автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров при отработке мощных пологих угольных пластов

На правах рукописи

Рыков Александр Михайлович

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОЧАГОВ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальности: 05.26.03 — «Пожарная и промышленная безопасность» 05.13.18 — «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Российский научно-исследовательский институт горноспасательного дела (ФГУП РосНИИГД)

Научный руководитель:

доктор технических наук ЛиХиУн

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лудзиш Владимир Станиславович

доктор технических наук, профессор Вылегжанин Вячеслав Николаевич

Ведущая организация:

ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»

Защита диссертации состоится «10» декабря 2004 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 222.007.01 при 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: vostnn@kemnet.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ ВостНИИ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Среди аварий в угольных шахтах эндогенные пожары занимают особое положение. Объемы выполняемых работ, трудозатраты на ликвидацию таких аварий и их последствий являются значительными, так как требуют привлечения мощных средств пожаротушения, инертизации шахтной атмосферы, криогенной техники, средств механизации для возведения изолирующих сооружений. Кроме того, образующиеся при этом ядовитые пожарные газы представляют опасность для производственного персонала. Высокая температура и открытый огонь при эндогенном пожаре осложняют положение, так как может возникнуть взрыв, что делает работы по ликвидации аварий опасными для жизни горноспасателей.

Широко применяющийся в настоящее время метод изоляции пожарных участков при отработке мощных пологих пластов становится экономически невыгодным, поскольку при этом приходится консервировать значительные запасы угля, дорогостоящее горнодобывающее оборудование и т.д. Во всех угледобывающих странах приоритет отдается созданию активных средств подавления самонагревания и самовозгорания угля. Для применения активного способа тушения эндогенных пожаров необходимо знать точное местоположение очага самовозгорания, что определяет необходимость поиска новых и уточнения области применения существующих способов прогноза, локализации и тушения эндогенных пожаров.

Анализ патентной, научно-технической информации, а также практики ликвидации этого вида аварий показывает, что-эффективность применения того или иного способа активного воздействия на очаг эндогенного пожара в

местоположении очага пожара в выработанном пространстве. Особенно это актуально при отработке мощных пологих пластов шахт угольной компании «Южкузбассуголь», где условия изоляции выработанного пространства весьма затруднены.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с программами НИОКР РосНИИГД 1980 - 2000 гг.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа своевременного определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров для безопасной отработки мощных пологих угольных пластов.

Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработанном пространстве и разработке на этой основе способа локации очагов самонагревания.

Задачи исследований:

1. Изучить физико-химические условия развития процесса самонагревания угля с целью установления закономерности формирования очагов эндогенного пожара в пористой среде выработанного пространства.

2. Разработать математическую модель самонагревания в выработанном пространстве выемочных участков при отработке мощных пологопа-дающих пластов угля с учетом конвективного выноса тепла утечками воздуха, массопереноса кислорода и кинетики химической реакции окисления в пористой среде.

3. Разработать метод расчета утечек воздуха, концентрации кислорода и температурного поля в пористой среде выработанного пространства в трехмерной геометрии.

4. Разработать способ определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующего выемочного участка.

Методы исследований:

- анализ работ по определению эндогенной пожароопасности;

- аналитические и экспериментальные исследования физических условий процессов самонагревания угля;

- физическое моделирование и изучение в натурных условиях.

Научные положения, выносимые на зашиту:

1. Процесс формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве действующего выемочного участка зависит от теплофизиче-ских характеристик угля и вмещающих пород, величины, влажности и геометрии утечек воздуха, кинетики реакции окисления и протекает неравномерно с течением времени, увеличивая свою интенсивность с ростом температуры.

2. Решение математической модели на базе разработанных алгоритмов сходится к решению исходной дифференциальной задачи.

3. Решение трехмерной математической модели самонагревания угля обусловило разработку способа определения места возникновения очага самонагревания в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработке мощных пологих пластов в конкретных горногеологических и горнотехнических условиях.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;

- удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;

- положительными результатами экспериментальных исследований разработанного способа локации в натурных условиях.

Научная новизна заключается в следующем:

- реализована система дифференциальных уравнений, описывающих процесс фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса

среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка в трехмерной постановке;

- доказана сходимость итерационного попеременно-треугольного метода численного решения трехмерных фильтрационных уравнений;

- разработан алгоритм расчета задачи самонагревания в скоплениях угля, позволяющий определить местонахождение очага самонагревания и рассчитать возможные варианты его подавления.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке математической модели самонагревания в пустотной среде выработанного пространства при отработке мощных пологих пластов;

- в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма итерационного попеременно-треугольного метода реализации системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке, алгоритма решения системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода;

- в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;

- в разработке способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработанный способ позволяет определять места возникновения очагов самонагревания угля в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях разработки мощных угольных пластов Кузбасса;

- разработанные программы расчета позволяют определять поля скоростей фильтрации воздуха и температур в выработанном пространстве в максимально короткое время.

Реализация работы

Разработанный способ определения местоположения очагов эндогенных пожаров принят для включения в бассейновые инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы и ее основные этапы обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах: ВУ ВГСЧ угольной промышленности, ученого совета ВНИИГД (г. Донецк, 1987 - 1988 гг.), Рос-НИИГД (2002, 2004 гг.), НЦ ВостНИИ (2002 г.), Международной научно-практической конференции (Кемерово, 2002 г.), Новокузнецкого, Прокопьев-ского ОВГСО (2004 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, изложенных на S6 страницах машинописного текста. Содержит 3 таблицы, 9 рисунков и список использованной литературы из 22 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе изложено состояние вопроса и обоснование выбранного направления работы.

Основные положения теории возникновения, развития эндогенных пожаров и борьбы с ними приведены в трудах Веселовского B.C., Соболева Г.Г., Пучкова Л.П., Маевской В.М., Мясникова А.А., Белавенцева Л.П., Вы-легжанина В.Н., Игишева В.Г., Глузберга Е.И., Пашковского П.С, Альперо-вичаВ.Я. и др.

Внимание исследователей было направлено на изучение процессов самовозгорания, поскольку эффективность тушения пожаров активным способом во многом зависит от точности определения места их возникновения, правильного выбора и использования пожаротушащих средств и оборудования, наиболее полно отвечающих характеру развития пожара в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Наибольшую сложность представляет подавление очага эндогенного пожара активным способом при его возникновении и развитии в выработанном пространстве выемочного поля. При этом следует выделить две основные причины: во-первых, отсутствие надежных методов пространственной засечки очага пожара; во-вторых, в большинстве случаев невозможность обеспечить доступ к очагу пожара для непосредственного воздействия на него средствами пожаротушения.

Развитие электронной вычислительной техники сделало наиболее перспективным подходом в вопросе определения местоположения очага эндогенного пожара математическое моделирование. Современные вычислительные средства позволяют при сравнительно небольших затратах времени производить расчеты математических моделей в наиболее полной постановке. Решение уравнений математической физики, описывающих реальные процессы тепло-массообмена в обрушенном пространстве, позволяет установить пути фильтрации утечек воздуха, место зарождения и характер развития очага эндогенного пожара. Изменяя граничные условия, можно заранее проиграть различные ситуации, которые могут возникнуть, например, при ликвидации пожаров активным способом.

В зависимости от места расположения и характера развития пожара следует производить выбор технологической схемы и средств пожаротушения. В настоящее время разработаны комплексы средств порошкового, пенного, водяного пожаротушения, тушение аэрозолями, глинистыми пульпами и т.д. Однако на практике при тушении пожаров часто возникают затруднения и допускаются ошибки при выборе пожаротушащих средств, способов и технологии.

В имеющихся на вооружении горноспасательных частей «Типовых тактико-технологических схемах тушения пожаров» основное внимание уделено последовательности выполнения горноспасательных работ по тушению пожаров в зависимости от стадии их развития и возможных осложнений в капитальных, подготовительных и очистных выработках. При этом недоста-

точно рассмотрены вопросы активного тушения эндогенных пожаров, возникающих в выработанных пространствах действующих очистных выработок.

За период 1991-2001 гг. на шахтах России произошло 274 эндогенных пожара, для подавления которых были привлечены силы ВГСЧ. Большая часть эндогенных пожаров возникла в выработанном пространстве действующих (29,6%) и отработанных (32,4%) участков. Причем вследствие реструктуризации угольной отрасли доля пожаров, возникших в выработанном пространстве действующих участков, при общем сокращении количества эндогенных пожаров из года в год повышалась. Основной причиной возникновения очагов самонагревания угля служат утечки воздуха через обрушенные породы выработанного пространства из-за существования аэродинамической связи участковых выработок с поверхностью, соседними выработками, а также из-за некачественного состояния изоляционных сооружений.

В нескольких случаях очаги самонагревания обусловлены внутриуча-стковыми утечками воздуха, низкой скоростью подвигания очистного забоя, длительными простоями, связанными с монтажными и демонтажными работами, наличием значительных потерь угля из-за геологических нарушений.

Из приведенного в работе анализа видно, что наиболее трудоемким является тушение эндогенных пожаров, возникших в выработанном пространстве отработанных участков, особенно своевременно не изолированных.

Продолжительность тушения пожаров такой категории колеблется от 126 до 738 ч. Общие затраты при ликвидации аварий способом изоляции в среднем в 5,4 раза превышают прямые затраты на тушение эндогенного пожара. Связано это с вынужденной потерей горного оборудования, подготовительных выработок, добычи угля и т.д. Для сравнения: при тушении пожара активным способом отношение общих затрат к прямым не превышает 1,3-1,7 раза.

Таким образом, тушение эндогенных пожаров и подавление очагов самонагревания угля активным способом более эффективно, чем пассивным. Все шире применяются при этом пена и вспененная глинистая пульпа, хла-

доны. Азот находит применение в основном для инертизации атмосферы выработанного пространства изолированных участков. Однако применение азота для локализации очагов самонагревания в выработанном пространстве действующих участков ограничено из-за невысокой производительности криогенной техники.

Эффективность применения активных средств подавления очагов самонагревания во многом зависит от наличия информации о местоположении очага, геометрии и величины утечек воздуха в выработанном пространстве. Непосредственные замеры этих показателей крайне затруднительны. Существующие критериальные оценки показывают лишь общую динамику развития процесса самонагревания без учета конкретных горно-геологических и технологических условий отработки. Одним из способов решения этой проблемы является математическое моделирование процессов самонагревания. Развитие вычислительной техники, численных методов реализации дифференциальных уравнений позволяет получить наиболее полное решение поставленной задачи.

Во втором разделе изложены аналитические исследования процесса самонагревания угля в пористой среде выработанного пространства.

Возгоранию и горению угля в выработанном пространстве предшествует длительный процесс его самонагревания. На этом этапе происходит формирование очага будущего эндогенного пожара. Основное влияние на процесс в это время оказывают физические условия окисления угля, при которых идет его медленное самонагревание.

Для описания процесса формирования очага эндогенного пожара необходимо решать в комплексе задачи распространения утечек воздуха в выработанном пространстве, баланса кислорода, теплопереноса в обрушенном массиве и теплообмена между скоплением и фильтрующимся воздухом.

Предметом исследования в данной работе является математическая модель самонагревания угля в выработанном пространстве действующих выемочных участков при возвратноточной на целик схеме проветривания.

Движение воздуха в пористой среде без учета десорбции метана в данной математической модели может быть описано системой линеаризованных уравнений Навье-Стокса и однородным уравнением неразрывности. Основные уравнения приведены в табл. 1.

Так как выемочное пространство примыкает к действующим выработкам, а утечки через ограждение механизированной крепи трудно определить экспериментальным путем, то для решения вопроса о распределении воздуха вдоль очистных выработок приходится решать сопряженную задачу движения воздуха по горным выработкам и выработанному пространству (табл. 2). На части границы выработанного пространства, со стороны целика и почвы разрабатываемых пластов заданы условия непроницаемости границы. Граница области расчета, примыкающая к ранее отработанному пространству, проницаемая, и, следовательно, задан поток.

При описании процесса аккумуляции тепла в выработанном пространстве действующего выемочного участка самонагревание угля определяется как теплофизический процесс. То есть, абстрагируясь от химической стороны явления, обрушенные породы кровли, потери угля рассматриваются как сплошная среда, наделенная теплофизическими и фильтрационными свойствами, источниками тепла и стоками концентрации кислорода. Предполагается также, что молекула кислорода в процессе окисления замещается молекулой углекислого газа. В этом случае процесс низкотемпературного окисления можно описать системой линейных уравнений параболического типа (табл. 2).

В начальный момент времени температура скопления и омывающего его воздуха принимается равной температуре окружающей среды. Начальное распределение кислорода в выработанном пространстве определяется из условия, что их значения устанавливаются под влиянием диффузии кислорода из очистных выработок, решением уравнения

Основные уравнения задачи самонагревания угля в выработанном пространстве действующего выемочного участка

Основные уравнения Физический смысл Условные обозначения

[к 1 ) Комбинированный режим движения утечек воздуха и уравнение неразрывности Р - полное давление в струе фильтрующегося воздуха, Па; У- (Ух, »V V,) - скорость фильтрации, м/с; р • плотность, кг/м ; к—коэффициент проницаемости, м2; 1 - масштаб макрошероховатости, м; ц - коэффициент динамической вязкости, нс/м2

ссЛ(1 -/7)-^- КМё^Тс XI - П) = - 1С,р,{1-Пр0е-Е^-аг{Тс-Т.) -к'рМАх.т.У} Тепловой баланс пористой среды с учетом окисления угля, теплопроводности и выпаривания влаги Тс - температура твердой среды (соответственно Ту -температура угля, Т„- температура пород),"А"; Т, - термодинамическая температура воздуха, К\ С - концентрация кислорода в фильтрующемся воздухе (в долях единицы); са с,- соответственно теплоемкость твердой среды и воздуха, Док/кг"К\ Лг, Л,- теплопроводность, соответственно твердой среды и воздуха, Вт/м"К\ Рб - барометрическое давление воздуха, Па-, Ря - давление насыщенных паров, Па\ С - удельная теплота парообразования, Док/моль; Л-универсальная газовая постоянная, Дж/моль"К\ С„- теплоемкость водяных парой, Дж'к?°К

Тепловой баланс фильтрующегося воздуха а,- коэффициент объемной теплоотдачи, Дж/м3°К\ Рс, р,-плотность, соответственно твердой среды и воздуха, кг/м1

ПдС-Ь П/Ь>{ггай с) + = -Ц,СА,(1 - л>"г/йГ Зг Баланс кислорода Vа- константа скорости сорбции кислорода углем, м'/кгс; Е- температурный коэффициент константы скорости сорбции кислорода углем, м /кгс'К

Граничные условия модели самонагревания угля в выработанном пространстве действующего участка при отработке мощных пологопадающих пластов

Граничные условия Физический смысл Место

Движение воздуха в выработках Очистные выработки верхнего и нижнего слоев

дх*' ах11' &'Г5 1г' <зЛ» Условие непроницаемости границы Примыкающие к выработанному пространству целики, почва пласта

Условие проницаемости границы Примыкающая к выработанному пространству ранее отработанная часть выемочного поля

Начальное значение температуры Выработанное пространство

С1,,о = С0 0,^=0 Содержание кислорода на линии обрушения равно его содержанию в воздушной струе очистной выработки. На границе проветриваемой зоны в выработанном пространстве окисления не происходит из-за отсутствия кислорода Линия обрушения за секцией механизированной крепи. Считается, что величина зоны проветривания выработанного пространства составляет две длины лавы

[-АьА.А-Д, С(у,т = 0) = С0 в РЛ-ФО ло В начальный момент времени поле концентрации кислорода формируется только за счет диффузии и окисления на поверхности угля при температуре окружающих пород Выработанное пространство

тс V, = Т0; Т. V, = Г0.-С1г, = С{у,г = 0)|,. На границе выработанного пространства изменения температуры не происходит Погашенные части подготовительных выработок, почва и кровля пласта

с граничными условиями

где Х2- величина проветриваемой зоны (считаем, что на границе избранной области окисления не происходит из-за недостаточности притока кислорода).

На границе выработанного пространства, примыкающей к ранее отработанному столбу, целику, к почве и кровле пласта, а также на расстоянии от очистной выработки температура скопления равна температуре окружающих пород (табл.2). На линии обрушения, за секцией механизированной крепи, температура скопления равна температуре воздуха в очистной выработке.

Описанная математическая модель представляет собой систему задачи эллиптического и трех задач параболического типов в классической постановке.

В третьем разделе изложены методы определения составляющих скоростей фильтрации, полей температур угля и вмещающих пород, фильтрующегося воздуха и концентрации кислорода.

Отыскание непрерывных решений для дифференциальных уравнений в частных производных возможно лишь для узкого класса задач и для наиболее простых областей решений (сфера, параллелепипед). В остальных случаях приходится прибегать к численным методам.

Суть этого подхода состоит в том, что решение задачи определяется на дискретном множестве точек области изменения пространственных переменных. Путем замены непрерывных производных их конечно-разностными аналогами исходную дифференциальную задачу приводят к системе линейных алгебраических уравнений. Эта система, естественно, приближает (аппроксимирует) исходную дифференциальную задачу с некоторой погрешностью (порядком аппроксимации), напрямую зависящей от величины расстояния между точками пространственных координат (шага сетки).

Разностная задача эллиптического типа

приближает (аппроксимирует) дифференциальную задачу

ЗР = <1™(&а<1Р) = 0 (4)

со вторым порядком аппроксимации

||з[р]н- Л|>]*| <: Мй2, А = тах(ьх, й,, Л,) ■ (5)

Разностный аналог задачи фильтрации не поддается реализации «в лоб» в силу его многомерности, поэтому необходимо построить такой численный алгоритм, который позволил бы, с одной стороны, экономить оперативную память ЭВМ, что, безусловно, сказывается на скорости расчетов, а с другой-позволил бы получить решение с достаточной точностью.

Для реализации задачи фильтрации (3) применен итерационный попе-

ременно-треугальньш метод ,1+1

г/+1

(6)

Матрица С, для этого метода имеет вид

в, =(£> + шй1)1»"1(£) + а!/г2), (7)

где 2) - диагональная матрица И(р - й{х)ср, а (1(х) - некоторая положительная функция.

а=1

к к а ^к \

V. у

Л

3 Ь(а)

= "Г-'

"а

)

2/г„ ^

(8)

(9)

Итерационные параметры т, ю, а также функцию выбирают из условия сходимости итераций.

Проблема построения аппроксимирующих выражений для нестационарных задач содержит два направления аппроксимации со вторым порядком по пространственным переменным и по времени

Для определения термодинамических параметров процесса самонагревания угля в выработанном пространстве применен метод расщепления по пространственным координатам. Алгоритм этого метода состоит в том, что каждый временной интервал разбивается еще на три подынтервала, в пределах которых определяется решение по каждому из пространственных координат,

<Р?]=ч>, (^л- =«- Ш.

Каждое из полученных уравнений одномерно и может быть решено с помощью метода прогонки.

Для решения вопроса об адекватности математической модели и ее численного решения требуется провести экспериментальное исследование процесса самонагревания в шахтных условиях.

В четвертом разделе приведены экспериментальные исследования температурно-газового режима в шахтных условиях.

Для экспериментальной проверки теоретических исследований тепло-накопления в выработанном пространстве действующего выемочного участка были проведены экспериментальные исследования температурного газового режима на шахте им. Кирова Ленинского района Кузбасса и шахте им. Ленина ОАО «Междуреченская угольная компания». На шахте им. Кирова в выработанном пространстве лавы №76 были заложены 5 наблюдательных станций длиной 60 м на расстоянии 0,1Ь; 0,5Ь; 0,625Ь; 0,8Ь; 0,925Ь (Ь - ширина лавы) от конвейерного штрека (рис.1). На каждой станции через 15 м были установлены температурные датчики и диффузоры воздухоотборных шлангов. Воздухоотборные шланги и магистральные провода заключаются в металлические трубы диаметром 3/4 дюйма и длиной 2 м.

Закладка наблюдательных станций начинается за 70 м до остановки лавы. Замер температуры и отбор проб газа производится 2-3 раза в неделю в ремонтную смену при подвигании лавы, а затем с такой же периодичностью при полной остановке лавы на свежей и исходящей струях (в 10-15 м от забоя лавы), в верхнем кутке и в пунктах замера наблюдательных станций.

Замеры количества воздуха, проходящего по лаве, осуществлялись службой вентиляции шахт и сотрудниками НЦ ВостНИИ. Скорость по выработкам определялась при помощи крыльчатых анемометров в районе мест остановки лавы.

IМ II

Рис.1. Схема установи! наблюдательной станции в лаве № 76 шахты им.Кирова

На момент проведения экспериментальных работ количество проходящего воздуха составило 530-590 м3/мин на конвейерном штреке и примерно на 10-20 м3/мин больше на вентиляционном штреке. Связано это, вероятно, с наличием аэродинамической связи между очистными забоями верхнего и нижнего слоев. Концентрация метана в поступающей струе составляла в основном 0,1 %, а в исходящей струе в среднем за два месяца 0,2- 0,6 %.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что температура угля в выработанном пространстве с увеличением расстояния от линии обрушения растет. Причем темпы ее роста не одинаковы и зависят от пространственных координат точки замера.

Вдоль первой и второй линий на расстоянии 15 м от конвейерного штрека температура угля поднималась медленно и прирост ее составил около 3°С. Вдоль линии, отстоящей от вентиляционного штрека на расстоянии 15 м, темпы роста температуры были выше, и на глубине 17,5 м величина ее составила 33°С, что на 10°С выше, чем на глубине 2 м.

По результатам численных расчетов была получена аналогичная

картина распределения температуры. Погрешность составила 10 —15%. Ана-

лизируя статьи теплового баланса системы тепловых уравнений, выработанное пространство можно условно разделить на три зоны. Первая - зона выветривания в пределах 15-20 м от линии обрушения, где основное влияние оказывает конвективный вынос тепла утечками воздуха. Содержание кислорода здесь значительно, но процессы окисления угля не активизированы из-за того, что массив постоянно охлаждается. Далее, в пределах от 20 до 3035 м от линии обрушения, располагается зона аккумуляции тепла. Конвективный вынос тепла уже недостаточен для охлаждения угля. Содержание кислорода падает за счет окисления. Утечки воздуха формируют достаточно ограниченную область с повышенной температурой. Эта область располагается примерно в 22 м от конвейерного штрека. Динамика окислительных процессов здесь увеличивается с ростом температуры, т.е. формируется очаг эндогенного пожара. На расстоянии более 35 м от линии обрушения окислительные процессы затухают из-за недостатка кислорода.

В работе приведены результаты опытно-промышленной проверки разработанного способа в условиях мощных пологих пластов юга Кузбасса. Была выбрана лава 0-3-2-10 по пласту III шахты им. Ленина. Эндогенный пожар № 57 обнаружен 03.04.1999 у перемычки, установленной в сбойке №3, соединяющей вентиляционный штрек 0-3-1-12 с конвейерным штреком лавы 0-3-2-10 (рис.2).

Лава 0-3-2-10 была отработана по 1-му слою в апреле 1988 г., по 2-му - в мае 1993 г. Пласт отнесен к первой группе опасности по самовозгоранию, угрожаем по горным ударам. Мощность пласта 9,5-10 м, угол падения 5-14 град. Кровля пласта: непосредственная - алевролит мощностью до 2 м; основная - песчаник. Потери угля составляют 1,5 м. Фактический расход воздуха 6,3 м3/с. На основании расчета распределения температур в выработанном пространстве было установлено местоположение очага. Он находился на расстоянии 10 м от демонтажной камеры, вблизи от сбойки №3, что согласуется с данными плана ликвидации аварии.

Рис. 2. Схема аварийного участка 0-3-2-10 шахты им. Ленина

Анализируя результаты экспериментальных исследований, можно сделать вывод об адекватности математической модели реальным условиям формирования очага эндогенного пожара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение трехмерной математической модели самонагревания угля в выработанном пространстве, позволившее разработать способ определения мест возникновения очагов самонагревания угля, имеющий существенное значение для безопасной отработки мощных пологих пластов Кузбасса.

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

1. Разработана модель самонагревания угля в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработке мощных пологих пластов, описывающая фильтрацию воздуха, тепловой баланс пустотной среды, тепловой баланс фильтрующегося воздуха и баланс кислорода с точностью до 85 % в сравнении с фактическими данными.

2. Разработан итерационный попеременно-треугольный метод решения системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке.

3. Разработан численный алгоритм реализации системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода.

4. Разработаны программы расчета полей скоростей утечек воздуха, температур и концентрации кислорода в выработанном пространстве на алгоритмическом языке PASCAL для персональных ЭВМ.

5. По программам расчета полей скоростей утечек воздуха, температур и концентрации кислорода в выработанном пространстве было определено местоположение очага самонагревания для условий экспериментального участка.

6. Доказана сходимость результатов теоретических исследований с натурными (85%) путем проведения шахтных наблюдений за формированием очага самонагревания в выработанном пространстве лавы №76 шахты им. Кирова.

7. По результатам вычислительного эксперимента в условиях аварийного участка 0-3-2-10 шахты им. Ленина ОАО «Междуреченская угольная компания» подтверждена возможность применения предлагаемого способа определения мест возникновения очагов самонагревания в практике ведения горноспасательных работ на шахтах Кузбасса, разрабатывающих мощные пологопадающие угольные пласты.

8. Использование предлагаемого способа определения местоположения очага самовозгорания при проектировании очистных забоев позволит разработать профилактические противопожарные мероприятия, обеспечивающие безопасность ведения горных работ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Рыков, A.M. Оценка пожароопасности с помощью математического моделирования процессов самонагревания // Борьба с авариями в шахтах: сб. ст. / РосНИИГД. - Кемерово, 2003. - Вып.16. - С.79-85.

2. Рыков, A.M. Аналитические исследования процесса формирования очага эндогенного пожара / Ли Хи Ун, A.M. Рыков, В.В. Огурецкий // Безопасность угольных предприятий: сб. научн.тр. /НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2004. -С.67-74.

3. Рыков, A.M. Контроль за самовозгоранием угля на шахтах Карагандинского бассейна: Экспресс-информ. / Г.А Немкин, В.А Горбатов, Н.В.' Пла-хотнюк, А.М. Рыков; ЦНИЭИуголь. -М., 1987.

4. Рыков, A.M. Математическое моделирование процессов теплонакопле-ния в выработанном пространстве при бесцеликовой отработке угольных пластов: деп. в ЦНИЭИуголь 28.11.88, № 4761/2-уп / A.M. Чеховских, В.А Горбатов, Г.А Немкин, Н.В. Плахотнюк, A.M. Рыков. — М., 1980.

5. Рыков, A.M. Типовые схемы подавления эндогенных пожаров и очагов самонагревания с активным воздействием на очаг при бесцеликовой выемке угля в условиях шахт Карагандинского бассейна / В.А Горбатов, Г.А. Немкин, Н.В. Плахотнюк, А.М. Чеховских, А.М. Рыков; КарГУ; КО ВНИИГД. -Караганда, 1989.

6. Рыков, A.M. Прогноз температуры нагревания угля в выработанном пространстве действующего выемочного участка аналитическим методом / ВА Горбатов, Г.А Немкин, Н.В. Плахотнюк, А.М. Рыков // Борьба с подземными пожарами: сб.ст. /ВО ВНИИГД. - Кемерово, 1990.- Вып. 12. - С. 8589.

7. Авторское свидетельство СССР №1283422. Способ обнаружения ранней стадии эндогенного пожара / A.M. Рыков, Г.А. Немкин; ГКИО СССР, 1986.

Подписано в печать 02.11.04. Тираж 100 экз. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ № 429 2004 г. Кемерово. Ротапринт НЦ ВостНИИ, ул. Институтская, 3.

№22 58 î

ВВЕДЕНИЕ 3.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАН- 8. НОГО НАПРАВЛЕНИЯ.

1.1. . Анализ аварийности на шахтах России и применяемых спо- 10. собов и средств тушения подземных пожаров.

1.2. Анализ способов определения эндогенной пожароопасно- 15. ста действующих выемочных участков.

ВЫВОДЫ 25.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА 25. САМОНАГРЕВАНИЯ

2.1. Описание математической модели 25.

2.2. Математическое моделирование распределения фильтраци- 26. онных утечек.

2.3. Моделирование процесса накопления тепла 33. ВЫВОДЫ 38.

3. ЧИЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ САМОНАГРЕВА- 38. НИЯ

3.1. Построение разностного аналога задачи фильтрации. 38.

3.2. Численная реализация разностного аналога задачи фильт- 45. рации модифицированным, итерационным, попеременно-треугольным методом.

3.3. Численная реализация задачи теплонакопления. 57. ВЫВОДЫ 68.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРА- 69. ТУРНО-ГАЗОВОГО РЕЖИМА В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.

4.1. Методика проведения экспериментальных исследо- 69. ваний.

4-1.1. Закладка наблюдательных станций в выработанном 69. пространстве.

4Л .2. Замер температуры и отбор проб газа. 75■

4.2. Экспериментальное исследование температурного 75-поля и газовой динамики в выработанном пространстве действующих лав. ВЫВОДЫ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОЧАГОВ ЭНОДГЕНННЫХ ПОЖАРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность работы. Среди аварий в угольных шахтах эндогенные пожары занимают особое положение. Так как объемы выполняемых работ, трудозатраты на ликвидацию этого вида аварий и их последствий подразделениями ВГСЧ, являются наиболее значительными в связи с тем, что эти аварии часто сопряжены с привлечением мощных средств пожаротушения, инертизации шахтной атмосферы, криогенной техники, средств механизации для возведения изолирующих сооружений. Кроме того, образующиеся при этом ядовитые пожарные газы представляют опасность для производственного персонала. Наличие высокой температуры и открытого огня при развитом эндогенном пожаре осложняет положение опасностью взрыва, что делает работы при ликвидации аварий опасными для жизни горноспасателей.

Широко применяющийся метод изоляции пожарных участков при отработке мощных пологих пластов в настоящее время становится экономически невыгодным. В силу того, что приходится консервировать значительные запасы угля, дорогостоящее горнодобывающее оборудование и т.д. Во всех угледобывающих странах приоритет отдается созданию активных средств подавления самонагревания и самовозгорания угля. Для применения активного способа тушения эндогенных пожаров необходимо знать точное местоположения очага самовозгорания. Создавшееся положение определяет необходимость поиска новых и уточнения области применения существующих способов прогноза, локации, локализации и тушения эндогенных пожаров.

Анализ патентной, научно-технической информации, а также практики ликвидации этого вида аварий показывает, что эффективность применения того или иного способа активного воздействия на очаг эндогенного пожара в значительной степени повышается, если присутствует информация о реальном местоположении очага пожара в выработанном пространстве, имеются необходимые для этого технические средства. Особенно это актуально при отработке мощных пологих пластов, где условия изоляции выработанного пространства весьма затруднены.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров при отработке мощных пологих угольных пластов.

Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработанном пространстве и разработка на этой основе способа локации очагов самонагревания. Задачи исследований:

1. Изучить физико-химические условия развития процесса самонагревания угля с целью установления закономерности формирования очагов эндогенного пожара в пористой среде выработанного пространства.

2. Разработать математическую модель самонагревания в выработанном пространстве выемочных участков при отработке мощных по-логопадающих пластов угля с учетом конвективного выноса тепла утечками воздуха, массопереноса кислорода и кинетики химической реакции окисления в пористой среде.

3. Разработать метод расчета утечек воздуха, концентрации кислорода и температурного поля в пористой среде выработанного пространства в трехмерной геометрии;

4. Разработать способ определения мест возникновения очагов эндогенных в выработанном пространстве действующего выемочного участка.

Методы исследований. Основными методами являются: аналитические и экспериментальные исследования физических условий процессов самонагревания угля; использование современных измерительных средств с последующей обработкой информации на персональных компьютерах; физическом моделировании и изучении в натурных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Процесс формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве действующего выемочного участка зависит от тепло - физических характеристик угля и вмещающих пород, величины, влажности и геометрии утечек воздуха, кинетики реакции окисления и протекает неравномерно с течением времени, увеличивая свою интенсивность с ростом температуры;

2. Решение математической модели, на базе разработанных алгоритмов, сходится к решению исходной дифференциальной задачи;

3. Решение трехмерной математической модели самонагревания угля обусловило разработку способа определения места возникновения очага самонагревания в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработке мощных пологих пластов в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Достоверность научных положений подтверждается:

1. Необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;

2. Удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;

3. Положительными результатами экспериментальных исследований разработанного способа локации в натурных условиях.

Научная новизна заключается в следующем:

- реализована система дифференциальных уравнений, описывающих процесс фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка в трехмерной постановке;

- доказана сходимость итерационного попеременно - треугольного метода численного решения трехмерных фильтрационных уравнений;

- разработан алгоритм расчета задачи самонагревания в скоплениях угля, позволяющий определить место нахождения очага самонагревания и рассчитать возможные варианты его подавления.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке математической модели самонагревания в пустотной среде выработанного пространства при отработке мощных пологих пластов;

- в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма итерационного попеременно - треугольного метода реализации системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке, алгоритма решения системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода;

- в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;

- в разработке способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве.

Практическая ценность работы:

- разработанный способ позволяет определять места возникновения очагов самонагревания в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях разработки мощных угольных пластов Кузбасса;

- разработанные программы расчета позволяют определять поля скоростей фильтрации воздуха и температур в выработанном пространстве в максимально короткое время.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы и ее основные этапы обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах: ВУ ВГСЧ угольной промышленности, ученого совета ВНИИГД г. Донецк, 1987 - 1988 гг., Рос-НИИГД, 2002 г., НЦ ВостНИИ, 2002 г., Международной научно-практической конференции, Кемерово 2002г., Новокузнецкого, Прокопьевского ОВГСО 2004г., РосНИИГД 2004г.

ВЫВОДЫ

1. Математическая модель теплонакопления в выработанном пространстве, в основном, адекватно отражает реальность;

2. Полученную погрешность можно объяснить тем, что при расчетах применялись коэффициенты, отражающие физико-химические свойства угля и вмещающих пород, рассчитанные в среднем для пласта, без учета возможных аномалий в конкретных условиях.

3. Для практического применения разработанного комплекса программ необходимо провести дополнительные исследования физико-химических свойств угля и вмещающих пород, а также аэродинамики выработанного пространства при бесцеликовой системе разработки.

5. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОЧАГОВ ЭНОДГЕНННЫХ ПОЖАРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ.

Непосредственному горению угля в выработанном пространстве предшествует длительный процесс образования очага. В этот период, на неоднородность нагрева пористой массы наряду с выделением тепла в результате окисления в значительной степени оказывают утечки воздуха. Это и теплообмен между фильтрующимся воздухом и обрушением и приток свежих порций кислорода. Вместе с тем, различная способность к аккумуляции, передачи тепла углем и вмещающими породами также способствуют формированию очага.

Способ определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве основан на математическом моделировании процесса низкотемпературного окисления угля для конкретных горногеологических и горно-технических условий. При моделировании были приняты следующие предположения:

1. Процесс накопления тепла в выработанном пространстве действующего выемочного участка, определяется как теплофизический процесс. Обрушенные породы кровли, потери угля, рассматриваются как сплошная среда, наделенная теплофизическими и фильтрационными свойствами, источниками тепла и стоками кислорода.

2. При описании фильтрации воздуха не учитывается газовыделение из обрушенных пород.

3. Процесс разогрева угольной массы рассматривается на стадии низкотемпературного окисления, когда не происходит значительных изменений теплофизических характеристик, изменения сорбционной способности и выгорания угольной массы.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований был разработан комплекс компьютерных программ POGAR на алгоритмическом языке Pascal.

Для выполнения расчетов необходимо заполнить входной документ, представленный в таблице 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработана и решена трехмерная математическая модель самонагревания угля в выработанном пространстве, на основе которой разработан способ определения мест возникновения очагов самонагревания угля при отработке мощных пологих пластов.

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

1. Разработана трехмерная математическая модель самонагревания угля в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработки мощных пологих пластов, описывающая фильтрацию воздуха, тепловой баланс пустотной среды, тепловой баланс фильтрующегося воздуха и баланс кислорода с точностью до 85 % в сравнении с фактическими данными.

2. Разработан итерационный попеременно-треугольный метод решения системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке.

3. Разработан численный алгоритм реализации системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода.

4. Разработаны программы расчета полей скоростей утечек воздуха, температур и концентрации кислорода в выработанном пространстве на алгоритмическом языке PASCAL для персональных ЭВМ.

5. По программам расчета полей скоростей утечек воздуха, температур и концентрации кислорода в выработанном пространстве было определено местоположение очага самонагревания для условий экспериментального участка.

6. Доказана сходимость результатов теоретических исследований с натурными (85%), путем проведения шахтных наблюдений за формированием очага самонагревания в выработанном пространстве лавы №76 шахты им. Кирова.

7. По результатам вычислительного эксперимента в условиях аварийного участка 0-3-2-10 шахты им. Ленина ОАО «Междуреченская угольная компания» подтверждена возможность применения предлагаемого способа определения мест возникновения очагов самонагревания в практике ведения горноспасательных работ на шахтах Кузбасса, разрабатывающих мощные пологопадающие угольные пласты.

8. Использование предлагаемого способа определения местоположения очага самовозгорания при проектировании очистных забоев позволит разработать превентивные противопожарные мероприятия, обеспечивающие безопасность ведения горных работ.

1. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах.- М.: Недра, 1987г. 177с.

2. Терехова С.Е. Оценка пожароопасности газоносных углей // Вентиляция, борьба с газом и пылью в угольных шахтах: Научн. Сообщения / ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1985по - вып. 236. -с. 99-102.

3. Чучалов А.В. О некоторых факторах, влияющих на пожароопасность горных работ на шахтах Челябинского бассейна. Уголь, 1966, сю 64-67.

4. Захаров Е.И., Колотушкин В.В. Оценка эндогенной пожароопасности шахт Подмосковного бассейна. Безопасность труда в промышленности, 1975г. с. 32.

5. Исследовать возможность локации эндогенных пожаров в отработанной части пластов угля : отчет НИР (заключ.)/ ВО ВНИИГД; Руководитель В.Н. Вылегжанин. № ГР 1904520000. Прокопьевск, 1978. - 160с.

6. Разработать методы прогноза эндогенной пожароопасности выемочных полей в различных горно-геологических и горнотехнических условиях : Отчет НИР./ ВостНИИ; Руководитель А.А. Мясников и др. № ГР 760799472; шифр 1616010000-082. -Кемерово, 1975.-71с.

7. Самарский А.А., Николаев Н.И. Методы решения сеточных уравнений. -М.: Наука, 1978. 513.

8. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980.-502с.

9. Н.Н. Калиткин Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

10. Э. Камке Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1976. - 576с.

11. Лебедев В.И., Финогенов С.А. О порядке выбора итерационных параметров в чебышевском циклическом итерационном методе.- М.: ЖВМ и МФ. 1971,11, №2, с. 425-438.

12. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред.- М.: Гос-техиздат, 1954.

13. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977.