автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Усовершенствование способа инертизации атмосферы аварийного участка парогазовой смесью

УДК 622.802

Аксенов Владлен Владимирович

На правах рукописи

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ИНЕРТИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ АВАРИЙНОГО УЧАСТКА ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСЬЮ

Специальность 05.26.03 -«Пожарная и промышленная безопасность» (отрасль горная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00347300Т

Кемерово 2009

003473007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» и Новокузнецком отдельном военизированном горноспасательном отряде.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Голик Анатолий Степанович доктор технических наук, профессор Колмаков Владислав Александрович кандидат технических наук, доцент Иванов Юрий Иосифович Печорский отдельный военизированный горноспасательный отряд, филиал ФГУТТ ВГСЧ

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д212.102.03 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу:

650099, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (384-2) 58-33-80. E-mail: kuzstu@.ru WWW. kuzstu@.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КузГТУ.

Автореферат разослан 25 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета (¡УО^^^Л Ю.В.Лесин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Подземные пожары относятся к наиболее тяжелым авариям в угольных шахтах. Последствия, связанные с их возникновением, приводят к консервации огромных запасов угля, подготовленных к выемке, сдерживают развитие горных работ, наносят большой материальный ущерб, а в ряде случаев создают угрозу здоровью и жизни горнорабочих. Проведение горноспасательных работ при их ликвидации сопряжено с опасностью для жизни горноспасателей.

Если абсолютное количество ежегодно возникающих аварий имеет тенденцию к снижению, то степень тяжести аварий, а вместе с этим и процесс ведения горноспасательных работ осложняется. Анализ аварий за последние годы показывает, что почти каждый второй эндогенный пожар осложняется или пламенным горением или взрывоопасной ситуацией. Осложнения, возникающие в ходе ликвидации пожаров, увеличивают время ведения горноспасательных работ; приводят к несчастным случаям с горноспасателями, в связи с чем усовершенствование способа тушения подземных, в том числе и эндогенных, пожаров, основанного на инерТизации атмосферы аварийного участка парогазовой смесью, является задачей весьма актуальной.

Одним из наиболее перспективных способов предупреждения, локализации и тушения пожаров в шахтах является инертизация атмосферы аварийного участка, т.е. искусственное снижение концентрации кислорода в атмосфере горных выработок путем подачи инертного газа.

Целью работы является повышение уровня безопасности и эффективности ведения горноспасательных работ при тушении подземных пожаров.

Идея работы заключается в использовании математической модели инер-тизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка для определения параметров инертизации.

Задачи исследований:

- Обосновать возможность применения математической модели инертизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка угольной шахты.

- Разработать метод математического моделирования процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка для обоснования параметров инертизации.

- Рассчитать параметры инертизации рудничной атмосферы генератором инертных газов типа ГИГ.

- Провести опытно-промышленную проверку способа инертизации рудничной атмосферы.

Методы исследований. При выполнении работы применен комплексный метод исследований, включающий:

- обобщение и анализ способов и средств предупреждения, локализации и тушения подземных пожаров, обеспечивающих инертизацию атмосферы;

- математическое и численное моделирование процессов аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка;

- опытно-промышленную проверку разработанного способа инертизации рудничной атмосферы аварийного участка.

Научные положения, выносимые на защиту:

- инертизация взрывоопасной среды аварийного участка происходит за счет ее замещения парогазовой смесью со скоростью 0,02 - 0,05 м/с в пористой среде обрушенного пространства выработки, и 0,5 - 0,6 м/с вдоль очистного забоя;

- заполнение объема аварийного участка происходит в квазистационарном режиме, когда после установления поля давления в объеме выработки формируется стационарное поле скоростей;

- стационарное поле давления в выработанном пространстве устанавливается за время не менее 10 мин после начала инертизации.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель инертизации рудничной атмосферы аварийного участка угольной шахты, включая выработанное пространство;

- установлена возможность мониторинга инертизации выработанного пространства парогазовой смесью;

- определен характер воздействия парогазовой смеси на взрывоопас-ность среды аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства во времени.

Достоверность научных положений подтверждается:

- удовлетворительной сходимостью результатов выполненных аналитических и шахтных исследований (расхождение в пределах ± 10 %);

- положительными результатами опытно-промышленной проверки инертизации рудничной атмосферы аварийного участка генератором инертных газов в режиме, выбранном на основе математического и численного моделирования процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- усовершенствован способ инертизации рудничной атмосферы, эффективность которого обеспечивается выбором параметров подачи инертного газа, определяемых исходя из конкретных условий аэрогазодинамики аварийного участка;

- разработаны руководство и тактика по применению генераторов инертных газов в шахтах;

- разработано руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и возникновения взрывов.

Личный вклад автора заключается в обосновании методов исследований, выборе объектов исследования с учетом процессов аэрогазодинамики аварийного участка; разработке «Руководства по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах» и «Тактики применения генератора инертных газов».

Реализация выводов и рекомендаций работы

Основные научные результаты и рекомендации исследований автора реализованы в шахтах Урала и Печорского угольного бассейна.

Основные положения и практические рекомендации диссертационной работы включены в «Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах» и «Тактики применения генератора инертных газов», основные положения которого включены в «Руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и возникновения взрывов», утвержденные Центральным штабом Военизированных горноспасательных частей, и в настоящее время применяемые для изоляции аварийных участков подразделениями ВГСЧ.

Апробация работы

Основные научные положения и практические выводы докладывались на научно-технических советах Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (2006 г., Кемерово), научного центра Восточного научно-исследовательского института по безопасности работ в угольной промышленности (ВостНИИ, 2007 г. Кемерово), Западно-сибирского научно-производственного объединения «Горноспасатель» (2008 г., Кемерово), технических советах Отдельных военизированных горноспасательных отрядов Уральского (2007 г. Копейск), Новокузнецкого (2007 г. Новокузнецк), Печорского (2007 г. г. Воркута), Центрального штаба Военизированных горноспасательных частей (2008 г. Москва).

Автор признателен коллективу кафедры «Аэрологии, охраны труда и природы» ГОУ ВПО КузГТУ за помощь при подготовке диссертации.

Публикации. Всего опубликовано 27 печатных работ, из них по теме диссертации 6 работ и свидетельство на полезную модель (Российская Федерация).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 6 работах и

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 126 страницах, содержит 54 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 75 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится состояние вопроса и задачи исследований.

Исследованию проблемы тушения подземных пожаров и обеспечения промышленной безопасности посвящены работы И. М. Печука, В. М. Маевской,

А. Ф. Милетича, Л. П. Томашевского, Г. Г. Соболева, Н. В. Орлова, А. И. Коз-люка, В. П. Чаркова, А. М. Кушнарева, А. Н. Белопола, Л. П. Белавенцева, А. С. Голика, В. В. Егошина, В. Г. Игишева, В. И. Лагутина, В. М. Кучера и др.

Вместе с тем анализ аварийности и травматизма показывает, что, несмотря на ежегодное снижение абсолютного количества аварий, величина социального ущерба от аварий неприемлема для современного общества. Объективной причиной такого положения является усложнение условий разработки угольных пластов в связи с углублением горных работ.

Подземные пожары составляют 26 - 57 % от общего числа аварий и инцидентов, возникающих в шахтах, и наносят огромный экономический ущерб. Локализация и ликвидация их сопряжена с опасностью для жизни горноспасателей, приводит к несчастным случаям. В 2007 г. на ликвидации всех происшедших 42 аварий горноспасатели отработали 210316 чел./ч, при этом длительность ведения горноспасательных работ на ликвидации взрывов и подземных пожаров составила 96%. Задача тушения пожаров и предотвращения взрывов очень сложна. Для ее решения требуется комплексный подход, включающий не только способы пожаротушения, но и их безопасность, которая может быть достигнута за счет инертизации атмосферы аварийного участка.

Во второй главе приведены данные о инертизации аварийных участков инертными газами. При образовании на аварийном участке взрывоопасной рудничной атмосферы работы по изоляции ведутся, как правило, под защитой инертных газов. При подаче на участок инертных газов содержание кислорода в рудничном воздухе у очага пожара и в горных выработках снижается, что приводит к повышению уровня пожаро - взрывобезопасности. Рудничную атмосферу можно инертизировать углекислым газом, азотом или парогазовой смесью.

Углекислым газом целесообразно инертизировать небольшие объемы изолируемого пространства (менее 50 - 70 тыс. м3), при расстояниях от изолирующих перемычек до пожара менее 500 - 700 м и разности высотных отметок выработок с поступающей струей и очагом пожара менее 20 м. Широкого применения углекислый газ не нашел и в настоящее время горноспасателями практически не используется.

В качестве инертного газа достаточно широко применяется газообразный азот с температурой кипения 196° С, относительной плотностью близкой к плотности воздуха, что обеспечивает хорошее перемешивание его с воздухом и распространение по горным выработкам.

Газообразный азот рекомендуется:

- для предупреждения взрывов и прекращения горения при изоляции пожарных участков, а также при изоляции в сочетании с разными способами ускорения процесса охлаждения очага пожара (рециркуляция, периодическое изменение направления движения пожарных газов и т. д.);

- при ликвидации пожаров в горизонтальных тупиковых выработках любой длины;

- при взрывных работах в горных выработках для создания инертной среды в месте производства взрыва;

- для профилактики эндогенных пожаров.

Азотом инертизируются большие, более 50 - 70 тыс. м3, объемы изолируемого пространства при значительных расстояниях от предполагаемого места возведения перемычек до очага пожара (более 500 - 700 м).

Успешное и широкое применение азота возможно лишь при наличии его в достаточном количестве. В настоящее время практикуется способ получения газообразного азота на месте применения из воздуха с помощью газоразделительных станций. Однако, опыт применения установок при ликвидации подземных аварий на шахтах Украины показал, что добиться полного подавления очагов горения с их помощью не удается. Проблема заключается в том, что в азоте, полученном на мембранных установках, содержится до 5 % кислорода. Недостатком способа инертизации газообразным азотом является его низкая теплоемкость, определяющая необходимость дополнительного применения средств охлаждения очага пожара, а также непрерывной инертизации до изоляции или до активного тушения. Кроме того, уголь, помещенный в азотную среду, восстанавливает свою начальную окислительную способность. Так, например, при обработке угля в течение 5 суток газовоздушной смесью с содержанием азота 60 -65 % окислительная способность его увеличивается в два - три раза.

В начале 70-х годов с целью сокращения времени тушения подземных пожаров и предотвращения взрывов метана в шахтных выработках по заданию Министерства угольной промышленности был разработан генератор инертных газов ГИГ-4, вырабатывающий парогазовую смесь, которую можно применять в любых условиях.

Сущность процесса тушения пожаров заключается в замещении воздуха пожарного участка на парогазовую смесь с низким (до 2 %) содержанием кислорода. Наличие большого количества водяного пара и тонкодисперсного водного аэрозоля в потоке парогазовой смеси с низким содержанием кислорода оказывает комплексное физико-химическое воздействие, выражающееся в обрыве цепей горения и интенсивном теплосъёме, благодаря чему достигается быстрая и эффективная инертизация атмосферы, а самое главное - обеспечивается безопасность ведения горноспасательных работ. Пожаротушащие и флегмати-зирующие свойства парогазовой смеси по эффективности воздействия ее на очаги пожара выше аналогичных свойств азота или углекислого газа. Высокая эффективность тушения пожаров в угольных шахтах с помощью ГИГ-4 неоднократно была подтверждена на практике: с 1972 по 1982 годы генераторы ГИГ-4 успешно применялись для предотвращения взрывов при локализации пожаров в шахтах не только на территории СССР, но и в зарубежных странах.

Повышение темпов и глубины добычи угля сопровождается значительным возрастанием выделения метана на тонну добываемого угля, что приводит к увеличению количества воздуха, подаваемого на проветривание горных выра-

боток. А так как производительность генераторов должна равняться количеству воздуха, поступающего на пожарный участок, то для тушения пожаров потребовались более производительные генераторы - был разработан ряд новых генераторов с производительностью до 5370 м3/ч и напором до 1700 даПа.

Основной недостаток, сдерживающий использование генераторов парогазовой смеси, заключался в достаточно длительном подготовительном периоде, тогда как наиболее эффективно парогазовая смесь действует в случае ее применения не более чем через 20 ч после начала горения. Кроме того, нормативная база для их эксплуатации не удовлетворяет современным требованиям; отсутствуют методики обоснования и выбора параметров инертизации.

В настоящее время разработан генератор инертного газа нового поколения типа АИ-19ГИГ, предназначенный для тушения пожаров в закрытых и полузакрытых помещениях, в шахтах и тоннелях. Установка, в три раза компактнее предыдущей модели, включает в себя малоразмерный газотурбинный двигатель типа ГТД - АИ-9ВП, камеры дожигания и охлаждения, электронный блок, обеспечивающий автоматическое управление и контроль за работой. Ниже приведены основные технические параметры установки АИ-19ГИГ.

Техническая характеристика

Объёмная производительность инертных газов, м3/ч........15 ООО

Содержание кислорода в парогазовой смеси, %...............2

Расход воды, т/ч......................................................5,5

Расход топлива (керосин ТС-1), кг/ч.............................320

Скорость смеси на выходе, м/с.....................................40

Температура смеси на выходе из ГИГ,0 С......................100

Габариты, мм...................................................2745x852x1015

Масса, кг................................................................450

Однако эксплуатация газогенераторов сдерживается по ряду причин. Одной из них является не отвечающая современным требованиям нормативная база для их применения, так как изменились не только горно-геологические условия отрабатываемых пластов, технология добычи, но и темпы их отработки, что в основном и обусловливает газовую ситуацию в рабочем и отработанном пространствах. Кроме того, отсутствуют методы оценки и контроля за процессом инертизации аварийной взрывоопасной среды.

Длительность подготовительного периода объясняется необходимостью решения ряда задач, вытекающих из аварийной ситуации. В общем случае инер-тизация рудничной атмосферы осуществляется в два этапа: цель первого этапа -создание взрывобезопасной атмосферы и подавление пламенного горения; второго - поддержание инертной среды в изолированном пространстве аварийного участка в процессе остывания очага горения.

На первом этапе инертизации режим подачи парогазовой смеси определяется соотношением количества инертного газа, поступающего к очагу горения ()ш, и минимально допустимым количеством воздуха при котором исключа-

ется образование взрывоопасной концентрации метана в исходящей струе пожарного участка.

Если <2т = 0,6<2пг > 2„ > то необходимость в дополнительной подаче воздуха на участок исключается, и вентиляционный проем в перемычке на поступающей струе после запуска в работу генератора должен быть закрыт.

Парогазовая смесь подается при открытом вентиляционном проеме, если производительность выбранного генератора меньше Q„. При этом должно выполняться условие

пд„

21 -с_

0)

После того как генератор отработает расчетное время необходимое для инертазации атмосферы в выработках, с поступающим к пожару воздухом и содержание кислорода снизится до 10 %, вентиляционный проем в перемычке на поступающей струе закрывается, что обеспечивает дальнейшее снижение концентрации кислорода в аварийном участке, и приводит к подавлению пламенного горения и охлаждению горючих материалов и вмещающих пород.

Основная задача второго этапа тушения пожара - сохранить инертную среду в изолируемом участке путем снижения притока свежего воздуха. Для этого одновременно с возведением перемычек сооружаются камеры выравнивания давления. Величина минимального содержания кислорода в изолируемом участке прогнозируется по формуле

_ &А„+210

(2)

ГИГ, как правило, монтируется в горной выработке, проветриваемой за счет общешахтной депрессии, вблизи сопряжения, для безопасного размещения топлива, пульта управления и другого оборудования. Один из возможных вариантов схем расположения оборудования в горной выработке приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Вариант монтажа генератора в горной выработке: 1 - запас топлива; 2 - насос топливный; 3 - фильтр; 4 - генератор;

5 - пульт управления;

6 - расходная емкость с топливом;

7 — газопровод; 8 — перемычка камеры выравнивания давления;

9 - взрывоустойчивая перемычка

Вентиляционные режимы проветривания аварийных участков при тушении пожаров с использованием инертных газов должны обеспечивать подачу к газогенераторной установке свежего воздуха в количестве, достаточном для ее устойчивой работы, но не меньшем, чем необходимо для предотвращения самопроизвольного опрокидывания вентиляционных струй.

Не допускаются резкие (более 20%) колебания интенсивности проветривания выработок аварийного участка, особенно при тушении пожаров, сосредоточенных в выработанном пространстве, а также общее загазирование выработок (более 2 %) и образование слоевых скоплений метана.

Подача инертных газов в горные выработки может изменить расход воздуха в них или привести к опрокидыванию вентиляционной струи. Возможность таких нарушений оценивается путем моделирования шахтных сетей с помощью ЭВМ.

Таким образом, очевидно, что инертизация включает ряд подготовительных работ, в том числе расчет тепловой депрессии, выбор параметров инертиза-ции атмосферы, от которых в значительной степени зависит эффективность и безопасность горноспасательных работ. Отсутствие компьютерных программ для выбора параметров инертизации и средств подачи делает процесс подготовки длительным и трудоемким, при этом следует отметить, что эффективность работы генератора зависит от продолжительности функционирования пожара до начала тушения.

Отсутствие математического аппарата не позволяет проводить мониторинг воздействия инертного газа на аэрогазодинамическую обстановку инерти-зируемых выработок и выработанного пространства.

В третьей главе изложено математическое моделирование процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка. Метод математического моделирования процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка позволяет определять параметры инертизации с учетом аэродинамического сопротивления сети, а текущая оценка действия инертизации во времени повышает эффективность ведения горноспасательных работ и их безопасность.

Для разработки математической модели инертизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка угольной шахты приведем математическое описание трехмерного нестационарного течения инертного газа от генератора инертных газов и рудничной атмосферы в выработанном пространстве угольной шахты, при следующих допущениях:

- течение газа описывается пространственными уравнениями газовой динамики в неподвижном пористом пространстве обрушенной среды выработанного пространства угольной шахты;

- в выработанном пространстве отсутствует горение метана и угля;

- температура газовой смеси равна температуре обрушенной среды. Известно, что из-за большой теплоемкости обрушенной среды и развитой поверхности теплообмена газ быстро приходит в температурное равновесие с материалом каркаса пористой среды;

- материал обрушенной среды абсолютно жесткий, его свойства не зависят от направления, закрытая пористость отсутствует;

- вязкость проявляется только в процессе силового взаимодействия газовой смеси с материалом обрушенной среды;

- характеристики обрушенной среды: пористость, коэффициент сопротивления - изменяются непрерывно (разрывы этих характеристик внутри среды отсутствуют);

- тепло, возникающее за счет работы сил сопротивления среды при вязком обтекании ее частиц, полностью возвращается в газ.

Не оговаривая прочих допущений, широко используемых в теории фильтрации газов и жидкостей, выпишем классические интегральные законы сохранения массы, импульса (движения) и энергии в пористом материале.

Если 1 - время, П - произвольный фиксированный объем, занятый газом и материалом (последний может отсутствовать), ограниченный поверхностью Е, то перечисленные законы имеют вид:

^ресЮ. + ^рг(дп) ¿2 = 0; (3)

— |редс1П+ [рл + (дй) = ^ер§сЮ.- (4)

( 1-|2 >

^ Р а

( I—12 N

ы

I

где р - плотность смеси; р - давление;

е - внутренняя энергия единицы массы газа; <7- вектор скорости;

£ - пористость среды (относительный объем пор); § - ускорение силы тяжести;

Р - вектор сил сопротивления со стороны пористой среды; сГЕ - площадь элемента поверхности с единичной нормалью п. В уравнении движения слагаемое §р^ос1(е)с]С1 учитывает силу, обу-

п

словленную изменением «проходного» сечения пор, - силу тяжести.

а

В уравнении энергии интеграл отвечает за работу силы тя-

а

жести.

Уравнение переноса кислорода записывается в виде уравнения сохранения массы кислорода, т.е.

|рс0££?п+ )рс.в(дй)<п: = о, (6)

"'а Е

где с0 - массовая концентрация кислорода в газе.

Система уравнений (3 - 6) замыкается уравнением состояния

к—1 р

где к - показатель адиабаты; к =--г;

сРо, сГо, сРе, сУе - теплоемкости при постоянных давлении и объеме для кислорода и остального газа соответственно; с0 - относительная массовая концентрация кислорода в газе; с0 = _

Как аэродинамическая система выработанное пространство представляется неоднородной пористой средой. Ее важнейшей характеристикой является закон сопротивления фильтрации газа, учитывающий такие факторы, как скорость фильтрации, пористость среды, ее неоднородность по высоте и расстоянию от лавы. В зависимости от числа Рейнольдса фильтрационного потока чаще всего рассматриваются два вида законов сопротивления: линейный Р = -г'й и квадратичный Р = -г" \и\й, где г' и г" соответствующие коэффициенты сопротивления. Наиболее достоверные экспериментальные исследования для обрушенных сред в выработанном пространстве показывают, что реальный закон сопротивления таких сред описывается двухчленной зависимостью Р=-г'й-г" \и\й, учитывающей как ламинарные, так и турбулентные режимы течения.

Согласно современным представлениям по мере отработки очистного забоя в кровле пласта формируются три зоны разрушения. Первая зона, образованная разрушенными породами слоя мощностью \ непосредственной кровли, представляет собой горную массу, устойчивость которой определяется силами сцепления и трения между отдельными кусками размером от сантиметров до 22,5 м и которая обрушается сразу за крепью с коэффициентом разрыхления К"р. Вторая зона - разрушенные породы мощностью 1\= 1/2А,, в которой формируется вторичный шаг обрушения. Третья зона мощностью \ -это крупные блоки с коэффициентом разрыхления К°. В соответствии с принятой геомеханической

структурой выработанного пространства аэромеханически активный слой в зоне обрушения пород кровли разделяется на два подслоя (нижний и верхний), с различными коэффициентами разрыхления и фильтрационными характеристиками. При этом течение в нижнем подслое зоны обрушения является ламинарным, в верхнем - турбулентным. В зависимости от зоны обрушения меняются и коэффициенты в законах сопротивления.

Алгоритм решения пространственной задачи нестационарной фильтрации метановоздушной смеси в выработанном пространстве разработан на основе метода С.К. Годунова.

Расчетная область - пористое обрушенное пространство выработки - покрывается разностной сеткой. Элементарная ячейка - куб. По методу С.К. Годунова система трехмерных уравнений (3 - 6) записывалась в разностной форме (разностный аналог системы уравнений (3 - 6):

Р'м = р" ~[(ReU\-(ReU\ +(ReV\-(ReV\ +(ReW\-(ReW\]/e; (8)

(pc)°+1 = (pc)' ~[(RCeU\-(RC£U\ +{RCeV)t~(RCeV\ +(RCeW)6-(RCeW)^\/e, (9) (реи)"* = (реи)" -

~[(ReU2 + P£)3-{ReU2 + Ps)+(ReUV)4-(RsUV\ +(RsLW\ -(ii£LW)J-,(10)

- Fxt+p" - e,) ^+eG,T (pev)"*1 =(pev)"-

-^(ReUV\ ~(RsUV\ +{RsV1 + Pe)f-(RsV2 +Pe)} +(RsVW)6-(ReVW)^-, (11)

-Fr + p"(e, -s2)—+sG,t h

(pew)"*1 = (pew)" -

~[(ReUW\-(ReUW\ +(ReVW)t-(ReVW)3 +(ReW2 + Pe)6~(ReW2+Pe)^\-,( 12)

-FJ + P" (Ei -■s5+sGJ {peErl=(peE)"-^RE+P)SU\-((RE+P)eU\+({RE+P)eV)r((RE+P)eV\ +

+((RE + P) eW\ -((RE + P) sW\ ] + Agx

где T - шаг по времени;

h - шаг по пространству;

R, C, U,V,W, P,E- значения плотности газа, концентрации метана, скорости, давления и полной энергии на гранях ячеек;

Ру, Рг, Ох, Ог, - проекции сил соответственно аэродинамического сопротивления и тяжести на оси координат;

А - работа силы тяжести.

Значения параметров газа на новом временном слое определяются по формулам:

с"+1 = (рс)"+1/ 5

и"1 »(рви)"1/(/Г1*);

= ((рг£)"+1 - р"+,е(и"+п + + ) / 2) ■ (* - 1)/е.

Условием устойчивости для численного решения уравнений газовой динамики является выполнение условия Куранта, которое накладывает ограниче-

1 И ,

ние на шаг по времени т<--тр,—г- (для случая трех пространственных пе-

Зшах(|м| + о1

ременных). Здесь а - скорость звука в газе, при нормальных условиях она равна 340 м/с. При шаге к = 2м, величина шага по времени составит величину не более 0,0015 с. Это ограничение существенно увеличивает время на проведение расчетов в больших объемах.

Для расчета аэрогазодинамики процесса инертизации рудничной атмосферы в аварийной ситуации в забое и прилегающей к нему области обрушенного пространства были рассчитаны объемы вытеснения рудничной атмосферы потоком инертных газов от генератора, расположенного в транспортном штреке. Предполагается, что в транспортном штреке установлена перемычка с проемной трубой для подачи инертного газа от генератора, а в вентиляционном штреке - перемычка с проемом для выпуска замещаемой рудничной атмосферы (рисунок 3). Для расчетов приняты две схемы движения инертной смеси газов в участке, схематично представленные на рисунках За, б.

---Б-

а б

Рисунок 3 - Схемы движения инертной смеси газов в участке

Расчеты проводились по методике численного решения системы уравнений математической модели, представленной выше.

При расчетах было принято, что выработанное пространство имеет следующие размеры, м: ширина (длина очистного забоя) 200, длина - 200, высота -16, а высота очистного забоя -4 м. Параметры подачи парогазовой смеси взяты из технической характеристики ГИГ-1500.

Расчеты показали следующее. После начала работы генератора инертных газов в пористой среде выработанного пространства достаточно быстро, за 20 -30 мин, устанавливается стационарное поле давления, которое практически однородное с небольшим градиентом к штреку, по которому осуществляется выпуск рудничной атмосферы. Поле давления определяет поле течения газа в выработанном пространстве. Необходимо отметить, что поле давления и поля скоростей определяются размерами и структурой выработанного пространства, а также скоростью подачи инертных газов от генератора.

При фиксированной скорости подачи инертных газов поля давления и скоростей после установления со временем не меняются. Скорости движения среды в выработанном пространстве небольшие. Так, в штреке, через который подается инертный газ, скорость потока 4 м/с, вдоль очистного забоя 0,5 - 0,6 м/с, в пористой среде обрушенного пространства выработки - 0,02-0,05. Соответственно этим скоростям вытесняется и рудничная атмосфера выработанного пространства.

Вытеснение рудничной атмосферы из нижних слоев обрушенного пространства по сравнению с верхними слоями происходит с небольшим, не более 8 - 10 м, опережением. Фронт вытеснения наклонен в «наветренную» сторону примерно на 45° к вертикали. Также очевидно влияние штреков при подаче инертных газов и выпуске рудничной атмосферы - в углу выработанного пространства (напротив места выхода штрека по диагонали выработанного пространства) имеется застойная зона, из которой взрывоопасная рудничная атмосфера вымывается очень медленно, так как в этой области наблюдается очень медленное вихревое течение.

Математическая модель позволяет проводить численное моделирование инертизации рудничной атмосферы в любых горно-геологических условиях и при любых применяемых технологиях.

Выбор параметров подачи парогазовой смеси в основном зависит от интенсивности метановыделения на аварийном участке и аэродинамического сопротивления сети, по которой осуществляется подача газа. Практически выбор параметров — очень сложная задача, и ее решение требует длительного времени. Ошибки при выборе параметров процесса инертизации взрывоопасной атмосферы могут иметь роковые последствия, так как напрямую влияют на уровень безопасности горноспасательных работ. В связи с этим численное моделирование инертизации рудничной атмосферы в тупиковой выработке имеет большое значение.

В качестве примера для моделирования процесса инертизации взята тупиковая выработка длиной 25, высотой 4 м (рисунок 4).

В связи с малостью величины трения газов о стенки выработки процесс вытеснения атмосферы тупика и заполнения его инертным газом (парогазовой смесью) моделируется в плоской постановке (двухмерное плоское течение газа).

Парогаз в выработку подается по трубопроводу 3, который для плоского случая моделируется горизонтальной щелью по ширине выработки. Объемный расход парогаза через нее задается эквивалентным его расходу через трубопровод генератора. Расход парогаза и концентрация кислорода на выходе из трубопровода 3 в расчетах соответствуют данным технической характеристики генератора ГИГ - 3000; температура парогаза на выходе из трубы принимается равной 11° С. Место и дальность подачи парогаза варьируется.

Рисунок 4 - Схема продольного сечения тупиковой выработки:

1 - перемычка;

2 - вентиляционный проем;

3 - трубопровод для подачи парогазовой смеси

На рисунках 5-6 представлены результаты заполнения парогазом тупиковой выработки при подаче газа с середины выработки.

Заполнение объема тупиковой выработки парогазом осуществляется следующим образом. После начала подачи парогаза (далее газа) в выработке стационарное поле давления устанавливается очень быстро через 0,5 - 0,7 с, что соответствует трех - четырехкратному времени распространения волны сжатия (со скоростью звука) до тупика и обратно к перемычке). После этого давление изменяется мало, и в дальнейшем его изменение обусловлено только изменением плотности газа по мере заполнения объема теплым газом. Сформировавшееся поле давления определяет скорость движения газа в выработке, которое также мало меняется во времени.

Рисунок 6 - Распределение давления (а), температуры (б), горизонтальной (в), вертикальной (г) скорости, плотности газа (д) и концентрации кислорода (е) по длине выработки на высоте 2 м через 2 с после подачи газа с середины выработки

Газ вытекает из трубопровода, достигает забоя выработки, разворачивается и движется к вентиляционному люку перемычки, установленной на входе в тупиковую выработку, вытесняя рудничную атмосферу через вентиляционный проем. При этом более теплый инертный газ имеет еще и направленную вверх (положительную вертикальную) составляющую скорости.

Со временем в выработке изменяются температура газа, плотность и концентрация кислорода. В течение 14 с атмосфера выработки практически полностью замещается газом от генератора, при этом у почвы выработки, сразу за перемычкой, остается слой газа с повышенной концентрацией кислорода и начальной температурой, в связи с наличием в этом месте застойной зоны, поэтому замещение исходной атмосферы выработки из этой области происходит очень медленно.

Разработанная математическая модель аэрогазодинамических процессов в выработанных пространствах и выработках шахты позволяет прогнозировать динамику инертизации рудничной атмосферы в выработанном пространстве очистных забоев и в тупиковых выработках. При разработке схем инертизации рудничной атмосферы и проведении работ целесообразно выполнять предварительное компьютерное моделирование аэрогазодинамических процессов.

Моделирование аэрогазодинамических процессов при инертизации рудничной атмосферы дает возможность определять не только необходимый объем инертизации, включающий выработанное пространство, но и сопротивление сети и время, необходимое для инертизации, а полученные данные - выбрать параметры инертизации взрывоопасной рудничной атмосферы и средства для ее осуществления.

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленной проверки способа инертизации, основанного на применении физико-математическая модели аэрогазодинамического процесса в обрушенной среде выработанного пространства аварийного участка, проведенной в шахте «Комсомольская», где возник пожар в вентиляционном штреке 212 пласта «Четвертого» на сопряжении с лавой 212 (рисунок 7).

Система разработки - длинные столбы по простиранию. Управление кровлей - полное обрушение на механизированную крепь.

Для апробации способа инертизации рудничной атмосферы, основанного на применении физико-математической модели, предварительно, до начала работ по инертизации аварийного участка в штатном режиме, было осуществлено компьютерное моделирование аэрогазодинамических процессов в выработанном пространстве и в горных выработках участка.

Математическая модель аэрогазодинамических процессов аварийного участка позволила выбрать параметры подачи парогаза и генераторы для его подачи. По результатам моделирования были выбраны генераторы типа ГИГ -200 и ГИГ- 4, установленные соответственно на вентиляционном и конвейерном штреках. Во время выпуска газа осуществлялся компьютерный мониторинг динамики инертизации рудничной атмосферы. Кроме того для проведения сравнительного анализа у места установки генераторов и в 20 м от него в сторону поступающей струи воздуха через каждые 15 мин осуществлялся контроль за составом рудничного воздуха.

В аварийной ситуации, как правило, невозможно определить новое направление движения газовоздушной смеси, а также скорость фильтрации, температуру и концентрацию взрывоопасных газов в любой точке выработанного пространства.

Мониторинг показал, что интенсивное газовыделение происходит вблизи очистного забоя, в зоне частичной разгрузки от горного давления. Зона разгрузки простирается по всей длине очистного забоя, распространяется на некоторую часть массива пород позади него. Распределение аэрогазодинамических параметров по длине лавы, а также в выработанном пространстве контролировалось в любые в последовательные моменты времени от запуска генератора.

На рисунке 8 представлено распределение давления (а), температуры (б), горизонтальной (в), вертикальной (г) скорости, плотности газа (д), и концентрации кислорода (е) по длине лавы на высоте 0,7 м через 10 мин после подачи парогазовой смеси.

Из представленных на рисунках результатов моделирования видно, что в лаве длиной 200 м поле давления устанавливается за время порядка 10 мин, и затем оно определяет динамику течения рудничной атмосферы и инертных газов. Рудничная атмосфера вытесняется из выработок аварийного участка и замещается теплым инертным газом с меньшей концентрацией кислорода. ГИГ-200 отработал в рабочем режиме 2 ч, генератор на конвейерном штреке 4 ч 29 мин, когда согласно данным мониторинга процесс инертизации был закончен -полностью произошло замещение взрывоопасной рудничной атмосферы до концентрации менее 5% кислорода.

Затем проемы в изолирующих перемычках закрыли, с аварийного участка была снята депрессия (включены в работу камеры выравнивания давления.

Содержание газов после остановки ГИГ по исходящей аварийного участка, определенное инструментальным путем, составило, %: 02= 4,6; С02= 8,7; Н2= 0,52; СН4= 1,0; СО = 0,5.

Расхождение данных о составе рудничного воздуха, полученных путем прямых замеров, и данных полученных на основе моделирования составило 810%.

Рисунок 8 - Распределение давления (а), температуры (б), горизонтальной (в), вертикальной (г) скорости, плотности газа (д), и концентрации кислорода (е) по длине лавы на высоте 0,7 м через 10 мин от начала работы генератора

Анализ работ по ликвидации пожара показал следующее.

- Инертизация аварийного участка парогазовой смесью значительно уменьшает время изоляции этого участка.

- Инертизация аварийного участка парогазовой смесью позволяет осуществлять дистанционное тушение очагов возгорания и обеспечивает безопасность горноспасателей.

- По существующим методикам расчета параметров процесса инертиза-ции невозможно достоверно определить время инертизации, что может вызвать рецидив горения, создать взрывоопасную концентрацию атмосферы.

- Применение моделирования аэрогазодинамических процессов повышает эффективность применения генераторов инертных газов, а также безопасность ведения горноспасательных работ за счет качественного прогноза динамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основе результатов аналитических и шахтных исследований способов тушения подземных пожаров и инертизации рудничной атмосферы, обоснования возможности применения и разработки физико-математической модели процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка, усовершенствован способ инертизации взрывоопасной среды, имеющий существенное значение для обеспечения безопасности ведения горноспасательных работ и повышения их эффективности.

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

1 Установлена возможность инертизации выработанного пространства парогазовой смесью.

2 Инертизация взрывоопасной среды аварийного участка происходит за счет ее замещения парогазовой смесью со скоростью 0,02 - 0,05 м/с в пористой среде обрушенного пространства выработки, и вдоль очистного забоя 0,5 - 0,6 м/с.

3 Установлено, что заполнение объема аварийного участка происходит в квазистационарном режиме, когда после установления поля давления в объеме выработки формируется стационарное поле скоростей.

4 Стационарное поле давления в выработанном пространстве устанавливается за время не менее 10 мин после начала процесса инертизации

5 Установлено влияние парогазовой смеси на взрывоопасность среды аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства во времени.

6 Определен характер формирования инертной среды в атмосфере аварийного участка и прилегающем к нему выработанном пространстве.

7 Разработаны «Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах», «Тактика применения генератора инертных газов», «Руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и возникновения взрывов», применяемые подразделениями военизированных горноспасательных частей при ликвидации аварий и при ведении спасательных работ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Аксенов, В. В. О проблемах ликвидацииуаварий вида взрыв на угольных шахтах [Текст] : материалы X Междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности предприятий топл.-энергет. компл. России», 13-16.06.2006 / В. В. Аксенов, В. Р. Дингес, А. С. Апальков, Е. Р. Жолудев. - Кемерово - СПб, 2006. -С. 121-125.

2 Аксенов, В. В. Основные требования к технике для тушения пожаров на предприятиях угольной промышленности [Текст] / В. В. Аксенов, Е. Р. Жолудев // Вестник НЦ по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово. -2006,-№2.-С 106- 107.

3 Аксенов, В. В. О требованиях к средствам противопожарной защиты угольных шахт [Текст] / В. В. Аксенов, Е. Р. Жолудев, И. А. Малый // Безопасность труда в промышленности. -2007. - № 10 - С. 29 - 30.

4 Пат. 49113 Российская Федерация, МПК7 Е 21Р5/00 Комплексная система подавления и тушения эндогенного пожара в отработанной части пласта [Текст] / А. Н. Малахов, В. В Аксенов, А. В. Нехаев, А. Е. Чуприков; заявитель и патентообладатель ОАО ш. Зиминка. - №2005108550; заявл. 25.03.05; опубл. 10.11.05; Бюл. № 31. -4 с.

5 Аксенов, В. В. Мобильный измерительный комплекс [Текст] // В. В. Аксенов, Е. Р. Жолудев, Ю. В. Зорин // Вестник НЦ по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2006. - № 2. - С. 103 - 106.

6 Руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и возникновения взрывов [Текст]: утв. ВГСЧ РФ, 22.10.08 : ввод, в действие с 01.01.09. В. В. Аксенов [и др.]. - Кемерово:. -144 с.

7 Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах [Текст] : утв. ВГСЧ РФ, 22.10.08 : ввод, в действие с 01.01.09 /В. В. Аксенов [и др.]. - Москва:. - 69 с.

Подписано в печать 24.04.2009.

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Объем 1п.л. Тираж 100 экз. Заказ ЗА?

ГУ Кузбасский государственный технический университет. 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ГУ Кузбасский государственный технический университет. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А.

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Анализ аварийности угольных шахт России

1.2 Способы предупреждения и тушения подземных пожаров

1.3 Способы;инертизации рудничной атмосферы,.

1.4 Цель работы и задачи исследований.

2 ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ИНЕРТ1-1ЫХ ГАЗОВ'.

2Л Общие:сведения о генераторах инертных газов.

2.2 Способы; применения генераторов инертных: газов для тушения пожаров

2.3 Технология инертизации атмосферы аварийного участка 2Ж Способ тушения изоляцией аварийного очистного участка с, предварительной инертизацией рудничной атмосферы

2.5 Инертизация парогазовой смесью атмосферы тупиковых и действующих выработок для подавления пламенного; горе- -ния 216 Выбор и оборудование места монтажа ГИГ, изолирующих перемычек и газопровода дляшодачи парогазовой смеси.

2.7 Особенности технологии подачи парогазовой смеси в горные выработки.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АЭРОГАЗОДИНАМИКИ ИНЕРТИЗАЦИИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ. АВАРИЙНОГО УЧАСТКА

3.1 Математическая модель инертизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка угольной шахты,.

3.2 Численный метод решения системы уравнений математической: постановки задачи аэрогазодинамики вытеснения рудничной атмосферы, из забоя и примыкающего обрушенного пространства,.:.

3 3 Расчеты параметров инертизации рудничной атмосферы в за-боеи прилегающей к нему области обрушенного пространства. 72:

3 .4 Численное моделирование инертизации рудничной атмосферы в тупиковой выработке.

3 .4.1 Расчеты инертизации рудничной атмосферы в тупиковой выработке. Модельный случай.

4 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА СПОСОБА ИНЕР

ТИЗАЦИИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ.

4.1 Инертизация рудничной атмосферы при тушении пожара на шахте «Воркутинская».

4.2 Проверка параметров процесса инертизации рудничной атмосферы с помощью физико-математической модели.

4.3 Результаты инертизации взрывоопасной среды парогазовой смесью.

Подземные пожары относятся к наиболее тяжелым авариям на угольных шахтах. Последствия, связанные с их возникновением, приводят к консервации огромных запасов угля, подготовленных к выемке, сдерживают развитие горных работ, наносят большой материальный ущерб, а в ряде случаев создают угрозу здоровью и жизни горнорабочих. Ведение горноспасательных работ при их ликвидации сопряжено с опасностью для жизни горноспасателей. I

Если ежегодное возникновение аварий имеет тенденцию к снижению абсолютного числа, то степень тяжести аварий, а вместе с этим и процесса ведения горноспасательных работ осложняется. Анализ аварий за последние годы показывает, что почти каждый второй эндогенный пожар осложняется или пламенным горением, или взрывоопасной ситуацией. При ликвидации осложненных пожаров требуется длительное время, ведения горноспасательных работ, в том числе возрастает время работы в респираторах; приводит,^ несчастным случаям с горноспасателями, в связи с чем разработка способа тушения подземных пожаров, основанного на инертизации атмосферы аварийного участка парогазовой смесью, является задачей весьма актуальной.

Одним из наиболее перспективных способов предупреждения, локализации и тушения пожаров в шахтах является инертизация атмосферы аварийного участка, под которой понимают искусственное снижение концентрации кислорода в атмосфере горных выработок путем подачи инертного газа.

Целью работы является повышение уровня безопасности и эффективности ведения горноспасательных работ при тушении подземных пожаров.

Идея работы заключается в использовании математической модели инертизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка для определения параметров инертизации.

Задачи исследований:

- Обосновать возможность применения математической модели инертизации рудничной атмосферы в выработках аварийного участка угольной шахты.

- Разработать метод математического моделирования процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка для* обоснования параметров инертизации.

- Рассчитать параметры инертизации рудничной атмосферы генератором инертных газов типа ГИГ.

- Провести опытно-промышленную проверку способа инертизации рудничной атмосферы.

Методы исследований. При выполнении работы применен комплексный метод исследований, включающий:

- обобщение и анализ способов и средств предупреждения, локализации и тушения подземных пожаров, обеспечивающих инертизацию атмосферы;

- математическое и численное моделирование процессов аэрогазодина мики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка;

- опытно-промышленную проверку разработанного способа инертизации-рудничной атмосферы аварийного участка.

Научные положения, выносимые на защиту:

- инертизация взрывоопасной среды аварийного участка происходит за счет ее замещения парогазовой смесью со скоростью 0,02 - 0,05 м/с в пористой среде обрушенного пространства выработки, и 0,5 - 0,6 м/с вдоль очистного, забоя;

- заполнение объема аварийного участка происходит в квазистационарном режиме, когда после установления поля давления в объеме выработки формируется стационарное поле скоростей;

- стационарное поле давления^ в-выработанном пространстве устанавливается за время не менее 10 мин после начала инертизации. I

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель инертизации рудничной, атмосферы аварийного участка угольной шахты, включая выработанное пространство;

- установлена возможность мониторинга инертизации выработанного пространства парогазовой смесью;

- определен характер воздействия парогазовой смеси на взрывоопас-ность среды аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства во времени.

Достоверность научных положений подтверждается:

- удовлетворительной сходимостью результатов выполненных аналитических и шахтных исследований (расхождение в пределах ±10 %);

- положительными результатами опытно-промышленной проверки инертизации рудничной атмосферы аварийного участка генератором инертных газов в режиме, выбранном наг основе математического и численного моделирования' процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- усовершенствован способ инертизации рудничной атмосферы, эффективность которого обеспечивается выбором параметров-подачи инертного газа, определяемых исходя из конкретных условий аэрогазодинамики аварийного участка;

- разработаны руководство и тактика по применению генераторов инертных газов в шахтах;

- разработано руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и возникновения взрывов.

Личный вклад автора заключается в обосновании методов исследований, выборе объектов исследования с учетом процессов аэрогазодинамики аварийного участка; разработке «Руководства по применению генератора инертных газов'для инертизации аварийных участков в шахтах» и «Тактики применения генератора инертных газов».

Реализация выводов и рекомендаций работы

Основные научные результаты и рекомендации исследований автора реализованы в шахтах Урала и Печорского угольного бассейна.

Основные положения и практические рекомендации диссертационной работы включены в «Руководство по применению генератора инертных газовдля инертизации^ аварийных участков в шахтах» и «Тактики применения генератора инертных газов», основные положения которого включены в «Руководство по изоляции горных выработок для предупреждения самовозгорания угля и возникновения взрывов», утвержденные Центральным штабом Военизированных горноспасательных частей, и в настоящее время применяемые для изоляции аварийных участков подразделениями ВГСЧ.

Апробация работы

Основные научные положения и-практические выводы докладывались на научно-технических советах Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (2006 г., Кемерово), научного центра Восточного научно-исследовательского'института по безопасности работ в угольной промышленности (ВостНИИ, 2007 г., Кемерово), Западно-сибирского научно-производственного-объединения^ «Горноспасатель» (2008 г., Кемерово), технических советах Отдельных военизированных горноспасательных отрядов Уральского (2007 г., Копейск), Новокузнецкого (2007 г., Новокузнецк), Печорского1 (2007 г., Воркута), Центрального штаба-Военизированных горноспасательных частей (2008 г., Москва).

Автор признателен коллективу кафедры «Аэрологии, охраны труда и природы» ГОУ ВПО КузГТУ за помощь при подготовке диссертации.

Публикации. Всего опубликовано 27 печатных работ, из них по теме диссертации 6 работ и свидетельство на полезную модель (Российская Федерация).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 6 работах и

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 126 страницах, содержит 54 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 75 наименований.

Выводы

Анализ ликвидаций пожаров показал следующее.

Инертизация аварийного участка парогазовой смесью значительно уменьшает время изоляции этого участка.

Инертизация аварийного участка парогазовой смесью позволяет осуществлять дистанционное тушение очагов возгорания, и обеспечивает безопасность горноспасателей.

Существующие методики расчета параметров процесса инертизации не могут в достаточной мере достоверно определить время инертизации, что может стать причиной для возникновения рецидива горения.

Применение моделирования аэрогазодинамических процессов позволит повысить эффективность применения генераторов инертных газов, а также безопасность ведения горноспасательных работ за счет качественного прогноза динамики инертизации рудничной атмосферы аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация- является научной квалификационной работой, в которой на основе результатов аналитических и шахтных исследований способов тушения подземных пожаров и инертизации рудничной атмосферы, обоснования возможности применения и разработки физико-математической модели процесса аэрогазодинамики инертизации рудничной- атмосферы аварийного участка, усовершенствован способ инертизации взрывоопасной среды, имеющий существенное значение для обеспечения безопасности ведения горноспасательных, работ и повышения их эффективности.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации за-юпочаютсяв следующем:

1 Установлена возможность инертизации выработанного пространства* парогазовой смесью.

2 Инертизация взрывоопасной- среды, аварийного участка происходит за счет ее замещения парогазовой смесью со скоростью 0,02 - 0,05 м/св пористой среде обрушенного пространства выработки, и вдоль очистного забоя-0,5 — 0,6 м/с. •

3 Установлено, что заполнение, объема аварийного участка происходит в квазистационарном режиме, когда после установления поля давления-в объеме выработки формируется стационарное поле скоростей.

4 Стационарное поле давления в выработанном пространстве устанавливается за время не менее 10 мин после начала процесса инертизации

5 Установлено влияние парогазовой смеси на взрывоопасность среды аварийного участка и прилегающего к нему выработанного пространства во времени:

6 Определен характер формирования инертной среды в атмосфере аварийного участка и прилегающем к нему выработанном пространстве.

7 Разработаны «Руководство по применению генератора инертных газов-для инертизации аварийных участков в шахтах», «Тактика применения генератора инертных газов», «Руководство по изоляции горных выработок для преду

118преждения самовозгорания угля и возникновения взрывов», применяемые подразделениями военизированных горноспасательных частей при ликвидации аварий и при ведении спасательных работ.

1. Руководство по применению пен и вспененных суспензий для борьбы с эндогенными пожарами в шахтах Текст. : утв. ВПО «Кузбассуголь» 05.11.86. — Прокопьевск, 1986. -152 с.

2. Изыскать новые перспективные направления по созданию способов и средств для предупреждения самовозгорания угля в пожароопасных зонах Текст. :отчет о НИР /ВостНИИ; рук. Маевская В. М. Кемерово, 1981. - 250 с.

3. Веселовский, В. С. Научные основы борьбы с самовозгоранием Текст. /В. С. Веселовский [и др.]. -М. : Недра, 1964.

4. Будак, Б. Н. Математическая физика Текст. / Б. Н. Будак, А. А. Самарский, А. Н. Тихонов. М. : Изд-во техн.-теор. лит-ры, 1956.

5. Инструкция по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса Текст. / ВостНИИ, КузНИУИ, ВО ВНИИГД Кемерово - Прокопьевск, 1983.

6. Дружинин, Н. И. Метод электродинамических аналогий и его применение при исследовании фильтраций Текст. / Н. И. Дружинин. М. - Л! г Госэнер-гоиздат, 1956.

7. Веселовский, В. С. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров Текст. / В. С. Веселовский. — М.: Наука, 1975.

8. Игишев, В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах Текст. / В. Г. Игишев. -М.: Недра, 1987.

9. Ломтадзе, В. Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород Текст. / В. Д. Ломтадзе. Л., 1972.

10. Годунов, С. К. Численное решение многомерных задач газовой динамики Текст. / С. К. Годунов [и др.]. М.: Наука, 1976.

11. О течениях газа в пористой среде с поверхности разрыва / А. А. Крайко, А. Н. Миллер, Л. Г., И. А. Ширковский // ПМТФ. 1982. - № 1. - С. 111 - 118.

12. К распаду произвольного разрыва на перфорированной перегородке / Гринь, В- Т., Крайко, А. Н., Миллер, JI. Г. // ПМТФ:- 1981. № 3.

13. Алехичев, С. П. Аэродинамика зон обрушения и.расчет блоковых утечек воздуха Текст. / С. П. Алехичев, JI. А\ Пучков. — JI. : Наука, 1968. 67 с.

14. Пучков, JI. А. Режимы движения воздуха в выработанном пространстве Текст. // Горный журнал. 1965. - № 11. - С. 70 - 76.

15. Адамов, Г. А. Двухчленная формула сопротивления пористых сред Текст. / Г. А. Адамов.// Вопросы добычи, транспорта и переработки природных газов. -М., 1951. -С. 20-29.

16. Вылегжанин, В: Н. Структурные модели горного массива-в механизме геомеханических процессов Текст. / В. Н. Вылегжанин, П. В. Егоров, В. И Му-рашев. Новосибирск : Наука, 1990. - 281 с.

17. Пучков, JI. А. Аэродинамика, подземных выработанных пространств Текст. / Л! А. Пучков. М: : МГТУ, 1993. - 266 с.

18. Куликовский, А. Г. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений Текст. / А. Г. Куликовский, Н. В. Ногорелов, А. Ю. Семенов. М. : Физматлит, 2002. - 608 с.

19. Тилляева, Н. И. Обобщение модифицированной схемы С. К. Годунова на произвольные нерегулярные сетки Текст. / Н. И: Тилляева //Ученые запискм ЦАГИ. 1986. - Т. 17, № 2. - С. 18 - 26.

20. Руководство по применению генератора инертных газов для инертизации аварийных участков в шахтах Текст. : утв. ВГСЧ РФ, 22.10.08 : ввод, в действие с 01.01.09. Москва:. - 69 с.

21. Замыслов, В. А. Ингибирование окисления термически обработанных углей Текст. / В. А.Замыслов [и др.] // ХТТ. 1982. - № 1.

22. Пустыльник, Е. А. Статические методы анализа и обработки наблюдений Текст. /Е. А. Пустыльник М.: Наука, 1968.

23. Касандрова, О. Н. Обработка результатов наблюдений Текст. / О. Н. Касандрова, В. В. Лебедев. -М.: Наука, 1970.121

24. Румшинский, JI. 3. Математическая обработка эксперимента Текст. /

25. JI. 3. Румшинский. -М. : Наука, 1971.

26. Аравин, В. И. Теория движения жидкостей и газов в недеформирован-ной пористой среде Текст. / В. И. Аравин, С. Н. Нумеров. — М., 1953.

27. Набандян, А. Б. Механизм окисления и горения кислорода Текст. /А. Б. Набандян, В. В. Воеводский. М. : АН СССР, 1949.

28. Устав военизированных горноспасательных частей по организации и ведению горноспасательных работ в угольных и сланцевых шахтах Текст. : утв. Минтопэнерго РФ 27.06.97. М., 1991. - 200 с.

29. Изыскать эффективные средства и способы изоляции выработанного пространства и крепления подготовительных выработок при бесцеликовой выемке угольных пластов Челябинского бассейна Текст. : отчет о НИР / НИИОГР. — Челябинск, 1979.

30. Изучение процессов самонагревания и самовозгорания углей Текст. : отчет о НИР / МХТИ им. Д. И. Менделеева. М., 1982.

31. Саранчук, В. И. Окисление и самовозгорание угля Текст. / В! И. Саранчук. -Киев : Наукова думка, 1982. 166 с.

32. Скочинский, А. А. Исследования применения антипирогенов при борьбе с рудничными пожарами / А. А. Скочинский, С. 3. Макаров. М. - JL : АН СССР, 1947.-515 с.

33. Маевская, В. М. Распределение давления и скорости воздуха в выработанном пространстве Текст. / В. М. Маевская, А. Г. Поликаров, В. А. Бонецкий // Вентиляция шахт и предупреждение эндогенных пожаров: сб. научн. тр. / Вос-тНИИ.-Кемерово, 1975.

34. Как принимать решение Текст. В. Тихомиров // Техника и наука. — 1973.-№2-17.

35. Эйнер, Ф. Ф. Заиливание и распределение заиловочного материала Текст. // Профилактика, изоляция и тушение подземных пожаров. М., 1961.

36. Горбатов, В. А. Защита угольных шахт от самовозгорания угля Текст. / В. А. Горбатов [и др.]. — Кемерово, 2001. 132 с.

37. Правила безопасности в угольных шахтах Текст. : ПБ 05-618-03: утв. Госгортехнадзор, 2003. М:, 2003.

38. Горбатов, В. А. Технологические схемы профилактики, локализации^ и тушения эндогенных пожаров в угольных шахтах Текст. / В: А. Горбатов; В. Г. Игишев, В. В. Попов. — Кемерово : Кузбассвузиздат, 2002. 293 с.

39. Пожарно-техническое вооружение Текст. : справочник. — М.: Стройиз-дат, 1981.-470 с.

40. Барон, JI: И. Горное дело Текст. : терминологический словарь / Л7И. Барон [и др.]. 3-е изд., доп. и перёраб. - М. : Недра, 1981. - 479 с.

41. Провести исследования по разработке эффективных способов, и средств применения гелеобразующих составов для предупреждения самовозгорания угля в шахтах Кузбасса Текст. : отчет о НИР'/ ВостНИИ; рук. Евсеев В;С. —Кемерово, 1985.-350 с.

42. Глузберг, Е. И. Комплексная профилактика газовой и пожарной опасности в угольных шахтах Текст. / Е. И. Глузберг, Н. Ф. Гращенков, В. С. Шалаев. -М. :Недра, 1988.-284 с.

43. Корольченко, А. Я. Пожаровзрываопасность веществ и материалов? и средства их тушения Текст. : справочник в 2 т / А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. 2-е изд., доп. и перераб. - М., 2004. — 1487 с.

44. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации Текст. : ППБ 01-03 : утв. МЧС России 18.06.03 :ввод в действ. 30.06.03. -М., 2003. -144 с.

45. Субботин, А. И1 Управление безопасностью труда / А. И. Субботин. -М. :МГГУ, 2004.-267 с.

46. Колмаков, В. А. Горноспасательная служба и тактика ведения спасательных работ Текст. : уч. пособ. / В.А. Колмаков, В.А. Зубарева — Кемерово, 2008. 137 с.

47. Ушаков, К. 31 Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело / К. 3. Ушаков и др.. М. :МГГУ, 2002. 480 с.

48. Гимелыпейн, Л. Я. Безопасность труда шахтеров. Человеческий фактор Текст. / JI. Я. Гимелыпейн, Ю. М. Френкель. Кемерово: Кн. изд-во, 1990. — 175 с.

49. Уэндландт, У. Термические методы анализа Текст. / У. Уэндландт. -М.: Мир, 1978. 526 с.

50. Голик, А. С. Анализ аварийности на предприятиях угольной промышленности России за 2001 год Текст. / А. С. Голик,.В. В. Мячин, В. А. Зубарева. Кемерово : РосНИИГД, 2002.

51. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа Текст. / Л. Г. Лойця-нский, -М.: Наука, 1972.

52. Колмаков, В. А. Прогноз и управление газопереносом в массивах шахт Текст. / В. А. Колмаков, С. П. Брабандер, Г. А. Беспятов. Кемерово:1. КузГТУ, 1992.

53. Исследования заполнения пожарных участков крутых пластов углекислым газом Текст. / И. П. Велик // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1970. - № 4.

54. Влияние депрессии шахты на возникновение эндогенных пожаров Текст. / В. А. Александров, Г. Н. Крикунов, В. П. Лазарев // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1974. - № 2.

55. Тарасов, Б. Г. Газовый барьер угольных шахт Текст. / Б. Г. Тара-сов, В. А. Колмаков. М.: Недра, 1978.

56. Лейбензон, Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде Текст. / Л. С. Лейбензон. М., 1947.

57. Колмаков, В. А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах Текст. / В. А. Колмаков. М., Недра, 1981.

58. Пекелко, Я. Ликвидация самовозгорания угля и подземного пожара на шахте Дукла Текст. / Я. Пекелко. Чехословакия, 1955. t

59. Roges, С. Изоляция участков после отработки. Перемычки из летучей золы Текст. // Publs.techn.char bonn France. Bull informs.techn. 1965. -'№ 2.

60. Ванат, Юзеф. Безопасность и гигиена труда в горной промышленности Текст. : перевод с пол. С. П. Старкова. М. : Недра, 1978. - 344 с.

61. Rosser W, Jnamis, Wies Н. Текст. // Comb. Flame.- 195 (1963).

62. Гущин-Квитковский, Л. П. Руководителю ликвидации аварии на шахте Текст. / Л. П. Гущин-Квитковский [и др.]. Кемерово : Кузбассвузиздат, 2004.-185 с.

63. Мясников, А. А. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах / А. А. Мясников, С. П. Старков, В. И. Чикунов. М. : Недра, 1985. -205 с.

64. Булгаков, Ю. Ф. Применение газоразделительных мембранных модулей для создания среды в пожарных участках Текст. / Ю. Ф. Булгаков // Горный информационно-аналитический бюллетень. М. : МГТУ, 2005. - С. 189 - 197.

65. Костенко, В. К. Совершенствование технологии инертизации воздуха в горных выработках / В. К. Костенко,Т. В. Костенко // Горный информаци-онно-аналитический бюллетень М. : МГГУ, 2005. - С. 197 - 204.

66. Костенко, В. К. Совершенствование технологии тушения, азотом подземных пожаров в труднодоступных местах / В. К. Костенко, Ю. Ф. Булгаков, Т.

67. B. Костенко, Ю. Сулковский // Горный информационно-аналитический бюллетень.- М. : МГГУ, 2006. С. 254 - 261.

68. Казанцев, Bi Г. Выбор1 эффективных способов^ пожаротушения на' горных предприятиях / В. Г. Казанцев, А. Б. Михеева // Горный информационно-аналитический бюллетень.- М. : МГГУ, 2006; — С. 251 — 254.

69. Логинов, А. К. О мерах по снижению аварийности и травматизма в ОАО «Воркутауголь» и ОАО «Шахта «Варгашорская» / А. К. Логинов // Горный инт формационно-аналитический бюллетень — М. : МГГУ, 2006: — С. 56 — 61.

70. Индыло, С. В. Неравномерность,газовыделения при ведении горных работ на выбросоопасных пластах / С. В. Индыло // Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 13. — М. : МГГУ, 2007. — С. 102 - 115.

71. Радченко, С. А. Повышение оперативности, точности и-информативности методов оценки газокинетических свойств угля и призабойной зоны /

72. C. А. Радченко // Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 13. - М:: МГГУ, 2007. - С. 126 - 137.

73. Кашпар, Л. Н. Принципы и методы снижения уровня негативного-воздействия взрыва метана в шахтах / Л. Н. Кашпар, С. Е. Германова // Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 13. - М. : МГГУ, 2007. - С. 270