авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование и разработка способа обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт

На правах рукописи

ЛАБУКИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОБНАРУЖЕНИЯ РАННЕЙ СТАДИИ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (отрасль горная)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2010 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» Научный руководитель – доктор технических наук, с. н. с. Портола Вячеслав Алексеевич Официальные оппоненты – доктор технических наук, с. н. с. Палеев Дмитрий Юрьевич кандидат технических наук, доцент Иванов Юрий Иосифович

Ведущая организация: ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Защита состоится « 25 » июня 2010 г. в 10 час. 00 мин. на заседании дис сертационного совета Д 212.102.03 в Государственном образовательном учре ждении высшего профессионального образования «Кузбасский государствен ный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного об разовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбас ский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ю. В. Лесин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Очаги самовозгорания, возникающие в угольных шахтах, представляют большую опасность для жизни и здоровья шахтеров, а также угрозу деятельности угледобывающих предприятий. Особую сложность представляют эндогенные пожары, возникающие в выработанном простран стве, обнаружение и тушение которых затруднено из-за недоступности очагов.

При несвоевременном вводе средств пожарной защиты в действие, а также низ кой эффективности применяемых способов тушения подземные пожары пре вращаются в грозное бедствие. Они дезорганизуют работу горного предприя тия, обесценивают недра, приводят в негодность оборудование. Под угрозой оказываются здоровье и жизнь шахтеров, а также горноспасателей, участвую щих в ликвидации аварийной ситуации.

В большинстве случаев эндогенные пожары, возникающие в выработан ном пространстве, изолируют, что ведет к огромному экономическому ущербу, обусловленному потерей дорогостоящей угледобывающей техники, подготов ленных к выемке запасов угля, горных выработок, а также затратами на туше ние пожара и восстановление горных выработок после ликвидации аварии. Ос новной причиной значительного ущерба, наносимого угольным шахтам эндо генными пожарами, является низкая эффективность применяемых способов об наружения очагов, не позволяющих выявить начальную стадию процесса само возгорания и ликвидировать зарождающиеся очаги с минимальными потерями.

Наиболее распространенным способом обнаружения процессов самовоз горания угля в шахтах является контроль за содержанием индикаторных газов в рудничной атмосфере, в качестве которых используют оксид углерода, водо род, предельные и непредельные углеводороды, а также радон. Однако зача стую концентрация индикаторных газов изменяется в широких пределах, зна чительно превышая фоновые значения, что может вызвать необоснованную остановку горных работ или с большим опозданием зафиксировать процесс са мовозгорания угля.

Разработка и применение способов раннего обнаружения процессов са мовозгорания угля позволит повысить безопасность горных работ и снизить экономический ущерб от возникновения очагов эндогенных пожаров.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснова ние способа, позволяющего повысить эффективность обнаружения ранней ста дии самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт.

Идея работы состоит в использовании для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в воздухе, прошедшем выработанное пространство.

Задачи исследований:

1. Оценить эффективность газоаналитического метода обнаружения про цесса самовозгорания в шахтах.

2. Провести исследования теплофизических параметров рудничного воз духа и определить условия образования жидкого аэрозоля в рудничной атмо сфере.

3. Разработать параметры устройства для измерения суммарного количе ства пара и жидкой фазы в рудничном воздухе.

4. Разработать критерии обнаружения начальной стадии процесса само возгорания угля в выработанном пространстве.

Методы исследований:

- анализ теории и практики применения способов и средств по обнаруже нию и предупреждению эндогенных пожаров;

- теоретическое и экспериментальное исследование изменений тепло физических параметров воздуха, проходящего через горные выработки и выра ботанное пространство;

- лабораторные эксперименты по оценке количества жидкой фазы в воз духе с применением сорбентов;

- шахтные эксперименты с использованием устройства для оценки сум марного количества влаги в воздухе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение индикаторных газов в процессе низкотемпературного окис ления угля, а также при его механическом разрушении сопоставимо по интен сивности с выделением индикаторных газов при нагревании угля до температу ры 150-200оС, что снижает эффективность обнаружения ранней стадии само возгорания угля с помощью газоаналитического способа.



2. При движении воздуха от воздухоподающего ствола по горным выра боткам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах, при этом относительная влажность входящего в лаву воздуха варьируется от до 100 %, что ограничивает применение способа обнаружения самонагревания угля, основанного на контроле влагосодержания воздуха, прошедшего через выработанное пространство.

3. В процессе тепло- и массообмена воздух в очаге самонагревания угля насыщается паром, а при последующем охлаждении до естественной темпера туры горных пород превращается в жидкий аэрозоль, который можно исполь зовать в качестве индикатора ранней стадии процесса самовозгорания. Для об наружения ранней стадии процесса самовозгорания угля по суммарному коли честву пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе достаточно порции сили кагеля массой 0,01 кг, и пробы воздуха объемом 0,008-0,01 м3, прокачиваемой через сорбент с расходом менее 1,2*10-3 м3/мин.

4. При относительной влажности входящего в лаву воздуха менее 100 % критерием процесса самонагревания угля является превышение суммарного ко личество пара и жидкого аэрозоля в исходящем потоке воздуха над максималь ной влажностью входящего воздуха, а при относительной влажности входяще го воздуха равной 100 %, опасной считается ситуация, при которой суммарное количество пара и жидкого аэрозоля в исходящей струе больше, чем во входя щей.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- корректностью методов исследований и обработки экспериментальных данных;

- положительными результатами аналитических и лабораторных исследо ваний при оценке количества влаги в воздухе;

- удовлетворительной сходимостью результатов натурных и аналитиче ских исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснованы причины значительных изменений концентрации индика торных газов в процессе ведения горных работ.

2. Выявлены закономерности изменения теплофизических параметров воздуха при движении по горным выработкам и выработанному пространству угольных шахт.

3. Установлены закономерности образования жидкого аэрозоля в воздухе после прохождения очага самонагревания угля, позволяющие обнаруживать раннюю стадию процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе с применением адсорбционного мето да.

4. Разработаны критерии для оценки опасности возникновения очага са мовозгорания в выработанном пространстве.

Личный вклад автора:

- в обосновании возможности обнаружения ранней стадии самовозгора ния путем контроля и оценки количества жидкого аэрозоля в воздухе;

- в обработке и анализе результатов теоретических исследований и экспе риментов;

- в разработке и испытании способа определения суммарного количества влаги в воздухе и устройства для его реализации.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные ре зультаты исследований позволяют:

- обнаруживать очаги самовозгорания в выработанном пространстве угольных шахт по содержанию жидкого аэрозоля в воздухе;

- повысить безопасность ведения горных работ на угольных пластах, склонных к самовозгоранию.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, ре зультаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались и по лучили одобрение на ежегодной конференции аспирантов и студентов КузГТУ (2007);

XII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2008г);

Втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопо жароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа 2008);

Второй международной научно-практической конференции «Инновации – ос нова комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009);

VIII международной научно-практической конфе ренции «Безопасность жизнедеятельности регионов в промышленно-развитых регионах» (Кемерово, 2009), а также результаты исследований докладывались на технических совещаниях в «Сибирской угольной энергетической компании».

Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, приложений и содержит 130 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 101 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первом разделе диссертации проведен анализ состояния теории и практики борьбы с самовозгоранием угля в шахтах.

В процессе написания настоящей работы были использованы труды Бела венцева Л. П., Игишевa В. Г., Портола В. А., Маевской B. M., Линденау H. И., Каминского А.Я., Миллера Ю.А., Шестых B. B., Глузберга Е. И., Альперович В.

Я., Егошина В. В. и других ученых и исследователей, которые внесли значи тельный вклад в исследование проблемы возникновения эндогенных пожаров и самовозгорания угля. Несмотря на большое количество исследований, посвя щенных проблеме самовозгорания угля, данная проблема по-прежнему остается актуальной для угледобывающих регионов.





Анализ аварийности на горных предприятиях России показывает, что большую часть аварий составляют рудничные пожары, доля которых составля ет более 45 %. Около половины этого вида аварий приходится на эндогенные пожары. Основная часть эндогенных пожаров возникает в выработанном про странстве угольных шахт.

Вероятность самовозгорания угля зависит от многих факторов: химиче ской активности угля, горно-геологических и горнотехнических условий, кото рые определяют возможность образования скоплений угля и приток к ним све жего воздуха. Особенности процесса окисления угля и теплообмена очага с окружающим пространством приводят к тому, что на шахтах эндогенные пожа ры чаще всего формируются в скоплениях разрыхленного угля или углесодер жащих пород в выработанном пространстве. Через такие скопления легко фильтруется воздух, доставляющий кислород к активным центрам, и, кроме то го, разрыхленный уголь имеет небольшой коэффициент теплопроводности, что обеспечивает минимальные потери выделяющегося тепла и постепенное повы шение температуры. Применяемые способы профилактики эндогенных пожа ров зачастую оказываются малоэффективными из-за невозможности обработки всего объема выработанного пространства со скоплениями угля.

Проведенный анализ показал, что большинство предложенных способов обнаружения и локации очагов самовозгорания не применяется на шахтах из-за недостаточной проработки или малой эффективности. Самым распространен ным способом обнаружения очагов самовозгорания в угольных шахтах являет ся контроль состава рудничной атмосферы. Однако практика показывает, что газоаналитический метод эффективен при обнаружении развитых очагов само возгорания, с температурой более 150оС, когда интенсивность выделения инди каторных пожарных газов резко возрастает. На этой стадии скорость повыше ния температуры максимальна и процесс быстро переходит в пламенное горе ние.

На шахтах Кузбасса также применяется способ обнаружения самовозго рания, основанный на контроле влагосодержания рудничного воздуха. Однако существующий метод зачастую не позволяет обнаружить самонагревание на шахтах, так как на практике не всегда происходит повышение влагосодержания воздуха после его прохождения через разогретый уголь, даже при интенсивном испарении влаги. В основном это обусловлено тем, что поступающий в скопле ние угля воздух уже имеет относительную влажность, близкую к 100 %.

Таким образом, на основании сделанного анализа можно сделать вывод, что используемые способы имеют ряд недостатков, затрудняющих обнаруже ние очагов самовозгорания угля в шахтах на ранней стадии развития. Поэтому необходима разработка новых методов обнаружения ранней стадии развития процесса самовозгорания. Перспективным может оказаться метод, использую щий измерение количества жидкого аэрозоля в рудничном воздухе, образую щегося при охлаждении воздуха, прошедшего через нагретый уголь.

В завершении первой главы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во втором разделе приведены результаты исследования состава газов выделяющихся при длительном хранении угля, а также при его механическом разрушении. Проанализированы основные теплофизические параметры возду ха, которые изменяются в процессе его движения по горным выработкам и мо гут быть использованы для обнаружения процесса самовозгорания.

Причиной снижения надежности газоаналитического способа обнаруже ния начальной стадии процесса самовозгорания является изменение условий горных работ, приводящие к выделению газов, считающихся индикаторами процесса самовозгорания, без повышения температуры угля. Так, фоновое со держание оксида углерода, водорода и некоторых других газов формируется при низкотемпературном окислении угля, а также в процессе механического его разрушения. С целью интенсификации угледобычи размеры выемочных столбов постепенно увеличиваются, что приводит к росту объемов выработан ного пространства и количеству остающегося в нем угля. Одновременно воз растает объем подаваемого в выработанное пространство воздуха, что усилива ет окисление угля.

Негативно сказывается на эффективности газоаналитического способа обнаружения самовозгорания и увеличение мощности угледобывающей техни ки, что приводит к интенсивному дроблению угля, сопровождающемуся выде лением индикаторных пожарных газов. Способствует увеличению выделения индикаторных газов процесса самовозгорания и образование угольной пыли, значительная часть которой попадает в выработанное пространство. Благодаря развитой поверхности угольная пыль обладает высокой химической активно стью, что приводит к ее интенсивному низкотемпературному окислению, со провождающемуся образованием оксида углерода, водорода и других индика торных газов.

Для оценки влияния на состав атмосферы выработанного пространства изменившихся условий горных работ проводились исследования выделения из угля газов, являющихся индикатором эндогенных пожаров, при механическом разрушении, а также в процессе длительного хранения при постоянной темпе ратуре.

Полученные результаты показали, что качественного различия в составе газов, появившихся при длительном хранении и механическом разрушении уг ля, нет. Однако скорость выделения этих газов при разрушении угля резко воз растает.

Обнаружение ранней стадии самовозгорания по концентрации пожарных газов практически невозможно из-за их образования при низкотемпературном окислении и механическом разрушении угля. Интенсивное выделение оксида углерода, водорода и непредельных углеводородов из угля начинается при до стижении температуры 150-200оС. При такой температуре скорость самовозго рания угля резко возрастает, и тушение очага начинается на стадии пламенного горения, представляющего наибольшую опасность в условиях шахты из-за воз можности взрыва горючих газов и угольной пыли. Анализ полученных резуль татов также показывает, что интенсивность выделения пожарных газов суще ственно отличается для различных марок угля. В то же время нагрев угля до температуры 80-120оС, не приводящей к выделению индикаторных газов в не обходимом количестве, сопровождается изменением ряда теплофизических па раметров рудничной атмосферы, что можно использовать для обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания.

Рудничный воздух представляет собой смесь сухих газов и водяного пара.

Основные параметры, характеризующие состояние влажного воздуха: давле ние, температура, влагосодержание, относительная влажность и теплосодержа ние. Эти параметры связаны между собой термодинамическими соотношения ми, позволяющими при известных трех параметрах определять остальные.

В настоящее время на шахтах Кузбасса используется методика оценки те кущей эндогенной пожароопасности, основанная на контроле изменения влаго содержания воздуха. Для выполнения оценки эндогенной пожароопасности по результатам измерений теплофизических параметров атмосферы выемочного участка рассчитывается количество влаги содержащейся в рудничном воздухе.

Если из выработанного пространства исходящим потоком выносится влаги больше, чем вносится, то процесс протекает в режиме сушки. Следовательно, имеется потенциальная угроза возникновения очага самонагревания угля. В случае если в потоке воздуха, выходящего из выработанного пространства, вла ги содержится меньше, чем в потоке входящем в выработанное пространство, очаг самовозгорания не возникает.

Однако использование данного метода в условиях повышенной относи тельной влажности рудничного воздуха (близкой к 100 %) неэффективно. Зача стую температура воздуха, прошедшего через выработанное пространство, не изменяется, и в том случае, когда входящий и исходящий поток воздуха имеет относительную влажность близкую к 100 % установить изменение влагосодер жания невозможно. Однако в таких условиях следует учитывать процесс кон денсации жидкости, который начинается при достижении воздухом точки росы.

Учитывая данное явление, повысить эффективность известного метода возможно, если в критерии, применяемом для обнаружения процесса самовоз горания, использовать дополнительно третий параметр, учитывающий количе ство содержащейся в воздухе жидкости, находящейся в виде мелкодисперсного аэрозоля.

Критерий для обнаружения процесса самонагревания, учитывающий суммарное количество влаги в воздухе в виде пара и жидкости, образующей мелкодисперсные взвешенные аэрозоли, можно представить в следующем виде Pн K 0,622 M, (1) Po Pн где Pн - давление насыщенного водяного пара, Па;

Pо - барометрическое давле ние воздуха, Па;

- относительная влажность воздуха, доли ед.;

М - количество жидкого аэрозоля в воздухе, кг/кг.

Протекание теплового процесса в момент, когда относительная влаж ность достигает значения единицы, претерпевает резкое изменение, т.е. процесс начинает протекать в двух фазах. Когда пар в воздухе достигает состояния насыщения, то начинает конденсироваться и выпадать из процесса, следова тельно, влагосодержание влажного воздуха начинает уменьшаться, если мы не будем учитывать в процессе сконденсировавшейся жидкости. При этом весь этот процесс будет протекать так, что пар в смеси будет все время находиться в насыщенном состоянии, т. е. воздух все время будет насыщен паром и относи тельная влажность будет постоянно равна единице, несмотря на уменьшение весового количества пара (влагосодержания) в 1 кг воздуха.

При достижении состояния насыщения и при дальнейшем протекании процесса пар частично начинает конденсироваться и выделяться в виде жидко сти (образуется аэрозоль). Таким образом, в процессе остается одно и то же ве совое количество воздуха и постоянное суммарное количество жидкости и па ра, но количество пара все время уменьшается, а количество жидкости увели чивается. Если мы исключим из рассмотрения жидкость, то оставшаяся газовая смесь при одном и том же весовом количестве газа будет содержать в себе уменьшающееся количество пара, т. е. весовая и объемная доли сухого газа и смеси будут увеличиваться, а весовая и объемная доли пара будут уменьшаться.

Пар в смеси все время будет находиться в состоянии насыщения, т.е.

=1=const.

В результате расчетов было получено соотношение для определения ко личества сконденсировавшейся жидкости из 1 м3 воздуха при протекании про цесса в двух фазах, T2 p ps Dж s1 s 2, (2) T1 p ps где si - плотность сухого насыщен ного пара, кг/м3;

psi - давление су хого насыщенного пара при тем пературе Ti, кПа;

р - давление окружающей атмосферы, кПа;

T1 – температура нагретого угля, Т2 – естественная температура горных пород, К.

График на рис. 1 показывает изменение количества сконденси ровавшейся влаги при разогреве воздуха в очаге самовозгорания уг ля и его последующем охлаждении Рис. 1. Влияние температуры очага на до естественной температуры гор- количество сконденсировавшейся влаги ных пород. Расчет произведен ис ходя из следующих условий: T1 - температура самонагревающегося угля изме няется от 20 до 70оC (от 293 до 343оК), температура Т2 –температура окружа ющих горных пород, до которой охлаждается воздух, прошедший очаг само нагревания с температурой Т1, равна 15оС (288оК). Относительная влажность в течении всего процесса равна 100 %, атмосферное давление 100 кПа.

Из приведенных данных видно, что количество сконденсировавшейся жидкости в воздухе, прошедшем через очаг самонагревания и остывшем до температуры окружающих пород, существенно возрастает с ростом температу ры угля. Чаще образующиеся частицы воды визуально не фиксируются из-за рассеивания жидкого аэрозоля в воздухе вследствие небольших размеров очага самонагревания и большого расхода воздуха. Иногда в шахтах наблюдается об разование слабого тумана в местах выхода воздуха из выработанного простран ства, что можно трактовать как появление прогретых скоплений угля на пути движения газа. В зимний период, при отрицательной температуре атмосферы, в воздухе на земной поверхности содержится незначительное количество водяно го пара. Перед подачей в шахту воздух нагревается в калориферной установке, и его относительная влажность уменьшается до 20-30 %. При последующем движении к очистному забою воздух постепенно увлажняется за счет испаре ния шахтной воды. Исследования показали, что в зависимости от расстояния до забоя, количества воды в горных выработках и пр., относительная влажность воздуха перед входом в выработанное пространство может изменяться в широ ких пределах. Нередки случаи, когда подаваемый воздух перед забоем имеет относительную влажность 50-70 %. Учитывая применение воды в забое для борьбы с пылью, приводящее к увлажнению горных пород, исходящий поток воздуха насыщается водяным паром до относительной влажности 95-100% без очага с повышенной температурой, также значительно повышается влагосо держание. Однако такое естественное увеличение влагосодержания воздуха ошибочно трактуется как процесс самонагревания.

На рис. 2 приведена схема вентиляции участка ш. «Распадская», отраба тываемого лавой 4-10-27. Результаты измерений относительной влажности воз духа и влагосодержания в зимний период на данном участке приведены на рис.

3. Как видно из графика входящая струя имеет относительную влажность около 60 %, а исходящая около 90 %. Влагосодержание повысилось с 7,64*10-3 кг/кг до 10,53*10-3 кг/кг, что согласно применяемой методике трактуется как форми рование пожароопасной зоны.

В теплое время года поступающий в шахту воздух может иметь большое содержание водяного пара, и после охлаждения в выработках до естественной температуры горных пород его относительная влажность обычно достигает % без дополнительного выделения пара. Учитывая, что относительная влаж ность прошедшего через выработанное пространство воздуха не может превы шать 100%, данный параметр в таких случаях не может давать информацию о процессе самонагревания.

Рис. 2. Схема вентиляции участка лавы Рис. 3. Изменение относительной 4-10-27 ш. «Распадская» влажности воздуха по длине горных выработок участка лавы 4-10- ш. «Распадская» в зимний период Исследования теплофизических параметров рудничного воздуха в теплый период года были проведены на участке, отрабатываемом лавой №4 ш. «Вла димирская». На рис. 4 изображена схема вентиляции участка с указанием точек контроля. Зависимость изменения относительной влажности воздуха при его движении по горным выработкам представлена на рис. 5.

В ходе исследований установлено, что причиной скачкообразного сниже ния влажности непосредственно перед лавой, является повышение температуры воздуха, вызываемое выделением тепла от энергопоезда, установленного перед лавой.

Таким образом, проведенные исследования теплофизических параметров воздуха позволили сделать следующие выводы. В теплый период года воздух может подходить к лаве, имея относительную влажность воздуха 100 %, в та ком случае определить влагосодержании расчетным методом невозможно, т.к. в воздухе может присутствовать влага в виде аэрозоля.

Рис. 4.Схема вентиляции участка ла- Рис. 5. Изменение относительной влаж вы №4 ш. «Владимирская» ности воздуха по длине горных вырабо ток участка лавы № ш. «Владимирская» Исследования в холодный период года показали, что в зависимости от расстояния до забоя, количества воды в горных выработках и пр., относитель ная влажность воздуха перед входом в выработанное пространство может из меняться в широких пределах. Нередки случаи, когда подаваемый воздух перед забоем имеет относительную влажность 50-60 %. Учитывая применение воды в забое для борьбы с пылью, приводящее к увлажнению горных пород, исходя щий поток воздуха насыщается водяным паром до относительной влажности 100 % без очага с повышенной температурой. Однако такое естественное уве личение влагосодержания воздуха ошибочно трактуется как процесс само нагревания.

В третьем разделе обоснована возможность использования сорбентов для определения суммарного количества влаги в рудничном воздухе, приведено описание разработанного устройства и результаты его лабораторных исследо ваний. Схема устройства изображена на рис. 6.

На основании данных о количестве влаги, конденсирующейся при про хождении очага самонагревания и последующем остывании, был проведен рас чет необходимого количества силикагеля. При охлаждении насыщенного паром воздуха от температуры процесса самонагревания угля 70оС до естественной температуры горных пород 15оС, каждый кубический метр прошедшего через прогретое скопление воздуха будет содержать около 0,19 кг жидкого аэрозоля (в идеальных условиях). Для обеспечения достаточной точности при взвешива нии, через емкость можно пропустить 0,02 м3 воздуха, что увеличит массу сор бента на 0,0038 кг. При расчете необходимой массы сорбента необходимо учесть, что силикагель способен адсорбировать количество воды, составляю щее около 70 % от его собственной массы. В этом случае для поглощения жид кости, содержащейся в 0,02 м3 воздуха, достаточно порции силикагеля массой 0,01 кг.

Определение количества жидкого аэрозоля в воздухе осуществляется следующим образом. Предварительно в лабораторных условиях взвешиваются все емкости с силикагелем. В месте отбора проб емкость с сорбентом соединяется с насосом, затем открывается крышка для поступления воздуха.

После прокачки необходимого объема воздуха емкость закрывается крышкой, отсоединяется от насоса и повторно взвешивается.

Для проверки работоспособности устройства был проведен ряд опытов, суть которых заключалась в следующем: через съемную емкость с сорбентом прокачивалось определенное количество воздуха, содержащего в себе аэрозоль, после чего при помощи лабораторных весов устанавливалось изменение массы пробы сорбента. В результате опытов выявлено, что данного количества сор бента достаточно, чтобы оценить количество жидкой фазы, поглощенной из воздуха и определить значение суммарной влажности воздуха. Эксперименты с различными сорбентами позволили сделать вывод, что наиболее эффективно поглощает влагу, содержащуюся в воздухе в виде аэрозоля, крупнопористый силикагель. Одним из основных параметров, влияющих на степень поглощения влаги, является расход воздуха, который прокачивается через сорбент. При изучении влияния расхода воздуха на количество поглощаемой влаги сорбен том был использован силикагель марки КСКГ.

Анализ экспериментальных данных позволил сделать следующие выво ды. При увеличении расхода воздуха, прокачиваемого через слой сорбента, уменьшается количество поглощенной им влаги. При расходе воздуха от 0,88*10-3 до 1,25*10-3 м3/мин количество поглощенной влаги практически не изменяется. Каждый раз силикагель поглощает по 0,23 г влаги, из чего можно сделать вывод, что влага, находящаяся в воздухе в виде пара и аэрозоля, по глощается практически полностью. Результаты исследований по изменению количества влаги, поглощенной сорбентом при изменении расхода воздуха, приведены на рис. 7.

Таким образом, при расходе воздуха менее 1,25*10-3 м3/мин силикагель марки КСКГ будет поглощать максимальное количество влаги. Поэтому при шахтных замерах необходимо придерживаться такого расхода воздуха.

В четвертом разделе приве дены результаты лабораторных ис следований по определению сум марного количества влаги в возду хе, прошедшем нагретое скопление угля, результаты шахтовых испы таний способа и устройства для его реализации, а также дано руковод ство по применению способа опре деления ранней стадии самовозго рания угля в выработанном про странстве для наиболее распро страненных в Кузбассе систем раз- Рис. 6. Устройство для определения работки. количества аэрозоля в воздухе:

Проверка работоспособности 1 – съемная емкость с сорбентом;

устройства для определения коли- 2 – обратный клапан;

3 – насос.

чества влаги, выделяющейся из нагреваемого скопления угля, была проведена в лабораторных услови ях. В экспериментах воздух прока чивался через скопление измель ченного угля. Температура скоп ления изменялась от 25 до 70оС.

Эксперименты проводились с про бами угля влажностью 5 и 15 %.

Атмосферный воздух, проходящий через скопление нагреваемого угля, имел температуру 25оС и относи тельную влажность 40 %. Абсо лютная влажность воздуха состав ляла 0,0092 кг/м3. Расход воздуха через сорбент поддерживался на Рис. 7. Зависимость количества уровне 1,25*10-3 м3/мин. Изменение поглощенной сорбентом влаги от суммарной влажности воздуха, расхода воздуха.

прошедшего через нагреваемый уголь с начальной влажностью 5 %, приведено на рис. 8(а). На рис. 8(б) пред ставлено влияние температуры угля на суммарное содержание влаги в исходя щем воздухе, прошедшем через уголь влажностью 15 %.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что с повыше нием температуры угля существенно увеличивает содержание влаги в прохо дящем воздухе. Так, при повышении температуры с 25оС до 40оС содержание влаги в воздухе увеличивается в два раза (при начальной влажности угля 5 %), а при нагреве до 70оС почти в три раза. Еще более существенный рост содержа ния влаги в воздухе, прошедшем через нагреваемое скопление, зафиксирован в экспериментах с углем, имеющем начальную влажность 15 %.

Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод, что разработанное устройство позволяет замерять в воздухе суммарное количество пара и жидкого аэрозоля, что повысит эффективность обнаружения самонагре вания угля на стадии, когда не происходит интенсивное выделение пожарных индикаторных газов.

а) б) Рис. 8. Зависимость суммарной влажности воздуха от температуры при начальной влажности угля а)-5 %;

б)-15 %.

Критерием для определения процесса самонагревания угля в выработан ном пространстве может служить следующее соотношение Мисх Мmax(вх), (3) где Мисх – количество влаги в воздухе исходящем из выработанного простран ства, кг/м3;

Мmax(вх) – максимальная влажность входящего воздуха, кг/м3.

Максимальная влажность воздуха определяет количество пара, которое содержится в воздухе при относительной влажности 100%.

Если в выработанном пространстве образовался очаг самонагревания уг ля, то в воздухе кроме пара появляется жидкий аэрозоль, который образуется при следующих условиях. Вначале поступающий воздух нагревается в очаге самонагревания, и его относительная влажность уменьшается, стимулируя ис парение влаги из угля и пород. В результате испарения влаги, содержащейся в угле и окружающих породах, влагосодержание воздуха возрастает. Пройдя очаг самонагревания, прогретый воздух быстро остывает в выработанном простран стве до естественной температуры угля и вмещающих пород. Этот процесс со провождается увеличением относительной влажности воздуха до 100 % с по следующей конденсацией избытка влаги, выделившейся из разогретого угля. В этом случае количество влаги в исходящем воздухе будет выше максимальной влажности входящего воздуха за счет содержания в нем жидкой фазы.

Если количество влаги выносимой из выработанного пространства боль ше или равно количеству влаги на входящей струе, но меньше или равно мак симальной влажности входящего воздуха, то в выработанном пространстве происходит процесс низкотемпературного испарения влаги. В этом случае условие естественного испарения влаги без повышения температуры угля имеет вид Мвх Мисх Мmax(вх), (4) где Мвх – количество влаги во входящей струе воздуха, кг/м3.

Проведенные исследования изменения относительной влажности воздуха, прошедшего через выработанное пространство показали, что значительное уве личение данного параметра на исходящей струе чаще всего происходит в хо лодный период года, когда воздух подходит к лаве достаточно сухой и интен сивно насыщается влагой в выработанном пространстве. В таком случае коли чество выносимой влаги значительно превышает количество вносимой, но при этом не превышает максимальную влажность воздуха.

Исследования показали, что измерять влагосодержание и количество жидкой фазы в воздухе зачастую следует не только в исходящем, но и в посту пающем в выработанное пространство потоке воздуха. Обязательное определе ние количества жидкой фазы во входящем воздухе необходимо в случаях, когда его относительная влажность равна 100 %. В этом случае о наличии процесса самонагревания будет свидетельствовать превышение суммарного количества пара и жидкой фазы в исходящем из скопления угля воздухе по сравнению с входящей струей. Критерий самонагревания в данном случае имеет вид Мисх Мmax(вх)+Kвх, (5) где Квх – количество влаги в виде аэрозоля на входящей струе воздуха, кг/м.

Таким образом, при проведении контроля с помощью разработанного способа вывод о наличии очага самонагревания можно сделать при следующих условиях:

- если воздух, поступающий в выработанное пространство, имеет относи тельную влажность менее 100 %, критерием наличия очага самонагревания бу дет служить выражение (3);

- в случае, когда воздух на входящей струе имеет относительную влаж ность 100 %, критерием будет служить выражение (5).

Апробация устройства для определения суммарного количества влаги в воздухе проводилась на шахтах «Владимирская» и «Полысаевская».

Схема вентиляции участка, отрабатываемого лавой 18-31 ш. «Полысаев ская» представлена на рис. 8. Замеры производились в осенний период, рассто яние от лавы до ствола составляло порядка 3500 м. Измерение количества влаги на входящей в лаву струе воздуха проводилось на сопряжении лавы и конвей ерного штрека 18-31, на исходящей струе измерение производилось в кутке на сопряжении лавы с вентиляционным штреком 18-31.

Полученные данные, согласно критерию (4), позволяют сделать вывод, что в выработанном пространстве отсутствует очаг самонагревания, и образо вания аэрозоля не происходит. Графически результаты измерений представле ны на рис. 9.

Результаты исследований проведенных на ш. «Владимирская» в зимний период, представлены на рис. 11. Измерения проводились на участке, отраба тываемом лавой №5, расстояние от устья воздухоподающего ствола до забоя составляло порядка 1000 м. Схема вентиляции участка представлена на рис. 10.

В данном случае воздух подходит к лаве достаточно сухой и интенсивно увлажняется, проходя через выработанное пространство, однако количество влаги выносимое из выработанного пространства не превышает максимальной влажности входящего воздуха.

Рис. 8. Схема вентиляции участка лавы Рис. 9. Содержание влаги в воздухе 18-31 ш. «Полысаевская» на участке лавы №18- ш. «Полысаевская» Таким образом, согласно критерию (4) в выработанном пространстве происходит процесс естественного низкотемпературного испарения без образо вания очага самонагревания.

Рис. 10. Схема вентиляции участка Рис. 11. Содержание влаги в воздухе на лавы №5 ш. «Владимирская» участке лавы №5 ш. «Владимиская» Измерения содержания влаги в рудничном воздухе следует проводить в определенных условиях и характерных местах. Порядок проведения измерений при различных системах разработки угольных месторождений определяется разработанной методикой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной технической задачи повышения эффектив ности обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном про странстве угольных шахт, что имеет существенное значение для повышения безопасности горных работ. Основные научные и практические результаты позволяют сформулировать следующие выводы.

1. Обнаружение ранней стадии самовозгорания по концентрации пожар ных газов (оксид углерода, водород, углеводороды) затруднено из-за их образо вания при низкотемпературном окислении и механическом разрушении угля.

Интенсивное выделение окиси углерода, водорода и непредельных углеводоро дов начинается при температуре 150-200оС. При такой температуре скорость самовозгорания очень высока, и тушение очага начинается на стадии пламен ного горения, представляющего наибольшую опасность в условиях шахты.

2. Шахтные исследования показали, что при движении по горным выра боткам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах.

Установлено, что относительная влажность воздуха может достигать 100% как на входящей, так и на исходящей струе воздуха. В таком случае контролиро вать суммарное содержание влаги следует не только в исходящем, но и в по ступающем в выработанное пространство потоке газа.

3. Расчет количества жидкой фазы, образующейся при прохождении воз духом очага самовозгорания и последующем его остывании до естественной температуры горных пород, показал, что удельное количество аэрозоля может в несколько раз превышать количество пара.

4. Для оценки количества жидкой фазы, содержащейся в рудничном воз духе, разработано устройство. Определять содержание жидкого аэрозоля пред лагается с помощью адсорбционного метода с применением в качестве сорбен та силикагеля марки КСКГ. Расчеты показали, что для определения суммарного количества влаги в рудничном воздухе достаточно порции силикагеля массой 0,01 кг и объема прокачиваемого воздуха 0,01 м3.

5. Во время шахтовых измерений содержания суммарного количества влаги в воздухе с помощью разработанного устройства необходимо придержи ваться расхода воздуха менее 1,25*10-3 м3/мин, т.к. при таком расходе поглоще ние влаги силикагелем КСКГ наиболее эффективно.

6. Критерием пожароопасности участка следует считать условие, когда количество влаги на исходящей струе превышает максимальную влажность входящего воздуха. Такая ситуация свидетельствует о наличии в воздухе влаги в виде аэрозоля, что может служить признаком процесса самовозгорания в вы работанном пространстве.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИИ 1. Портола В. А. Проблемы обнаружения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт / В. А. Портола, С. Н. Лабукин, А. Ю. Шело менцев // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. – 2007. – № 2. – С. 58–62.

2. Лабукин С. Н. Перспективы обнаружения процесса самовозгорания по выносу влаги из выработанного пространства // Сб. докл. студентов и аспиран тов Кузбас. гос. техн. ун-та : по результатам 52-й науч.-практ. конф., 16–20 апр.

2007 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т ;

редкол.: Ю. А. Антонов (отв. ред.) [и др.]. – Кемерово, 2007. – Т. 1. – С. 53–55.

3. Портола В. А. Изменение теплофизических параметров воздуха в гор ных выработках шахты «Распадская» / Портола В. А., Лабукин С. Н. // Вестн.

Кузбас. гос. техн. ун-та. – 2008. – № 3. – С. 31–35.

4. Лабукин С. Н. Устройство для обнаружения начальной стадии самовоз горания угля в шахтах / С. Н. Лабукин, В. А. Портола // Природные и интел лектуальные ресурсы Сибири : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф., 20–21 нояб. 2008 г. – Кемерово, 2008. – С.125–127.

5. Лабукин С. Н. Расчет количества жидкой фазы в воздухе после очага самонагревания угля // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири : мате риалы XII Междунар. науч.-практ. конф., 20–21 нояб. 2008 г. – Кемерово, 2008.

– С. 131–134.

6. Портола В. А. Обнаружение процессов самовозгорания угля по изме нению теплофизических параметров воздуха / В. А. Портола, Е. С. Осинская, В.

А. Щербакова, С. Н. Лабукин // Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных объектах : сб.

науч. тр. Второго Всероссийского конкурса инновационных проектов студен тов, аспирантов и молодых ученых вузов РФ. – Уфа : Изд-во УГНТУ, 2008. – C.

70–79.

7. Портола В. А. Обнаружение очагов самовозгорания угля на ранней ста дии развития / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Безопасность труда в промыш ленности. – 2009. – № 4. – С. 34–37.

8. Лабукин С. Н. Способ обнаружения самонагревания угля / С. Н. Лабу кин, В. А. Портола // Инновации – основа комплексного развития угольной от расли в регионах России и странах СНГ : материалы II Междунар. науч.-практ.

конф. – Прокопьевск, 2009. – С. 220–223.

9. Портола В. А. Оценка работы устройства для обнаружения самонагре вания угля / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : материалы VIII Междунар.

науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию КГУ-КузПИ-КузГТУ, 12 нояб. 2009 г. – Кемерово, 2009. – Т. 1. – С. 87–90.

10. Лабукин С. Н. Определение количества влаги выделяющейся при нагревании угля // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промыш ленно развитых регионах : материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., по свящ. 60-летию КГУ-КузПИ-КузГТУ, 12 нояб. 2009 г. – Кемерово, 2009. – Т. 1.

– С. 92–95.

11. Лабукин С. Н. Способ и устройство идентификации самонагревания угля в шахтах / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та.

– 2009. – № 6. – С. 42–45.

12. Портола В.А. Контроль эндогенной пожароопасности шахт по тепло физическим параметрам воздуха / В.А.Портола, С. Н. Лабукин // Вестн. Кузбас.

гос. техн. ун-та. – 2010. – № 1. – С. 65-70.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.