Введение к работе
Актуальность работы. Современные технологии в угольной промышленности предусматривают использование высокопроизводительных, до 10-20 тыс т/сутки, и очистных механизированных комплексов с высокой концентрацией работ на лаву. Всё это предполагает увеличение длины выемочных столбов до нескольких тысяч метров, подготовка которых требует проведения протяжённых подготовительных выработок с большой скоростью с использованием новейшего оборудования. Высокие скорости проведения подготовительных выработок приводят к значительному увеличению выделения метана из подготовительных забоев и интенсивному пылевыделению, что повышает вероятность образования взрывчатых концентраций пылеметановоздушных смесей и угрозы их воспламенения. Не исследовано в настоящее время распространение ударной волны в сети подготовительных выработок при спаренных и многоштрековых вариантах подготовки и отработки выемочных столбов. Не выявлена область и эффективность применения рассредоточенных заслонов для их взрыво-защиты.
Применяемым в настоящее время в угольных шахтах заслонам отводится только одна роль - гасить фронт пламени взрыва и предотвращать дальнейшее воспламенение угольной пыли по сети выработок. Такие заслоны не оказывают прямого воздействия на основные поражающие факторы взрыва: величину избыточного давления на фронте ударной волны и температуру продуктов взрыва, приводящих к механическому травмированию и массовым ожогам персонала. Однако последние исследования дали положительные результаты относительно использования заслонов для снижения интенсивности взрывной волны до безопасного уровня.
В то же время существующие методы математического моделирования взаимодействия ударной воздушной волны (УВВ) с заслонами, как альтернатива прямым экспериментам, требуют уточнения. Поэтому разработка новых методов и подходов для исследования способности рассредоточенных заслонов снижать интенсивность ударной волны до безопасного уровня является весьма актуальной.
Диссертационная работа обобщает результаты двух научно-исследовательских работ, выполненных по контрактам с Федеральным агентством по энергетике в 2003-2006 гг. при непосредственном участии автора (контракты №№ 2003-02-696, 158-ОПН-05п).
Цель работы - разработка методов управления взаимодействием ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами для снижения интенсивности ударной волны до безопасного уровня.
Идея работы заключается в использовании модифицированной газодинамической модели распространения ударных волн по сети горных выработок и движения газопылевой среды, дополненной уравнениями переноса массы капель воды, и учётом последовательного срабатывания ёмкостей водяного заслона с конечным давлением их разрушения для управления ударной воздушной волной.
Задачи исследований:
- разработать математическую модель взаимодействия ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами;
С.-Петербург
оэ їйиАк-ІЇОб
изучить взаимодействие ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами в тупиковой выработке;
исследовать взаимодействие ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами для различных технологических схем проведения подготовительных выработок;
разработать методы управления взаимодействием ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели исследований использовался комплекс методов, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам; методы механики сплошных сред и математической физики для построения и обоснования математической модели взаимодействия ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами и их численное решение с применением ЭВМ; проведение тестовых расчётов; сравнение полученных результатов математического моделирования с экспериментальными данными.
Научные положения, выносимые на защиту:
ударная волна после выхода из подготовительной выработки вырождается в волну сжатия и распространяется далее со скоростью звука;
основными факторами, определяющими параметры взаимодействия ударной воздушной волны с водяным заслоном, являются волновые эффекты, возникающие в разветвлённой сети горных выработок при формировании, распространении, отражении и взаимодействии воздушных ударных волн, волн сжатия и волн разрежения, а также расположение заслонов в сети горных выработок и конструктивные параметры заслонов;
невертикальность переднего фронта волны сжатия и конечная величина давления разрушения водяного заслона являются причиной формирования двух волновых фронтов - первого, распространяющегося по невозмущённому газу и имеющего давление ниже давления разрушения заслона, и второго - догоняющего, распространяющегося по газу, предварительно поджатому первой волной;
при взаимодействии ударной волны с водяным заслоном основными факторами, влияющими на понижение давления за заслоном, являются масса воды в заслоне и пороговое давление срабатывания заслона.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
корректным использованием исходных дифференциальных уравнений и апробированных методов математического моделирования распространения ударных воздушных волн в горных выработках;
удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования разрушения ударной волной водоналивной перемычки с экспериментальными данными, полученными на руднике Шерегеш.
' - положительными результатами опытно-промышленной проверки программного комплекса «Ударная волна» в отрядах ВГСЧ и в экспертных комиссиях по расследованию аварий на угольных шахтах Кузбасса. Научная новизна работы заключается в установлении:
- закономерности прохождения сопряжения передним фронтом волны и вы
рождения его в волну сжатия, которая распространяется по сквозной выработке
со скоростью звука при взрывах в подготовительных выработках;
- существенного влияния на процесс затухания взрывной волны и возни
кающие при этом волновые процессы следующих факторов: схемы расположе
ния водяных заслонов в сети горных выработок, расстояние между полками, их
удаление от сопряжений, которые являются источниками отражённых волн, и
пороговое давление срабатывания заслона;
причины формирования двух волновых фронтов за водяным заслоном -невертикальность переднего фронта волны сжатия и конечная величина разрушения заслона, которая определяется конструктивным исполнением ёмкостей водяного заслона;
влияния на снижение давления в ударной волне при прохождении заслона факторов: суммарная масса сконцентрированной в нём воды, вне зависимости от линейной плотности распределения воды в заслоне, порогового давления срабатывания заслона.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:
разрабатывать на этапе проектирования схемы размещения в выработках рассредоточенных водяных заслонов для эффективного гашения взрывных волн;
применять программный комплекс «Ударная волна» для анализа оперативной ситуации, разработки мероприятий по изменению параметров заслонов, проектирования защиты тупиковых выработок от поражающих факторов.
рассчитывать газодинамические параметры ударных воздушных волн, распространяющихся по горным выработкам, и их взаимодействие с рассредо точенными водяными заслонами;
определять положение заслонов в выработках и их массу для повышения их эффективности при гашении воздушной ударной волны, образующейся при взрыве пылеметановоздушной среды в тупиковой выработке;
управлять эффективностью и безопасностью ведения проходческих работ посредством реализации разработанных методов снижения воздействия поражающих факторов: давления и скорости набегающего потока, температуры и концентрации продуктов взрыва при различных технологических схемах проведения горных выработок,
Личным вкладом автора является:
развитие математической модели взаимодействия воздушной ударной волны с водяными заслонами, дополненной уравнениями переноса массы водяных капель с учётом последовательного срабатывания рассредоточенных заслонов;
проведение многопараметрических расчётов, обработка и анализ полученных результатов;
установление закономерностей взаимодействия ударной волны с водяным заслоном с учётом конструктивного исполнения заслонов;
разработка и реализация рекомендаций по выбору параметров рассредоточенных водяных заслонов и оптимального места их расположения.
Реализация работы. Результаты исследований вошли в программный комплекс «Ударная волна», который используется в ВГСЧ и экспертными комиссиями в ходе расследования аварий, а также в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные её части докладывались и обсуждались на семинарах кафедры разработки пластовых месторождений СибГИУ (2003), кафедры прикладной аэромеханики ТГУ (2004), на заседаниях Учёного совета Института Угля и углехимии СО РАН, на технических советах Центрального штаба ВГСЧ угольной промышленности РФ (2001 - 2003), на Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Алматы, 2004), на IV Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (г. Томск 2004), на Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2004), на IX Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк, 2004), на VIII Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Кемерово, 2005).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 печатных работах и в одной монографии.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 94 наименований.
