Mathematical model of conveyor belt fire in mine galleries

• Autorzy: Wachowicz, J. , Janoszek, T.

Warianty tytułu

PL

Model matematyczny pożaru taśm przenośnikowych w wyrobiskach chodnikowych kopalń

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The use of organic materials and plastic products, and particularly conveyor belts, in hard coal mines creates a serious, potential hazard of spontaneous fire occurrence. The article presents the possibility to use the developed mathematical model when predicting the basic physical parameters determining directly the phenomenon of conveyor belt fire for the improvement of occupational safety in hard coal mines. Despite of rigorous enforcement of guidelines comprised in standards concerning fire-resistant belts and sharpened safety measures, still occurs the fire hazard connected for instance with the self-heating susceptibility of abrasion products of rubber treats of conveyor belts, fulfilling the compulsory in the mining sector fire-resistance criteria. On the ground of results of conveyor belt tests conducted on the basis of the cone calorimeter method and fire gallery method some mathematical models were formulated, allowing to analyse the open fire phenomenon in the presence of organic material. The dynamics of conveyor belt fire was expressed by parameters determining directly the processes occurring during the fire, which are: o amount of heat released from fire, Q? (formula 1), o area of the conveyor belt covered by combustion, Ap, and heat exchange area, Ac for data received from the conical calorimeter and fire gallery (formulas 2 and 5), o length of burned conveyor belt, […] (formula 6), o temperature of mixture of air and fire gases leaving conveyor belt fire for data obtained from the fire gallery Ta (formula 9) and Tf (formula 10). Using the Thorton's rule, according to which the heat emitted during combustion per oxygen consumption unit is a constant value (E = 13.1 MJ kg-1), the dynamics of changes of oxygen concentration in the roadway working (formula 14) and mass share of carbon monoxide (formula 16) and carbon dioxide in fire gases leaving the fire focus were estimated. For the correctness assessment of the developed mathematical model the test results obtained on the basis of the method of conveyor belt flammability tests in the fire gallery and method of oxygen consumption calorimetry were used, comparing the values of initial variables from the model with real values, through the determination of the matching quality index. It has been accepted that the index allowing to assess if the initial variables from the model are consistent with the general knowledge and experience is the index of correlation r. In the work the results of tests of chloroprene conveyor belt marked with the symbol 69/97 were used. On the basis of the determined in the cone calorimeter for radiation intensity 50 kWm-2 and 75kWm-2 value of heat emission rate QHRR as well as calculated value of fire surface A? and combustion process efficiency x, calculations were carried out (formula 9) aiming at the determination of the temperature value of mixture of air and fire gases Ta. The determined on the basis of the model changes of temperature and real values measured in the fire gallery were presented in Fig. 4-2. Furthermore, in the Fig. 4-4, 4-5, and 4-6 the calculated, predicted values of changes of oxygen concentration XO2 in the roadway working (formula 14) as well as carbon dioxide XCO2 emissions (formula 19) and carbon monoxide XCO emissions (formula 16) were presented. Using the simple regression analysis, the existence of correlation between the value of temperatures determined from the mathematical model for radiation intensity 50kWm-2 and 75kWm-2, towards the real temperature measured in the fire gallery was pointed out. The best correlation for the values of temperatures measured from the mathematical model described by the dependences (8) and (9), amounting to r = 0.9, was obtained basing on the linear model, what proves the existence of a very strong linear dependence between the tested variables. Similarly as in the case mentioned above, the simple regression analysis was used in order to point out the existence of correlation for the values of O2, CO and CO2 molar share calculated from the mathematical model. In the case of oxygen O2 molar share, calculated from the mathematical model (formula 14), the best correlation r = 0.98 was obtained basing on the linear model, what proves the existence of a very strong linear dependence between the tested variables (Fig. 5-2.1). However, in the case of carbon monoxide CO molar share, determined from the mathematical model (formula 16), the existence of a very strong dependence between the tested variables proves the obtained correlation coefficient r = 0.92, and in the case of carbon dioxide CO2 molar share determined from the mathematical model (formula 19), the correlation coefficient amounted to r = 0.90. Summing up it should be stated that on the basis of a detailed analysis of phenomena of conveyor belt fire a mathematical belt fire model was developed. The existence of considerable correlation between the results obtained on the basis of the mathematical model and the results obtained by means of experiments for the real system was pointed out. The determined on the basis of mathematical models values of initial variables allow a simple and easy interpretation of phenomena occurring during the fire and can be helpful for the analysis of fire hazards connected with the application of conveyor belts in mines.

PL

Stosowanie w kopalniach węgla kamiennego materiałów organicznych i wyrobów z tworzyw sztucznych, a w szczególności taśm przenośnikowych, stwarza poważne, potencjalne zagrożenie zaistnienia pożaru egzogenicznego. W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania opracowanego modelu matematycznego przy prognozowaniu podstawowych parametrów fizycznych bezpośrednio determinujących zjawisko pożaru taśm przenośnikowych dla poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach węgla kamiennego. Pomimo rygorystycznego egzekwowania wytycznych zawartych w normach dotyczących trudnopalności taśm i zaostrzonych środków bezpieczeństwa ciągle występuje zagrożenie pożarowe związane np. ze skłonnością do samozagrzewania się produktów ścierania bieżników gumowych taśm przenośnikowych spełniających obowiązując w górnictwie kryteria trudnopalności. Na podstawie wyników badań taśm przenośnikowych prowadzonych w oparciu o metodę kalorymetru stożkowego oraz sztolni pożarowej sformułowano pewne modele matematyczne pozwalające analizować zjawisko pożaru egzogenicznego w obecności materiału organicznego. Dynamikę pożaru taśmy przenośnikowej wyrażono parametrami bezpośrednio determinującymi zachodzące w czasie pożaru procesy, którymi są: o obciążenie cieplne pożaru, […] (wzór 1), o pole powierzchni taśmy przenośnikowej objętej spalaniem, Ap, i powierzchni wymiany ciepła, Ac, dla danych otrzymanych z kalorymetru stożkowego oraz sztolni pożarowej (wzór 2 i 5), o długość odcinka spalonej taśmy przenośnikowej, […] (wzór 6), o temperatura mieszaniny powietrza i gaz? pożarowych opuszczających ognisko pożaru taśmy przenośnikowej dla danych uzyskanych ze sztolni pożarowej Ta (wzór 9) i Tf (wzór 10). Wykorzystując regułę Thortona, według której ciepło wydzielone podczas spalania na jednostek zużycia tlenu jest wartością stałą (E = 13,1 MJ kg-1), oszacowano dynamikę zmian stężenia tlenu w wyrobisku chodnikowym (wzór 14) oraz udział masowy tlenku węgla (wzór 16) i dwutlenku węgla (wzór 19) w gazach pożarowych opuszczających ognisko pożaru. Do oceny poprawności opracowanego modelu matematycznego wykorzystano wyniki badań uzyskane w oparciu o metodę badania palności taśm przenośnikowych w sztolni pożarowej i metodę kalorymetrii zużycia tlenu, porównując wartości zmiennych wyjściowych z modelu z wartościami rzeczywistymi, poprzez określenie wskaźnika jakości dopasowania. Przyjęto, że wskaźnikiem pozwalającym ocenić czy uzyskane zmienne wyjściowe z modelu są zgodne z ogólną wiedzą i doświadczeniem jest współczynnik korelacji r. W pracy wykorzystano wyniki badań taśmy przenośnikowej chloroprenowej oznaczonej symbolem 69/97. W oparciu o wyznaczoną w kalorymetrze stożkowych dla natężenia promieniowania 50kWm-2 i 75kWm-2 wartość szybkości wydzielania ciepła QHRR oraz obliczoną wartość powierzchni pożaru Ap i sprawności procesu palenia x, przeprowadzono obliczenia (wzór 9) mające na celu wyznaczenie wartości temperatury mieszaniny powietrza i gazów pożarowych Ta. Wyznaczone na podstawie modelu zmiany temperatur oraz wartości rzeczywiste zmierzone w sztolni pożarowej, przedstawiono na rys. 4-2. Ponadto na rys. 4-4, 4-5 i 4-6 przedstawiono obliczone, prognozowane wartości zmian stężenia tlenu XO2 w wyrobisku chodnikowym (wzór 14) oraz emisji dwutlenku węgla XCO2 (wzór 19) i tlenku węgla XCO (wzór 16). Wykorzystując analizę regresji prostej wykazano istnienie korelacji pomiędzy wartością temperatur wyznaczonych z modelu matematycznego dla natężenia promieniowania 50kWm-2 i 75kWm-2, względem temperatury rzeczywistej zmierzonej w sztolni pożarowej. Najlepszą korelację dla wartości temperatur obliczonych z modelu matematycznego opisanego zależnościami (8) oraz (9), wynoszącą r = 0,9, uzyskano w oparciu o model liniowy, co dowodzi istnienia bardzo silnej zależności liniowej między badanymi zmiennymi. Podobnie jak w powyższy przypadku analizę regresji prostej zastosowano w celu wykazania istnienia korelacji dla wartości udziału molowego O2, CO i CO2 obliczonych z modelu matematycznego. W przypadku udziału molowego tlenu O2, obliczonej z modelu matematycznego (wzór 14), najlepszą korelację, r = 0,98, uzyskano w oparciu o model liniowy, co dowodzi istnienia bardzo silnej zależności liniowej między badanymi zmiennymi (rys. 5-2.1.). Natomiast w przypadku udziału molowego tlenku węgla CO wyznaczonego z modelu matematycznego (wzór 16) o istnieniu bardzo silnej zależności między badanymi zmiennymi świadczy uzyskany współczynnik korelacji r = 0,92, a w przypadku molowego dwutlenku węgla CO2 wyznaczonego z modelu matematycznego (wzór 19) współczynnik korelacji wyniósł r = 0,90. Reasumując należy stwierdzić, że na podstawie szczegółowej analizy zjawisk pożaru taśmy przenośnikowej opracowany został model matematyczny pożaru taśmy. Wykazano istnienie znaczących współzależności pomiędzy wynikami uzyskanymi na podstawie modelu matematycznego, a wynikami otrzymanymi w drodze eksperymentów pożarowych dla układu rzeczywistego. Wyznaczone na podstawie modeli matematycznych wartości zmiennych wyjściowych pozwalają na prostą i łatwą interpretację zachodzących podczas pożaru zjawisk i mogą być pomocne do analizy zagrożeń pożarowych związanych ze stosowaniem taśm przenośnikowych w kopalniach.

Słowa kluczowe

PL

model matematyczny; pożary podziemne; palność materiałów; taśma przenośnikowa

EN

mathematical model; underground fires; materials flammability; conveyor belt

• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 54, no 3
• Strony: 507-530
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wachowicz, J.

autor

Janoszek, T.

• Central Mining Institute, Pl. Gwarków 1, 40-160 Gliwice, Poland

Bibliografia

• Babrauskas V., 1984. Development of the Cone Calorimeter - A Banch-Scale Heat Release Rate Apparatus Based on Oxygen Consumption. J. of Fire and Materials, 8, 81÷95.
• Babrauskas V., Grayson S.J., 1992. Heat Release in Fires. Elsevier Applies Science, London/New York.
• Budryk W., 1950. Pożary podziemne. Katowice.
• Budryk W., 1954. Dorobek Polski w światowej nauce wentylacji i pożarów podziemnych. Zeszyt Naukowy AGH Gór. Nr 1.
• Bystroń H. 1971. Metody modelowe wyznaczania rozpływu powietrza w aktywnych sieciach wentylacyjnych. Prz. Gór., 6.
• Campos D., Llebot J.E., Fort J., 2004. Reaction-diffusion pulses: a combustion model. Journal of Physics A: Mathematical and General. 37, 6609-6621.
• Carvel R.O., Beard A.N., Jowitt P.W., Drysdal D.D., 2001. Variation of Heat Release Rate with Forced Longitudinal Ventilation for Vehicles Fires in Tunnels. Fire Safety Journal, Vol. 36: 569-596.
• Czeczot H., 1927. Teoria prądów przekątnych. Kraków.
• Czeczot H., 1928. Obliczanie wentylacji kopalń w systemach normalnych. Prz. gór.-hut., nr 14-15.
• Drysdale D., 1998. An Introduction to Fire Dynamics. John Wiley & Sons Ltd., England, Second Edition.
• Dziurzyński W., 1998. Prognozowanie procesu przewietrzania kopalni głębinowej w warunkach pożaru podziemnego. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Naturalnymi i Energią PAN. Kraków, zeszyt 56.
• Dziurzyński W., Krawczyk J., 2001. Nieustalony przepływ gazów pożarowych w kopalnianej sieci wentylacyjnej - symulacja numeryczna. Archives of Mining Sciences, 46/2.
• Dziurzyński W., Pałka T., 2001. Komputerowa symulacja wpływu pożaru podziemnego na rozkład potencjału sieci wentylacyjnej kopalni. Archives of Mining Sciences, 46/2/, 119-137.
• Dziurzyński W., 2001. Symulacja numeryczna rozwoju ogniska pożaru w zrobach ściany prowadzonej na zawał stropu. Archives of Mining Sciences, 46/2/, 407- 431.
• Edwards J.C., Hwang C.C., 1999. CFD Aalysis on mine fire smoke spread and reverse flow conditions. In: Tien JC, ed. Proceedings of the Eighth U.S. Mine Ventilation Symposium. Rolla, MO:, University of Missouri-Rolla Press, 417-422.
• Frycz A., 1969. Klimatyzacja kopalń. Wydawnictwo Śląsk, Katowice.
• Grant G.B., Jagger S.F., Lea C.J., 1998. Fires in Tunnels. Phil. Trans. R. Soc. London A, 356, 2873.
• Guillermo R., Bar-Ilan A., Fernandez-Pello C., Alvares N., 2004. A Comparison of Three Fire Models in the Simulation of Accidental Fires. Journal of Fire Protection Engineering . 17 (expected), Article 04-22 .
• Huggett C., 1980. Estimation of Rate of Heat Release by Means of Oxygen Consumption Measurements. Fire and Materiale 4, 61-65.
• Janoszek T., 2009. Model pożaru taśm przenośnikowych w wyrobiskach chodnikowych kopalń. Praca doktorska. Główny Instytut Górnictwa. Katowice.
• Kouchinsky A.J., 2007. Determination of Smoke Algorithm Activation for Image Video Detection. Fire Protection Engineering, 1-61.
• Kunikane Y., Kawabata N., Yamada T., Shimoda A., 2006. Influence of Stationary Vehicles on Backlayering Characteristics Of Fire Plume in A Large Cross Section Tunnel. JSME International Journal, series B, Vol. 49, No 3
• Litwiniszyn J., 1954. A Problem Concerning Two-dimensional Turbulent Flow. Bull. Acad. Pol. Sc. Cl. IV, , Vol. 2, nr 1.
• Litwiniszyn J., 1957. Flow with The Exchange of Mass, Momentum and Energy. Arch. Mech. Stow. T. 9.
• Litwiniszyn J., 1971. On a certain model of the flow of liquid in a pipe network. Arch. Gór., z.2.
• Lougheed G.D., Hadjisophocleous, G.V., 2001. The Smoke Hazard from a Fire in High Spaces. ASHRAE Transactions, v. 107, pt. 1, 720-729.
• Lowndes I.S., Silvester S.A., Giddings D., Hassan A., Lester E., 2007. The Computational Modelling of Flame Spread Along a Conveyor Belt. Fire Safety Journal, 42, 51– 67.
• Maciejasz Z., Roszkowski J., 1966. Kontrole stanu atmosfery kopalnianej pola wentylacji w nowoczesnym górnictwie. Nakł. SITG, Katowice.
• Merci B., Vandenvelde P., 2007. Comparison of Calculation Methods for Smoke and Heat Evacuation for Enclosure Fires in Large Compartments. Thermal science, Vol. 11, No. 2, 181-196.
• Mowrer F. W., 2003. Spreadsheet Templates for Fire Dynamics Calculations. Downloaded from Fire Risk Forum - www.fi reriskforum.com.
• Oka Y., Kurioka H., 2006. Effect of Shape and Size of a Fire Source on Fire Properties in Vicinity of a Fire Source in a Tunnel. Fire Science and Technology, Vol. 25, No. 1 , 15-29.
• Poniewierski A., Hołyst R., Ciach A., 2003. Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów. Instytut Chemii Fizycznej PAN i Szkoła Nauk Ścisłych. Warszawa.
• Schabacker J., Bettelini M., 2001. CFD Study of Temperature and Smoke Distribution in a Railway Tunnel with Natura Ventilation System. Tunnel Fire Conference, ITC, Washington, 22-25 October.
• Skotniczy P., 2008. Trójwymiarowy rozkład temperatur i stężeń gazów w wyrobiskach ścianowych towarzyszący zjawisku samozagrzewania węgla zdeponowanego w zrobach ścianowych. Archives of Mining Sciences, 53/2/, 235-255.
• Smith E.E., Green T.J., 1987. Release Rate Tests for a Mathematical Model. Mathematical Modeling of Fires. ASTM STP 983, J. R. Mehaffey, Ed., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 7-20.
• Sobieszczuk G., Wachowicz J., 1998. Badania i ocena trudnopalności materiałów stosowanych w kopalniach węgla. Przegląd Górniczy, 9.
• Trutwin W., 1971. Zastosowanie maszyn cyfrowych do obliczenia stanów nieustalonych w kopalnianych sieciach wentylacji. Sympozjum Sekcji Fizyki Górniczej Kom. Gór. PAN, Kraków.
• Trutwin W., 1972. Estimation of the Natural Ventilating Pressure Caused by Fire. Int. J Rock Mech. Min. Sci., Vol. 9, 25-36.
• Wachowicz J., 2000. Palność taśm przenośnikowych jako czynnik zagrożenia pożarowego w kopalniach węgla kamiennego. Prace naukowe Głównego Instytutu Górnictwa. Nr 843, Katowice.
• Wachowicz J., 2001. Wykorzystanie kalorymetrii zużycia tlenu do oceny palności chloroprenowych taśm przenośnikowych. Archives of Mining Sciences, 46/2/, 173-188.
• Wachowicz J., 2004. Zarządzanie bezpieczeństwem pracy w górnictwie, cześć 13. Zagrożenie pożarowe związane ze stosowaniem w kopalniach materiałów niemetalowych pochodzenia organicznego. Wiadomości Górnicze, 9.
• Wachowicz J., Wypior K., 2003. Samozagrzewanie produktów ścierania okładek gumowych taśm przenośnikowych. Prace Naukowe GIG - Górnictwo i Środowisko 4, 51-68.