St. Petersburg, Russian Federation
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia (department of physical and chemical foundations of combustion and extinguishing processes, associate professor)
St. Petersburg, Russian Federation
St. Petersburg, Russian Federation
UDC 614.842.61
The paper presents the results of an experimental study on the fire-extinguishing efficiency of Cu-containing aqueous solutions in suppressing a Class A model fire used to simulate processes characteristic of peat and surface forest fires. The relevance of the study is determined by the high labor intensity of peat fire suppression, the significant consumption of extinguishing agents, and the limited effectiveness of conventional water-based suppression under smoldering combustion conditions and the development of deep-seated fire fronts. Experimental investigations were conducted under a fixed discharge rate using technical water and aqueous copper sulfate solutions within a concentration range of 0.4–3.2 g/L. The geometric parameters of the model fire seat, ignition conditions, and application scheme of the extinguishing agent remained unchanged throughout all test series, ensuring comparability of the results. The calculated extinguishing agent consumption, determined from the experimentally measured extinguishing time at a constant discharge rate, was adopted as the primary performance indicator. This approach allows a transition from a time-based criterion to an integral quantitative assessment of suppression efficiency. It was established that the introduction of Cu-containing additives into water leads to a consistent reduction in extinguishing time and, consequently, in the total consumption of the extinguishing agent. The reduction in agent consumption compared with water reaches approximately 30%, and a rational concentration range providing the maximum effect without significant additional improvement at higher concentrations was identified. The results confirm the potential of Cu-containing aqueous solutions for improving peat fire suppression efficiency while maintaining conventional water-based application schemes.
peat fires, flameless combustion, fire-extinguishing agents, aqueous solutions, copper sulfate, fire-extinguishing agent consumption
Введение
Торфяные пожары относятся к числу наиболее опасных и трудно ликвидируемых видов природных пожаров, что обусловлено спецификой протекания процесса горения. В отличие от пламенных лесных пожаров, они развиваются преимущественно в форме беспламенного горения, сопровождающегося медленным прогревом торфяной массы, термохимическим разложением органических веществ и формированием глубинных очагов. Такие очаги характеризуются высокой устойчивостью и способностью к повторному развитию, что существенно осложняет процесс их ликвидации. [1].
Анализ статистических данных демонстрирует устойчивую тенденцию к снижению общего количества пожаров. Однако, несмотря на уменьшение числа возгораний, наблюдается стабильный рост прямого материального ущерба, причиняемого пожарами, что указывает на увеличение их интенсивности и масштабов последствий (Рис.1). [2] Данное расхождение указывает на изменение характера пожаров, связанное с увеличением их масштабов и усложнением условий тушения.
Рис.1. График соотношения общего количества пожаров и материального ущерба от них в Российской Федерации 2020–2024 гг
В наибольшей степени указанные тенденции проявляются при торфяных пожарах. Беспламенный характер горения, значительная глубина распространения очагов и низкая эффективность поверхностного водяного тушения приводят к необходимости длительной подачи огнетушащего вещества в больших объёмах. Существенная часть подаваемой воды расходуется неэффективно вследствие ограниченного проникновения в пористую структуру торфа и интенсивного испарения в приповерхностных слоях, тогда как термохимические процессы в глубине массива продолжаются.
В условиях ограниченной доступности водных ресурсов и удалённости очагов торфяных пожаров от источников водоснабжения проблема расхода огнетушащего вещества приобретает особую практическую значимость. В этой связи традиционные подходы к оценке эффективности тушения, ориентированные преимущественно на сокращение времени ликвидации пожара, не в полной мере отражают реальные условия тушения природных пожаров.[3]
В ряде исследований отмечается возможность влияния медьсодержащих добавок на процессы, сопровождающие беспламенное горение органических материалов. При этом в рамках настоящей работы химические механизмы воздействия специально не выделялись и рассматриваются на уровне интерпретации полученных экспериментальных результатов. [4] [5]
В связи с изложенным целью настоящей работы является экспериментальная оценка огнетушащего действия водных растворов сульфата меди при тушении модельного очага пожара класса А, применяемого для моделирования процессов, характерных для ландшафтных (в том числе торфяных) пожаров. В качестве основного показателя эффективности рассматривается расход огнетушащего вещества, рассчитываемый на основе экспериментально измеренного времени тушения при фиксированном режиме подачи, что позволяет обосновать рациональную концентрацию сульфата меди в водном растворе.
Объекты и методики исследования
Объектом исследования являются процессы горения и тушения торфяных пожаров, протекающие преимущественно в форме беспламенного горения и характеризующиеся развитием устойчивых очагов в толще торфяной массы. Торфяной пожар рассматривается как сложный термохимический процесс, включающий стадии предварительного разогрева, удаления влаги, термического разложения органического вещества и последующего устойчивого горения при ограниченном доступе кислорода. [6] Существенное влияние на устойчивость данных процессов оказывают влажность торфа, его пористая структура, а также условия тепло- и массообмена с окружающей средой.
Экспериментальные исследования выполнялись в рамках принятой методики моделирования процессов горения и тушения, имитирующей горение живой и разложившейся растительности, характерной для низовых лесных и торфяных пожаров. [7] Используемый подход позволяет воспроизводить в лабораторных условиях ключевые закономерности развития горения торфа и оценивать эффективность огнетушащих воздействий.
В качестве экспериментальной модели использовался модельный очаг пожара класса А, воспроизводящий горение целлюлозосодержащих материалов и применяемый как физическая модель процессов горения растительных горючих материалов при ландшафтных пожарах. Геометрические размеры очага, масса загрузки и условия поджигания во всех сериях экспериментов оставались неизменными, что обеспечивало сопоставимость полученных результатов. [8]
Выбор модельного очага пожара класса А обусловлен тем, что данный тип очага соответствует по физико-химической сути горению целлюлозосодержащих и растительных горючих материалов, характерных для низовых лесных пожаров, а также для поверхностной стадии торфяного пожара. Использование очага класса А обеспечивает воспроизводимость условий горения и корректность сравнительной оценки эффективности огнетушащих воздействий.
В качестве огнетушащих веществ применялись водные растворы сульфата меди пятиводного (CuSO₄·5H₂O), приготовленные на технической воде. Диапазон концентраций растворов выбран с целью выявления зависимости эффективности тушения от содержания ингибирующего компонента и оценки предельного характера данного влияния. Составы исследуемых растворов приведены в Табл.1.
Табл.1. Составы исследуемых водных растворов CuSO4
|
Наименование состава |
Массовая концентрация CuSO4, (г/л) |
|
Техническая вода |
- |
|
состав A |
0,4 |
|
состав B |
0,8 |
|
состав C |
1,6 |
|
состав D |
3,2 |
Контрольным огнетушащим составом являлась техническая вода без добавок.
Подача огнетушащего вещества на модельный очаг пожара осуществлялась сверху при постоянном режиме подачи. Расход подачи ОТВ составлял 0,007 л/с, что соответствует величинам, характерным для ручных средств подачи воды, в том числе стволов ранцевых огнетушителей, применяемых при тушении ландшафтных пожаров и оставался одинаковым для всех серий экспериментов. Высота расположения насадка, геометрия струи и схема орошения во всех опытах не изменялись, что обеспечивало воспроизводимость условий эксперимента и корректность сравнительной оценки эффективности исследуемых составов.
В ходе экспериментов фиксировалось время тушения, определяемое как интервал от начала подачи огнетушащего вещества до полного прекращения горения. Для каждого исследуемого состава проводилось не менее пяти повторных опытов, по результатам которых определялись средние значения измеряемых параметров, что обеспечивало возможность последующей статистической обработки данных и оценки погрешностей.
Расход огнетушащего вещества определялся расчётным путём как произведение постоянного расхода подачи на экспериментально измеренное время тушения. Такой подход позволяет использовать расход ОТВ в качестве интегрального показателя эффективности тушения и корректно сопоставлять результаты, полученные для различных огнетушащих составов, без изменения базовой схемы эксперимента.
Результаты исследования
Экспериментальные исследования выполнены с целью количественной оценки влияния концентрации CuSO4·5H2O в водной среде на эффективность тушения модельного очага пожара класса А, используемого для моделирования процессов, характерных для начальной стадии горения торфа. В ходе испытаний сравнивались контрольный состав (техническая вода) и водные растворы CuSO4·5H2O с концентрациями 0,4–3,2 г/л. Во всех экспериментах режим подачи огнетушащего вещества оставался постоянным. В качестве измеряемого параметра фиксировалось время тушения.
С учётом практической направленности работы в качестве основного показателя эффективности принят расход огнетушащего вещества, определяемый как количество ОТВ, поданное до полной ликвидации горения при фиксированном режиме подачи. При неизменном расходе подачи ОТВ рассчитывался по соотношению
| V = q0t | (1) |
где, t – экспериментально измеренное среднее время тушения, (с), q0 – расход подачи (л/с), определенный по контрольному опыту (техническая вода) как
| (2) |
где, V0 — объём огнетушащего вещества, израсходованный при тушении контрольного очага, (л); t0 — время тушения контрольного очага, (с).
Такой подход позволяет перейти от временного критерия к количественной оценке расхода огнетушащего вещества без изменения экспериментальной постановки.
Погрешность расчётного расхода огнетушащего вещества определялась методом переноса погрешностей с учётом неопределённости измерений объёма и времени тушения. В расчётах учитывались, погрешность измерения времени тушения (не более ±0,2 с) и погрешность определения объёма огнетушащего вещества (не более ±0,01 л). Такой подход позволил оценить суммарную погрешность расчётного расхода ОТВ и обеспечить сопоставимость результатов для различных огнетушащих составов.
Использование расчётного расхода огнетушащего вещества в качестве основного показателя эффективности позволяет корректно связать экспериментально измеряемые параметры с практическими условиями ликвидации торфяных пожаров. При постоянном расходе подачи ОТВ снижение времени тушения эквивалентно уменьшению суммарного расхода ОТВ, что делает данный показатель интегральной характеристикой эффективности огнетушащего воздействия. Экспериментальные данные и результаты расчётов приведены в Табл.2.
Табл.2. Экспериментальные результаты тушения и расчетный расход ОТВ для водных растворов CuSO4 (модельный очаг класса А)
|
Наименование состава |
Концентрация CuSO4·5H2O, |
Время тушения, с |
Расход ОТВ, л |
|
Техническая вода |
0 |
24,0 ± 0,2 |
1,53 ± 0,02 |
|
состав A |
0,4 |
20,6 ± 0,2 |
1,31 ± 0,02 |
|
состав B |
0,8 |
18,2 ± 0,1 |
1,16 ± 0,01 |
|
состав C |
1,6 |
16,9 ± 0,1 |
1,08 ± 0,01 |
|
состав D |
3,2 |
16,1 ± 0,1 |
1,03 ± 0,01 |
Анализ представленных данных показывает устойчивую тенденцию к повышению эффективности тушения при введении CuSO4·5H2O в водную среду. Уже при концентрации 0,4 г/л наблюдается сокращение времени тушения и соответствующее снижение расчётного расхода огнетушащего вещества примерно на 14%. При увеличении концентрации до 0,08% экономия ОТВ достигает порядка 24%, а при 1,6г/л — около 30% по сравнению с технической водой.
Дальнейшее увеличение концентрации CuSO4·5H2O до 3,2 г/л сопровождается лишь незначительным дополнительным снижением расхода огнетушащего вещества, сопоставимым с величиной экспериментальной погрешности. Это указывает на приближение к режиму насыщения по эффективности, при котором рост концентрации ингибирующего компонента перестаёт приводить к пропорциональному снижению расхода ОТВ.
Полученные результаты позволяют выделить рациональный диапазон концентраций CuSO4·5H2O, обеспечивающий существенное снижение расхода огнетушащего вещества при сохранении стабильной работы водного огнетушащего средства. Выявленный характер зависимости «концентрация — эффект» создаёт основу для дальнейшей интерпретации результатов с позиций физико-химических механизмов действия Cu-содержащих растворов и их сопоставления с особенностями беспламенного горения торфа.
Обсуждение результатов
Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что введение Cu-содержащих добавок в водную среду приводит к устойчивому снижению расчётного расхода огнетушащего вещества при тушении модельного очага пожара класса А, используемого для моделирования процессов, характерных для торфяных пожаров. Установлено, что наиболее выраженное снижение расхода огнетушащего вещества достигается в области малых и средних концентрация; дальнейшее увеличение концентрации дает ограниченный дополнительный эффект.
Интерпретация полученных данных должна учитывать специфику горения торфа как процесса, протекающего преимущественно в форме беспламенного горения и включающего длительные термохимические стадии. [9] Устойчивость таких очагов определяется не только тепловыми условиями, но и скоростью низкотемпературных окислительных реакций, сопровождающих разогрев и пиролиз органического вещества. В этих условиях эффективность огнетушащего воздействия определяется не только охлаждением и увлажнением горящей среды, но и влиянием на химические процессы, поддерживающие горение.
Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о повышении эффективности тушения при использовании водных растворов сульфата меди, что выражается в снижении расчётного расхода огнетушащего вещества при неизменном режиме подачи.
Экспериментально установлено, что повышение концентрации CuSO4·5H2O эффективно в области малых и средних концентраций, тогда как дальнейшее увеличение концентрации приводит лишь к ограниченному дополнительному эффекту в рамках реализованных исследований.
С физической точки зрения снижение расчётного расхода огнетушащего вещества при добавлении CuSO4·5H2O может быть связано с более быстрым прекращением горения при неизменном режиме подачи, то есть с повышением суммарной эффективности охлаждения и увлажнения очага. Наряду с этим нельзя исключать вклад химических факторов: присутствие ионов меди в зоне реакции потенциально способно влиять на протекание окислительных превращений, характерных для беспламенного горения, и тем самым облегчать прекращение горения. Однако в рамках выполненных экспериментов химический механизм специально не выделялся и рассматривается как предположение, требующее дальнейшего экспериментального подтверждения.
Выявленный характер зависимости «концентрация — эффект» имеет важное прикладное значение. Экспериментально показано, что в области концентраций до 0,16% достигается наиболее значительное снижение расхода огнетушащего вещества, тогда как дальнейшее увеличение концентрации даёт лишь ограниченный дополнительный эффект, сопоставимый с величиной экспериментальной погрешности. Это указывает на существование рационального диапазона концентраций Cu-содержащих добавок, обеспечивающего повышение эффективности тушения без неоправданного увеличения содержания ингибирующего компонента.
Таким образом, обсуждение результатов показывает, что применение водных растворов CuSO4·5H2O при тушении модельного очага класса А обеспечивает снижение расчётного расхода огнетушащего вещества при неизменном режиме подачи. Полученный эффект может быть обусловлен совокупностью физических механизмов водяного тушения (охлаждение и увлажнение), при этом вклад химических факторов не исключается и рассматривается как предположение, требующее отдельного экспериментального подтверждения.
Заключение
В результате выполненных экспериментальных исследований установлено, что применение Cu-содержащих водных растворов приводит к повышению эффективности тушения модельного очага пожара класса А, используемого для моделирования процессов, характерных для торфяных пожаров. Экспериментально подтверждено, что введение сульфата меди в водную среду обеспечивает снижение расчётного расхода огнетушащего вещества при фиксированном режиме подачи.
Показано, что уменьшение расхода огнетушащего вещества обусловлено сокращением времени тушения, которое при постоянной интенсивности подачи эквивалентно снижению продолжительности воздействия огнетушащего состава на очаг горения. Такой подход позволяет рассматривать расход ОТВ в качестве интегрального показателя эффективности, адекватно отражающего практические условия ликвидации торфяных пожаров.
Установлено, что повышение концентрации CuSO4·5H2O сопровождается ростом эффективности тушения в области малых и средних концентраций. Наиболее выраженное снижение расчётного расхода огнетушащего вещества достигается при концентрации порядка 1,6 г/л, при которой экономия по сравнению с водяным тушением составляет около 30%. Дальнейшее увеличение концентрации приводит лишь к незначительному дополнительному эффекту, что свидетельствует об ограниченном дополнительном эффекте при дальнейшем увеличении концентрации в рамках выполненной экспериментальной постановки.
Физико-химическая интерпретация полученных результатов позволяет предположить, что наряду с физическими механизмами водяного тушения (охлаждение и увлажнение) возможен вклад химических факторов, влияющих на протекание окислительных процессов в зоне беспламенного горения.
Полученные результаты обосновывают существование рационального диапазона концентраций Cu-содержащих добавок в водных растворах, обеспечивающего повышение эффективности тушения при минимальном содержании ионов меди. С учётом водной основы исследуемых составов такие растворы могут рассматриваться для применения в составе водных огнетушащих средств при ликвидации торфяных пожаров без изменения принципиальной схемы подачи.
При практическом применении Cu-содержащих водных растворов необходимо учитывать санитарно-гигиенические требования и особенности тактики применения водных огнетушащих средств, включая длительность контакта личного состава с огнетушащим составом. Используемые в настоящей работе концентрации относятся к низким и обеспечивают ингибирующий эффект при минимальном содержании ионов меди, что позволяет рассматривать такие составы в рамках контролируемого применения при соблюдении требований охраны труда.
Полученные результаты создают научную основу для дальнейшего развития подходов к повышению эффективности тушения торфяных пожаров, включая перспективы разработки комплексных огнетушащих систем, сочетающих различные физико-химические механизмы ингибирования беспламенного горения.
Наряду с применением Cu-содержащих водных растворов перспективным направлением повышения эффективности тушения и локализации торфяных пожаров является использование железосодержащих минеральных добавок при формировании минерализованных полос. Fe-содержащие компоненты и минеральные материалы на их основе могут обеспечивать дополнительное ингибирующее воздействие за счёт увеличения теплоёмкости обработанной зоны, изменения теплофизических свойств поверхностных слоёв и ограничения поступления кислорода к зоне горения. В сочетании с водными огнетушащими растворами такие подходы способны повысить устойчивость минерализованных барьеров и снизить вероятность повторного развития беспламенного горения, что представляет практический интерес и требует дальнейших экспериментальных исследований.
1. Khoroshavin L. B., Medvedev O. A., Belyakov V. A., Bezzaponaya O. V. Peat fires and methods of extinguishing them // Fire and Explosion Safety. 2012. No. 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/torfyanye-pozhary-i-sposoby-ih-tusheniya (accessed: 12.12.2025). EDN: https://elibrary.ru/PRYSMN
2. Protsenko T. V. Mathematical model for justifying the need for and developing methods to improve the effectiveness of extinguishing large-scale fires // Scientific and analytical journal ‘Bulletin of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia’. 2025. No. 4. pp. 131-142. DOI: https://doi.org/10.61260/2218-130X-2025-4-131-142; EDN: https://elibrary.ru/YDEXAJ
3. Patsuk Sergey Vladimirovich, Klavdiev Alexander Alexandrovich, Kurennoi Anton Nikolaevich BASIC METHODS OF EXTINGUISHING PEAT FIRES // Current Issues of Fire Safety. 2022. No. 1 (11). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osnovnye-sposoby-tusheniya-pozharov-torfa (accessed: 08.12.2025).
4. Fyodorov Yu. I., Lapshin A. V. The role of metal ions in inhibiting chain oxidation reactions // Journal of Physical Chemistry. – 1995. – Vol. 69, No. 4. – P. 712-718.
5. Patent EP 2742979 A1 EUROPEAN PATENT APPLICATION, A62D 1/06. FIRE EXTINGUISHING COMPOSITION OF COPPER SALTS: No. 12823642.2: filed 04.08.2012: published 18.06.2014 / Tao Ji, Tao Wei.
6. Krutolapov A. S., Chernodedov A. S. Modelling peat combustion processes in the context of petroleum product extraction and transportation // Risk Management Issues in the Technosphere. 2014. No. 1. pp. 99–104. EDN: https://elibrary.ru/SBJFNX
7. Chernodedov A. S. Fire safety of peat resources // International Journal of Applied and Fundamental Research. 2009. No. 6. P. 52. EDN: https://elibrary.ru/LDNUBB
8. Zhdanova A.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A., Khasanov I.R., Fedotkin D.V. On the possibility of extinguishing forest and peat fires with polydisperse water flows. Fire and Explosion Safety. 2015; 24(2):49-66. DOI: https://doi.org/10.18322/PVB.2015.24.2.49-64.; EDN: https://elibrary.ru/TSLNHB
9. Brown, M. Reactions of Solids / M. Brown, D. Dollymore, A. Galvey; Translated from English by V. B. Okhotnikov, A. P. Chupakhin. - Moscow: Mir, 1983. - 359 p.
10. Sekerin I.M., Eritsov A.M., Krektunov A.A., Zalesov S.V. An effective method for extinguishing peat fires in winter. News of the St. Petersburg Forestry Academy. 2023;(245):23-35. https://doi.org/10.21266/2079-4304.2023.245.23-35. EDN: https://elibrary.ru/QKDNPL
11. Protsenko T.V. Modelling the need for forces and means to increase the effectiveness of extinguishing and reduce damage from large-scale fires // Technological Innovations and Scientific Discoveries: Collection of Papers from the XXIII International Research Competition. –Ufa, 2025. pp. 20–24. EDN: https://elibrary.ru/XDCZQA
12. Protsenko T.V., Ivakhnyuk G.K. Cu-containing fire extinguishing compositions for extinguishing man-made fires // Advanced technologies and innovations in education and science to improve quality of life and stimulate sustainable economic growth. – 2025. – Vol. 2, pp. 317-321. EDN: https://elibrary.ru/NVEJFL
13. Lin S, Huang X. An experimental method to investigate the water-based suppression of smoldering peat fire. MethodsX. 28 May 2020;7:100934. doi:https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.100934. PMID: 32551239; PMCID: PMC7289759. EDN: https://elibrary.ru/CFHDAD
