Горение и тушение газовых фонтанов: теоретические основы, расчеты и практическое применение

Пожары газовых фонтанов — это не просто локальные инциденты, а масштабные техногенные катастрофы, способные нанести колоссальный ущерб экологии и экономике. Представьте себе столб огня, достигающий сотен метров в высоту, который ежедневно выбрасывает в атмосферу миллионы кубометров горючего газа, сжигая не только ценное сырье, но и загрязняя окружающую среду продуктами неполного сгорания. Такие пожары представляют собой одну из наиболее сложных задач для служб пожаротушения по всему миру.

Актуальность проблемы обусловлена не только прямыми финансовыми потерями и разрушением инфраструктуры, но и долгосрочными экологическими последствиями, такими как выбросы парниковых газов, загрязнение почв и водоемов, а также потенциальная угроза жизни и здоровью людей, работающих вблизи очага. И что из этого следует? Важно осознавать, что ущерб от таких пожаров продолжает расти в геометрической прогрессии, делая инвестиции в превентивные меры и эффективные технологии тушения не просто желательными, а жизненно необходимыми для устойчивого развития.

Целью данной работы является систематизация и углубление знаний о физико-химических основах горения газовых фонтанов, представление методик инженерных расчетов, необходимых для оценки параметров таких пожаров, а также анализ современных и исторических методов их тушения. Мы рассмотрим каждый аспект этого сложного явления, от микроскопических реакций в пламени до глобального планирования масштабных операций по ликвидации.

Работа структурирована таким образом, чтобы последовательно раскрыть теоретические аспекты, перейти к количественным расчетам и завершиться практическим обзором методов тушения и управления рисками. Такой подход позволит не только понять «что» происходит, но и «как» это можно рассчитать и «почему» это важно для эффективного и безопасного реагирования.

Физико-химические основы горения газовых фонтанов

За каждым пламенем, взмывающим в небо из газового фонтана, стоит сложная балетная постановка физики и химии. Это не просто горение, а уникальный диффузионный процесс, чьи особенности выделяют его среди других видов пожаров, требуя глубокого понимания для эффективной ликвидации.

Механизм диффузионного и турбулентного горения

В основе горения газовых фонтанов лежит диффузионный механизм. Это означает, что горючий газ и окислитель (кислород воздуха) не смешаны заранее, а встречаются и реагируют только в тонком поверхностном слое факела. Именно здесь, в этой огненной оболочке, концентрации топлива и окислителя достигают стехиометрического соотношения – идеального баланса для протекания химических реакций горения. Представьте себе реку, где два потока – горючего газа и воздуха – текут параллельно, и только на их границе, благодаря диффузии, возникают условия для искрометного взаимодействия.

Струи газа в фонтанах, как правило, являются турбулентными. Это не спокойный, ламинарный поток, а бушующий вихрь, где газ движется хаотично, образуя многочисленные завихрения. Скорость истечения газа на срезе сопла у большинства газовых фонтанов превышает скорость звука – для метана это около 430 м/с, а число Рейнольдса при этом намного выше критического значения в 2300, что однозначно указывает на высокотурбулентный характер истечения. Турбулентность играет ключевую роль: она обеспечивает гораздо более интенсивное смешение горючего и окислителя по сравнению с ламинарным горением, постоянно подпитывая зону реакции новыми порциями реагентов, что является одной из причин высокой интенсивности горения и его устойчивости.

Динамика и стабильность пламени

Горение газовых фонтанов характеризуется не только интенсивностью, но и впечатляющей скоростью распространения пламени. Максимальная скорость распространения пламени навстречу струе газа, которая может фонтанировать со скоростью 300–450 м/с, достигает порядка 50 м/с. Это означает, что пламя не просто стоит на месте, а активно «продвигается» против течения газа, находя баланс между скоростью истечения топлива и скоростью собственного распространения.

Стабилизация пламени на струе происходит в самой нижней части факела, в точке, где скорость струи (v_ф) становится равной скорости горения (u_т). Эта точка является критической: здесь пламя «заякоривается», и дальнейшее горение происходит стабильно, формируя характерный факел. Удивительно, но процессы горения газовых фонтанов чрезвычайно устойчивы и могут продолжаться неделями или даже месяцами. Они демонстрируют поразительную невосприимчивость к метеорологическим условиям, таким как сильный ветер или проливной дождь. Факел газового фонтана как бы создает вокруг себя микроклимат, достаточный для поддержания реакции, что делает его одним из самых непокорных видов пожаров.

Условия возникновения горения

Для того чтобы столь мощный процесс горения возник, необходимо соблюдение классической «пожарной триады». Эта триада включает в себя три обязательных компонента:

1. Горючее вещество: В нашем случае это природный газ, состоящий преимущественно из метана, а также примесей других углеводородов.
2. Окислитель: Чаще всего им выступает кислород, содержащийся в воздухе.
3. Источник зажигания: Это может быть искра от удара камня, статическое электричество, нагретые поверхности оборудования, разряды молнии или даже самовоспламенение при определенных условиях.

Как только эти три компонента сходятся в нужных пропорциях и условиях, запускается процесс горения. Горение – это не просто «сжигание»; это сложное физико-химическое явление, представляющее собой экзотермическую реакцию окисления, которая протекает с выделением большого количества теплоты и сопровождается ярким свечением – тем самым огненным столбом, который мы наблюдаем. Понимание этих фундаментальных основ является первым шагом к разработке эффективных стратегий тушения.

Основные параметры горения газовых фонтанов и методы их расчета

Для успешной борьбы с горящими газовыми фонтанами недостаточно просто наблюдать пламя; необходимо количественно оценить его характеристики. Это требует знания ключевых параметров и владения методиками их расчета. Именно эти расчеты формируют основу для принятия инженерных решений в экстремальных условиях.

Дебит фонтана и секундный расход газа

Одним из наиболее важных параметров, определяющих масштаб пожара и необходимый объем огнетушащих средств, является дебит газового фонтана. Дебит (D) – это объем газа, истекающего из скважины за определенный промежуток времени, обычно измеряемый в миллионах кубометров в сутки (млн м³/сутки).

В условиях пожара прямое измерение дебита, как правило, невозможно. Однако существует эмпирическая формула, позволяющая оценить дебит по высоте факела пламени (H_ф):

D = 0,0025 ⋅ Hф2

где:

• D — дебит газового фонтана, млн м³/сутки;
• H_ф — высота факела пламени, м.

Пример расчета:
Предположим, высота факела пламени составляет 100 м.
Тогда D = 0,0025 ⋅ (100)² = 0,0025 ⋅ 10000 = 25 млн м³/сутки.

После определения дебита можно рассчитать секундный расход газа (V_г), что необходимо для дальнейших тепловых расчетов и определения потребления огнетушащих веществ:

Vг = D / (24 ⋅ 60 ⋅ 60) м³/с

где:

• V_г — секундный расход газа, м³/с;
• D — дебит газового фонтана, млн м³/сутки.

Пример расчета (продолжение):
Если D = 25 млн м³/сутки, то 25 ⋅ 10⁶ м³/сутки.
V_г = (25 ⋅ 10⁶) / (24 ⋅ 3600) ≈ 289,35 м³/с.

Теплота сгорания и температуры горения

Теплота сгорания (Q_{с общ}) – это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 м³ фонтанирующего газа. Этот параметр критически важен, поскольку он определяет общую энергетику пожара. Для многокомпонентной смеси газа Q_{с общ} рассчитывается как сумма произведений низшей теплоты сгорания каждого компонента на его объемную долю:

Qс общ = Σ (Qні ⋅ φі)

где:

• Q_ні — низшая теплота сгорания i-го компонента, Дж/м³;
• φ_і — объемная доля i-го компонента в смеси, %.

Температура горения является еще одним ключевым показателем. Различают два типа температур:

1. Адиабатическая температура горения (T_а): Это идеализированная температура, которая была бы достигнута при полном сгорании топлива без каких-либо теплопотерь в окружающую среду и без химического недожога. Она рассчитывается исходя из энергетического баланса химической реакции.
2. Действительная температура горения (T_д): Эта температура всегда ниже адиабатической. При ее расчете учитываются реальные потери тепла на излучение, конвекцию, а также потери, связанные с химическим недожогом (когда часть топлива не успевает полностью прореагировать). Температура пламени газовых фонтанов стабилизируется в течение нескольких минут и обычно достигает 1200–1500°С, что создает экстремальные условия в зоне пожара.

Плотность лучистого теплового потока

Плотность лучистого теплового потока (E) характеризует интенсивность теплового излучения от пламени и является одним из главных факторов опасности для личного состава и окружающих объектов. Этот параметр зависит от множества факторов:

• Температура пламени: Чем выше температура, тем сильнее излучение.
• Дебит скважины: Больший расход газа приводит к большему факелу и, соответственно, к большему излучению.
• Вид струи фонтана: Компактная или распыленная струя по-разному распределяет тепловое излучение.
• Состав фонтанирующего вещества: Различные газы имеют разные коэффициенты излучения.
• Расстояние до факела пламени: Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния.
• Расположение пламени над землей: Высота факела влияет на распределение теплового поля.
• Направление и скорость ветра: Ветер может изменять форму факела, отклоняя его и перераспределяя тепловые потоки.

Оценка плотности лучистого потока позволяет определить безопасные расстояния и зоны работы для личного состава. Какой важный нюанс здесь упускается? Именно точное прогнозирование этих зон позволяет минимизировать риски и оптимизировать размещение оборудования и персонала, что в конечном итоге спасает жизни и ресурсы.

Молекулярная масса и режим истечения газа

Для многокомпонентной газовой смеси важно знать ее среднюю молекулярную массу (M_г), которая влияет на плотность газа и, следовательно, на динамику истечения. Она определяется по формуле:

Mг = Σ (Mі ⋅ φі)

где:

• M_і — молекулярная масса i-го компонента;
• φ_і — объемная доля i-го компонента в смеси.

Пример расчета:
Если газ состоит из 90% метана (CH₄) и 10% этана (C₂H₆).
Молекулярная масса метана (M_CH₄) ≈ 16 г/моль.
Молекулярная масса этана (M_C₂H₆) ≈ 30 г/моль.
M_г = (16 ⋅ 0,90) + (30 ⋅ 0,10) = 14,4 + 3 = 17,4 г/моль.

Режим истечения газовой струи (дозвуковой или сверхзвуковой) определяется путем сравнения эффективной скорости истечения (V_э) со скоростью звука (V₀) в данной газовой среде. Для метана скорость звука составляет приблизительно 430 м/с. Если V_э > V₀, истечение сверхзвуковое, что характерно для мощных фонтанов и оказывает значительное влияние на форму и динамику факела пламени. Понимание этих параметров позволяет инженерам и пожарным разрабатывать более точные модели поведения фонтана и планировать оптимальные стратегии тушения.

Методы и технологии тушения газовых фонтанов

Ликвидация горящего газового фонтана – это сложнейшая инженерная задача, требующая применения специализированных методов и технологий. За годы борьбы с этими катастрофами человечество разработало целый арсенал средств, от относительно простых водяных струй до использования колоссальной энергии взрывчатых веществ.

Водяное тушение

Вода, казалось бы, простой и универсальный огнетушащий агент, занимает одно из центральных мест в арсенале средств борьбы с газовыми фонтанами. Принцип тушения водой основан на охлаждении пламени до температуры ниже температуры воспламенения газа и изоляции горючего от окислителя (кислорода воздуха).

Существует несколько способов подачи воды:

1. Через устьевое оборудование скважины: Если устьевое оборудование сохранено после аварии, вода может быть закачана непосредственно в скважину. Этот метод позволяет значительно снизить дебит газа или полностью его перекрыть, создавая гидростатический затвор. Однако, это возможно далеко не всегда.
2. Водяные струи из лафетных стволов: Компактные и мощные водяные струи, подаваемые из стационарных или передвижных лафетных стволов, направляются в основание струи фонтана. Далее струи синхронно поднимаются, «срезая» пламя до полного срыва горения. Этот метод эффективен для создания водяной завесы, которая не только охлаждает, но и изолирует зону горения от воздуха.

Несмотря на свою кажущуюся простоту, водяное тушение имеет ограничения. Такие способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3–5 млн м³/сутки. При тушении более мощных горящих фонтанов обычные водяные струи становятся малоэффективными из-за огромной тепловой мощности пламени.

Автомобили газоводяного тушения (АГВТ)

Когда обычные водяные струи не справляются, на помощь приходят специализированные тяжелые машины – автомобили газоводяного тушения (АГВТ). Эти машины представляют собой уникальное сочетание авиационного реактивного двигателя (обычно от истребителей МиГ-15 или МиГ-21) и мощной системы подачи воды.

Принцип работы АГВТ:

Реактивный двигатель генерирует высокоскоростную струю отработавших газов, в которую подается распыленная вода. В результате формируется мощная газоводяная струя, обладающая высокой кинетической энергией и способная проникать глубоко в зону горения. Эта струя направляется к основанию пламени, где:

• Механическое воздействие: Высокоскоростная струя буквально «сбивает» пламя, разрушая зону горения.
• Охлаждение: Распыленная вода интенсивно охлаждает газ и окружающее пространство.
• Инертизация: Отработавшие газы реактивного двигателя содержат мало кислорода и выступают в роли инертного разбавителя, снижая концентрацию кислорода в зоне горения.

Характеристики АГВТ:

• АГВТ-100: Расход воды составляет 60 л/с, расход газа – 40 кг/с. Способен ликвидировать компактный вертикальный фонтан с дебитом до 3,0 млн м³/сутки.
• АГВТ-150: Обеспечивает расход воды 90 л/с и расход газа 60 кг/с. Эффективен для ликвидации компактных вертикальных фонтанов до 4,5 млн м³/сутки.

Общая длина струи АГВТ может достигать 35–40 м, что позволяет устанавливать автомобиль на безопасном расстоянии 10–15 м от фонтана, минимизируя риски для техники и личного состава. Что из этого следует? Применение АГВТ значительно расширяет возможности пожарных служб, позволяя справляться с более масштабными и сложными инцидентами, которые ранее считались практически нетушимыми.

Тушение взрывом зарядов взрывчатых веществ

Один из наиболее драматичных и эффективных, но при этом и опасных методов тушения – это применение взрыва зарядов взрывчатых веществ (ВВ). Этот метод основан на создании мощной ударной волны.

Механизм срыва пламени:

Взрыв заряда ВВ, расположенного вблизи устья фонтана, генерирует ударную волну. Эта волна обладает огромной энергией и скоростью, она буквально «разрывает» струю фонтана на мгновение, отбрасывая горючий газ от зоны горения и создавая вакуум или зону пониженного давления. Таким образом, пламя «отрывается» от источника газа и гаснет из-за отсутствия топлива в зоне реакции. Этот метод требует точного расчета массы заряда и места его установки.

Исторический контекст:

В прошлом, в особо тяжелых и неуправляемых случаях, в СССР применялись даже подземные ядерные взрывы для тушения газовых фонтанов. С их помощью было успешно ликвидировано четыре аварийных фонтана, когда все другие методы оказались бессильны. Это подчеркивает не только отчаянность ситуации, но и масштабность проблемы, с которой сталкивались инженеры.

Инновационные и комбинированные методы

Помимо классических подходов, постоянно разрабатываются и внедряются новые, более эффективные и безопасные технологии.

Вихрепорошковый способ тушения: Разработанный в Институте гидродинамики Сибирского отделения РАН, этот метод является примером инновационного подхода. Он предполагает воздействие на факел воздушным вихревым кольцом, заполненным распыленным огнетушащим порошком. Такое кольцо образуется при взрыве специального кольцевого заряда ВВ. Вихревое кольцо обладает стабильностью и способно доставлять порошок непосредственно в зону горения, где порошок, попадая в пламя, ингибирует химические реакции горения, а также механически сбивает пламя и охлаждает его.

Комбинированные подходы: Часто наиболее эффективными оказываются комбинированные методы, к��гда несколько технологий применяются последовательно или одновременно. Например, предварительное охлаждение устья скважины водой, затем использование АГВТ для срыва пламени, и, при необходимости, применение ВВ для окончательного прекращения истечения газа. Развитие технологий тушения продолжается, и каждый новый метод приближает нас к более безопасной и эффективной ликвидации этих грозных природных и техногенных явлений.

Влияние различных факторов на интенсивность горения и эффективность тушения

Пожар газового фонтана – это не статичное явление; его интенсивность и сложность тушения зависят от множества динамических факторов. Понимание этих факторов позволяет прогнозировать поведение огня и разрабатывать адекватные стратегии реагирования.

Состав и давление газа

Химический состав газа оказывает фундаментальное влияние на все аспекты горения:

• Теплота сгорания: Чем выше теплота сгорания компонентов газа (например, наличие более тяжелых углеводородов, таких как пропан или бутан, по сравнению с чистым метаном), тем больше энергии выделяется при горении, и тем мощнее будет факел.
• Температура пламени: Состав газа напрямую определяет максимальную температуру, до которой нагревается пламя. Различные компоненты имеют разные энтальпии образования и продукты сгорания.
• Цвет факела: Визуально состав газа проявляется в цвете пламени. Газовые фонтаны с горением чистого метана характеризуются относительно чистым, светло-желтым пламенем. Это объясняется полным сгоранием метана с минимальным образованием сажи. В отличие от них, газонефтяные фонтаны, содержащие значительные примеси нефти или газового конденсата, могут иметь оранжевое пламя и периодически выделять густой черный дым. Черный дым является признаком неполного сгорания более тяжелых углеводородов и сажеобразования.

Пластовое давление в скважине – это еще один критически важный фактор. Обычно оно в 2–20 раз превышает атмосферное, создавая огромный потенциал для мощного истечения газа. Высокие перепады давления между пластом и окружающей средой приводят к тому, что скорость истечения газа на срезе трубы может достигать скорости звука (около 400 м/с для метана). Сверхзвуковое истечение газа формирует особую структуру струи, которая более устойчива к внешним воздействиям и, как следствие, сложнее поддается тушению.

Дебит фонтана и вид струи

Дебит фонтана является, пожалуй, одним из самых определяющих параметров. Он напрямую влияет на:

• Масштаб пожара: Больший дебит означает больший объем горящего газа, более высокий и широкий факел, и, соответственно, более интенсивное тепловое излучение.
• Условия и способ тушения: Для фонтанов с малым дебитом может быть достаточно водяных струй, тогда как мощные фонтаны (например, более 5 млн м³/сутки) требуют применения АГВТ или даже взрывчатых веществ.

Вид струи фонтана также имеет значение:

• Компактные фонтаны: Образуют относительно узкую, сфокусированную струю пламени. Такие фонтаны обычно легче поддаются тушению целенаправленными струями воды или газоводяных смесей.
• Распыленные фонтаны: Могут возникать из-за разрушения устьевого оборудования или особенностей выхода газа из-под земли. Они характеризуются широким, диффузным пламенем. Распыленные фонтаны требуют бóльших расходов огнетушащих веществ, поскольку площадь контакта с воздухом больше, и пламя менее сконцентрировано.

Помимо этого, фонтаны классифицируются по массовой доле горючих компонентов:

• Газовые фонтаны: Содержат более 95% газа по массе.
• Газонефтяные фонтаны: Содержат от 50% газа до менее 50% нефти.
• Нефтяные фонтаны: Содержат более 50% нефти по массе.

Каждый из этих типов требует своих специфических подходов к тушению.

Метеоусловия и температура окружающей среды

Даже на такой мощный процесс, как горение газового фонтана, внешние условия оказывают свое влияние.

• Ветер: Сильный ветер может отклонять факел пламени, изменяя распределение тепловых потоков. Это может как затруднять, так и в некоторых случаях облегчать доступ к основанию фонтана. Однако, чаще всего, ветер увеличивает зону теплового поражения по направлению своего движения, что требует корректировки безопасных расстояний и тактики тушения.
• Температура окружающей среды: Температура воздуха влияет на скорость окисления, которая, как известно, увеличивается с ростом температуры. В более теплых условиях процессы горения могут быть немного интенсивнее, хотя для уже установившегося мощного газового фонтана это влияние менее критично, чем для начальной стадии развития пожара. Тем не менее, это может влиять на эффективность систем охлаждения и выносливость оборудования.

Комплексный учет всех этих факторов позволяет создавать более точные модели развития пожара, оптимизировать расход огнетушащих средств и, в конечном итоге, повышать эффективность и безопасность операций по тушению.

Методики расчета необходимого расхода огнетушащих веществ

Эффективное тушение горящего газового фонтана невозможно без точных инженерных расчетов, в первую очередь, касающихся потребности в огнетушащих веществах. Вода является основным средством, и ее расход определяется не только масштабом пожара, но и спецификой каждого этапа операции.

Оценка расхода газа для расчета воды

Первостепенной задачей является оценка расхода газа, или дебита (D), поскольку именно эта величина лежит в основе определения необходимого количества воды. Как уже упоминалось, непосредственное измерение расхода горящего фонтана зачастую невозможно или крайне затруднено. В таких случаях используется эмпирическая зависимость дебита от высоты факела пламени (H_ф):

D = 0,0025 ⋅ Hф2

где:

• D — дебит газового фонтана, млн м³/сутки;
• H_ф — высота факела пламени, м.

Этот расчет позволяет получить исходные данные для дальнейших вычислений, даже в условиях ограниченной информации на месте происшествия.

Расчет расхода воды по этапам тушения

Процесс тушения газовых фонтанов является многоэтапным и требует различных объемов воды на каждом из них. Суммарный расход воды рассчитывается для трех основных этапов:

1. Подготовка к тушению: На этом этапе основные усилия направлены на:
   • Охлаждение оборудования: Защита устьевого оборудования, металлоконструкций, а также рядом расположенных объектов от разрушительного теплового воздействия пламени.
   • Орошение факела: Создание водяных завес для снижения лучистого теплового потока и защиты личного состава, работающего в непосредственной близости от фонтана.

   Расход воды на этом этапе может быть значительным, так как требуется обеспечить непрерывное орошение в течение длительного времени.

2. Непосредственное тушение фонтана: Это самый интенсивный этап, когда подаются основные огнетушащие средства (водяные струи из лафетных стволов, газоводяные струи АГВТ или другие методы). Расход воды на этом этапе определяется дебитом фонтана, видом струи (компактная или распыленная) и выбранной технологией тушения.
   Например, для прекращения горения газового фонтана с дебитом 0,4225 млн м³/сутки, требуемый секундный расход воды составляет 90 л/с. Для более мощных фонтанов этот показатель будет существенно выше, особенно при использовании нескольких АГВТ или лафетных стволов одновременно.
3. Охлаждение устья скважины после тушения: После срыва пламени и прекращения горения, устье скважины и прилегающая территория остаются сильно нагретыми. Необходимо продолжать подачу воды для их охлаждения, предотвращения повторного воспламенения и обеспечения безопасного доступа ремонтных бригад для герметизации скважины. Этот этап также важен для предотвращения термической деформации оборудования.

Общий объем воды, необходимый для тушения пожаров газовых фонтанов, как правило, составляет от 2,5 до 5 тыс. м³. Это огромные объемы, требующие тщательного планирования и создания развитой системы водоснабжения.

Требования к водоснабжению

Учитывая колоссальные объемы воды, необходим тщательный подход к организации водоснабжения:

• Водоемы: Должны быть созданы или использованы существующие водоемы для хранения расчетного запаса воды.
• Расположение: Водоемы должны располагаться в безопасных местах, защищенных от теплового воздействия и потенциального разлета фрагментов. Оптимальное расположение – с двух противоположных сторон относительно устья скважины, перпендикулярно направлению господствующего ветра. Это минимизирует риск воздействия огня и дыма на насосные станции.
• Расстояние: Рекомендуемое расстояние от устья скважины до водоемов составляет 150–200 м. Это обеспечивает достаточную удаленность для безопасности, но при этом позволяет эффективно подавать воду с помощью насосного оборудования.

Тщательный расчет и планирование водоснабжения являются краеугольным камнем успешной операции по тушению газовых фонтанов, обеспечивая бесперебойную подачу огнетушащего вещества в критически важных условиях.

Риски, опасности и планирование операций по тушению

Тушение газового фонтана – это не просто инженерная задача, это еще и высокорисковая операция, требующая тщательного планирования, строгого соблюдения правил безопасности и максимальной защиты личного состава и окружающей среды.

Опасности для личного состава

Личный состав, участвующий в ликвидации пожаров газовых фонтанов, подвергается воздействию целого ряда опасных факторов:

1. Сильный тепловой поток: Главная угроза исходит от интенсивного лучистого теплового потока от факела пламени. Этот поток настолько мощен, что способен вызывать мгновенные ожоги.
   • Зона кратковременной работы: Граница локальной зоны теплового воздействия, где личный состав может работать в теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй не более 5 минут (при плотности теплового потока E = 14 кВт/м²), находится на расстоянии 13 м от устья скважины. Это зона максимального риска, где выполняются самые ответственные задачи.
   • Зона длительного пребывания: Граница, за пределами которой личный состав может находиться неопределенно долго (при плотности теплового потока E = 1,6 кВт/м²), расположена на расстоянии 39,8 м от устья скважины. Это условно безопасная зона для размещения штаба, резервной техники и персонала.
2. Пламя и искры: Прямой контакт с пламенем или разлетающимися искрами, особенно при газонефтяных фонтанах, чреват тяжелыми ожогами.
3. Повышенная температура окружающей среды: Даже за пределами прямого контакта с пламенем температура воздуха может быть аномально высокой, вызывая тепловой удар и перегрев.
4. Повышенная концентрация продуктов горения и термического разложения: Неполное сгорание газа, особенно при наличии примесей, приводит к образованию токсичных газов (угарный газ, сероводород и др.), которые представляют опасность для органов дыхания.
5. Сильный шум (рев): Мощные газовые фонтаны сопровождаются оглушительным шумом, который может полностью лишать возможности слышимости разговорной речи на расстоянии до 500 м и более. Это требует использования альтернативных средств коммуникации, таких как письменные распоряжения, немые сигналы, радиосвязь с шумоподавлением.
6. Выброс камней: При прорыве газа из скважины, особенно в начальной стадии аварии или при разрушении стенок, могут выбрасываться мелкие и крупные камни, представляющие серьезную опасность травмирования.

Безопасность при применении взрывчатых веществ

Тушение фонтанов взрывом зарядов ВВ сопряжено с дополнительными, крайне серьезными рисками. Неконтролируемый разлет фрагментов заряда, оборудования и грунта может привести к поражению личного состава. Для предотвращения этого необходимо:

• Удаление людей на безопасное расстояние: Минимальное допустимое расстояние для людей (R_min) при использовании ВВ определяется по формуле:
  Rmin = 15 ⋅ √mВВ
  где:
  • R_min — минимальное допустимое расстояние, м;
  • m_ВВ — масса чистого ВВ в составе заряда, кг.

  Пример расчета: Если масса ВВ составляет 100 кг, то R_min = 15 ⋅ √100 = 15 ⋅ 10 = 150 м.

• Защита от разлетающихся осколков: Дополнительно предусматривается защита личного состава с помощью навесов или щитов из прочных материалов. При отсутствии такой защиты или невозможности ее установки расстояние R_min увеличивается в 2-3 раза.

Риски для окружающей среды

Пожары газовых фонтанов наносят значительный ущерб окружающей среде:

• Загазованность: Неполное сгорание или утечки газа могут привести к загазованности территории, создавая взрывоопасные концентрации и угрозу для здоровья.
• Растекание нефти и конденсата: В случае газонефтяных фонтанов, нефть и конденсат могут растекаться по поверхности земли, образуя обширные зоны горения, что значительно усложняет тушение и усиливает загрязнение.
• Образование кратеров и грифонов: Длительное фонтанирование газа под высоким давлением может привести к разрушению грунта вокруг устья скважины, образованию кратеров и новых каналов выхода газа (грифонов), что часто ведет к потере скважины и дополнительным угрозам.

Организация и планирование тушения

Успешная ликвидация пожара газового фонтана требует комплексного, многоуровневого планирования и жесткой организации:

1. Штаб тушения: Все организационные и технические мероприятия осуществляются под руководством штаба, в состав которого обязательно входит старший представитель МЧС. Штаб координирует действия всех служб.
2. Подготовительные работы: Это важнейший этап, включающий:
   • Создание расчетных запасов воды: Организация водоисточников, прокладка магистральных линий.
   • Расчистка места пожара: Удаление разрушенного оборудования, металлоконструкций, расчистка подъездных путей.
   • Развертывание средств тушения: Подготовка позиций для лафетных стволов, АГВТ, других специализированных машин.
   • Подготовка площадок для боевых позиций: Выбор и оборудование мест, максимально безопасных для работы.
   • Мероприятия по отводу и сбору нефти: Для газонефтяных фонтанов – строительство амбаров, траншей для сбора нефти и конденсата.
   • Защита ближайших объектов и населенных пунктов: Эвакуация, установка водяных завес, мониторинг концентрации вредных веществ.
3. Роль пожарной службы: Пожарная служба играет ключевую роль, обеспечивая:
   • Водяную защиту людей, работающих на устье скважины: Непрерывное орошение персонала для защиты от теплового излучения.
   • Орошение фонтана и металлоконструкций: Охлаждение пламени и предотвращение термического разрушения оборудования.

Тщательное планирование, основанное на глубоком анализе рисков и расчете всех необходимых параметров, является залогом успешной и, что не менее важно, безопасной ликвидации пожаров газовых фонтанов.

Заключение

В ходе данной работы мы погрузились в сложный и многогранный мир горения и тушения газовых фонтанов, последовательно раскрывая его теоретические, расчетные и практические аспекты. Мы проследили за физико-химическими основами, от механизмов диффузионного и турбулентного горения до динамики стабилизации пламени, подчеркивая устойчивость этих процессов к внешним факторам.

Был проведен детальный анализ ключевых параметров горения, таких как дебит фонтана, теплота сгорания, температуры пламени и плотность лучистого потока. Представленные методики расчета, включая эмпирические формулы для дебита и методы определения молекулярной массы многокомпонентных смесей, демонстрируют важность количественного подхода к оценке масштаба угрозы и планированию ответных мер.

Особое внимание было уделено методам и технологиям тушения – от традиционного водяного тушения и высокоэффективных автомобилей газоводяного тушения (АГВТ) с их впечатляющими техническими характеристиками, до радикального применения взрывчатых веществ и инновационных вихрепорошковых систем. Каждый из этих методов имеет свою область применения и принципы действия, требующие глубокого понимания.

Мы также систематизировали влияние различных факторов – состава газа, давления, дебита, вида струи и метеоусловий – на интенсивность горения и эффективность тушения, показав, как эти переменные определяют тактику пожаротушения. Были подробно изложены методики расчета необходимого расхода огнетушащих веществ, подчеркнута этапность процесса тушения и строгие требования к организации водоснабжения.

Наконец, мы рассмотрели критически важные аспекты безопасности: опасности для личного состава, связанные с тепловым излучением, шумом и выбросом камней, а также специфические риски при использовании взрывчатых веществ. Были представлены методики расчета безопасных расстояний и акцентирована роль штаба тушения и подготовительных работ в снижении рисков для людей и окружающей среды.

Таким образом, данная работа подтверждает, что успешная ликвидация пожаров газовых фонтанов требует комплексного подхода. Это симбиоз глубоких теоретических знаний, точных инженерных расчетов и безупречной организации практических действий. Только такое всестороннее понимание проблемы позволяет повысить эффективность операций, обеспечить безопасность личного состава и минимизировать экологические и экономические последствия этих разрушительных явлений. Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на разработку новых, более безопасных и автоматизированных методов тушения, а также на совершенствование систем прогнозирования и моделирования поведения газовых фонтанов.

Список использованной литературы

1. Марков, В.Ф. Физико-химические основы развития и тушения пожаров / В.Ф. Марков, Л.Н. Маскаева, М.П. Миронов, С.Н. Пазникова. – Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – 274 с.
2. Марков, В.Ф. Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов / В.Ф. Марков, М.П. Миронов, Л.Н. Маскаева, Е.В. Гайнуллина. – Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2011. – 41 с.
3. Абдурагимов, И.М. Процессы горения / И.М. Абдурагимов, А.С. Андросов, Л.К. Исаева, Е.В. Крылов. – М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. – 113 с.
4. Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов. – М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. – 83 с.
5. Иванников, В.П. Справочник руководителя тушения пожара / В.П. Иванников, П.П. Клюс. – М.: Стройиздат, 1987. – 288 с.
6. Ахметов, Д.Г. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах / Д.Г. Ахметов, Б.А. Луговцов // Тр. школы семинара «Физика нефтяного пласта». – 2002. – С. 7-14.
7. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. – Л.: Химия, 1983. – 332 с.
8. Щетинков, Е.С. Физика горения газов / Е.С. Щетинков. – 1965.
9. Кучин, В.Н. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРА / В.Н. Кучин. – ОмГТУ.
10. Обеспечение пожарной безопасности нефтяных и газовых скважин // КиберЛенинка.
11. Инновационные способы тушения газовых фонтанов // КиберЛенинка.
12. Абдурагимов, И.М. Физико-химические основы развития и тушения пожаров / И.М. Абдурагимов, В.Ю. Говоров, В.Е. Макаров. – М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1980.
13. Тушение пожаров на фонтанирующих скважинах Западной Сибири // КиберЛенинка.
14. Тушение газовых и нефтяных фонтанов [Электронный ресурс] // ПожБез. Режим доступа: https://pozhbez.com/tushenie-gazovyh-i-neftyanyh-fontanov/ (дата обращения: 27.10.2025).
15. Тушение газового фонтана [Электронный ресурс] // Энциклопедия пожарной безопасности. Режим доступа: https://вдпо.рф/wiki/tushenie-gazovogo-fontana (дата обращения: 27.10.2025).
16. Особенности тушения газовых и нефтяных фонтанов [Электронный ресурс] // Монтажград. Режим доступа: https://montazhgrad.ru/stati/osobennosti-tusheniya-gazovyh-i-neftyanyh-fontanov (дата обращения: 27.10.2025).
17. Тушение очагов пожара взрывом: методы и способы [Электронный ресурс] // Fireman.club. Режим доступа: https://fireman.club/tu/tushenie-ochagov-pozhara-vzryvom-metody-i-sposoby/ (дата обращения: 27.10.2025).
18. Характеристики горения газов [Электронный ресурс] // FAS. Режим доступа: https://fas.su/articles/1739-glava-8-kharakteristiki-goreniya-gazov (дата обращения: 27.10.2025).