ДОНЕЦЬКИЙ

ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.817/622.817.47/622.24

КУДІНОВ Юрій Васильович

РОЗРОБКА СПОСОБІВ ТА ЗАСОБІВ

ЗАПОБІГАННЯ І ЗАГЛУШЕННЯ СПАЛАХУВАНЬ

МЕТАНУ В ДЕГАЗАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Спеціальність 05.26.01 "Охорона праці"

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора

технічних наук

Донецьк 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Макіївському державному науково-дослідному інституті з безпеки робіт в гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива та енергетики України, м. Макіївка

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор Грядущий Борис Абрамович, директор державного експертно-аналітичного центру Мінпаливенерго;

доктор технічних наук, професор Осокiн Володимир Васильович, державний університет економіки та торгівлі, завідувач кафедри холодильної техніки;

доктор технічних наук, професор Пашковський Петро Семенович, науково-дослідний інститут гірничо-рятувальної справи, заступник директора;

Провідна установа – Національна гірнича Академія України Міністерства освіти та науки України, кафедра аерології та охорони праці, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 06 липня 2001 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, І уч. корп., ауд. 1201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонДТУ

(адреса: 83000 м. Донецьк, вул. Артема, І уч. корп.)

Автореферат розісланий 01 червня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05, докт. техн. наук, професор Шевцов М. Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Дегазація вугільних шахт є одним з основних методів регулювання параметрів рудниково? атмосфери. Способи і схеми виконання дегазації досить ефективні, методи оптимізації і контролю їх параметрів відпрацьовані і викладені в нормативних документах. Разом з тим, питання безпеки при виробництві дегазаційних робіт повністю не вирішені.

Дана проблема включає в себе, головним чином, питання вибухобезпеки дегазаційного процесу і керування дегазацією при аваріях Горіння або вибух що виникли в дегазаційний системі створюють аварійну ситуацію в гірничих виробках. Стан погiршується ще і тим, що на багатьох шахтах по мережі газопроводів довжиною до 10 км транспортуються горючі або близькі до них метано-повітряні суміші (МПС). Небезпека робіт зростає також у зв'язку з iснуючою у вугiльнiй галузi тенденцією до зниження середньої концентрації метану у суміші, що вiдсмоктується. Якщо в 1965-70 рр. в останній концентрація метану складала 40-41%, то на початку 90-х років вміст його в суміші дорівнював тільки 20-25%.

Пожежо- і вибухозахист дегазаційних робіт на вітчизняних шахтах забезпечуються практично тільки організаційними заходами (нормування концентрації метану, поточний контроль та iн.) і лише на окремих шахтах використовують вогнеперепинювачi. Засоби вибухозахисту, придатні до застосування в шахтних умовах, промисловістю не випускаються.

Аварії, що відбулися при виконанні дегазаційних робіт (горіння МПС в трубопроводах, передача горіння з дегазаційно? мережі у вироблений простір, займання метану в свердловинах, вихлопних трубах і т.iн.), висувають настійну необхідність створення способів і засобів вибухобезпеки дегазаційних систем вугільних шахт.

Зв'язок робіт з програмами та тематичними планами.

Дисертацiйна робота є результатом багаторічних досліджень, виконаних під керівництвом і за безпосередньою участю автора згідно з тематичними планами робіт МакНДІ, основна частина яких входила до програми ДКНТ “Комплексна довгострокова програма (до 2000 року) корінного поліпшення стану безпеки праці на вугледобувних підприємствах Мінвуглепрому СРСР", в галузеві плани колишнього Мінвуглепрому СРСР і Держвуглепрому України (№ держ.р. 77.06.13.86, 78.043779, 80.039020, 02.84055413, 01.900017686, 01.900017671 та ін.).

Метою роботи є розробка способів і засобів забезпечення вибухобезпеки дегазаційних систем пiд час видобутку та транспортування метану з вугільних шахт. Для досягнення мети визначені завдання досліджень:

- вивчити можливості і шляхи проникнення пiдпалюючого імпульсу (іскри, полум'я, теплового потоку) в дегазаційну систему;

- дослідити особливості горіння і флегматизацi? метано-повітряної суміші в шахтних дегазаційних системах (в газопроводах, свердловинах і пристроях вибухозахисту);

- розробити пристро? виявлення і заглушення горіння метано-повітряних сумішiв в трубопроводах вакуум-насосних станцій;

- розробити комплект пристроїв для автономного автоматичного заглушення полум'я в газопроводах, розміщених в обмежених умовах підземних виробок;

- обгрунтувати спосіб створення інертного газового середовища для запобігання займань метану при бурінні свердловин;

- провести полигоннi випробування в рухомому потоці метано-повітряної суміші способів і пристроїв вибухозахисту з використанням натурних дегазаційних установок і газопроводів;

- здійснити впровадження на шахтах засобів вибухозахисту дегазаційних систем.

Об'єкт дослідження – процес дегазації вуглепородного масиву вугільних шахт.

Предмет дослідження – запобігання і заглушення спалахувань метану в дегазаційних системах.

Ідея роботи полягає в розкритті особливостей і залежності займання та поширення полум'я метану пiд час руху газового потоку в промислових трубопроводах.

Методи досліджень. При виконанні роботи використано комплексний метод, що включає: системний аналіз умов виникнення і протікання процесів горіння газових сумішiв в трубопроводах та існуючих способів і засобів забезпечення вибухобезпеки робіт у промисловості; експериментальні дослідження горіння газових сумішів, локалізації і заглушення полум'я горіння метану; випробування експериментальних пристроїв вибухозахисту, приймальні випробування дослідних зразків і впровадження на шахтах розроблених пристроїв. У дослідженнях використані положення класичної фізики, технічної термодинамiки і математичної статистики.

Основні наукові результати і положення, розроблені здобувачем, що виносяться на захист, і їх новизна.

1. Експериментально, з використанням реальної системи в полiгонних умовах, встановлено істотний вплив потужності джерела займання на проскiк полум'я в дегазаційний газопровід назустріч вихідному потоку: при слабкому джерелі (полум'я пальника, іскра і т.iн.) проскiк полум'я в трубопровід діаметром 100-200 мм відбувається відповідно при швидкості горючої суміші не більше за 4,2-6,5 м/с; при потужному джерелі, що викликає детонацію суміші (вибух ВР, блискавка), - практично при будь-якій швидкості потоку МПС і концентрації метану в ній до 20%.

2. Натурним моделюванням рухомого потоку горючої МПС встановлено домінуючий вплив на швидкість полум'я розташування джерела запалення в середині трубопроводу: при запаленні суміші навіть слабким джерелом вже на відстані 14-15 м в обидва боки від місця підпалення швидкість полум'я досягає 1000 м/с і більше, а при підпаленні суміші з відкритого кінця трубопроводу швидкість полум'я в ньому зростає повільно і на відстані 100 м не перевищує 10 м/с.

3. Обгрунтовано метод фізичного моделювання процесів формування газонебезпечних і інертних середовищ, відмінний наявністю рухомого потоку метано-повітряної суміші і натурних засобів дегазації і вибухозахисту газопроводів.

4. Обгрунтовано можливість використання електрогiдро-вибухового ефекту для прискорення дi? вогнегасних сполук, що викидаються з балону, на фронт рухомого в трубопроводі полум'я МПС, при цьому забезпечується початок заглушення горіння суміші через 5 мс після його виявлення.

5. Обгрунтовано принцип виявлення і гасіння стабилизованого в газопроводі полум'я горіння МПС, що транспортується продуктами її горіння, істотною новизною якого є відокремлення від потоку у відособлену камеру частини пальної суміші і використання її як індикатор полум'я і генератор інертних газів.

6. Експериментально встановлено взаємодію газових потоків в свердловині при шнековому бурінні по вугіллю, мембранному розподілі стисненого повітря і подачі в свердловини інертної частини повітря, що полягає в закiльцюваннi двох газових потоків, рухомих назустріч один одному (вихiдний з свердловини - між лопатями шнекiв і зустрічний - між шнеком і стінками свердловини); при цьому введення в свердловину діаметром 0,25 м інертної суміші в кількості 0,3 м3/хви, що мае 88% азоту, дозволяє надійно запобігти займанню метану при різних режимах буріння.

Достовірність і обгрунтованість наукових положень, висновкiв і рекомендацій роботи підтверджена: необхідним обсягом експериментальних даних, отриманих в шахтах і на натурних моделях дегазаційних систем при вивченні горіння і флегматизацi? газових сумішiв і при розробці способів і засобів вибухозахисту шахтних газопроводів; відповідністю отриманої залежності щодо основних фізичних законiв і сталим уявленням про протікання процесів горіння і флегматизацi? МПС; випробуваннями розроблених експериментальних і дослідних зразків засобів вибухозахисту в більш жорстких, ніж у виробничій практиці, умовах; задовільною збіжністю розрахункових і експериментальних даних.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей займання МПС і поширення полум'я в трубопроводах, що є основою для створення ефективного і безпечного застосування в практиці розроблених способів і засобів забезпечення безпеки газотранспортних систем вугільних шахт.

Практичне значення роботи полягає в оцінці існуючих і створенні нових пристроїв вибухозахисту дегазаційних систем вугільних шахт і контролю їх ефективності:

- розроблено вибухоподавлювач газовий акумулюючий (а.с. № );

- створено автоматичний пристрій виявлення і заглушення займань метану в газопроводах (а.с. № 995804);

- розроблено вогнеперепинювач сітчастий для застосування в газотранспортних системах вугільних шахт (а.с. № 1266550);

- створено автономний автоматичний газовий полум'япригнiчувач для гасіння полум'я газових сумішів в трубопроводу (патент України № , а.с. № 1787448 і № 1796208);

- розроблена мембранна газорозподiльна установка для створення інертної газової суміші в шахтах (а.с. №1190061);

- створено стенд для проведення контрольних випробувань засобів вибухозахисту шахтних газотранспортних систем.

Реалізація результатів роботи. Основні результати роботи використані при розробці наступних нормативних документів:

- “Інструкція по безпечному веденню дегазаційних робіт на шахтах", затверджена Держгіртехнаглядом СРСР (1990);

- “Інструкція по застосуванню дегазації при пожежах в шахтах", затверджена ВУ ВГРЧ Мінвуглепрому СРСР (1982);

- Проект “Керівництво по технології буріння свердловин у високогазоносних вугільних пластах з метою їх дегазації", ДонВУГI, 1995.

Результати роботи використані при розробці:

- технічної документації на виготовлення вибухоподавлювача газового акумулюючого, дослідні зразки якого впроваджені на шахтах ВО “Макi?вугiлля";

- технічного завдання на створення шахтної мембранно? газорозподiльно? установки для утворення інертного середовища при бурінні свердловин, затвердженого Мінвуглепромом СРСР;

- технічного завдання і конструкторської документації на дослідну партію автоматичного пристрою виявлення і заглушення полум'я в газопроводах, затверджених Мінвуглепромом СРСР; дослідна партія пристроїв впроваджена на шахтах Донбасу;

- технічних завдань і конструкторської документації на дослідні зразки і установочну серію полум'яподавлювача ПГА і вогнеперепинувача ОПС, впроваджених на шахтах Донбасу;

- технічної документації стенда для випробувань засобів вибухозахисту; стенд виготовлено, атестовано у встановленому порядку і акредитовано при випробувальному центрі МакНДI.

Отримані в роботі дані використані також при розробці рекомендацій МакНДІ проектним організаціям, інститутам і шахтам щодо вдосконалення дегазаційних систем і створення газопiдготовчих станцій.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано ідея роботи, мета та задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і практичні рекомендації. Їм, як керівником роботи визначено основні концептуальні положення, методи здійснення досліджень, розроблено натурну полігонну дегазаційну систему. автор виконав аналітичні дослідження, брав участь у проведенні експериментальних досліджень, оцінював і оброблював їх результати. Текст дисертації написано автором самостійно.

Результати досліджень використані також при розробці засобів забезпечення безпеки в інших галузях промисловості: зразка системи пiдпалу коксового газу на газоскидних трубах Авдi?вського коксохімічного заводу і дослідних зразків системи автоматичного пiдпалу аварійних викидів природного газу з високим вмістом сірководню (газопровід Карачаганак-Оренбург).

Випробування роботи. Результати роботи докладені і обговорені на: засіданнях вченої Ради МакНДІ і його секцій, засіданнях технічних Рад ВО “Макi?вугiлля", ВО “Донецьквугiлля", НВО “Кріогенмаш", технічних нарадах управління по техніці безпеки Мінвуглепрому СРСР і Держвуглепрому України, Всесоюзній науково-технічній нараді “Вдосконалення підривних робіт в газо- і пилонебезпечних вугільних шахтах"(Луганськ, 1968 ), Всесоюзній конференції молодих вчених по безпеці праці в гірничій промисловості (Макi?вка, МакНДІ, 1968), Всесоюзній галузевій конференції “Дегазація вугільних шахт і утилізація метану що добувається, (Донецьк, 1978), Міжнародному конгресі “Проблеми старих промислових районів: економіка, екологія, політика" (Донецьк, 1991), Міжнародної науково-технічної конференції “Вибухобезпека технологічних процесів" (Северодонецьк, 1992).

Публікація. Основні наукові і прикладні результати досліджень опубліковані в 34 наукових роботах, в тому числі 9 авторських свідоцтвах і патентах. Одноосібно автором опублікованi 3 наукові роботи і отримано 3 патенти, що стосуються безпосередньо наукових результатів дисертації.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається з введення, 8 розділів і висновків, містить 280 сторінок машинописного тексту, 71 малюнок, 73 таблиці, список використаної літератури з 214 найменувань, 16 додатків. Загальний обсяг роботи 330 сторінок.

Автор висловлює глибоку вдячність доктору технічних наук, професору О.М.Морєву, доктору технічних наук, професору М.П. Зборщику, доктору технічних наук В.П.Коптікову за постійну методичну допомогу і наукові консультації при виконанні і оформленні роботи, співробітникам МакНДІ за допомогу в проведенні експериментів і впровадженні результатів роботи на вугільних шахтах: кандидатам техн.наук: С.В.Бабкову, О.О.Редіну, В.М.Расторгуєву, інженерам: В.О.Безбородову, О.Г.Волошину, П.А.Вороніну, І.В.Гайнi, В.С.Рудавіну, В.І.Дюженко, В.М.Квашi, а також докторові техн.наук Н.Р.Шевцову і кандидатові техн.наук М.Н.Бабієву.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз стану проблеми (перший розділ) і умов експлуатації дегазаційних систем показує, що збільшення глибини розробки вугільних пластів і навантаження на очисний вибій зв'язане з різким підвищенням газовидiлення на ви?мкових дільницях. Це є основною перешкодою для повного використання високопродуктивних машин і росту концентрації гірничих робіт. У зв'язку з цим зростає роль дегазації, що є одним з основних способів регулювання параметрів рудникового повітря.

Широкому застосуванню на шахтах дегазації сприяв фундаментальний комплекс досліджень, виконаних вченими IГД ім. О.О.Скочинського, МакНДІ, ДонВУГI, ДонДТУ, МГI і інш. Найбільш повно питання забезпечення безпеки дегазації відображені в працях Е.Д.Алідзаєва, А.Т.Айруні, О.М.Морева, І.В. Сергеєва, О.І.Касiмова, Ю.В.Д?єва, І.М.Раппопорта та ін. Разом з тим практично немає досліджень умов займання МПС в газотранспортних системах вугільних шахт, поширення в цих системах полум'я, по створенню способів і пристроїв локалізації і заглушення вибухів в газопроводах.

У останні роки дегазацію гірничих порід успішно застосовують біля 80 шахт України. Аналіз стану дегазаційних систем показує, що вони, в основному, не обладнані пристроями вибухозахисту. На окремих шахтах використовуються вогнеперепинювачi Армавірського машзавода або пластинчаті вогнеперепинювачi, виготовлені за спеціальними проектами. Для дегазаційний систем IГД ім. О.О.Скочинського розробив вогнеперепинювач НОП-3 з кульковою насадкою. Дослідна їх партія успішно перевірена на трьох шахтах і залишена там для дослiднопромислово? експлуатації. Армавiрські вогнеперепинювачi мають алюмінієві вогнезахиснi елементи і корпус, призначений тільки для використання на сховищах, ємностях, танках з рідкими нафтопродуктами, а пластинчаті - мають велику масу (400-700 кг) і габарити. На ефективність гасіння полум'я всі конструкції вогнеперепинювачiв (включаючи НОП-3) випробовувалися по методиках, які не відповідають умовам їх експлуатації у вугільних шахтах. Отже, вони підлягають додатковій перевірці за більш удосконаленою методикою.

За рубежем для захисту газопроводів від вибухів газових сумішiв використовують аналогічні вогнеперепинювачi: спірально-стрічкові, пластинчаті, кульковi сітчасті т.ін. Однак всі вони мають серйозні недоліки: великий аеродинамiчний опір, габарити і масу, можливість засмічення каналів; необхіднiсть опалювання приміщення; однобічність вогнегасно? дії т. iн.

У сімдесяті роки з'явилася тенденція заміни вогнеперепинювачiв автоматичними системами заглушення вибухів, які встановлюються поза потоком газів і не заважають його транспортуванню. Такі системи створені для заглушення вибухів газів в приміщеннях і апаратах хімічної промисловості, в авіації, а також в гірничих виробках. Основні принципи, покладені в основу цих систем, можна використати для створення автоматичного вибухозахисту дегазаційних систем. Однак для цього необхідно мати в своєму розпорядженні дані впливу специфічних умов протікання і заглушення вибуху на конструкцію і параметри засобів вибухозахисту.

Щоб отримати початкові дані для визначення параметрів випробувальних стендів, пристроїв заглушення вибухів, встановлення основних положень методів випробувань пристроїв був проведений аналіз шахтних дегазаційних систем (діаметр і довжина газопроводів, швидкість потоку МПС, її газовий склад, наявність рідких і твердих домішок і т.д.), аварійних ситуацій і потенційних джерел займання МПС, що транспортується. На шахтах України працюють більше за 100 вакуум-насосних станцій (ВНС), каптуючи щодобово більше нiж 1600 тис. м3 газової суміші. Загальна довжина трубопроводів дегазаційно? мережі досягає 10 км, довжина одного газопроводу - до 6 км; довжина поверхневих трубопроводів на ділянках ствол - ВНС від 80 до 200 м, ВНС - споживач від 150 до 480 м. Довжина вихлопної труби (свічки) від 5 до 25 м. Діаметр труб, що застосовуються в основному 150-300 мм. На нових дегазаційних станціях діаметр магістральних газопроводів складає більше нiж 300 мм.

Виявлена стійка тенденція зменшення середньої концентрації метану в суміші. Якщо в 1965, 1970 і 1975 рр. вона складала відповідно 41, 40 і 35 %, то в 1980 і 1985 рр. вже дорівнювала тільки 31 і 22 %. У дев'яності роки ситуація практично не поліпшилася. Тільки на 38 шахтах Донбасу отримують суміш із складом пального більше за 25%, на інших шахтах - вибухові або близькі до них суміші. Це означає, що багато які шахти України мають багатокілометрову мережу дегазаційних газопроводів, заповнених вибухонебезпечної МПС і розміщених в гірничих виробках.

Аварія на шахті Ленінського комсомолу ВО “Укрзападвугілля" може свідчити про рівень небезпеки таких дегазаційний систем. 9 листопада 1983 р. виявлено горіння МПС у газопроводі ВНС - ствол шахти, при цьому ділянка довжиною 6 м була розжареною до червоно-білого кольору. Зона розігріву повільно пересувалася у бік шахти і ділянка трубопроводу довжиною 30 м була сильно деформована. Після зупинки вакуум-насосів пожежа на поверхні була згашена, однак полум'я розповсюдилося по газопроводу (відстань 4,5 км) до свердловин і через тріщини підпалило метан у виробленому просторі. Пожежу було згашено тільки через 8 місяців.

Аналіз аварії показав, що в дегазаційнiй системі не було засобів вибухозахисту, концентрація суміші в газопроводі була горючою, хоч прилади показували вміст метану 18-20 %. Працівники шахти і гірничорятувальних частин не знали як гасити полум'я в газопроводі. У нормативних документах ніяких рекомендацій щодо дій при ліквідації такої аварії не було.

У дегазаційних системах вугільних шахт країн СНД аварії бувають відносно часто. Наприклад, щорічно на вихлопних трубах ВНС відбувається до 4-5 займань метану. Такі спалахнення іноді приводили до проскакування полум'я в трубопровід і вибуху газу у вакуум-насосах (ш."Південна", м. Воркута), водяне кільце яких не завжди може запобігти передачі полум'я по трубопроводу.

Нерідкі випадки попадання газопроводів в зону підземної пожежі. При цьому не тільки посилюються наслідки пожежі, але і створюється небезпека вибуху як в трубопроводі, так і у вміщаючих їх виробках (шахти “Новатор", Донбас; “Червневий Маніфест", Польща). При гасінні засобами дегазації метану, що горить у виробленому просторі, можливо підпалення каптуємої МПС. Полум'я метану, що горить, засмоктується через тріщини в дегазаційну свердловину і потім в газопровід.

Буріння свердловин - це один з основних технологічних процесів при дегазації вугільних шахт. При обертальному бурінні практично щорічно відбувається 1-2 вибухи МПС, число спалахів метану досягає 10% від загального числа таких аварій на шахтах СНД. За даними ДонВУГІ, частіше відбуваються спалахи метану в свердловинах при пневматичному бурінні.

Таким чином, у вуглевидобувній галузі вельми актуальною є проблема запобігання і заглушення займань МПС в шахтних дегазаційних системах. Вибухобезпека роботи таких систем зараз забезпечується тільки організаційними заходами, а промисловий випуск придатних для цього засобів не організований. Для запобігання вибухам в таких системах необхідний комплекс способів і засобів, що дозволяє надійно забезпечити безпеку всіх робіт по дегазації.

Другий розділ присвячений аналізу технічних рішень вибухозахисту трубопроводів в інших галузях промисловості, можливості використання їх у вугільній галузі і обгрунтуванню напрямів експериментальних досліджень.

Аналіз досліджень показує, що проникнення полум'я в газопровід можливе як через отвір в його стінці, так і через вихідний кінець труби назустріч газовому потоку. Це визначається наявністю в трубах горючої концентрації метану (5-15%), діаметром отвору і швидкістю потоку в трубопроводі. Оцінка критичного розміру отвору здійснена в лабораторних умовах без урахування перепаду тиску і руху потоку. Дані про швидкість потоку МПС, при якій можливе проскакування полум'я, отримані для труб малого діаметра (25-90 мм). Тому ці величини для дегазаційних систем шахт не можна використати без експериментальної перевірки. Потрібно також оцінити вплив потужності джерела підпалення МПС на можливість проскакування полум'я в газопровід.

Підпалення МПС в газопроводі можливе за рахунок нагрівання стінок труб при рудниковiй пожежі. Підпалення МПС, що нагрівається в закритій посудині (колбі), як відомо, відбувається при температурах 620-650°С. У газопроводі суміш рухається з швидкістю 20 і більше м/с. Це збільшує теплообмін, а отже, критична температура нагріву стінок трубопроводу зроста?.

Горіння метану в трубах вивчене досить добре в лабораторних умовах, але ці дані можна використати лише для якісної оцінки горіння в довгих промислових трубопроводах. Кількісні показники горіння є лише для трубопроводів, закритих з одного боку торцевою стінкою і за нерухомої МПС ( діаметр труб - 300 мм, довжина - до 65 м). Дегазаційна система шахти не є закритою і в трубах МПС рухається зi швидкістю десятки метрів за секунду. Тому необхідні додаткові дослідження горіння в таких трубопроводах при підпаленні суміші бiля виходу, на вході і посередині трубопроводу джерелами різної потужності, крім того, важливо оцінити вплив горіння на стінки і арматуру трубопроводу.

Реакція метану з киснем повітря, як відомо, досить складна. У ній беруть участь більш нiж 20 радикалів і протікають більше нiж 80 проміжних реакцій. Збільшуючи або зменшуючи кількість тих або інших радикалів, можна зменшувати і навіть припиняти швидкість протікання основної реакції. З іншого боку досягти таких результатів можна зміною теплового балансу в зоні реакції.

Прийнятними для дегазаційних систем шляхами припинення реакції горіння метану є наступні:

- введення в МПС газоподібних речовин, що зменшують імовірність зіткнення активних радикалів (азот, вуглекислий газ, водяна пара і інш.);

- розпилювання в МПС теплопоглинаючих речовин (вода, водні розчини, інертний пил та iн.);

- пропуск горючої газової суміші, що транспортується через вузькі канали вогнеперепинювачiв;

- розпилювання в МПС речовин, здатних виводити активні радикали і обривати ланцюгову реакцію (фреони, порошкоподібні інгибiтори та ін.).

У роботі, з використанням методу аналізу розмірностей, виконана теоретична оцінка впливу параметрів газопроводу і суміші, що транспортується на витрату інертного газу, необхідного для заглушення полум'я на вихлопній трубі поверхневої дегазаційно? станції. При цьому враховували наступні впливаючі чинники: діаметр трубопроводу d(м); відстань від місця розташування вогнеподавлювача до полум'я на вихідному кінці труби L(м); швидкість потоку суміші, її густина і в'язкість, що враховується критерієм Рейнольдса; процентний вміст метану в суміші.У результаті встановлена залежність:

(1)

де q - витрати інертного газу, м3/м3; k - коефіцієнт, що експериментально визначається, м2/м3; a, b, з, n - безрозмiрнi коефіцієнти, що визначаються експериментально (величини їх приведені в розділі 6).

Щоб запобігти займанню метану при бурінні свердловин, необхідно виключити пiдсмоктування повітря в свердловину. У роботі запропоновано спосіб ліквідації пiдсмоктування повітря шляхом подачі в свердловину інертної суміші, отриманої мембранним розподілом стисненого повітря в гірничiй виробці. При цьому в свердловину подається частина повітря, збагачена азотом, а друга його збагачена киснем частина прямує до вустя свердловини, тут обидві частини раніше розділеного повітря змішуються, утворюючи повітря з початковим вмістом кисню і азоту. Стосовно до цього способу методом аналізу розмірності визначена кількість повітря, що пiдсмокту?тся в свердловину при різних режимах шнекового буріння, а, отже, і необхідна витрата інертної суміші, що розраховуються згідно із залежністю:

(2)

де Q - кiлькiсть повiтря, що пiдсмокту?ться, мі/сек; D - дiаметр свердловини, м; v - швидкiсть обертання шнекiв, м/сек; , де m -динамічна в'язкiсть; r - густина газово? сумішi; a0 и a1 - коєеiциєнти, що визначаються експериментально на физичнiй моделi пари ”шнек-свердловина” (див.розд. 7).

Випадки горіння метану, як вказано в розділі першому, мають місце у вакуум-насосах дегазаційних установок. Для запобігання такому горінню в пересувних установках поки не запропоновано раціональних рішень. Тому для цієї мети в роботі розглянута можливість використання води, яка постійно подається у вакуум-насос для утворення водяного кільця (до 150 л/хвил). Суть такого рішення полягає в подачі частини необхідної води в розпиленому (диспергованому) вигляді. Розпилена вода відводить тепло від фронту горіння, а пара, що утворюється при цьому, флегматизу? метано-повітряну суміш (робить її негорючою). Для визначення необхідної кількості розпиленої води і діаметра її крапель використані раніше встановлені нами в кандидатській дисертації залежності для оцінки параметрів водорозпилено? завіси, що запобігає займанню метану при вибухових роботах в шахті. Новизна такого підходу полягає в розширенні області використання залежностей на процес гасіння полум'я, що вже виникло, тобто при температурах більше за 1700°С. Розрахунковим шляхом встановлено, що при одночасному протіканні процесів тепловiдводу і розбавлення суміші парою, що утворюється, досить розпилювати 123 г води на один кубометр суміші, що транспортується. Оптимальний діаметр крапель складає 116 мкм (повне випаровування крапель води при проходженні через фронт полум'я).

Вибір розпилювачiв води і оцінка ефективності заглушення полум'я розпиленою водою в газопроводах здійснені на основі експериментальних досліджень (див. розд. 5).

В обмежених умовах гірничих виробок, наприклад, в місцях приєднання дегазаційних свердловин до газопроводу, доцільно використати компактні пристрої вибухозахисту, якими можуть служити сітчасті вогнеперепинювачi, що застосовуються для вибухозахисту комунікацій на підприємствах хімічної промисловості. Стосовно до гірничих виробок для захисту газопроводів відомі конструкції вогнеперепинювачiв не можуть використовуватися із-за великих поперечних розмірів. Тому претендентом запропонована нова конструкція сітчастого вогнеперепинювача, діаметр якого не перевищує діаметра трубопроводу. У ньому пакет сіток являє собою два усічених конуси, сполучених між собою меншими основами, ефективність гасіння полум'я сітчастим вогнеперепинювачем залежить від розмірів отвору сітки. Максимально допустиму величину отвору сітки визначали за відомою формулою критерію Пекле, величина якого на межі гасіння рівна 65. Згідно з розрахунками при розмірах вiчка 0,63-1,9 мм сітчасті вогнеперепинювачi не будуть пропускати полум'я, маючи при цьому коефіцієнт запасу 6,5-2,0. Для пакету з 6 сіток з вiчками 0,63-1,9 мм і швидкості потоку суміші 16 м/с падіння тиску потоку складає 175-50 Па. Ці параметри були прийняті за основу при створенні експериментальних зразків шахтних сітчастих вогнеперепинювачiв.

З метою створення автоматичної системи вибухозахисту для шахтної дегазаційно? системи в роботі проведено аналіз автоматичних систем, що є в інших галузях промисловості. Це дозволило розробити структурну схему шахтної автоматичної системи вибухозахисту газопроводів, обгрунтувати конструктивні особливості і напрями досліджень її основних вузлів: датчиків полум'я, вибухоподавлювачiв і блоку управління і електроживлення.

За умовами працездатності, перешкодозахищеності і надійності для датчика виявлення полум'я найбільш прийнятними у якостi чутливого елемента є приймачі інфрачервоного випромінювання (фотодiоди і фоторезистори).

За основу вибухоподавлювача прийнято балон високого тиску, заповнений серійною вогнегасною сполукою, що відкривається швидкодіючим клапаном. Замість відомого клапана з використанням електродетонатора автором запропонований новий клапан, який не містить вибухових матеріалів і відкривається за рахунок виникаючого при електророзрядi в струмопровідній рідині тиску (електрогiдровибуховий ефект). Оцінка працездатності нового клапана і визначення його часових характеристик (час спрацювання) проведені експериментальним шляхом (див. розділ 6).

У роботі розглянутий і другий шлях створення автоматичної системи вибухозахисту шахтних дегазаційних газопроводів, включаючої сітчастий вогнеперепинювач і вогнеподавлювач. Це необхідне для вибухозахисту частин дегазаційно? системи, до яких утруднене підведення електричної енергії і експлуатаційне обслуговування (наприклад, у виробках з вихідним струменем повітря). Крім того, нова автоматична система вибухозахисту може замінювати електронну автоматичну систему.

Суть нової системи полягає у використанні продуктів горіння метано-повітряної суміші, що транспортується для гасіння полум'я. Це досягається відділенням частини суміші, що транспортується і спрямуванням її в кільцеву камеру, насаджену на газопровід і сполучену з його порожниною кільцевою щілиною. При поширенні полум'я назустріч потоку воно зупиняється вогнеперепинювачем навпроти кільцевої щілини. Полум'я через останню підпалює метан в кільцевій камері, інертні продукти горіння якого викидаються через щілину на полум'я в порожнини газопроводу і в результаті відбувається гасіння полум'я.

Для визначення зовнішнього діаметра кільцевої камери запропонована залежність:

(3)

де D - зовнiшнiй дiаметр камери, м; d= - внутрiшнiй діаметр камери, що дорiвнюе дiаметру трубопроводу, м; - швидкiсть полум'я в кiльцевiй камерi, м/сек; - швидкiсть потока сумiшi, м/сек; k =2,0 - коефiцiєнт запасу продуктiв горiння; Т0, Т2 - температури сумiшi та продуктiв горіння на виходi з камери.

Швидкість полум'я в кільцевій камері, температури продуктів горіння на виході з камери і в порожнині газопроводу визначаються експериментально на спеціальних стендах (див. розділ 6).

Таким чином аналіз літературніх даних щодо горіння, локалізації і заглушення газоповітряних сумішів (ГПС) і досвіду застосування засобів вибухозахисту в інших галузях промисловості дозволив: вибрати раціональні засоби елементів дегазаційної системи; оцінити основні її параметри; визначити головні напрямки експериментальних дослідків по створенню засобів вибухозахисту і висунути вимоги щодо дослідних натурних моделей дегазаційних систем.

У третьому розділі викладені результати експериментальних досліджень процесів проникнення запалюючого імпульсу в дегазаційну систему вугільних шахт. Експерименти проведено на натурних стендах-моделях. Стенд включав спонукач руху (вакуум-насос або вентилятор), постійну ділянку трубопроводу довжиною 5 м, обладнану вузлами подачі природного газу і його змішування з повітрям, а також змінну ділянку трубопроводів діаметром від 50 до 300 мм і довжиною до 100 м. Стенд обладнаний приладами для замiрювання швидкості потоку суміші ( тарована діафрагма з мiкроманометром; прилад ЛюГа, ФРН), концентрації метану (iнтерферометр - ЛИ-4 М; метанометр Дрегер-Митрон, ФРН), швидкості полум'я (оптичні датчики полум'я, частотомiр-хронометр Ф-5080). Він атестований у встановленому порядку.

При проведенні експериментів міняли діаметр змінного трубопроводу, швидкість потоку суміші від 0,5 до 10 м/с, вміст метану в суміші (в межах від 5 до 25 %). Підпалення суміші здійснювали на виході з труби джерелами запалення різної потужності: запальник електродетонатора, полум'я пальника, вибух заряду ВР, нагріта поверхня.

Дослідження проникнення полум'я в газопровід (через вихлопну трубу) дозволили виявити істотний вплив потужності джерела запалення метану на проскакування полум'я назустріч вихідному потоку суміші. При слабкому джерелі (полум'я пальника, іскра і т.п.) проскакування полум'я в трубопровід діаметром 100, 150 і 200 мм відбувається при швидкості горючої суміші відповідно не більше за 4,2, 5,5 і 6,5 м/с (рис. 1). При потужному джерелі (наприклад, вибух ВР або блискавка), що викликає детонацію суміші, проскакування полум'я відбувається практично при будь-якій величині швидкості потоку суміші, а верхня концентраційна межа горіння метану підвищується до 20 %. З віддаленням потужного джерела запалення від кінця вихлопної труби вплив його на проскакування полум'я зменшується і вже на відстані більше за 5 м практично відсутній.

Рис. 1. Залежність швидкості проскоку полум'я від вмісту метану в потоці МПС

1 – для газопроводу, Ш=100 мм; 2– Ш=150 мм; 3 – Ш=200 мм;

Експериментально підтверджено, що проскакування полум'я найбільш небезпечний при концентрації метану 9,5-10,5 %. Якщо концентрація метану наближається до нижньої (5,3%) або верхньої (14,8%) меж, тоді швидкість проскоку полум'я зменшується до 0,5-1,0 м/с.

Встановлено для трубопроводів діаметром 100-150 мм, що при швидкості потоку суміші 6-8,5 м/с відбувається відрив полум'я від кінця труби і його згаснення. Отже, підвищення швидкості потоку суміші може служити одним iз способів запобігання горінню суміші на вихлопних трубах вакуум-насосних станцій.

Дослідження проскакування полум'я в газопровід через зазор між фланцями (при відсутності частини прокладки) показали, що при нерухомому стані суміші полум'я проникає в трубопровід при ширині щілини більшiй за 1,8 мм, а при русі суміші (під розрядженням) воно проникає через щілину розміром більшим за 1,25 мм.

Експериментально підтверджене, що при пожежі у виробках можливе підпалення суміші в газопроводі нагрітою поверхнею труб, якщо температура їх більше за 650°С, або матеріалами (прокладками і інш., що загорілися всередині газопроводу). Загоряння прокладок всередині газопроводу відбувається при впливі на трубу полум'я протягом 8-12 хвил. Вогнестійкі прокладки не загоряються, їх руйнування відбувається тільки через 35 хвил. Найбільш небезпечним щодо підпалення метану є відкладення в трубопроводах вугільного пилу, що запалюється через 10 хвил.

Таким чином експериментальними дослідженнями, які проведені на реальній дегазаційній системі, установлено суттєвий вплив потужності джерела спалахування на проскакування полум'я в трубопровід назустріч вихідному потокові ГПС: при слабкому джерелі (полум'я горілки, іскра в т.і.) проскакування полум'я в трубопровід діаметром 100-200 мм стається при швидкості потоку меншій ніж 4,2-6,5 м/с, а при потужньому, що викликає детонацію суміші (вибух ВР, блискавка) – практично при будь-якій швидкості потоку МПС і концентрації метану до 20%.

При дії пожежі на газопровід спалахування горючої суміші можливе відкритим полум'ям крізь зазор 1,25 мм між фланцями, нагрітою до 650єС стінкою труби при спиненому потоці і більш 1200єС при МПС що рухається, а також полум'ям прокладок, що зайнялися внутрі, і відкладеним у трубах вугільним пилом.

У четвертому розділі викладені результати експериментальних досліджень горіння суміші в газопроводах, отримані на вищеописаному стенді. Підпалення суміші здійснювали у закритого кінця трубопроводу, у одного з його відкритих кінців, посередині відкритого з двох кінців трубопроводу. Концентрацію метану змінювали в діапазоні 5-20%, швидкість потоку - від нуля до 10 м/с, довжина трубопроводу від 15 до 85 м. Підпалення суміші здійснювали різними за потужнiстю джерелами запалення. У закритого кінця трубопроводу метан підпалювали електричною іскрою від конденсатора вибухової машинки, зарядами ВР від 5 до 100 г. При цьому визначали швидкість полум'я і її зміни на початковій ділянці трубопроводу.

Встановлено при підпаленні метану у закритого кінця трубопроводу:

- швидкість полум'я зростає як із збільшенням потужності джерела пiдпалення, так і з вiддаленням від місця підпалення;

- із збільшенням потужності запалювального імпульсу зростає величина прискорення полум'я;

- на початковій ділянці трубопроводу швидкість полум'я має пульсуючий характер.

При пiдпаленні метану слабким джерелом у одного з відкритих кінців трубопроводу швидкість полум'я залежить від концентрації метану в суміші. При цьому зміна швидкості має параболічний характер: максимум її спостерігається при вмісті метану в суміші 10,5%, мінімальні значення - поблизу меж горіння (5,3 і 14,8%). Експериментально показано, що в потоці МПС, що рухається по довгому промисловому газопроводі при підпалюванні слабким джерелом, залежить від вмісту метану, залежність має параболичний характер з максимумом при 10,5% горючого, рух полум'я по трубопроводу відбувається із змінним прискоренням: величина швидкості його на відстані 15 м від кінця трубопроводу не перевищує 4 м/с і на відстані 85 м зростає до 8,2 м/с.

Оцінювали також величину швидкості полум'я в газопроводі при підпаленні суміші блискавкою. При моделюванні такої ситуації виходили з того, що детонація газової суміші, віддаляючись від точки ініціювання, не залежить від джерела її збудження. Тому вплив блискавки моделювали вибухом 1 кг незапобіжного ВР. Такий вибух, як відомо, викликає сферичну детонацію суміші в атмосфері. У вільному струмені суміші швидкість полум'я визначали швидкісною кiнозйомкою (1000 кадрів за секунду), в газопроводі - датчиками полум'я і реєструючою апаратурою (частотомір-хронометр Ж 50-80).

Встановлено, що сферична детонація, розповсюджуючись по циліндричному вільному струменю суміші, вироджується в дефлагра-цiю (горіння). Вже через 5 мс швидкість горіння складає всього 850 м/с, а через 60 мс (на 6 м від точки вибуху заряду) величина її не перевищує швидкості горіння, викликаного слабким джерелом (3-5м/с). Якщо детонація суміші збуджується бiля виходу з трубопроводу (на відстані 0,2 м), полум'я розповсюджується в газопровід із зменшуваною швидкістю (уповільнення її значно менше, ніж у вільному струмені). Так, в трубопроводі на відстані 5,5 м від його входу швидкість зменшується до 1300 м/с, а на відстані 10,5 м - 1100 м/с. При потужному джерелі підпалення збільшується верхня межа горіння метану в суміші до 20%, полум'я розповсюджується зi швидкістю більшою за 1000 м/с по всій довжині газопроводу (біля 20 м). При вмісті метану в суміші 20,6% полум'я проникло в трубопровід на 10 м, а потім було винесене з трубопроводу потоком суміші.

Посередині газопроводу (діаметр 150 і 200 мм) суміш, що транспортується підпалювали слабким джерелом на відстані до 25 м від кожного з відкритих його кінців. Вивчали поширення полум'я суміші в обидва боки трубопроводу при швидкості потоку 0,4-9,5 м/с і вмісті метану в ній 6,0-12,0% (рис. 2).

Експерименти показали, що полум'я розповсюджується в обидві сторони із зростаючою швидкістю. На відстані 10 м від джерела підпалення швидкість полум'я досягає 200 м/с, на відстані 14-18 м - зростає до 1000 м/с. Є різниця в швидкості руху полум'я, а саме: при інших рівних умовах полум'я назустріч потоку розповсюджується з більшою швидкістю в порівнянні з поширенням за потоком. При швидкості потоку суміші 9,5 м/с і стехiометричному вмісті в ній метану (9,5%) максимальна швидкість полум'я досягає 1700-1800 м/с.

Експериментальні значення швидкості поширення полум'я використані в роботі для визначення по відомій залежності тиску вибуху суміші на стінки газопроводу і оцінки міцності труб шахтних дегазаційних мереж. Мінімальна товщина стінок