МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

(МакНДІ)

КРАВЧЕНКО Наталія Михайлівна

УДК 622.45:622.82/.83

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ розподілу повітря

в гірничих виробках вугільних шахт з урахуванням дії конвективних газових потоків

Спеціальність 05.26.01 – „Охорона праці”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі аварійних вентиляційних режимів і удосконалення технології ліквідації аварій Науково-дослідного інституту гірничорятувальної справи та пожежної безпеки (НДІГС “Респіратор) Міністерства вугільної промисловості України (м. Донецьк).

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор, заслужений

діяч науки і техніки України

Пашковський Петро Семенович, НДІГС “Респіратор

(м. Донецьк), перший заступник директора з наукової

роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кузін Віктор Олексійович, Донецький університет

управління (м. Донецьк), професор кафедри

менеджмента у виробничій сфері;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Карнаух Микола Вікторович, Донецький вугільний

інститут (м. Донецьк), провідний науковий

співробітник лабораторії очисних робіт;

Провідна установа – Національний гірничий університет, кафедра руднічної
аерології та охорони праці, Міністерства освіти та науки
України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться 14.04.2006 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 12.834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці МакНДІ за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий 09.03.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01

к.т.н., с.н.с. Алаб’єв В.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Продукти горіння, що утворюються під час підзем-них пожеж, та гази, які виділяються у гірничих виробках, розносяться по шахті повітряним потоком. Через це формується група виробок, в атмосфері яких містяться небезпечні для людини шкідливі речовини. Визначення таких виробок є необхідним як під час ликвідації аварії – для вибору методів та засобів гасіння пожежі, безпечних маршрутів виходу людей, так і за нормальних умов – для підвищення безпеки гірничих робіт. Під час моделювання пожеж як правило розглядають тільки ті виробки, що знаходяться за аварійною виробкою за напрямком вентиляцій-ного струменя, тому що до них із потоком повітря потрапляють продукти горіння із аварійної дільниці. Однак, як відомо із досвіду гасіння пожеж, інколи пожежні гази поширюються не лише за напрямком струменя повітря, але й назу-стріч йому – під покрівлею виробки. Це явище значно ускладнює задачу локалі-зації осередку займання. Більшість відомих робіт відносно зустрічних газових потоків містять лише якісне описання процесу. Метод оцінки небезпечних зон підвищених температур і концентрацій газу під час пожеж, який запропоновано в вісімдесяті роки минулого століття, не визначає впливу конвективних потоків на вентиляційну мережу і містить ряд недоліків і помилок.

Рух газу назустріч повітряному потоку неодноразово спостерігався також під час виділення метану в гірничих виробках, швидкість переміщення повітря в яких була малою, наприклад, в шахті ім. XIX з’їзду КПРС, що спричинило аварію з тяжкими наслідками. Виходячи із цього, зустрічні газові потоки є небезпечними, оскільки приводять до появлення метану в виробках із свіжим струменем повітря. Теоретичне описання цього явища відсутнє.

У зв’язку з вищевикладеним дослідження процесів взаємодії повітряного потоку та додаткових джерел тяги, таких як динамічно активні гази (нагріті пожежні гази, гази, густина яких відрізняється від густини повітря), та наукове обґрунтування параметрів зустрічного газового потоку і зон поширення пожеж-них газів виробками є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослі-дження закономірностей розподілення повітряних потоків в мережах гірничих виробок шахт в нормальних і аварійних режимах, розробка методів і програм розрахунку вентиляційних мереж, моделювання аварійних умов (пожеж, викідів вугілля та газу і т.ін.) є основними науковими напрямками НДІГС “Респіратор”. Дисертація підготовлена в межах виконаних робіт
№ 1910201030 (№ держ-реєстрації 0102U005526) “Розробити методику визначення зон загазу-вання гір-ничих виробок вугільних шахт продуктами термодеструкції при підзем-них пожежах” і № 1710202180 (№ держреєстрації 0102U007407) “Переглянути за графіком, погодженим з Держнаглядохоронпраці, нормативні акти з безпеки та охорони праці, скоротити їх кількість, розробити та затвердити нові згідно з Гірничим законом та Законом України “Про охорону праці”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розкриття закономірностей формування зустрічних потоків динамічно активних газів і обґрунтування на цій основі параметрів розподілення повітря у виробках вугільних шахт для забезпе-чення безпеки ведення гірничих робіт у нормальних та аварійних умовах.

Для досягнення поставленої мети було необхідно:

§ виконати аналіз існуючих методів розрахунку зустрічних газових потоків у виробках шахт і програмного забезпечення для розв’язання задач нормальної та аварійной вентиляції за допомогою ЕОМ;

§ провести дослідження закономірностей розповсюдження динамічно актив-них газів в виробках шахт;

§ розробити методи розрахунку параметрів зустрічних потоків пожежних газів і метану;

§ розробити метод визначення зони розповсюдження пожежних газів і оцінки концентрацій шкідливих продуктів горіння в гірничих виробках;

§ створити комп’ютерну систему для розв’язання задач провітрювання шахт у нормальних та аварійних умовах, в якій реалізувати запропоновані методи розрахунку параметрів зустрічних потоків і зон поширення пожежних газів, наочне представлення результатів на схемах вентиля-ції.

Об’єкт дослідження – процеси формування різнонаправлених газоповіт-ряних потоків у вентиляційній мережі гірничих виробок шахт.

Предмет дослідження – вплив на розподіл газоповітряних потоків у вен-тиляційній мережі гірничих виробок різних джерел тяги (вентиляторів головного та місцевого провітрювання (ВГП, ВМП) і динамічно активних газів).

Методи дослідження. Під час виконання дисертаційної роботи застосо-вувалися теоретичні дослідження з використанням диференціальних і інтеграль-них методів аналізу газо- та термодинамічних процесів, числові методи розв’язування систем рівнянь математичної фізики, методи розв’язування опти-мізаційних задач у теорії графів, математичне моделювання, методи математич-ної статистики і обробки експериментальних даних.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується коректністю постановки задач, використанням класичних положень аеро-газодинаміки, сучасних методів теоретичного аналізу, апробованих методик; відповідністю установлених закономірностей руху газоповітряних сумішів фундаментальним законам фізики та сучасним уявленням про природу процесів у підземних виробках під час пожеж і раптових викидів метану чи іншого газу; задовільною збіжністю результатів математичного моделювання розподі-лення газоповітряних потоків у гірничих виробках за неізотермічних умов та наявних експериментальних даних про розповсюдження метану та пожежних газів назустріч вентиляційному струменю.

Ідея роботи полягає в дослідженні впливу джерел штучної та природної тяги на швидкісну структуру потоку для визначення параметрів зустрічного конвективного потоку, що утворюється під покрівлею аварійної виробки, оцінки його впливу на мережу, розроблення на цій основі методу розрахунку зони поширення газу і визначення параметрів розподілення повітря, що забезпечують стійкість провітрювання за всім перерізом виробки.

Наукова новизна одержаних результатів.

Наукові положення:

1. Утворення різнонаправлених газоповітряних потоків, які порушують провіт-рювання гірничих виробок, обумовлене взаємодією загальношахтної депресії та природної тяги, яка виникає через різницю густин газів і нерівномірне їх розпо-ділення у виробці.

2. Параметри конвективного потоку, що формується під покрівлею при виді-ленні чи утворенні у гірничій виробці динамічно активних газів, залежать від співвідношення піднімальних сил газу та динамічних сил вентиляційного стру-меня.

3. Стійкість провітрювання, тобто збереження напрямку повітряного потоку в усьому перерізі виробки, забезпечується пороговим значенням швидкості венти-ляційного струменя, яке знаходиться у межах від 1 до 4 м/с і залежить від параметрів виробки і динаміки пожежі (швидкості виділення метану).

Наукова новизна:

1. Розроблено двовимірову математичну модель руху у гірничій виробці газів із різною густиною, яка враховує нерівномірність розподілення температури та концентрації газів за довжиною та перерізом виробок і виника-ючі внаслідок цього подовжні та поперечні тяги. Це дозволило обґрунтувати єдиний підхід до пояснення механізму формування під покрівлею аварійної виробки зустрічних газових потоків у разі пожежі чи виділення легкого газу.

2. Уперше обґрунтовано необхідність урахування впливу зустрічного потоку на вентиляційну мережу. Аналітично встановлені залежності довжини, товщини та швидкості руху шару пожежних газів (метану), що рухається назустріч венти-ляційному потоку, від розміру поперечної природної тяги, віднесеної до депресії вентилятора, яку прикладено до цієї виробки; на цій підставі уперше розроблено метод визначення зони поширення продуктів горіння з урахуванням дії конвек-тивних потоків.

3. Уперше аналітично встановлена залежність порогового значення швидкості вентиляційного струменя, що забезпечує стійкість провітрювання в усьому перерізі виробки, від висоти, зведеного діаметра, кута нахилу, коефіцієнта аеродинамічного опору аварійної виробки і динаміки пожежі (швидкості виділення метану).

Практичне значення роботи полягає:

§ в розробці методики оцінки можливості руху динамічно активних газів назустріч основному вентиляційному потоку та розрахунку параметрів зустріч-ного потоку;

§ в розробці методу визначення зони розповсюдження пожежних газів у венти-ляційній мережі з урахуванням зустрічного потоку;

§ в реалізації запропонованих методів у вигляді програмного забезпечення для поточного (під час складання ПЛА) і оперативного (під час ліквідації аварій) моделювання вентиляційних режимів в аварійних ситуаціях;

§ в комплексому розв’язуванні задач провітрювання шахт у нормальних і аварійних умовах за допомогою єдиної бази даних і оригінального графічного редактора.

Розроблену методику розрахунку концентрацій пожежних газів у мережі гірничих виробок з урахуван-ням утворення зустрічних потоків включено до галузевого стандарту Зони зага-зування гірничих виробок вугільних шахт продуктами термодеструкції від підземних пожеж. Методика розрахунку” (ГСТУ 10.1-00174102-008-2003). Програмний комплекс “Вентиляція шахт” дозволено Держнаглядохоронпраці України до застосування на вугледобувних підприємствах, в проектних організа-ціях і ДВГРС (Дозвіл № 1269.02.30-73.10.0 від 06.12.2002, Погодження Держгірпромнагляду МНС України № 04/5223 від 17.10.2005), і впроваджено більш ніж на 30-ти підприємствах України та Росії; результати дисертаційної роботи включено до галузевого нормативного докуме-нту “Управління вентиляцією вугільних шахт під час підземних пожеж. Керівництво” (КД 12.08-2005) .

Особистий внесок здобувача полягає в постановці мети і задач дослі-джень; проведенні теоретичних досліджень; одержанні аналітичних залежностей для визначення параметрів зустрічних газових потоків; проведенні математич-ного моделювання процесів, що спостерігалися під час описаних в літературі експериментів; розробленні методів визначення зон поширення пожежних газів і метану гірничими виробками; створенні програмного комплексу “Вентиляція шахт” для розв’язування задач ПЛА, в якому реалізовані запропоновані мето-дики. Автором самостійно сформульовані основні наукові положення та висно-вки.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Дисертаційна робота в цілому та її окремі положення доповідалися та отримали позитивний відзив на вченій раді НДІГС “Респіратор”, 5-й науково-практичній конференції “Пожежна безпека” (Львів, 2001 р.), 50-й регіональній науково-виробничій конференції Шахтинського інституту Південно-Російського державного технічного універси-тету (Росія, Шахти Ростовської обл., квітень 2001 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Технологии и оборудование для добычи угля подзем-ным способом” (Донецьк, 4 вересня 2002 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий” (Донецьк, 24-25 грудня 2002 р.), 8 - й Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы охраны труда и техногенно-экологической безопасности” (Севастопіль, 01 – 04 жовтня 2003 р.), Науково-практичній конференції “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли” (МакНДІ, грудень 2004 р.), 10-й сесії Міжнародного Бюро з Гірничої Теплофі-зики (Глівіце, Польща, 14-18 лютого 2005 р.), III Міжнародній науково-практич-ній конференції “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (Білорусь, Мінськ, червень 2005 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 наукових робіт, з яких дев’ять – у фахових виданнях, які включено до переліку ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Роботу викладено на 231 сторінці машинописного тексту, у тому числі 125 сторінок основної частини, містить 43 рисунка, 15 таблиць, список використаних джерел із 124 найменувань і 3 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячено обґрунтуванню актуальності, аналізу існуючих методів розрахунку параметрів зустрічних конвективних пото-ків і визначення зон розповсюдження пожежних газів, порівнянню програмних засобів для розвязування задач провітрювання шахт у нормальних і аварійних умовах. Сформульовано мету і задачі дослідження.

Актуальність розв’язування задачі визначається необхідністю підвищення безпеки робіт у шахтах і надійности планів ліквідації аварій шляхом урахування впливу природної конвекції газоповітряних мас на провітрювання аварійної виробки і вентиляційної мережі в цілому, на формування зони розповсюдження шкідливих і небезпечних домішок шахтного повітря.

Загальні закономірності аеродинамічних процесів у гірничих виробках у разі аварії (пожежі чи викиду метану), утворення шарових скупчень метану, методи оцінки стійкості вентиляційних струменів містяться у роботах С.М.Осипова, Б.І.Медведєва, О.М.Устінова, І.М.Зінченка, А.В.Ревякіна, А.І.Боброва, К.З.Ушакова, П.Бакке, С.Ліча та ін. Рух шарів метану назустріч основному потоку практично не вивчався. Відомі методи визначення стійкості провітрювання в разі пожежі в похилій виробці використовують середні харак-теристики потоку: депресію вентилятора, прикладену до виробки, витрату та швидкість повітря. Можливість перекидання струменя під покрівлею із збереженням напрямку вентиляційного потоку не враховується.

Існуючий метод оцінки зон підвищених температур і концентрацій газу біля осередку пожежі досить складний, містить низку недоліків і помилок. Цей метод використовує емпіричні коефіцієнти, тому сфера його застосування обме-жена умовами, близькими до тих, в яких проводилися експерименти. Під час розроблення планів ліквідації аварій цей метод не використовується. Одна із причин в тому, що він складний для практичного застосування.

Значним внеском до розроблення методів математичного моделювання вентиляційних струменів в мережах, числових методів розв’язування задачі розподілу повітря стали праці Ф.А.Абрамова, Р.Б.Тяна, В.Я.Потьомкіна. Під їх керівництвом в СРСР розроблені перші програми розрахунку вентиляційних мереж на ЕОМ “Мінськ 32” та ЕОМ типу ЄС. На цей час в Україні та інших гірничодобувних країнах є програмні засоби для розв’язування задач провітрю-вання, які відрізняються за своїми можливостями, умовами застосування, набором розв’язувальних задач і особливостями та зручністю інтерфейсу корис-тувача. Розвиток обчислювальної техніки, її доступність, проблемно-орієнтоване програмне забезпечення створюють усі передумови для використання математи-чного моделювання вентиляційних мереж шахт і розв’язування прикладних задач безпосередньо на вугледобувних підприємствах.

Зараз є актуальним розроблення нових методів прогнозу газової обстано-вки, їх реалізація та широке впровадження на вугільних підприємствах у вигляді програмного забезпечення для гірничих інженерів, яке використовує можливості сучасної техніки та операційних систем.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням аеродинамічних процесів у гірничій виробці при взаємодії різних джерел примусової (ВГП, ВМП) та природної тяги (повітряні маси, що нагріті чи охолоджені через тепло-обмін з оточуючими гірничими породами, осередок пожежі, гази, густина яких відрізняється від густини повітря).

Розроблено математичну модель усталеного руху повітря в одиночній похилій виробці (рис. 1) за неізотермічних умов, з урахуванням змінної густини потоку (густина повітря в різних точках аварійної виробки змінюється в залеж-ності від температури та наявності в ньому домішки).

Рис. 1. Схема похилої виробки з джерелом виділення теплоти або газу на довжині l

Процеси тепломасопереносу у виробці описані системою рівнянь із граничними умовами:

рівняння руху (1)

рівняння нерозривності потоку

, (2)

рівняння теплопровідності

, (3)

рівняння дифузії домішки

, (4)

залежність густини повітря від температури та концентрації газу за невеликих відхиленнь від середніх значень

, (5)

граничні умові

, (6)

, (7)

де u і х – подовжня та поперечна складові вектору швидкості, м/с; x та y – подовжня та поперечна координати, м; P – тиск, Па; м – динамічна в’язкість повітря, Па•с; – густина повітря, кг/мі; о – густина повітря за норма-льних умов, кг/мі; г – кут нахилу виробки до горизонту, град; С – концентрація домішки, об.ч.; То – температура повітря за нормальних умов, К;
Т – температура повітря, К; с – питома теплоємкість повітря, Дж/кг•К; вC – коефіцієнт змінення густини повітря через присутність в ньому домішки, кг/м3; вT – коефіцієнт термічного розширення повітря, кг/К•мі; D – коефіцієнт дифузії домішки, мІ/с;
л – коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/м•К; S – площа поперечного перерізу виробки, мІ; H – висота виро-бки, м; l – довжина зони горіння та тління (виділення газу), м; qi – густина теплового потоку в різних зонах виробки, Вт/м2; qM – загальний дебіт метану, м3/с.

Точне розвязання системи (1)-(7) можливе тільки числовими методами і повязане із значними труднощами через велику кількість виробок у мережах шахт, через те в роботі розглянуті конвективні потоки в вертикальній площині виробок, де наявні джерела теплоти чи газу, і визначено їх вплив на мережу. Отримано аналітичне рішення та проведено його аналіз.

Введено в розглядання масові швидкості:

. (8)

В першому наближенні поперечну складову швидкості потоку прийнято рівною нулю, середню за довжиною та перерізом виробки масову швидкість знайдено з інтегрального рівняння руху повітря

, (9)

де – подовжня складова природної тяги, даПа; R – аеродинамічний опір виробки, кг/м7; h – депресія вентилятора, яку прикладено до цієї виробки, Па; Q – витрата повітря з урахуванням дії пожежі чи газу, що виділяється, мі/с; L – довжина виробки, м; – середньоінтегральний та середньо------гармонічний коефіцієнти гус-тини.

Для визначення розміру подовжньої складової природної тяги та розраху-нку розподілення повітря в мережі за аварійних умов одержані значення серед-ньоінтегрального та середньогармонічного коефіцієнтів густини. Розв’язано одновимірові рівняння теплопровідності та дифузії з урахуванням граничних умов (6) и (7) і знайдено розподілення середньої в перерізі температури (рис. 2), концентрації (рис. 3), і, таким чином, густини суміші вздовж виробки.

Рис. 2. Розподілення температури вздовж виробки на початковій (1, l=33 м) і подальшій (2, l=133 м) стадіях розвитку пожежі (u0=1 м/с, Tг=1100°С)

Розподілення температури:
, (10)

де – безрозмірна температура; – корені характе-ристичного рівняння; – відносна відстань; Тг – максимальна температура горіння, К; a – коефіцієнт температуропровідності, мІ/с; – критерії подібності; – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2 •К;

, , , – константи

інтегрування:

(11)

Рис. 3. Розподілення відносних концентрацій метану в зоні виділення газу і перед нею при різних значеннях критерію подібності K1

Розподілення концентрації: , (12) де – критерій подібності; – відносна концентрація; концентрація газу на виході з виробки; C0 концентрація газу у потоці, що входить до виробки; – швидкість виділення метану, мі/с.

В другому наближенні подовжня складова та поперечна складова швидкості потоку визначені із перетвореного рівняння руху повітря:

. (13)

Знайдено швидкість вентиляційного струменя, що запобігає утворенню зустрічного потоку пожежних газів:

, (14)

де d – зведений діаметр виробки, м; – різниця між температурою повітря в місці виникнення пожежі та температурою повітря за нормальних умов, К; показник зниження температури вздовж виробки перед осередком пожежі, м-1; – коефіцієнт аеродинамічного опору виробки, Н•с2/м4. При висхідному провітрюванні можливість перекидання струменя під покрівлею треба оцінювати для виробок із кутом нахилу .

Визначено аналітичну залежність для довжини шлейфу пожежних газів, що рухаються назустріч свіжому потоку:

. (15)

Аналогічні результати одержані для виробки із джерелом метану.

В третьому розділі містяться результати порівняння розробленої матема-тичної моделі та наведених у науковій літературі досвідних даних, які отримані під час експериментальних досліджень динаміки параметрів пожежі та зустріч-ного потоку пожежних газів, досліджень руху шарів метану в горизонтальних та похилих гірничих виробках.

Дослідження динаміки параметрів горіння деревяного кріплення прово-дилися в експериментальній штольні ВНДІГС під керівництвом С.М.Осипова. Результати вимірювань температури пожежних газів в осередку пожежі та за ним (в різні моменти часу) порівнені з розрахованим за формулами (10), (11) розподі-ленням середньої температури вздовж аварійної виробки. Похибка складає 15-20%.

Дослідження поширення гарячого шлейфу назустріч свіжому потоку під час пожеж проводились під керівництвом О.М.Устінова в експериментальній штольні та на моделі виробок дільниці, що працює за падінням пласта. За даними вимірювань визначено середню в перерізі виробки температуру повітря-ної суміші та уточнено значення коефіцієнта k1, який характеризує змінення температури вздовж виробки перед осередком пожежі (рис. 4).

Рис. 4. Змінення температури перед осередком пожежі у штольні (матема-тична обробка експеримен-тальних даних)

За допомогою запропонованої математичної моделі (12) оброблено наведені в літературі експериментальні дані щодо руху шарів метану назустріч вентиляційному потоку в горизонтальній та похилій виробках. Для випадку поширення метану уточнено значення коефіцієнта, що характеризує зниження його концентрації вздовж виробки перед зоной виділення газу.

За результатами обробки експериментальних даних щодо розповсю-дження пожежних газів та метану назустріч вентиляційному потоку запропоно-вано користуватися під час розрахунку довжини зустрічного шлейфу значенням коефіцієнта k1, що визначається в залежності від інтегрального числа Річардсона (рис. 5), яке характеризує співвідношення архи-медових сил та сил інерції:

. (16)

Рис. 5. Зв’язок коефіцієнта, що характеризує зниження температури (концент-рації) вздовж виробки перед зоною горіння (виділення газу) з числом Річардсона

Визначення довжини шлейфів пожежних газів та метану за допомогою одержаних залежностей збігається з результатами спостережень.

В четвертому розділі викладено методику розрахунку параметрів зустрі-чного конвективного потоку пожежних газів і визначення зони загазування гірничих виробок продуктами горіння в разі підземної пожежі.

На рис. 6 подано блок-схему алгоритму визначення зони пожежних газів у випадку підземної пожежі.

Після розрахунку нормального розподілення повітря у мережі визначають параметри розвитку пожежі: дальність розповсюдження (довжина зони горіння та тління), максимальна температура в осередку пожежі – в залежності від швид-кості повітряного потоку у виробці до аварії.

За розподіленням температури вздовж виробки, яке залежить від максима-льної температури в осередку пожежі і довжини зони горіння та тління, розрахо-вують величину подовжньої складової теплової депресії пожежі, коректують значення аеродинамічного опору аварійної виробки та вирішують задачу розпо-ділення повітря за аварійних умов. Якщо повне перекидання струменя в пожеж-ній виробці не очікується (Qав>0), оцінюється можливість перекидання під покрівлею. Якщо воно можливе (розрахована згідно з залежністю (15) довжина зустрічного шлейфу l1 більше нуля), порушення провітрювання або обмежується аварійною виробкою – якщо довжина шлейфу менше ніж відстань від початку виробки до осередку L’, або впливає на певну дільницю мережі – в противному разі.

Якщо продукти горіння потрапляють до початкового вузла пожежної виробки (другий варіант) та із цього вузла виходять інші, паралельні, виробки, тоді виробки зі свіжим струменем заповнюються токсичними речови-нами, зона загазування пожежними газами поширюється.

В цьому разі оцінюють об’єм пожежних газів, що з конвективним потоком надходять до початкового вузла за одиницю часу:

, (17)

де uср – середня швидкість у конвективному потоці біля початкового вузла виро-бки, м/с; b - ширина виробки, м; H’ товщина шару пожежних газів біля поча-ткового вузла, м.

Товщина шару пожежних газів біля початкового вузла:

, (18)

де , , , – безрозмірні коефіцієнти.

Рис. 6. Блок-схема алгоритму розрахунку зони поширення пожежних газів.

Середня швидкість газів у зустрічному потоці:

(19)

Розрахунок обєму домішки, яка потрапляє із зустрічним потоком до початку виробки, запропоновано виконувати за умови, що продукти горіння розподіляються між основним (що виходить із аварійної гілки) та конвективним потоками пропорціонально їх обємам:

, (20)

де q обєм домішки, що надходить до початку виробки за одиницю часу;
Сав – концентрація домішки в осередку пожежі.

Концентрація домішки у виробках, які безпосередньо повязані з аварій-ною з боку свіжого струменя:

, (21)

де i0 – початковий вузол аварійної гілки; – множина гілок, що виходять із вузла i0 .

Концентрація домішки в інших виробках:

, (22)

де i – початковий вузол n-ї гілки; v – гілка, що входить до i-го вузлу;
Mі – множина гілок, що входять до i-го вузлу; Cн – концентрація домішки в v-й гілці;
Qv – витрата повітря в v-й гілці, м3/с.

Моделювання процесу розповсюдження пожежних газів у мережі підземних виро-бок потребує великого обсягу складних обчислювань, в тому числі двох розра-хунків розподілення повітря. Оперативне розв’язування цієї задачі із необхідною точністю можливе тільки у разі використання засобів обчислювальної техніки. Для розв’язування задач провітрювання шахт і моделювання пожеж розроблено Windows-орієнтовану комп’ютерну систему. До її складу входить комплекс програм „Вентиляція шахт” і бази даних. Для підготовки вихідної інформації, організації доступу користувача до бази даних і наочного подання результатів розв’язання задач безпосередньо на схемах (рис.7) розроблено графічний редактор, який враховує особливості задач рудникової вентиляції.

Рис.7. Зона загазування, визначена з урахуванням зустрічних конвективних потоків (моделюється пожежа у виробці, яку показано чорним кольором); кіль-кість оксиду вуглецю передається відтінками сірого кольору

У програмному комплексі реалізовано запропоновану методику розрахунку параметрів конвективного потоку пожежних газів, визначення зони розповсюдження продуктів горіння та розрахунку концентрацій домішок у виробках шахти.

До складу розробленої комп’ютерної системи входять також модулі для керування базою даних, розрахунку нормальних та аварійних режимів провіт-рювання, вибору заходів щодо підвищення стійкості, пошуку найкоротших шляхів виходу гірників із аварійної дільниці і маршрутів руху гірничорятуваль-ників з урахуванням зони розповсюдження продуктів горіння, оцінки вибухонебез-печності суміші пожежних газів та для вирішення інших задач, пов’язаних із провітрюванням підземних вентиляційних мереж.

Висновки

У роботі одержано рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні параметрів розподілення повітря за нормальних та аварійних умов провітрювання вугільних шахт. Розкриті закономірності форму-вання конвективних потоків при взаємодії в гірничій виробці різних джерел тяги – вентиляторів головного, місцевого провітрювання і динамічно активних газів, яким властиві піднімальні сили. Це дозволило розробити науково-обґрунтовану методику та програмне забезпечення розрахунку параметрів розподілення пові-тря у гірничих виробках, що гарантують безпечне ведення гірничих робіт за нормальних та аварійних умов.

Основні наукові та практичні результати роботи:

1. Визначено закономірності формування полів високих температур та концен-трацій газу у виробках із джерелами їх утворення.

2. Запропоновано новий підхід до рішення задач розподілення повітря у шахт-ній вентиляційній мережі за методом послідовного урахування подовжньої та поперечної складових природної тяги. При цьому виробку умовно розділяють вздовж на область з виділенням теплоти або газу та дільниці перед нею – з боку свіжого потоку, і за нею – за напрямком вихідного струменя повітря. Обґрунто-вано необхідність урахування прогрітої частини виробки перед осередком пожежі в похилій виробці під час розрахунку теплової депресії.

3. Вивчено механізм формування природної тяги у виробках з розподіленими за довжиною та зосередженими тепловими або газовими джерелами, які незале-жно від своєї природи утворюють додаткову подовжню та поперечну депресію. Встановлено закономірності утворення конвективних потоків поблизу осередку горіння чи місця виділення газу в похилих і горизонтальних виробках. Такі потоки можуть рухатися за напрямком вентиляційного струменя або назустріч йому. За певних співвідношень між динамічними силами повітря та піднімаль-ними силами прогрітих газів чи метану відбувається перекидання вентиляцій-ного потоку у верхній частині перерізу виробки. Такий ефект тим більше імовір-ний, чим більше подовжня складова градієнта температур або концентрацій метану перед осередком пожежі (зоною виділення газу).

4. Одержано аналітичні залежності для визначення подовжньої та поперечної складових природних тяг, які залежать від розподілення в виробці температур і концентрацій метану, а також залежності для встановлення лінії розділення вен-тиляційного та зустрічного потоку пожежних газів або метану та довжини їхнього шлейфу.

5. Теоретична модель утворення у виробках конвективних потоків пожежних газів та їх поширення назустріч свіжому струменю повітря збігається із даними експериментів, що описані у літературі. Їх виникнення найбільш імовірно у горизонтальних та похилих виробках із низхідним провітрюванням. Показано, що продукти горіння можуть потрапляти у виробки із свіжим повітрям, коли теплова депресія менша за критичну, і напрямок вентиляційного потоку зберігається.

6. Експериментально підтверджена правомірність запропонованого в роботі теоретичного підходу до пояснення виникнення зустрічних конвективних потоків продуктів горіння та метану.

7. Розроблено “Методику розрахунку зон загазування гірничих виробок”, яку включено до ГСТУ 10.1-00174102-008-2003 „Зони загазування гірничих виробок вугільних шахт продуктами термодеструкції від підземних пожеж. Методика розрахунку”.

8. Для найбільш ефективного використання результатів роботи на практиці розроблений програмний комплекс “Вентиляція шахт” для сучасних ПЕОМ і операційних систем Windows. Це програмне забезпечення впроваджене більш ніж на 30-ти підприємствах України та Росії: в науково-дослідних і проектних організаціях, гірничорятувальній службі, на вугільних шахтах та рудниках. Комплекс містить модулі для розв’язування задач, друкування звітів і схем, сис-тему керування базою даних, графічний редактор для введення та наочного подання інформації.

9. Економія коштів від використання комплексу програм на шахті
ім. О.Ф. Засядька в 2002 році склала більше ніж 500 тис. грн. Ефект від впрова-дження цієї розробки на шахті Комсомолець Донбасу в першому півріччі 2003 року склав 389 тис. грн. За допомогою програмного комплексу фахівці гірничо-рятувальної служби м. Губкіна (Белгородська обл., Росія) видали замовникам рекомендації, які дозволяють щорічно економити 1122892 кВт. год. електроенер-гії, що в грошовому виразі складає більше ніж пятьсот тисяч рублів.

Основний зміст дисертації опублікований в роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Особистий внесок дисертанта у публікаціях із свівавторами:

[1] – оптимізація алгоритму розв’язування задачі розподілення повітря у венти-ляційній мережі з використанням спискових структур;

[2] – запропоновано апроксимацію напірної характеристики джерела тяги кубіч-ними сплайнами та графічний метод визначення параметрів роботи вентилятор-ної установки, які забезпечують потрібні значення депресії та витрати повітря, вибрані та реалізовані в програмному забезпеченні різні методи розрахунку аеродинамічного опору гірничої виробки;

[3] – реалізовані у програмному комплексі Вентиляція шахт методи розвязування задач провітрювання за нормальних і аварійних умов;

[7] – розроблено математичну модель руху повітря у виробці за умов взаємодії різних джерел тяги;

[9] – розроблено математичну модель поширення динамічно активних газів у виробках шахт, одержані аналітичні залежності концентрацій та швидкостей потоку від поздовжніх та поперечних координат, визначені умови формування зустрічного газового шлейфу та його параметри;

[10] – отримані аналітичні залежності температури та швидкості потоку від поздовжніх та поперечних координат, визначені умови утворення зустрічного шлейфу пожежних газів та його параметри;

[11] – проведено порівняльний аналіз програмних засобів, що використують в гірничорудній промисловості. Описані можливості та методи розвязування задач у програмному комплексі “Вентиляція шахт. Показані переваги викорис-тання цього програмного комплексу.

АНОТАЦІЯ

Кравченко Н.М. – Обґрунтування параметрів розподілу повітря в гірничих виробках вугільних шахт з урахуванням дії конвективних газових потоків. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 – “Охорона праці” – Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України, Макіївка – 2006 р.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів розподілення повітря в виробках вугільних шахт з урахуванням впливу конвекції газово-повітряної суміші та виникнення зустрічних потоків пожежних газів та метану під покрів-лею аварійної виробки під час пожежі чи викиду метану. У роботі за результа-тами аналітичних і експериментальних досліджень визначено загальні закономі-рності формування конвективних потоків у виробці з джерелами природної тяги: осередком пожежі, легкими чи важкими (динамічно активними) газами. Обґрун-товано характеристики конвективного потоку і показано його вплив на поши-рення продуктів горіння в мережі підземних виробок. Встановлено умови збері-гання стійкості провітрювання в аварійних умовах. Основні результати роботи використано під час розроблення двох нормативних документів, реалізовано в програмному забезпеченні, що знайшло застосування у науково-дослідних та проектних інститутах, вугільних підприємствах, гірничорятувальних підрозділах України та Росії.

Ключові слова: математичне моделювання, динамічно активні гази, зустрічний конвективний потік, план ліквідації аварії, зона розповсюдження пожежних газів.

АННОТАЦИЯ

Кравченко Н.М. Обоснование параметров воздухораспределения в горных выработках угольных шахт с учетом действия конвективных газовых потоков. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – “Охрана труда” – Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промыш-ленности Министерства угольной промышленности Украины, Макеевка – 2006 г.

Диссертация посвящена обоснованию параметров воздухораспределения в выработках угольных шахт с учетом влияния конвекции газовоздушной смеси и возникновения встречных потоков пожарных газов и метана под кровлей аварийной выработки при пожаре или внезапном выбросе метана. Выполнен анализ существующих методов определения зон распространения пожарных газов по горным выработкам и программного обеспечения для моделирования процессов в шахтных вентиляционных сетях. Проведены теоретические исследо-вания взаимодействия различных источников тяги в подземной выработке, пред-ложен единый теоретический подход к объяснению возникновения встречных конвективных потоков продуктов горения и динамически активных газов, таких как метан. Раскрыт механизм формирования конвективных потоков в выработке с источниками естественной тяги: очагом пожара, легкими или тяжелыми газами.

Получены аналитические зависимости для определения продольной и поперечной составляющих естественных тяг, зависящих от распределения в выработке температур и концентраций метана. Определена скоростная струк-тура потока в выработке с источниками естественной тяги, на этой основе уста-новлена граница раздела конвективного и основного потоков, зависимости параметров встречного потока от скорости вентиляционной струи, аэродина-мического сопротивления, геометрических размеров выработки и динамики пожара. Определены условия, необходимые для сохранения устойчиво-сти проветривания по всему сечению выработки.

Результаты расчета распределения температур и концентрации примеси вдоль аварийной выработки, длины встречного шлейфа удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными о распространении пожарных газов и метана навстречу свежей струе воздуха.

Показано влияние конвективного потока на распространение продуктов горения в сети горных выработок. Разработана методика расчета параметров встречного конвективного потока пожарных газов и концентраций токсичных примесей в сети выработок.

Разработан комплекс программ “Вентиляция шахт”, в котором реализо-вана предложенная методика расчета зон распространения пожарных газов, алгоритмы поиска кратчайших путей выхода горнорабочих из аварийного уча-стка и маршрутов движения горноспасателей с учетом зоны распространения пожарных газов, подпрограммы оценки взрываемости воздушной смеси, графи-ческий редактор для отображения на схемах вентиляции результатов решения этих задач, модули для печати отчетной документации и схем.

Основные результаты работы использованы при разработке двух норма-тивных документов. Программное обеспечение “Вентиляция шахт” применяется в научно-исследовательских и проектных институтах, угольных шахтах, рудни-ках, горноспасательных подразделениях Украины и России.

Ключевые слова: математическое моделирование, динамически активные газы, встречный конвективный поток, план ликвидации аварий, зона распростра-нения пожарных газов.

ABSTRACT

Kravchenko N.M. Substantiation of the air distribution parameters in the mine workings with regard for action of convective gas flows. A manuscript.

Dissertation for a candidate’s of engineering degree on the speciality
05.26.01 – “Labour protection”. – State Makeyevka Safety in Mines Research Institute, Ministry of Coal of the Ukraine, Makeyevka, 2006.

It is necessary in emergencies (fire, sudden methane feeder, etc.) to take into account additional natural