Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор представлений о процессе фрикционного воспламенения метана в забоях угольных шахт . 14
1.1. Оценка опасности фрикционного воспламенения , 14
1.2. Влияние условий резания горных пород на фрикционное воспламенение метана . 22
1.2.1. Концентрация метана в воне разрушения ггрного массива 22
1.2.2. Образование источника ФВМ 23
1.2.3. Подавление ФВМ. 26
1.2.4. Снижение запыленности воздуха орошением в зоне разрушения горного массива комбайном 28
1.3. Анализ состояния проблемы ФВМ 37
Выводы 52
2. Методика проведения экспериментов 54
2.1. Обзор методов экспериментальных исследований по ФВМ 54
2.2 Описание лабораторного стенда. 57
2.3. Измерение тегоюфизических свойств породы и резца 62
2.4. Зависимость удельной работы образования продуктов разрушения при резании породы от крепости и абразивности последней 73
2.5. Методы исследования импульсного орошения 77
Выводы 83
3. Оценка опасности образования источника фрикционного воспламенения метана в комбайновых забоях угольных шахт . 84
3.1. Выбор способа оценки 84
3.2. Математическая модель процесса образования источника ФВМ 87
3.2.1. Определение контактной температуры 90
3.2.2. Определение максимально ввзможной ттмпературы на коктакте резца режущего оргааа горной машины с спродйй . 101
3.2.3. Уточнение расчета критерия образования ииточника ФВМ 126
3.3. Установление адекватности математической модели процесса образования источника ФВМ 130
3.4. Теоретическое обоснование метода прогнозирования образования источника ФВМ по прочностным свойствам и параметрам резания горных пород. 137
Выводы 153
4. Выбор оптимальных параметров внутреннего орошения 155
Выводы 171
5. Влияние угольной пыли в знне резания горного массива на распространение ФВМ 173
Выводы 193
6. Совершенствование внешнего орошения для преду преждения фрикционного воспламенения пылемета- новоздушных смесей в угольных шахтах 194
6.1. Теоретические и экспериментальные исследования импульсного орешения. 194
6.1. Пылеаэродинамика стационарной струи ддспергированной жидкости .203
6.1.2. Пылеаэродинамика импульсной струи диспергированной жидко ти 223
6.2. Разработка системы импульсного ороиения для проходческих кмм
байнов 233
6.3. Шахтные испытания системы импульсного орошения при работе
проходческих комбайнов 244
Выводы 248
Заключение 250
Литература
- Влияние условий резания горных пород на фрикционное воспламенение метана
- Измерение тегоюфизических свойств породы и резца
- Определение максимально ввзможной ттмпературы на коктакте резца режущего оргааа горной машины с спродйй
- Пылеаэродинамика стационарной струи ддспергированной жидкости
Влияние условий резания горных пород на фрикционное воспламенение метана
Фрикционное воспламенение пылеметановоздушных смесей (ФВМП) начинается с фрикционного воспламенения метана (ФВМ), потому что зажигание метана происходит от раскаленного следа резца, режущего не уголь, а крепкую абразивную породу, пыль которой инертна и витает в окрестности следа резца.
Исследователи [ 1 ], анализируя процесс ФВМ, "расщепляют "его на совместно протекающие и обусловливающие ФВМ события: наличие взрывчатой метановоздушной смеси ( МВС ) в зоне резания породораз-рушающей машины, образование источника ФВМ ( И ), отказ в работе средств предупреждения взрывов (СП). Здесь и далее черта над обозначением события означает его отрицание. В свою очередь , эти три события также расщепляются. ( МВС ) состоит из отказов в работе местного проветривания (СМП) и появления, вследствие неравномерности газовыделения, повышенных концентраций метана (КМ) . ( И ) состоит из появления песчаников крепостью больше 8 ( ПЕС ) и поджигания метана (ПОД). (СП) состоит из отказов в работе аппаратуры контроля, автоматически отклю-чаюшеи от комбайна электроэнергию в случаях повышенных концент и отказов в работе системы внутреннего орошения (ОР 1).
Анализ сложного сооытия (ФБМ) на более простые был необходим для прогнозирования ФВМ путем вычисления вероятности Р (ФВМ), так как вероятности простых событий определяются проще.
Исследователи считают [ 2 ], что событие СМП не влияет на кннцентрацию метана в межрезцовом простванстве во время резания , потом что полость между исполнытельным органом комбайна и разрушаемым горным массивом непродуваема для вентиляционного покока свегего воздуаа. Эоот поток, например, в подготовительной выработке подается к забою вдоль кровли, вымывая скопления метана . Достигнув забоя, он пооорачивает к почве, а заеем вдоль почвы в выработку1. Пылевой поток может поступать перпендикулярно грдди заооя только благодаря турбулентной диффузии плли в струю. Следовательно, в равенстве (1.4) можно принять, что Р(СМП) = 1, т. е. для метана в околорезцовом простванстве СМП не существует. Перемишивание метана и плли со штыбом в околорезцовом простванстве во время резания является очень интенсивным, поэтому для категорных по метану шххт Кузбасса между зооой резания и призабойной зооой концеитрация метана - не меньше НППВ (нижнего контентрационного предела взрывчатости, 5%).
Пример 1.1. Подготовительная выработка проветсивается наенетательным способом с помощью вентилятора местного проветривания СВМ - 6 производительностью 200 м /мин. Сечение штрека в свету - 7,4 м , отставание вентиляционного трубопровода диаметром 500 мм составляет 8 м. Концентрация метана и пыли при расстояних от заооя л 1м составляют соответственно 1% и 1000 мг/м". Определить концентрацию метана п0 и пшли CQ в зоне резания комбайном ГПК.
В буквенных обозначениях условия задачи имеют вдд: Q — 200 м /мин, S — 7,4 м X. = 8 м, d = 500 мм, Xj = 1 м, щ = 1%, с$ = 1000 мг/м". Крепь металлическая, арочная.
Назничение примера - дтть представление о распределении в празабойной зоне плли и метана , так как они влюяют на формирование взрывчатой пылеметановоздушной смиси.
Подача плли и метана в выработку из зоны резания горного массива возможна или хорошо развитой турбулентной диффузией, или скорост ным , иногда называемым конвективным, переносом (адвекцией). Ветество вдоль покока переносится адвекцией , а поперек покока - диффузией, благодаря которой , например , дыаовая струя из трубы расширяется в радиальном направлении. Опыт показывает, что диффузия вверх по пококу намного меньше адвекции вииз по потоку.
На рсс. 1. 1 покананы лииии тока осредненного турбулентного течения вытекающей из вентиляционного трубодровода, сечением л. струи свежего воздуха, направленной вдоль кровли выработки к заоою и вымывающей возможные скопления метана у кровли. затем стууя , достигнлв забоя, поворачивает к почве выработки; расширяясь, омывает заоой и проходит в призабойной зоне вдоль выркботки по почве. При эоом [ 3 ] ...невысокие настильные скорости движения воздуха содействуют эффективному осаждению пыли, запыленность снижается на 70-80 /о . В циркуляционном объеме V, заниеающем оснувную часть призабойной зоны выработки, концентрации метана и плли практически равномерно распределены из-за интенсивного перемишивания циркуляционными потоками, линии тока которых являются замкнутыми
Измерение тегоюфизических свойств породы и резца
Исследованиями .ВостНИИ [S3 ] установлена близкая к линейной зависимость между удельным пылевыделением и глубиной разработки пластов. Поскольку глуоина разработок в угольных шахтах растет (см. рис. 1. 2), то имеется тенденция к аналогичному росту пылевыделения при комбайновом проведении подготовительных выработок.
Б России и в ближнем зарубежье предложен ряд способов интенсификации процесса улавливания и осаждения пыли, а также ряд мер по усовершенствованию существующих способов: применение растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), орошение электрозаряженной водой, магнитная обработка воды, пневмогидроорошение и др.
Повышение пылеулавливания при применении растворов ПАВ обьясняется способностью химически активных Ееществ понижать поверхностное натяжение воды, что позволяет получить более мелкие капли при том же давлении диспергируемой жидкости, а это, в свою очередь , способствует уменьшению влияния эффекта обтекания и увеличению эффективности подавления тонкодисперсной взвешенной пыли. Однако добавки к воде поверхностно-активных веществ повышают эффективность орошения только при низком (до 1, О МП а) давлении воды [ 61 ] . При более высоком давлении она остается на том же уровне, поскольку степень диспергирования воды становится одинаковой. Это подтверждается результатами ранее выполненных исследований зависимости коэффициента захвата пыли от диаметра капель и их физико-химических свойств [61 }.
Коэффициент захвата тонкодисперсной пыли каплями различных жидкостей не зависит от их поверхностного натяжения. Для капель воды, капель 0, 5 % - ного раствора ДБ и NaCL трансформаторного масла и стального шара, при прочих равных условиях, он остается почти одинаковым, и разница в эффективности захвата тонкодисперсной пыли не превы 32 шает 15-20 % [ 61 ]. Однако это не знатит, что поверхностно-активные вещества не дюют эффекта вообще. В случае соприкисновения угольных чсстиц с раствором ПАВ пылинки втягиваются внутрь капли, в то время как на капле воды они остаются на поверхности, при значительной скорости движения воздуха могут срываться с капли, переходя во взвешенное состояние. Сыыв плли с поверхности капли воды может наблюдаться тажже и при падении ее на почву выработки. Более высокая эффективность пыле-подавления при почаче раствора ПАВ может бтть достигнута при "внутреннем " ороиении за сеет повышения времени контакта жидкости и ее перемешивания с отбитым углем. В практических условиях эффективность применения растворов ПАВ по сравнению с чистой вооой не прывышает 30% . Следует отметить, что это направление совершенствования способа не налло широкого распространения из-за усложнения технологии применения сиетем орошения и повышения затрат на обеспыливание воздуаа.
Другим путем совершенствования спобоба орошения является электризация калель жидкости. Научными предпосылками к использованию этгго метода является следующее. Мелкая наиеолее пневмокониозоопасная пшль размером 5 мкм и менее плохо подавляется водой при ороиении вследствие тооо, что капли воды обтекаются мелкодисперсной пылью. Не исключено, что низкая эффективность улавливания мелкодисперсных чсстиц объясняется особым состоянием их поверхности и физико-химическими свойствами. Следовательно, эффективность захвата и улавливания пылинок может бтть повышена путем сообщения каялям жидкости дололнительного электрического заряда. В процессе пылеобразования и диспергирования жидкости водный и пылевой аэрозоли уже приобретают электрические заряды, величина и знак которых зависят от многих факторов. Величина удельной напряженности плля в пылевом аэрозоле зависит от стенени метаморфизма углей [ 62] . Максимальная напряженность поля наблюдается у углей марок Ж, К, ОС. Электрозаряженность факела диспергированной воды растет с повышением давиения воды [63 ] , при этом капли имеют в основном отрицательный заряд. Для условий УГОЛЬНЫХ шахт наиболее приемлем способ электризации калель жидкости с помощью элек-третоЕ, представляющих сооой за поляризованные диэлектрики. На этой основе разранотана и испытана в шахтах электретная форсунка, в которой капли получают электрический заяяд при взаимодействии стууи вдды с заряженной поверхностью электрета, установленного на выходе из форсунки [ 64] . Применение таоой форсунки повышает эффективность пылеподавле-ния, причем, исключаются недостатки, свойственные другим способам искусственной подзарядки калель воыы. Следует отметить, что свойства электротов существенно зависят от относительной влажности окружающей атмосферы. Ткк, при влажности воздуха свшше 60 % заяяд электретов становится таиим мамым, что его трудно измерить. Улавливание плли электрозаряженными каплями воды существенно зависит тажже от относительной скорости движения капель и пылинок [60 -65 ]. Ткк, эффективность захаата плли заряженной каелей при относительной скорости О, I м/с составляет около 90 % , а при скорости 1 м/ с она примерно такая же, как и при незаряженной капле [61 ]. При рассмотрении фотографий капель воыы, помещенных Б поток пылевого аэрозоля, видно, что уже при относительной скорости О, 15 м/с происходит сдувание уловленной плли с заряженных капель.
Приведенный вшше анализ показывает, что подзарядка капель воды мало повышает эффективность пылеподавления орошением, целесообразна только при небольших относительных скоростях движения капель и пылинок и возможна при сравнительно небольшой относительной влажности атмосферы. Следует отметить, что даыные по влиянию электризации капель воды на эффективность пылеподавления в завистмости от относительной влажности воздуха в литературе отсутствуют.
Определение максимально ввзможной ттмпературы на коктакте резца режущего оргааа горной машины с спродйй
Для решения поставленных задач принят комплексный метол исследований, сочетающий теорию и эксперимент. Теория импульсного орошения основывалась на законах динамики турбулентных струй, молекулярной физики, движения частиц, теории размерностей и математической статистики. Методика проведения лабораторных и шахтных экспериментов учитывала накопленный опыт в области орошения.
Результаты экспериментов, проведенных в лабораторных условиях, использовались как при построении математической модели процесса пы-леподавления импульсным орошением, так и для проверки соответствия полученных теоретически рациональных параметров орошения фактическим. При этом определялись следующие параметры: расход и давление жидкости, частота импульсов, количество эжектируемого факелом орошения воздуха, дисперсность пыли и капель.
Для проведения лабораторных исследований параметров импульсного орошения был разработан стенд (рис 2.7), представляющий собой пьше-азродинамическую трубу с длиной рабочей части 20 м и с площадью пря-моуголъного сечения 4, 5 м . В начальном участке труба оборудована дозатором пыли, а на выходе - вентилятором.
Чтобы закономерности распространения пылевого аэрозоля в трубе и в подготовительной выработке были одинаковыми, необходима идентичность ряда пылеаэродинамических параметров, которые могут быть объединены в комплексы, критерии подобия. Идентичность всех критериев не осуществима. Определяющим критерием является число Рейнольдса. В случае высокоразвитой турбулентности не требуется даже равенства чисел Рейнольдса в модели и натуре (в области автомодельности). Достаточно, чтобы соблюдалось условие Re 0,5 10 . Подсчет по формуле гидравлический диаметр воздухопровода ; и - кинематическая вязкость воздуха; S - площадь поперечного сечения потока; Р - его периметр, показал, что и в модели, и в натуре Re 0,5 10 . Поэтому закономерности формирования пылевой обстановки, установленные экспериментально на стенде, справедливы и для призабойной зоны подготовительной выработки. Оросительное устройство состояло из шести форсунок КФЗ, 3 - 75, перекрывающих своими факелами сечение трубы. На оросительном устройстве установлен датчик давления ДД -10. Изменения давления с датчика поступали на шлейфный осциллограф Н-700 и записьшались на фотобумагу. Оросительное устройство соединялось с системой импульсного орошения (СИО), которая питалась от насоса НУМС- ЗОЕ. Изменение режима работы СИО осуществлялось изменением подачи воды от насоса и регулированием положения клапанной пружины в ключе гидравлических импульсов (КГИ). Для предохранения насоса от вредного воздействия импульсов, возникающих в СИО, между насосом и СИО устанавливался компенсатор (демпфер), гидравлическая система закольцовывалась. Отбор проб на запыленность осуществлялся с помощью электрического аспира тора. Тарировка датчика давления производилась с помощью образцового манометра. Расход воды из форсунок измерялся мерным сосудом и секундомером. Все измерения проводились многократно в таком объеме, что с надежностью 90 % их относительная погрешность не превышала 10% . Частота и амплитуда давления импульсов измерялись по осциллограмме. Количество воздуха, эжектируемого струей диспергированной жидкости через сечение, удаленное на расстояние х от сопла форсунки, определялось исходя из следующих соображений. Известно [119 ], что "порозность дисперсного потока в полости факела при использовании форсунок со значительным корневым углом (60 - 90 ) и малым диаметром соплового отверстия ( dc = 2 - 4 мм) возрастает быстро с длиной и на расстоянии 50 мм от сопла стремится к единице". Следовательно влияние дисперсной фазы на точность показаний трубки Пито не должно быть заметным, и последнюю можно рекомендовать для измерения скоростного напора газа в факеле распыла. Измерение напора производилось микроманометром типа ММН и трубкой Пито с внутренним диаметром 3, 5 мм. Сечение факела разбивалось на равновеликие по площади кольца.
Метод определения дисперсности капель заключается в отборе проб капель из факела диспергированной жидкости и последующего фотографирования, подсчета и определения размеров. Для набора проб капель рззработан специальный пробониборник (рис.8.8), который располагается внутри факела жидкости в нужном сечении. Пробы капель отбираются в сосуд с подложкой, покрытой специальной смесью из жидкого вазелина и керосина. Длля керосина в смеси не должна превышать 2 / 3 от общего ее объема, а толщина смеси на подложке в приемном содуде должна бтть в пределах 2-3 мм. Приготовленный таиим образом сосуд помещается в пробонаборник, и собственно отоор капель осуществляется нажатием на спусковое устройство пробонаборника, которое освобождает тягу затвора. При этом посредством механизма пружины и тяги открывается окно над приемным сосудом с подложкой, куда и попадают капли жидкости. Время срабатывания затвора пробонаборника составляет 0,0033 с , что позволяет получить на подложке монослой капель. Время срабатывания затвора (или отсекателя) пробонаборника должно контролироваться перед каждой серией опытов с помощью частотомера эпектронносчетного типа 43-38.
Отбор пробы диспергированной жидкости проводится после устанокки окна затвора пробонкборника в нужной точке факела. Затем прием-ныи соууд с пробои распыленной жидкости помещается под микроскоп с микрофотонасадкой. Интервал времени от отбора пробы до установки стаканчика под микроскоп и его настройки составляет ! - 2 мнн. С помощью снимка объекта -микромера при печатании фотографий отборных проб калель диспергированной жидкости устанавливается увеличение 100 . Это позволяет значительно упростить процесс подсчета и оценку размера капель.
Пылеаэродинамика стационарной струи ддспергированной жидкости
Наиболее сильное влияние на ФБМ оказывает температура раскаленного следа (рсс. 3. 5 , кривая К ). Например, у автора данной работы струя метана зажигалась от единственной иркоы в ЗЗ ЯГИТ ЯТПҐР ГЮЛГГЛТЫГЛ/ она блла высокотемпературно, яркобелой с голубоватым скорость блла небойьшой. А при соприкосновении пластины из стали СТЗ с наждачным крогом и получении снопа иккр - горящих частиц металла -струя метана не зажигалась, помому что эти иркры не обладают необходимым для воспламенения сочетанием срока существования из-за своей высокой скорости, температуры и площади поверхности , что отмечалось другими исследователями в экспеаиментах по зажиганию метана искрами, и что блло учтено при выводе критерия.
Тот фткт, что пододы с содержанием кварца более 10 % опасны по Ф15Л/1 ооъясняется моделью процесса ФРіздд. а ак как у таких пооод высокая удельная р&оота пьщеооразования, которая пропорциональна МаКСИ-зивность, крепость и мощность резания, и это способствует оыстрому установлению контактной температуры T - от нулевой (по отношению к окружающей среде) до максимальной Тщ (см. рсс. 3.5, кривая Т / Тш).
Влияние теплопроводности пододы на ФВМ также учитьюается в модели при уточнении коэффициента f10 увеличением коэффициента теплоотдачи а , приводящее к уменьшению сомножителя Kj , при подсчете Сг. Исследователи также считают, что увеличение теплопроводности снежает опатность ФВМ.
При одинаковой тепловой мощности, выделяемой при трении задней грани резца по более крепкой и абразивной породе, горячий след резца имеет более высокую начульную температуру, хття и оолее токок, елли вставка резца сделана из более твердого сплава с высокой температурой плавления. Если же вставка резца сделана из сплава с низкой твердостью и низкой температурой плавления, то горячий след резца состоит из этгго сплава. Аналогичный слачай имеет место, когда вставка износилась или выломалась, резец вышел из строя, трется о пододу своей державкой, стружка с спроды нн есимается, , ися яощность ьрзаиия ядет ттлько нн образование источника ФВМ, что повышаег опасность ФВМ. Токой вывод следует из модели, и он согласуется с экспериментальными данными.
Именно поэтому затупленные резцы более опасны по ФВМ. Кмоме тооо, сталь державки опаснее по ФВМ твердого сплава встивки, потому что при высоких температурах она интеесивнее окисляется из- за наличия в своем составе углерода, что приводит к дополнительному повышению тммпературы раскаленного слада.
Исслелователи логично утверждают, что по мере нагревания резцов усиливается их способность воспламенять метановоздушные смеси. Оанако, при скорости резания свыше 170 м/ мин существует небольшое различие в способности холодных и горячих резцов к воспламенению. Считается, что возыожным объяснением влияния таких повышенных скоростей на ФВМ является воздух, охлаждающий резцы и снижающий их температуру между следующими дууг за другом ударами резца о породу. Согласно модели, различие мджду горячими и холодными резцами по их воспламеняющей способности при повышенных скоростях, а следовательно, и мощностях резания (порядка нескильких киловатт) сводится к нллю из-за уииления рлли адиабатичности процесса обраиования источника ФВМ при увеличении мощности резания , когда за сотые длли секунд1 распространение тепла от контакта вглубь резца ничтожно, и вся тепловая мощность сосредотачивается в приконтактных слоях резца и пододы толщиной порядка микрометров, расходуясь таким образом на образование источника ФВМ, так что охлаждение тлла резца водой не снежает опатность ФВМ, о чем свидетельствуют эксперименты.
Уменьшение диаметра вставки и увеличение остроты резца уменьшает опасность ФВМ, помому что уменьшается сопротивление крепкой породы погружению резца в массив, усилие подачи; уменьшаются, как и усилие резания, слла трения и тепловая мощность на контакте резца с породой.
Вращение резцов конического типа уменьшает опасность ФВМ потому что несколько уменьшается сила трения скольжения резца по породе. Кроме того, форма вставки, несмотря на износ последней, площадь контакта резца с породой, острота его остаются постоянными, благодаря вращению резца вокруг своей оси во время резания породы.
Исследователи считают, что увеличение скорости резания способствует образованию ФВМ, потому что увеличивается длина раскаленного следа резца и, следовательно, нагревание метановоздушной смеси над следом. В качестве раскаленного следа служит мазок из расплавленной стали. При изменении скорости резания остальные факторы должны оставаться постоянными, в том числе и тепловая мощность источника ФВМ Но это правило было нарушено. Действительно, уравнение остывания мазка (3. 5) имеет решение
