CC BY
37
УДК 622.817
B.М. Плотников (д-р техн. наук, начальник отдела филиала ВАСС «Комир»)
Р.И. Габайдуллин (канд. техн. наук, зам. начальника Научно-исследовательского центра предупреждения чрезвычайных ситуаций и спасательного дела ДГП КазНИИБГП)
Р.Р. Ходжаев (директор ТОО «Научно-инженерный центр «ГеоМарк»)
C.Т. Асаинов (заведующий лабораторией ТОО «Научно-инженерный центр «ГеоМарк»)
И. А. Филатов (заведующий лабораторией ТОО «Научно-инженерный центр «ГеоМарк») Е.А. Серов (ведущий научный сотрудник ТОО «Научно-инженерный центр «ГеоМарк»)
Испытание взрывозащитных заслонов в ударных трубах экспериментального полигона
Приведены некоторые результаты экспериментов по испытаниям различных заслонов в ударной трубе для локализации взрывов метана и угольной пыли в выработках шахт. Представлены расчетные величины давления во фронте ударной волны для сравнения с измеренными при экспериментах.
Ключевые слова: ВЗРЫВ МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ, УДАРНАЯ ВОЛНА,
ВЗРЫВОЗАЩИТНЫЙ ЗАСЛОН, УДАРНАЯ ТРУБА, ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ПОЛИГОН
Несмотря на определенные успехи ученых и специалистов в решении проблемы предупреждения взрывов метана и угольной пыли, на шахтах мира еще происходят подобные аварии, приводящие к катастрофическим последствиям.
В Карагандинском угольном бассейне за последние годы произошли три взрыва на шахтах «Шахтинская», им. Ленина и «Абайская». В России в Кузнецком бассейне взрывы на шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная» унесли жизни более сотни шахтеров. Одной из причин гибели большого количества шахтеров при взрыве является несовершенство методов и средств локализации взрывов, применяемых, в частности, на шахтах Карагандинского бассейна.
С другой стороны, опасность возникновения взрывов метана и угольной пыли объективно не только сохраняется, но, на наш взгляд, возрастает по многим известным причинам. Однако, даже ставя четкие цели и задачи при разработке новых или совершенствовании известных способов и средств подавления взрывов, нет возможности испытать их в реальных шахтных условиях. Существует только два пути: экспериментальные исследования на специальных полигонах и математическое моделирование процессов взрыва на основе методов газовой динамики.
Вследствие того, что экспериментальные взрывы в полигонных условиях требуют значительных затрат на построение и оснащение, усилия ученых и специалистов все больше направляются на создание численных методов моделирования, способных наиболее адекватно представлять сложные динамические явления при взрыве. Достаточно полно достижения в исследованиях эффективности взрывозащитных средств на основе газодинамической модели представлены в работе [1]. Практическая реализация разработанных и рекомендуемых авторами методов изложена в [2].
Достоинствами газодинамической модели взрыва и взаимодействия поражающих факторов с защитными устройствами является простота реализации численных имитационных
моделей и возможность многократно «проигрывать» различные варианты с комбинациями параметров взрыва и защитных сооружений практически без больших финансовых затрат.
Как при любом математическом моделировании, недостатком является невозможность включения в модель всех составляющих сложного процесса взрыва в условиях шахт. Газодинамическая модель является мощным инструментом исследования для качественной оценки эффективности тех или иных взрывозащитных устройств. Поэтому экспериментальная проверка, в особенности новых технических решений, необходима как для подтверждения корректности математической модели, так и исследования эффективности комбинаций взрывозащитных устройств.
Наиболее полномасштабные эксперименты по распространению воздушных ударных волн в различных условиях проводились в 1971-1972 гг. на испытательном полигоне ВГСЧ (г. Караганда). Последние эксперименты по локализации взрывов с помощью быстровозводимых надувных перемычек проводились в 1991-1992 гг. в ударной трубе испытательного полигона, после этого полигон был полностью разрушен.
В результате расследования взрыва метана на шахтах им. Ленина и «Абайская» Угольного департамента АО «АрселорМитттал Темиртау» решением Правительственной комиссии поручено РГКП «Научно-инженерный центр горноспасателей Республики Казахстан» МЧС РК изучить мировой опыт разработки и применения взрывозащитных способов и устройств. Поручено также провести приемочные испытания предлагаемых комбинаций водяных заслонов с мелкоячеистой стальной сеткой, перекрывающей сечение выработки, конструкции В.М. Плотникова.
Для этой цели испытательный полигон был построен заново силами РГКП НИЦГ РК, филиала ВАСС «Комир» за счет средств Угольного департамента. Полигон общей длиной 117 м состоит из взрывной камеры, разгонной ударной трубы и квадратной штольни. Необходимо остановиться на системе измерения основных параметров взрыва - давлении и прохождении пламени. Для этого предусмотрены 14 паттернов для синхронной установки в них датчиков давления и регистрации пламени. Упрощенная схема ударной трубы на испытательном полигоне показана на рисунке 1.
7
1 - вентиляционная труба; 2 - взрывная камера; 3 - разгонная часть ударной трубы;
4 - зона загазования; 5 - штольня; 6 - датчики давления; 7 - датчики пламени
Рисунок 1 - Схема ударной трубы испытательного полигона
Датчики давления изготовлены из дюралюминия марки ВД-95, который не обладает остаточной деформацией после многократного нагружения. На тонкую круглую мембрану наклеен тензорезистор, включенный в одно из плеч измерительного моста. Датчики пламени изготовлены на базе фотодиодов марки ФД-263, помещенных в цилиндрический корпус. Конструкции всех датчиков одинаковы, что позволяет вмонтировать их в любой из паттернов ударной трубы. Сигналы от датчиков через усилитель ТЛ072 и АЦП с помощью специально разработанной
программы записываются в цифровом формате в базу данных и могут быть получены в графическом или табличном виде. Частота опроса датчиков и записи данных принята 2 мс, но может быть изменена. Пример записи показаний датчиков пламени и давления приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Примеры записей датчиков регистрации пламени и измерения давления
На полигоне в 2008 г. проведено семь экспериментальных взрывов стехиометрической смеси метана с воздухом. Объем взрываемой смеси составлял от 23 до 30,8 м при внутреннем диаметре трубы 1420 мм.
Испытывались взрыволокализующие возможности заслонов из инертной пыли, водяных мешков и из комбинаций водяных мешков с огнезащитной сеткой. Результаты измеренных избыточных давлений приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Измеренные величины давлений в экспериментах
Дата эксперимента Вид заслона Точки установки датчиков давления
Точка 1 Точка 2 Точка 3 Точка 4
05.11.2008 Без заслонов /сн4=23 м , С=10 % об. - - - Р=0,25 МПа Механический датчик из фольги в зоне загазования
07.11.2008 Инертная пыль 120 кг в зоне загазования \/сн4=30,8 м , С=8-9 % об. Р=0,06 МПа слева от зоны загазования 3-5 м Р=0,057 МПа справа от зоны загазования 3-4 м - -
14.11.2008 Водяные мешки + сетка /сн4=30 м3, С=9-10 % об. Р=0,085 МПа слева от заслона 3-5 м Р=0,272 МПа у источника воспламенения Р=0,16 МПа перед сеткой Р=0,092 МПа в тоннеле за сеткой
19.11.2008 Водяные мешки + сетка /сн4=30,5 м , С=9-10 % об. Р=0,148 МПа в зоне загазования 5 м от левой границы Р=0,151 МПа в зоне загазования в 10 м от правой границы Р=0,045 МПа между водяными заслонами и сеткой Р=0 в тоннеле за сеткой
25.11.2008 Инертная пыль 140 кг в зоне загазования /сн4=30,8 м3, С=9-10 % об. Р=0,147 МПа слева от зоны загазирования Р=0,43 МПа у источника воспламенения Р=0,31 МПа в кольце перед тоннелем Р=0,021 МПа в тоннеле
26.11.2009 Огнезащитная сетка без заслонов из порошка и воды /сн4=30,0 м , С=8-9 % об. - - Р=0,318 МПа перед сетчатым заслоном 5=1,58 м2 Р=0,18 МПа после защитной сетки 5=4 м2
Для сравнения величин избыточных давлений, полученных при испытаниях в ударной трубе полигона, с теоретическими значениями давлений при взрывах в полостях цилиндрической формы выполнены расчеты при условиях, близких к полигонным.
По данным работы [3], избыточное давление во фронте плоской ударной волны на расстояниях, превышающих 4-8 поперечных размеров канала, может быть приближенно вычислено по формуле:
АР =
78,8 • Е3/г + 3,91 •( • г)121 ехр(-0 • г/а) ,
МПа, (1)
где АР - избыточное давление, МПа;
Е5 - энергия взрыва, приходящаяся на единицу площади канала, МДж/м2 (2,731 МДж/кг по [1]); г - расстояние от места взрыва, м; в - коэффициент шероховатости стенок канала;
51 - площадь поперечного сечения канала, м2;
й - приведенный диаметр канала, вычисляемый по формуле С = 1,12^ , м.
Ударная труба в разгонной части длиной 90 м имеет диаметр 1,42 м, тогда площадь сечения канала распространения волны 8 = 1,582 м2. При длине загазованной части ударной трубы I = 20 м, концентрации метана 9,5 % (стехиометрическая смесь) и плотности метана
3
0,717 кг/м масса метана т = 20 1,582 • 0,095 • 0,717 = 2,155 кг. Удельная энергия взрыва
Е5=2,731-2,155/1,582=3,72 МДж/м2, С = 1,12^1,582 = 1,409 м.
Результаты расчетов давлений для условий экспериментальных взрывов в трубе, выполненных для различных величин коэффициента шероховатости р и расстояния от центра взрыва, приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Расчетные давления для условий экспериментальных взрывов в трубе
Расчетные давления, МПа, в зависимости от
коэффициента шероховатости в расстояния от области взрыва г, м
10 15 20 25 30 50
0,60 0,489 0,039 0,0036 0,0034
0,50 0,995 0,114 0,0147 0,0020
0,25 5,87 1,63 0,512 0,170 0,059 0,001
0,10 14,0 8,1 4,3 2,4 1,4 0,21
0,01 32,2 21,0 15,4 12,2 9,8 5,3
Из сравнения данных в таблицах 1 и 2 следует, что полученные экспериментальные величины давлений при взрывах в ударной трубе с определенным приближением соответствуют расчетным давлениям в канале с коэффициентом шероховатости в пределах 0,1 - 0,25 и на расстояниях 20 - 50 м, что достаточно близко к условиям экспериментов. Эти результаты сравнения позволяют утверждать, что система измерений, разработанная и использованная на испытательном полигоне, работоспособна. Что касается датчиков регистрации пламени, то от них не требуется особой точности и их записи при взрывах достаточно для изучения прохождения пламени по каналу.
В Ы В О Д Ы
1 Построенный и оснащенный средствами измерений испытательный полигон является уникальной экспериментальной базой для проведения исследований ударной волны при взрыве и взаимодействия ее с взрывозащитными конструкциями.
2 На полигоне можно испытывать различные средства подавления и локализации взрывов, в том числе и автоматические, пламегасящие материалы и способы их размещения для оценки эффективности заслонов.
3 Выполненный небольшой объем экспериментов позволил установить, что наиболее успешной конструкцией для локализации взрыва метана является комбинация заслона из водяных мешков и мелкоячеистой стальной сетки.
4 Сравнение расчетных и фактических величин давлений ударной волны показывает на работоспособность разработанной системы измерений и возможности ее использования при проведении экспериментов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Васенин, И.М. Математическое моделирование горения и взрыва высокоэнергетических систем / И.М. Васенин, Э.Р. Шрагер, А.Ю. Крайнов [и др.]. - Томск: ТГУ. - 2006. - 320 с.
2 Аналитическая инженерная методика оценки затухания ударных волн при их прохождении через защитные сооружения. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2003. - 39 с.
3 Рябинин, Ю.Н. Затухание ударных волн в каналах постоянного сечения / Ю.Н. Рябинин, В.Н. Родионов, Ю.С. Вахрамеев // Механическое действие взрыва. -М.: Наука, 1971. - 856 с.
EXPLOSION BARRIER TEST IN SHOCK TUBES OF EXPERIMENTAL TEST SITE
V.M. Plotnikov, R.I. Gabaidullin, R.R. Khodzhaev, S.T. Assainov, I.A. Filatov, Ye.A. Serov
Some experimental results are given for different barrier tests in a shock tube in order to localize methane and coal dust explosions in mine openings. Calculated pressure values in the shock wave front are presented for comparison with the values received during experiments.
Key words: METHANE AND COAL DUST EXPLOSION, SHOCK WAVE, EXPLOSION BARRIER, SHOCK TUBE, TEST SITE
Плотников Валерий Михайлович тел. (7212)49-95-17 Габайдуллин Равгат Ибрагимович тел. (7212)49-95-95 Ходжаев Рустам Ривкатович тел. (7212)43-77-37 Асаинов Сергей Турсунович тел. (7212)43-77-37 Филатов Игорь Анатольевич тел. (7212)43-77-37 Серов Евгений Анатольевич тел. (7212)43-77-37
