Введение к работе
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 выра- ботка-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.
