Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Анализ взрывов метана и пыли в угольных шахтах и особенности распространения воздушных ударных волн в горных выработках 11
1.2. Существующие методы расчёта взрывобезопасных расстояний 18
1.2.1.. Методика A.M. Чеховских 19
1.2.2. Методика В.М. Плотникова 22
13. Цель и задачи исследования 26
2. Исследование газодинамического метода расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах в угольных шахтах 30
2.1.Математическая модель распространения ударных волн по сети горных выработок 30
2.2. Алгоритм расчёта потокораспределения газа по сети горных выработок 36
2.3. Линеаризация численного метода решения в областях гладкого течения 43
2.4. Влияние неравномерности распределения давления в зоне взрыва на интенсивность ударной волны 48
2.5. Сравнительный анализ интенсивности ударных волн в горных выработках при различных типах взрывов 52
Выводы 60
3. Разработка методики газодинамического расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах в угольных шахтах 62
3.1. Затухание ударной волны на прямолинейных участках горных выработок 62
3.2. Сравнительный анализ затухания ударных волн при проходе ими сопряжений горных выработок 7
3.3. Сравнение с методикой В.М. Плотникова 73
3.4. Сравнение с методикой A.M. Чеховских 82
3.5. Методика газодинамического расчёта параметров воздушных ударных волн 88
Выводы 91
4 Исследование волновых эффектов, возникающих при распространении ударных волн по сети горных выработок 94
4.1.Влияние места взрыва метановоздушной смеси на интенсивность ударной волны в горной выработке 94
4.2. Формирование догоняющих ударных волн при взрывах в тупиковых выработках 99
4.3. Исследование влияния примыкающей тупиковой выработки на интенсивность ударной волны 108
Выводы 118
Заключение 121
Литература
- Существующие методы расчёта взрывобезопасных расстояний
- Алгоритм расчёта потокораспределения газа по сети горных выработок
- Сравнительный анализ затухания ударных волн при проходе ими сопряжений горных выработок
- Формирование догоняющих ударных волн при взрывах в тупиковых выработках
Введение к работе
Актуальность работы. Наибольшую опасность в угольных шахтах представляют аварии, вызванные взрывом метана и угольной пыли, которые составляют 18,9% от общего количества, а несчастные случаи со смертельным исходом при этих авариях - 86%, При взрывах шансы на выживание в 112 раз меньше, чем при других авариях.
Особую опасность представляют взрывы, возникающие в ходе ведения горноспасательных работ, когда нарушено проветривание и существует реальная угроза быстрого формирования зон с высокой концентрацией метана вблизи источников высокой температуры. В этих условиях требуются оперативность и точность прогнозирования параметров и области распространения ударной волны в горных выработках, а также знание того, насколько близко можно подойти к аварийному участку, оставаясь при этом в безопасной для жизни и здоровья зоне.
В настоящее время для расчёта взрывобезопасных расстояний горноспасатели пользуются полуэмпирической методикой, которая даёт ответ только на один вопрос - какое будет давление в переднем фронте ударной волны при её распространении только по одному маршруту. Однако при взрыве по горным выработкам всегда распространяются не одна, а несколько ударных волн, которые, взаимодействуя друг с другом, испытывают многократные шражения при поворотах- На людей воздействует целый ряд поражающих факторов, в числе которых динамическое воздействие набегающего потока, концентрация и высокая температура ядовитых продуктов взрыва. По этой причине точность существующих методов расчёта в сложных ситуациях перестала удовлетворять горноспасателей, а возможности их уточнения исчерпаны.
Для корректного расчёта распространения воздушных ударных волн в сложной разветвлённой сети горных выработок необходима разработка
принципиально новой методики, в основу которой должен быть положен газодинамический подход, основанный на численном решении системы нестационарных уравнений газовой динамики. Это даст возможность описать процесс распространения ударных волн более детально и не только по заданному маршруту, а одновременно по всем направлениям, учитывая такие эффекты, как усиление и ослабление волн при их взаимодействии между собой, отражение волн в тупиках, влияние волн разрежения, а также взаимодействие ударных волн с различными защитными сооружениями и горным оборудованием.
Все исследования выполнялись по тематике Томского государственного университета и Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (РосНИИГД). Диссертационная работа обобщает результаты трёх научно-исследовательских тем, выполненных в 1999-2003 гг, при непосредственном участии автора (№№ Г.Р.: 01200304101, 01200211619, 0980009368).
Цель работы - усовершенствование газодинамического метода расчёта параметров распространения воздушных ударных волн при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах и исследование волновых эффектов, возникающих при распространении ударных волн по разветвлённой сети горных выработок.
Идея работы заключается в повышении точности расчёта зон поражения при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах за счёт учёта волновых эффектов, возникающих при распространении ударных волн в разветвлённой сети горных выработок.
Задачи исследований:
I. Усовершенствовать газодинамический подход и разработать методику расчёта волновых процессов, возникающих при распространении воздушных ударных волн по шахтной сети с учётом пространственной топологии горных выработок-
2. Исследовать затухание ударной волны на прямолинейных участках горных выработок в зависимости от коэффициента их аэродинамического сопротивления.
3. Исследовать влияние волновых процессов, возникающих в тупиковых выработках, на интенсивность распространяющихся ударных волн.
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 математических моделей по распространению ударных волн в горных выработках и их численное решение с применением ЭВМ, проведение тестовых расчётов, сравнение полученных результатов математического моделирования с существующими эмпирическими методиками аналогичных расчётов и экспериментальными данными других авторов.
Научные положении, выносимые на защиту:
На величину взрывобезопасного расстояния при взрывах в угольных шахтах сильное влияние оказывают волновые эффекты, возникающие в разветвлённой сети горных выработок при формировании, распространении, отражении и взаимодействии воздушных ударных волн, волн сжатия и волн разрежения,
Интенсивность ударной волны определяется энергией взрыва, не зависит от формы начального распределения давления и на расстояниях, превышающих размеры первоначального объёма загазования в три-пять раз, может быть рассчитана на основе простейшей модели мгновенного взрыва,
Силу трения газа о стенки горных выработок можно согласовать с экспериментальными данными путём введения безразмерного коррелирующего коэффициента, функционально зависящего от коэффициента аэродинамического сопротивления выработки.
4. При переходе потока, втекающего в тупиковую выработку длиной 100 м и более, в дозвуковой режим возникает эффект торможения сверхзвукового потока, подходящего к этой выработке. В сопряжении с тупиковой выработкой наблюдается повышение давления с выходом из него слабой волны сжатия.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
обоснованностью исходных предпосылок и использованием апробированных методов математического моделирования распространения ударных волн в горных выработках в широком диапазоне изменения их геометрических и аэродинамических параметров;
удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и расчётов по существующим аналитическим методикам других авторов;
- положительными результатами опытно-промышленной проверки
«Методики газодинамического расчета параметров воздушных ударных волн
при взрывах газа и пыли» и программного комплекса «Ударная волна» в от
рядах ВГСЧ и в экспертных комиссиях по расследованию аварий на уголь
ных шахтах Кузбасса.
Научная новизна работы:
Усовершенствован газодинамический метод и разработана методика газодинамического расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах в угольных шахтах, позволяющие рассчитывать формирование, распространение, отражение и взаимодействие ударных волн, волн сжатия и волн разрежения с учётом пространственной топологии сети горных выработок,
Установлено, что на расстояниях, превышающих в три-пять раз взорвавшийся объём, интенсивность ударной волны определяется энергией, выделившейся при взрыве, не зависит от формы начального распределения дав-
ления и может быть рассчитана на основе простейшей модели мгновенного взрыва
Получен коррелирующий коэффициент ^ = 3.01п(а) + 19.2] позволяющий рассчитывать затухание воздушных ударных волн на прямолинейных участках горных выработок с учётом коэффициента их аэродинамического сопротивления а.
Установлено, что при переходе потока, втекающего в тупиковую выработку длиной 100 м и более, в дозвуковой режим возникает эффект торможения сверхзвукового потока, подходящего к этой выработке, В сопряжении с тупиковой выработкой наблюдается повышение давления с выходом из него слабой волны сжатия.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- в создании методики газодинамического расчёта параметров воздуш
ных ударных волн при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах;
- в разработке программного комплекса «Ударная волна».
Результаты выполненных исследований позволяют:
рассчитывать газодинамические параметры ударных волн, распространяющихся по горным выработкам, и определять места безопасного размещения людей и оборудования, задействованных в ходе ликвидации аварии;
повысить эффективность и безопасность ведения горноспасательных работ за счёт определения зон поражения при взрывах от воздействия поражающих факторов: давления и скорости набегающего потока, температуры и концентрации продуктов взрыва;
- прогнозировать интенсивность распространения ударных волн по
горным выработкам при составлении планов ликвидации аварии и проводить
экспертные оценки с целью выявления причин и возможных мест взрыва в
ходе расследования аварий.
Личным вкладом автора является:
- проведение много параметрических расчётов, обработка и анализ полученных результатов;
- получение безразмерного коррелирующего коэффициента, позво
ляющего рассчитывать затухание воздушных ударных волн на прямолиней
ных участках горных выработок с учётом их аэродинамического сопротивле
ния;
разработка алгоритма расчёта потокораспределения газа по сети горных выработок;
разработка и внедрение в ВГСЧ угольной промышленности нормативного документа и программного комплекса для расчета параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли в угольных шахтах.
Реализация работ в промышленности. Результаты исследований вошли в «Методику газодинамического расчета параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли», которая утверждена Госгортехнадзором РФ (2003 г,). Программный комплекс «Ударная волна» имеет сертификат Госгортехнадзора РФ и используется в ВГСЧ угольной промышленности с 2000 г. С его помощью создан банк данных трёхмерных координат горных выработок угольных шахт Российской Федерации. «Методика ...» и программный комплекс использовались экспертными комиссиями при расследовании аварий на шахтах «Распадская» (2000 г.), «Алардинская» (2003 г.), «Зиминка» (2003 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее части докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета РосНИ-ИГД, на семинарах кафедры прикладной аэромеханики ТГУ, на технических советах Центрального штаба ВГСЧ угольной промышленности РФ, на IV Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 2000), на Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и техногенных катастроф» (г. Красноярск 2001,
2003), на IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г, Кемерово, 2001), на Всероссийской научно-практической конференции «Промышленная безопасность» (г. Москва, 2001), на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (г. Томск, 2002), на 3-й Международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (г. Абаза, 2002), на 1-й Международной конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», (г, Москва, 2002), на Научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2002), на научной конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2003), на XII Международной конференции по Вычислительной Механике и Современным Программным Системам (г. Владимир, 2003), на Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2003), 30th International Conference of Safety in Mines Research Institutes (Johannesburg, 2003).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 13 печатных работах и одном нормативном документе.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 140 страницах машинописного текста, включая 52 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 107 наименований и приложение.
Существующие методы расчёта взрывобезопасных расстояний
В качестве основных поражающих факторов взрыва газов и пыли в шахтах обычно рассматриваются следующие: сейсмические волны, воздушные ударные волны; высокая температура во фронте горения; токсичные газы и низкое содержание кислорода в продуктах реакции [68].
Действие сейсмических волн проявляется, как правило, при взрывах очень больших объёмов газа и пыли, однако радиус сейсмических колебаний, опасных для людей и подземных инженерных сооружений, сравнительно невелик и не превышает 100 м, что значительно меньше зон действия токсичных газов и ударных волн [69, 70].
Из поражающих факторов УВ следует выделить: избыточное давление, время его действия, время нарастания избыточного давления от барометрического до максимального и скоростной напор потока газа, движущегося за фронтом волны [28].
Ослабление УВ при движении ее вдоль горных выработок происходит за счет нескольких основных факторов. На первом этапе основную роль играет потеря энергии УВ на вовлечение в движение дополнительных масс воздуха. При удалении УВ от области взрыва ее ослабление происходит ещё и за счет трения о стенки выработки,
Очень сильное ослабление УВ наблюдается при прохождении сопряжений горных выработок. Особенностью этого процесса является образование на разветвлении выработок отраженных ударных волн, движущихся со скоростью большей, чем исходная УВ, В результате при прохождении развилки происходит сложный многостадийный процесс перераспределения энергии УВ, эквивалентный на достаточно большом расстоянии от развилки просто падению давления во фронте УВ [72, 73].
Практически на всех стадиях существования УВ её поведение достаточно сложно описать простыми зависимостями, пригодными для быстрого применения в аварийной обстановке. А иногда вообще не существует возможности выразить поведение УВ в виде конечных формул, кроме самых простых случаев.
Высокую опасность несёт в себе токсическое воздействие газообразных продуктов взрыва газа и пыли. В некоторых случаях граница опасной зоны действия взрыва на людей по газовому фактору может быть больше, чем по ударной волне [72]. Однако разработанные в настоящее время средства защиты органов дыхания горнорабочих позволяют эффективно осуществлять аварийно-восстановительные работы в условиях высокой загазованности горных выработок [74].
Наибольшую опасность для людей и инженерных сооружений представляют ударные волны. Причём, из всех параметров, характеризующих состояние среды при взрыве, наиболее важным с точки зрения механического воздействия, является избыточное давление на фронте УВ.
При действии УВ в течение 20-200 мс основное влияние на человека оказывает величина давления на её фронте. Так, при избыточном давлении 30-105 кПа у человека разрушаются барабанные перепонки, при избыточном давлении 40-100 кПа происходит сильная контузия и травмы, связанные с повреждением внутренних органов, кровеносных сосудов и мышц. Даже при незначительном избыточном давлении УВ, достигающем 20-40 кПа, возникают лёгкие контузии и травмы лёгкой степени, характеризующиеся головокружением и головной болью [75]. При длительном воздействии УВ, равном 200-250 мс и более, для человека становится опасным как избыточное давление, так и скорость движущегося за фронтом волны потока воздуха. Кроме того, для людей и сооружений представляют опасность летящие с воздушным потоком куски породы, угля, металла, дерева и т.д. Чем больше скорость, тем больше в движение вовлекается различных предметов.
В этих условиях требуются оперативность и точность прогнозирования параметров и области распространения УВ в горных выработках. Эта информация становится важным критерием возможных разрушительных последствий взрыва и, следовательно, входит одной из составляющих в критерий безопасности ведения горноспасательных работ. Повышенная точность прогноза требуется при ведении работ, связанных с ликвидацией аварийных ситуаций. Так, эффективность мер, принимаемых при ликвидации подземного пожара, напрямую зависит от того, насколько близко удаётся подойти к аварийному участку, оставаясь в тоже время в безопасной для жизни и здоровья людей зоне [68].
Существующие методы расчёта взрывобезопасных расстояний В аварийных ситуациях при потенциальной угрозе взрыва расстановка людей в горных выработках и все горноспасательные работы должны вестись на взрывобезопасных расстояниях. Эти расстояния рассчитываются по специальным методикам, В СССР, и до 1997 г. в России, на вооружении горноспасателей долгое время находилась «Методика определения параметров воздушных ударных волн при взрывах газов и пыли в горных выработках», разработанная в Карагандинском отделе ВНИИГД под руководством A.M. Чеховских [76], В 1997 г., после критических выступлений в её адрес [77], в 1997 г. в России была принята другая методика [78], разработанная в штабе ВГСЧ Республики Казахстан. На Украине продолжает действовать методика A.M. Чеховских [79].
Алгоритм расчёта потокораспределения газа по сети горных выработок
В процессе математического моделирования взрыва метановоздушной смеси в угольной шахте приходится сталкиваться с непростой задачей организации вычислительного процесса, описывающего распространение УВ и воздушных потоков по разветвлённой сети горных выработок (рис. 2.1).
Сложность сети горных выработок в нашем случае будет определяться их числом и геометрией самой сети. Есть шахты, в которых проветривается 500 и более выработок, соединяющихся между собой под определёнными пространственными углами. Поэтому необходимо решать системы уравнений (2.1)-(2.5) и (2.8)-(2,14) соответственно для каждой выработки и каждого сопряжения с учётом граничных условий (2,17)-(2.19), автоматически учитывая пространственные углы соединения выработок, направления потоков в них п с и туш щи ттыолсйситя двух ш более штоков, сходящихся в сопряжениях. Алгоритм организации вычислительного процесса должен быть универсальным, обеспечивающие моделирование порыва метаноооздуяпшй сме си и любой точко шахты. Для : кло пространственная топология СЄ ЕИ горных вырачмшж шахты в числовой форме /юлжма быть соответещующим образом сформирована перед шічшюм НЫЧдлительного процесса.
Построение грззфа егі и выработок. Предстаоим сеть выработок шах» ш как систему ветвей, имеющих испороть:, пересечения, примыкания, тупики и выходы на дневную повер носгв. Разобьем угу систему ветвей таа N прямолинейных ушетков. Тогда концы участков будут сопрягаться о еблас-іями изменения конфигурации и сечения горных выработок. )ш облаечи, назовём их узлами, мої утбвпъ грех чипов (рис 2.2); - тупик; - выход па поверхность; - некпение канали (о том числе испорот какала на определенный угол и изменение площади сечения).
Пронумеруєм все ветви и узлы сети. Тогда для задания её топологии можно использовать трёхместный предикат /,/, к, который будем называть элементарным кодом ветви. Здесь і, /, к — натуральные числа. Для каждой ветви сети с номером к, соединяющей узлы с номерами і и у можно записать сё элементарный код. То, что каждой ветви сопоставлена упорядоченная пара узлов (/, /), соответствует заданию определённой ориентации ветви: / - начало ветви,/- её конец. Список элементарных кодов всех ветвей будет полностью определять топологию сети горных выработок.
Изображая геометрическое множество узлов точками, а множество ветвей линиями со стрелками, соединяющими эти точки, мы получим конечный граф, изображающий сеть горных выработок шахты.
Каждому узлу графа, кроме его номера, поставим в соответствие три декартовых координаты X, Y, Z и признак выхода па поверхность, каждой ветви - кроме собственного номера и номеров начального и конечного узлов, форму и площадь поперечного сечения, величину периметра. В качестве опции для каждой ветви можно ввести комментарий. Кроме того, в одной из ветвей задаётся положение и размер зоны взрыва, в других, при необходимости, - положение и размер зон локального скопления метана (рис. 2.3),
Вычислительный алгоритм организован следующим образом:
1. Задание всех необходимых исходных данных по геометрии горных выработок, топологии шахты, коэффициентов сопротивления на прямолинейных участках горных выработок, начальных значений параметров состояния газа в горных выработках и зонах, где произошел взрыв.
2. Вычисление параметров течения газа на я + 1 временном слое в точках сопряжения и изменения конфигурации горных выработок.
3. Вычисление параметров течения газа на л-м временном слое на прямолинейных участках горных выработок,
4. Обработка промежуточных результатов решения задачи с целью выборки необходимой информации для использования ее при анализе аварийной ситуации; переход выполнения вычислений на п, 2.
5. Для экономии времени счета в программе предусмотрено постепенное увеличение расчетной области в процессе распространения ударной волны.
Тестирование программы и отдельных её блоков проводилось на выполнимость законов сохранения массы и полной энергии и на решении ряда модельных задач (расчёт на установление давления, расчёт в симметричных конфигурациях расположения каналов и т.д.) Тестирование подтвердило выполнимость законов сохранения массы и полной энергии при расчёте течения в N каналах (при отсутствии теплообмена и потерь энергии на трение) и непротиворечивость получаемых результатов при решении модельных задач.
При решении системы уравнений газовой динамики используется метод СХ Годунова [97], в основе которого лежит решение задачи о распаде произвольного разрыва в параметрах газа. Расчет параметров газа после распада разрыва занимает достаточно много времени, и при вычислении параметров распространения УВ после взрыва по горным выработкам со сложной топологией время работы персонального компьютера будет недопустимо продолжительным. Однако, как показали предварительные расчёты, не всегда имеет смысл решать задачу о распаде произвольного разрыва в полной постановке. В случае, когда перепад давления в двух соседних ячейках небольшой, образуются слабые разрывы, и параметры состояния после распада разрыва могут быть найдены с хорошей точностью исходя из формул для акустического приближения. Схема, использующая такие выражения, называется линеаризованной схемой. При расчете распространения ударных волн и течения газа в прямолинейных выработках алгоритм решения, использующий линеаризации может быть построен следующим образом: - в областях, где параметры потока меняются сильно и перепады давления в соседних ячейках велики для нахождения потоков массы, импульса и энергии между ячейками используется решение задачи о распаде разрыва в полной постановке; - в областях, где параметры потока меняются слабо, в соседних ячейках перепады давления невелики - используется линеаризованная схема уравнений акустики:
Сравнительный анализ затухания ударных волн при проходе ими сопряжений горных выработок
Такой анализ проводился путём сравнения коэффициентов затекания, представленных в [7S], с коэффициентами затекания, вычисленными с использованием газодинамического метода. В расчетах было принято, что УВ приходит в зону изменения конфигурации с интенсивностью 0,3 МПа. Фиксировалось максимальное значение давления торможения Рн в УВ перед зоной изменения конфигурации и максимальное давление торможения Рпр в УВ во входе рассматриваемого канала заданного сечения S (на расстоянии м от кромки входа в этот канал). Коэффиииент затекания определялся по соотношению
Полученные значения К г при различных S = S/F приведены в табл. 3.3 (жирным шрифтом проставлены значения К т, взятые из [78]). Видно, что коэффициенты затекания, полученные на основе газодинамической метода удовлетворительно согласуются с эмпирическими коэффициентами, представленными в [78]. Следует отметить хорошее совпадение рассчитанных с помощью газодинамической методики коэффициентов при значениях близких к 1. Однако, при »1 в конфигурациях 6-8, !0 имеются некоторые отличия (коэффициенты затекания, полученные по газодинамической методике, имеют большие значения, чем в [78]). Слабая зависимость Кззт от 8 в прямом канале в конфигурациях 6-8, 10, полученная при газодинамических расчётах, летко объясняется инерционностью газового потока, движущегося с большой скоростью мимо выхода в боковую выработку. Поток не успевает «развернуться» и затечь в примыкающую боковую выработку за время распространения УВ в зоне сопряжения, поэтому интенсивность УВ, движущейся в прямом направлении, не успеет уменьшиться на значительную величину. При 3«) в конфигурациях 1} и 14 также имеется существенное отличие (коэффициенты затекания, полученные при газодинамических расчётах имеют большие значения, чем в [78]). Это объясняется значительным торможением потока газа и его поджатием набегающими массами газа в этих конфигурациях выработок, когда отток газов из этой зоны затруднен из-за малых площадей примыкающих выработок.
Отмеченные расхождения в результатах объясняются очень сложным характером течения в месте сопряжения выработок. Тем не менее используемая трёхмерная ячейка при расчёте параметров течения в местах сопряжения горных выработок в большинстве случаев даёт удовлетворительное совпаде нме с эмпирическими коэффициентами - атекшшя & ,„,., рекомендуемыми в методике j_78j. Такой упрощённый подход оправщш при проведении инженерных расчётов ШШІО;ШЯ ре ко cu&paimi. машинное нремн. получая при тгои удовлетворительные результаты.
Проапаніичир е\з возможности ішочишшичеешт метода, и сранним ei oc методикой, сгошдсй па ьюоружешиї ВГСЧ [78]. Сравнение проведём на примере схемы аварийного участки т Устава ВГСЧ (рис. 3.5).
Итак,, рассмотрим распространение воздушной ударной волны в сохи горных выработок, схема которой нреде гавлева на рис. 3.5, и оценим последствия возможного взрыва мепшшзо душной смеси стахнометрииеекой концентрация в лаве / (чатемнешш область па рис. З.зі В табл. ЗА дапы геометрические характеристики соответствующих прл мол идейных выработок.
Чтобы начальные условия в газодинамическом расчёте совпадали с начальными условиями в [78] вычисления будем начинать в момент отрыва ударной волны от продуктов взрыва при давлении 0.4 МПа. Рассмотрим сначала тот идеализированный вариант распространения ударных волн после взрыва, который фактически рассчитывается в ходе проведения расчёта по методике [78 .
Его особенность заключается в следующем. По условиям задачи [78] требуется определить безопасное место ведения изоляционных работ на рельсовом и вентиляционном уклонах с учётом возможного взрыва в лаве Л В этом случае горноспасатели рассчитывают два самых коротких маршрута распространения ударной волны: 1-2-3-4 и 1-10-12-13-14-15. Причём, при расчёте падения давления в сопряжениях 2-4, 10, 12, 13, 15 считается, что ударная волна уходит по ответвлениям 3, 4, 6, 8, //, 15, 16, 18, 20, 23 без последующего взаимодействия с потоком, распространяющемся по главному направлению. Поэтому для корректности сравнения при газодинамическом расчёте все упомянутые выше ответвления заменим на достаточно длинные выработки. На рис. 3.6 представлены расчетные зависимости изменения давления от времени в сопряжениях горных выработок. Номера кривых соответствуют номерам сопряжений нарис, 3,5.
В сопряжении / (рис. 3.6,а) давление постепенно понижается до величины 0Д1 МПа, затем снова повышается за счет прихода сюда отраженных волн из тупика выработки /. В сопряжении 2 давление скачком повышается до значения 0Д34 МПа, затем постепенно понижается. В сопряжении 3 максимальное давление достигает значения -0,11 МПа, в сопряжении 4 максимальное давление равно 0,103 МПа, а за поворотом в выработку 8 на расстоянии 2 м от кромки выработки максимальное давление составляет 0,102 МПа, что находится в пределах безопасных значений для здоровья человека. Методика [78] даёт очень близкий результат (в сопряжении 4 значение давления составляет ОД 09 МПа),
Формирование догоняющих ударных волн при взрывах в тупиковых выработках
Распределение давления и скорости потока вдоль маршрута движения ударной волны 1-2-3-4-5-6-7 представлено на рис. ЗЛЗ, Начало координат находится в сопряжении /. Резкое падение давления наблюдается только после прохода потоком сопряжения 2. На повороте потока в сопряжении 3 происходит ещё одно достаточно заметное падение давления, а затем в области низких скоростей при прохождении сопряжений давление в потоке практически не меняется. Следовательно, основное затухание взрыва в сопряжениях происходит на начальном этапе распространения УВ 8 области высоких давлений и скоростей, когда сказываются потери энергии на формирование отражённых ударных волн. На заключительном этапе, когда УВ вырождается в слабую волну сжатия, и скорость её распространения становится менее 50 м/с, затухание распространяющегося возмущения происходит гораздо медленнее не только в сопряжениях, но и на прямоНи НйшьЫ$ч тшжы работке 2 наблюдается вторая волна очень слабой интенсивности, идущая вслед первой. Её происхождение обусловлено колебательным процессом, формирующимся в тупике / в процессе истечения из него сжатых продуктов взрыва. Динамика этого процесса представлена на рис, 3,14.
Тупиковая выработка / представляет собой полуограниченный канал длиной 60 м, в котором в результате взрьіва сформировалось давление 0.8 МПа. Истечение газа происходит в откаточный штрек через сопряжение / (см. рис. 1.12). Первая фаза колебательного процесса представлена на рис. 3.14.Л, В ходе её происходит быстрое, за 0.25 с вытекание сжатого газа из
Распределение давления Р и скорости U потока вдоль маршрута движения ударной волны в моменты времени; /- 0.005 с, 2 - 0.1 с и далее с интервалом 0Л с пика, и выравнивание в большей его части давления на уровне атмосферного (см. кривую 5). Вторая фаза процесса начинается с формирования разрежения в тупиковой части выработки и падением давления ниже атмосферного. Разрежение возникает в результате быстрого охлаждения продуктов взрыва и истечением из тупика под действием сил инерции избыточного количества газа. В результате совокупного влияния вышеперечисленных факторов поток меняет направление движения на противоположное и с высокой скоростью, достигающей в отдельные моменты 110 м/с (кривая 7 на рис. 3.14.6), устремляется в сторону тупиковой части выработки- В тупике газ затормаживается, что приводит к повышению давления в этой части выработки. Поток
Распределение давления Р и скорости U потока в зоне взрыва в моменты времени: 1, Г- 0.05 с, 2, 2Э- 0.1 с и т.д. с интервалом 0.05 с снова меняет направление и начинает вытекать из выработки 1 в откаточный штрек 2 с формированием в нём слабой волны сжатия (см. рис, 3,13.6, г).
Рассмотренный пример подтверждает существование так называемого обратного удара при взрывах метана в угольных шахтах. Это явление трактуется в горной литературе следующим образом [104]. Первый прямой удар представляет собой распространяющуюся от источника воспламенения к периферии взрывную волну, воспламеняющую всё более удалённые от центра взрыва объёмы метана. Обратный удар - волна, распространяющаяся в обратном направлении, к центру взрыва вследствие возникающего там разрежения после остывания продуктов взрыва и конденсации образующихся при взрыве паров воды. Обратный удар обычно слабее прямого.
Однако результаты проведённых, выше расчётов говорят о том, что причиной формирования обратного удара являются не только охлаждение продуктов взрыва и конденсация образующихся при взрыве паров воды. В нашей постановке конденсация водяных паров не учитывается, тем не менее, обратная волна сжатия очень сильная. Охлаждение продуктов взрыва в нашей математической модели учитывается, но вряд ли составляющая теплопо-терь в стенки выработки за столь короткий промежуток времени существенна. Сильное понижение температуры наблюдается за счёт уменьшения давления в зоне взрыва, но это происходит по другой причине - за счёт расширения газа. Более того, процесс конденсации водяных паров всегда сопровождается выделением тепла, которое в реально протекающем процессе будет компенсировать теплопотери в стенки горной выработки.
Главной причиной формирования так называемого обратного удара является, на наш взгляд, центрированная волна разрежения, которая образуется в момент распада произвольного разрыва и формирования фронта ударной волны. Последующий процесс расширения происходит в примыкающей к фронту УВ центрированной волне разрежения. Достигнув груди забоя, волна разрежения отражается от его поверхности и устремляется со скоростью зву 38
ка вслед уходящей УВ, понижая давление в газовом потоке по пути своего следования- Настигнув ударную волну, волна разрежения отражается от её фронта и снова направляется в сторону груди забоя. В результате нескольких циклов подобного отражения давление у груди забоя снижается до такой величины, что соседние слои газа, имеющие более высокое давление, в какой-то момент времени под воздействием возникшего разрежения останавливаются. Затем, изменив направление своего движения на противоположное, устремляются к груди забоя в область более низкого давления.
