WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Люберцы), ВНИИГД (г. Донецк). После распада СССР разработка методов расчёта распространения ударных волн в горных выработках продолжилась сначала в РосНИИГД (г. Кемерово), затем в ИУУ СО РАН (г. Кемерово) и ТГУ (г.

Томск).

Анализ аварий показал, что на возникновение и развитие взрывного процесса существенное влияние оказывают специфические условия горных выработок:

повышенная шероховатость и запыленность их поверхности, большая влажность рудничной атмосферы, неравномерность концентраций горючего в исходной смеси по длине и высоте, загромождённость выработок технологическим оборудованием. При этом в условиях шахт возможны два типа взрывов. Первый - когда в выработке формируется однородная смесь метана с воздухом взрывчатой концентрации. При её воспламенении происходит быстроразвивающаяся реакция, сразу переходящая во взрыв с соответствующим ростом давления. Второй – когда смесь метана с воздухом неоднородна, метан располагается в виде слоевого скопления под кровлей и лишь на границе между ним и чистым воздухом образуются взрывоопасные метановоздушные смеси. Поэтому при воспламенении вначале происходит медленное выгорание такого слоевого скопления метана без заметного повышения давления. Вследствие образования тепловых потоков, турбулентности и связанного с ними перемешивания слоя метана с воздухом скорость горения увеличивается, и реакция принимает взрывной характер.

До тех пор пока реакции протекают без заметного повышения давления, их обычно называют вспышками. Наиболее опасны взрывы метановоздушных смесей с участием угольной пыли.

При взрывах в угольных шахтах формируется зона поражения – совокупность горных выработок, на которые воздействовал хотя бы один поражающий фактор взрыва. Поражающие факторы взрыва – факторы, воздействие которых приводит к травме, отравлению или гибели людей, к внезапному нарушению нормального состояния горных выработок, изменению состава рудничной атмосферы, повреждению оборудования, механизмов, различных устройств и сооружений. К поражающим факторам взрыва относятся: фронт пламени, ударная волна и волна разрежения, изменение состава шахтной атмосферы. Степень их опасности определяется величиной расстояния, на которое они распространяются. Наименьшую имеет фронт пламени, распространяющийся на десятки, а при взрывах угольной пыли - на сотни метров (в исключительно редких случаях – на километры). Наибольшую степень опасности имеет УВ, которая, как правило, распространяется на километры и нередко выходит на поверхность.

При потенциальной угрозе взрыва люди должны находиться на взрывобезопасных расстояниях вне зоны поражения, которая должна рассчитываться по специальным методикам, ретроспективный анализ которых приведён в п. 1.2. С 2004 года в России применяется «Методика газодинамического расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли», в которой сеть выработок угольной шахты интерпретируется как пространственная система каналов с N прямолинейными участками в виде связного ориентированного графа.

На прямолинейных участках используются одномерные газодинамические уравнения, учитывающие процессы силового и теплового взаимодействия потока со стенками. В сопряжениях выработок течение описывается трехмерными уравнениями газовой динамики. Реализующий эту методику программный комплекс «Ударная волна» позволяет прогнозировать протекание взрыва в угольной шахте и принимать научно обоснованные управляющие решения в сложных ситуациях. В этой методике взрыв рассмотрен в упрощенной постановке как распад произвольного разрыва в начальных параметрах газа, в результате которого происходит расширение продуктов реакции с отрывом ударной волны от границы загазованного объёма. Однако такой идеализированный подход к описанию сложного процесса воспламенения и взрывного сгорания метановоздушной смеси требует серьёзного научного обоснования. Именно в пределах загазованного объёма происходит выделение всей энергии взрыва, от которой зависит величина расстояний, на которые распространяются поражающие факторы по сети горных выработок. Ошибки в задании этой информации в качестве исходных данных при расчёте зон поражения могут привести к трагическим последствиям в ходе ведения горноспасательных работ.

При потенциальной опасности взрыва область воздействия каждого поражающего фактора должна быть минимизирована. В п. 1.3 приведён анализ инженерных средств, применяемых для защиты от поражающих факторов взрыва и управления распространением УВ в горных выработках. Для этой цели используются быстровозводимые аэродинамические сопротивления: взрывозащитные парашютные перемычки, завалы, загромождения, водяные и сланцевые заслоны.

Их устанавливают вблизи сопряжений горных выработок на пути предполагаемого движения ударных волн. Происходит снижение интенсивности волны при её взаимодействии с преградой и перераспределение её энергии по другим выработкам.

Перспективными в этом отношении является совместное применение известных средств защиты, например водяных заслонов и взрывоустойчивых перемычек, для уменьшения нагрузок на них и более эффективного снижения интенсивности УВ до безопасного уровня в местах ведения горноспасательных работ. Между тем этот способ взрывозащиты ещё недостаточно исследован. Необходимы научно обоснованные рекомендации по изменению характеристик водяных заслонов для расширения их функциональных возможностей.

Методы математического моделирования взрывных процессов в угольных шахтах можно рассматривать как альтернативный вариант исследования процессов взаимодействия УВ с взрывозащитными сооружениями. Однако газодинамическая методика нуждается в дальнейшем уточнении и расширении круга решаемых задач, касающихся управления распространением УВ в горных выработках.

В п. 1.4 сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе разработана методика расчета взаимодействия ударных волн взрыва с инженерными взрывозащитными сооружениями: завалами, водяными и сланцевыми заслонами, вентиляционными, парашютными и изолирующими перемычками, в том числе взрывоустойчивыми и водоналивными.

В (п. 2.1) анализ преимуществ газодинамического подхода при описании физических процессов взаимодействия УВ с инженерными взрывозащитными сооружениями привёл к утверждению, что методы расчета ослабления УВ на различных преградах должны разрабатываться как составные части газодинамической методики. Эти методы должны учитывать параметры преграды, её положение относительно поворотов и разветвлений выработок, параметры и форму волны как перед преградой, так и после неё.

В п. 2.2 дано обоснование математической модели взрыва (вспышки) при недостатке, и даже полном отсутствии информации о расположении и форме облака взрывчатой смеси, концентрации в нем метана, месте инициирования и форме энерговыделения. Численными расчётами поведения УВ на больших расстояниях от места взрыва (вспышки) установлено, что при слабой дефлаграции, несмотря на неопределённость ряда начальных параметров, всё-таки возможен их разумный выбор. При этом расчёты можно вести в одномерной постановке.

Показано, что при слабой дефлаграции перепады давления в одномерных воздушных ударных волнах на больших расстояниях от взрыва определяются только величиной энергии их источника. Исключение имеет место в случае медленного сгорания загазованного объема, при котором возникающие волны не представляют серьезной опасности для людей.

Для задачи о распространении одномерной дефлаграции из центра симметрии загазованной области конечного размера получено автомодельное решение для момента достижения её границ фронтом горения. Численными расчётами показано, что это решение, описываемое кусочно-постоянными функциями, можно использовать в качестве начальных данных для численного решения газодинамической задачи о распространении волн взрыва. Причём во всех опасных для человека случаях величины перепадов давления на больших расстояниях могут рассчитываться с помощью модели мгновенного взрыва.

В п. 2.3 приводится усовершенствованный газодинамический метод, в основу которого положена модель движения газодисперсной смеси в равновесном приближении, позволяющий рассчитывать распространение УВ в сети горных выработок и их взаимодействие с водяными и сланцевыми заслонами.

S uS + = 0; (1) t x S uS f f += 0; (2) t x 3S 3uS + = 0; (3) t x u2 + p S ( ) uS S += -mp + p ; (4) t x x Eu + pu S ES ( ) += q; (5) t x p 1/ - ) = RT; (6) ( p 1/ - ) u2 ( E = +, =, (7) 2 (K -1) R = cp(1-) - cv (1-), = g + 3, (8) cp (1-) + c K =, =, = 3 (k ), (9) cv (1-) + c1 0.221 uDэкв 4S (10) mр = cf u2, cf = 0.0032 +, Re =, Dэкв =, 8Re0.237 П c Dэкв q = (TS -T ), Nu = 0,022Re0,8 Pr0,47 B, Pr =, Nu =, (11) gg l / ( ) l l opt exp, > l / ( ) opt l B ==13, (12) opt l / ( ) l l exp l /, < ( ) opt opt где t – время; x – координата; - плотность газокапельной (газопылевой) смеси;

p – давление; u – скорость; T – температура;cp, cv – теплоемкости газа при постоянном давлении и объеме; c3 – удельная теплоемкость воды (пыли); S - площадь сечения выработки; П - периметр выработки; f – плотность продуктов взрыва;

3 – объемная плотность воды (пыли); k – плотность воды (вещества частиц); R - газовая постоянная; E - полная энергия газокапельной (газопылевой) смеси; – внутренняя энергия газокапельной (газопылевой) смеси; – собственный объем воды (частиц пыли), взвешенной в одном кубическом метре газопылевой смеси;

– массовая доля воды (пыли) в единице объема газокапельной (газопылевой) смеси; K – эффективный показатель адиабаты; cf – коэффициент сопротивления;

Re – число Рейнольдса; Nu – число Нуссельта; Pr – число Прандтля; – коэффициент вязкости газа; Dekv – эквивалентный диаметр сечения прямолинейного участка выработки; T – коэффициент теплообмена; TS – температура стенок выработки; g – коэффициент теплопроводности газа; A – поправочный коэффициент, учитывающий влияние шероховатости стенок на процесс теплообмена; l – характерное расстояние между выступами шероховатости; – характерная величина выступа; - сила трения о стенки выработки;.

m р В зонах сопряжения горных выработок движение газопылевой среды описывается системой уравнений:

u v w + + + = 0; (13) t x y z u v w f f f f + + + = 0; (14) t x y z 3 3u 3v 3w + + + = 0; (15) t x y z u2 + puv uw () u ++ + = 0; (16) t x y z v2 + pvw () v uv + + + = 0; (17) t x y z w2 + p ( ) w uw vw + + + = 0; (18) t x y z Eu + pu Ev + pv Ew + pw E () ( ) ( ) +++ = 0; (19) t x y z 1 u2 + v2 + wp - = RT; E = CvT +, (20) где u - скорость вдоль оси x, v - вдоль оси y, w - вдоль оси z.

Начальные условия. В прямолинейных выработках:

Pb x ЗГ Tb x ЗГ x ЗГ f p(x,0) =, T (x,0) =, (x,0) =, (21) 0 x ЗГ, u(x,0) = f x ЗГ x ЗГ P0 TВ зонах изменения конфигурации и сечения выработок:

Pb в ЗГ Tb в ЗГ в ЗГ f p(x, y, z,0) =, (x, y, z,0) =, (22) P вне ЗГ, T (x, y, z,0) = T вне ЗГ 0 вне ЗГ f 0 u(x, y, z,0) = 0, v(x, y, z,0) = 0, w(x, y, z,0) = 0, 3N в зоневодяного (сланцевого) заслона, 3(x,0) = (23) 0 вне зоныводяного (сланцевого) заслона;

3N в зоневодяного (сланцевого) заслона, 3(x, y, z,0) = (24) 0 вне зоныводяного (сланцевого) заслона;

где Pb, Tb, – давление, температура и плотность продуктов сгорания в обласf ти взрыва; P0, T0 – начальное давление и температура в выработке; ЗГ – зона выработки, загазованная метаном; 3N – начальная объемная плотность воды (пыли) в зонах заслонов.

Граничные условия. Для уравнений (1)-(7), (13)-(20) ставятся в зависимости от вида сопряжения, с которым прямолинейная выработка граничит. Если граница выработки тупик или изолирующая перемычка, то используется условие непротекания:

u = 0. (25) гр Если выработка выходит на поверхность и газ вытекает в атмосферу, то ставится одно граничное условие, если газ втекает из атмосферы, то ставятся два граничных условия:

p = Pатм, = атм. (26) гр гр Если выработка граничит с областью ветвления, то выбор граничного условия производится при расчете распада в зависимости от параметров состояния газа, величины и направления скорости по обе стороны границы.

Математическая модель течения газа с частицами (1)-(26) отличается от известной газодинамической модели дополнительным уравнением сохранения массы дисперсной фазы и записью теплоемкости несущей среды. При больших концентрациях частиц, занимаемый ими объем учитывается в уравнении состояния. При отсутствии дисперсной фазы 3(x,t) = 3(x, y, z,t) 0 и обе модели становятся тождественными.

Численное решение математической модели (1)-(26) осуществлялось путём совместного использования одномерной и трёхмерной модификаций метода С.К. Годунова.

Сравнение результатов расчетов прохождения УВ через водяные и сланцевые заслоны по равновесной модели с известными экспериментальными данными показало их хорошее совпадение.

В п. 2.4 изложены методы учёта в математической модели взаимодействия УВ с инженерными взрывозащитными сооружениями:

- водяные и сланцевые заслоны учитываются автоматически путем задания в начальных условиях распределения дисперсной фазы в выработках;

- взрывозащитные перемычки парашютного типа моделируются локальным уменьшением площади поперечного сечения горных выработок на величину площади купола парашютной перемычки;

- искусственные загромождения в виде завалов из груженых вагонеток или обрушенной кровли не полностью перекрывают сечение горной выработки. Они моделируются изменением площади проходного сечения выработки;

- взрывоустойчивые перемычки моделируются граничными условиями непротекания, которые используются до наступления критической величины давления на перемычку. Если давление на перемычку превосходит величину, на которую она рассчитана, то перемычка «убирается»;

- взрывы локальных скоплений метана моделируются заданием в начальных условиях областей загазованности (длины области, концентрации в ней метана).

До взрыва параметры газа в этих областях полагаются равными начальным. При приходе к области загазованности УВ происходит мгновенный взрыв метановоздушной смеси, параметры которого вычисляются из размеров области и концентрации метана.

В третьей главе выполнен анализ эффективности элементов управления распространением УВ в сети горных выработок. Определялось влияние расстояния от сопряжения выработок, на котором установлены взрывозащитные сооружения, и влияние взаимного расположения взрывозащитных сооружений на гашение энергии УВ и изменение направления движения передней УВ в сети выработок.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»