Владлен владимирович усовершенствование способа инертизации атмосферы аварийного участка парогазовой смесью

На правах рукописи

УДК 622.802 Аксенов Владлен Владимирович УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ИНЕРТИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ АВАРИЙНОГО УЧАСТКА ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСЬЮ Специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» (отрасль горная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» и Новокузнецком отдельном военизированном горноспасатель ном отряде.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Голик Анатолий Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Колмаков Владислав Александрович кандидат технических наук, доцент Иванов Юрий Иосифович

Ведущая организация: Печорский отдельный военизированный горно спасательный отряд, филиал ФГУП ВГСЧ

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу:

650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (384-2) 58–33-80.

E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КузГТУ.

Автореферат разослан 25 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ю.В. Лесин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Подземные пожары относятся к наиболее тяже лым авариям в угольных шахтах. Последствия, связанные с их возникновением, приводят к консервации огромных запасов угля, подготовленных к выемке, сдерживают развитие горных работ, наносят большой материальный ущерб, а в ряде случаев создают угрозу здоровью и жизни горнорабочих. Проведение гор носпасательных работ при их ликвидации сопряжено с опасностью для жизни горноспасателей.

Если абсолютное количество ежегодно возникающих аварий имеет тен денцию к снижению, то степень тяжести аварий, а вместе с этим и процесс ве дения горноспасательных работ осложняется. Анализ аварий за последние годы показывает, что почти каждый второй эндогенный пожар осложняется или пла менным горением или взрывоопасной ситуацией. Осложнения, возникающие в ходе ликвидации пожаров, увеличивают время ведения горноспасательных ра бот;

приводят к несчастным случаям с горноспасателями, в связи с чем усовер шенствование способа тушения подземных, в том числе и эндогенных, пожаров, основанного на инертизации атмосферы аварийного участка парогазовой сме сью, является задачей весьма актуальной.

Одним из наиболее перспективных способов предупреждения, локализа ции и тушения пожаров в шахтах является инертизация атмосферы аварийного участка, т.е. искусственное снижение концентрации кислорода в атмосфере горных выработок путем подачи инертного газа.

Целью работы является повышение уровня безопасности и эффективно сти ведения горноспасательных работ при тушении подземных пожаров.

Идея работы заключается в использовании математической модели инер тизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка для определе ния параметров инертизации.

Задачи исследований:

Обосновать возможность применения математической модели инерти зации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка угольной шахты.

Разработать метод математического моделирования процесса аэрогазо динамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка для обосно вания параметров инертизации.

Рассчитать параметры инертизации рудничной атмосферы генератором инертных газов типа ГИГ.

Провести опытно-промышленную проверку способа инертизации руд ничной атмосферы.

Методы исследований. При выполнении работы применен комплексный метод исследований, включающий:

- обобщение и анализ способов и средств предупреждения, локализации и тушения подземных пожаров, обеспечивающих инертизацию атмосферы;

- математическое и численное моделирование процессов аэрогазодина мики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка;

- опытно-промышленную проверку разработанного способа инертиза ции рудничной атмосферы аварийного участка.

Научные положения, выносимые на защиту:

- инертизация взрывоопасной среды аварийного участка происходит за счет ее замещения парогазовой смесью со скоростью 0,02 - 0,05 м/с в пористой среде обрушенного пространства выработки, и 0,5 – 0,6 м/с вдоль очистного за боя;

- заполнение объема аварийного участка происходит в квазистационарном режиме, когда после установления поля давления в объеме выработки формиру ется стационарное поле скоростей;

- стационарное поле давления в выработанном пространстве устанавлива ется за время не менее 10 мин после начала инертизации.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель инертизации рудничной атмосфе ры аварийного участка угольной шахты, включая выработанное пространство;

- установлена возможность мониторинга инертизации выработанного пространства парогазовой смесью;

- определен характер воздействия парогазовой смеси на взрывоопас ность среды аварийного участка и прилегающего к нему выработанного про странства во времени.

Достоверность научных положений подтверждается:

- удовлетворительной сходимостью результатов выполненных аналити ческих и шахтных исследований (расхождение в пределах 10 %);

- положительными результатами опытно-промышленной проверки инертизации рудничной атмосферы аварийного участка генератором инертных газов в режиме, выбранном на основе математического и численного моделиро вания процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварий ного участка.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- усовершенствован способ инертизации рудничной атмосферы, эффек тивность которого обеспечивается выбором параметров подачи инертного газа, определяемых исходя из конкретных условий аэрогазодинамики аварийного участка;

- разработаны руководство и тактика по применению генераторов инертных газов в шахтах;

- разработано руководство по изоляции горных выработок для преду преждения самовозгорания угля и возникновения взрывов.

Личный вклад автора заключается в обосновании методов исследова ний, выборе объектов исследования с учетом процессов аэрогазодинамики ава рийного участка;

разработке «Руководства по применению генератора инерт ных газов для инертизации аварийных участков в шахтах» и «Тактики примене ния генератора инертных газов».

Реализация выводов и рекомендаций работы Основные научные результаты и рекомендации исследований автора реа лизованы в шахтах Урала и Печорского угольного бассейна.

Основные положения и практические рекомендации диссертационной ра боты включены в «Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах» и «Тактики применения генератора инертных газов», основные положения которого включены в «Руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и воз никновения взрывов», утвержденные Центральным штабом Военизированных горноспасательных частей, и в настоящее время применяемые для изоляции аварийных участков подразделениями ВГСЧ.

Апробация работы Основные научные положения и практические выводы докладывались на научно-технических советах Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (2006 г., Кемерово), научного центра Восточного научно-исследовательского института по безопасности работ в угольной про мышленности (ВостНИИ, 2007 г. Кемерово), Западно–сибирского научно производственного объединения «Горноспасатель» (2008 г., Кемерово), техни ческих советах Отдельных военизированных горноспасательных отрядов Уральского (2007 г. Копейск), Новокузнецкого (2007 г. Новокузнецк), Печор ского (2007 г. г. Воркута), Центрального штаба Военизированных горноспаса тельных частей (2008 г. Москва).

Автор признателен коллективу кафедры «Аэрологии, охраны труда и при роды» ГОУ ВПО КузГТУ за помощь при подготовке диссертации.

Публикации. Всего опубликовано 27 печатных работ, из них по теме диссертации 6 работ и свидетельство на полезную модель (Российская Федера ция).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 7 работах.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за ключения, изложенных на 126 страницах, содержит 54 рисунка, 10 таблиц, спи сок литературы из 65 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится состояние вопроса и задачи исследований.

Исследованию проблемы тушения подземных пожаров и обеспечения промышленной безопасности посвящены работы И. М. Печука, В. М. Маевской, А. Ф. Милетича, Л. П. Томашевского, Г. Г. Соболева, Н. В. Орлова, А. И. Коз люка, В. П. Чаркова, А. М. Кушнарева, А. Н. Белопола, Л. П. Белавенцева, А. С.

Голика, В. В. Егошина, В. Г. Игишева, В. И. Лагутина, В. М. Кучера и др.

Вместе с тем анализ аварийности и травматизма показывает, что, несмот ря на ежегодное снижение абсолютного количества аварий, величина социаль ного ущерба от аварий неприемлема для современного общества. Объективной причиной такого положения является усложнение условий разработки угольных пластов в связи с углублением горных работ.

Подземные пожары составляют 26 – 57 % от общего числа аварий и ин цидентов, возникающих в шахтах, и наносят огромный экономический ущерб.

Локализация и ликвидация их сопряжена с опасностью для жизни горноспаса телей, приводит к несчастным случаям. В 2007 г. на ликвидации всех проис шедших 42 аварий горноспасатели отработали 210316 чел./ч, при этом дли тельность ведения горноспасательных работ на ликвидации взрывов и подзем ных пожаров составила 96%. Задача тушения пожаров и предотвращения взры вов очень сложна. Для ее решения требуется комплексный подход, включаю щий не только способы пожаротушения, но и их безопасность, которая может быть достигнута за счет инертизации атмосферы аварийного участка.

Во второй главе приведены данные о инертизации аварийных участков инертными газами. При образовании на аварийном участке взрывоопасной руд ничной атмосферы работы по изоляции ведутся, как правило, под защитой инертных газов. При подаче на участок инертных газов содержание кислорода в рудничном воздухе у очага пожара и в горных выработках снижается, что при водит к повышению уровня пожаро - взрывобезопасности. Рудничную атмосфе ру можно инертизировать углекислым газом, азотом или парогазовой смесью.

Углекислым газом целесообразно инертизировать небольшие объемы изолируемого пространства (менее 50 - 70 тыс. м3), при расстояниях от изоли рующих перемычек до пожара менее 500 - 700 м и разности высотных отметок выработок с поступающей струей и очагом пожара менее 20 м. Широкого при менения углекислый газ не нашел и в настоящее время горноспасателями прак тически не используется.

В качестве инертного газа достаточно широко применяется газообразный азот с температурой кипения 196° С, относительной плотностью близкой к плотности воздуха, что обеспечивает хорошее перемешивание его с воздухом и распространение по горным выработкам.

Газообразный азот рекомендуется:

для предупреждения взрывов и прекращения горения при изоляции по жарных участков, а также при изоляции в сочетании с разными способами ускорения процесса охлаждения очага пожара (рециркуляция, периодическое изменение направления движения пожарных газов и т. д.);

при ликвидации пожаров в горизонтальных тупиковых выработках лю бой длины;

при взрывных работах в горных выработках для создания инертной среды в месте производства взрыва;

для профилактики эндогенных пожаров.

Азотом инертизируются большие, более 50 - 70 тыс. м3, объемы изолиру емого пространства при значительных расстояниях от предполагаемого места возведения перемычек до очага пожара (более 500 - 700 м).

Успешное и широкое применение азота возможно лишь при наличии его в достаточном количестве. В настоящее время практикуется способ получения га зообразного азота на месте применения из воздуха с помощью газоразделитель ных станций. Однако, опыт применения установок при ликвидации подземных аварий на шахтах Украины показал, что добиться полного подавления очагов горения с их помощью не удается. Проблема заключается в том, что в азоте, по лученном на мембранных установках, содержится до 5 % кислорода. Недостат ком способа инертизации газообразным азотом является его низкая теплоем кость, определяющая необходимость дополнительного применения средств охлаждения очага пожара, а также непрерывной инертизации до изоляции или до активного тушения. Кроме того, уголь, помещенный в азотную среду, вос станавливает свою начальную окислительную способность. Так, например, при обработке угля в течение 5 суток газовоздушной смесью с содержанием азота - 65 % окислительная способность его увеличивается в два - три раза.

В начале 70-х годов с целью сокращения времени тушения подземных пожаров и предотвращения взрывов метана в шахтных выработках по заданию Министерства угольной промышленности был разработан генератор инертных газов ГИГ-4, вырабатывающий парогазовую смесь, которую можно применять в любых условиях.

Сущность процесса тушения пожаров заключается в замещении воздуха пожарного участка на парогазовую смесь с низким (до 2 %) содержанием кис лорода. Наличие большого количества водяного пара и тонкодисперсного вод ного аэрозоля в потоке парогазовой смеси с низким содержанием кислорода оказывает комплексное физико-химическое воздействие, выражающееся в об рыве цепей горения и интенсивном теплосъёме, благодаря чему достигается быстрая и эффективная инертизация атмосферы, а самое главное - обеспечива ется безопасность ведения горноспасательных работ. Пожаротушащие и флег матизирующие свойства парогазовой смеси по эффективности воздействия ее на очаги пожара выше аналогичных свойств азота или углекислого газа. Высо кая эффективность тушения пожаров в угольных шахтах с помощью ГИГ-4 не однократно была подтверждена на практике: с 1972 по 1982 годы генераторы ГИГ-4 успешно применялись для предотвращения взрывов при локализации пожаров в шахтах не только на территории СССР, но и в зарубежных странах.

Повышение темпов и глубины добычи угля сопровождается значитель ным возрастанием выделения метана на тонну добываемого угля, что приводит к увеличению количества воздуха, подаваемого на проветривание горных выра боток. А так как производительность генераторов должна равняться количеству воздуха, поступающего на пожарный участок, то для тушения пожаров потре бовались более производительные генераторы - был разработан ряд новых гене раторов с производительностью до 5370 м3/ч и напором до 1700 даПа.

Основной недостаток, сдерживающий использование генераторов парога зовой смеси, заключался в достаточно длительном подготовительном периоде, тогда как наиболее эффективно парогазовая смесь действует в случае ее приме нения не более чем через 20 ч после начала горения. Кроме того, нормативная база для их эксплуатации не удовлетворяет современным требованиям;

отсут ствуют методики обоснования и выбора параметров инертизации.

В настоящее время разработан генератор инертного газа нового поколе ния типа АИ-19ГИГ, предназначенный для тушения пожаров в закрытых и по лузакрытых помещениях, в шахтах и тоннелях. Установка, в три раза компакт нее предыдущей модели, включает в себя малоразмерный газотурбинный дви гатель типа ГТД - АИ-9ВП, камеры дожигания и охлаждения, электронный блок, обеспечивающий автоматическое управление и контроль за работой. Ни же приведены основные технические параметры установки АИ-19ГИГ.

Техническая характеристика Объёмная производительность инертных газов, м3/ч …….. 15 Содержание кислорода в парогазовой смеси, % …………... Расход воды, т/ч ………………………………………………5, Расход топлива (керосин ТС-1), кг/ч ……………………….. Скорость смеси на выходе, м/с…………………………….... Температура смеси на выходе из ГИГ, о C …………………. Габариты, мм ……………………………………………2745х852х Масса, кг ………………………………………………………. Однако эксплуатация газогенераторов сдерживается по ряду причин. Од ной из них является не отвечающая современным требованиям нормативная ба за для их применения, так как изменились не только горно-геологические усло вия отрабатываемых пластов, технология добычи, но и темпы их отработки, что в основном и обусловливает газовую ситуацию в рабочем и отработанном про странствах. Кроме того, отсутствуют методы оценки и контроля за процессом инертизации аварийной взрывоопасной среды.

Длительность подготовительного периода объясняется необходимостью решения ряда задач, вытекающих из аварийной ситуации. В общем случае инертизация рудничной атмосферы осуществляется в два этапа: цель первого этапа - создание взрывобезопасной атмосферы и подавление пламенного горе ния;

второго – поддержание инертной среды в изолированном пространстве аварийного участка в процессе остывания очага горения.

На первом этапе инертизации режим подачи парогазовой смеси определя ется соотношением количества инертного газа, поступающего к очагу горения Qин, и минимально допустимым количеством воздуха Qн, при котором исключа ется образование взрывоопасной концентрации метана в исходящей струе по жарного участка.

Если Qин 0,6 Qпг Qн, то необходимость в дополнительной подаче возду ха на участок исключается, и вентиляционный проем в перемычке на поступа ющей струе после запуска в работу генератора должен быть закрыт.

Парогазовая смесь подается при открытом вентиляционном проеме, если производительность выбранного генератора меньше Qн. При этом должно вы полняться условие 11 Q н Qин (1) 21 син После того как генератор отработает расчетное время необходимое для инертизации атмосферы в выработках, с поступающим к пожару воздухом и со держание кислорода снизится до 10 %, вентиляционный проем в перемычке на поступающей струе закрывается, что обеспечивает дальнейшее снижение кон центрации кислорода в аварийном участке, и приводит к подавлению пламенно го горения и охлаждению горючих материалов и вмещающих пород.

Основная задача второго этапа тушения пожара - сохранить инертную среду в изолируемом участке путем снижения притока свежего воздуха. Для этого одновременно с возведением перемычек сооружаются камеры выравнива ния давления. Величина минимального содержания кислорода в изолируемом участке прогнозируется по формуле Qинсин 21Q ут с уч. (2) QинQ ут ГИГ, как правило, монтируется в горной выработке, проветриваемой за счет общешахтной депрессии, вблизи сопряжения, для безопасного размещения топлива, пульта управления и другого оборудования. Один из возможных вари антов схем расположения оборудования в горной выработке приведен на рисун ке 1.

Рисунок 1 – Вариант монтажа ге 8 нератора в горной выработке:

1 – запас топлива;

2 – насос топ 5 ливный;

3 – фильтр;

4 – генератор;

5 – пульт управления;

6 – расходная емкость с топливом;

7 – газопровод;

8 – перемычка ка меры выравнивания давления;

9 – взрывоустойчивая перемычка 1 23 Вентиляционные режимы проветривания аварийных участков при туше нии пожаров с использованием инертных газов должны обеспечивать подачу к газогенераторной установке свежего воздуха в количестве, достаточном для ее устойчивой работы, но не меньшем, чем необходимо для предотвращения само произвольного опрокидывания вентиляционных струй.

Не допускаются резкие (более 20%) колебания интенсивности проветри вания выработок аварийного участка, особенно при тушении пожаров, сосредо точенных в выработанном пространстве, а также общее загазирование вырабо ток (более 2 %) и образование слоевых скоплений метана.

Подача инертных газов в горные выработки может изменить расход воз духа в них или привести к опрокидыванию вентиляционной струи. Возмож ность таких нарушений оценивается путем моделирования шахтных сетей с по мощью ЭВМ.

Таким образом, очевидно, что инертизация включает ряд подготовитель ных работ, в том числе расчет тепловой депрессии, выбор параметров инертиза ции атмосферы, от которых в значительной степени зависит эффективность и безопасность горноспасательных работ. Отсутствие компьютерных программ для выбора параметров инертизации и средств подачи делает процесс подготов ки длительным и трудоемким, при этом следует отметить, что эффективность работы генератора зависит от продолжительности функционирования пожара до начала тушения.

Отсутствие математического аппарата не позволяет проводить монито ринг воздействия инертного газа на аэрогазодинамическую обстановку инерти зируемых выработок и выработанного пространства.

В третьей главе изложено математическое моделирование процесса аэро газодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка. Метод математического моделирования процесса аэрогазодинамики инертизации руд ничной атмосферы аварийного участка позволяет определять параметры инер тизации с учетом аэродинамического сопротивления сети, а текущая оценка действия инертизации во времени повышает эффективность ведения горноспа сательных работ и их безопасность.

Для разработки математической модели инертизации рудничной атмосфе ры в выработках аварийного участка угольной шахты приведем математическое описание трехмерного нестационарного течения инертного газа от генератора инертных газов и рудничной атмосферы в выработанном пространстве угольной шахты, при следующих допущениях:

течение газа описывается пространственными уравнениями газовой ди намики в неподвижном пористом пространстве обрушенной среды выработан ного пространства угольной шахты;

в выработанном пространстве отсутствует горение метана и угля;

температура газовой смеси равна температуре обрушенной среды. Из вестно, что из-за большой теплоемкости обрушенной среды и развитой поверх ности теплообмена газ быстро приходит в температурное равновесие с материа лом каркаса пористой среды;

материал обрушенной среды абсолютно жесткий, его свойства не зави сят от направления, закрытая пористость отсутствует;

вязкость проявляется только в процессе силового взаимодействия газо вой смеси с материалом обрушенной среды;

характеристики обрушенной среды: пористость, коэффициент сопро тивления - изменяются непрерывно (разрывы этих характеристик внутри среды отсутствуют);

тепло, возникающее за счет работы сил сопротивления среды при вяз ком обтекании ее частиц, полностью возвращается в газ.

Не оговаривая прочих допущений, широко используемых в теории филь трации газов и жидкостей, выпишем классические интегральные законы сохра нения массы, импульса (движения) и энергии в пористом материале.

Если t - время, - произвольный фиксированный объем, занятый газом и материалом (последний может отсутствовать), ограниченный поверхностью, то перечисленные законы имеют вид:

d qn d 0 ;

(3) t qd pn qn q d Fc d p grad d gd ;

(4) t q p 2 q d qn e d g q d, e (5) t 2 где - плотность смеси;

p - давление;

e - внутренняя энергия единицы массы газа;

q- вектор скорости;

- пористость среды (относительный объем пор);

g - ускорение силы тяжести;

F - вектор сил сопротивления со стороны пористой среды;

d - площадь элемента поверхности с единичной нормалью n.

В уравнении движения слагаемое p grad d учитывает силу, обу словленную изменением «проходного» сечения пор, gd - силу тяжести.

g q d В уравнении энергии интеграл отвечает за работу силы тя жести.

Уравнение переноса кислорода записывается в виде уравнения сохране ния массы кислорода, т.е.

co d co qn d 0, (6) t где co - массовая концентрация кислорода в газе.

Система уравнений (3 - 6) замыкается уравнением состояния 1p e, (7) k c Po co c Pg 1 co где k - показатель адиабаты;

k ;

cVo co cVg 1 co cPo, cV o, cP g, cV g - теплоемкости при постоянных давлении и объеме для кисло рода и остального газа соответственно;

со - относительная массовая концентра o ция кислорода в газе;

co.

Как аэродинамическая система выработанное пространство представляет ся неоднородной пористой средой. Ее важнейшей характеристикой является за кон сопротивления фильтрации газа, учитывающий такие факторы, как скорость фильтрации, пористость среды, ее неоднородность по высоте и расстоянию от лавы. В зависимости от числа Рейнольдса фильтрационного потока чаще всего рассматриваются два вида законов сопротивления: линейный F r / u и квад ратичный F r u u, где r и r соответствующие коэффициенты сопротив / // // ления. Наиболее достоверные экспериментальные исследования для обрушен ных сред в выработанном пространстве показывают, что реальный закон сопро тивления таких сред описывается двухчленной зависимостью F r / u r // u u, учитывающей как ламинарные, так и турбулентные режимы течения.

Согласно современным представлениям по мере отработки очистного за боя в кровле пласта формируются три зоны разрушения. Первая зона, образо ванная разрушенными породами слоя мощностью h1 непосредственной кровли, представляет собой горную массу, устойчивость которой определяется силами сцепления и трения между отдельными кусками размером от сантиметров до 2 n 2,5 м и которая обрушается сразу за крепью с коэффициентом разрыхления K p.

Вторая зона - разрушенные породы мощностью h2 1/ 2h1, в которой формиру ется вторичный шаг обрушения. Третья зона мощностью h3 -это крупные блоки с коэффициентом разрыхления K p. В соответствии с принятой геомеханической структурой выработанного пространства аэромеханически активный слой в зоне обрушения пород кровли разделяется на два подслоя (нижний и верхний), с раз личными коэффициентами разрыхления и фильтрационными характеристиками.

При этом течение в нижнем подслое зоны обрушения является ламинарным, в верхнем – турбулентным. В зависимости от зоны обрушения меняются и коэф фициенты в законах сопротивления.

Алгоритм решения пространственной задачи нестационарной фильтрации метановоздушной смеси в выработанном пространстве разработан на основе метода С.К. Годунова.

Расчетная область – пористое обрушенное пространство выработки – по крывается разностной сеткой. Элементарная ячейка – куб. По методу С.К. Го дунова система трехмерных уравнений (3 - 6) записывалась в разностной форме (разностный аналог системы уравнений (3 - 6):

n1 n RU 3 RU 1 RV 4 RV 2 RW 6 RW 5 ;

(8) h c c RCU 3 RCU 1 RCV 4 RCV 2 RCW 6 RCW 5, (9) n 1 n h u u n 1 n RU 2 P RU 2 P RUV 4 RUV 3 RUW 6 RUW 5,(10) h 3 Fx p n 3 1 Gx h v v n 1 n RUV 3 RUV 1 RV 2 P RV 2 P RVW 6 RVW 5, (11) h 4 Fy p n 4 2 G y h w w n 1 n RUW 3 RUW 1 RVW 4 RVW 3 RW 2 P RW 2 P,(12) h Fz p n 6 5 Gz h E RE P U 3 RE P U 1 RE P V 4 RE P V E n 1 n h, (13) RE P W 6 RE P W 5 Ag - шаг по времени;

где h - шаг по пространству;

R, C, U,V,W, P, E - значения плотности газа, концентрации метана, скоро сти, давления и полной энергии на гранях ячеек;

Fx, Fy, Fz, Gx, Gy, Gz, - проекции сил соответственно аэродинамического сопротивления и тяжести на оси координат;

Ag - работа силы тяжести.

Значения параметров газа на новом временном слое определяются по формулам:

c n1 c n n1 ;

/ n1 ;

u n1 u n / n1 ;

v n1 v n / n1 ;

wn1 w n n1 u n12 v n12 wn12 / 2 (k 1).

p n1 E n Условием устойчивости для численного решения уравнений газовой ди намики является выполнение условия Куранта, которое накладывает ограниче 1 h ние на шаг по времени (для случая трех пространственных пе 3 max u a ременных). Здесь a - скорость звука в газе, при нормальных условиях она равна 340 м/с. При шаге h 2 м, величина шага по времени составит величину не бо лее 0,0015 с. Это ограничение существенно увеличивает время на проведение расчетов в больших объемах.

Для расчета аэрогазодинамики процесса инертизации рудничной атмо сферы в аварийной ситуации в забое и прилегающей к нему области обрушен ного пространства были рассчитаны объемы вытеснения рудничной атмосферы потоком инертных газов от генератора, расположенного в транспортном штре ке. Предполагается, что в транспортном штреке установлена перемычка с про емной трубой для подачи инертного газа от генератора, а в вентиляционном штреке - перемычка с проемом для выпуска замещаемой рудничной атмосферы (рисунок 3). Для расчетов приняты две схемы движения инертной смеси газов в участке, схематично представленные на рисунках 3а, б.

а б Рисунок 3 - Схемы движения инертной смеси газов в участке Расчеты проводились по методике численного решения системы уравне ний математической модели, представленной выше.

При расчетах было принято, что выработанное пространство имеет сле дующие размеры, м: ширина (длина очистного забоя) 200, длина – 200, высота 16, а высота очистного забоя – 4 м. Параметры подачи парогазовой смеси взяты из технической характеристики ГИГ-1500.

Расчеты показали следующее. После начала работы генератора инертных газов в пористой среде выработанного пространства достаточно быстро, за 20 30 мин, устанавливается стационарное поле давления, которое практически од нородное с небольшим градиентом к штреку, по которому осуществляется вы пуск рудничной атмосферы. Поле давления определяет поле течения газа в вы работанном пространстве. Необходимо отметить, что поле давления и поля ско ростей определяются размерами и структурой выработанного пространства, а также скоростью подачи инертных газов от генератора.

При фиксированной скорости подачи инертных газов поля давления и скоростей после установления со временем не меняются. Скорости движения среды в выработанном пространстве небольшие. Так, в штреке, через который подается инертный газ, скорость потока 4 м/с, вдоль очистного забоя 0,5 - 0, м/с, в пористой среде обрушенного пространства выработки – 0,02-0,05. Соот ветственно этим скоростям вытесняется и рудничная атмосфера выработанного пространства.

Вытеснение рудничной атмосферы из нижних слоев обрушенного про странства по сравнению с верхними слоями происходит с небольшим, не более 8 - 10 м, опережением. Фронт вытеснения наклонен в «наветренную» сторону примерно на 45о к вертикали. Также очевидно влияние штреков при подаче инертных газов и выпуске рудничной атмосферы - в углу выработанного про странства (напротив места выхода штрека по диагонали выработанного про странства) имеется застойная зона, из которой взрывоопасная рудничная атмо сфера вымывается очень медленно, так как в этой области наблюдается очень медленное вихревое течение.

Математическая модель позволяет проводить численное моделирование инертизации рудничной атмосферы в любых горно-геологических условиях и при любых применяемых технологиях.

Выбор параметров подачи парогазовой смеси в основном зависит от ин тенсивности метановыделения на аварийном участке и аэродинамического со противления сети, по которой осуществляется подача газа. Практически выбор параметров – очень сложная задача, и ее решение требует длительного времени.

Ошибки при выборе параметров процесса инертизации взрывоопасной атмо сферы могут иметь роковые последствия, так как напрямую влияют на уровень безопасности горноспасательных работ. В связи с этим численное моделирова ние инертизации рудничной атмосферы в тупиковой выработке имеет большое значение.

В качестве примера для моделирования процесса инертизации взята тупи ковая выработка длиной 25, высотой 4 м (рисунок 4).

В связи с малостью величины трения газов о стенки выработки процесс вытеснения атмосферы тупика и заполнения его инертным газом (парогазовой смесью) моделируется в плоской постановке (двухмерное плоское течение газа).

Парогаз в выработку подается по трубопроводу 3, который для плоского случая моделируется горизонтальной щелью по ширине выработки. Объемный расход парогаза через нее задается эквивалентным его расходу через трубопро вод генератора. Расход парогаза и концентрация кислорода на выходе из трубо провода 3 в расчетах соответствуют данным технической характеристики гене ратора ГИГ – 3000;

температура парогаза на выходе из трубы принимается рав ной 77о С. Место и дальность подачи парогаза варьируется.

1 Рисунок 4 - Схема продольного сечения тупиковой выработки:

1 – перемычка;

2 – вентиляционный проем;

3 – трубопровод для подачи парогазовой смеси На рисунках 5 - 6 представлены результаты заполнения парогазом тупи ковой выработки при подаче газа с середины выработки.

Заполнение объема тупиковой выработки парогазом осуществляется сле дующим образом. После начала подачи парогаза (далее газа) в выработке ста ционарное поле давления устанавливается очень быстро через 0,5 – 0,7 с, что соответствует трех - четырехкратному времени распространения волны сжатия (со скоростью звука) до тупика и обратно к перемычке). После этого давление изменяется мало, и в дальнейшем его изменение обусловлено только изменени ем плотности газа по мере заполнения объема теплым газом. Сформировавшее ся поле давления определяет скорость движения газа в выработке, которое так же мало меняется во времени.

м Co 0 4, м y, м 5 10 15 0. 0. 0. 0. 0. y, м 0. 0. 0. 0. 0. 5 10 15 20 0. 0. Рисунок 5 - Распределение концентрации кислорода в 0. модельной тупиковой выработке 25х4 м в течение 2 с 0. при подаче газа с середины выработки 0. б а 0. P T, K 0. 0. 0.1014 0. x x 0.1012 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 г 12.00 V 0.00 U в -2. 8. -4. 4. -6. 0. -8. x x -4. -10. 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 д 1. Со е 0. 1.16 0. 1.12 0. 1. 0. 1. 0.04 x x 1. 0. 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 Рисунок 6 - Распределение давления (а), температуры (б), горизонтальной (в), вер тикальной (г) скорости, плотности газа (д) и концентрации кислорода (е) по длине выработки на высоте 2 м через 2 с после подачи газа с середины выработки Газ вытекает из трубопровода, достигает забоя выработки, разворачивает ся и движется к вентиляционному люку перемычки, установленной на входе в тупиковую выработку, вытесняя рудничную атмосферу через вентиляционный проем. При этом более теплый инертный газ имеет еще и направленную вверх (положительную вертикальную) составляющую скорости.

Со временем в выработке изменяются температура газа, плотность и кон центрация кислорода. В течение 14 с атмосфера выработки практически полно стью замещается газом от генератора, при этом у почвы выработки, сразу за пе ремычкой, остается слой газа с повышенной концентрацией кислорода и начальной температурой, в связи с наличием в этом месте застойной зоны, по этому замещение исходной атмосферы выработки из этой области происходит очень медленно.

Разработанная математическая модель аэрогазодинамических процессов в выработанных пространствах и выработках шахты позволяет прогнозировать динамику инертизации рудничной атмосферы в выработанном пространстве очистных забоев и в тупиковых выработках. При разработке схем инертизации рудничной атмосферы и проведении работ целесообразно выполнять предвари тельное компьютерное моделирование аэрогазодинамических процессов.

Моделирование аэрогазодинамических процессов при инертизации руд ничной атмосферы дает возможность определять не только необходимый объем инертизации, включающий выработанное пространство, но и сопротивление се ти и время, необходимое для инертизации, а полученные данные - выбрать па раметры инертизации взрывоопасной рудничной атмосферы и средства для ее осуществления.

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленной про верки способа инертизации, основанного на применении физико математическая модели аэрогазодинамического процесса в обрушенной среде выработанного пространства аварийного участка, проведенной в шахте «Ком сомольская», где возник пожар в вентиляционном штреке 212 пласта «Четвер того» на сопряжении с лавой 212 (рисунок 7).

Система разработки – длинные столбы по простиранию. Управление кровлей – полное обрушение на механизированную крепь.

Для апробации способа инертизации рудничной атмосферы, основанного на применении физико-математической модели, предварительно, до начала ра бот по инертизации аварийного участка в штатном режиме, было осуществлено компьютерное моделирование аэрогазодинамических процессов в выработан ном пространстве и в горных выработках участка.

Схема аварииного участка ш.Комсомольская лавы 212-с пл. IV возникший 3.03.92 в 14ч. 10мин.

КПБ КПБ 800 м.

Q-150 150 м /мин Q – м3/мин. 800 м ГИГ - ГИГ- ЗАВАЛ Вентиляционный штрек 212-ю Лава 212 с пл. IV лава 212-с пл. IV Конвейерный штрек ГИГ- ГИГ - К.Ш. 212-с м IV 1800 пл.

1800 м КПБ КПБ Q-500 м3/мин. /мин Q – 500 м Рисунок 7 - Схема аварийного участка Математическая модель аэрогазодинамических процессов аварийного участка позволила выбрать параметры подачи парогаза и генераторы для его подачи. По результатам моделирования были выбраны генераторы типа ГИГ – 200 и ГИГ- 4, установленные соответственно на вентиляционном и конвейерном штреках. Во время выпуска газа осуществлялся компьютерный мониторинг ди намики инертизации рудничной атмосферы. Кроме того для проведения сравни тельного анализа у места установки генераторов и в 20 м от него в сторону по ступающей струи воздуха через каждые 15 мин осуществлялся контроль за со ставом рудничного воздуха.

В аварийной ситуации, как правило, невозможно определить новое направление движения газовоздушной смеси, а также скорость фильтрации, температуру и концентрацию взрывоопасных газов в любой точке выработанно го пространства.

Мониторинг показал, что интенсивное газовыделение происходит вблизи очистного забоя, в зоне частичной разгрузки от горного давления. Зона разгруз ки простирается по всей длине очистного забоя, распространяется на некоторую часть массива пород позади него. Распределение аэрогазодинамических пара метров по длине лавы, а также в выработанном пространстве контролировалось в любые в последовательные моменты времени от запуска генератора.

На рисунке 8 представлено распределение давления (а), температуры (б), горизонтальной (в), вертикальной (г) скорости, плотности газа (д), и концентра ции кислорода (е) по длине лавы на высоте 0,7 м через 10 мин после подачи па рогазовой смеси.

Из представленных на рисунках результатов моделирования видно, что в лаве длиной 200 м поле давления устанавливается за время порядка 10 мин, и затем оно определяет динамику течения рудничной атмосферы и инертных га зов. Рудничная атмосфера вытесняется из выработок аварийного участка и за мещается теплым инертным газом с меньшей концентрацией кислорода. ГИГ 200 отработал в рабочем режиме 2 ч, генератор на конвейерном штреке 4 ч мин, когда согласно данным мониторинга процесс инертизации был закончен полностью произошло замещение взрывоопасной рудничной атмосферы до концентрации менее 5% кислорода.

Затем проемы в изолирующих перемычках закрыли, с аварийного участка была снята депрессия (включены в работу камеры выравнивания давления.

Содержание газов после остановки ГИГ по исходящей аварийного участ ка, определенное инструментальным путем, составило, %: О 2 = 4,6;

СО2 = 8,7;

Н2 = 0,52;

СН4 = 1,0;

СО = 0,5.

Расхождение данных о составе рудничного воздуха, полученных путем прямых замеров, и данных полученных на основе моделирования составило 8 10%.

0.1017 P б а T, K 340 0.1016 0. 0. x x 0.1013 0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 8.00 V 4.00 U в г 6. 0. 4. -4. 2. -8. 0. x x -12.00 -2. 0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 1.20 0. д Со е 1.16 0. 1.12 0. 1 1.08 0. 3 1.04 0. 5 x x 1.00 0. 0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 Рисунок 8 - Распределение давления (а), температуры (б), горизонтальной (в), вертикальной (г) скорости, плотности газа (д), и концентрации кислорода (е) по длине лавы на высоте 0,7 м через 10 мин от начала работы генератора Анализ работ по ликвидации пожара показал следующее.

Инертизация аварийного участка парогазовой смесью значительно уменьшает время изоляции этого участка.

Инертизация аварийного участка парогазовой смесью позволяет осу ществлять дистанционное тушение очагов возгорания и обеспечивает безопас ность горноспасателей.

По существующим методикам расчета параметров процесса инертиза ции невозможно достоверно определить время инертизации, что может вызвать рецидив горения, создать взрывоопасную концентрацию атмосферы.

Применение моделирования аэрогазодинамических процессов повыша ет эффективность применения генераторов инертных газов, а также безопас ность ведения горноспасательных работ за счет качественного прогноза дина мики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленная диссертация является научной квалификационной рабо той, в которой на основе результатов аналитических и шахтных исследований способов тушения подземных пожаров и инертизации рудничной атмосферы, обоснования возможности применения и разработки физико-математической модели процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварий ного участка, усовершенствован способ инертизации взрывоопасной среды, имеющий существенное значение для обеспечения безопасности ведения горно спасательных работ и повышения их эффективности.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации за ключаются в следующем:

1 Установлена возможность инертизации выработанного пространства парогазовой смесью.

2 Инертизация взрывоопасной среды аварийного участка происходит за счет ее замещения парогазовой смесью со скоростью 0,02 - 0,05 м/с в пористой среде обрушенного пространства выработки, и вдоль очистного забоя 0,5 – 0, м/с.

3 Установлено, что заполнение объема аварийного участка происходит в квазистационарном режиме, когда после установления поля давления в объеме выработки формируется стационарное поле скоростей.

4 Стационарное поле давления в выработанном пространстве устанавли вается за время не менее 10 мин после начала процесса инертизации 5 Установлено влияние парогазовой смеси на взрывоопасность среды аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства во времени.

6 Определен характер формирования инертной среды в атмосфере ава рийного участка и прилегающем к нему выработанном пространстве.

7 Разработаны «Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах», «Тактика применения генера тора инертных газов», «Руководство по изоляции горных выработок для преду преждения самовозгорания угля и возникновения взрывов», применяемые под разделениями военизированных горноспасательных частей при ликвидации аварий и при ведении спасательных работ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Аксенов, В.В. О проблемах ликвидации аварий вида взрыв на угольных шахтах [Текст] : материалы Х Междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность жиз недеятельности предприятий топл.-энергет. компл. России», 13-16.06.2006 / В. Р.

Дингес, А. С. Апальков, В. В. Аксенов, Е. Р. Жолудев. – Кемерово – СПб, 2006. – С. 121 – 125.

2 Аксенов, В.В. Основные требования к технике для тушения пожаров на предприятиях угольной промышленности [Текст] / Е. Р. Жолудев, В. В. Аксенов // Вестник НЦ по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово. 2006. – № 2. – С 106 - 107.

3 Аксенов, В.В. О требованиях к средствам противопожарной защиты угольных шахт [Текст] / Е. Р. Жолудев, И. А. Малый, В. В. Аксенов // Безопас ность труда в промышленности. -2007. - № 10 – С. 29 – 30.

4 Пат. 49113 Российская Федерация, МПК7 E 21F5/00 Комплексная система подавления и тушения эндогенного пожара в отработанной части пласта [Текст] / А. В. Нехаев, А. Н. Малахов, В. В Аксенов, А. Е. Чуприков;

заявитель и патенто обладатель ОАО ш. Зиминка. - №2005108550;

заявл. 25.03.05;

опубл. 10.11.05;

Бюл. № 31. – 4 с.

5 Аксенов, В.В. Мобильный измерительный комплекс [Текст] // Е. Р. Жолу дев, В. В. Аксенов, Ю. В. Зорин // Вестник НЦ по безопасности работ в угольной промышленности. – Кемерово, 2006. - № 2. – С. 103 - 106.

6 Руководство по изоляции горных выработок для предупреждения само возгорания угля и возникновения взрывов [Текст] : утв. ВГСЧ РФ, 22.10.08 : ввод.

в действие с 01.01.09. - Кемерово:. - 144 с.

7 Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах [Текст] : утв. ВГСЧ РФ, 22.10.08 : ввод. в действие с 01.01.09. - Москва:. - 69 с.