Научное обоснование разработки средств ликвидации скоплений газа в горных выработках методом пульсирующей вентиляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УДК 622.82:622.411.3

Специальность 05.26.02 - «Безопасность в чрезвычайных ситуациях»

(в горной промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научное обоснование разработки средств ликвидации скоплений газа в горных выработках методом пульсирующей вентиляции

ФИЛИН Александр Эдуардович

Москва 2009



Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научные консультанты

доктор технических наук, профессор Ушаков Ким Захарович

доктор технических наук, профессор Каледина Нина Олеговна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор - Матвиенко Николай Григорьевич

доктор технических наук, профессор - Терентьев Борис Дмитриевич

доктор технических наук - Поздняков Георгий Акимович

Ведущая организация Федеральное унитарное государственное предприятие центральный штаб военизированных горноспасательных частей угольной промышленности (ФГУП ЦШ ВГСЧ угольной промышленности), г. Москва

Защита состоится 2009 г. на заседании диссертационного совета Д-212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук Королева В.Н.



Общая характеристика работы

Актуальность работы. Аварии, связанные со скоплением опасных и вредных газов, систематически проявляются на горных предприятиях, что приводит к чрезвычайным ситуациям (ЧС), нанося значительный материальный ущерб, и создает угрозу жизни и здоровью людей. В последние годы на угольных шахтах произошли крупные взрывы метана с гибелью от 50 до 110 человек и значительными материальными потерями. Особенно остро угроза ЧС по газовому фактору проявляется на угледобывающих предприятиях, где отмечается усложнение горно-геологических и технико-технологических условий эксплуатации горных выработок, сопровождающееся значительным газовыделением (СН4, СО2).

Основной причиной подобных ЧС является формирование в горных выработках скоплений газов с опасными концентрациями - взрывопожароопасными и отравляющими. Основными методами борьбы со скоплениями вредных и опасных газов являются вентиляция горных выработок и подземных сооружений, направленная на поддержание допустимого содержания газа по всему их объему, и дегазация основных источников газовыделения. Однако вследствие неравномерного распределения газа возникают условия, при которых эти методы не позволяют ликвидировать причины возникновения ЧС. Применяемые в этом случае дополнительные средства предупреждения образования местных скоплений в виде направляющих щитков и парусов, рассеивающих сеток и вентиляционных труб имеют либо незначительную эффективность и малый радиус воздействия, либо сложные схемы монтажа в подземных условиях и не всегда учитывают условия формирования скоплений газов. Решение этой проблемы важно и для рудников, и для подземных объектов мегаполисов: коллекторов различного назначения, коммуникационных тоннелей, подземных путепроводов и ряда других городских объектов.

Анализ и оценка методов и средств борьбы со скоплениями газа показали, что решить эту проблему возможно при использовании пульсирующей вентиляции. Этот метод применим для всего спектра горнодобывающих предприятий и подземных сооружений, где возможно возникновение скоплений динамически активных газов, при решении задач по разгазированию.

Образование скоплений газов является сложным многофакторным процессом, который трудно поддается математическому описанию, позволяющему полностью учесть указанные факторы и применить его на практике для решения задачи предотвращения ЧС и обеспечения безопасных условий труда. Для решения этой задачи необходим инструментарий, позволяющий выполнять оценку условий возникновения скоплений газа, учитывать влияние факторов на процессы газопереноса при пульсирующей вентиляции. Сегодня отсутствуют теоретические основы для разработки средств генерации пульсирующей вентиляции с учетом влияющих факторов. Вследствие этого развитие научных основ, позволяющих создавать средства для ликвидации скоплений опасных и (или) вредных газов в горных выработках и подземных сооружениях как разновидности ЧС, является актуальной научной проблемой.

Целью работы является развитие теоретических основ процесса газопереноса в горных выработках и подземных сооружениях (ГВиПС) при пульсирующей вентиляции и создание соответствующих средств ликвидации опасных скоплений газа на горных предприятиях.

Основная идея работы заключается в выявлении и использовании закономерностей процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции для определения параметров режима проветривания в газообильных ГВиПС и разработке на их основе технических средств, обеспечивающих ликвидацию угрозы ЧС по газовому фактору на горных предприятиях.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

Ликвидация ЧС, связанных со скоплениями опасных и вредных газов на горных предприятиях, наиболее эффективна при использовании пульсирующего движения воздуха, позволяющего существенно повысить перемешивание газовоздушного потока в местах скопления газов в ГВиПС.

Оценку необходимости применения пульсирующей вентиляции следует выполнять на основе разработанной классификации условий формирования местных скоплений газов в ГВиПС по степени опасности.

Процесс формирования и разрушения местных скоплений газа при режиме пульсирующей вентиляции (РПВ) следует описывать критериальным уравнением, включающим числа Рейнольдса (Re), Эйлера (Eu), Фруда (Fr), Галилея (Ga) и Архимеда (Ar), из которых определяющими являются числа Рейнольдса (Re), Эйлера (Eu) и Архимеда (Ar).

Использование полученной регрессионной модели позволяет создавать эффективный РПВ, обеспечивающий оптимальные параметры дистанционного разрушения скоплений газов в горных выработках. Основными параметрами, определяющими режим газопереноса при пульсирующей вентиляции в системе «горная выработка-газовоздушный поток-пульсатор», описываемыми моделью, являются: средние значения концентрации газа в поступающей на загазированный участок и в исходящей с загазированного участка воздушной струе, максимальное значение концентрации газа в местном скоплении газа, расход воздуха в выработке и в генераторе импульсов давления (пульсатора), гидравлический диаметр выработки, разность значений статического давления у пульсатора и в местном скоплении, скорость воздушного потока и расстояние от пульсатора до местного скопления газа.

Закономерности газопереноса с учетом РПВ, полученные на основе моделирования, позволяют выявить связь времени разрушения местных скоплений tр с определяющими параметрами системы «горная выработка - газовоздушный поток- пульсатор».

Режим пульсирующей вентиляции в условиях ГВиПС необходимо формировать посредством специальных генераторов пульсаций, обеспечивающих необходимые частоту импульсов и расход воздуха (производительность).

Оптимальные параметры пульсатора для разрушения местных скоплений необходимо задавать на базе разработанной методики для определения оптимальной производительности пульсатора по воздуху, что позволит повысить безопасность ведения аварийно-спасательных работ при разгазировании горных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:

представительным количеством лабораторных, стендовых и промышленных экспериментов по исследованию процесса предупреждения возникновения и разрушения сформировавшихся опасных скоплений метана в ГВиПС угольных шахт при РПВ (более 5000 измерений);

репрезентативным объемом статистических данных по 14 показателям;

высокими показателями доверительного интервала показаний математической модели - 98,5;

сходимостью лабораторных, стендовых и промышленных данных с результатами теоретических исследований (отклонение не более 19%).

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработана классификация условий формирования местных скоплений газов в ГВиПС по степени опасности.

Получено новое теоретическое описание процесса газопереноса в критериальном виде для условий подземных ГВиПС, отличающееся учетом пульсирующего движения воздуха.

Установлены общие закономерности газопереноса при РПВ для газообильных ГВиПС, учитывающие взаимосвязь времени разрушения скоплений газа с определяющими параметрами газопереноса и параметрами технических средств ликвидации скоплений опасных и вредных газов для обеспечения безопасного ведения аварийно-спасательных работ.

Впервые выявлено совокупное влияние факторов системы «горная выработка - газовоздушный поток - пульсатор»: средние значения концентрации газа в поступающей на загазированный участок и в исходящей с загазированного участка воздушной струе, максимальное значение концентрации газа в местном скоплении газа, расход воздуха в выработке и в генераторе импульсов давления (пульсатора), гидравлический диаметр выработки, разность значений статического давления у пульсатора и в местном скоплении, скорость воздушного потока и расстояние от пульсатора до местного скопления газа.

Впервые научно обоснованы оптимальные технические параметры и режимы генерации импульсов установки для пульсирующей вентиляции, обеспечивающие разрушение местных и слоевых скоплений опасных и вредных газов.

Установлены рациональные параметры РПВ в условиях газообильных ГВиПС.

Научное значение диссертации состоит в выявлении закономерностей разрушения опасных скоплений газа при пульсирующей вентиляции и научном обосновании аэродинамических параметров РПВ для решения проблемы предотвращения и ликвидации скоплений вредных и опасных газов в газообильных ГВиПС и, соответственно, снижения риска возникновения ЧС по газовому фактору и поражения людей при ведении работ по разгазированию.

Практическое значение диссертации заключается в следующем:

разработаны требования к средствам, генерирующим РПВ;

предложены конструкторские решения по устройству генерации РПВ;

разработана методика расчета оптимального расхода воздуха установок «Пульсатор»;

разработаны рекомендации по применению пульсирующей вентиляции в условиях шахт ОАО «Воркутауголь».

Апробация работы

Основные результаты научных исследований, проведенных автором доложены и получили положительную оценку на: семинарах кафедры Аэрологии и охраны труда МГГУ (г. Москва, 1997-2007), на заседаниях секции «Проблемы Аэрологии и безопасности горных предприятий» научного симпозиума в рамках «Недели горняка» в МГГУ (г. Москва, 1998-2007), на семинарах и симпозиумах в рамках работы выставок «Промышленная безопасность» на ВВЦ (г. Москва, 2004), «Безопасность в промышленности» на ВВЦ (г. Москва, 2005), выставке «ИННОВ-2005» в ЮРГТУ (г. Новочеркасск, 2005), на 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2005), на международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2006)

Реализация выполненной работы. Основные результаты работы реализованы в виде опытно-промышленного образца установки «Пульсатор П1», руководства по применению установки «Пульсатор П1» на угольных шахтах Воркутского месторождения.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 33 работы, из них 17 в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе 2 авторских свидетельства.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 7 разделов, заключения и 3 приложений, включает 76 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 112 наименований.

Основное содержание работы

Современное состояние обеспечения безопасности работ на предприятиях горнодобывающего комплекса и объектах строительства подземных сооружений находится на той стадии, когда проявлениям внешних опасных и вредных факторов уделяется все большее внимание, часто технико-технологические решения принимаются исходя из потенциала конкретного фактора. В рамках данной работы рассматривается безопасность по газовому фактору, которая далее для краткости именуется газовой безопасностью (ГБ). Внимание к этой проблеме связано как с усложняющимися горно-геологическими условиями ведения работ, так и с заметно возросшими темпами и объемами их выполнения. Применение традиционных методов и средств предупреждения и ликвидации ЧС, связанных с ГБ, становится малоэффективным, а в ряде случаев и опасным в силу отсутствия или неадекватного применения методов и средств предотвращения негативных проявлений газов, отсутствия соответствующих научных и технико-технологических решений. Это подтверждается случаями гибели бойцов ВГСЧ при ведении спасательных работ и общей статистикой гибели людей на угольных шахтах.

Решение теоретических и практических вопросов обеспечения безопасных условий труда по газовому фактору рассмотрено в трудах таких ученых и исследователей, как Р.Н. Аврамчук, А.А. Айруни, А.Т. Айруни, Г.М. Алейникова, Ф.А. Алексеев, С.А. Баталин, А.С. Бурчаков, Воронин В.И., Г.И. Войтов, Б.Я. Дробот, Г.К. Дымчук, Н.О. Каледина, Ф.С. Клебанов, Е.А. Колесниченко, Н.Н. Красюк, А.Я. Креслинь, П.Н. Кропоткин, А.И Ксенофонтова, В.С. Лебедев, С.И. Луговский, Е.Г. Мамусов, Н.Г. Матвиенко, Н.И. Мривалов, П.И. Мустель, З.Н. Несмелова, В.С. Орехов, Г.К. Петерсон, Г.А. Поздняков, Ю.Ф. Пономаренко, Л.А. Пучков, А.Л. Романчук, А.А. Скочинский, Б.Д. Терентьев, К.З. Ушаков, В.В. Ходот, О.И. Чернов и др.

Непосредственно проблеме борьбы со скоплениями метана посвящены труды К.З.Ушакова, А.И. Боброва, П.Д. Кизрякова, В.А. Лигая, Д.М. Шередекина, Г.В. Польщикова, В.А. Полякова, В.Д. Косарева, С.Ю. Ерохина.

Анализ динамики аварий периода 19552008 гг. показал, что количество вспышек и взрывов с участием метана на угольных шахтах является устойчивым на протяжении всех лет, даже имеющих место в 80-90 гг. при снижении темпов добычи угля.

Анализ причин вспышек и взрывов показывает, что 80 % из них произошли по причине возникновения местных скоплений газа с опасной концентрацией. А одним из недостатков профилактики негативных проявлений скоплений газа является отсутствие упорядоченной системы учета факторов и условий, при которых возникает угроза формирования скоплений газа с опасными концентрациями. Вследствие этого не удаётся адекватно применять существующие дополнительные средства предупреждения местных скоплений газов и их ликвидации, что обусловливает необходимость разработки классификации ГВиПС по степени опасности возникновения в них местных скоплений газа.

В данной работе объектом обеспечения ГБ являются горные выработки с интенсивным газовыделением, прежде всего в угольных шахтах, а также объекты подземного строительства, подземные объекты городской инфраструктуры (коллекторы, каналы и др.). С точки зрения общей постановки задач исследований эти объекты объединяет наличие вероятности формирования скоплений газа в замкнутом объеме сооружений, что позволяет рассматривать их в качестве единого объекта исследования.

Вследствие недостаточно эффективной вентиляции при наличии газовыделений в ГВиПС формируются области повышенной концентрации газа (местные скопления). Постепенно увеличиваются их геометрические размеры, объем и концентрация скопившегося газа, возможно перемещение (миграция) местоположения скопления по длине выработки. Образование местных скоплений и представляет собой ЧС, так как их наличие может привести к человеческим жертвам или ущербу здоровья работающих, а также к значительным материальным потерям. Отличительными чертами такой ЧС являются ее зарождение из относительно незначительного превышения ПДК и последующее постепенное увеличение масштабов и степени опасности. Итогом такого развития событий применительно к угольным шахтам является формирование условий для взрыва метановоздушной смеси, приводящего к тяжелейшим последствиям. Применительно к объектам городской инфраструктуры, например, коллекторам, каналам и др., характерно образование скоплений метана, природного бытового газа, азота, углекислого газа.

Необходимо отметить возрастающую перспективность использования подземного пространства мегаполисов для транспортных коммуникаций и многих других целей. Возникновение в таких объектах ЧС, вызванных скоплениями газов, весьма вероятно, учитывая наличие в них источников интенсивного газовыделения, накопления продуктов сгорания и др. обстоятельства. А присутствие в подобных объектах большого количества людей, использование их не только для производственно-технологических целей, но и для многих других, включая широкий спектр бытовых потребностей, делает задачи обеспечения безопасности особо актуальными уже на стадиях, предшествующих переходу к масштабному строительству и последующей эксплуатации.

В настоящее время известен ряд методов управления ГБ в ГВиПС: газодинамические, аэрогазодинамические, аэродинамические, режимные (организационные).

Главным условием предупреждения и прекращения развития, а также ликвидации ЧС является устранение скоплений газов. Поэтому общая направленность обеспечения ГБ в подобных ЧС, принятая в настоящей работе, заключается в ликвидации образовавшихся скоплений.

Газовая опасность традиционно снижается до безопасного уровня с помощью вентиляции, являющейся до настоящего времени основным средством обеспечения безопасности атмосферы шахт и подземных сооружений. В случаях когда вентиляционные возможности оказываются недостаточными, на угольных шахтах и подземных рудниках применяется дегазация. Сочетание вентиляции и дегазации потенциально может обеспечить ГБ при весьма значительных газовыделениях. Однако в очистных и подготовительных выработках местные скопления могут формироваться в протяженных выработках и за пределами выемочных и проходческих участков.

В настоящей работе показано, что безопасность достигается применением традиционного вентиляционного процесса, эффективность которого повышается за счет специального усиления сопровождающих этот процесс пульсаций. Специальное создание и распространение слабых импульсов давления в основном потоке газовоздушной смеси существенно увеличивает его диффузионные (перемешивающие) свойства, что придает процессу вентиляции новые возможности.

Разработанные в МГГУ теоретические основы и практические результаты применения РПВ позволили расширить возможности управления процессом газопереноса в условиях ГВиПС и тем самым более эффективно предотвращать формирование скоплений газов или ликвидировать их. Основополагающие труды в области пульсирующей вентиляции принадлежат профессору МГГУ Ушакову К.З. Им были получены основные показатели процесса газопереноса при пульсирующем движении газовоздушной среды (энергия импульса, его амплитуда, длина волны, дальность действия РПВ, ее интенсивность и скорость турбулентности пульсирующего движения, инерционность среды и др.). Разработан механизм взаимодействия воздуха и газовой примеси в случаях его местного скопления. Для реализации РПВ под руководством К.З. Ушакова были разработаны несколько видов установок его генерации - пульсаторов. Последняя из них - пульсатор барабанного типа с механическим приводом - разработана в МГГУ в конце 90-х годов. Все модели генераторов пульсирующего режима вентиляции, включая последнюю, не имели теоретического обоснования и соответственно методических основ по разработке устройств такого назначения, учитывающих как определяющие параметры самого устройства, так и параметры условий выработок, в которых происходит процесс газопереноса. Кроме того, все исследования ограничивались укрупненным теоретическим расчетом для условий только угольных шахт. Однако данный режим вентиляции может быть использован и на других подземных объектах, где возникают задачи обеспечения безопасных условий труда по фактору местных скоплений газа.

Отсутствие развитого математического описания процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции, допускающего его применение как для научных изысканий, так и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, значительно затрудняет практическое внедрение РПВ. Важнейшими требованиями к подобному описанию выдвигаются необходимость учета множества влияющих на газоперенос факторов, возможность последующей разработки математической модели и моделирования процесса ПВ с получением в итоге параметров эффективного воздействия на возможные скопления газов в различных ГВиПС и теоретических основ для создания технических средств для реализации РПВ. Для системного решения проблемы ГБ на основе принятых подходов необходимо достигнутые практические возможности поставить в соответствие с условиями возможных ГВиПС в рамках единой классификации, в конечном итоге дающей рекомендации по практическому использованию всей совокупности полученных результатов.

Выполненный анализ состояния проблемы и намеченные подходы по её реализации позволяют выделить в качестве основных следующие задачи:

разработка классификации условий возникновения местных скоплений метана в подготовительных ГВиПС по степени опасности;

научное обоснование определяющих факторов и параметров, описывающих процесс газопереноса при ПВ;

разработка математической модели процесса газопереноса при ПВ для условий подготовительных ГВиПС угольных шахт, отражающей связь показателей безопасности с параметрами ГВиПС, вентиляционного потока и устройств генерации РПВ;

установление закономерностей газопереноса и взаимосвязи между определяющими факторами при ПВ на основе полученной модели;

определение рациональных параметров ПВ для различных ГВиПС;

определение рациональных технических параметров устройства генерации РПВ; газоперенос горный вентиляция метан

разработка устройств, генерирующих РПВ;

разработка рекомендаций по применению ПВ в условиях различных ГВиПС.

Для решения поставленных задач использовались методы теории подобия, математической статистики, математического моделирования, а также опытно-конструкторские проработки, лабораторные, заводские стендовые и натурные испытания.

Как известно, в физике изучение турбулентности - механизма перемешивающих свойств потока, в том числе и при РПВ, до сих пор является проблемным вопросом и областью интенсивных научных поисков, что свидетельствует о научной сложности описания явлений турбулентности.

Идея использования ПВ и развития указанного научного направления встречает в качестве основного общего препятствия, как уже отмечалось, отсутствие исчерпывающего научного и математического описания и явлений турбулентности, и их отдельного проявления при РПВ. Это обстоятельство определяет выбор путей и задач исследования, общая направленность которых - получение приближенного (упрощенного) решения, но обеспечивающего при этом ощутимое повышение эффективности РПВ, а значит и повышение ГБ.

Для оценки необходимости проведения мероприятий по ликвидации ЧС по газовому фактору с учетом анализа статистики причин взрывов, условий и мест загазирования ГВиПС разработана классификация условий возникновения скоплений газа по степени опасности (табл. 1). Представленные данные по негативным проявлениям скоплений газов позволяют систематизировать учитываемые объекты по степени их опасности. Максимально опасными с точки зрения возникновения скоплений газов могут считаться тупиковые выработки, в которых ведутся горные работы, имеются источники газовыделения (техногенного и природного происхождения), имеются непосредственно прилегающие к ним ГВ, оказывающие влияние на условия формирования скоплений газа в тупиковых выработках. Менее опасными могут считаться выработки магистрального типа со сквозным движением воздуха, иногда имеющие аэрологическую связь с источниками газовыделения и аэродинамические условия, при которых динамически активные газы могут формировать скопления.

Наименее опасными в данном аспекте могут считаться выработки - камеры с их специфическими аэрологическими условиями (большое сечение и малые скорости движения воздуха) и источниками газовыделения, допускающими систематическое формирование скоплений газов.

В коллекторах г. Москвы проложено 114,2 км водопровода с горячей водой и 421,1 км с холодной, 338,5 км трасс теплосети, 31 км газопроводов, 21000 км кабелей энергоснабжения и связи. Этот объем источников тепло-, влаго- и газовыделения приводит к инцидентам в виде загазирований, связанных с превышением ПДК. Приведенные данные по распределению негативных проявлений в ГВиПС, а также исследованные с использованием критериев Архимеда и Рейнольдса условия возникновения скоплений газа позволили классифицировать условия возникновения скоплений метана в ГВиПС по степени опасности.

Данная классификация позволяет оценить угрозу возможности возникновения ЧС в виде скопления газа с взрывоопасной концентрацией и своевременно применить соответствующие методы и средства для ее предупреждения.

Таблица 1 - Классификация условий возникновения скоплений метана в ГВиПС по степени опасности (на примере метана)

Признаки классификации	Класс условий возникновения скоплений газа по степени опасности
	1 - относительно опасные(R?10-4)	2 - опасные (R=10-4ч10-3)	3 - особо опасные(R?10-3)
Тип выработок	Камеры	Сквозные	Тупиковые
Диаметр выработок, м	от 5 до 15	от 3 до 5	до 3
Необходимая скорость воздушного потока для разрушения скопления, м/с	при 1% СН4 -Vo=3,3ч9,7 при 2% СН4 -Vo=4,5ч13,8	при 1% СН4 -Vo=2,0ч3,2 при 2% СН4 -Vo=2,8ч4,6	при 1% СН4 -Vo=0,2ч1,9 при 2% СН4 -Vo=0,2ч2,7
Число Рейнольдса для разрушения скопления, млн. ед.	при 1% СН4 - Re=1,1ч9,8 при 2% СН4 - Re=1,6ч13,8	при 1% СН4 - Re=0,5ч1 при 2% СН4 - Re=0,7ч1,5	при 1% СН4 - Re?0,4 при 2% СН4 - Re?0,6

Далее необходима теоретическая основа, позволяющая выявить и оценить физические силы, определяющие процесс формирования и разрушения скоплений в воздушном потоке при пульсирующем движении. Для решения задачи разработки теоретических основ описания процесса газопереноса при РПВ использованы следующие уравнения в виде системы:

уравнения движения для несжимаемой вязкой жидкости в декартовых координатах как для ламинарного, так и для турбулентного режима движения в проекциях по осям;

уравнение неразрывности (сплошности);

уравнение теплопроводности.

В данной системе присутствуют такие компоненты: - составляющие скорости движения элементарного объема воздушной смеси, м/с; - высота положения элемента воздушной смеси, м; - давление на верхней грани элемента воздушной смеси, Па; - коэффициент кинематической вязкости воздушной смеси, Пас; t - время, с; Т - температура среды, К; л - коэффициент теплопроводности среды, Вт/м.К; Ср - удельная темлоемкость среды при постоянном давлении, Дж/кгК; ?x, ?y, ?z - бесконечно малые ребра элементарного объема (параллелепипеда), выделенного в движущейся по ГВиПС воздушной смеси, - коэффициент температуропроводности, м2/с; - ? оператор Лапласа.

Как мы видим, данная система уравнений включает большое количество неизвестных и требует решения целого ряда независимых уравнений, содержащих эти переменные. Для удобства описания турбулентного движения воздуха уравнение Навье-Стокса представляют в форме уравнения Рейнольдса, где каждая переменная выражена в виде . При этом - среднее значение переменной по времени, а - пульсационное значение переменной. Однако решение системы уравнений в форме уравнения Рейнольдса также является сложно выполнимой задачей. Таким образом, необходим поиск других подходов в описании турбулентного движения воздуха.

Эффект существенного увеличения турбулентности при РПВ возникает вследствие сдвига скоростей частиц воздуха и газа, имеющих различную плотность, при распространении импульса давления в основном воздушном потоке. Максимальный сдвиг ?l, по расчетам, в метановоздушной среде составляет около 3,2 см (при концентрации метана 1,8%), который находится из выражения ?lК/2=ji0(К/р), где j - коэффициент, учитывающий форму и плотность частиц воздуха и метана; i0 - амплитуда пульсирующего движения; К=2р/щ=1. При этом время движения частиц t, при котором достигается максимальное отклонение, составляет t=K/2.

Как установлено ранее другими исследованиями, технологичным представляется формировать импульсы давления при оптимальной частоте 6ч8 Гц путем достижения разности давления в пульсаторе и основном потоке воздуха в ГВиПС около 1500 Па посредством вентилятора местного проветривания, который широко применяется на горных предприятиях.

Введем условия однозначности, которые позволят определить и ограничить математическое описание всех частных особенностей рассматриваемого явления ПВ и включить геометрические условия, характеризующие форму и размеры системы «горная выработка - газовоздушный поток - генератор РПВ», в которой протекает процесс; физические условия, характеризующие физические свойства среды; временные и начальные условия, характеризующие особенности процесса в начальный момент времени (для стационарных задач они отсутствуют), граничные условия, характеризующие особенности протекания процесса на границах системы. Также к условиям однозначности относятся число Ричардсона; молекулярная масса каждого учитываемого компонента воздушной смеси и ее плотность, удельная теплоемкость, коэффициент динамической вязкости, коэффициент теплопроводности; ускорение свободного падения g, м/с2.

При движении газовоздушной смеси в ГВиПС к геометрическим условиям относятся: диаметр выработки dminddmax и фактическая длина выработки LminLLmax.

В современных условиях описание процесса газопереноса при РПВ возможно на основе статистических методов, позволяющих получить эмпирические зависимости между силами, обусловливающими формирование местных скоплений газа, на базе ранее полученных экспериментальных результатов. Такой подход позволяет при установлении граничных условий учесть реальные параметры физического процесса газопереноса пульсирующего движения газовоздушной смеси для разработки математической модели. Задачей разрабатываемого математического описания исследуемого процесса является возможность применения его для практических целей, т.е. для натурных и лабораторных изысканий, а также прямого сопоставления полученных результатов с теоретическими исследованиями газопереноса при РПВ и общей оценки самого процесса.

Для целей и условий настоящей работы подходит использование классического инструментария теории подобия, опирающегося на применение критериальных чисел. Критериальные числа, как известно, позволяют характеризовать и оценивать значимость и степень влияния на газоперенос отдельных составляющих этого сложного процесса.

Идея предлагаемого подхода заключается в установлении зависимостей между критериальными числами в форме уравнений регрессий путем статистической обработки ранее полученных экспериментальных данных, характеризующих РПВ. Получение таких зависимостей позволит заменить ими известную сложную систему уравнений, отражающую в общем виде взаимосвязь между всеми основными параметрами процесса газопереноса, но являющуюся крайне трудной для ее практического применения. Полученные на основе такого подхода уравнения регрессии являются приближенным описанием существующих в природе сложных взаимосвязей между параметрами. Такие уравнения являются достаточно простыми для рассмотрения и выполнения на их базе исследований путем математического моделирования интересующих соотношений. Окончательное суждение о достаточной обоснованности и точности такого подхода может дать только экспериментальная проверка при практическом применении полученных технических средств обеспечения ПВ в реальных условиях.

Физические явления подобны, если соблюдается требование: в двух системах с геометрически подобными границами должны быть геометрически подобны течения в соответствующие моменты времени. Поэтому все индивидуальные силы, действующие на соответствующие элементы жидкой среды, должны также быть подобны. Условия динамического подобия двух течений газовоздушной смеси в ГВиПС можно получить, применив и записав уравнения Навье-Стокса в безразмерной форме. В качестве характерных величин примем характерный геометрический размер выработки L, м и среднюю скорость газовоздушного потока , м/с. Система безразмерных величин определена следующим образом:

; ; ; ;(1)

; ; ; ; .

После подстановки выражений (1) в уравнение системы уравнение Навье - Стокса для оси Оx примет вид

(2)

Аналогичный вид имеют проекции уравнения движения на другие оси координат. В выражении (2) параметрами, в состав которых входят величины, определяющие геометрию и физические свойства исследуемой системы, являются числа подобия.

Определяющим фактором принимается число гомохронности , характеризующее установившийся характер течения газовоздушной смеси.

С использованием обозначения чисел подобия уравнение (2) можно представить в следующем виде:

(3)

где указанные критериальные числа выполняют роль независимых переменных.

Исходя из этого уравнение (3) может быть представлено в виде:

(4)

или с учетом зависимостей для определения чисел Галилея и Архимеда:



. (5)

Аэродинамический режим движения газовоздушной смеси, как установлено выше, в общем случае характеризуется тремя основными числами подобия - Рейнольдса, Эйлера и Архимеда, в состав которых входят величины, определяющие физические свойства исследуемой среды и характерные геометрические размеры.

С использованием статистических методов обработки экспериментальных данных получено уравнение связи критериальных чисел при РПВ, которое имеет следующий вид:

. (6)

Полученные уравнения дают возможность теоретически описывать и характеризовать параметры процесса газопереноса при ПВ для условий газообильных ГВ, лабораторных стендов и при решении задач других исследований, что позволяет условно считать и именовать их уравнениями процесса газопереноса.

Полученное описание газопереноса при ПВ в новом виде позволяет теоретически исследовать взаимосвязь между силами формирования и разрушения скоплений газа в газовоздушной среде ГВиПС. Уравнение (6) может быть использовано для разработки методического обеспечения, где появляются измеряемые на производстве параметры исследуемой системы. Возникает возможность решения задачи получения параметрального описания процесса газопереноса при ПВ.

Учитывая параметры, входящие в уравнения (4) и (5), для получения критериальных чисел мы можем перейти к уравнению подобия (7) для процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции. Данное уравнение подобия имеет вид

, (7)

Полученные параметры (см. табл. 2) являются измеряемыми на практике. Поскольку на практике важнейшим является время ликвидации ЧС, принимаем в качестве основной оценки эффективности процесса разрушения местного скопления газа промежуток времени tр, в течение которого с момента воздействия ПВ процесс газопереноса приведет к ликвидации ЧС. Выражение (8) принимает вид:

, (8)

где tр - принимаем как интервал времени газопереноса при РПВ, который приводит к разрушению местного скопления метана в конкретных условиях.

Статистическая обработка экспериментальных данных дала возможность получить математическую модель системы «горная выработка - газовоздушный поток - генератор РПВ» в форме следующего уравнения:

, (9)

где параметр dгидр выражен в виде более удобного для решения практических задач параметра - в виде сечения ГВиПС - S. Обозначения и пределы варьирования определяющих параметров, принятые для математического моделирования представлены в табл. 2. Доверительный интервал вычислений составляет - 98,5.

Полученное выражение позволяет путём математического моделирования оценить изменение газовой обстановки при ПВ для исследования взаимосвязи параметров.

Соответственно принятому подходу исследований результаты математического моделирования представляются в форме графиков. На рис. 1 представлены результаты математического моделирования процесса газопереноса, выявляющие взаимосвязь между временем разрушения скопления газа tр и концентрацией метана в скоплении СМ3 при различных сечениях ГВиПС S. Их анализ, в частности, показывает, что с уменьшением площади сечения выработок процесс газопереноса при ПВ происходит более интенсивно. Графики на рис. 2 отражают взаимосвязь между временем разрушения скоплений газа tр и концентрации СМ3 до достижения различных значений концентраций СМ2=0,75%, 0,5%, 0,3%, 0,1%. Данные свидетельствуют о наибольшей эффективности РПВ в области более высоких концентраций метана. Параметр СМ2 может использоваться как индикатор интенсивности протекающих процессов. Полученные результаты согласуются с общей теорией механизма РПВ, описанной К.З. Ушаковым.

Таблица 2

Параметры	Единица измерения	Обозначение	Диапазон изменения*
Сечение выработки	м2		(0ч20)
Концентрация газа (метана) в поступающей струе	%	CМ1	(0ч0,5)
Концентрация газа (метана) в конце участка	%	CМ2	(0ч0,75)
Концентрация газа (метана) в скоплении	%	CМ3	(0ч100)
Расход воздуха пульсатора	м3/с	QB	(0ч3)
Расход воздуха в выработке	м3/с	Q	(0ч20)
Скорость движения воздуха	м/с	V	(0ч4)
Статическая депрессия на участке	Па	Др	(0ч100)
Протяженность участка	М		(0ч300)

*-в математической модели значения параметров 0.

Исследование по аналогии зависимостей взаимосвязи между временем разрушения скоплений газа и концентрацией СМ3 при различном расстоянии L местоположения пульсатора от скопления газа показало, что по мере приближения пульсатора к местному скоплению эффект увеличивается.

Значительное снижение эффективности происходит также с ростом концентрации метана в поступающей струе. При уменьшении концентрации

Рисунок 1 .Зависимость времени разрушения скопления метана tр с концентрацией до концентрации при на расстоянии от пульсатора 100 м, с условиями: ?р=25 Па, Vср=0,5 м/с, Qр=0,67 м3/с, при различном сечении ГВиПС S: 1 - 6 мІ; 2 -8 мІ; 3 -10 мІ; 4 -12 мІ



Рисунок 2. Зависимость времени разрушения скоплений метана tр с концентрацией с условиями: ?р=25 Па, Vср=0,5 м/с, Qр=0,67 м3/с, в зависимости от требуемых значений : 1 -0,75%; 2 - 0,5%; 3 - 0,3%; 4 - 0,1% L=100 м, S=8 м2

газа в поступающей на участок газовоздушной смеси СМ1 эффективность газопереноса при пульсирующем движении газовоздушной смеси растет, т.е. время разрушения скопления газа существенно (на порядок) уменьшается при снижении значений СМ1 от 0,3% до 0,001%. Это важно при проведении работ по ликвидации ЧС, где условие подачи газовоздушной смеси с предельно низким содержанием опасных или вредных газовых примесей следует считать основополагающим для обеспечения минимального срока ликвидации или эффективного предупреждения скоплений газа на участке с местными скоплениями.

Исследование взаимосвязи между временем разрушения скоплений метана tр и концентрацией СМ3 при различной скорости движения воздуха в ГВиПС показало, что увеличение скорости потока снижает время разрушения скоплений. В результате математического моделирования также установлена взаимосвязь между временем разрушения и концентрацией газа в скоплении с учетом влияния статической депрессии, т.е. с учетом значений высотных отметок (угла наклона) на участке ГВиПС. Установлено, что с уменьшением угла наклона выработки эффективность режима пульсирующего движения газовоздушной смеси увеличивается.

В целом результаты математического моделирования подтверждают то, что управление параметрами РПВ посредством обеспечения их соответствующего соотношения (рациональный РПВ) даже при сложных технико-технологических и аэрологических условиях позволяет достичь требуемого ПБ состояния за время порядка 30 минут.

Результаты математического моделирования дали возможность перейти к решению задачи определения рациональных параметров режима пульсирующей вентиляции для предотвращения и ликвидации скоплений метана и определения конструктивных параметров пульсаторов для организации РПВ на угольных шахтах, т.е. при которых целесообразно применять РПВ для предотвращения возникновения местного скопления газа (эксплуатационном режиме, когда СМ3 имеет значение менее СПДК<1), и РПВ для ликвидации местного скопления газа (т.е. предаварийном режиме, когда СМ3 имеет значение СПДК?1).

Для каждого из указанных режимов разработаны соответствующие рекомендации по организации режима пульсирующей вентиляции в условиях угольных шахт.

На основании результатов моделирования влияния расхода воздуха пульсатора на время ликвидации ЧС (рис. 3, 4) при участии автора была разработана установка «Пульсатор» в виде модификаций «П1», «П2» и «П3» для создания режима пульсирующего движения воздуха в ГВиПС. Разработанные устройства учитывают влияние определяющих факторов - расхода воздуха пульсатора при оптимальной частоте импульсов - на режим пульсирующей вентиляции и предусматривают их применение в различных типах ГВиПС, представленных в классификации условий возникновения местных скоплений по степени опасности. Все модели пульсаторов имеют оригинальные конструктивные решения (рис. 5, 6), существенно сокращающие энергетические расходы на вентиляцию газообильных участков. На рис. 5 схематично представлен внешний вид установки для генерации РПВ, а на рис. 6 непосредственно схема самой установки «Пульсатор П1».

Для эффективного применения пульсаторов разработана методика для организации режима пульсирующей вентиляции, позволяющая получить оптимальный расход установки Qp при помощи выражения (10):

. (10)

Для оценки экономического эффекта получена зависимость (11) для расчета избыточного расхода воздуха в ветви ?Q (расхода, добавляемого к расчетному расходу для создания необходимой скорости с целью разрушения местных скоплений).



Рисунок 3. Зависимость времени разрушения скопления газа от расхода пульсатора (СМ1=0%, СМ2=0,75%, L=200 м, V=0,5 м/с ): 1 - СМ3=2%; 2 - СМ3=5%; 3 - СМ 3=50%;

Рисунок 4. Зависимость времени разрушения скопления газа от расхода пульсатора (СМ 1=0,3%, СМ2=0,75%, L=100 м, V=0,5 м/с ): 1 - СМ 3=2%; 2 - СМ 3=5%; 3 - СМ 3=50%;

, (11)

Выполненная оценка безопасных условий эксплуатации генераторов РПВ в ГВиПС позволила определить и обосновать безопасные условия применения средств генерации режима пульсирующего проветривания с точки зрения влияния его на человека.

Значительная часть работы посвящена конструкторскому совершенствованию установки «Пульсатор П1» на стадии заводских (стендовых) испытаний, а также исследованию влияния работы пульсаторов различного типа на местные скопления СН4 в условиях шахт «Воркутинская» и «Заполярная» ОАО «Воркутауголь». Промышленные эксперименты подтвердили работоспособность установки, о чём говорит динамика изменения концентрации СН4 в замерных точках.

Рисунок 5. Схема узлов и направление движения воздуха в установке пульсатор П1

Рисунок 6. Схема размещения элементов установки для создания режима пульсирующей вентиляции и направление движения воздуха в ней

Анализ эффективности применения пульсатора с механическим приводом (в конвейерном штреке (КШ) № 236-ю шахты «Заполярная») и «Пульсатора П1» (в КШ № 724-ю шахты «Заполярная» и К.Ш. № 524-ю шахты «Воркутинская» ) показал, что эффективность последнего значительно выше (рис 7).

Рисунок 7. Изменение концентрации СН4 в местном скоплении при проведении натурных экспериментов: 1 - модель пульсатора барабанного типа с механическим приводом; 2 - пульсатор П1:L=40 м, V=0,9 м/с, Qp=0.84 м3/с, D=3,9м, t=2940 К, Q=8,83 м3/с, ДР=2 Па, 1 - СМ1= СМ2=0,6%, 2 - СМ1= СМ2=0,2%

Оценка угрозы возникновения местного скопления в данных выработках при помощи чисел Рейнольдса и Архимеда показала, что в данных условиях данная угроза существовала. Соответственно значения показателей равнялись 163333 и 2,354, и при обследовании ГВиПС были обнаружены участки с местными скоплениями, включая слоевую форму. На примере выработок с приблизительно одинаковыми параметрами при проведении экспериментов время разрушения слоевых скоплений установкой П1 составило 5-6 мин, а установки с механическим приводом 8-9 мин. Полученные результаты подтвердили эффективность предложенного научного подхода к описанию процесса газопереноса при режиме пульсирующей вентиляции и вытекающих из такого подхода результатов.

В табл. 3 представлены результаты натурных наблюдений фактического времени разрушения скоплений СН4, tфакт, в различных условиях и на различных объектах, а также расчетные значения, tрасч. Анализ этих параметров показал, что среднеарифметическая погрешность между натурными данными и расчетными показателями не превышает 19%.

Таблица 3

№ п/п	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
tфакт, мин	4	16	16	10	8	16	8	4	6	4	10	4	8	20	8	4
tрасч, мин	3,17	14,46	14,38	6,64	5,19	15,57	9,27	4,83	4,61	3,23	12,59	2,77	7,05	19,84	9,89	4,83
Погрешность, %	20,8	9,6	10,1	33,6	35,1	2,7	15,9	20,8	23,2	19,3	25,9	30,8	11,9	0,8	23,6	20,8

Среднеарифметическая погрешность ? 19,0 %

Сравнительная оценка эффективности применения двух модификаций установок (рис. 7) в различных условиях (П1 испытывался в более сложных для разрушения местного скопления параметрах) показала, что время разрушения установкой П1 составило 8-9 мин, а установка с механическим приводом не смогла разрушить скопления. Расчетное время разрушения в данных условиях ГВиПС при режиме пульсирующей вентиляции с применением выражения (10) составило 2,4 мин и 5,8 мин, что соответствует показателям эксперимента. Учитывая, что время разгона установки П1 до уровня оптимальных показателей разрушения составляет 1,5ч2 мин, несоответствие результатов теоретических и натурных исследований является незначительным.

Для исследования процесса влагопереноса в модели ГВиПС при пульсирующем движении воздуха проводилось сравнение влияния стационарного и пульсирующего воздушных потоков на влаго- и теплоперенос. Для этого эксперименты проводились в двух режимах: с работающим пульсатором (режим пульсирующего движения воздушного потока) и работающим вентилятором; с выключенным пульсатором (стационарным режимом движения воздушного потока) и работающим вентилятором. Полученные результаты свидетельствуют о более быстром высыхании образца при пульсирующем режиме движения воздуха, что указывает на большую интенсивность влагопереноса по сравнению со стационарным движением воздушного потока, а результаты указывают на увеличение интенсивности теплообмена при пульсирующем движении воздуха по сравнению со стационарным.

Выполненные исследования по оценке работоспособности и эффективности новой модели пульсатора и возможности применения ПВ для ликвидации и предупреждения ЧС по газовому фактору, а также по обеспечению охлаждения поверхностей и испарению с них влаги показали возрастание интенсивности тепло-массопереноса и перспективность развития научного направления «пульсирующая вентиляция».

Выполненные исследования на гидромодели позволили подтвердить результаты математического моделирования и в целом предложенный подход к описанию процесса газопереноса в ГВиПС по параметрам подобия.

Проведенный комплекс исследований позволил разработать рекомендации по рациональному применению режима пульсирующей вентиляции, наиболее важными из которых являются следующие:

Для оценки степени угрозы возникновения местных скоплений газов и обеспечения эффективными мероприятиями необходимо выполнять категорирование условий возникновения скоплений метана в ГВиПС по степени опасности согласно разработанной классификации.

Особое внимание необходимо обращать на ГВиПС с интенсивным газовыделением и малыми скоростями движения воздуха в них.

В выработках, имеющих большое сечение (более 12 м3), более склонных к формированию местных скоплений газов, необходима организация специального режима контроля (т.е. более частая проверка) наличия скоплений газов и своевременного принятия мер по их предупреждению или ликвидации.

Режим пульсирующей вентиляции следует применять в двух подрежимах: профилактическом - т.е. при СМ3 ? ПДК, позволяющем предотвратить формирование местного скопления, и предаварийном - т.е. при СМ3 > ПДК, позволяющем разрушить сформировавшееся местное скопление газа;

Также разработаны рекомендации по рациональному применению средств генерации режима пульсирующей вентиляции, наиболее важными из которых являются следующие:

Генератор РПВ необходимо подбирать по оптимальному показателю расхода воздуха, который следует определять согласно разработанной методике расчета оптимального (минимально необходимого) расхода воздуха пульсатора.

Оптимальный расход воздуха пульсатора и оптимальную частоту импульсов 6ч8 Гц следует задавать специальными устройствами - углами поворота разгонных лопаток в узле аэродинамического отбора мощности и сечениями выпускных патрубков.

Выполненные расчеты показали, что экономический эффект от внедрения установок «пульсатор» П1, П2, П3 на угольных предприятиях будет исчисляться сотнями миллионов рублей и на несколько порядков превышать затраты на годовое содержание установки П1 с учетом того, что годовая стоимость эксплуатации одной установки составит для уровня цен и зарплаты 2005-2006 гг. порядка 400-450 тыс. руб. в год. Таким образом, экономический эффект на примере инцидента в лаве 822-юг пласта "Четвертого" шахты «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь» от 13.01.02 г. при внедрении установки «Пульсатор П1», соответственно составит 308 млн. руб. с учетом всех составляющих затрат на момент ликвидации аварии и консервации участка. Кроме того, важно отметить, что аварийные участки на длительный срок выпадают из эксплуатации.

Выполненный объем теоретических, конструкторских и экспериментальных изысканий по решению комплекса задач по научному обоснованию метода пульсирующей вентиляции, разработке модели процесса газопереноса при режиме пульсирующей вентиляции, обоснованию и разработке средств предупреждения и ликвидации ЧС по газовому фактору в сочетании с полученными практическими результатами в естественных условиях газообильных ГВиПС позволяют утверждать, что возможно существенное повышение уровня безопасности труда на предприятиях горного профиля.



Заключение

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, изложено решение актуальной научной проблемы развития основ процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции и разработки на основе выявленных закономерностей средств аэродинамического предотвращения и ликвидации образования местных скоплений вредных и (или) опасных газов для предприятий горного профиля, внедрение которых снижает риск возникновения ЧС, обеспечивает безопасность труда как в штатных, так и в аварийных ситуациях и имеет важное социально-экономическое значение.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

Разработана классификация условий возникновения местных скоплений газа на основании анализа большого числа вспышек и взрывов газа и причин их появления, позволяющая оценивать угрозу возникновения ЧС и обоснованно принимать решения о необходимости ликвидации негативного воздействия газового фактора на предприятиях горного профиля.

...