автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Выбор и обоснование пожаробезопасных параметров угольных целиков

министерство науки, высшей школы и технической политики российской федерации комитет по высшей школе

кузбасский политехнический институт

На правах рукописи

БОГАТЫРЕВА Альбина Сергеевна

УДК 622-822.22:51.001.57

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ УГОЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного

производства»

Автореферат

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1992

Работа выполнена в Кузбасском политехническом инстц туте.

— доктор физико-математических наук, профессор Гришин А. М.

— доктор технических наук, профессор Бонецкий В. А.

— доктор технических наук, старший научный сотрудник Белавенцев Л. П.

— кандидат технических наук, старший научный сотрудник Палеев Д. Ю.

— Институт «Кузбассгипро-шахт» (Кемерово)

Защита состоится 5 октября 1992 года в 14 часов на заседании специализированного совета Д 063.70.02 при Кузбасском политехническом институте по адресу: 650026, г. Кемерово, улица Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского политехнического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан оз сентября 1992 года.

Научный руководитель

Научный консультант Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

А. С. ТАШКИНОВ

СЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследовании. Пробл< ча безопасного веде ния горных работ d шахтах, разрабатывающих газоносные сближенные пласты, уголь которых склон-ч и самовозгоранию, является сложной и многогранной. Возникновение эндо: ¡нннх пожаров от иачов т-горания угая резко осложняет технологический процесс, снижает экономическую эффективность я безопасность работ.

Аналит. ческий обзор выполненных под рукоя яством проф.Его-иина В.В. исследований покаьлвает, что боле j 75 % эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса, Приморья и Кара "-узды возникают на пологих планах г» угольных целиках, в том числа: у монт одних камер -39, у демонтажных - 23, между бремсбергами - 7, кижду лавами vi блока>га - 6. При этом обцэе число во&никающих пожаров п год составляет в сооднем 12.

Если учесть, что средний ущерб от возникновения одного пожара составляет 190-200 тыс.руб. (в ценах 1985 г.), то становится юна актуальность и обоснованность представленной работы.

Диссеотационнчя работа заполнялась в ранках научного направления яг! СССР "Химия угл<-% торфа и : орючих сланцев" (головная программа 2.10.1.7.4 "Разработ а способов профилактики озелени" твердых ископаемых и тушения подземных пожаров") в соответствие с планом научно-исследовательских рабе? ВостНИИ и КузПИ при непосредст: ¡нном участии автора (гос.регистр. № Б39и'799, 79038708, Ql824^2vJb, I8500I7'.J2, 018*5039431 и 01840067055^.

Так им образ -л, тема диссертации Богатыревой A.C., базирующейся на выполненных научно-исслег изательских ра пах отраслевого и троднохозяйстЕ»иного планов, вытечет из необходимости решения пе только социальных- з„даг но и дальнейшего роста высокопроизводительной и безопасной добычи гля•

Цель работы заключается в выбора л обосновании пожаробезопасных параметров угольных целиков с использованием разработанной математической ь-дели низкотемпературного окисления угля в рамках механики многофазных реагирующих сред.

Идея работы заключается в том, что на полученных результатов исследования возникновения и развития эндогенных пожаров а угольных целиках будут предаолены рекомендации по пожаробезопасной " эффективной эксплуатации их. .

Для достижения основной цели настоящей диссертационной работы были поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать математически модель низкотемпературного окислен!'"' угля в рамках механики многофазных сред.

2. Сопоставить основные экспериментальные и расчетные параметры самовозгорания угольных целиков.

3. Исследо.,ать процессы возникновонк - и развития эндогенных пожаров.

4. Разработать рекогпщации по пожаробезопасной . эффективной эксплуатации угс-ьных целиков.

Методы исследования:

- математическое моделирование процессов возникновения эндогенного пожара за счет низкотемпературного окисления у. ;я и развитие его при фильтрации воздуха через деформированный целик,

- общий теоретический анализ происходящих явлений с целью изучения аэротермохимичзских процессов на газовых шахтах;

- технико-экономическая оценка исследуемых параметров и научное обосдмвнке теоретических исследований.

Новые научные положения диссертации, вьвгсимые на защиту:

а) разработанная математическая модель самонагревания угля с .учетом испарения физически связг ной с ним влаги, порчолящая исследовать динамику температуры, концентрации кислорода воздуха и влажности угля в зависимости от вымени в любой точке деформированного воздухопроницаемого целика. Сопоставление принятой критической температуры самовозгорания рассматриваемого угля с максимальной расчетной температурой угольного целика позволяет установить дополнительно инкубационный период самонагревания угольного .копления;

б) установленный совершенно определенный диапазон пожароопасных скоростей фильтрации воздуха для рассматриваемого целика

определенного размера в от иоде существовавшего / исследователей представления о постоянстве пожароопасных скоростей фильтрации или их пределов (в т.ч. независимо дажз от размеров целг-!*ое и способности угля к окислению);

в) обоснованные вперЕыз в горной практике для целиков значения наиболее пожаре шасньрс (критических) скоростей фильтрации, позволяю:!?« ваделить два тепловыг режима их самонагревания. Один релин ха; актерен для скоростей фильтрации., которые меньше критической, когда теплонакопление идет в условиях дефицита кислорода. Второй режим характерен тем, что ./ри скоростях, больших критической, температура угольного целика понижается за счет конвективного вдаоса тепла;

г) полученные впервые ^зульгатц исследования взаимоач;:яния тешокиньгических и аэродинамических параметров в критер..алы»~й форма при оценке пожароопасное™, позв^пяющиэ выделить 4 области, две из которых (I и П) являются неопасными, область ИГ характеризуется медленным разогревом угля, параметры области 1У являются весьма пожароопасными;

д) построенная номограмма по определению пожаробезопасных размеро. угольных целиков с учетом их состояния от воздействия горного давления, аэродинамических и термок: гетических параметров в конкретЕШХ условиях шахты.

Степень новизны полученных результатов

I.. Обоснованно существование критического значения пожароопасной скорости фильтрации воздуха в целике (а, следовательно и перег да давления его), которое разделяет дв ■ тепловых режима самонагревания. Ксли скорость фильтрации в данном целике меньше критической, то окисление в условиях дефицита кислорода может быть остш »влено за счег поддержан л этой минкм-"ть"ой скорости. Если же скорость фильтрации больше криз-ческой, то температура угольного целика начинает падать, т.". конвективный вынос поеобладае' над генерацией тепла.

'¿. Подтвер'де .о существо в ¡ие эффекта (научное обоснование которому получег^ впервые) перемещения макси мума температур в реагирующей спедо деформированного целика навстре у воздуиному потоку (т.е. навстречу "свежей струе с бо ыиим содержанием кислорода"), а иногда и с про горе -ие" изолиру дюс перемычек.

3. Получены пределы содержания клел'-чода в ф^ьтрущем це-.

лике при оценка пожароопасности его. Если кривда концентрации кислорода во времени имеют вогнутый вид с выходом её на' постоянное значение, то цели; нэ является пожароопасным. При у личзнии скорости фильтрации (что соответствует росту чисел. Рейнольдса) кривые концентр^ии кислорода из вогнутых станов/, ся выпуклыми, что обеспечиваем быстрое самонагревание угля.

Все кривмз пересекаются в одной точке, соответствующей определенному содерканша кислсрсг воздуха и критерию Франк-Каме-иецкого, при ксорюс ш происходит самовозгорания угля.

4. Разработан новый комплексный метод оценки пожарной опасности деф< .жированны., целиков в ..ритер альшй форме. При этом тсрк кинетический критерий Франк-Каменецкого включает все основные параметры, характеризующие склонность угля к самовозгоранию: удельная поверхность окисления, теплопроводность, теплота окисления, энергия активации и предэкспоньнциальный множитель. Кри- -т^шй же Рейнольдса полностью определяет аэродинамические пара-штры воздуха: плотность, динамическая вязкость и скорость фильтрации.

5. Исследованы зависимости температуры очага пожара от на-, сальной влажности угля, которп показывают, ч<?о дня угля с Сольшой влажность» v^orpeB его затягивается во времени вследствие продолжительности испарения влаги. Доказано, что а^ктив-

в ч профилактической ...эрой является увяэжнение угольного целика (чгапрдмер, путем т ?нетания воды в пласт в отличи от случаев, ког, ;а происходит сорбция .влаги углем из воздуха с выделением тепла).

Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в дис зртации.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертации харак-чаризукуся достаточно высокой степе- >ю обоснорпнноети и досто-верносч, что по дтвег'Дается:

- проведением девяти экспериментальных исследований в круп-ио-асштабньк камерах, вместимостью до 650 кг загружаемое угля;

- сопоставлением основных параметров (расчетных к экспериментальных): -важности угля, концентрации кислорода в фильтрующемся воздухе, распределение температуры угля по выс^е камеры и в зависимости от времени продоллительньк (до КО сут) оп.,;гов;

- сравнением pact: тной температуры угля и заверенной в на-

турных условиях шахты, контролируемых в течение 90 сут.;

- положительными результатами внедрения ¿вданных рекомендация (на основании разработанной номограммы) шахтами Кузнецкого и Челябинского бассейнов, а также Приморья.

Личный вклад, автора состоя*, в том, что ок.

1. Разработал математическую модель низкотемг-фатурного окисления угля в рамках механики мнигофаэньк реагирующих сред.

2. Установи. сг"зершенно определенный диапазон nosapooi с-ных скоростей фильтрации воздуха для рассматриваемого целика определенного размера.

3. Обосновал впервые в горной практике для целиков значены наиболее пожароопасных (критических) скоростей фильтрации.

4. Разработал новкЧ комплексный метод оценки пожарной опасности деформированных целиков с использованием критериальной фо,ллн.

Практическая ценность работы заключается в разработке и обосновании:

1. Номограммы по определению ориентировочных размеров целиков с учетом состояния их от воздействия горного давления, аэродинамических и термойинетических параметров в конкретных условиях. Она'базируется "а реализации стационарного распределения температур« в воздухопроницаемых деформированных целиках.

2. Рекомендаций по совершенствованию пожаробезопасных технологических схем, когоркз основываются на У- ювиях эксплуатации малого (постоянного размера) и большого (но уменьшашргося) угольных целиков. Эти условия обеспечиваются соотззтственно учетом схемы проветривания и порядка отработки крыла шахтного поля, а также направлением очистных работ оь.юсторои"его в-лемоцного поля в крыле шахты.

'Реализация Т- .боты в промышленности

Выводы и рекомендации данной работы реализованы в выполненных проектах для шахт "Лолысаевская" п/о "Лэнинскуголь" (Куз-бассгипрошахт) и имени 60-летия Ссюза GP п/о "Шкузбасауголь" (Сио'гипрошахт). Долевые экономические эффекты от рациональных размеров'целиков соответственно на пахтах равны 92 и 91 тыс. оуб./год. Кроме того, з "Рекомендациях пе \тра-лпешта езопчс-ностью труда на шахтах п/о "Ленинскуголь" (Лени.чск-Кузнецчип, 1991) помочен »оо®ре®отну»Ш1«1 материал по пндогекным пожарам.

- ó -

Апробация работы. Оси- зные положения диссертации догладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании по разработке мощных угольных пластов (1974), межведомственных региональна семинарах "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (1976, 1979), региональных научно-координационных совещаниях по проблеме горного давления (1976, 1978), Всесоюзных семинарах по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород (1974, 1980), научной конференции ТГУ по математике и механике (1975), Всесоюзной иколе-семинаре по механике реагипующих сред (1978), научно-методической ког^рекции "Основные проблемы безопасности ведения горных работ" (Iv90).

Публикации. Основные результаты кавдидатской диссертации опубликс аны -в 13 научных изданиях и в одном из совместно написанном разделе монографин.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертации включает введение, пять разделов и заключение, изложена.на 2£0 страницах текста, содержит 12 таблиц, 45 рисунков, список литератулы из 142 наименований и гтр.локения.

В диссертации с общены данные математического моделирования, лабораторных и экспериментальных исследований и результаты промышленных внедрений, выполненных на шахтах восточных бассейнов страны.- Диссертация написана автором самостоятельно по результатам 6 плановых научно-исследовательских работ, в которых он лично участвовал или бьи ответственным исполнителем отдельных этапов.

При проведении трудоемких экспериментов под руководством Е.Д.Фофанова и в решении отдельных задач данные исследований на разных этапах участвовали сотрудники ВостНИЙ: А.Ф.Гришаков, А.М.Филиппов, А.Й.Джексембинйва к др. Автор выражает свою глубокую благодарность соавторам и вс му коллективу за постоянные содействия и помощь в работе.

Автор выражает сердечную ил aro,'.арность за полезное и деловое обсуждение результатов выполненных исследований, за.ценные замечания, советы к помощь докт.техн.наук, профессорам В.В.Ёго-шну, П.В.Егорову, В.А.Колмакову, В.Н.Пузыреву, канд.техн.наук, доц. А.П.Андрианову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Наиболее ценные результат по аэродинамике выработанных пространств получены в работах С.Л.Алехичева, Й.М.Печука, А.Ф. Милетича, В.И.Маевской, А.А.Мясникова, В.Г.Йгюаева, Л.П.Белаьен-цава и.др. В результате этих исследований было установлено, что существует интервал пожароопасных скоростей фильтрации в угольных скоплениях. Но поскольку выработанное пространство характеризуется весь''а сложной геометрией, а также сложным и неоднородным его составом, то данные по пожароопасным скоростям фильтрация отличаются у различных авторов на 2~Г порядка. Кроне того, при установлении диишзона пожароопасных скоростей фильтрации не учитывались конкретно термокинетические параметры угольного скошгения» а принимался во внимание, главным образом, показатель склонности угля к самовозгоранию.

Исследования технологических схем и их параметров на по-иароопасность угольных целиков проводили Бонецкий В.А. (ВостНШ), Егояин В.В. (ВПО "Кузбассуголь"), Игшев В.Г. (ВО ВНЙИГД}, Кулаков Г.И. (ИГД СО СССР). Ifypaaea В.И. 'ВостНШ) и др. В их работах было установлено, что усиленное горное опорное даатение обуслов 'лБает деформацию целиков, а нерациональные схемы и ре-жита проветривания обеспечивают в течение д-чтельного времени фильтрацию воздуха в них. Причем про, jtktu окисления выносят-я, к ait правило, в вц-лботанное пространство, а не на исходящую струю действующего „часгка, что в свою очередь весьма усложняет оперативный контроль за развитием возможного эндогенного пожара.

При разработке в ВостНИИ комплексного метода обеспечения безопасного ведения горных пабот была обоснован^ необходимость нагнеа^ния воды а угольнчй пласт. Ррботы в этом направлении „ро-водилясь 0.И.Черновым, В.Я.Пурчревым, B.C.Черкасовым и дю.

Выполненные исследования при решении этой проблемы дают возможность перейти от оценки пожароопасности выработанного пространства с ег" трудно о предел яемкми и малодостоверными трамет-X тми к оценке поасагю ласности -гольньк целиков, в т.ч. и методами математического моделирования. Тем болгэ уже имеются наработки в этом направлении у Баево Х.А. и Саранчук? В.И. (МакНШ), Глуэбепга ЕЛ. (КарЛИ), Каминского А.Я. СостНИИ) и др.

Уравнение сохранения анергии в разработанной математической «одел., представляет собой тепловой баланс, который складывается за'счет теплопроводности, конвективного переноса тепла следствие фильтрации воздуха, генерации тепла за счет окисления угля и потери его в резух тате гпарения влаги:

(3)

г Е \

При зтзм, = \ ~jpp; - скорость окисления

угля ки слородом во здуха; = й^ф^й^ ( Р0 ехр Рпар)

- скорость испарения влага из угля» *

Аналогичным образом бьши получены уравнения сохранение, массы ко.'.шонен'. эв воздуха, массы окисляющегося угля и испаряющейся

ъх ги, а также количества движения:

+ > - (2>

А,...?..

К ' .дх. (7)

Система уравнений тепло- и массопереноса замыкается уравнением состояния и-алгебраическими интегралами:

¿Ъ =/; £ .

<" ^ (8,9,10)

Граничные и начальные условия также представляют закок.. сохранения энергии л ве-ества на границе угольного целика:

, ¿о.ху-См,и(0,х),¿Г ; (п}

I** 41

(13)

Последние уравнения дополнякг-л условиями зпреркэности температуры и концентрации на границе, а давление фильтрующегося впдуха равно его значению в действующей выработке:

В приведенной системе уравнений (I - 14) приняты следуюп?{е обозначения: ^ - плотность соответственно угля, окси-угля, воздуха и воды, кг/и3; - теплоемкость соответствутощях

конденсированных компонентов, да/кг град; -А; - их теплопроводности, Дя/мсград; Сь - массовая концентрация кислорода;

- удельная теплота окисления угля, Д*/кг; - объемные доли конденсированных фаз; V - истиная скорость фильтрации, м/с;

Р - давление воздуха в реагирующей среде,. Н/м^; - коэффициент проницаемости угольного целика, м , • эффективна коэффициент диффузии, м^/с; ,/£• - коэффициент динамической вязкости воздуха, Па с; £> - удельная поверхность окисления, м^/м3;

К'0 , Ь - эффективные значения предэкспоненты (м/с) и энер- ' гии активации (Дк/моль)'; Л - коэффиц нт испапения;

- давление насыщенных паров, Н/м^; Рпар - парциальное даячеш-Го, Н/м^; «<■ - кос"хфициент лове; сностной теплоотдачи, ,Дк/м3е град.

Для решения пторой поставленной задачи были проведены экспериментальные исследования в крупномасштабной камере. По высоте камеры в 5-ти её сечениях были улозг ны термодатчики и воздухе-отборные трубки для отбора газовых проб. В камеру сэгрупгугссь до 650 кг угля, через который осуществлялась фильтрация воздуха.

Сопоставление основных параметров {расчетных ¡5 г •сперкмок-тальнмх) позеолгшо констатировать, что влажность угля, изменение

(14)

концентрации кислорода в наблюдаемом 3-ем сече т, а также распределение температуры угля но высоте камеры имеют разброс не более 10-12 %. Расхождение экспериментальной и расчетных температур в зависимости от времени проведения вполне достаточное для инженерных расчетов.

Для проверки адекватности температуры уг..я во времени были использованы эксперименты, проведенные в натурных условиях шахты "Капитальная" на пласте Пожарном. При организации шахтных наблюдений мы исходили из того, чтобы не допустить в процессе эксперт'«гита перехода самонагревания в активно ра~ »отваюи'чйся пожар с выделением дшп и открытого огня. Для '»того на участке имелась возможность изменять перепад давления и количество воздуха. Сравнение расчетных и экспериментальных значений температуры, контролируемой в течение 90 сут., показывает, что расхождение этих величин не превышает б %.

Широко звестное в практической деятельности понятие "движение очага самонагревания навстречу свежей струе" впервые научно подтверащено нами расчетами на примере 10-метрового Профилактического барьерного целика. Расчеты показывают, что максимум температуры перемещается с 9 м на 10-е сутки в область I м на сут.(рис.1,а).

Представленные ^счетные кривые изменения влажности угля по ширине целика при решении третьей поставленной задачи позволяют утверждать, что процесс интенсивного испарения влаги из угля идет в зонах с повышенной температурой, т.е. максимальное значение температуры угля совпадает с точками минимальной его влажности. Скорость лее испарения резко возрастает при температурах'выше 80°С.

Исследование зависимости температуры очага пожара от начальной влажности угля показывает, что для угля с влал. .остью 18,6 % разогрет его затягивается во времени вследствие продолжительности испарения влаги. Дня угля с влажностью 9 % наблюдается интенсивный рост температуры по экспонент уже к 40 сут, что говорит о переходе самонагревания в возгорание.

Таким образом, целики, из которых по каким-либо причинам утла вода (например, в местах геологических нарушений или в процессе подработки их) при прочих равных условиях яачянтся более пожароопасными. И, наоборот, увлажнение угольного целика (напри-

а) Т'с

Т, К

147

12?

¡07

(>7

41С 4-

г,о

310

3 1 -!

/ ' ' ^ ъ

гттг

с 10

г, и

400 800 1200 16С0 О., л/ч

г,2 <5,4 6,6 V-10'1, мА«н

Измзненке температуры р.о времени: а) в целиках 1-10, 2-15, 3-20, 4-29 сух.; б) в зависимости от скорости фильтрации воздуха 1-10, 2-20, 3-30, -1-34, э-40 сут.

мер, путем нагнетания воды в пласт, в отличие от случаев, когда происходит сорбция влаги углем из всидуха с выделением тегат-) будет являться эффективной профилактической мерой в борьбе с эндогенными пожарами.

Наибольшее внимание при исследованиях бы э отведено скорости фильтрации воздуха, которая является наиболее технологически управляемым параметром.

Расчет • жазывает, что при скорости 2,8'10"^ м/мин окисление происходит в условиях дефицита кислорода, в ре ультате чего зона наибольшего разг"рева перемещается навстречу свежей струе с 4,5 до 1м. При этом нагревание задерживается во времени и температура 167°С достигает только на 40 сутки. Ори увеличение скорости фильтрации в 4 раза очаг пожара практически передвигается только на 0,5 м, т.е. при датой скорости в очаг подается достаточное "ол..чество кислорода и та ке емпература достигает уде к 18 суткам.

Оценивая ке влияние размера целика на его разогрев, приходим к выводу, что р; х целика определенного размера существует совершенно определенный диапазон пожароопасных скоростей фильтрации в отличие от существовавшего,у исследователей представления о постоянстве пог-фоопасных скоростей фильтрации или их пределов в рассматриваемой реагирующей среде.

Представленный на рис.1,6 расчет показывает, что в течение 30 сут температура в угле не поднимается выше критической ни при каких значениях скоростей фильтрации воздуха. Если работы на участке будут продолжаться более 30 сут, то ситуация может измениться в худшую сторону, т.к. для довольно большого диапазона скоростей (4,4-8,8)' 10""^ к/мин наблюдается интенсивный рост температуры.

Максимум температур разогрева соответствует скорости 6,6*10"^ м/мин в данном целике, прк которой прекращается перемещение очага пожара "навстречу свежей струе", "ри дальнейшем увеличении скорости фильтрации воздуха температура угольного целика начинает падать за счет конвективного выкоса тепла, когда последний преобладает над генерацией. Таким образом, для данного целика ,корость фильтрации 6,6'Ю-*" м /тн является наиболее пожароопасной. Поэтому в дальнейшем будем называть ее критической.

При увб. гчэник размера целика возрастают как нижние, так и

иэрхнко пределы пожароопасных скоростей, а тг -же увеличиваются критические значения скоро-тей ( льтрации: для пятгметрового целика это значение равно 17,2* 10""*" м/мин, для десятиметрового соответственно 22,5'10 м/мин.

Самонагревание угля з выработанном пространстве и переход его в возгорание определяется кроме аэродинамики (скорости фильтрации' и эффективности изоляции (содержание кислорода) природными свойствами угля к окислен'яо, т.е. его химической активностью. Исследования взаимовлияния термокинетических и аэродинамических параметров были проведены нами в критериальной форме.

Термокинетический критерий Франк-Каи:енеЦи0Г0 включает все основные параметры, характеризующие склонность угля к самовозгорании: удельная поверхность окисления, удельная теплота окисления, теплопроводность, энергия активации и предэкспонентн^..1 множитель.

Критерий же Рейнольдса полностью определяет аэродинамические парамет; i воздуха: плотность, динамическая вязкость и скорость фильтрации:

Расчеты по: азывают, что при значении критерия Франк-Кг ie-нег ого 0.0.J7 для любых чисел Рейнолгдс , а, с: довательно, и скоростей фильтрах и самонагревания угля не происходит.

При возрастании хим. веской актишости угля в два раза, что соответст-ует критерию Френк-К^енецкого 0,023- числа ¿еп.юльдса ув шчивались с 0,01? до 0,111. При этом наблюдались совершенно г-ззл чные режимы самонагревания угольного ц^ика: стационарное рчепределение температуры;

- медленны, разогрев в течение 4- месяцев;

- экспоненциальный рост температуры, свидетельствующий о тмовозгоршиг угольного целика;

- .онвективний унос тепла.

Для болеь точной оценки пожароопасное?!! угольных целиков проведем совместный анализ графиков температуры и концентрации кислорода воздуха (риг. 2). Приведенные расчеты показывают, что угольный целик "е явл зтея пожароопасным, если кривые концентрации кислородг имеют зо гнутый вид с выходом её на постоянное значение. При увели .знии чисел Рейнольдса кривые ко]";ентрации кислорода из вогнутых становятся выпуклыми, т.е. при данной скорости фильтрации стартовые значения концентрации кислорода сохраняются выше 15 / в течение длительного времена (бпдее 20 сут.), что обеспечивает быстрое самонагревание унт ь К моменту же возгорания происходит в целике резкое снижение концентрации кислорода.

Все кривые пересекаются в одной точке, соответствующей определенному содержанию кислорода и критерию Оранк-Каменец :ого, при которых не происходит самонагревания угля. Так, например, д,<я критерия Франк-Каменецкого 0,023 пожаробезопасное содержание кислорода равно 10 %, для 0,05 эта концентрация кислорода не должка превышать Ь%.

При разработке рекомендаций по безопасна эксплуатации угольных целиков (в чроцессе решения четвертой поставленной задаем) -сделано обобщение всех представленных исследований (рис.3). При отом удалось ввде^ить 4 области, две из которых (I и П) являются неопасными. При этом в области I не происходит самон^/'ре-вания угля "следствие малой способности угля к окислению или конвективного выноса тепла. В области П с ростом химиче^.сой активности угля п^и данных скорост-тх фильтрации воздуха окисление происходит в условиях острого дефицита кислорода. •

В области Ш самонагревание до критических температур происходит в течение 3-6 месяцев. .Эта область медленного разогрева названа, малоопасной. Облить 1У характерна те,.., что критические темпер^гуры ; стигатся уже за 1,5-2 месяца. Поэтому целики, имеющие такие кинетические и аэродинамические паг ч. тры, являются весьма пожароопасными.

Решение задачи о самонагревании угольного целика в полно., объеме являем^я задачей трудоёмкой, гребу дей программы и компьютера. С целью осуществления прак: '.ческого выхода данной работы по определению ориентировочных размеров целиков с учетом состоп-иия их от воздействия горного давления, аэродинамических и тер-

ti Г

-5—

7 /

10 £0 ;0 43 ЬО t. uO 70 T, сут

Рис.2- Зависимость содержания кислорода воздуха от чисел Рейнольдса: I - 0,017; 2 - 0,028; 3 - 0,040; 4 - 0,056; 5 - 0,084; 6 - С,III; 7 - 0,034

Рис.3. Тер'юкпноткческие и аэродинамические критерии эндогенной

п о:;;г по опасно сти

- Ш -

мокинетических параметров в конкретны условиях была построена номограмма. Она базируется на реали ации стационарного распределения температуры в „оздухопрокицаемых деформированных целиках .

Разработанная классификация по совершенствованию пожаробезопасных технологических схем основывается на условиях эксплуатации малого (постоянного размера) и большого (но уменьшающегося) барьерных целиков. Эти условия обеспечиваются соответственно учетом схемы проветривания и порядка отработки крыла шахтного поля, а также направлением очистных работ однои^орон-него выемочного поля в крыле шахты;

Вуоды и рекомендации данной работы реализованы в выполненных проектах для махт "Полысаевскэя" л/о "Ленинскуголь" (Куз- , бассгипрошахт) и имени 60-летия Союза ССР п/о "Кккузбассуголь" (Сибгинрошахг). Долевые экономические эф^кты от рациональных размеров целиков соответственно на шахтах равны 92 и 91 тыс. руб./год. Кроме того, в "Рекомендациях по управлению безопасностью труда на шахтах п/о "Яенинскуголь" (Ленинск-Кузнецкий, 1991) помещен соответствующий материал по эндогенным пожарам

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема безопасного и аф1Лзктивного веде.мя горных работ при разработке газоносных сближенных пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, является весьма сложной. Геомеханические процессы, которые происходят вокруг очистного забоя, воздействуют на ь-ещажцие породы и оставляемые угольные целики, превращая последние в воздухопроницаемую .реагирующую среду. Существу-, юиие в данных условиях действующие напоры и перепады давления воздуха по сети горных выработок оздамт оптимальные условия для возникновения и развития эндогенных пожаров от окисления угля. Эти пожары осложняют в болыаи-стве случаев технологию очистных работ, а иногда приводят к взрывам метана.

В диссертационной работе даю новое решение научной задачи по разработке и обоснованию пожаробезопасных параметров угольных целиков.

Кеиб лее важные научные и практические результаты, выводы :: рекомевдации выполненной работы заключаются в следующем.

- 17 -

1. Разработана на основе теории многофазных реагирующих сред и реализована в виде программ дал ЭВМ матемаи. .еская модель самонагревания угольных барьерных целиков.

Произведена проверка адекватности математической модели реальным аэротермохимическим процессам при низкотемпературном окислении угля путем сопоставления расчетных и экспериментальных значений параметров.

2. Получено оперено е горно{. практике научно-теоретическое обоснование эг^кта перемещения максимума температур в реагирующей среде деформированных целиков навстречу "свежей струе" с большим содержанием кислорода.

3. Установлен для определенного размену барьерных целикоь совершенно определенный диапазон пожароопасных скоростей фильтрации .

Рассчитаны для целика данного разора значения наиболее пожароопасной скорости фильтрации, при -оторой прекращается дви-яониз очага самонагревания угля навстречу "свежей струе" и его положение стабилизируется в месте первоначального разогрева. Эта скорость определяется как критическая. Прегашение этой скорости приводит к пониженш температуры в целик за счет конвективного выноса -ж^пла.

4. Установлено впервые, что ввд кривых распределения концентрации кислорода по пути фильтрации воздуха как в деформированных целиках, тан и в выработанном пространстве подконтрольных участков обусловливает их пожароопасность. Вогцутый вид этих кривых с вмходом на её постоянное значение позволяет отнести исследуемый целик и непожароопасны\\ а выгткллй - к пожароопасным- При этом лограни чая кривая между шили разделяет области самовоспламенения и медленного разогрэва угля, а скорость фильтрации, соответствую ,ая пограничной кривой, 'у,;зт миндальным значением пожароопасной скорости для данного барьерного целика.

Получены расчетные кривые изменения влажности угля по нлрине целика, которые показывает, что 1роцесс интенсивной С'-аки адет в зонах с повышенной температурой, т.е. максимальное значение температуры угля совпадает с точками минимальной его влаж-юсти.

- 18 -

0. Обоснованы в процессе расчетов количественные значения основных критериев подобия: термокинетического Франк-Каг-нецко-гоч, характеризуюирго реакционную способность угля к окислению, я аэродинамичесого Рьлнольдса, описывающего фши рацию воздуха и содержание кислорода в деформированном барьерном целине.-Соотношение между этими критериями позволяет отнести подконтрольный целик к одной из четырех областей впервые разработанной классификации педароопасности.

7. Предложен инженерный метод оценки и выбор ориентировочных раг теров угол, лих барьерт с цел"ков, для чего построена номограмма, учитывающая геомеханическое состояние целика и аэро-термогазодинамическ.ие параметры его.

8. Разработана '-пассификация по совершенствованию основных технологических схем., базирующаяся не комплексном учете направления очистных работ в одностороннем выемочном поле, схемы проветривания и порядка отработки крыла шахтного поля. Главное внимание автором уделено рассмотрению малых (постоянного размера)

•л больших (но уменьшающихся) размеров барьерных угольных целиков. .

9. Включены основные практические положения данной диссертации в "Рекомендации по управлению безопасностью труд„ в очист-т-х и подготовительны: выработках на шахтах п/о "Ленинскуголь" (Ленинск-Кузнецкий, 1991). Произведены технико-экономическая оценса и вы^р ложаробезопасных схем проветривания, а также параметров ведения горных работ с учетом обоснованных размеров барьерных целиков в процессе разработки проектов для шахты "По-днсаевская" п/о "Ленинскуголь" и шахты имени 60-детия СССР кон-

зрна "Кузнецкуголь". При этил утверздеиныо среднегодовые народ-ь хозяйственные долевые эффекты соответственно по.шахтам равны 92 и 91 тыс.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в оаботах:

1. Сменка фильтрационных прососов воздуха вокруг очистных ыработок на сближенных пластах / В.А.Бонецкий, В.Д.Бо^атырев,

А.С.Богатырев' и др. - В сб.: Аналитические методы и вычислительная техника в механике "•орньк пород. Материалы ХУ на^ но-коорди-. национного совещания по проблемам горного давления. - Новосибирск ИГД СО АН СССР, 1975, С.71.

2. Плоская задача фильтрации с внутренними источникам* в сложной по структура стеде / В.Д.Богатырев, А.С.Богатырева, В.А.БонецкиЯ и др. - L сб.: Материалы пятой научной конференции го математике и механике (секция аэротермохимии). - Томск,

1975, С.58 (Томск, гос.ун-т).

3. Богатырева A.C., Бонецкий В.А. Теплофизиче-жие процессы при низкотемпературном окислении угольных скоплений. - В сб.: Материалы пятой ь-утчой конференции по математике и механик (секция аэротермохимии). - Томск, 1975, С.59. (Томск, гос.ун-т).

4. Оценка воздухопроницаемости массива при разработке сближенных пластов / В.А.БонецкиЯ, В.Д.Богатыргв, A.C.Богатырева и др. - Физико-техни'-^ские проблемы разработки полезных ископаемых, 1975, 2, С.91-98

5. Бонецкий В.А., Богатырева A.C., Егошин В.В. О математической модели низкотемпературного окисления угольного скопления.

- Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых,

1976, № б, С.106—III.

6. Гришин А.!,!., Богатырка A.C., Бонецкий В.А. Моделирование процессов тепло- и массопереноса при возникновении эндогенного пожара в шахте. - В сб.: Макроскопическая кинетика и химическая газодинамика: ^ез. докл. первого Всесоюзного симпозиума.

- Черноловка: 1984, Т.2, часть I, С.489.

. 7. Основы перехода ст параметров моделирования к физико-химическим процессам самовозгорания угля в иг ;те / В.А.Бонецкий, А.И.Дтексембинова, А.С.Богатырева и др. - В сб.: Предупреждение эндогенг-тс пожаров в шахтах. - Кемерово: ВостНИИ, 196и, С.75-91.

8. Б"нецкий В.Л., .фкексембинова А.И., Богатырева A.C. Аэротермодинамические реждаш выработанных лространотв нз стадии разработки проектов реконструкции шахт. - В сб.: Предупрежден« эндогенных пожара j в шахтах. - .{емерово: ВостШИ, Т986, C.91-II0.

9. Бонецкий. В.А., Богатырева A.C. Комплексное обеспечение безопасных'и эффективных проектных решений на шахтах. - В сб.: Научно-технические проблемы развития l лхт. - Кемерово: Межвуз. сб.КузПИ, 1989, С.10-19.

10.'Бонецкий В.А., Богатырева A.C. Аэротермохилические процессы в деформированных барьерных целиках. - В сб.: гтвершенст-вование подземной разработки месторождений. - Кемерово: Кзявуз. сб. КузПИ, Ii Л, С .123-130. .

-so-

11. Еон^цкий В.А., Богатырева A.C. Технологическое обеспечение объемной изоляции выработанного пространства в борьбе с

аедогенчыми подарами. - Уголь, 1990, № ГО, С.42-43.

12. Бонецкпй В.А., Богатырев В.Д., Богатырева A.C. Комплексный метод динамкческого прогноза безопасного и эффективного ведения горны., работ. - Уголь, 1990, № 10, С.5.

13. Бонецкий В.А., Богатырев В.Д., Богатырева A.C. Аэродинамика у барьерных целиков разработке газоносных пластов. -3 сб.: Управление газоввделением в угольных шахтах. - Кемерово: педвуз. сб.КузПИ, 1990, С.32-38.

В г ,едставлен.^ос публикац: к по-'зщекы основные результаты ди -¡ертации, которые получены с использованием разработанной автором математической модели и программы для ЭВМ.

facta

Подписано в печать 21.08.92. Заказ , тираж 100 экз. Печатт. офоетная. Обт-^и 1 п.л. «Sopu^r 60x84/1f . Тиаог^кбия Кузбасск'Ч'0 политехнического института. 65002 < ,Кеие^ .во,Красноармейская, 115.