Проблемы предотвращения и локализации взрывов в шахтах

ПРОБЛЕМЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЗРЫВОВ МЕТАНА В ШАХТАХ

Существующие технологии подземной добычи угля требуют энерговооруженности очистных и подготовительных забоев и сопряжены с опасностью накопления в шахтной среде больших объемов горючих газов и пыли. Отсюда возникает проблема предотвращения возможных взрывов метанопылевоздушных сред и сведения к минимуму последствий разрушительного воздействия образующихся воздушных ударных волн. Этой проблеме всегда уделялось и сейчас уделяется повышенное внимание, разработано много способов, средств и схем управления газовыделением, направленных на предотвращение этого грозного явления.

Тем не менее количество взрывов газа и пыли в шахтах остается стабильным — от 2 до 5 в год, о чем могут свидетельствовать данные, например, за годы независимости Украины.

НИИГД в 2006 г. исследованы параметры загазирования горных выработок и формирования взрывоопасной среды при газодинамических явлениях.

Результаты теоретических исследований и разработанная математическая модель процессов загазирования горных выработок при газодинамических явлениях подтверждены наблюдениями и результатами расследования аварий за прошедшие 35 лет МакНИИ, ИГТМ и НИИГД, а также материалами ГВГСС по ликвидации последствий газодинамических явлений.

На основании исследований разработана методика компьютерного расчета параметров загазирования горных выработок и формирования взрывоопасной среды. Этот расчет позволяет в определенной степени обезопасить работы по ликвидации последствий загазирования выработок, а в дальнейшем прогнозировать загазирование при составлении планов ликвидации аварий, оценивать зону поражения при разведке аварийного участка и в ходе ведения горноспасательных работ.

Однако ситуация резко усложняется при возникновении пожара. Даже непрерывный газовый и температурный контроль полностью не исключает возможности возгорания и взрыва пылегазовой смеси. И как показал анализ последних аварий, эта проблема все еще продолжает оставаться актуальной, принимая в последние годы даже угрожающий характер, если учесть последствия в экономическом и социальном плане.

Проблемой предотвращения взрывов при ликвидации пожаров ученые занимаются более 100 лет. Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования проведены в 60-х годах прошлого столетия. Тогда же были разработаны нормативные документы по изоляции пожаров с применением инертных газов, оборудование для их запуска в пожарные участки. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований и создано оборудование для возведения взрывоустойчивых перемычек.

Большое внимание уделялось безопасности работ по тушению пожаров при угрозе взрывов, чему предшествовал ряд аварий с тяжелыми последствиями. В Карагандинском отделении ВНИИГД более 30 лет вели работы по изучению распространения ударных волн в горных выработках, выполнены уникальные эксперименты в трубах и штольнях. Полученный экспериментальный материал позволил разработать методику, которую используют по настоящее время [8].

Эта методика, основанная на ручном счете, качественно верно описывает основные явления движения ударной волны по горным выработкам, но имеет ряд принципиальных недостатков, которые могут при определенных условиях непредсказуемым образом исказить картину оценки параметров ударной волны и, следовательно, безопасного расстояния в сторону завышения и в сторону занижения.

Во-первых, методика не учитывает особенности затухания ударных волн малых давлений (менее 0,05 МПа). В то же время такое давление все еще приводит к существенным разрушениям и смертельным травмам работающих в шахтах. Для наглядности (см. таблицу) приведем некоторые данные, заимствованные из работы [6].

При действии ударной волны в течение 20…200 мс оказывает влияние давление на ее фронте. Так, при избыточном давлении 30…105 кПа разрушаются барабанные перепонки, при избыточном давлении 40…100 кПа происходит сильная контузия и травмы, связанные с повреждением внутренних органов, кровеносных сосудов мышц. Даже при незначительном избыточном давлении ударной волны, достигающем 20…40 кПа, возникают легкие контузии и травмы, характеризующиеся головокружением и головной болью [5].

Ориентировочные значения избыточного давления ударной волны, характеризующие разрушение объектов, коммуникаций и оснащения горных выработок.

При воздействии ударной волны в течение более 200 мс для человека становится опасным избыточное давление и скорость потока воздуха.

Вероятность травмы человека от действия ударной волны.

Представляют опасность летящие с воздушным потоком куски породы, металла, дерева и пр.

Во-вторых, сам метод маршрутного расчета давлений в горных выработках согласно [8] сложен, трудоемок и не всегда обеспечивает необходимую точность вычислений. Особенно это проявляется при густой сети выработок, когда имеется несколько путей прохождения ударной волны, а расстояния между сопряжениями невелики. Погрешность расчетов накапливается из-за большого количества разветвлений и малых расстояний между ними, поскольку имеющиеся зависимости дают удовлетворительные результаты лишь при достаточно больших расстояниях между сопряжениями.

Далее, существующая методика не учитывает отражение ударных волн от твердых поверхностей в местах поворота, их взаимодействия и формирования волн разряжения.

Таким образом, возникает необходимость исследования ряда сложных процессов воспламенения, взрыва и распространения пламени и ударных волн на новом, качественно более высоком уровне для последующего уточнения и дополнения существующей методики.

Исходными материалами для расчетов параметров ударных волн должны служить зависимости по определению зон загазирования l и объема метанового слоя [2].

(1).

где l — длина зоны загазирования, м;

С_ф — доля метана на подходе воздуха к слоевому скоплению, %;

q — дебит метана, образующего слой, м³/мин;

• S — площадь сечения выработки, м²;
• — скорость воздуха, м/с.

Объём метанового слоя V, м³, определяют по формуле.

. (2).

Математическая модель такой задачи в общей постановке для взаимодействия различных источников тяги в горной выработке и путь ее решения приведены в работе [9]. Этот метод применим и в случае распределения динамически активных газов в наклонных и горизонтальных выработках. Такой путь решения позволит установить, когда происходит переход от простого горения к детонационному и каковы его концентрационные пределы. Это, очевидно, зависит и от толщины метанового слоя. При тонком слое будут происходить хлопки, а при толстом слое пламя распространится не только по длине, но и в глубь слоя, что вызовет мощный взрыв. Зная объём взрывоопасной концентрации метана, можно определить количество выделяющейся теплоты, а по нему — температуру горения. Простая зависимость [1] даёт возможность установить скорость движения воздуха перед ударной волной:

(3).

где — скорость движения воздуха, м/с;

Т_г — температура горения, К;

Т₀ — температура за ударной волной, К.

Для расчёта формирующегося давления в ударной волне большой интенсивности может быть использована формула [1].

(4).

где Р₂ — давление в ударной волне, Па;

Р₁ — давление за ударной волной, Па;

г — отношение удельной теплоёмкости газа при постоянном объеме к удельной теплоемкости при постоянном давлении (принимается для воздуха г = 7/5 [7]); с — скорость звука, м/с.

Так, принимая температуру детонационного горения Т_г = 2000 К;

Т₀ = 300 К, найдём по формуле (3) скорость движения воздуха перед ударной волной, равную х = 1673 м/с. В этом случае согласно формуле (4) отношение давления в ударной волне и за ней при скорости звука с = 340 м/с будет равно Р₂/Р₁ = 40,7. Подтверждением таких расчётов являются экспериментальные данные [3], где указывается, что скорость детонации в газах достигает 1500…3500 м/с, а давление при нестационарном режиме быстрого горения в закрытых объёмах в сотни раз превышает начальное.

Вместе с тем при расчётах параметров ударных волн от взрывов газов и пыли [2, 9] максимальное давление в сформировавшейся волне принимается в диапазоне 0,2…2,8 МПа, что, как видно, может не соответствовать действительности.

Таким образом, возникает необходимость постановки и решения задач слоевого и общего загазирования горных выработок и формирования ударных волн в зоне детонационного горения и за её пределами.

взрыв горный выработка детонационный.

• 1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика / Г. Н. Абрамович. — М.: Наука, 1969. — 824 с.
• 2. Бобров А. И. Борьба с местными скоплениями метана в угольных шахтах / А. И. Бобров. — М.: Недра, 1988. — 148 с.
• 3. Иванов Б. А. Физика взрыва ацетилена / Б. А. Иванов. — М.: Химия, 1969. — 180 с.
• 4. Палеев Д. Ю. Математическое моделирование активного воздействия на взрывоопасные области и очаги горения в угольных шахтах / Д. Ю. Палеев, О. П. Брабандер. — Томск: Изд-во Томского ун-та, 1999. — 201 с.
• 5. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях / А. Е. Усинов, А. Е. Голик, Д. Ю. Палеев, Н. Р. Шевцов. — М.: Недра, 1990. — 286 с.
• 6. Соболев Г. Г. Горноспасательное дело / Г. Г. Соболев. — М.: Недра, 1979. — 432 с.
• 7. Тихонов А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. — М.: Наука, 1966. — 724 с.
• 8. Устав ГВГСС по организации и ведению горноспасательных работ: ДНАОП 1.1.30−4.01−97. — Киев, 1997. — 453 с.
• 9. Ушаков К. З. Газовая динамика шахт / К. З. Ушаков. — М.: Недра, 1984. — 248 с.