Разработка методов управления взаимодействием ударной воздушной волны с рассредоточенными водяными заслонами в подземных выработках

Актуальность работы. В последние годы, как за рубежом, так и в РФ осваиваются технологические системы высокоинтенсивной подземной разработки угольных месторождений на основе применения новейшего оборудования. ИУ СО РАН совместно с АО «Конверскузбассуголь» и Кузбасги-прошахтом выполнили исследования и проекты создания угледобывающего комплекса с производительностью труда в 5−10 раз выше современной на базе модульных шахт-забоев, связанных коммуникативными коридорами с центральной технологической площадкой. Такая технология предусматривает использование высокопроизводительных — до 2 т/мин очистных механизированных комплексов с высокой концентрацией работ — до 10−20 тыс. т/сут. на лаву. Всё это предполагает увеличение длины выемочных столбов до нескольких тысяч метров, подготовка которых требует проведения подготовительных выработок с большой скоростью с использованием новейшего оборудования. Высокие скорости проведения подготовительных выработок означают значительное увеличение выделения метана из подготовительных забоев и интенсивное пылевыделение, что повышает возможность образования взрывчатых концентраций пылеметановоздушных смесей и угрозы их воспламенения. Однако в настоящее время не исследовано распространение ударной волны в сети подготовительных выработок при спаренных и многоштрековых вариантах подготовки выемочных столбов. Не выявлена и область применения рассредоточенных заслонов для их взрывозащиты.

Применяемым в настоящее время в угольных шахтах заслонам отводится только одна роль — гасить фронт пламени взрыва и предотвращать дальнейшее воспламенение угольной пыли по сети выработок. Такие заслоны не оказывают прямого воздействия на основной поражающий фактор взрывавеличину избыточного давления на фронте ударной волны приводящей к механическому травмированию персонала. Однако последние исследования дали положительные результаты относительно использования заслонов для снижения интенсивности взрывной волны до безопасного уровня.

В то же время существующие методы математического моделирования взаимодействия ударной воздушной волны (УВВ) с заслонами, как альтернатива прямым экспериментам, требуют уточнения. Поэтому разработка новых методов и подходов для исследования способности рассредоточенных заслонов снижать интенсивность ударной волны до безопасного уровня на сегодняшний день является весьма актуальной.

Диссертационная работа обобщает результаты двух научно-исследовательских работ, выполненных по контрактам с Федеральным агентством по энергетике в 2003;2006 гг. при непосредственном участии автора (контракты №№ 2003;02−696,158-ОПН-05п).

Цель работы — разработка методов управления взаимодействием ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами для снижения интенсивности ударной волны до безопасного уровня.

Идея работы заключается в использовании газодинамической модели распространения ударных волн по сети горных выработок и модели движения газопылевой среды, дополненной уравнениями переноса массы капель воды, и учётом последовательного срабатывания ёмкостей водяного заслона с конечным давлением их разрушения.

Задачи исследований:

— Разработать математическую модель взаимодействия ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами.

— Исследовать взаимодействие ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами в тупиковой выработке.

— Исследовать взаимодействие ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами для различных технологических схем проведения подготовительных выработок.

— Разработать методы управления взаимодействием ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели исследований использовался комплекс методов, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы по рассматриваемым вопросамметоды механики сплошных сред и математической физики для построения и обоснования математической модели взаимодействия ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами и их численное решение с применением ЭВМпроведение тестовых расчётовсравнение полученных результатов математического моделирования с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту:

— ударная волна после выхода из подготовительной выработки вырождается в волну сжатия и распространяется далее со скоростью звука;

— основными факторами, определяющими параметры взаимодействия ударной воздушной волны с водяным заслоном, являются волновые эффекты, возникающие в разветвлённой сети горных выработок при формировании, распространении, отражении и взаимодействии воздушных ударных волн, волн сжатия и волн разрежения, а также расположение заслонов в сети горных выработок и конструктивные параметры заслонов;

— невертикальность переднего фронта волны сжатия и конечная величина давления разрушения водяного заслона являются причиной формирования двух волновых фронтов — первого, распространяющегося по невозмущённому газу и имеющего давление ниже давления разрушения заслона, и второго — догоняющего, распространяющегося по газу, предварительно поджатому первой волной;

— при взаимодействии ударной волны с водяным заслоном основными факторами, влияющими на понижение давления за заслоном, является масса воды в заслоне и пороговое давление срабатывание заслона.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

— корректным использованием исходных дифференциальных уравнений и апробированных методов математического моделирования распространения ударных воздушных волн в горных выработках;

— удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования разрушения ударной волной водоналивной перемычки с экспериментальными данными, полученными на руднике Шерегеш.

— положительными результатами опытно-промышленной проверки программного комплекса «Ударная волна» в отрядах ВГСЧ и в экспертных комиссиях по расследованию аварий на угольных шахтах Кузбасса.

Научная новизна работы заключается в установлении:

— закономерности прохождения сопряжения передним фронтом волны и вырождения его в волну сжатия, которая распространяется по сквозной выработке со скоростью звука при взрывах в подготовительных выработках;

— существенного влияния на процесс затухания взрывной волны и возникающие при этом волновые процессы следующих факторов: схемы расположения водяных заслонов в сети горных выработок, расстояние между полками, их удаление от сопряжений, которые являются источниками отражённых волн, и пороговое давление срабатывания заслона;

— причины формирования двух волновых фронтов за водяным заслоном — невертикальность переднего фронта волны сжатия и конечная величина разрушения заслона, которая определяется конструктивным исполнением ёмкостей водяного заслона;

— влияния на снижение давления в ударной волне при прохождении заслона факторов: суммарная масса сконцентрированной в нём воды, вне зависимости от линейной плотности распределения воды в заслоне, порогового давления срабатывания заслона.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:

— разрабатывать на этапе проектирования схемы размещения в выработках рассредоточенных водяных заслонов для эффективного гашения взрывных волн;

— применять программный комплекс «Ударная волна» для анализа оперативной ситуации, разработки мероприятий по изменению параметров заслонов, проектирования защиты тупиковых выработок от поражающих факторов.

— рассчитывать газодинамические параметры ударных воздушных волн, распространяющихся по горным выработкам, и их взаимодействие с рассредоточенными водяными заслонами;

— определять положение заслонов в выработках и их массу для повышения их эффективности при гашении воздушной ударной волны, образующейся при взрыве пылеметановоздушной среды в тупиковой выработке;

— управлять эффективностью и безопасностью ведения проходческих работ посредством реализации разработанных методов снижения воздействия поражающих факторов: давления и скорости набегающего потока, температуры и концентрации продуктов взрыва при различных технологических схемах проведения горных выработок.

Личным вкладом автора является:

— развитие математической модели взаимодействия воздушной ударной волны с водяными заслонами, дополненной уравнениями переноса массы водяных капель с учётом последовательного срабатывания рассредоточенных заслонов;

— проведение многопараметрических расчётов, обработка и анализ полученных результатов;

— установление закономерностей взаимодействия ударной волны с водяным заслоном с учётом конструктивного исполнения заслонов;

— разработка и реализация рекомендаций по выбору параметров рассредоточенных водяных заслонов и оптимального места их расположения.

Реализация работы. Результаты исследований вошли в программный комплекс «Ударная волна», который используется в ВГСЧ и экспертными комиссиями в ходе расследования аварий, а также в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные её части докладывались и обсуждались на семинарах кафедры разработки пластовых месторождений СибГИУ (2003), кафедры прикладной аэромеханики ТГУ, на заседаниях Учёного совета Института Угля и углехимии СО РАН, на технических советах Центрального штаба ВГСЧ угольной промышленности РФ (2001 — 2003), на Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Алматы, 2004), на IV Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (г. Томск 2004), на Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2004), на IX Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк, 2004), на VIII Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (г. Кемерово, 2005).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 печатных работах и в 1 учебном пособии.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 94 наименований.

Выводы.

1. Предлагаемый программный комплекс позволяет решать задачи по определению оптимальных параметров заслонов для различных сечений горных выработок, учитывая конструктивные особенности применяемых заслонов, а также по расстановке заслонов в горных выработках для эффективной защиты от поражающих факторов УВВ.

2. Рекомендации по управлению взаимодействием ударной волны от взрыва метана и угольной пыли в тупике с рассредоточенными заслонами позволят при расчёте вариантов расположения заслонов с минимальной затратой времени задавать необходимые параметры расчетов.

3. Предлагаемый программный комплекс позволяет проводить экспертную оценку эффективности применяемых заслонов при проведении подготовительных выработок для снижения поражающих факторов ударной воздушной волны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании выполненных теоретических исследований решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке методов и средств управления взаимодействием ударной волны с рассредоточенными водяными заслонами, снижающих интенсивность ударной волны до безопасного уровня. Внедрение результатов исследований повышает эффективность применения заслонов в тупиковых выработках и безопасность ведения горных работ.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Ударная волна после выхода из подготовительной выработки вырождается в волну сжатия и распространяется далее со скоростью звука. При Т-образном сопряжении подготовительной выработки с квершлагом формируются три волны сжатия, одна из которых уходит обратно в тупик, а две другие расходятся по квершлагу со скоростью звука в обе стороны от сопряжения.

2. Основными факторами, определяющими параметры взаимодействия ударной воздушной волны с водяным заслоном, являются волновые эффекты, возникающие в разветвлённой сети горных выработок при формировании, распространении, отражении и взаимодействии воздушных ударных волн, волн сжатия и волн разрежения, а также расположение водяных заслонов в сети горных выработок и их параметры.

3. Установка двух основных заслонов, симметрично расположенных относительно сопряжения с подготовительной выработкой, приводит:

— к изменению газодинамической картины в подготовительной выработке — в ней формируется чётко выраженная область с давлением ниже атмосферного;

— к усилению колебаний потока в подготовительной выработке в виде большего числа отражений волн от сопряжения и поверхности забоя;

— к возникновению колебаний потока в квершлаге в виде последовательного отражения волн от плотной газокапельной среды заслонов.

4. При набегании переднего фронта волны на заслон происходит образование газокапельной среды, плотность которой на порядок превосходит плотность невозмущённого воздуха. В результате происходит резкое торможение увлекаемого фронтом волны потока, сопровождающееся уменьшением его скорости и увеличением давления в набегающем на заслон потоке.

5. Газокапельная зона, образующаяся при разрушении заслонов, смещается от своего первоначального положения и растягивается по длине выработки за счёт разности в скорости различных её частей. При этом возможно обратное смещение газокапельной зоны под воздействием колебательного движения потока. Газокапельная зона при перемещении вдоль выработки способна создавать за собой сильно выраженную область разрежения, величина которого возрастает с увеличением объёмной плотности воды в заслонах.

6. Водяной заслон оказывает сильное демпфирующее воздействие на разрушающую его волну взрыва. В месте установки заслона наблюдается сильное изменение основных газодинамических параметров потока: давления, скорости и температуры.

7. Невертикальность переднего фронта волны сжатия и конечная величина давления разрушения водяного заслона являются причиной формирования двух волновых фронтов — первого, распространяющегося по невозмущённому газу и имеющего давление ниже давления разрушения заслона, и второго — догоняющего, распространяющегося по газу, предварительно поджатому первой волной.

8. При взаимодействии ударной волны с водяным заслоном основными факторами, влияющими на понижение давления за заслоном, являются суммарная масса сконцентрированной в нём воды, вне зависимости от линейной плотности распределения воды в заслоне, и пороговое давление срабатывания заслона, которое зависит от его конструктивного исполнения. При снижении порогового давления срабатывания заслонов, давление за заслоном падает по линейной зависимости. Поэтому наибольшей эффективностью обладают заслоны, выполненные из полиэтиленовых «карманов».

9. На снижение величины избыточного давления в волне на выходе из тупиковой выработки существенное влияние оказывают: увеличение удельного расхода воды в рассредоточенном заслонеувеличение числа полок в заслонеснижение величины порогового давления срабатывания заслонарасстановка элементов заслона в выработке.

10. Рассредоточенные заслоны как самостоятельно, так и в комбинации с основным заслоном надёжно предотвращают выход из тупиковой выработки в квершлаг волны с давлением, превышающим величину безопасного — 0,106 МПа.

11. Проведена доработка газодинамического метода расчёта взаимодействия воздушных ударных волн с водяными и сланцевыми заслонами, что позволяет анализировать динамическую ситуацию в различных точках горной выработки, где установлен заслон, и определять зоны, которые безопасны для пребывания людей, как в самой подготовительной выработке, так и её окрестностях.

12. Модифицирован программный комплекс «Ударная волна» (версия 1.0), который позволяет оперативно по мере подвигания забоев тупиковых выработок, оценивать эффективность расстановки и заполнения рассредоточенных водяных заслонов для гашения ударной воздушной волны.

13. Разработаны следующие рекомендации по управлению взаимодействием ударной волны с рассредоточенными заслонами при различных способах подготовки выемочных столбов: увеличение массы заслоноврасположение основной массы заслонов ближе к тупиковой части выработкирасположение заслонов в сбойке при защите забоев в параллельных выработках.