Актуальность работы. Среди аварий в угольных шахтах эндогенные пожары занимают особое положение. Так как объемы выполняемых работ, трудозатраты на ликвидацию этого вида аварий и их последствий подразделениями ВГСЧ, являются наиболее значительными в связи с тем, что эти аварии часто сопряжены с привлечением мощных средств пожаротушения, инертизации шахтной атмосферы, криогенной техники, средств механизации для возведения изолирующих сооружений. Кроме того, образующиеся при этом ядовитые пожарные газы представляют опасность для производственного персонала. Наличие высокой температуры и открытого огня при развитом эндогенном пожаре осложняет положение опасностью взрыва, что делает работы при ликвидации аварий опасными для жизни горноспасателей.
Широко применяющийся метод изоляции пожарных участков при отработке мощных пологих пластов в настоящее время становится экономически невыгодным. В силу того, что приходится консервировать значительные запасы угля, дорогостоящее горнодобывающее оборудование и т. д. Во всех угледобывающих странах приоритет отдается созданию активных средств подавления самонагревания и самовозгорания угля. Для применения активного способа тушения эндогенных пожаров необходимо знать точное местоположения очага самовозгорания. Создавшееся положение определяет необходимость поиска новых и уточнения области применения существующих способов прогноза, локации, локализации и тушения эндогенных пожаров.
Анализ патентной, научно-технической информации, а также практики ликвидации этого вида аварий показывает, что эффективность применения того или иного способа активного воздействия на очаг эндогенного пожара в значительной степени повышается, если присутствует информация о реальном местоположении очага пожара в выработанном пространстве, имеются необходимые для этого технические средства. Особенно это актуально при отработке мощных пологих пластов, где условия изоляции выработанного пространства весьма затруднены.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров при отработке мощных пологих угольных пластов.
Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработанном пространстве и разработка на этой основе способа локации очагов самонагревания. Задачи исследований:
1. Изучить физико-химические условия развития процесса самонагревания угля с целью установления закономерности формирования очагов эндогенного пожара в пористой среде выработанного пространства.
2. Разработать математическую модель самонагревания в выработанном пространстве выемочных участков при отработке мощных по-логопадающих пластов угля с учетом конвективного выноса тепла утечками воздуха, массопереноса кислорода и кинетики химической реакции окисления в пористой среде.
3. Разработать метод расчета утечек воздуха, концентрации кислорода и температурного поля в пористой среде выработанного пространства в трехмерной геометрии;
4. Разработать способ определения мест возникновения очагов эндогенных в выработанном пространстве действующего выемочного участка.
Методы исследований. Основными методами являются: аналитические и экспериментальные исследования физических условий процессов самонагревания угляиспользование современных измерительных средств с последующей обработкой информации на персональных компьютерахфизическом моделировании и изучении в натурных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Процесс формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве действующего выемочного участка зависит от тепло — физических характеристик угля и вмещающих пород, величины, влажности и геометрии утечек воздуха, кинетики реакции окисления и протекает неравномерно с течением времени, увеличивая свою интенсивность с ростом температуры;
2. Решение математической модели, на базе разработанных алгоритмов, сходится к решению исходной дифференциальной задачи;
3. Решение трехмерной математической модели самонагревания угля обусловило разработку способа определения места возникновения очага самонагревания в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработке мощных пологих пластов в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Достоверность научных положений подтверждается:
1. Необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;
2. Удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;
3. Положительными результатами экспериментальных исследований разработанного способа локации в натурных условиях.
Научная новизна заключается в следующем:
— реализована система дифференциальных уравнений, описывающих процесс фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка в трехмерной постановке;
— доказана сходимость итерационного попеременно — треугольного метода численного решения трехмерных фильтрационных уравнений;
— разработан алгоритм расчета задачи самонагревания в скоплениях угля, позволяющий определить место нахождения очага самонагревания и рассчитать возможные варианты его подавления.
Личный вклад автора состоит:
— в разработке математической модели самонагревания в пустотной среде выработанного пространства при отработке мощных пологих пластов;
— в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма итерационного попеременно — треугольного метода реализации системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке, алгоритма решения системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода;
— в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;
— в разработке способа определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве.
Практическая ценность работы:
— разработанный способ позволяет определять места возникновения очагов самонагревания в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях разработки мощных угольных пластов Кузбасса;
— разработанные программы расчета позволяют определять поля скоростей фильтрации воздуха и температур в выработанном пространстве в максимально короткое время.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы и ее основные этапы обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах: ВУ ВГСЧ угольной промышленности, ученого совета ВНИИГД г. Донецк, 1987 — 1988 гг., Рос-НИИГД, 2002 г., НЦ ВостНИИ, 2002 г., Международной научно-практической конференции, Кемерово 2002 г., Новокузнецкого, Прокопьевского ОВГСО 2004 г., РосНИИГД 2004 г.
ВЫВОДЫ.
1. Математическая модель теплонакопления в выработанном пространстве, в основном, адекватно отражает реальность;
2. Полученную погрешность можно объяснить тем, что при расчетах применялись коэффициенты, отражающие физико-химические свойства угля и вмещающих пород, рассчитанные в среднем для пласта, без учета возможных аномалий в конкретных условиях.
3. Для практического применения разработанного комплекса программ необходимо провести дополнительные исследования физико-химических свойств угля и вмещающих пород, а также аэродинамики выработанного пространства при бесцеликовой системе разработки.
5. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОЧАГОВ ЭНОДГЕНННЫХ ПОЖАРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ.
Непосредственному горению угля в выработанном пространстве предшествует длительный процесс образования очага. В этот период, на неоднородность нагрева пористой массы наряду с выделением тепла в результате окисления в значительной степени оказывают утечки воздуха. Это и теплообмен между фильтрующимся воздухом и обрушением и приток свежих порций кислорода. Вместе с тем, различная способность к аккумуляции, передачи тепла углем и вмещающими породами также способствуют формированию очага.
Способ определения мест возникновения очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве основан на математическом моделировании процесса низкотемпературного окисления угля для конкретных горногеологических и горно-технических условий. При моделировании были приняты следующие предположения:
1. Процесс накопления тепла в выработанном пространстве действующего выемочного участка, определяется как теплофизический процесс. Обрушенные породы кровли, потери угля, рассматриваются как сплошная среда, наделенная теплофизическими и фильтрационными свойствами, источниками тепла и стоками кислорода.
2. При описании фильтрации воздуха не учитывается газовыделение из обрушенных пород.
3. Процесс разогрева угольной массы рассматривается на стадии низкотемпературного окисления, когда не происходит значительных изменений теплофизических характеристик, изменения сорбционной способности и выгорания угольной массы.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований был разработан комплекс компьютерных программ POGAR на алгоритмическом языке Pascal.
Для выполнения расчетов необходимо заполнить входной документ, представленный в таблице 5.1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации разработана и решена трехмерная математическая модель самонагревания угля в выработанном пространстве, на основе которой разработан способ определения мест возникновения очагов самонагревания угля при отработке мощных пологих пластов.
Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:
1. Разработана трехмерная математическая модель самонагревания угля в выработанном пространстве действующего выемочного участка при отработки мощных пологих пластов, описывающая фильтрацию воздуха, тепловой баланс пустотной среды, тепловой баланс фильтрующегося воздуха и баланс кислорода с точностью до 85% в сравнении с фактическими данными.
2. Разработан итерационный попеременно-треугольный метод решения системы уравнений фильтрации в трехмерной постановке.
3. Разработан численный алгоритм реализации системы уравнений теплопроводности и баланса кислорода.
4. Разработаны программы расчета полей скоростей утечек воздуха, температур и концентрации кислорода в выработанном пространстве на алгоритмическом языке PASCAL для персональных ЭВМ.
5. По программам расчета полей скоростей утечек воздуха, температур и концентрации кислорода в выработанном пространстве было определено местоположение очага самонагревания для условий экспериментального участка.
6. Доказана сходимость результатов теоретических исследований с натурными (85%), путем проведения шахтных наблюдений за формированием очага самонагревания в выработанном пространстве лавы № 76 шахты им. Кирова.
7. По результатам вычислительного эксперимента в условиях аварийного участка 0−3-2−10 шахты им. Ленина ОАО «Междуреченская угольная компания» подтверждена возможность применения предлагаемого способа определения мест возникновения очагов самонагревания в практике ведения горноспасательных работ на шахтах Кузбасса, разрабатывающих мощные пологопадающие угольные пласты.
8. Использование предлагаемого способа определения местоположения очага самовозгорания при проектировании очистных забоев позволит разработать превентивные противопожарные мероприятия, обеспечивающие безопасность ведения горных работ.
