Введение к работе
Актуальность работы
Среди аварий в угольных шахтах эндогенные пожары занимают особое положение. Объемы выполняемых работ, трудозатраты на ликвидацию таких аварий и их последствий являются значительными, так как требуют привлечения мощных средств пожаротушения, инертизации шахтной атмосферы, криогенной техники, средств механизации для возведения изолирующих сооружений. Кроме того, образующиеся при этом ядовитые пожарные газы представляют опасность для производственного персонала. Высокая температура и открытый огонь при эндогенном пожаре осложняют положение, так как может возникнуть взрыв, что делает работы по ликвидации аварий опасными для жизни горноспасателей.
Широко применяющийся в настоящее время метод изоляции пожарных участков при отработке мощных пологих пластов становится экономически невыгодным, поскольку при этом приходится консервировать значительные запасы угля, дорогостоящее горнодобывающее оборудование и т.д. Во всех угледобывающих странах приоритет отдается созданию активных средств подавления самонагревания и самовозгорания угля. Для применения активного способа тушения эндогенных пожаров необходимо знать точное местоположение очага самовозгорания, что определяет необходимость поиска новых и уточнения области применения существующих способов прогноза, локализации и тушения эндогенных пожаров.
Анализ патентной, научно-технической информации, а также практики ликвидации этого вида аварий показывает, что-эффективность применения того или иного способа активного воздействия на очаг эндогенного пожара в значительной степени повышается, если имеется инфпрУяпИ" Р реальном
ffXtf^ff
местоположении очага пожара в выработанном пространстве. Особенно это актуально при отработке мощных пологих пластов шахт угольной компании «Южкузбассуголь», где условия изоляции выработанного пространства весьма затруднены.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с программами НИОКР РосНИИГД 1980 - 2000 гг.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа своевременного определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров для безопасной отработки мощных пологих угольных пластов.
Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработанном пространстве и разработке на этой основе способалокации очагов самонагревания.
Задачи исследований:
-
Изучить физико-химические условия развития процесса самонагревания угля с целью установления закономерности формирования очагов эндогенного пожара в пористой среде выработанного пространства.
-
Разработать математическую модель самонагревания в выработанном пространстве выемочных участков при отработке мощных пологопа-дающих пластов угля с учетом конвективного выноса тепла утечками воздуха, массопереноса кислорода и кинетики химической реакции окисления в пористой среде.
-
Разработать метод расчета утечек воздуха, концентрации кислорода и температурного поля в пористой среде выработанного пространства в трехмерной геометрии.
-
Разработать способ определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующего выемочного участка.
Методы исследований:
- анализ работ по определению эндогенной пожароопасности;
- аналитические и экспериментальные исследования физических усло
вий процессов самонагревания угля;
- физическое моделирование и изучение в натурных условиях.
Научные положения, выносимые на зашиту:
1. Процесс формирования очага эндогенного пожара в выработанном
пространстве действующего выемочного участка зависит от теплофизиче-
ских характеристик угля и вмещающих пород, величины, влажности и гео
метрии утечек воздуха, кинетики реакции окисления и протекает неравно
мерно с течением времени, увеличивая свою интенсивность с ростом темпе
ратуры.
-
Решение математической модели на базе разработанных алгоритмов сходится к решению исходной дифференциальной задачи.
-
Решение трехмерной математической модели самонагревания угля обусловило разработку способа определения места возникновения очага самонагревания в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработке мощных пологих пластов в конкретных горногеологических и горнотехнических условиях.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;
удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;
- положительными результатами экспериментальных исследований
разработанного способа локации в натурных условиях.
Научная новизна заключается в следующем:
- реализована система дифференциальных уравнений, описывающих
процесс фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса
среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка в трехмерной постановке;
доказана сходимость итерационного попеременно-треугольного метода численного решения трехмерных фильтрационных уравнений;
разработан алгоритм расчета задачи самонагревания в скоплениях угля, позволяющий определить местонахождение очага самонагревания и рассчитать возможные варианты его подавления.
Личный вклад автора состоит:
в разработке математической модели самонагревания в пустотной среде выработанного пространства при отработке мощных пологих пластов;
в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма итерационного попеременно-треугольного метода реализации системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке, алгоритма решения системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода;
в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;
в разработке способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработанный способ позволяет определять места возникновения очагов самонагревания угля в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях разработки мощных угольных пластов Кузбасса;
разработанные программы расчета позволяют определять поля скоростей фильтрации воздуха и температур в выработанном пространстве в максимально короткое время.
Реализация работы
Разработанный способ определения местоположения очагов эндогенных пожаров принят для включения в бассейновые инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах.
7 Апробация работы
Результаты диссертационной работы и ее основные этапы обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах: ВУ ВГСЧ угольной промышленности, ученого совета ВНИИГД (г. Донецк, 1987 - 1988 гг.), Рос-НИИГД (2002, 2004 гг.), НЦ ВостНИИ (2002 г.), Международной научно-практической конференции (Кемерово, 2002 г.), Новокузнецкого, Прокопьев-ского ОВГСО (2004 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, изложенных на S6 страницах машинописного текста. Содержит 3 таблицы, 9 рисунков и список использованной литературы из 22 источников.
