Содержание к диссертации
Введение
1. Выбор направления и задачи исследования. 10
1.1. Анализ взрывов метана и пыли в угольных шахтах 10
1.2. Научно-исследовательские работы, посвященные изучению взрывов метанопылевозцушных смесей 14
1.3. Способы и средства локализации ударных волн в горных выработках . 23
1.4. Обоснование выбранного направления работы и задачи исследования 29
2. Аналитическое исследование экстремальных параметров ударных волн при взрывах метанопылевоздушных смесей в шахтах 32
2.1. Исследование параметров взрыва метанопылевоздушной смеси в зоне действия детонационной волны в тупиковой и сквозной горных выработках 32
2.2. Определение зоны действия продуктов взрыва метанопылевоздушной смеси в горных выработках и параметров ударных волн в этой зоне 47
2.3. Исследование параметров взрыва метана с угольной пылью в зоне действия воздушной ударной волны 52
2.4. Сравнительная оценка параметров ударных волн при взрывах метана и метанопылевоздушной смеси в горных выработках 61
Выводы 68
3. Экспериментальное исследование взрывов душных смесей в горных выработках . 71
3.1. Методика проведения экспериментов 71
3.2. Экспериментальное определение объемного содержания метана и массовой концентрации угольной пыли в метанопылевоздушной смеси оптимального состава . 88
3.3. Исследование параметров детонационного горения метано-пылевоздушной смеси оптимального состава в тупиковой горной выработке 98
3.4. Экспериментальное исследование параметров ударных волн в зоне действия продуктов взрыва при горении метана с угольной пылью 105
3.5. Исследование взрывов метанопылевоздушных смесей в сквозном штреке 114
3.6. Влияние инертных частиц пыли на распространение воздушных ударных волн в прямолинейных горных выработках 114
Выводы 119
4. Совершенствование взрыво защитных перемычек и повышение безопасности их возведения в горных выработках . 121
4.1. Пути повышения эффективности поглощения энергии ударных волн взрывозащитными перфорированными перемычками в горных выработках 123
4.2. Гашение ударных волн перфорированными перемычками, содержащими флегматизаторы 131
4.3. Экспериментальное исследование гашения ударных волн перфорированными перемычками, изменяющими газодинамику потока волн в горных выработках 138
4.4. Рекомендации по повышению безопасности и улучшению условий труда при возведении взрывозащитных перемычек в угольных шахтах 145
4.5. Реализация результатов работы в промышленности 152
Выводы 155
Заключение 158
Список использованных источников 162
Приложения. 174
- Научно-исследовательские работы, посвященные изучению взрывов метанопылевозцушных смесей
- Определение зоны действия продуктов взрыва метанопылевоздушной смеси в горных выработках и параметров ударных волн в этой зоне
- Экспериментальное определение объемного содержания метана и массовой концентрации угольной пыли в метанопылевоздушной смеси оптимального состава
- Гашение ударных волн перфорированными перемычками, содержащими флегматизаторы
Введение к работе
Основные направления экономического и социального развития страны на 80-е годы указывают на необходимость "... улучшать условия труда и технику безопасности во всех отраслях народного хозяйства СССР" /I/.
Претворение в жизнь решений XX7I съезда КПСС об увеличении добычи угля и повышении в отрасли производительности труда тре -бует наряду с техническим перевооружением шахт и совершенствованием технологии добычи угля обеспечить безаварийную работу угольных предприятий.
Техническое перевооружение угольной промышленности, внедрение прогрессивных технологических схем выемки угля, повышение культуры производства способствовали в последние годы снижению аварийности в угольных шахтах. Однако, недостаточная изученность горнотехнических условий добычи угля, потенциальная возможность газовыделения в горные выработки и наличие в них мелкодисперс -кШ пыли, нарушение технологии очистных и проходческих работ,обрушения и др. могут быть причиной возникновения аварий.
Анализ статистики аварий, повлекших за собой групповые не -счастные случаи с работающими, показывает, что наибольшее число пострадавших при авариях относится ко взрывам метана и угольной пыли в шахтах. При этом по масштабам материального и морального ущерба особо опасны взрывы метана с участием угольной пыли.
Возросший уровень механизации выемки угля, сопровождающийся повышенным его измельчением, вызвал интенсивное увеличение пыле-образования и пылеотложения в горных выработках. Наличие в гор -ных выработках мелкодисперсной угольной пыли значительно снижает нижний предел взрываемости метана и обуславливает повышение ве -роятности возникновения взрывов метана с участием угольной пыли. Так, по данным работы /99/, до 1970 г. взрывы метанопылевоздуш -
5 ных смесей в угольных шахтах составляли примерно 10 % от общего количества взрывов. Исследования ВостНЙЙ /43/ свидетельствуют о том, что в настоящее время взрывы метана с угольной пылью сое -тавляют уже около 30 % всех взрывов в шахтах.
Усложнение условий ведения горных работ не только способ -ствует возникновению подземных аварий, но и повышает опасность, трудоемкость и длительность горноспасательных работ. Так, при тушении подземных пожаров возросла вероятность возникновения взрывов метана и угольной пыли /94/. По этой причине наряду с реше -нием многих тактических задач, связанных с тушением подземного пожара, необходимо принимать меры по предупреждению и локализа -ции взрывов.
"Устав ВГСЧ по организации и ведению горноспасательных ра -бот в угольных и сланцевых шахтах" /95/ требует обеспечения бе -зусловной безопасности для работающих людей. Однако существую -щие методы оценки параметров взрыва горючих смесей в шахтах не учитывают влияния массовой концентрации угольной пыли на взрыв метана в горных выработках, что не обеспечивает научно-обоснованный уровень безопасности горноспасательных работ при угрозе взрыва метанопылевоздушных смесей. Для повышения безопасности труда в шахтах при ликвидации аварий необходимо дальнейшее совершенствование взрывозащитных преград (перемычек) как за счет повышения эффективности поглощения ими энергии взрыва, так и за счет соз --дания безопасных условий их возведения. Эффективные взрывозащит-ные шахтные перемычки необходимы также для обеспечения охраны горных выработок, оборудования и коммуникаций при проведении массовых взрывов ВВ в подземных рудниках.
Дальнейшее совершенствование способов и средств локализации взрывов метана с угольной пылью сдерживается из-за отсутствия данных о поражающих факторах взрыва метанопылевоздушных смесей
в угольных шахтах. Поэтому исследования параметров (энергии, импульса, давления и др.) ударных волн взрыва метанопылевоздушной смеси и разработка эффективных способов и средств их локализации являются актуальными научно-техническими задачами и имеют важное народнохозяйственное значение. Кроме того исследования, направ -ленные на разработку более эффективных средств гашения воздушных ударных волн, имеют актуальное значение для решения частных за -дач по защите горных выработок и оборудования при производстве массовых взрывов ВВ в подземных рудниках.
Целью работы является установление основных экстремальных параметров взрыва метанопылевоздушной смеси в горных выработках и совершенствование взрывозащитных перемычек для повышения безопасности горноспасательных работ в угольных шахтах.
Для достижения цели в работе поставлены следующие основные задачи.
Аналитически и экспериментально исследовать экстремаль -ные параметры ударных волн при взрыве метанопылевоздушной смеси в тупиковой и сквозной горных выработках.
Выявить качественные и количественные отличия параметров взрыва метанопылевоздушной смеси от параметров взрыва метана.
Изыскать методы повышения эффективности ослабления энергии взрыва метанопылевоздушной смееи взрывозащитными перемычками и повысить безопасность их возведения в горных выработках.
Научные положения и новизна, защищаемые в диссертационной работе:
- методика определения экстремальных значений параметров взрыва метана с угольной пылью в шахте, отличающаяся тем, что она основывается на аналитическом решении методами механики многофазных сред. Это позволяет учесть влияние массовой концентра -ции угольной пыли на параметры взрыва метана в горных выработках
и выявить качественные и количественные отличия параметров взрыва метанопылевоздушной смеси от параметров взрыва метана в тупиковой и сквозной горных выработках;
метод определения затухания воздушной ударной волны в прямолинейных горных выработках, атмосфера которых содержит инертные частицы пыли или капельной жидкости, отличающийся тем, что он учитывает влияние массовой концентрации и теплоемкости инертных твердых частиц или капельной жидкости;
способы увеличения лобового сопротивления взрывозащитной перфорированной преграды, взаимодействующей с ударной волной в горной выработке, отличающиеся тем, что, для повышения эффективности поглощения энергии взрыва, увеличение лобового сопротивления перфорированной преграды достигается за счет ухудшения аэродинамического качества преграды, изменения ею химической и физической газодинамики потока ударной волны или за счет комплексного воздействия указанными способами;
методика оценки возможного сокращения размеров изолируе -мых объемов аварийного участка при угрозе взрыва метана с угольной пылью, отличающаяся тем, что она основывается на закономер -ности затухания воздушной ударной волны в горной выработке и на применении быстровозводимых взрывозащитных перемычек парашютного типа. Это позволяет обеспечить защиту людей от поражающих факторов воздушной ударной волны во время возведения основных изолирующих преград, а также сократить размеры изолируемых объемов аварийного участка шахты.
Научно-практическая значимость состоит в том, что данные настоящей работы по выявлению качественных и количественных от -личий параметров взрыва метанопылевоздушной смеси от взрывов метана могут быть использованы в энергетической, химической и др. отраслях промышленности, на предприятиях которых существует по -
8 тенциальная угроза возникновения взрыва газа и пыли; разрабо -тайный механический датчик может применяться при измерении им -пульсных давлений в технологических и исследовательских работах, связанных с использованием взрывов ; применение разработанного способа и усовершенствованных взрывозащитных перфорированных перемычек позволяет обеспечить рациональную локализацию взрывов метана с угольной пылью в шахтах и эффективно гасить воздушную ударную волну при производство массовых взрывов ВВ в подземных рудниках; разработанные быстровозводимые взрывозащитные устройства парашютного типа могут быть использованы для гашения ударных волн малой интенсивности (менее 0,15 МПа) и большой длительности (более 0,2 с), а также для повышения безопасности и улуч -шения условий труда горноспасателей во время ведения аварийно -технических и других работ при угрозе взрыва газа и пыли.
Практическое использование полученных результатов. По материалам диссертации опубликовано II научных сообщений и получено II авторских свидетельств ССОР.
Из разработок, представленных в диссертации, в промытлен -ность внедрены:
"Методика определения параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли в горных выработках" (Приложение 21 к пункту 198 "Устава военизированных горноспасательных частей по организации и ведению горноспасательных' работ в угольных и сланцевых шахтах", М., 1983).
"Рекомендации по повышению безопасности горноспасательных работ и сокращению безопасных расстояний при угрозе взрыва газа и пыли в шахтах", Караганда, 1982.
"іуководство по обеспечению защиты от ударных волн оборудования, оснащения и коммуникации горных выработок взрывоустой -чивыми перемычками", Караганда, 1981.
- "руководство по эксплуатации комплекта противовзрывного быстровозводимого", Караганда, 1982.
Диссертационная работа выполнена в Карагандинском отделе Всесоюзного научно-исследовательского института горноспасатель -ного дела (ВНИИГД).
В основу диссертации положены исследования, выполненные в соответствии с тематическим планом НИР ВНИИГД по темам № І90208000О-085, 1973-1975 г.г. (№ гос.регистрации 73067955) и № 1904230000-085, 1976 г. (№ гос.регистрации 76086399), при проведении которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя.
Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложена на 161 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц, 22 рисунка, список литературы из 122 наименований и приложения.
Автор выражает признательность за консультации и полезные советы профессорам, докторам физико-математических наук Р.И.Ниг-матулину и В.П.Коробейникову; профессорам, докторам технических наук А.А.Мясникову и Б-С.Фиалкову; кандидатам технических наук А.М.Быкову, И.А.Пономареву, B.C.Харьковскому, А.МЛеховских и горному инженеру С.П.Старкову.
Автор благодарит руководство ВНИИГД и штаба ВГСЧ Караган -динского бассейна за предоставленную возможность выполнить эту работу, а сотрудников лаборатории взрывоустойчивых сооружений Карагандинского отдела ВНИИГД и личный состав 42 и 44 ВГСО - за участие в проведении трудоемких натурных экспериментов.
Глубокую признательность автор выражает заведующему лабораторией взрывоустойчивых сооружений Карагандинского отдела ВНИИГД кандидату технических наук Плотникову В.М. за научно-методичес -кую помощь.
Научно-исследовательские работы, посвященные изучению взрывов метанопылевозцушных смесей
Известно, что причиной, вызвавшей проведение широких науч -но-исследовательских работ по изучению взрывов в горных выработках, послужили катастрофические взрывы рудничного газа и пыли в угольных шахтах в ПХ и в начале XX веков. В СССР изучение взрывов угольной пыли и газа в шахтах и разработка мер предупреждения их были начаты в 1925 г. Макеевским научно-исследовательским институтом по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ). В настоящее время эти работы наряду с МакНИИ ведут ВостНИИ, ИГД им. А.А.Скочинского и другие учреж -дения Минуглепрома СССР. Большая научно-исследовательская работа по изучению взрывов газа и угольной пыли в аварийных условиях выполняется ВНИИГД. Классические работы советских ученых Н.Н.Семенова, ЛЛ.Ландау, Я.Б.Зельдовича, Д.А.Франк-Каменецкого, К.И.Щелкина, ЯЛ.Тро-шина, Л.Н.Хитрина, ЛЛ.Седова, К.П.Станюковича и многих других , а также зарубежных исследователей Е.Гюгонио, В.Деринга, Б.Льюиса, Г.Эльбе, Р.Куранта, Г.Тейлора, Н.Мансона, Ф.Вильямса и других в области механики и физики взрыва послужили основой для выполне -ния работ прикладного характера, посвященных проблеме борьбы со взрывами газа и пыли в угольных шахтах. Широко известны работы В.В.Адушкина, A.M.Быкова, Ф.М.Гель -фанда, В.И.Гудкова, А.А.Гурина, Н.Д.Зрелого, Б.Ф.Кирина, Б.Н.Кутузова, В.И.Мамаева, В.С.Махина, А.В.Мишуева, М.Й.Нецепляева, Е.И.Онтина, П.М.Петрухина, В.М.Плотникова, В.С.Сергеева, Н.А. Стрельчука, А.Н.Ханукаева, A.M.Чеховских, Ю.А.Юрманова и других ученых, выполнивших ряд экспериментальных и теоретических исследований, посвященных предупреждению и локализации взрывов газа и пыли в шахтах. Теоретически /38,97,109/ и экспериментально /51,110,111/ установлено, что при взрыве любой горючей смеси, в том числе и метанопылевоздушной, происходит скачкообразное изменение сое -тояния среды, по которой распространяется ударная волна.
Ударная волна является особым видом возмущения, порождаемого зоной химической реакции (фронтом пламени), и представляет собой область сжатия среды с резким скачком давления, плотности и температуры, перемещающаяся со сверхзвуковой скоростью /91,97/ . При этом оценку динамического действия взрыва обычно производят по основным параметрам ударной волны, т.е. по энергии волны, ее импуль -су, величине максимального давления и др. Параметры ударной волны или равносильно этому параметры взрыва, как известно /109/, зависят от процесса горения. При горении любой горючей смеси, в том числе и метанопыле вой, различают две стадии /30,109/: - воспламенение; - собственно горение, которое может протекать с различной скоростью в зависимости от целого ряда внутренних природных свойств горючего, окислителя и внешних условий среды. Стадия воспламенения горючей смеси является подготовитель -ным этапом и предшествует горению. В период воспламенения происходит относительно медленное окисление компонентов смеси, сопровождаемое возникновением экзотермической реакции. По мере накопления тепла экзотермическая реакция в горючей смеси ускоряется и процесс скачкообразно перехо -дит в стадию собственно горения. Воспламенение горючих смесей дает начало горению, скорость протекания которого в зависимости от физико-химических свойств смеси, геометрических размеров горной выработки, термодинамического состояния среды и других факторов изменяется в широких пре .делах: от дефлаграции до детонации. Дефлаграция характеризуется наличием узкой зоны химической реакции, которая разграничивает исходные компоненты и продукты реакции. При этом скорость распространения пламени относительно исходных компонентов - постоянная и меньше скорости звука. Определяющую роль в процессе дефлаграционного горения смеси играет химическая кинетика реакции, теплопроводность и диффузия /30, 38,109/. Детонация характеризуется постоянством скорости распространения химической реакции и сформированной ударной волны. Комп -леке ударной волны и фронта пламени распространяется по реагирующей смеси со сверхзвуковой, вполне определенной скоростью,зависящей от термодинамических характеристик исходной горючей смеси /30,110/. Установлено /109/, что между дефлаграцией и детонацией существует широкий диапазон скоростей распространения пламени, которые не подчиняются отмеченным выше закономерностям. Однако характерной особенностью любой из промежуточных скоростей распространения пламени является наличие ударной волны, движущейся впереди пламени. Такой процесс распространения взрыва принято называть нестационарным двойным разрывом /НО/. Любой нестационарный двойной разрыв является нестабильным процессом и в зависимости от конкретных условий он переходит в дефлаграционный или в детонационный режимы горения. В дальнейшем для удобства нестационарный двойной разрыв условимся называть "взрывное горение".
Анализ опубликоавнных к настоящему времени работ показал , что взрывы метана и угольной пыли в шахтах рассматриваются в двух направлениях: - исследование микропроцессов, связанных с механизмом горения одиночной частицы или совокупности частиц угольной пыли в га зообразной среде /40,44,62,72,77,98,100,107/; - исследование макропроцессов, т.е. параметров взрыва метана и угольной пыли в горных выработках /32,37,39,42,49,51,63,68, 70,73,77,80,89,98,108,ІГ2,116,ГІ9,120/. Поскольку целью наших исследований не являлось изучение механизма взрыва МПВС, то в обзоре предпринята попытка изложить те представления о механизме горения совокупности частиц угольной пыли в метановоздушной среде, которые выработаны к настоящему времени. Следует отметить, что среди публикаций по горению частиц топлива имеется незначительное число работ /62,72,107/, посвя -щенных процессу воспламенения МПВС в шахтах. Это объясняется , видимо, сложностью теоретического описания и экспериментального изучения процессов взрыва газопылевоздушных смесей, а также тем, что процессы горения МПВС не нашли практического использования в промышленности. Анализ немногочисленных литературных данных /62,72,107/ , посвященных воспламенению МПВС, показал, что на этот процесс значительное влияние оказывает химический состав газовоздушной ере ды и частиц угольной пыли, ее дисперсность, концентрация, мощ -ность воспламенения и др.
Определение зоны действия продуктов взрыва метанопылевоздушной смеси в горных выработках и параметров ударных волн в этой зоне
При достижении детонационной волной границы раздела между горючей смесью и средой (воздухом), как известно /97/, начинается расширение продуктов взрыва (ПВ) в горные выработки. Процесс расширения продуктов взрыва сопровождается замедлением движения ПВ и падением давления в ударной волне /97/. Уравнение замедляющегося движения ПВ, приведенное в работе /86/, для наших условий можно записать в виде где F Р. - сила сопротивления движению ПВ вытесняемого воз -духа, Н; c/j - коэффициент лобового сопротивления воздуха в горной выработке; г - давление ПВ в текущий момент времени, начиная с момента их расширения, Па. Учитывая, что P,s Г [-фі /97/, и разделив все члены урав -нения (2.45) на Ъ , получим где ff\\ - масса ПВ, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения горной выработки, кг/м2 ; VQ , V+ - начальный объем и объем, занимаемый ПВ в текущий момент времени, м3. Начальным условием для уравнений (2.45) и (2.4б) служит U(0) = Ц? . Действие ПВ на ударную волну, движущуюся по горной выработке, заканчивается при U = 0, что характеризует границу зоны действия ПВ. При взрыве больших объемов МПВС в разветвленных выработках действие ПВ может проявляться на значительных расстояниях от места взрыва. Поскольку выработки имеют разветвления и различные сечения, необходимо определять объем расширения ПВ.
Однако для удобства нахождения объема ПВ будем исходить из эквивалентной длины выработок, которая может быть найдена из выражения La V/S. Воспользуемся формулой /48/ Тогда уравнение (2.46) с учетом (2.47) преобразуется к ви Обозначив в уравнении (2.48) 1-Х и приняв во внимание , что U (0) = Uj при X = L0 и U (t) = Опри X = LnE, интегрируя уравнение (2.48), определим эквивалентную длину выработок, на которую расширяются ПВ, Принимая во внимание, что -р-а 9- , и умножив на обе части выражения (2.49), преобразуем его к виду Учитывая, что для штрекообразных выработок коэффициент ло бового сопротивления воздуха Ж. =0(5(l+ 2. 6) /86/, формулу (2.50) перепишем в виде \ где ct - коэффициент аэродинамического сопротивления горных выработок, Н»с Формула (2.51) определяет протяженность зоны действия ПВ в тупиковых горных выработках при детонационном горении любой горючей смеси в шахте. Из формулы (2.51) следует, что максимальная протяженность зоны действия ПВ будет в выработках, обладаю -щих минимальным аэродинамическим сопротивлением. Расчетом по формуле (2.51) нетрудно показать, что при dL- "0 продукты детонации стехиометрической МВС в тупиковых выработках увеличиваются в объеме приблизительно в б раз.
Результаты расчета соответствуют данным работы /73/ и свидетельствуют о приемлемости формулы (2.51) для практических расчетов. При детонации МПВС в сквозной горной выработке в зависимости от местоположения источника воспламенения в соответствии с выражениями (2.40) и (2.41) формула (2.51) позволяет определить зоны действия ПВ, расширяющихся в противоположные стороны, Основные параметры (давление, приведенные импульс и энер -гию) ударной волны в зоне действия ПВ в тупиковой и сквозной горных выработках определим в предположении, что выработки имеют постоянное сечение 5 , поскольку выработки переменного сечения всегда могут быть разбиты на участки постоянного сечения, для каждой из которых можно найти эквивалентную длину. При расширении ПВ в воздух, как известно /97/, начальное давление на фронте возникающей ударной волны меньше, чем давле -ние на фронте детонационной волны, и составляет 0,8 величины давления детонации. Это связано с тем, что при расширении ПВ по ним распространяется волна разрежения, уменьшающая давление во фронте формирующейся ударной волны /91/. Тогда для условий взрыва МПВС в тупиковой горной выработке изменение давления на фронте ударной волны, испытывающей дейст -вие ПВ, по длине зоны действия ПВ, согласно /73/, можно записать в виде где и - текущая координата ударной волны в пределах зоны действия ПВ, м. Выражение (2.54) не учитывает эффект взаимодействия ударной волны со стенками горной выработки и данные, полученные по этой формуле, будут завышены. Неучет потерь энергии ударной волны при ее взаимодействии со стенками горной выработки обеспечивает некоторый запас при оценке действия взрыва МПВС на взрывозащитные перемычки, оказавшиеся в зоне действия ПВ. Приведенный импульс ударной волны, подпираемой ПВ, согласно /73/, для взрыва МПВС в тупиковой выработке примет вид При взрыве МЇЇВС, как и при взрыве любой горючей смеси, по -давляющая часть энергии взрыва переходит в среду, окружающую область взрыва. Продукты детонации МПБС в процессе своего расширения оказывают воздействие на ударную волну, передавая ей свою энергию. Разумеется, вследствие возрастания энтропии и соответ -ственного уменьшения свободной энергии в ударную волну преобразуется значительно меньшая часть начальной энергии взрыва /91/. Тогда приведенную энергию Ь п« ударной волны, подпираемой ПВ, можно представить в виде где И - коэффициент перехода энергии в ударную волну.
Экспериментальное определение объемного содержания метана и массовой концентрации угольной пыли в метанопылевоздушной смеси оптимального состава
Целью данной серии экспериментов являлось определение объемного содержания метана и массовой концентрации угольной пыли в МПВС оптимального состава.
Поскольку в реальных условиях шахт возникновение детонационной волны чаще всего вызывается ударными волнами, генерируемыми ускоряющимся турбулентным фронтом пламени /68,77,115,120/, то в этой серии экспериментов использовали комплекс "ударная волна-фронт пламени", возникающий при воспламенении стехиометрической МВС в тупиковой части штрека или выработки. Эксперименты прово -дили преимущественно в штреке Т-900, заполненном аэродисперсной МПВС или МВС и ПВС, содержащих различное соотношение горючих компонентов в воздухе. При этом объемное содержание метана изменяли от 0 до 15 %, а массовую концентрацию угольной пыли (УП) - от О до 1,5 кг/м . Были проведены также эксперименты с отложением угольной пыли в штреке Т-200 и Т-900.
Об оптимальности состава МПВС судили по величине времени прихода фронта пламени к открытому концу штрека Т-900.
Как показали эксперименты, характер распространения пламе -ни существенным образом зависит от состава смеси. На рис. 3.7 представлены траектории фронта пламени в безразмерных координа -тах: расстояние - время. По оси абсцисс безразмерная длина штрека , а по оси ординат - средние значения из отдельных измерений времени прихода фронта пламени в фиксированные точки штрека Ct..), отнесенное ко времени распространения пламени к открытому концу штрека, заполненного стехиометрической МВС (t ). Кривые 1-3 представляют собой зависимость безразмерного времени распространения пламени по безразмерной длине штрека Т-900, заполненного МВС, содержащей соответственно б; 9; 12 % метана ; кривые 4-6 -аналогичные зависимости для штрека Т-900, заполненного аэродисперсной ПВС, содержащей 0,25; 0,5 и 1,00 кг/м3 угольной пыли и, наконец, кривые 7-II характеризуют зависимость безразмерного времени распространения пламени по безразмерной длине штрека,заполненного аэродисперсной МПВС, содержащей МВС с объемной кон -центрацией метана 3; 6; 9; 12; 15 %, в каждую из которых введена аэровзвесь угольной пыли из расчета 0,5 кг/м3. Представленная на рис. 3.7 кривая 12 описывает траекторию движения фронта пла -мени при воспламенении 12 м3 стехиометрической МВС для того случая, когда по длине штрека отсутствует исследуемая горючая смесь. Время распространения пламени к открытому концу штрека, полностью заполненного стехиометрической МВС, для условий ПрОВЄ-дения экспериментов достигало 0,27 с, т.е. I = 0,27 с. Из рис. 3.7 следует, что скорость пламени по длине штрека Т-900 растет по мере приближения концентрации горючих компонентов в воздухе к оптимальной величине независимо от вида горючей смеси (МВС, МПВС и ПВС).
Изучение возбуждения горения МВС, МПВС и ПВС с различными соотношениями горючих компонентов показало, что экспериментальная зависимость безразмерного времени распространения пламени по МПВС в штреке как по характеру, так и по абсолютной величине занимает промежуточное положение между такими же зависимостями для мвс и НВС, область изменения которых приведена на рис. 3.8 (область между кривыми I и 2). На этом же рис. 3.8 представлена зависимость времени распространения пламени к открытому концу штрека в функции объемного содержания метана (кривая I) или концентрации угольной пыли (кривая 2) в смеси с воздухом.
В процессе проведения экспериментов не было установлено существенного влияния технического состава угольной пыли (см. табл. 3.1) на горение МПВС, и по этой причине в опытах, результаты которых представлены на рис. 3.7 и на рис. 3.8, использовали угольную пыль, которая содержала V - 31,0; =8,0 и W = 1,5 %. При этом не,менее 75 % частиц угольной пыли проходило через сито 80 мкм. Такая дисперсность угольной пыли соответствует реальным условиям шахт /57,68/ и может быть приготовлена в полигонных условиях без существенного изменения технического состава пыли /54,55/.
Наиболее быстрогорящей (оптимальной) МПВС в условиях штрека Т-900, как показали эксперименты /10/, была смесь воздуха с 6 % СН , содержащая 0,5 кг/м3 угольной пыли. При проведении экспериментов было замечено, что влияние массовой концентрации угольной пыли на горение метана оказывается более значительным для смесей, содержащих до 6 % CIL, чем для смесей, содержащих более 12 % СЩ (см.рис. 3.7, кривые 7; 8; и кривые 10; II). Аналогичное влияние метана на ПВС было замечено в работе /42,51/ для случая воспламенения МПВС в отраженной ударной волне. Для определения оптимального состава предварительно не пе ремешанной МПВС, содержащей пылеотложение в штреке, атмосфера ж) которой заполнена МВС,были проведены специальные эксперименты J по изучению образования аэровзвеси угольной пыли под действием приведенного импульса слабых ударных волн /3/. Слабой ударной волной считали такую ударную волну, интенсивность которой была менее 0,05 МПа.
Гашение ударных волн перфорированными перемычками, содержащими флегматизаторы
Наличие щелей, отверстий, проемов и др. в перфорированных преградах не исключает проникновение в защищаемое пространство горной выработки помимо ударной волны фронта пламени и раска -ленных частиц пыли, которые могут послужить причиной воспламенения горючих смесей /37,46,83/.
Способность горючей смеси воспламениться и "подпитать" энергией прошедшую за преграду ударную волну не исключает воз -можность усиления волны вплоть до детонационной. Это обстоятельство вызывает необходимость нейтрализации (флегматизации) воз -можных источников воспламенения и взрывоопасной смеси.
Анализ научно-технической литературы по предупреждению воспламенения в горных выработках горючих смесей при помощи флегма-тизаторов показал, что результаты проведенных исследований могут служить основой для дальнейшего совершенствования защитных свойств перфорированных преград, в частности для предупреждения воспламенения горючей смеси в пространстве за перемычкой.
Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные МакНЙЙ /37/, показали, что для наиболее жестких условий, наблюдаемых при взрывании БВ и МПВС, минимальная длина защищаемого участка выработки должна быть равна шести высотам выработки. Результаты исследований, приведенных в /83/, свидетельствуют о том, что длина опасного по воспламенению проскока частиц пыли и сажи в каналах с горючей смесью, в которых установлены огне -преградители, не превышает 8-Ю диаметров канала.
Применительно к перфорированным преградам критический анализ приведенных выше экспериментальных исследований, а также методики расчета длины опасного по воспламенению горючей смеси участка горной выработки, изложенной в /37/, позволяет заклю чить, что минимальная длина участка выработки (опасная зона Ьа), которая должна быть фяегматизирована. составляет не менее 10 приведенных диаметров выработки.
Определяющим критерием процесса флегматизации горючей сме -си, как известно /37,72/, является минимальная масса фяегматиза-тора М , необходимая для нейтрализации смеси в пределах опасной зоны. Величина ІЇ1 зависит не только от свойств флегматизатора, но и от концентрации и свойств горючего во взрывоопасной смеси. На величину М влияют мощность источника воспламенения, а также способ распыления флегматизатора и равномерность распределения его в смеси /37,72/. Кроме того нейтрализующая горючую смеси минимальная масса флегматизатора М в момент заполнения опасной зоны в защищаемой выработке должна быть такой, что величина удельной концентрации в конце процесса флегматизации оставалась не ниже удельной взрывоподавляющей концентрации WQ .
Очевидно, что минимальная нейтрализующая масса флегматиза -тора, которую необходимо диспергировать в опасную зону длиной Ь\ за перфорированную перемычку, в общем случае, согласно /51/, может быть определена по зависимости где W0 - удельная взрывоподавляющая концентрация флегматизатора для данной горючей смеси, кг/м3 ; L. = Ю и цр - длина опасной зоны в защищаемой перфорированной преградой горной выработке, м S - площадь поперечного сечения выработки в месте создания флегматизированной среды, уг ; Ка- коэффициент запаса, учитывающий мощность источника воспламенения, способ диспергирования флегматизатора, а также уменьшение концентрации флегматизатора в смеси с течением времени. Учитывая, что L = iodnp и d = I,I3yS /37,83/, выражение (4.9) можно переписать в виде
Формула (4.10) позволяет произвести оценку минимальной массы флегматизатора для нейтрализации источника воспламенения и горючей смеси при известных W. и К а # Величины ft). для известных флегматизаторов, пригодных для нейтрализации горючих смесей стехиометрическогіг состава, даны в специальной литературе /37,72,83/.
Анализ научно-технической литературы показывает, что методов расчета Кг применительно к взаимодействию комплекса ударной волны и фронта пламени с перфорированными преградами, обеспечи -вающими диспергирование и последующую флегматизацию горючей смеси, в настоящее время не имеется. В связи с этим величина па, а следовательно и М , могут быть определены экспериментальным путем.
Существующие способы диспергирования флегматизаторов в условиях угольных шахт /37,72/ довольно сложные, требующие применения предохранительных ВВ или источников сжатого инертного газа и, как правило, неприемлемы для использования в перфорированных прегра -дах. По этой причине нами было принято решение размещать флегма -тизаторы в щелях сложной конфигурации или проемах, а также в лег-коразрушаемых контейнерах, обеспечивающих диспергирование флегма-тизаторов непосредственно ударной волной, которая взаимодействует с перфорированной преградой.
Для проверки эффективности такого способа диспергирования флегматизаторов, а также для определения минимальной массы флегматизаторов, которые необходимо размещать в перфорированной преграде, были проведены специальные эксперименты.
Эксперименты проводили в штреке Т-900 (рис, 3.Г). Модель перфорированной преграды выполняли из брусков сечением 0,05x05м; 0,05x0,04 и 0,05x03 м. Каждый горизонтальный несущий ряд перфо -рированной преграды выполняли, как правило, из трех элементов , причем средний элемент каждого несущего ряда выполняли из брус -ков сечением 0,04x0,05 и 0,03x05 м, а крайние - из брусков сечением 0,05x0,05 м.
При этом щелевую перемычку снабжали шпренгельными затяжка -ми в виде металлических тросиков диаметром 0,001-0,002 м.
В качестве флегматизаторов использовали бромистый аммоний порошковый ингибитор) и воду (жидкий тепловой флегматизатор). Бромистый аммоний размещали насыпью в щелях сложной конфигура -ции. Жидкий тепловой флегматизатор в виде воды (в ряде случаев и бромистый аммоний) размещали в легкоразрушаемых контейнерах, представляющих собой полиэтиленовые сосуды с толщиной стенки 70 - 140 ІСГті, которые крепили со стороны, противоположной направлению движения ударной волны и фронта пламени. В этом случае шпренгельные затяжки помимо основной несущей роли обеспечивали при взаимодействии перемычки с ударной волной взрыва разрушение сосудов с флегматизаторами.
Механические датчики позволяли фиксировать давление во фронте ударной волны, а датчики пламени регистрировали наличие пламени перед перфорированными преградами и за ними.
Формирование комплекса ударной волны и фронта пламени осу -ществляли по методике, изложенной в п. 3.1. При этом стремились создавать интенсивность ударной волны не более 0,Г5 МПа, чтобы предотвратить разрушение металлического штрека вследствии воз -никновения отраженной от перемычки ударной волны. Правомерность такой постановки экспериментов основывалась на том, что согласно /83,92/, проникновение пламени через узкие щели (3. 0,2.) перфо -рированных преград не зависит от скорости пламени и механизма его распространения.
