.1. Zagrożenia pożarowe związane ze stosowaniem kabli
elektrycznych ............................................................................................... 101
6.3.2. Badania palności przewodów i kabli przy użyciu kalorymetru
stożkowego .................................................................................................. 102
6.4. Ciecze hydrauliczne, oleje i smary ............................................................................ 105
6.4.1. Klasyfikacja trudno palnych cieczy hydraulicznych ................................... 105
6.4.2. Charakterystyka trudno palnych cieczy hydraulicznych HFA .................... 107
6.4.3. Metody badania cieczy hydraulicznych do obudów
zmechanizowanych...................................................................................... 108
6.4.4. Ciecze hydrauliczne trudno palne typu HFC ............................................... 110
6.5. Inne materiały organiczne stosowane w górnictwie.................................................. 112
7. Sposoby zmniejszania palności materiałów organicznych ........................................... 113
7.1. Podstawowe zasady działania antypirenów .............................................................. 113
7.2. Podstawowe grupy antypirenów ............................................................................... 114
8. Produkty spalania materiałów organicznych ................................................................ 118
8.1. Tworzenie się dymu .................................................................................................. 118
8.2. Metody badania gęstości optycznej dymu ................................................................ 120
8.3. Toksyczne produkty rozkładu termooksydacyjnego materiałów
stosowanych w kopalniach........................................................................................ 121
8.4. Charakterystyka podstawowych składników gazowych produktów spalania
materiałów organicznych .......................................................................................... 123
9. Modelowanie pożarów materiałów organicznych w wyrobiskach
chodnikowych kopalń ...................................................................................................... 127
9.1. Parametry charakteryzujące dynamikę procesu spalania materiału
organicznego na przykładzie taśmy przenośnikowej ................................................ 128
9.2. Zmiany prędkości przepływu mieszaniny powietrza i gazów pożarowych .............. 133
9.3. Zmiany strumienia objętościowego gazów pożarowych ........................................... 134
9.4. Zmiany stężenia tlenu oraz emisji toksycznych składników gazów
pożarowych ............................................................................................................... 135
9.4.1. Model zmiany stężenia tlenu w wyrobisku chodnikowym .......................... 135
9.4.2. Emisja tlenku węgla w wyrobisku chodnikowym w warunkach
pożaru taśmy przenośnikowej...................................................................... 136
9.4.3. Emisja dwutlenku węgla w wyrobisku chodnikowym w czasie
pożaru taśmy przenośnikowej...................................................................... 137
4
9.4. Wykorzystanie metod CFD w procesie prognozowania przepływu gazów
pożarowych w kopalni głębinowej............................................................................ 139
9.4.4. Model przestrzenny układu eksperymentalnego sztolni pożarowej............. 140
Literatura ............................................................................................................................... 145
5