CC BY
135
УДК 622.822.7 Я.В. Мельникова
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАБОТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ
И я одземные пожары - один из наиболее сложных и опасных
И видов аварий, которые уничтожают горные выработки и дорогостоящее оборудование, наносят огромный моральный и материальный ущерб угольным предприятиям, а нередко сопровождаются человеческими жертвам. По данным НИИГД, ежегодно на шахтах Украины происходит в среднем от 160 до 200 подземных пожаров, 50-70 % которых имеют экзогенное происхождение. Тушение развитых подземных пожаров - одна из наиболее актуальных научно-технических проблем угольной промышленности, в которой особое место занимают вопросы аварийной вентиляции. Учитывая, что угольная промышленность Украины ведет добычу угля на больших глубинах, достигающих 1400 м, решение вопросов аварийного проветривания является одной из основных задач безопасности горных работ.
Анализ причин и последствий аварий показывает, что в последние годы, при общем снижении их количества, сложность и время их ликвидации возрастает. В некоторых случаях это связано с проблемой выбора аварийного вентиляционного режима, так как при этом необходимо решить целый комплекс аэро-термо-газодинамических задач. Основные подходы и методы их решения представлены в работах различных авторов [1-3].
В то же время, в современной практике ликвидации аварий, все большее применение получают современные ПЭВМ и программное обеспечение для решения различных задач рудничной вентиляции [4-6]. Такое программное обеспечение значительно повышает опе-
ративность и точность расчетов, связанных с проветриванием горных выработок. В этой связи, можно считать, что разработка соответствующих рекомендаций и программного обеспечения, достаточно актуальны.
Весь комплекс задач аварийной вентиляции можно условно разделить на три группы: тепловые, газодинамические и задачи регулирования воздухораспределения.
Анализ первой группы задач показывает, что разработанные методы и методики [7] ориентированы на статические решения, т.е. не всегда учитывают динамику развития пожара.
При расчетах устойчивости используются экстремальные значения эмпирических показателей, что снижает возможность маневра при выборе аварийного вентиляционного режима. К недостаткам действующей методики расчета тепловой депрессии можно отнести то, что в ней не учитывается действие объемного расширения нагретого воздуха.
Исследования газовых задач, затрагивают все основные аспекты аварийной вентиляции, однако использование расчетных зависимостей [8] требуют большого практического опыта анализа аварийных ситуаций.
Наиболее сложными для решения являются задачи регулирования воздухораспределения или выбор аварийных вентиляционных режимов. Эта сложность объясняется тем, что процесс выбора аварийного вентиляционного режима включает в себя целый комплекс различных задач: оценку обстановки на аварийном участке, прогноз развития пожара и газовой обстановки, оценку и выбор средств пожаротушения, оценку и выбор аварийного вентиляционного режима и.т.д.
Задачи, связанные с выбором аварийных вентиляционных режимов (АВР) решаются на стадии подготовки планов ликвидации аварий (ПЛА) и в ходе тушения пожаров. Однако при этом не всегда учитываются особенности аварийных выработок и влияние средств пожаротушения на аэродинамические параметры этих выработок. В этой связи изучение особенностей выбора аварийных вентиляционных режимов при пожарах в угольных шахтах является достаточно актуальной научной задачей.
Особое внимание следует уделять оценке устойчивости проветривания при общешахтном реверсировании вентиляции. В этом случае, методика расчета тепловой депрессии пожара должна учи-
тывать время, прошедшее с момента возникновения пожара до начала реверсирования [9]. Однако, при подготовке ПЛА, когда место возникновения пожара неизвестно, возникает противоречие между требованием об определении величины максимальной тепловой депрессии и выбором предполагаемого места возникновения пожара. Так, при нисходяшем проветривании наклонной выработки (нормальный режим проветривания) максимальную тепловую депрессию пожара необходимо рассчитывать исходя из условия, что пожар возник в начале (верхней части) выработки, а после реверсирования, когда проветривание наклонной выработки становиться восходящим, максимальная величина тепловой депрессии может сформироваться, только если очаг горения возник в нижней части выработки. Эти вопросы до настоящего времени не имеют однозначного решения. Необходимы дальнейшие исследования, позволяющие однозначно определить качественные или количественные показатели эффективности общешахтного реверсирования вентиляции при пожаре в наклонной выработке.
В аварийных условиях, кроме оценки устойчивости проветривания выработок аварийного участка рассчитываются параметры пожара [10]. На основании этих расчетов прогнозируются возможные последствия развития аварии, выбираются способы и средства ее ликвидации.
Анализ известной методики расчета параметров пожара [10] показал, что ее основу составляют зависимости связывающие скорость развития пожара, скорость воздуха в аварийной выработке до пожара и величину горючей загрузки. Согласно указанной методике предельная скорость распространения пожара по выработке Vпр равна:
Текущая скорость распространения пожара V, м/мин определяется по формуле
где т - время с момента возникновения пожара, мин; Ь - параметр, характеризующий скорость развития пожара, мин.
Значение параметра Ь, мин для конвейерной ленты - Ь =
(1)
V =
(2)
= 80 + 42 Q/S, для конвейерной ленты, деревянной затяжки и деревянных рам - Ь = 20 + 21 Q/S.
Дальность распространения пожара, Lп, м предлагается определять по формуле:
¿п = Упр - ь) + ¿0 , (3)
где ¿0 - начальная длина (м) зоны воспламенения, равная ¿0 = 10/П - при воспламенении минерального масла или метана на больших площадях, локальном воспламенении метана, конвейерной ленты от трения и других горючих материалов от тепловых импульсов (Пi -ширина конвейерной ленты или часть периметра выработки, закрепленной деревом, м).
Если ввести в рассмотрение время горения (тг, мин) того или иного материала, то по формуле аналогичной (3) можно найти длину зоны тления продуктов горения (т > тг), ¿т:
¿Т = Упр (л/(т-тг )2 + ь2 - Ь) + ¿0-> (4)
Время горения тг, мин определяется по наиболее длительно горящему материалу и равно:
тг = т /Уг , (5)
где Уг - скорость горения дерева или конвейерной ленты, равная соответственно 0,21 и 0,37 кг/м2.мин.
Длина зоны горения 1г находится как разность двух длин:
1г = ¿п - LТ , (6)
Зная длину зоны горения, можно определить как характер нарастания температуры в ней, так и ее охлаждение по ходу движения вентиляционной струи. Вместе с тем, при выполнении расчетов следует учитывать, что параметр Ь, определяющий скорость развития пожара, является эмпирической константой и не всегда правильно отражает динамические явления в аварийной выработке. Например, он не учитывает возможное изменение скорости воздуха в аварийной выработке за счет действия тепловой депрессии пожара. Эту величину можно оценить только по результатам моделирования воздухораспредления в шахтной вентиляционной сети на ПЭВМ. Поэтому, при пожаре в выработке с нисходящим проветриванием, расчетные формулы 1-6 дают завышенные результаты, а при восходящем - заниженные. Кроме того, эти зависимости не учитывают условия, складывающиеся в выработках при включении системы автоматического тушения пожара на конвейерных линиях
(в начальной стадии аварии), наличие горючих материалов за крепью (в пустотах возникших при проходке выработок), воздействие различных средств тушения на аэродинамические и температурные характеристики аварийных выработок (в ходе ликвидации пожара).
В отличии от расчетов проветривания на стадии подготовки ПЛА при оперативных расчетах следует учитывать действие всего комплекса факторов влияющих на проветривание аварийных выработок: формирование тепловой депрессии пожара в нескольких вентиляционных контурах (если наклонная выработка состоит из нескольких участков), возможность поступления нагретых пожарных газов из горизонтальной выработки в наклонную, влияние средств тушения на состояние горных выработок, аэротермодинамические характеристики горных выработок и способы их определения. Так, например, для более точной оценки режима проветривания выработок при пожаре должно учитываться термическое расширение воздуха (кт) в очаге горения:
10^
Кт = 1 + (4 / 1Т0)
Тг - Т0 +---------(Тт - Тк )
аТ г
(7)
где I, 1г - соответственно, длина аварийной выработки и зоны горения, м; Т0, Тг, Тт Тк - соответственно, температура воздуха в поступающей струе на аварийный участок, температура горения различных материалов, максимальная температуру воздуха, температуру воздуха на выходе из аварийной выработки; аТ - коэффициент учитывающий нагрев воздуха в зоне горения.
Аэродинамическое сопротивление аварийной выработки ^а) пересчитывается по формуле:
Яа = КтЯ , (8)
где R - сопротивление выработки до возникновения в ней пожара.
Величина кТ должна учитываться при расчетах устойчивости проветривания в выработках с восходящим проветриванием и воз-духораспределения в наклонных и горизонтальных выработках.
Анализ особенностей расчетов вентиляции шахт с использованием компьютерных технологий показывает, что до настоящего времени отсутствуют методики моделирования элементов шахтных вентиляционных сетей и аварийных вентиляционных режимов, учитывающих весь комплекс факторов влияющих на воздухораспреде-ление в нормальных и аварийных условиях. Известные методики [4, 5] не всегда достоверно учитывают (или вообще не учитывают)
специфику формирования и действия локальных источников тяги в отдельных контурах шахтных вентиляционных сетей, а также влияние различных средств тушения (водяные и пенные) на аэродинамические параметры горных выработок. Кроме того, до настоящего момента времени не учитываются особенности определения и моделирования аэродинамических характеристик элементов вентиляционной сети с учетом различных средств тушения пожаров и природных факторов. При подготовке компьютерных моделей шахтных вентиляционных сетей, во многих случаях (при обработке материалов депрессионных съемок) используется метод эквивалентных сопротивлений, в соответствии с которым моделирование действия контурной естественной тяги заменяется изменением аэродинамического сопротивления модели выработки.
Вопросы моделирования, до настоящего времени, полностью не изучены и отсутствуют методики моделирования как работы газогенератора в работу, т.е. прогноза эффективности инертизации аварийного участка, можно использовать результаты ранее проведенных исследований [4, 5]. Однако для разработки на этой основе программного обеспечения необходимо уточнить математический аппарат, разработанный ранее, упростить его и представить в виде удобном для программирования.
Вышесказанное позволяет определить цель исследований -разработка рекомендаций по выбору аварийного вентиляционного режима с учетом особенностей развития пожара и влияния средств пожаротушения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• разработать аналитический аппарат для расчета изменений тепловых параметров очага пожара;
• разработать методические основы выбора аварийных вентиляционных режимов на ПЭВМ;
• разработать аналитический аппарат для оценки тепловых и газовых параметров, горных выработок с учетом влияния средств пожаротушения;
• разработать методики моделирования работы газогенератора и пеногенератора.
Выводы
1. Показано, что существующие методики расчета аварийных вентиляционных режимов не учитывают особенности формирования аэродинамических характеристик элементов шахтных вентиляционных сетей с различными локальными источниками тяги и влияние средств пожаротушения на воздухораспределение в горных выработках.
2. Обоснована необходимость создания единой методики моделирования шахтных вентиляционных сетей и подготовки исходной информации по элементам моделей шахтных вентиляционных сетей.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по определению параметров подземного пожара и выбору эффективных средств его тушения: Утв. Всесоюзным управлением ВГСЧ 9.09.85 / ВНИИГД. - Донецк, 1985. - 96 с.
2. Рекомендации по выбору эффективных режимов проветривания шахт при авариях. - Донецк: НИИГДД995. - 168 с.
3. Осипов С.Н., Жадан В.М. Вентиляция шахт при подземных пожарах. - М.: Недра, 1973, - 150 с.
4. Руководство по применению инертных газов при ликвидации пожаров в шахтах: Утв. Начальником Центрального штаба ВГСЧ Минуглепрома СССР 19.07.89 / ВНИИГД. - Донецк, 1989. - 190 с.
5. Руководство по применению инертных газов при ликвидации пожаров в шахтах, опасных по газу и пыли: Утв. Всесоюзным управлением ВГСЧ 22.10.86 / ВИИГД. - Донецк, 1989. - 190 с.
6. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука,1969. - 824с.
7. Рекомендации по выбору эффективных режимов проветривания шахт при авариях. - Донецк: НИИГД,1995. - 168 с.
8. Романченко С.Б., Клебанова Н.М. Усовершенствованный алгоритм решения сетевой вентиляционной задачи. // Горноспасательное дело: Сб.научн.трудов / ВНИИГД. - Донецк, 1993. - С. 65-69.
9. Болбат И.Е., Лебедев В.И., Трофимов В.А. Аварийные вентиляционные режимы в угольных шахтах. - М.: Недра, 1992. - 206 с.
10. Руководство по определению параметров подземного пожара и выбору эффективных средств его тушения: Утв. Всесоюзным управлением ВГСЧ 9.09.85 // ВНИИГД. - Донецк, 1985. - 96 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Мельникова Я.В. - аспирантка ДонНТУ.
© в.к. костенко, е.л. Завьялова,
