Введение к работе
Актуальность темы исследования. Пробл<ча безопасного веде ния горных работ в шахтах, разрабатывающих газоносные сближенные пласты, уголь которых склон-ч и самовоэ гораігию, является слом-noft и многогранной. Возникновение эндо: гнннх пожаров от иачов ">-горания угля резко осложняет технологический процесс, снижает экономическую эффективность я безопасность работ.
Аналит. ческий обзор выполненных под рукоя ;ством проф.Его-шина В.В. исследований покаьлвает, что боло 75 % эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса, Приморья и Кара^^нды возникают на пологих пласах г» угольных целиках, в том числе: у монтшннх камер -39, у демонтажных - 23, между бремсбергами - 7, мзжду лавами и блоками - 6. При этом обцее число во&никающих пожаров п год составляет в еоеднем 12.
Если учесть, что средний ущерб от возникновения одного пожара составляет 190-200 тыс.руб. (в ценах 1985 г.), то становится існа актуальность и обоснованность представленной работы.
Дмссйртационн-чя работа заполнялась в рамках научного направления «г! СССР "Химия угл<-% торфа и lорючих сланцев" (головная программа 2.10. і.7.4 "Разработ а способов профилактики озелени" твердых ископаемых и тушения подземный пожаров") в соответствии с планом научно-ис"педовательских работ ВостНИИ и КузПИ при непосредст: ;нном участии автора (гос.регистр. \Ь Б39и'799, 79038708, 0l824O52Ub, 1850017.^2, 018*5039431 и 01840067855^.
Таким образ м, тема диссертации Богатыревой А.С, базирующейся на выполненных научно-иссле^вательских ра пах отраслевого и «ароднохозяйстЕйНного планов, вьітеї.ает из необходимости решения не только социальных- з.даг но и дальнейшего роста высокопроизводительной и безопасной добычи гля.
Цель работы заключается в выбора і обосновании пожаробезопасных параметров угольных целиков с использованием разработанной математической ь-дели низкотемпературного окисления угля в рамках механики многофазных реагирующих сред.
Идея работы заключается в том, что на ба?ч полученных результатов исследования возникновения и развития эндогенных пожаров в угольных целиках будут предложены рекомендации по пожаробезопасной " эффективной эксплуатация их. .
Для достижения основной цели настоящей диссврчционной работы были поставлены следующие задачи исследования:
-
Разработать математическую модель низкотемпературного окислени-' угля в рамках механики многофазных сред.
-
Сопоставить основные экспериментальные и расчетные параметры самовозгорания угольных целиков.
-
Иссл0до.,с*гь процессы возникновенк и развития эндогенных пожаров.
-
Разработать реког^вдации по пожаробезопасной эффективной эксплуатации угс-ьшх целиков.
Методы исследования:
математическое моделирование процессов возникновения эндогенного пожара за счет низкотемпературного окисления у. ія и развитие его при фильтрации воздуха через деформированный целик,
общий теоретический анализ происходящих явлений с целью изучения аэротермохимических процессов на газовых шахтах;
технико-экономическая оценка исследуемых параметров и научное обосдмвнке теоретических исследований.
Новые научние положения диссертация, выносимые на защиту:
а) разработанная математическая модель самонагревания угля
с .учетом испарения физически связг ной с ним влаги, порчолящая
исследовать динамику температуры, концентрации кислорода воздуха
и влажности угля в зависимость от вымени в любой точке деформи
рованного воздухопроницаемого целика. Сопоставление принятой
критической температуры самовозгорания рассматриваемого угля с
максимальной расчетной температурой угольного целика позволяет
установить дополнительно инкубационный период самонагревания
угольного .кошіения;
б) установленный совершенно определенный диапазон пожаро
опасных скоростей фильтрации воздуха для рассматриваемого целика
- З -определенного размера в от йоде jt существовавшего / исследователей представления о постоянстве пожароопасных скоростей фильтрации или их пределов (в т.ч. независимо даже от размеров целиков и способности угля к окислению);
в) обоснованные вперЕыз в горной практике для целиков зна
чения наиболее пожаре опасных (критических) скоростей фильтрации,
позволявшей выделить два теплозьг режима их самонагревания.
Один релин ха; актерен для скоростей фильтрации., которые меньше
критической, когда теплонакопление идет в условиях дефицита кис
лорода. Второй режим характерен тем, что ,пж скоростях, больших
критической, температура угольного целика понижается за счет
конвективного выноса тепла;
г) полученные впервые '-«езультаты исследования взаимоачияния
тешокиньтических и аэродинамических параметров в критер..алы»~й
форма при оценке пожароопасное, позв^пяющиэ выделить 4 области,
две из которых (I и Ш являются неопасными, область ИГ характе
ризуется медленным разогревом угля, параметры области ІУ являют
ся весьма пожароопасными;
д) построенная номограмма по определению пожаробезопасных
размере, угольных целиков с учетом их состояния от воздействия
горного давления, аэродинамических и термок: гетических парамет
ров в конкретных условиях шахты.
Степень новизны полученных результатов
I.. Обоснованно существование критического значения пожароопасной скорости фильтрации воздуха в целике (а, следовательно и перег да давления его), которое разделяет дв тепловых режима самонагревания. Если скорость фильтрации в данном целике меньше критической, то окисление в условиях дефицита кислорода может быть остш (влено за счег поддержан л этой миним/"іь"ой скорости. Если же скорость фильтрации болыне криа..ческой, то температура угольного целика начинает падать, т.". конвективный вынос поеобладае' над генерацией тепла.
Z. Подтвер'де .о существов те эффекта (научное обоснование которому получег*» впервые)-перемещения максимума температур в реагирующей соедо деформированного целика навстре у воздушному потоку (т.е. навстречу "свежей струе с бо ьшии содержанием кислорода"), а иногда и с про горе -ие" изолиру дюс перемычек.
3. Получены пределы содержания кисл<~пода в фильтрующем це-.
- A -
лике при оценка пожароопасности его. Если кривда концентрации кислорода во времени имеют вогнутый вид с выходом её на' постоянное значение, то целик нэ является пожароопасным. При у зичений скорости фильтрации (что соответствует росту чисел. Рейнольдса) кривые концантр^ии кислорода из вогнутых станов/, ся выпуклыми, что обеспечиваем быстрое самонагревание угля.
Все кривые пересекаются в одной точке, соответствующей определенному содержанию кислорода воздуха и критерию Франк-Каме-нбцкого, при которых не происходит само воз горания угля.
-
Разработан новый комплексный метод оценки пожарной опасности деф< .шированньи целиков в ..ритер альной форме. При этом тори кинетический критерий Франк-Каменецкого включает все основные параметры, характеризующие'склонность угля к самовозгоранию: удельная поверхность окисления, теплопроводность, теплота окис-лгчия, энергия активации и предэкспоньнциапьный'множитель. Кри- -т*ч>ий же Рейнольдса полностью определяет аэродинамические пара-штры воздуха: плотность, динамическая вязкость и скорость фильтрации.
-
Исследованы зависимости температуры очага пожара от на-. 'зльной влажности угля, которп показывают, ц« для угля с Сольшой влажностью v**30^68 его затягивается во времени вследствие продолжительности испарения влаги. Доказано, что Зуфектив-
и ч профилактической ...эрой является увлажнение угольного целика (например, путем т ?нетания воды в пласт в отличг% от случаев, ког,;а происходит сорбция .влаги углем из воздуха с выделением тепла).
Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в дис зртации.
Научные положения, выводы и рекомендации диссертации характеризуются достаточно высокой степе- >ю обоснорздноети и досто-верносм, что подтвег їдаетея:
проведением девти экспериментальных исследований в круп-ио-асштабных камерах, вместимостью до 650 кг загружаемое угля;
сопоставлением основных параметров (расчетных к экспериментальных): "чажности угля, Концентрации кислорода в фильгрую-t'fluca воздухе, распределение температуры угля по выс^е камеры и в зависимости от времени продоллительных (до КО сут) оп.,;гов;
сравнением рас^ тной температуры угля и заверенной в на-
турных условиях шахты, контролируемых в течение 90 сут.;
- положительными результатами внедрения ладанных рекомендация (на основании разработанной номограммы) шахтами Кузнецкого и Челябинского бассейнов, а также Приморья.
Личный вклад автора состоя*, в том, что ок.
-
Разработал математическую модель низкотемг-фатурного окисления угля в рамках механики многофазных реагирующих сред.
-
Установи, с*"зершенно определенный диапазон nosapoot с-ных скоростей фильтрации воздуха для рассматриваемого целика определенного размера.
-
Обосновал впервые в горной практике для целиков значены наиболее пожароопасных (критических) скоростей фильтрации.
-
Разработал новкч комплексный метод оценки пожарной опасности деформированних целиков с использованием критериально^ фс,ллн.
Практическая ценность работы заключается в разработке и обосновании:
-
Номограммы по определению ориентировочных размеров целиков с учетом состояния их от воздействия горного давления, аэродинамических и термокннетических параметров в конкретных условиях. Она базируется "а реализации стационарного распределения температуры в воздухопроницаемых деформированных целиках.
-
Рекомендаций по совершенствованию пожаробезопасных технологических схем, которые основываются на у. ювиях эксплуатации малого (постоянного размера) и большого (но уменьшаютрося) угольных целиков. Эти условия обеспечиваются соотззтственно учетом схемы проветривания и порядка отработки крыла шахтного поля, а также направлением очистных работ оь.;осторог"его шемочного поля в крыле шахты.
Реализация т. .боты в промышленности
Выводы и рекомендации данной работы реализованы в выполненных проектах для шахт "Лолысазвская" п/о "Ленинскуголь" (Куз-бассгипротахт) и имени 60-летия Союза GP п/о "Шкуэбасауголь" (Сио'гипрошахт). Долевые экономические эффекты от рациональных размеров'целиков соответственно на пахтах разим 92 и 91 тыс. оуб./год. Кроме того, з "Рекомендациях пс 'ліраздению езопчс-ностью труда на шахтах п/о "Ленинскуголь" (Лени.чск-Кузнецчип, 1991) помещен ;оотретстя,уйки1 материал по гнчдогекным пожарам.
Апробация работы. Осн' зные.положения диссертации догладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании по разработке мощных угольных пластов (1974), межведомственных региональных семинарах "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (1976, 1979), региональных научно-координационных совещаниях по проблеме горного давления (1976, 1978), Всесоюзных семинарах по аналитическим метода*! и применению ЭВМ в механике горных пород (1974, 1980), научной конференции ТГУ по математике и механике (1975), Всесоюоной ілколе-семинаре по механике реагирующих сред (1978), научно-методической коі-%ренции "Основные проблемы безопасности ведения горных работ" (Г»90).
Публикации. Основные результаты кандидатской диссертации опубликс аны -в 13 научных изданиях и в одном из совместно написанном разделе монографии.
Структура и объем диссертационной работы
