Содержание к диссертации
Введение
1. Постановочная часть 11
1.1. Выбор источника информации для диагностики подземных пожаров в угольном пласте 11
1.2. Аналитический обзор имеющихся научных представлений о трансформации тепла в акустические импульсы 14
1.3. Аналитический обзор существующих способов диагностики подземных пожаров 26
1.4. Цели и задачи исследования 31
2. Теоретические основы разрушения угля при горении .33
2.1. Расширение твёрдых тел при нагреве 34
2.1.1. Тепловое расширение однородных твёрдых тел 34
2.1.2. Тепловое расширение неоднородных твёрдых тел 36
2.1.3. Тепловое расширение и остаточные температурные деформации вуглях 40
2.2. Характер разрушения угольного пласта при горении 43
3. Разработка методики исследования возникновения акустического излучения при горении угля и проведение экспериментов 47
3.1. Обоснование экспериментов 47
3.2. Визуализация эффектов 50
3.3. Описание экспериментальной установки 52
3.3.1. Расчёт параметров экспериментальной установки 56
3.4. Последовательность проведения экспериментов 59
3.4.1. Подготовка эксперимента 59
3.4.2. Сценарий эксперимента 62
3.5. Достоверность экспериментальных результатов 66
3.5.1. Тарировки 66
3.5.1.1. Тарировка системы измерения 66
3.5.1.2. Тарировка скорости нагрева пьезодатчика 68
3.5.2. Статистическое обоснование 72
3.6. Описание экспериментов 73
3.6.1. Описание эксперимента по исследованию акустических импульсов, возникающих в угле при внедрении инденторов...73
3.6.2. Описание эксперимента по исследованию акустических импульсов, возникающих в угле при горении 79
4. Экспериментальные результаты и их анализ 86
4.1. Результаты эксперимента с внедрением инденторов в уголь 86
4.2. Результаты эксперимента с горением угля 89
5. Разработка способа акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах 94
5.1. Идентификация очагов пожара 94
5.1.1. Идентификация очагов пожара при возможности установления чувствительных элементов непосредственно в пласт угля 96
5.1.2. Идентификация очагов пожара при отсутствии возможности установления чувствительных элементов непосредственно в пласт угля 98
5.2. Оценка применимости способа акустической идентификации очагов пожаров в угольных пластах 100
5.3. Оценка экономической эффективности от внедрения способа акустической идентификации очагов пожаров в угольных пластах 102
Заключение 104
Литература 108
Приложения 123
- Аналитический обзор имеющихся научных представлений о трансформации тепла в акустические импульсы
- Визуализация эффектов
- Достоверность экспериментальных результатов
- Идентификация очагов пожара при отсутствии возможности установления чувствительных элементов непосредственно в пласт угля
Аналитический обзор имеющихся научных представлений о трансформации тепла в акустические импульсы
При проведении настоящего обзора ставились две основные цели. Первая заключалась в выяснении, имеется ли научная база для описания связи теплового и механического полей вообще и исследованы ли способы получения информации об одном из этих полей по измерению другого в частности. Вторая обусловлена сбором информации именно об использовании измерений акустических величин для диагностирования источников нагрева (очагов пожара) в угольных пластах. Выполненный в середине прошлого века фундаментальный обзор научных представлений о природе ультразвука, обобщающий более двух тысяч работ зарубежных исследователей [34], даёт чёткий ответ на вопрос о существовании связи теплового поля с акустическими явлениями в воздухе. Например, описана взаимосвязь обнаружения акустической энергии электрическим способом, заключающаяся в нагреве и охлаждении, вызываемом ультразвуком. Соответствующие приборы называются термическими приёмниками звука. Их принцип действия основан на измерении сопротивления слегка подогретой проволочки в звуковом поле. Возникающие при этом явления как теоретически, так и экспериментально исследованы Хиппелем и Ветцманом с сотрудниками. При этом установлены три основных эффекта. Первый («узловой эффект»). Частицы среды, находящиеся в узлах стоячей звуковой волны, остаются в процессе распространения колебаний неподвижными, однако в силу адиабатического изменения давления температура их периодически меняется. Благодаря этому помещённая в узел стоячей волны металлическая проволочка, попеременно охлаждающаяся и нагревающаяся, имеет периодически изменяющееся электрическое сопротивление. Второй («эффект колебаний»). В пучностях стоячей волны температура частиц не меняется по сравнению с температурой окружающей среды, но они, двигаясь относительно подогретой проволочки, охлаждают её. Третий («эффект конвективного потока»). Рассматривается постоянный поток воздуха («звуковой ветер») или конвективный поток, исходящий от нагретой проволочки и совпадающий с направлением распространения звука.
В этом случае благодаря колебаниям воздуха охлаждающее действие конвективного потока попеременно увеличивается и уменьшается из-за возникающих за проволочкой вихрей, мешающих оттоку тепла от проволочки. Кроме того в [34] указывается на чрезвычайно тщательные исследования Шройфера, доказывающие, что, несмотря на установление в измерительном сосуде средней температуры, длина звуковой волны, а следовательно и скорость звука, зависят при неизменной частоте от силы звука. Это явление обусловлено нагреванием, происходящим при поглощении звука. Там же со ссылкой на Барретта и Суоми описывается «акустический термометр» для измерения температуры воздуха в метеорологии. Согласно приведённым формулам, температура сухого атмосферного воздуха может быть выражена через скорость звука в нём следующим образом: где с - скорость распространения звука в воздухе. Термоакустические колебания при горении твёрдого топлива вообще и угля в частности, возникающие в трубе Рийке, исследованы Р.Ф. Шакуровым [35]. Акустические колебания возникают в результате прохождения пламени через специальные решётки. Таким образом, пламя распространяется в канале периодически изменяющегося сечения, из-за чего по закону Бернулли на отдельных участках трубы возникают локальные зоны различного давления, в которых развивается неустойчивость течения, образуются вихри и срывы пограничных слоев, сопровождающиеся генерацией акустических волн. Как отмечается в фундаментальной монографии Д.Т. Харрье и Ф.Г. Рирдона [36], возникновение акустических колебаний наблюдается при горении диспергированного жидкого топлива. В работе отмечается, что процесс горения является источником колебательной энергии.
В камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей зарегистрированы колебания с частотой от 100 Гц до 15 кГц и с амплитудой от 0,1 до 10 рк (рк - давление в камере сгорания на стационарном режиме). Возникновение и развитие акустической неустойчивости обуславливается различными причинами: 1) запаздыванием воспламенения; 2) временем протекания физических и химических подготовительных процессов; 3) процессами детонации; 4) изменением скорости химических реакций при колебаниях давления и температуры; 5) «взрывом» капель, нагретых выше их критической температуры; 6) разрушением и смешением струй, плёнок и капель под влиянием пульсаций газа. Возбуждение акустической неустойчивости в большинстве случаев нелинейное явление: существует пороговая величина возмущений, способных вызвать неустойчивость. Возмущения с амплитудой, меньшей пороговой, затухают. Вопросу генерации акустических колебаний при горении угольных частиц посвящены работы В.Р. Песочина [37, 38]. В них отмечается, что возбуждение акустических колебаний, вызванное горением угольных частиц, приводит к снижению частоты колебаний камеры сгорания по сравнению с её собственной частотой. Но это уменьшение незначительно. Так, при горении кузнецкого угля марки Г и при радиусах частиц 30 мкм величина изменения частоты колебаний камеры сгорания по сравнению с её собственной частотой составит 50 Гц для основного тона 3000 Гц. Собственная частота колебаний камеры, определяемая из граничных условий, равна
Визуализация эффектов
Разрушение угля при нагреве фиксируется цифровой видеокамерой непосредственно в процессе эксперимента. Диспергирование образца угля при горении констатируется по появлению отколовшихся фрагментов в специальном поддоне в процессе и после завершения эксперимента. Возникновение акустических импульсов при разрушении угля, не вызванном горением, регистрируется при записи сигналов, возникающих в образце угля при диспергировании его инденторами. Сам факт появления акустических импульсов в образце угля устанавливается фиксированием на компьютере характерных сигналов, поступающих с пьезоэлектрического преобразователя, прикрепленного к торцу образца угля, противоположного тому, на который оказывается воздействие. В экспериментах использовались куски подмосковного бурого и минусинского длиннопламенного углей. Образцы заторцовывались с двух противоположных концов параллельными отшлифованными гранями. К одной отшлифованной грани прикреплялся датчик, позволяющий регистрировать появление прямой продольной волны (что соответствует колебаниям среды, нормальным к фронту волны; в экспериментах использовались пьезодатчики ДН-3-М1), а на противоположную грань оказывалось воздействие индентором или открытым пламенем. Расстояние между торцами образца составляло 10 см. Когда импульс сжатия падает на свободную границу, он приводит к образованию отражённого импульса растяжения, а при наклонном падении образуется как импульс расширения, так и импульс искажения. Интерференция таких отраженных импульсов может привести к очень сложным распределениям напряжений [86, стр. 167, фронтиспис - фотография]. Анализ возникающей картины представляется нетривиальным.
Чтобы этого избежать в эксперименте, описываемом в диссертационной работе, фиксировались сигналы на начальной стадии распространения - до прихода на чувствительный элемент отражений от свободной поверхности. На этом этапе масса образца не влияла на акустические характеристики сигнала. Запись и обработка данных производились в программе Adobe Audition 1.5, позволяющей получать зависимость интенсивности сигнала от времени и его спектральную характеристику [87, 88 ]. Экспериментальная установка должна отвечать цели данной работы, т. е. исследованию акустических импульсов, возникающих в угле при горении. Для этого она должна одновременно быть пригодна для решения двух самостоятельных задач: 1) наблюдение диспергирования угля при горении и 2) исследование акустических сигналов, возникающих в угле при диспергировании, причём в рамках данной задачи нужно рассмотреть диспергирование как при горении, так и под воздействием инденторов. Безусловно, каждую из этих задач можно решать на индивидуальных установках, однако целью всей работы является объединение указанных задач. Поэтому корректнее решать обе задачи на одной установке. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.1. Рис. 3.2. Общий вид экспериментальной установки, предназначенной для эксперимента по фиксированию акустических импульсов, возникающих в образце угля при внедрении в него инденторов Размер рабочей камеры установки должен быть таким, чтобы в неё свободно помещался исследуемый образец угля.
При этом пространство между образцом угля и внутренними стенками камеры должно оставаться большим объёмом, а не превращаться в канал. Для этого линейный размер камеры должен в несколько раз превышать характерный размер образца в соответствующем направлении. Высота камеры должна обеспечить мягкое закрепление образца угля внутри камеры и установку поддона для сбора отколовшихся фрагментов угля под образцом. Мягкое закрепление образца достигается размещением его на подвесе и гибким подключением прикрепленных к нему сенсоров (королька хромель-алюмелевой термопары и пьезоэлектрического датчика) с измерительными приборами соединительными проводами без натяжения. Внешний диаметр пучка соединительных проводов от сенсоров, прикреплённых к образцу угля, вместе с защитным чехлом из теплозвукоизолирующего материала [89] составляет 2 см. Для обеспечения гибкости соединения необходимо превышение длины над диаметром на порядок.
Для чистоты эксперимента фронт горения должен распространяться перпендикулярно оси симметрии образца. Вообще говоря, образец не обязательно должен быть симметричным, но для приближения к стандартным условиям образец является цилиндрическим фрагментом керна, выбуренного из исследуемого угольного массива. Для обеспечения распространения фронта горения перпендикулярно оси симметрии образца следует иметь симметричное обтекание образца воздухом и пламенем. Чтобы вносить минимальные искажения в симметрию обтекания образца угля пламенем и воздухом отвод соединительных проводов от сенсоров, прикреплённых к образцу, конструктивно нужно выводить так, как показано на схеме (см. рис. 3.1). При этом вертикальная часть соединения для обеспечения гибкости должна составлять несколько калибров получившегося шлейфа, т. е. в несколько раз больше, чем 2 см. Поскольку образец угля подвергается воздействию открытого пламени крепление его в рабочей камере на подвесе должно быть жаростойким. Поэтому подвес изготовлялся из кремниевой нити диаметром 1 мм. Так как кремниевая нить весьма непрочна и выдерживает относительно слабые усилия на разрыв, её следует складывать в несколько витков, что и было реализовано в описываемой установке. Для обеспечения эластичности подвеса его длина должна как минимум на порядок превышать толщину. После четырёхкратного сложения пополам и переплетения толщина подвеса составила 4 мм, т. е. длина подвеса должна превышать 4 см. Получаем, что минимальный вертикальный размер внутренней части рабочей камеры экспериментальной установки, с одной стороны, должен превышать
Достоверность экспериментальных результатов
Поскольку задачей работы является выявление особенностей акустических сигналов, возникающих при горении угля, необходимо иметь систему измерения, позволяющую снимать характеристики акустических сигналов в угле, прежде всего частоты и амплитуды. Такая система состоит из акустического датчика, соединительного кабеля, предусилителя, телевизионного кабеля и компьютера, оснащённого программой Adobe Audition 1.5. Использовавшиеся в системе измерения акустические датчики СТС-19 и ДН-3-М1 регистрировали акустические сигналы в диапазоне частот соответственно 58 и 5 кГц и обладали резонансной частотой 150 и 13 кГц. В случае использования датчика ДН-3-М1 [90], обладающего высоким сопротивлением, требовался предусилитель сигнала. Перед проведением экспериментов следует протестировать систему измерения. Целью тарировки являлось сравнение показаний системы измерения со значениями калибровочных сигналов, и оценить расхождение. Для этого собиралась схема, показанная на рис. 3.9. Сигнал заданной частоты генерировался низкочастотным генератором сигналов ГЗ-36А и подавался на динамик ТК-20 (ГОСТ 9010-76 11-70 1ГД-40Р-100). Для дополнительного контроля частоты параллельно генератору был подключен электронносчетный частотомер 43-28. Вплотную к динамику прикреплялся пьезодатчик СТС-19 или ДН-3-М1, воспринимавший сигнал и передававший его по коаксиальному кабелю MASTERSAT (RG-6/U) CATV 0.92m КОЗ на ЭВМ (персональный компьютер Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 1.70 GHz 1,72 ГГц, 256 МБ ОЗУ со звуковой картой Avance АС97 Audio), где обрабатывался программой Adobe Audition 1.5. Для устранения ошибки, вносимой упругими колебаниями твёрдых поверхностей, жестко соединённых с чувствительным элементом системы измерения, динамик с прикреплённым к нему пьезодатчиком крепился на подвесе.
Поскольку система измерения должна фиксировать акустические импульсы, возникающие в угле при его горении, чувствительный элемент системы - пьезодатчик - может подвергаться нагреву. Для предотвращения возможного попадания языков открытого пламени на датчик и соединяющий его с остальной частью измерительной системы кабель все элементы системы измерения, находящиеся в зоне горения, были защищены с помощью теплозвукоизолирующих матов Supersil и Supersil-M2, как это показано на рис. ЗЛО. Однако полностью исключить нагрев пьезодатчика из-за теплопроводности как через слой изоляции, так и через образец угля при воздействии открытого пламени в течение неограниченного времени не представляется возможным. Поэтому был проведен тарировочный нагрев системы «образец + датчик». Для этого были изготовлены геометрически точные муляжи образцов угля и пьезодатчиков, которые устанавливались вместо настоящих внутрь теплоизолирующего покрытия. Снаружи, через слой теплоизолирующего покрытия, муляж системы «образец + датчик» подвергался нагреву открытым пламенем изобутана из газовой горелки. Таким образом, создавались условия, идентичные условиям в эксперименте по изучению акустических импульсов, возникающих при горении угля.
Температура внутри теплоизолирующего покрытия контролировалась хромель-алюмелевой термопарой, установленной на той же грани муляжа образца, к которой прикреплялся муляж пьезодатчика (см. рис. 3.10). Таким образом, в результате тарировочных нагревов была получена зависимость температуры пространства, защищенного теплоизоляцией, в котором должен располагаться пьезодатчик, от времени нагрева открытым пламенем зоны установки пьезодатчика. Отметим, однако, что в реальности, во время проведения эксперимента по изучению акустических импульсов, возникающих при горении угля, пламя воздействует на зону расположения пьезодатчика гораздо менее интенсивно, чем при тарировочных нагревах. При таком подходе не учитывался нагрев датчика через образец угля - из-за теплопроводности и разрушения образца при горении. Поэтому в эксперименте по изучению акустических импульсов, возникающих при горении угля, так же, как и при тарировочных нагревах, на торце образца, к которому прикреплялся пьезодатчик, устанавливалась хромель-алюмелевая термопара, по показаниям которой определялась температура пьезодатчика. Поскольку температура в зоне нагрева в эксперименте по изучению акустических импульсов, возникающих при горении угля, менялась значительно (на десятки градусов Цельсия) была проведена тарировка показаний системы измерения при различных температурах: 20,40,60 и 80С.
Для этого динамик, на который подавался сигнал заданной частоты, с прикреплённым к нему пьезодатчиком на подвесе помещался в сушильный шкаф ШСУ, в котором устанавливалась нужная температура. Температура в сушильном шкафу измерялась ртутным термометром 3-1970г. ГОСТ2823-59 и хромель-алюмелевой термопарой, подсоединённой к мультиметру UNI UT30C. В эксперименте по изучению акустических импульсов, возникающих при горении угля, из-за довольно плотного прилегания изолирующего покрытия к пьезодатчику в зоне расположения пьезодатчика отсутствуют конвективные вихри. В тарировочных опытах при температурах 20, 40, 60 и 80С также не должно быть конвективных вихрей. Для этого после достижения нужной температуры внутреннее пространство печи с висящими в нём на подвесе динамиком и пьезодатчиком теплоизолировалось с помощью теплозвукоизолирующих матов Supersil и Supersil-M2 [89]. Общий вид тарировки показаний системы измерения для различных температур показан на рис. 3.11.
Идентификация очагов пожара при отсутствии возможности установления чувствительных элементов непосредственно в пласт угля
Точность определения координат увеличивается по мере сокращения количества сред, по которым распространяется сигнал от источника до датчиков системы. Наиболее чёткому восприятию акустической картины процесса могут мешать неучтённые изменения свойств среды, влияющие на скорость распространения акустического излучения. Для этого следует установить чувствительные элементы системы таким образом, чтобы акустические волны от очага пожара до датчиков системы распространялись по углю и (или) горным породам. При работе с дневной поверхности и отсутствии возможности доступа до горящего пласта из соседних выработок (рис. 5.3) следует пробурить слой четвертичных отложений (чернозём, песок, глину) и, достигнув скальных пород, установить датчики в них или, пробурив скважину до горящего пласта, установить датчики непосредственно в нём или его почве (кровле). В работе [104, стр. 5] отмечено: « ... реальная геологическая среда является неоднородной по своему составу и физико-механическим свойствам как по вертикали, так и по латерали. Упрощение схемы строения такой среды и её отображение в виде модели - неизбежный и необходимый этап любых геофизических исследований».
Поэтому вместо строгого расчёта допустима приближённая оценка изменения амплитуды сигналов при распространении акустического излучения по угольному пласту и в массиве горных пород по [105, стр. 25]: где А{х) - амплитуда акустической волны на расстоянии х от источника колебаний; Ао - амплитуда источника колебаний; х - расстояние от источника колебаний до точки, в которой определяется амплитуда; а - коэффициент затухания акустического излучения в среде; п - показатель степени, п = 0 для плоской волны, п = 0,5 для цилиндрической волны и п = 1 для сферической волны. Коэффициент затухания акустического излучения в угле согласно [104, стр. 57] для полученных в экспериментах настоящей диссертационной работы значений частоты составляет 10"-10 м". Если принять, что распространение волн происходит по сфере, т. е. в формуле (5.1) п = 1, то на базе, равной 100 м, произойдёт уменьшение амплитуды в 270 - 2,2 10 раз, на базе, равной 1000 м, - соответственно примерно в 2,2 107 раз. Полученные в экспериментах настоящей диссертационной работы акустические сигналы, возникающие вследствие трещинообразования при горении угля, обладают амплитудой в десятки условных единиц, что позволяет регистрировать их даже при гораздо большем ослаблении сигнала. Поскольку чувствительность регистрирующей аппаратуры определяется внутренними шумами [106, стр. 593], значение которых зависит от качества изготовления приборов [107, стр. 97], современная техника, обладающая высокой чистотой, позволяет регистрировать акустические импульсы, возникающие при горении, на расстоянии сотен метров от источника.
Таким образом, разработанный в диссертационной работе способ акустической идентификации горения угля по установленным в процессе предварительной тарировки особенностям акустических сигналов, возникающих при горении, даст возможность диагностировать очаги пожаров в угольных пластах на базе в сотни метров. В отличие от применяющихся способов определения местоположения очагов подземных пожаров, предлагаемый в диссертационной работе способ акустической идентификации очагов пожаров в угольных пластах не требует большого объёма бурильных работ. Поскольку такие работы, по данным ВНИИБТ, в среднем оцениваются в 1600 руб/м в расценках 2007 г., а для определения местоположения каждого очага пожара существующими способами приходится бурить несколько скважин, каждая из которых имеет глубину в сотни метров, то на каждый очаг пожара только из-за одного бурения приходится расходовать несколько миллионов рублей, а учитывая количество очагов пожаров в одном Прокопьевском районе Кузбасса, затраты на определение местоположения очагов пожаров с точностью, достаточной для эффективного проведения противопожарных мероприятий существующими способами, составляет десятки миллионов рублей. Кроме этого, процедура обуривания содержащего очаги пожара массива требует определенного времени, за которое пожар может развиться. Причём, поскольку не только местоположение очагов пожара, но даже их количество изначально неизвестно, велик риск попадания кислорода воздуха в нарушаемое буровыми работами заперемыченное пространство, что может привести к усилению пожара. Предлагаемый в настоящей диссертационной работе способ акустической идентификации очагов пожаров в угольных пластах указанными недостатками не обладает, поэтому налицо явная финансовая экономия. Поскольку предлагаемый способ опирается на прямые, а не косвенные измерения, его достоверность выше применяющихся методов, связанных с измерениями газовой концентрации.
Таким образом, разработанный в диссертационной работе способ дешевле, быстрее и безопаснее ныне применяющихся. Выводы по главе, посвященной разработке способа акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах 1. Разработанный в настоящей диссертационной работе способ акустической идентификации горения угля применим для диагностики очагов пожаров в угольных пластах. 2. Разработанный способ акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах является более дешевым, быстрым и безопасным, чем ныне применяющиеся.
