автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методики оценки и классификации фрикционной опасности горных пород

На правах рукописи

БОТВЕНКО Денис Вячеславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И КЛАССИФИКАЦИИ ФРИКЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ

(НЦВостНИИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Герике Борис Людвигович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ищук Игорь Григорьевич

кандидат технических наук Федченко Юрий Анатольевич

Ведущая организация: Кузнецкое управление Ростехнадзора России

Защита состоится 24 декабря 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 222.007.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ (НЦ ВостНИИ) по адресу: 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 34-30-95.

Электронный адрес НЦ ВостНИИ: vostnii@kemnet.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ ВостНИИ.

Автореферат разослан 23 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ЛИ ХИ УН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ведение горных работ в угольных шахтах, опасных по газу и пыли, всегда сопряжено с проявлениями опасности, обусловленной высокой вероятностью взрывов метановоздушной смеси.

Одним из основных источников воспламенения является фрикционное искрение, возникающее вследствие динамического контакта горных пород и режущего инструмента при различных технологических и горно-геологических процессах.

В настоящее время для предотвращения опасности фрикционного воспламенения метановоздушной смеси при разрушении горных пород и угольных пластов с крепкими включениями практически все горные комбайны оснащаются взрывозащитными системами орошения с подачей воды на след резания. Соблюдение параметров систем взрывозащитного орошения обеспечивает требуемый уровень безопасности при ведении горных работ.

Однако, источником фрикционного искрения могут являться и другие процессы: трения и удары металла о металл, обрушение горных пород в выработанном пространстве и пр. При этом до настоящего времени не существует единой методологии оценки фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента: выбор мероприятий и параметров систем взрывозащитного орошения является результатом практического опыта исследователя, проводящего испытания.

Теоретические представления о процессе воспламенения метановоздуш-ной смеси в результате фрикционного искрения весьма разрозненны и противоречивы.

В связи с этим, задача изучения процесса фрикционного воспламенения метановоздушной смеси и разработки нормативных документов, регламентирующих методы, порядок проведения испытаний и ведение производственного контроля по предупреждению фрикционного воспламенения, является актуальной.

1РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Целью работы является разработка методики оценки и классификации фрикционной опасности горных пород для предотвращения вспышек метано-воздушной смеси в угольных шахтах.

Идея работы заключается разработке новых теоретических и методических подходов к исследованиям горных пород и режущего инструмента с позиции опасности фрикционного воспламенения метановоздушных смесей.

Задачи исследований:

1. Провести анализ причин фрикционного воспламенения метановоздуш-ной смеси в шахтах и методов определения степени фрикционной опасности горных пород.

2. Провести оценку минимальной энергии искры и температуры, при которых происходит воспламенение метановоздушной смеси, и разработать физическую модель для оценки температуры поверхности динамического контакта горных пород либо горной породы и режущего инструмента.

3. Провести экспериментальные исследования процессов фрикционного воспламенения метановоздушных смесей при динамическом контакте горных пород либо горных пород и режущего инструмента.

4. Разработать классификацию фрикционной опасности горных пород.

5. Разработать методики испытаний и оценки степени фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента.

6. Разработать мероприятия по предотвращению фрикционного воспламенения метановоздушных смесей.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обработку и анализ информации, системный анализ, моделирование и теоретический анализ физических и информационных процессов, лабораторные и шахтные исследования.

Научные положения, выносимые на защиту:

- для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации при динамическом контакте горных пород либо горной породы и режущего ин-

струмента минимальная энергия поджигания искры составляет 0,32 мДж при диаметре прогретой области не менее 0,12 см;

- при скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 до 10 м/с теоретически установленная температура пятна контакта достигает температуры плавления за время 10"4— 10"6 с при толщине деформированного слоя 100-200 мкм и величине деформации 500-1000 %;

- в основу классификации фрикционной опасности горных пород положены физико-механические и физико-химические свойства, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности: не опасные - крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова менее 3 при содержании диоксида кремния менее 30 %, искроопасные (1* И 2" степени) - крепостью 3-5 при содержании диоксида кремния 30-50 %, взрывоопасные - крепостью свыше 5 при содержании диоксида кремния более 50 % и породы с другими комбинациями свойств, которые в процессе испытаний во взрывной камере дают вспышку ме-тановоздушной смеси;

- производственный контроль по предупреждению фрикционного воспламенения метановоздушной смеси осуществляется на основе определения степени опасности горных пород, испытаний режущего инструмента и исполнительных органов горных машин и установления комплекса мероприятий, основанного на корректировке параметров систем взрывозащитного орошения и регламентации пылегазового режима в забое.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объемом информации, полученной в результате испытаний горных пород и режущего инструмента, которые проводились в рамках договорных работ НЦ ВостНИИ с угольными предприятиями;

- использованием апробированных методов и приборов для изучения процесса фрикционного воспламенения метановоздушной смеси;

- методов испытаний горных пород и режущего инструмента на определение фрикционной опасности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые установлено, что для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации диаметр прогретой области должен составлять не менее 0,12 см, а минимальная энергия искры - 0,32 мДж. При скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 до 10 м/с температура пятна может достигать температуры плавления материала за время

- разработана классификация фрикционной опасности горных пород, в основу которой положены физико-механические и физико-химические свойства, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности;

- разработаны методы испытаний по определению фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента.

Личный вклад автора состоит:

- в проведении анализа состояния угольных шахт по фрикционной опасности и нормативной правовой базы для ее обеспечения;

- в разработке методик исследований горных пород по опасности фрикционного воспламенения метановоздушных смесей;

- в разработке классификации фрикционной опасности горных пород;

- в проведении испытаний горных пород и режущего инструмента на фрикционную опасность;

- в обосновании и разработке нормативного документа «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России».

Практическая ценность работы заключается в разработке методики оценки и классификации фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента, нормативного документа «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», согласованного Госгортехнадзором России.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы диссертационной работы использованы при разработке «Рекомендаций по предотвращению

фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», при проведении испытаний горных пород и режущего инструмента на фрикционную опасность и при разработке комплекса мероприятий по безопасному ведению горных работ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных конференциях по физической мезомеханике (г. Томск, Россия, ИФПМ СО РАН, август 2003 г. и 2004 г.); V Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (16-19 сентября 2003 г., г. Кемерово), техсоветах и семинарах Кузнецкого управления Госгортехнадзора России; научно-технических семинарах НЦ ВостНИИ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 155 страницах машинописного текста, включая 16 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников из 96 наименований, и одного приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен аналитический обзор, включающий анализ причин фрикционного воспламенения метановоздушной смеси в шахтах и методов определения степени фрикционной опасности горных пород.

Большой вклад в исследования фрикционной опасности горных пород внесли российские и зарубежные исследователи И. Г. Ищук, Г.А. Поздняков, А.В. Трубицын, Л.Я. Лихачев, Ю.И. Липин, Н.Г. Кочерга, Б.Ф. Кирин, Е.З. Позин, С.Е. Чирков, В.Г. Мерзляков, Л.Б. Глатман, В.З. Меламед и многие другие.

В настоящее время действуют два основных нормативных документа, регламентирующих контроль за фрикционной опасностью в угольных шахтах: ПБ 05-618-03 и «Инструкция по комплексному обеспыливанию воздуха». В соответствии с пунктом 284 «Правил безопасности в угольных шахтах» запрещается эксплуатация выемочных и проходческих горных машин без системы взры-

возащитного орошения на пластах, имеющих искроопасные и взрывоопасные горные породы. Требование распространяется на горные машины, вновь поступающие на шахту и после капитального ремонта. По пункту 4.2 «Инструкции по комплексному обеспыливанию воздуха» системы орошения выемочных машин должны обеспечить, кроме пылеподавления, защиту от воспламенения ме-тановоздушной смеси от искр трения. Определение фрикционной опасности угольных пластов и вмещающих пород осуществляется институтом по безопасности или другой организацией, имеющей лицензию Госгортехнадзора России, перед вводом в эксплуатацию забоев. При этом до настоящего времени не существовало классификации горных пород фрикционной опасности и методов испытаний пород и режущего инструмента.

Таким образом, задача совершенствования методологии и нормативной базы обеспечения фрикционной опасностью в настоящее время является актуальной. Для ее решения необходимо изучение процесса фрикционного воспламенения метановоздушной смеси и разработка нормативной и методологической базы для его предотвращения в угольных шахтах.

Во второй главе приведены результаты теоретической оценки температуры и минимальной энергии искр, а также пятна динамического контакта при поджигании метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации.

Исследования проводились совместно с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

Важными параметрами фрикционной искры, с точки зрения воспламенения метановоздушной смеси, являются ее размеры и температура поверхности, а также геометрия частиц. Фрикционная частица имеет высокую температуру в тонком (около 1 мкм и менее) поверхностном слое.

Рассмотрена задача об искровом зажигании метановоздушной смеси. Математическая модель строится на основе двухтемпературной теплодиффузион-ной модели горения.

1 д ,Эв --I—1

'Л

--{—+ С.С2 сяр

ЯК * Я* 12 1"

Л г2/ ' г* -0' г1+я?ехр{£94/(1+№))' 4 '

-гС,С,ехр ; (3)

гс, , I ^ .ее, _ __ 8г

«7Г -в"ОДо1р +0/2с ¿7' (4)

(5)

л

£ =0, Р(=А+Й + Д.. (6)

Искра моделируется мгновенным нитевидным источником тепловыделения в точке ^ = о. После выделения энергии за время г0 в газе формируется профиль температуры в виде функции Гаусса. Начальные условия:

г0 4г0

Мг04).в„; с,(г0,4)=1; с2(г0,« = 1; Р(г0,?) = 1; р,(Г0>«)>1. (7) Граничные условия:

" " ^ = е( ' ~ При записи математической постановки задачи в безразмерной форме

(1) - (8) использованы масштабы: /. =-С'К,Т",Е%.—а- (времени),

А.» «р1-£г

т.шТ.-ьят^1Ег (температуры), с,ргЯ) (расстояния), р. = ргЯ (плотности),

г. = г0 (размера частиц), сг - теплоемкость газа.

Безразмерные переменные: г =///.; £,= х/х.; в=Е!(т-т.)/{ит:); = = г2/п0; г1 = р1/р!Л; г2 = р2/рг.0.

Параметры: г. ^ .

, с», ?р;,0£,^ехр(-£;/(лГ.)) ^ехр^ДЯГ.)), .

— ,08 — , ¿)= ■ ■ — ■ , ■ ■ ■ гй, ц« Гл« Л/= , .

г2 с, ят.2ЫиГхг ш0о ш^лтУ

, й аг0 . 0„г,> . _ Уц^Ло . _ у,,/;,,

£е =-ам=-— I а,■> =—" ,

о' •<* 0 'иИА, у,МгГи

где А - линейная плотность тепловыделения от искры; т„ - адиабатическая температура сгорания газовзвеси; - стехиометрические коэффициенты и молярные массы веществ, вступающих в реакцию. Индексы: 1 - горючее; 2 -окислитель. Параметры: - массовая концентрация дисперсной фазы; - размер частиц; 5 - теплообмен частицы; ц - массообмен частицы.

Проведенное сравнение результатов численного и аналитического решений задачи с известными экспериментальными данными показало удовлетворительную сходимость теоретически полученных значений величины минимальной энергии искрового зажигания метановоздушной смеси угольной пыли с данными экспериментальных измерений. В результате анализа полученных уравнений установлено, что для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации при динамическом контакте горных пород либо горной породы и режущего инструмента минимальная энергия поджигания искры составляет 0,32 мДж при диаметре прогретой области не менее 0,12 см.

Теоретическая оценка температуры поверхности при контакте породы с породой позволила установить следующее: при ударе породы о породу (либо режущего инструмента о породу) происходит взаимодействие двух тел как при трении тела, движущегося по поверхности другого с некоторой известной скоростью Уа под действием прижимной силы Ж. При этом сила трения

где к - коэффициент трения.

Совершаемая силой трения работа А будет равна

(10)

здесь - путь (рассмотрен случай, когда работа совершается в единицу времени, т.е. А - мощность).

Существенной и принципиально важной чертой процесса трения является дискретный стохастический характер фрикционного взаимодействия в зоне контакта соприкасающихся поверхностей. Это обусловлено наличием исходного микрорельефа вступающих в контакт поверхностей. При первичном контак-

те характерный размер пятен фактического пятна контакта (ФПК) будет обусловлен начальным рельефом трущихся поверхностей. В зависимости от приложенной нагрузки Ж и физико-механических характеристик контактирующих материалов ФПК варьируется в широких пределах от долей процента до десятков процентов общей (номинальной) площади и может быть определена по формуле

здесь - предел прочности.

При этом тонкий поверхностный слой претерпевает заметные и значительные деформации и структурные изменения. У пластичных материалов деформации изменяются от 10 15% до 500 1000%. У хрупких материалов поверхностный слой будет разрушаться. Таким образом, при трении подводимая энергия будет диссипироваться в тепло только в пятнах контакта. Поэтому расчет температуры может быть строго выполнен только для пятна контакта.

Если значение нормальной силы Ж можно заменить на величину прочности материала, имея в виду, что подсчитывается плотность энергии в пятне контакта, можно получить

(12)

и остается один внешний параметр - скорость

Следует заметить, что у гетерогенного материала, каковым является большинство горных пород, более слабые включения будут первыми выкрашиваться и, таким образом, поверхностный слой будет «обогащаться» более прочной фракцией. Если считать, что толщина активного слоя, в котором развиваются деформационные процессы в результате трения, существенно меньше размеров в продольном и поперечном направлениях, то задачу теплопроводности можно считать одномерной.

На основании того, что рассматриваются два источника тепла, запишем уравнение теплопроводности с двумя источниками:

1) w- в результате растрескивания поверхностного слоя;

2) д - в результате работы сил трения и с соответствующими граничными и начальными условиями.

8Т д2Т V Л , л

—= к—-+—, 0<х< , ;>0,

81 дх2 ср (13)

ах

X , , дж м4 л<2 , , дак . , кг „, дж Вт

здесь к а = —; [к] = ~р-= —; [с] = —[р]=—; М= ^ =—.

ср м2 сек дж сек кг К м сек МК МК

Источник тепла — должен работать только в тонком слое 10-100 мкм. Пред-ср

ставим его в виде — = Ае'<". Пусть при х>10-100 мкм — » 0,01Л (или менее). В ср ср

этом случае а » 4 + 0,4 • 10' (при х=0 — = Атах).

ср

Для кварцсодержащих горных пород в результате проведенных расчетов установлено, что при скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 до 10 м/с теоретически установленная температура пятна контакта достигает температуры плавления за время с при

толщине деформированного слоя 100-200 мкм и величине деформации, достигающей 500-1000 %.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований опасности горных пород и режущего инструмента по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси. Установлены физико-химические свойства горных пород, оказывающие влияние на степень их опасности.

Экспериментальные исследования горных пород проводилось в несколько этапов, которые включали следующее: отбор проб образцов горных пород по ГОСТ 21153-75, определение крепости по шкале М. М. Протодьяконова по ГОСТ 21153.1-75,определение в породе содержания диоксида кремния по ОСТ 153-12.0-004-01 г, определение влажности горной породы по ГОСТ 5180-84, микроскопические исследования горных пород, определение температуры искры и установление вероятности возникновения взрыва метановоздушной смеси от образца горной породы на испытательном стенде.

Для исследования поверхностей разрушения горных пород использовали методику измерения фрактальной размерности изображений поверхностей разрушения горных пород.

Исследовали образцы поверхностей разрушения трех типов горной породы (кварцита, алевролита, песчаника). Оптические изображения поверхностей образцов получали на микроскопическом комплексе TOMSK, в котором при получении изображений используется эффект дифференциально-интерференционного контраста. Размер поля изображения 1200x900 мкм (рис. 1).

Алевролит

Рис. 1. Оптические изображения образцов кварцита, песчаника, алевролита и зависимости логарифма корреляционной суммы от логарифма расстояния между парами точек

Приведенные на рис. 1 зависимости логарифма корреляционной суммы от логарифма расстояния между парами точек позволяют выделить три участка. На первом ДЦ и втором участках, ДЬг экспериментальные точки могут быть описаны прямыми линиями с выраженным наклоном по отношению к осям. Это говорит о существовании корреляции между точками изображений. На третьем участке ДЬз наблюдается флюктуирующий характер поведения зависимостей, что говорит об отсутствии корреляции между точками изображений (табл. 1).

Таблица 1

Результаты исследования образцов горной породы с помощью оптического

микроскопа

Порода, № кадра Характерные поверхности масштабов разрушения вдоль и поперек образца Отклонение от стандартного среднего

Кварцит Lmaxl Lmax2 Dсl Dc2

0 45 226,6 2,758 2,8

1 19,51 189,88 2,758 2,904

2 36,62 212,51 2,811 2,891

3 89,9 334,4 2,77 2,945

4 14,59 189,1 2,791 2,87

Среднее 41,12 230,5 2,778 2,882

Песчаник

7 30,86 189,1 2,517 2,827

8 26,5 159,4 2,592 2,864

9 27,11 159,4 2,584 2,848

10 22,94 189,1 2,507 2,812

Среднее 26,85 174,3 2,55 2,838

Алевролит

15 17,91 110,9 2,587 2,907

16 23,45 189,1 2,594 2,954

17 14,74 110,9 2,521 2,763

18 13,68 110,9 2,45 2,717

Среднее 17,45 130,5 2,538 2,835

Таким образом, полученные изображения поверхности разрушения образцов трех типов горных пород свидетельствует о том, что устойчиво проявляются две фрактальные размерности. При этом для разных типов пород устойчивость проявления размерностей находится в разных диапазонах: для алевролита устойчиво проявляющиеся размерности частиц поверхности разрушения со-

ставляют 110,9-189,1 мкм; для песчаника - 159,4-189,1 мкм, для кварцита -189,1-334,4 мкм. Очевидно, что при динамическом контакте горных пород либо горной породы и режущего инструмента происходит отрыв разогретых частиц именно этих размеров. Вероятность возникновения пучка таких разогретых частиц размером 0,12 см чрезвычайно высока, т. е. полученные изображения косвенно подтверждают результаты теоретических исследований о возможности поджигания метановоздушной смеси пучком искр.

Дальнейшее изучение процесса воспламенения метановоздушной смеси проводилось при испытаниях различных вмещающих пород. Испытания проводились на стенде ВостНИИ по методике, включающей испытания во взрывной камере при динамическом контакте порода + режущий инструмент, порода + порода, определение физико-механических и физико-химических свойств. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

При этом установлено, что при крепости менее ¡=3 по шкале Протодьяко-нова и содержании диоксида кремния менее 25% устойчивого искрообразова-ния или взрыва метановоздушной смеси не наблюдалось. С другой стороны, при крепости ¡>5 и содержании диоксида кремния в породе 50% вероятность возникновения взрыва метановоздушной смеси по результатам испытаний составила 100%.

Для определения параметров орошения, необходимых для предотвращения вспышек метановоздушной смеси, были проведены испытания режущего инструмента горных машин на натурном стенде НЦ ВостНИИ. Результаты исследований приведены в табл. 3. На основании проведенных испытаний установлено, что с возрастанием давления и расхода воды увеличивается и время резания до фрикционного воспламенения метана. Предотвращение фрикционного воспламенения метана устойчиво достигается при давлении воды от 2,0 до 2,2 МПа и расходе воды в зависимости от типа форсунок от 2,5 до 5,8 л/мин.

По результатам проведенных исследований установлены методические подходы к порядку проведения испытаний режущего инструмента на фрикционную безопасность.

Результаты испытаний образцов вмещающих пород на опасность фрикционного воспламенения метановоздушной смеси

Шахта Пласт Место отбора Тип породы Влажность^ Содержание Si02,% Крепость Наличие искр, взрыва Темпера гуря искр, 'С

№ 12 Характерный Квершлаг сев-юг, на гор.О, непосредственная кровля Песчаник среднезерни-стый 1,72 37,2 4,5 Искры 400

Тоже Тоже Тоже 1,78 36,9 4.6 Тоже 400

-//- Квершлаг сев-юг, на гор 0, непосредственная почва Алевролит темно-серый 1,61 32,8 7,9 Взрыв >650

-//- Тоже Тоже 1,68 32,3 7,5 Тоже >650

им. В. И. Ленина III Лава 0-3-1-18,ПК18,кровля Алевролит 0,96 26 5,7 Искры 600

Ш Лава 0-3-1-18, ПК38, непосредственная кровля Алевролит 0,91 7,4 1,1 Нет -

VI Лава 0-6-1-9 кровля Алевролит 0,45 48,6 7,7 Взрыв >650

Полысаевская Толмачевский Лава№ 18-25, непосредственная кровля Алевролит средне и мелкозернистый 1,85 28,9 4,5 Искры 400

Тоже Лава№ 18-25, непосредственная почва Алевролит средне и мелкозернистый 3,2 20,1 2,2 Нет -

Октябрьская Полысаевский-! Лава № 971, непосредственная кровля Алевролит сильно трещиноватый 1,12 32 4,5 Искры 400

Тоже Лава № 971, непосредственная почва Алевролит мелкий 1,29 35,1 4,6 Тоже 400

№12 Мощный Западное крыло антиклинали "N" с квершлага № 3 север, непосредственная почва Алевролит 1,98 32,6 6,3 Взрыв >650

Тоже Западное крыло антиклинали "N" с квершлага № 5 север, непосредственная кровля Мелкозернистый песчаник 1,04 37,41 6,5 Тоже >650

Горелый Западное крыло антиклинали "L" с квершлага № 3 юг, непосредственная почва Алевролит 2,01 35,39 5,2 Искры 600

Томусинская 5-6 IV Лава 0-4-1, кровля Конгломерат 0,2 49,2 4,1 Тоже 600

Полысаевская Толмачевский Конвейерный штрек 18-17, кровля Алевролит 0,99 41,7 4,3 600

Результаты испытаний режущего инструмента

Тип породы Тип резцов Форсунка, тип Параметры орошения форсунки Концентрация СН4в камере, % Время резания, с Результаты испытаний

давление, МПа расход, л/мин

Кварцит РШ32-78/16 - - - 8,5 15 Взрыв

Тоже Тоже КФ 1,340 - - 8,6 15 Тоже

-II- -II- Тоже 1,4 1,5 8,3 20 -II-

-II- -II- -II- 1,4 1,5 8,3 20 -II-

-II- -II- 2,2 3,3 8,1 400 Отсутствие взрыва

Песчаник РШ25-65/12 - - - 8,3 10 Взрыв

Тоже Тоже КФ 1,340 - - 8,5 15 Тоже

-II- -II- Тоже 1,4 1,5 8,4 20 -II-

-II- -II- -//- 1,4 1,5 8,2 25 -II-

-II- -II- -II- 2,0 1,9 8,6 400 Отсутствие взрыва

Кварцит ПС1-12 КФ 1,340 - - 8,0 15 Взрыв

Тоже Тоже Тоже - - 8,2 17 Тоже

В четвертой главе приведена классификация по степени фрикционной опасности горных пород, методы испытаний пород и режущего инструмента и мероприятия по предотвращению фрикционного воспламенения метановоз-душной смеси при ведении горных работ.

Проведенные исследования позволили разработать классификацию степени фрикционной опасности горных пород. В основу классификации положены физико-механические и физико-химические свойства горных пород, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности (табл. 4.). Разработанные рекомендации по безопасному ведению горных работ в зависимости от степени фрикционной опасности пород приведены в табл. 5.

Классификация степени фрикционной опасности горных пород

Группа Степень фрикционной опасности горных пород Описание горнов породы Признаки фрикционной опасности

I Не опасны Породы крепостью № с содержанием диоксида кремния менее 30% Отсутствие фрикционных искр в процессе испытаний во взрывной камере

II Искроопасны 1-й степени Породы и включения угольных пластов крепостью 3 ^<4 с содержанием диоксида кремния от 30 до 40 % Породы с другими комбинациями значений крепости и содержания диоксида кремния Регистрация фрикционных искр с температурой менее 300°С в процессе испытаний

Искроопасны 2-й степени Породы и включения угольных пластов крепостью с содержанием диоксида кремния от 40 до 50 % Породы с другими комбинациями значений крепости и содержания диоксида кремния Регистрация фрикционных искр с температурой более 300°С в процессе испытаний

III Взрывоопасны Породы и включения угольных пластов крепостью {>5 с содержанием диоксида кремния более 50 % либо пириты с содержанием серы более 35 %. Породы с другими комбинациями значений крепости и содержания диоксида кремния Регистрация воспламенения метановоздуш-ной смеси

Таким образом, производственный контроль по предупреждению фрикци-

онного воспламенения метановоздушной смеси должен осуществляться на основе определения степени фрикционной опасности горных пород, испытаний режущего инструмента и исполнительных органов горных машин и установления комплекса мероприятий по предотвращения фрикционного воспламенения метановоздушной смеси, основанного на корректировке параметров систем взрывозащитного орошения и регламентации пылегазового режима в забое.

Результаты исследований вошли в разработанный нормативный документ «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», согласованный с Госгортехнадзором России.

Мероприятия по безопасному ведению работ

Группа Степень фрикционной опасности горных пород Содержание мероприятий

I Не опасны 1. Давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 1,0 МПа, расход воды не менее 1,5 л/мин на резец

II Искроопасны 1ой степени 1. Давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 1,5 МПа, расход воды не менее 1,5 л/мин на резец. 2. Ежесменный контроль оросительных систем

Искроопасны 2ой степени 1. Давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 1,5 МПа, расход воды не менее 2,0 л/мин на резец. 2. Ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения в горных выработках. 3. Ежесменный контроль оросительных систем. 4. Обязательная установка метан-реле ТМРК на корпусе комбайна

III Взрывоопасны Для очистных выработок: 1. Давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 2,0 МПа, расход воды не менее 2,5 л/мин на резец. 2. Ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения в горных выработках. 3. Ежесменный контроль состояния оросительных систем. 4. Обязательная установка метан-реле ТМРК на торцевой части корпуса комбайна по ходу вентиляционной струи для предотвращения скоплений метана. 5. Установка дополнительных стационарных датчиков автоматического контроля метана на входящей вентиляционной струе, в тупиках вентиляционных выработок, погашаемых вслед за очистными забоями, и на исходящей струе. 6. Обеспечение проветривания выработанного пространства на шаг посадки кровли до допустимой концентрации метана. 7. Обеспечение влажности воздуха до 100 % в выработанном пространстве на шаг посадки кровли

Для подготовительных выработок: 1. Давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 2,0 МПа, расход воды не менее 2,5 л/мин на резец. 2. Ежесменный контроль оросительных систем. 3. Ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения. 4. Установка дополнительных стационарных датчиков автоматического контроля в призабойных пространствах тупиковых выработок под кровлей на расстоянии 3-5 м от забоя на стороне, противоположной вентиляционному трубопроводу. 5. Обязательная установка на комбайне переносного прибора контроля метана

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой приведено решение актуальной научно-технической задачи по разработке методики оценки и классификации степени фрикционной опасности горных пород для предотвращения вспышек метановоздушной смеси, имеющей существенное значение в области промышленной безопасности.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что существующая нормативно - методическая база не позволяет проводить качественную оценку и испытания горных пород и режущего инструмента по установлению степени фрикционной опасности. Процесс фрикционного воспламенения метановоздушной смеси мало изучен и требует теоретического и экспериментального переосмысления.

2. Теоретически определено, что для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации диаметр прогретой области должен составлять не менее 0,12 см при минимальной энергии искры 0,32 мДж.

3. Поверхностный слой горной породы при динамическом контакте претерпевает значительные деформации и структурные изменения. Для пластичных материалов величина деформации составляют от 10-15% до 500-1000%, при этом толщина деформируемого слоя равняется примерно 100-200 мкм и соизмерима с размерами шероховатости поверхности горной породы. При скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 м/с до 10 м/с теоретически установленная температура пятна контакта достигает температуры плавления за время 10"4- Ю-6 с при толщине деформированного слоя 100-200 мкм и величине деформации, достигающей 500-1000 %.

4. Анализ оптических изображений поверхностей разрушения образцов трех типов пород показал возможность создания пучка частиц размером, достаточного для создания минимально необходимого нагретого объема для воспламенения метановоздушной смеси (0,12 см). Возможность получения данным объемом минимальной энергии, достаточной для воспламенения метановоз-

душной смеси, напрямую связана с величиной энергии динамического контакта.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что при содержании диоксида кремния менее 25% и крепости породы менее f=3 по шкале М. М. Протодьяконова устойчивого искрообразования или взрыва метановоздушной смеси не происходит. При этом при содержании диоксида кремния более 50% и крепости взрыв метановоздушной смеси происходит во всех испытаниях.

6. Разработана степени фрикционной опасности горных пород. В ее основу положены физико-механические и физико-химические свойства горных пород, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности: не опасные - крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова менее 3 при содержании диоксида кремния менее 30 %, искроопасные 1-й и 2-й степени -крепостью 3-5 при содержании диоксида кремния 30-50 %, взрывоопасные -крепостью свыше 5 при содержании диоксида кремния более 50 % и породы с другими комбинациями свойств, которые в процессе испытаний во взрывной камере дают вспышку метановоздушной смеси.

7. Результаты исследований позволили разработать комплекс мероприятий по предотвращению фрикционного воспламенения метановоздушной смеси в забоях угольных шахт и предложения, которые вошли в разработанный нормативный документ «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», согласованный с Госгортехнадзором России.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Трубицын, А.А. Исследование иерархии масштабов разрушения для прогноза пылевыделения при выемке угля в угольных шахтах / А.А. Трубицын, П.В. Макаров, М.С. Попов, СИ. Голоскоков, Д.В. Ботвенко // Безопасность угольных предприятий: сборник научных трудов / НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2004.-С.110-119.

2. Трубицына, Н.В. Изучение степени опасности горных пород по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси / Н.В. Трубицына, П.В. Ма-

каров, Д.В. Ботвенко, М.С. Попов, СИ. Голоскоков // Безопасность угольных предприятий: сборник научных трудов / НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2004. -С.120-135.

3. Трубицын, АА. Исследование поверхностной топографии образцов угля для определения характерных размеров пылевых частиц при разрушении / АА. Трубицын, П.В. Макаров, СИ. Голоскоков // Сборник научных трудов Международной Академии Экологии и Безопасности Жизнедеятельности. -Кемерово, 2004. - Том 9. - №9. - С. 124-130.

4. Трубицына, Н.В. Разработка методического обеспечения оценки горных пород по степени фрикционной опасности / Н.В. Трубицына, СИ. Голоскоков, Д.В. Ботвенко // Сборник научных трудов Международной Академии Экологии и Безопасности Жизнедеятельности. - Кемерово, 2004. - Том 9. - №9. -С 62-68.

5. Макаров, П.В. Оценка температуры поверхности динамического контакта горных пород и режущего инструмента для определения степени опасности пород по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси / П.В. Макаров, Н.В. Трубицына, Д.В. Ботвенко // Сборник научных трудов Международной Академии Экологии и Безопасности Жизнедеятельности. - Кемерово, 2004. - Том 9. - №9. - С 97-102.

Подписано в печать 14.11.2004 г.

Тираж 100 экз. Формат 60x90 1/16.

Печать офсетная. Объем 1,0 п.л. Заказ № 433 от 2004.

Кемерово. Ротапринт НЦ ВостНИИ, ул. Институтская, 3.

0264 51

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Опасность фрикционного воспламенения метановоздушной смеси при ведении горных работ.

1.2 Существующие способы и средства предотвращения фрикционного воспламенения метановоздушной смеси при ведении горных работ.

1.3. Обзор существующих теорий фрикционного воспламенения метановоздушной смеси

1.4. Состояние нормативно-методической базы контроля фрикционной безопасности.

1.5. Выводы, цель и задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРИКЦИОННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ.

2.1. Изучение закономерностей зажигания метановоздушной смеси фрикционными искрами.

2.1.1. Условия зажигания метановоздушной смеси горячей частицей.

2.2. Оценка температуры поверхности при ударе породы о породу.

2.5. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФРИКЦИОННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ.

3.1. Методика исследований горных пород и режущего инструмента.

3.2. Результаты экспериментальных исследований фрикционной опасности горных пород.

3.3. Экспериментальные исследования фрикционной опасности режущего инструмента.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И КЛАССИФИКАЦИИ ФРИКЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД.

4.1. Разработка классификации горных пород по степени фрикционной опасности.

4.2. Разработка методики оценки горных пород и режущего инструмента по степени фрикционной опасности.

4.2.1. Разработка методики оценки горных пород.

4.2.2. Разработка методики оценки режущего инструмента по степени фрикционной опасности.

4.3. Разработка мероприятий по предотвращению фрикционного воспламенения метановоздушной смеси.

4.4. Выводы.

Актуальность работы. Ведение горных работ в угольных шахтах, опасных по газу и пыли, всегда сопряжено с проявлениями опасности, обусловленной высокой вероятностью взрывов метановоздушной смеси.

Одним из основных источников воспламенения является фрикционное искрение, возникающее вследствие динамического контакта горных пород и режущего инструмента при различных технологических и горно-геологических процессах.

В настоящее время для предотвращения опасности фрикционного воспламенения метановоздушной смеси при разрушении горных пород и угольных пластов с крепкими включениями практически все горные комбайны оснащаются взрывозащитными системами орошения с подачей воды на след резания. Соблюдение параметров систем взрывозащитного орошения обеспечивает требуемый уровень безопасности при ведении горных работ.

Однако, источником фрикционного искрения могут являться и другие процессы: трения и удары металла о металл, обрушение горных пород в выработанном пространстве и пр. При этом до настоящего времени не существует единой методологии оценки фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента: выбор мероприятий и параметров систем взрывозащитного орошения является результатом практического опыта исследователя, проводящего испытания.

Теоретические представления о процессе воспламенения метановоздушной смеси в результате фрикционного искрения весьма разрозненны и противоречивы.

В связи с этим, задача изучения процесса фрикционного воспламенения метановоздушной смеси и разработки нормативных документов, регламентирующих методы, порядок проведения испытаний и ведение производственного контроля по предупреждению фрикционного воспламенения, является актуальной.

Целью работы является разработка методики оценки и классификации фрикционной опасности горных пород для предотвращения вспышек метано-воздушной смеси в угольных шахтах.

Идея работы заключается разработке новых теоретических и методических подходов к исследованиям горных пород и режущего инструмента с позиции опасности фрикционного воспламенения метановоздушных смесей.

Задачи исследований:

1. Провести анализ причин фрикционного воспламенения метановоздуш-ной смеси в шахтах и методов определения степени фрикционной опасности горных пород.

2. Провести оценку минимальной энергии искры и температуры, при которых происходит воспламенение метановоздушной смеси, и разработать физическую модель для оценки температуры поверхности динамического контакта горных пород либо горной породы и режущего инструмента.

3. Провести экспериментальные исследования процессов фрикционного г воспламенения метановоздушных смесей при динамическом контакте горных пород либо горных пород и режущего инструмента.

4. Разработать классификацию фрикционной опасности горных пород.

5. Разработать методики испытаний и оценки степени фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента.

6. Разработать мероприятия по предотвращению фрикционного воспламенения метановоздушных смесей.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обработку и анализ информации, системный анализ, моделирование и теоретический анализ физических и информационных процессов, лабораторные и шахтные исследования.

Научные положения, выносимые на защиту:

- для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации при динамическом контакте горных пород либо горной породы и режущего инструмента минимальная энергия поджигания искры составляет 0,32 мДж при диаметре прогретой области не менее 0,12 см;

- при скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 до 10 м/с теоретически установленная температура пятна контакта достигает температуры плавления за время 10"4— 10"6 с при толщине деформированного слоя 100-200 мкм и величине деформации 500-1000 %;

- в основу классификации фрикционной опасности горных пород положены физико-механические и физико-химические свойства, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности: не опасные — крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова менее 3 при содержании диоксида кремния менее 30 %, искроопасные (Г и 2я степени) - крепостью 3-5 при содержании диоксида кремния 30-50 %, взрывоопасные - крепостью свыше 5 при содержании диоксида кремния более 50 % и породы с другими комбинациями свойств, которые в процессе испытаний во взрывной камере дают вспышку метановоздушной смеси;

- производственный контроль по предупреждению фрикционного воспламенения метановоздушной смеси осуществляется на основе определения степени опасности горных пород, испытаний режущего инструмента и исполнительных органов горных машин и установления комплекса мероприятий, основанного на корректировке параметров систем взрывозащитного орошения и регламентации пылегазового режима в забое.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: представительным объемом информации, полученной в результате испытаний горных пород и режущего инструмента, которые проводились в рамках договорных работ НЦ ВостНИИ с угольными предприятиями; использованием апробированных методов и приборов для изучения процесса фрикционного воспламенения метановоздушной смеси; методов испытаний горных пород и режущего инструмента на определение фрикционной опасности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые установлено, что для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации диаметр прогретой области должен составлять не менее 0,12 см, а минимальная энергия искры - 0,32 мДж. При скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 до 10 м/с температура пятна может достигать температуры плавления материала за время 10"4- 10"6с;

- разработана классификация фрикционной опасности горных пород, в основу которой положены физико-механические и физико-химические свойства, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности;

- разработаны методы испытаний по определению фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента.

Личный вклад автора состоит: в проведении анализа состояния угольных шахт по фрикционной опасности и нормативной правовой базы для ее обеспечения; в разработке методик исследований горных пород по опасности фрикционного воспламенения метановоздушных смесей; в разработке классификации фрикционной опасности горных пород; в проведении испытаний горных пород и режущего инструмента на фрикционную опасность; в обосновании и разработке нормативного документа «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России».

Практическая ценность работы заключается в разработке методики оценки и классификации фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента, нормативного документа «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», согласованного Госгортехнадзором России.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы диссертационной работы использованы при разработке «Рекомендаций по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», при проведении испытаний горных пород и режущего инструмента на фрикционную опасность и при разработке комплекса мероприятий по безопасному ведению горных работ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных конференциях по физической мезомеханике (г. Томск, Россия, ИФПМ СО РАН, август 2003 г. и 2004 г.); V Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (16-19 сентября 2003 г., г. Кемерово), техсоветах и семинарах Кузнецкого управления Госгортехнадзора России; научно-технических семинарах НЦ ВостНИИ.

4.4. Выводы

В результате проведенных исследований установлено следующее:

1. В результате проведенных исследований установлено, что причиной фрикционного воспламенения метановоздушной смеси является не только разогрев следа резца до сверхкритической температуры, но и возникающие при динамическом контакте горных пород (крепостью свыше 3 по шкале проф. М.М. Протодьяконова) пучки высоко температурных искр.

2. Проведенные исследования позволили разработать классификацию горных пород по степени фрикционной опасности. В основу классификации положены физико-механические и физико-химические свойства горных пород, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности: не опасные - крепостью по шкале проф. М.М. Протодьяконова менее 3 при содержании диоксида кремния менее 30 %, искроопасные 1ой и 2ой степени - крепостью 3-5 при содержании диоксида кремния 30-50 %, взрывоопасные - крепостью свыше 5 при содержании диоксида кремния более 50 % и породы с другими комбинациями свойств, которые в процессе испытаний во взрывной камере дают вспышку метановоздушной смеси.

3. Разработаны методики испытаний фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента, которые вошли в нормативный документ «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России» (к п. 4.2 «Инструкции по комплексному обеспыливанию воздуха» [30]).

4. По результатам исследований горных пород и режущего инструмента были разработаны мероприятия, необходимые для предотвращение вспышек метановоздушных смесей. При ведении горных работ по не опасным горным породам из классификации по табл. 4.3 необходимо выполнение следующих мероприятий: давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее

1,0 МПа, расход воды не менее 1,5 л/мин на резец. По искроопасным породам 1ой степени из классификации по табл. 3 необходимо выполнение следующих мероприятий: давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 1,5 МПа, расход воды не менее 1,5 л/мин на резец, ежесменный контроль оросительных систем. По искроопасным породам 2ой степени из классификации по табл. 3 необходимо выполнение следующих мероприятий: давление воды в системе взрывозащитного орошения, не менее 1,5 МПа, расход воды не менее 2,0 л/мин на резец, ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения в горных выработках, ежесменный контроль оросительных систем, обязательная установка метан-реле ТМРК на корпусе комбайна; по взрывоопасным породам из классификации по табл. 3 необходимо выполнение следующих мероприятий: для очистных выработок: давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 2,0 МПа, расход воды не менее 2,5 л/мин на резец, ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения в горных выработках, ежесменный контроль состояния оросительных систем, обязательная установка метан-реле ТМРК на торцевой части корпуса комбайна по ходу вентиляционной струи для предотвращения скоплений метана, установка дополнительных стационарных датчиков автоматического контроля метана на входящей вентиляционной струе, в тупиках вентиляционных выработок, погашаемых вслед за очистными забоями и на исходящей струе, обеспечение проветривания выработанного пространства на шаг посадки кровли до допустимой концентрации метана, обеспечение влажности воздуха до 100 % в выработанном пространстве на шаг посадки кровли. Для подготовительных выработок: давление воды в системе взрывозащитного орошения не менее 2,0 МПа, расход воды не менее 2,5 л/мин на резец, ежесменный контроль оросительных систем, ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения, установка дополнительных стационарных датчиков автоматического контроля в при забойных пространствах тупиковых выработках под кровлей на расстоянии 3-5 м от забоя на стороне, противоположной вентиляционному трубопроводу, обязательная установка на комбайне переносного прибора контроля метана. 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача по разработке методики оценки и классификации горных пород по опасности фрикционного воспламенения для предотвращения вспышек метановоздушной смеси, имеющей существенное значение в области промышленной безопасности.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что существующая нормативная и методическая база не позволяет проводить качественную оценку и испытания горных пород и режущего инструмента по установлению степени фрикционной опасности. Процесс фрикционного воспламенения метановоздушной смеси мало изучен и требует теоретического и экспериментального переосмысления.

2. Теоретически определено, что для зажигания метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации диаметр прогретой области должен составлять не менее 0,12 см, при минимальной энергии искры 0,32 мДж.

3. Поверхностный слой горной породы при динамическом контакте претерпевает значительные деформации и структурные изменения. Для пластичных материалов величина деформации составляют от 10-15% до 500-1000%, при этом толщина деформируемого слоя составляет примерно 100-200 мкм и соизмерима с размерами шероховатости поверхности горной породы. При скорости динамического контакта кварцсодержащих горных пород в диапазоне от 1 м/с до 10 м/с теоретически установленная температура пятна контакта достигает температуры плавления за время Ю-4 - 10"6 сек при толщине деформированного слоя 100-200 мкм и величине деформации достигающей 500-1000 %.

4. Анализ оптических изображений поверхностей разрушения образцов трех типов пород показал возможность создания пучка частиц размером, достаточного для создания минимально необходимого нагретого объема для воспламенения метановоздушной смеси (0,12 см). Возможность получения данным объемом минимальной энергии, достаточного для воспламенения метановоздушной смеси, напрямую связана с величиной энергии динамического контакта.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что при содержании диоксида кремния менее 25% и крепости породы менее f=3 по шкале М. М. Протодьяконова устойчивого искрообразования или взрыва метановоздушной смеси не происходит. При этом при содержании диоксида кремния более 50% и крепости f 5 взрыв метановоздушной смеси происходит во всех испытаниях.

6. Разработана классификация горных пород по степени фрикционной опасности. В ее основу положены физико-механические и физико-химические свойства горных пород, которые характеризуют три группы и четыре основных степени опасности: не опасные — крепостью по шкале проф. М.М. Прото дьяконова менее 3 при содержании диоксида кремния менее 30 %, искроопасные 1ой и 2ой степени - крепостью 3-5 при содержании диоксида кремния 30-50 %, взрывоопасные - крепостью свыше 5 при содержании диоксида кремния более 50 % и породы с другими комбинациями свойств, которые в процессе испытаний во взрывной камере дают вспышку метановоздушной смеси.

7. Результаты исследований позволили разработать комплекс мероприятий по предотвращению фрикционного воспламенения метановоздушной смеси в забоях угольных шахт и предложения, которые вошли в разработанный нормативный документ «Рекомендации по предотвращению фрикционного искрения при разрушении горных пород кровли в шахтах России», согласованный Госгортехнадзором России.

1. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Перевод с ® английского М.: Мир, 1989. - 672 с.

2. Jansson L., Lohdi J., Rentsch-Jonas M., Simonsson B. In: International Symposium on Hazards, Previntion and Mitigantion of Industrial Explosion. Eighth International Colloquium on Dust Explosions. Illinois, 1998. - P. 171-174.

3. Шебеко Ю.Н., Навценя В.Ю., Копылов C.H., Замышевский Э.Д., Шебе-ко Д.Ю. Экспериментальные исследования искробезопасности материалов в различных взрывоопасных средах.// Пожарная безопасность. 2000, № 4. - С. 122-126.

4. Смирнов О.В., Айруни А.Т. Взрывы газо-пылевоздушных смесей в угольных шахтах. Липецк: Липецкое издательство, 2000. - 208с.

5. Кирин Б.Ф., Диколенко Е.Я., Ушаков К.З. Аэрология подземных сооружений (при строительстве). Липецк: Липецкое издательство, 2000. - 456 с.

6. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах / М.И. Нецепляев, А.И. Любимова, П.М. Петрухин.- М.: Недра, 1992.- 298с.

7. Л 7. Леммес Франк. Резцедержатели с эжекторными оросителями бороздырезания//Глюкауф.-1999.-№ 1 (2).-С.28-33.

8. Тарханов В.А. Выбор рациональной схемы орошения для подавления ♦ пыли при работе проходческих комбайнов // Сб. рефератов НИР, серия 0.8.1. М., 1976.- 44с.

9. Ландвер М. Борьба с пылью при работе комбайнов // Глюкауф. 1965. -№13.-С. 4-6.

10. Гродель Г.С., Яремаченко П.П. Борьба с пылью в угольной промышленности США // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело .-1971. №8.-С. 26-27.

11. Бакер Г. Борьба с пылью в очистных забоях, отрабатываемых в обратном порядке // Глюкауф. — 1971. №24. - С. 7-9.

12. Абкин А.А. Система пылеподавления комбайна ГПК с подачей оросительной жидкости на режущий инструмент // Шахтное строительство. 1977. -№4.-С. 15-19.

13. А.Г. Фролов, И.Н. Дарыкин, И.С. Шакин, и др. Испытание тангенциальных резцов с подачей воды в зону пылеобразования // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1973. - №3. - 13с.

14. А.с. 2333108 Германия. Способ отсоса пыли на выемочной машине или проходческой машине с применением воздушного паруса. 27апр. 1978. МКИ Е21С35/22.

15. Фролов, М.А. Подавление пыли в шахтах высоконапорным орошением /М.А. Фролов, Е.Г. Зырянов; ЦНИЭИуголь.- М., 1976.- 44с.

16. Липин, Ю.И. Фрикционное воспламенение пылеметановоздушных смесей и его предупреждение в угольных шахтах / Под ред. П.В. Егорова.- Кемерово, 2001.- 140с.

17. Липин, Ю.И. Влияние запыленности воздуха на фрикционное воспламенение пылеметановоздушной смеси // Вопросы безопасности горных работ на угольных предприятиях: сборник научных трудов №1 / ВостНИИ.- Кемеро• во, 1993.-С. 136-139.

18. Леман X. Орошение борозд резания резцами коронок комбайнов избирательного действия. Глюкауф № 12, 1987. - С. 3-7.

19. Thomas W.G., Datey U.W. The Incendivity of Frictional Sparks. Colliery Engineering, vol, № 477, Nov., 1963.

20. Кочерга, Н.Г. Средства предотвращения воспламенения метана фрикционными искрами при работе горных машин / Н.Г. Кочерга, В.П. Коптиков,

21. В.К. Подвойский // Уголь Украины 1981№1.- С.25-26.

22. Трубицын, А.В. Предупреждение взрывов угольной пыли: Обзор / А.В. Трубицын, А.Н. Прозоров; ЦНИЭИуголь.- М., 1988.- 21с.

23. Шолль, Э.В. Возникновение взрывов метана и угольной пыли и их превращение // Глюкауф.-1989.- № 21/22.- С. 9-11.

24. Липин, Ю.И. Фрикционное воспламенение пылеметановоздушных смесей и его предупреждение в угольных шахтах: диссертация.д.т.н. / КузГТУ.-Кемерово, 2001.- 268с.

25. Инструкция по комплексному обеспыливанию воздуха. М., 1999.- с.3.21.

26. Разработка теоретических основ разрушения угля и горных пород для создания новых поколений выемочных и проходческих машин// Отчет НИР ИГД им. А.А. Скочинского. Люберцы. - 1989,- 129 с.

27. Астоковицкий М.С., Мещеряков Б.Г., Пузырев В.Н. Гидравлическая отработка выбрасоопасных пластов. Кемерово, 1976. - 55 с.

28. О результатах испытаний и исследований по вопросам фрикционного искрения режущего инструмента горнодобывающих машин// Добыча и переработка угля. Экспресс-информация. - Москва. - 1991 г. - Выпуск 31. - 15 с.

29. Петрухин П.М., Гродель Г.С., Жиляев Н.И., и др. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах. М.: Недра, 1981.-271 С.

30. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Недра, 1961. - 364с.

31. Ксенофонтова А.И., Бурчаков А.С, Журавлев В.П. Нагнетание воды в угольный пласт и расчет гидравлических параметров пластов // Уголь. 1961. -№2. - С. 37-40.

32. Трубицын А.А, Трубицына Н.В., Буймов К.К. Исследование возможности задания параметров нагнетания через прочностные свойства угольного массива // Профилактика эндогенных пожаров в угольных шахтах. Труды Вос-тНИИ.- Кемерово 1989 г.

33. Чернов О.И., Вологодский В.А., Черкасов B.C. Основы инженерного метода расчета параметров увлажнения угольных пластов // Борьба с газом и внезапными выбросами в шахтах: Сборник научных трудов ВостНИИ.- Кемерово, 1973.-С.114-126.

34. Кудряшов В.В. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. М.: Наука, 1979. - 200 с.

35. Ромм Е.С. Структурные модели порового пространства горных пород.-М.: Недра, 1985.-240 с.

36. Швиндлер М.И. Статическая гидродинамика пористых сред. М.: Недра, 1985.- 288 с.

37. Мурашев В.И. Напряжения и деформации в угольных пластах, предварительно увлажненных через длинные скважины // Нагнетание воды в угольные пласты: Сборник научных трудов ВостНИИ. -М.: Недра, 1965,- С. 90-97.

38. Исследование прочности и деформируемости горных пород /Под ред. % А.И. Барона. М.: Наука, 1973. - 207 с.

39. Борьба с угольной пылью в высокопроизводительных забоях /Под ред. Ф.С. Клебанова. М.: Наука, 1975. - 116 с.

40. Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. -М.: Недра, 1966.-283 с.

41. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения. М.: Недра, 1987. - 308 с.0 48. Kolumba D. Anelastic deformation of media // M.V. Cjrapciging NATO series Dorgrecht Miynoff. 1984. - P.499-524.

42. Седов Л.И. Механика сплошной среды: Учебное пособие для студентов университетов и втузов. — М.: Наука, 1976, Т. 1,2.

43. Williams M.Z. On the mathematical criterion for fracture // Thin Shelle structures. - New Jersey, Prentice- Hall., 1974.- P. 467 - 482.

44. Лаврентьев M.A., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их матема-Ф тические модели. М.: Наука, 1977. - 408 с.

45. Мусхелишвили Н.И. Сингулярные интегральные уравнения. М.: Наука, 1962.-600 с.

46. Гахов Ф.Д. Краевые задачи. М.: Наука, 1976. - 286 с.

47. Bear J., Bachmat J. Transport phenomena in porous media Basis equations // M.V. Carapcigin NATO AS J series Dorgrecht Nijhoft, 1984 . - P. 3-61.

48. Вылегжанин B.H., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. Новосибирск: Наука. - 1990.-292 с.

49. Якоби О. Практика управления горным давлением. М.: Недра, 1987. -567 с.

50. Позин Е.З., Тон В.В., Баронская Э.И. Пути повышения взрывобезопас-ности горно-режущего инструмента// Горный вестник. 1996, № 1. - С. 56-60.

51. Могилевский В.Д. Введение в теорию управления безопасностью систем// Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. М. - 2001. - № 1. -С. 215-236.

52. Правила безопасности в угольных шахтах: ПБ 05-618-03. М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. - 296 с.

53. Инструкция по замеру концентрации пыли в шахтах и учету пылевых нагрузок. -М., 1999.- С. 22-33.

54. Аккерман Ф.М., Аксенов М.Б. и др. Нормативы по безопасности забойных машин, комплексов и агрегатов//, 1990.- 101 с.

55. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. - 478с.

56. Вилюнов В.Н. К теории искрового воспламенения//Докл. АН СССР. 1973.Т.208, № 1.С. 66-69.

57. Крайнов А.Ю., Баймлер В.А. Критические условия воспламенения искрой смеси газообразных окислителя и горючего с реагирующими частицами //Физика горения и взрыва. 2002. Т.38, №3, с.30-36.

58. Макаров, П.В. Оценка температуры поверхности динамического контакта горных пород и режущего инструмента для определения степени опасности пород по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси / П.В.

59. Макаров, Н.В. Трубицына, Д.В. Ботвенко // Сборник научных трудов Международной Академии Экологии и Безопасности Жизнедеятельности. Кемерово, 2004. - Том 9. - №9. - С. 97-102.

60. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. 592с.

61. ГОСТ 21153.0-75. Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний.

62. ГОСТ 21153.1-75. Породы горные. Метод определения коэффициента крепости по Протодьяконову.

63. ОСТ 153-12.0-004-01. Стандарт отрасли рудничная атмосфера. Методы контроля запыленности.

64. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

65. ГОСТ 6613-86. Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками.

66. ОСТ 12.28.33-91. Оборудование горно-шахтное. Изделия из легких сплавов. Фрикционная искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний.

67. Садовский М.А., Кочарян Г. Г., Родионов В. Я. О механике блочного горного массива // Докл.АН СССР. 1988.Т. 302, №2. С. 306-307.

68. Макаров П.В., Смолин И.Ю., Черепанов О.И., Трубицына Н.В., Ворошилов Я.С. Упруго-вязкопластическая деформация и разрушение угля на мезоскопическом уровне// Физ. Мезомех. 2002. - Т.5. - №3. - С.63-87.

69. Шерман СИ., Семинский К.Ж., Борняков С.А. и др. Разломообразова-ние в литосфере: Зоны сдвига. Новосибирск: Наука, 1991. 523 с.

70. Садовский М.А., Болховптинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М: Наука, 1987. 100 с.

71. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2003, 423 с.

72. Адушкин В.В., СпивакА.А, Гарное В.В., Спунгин ВТ. Движение структурных блоков массива горных пород при динамическом воздействии // Взрывное дело.№90./47.Действиевзрыва в неоднородной среде. М.: Недра-,• 1990. С. 25-30.

73. Голъдгт СВ. Деструкция литосферы и физическая мезомеханика // Физ. Мезомех.-2002. Т.5.-№5.-С.5-22.

74. Ставрогин А.Н., Просеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. -М.: Недра.-1992.-225с.

75. Трубицын А.А., Макаров П.В., Черепанов О.И. и др. Адаптация методов мезомеханики к исследованию процессов деформации и разрушения угля. Кемерово: Кузбасс Цот, 2002.115с.

76. Рац М.В., Чернышев СИ. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра.-1970.- 160с.

77. В.Е.Панин, П.В.Макаров, С.Г.Псахье и др. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: в 2-х т. Под ред. Панина В.Е. Новосибирск: Наука, 1995, Т.1. 298 с.

78. Макаров П. В. Моделирование процессов деформации и разрушения

79. Ф на мезоуровне // Известия АН. Механика твердого тела. 1999. - № 5. - С. 109131.

80. Журков СИ., Куксенко B.C., Петров В.А. Можно ли прогнозировать разрушение В сб.: Будущее науки -М.: Знание, 1983, С. 99-107.

81. Макаров П.В., Смолин И. 10., Черепанов О.И. Трубицына Н.В., Ворошилов Я. С. Упруго-вязкопластическая деформация и разрушение угля на мезоскопическом масштабном уровне // Физ. мезомех. 2002. - Т. 5. - № 3. - С. 63-87.

82. Стефанов Ю.П. Локализация деформации и разрушение в геоматериалах. Численное моделирование// Физ. мезомех. 2002. -Т. 5. -№5.-С. 107-118.

83. Николаевский В.И. Механические свойства грунтов и теория пластичности // Механика твердых деформируемых тел. Т. б. Итог» науки и техники. М: ВИНИТИ АН СССР. 1972. - С. 5-85.

84. Гарагаш И.А., Николаевский В.Н. Не ассоциированные законы течения и локализации пластической деформации //Успехи механики, 1989, -Т- 12, -№ 1.-С 131-183.

85. Chen Y.M., Witlkins M.L. Stress analysis of crack problems: a three-dimensional, time-depement pendent computer program // Int. J. Fracture. -1976,- 12(4).- P. 607-617.

86. Федеральное государственное унитарное предприятие Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ1. НЦ ВостНИИ)1. СОГЛАСОВАНО

87. Начальник Управления по надзору в угольной промышленности Госгортехнадзора России1. В.Д. ЧИГРИН 2003 г.

88. Зав. лабораторией НЦ ВостНИИ1. А.А. Трубицын» 2003 г.1. Кемерово 20031. СОДЕРЖАНИЕ1. ВВЕДЕНИЕ.1391. Нормативные ссылки.1402. Термины и определения.140

89. Определение фрикционной опасности вмещающих пород угольных пластов 140

90. Классификация горных пород по степени фрикционной опасности воспламенения метана.143

91. Рекомендации по безопасному ведению горных работ в зависимости от степени фрикционной опасности пород.144

92. Требования к вентиляционному и газовому режиму при работе очистных и проходческих комбайнов.146

93. Использование результатов работ по определению фрикционной опасности горных пород.1471. ВВЕДЕНИЕ

94. Вероятность фрикционного воспламенения метана зависит от крепости пород, содержания в них диоксида кремния (SiOa) и абразивности пород.

95. Опасность фрикционного воспламенения метана также возрастает с увеличением мощности двигателя исполнительного органа комбайна и скорости резания.

96. ПБ 05-618-03. Правила безопасности в угольных шахтах.

97. Инструкция по контролю состава рудничного воздуха, определению газообильности и установлению категории шахт по метану.

98. Инструкция по комплексному обеспыливанию воздуха. Приложение к ПБ 05-618-03.

99. ОСТ 12.28.333-91. Оборудование горношахтное. Изделия из легких сплавов. Фрикционная искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний.

100. ГОСТ 21153.0-75. Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний.

101. ГОСТ 21153.1-75. Породы горные. Метод определения коэффициента крепости по Протодьяконову.

102. ОСТ 153-12.0-004-01. Рудничная атмосфера. Методы контроля запыленности.2. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

103. Фрикционные искры механически отделенные раскаленные частицы материала, возникшие в результате динамического контакта двух тел - при скольжении, ударе, трении и т.д.

104. Воспламеняющие фрикционные искры механические искры, тепловая энергия которых достаточная для воспламенения взрывоопасной смеси метана с воздухом или пылеметановоздушной смеси.

105. Фрикционная взрывобезопасность состояние объекта, при котором исключается возможность воспламенения и взрыва пылеметановоздушной смеси от фрикционного искрения.

106. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФРИКЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ВМЕЩАЮЩИХ1. ПОРОД УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

107. Порядок отбора проб горных пород

108. Виды лабораторных испытаний (определений) и порядок их выполнения.

109. Крепость по М.М. Протодьяконову определяется с помощью прибора ПОКв соответствии с ГОСТ 21153.1-75.33.2. Определение содержания диоксида кремния

110. Склонность пород к образованию воспламеняющих фрикционных искр устанавливается на основании ротационных испытаний (с вращающимся диском) образцов горных пород при динамическом контакте «порода порода» и «режущий инструмент - порода».

111. Скорость вращающегося диска и усилие прижатия выбираются по максимальным эксплуатационным характеристикам стенда.

112. Определение степени фрикционной опасности горных пород.

113. После проведения испытаний опасность пород по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси устанавливается по следующим признакам.

114. При 16000 трущихся соприкосновений во взрывоопасной смеси не произошло ни одного воспламенения и не зарегистрировано наличие фрикционных искр порода считается неопасной (п. 4.3.11 ОСТ 12.28.333-91).

115. При воспламенении метановоздушной смеси порода считается взрывоопасной.

116. Результаты испытаний оформляются протоколом с приложением к нему экспертного заключения о степени фрикционной опасности пород и мероприятий по безопасному ведению горных работ.

117. Примерная форма записи результатов испытаний приведена в таблице 1.