Способ предотвращения, локализации и тушения пожара на торфяных месторождениях

Способ предотвращения, локализации и тушения пожара на торфяных месторождениях

Реферат

Изобретение относится к области предотвращения, локализации и тушения пожаров безводным способом и может быть использовано на осушенных торфяных месторождениях.

Известен способ локализации растительного пожара образованием заградительного барьера из цельного куска (плиты) несгораемого материала, одна кромка которого заглубляется в грунт под углом 70-90° по отношению к плоскости земной поверхности со стороны пожара на глубину его прогорания /А.С. №1233875, МПК А 62 С 3/02, 1985/.

Недостатки этого способа - затраты на изготовление крупных по размерам (значит и имеющих значительную массу) плит, затраты на закапывание их в устойчивом положении под углом к возможному направлению пожара. В условиях торфяников все это достаточно затруднено, ибо глубина прогорания торфа может достигнуть нескольких метров. Это обусловит применение не одной плиты, а нескольких, поставленных одна на другую, что затруднит придание им устойчивого положения под тем или иным углом к направлению возможного пожара. Кроме того, при выгорании торфа перед данными наклоненными плитами, последние рухнут и не будут больше сдерживать распространение фронта огня.

Известен состав огнетушащего порошка многоцелевого назначения /Заявка №20031101 03/15 А 62 Д 1/00, дата подачи 10.04.03/, который в своем составе содержит, мас.%: высокодисперсный гидрофобный диоксид кремния 0,5-5,0; аммофос 1-35; сульфат аммония 0,001-50; нерастворимый в воде минерал или смесь минералов (доломит, тальк, талько-магнезит, апатит, магнезит, кальцит, флогопит, мусковит) до 100.

Основным недостатком возможности использования данного порошка для тушения пожаров торфяников является то, что специфика горения торфа заключается в погруженности очага распространения огня в массу торфяной залежи и высокой газопроницаемости торфа. Это препятствует эффективному использованию огнетушащих порошковидных средств любого состава.

Известен способ предотвращения распространения пожара на торфяниках путем устройства вертикальной завесы в виде полой щели, служащей проводником вешних вод в торфяную залежь и обуславливающей вокруг себя зону увлажнения торфа, с выполненной в ее верхней части траншеей, которую заполняют фильтром из водостойкого негорючего материала /Патент РФ №2236877, МПК 7 А 62 С 3/02, Б.И. №27, 27.09.2004/.

Недостаток этого способа - толщина водостойкого негорючего материала в верхней части торфяной залежи (там, где проходит траншея) недостаточна, т.к. при нагревании изолирующего материала выше 60°С будет происходить самовозгорание торфа по другую сторону траншеи от подошедшего фронта пожара, а также пассивность, по отношению к горящему торфу, самого засыпного материала. Что же касается влаги, попавшей в торф через полую щель, то, во-первых, влага всегда будет стремиться стечь на дно торфяной залежи и далее к уровню грунтовых вод, а во-вторых, оставшееся слабое увлажнение торфа не сможет остановить фронт пожара, где температура будет 660-800°С и выше.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ борьбы с пожарами на торфяниках методом прокладки траншеи на глубину залегания торфа с заполнением ее негорючим материалом (сфагнумом) с его последующим увлажнением /Патент РФ №2214847, МПК 7 А 62 С 3/02, Б.И. №30, 27.10.2003 г./.

Недостатком этого способа является то, что сфагнум (торфяной мох) развивается на поверхности торфяника и при погружении его в траншею на некоторую глубину будет через непродолжительное время терять свойство высокой гидрофильности в результате отмирания. Это потребует дополнительных расходов, связанных с очисткой траншей и заполнением их свежим материалом.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в создании эффективной технологии предотвращения, локализации и тушения очагов пожара на осушенных торфяных месторождениях без использования воды с применением дешевых природных карбонатсодержащих и опал-кристобалитовых пород. Данные материалы характеризуются высокой устойчивостью в естественных условиях торфяной залежи, что не требует дополнительных издержек по их сохранности или рекультивации.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности и удешевление способа предотвращения, локализации и тушения пожаров торфяных месторождений с сохранением их эксплуатационных качеств, за счет применения дешевых природных материалов и исключения из процесса большого количества воды, которая обводняет и в дальнейшем ухудшает эксплуатацию торфяных месторождений.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе предотвращения, локализации и тушения очагов пожаров на торфяных месторождениях, включающем прокладку траншей на глубину залегания торфа до возникновения очагов возгорания торфа по контуру наиболее пожароопасных участков, создание барьера путем заполнения траншей негорючим природным материалом, оказывающим огнегасительное действие, особенность заключается в том, что в качестве негорючего природного материала используют измельченную смесь карбонатсодержащей (с содержанием карбонатов магния и/или кальция суммарно не менее 90%) и опал-кристобалитовой (с содержанием оксида кремния не менее 80%) пород, взятых в соотношении 2:1, с добавлением легкоплавкой глины и кремнефтористого натрия, при этом на 90 кг указанной смеси вводят 7 кг легкоплавкой глины и 3 кг кремнефтористого натрия.

Процесс горения торфа протекает на разделе твердой и газообразной фаз. Максимума этот процесс достигает при температурах выше 400° с созданием в торфе тепловых условий распространения процесса горения. Высокая газопроницаемость торфа благоприятствует использованию природных материалов, которые при нагревании дают большое количество негорючих паров и газов, способных прекратить горение торфа, т.е. перекрывают доступ к месту горения кислорода воздуха. Использование смеси карбонатсодержащей и опал-кристобалитовой пород, дополнительно содержащей глинистые минералы и флюс, для засыпки траншей приводит к тому, что при нагревании происходит разложение указанной смеси с выделением углекислого газа, который снижает содержание кислорода в воздухе, поступающего в зону горения, т.к. смесь воздуха с горючими парами и газами, обедненная кислородом (не более 14-18 объемных %) гореть не может. Наряду с углекислым газом, оказывающим огнегасительное действие, образуются оксиды кальция и магния, которые переводятся в устойчивую и пожаробезопасную форму за счет оксида кремния (в том числе аморфного), содержащегося в опал-кристобалитовой породе, с образованием устойчивых к высоким температурам продуктов. В составе карбонатсодержащей породы содержание карбонатов магния и кальция каждого должно быть не менее 45%, в сумме не менее 90%, а в опал-кристобалитовой породе оксида кремния не менее 80%, что определяется технико-экономическими соображениями с точки зрения предельно высокой эффективности изолирующего барьера. Меньшее содержание указанных компонентов ведет к увеличению количества применяемых пород.

Для разных типов карбонатсодержащих пород процесс термической диссоциации протекает при различных температурах. Магнезит диссоциирует с образованием периклаза (MgO) и СО₂, по материалам разных исследователей, при температурах от 520 до 870°С. Доломит (CaMg[CO₃]₂) имеет на термограмме два пика диссоциации: первый при 720-870°С - распад и диссоциация MgCO₃ и второй - при 870-1000°С - диссоциация СаСО₃. Известняк (СаСО₃) диссоциирует с образованием негашеной извести (СаО) и углекислого газа (CO₂) при температурах в пределах 800-1000°С. Образовавшиеся оксиды кальция и магния при попадании на них воды, гидратируются с выделением тепла и поэтому могут явиться источниками новых очагов возгорания торфа. Для перевода данных оксидов в устойчивую пожаробезопасную форму предлагается вводить опал-кристобалитовые породы, в которых преобладает аморфный кремнезем - опал. Предлагается использовать смесь карбонатсодержащих и опал-кристобалитовых пород в соотношении 2:1, что обеспечивает связывание указанных оксидов аморфным и кристаллическим оксидами кремния SiO₂. Приведенные природные карбонатные соединения, в плане применения их для прекращения процессов горения торфяных залежей, представляют практический интерес. Из литературных источников известно, что продуктом взаимодействия карбоната кальция с SiO₂ может быть трехкальциевый силикат (3СаО·SiO₂) - главный цементный минерал или двухкальциевый силикат - белит (2СаО·SiO₂ или C₂S).

Взаимодействие периклаза MgO и SiO₂ при высоких температурах приводит к образованию оливинов, пироксенов, амфиболов и биотитов (Mg₂SiO₄, MgSiO₃, KMg₃[Si₃AlO₁₀](OH)₂).

В тройной системе СаО-MgO-SiO₂ при атмосферном давлении возможно образование следующих продуктов:

1) CaMgSi₂O₆+Ca₃MgSi₂O₈; 2) CaMgSi₂O₆+CaMgSiO₄+Ca₂SiO₄; 3) CaMgSiO₄+CaSiO₃.

Проведенный термодинамический анализ позволяет сделать вывод, что наиболее вероятными продуктами, устойчивыми в широкой области температур (730-1430°С), являются соединения CaMgSi₂O₆+Ca₃MgSi₂O₈. Вероятно также образование CaMgSiO₄+CaSiO₃. Реакция с образованием CaMgSi₂O₆+CaMgSiO₄+Ca₂SiO₄ принципиально возможна в области температур ниже 930°С.

Следовательно, наиболее вероятными продуктами в тройной системе СаО-MgO-SiO₂ являются диопсид, мервинит, монтичеллит и волластонит, минералы весьма устойчивые в естественных условиях.

Таким образом, в смеси карбонатсодержащих и опал-кристобалитовых пород при нагревании происходит образование устойчивых к высоким температурам продуктов различного состава. Учитывая одновременное равновероятное образование при разложении карбонатсодержащих пород соединений состава 2 CaO/MgO:SiO₂ и CaO/MgO:SiO₂, соотношение карбонатных и опал-кристобалитовых пород в смеси расчитывается исходя из соотношения CaO/MgO:SiO₂, равного 1,5:1, т.е. 1,5(CaO/MgO):SiO₂.

Повышение реакционной способности основных компонентов изолирующей смеси возможно посредством механического воздействия. При измельчении происходят изменения кристаллической структуры и энергетического состояния поверхностных слоев частиц, т.е. изменения, в сумме характеризующие процесс механического активирования. При измельчении кварца на поверхности частиц образуется тонкий аморфизованный слой, обладающий аномально высокой химической активностью. Дробление материала изолирующей засыпки должно проводится по классу крупности 25 мм.

Добавка легкоплавких глинистых минералов, содержащих в химическом составе 6-12% Al₂О₃ и 3-5% Fe₂О₂ в количестве (7%) и кремнефторида натрия (3%), не только понижает температуру начала процесса диссоциации карбонатсодержащего материала, но и обуславливает образование относительно легкоплавких соединений, которые способны при относительно низких температурах (280-320°С) цементировать основной карбонатный материал, позволяя ему сохранять форму заполненной траншеи, при подходе границы торфяного пожара к изолирующему барьеру к одной из его сторон. Использование процессов, происходящих в карбонатсодержащих смесях при нагревании в присутствии дополнительных компонентов, позволяет инициировать спекание и, следовательно, разложение карбонатов при предельно низких температурах 280-380°С. При температурах от 380 до 1000°С в процессе обжига карбоната кальция и кремнефторида натрия образуется множество сложных соединений, в числе которых установлено образование карбонатосиликата кальция состава (2CaO·SiO₂)₂·СаСО₃, (спуррита), начиная с 680°С, а также двойной соли Na₂Ca(CO₃)₂. Двойная соль появляется при 600-750°С, т.е. ниже температуры плавления щелочного карбоната (минерализатора), и устойчива в ограниченном температурном интервале; выше 820°С двойная соль разлагается с выделением СаО, СО₂ и второго компонента комплекса. Однако до начала разложения двойная соль плавится. Расплав имеет низкую вязкость, так как насыщен легколетучей составляющей (СО₃) и способен покрыть значительную поверхность реагентов. Таким образом, процесс диссоциации карбоната кальция начинается при температуре на 100°С ниже.

Несмотря на относительно небольшое количество (3%) кремнефторида натрия и ограниченную область существования новообразований влияние их на процессы диссоциации карбоната кальция, спекания CaO/MgO и SiO₂, a также характер взаимодействий при относительно низких температурах исключительно велико. Указанные выше особенности свойств промежуточных соединений (низкая температура образования расплава, отличающегося высокой химической активностью и подвижностью) вызывают ускорение ряда химических реакций, обеспечивая взаимодействие веществ через жидкую фазу, распространяющуюся по поверхности реагентов.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизны". Заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку уровень техники, определенный заявителем, не выявил влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Определяются участки торфяной залежи, наиболее предрасположенные к самовозгоранию или возникновению торфяного пожара по другим причинам. По границе торфяной залежи с лесным массивом удаляются сухостой, пни и прочая сухая растительность во избежание передачи пламени по верхнему ярусу. По контурам участков проходятся траншеи глубиной до уровня грунтовой воды в торфянике или до подошвы его залегания. Возможно использование мелиоративных дренажных и карстовых канав. Траншеи засыпаются измельченной смесью природных пород: доломита, например, Козловского месторождения, Чувашия, с содержанием карбоната магния (MgCO₃) - 45% и карбоната кальция (СаСО₃) - 45%, опал-кристобалитовой породы - опоки с содержанием аморфного оксида кремния 80%. Для расчета соотношения компонентов с целью полного связывания оксидов кальция и магния, образующихся при термической диссоциации карбонатов при возникновении пожара, оксидом кремния фиксируется стехиометрическое соотношение CaO/MgO:SiO₂=1,5:1. Исходя из минерального состава доломита 100 кг данные породы содержат 45:84,3+45:100=0,9838 кмоль карбонатов, (84,3 и 100 молярные массы карбонатов магния и кальция, соответственно). Следовательно, на такое количество оксидов кальция и магния потребуется: 1,5:1=0,9838: SiO₂, 0,9838:1,5=0,6559 кмоль SiO₂. Такое количество оксида кремния содержится в (0,6559:1,3333×100)=49,19 кг опоки (1,3333 - количество кмоль SiO₂ в 100 кг опоки). Отсюда соотношение указанных пород при практическом применении будет равно 2:1, т.е. 60 кг доломита и 30 кг опоки дают 90 кг измельченной смеси, к которой добавляют 7 кг легкоплавкой глины и 3 кг кремнефтористого натрия, перемешивают и укладывают в траншеи. Ширина (b) засыпаемой траншеи определяется ее глубиной (а) из соотношения b=0,7 а^1/2. При этом физико-механические и термические свойства используемых природных пород и продуктов их взаимодействия будут препятствовать нагреванию торфа выше 50-60°С во время его выгорания в непосредственной близости от противоположной стороны траншеи.

Пример 2.

Выполняется по примеру 1, с тем отличием, что в качестве карбонатсодержащей породы используется известняк Патчинского месторождения Горьковской области с содержанием СаСО₃ - 97,79% (CaO - 54,76%), а в качестве опал-кристобалитовой породы - трепел, с содержанием оксида кремния 82%. В 100 кг известняка содержится 54,76:56=0,9779 кмоль СаО. Это количество известняка смешивается с 0,977961,5=0,6519 кмоль SiO₂, которые содержатся в (0,6519×60×100:82)=47,7 кг трепела, где 60 - молярная масса SiO₂. Поэтому при практическом применении соотношение известняка и трепела в смеси также можно принять равным 2:1.

Пример 3.

Выполняется по примеру 1, с тем отличием, что в качестве корбонатсодержащей породы используется магнезит с содержанием MgCO₃ - 91%, а в качестве опал-кристобалитовой породы - диатомит с содержанием SiO₂ - 85%. Для создания смеси с соотношением MgO:SiO₂=1,5:1 необходимо смешать 100 кг магнезита, содержащего 91:84,3=1,0795 кмоль MgO, с 1,0795:1,5=0,720 кмоль SiO₂, с 0,720×60×100:85=50,85 кг диатомита (60 - молярная масса оксида кремния). При практическом применении соотношение пород можно взять равным 2:1. На 90 кг измельченной смеси добавляют 7 кг легкоплавкой глины и 3 кг кремнефтористого натрия, все перемешивают и укладывают в траншеи. Однако нужно отметить, что использование магнезита для целей пожаротушения ограничено из-за локальной приуроченности его месторождений лишь к некоторым регионам страны, например месторождения Саткинское и Халиловское на Южном Урале, а также месторождения на Дальнем Востоке.

Из приведенных примеров видно, что достичь надежного предотвращения и локализации торфяного пожара можно, применяя в смеси карбонатсодержащие и опал-кристобалитовые породы с соотношением 2:1, а содержание дополнительных компонентов в смеси составляет: глинистых минералов 7%, Na₂SiF₆ - 3%.

Данный способ обеспечивает надежное предотвращение и локализацию торфяного пожара при небольших затратах на его реализацию. По сравнению с известными способами исключается применение воды, а применяемые природные материалы не являются дефицитными.

Использование предлагаемого изобретения позволит не только более эффективно бороться с уже возникшими торфяными пожарами, но и предотвращать их в результате локализации очагов возникновения пожаров уже на ранних этапах.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий: средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено к использованию в торфодобывающей промышленности для сохранения запасов торфяного сырья и экологической обстановки как на участках разработок, так и в местах еще нетронутого залегания торфа; для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Способ предотвращения, локализации и тушения очагов пожаров на торфяных месторождениях, включающий прокладку траншей на глубину залегания торфа до возникновения очагов возгорания торфа по контуру наиболее пожароопасных участков, создание барьера путем заполнения траншей негорючим природным материалом, оказывающим огнегасительное действие, отличающийся тем, что в качестве негорючего природного материала используют измельченную смесь карбонатсодержащей (с содержанием карбоната магния и/или карбоната кальция суммарно не менее 90%) и опал-кристобалитовой (с содержанием оксида кремния не менее 80%) пород, взятых в соотношении 2:1, с добавлением легкоплавкой глины и кремнефтористого натрия, при этом на 90 кг указанной смеси вводят 7 кг легкоплавкой глины и 3 кг кремнефтористого натрия.