Исследование параметров взрыва метанопылевоздушных смесей и совершенствование средств гашения ударных волн в горных выработках угольных шахт

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 требует 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 мелкодисперсняй пыли, нарушение технологии очистных и проходческих работ, обрушения и др. могут быть причиной возникновения аварий.

Анализ статистики аварий, повлекших за собой групповые несчастные 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 вероятности возникновения взрывов метана с участием угольной пыли. Так, по данным работы /99/, до 1970 г. взрывы метанопылевоздуш ных смесей в угольных шахтах составляли примерно 10% от общего количества взрывов. Исследования ВостНИЙ /43/ свидетельствуют о том, что в настоящее время взрывы метана с угольной пылью составляют уже около 30% всех взрывов в шахтах.

Усложнение условий ведения горных работ не только способствует 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 решением многих тактических задач, связанных с тушением подземного пожара, необходимо принимать меры по предупреждению и локализации взрывов.

Устав ВГСЧ по организации и ведению горноспасательных работ в угольных и сланцевых шахтах" /95/ требует обеспечения безусловной безопасности для работающих людей. Однако существующие 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 создания 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, направленные на разработку более эффективных средств гашения воздушных ударных волн, имеют актуальное значение для решения частных задач 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.

1. Аналитически и экспериментально исследовать экстремальные параметры ударных волн при взрыве метанопылевоздушной смеси в тупиковой и сквозной горных выработках.

2. Выявить качественные и количественные отличия параметров взрыва метанопылевоздушной смеси от параметров взрыва метана.

3. 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 концентрации 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 изолируемых объемов аварийного участка при угрозе взрыва метана с угольной пылью, отличающаяся тем, что она основывается на закономерности 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 отличий параметров взрыва метанопылевоздушной смеси от взрывов метана могут быть использованы в энергетической, химической и др. отраслях промышленности, на предприятиях которых существует по тенциальная угроза возникновения взрыва газа и пылиразработанный механический датчик может применяться при измерении импульсных 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 рудникахразработанные 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 улучшения условий труда горноспасателей во время ведения аварийнотехнических и других работ при угрозе взрыва газа и пыли.

Практическое использование полученйых результатов. По материалам диссертации опубликовано II научных сообщений и получено II авторских свидетельств ССОР.

Из разработок, представленных в диссертации, в промытленность 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.

— «1уководство по обеспечению защиты от ударных волн оборудования, оснащения и коммуникации горных выработок взрывоустойчивыми перемычками», Караганда, 1981.

— «руководство по эксплуатации комплекта противовзрывного быстровозводимого», Караганда, 1982.

Диссертационная работа выполнена в Карагандинском отделе Всесоюзного научно-исследовательского института горноспасательного дела (ВНИИГД).

В основу диссертации положены исследования, выполненные в соответствии с тематическим планом НИР ВНИИГД по темам № 190 208ООО О-085, 1973;1975 г. г. (№ гос. регистрации 73 067 955) и № 1 904 230 000−085, 1976 г. (№ гос. регистрации 76 086 399), 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.

Основные результаты работы могут быть использованы помимо горнодобывающей промышленности в энергетической, химической и других отраслях промышленности, на предприятиях которых существует п угроза возникновения взрывов газа и пыли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании аналитических исследований, стендовых и натурных экспериментов определены основные экстремальные параметры ударных волн при взрыве метанопылевоздушных смесей в горных выработках и предложены методы совершенствования взрывозащитных шахтных перемычек для повышения безопасности аварийно-технических работ в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.

Основные научные и практические результаты работы, повышающие уровень безопасности работ при угрозе взрыва метана с угольной пылью в шахтах, состоят в следующем.

1. Показано, что действующие нормативные документы по организации и ведению аварийно-технических работ в шахтах, опасных по газу и пыли, не учитывают влияния массовой концентрации угольной пыли на взрыв метана в горных выработках.

По результатам анализа взрывов в угольной промышленности установлено, что взрывы метана с угольной пылью в настоящее время составляют около 30% всех взрывов.

2. На основе современных представлений физики взрыва многофазных сред разработана и экспериментально проверена методика определения экстремальных параметров взрыва метанопылевоздушных смесей в шахтах. Предложен поправочный коэффициент влияния маесовой концентрации угольной пыли на характер протекания взрыва метана, представляющий собой отношение массовой плотности метанопылевоздушной смеси оптимального состава к массовой плотности стехиометрической метановоздушной смеси и позволяющий характеризовать отличие параметров взрыва метана с угольной пылью от аналогичных параметров взрыва метана в горных выработках угольных шахт.

3. Для углей Карагандинского бассейна экспериментально определена наиболее взрывчатая (оптимальная) метанопылевоздушная смесь, состав которой включает б % метана, 0,5 кг/м3 аэровзвеси угольной пыли (Vf=3I$, К =8 $, W = 1,5 и воздух, размеры частиц пыли не превышали 80 мкм.

4. Непосредственно в тупиковой горной выработке экспериментально доказана возможность детонационноподобного горения метанопылевоздушной смеси оптимального состава. Параметры детонационной волны при этом составили: импульс на единицу площади выработки.

9б±-0,1^Sl- (длина химически активной зоны равна 160 м) — ском + м рость — 145СЁ100? — избыточное давление — 1,4 МПа.

5. Установлено, что при взрыве метанопылевоздушной смеси оптимального состава импульс и энергия выше, чем импульс и энергия ударной волны при взрыве стехиометрической метановоздушной смеси при прочих равных условиях. Для углей Карагандинского бассейна поправочный коэффициент влияния массовой концентрации угольной пыли на величины импульса и энергии взрыва метана равен 1,3, что удовлетворительно согласуется со значением поправочного коэффициента, определенного аналитическим путем по предложенной методике. Показано, что несоответствие экспериментальных величин скорости и давления в ударной волне их аналитическим значениям вызвано неполнотой сгорания в зоне реакции частиц угольной пыли размером более 50 мкм.

6. Разработан метод расчета на ЭВМ коэффициента затухания воздушных ударных волн в прямолинейных горных выработках, атмосфера которых содержит мелкодисперсные инертные частицы пыли или капельной жидкости.

7. Установлено, что при взрыве горючих смесей в сквозной горной выработке местоположение источника воспламенения оказывает существенное влияние на величины давления и фазы сжатия, но не влияет на импульс ударных волн. Аналитически показано и экспериментально подтверждено, что при взрыве горючих смесей в сквоз ной горной выработке происходит двухкратное уменьшение импульса ударной волны по сравнению с таковым в тупиковой выработке.

8. Разработан на уровне изобретения и внедрен механический датчик давления, позволяющий регистрировать максимальные и минимальные давления при взрывах непосредственно в шахтных условиях без использования электрической аппаратуры.

9. На основе аэродинамики больших скоростей показано, что повышение эффективности поглощения энергии ударной волны при взаимодействии ее со взрывозащитной перфорированной перемычкой может быть достигнуто за счет: а) ухудшения аэродинамического качества перемычкиб) изменения перемычкой физической газодинамики потока ударной волны, прошедшей за перемычкув) изменения перемычкой химической газодинамики потока ударной волны, прошедшей за преграду, путем флегматизации потокаг) комплексного воздействия на газовый поток ударной волны вышеназванными методами.

10. Усовершенствован на уровне изобретения способ локализации взрывов метана и угольной пыли в шахте, отличающийся тем, что среда между перфорированной и герметичной перемычками флег-матизируется, а продукты взрыва отводятся в изолированную горную выработку.

11. Усовершенствованы и внедрены основные типы взрывозащитных перфорированных перемычек, конструкции которых защищены авторскими свидетельствами СССР. При неизменной величине перфорации усовершенствованные перфорированные перемычки имеют коэффициенты ослабления давления и импульс не ниже соответственно 1,3 и 1,4.

12. Для повышения безопасности работ и улучшения условий труда во время возведения постоянных взрывозащитных перемычек предложено перед ними устанавливать временные быстровозводимые преграды парашютного типа, не мешающие проветриванию горных выра-бот ок.

13. Показано, что при изоляции подземного пожара на дальних подступах в определенных условиях быстровозводимые перемычки могут являться эффективным средством сокращения размеров изолируемых объемов горных выработок аварийного участка. Разработан и внедрен метод оценки возможного сокращения размеров изолируемых объемов аварийного участка при помощи временных быстровозводимых перемычек парашютного типа.

14. Результаты выполненных исследований использованы при разработке следующих нормативных документов, утвержденных в установленном порядке: «Методикиопределения параметров воздушных ударных волн при взрывах газов и пыли в горных выработках» (приложение 21 к пункту 189 «Устава военизированных горноспасательных частей по организации и ведению горноспасательных работ в угольных и сланцевых шахтах»). «Рекомендации по повышению безопасности горноспасательных работ и сокращению безопасных расстояний приу угрозе взрыва газа и пыли в шахтах», «руководства по эксплуатации комплекта противовзрывного быстровозводимого». «Утководства по обеспечению защиты от ударных волн оборудования, оснащения и коммуникаций горных выработок взрывоустойчивыми перемычка ми1.'.

15. Реализация результатов исследований позволяет наряду со значительным социальным эффектом получить экономический эффект не менее 60,8 тыс. руб. только за счет предотвращения ущерба от одного подземного пожара при его изоляции взрывозащитными герметичными перемычками совместно с временными быстровозводимыми преградами парашютного типа.