Анализ событий в Сокских штольнях 1-5 мая 1999г.
В.А. БУКИН, Сам. СК
Сокская штольня представляет собой выработанную в известняке площадь высотой до ~5?7 м, вытянутую в широтном направлении, длиной до 1,5 км и шириной до 0,5 км. Штольня заложена в г. Тип-Тяв массива Сокольих гор у посёлка Красная Глинка.
Для удержания веса вышележащих пластов оставлены целики и отдельные стенки суммарной площадью ~25 % площади штольни. С севера, со стороны железной дороги и с юга, со стороны карьера, выходящие на дневную поверхность горизонтальные входы взорваны с образованием перекрывающих входы глыбовых осыпей. Движение осыпей со временем привело к вскрытию части северных входов в их верхних частях. Газообмен штольни с атмосферой через основание осыпей из-за их уплотнения возможен с очень небольшими расходами. Штольню пересекают ряд закарстованных, трещин.
В зонах нарушений перекрывающего пласта он поддерживается деревянной крепью в виде стоек и клетей. Несущая способность крепи в настоящее время в основном утрачена.
Полная площадь штольни ~300000 м2, свободный объём ~1000000 м3. Штольня была заселена несколькими видами летучих мышей, пещерной энтомофауной, грибами, пещерной флорой, включая высшее цветковое растение (сапрофит), развивающееся на крепи.
В зонах фильтрационного водопритока местами отмечены небольшие сталактиты, натёчная кора, на полу, на обломочном материале и упавшей крепи натёчные капельники, ванночки с кораллитами в воде. В зоне интенсивного капежа (“Водокап”) в известковом тесте и крошке образовались капельники в виде воронок глубиной до 25 см.
Ставшие многочисленными в последние несколько лет посещения штольни увеличили занос в штольню органического мусора и микрофлоры, но вентиляция и световой режим остались в основном прежними.
Задымления от пожара 1998 года привели к гибели ряда компонентов биоценоза, включая часть популяции высших цветковых растений (“лианы”). Запах продуктов сгорания, сорбированных поверхностью породы и крепи, оставался сильным более месяца после пожара.
1. Рассмотрим модель циркуляции смеси продуктов сгорания с воздухом в горизонтальном плоскопараллельном слое бесконечных размеров.
В результате свободной конвекции (вследствии разности плотности нагретых и холодных слоев) в горизонтальном плоскопараллельном слое бесконечных размеров образуется торообразный вихрь (см. рис.1).
На первом этапе вихрь не замкнут: имеется радиальное растекание смеси продуктов сгорания с воздухом вдоль потолка и радиальное стекание холодного воздуха в зону горения.
На втором этапе, при охлаждении смеси продуктов сгорания с воздухом до температуры холодного воздуха происходит замыкание торообразного вихря.
На третьем этапе смесь продуктов сгорания с воздухом с нижним потоком достигает зоны горения.
На четвёртом этапе происходит горение органики (крепи) в атмосфере, обогащённой продуктами сгорания и обеднённой кислородом.
На пятом этапе горение прекращается и начинается диффузное рассеяние и сепарация продуктов сгорания, несгоревших органических молекул и сорбция их поверхностью штольни.
Для определения размеров торообразного вихря, времени его замыкания (окончание первого этапа), времени развития второго и третьего этапов, оценим интенсивность конвективного и лучистого теплообмена смеси продуктов сгорания с воздухом со стенами штольни.
1.1. Задача свободного теплообмена потока газа с пластиной описывается критериальной зависимостью:
1.2. Для определения времени заполнения торового вихря продуктами сгорания (первые три этапа) примем допущения:
- состав продуктов сгорания соответствует стандартному сочетанию дымовых газов
(PCO2 = 0,13, PH2O = 0,11, PH2 = 0,76),
- теплоёмкость дымовых газов при температуре +25oС
Сpдым = 0,250 ккал/кг7oС,
- теплоёмкость сухого воздуха при температуре +25oС
Сpвозд = 0,240кккал/кг7oС,
- влажность крепи ~30%.
Соотношение условной углеводородной составляющей крепи, дающее стандартную смесь дымовых газов к дымовым газам, полученное исходя из молекулярных весов исходных и конечных продуктов равно:
1,78 / 28,98 = 0,0614
Долю условной углеводородной смеси в крепи можно оценить из соотношения теплотворной способности типичных углеводородов (11000 ккал/кг) и плохих дров – крепи (3000 ккал/кг): 3000/11000 = 0,2727, остальное: вода – 0,3 и зола – 0,43.
1 кг крепи даёт дымовых газов: 1кг * 0,2727 * 28,98/1,78 = 4,440 кг,
1 кг крепи нагревает на 50°С (от 0°С до 50°С) смеси воздуха и дымовых газов:
(3000 ккал – 0,3 кг*539 ккал/кг)/(50°С*0.250 ккал/кг*°С)=227 кг ~ 175,3 м3,
где 0,3 кг*539 ккал/кг – теплота испарения воды из крепи.
Степень разбавления: 227/4,44 = 51,1 раза.
Состав газовоздушной смеси:
СО2: 0,13/51,1 = 0,002544 + 0,0004 = 0,002944
Н2О: 0,11/51,1 = 0,002153 + 0,3 кг/227 кг + 0,421/100 = 0,002153 +
+ 0,001322 + 0,00421 = 0,007685 ?? 0,123 – насыщение при 50oС
О2: 0,217(1 – 1/51,1) = 0,2059
Ar: ~ 0,01
N2: остальное (0,773).
При толщине слоя 2 м и коэффициенте свободного объёма 0,75 площадь “верхнего блина” составляет на 1 кг сгораемой крепи в час:
(175,3 м3/кг) / (2м*0,75) = 116,87 м2/кг.
Время заполнения “верхнего блина” продуктами сгорания:
(22,43 м2/кг)/ 116,87 м2/кг = 0,192 час.
При подсосе свежим воздухом остывших краёв “верхнего блина” конец третьего этапа (подход продуктов сгорания к зоне горения) наступит через
двойное время образования “верхнего блина”, что составляет 23 минуты.
Концентрация СО2 составит перед зоной горения 0,3%, что 2. После
прохождения 4 циклов (1,5 часа) наступает первая стадия отравления СО2 (1,05%) — стадия одышки. Следует отметить, что по
наблюдениям автора при концентрации СО2, вызывающей симптомы первой стадии отравления, прекращается горение спички, сигареты. Таким
образом, в диапазоне времени 1,5 часа – 10,5 часов имеет место неполное сгорание с образованием СО. Оценка скорости накопления СО не проводилась.
1.3. В связи с наличием в смеси воздуха с дымовыми газами трёхатомных молекул (СО2 и Н2О) следует оценить вклад лучистого теплообмена между газовой смесью и стенами штольни. Влиянием аэрозолей и органических молекул на степень черноты газовой смеси пренебрегаем.
Расчёт лучистого теплообмена между газовой смесью и стенами, его ограничивающими производится по формуле:
При допущении об отсутствии конвективного теплообмена, зависимость радиуса прекращения лучистого теплообмена газовой смеси с поверхностью штольни, в зависимости от интенсивности горения крепи приведена на рис. 2.
Соответственно, время наличия концентрации СО2 в диапазоне от 1 до 7% для лучистого теплообмена составит от 2 до 5.5 суток, для суммарного теплообмена от 1,4 часа до 9,7 часов.
Вклад теплопроводности
1.4. В связи с использованием интегральных (средних) оценок теплооб-мена, полученные результаты характеризуют порядки величин и являются сугубо предварительными. Построенная модель может быть уточнена расчет-ными методами (например, пакеты: Ansis, Nastran) и подтверждена экспери-ментом на полномасштабной модели (задача в целом не автомодельна):
- конвективный теплообмен не зависит от характерного размера только в определённом диапазоне чисел Релея;
- лучистый теплообмен всегда зависит от характерного размера газового объёма).
После прекращения горения газовоздушное облако представляет собой смесь продуктов сгорания (Н2О, СО2, СО), азота, кислорода (за вычетом выгоревшей части), несгоревших продуктов термической деструкции древесины крепи и аэрозольных частиц. Вода уже в процессе теплообмена торообразного облака оседает на потолке штольни.
Молекулярная масса угарного газа – 28, азота – 28, кислорода – 32 близки между собой и эти газы образуют практически не расслаивающуюся, однородную по высоте смесь. Углекислый газ с молекулярной массой 44 под действием силы тяжести диффундирует вниз и скапливается на полу штольни, в зоне облака и вне его.
В дальнейшем неподвижное облако рассеивается за счет диффузии и сорбции компонентов (кроме N2, O2) стенами штольни.
Выше описанные построения справедливы в неподвижном воздухе. По наблюдениям автора в подобных штольнях существуют медленные токи воздуха со скоростью до нескольких сантиметров в секунду, вызванные “просачиванием” наружного ветра через глыбовые завалы взорванных входов и небольшие щели, служащие действующими входами. (По наблюдениям автора в Съяновских катакомбах в окрестностях пл. Ленинская, Московской области подобные токи (дрейф) воздуха создают у части людей ощущение, что там, откуда они исходят, находится человек: по легендам это хозяйка Съянов – Двуликая).
Рассмотрим среднюю скорость в верхней части торообразного облака в период горения (рис.3).
При ин-тенсивности го-рения более 100 кг крепи в час можно не учи-тывать дрейф воздуха и разви-тие торообразного облака, и самогашение возгорания происходит по описанной схеме. При интенсив-ности горения менее 10 кг тороид будет разрушаться дрейфом воздуха, и горение может продолжаться до выгорания всего скопления крепи (рис. 4).
2. Рассмотрим реакцию человеческого организма на газовоздушную смесь, образовавшуюся при горении крепи в условиях Сокской штольни.
Как уже отмечалось в разделе 1, газовоздушная смесь представляет собой:
- примерно обычное количество азота;
- сниженное парциальное давление кислорода от 0,21 до 0,125;
- ~ 0,008;
- в диапазоне от 0,0004 до 0,07 и более;
- ненулевое количество СО;
- несгоревшая газообразная органика;
- аэрозольные частицы (дым).
Следует обратить внимание, что человек непосредственно ощущает действие только части органики.
2.1. Кислородное голодание.
Рассмотрим острое кислородное голодание.
Первая стадия: парциальное давление О2 120-90 мм рт. ст. (16…12% при 1 атм.)
Симптомы: тахикардия, одышка, легкая синюшность кожи и слизистых, нарушение координации, ослабление внимания.
Вторая стадия: парциальное давление 90-60 мм рт. ст. (12…8% при 1 атм.). Предшествует потере сознания.
Симптомы: пульс 110…120, давление крови резко возрастает, глубокое и частое дыхание, иногда расстройство дыхания, снижена реальность оценки событий, эйфория и беспечность.
“Человек стремится к выполнению намеченной цели без учета реальной обстановки и опасности”.
Третья стадия: парциальное давление
Симптомы: синюшность кожи и слизистых, рвота, через 2-3 минуты после потери сознания наступает паралич дыхательных центра, через 5-6 минут прекращает работу сердце, смерть без оказания помощи, при восстановлении сознания провал памяти.
При быстром снижении парциального давления 22 потеря сознания наступает внезапно. В некоторых случаях перед потерей сознания отмечается головная боль, прилив крови к лицу, чувство жара, шум в ушах, мелькающая перед глазами сетка. Пострадавший отреагировать на эти симптомы не успевает.
Отмечено, что высокотренированные спортсмены прекращали задержку дыхания при 3% О2 (22,8 мм рт. ст.) в альвеолярном воздухе. (В. Пономарев).
2.2. Отравление углекислым газом.
Увеличение СО2 в альвеолярном воздухе на 0,2-0,3% приводит к усилению одышки в 2-3 раза. Уменьшение на 0,2% приводит к кратковременной остановке дыхания (АПНОЭ).
В клинической картине отравления СО2 различают три стадии:
2.2.1. Стадия одышки наступает при повышении парциального давления СО2 во вдыхаемом воздухе от 7,6 до 53 мм рт.ст. (от 1 до 7% в воздухе). Признак отравления – одышка. Лёгочная вентиляция достигает 80?100 л/мин. Чувствуется жар, потливость, постепенно усиливающаяся головная боль, стук в висках, головокружение, покраснение лица. Пульс редкий, хорошего наполнения.
2.2.2. Стадия судороги наступает при повышении парциального давления СО2 во вдыхаемом воздухе от 53 до 76 мм рт.ст. (7?10%). В этой стадии все вышеперечисленные симптомы усиливаются. Может появиться рвота. Вследствие развивающегося торможения коры больших полушарий головного мозга у человека наступает апатия и понижается работоспособность, которые ещё могут быть преодолены усилием воли. Возникает мышечная слабость, синюшность лица, дискоординация движений и судороги при каждом вздохе. Наконец, может быть потеря сознания.
2.2.3. Стадия наркоза наступает при повышении парциального давле-ния СО2 во вдыхаемом воздухе более 76 мм рт.ст. (свыше 10% СО2). В этой стадии человек теряет сознание. Судороги прекращаются, дыхание становится более медленным и глубоким. В дальнейшем наблюдаются лишь отдельные глубокие вдохи через большие промежутки времени (один вдох в течении 2-3 минут). Парализуется дыхательный центр и дыхание прекращается. Через несколько минут прекращается сердцебиение и наступает смерть.
После длительного вдыхания воздуха, содержащего высокий процент CО2 (наркотические или близкие к ним концентрации), быстрый переход на дыхание обычным воздухом может вызвать проявление так называемого обратного действия СО2, характерного одним или несколькими приступами клонических и тонических судорог.
Большую роль играет время, в течение которого находился пострадавший в атмосфере с повышенным содержанием СО2.
Кратковременное вдыхание газовой смеси с высоким содержанием СО2 менее опасно, чем длительное вдыхание смеси, содержащей меньшее количество СО2.
2.3. Дифференциальная диагностика.
Картина отравления СО2 в стадии наркоза значительно отличается от потери сознания при кислородном голодании. Частота пульса и дыхания при СО2 наркозе остается нормальной или несколько замедляется, в то время как при кислородном голодании наблюдается очень частый пульс и несколько учащенное дыхание. Сознание при отравлении СО2 возвращается медленно, а синюшность лица держится долго. В случае кислородного же голодания оно возвращается быстро и лицо принимает нормальную окраску как только водолаз начинает дышать воздухом или газовой смесью, богатой О2.
При отравлении О2 судороги не зависят от выдоха, как при отравлении СО2. Они наступают периодически и могут продолжаться в течении некоторого времени уже в нормальных условиях.
2.4. Отравление угарным газом.
0,05% СО угрожает здоровью, 0,15% – тяжелое отравление.
Признаки отравления СО: ощущение тяжести и сдавливания головы, головные боли и стук в висках, потемнение и мелькания в глазах, шум в ушах и головокружение, общая слабость и быстрая утомляемость, дрожание конечностей, судороги и потеря сознания.
СО связывается с гемоглобином в 200-300 раз быстрее кислорода. Распад соединения продолжается часами.
3. Рассмотрим возможные модели событий, развивающихся в Сокских штольнях с 1 по 5 мая 1999 года.
Фоном событий служит следующая обстановка:
- крупные газовоздушные облака (0>50 м), дрейфующие по штольне и оторвавшиеся от питавщих их очагов горения;
- мелкие очаги горения, у которых тороидальные вихри (0
- заполняющее всю штольню или отдельные участки “озёра” углекислого газа;
- диффузия компонентов газовоздушных облаков в межоблачное пространство;
- преимущественное смещение облаков и диффундирующих из них продуктов на ЮГ, оттеснение их от входов под действием северного ветра;
- блуждание смещённых облаков и продуктов диффузии по линии запад-восток (большой оси штолен) при отклонении направления ветра на поверхности от нормали к большой оси штолен.
3.1. Развитие событий со студентами.
Развитие событий со студентами началось с углубления их в задымленную зону. Можно предположить, что при контакте с дымом Андрей пошел разведать обстановку в месте лагеря, а девушки остались ждать результатов. Последние могли внезапно потерять сознание при погружении (сели, легли) в “озеро” СО2. Мотивом для того чтобы лечь могло послужить чувство жара, головной боли, головокружение при действии СО2 (стадия одышки от 0,01 до 0,07), или воздействие диффузного СО: ощущение тяжести и сдавливания головы, головная боль и стук в висках и т.д. Андрей, при активном перемещении по штольне, пересекая газовые облака, должен был находиться в первой стадии отравления СО2 (возможно и СО), мог пытаться тушить возгорание и получить ожог легких или пытаясь отдохнуть у возобновившегося очага горения (на первой стадии при подсосе свежего воздуха, до замыкания торового вихря) попал в ловушку, мог тушить возгорание или, уходя из задымленной зоны, и потеряв ориентацию, вынужден был пересекать зону горения.
3.2. Развитие событий со спасателями службы 911.
Сотрудники службы 911 из-за отсутствия “конкурентов” были вынуждены приступить к спасательным работам без надлежащей подготовки и надлежащего снаряжения (в частности изолирующих противогазов автономных замкнутого цикла с достаточным временем действия и кислородных аппаратов открытого цикла с малым временем действия, необходимых для оказания первой медицинской помощи пострадавшим). Подобный риск в условиях жесткого дефицита времени оправдан не только с моральной, но и с профессиональной точки зрения.
Отравление спасателей службы 911 развивалось по следующей схеме:
Первый этап: стадия одышки (1-7% СО2). Лёгочная вентиляция 80-100 л/мин вместо 8 л/мин. Чувствуется жар, потливость, постепенно усиливающаяся головная боль, стук в висках, головокружение, покраснение лица. Пульс редкий, хорошего наполнения. Сплошность лица, характерная для второй стадии отравления СО2, отсутствует.
Увеличенная в 10-12 раз вентиляция лёгких привела к:
- усиленному поглощению СО с образованием карбоксигемоглобина и снижению кислородной ёмкости крови;
- отравлению различными продуктами сгорания (в дополнение к CО2 и СО);
- усиленному осаждению аэрозолей в лёгких.
Второй этап: ночной отдых. Восстановление работоспособности непол-ное, в частности разрушение карбоскигемоглобина успело произойти частично.
Третий этап: повторение первого этапа на фоне накопившихся не скомпенсированных изменений. Более быстрые и более сильные изменения, снижающие способность преодолевать физическую нагрузку, усталость. Отсутствие замены на этом этапе явилось причиной гибели. Иные факторы могли быть только второстепенными.
Четвёртый этап: достижение кем-то или всеми троими уровня усталости, делающего непреодолимым потребность присесть отдохнуть. Погружение в зону максимальной концентрации СО2 (>10%) с внезапной потерей сознания. В дальнейшем наблюдаются отдельные глубокие вдохи через большие про¬межутки времени (один вдох в течении 2-3 минут). Парализуется дыхатель¬ный центр и дыхание прекращается. Через несколько минут прекращается сердцебиение и наступает смерть. (В некоторых источниках указывается на немедленное прекращение дыхания при первом вдохе чистого СО2.).
Указанная схема объясняет:
- отсутствие тканевой гипоксии;
- время гибели (~ 11-13 часов второго дня работы);
- одновременную гибель всех троих.
3.3. Возможность иного развития событий.
Профессиональные действия работников МВД, администраций и МЧС с момента получения сигнала тревоги от родственников Андрея, (немедленное привлечение профессионалов горноспасателей Самарского метростроя или Кашпирского сланцевого рудника) исключило бы гибель спасателей 911.
В связи с молниеносным по сравнению с характерными временами подъезда и подлёта к Сокским штольням развитием событий, возможность оказания помощи студентам при современном развитии техники (индивидуальные спасательные средства, средства связи и т.д.) была невозможна.
Мерами, существенно снижающими вероятность подобного развития событий, являются:
- повышение общей культуры населения (совет: “не ходите дети в Африку гулять” не так плох, а Бажовское ? не гневать хозяйку гор абсолютно необходимо);
- развитие спелеокультуры в частности (любое задымление в подземной полости ? сигнал ее покинуть);
- организация дренажей для СО2 в основании части входовых осыпей;
- наличие квалифицированной службы МЧС.
P.S. Версию острого отравления СО исключают спокойные позы всех погибших. Потеря сознания при остром отравлении СО (угар) характеризуется чувством тревоги, паникой, судорожными движениями.
У студентов в любом случае неизбежно развивались одышка при воздействии повышенного количестваСО2 во вдыхаемом воздухе, усиленное поглощение СО, органики и аэрозолей, недопустимое снижение кислородной ёмкости крови.
Автор приносит благодарность за консультации: к.т.н. Головинскому В.Н., Президенту РФПР Дажаеву В.С., а также спелеологам: Пудовкину Н.Е., Метёлкину А.В., Бортникову М.П. за предоставленную информацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Михеев М.А. и Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи. Госэнергоиздат, 1960.
- Печатин А.А., Суровикин В.Д., Фадеев В.Г. Человек под водой. ДОСААФ, 1967.
