CC BY
16
К 70-летию КАФЕДРЫ
«аэрология : и . охрана : труда» : .
^ Ю.Ф. Булгаков, 2000
і
УДК 622.4:622.81
Ю.Ф. Булгаков
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЗРЫВОВ МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ЛАВ ОБРУШЕННЫМИ ГОРНЫМИ ПОРОДАМИ
П
ри отработке пологих пластов с управлением кровли полным обрушением существует реальная опасность возникновения пожаров вследствие самовозгорания угля в выработанном пространстве лавы. Сложность тушения таких пожаров обусловлена не только отсутствием подходов к очагу горения, но и опасностью возникновения взрывов метано-воздушных смесей. Поэтому такие пожары, как правило, изолируются специальными перемычками на дальних подступах к аварийному участку. Изоляция влечет за собой прекращение добычных работ, потерю дорогостоящего горношахтного оборудования и подготовленных к выемке запасов угля.
Вместе с тем, в последнее время, теоретически обоснована возможность аварийного отхода лавы при наличии очага пожара в выработанном пространстве. Эта идея реализуется за счет строгого соблюдения профилактических мер и правильного учета локализующих свойств обрушенных пород. Однако до настоящего времени локализующие свойства обрушенных пород изучены недостаточно. В основу исследований нами положена гипотеза об однородности структуры обрушенных пород, образующих пористую проницаемую среду, отделяющую действующие выработки от пожара, а также предположение об адиабатическом расширении газов в процессе взрыва. Физическая картина процесса в упрощенном виде представляется следующим образом. При взрыве метано-воздушной смеси в выработанном пространстве выде-
ляется определенное количество энергии, обусловленное объемом и процентным содержанием горючих газов, которые по мере расширения воздействуют на обрушенные породы. Энергия взрыва с достаточной для инженерных расчетов точностью согласно [1] может быть определена из выражения:
Ев = Ро • gv • Уо , кг.см , (1)
где р0 - плотность взрывчатой смеси (для метано-воздушной смеси при нормальных условиях р0 = 0,115 кгс/м4); у0 - объем взрывчатой смеси, м3 ; gv - удельная теплота взрыва в единицах механической работы, которая для любой взрывчатой смеси определяется из выражения [1]:
g = , м2/с2 (2)
V £ п ■ тг
где Qv - теплота взрыва, ккал;
g - ускорение силы тяжести, м /с2; п -число кмолей ^го вещества газовоздушной смеси; /М - молекулярный вес ьго вещества смеси.
Согласно [1] произведение g•v для стехиометрической метано-воздушной смеси равно 2,7^106 м2/с2.
Зная энергию взрыва, можно определить соответствующее ей давление во фронте взрывной волны [2]:
7
АР,
ф
, кг/м
2
3 ¡1 + 7,12
(3)
где F - площадь поперечного сечения горной выработки, м2; ^ - безраз-
мерный коэффициент перехода энергии взрыва газовоздушной смеси в воздушную взрывную волну (при дето-
нации ^ = 0,4-0,5), Р0 ~ 104 кгс/м2 ; L3 -длина зоны разлета продуктов взрыва, м; L3 примерно в 5-6 раз больше первоначальной длины участка загазирова-ния, т.е. L3 ~ 6^), где L0-начальная длина зоны загазирования (для замкнутых объемов справедливо равенство V ~ 6Vо).
На основании теоретических исследований были выделены основные величины, характеризующие процесс локализации взрыва обрушенными горными породами. К ним отнесены давление во фронте взрывной волны, степень заполнения выработанного пространства, ширина полосы обрушенных пород и их кусковатость (гранулометрический состав). Взаимосвязь между указанными величинами может быть представлена зависимостью:
hp=kl к2 Н Р2 , (4)
где Ц - ширина полосы обрушенных пород, м; к1 - коэффициент заполнения выработанного пространства обрушенными породами, м-1; к2 - куско-ватость обрушенных пород, м; Н -длина загазованного участка, м; Р2 -кратность превышения давления во фронте взрывной волны над атмосферным.
При определении величины Р2 необходимо учитывать не только влияние скоростного напора, но и адиабатическое расширение взрывных газов. С учетом сказанного, кратность превышения давления во фронте взрывной волны над атмосферным равна:
Р2 = [1+ (1+У)'1] Р1/ Р2, (5)
где Р1 - давление во фронте взрывной волны, МПа; Р0 - атмосферное давление, МПа; у - безразмерный показатель адиабаты. Подставив значение Р2 в уравнение (1), получим:
hp=[1+(1+У)■1]kl к2 Н Р1/ Р0 (6)
Уравнение (6) позволяет определить ширину породной полосы при известных значениях к1 и к2 .
Экспериментальная проверка взрывогасящих свойств обрушенных горных пород проводилась в лабораторных и натурных условиях.
На этапе лабораторных исследований проверялась правомерность принятых гипотез и допущений об адиабатическом законе расширения взрывных газов в районе очага пожара, а также изучалось влияние куско-ватости (гранулометричес-кого состава) пород на эффективность локали-
зации взрывов метано-воздушных смесей.
На этапе натурных испытаний уточнялись количественные характеристики процесса, оценивались размеры отклонений теоретических данных от опытных, определялась пригодность теоретических зависимостей для описания механизма гашения пламени и уменьшения давления во фронте взрывной волны.
Экспериментальные исследования проводились на ударных трубах и в условиях натуральной горной выработки - штольне «Гранит».
В ходе подготовки натурных экспериментов в штольне отрабатывались параметры породной полосы и способы ее возведения. В этом случае материал пористой преграды подбирался таким образом, чтобы он в наибольшей степени соответствовал реальной кусковатости и литологическому составу горных пород. Для этих целей использовалась порода, выдаваемая на поверхность шахты из подготовительных забоев. При проведении исследований в тупиковой части штольни имитировалось газовыделе-ние из обнаженной поверхности пласта, для чего из труб диаметром 50 мм был изготовлен специальный перфорированный коллектор. В качестве инициатора взрыва использовалась нихромовая спираль, на которую подавалось напряжение 220 В. Температура раскаленной спирали составляла 750 ^ 800 0С. В процессе подготовки экспериментальных исследований фиксировались следующие параметры: ширина породной полосы, объем взрывной камеры, процентное содержание метана, кусковатость (гранулометрический состав) породы, место расположения инициатора взрыва относительно кровли и почвы выработки.
Анализ результатов, полученных на ударных трубах показал, что обрушенные горные породы эффективно гасят взрывную волну и пламя взрыва бинарных газовых смесей и аэрогазо-дисперсных систем. Крупномасштабные экспериментальные исследования, проведенные во взрывной
штольне, показали, что в случае отсутствия защитной породной пробки (нулевая серия экспериментов), по выработке распространяется комплекс аэродинамических возмущений в виде ударной волны и фронта пламени. При этом ударная волна формируется на удалении 50 ^ 55 м от места воспламенения метано-воздушной смеси и со скоростью 370 ^ 470 м/с распространяется по участку выработки длиной 150 ^ 160 м, а потом вырождается в волну сжатия. Величина давления во фронте волны в зоне распространения взрыва колеблется от 0,1 до 0,2 МПа и на выходе из устья штольни составляет 0,12 МПа, что в 20 раз превышает допустимую величину.
При этом пламя взрыва распространяется на расстояние 60 ^ 70 м.
Наличие породной полосы в горной выработке изменяет характер формирования взрывного процесса. По мере расширения взрывные газы достигают границы породной полосы и начинают интенсивно на нее воздействовать. При этом энергия взрыва расходуется на выполнение работы по преодолению сил внутреннего трения и на перемещение породы. Указанные процессы сопровождаются теплообменом между взрывными газами и породной полосой. Очевидно, что взрывоустойчивость породной полосы обусловлена в первую очередь ее шириной, а во вторую - гранулометрическим составом (кусковатостью) породы.
В первой серии экспериментов ширина породной полосы была минимальной и составляла 3 м. Средний размер кусков породы составлял 0,3х0,4х0,2 м. Оказалось, что в этом случае энергия взрыва значительно превышала «энергоемкость» породной пробки, вследствие чего произошло разрушение последней. При этом давление в тупиковой части выработки нарастало по сравнению с нулевой серией экспериментов (т.е. без породной пробки) до 0,07 МПа в течение 0,8 с. Скорость фронта пламени составляла около 60 м/с, а длина распространения пламени - 12 м (до породной пробки).
Датчики пламени, расположенные за породной пробкой не зафиксировали наличие теплового импульса, в отличие от нулевой серии экспериментов, когда пламя распространялось на 60 ^ 70 м от тупика. Непосредственно за породной пробкой давление взрывной волны достигало 0,05 ^ 0,06 МПа. Это говорит о том, что породная пробка не выполнила функцию редуцирования избыточного давления до безопасной величины. Развитие взрывного процесса продолжилось и максимум избыточного давления был зафиксирован за породной полосой.
Таким образом, породная пробка длиной 3 м практически не влияет на характер формирования ударной волны. Логическим продолжением экспериментов было увеличение ширины породной полосы.
Во второй серии экспериментов ширина породной полосы составляла 6 м, гранулометрический состав пород был следующим: 30 % К = 0,04x0,03x0,02; и 70 % К = 0,03х0,3х0,03 м. В этом случае давление в тупиковой части выработки возросло до максимального значения Р = 0,195 МПа, после чего упало до 0,035 МПа.
Третья серия экспериментов была проведена в аналогичных условиях при ширине породной пробки, равной 8 м, гранулометрический состав пород был следующим: К = 0,5х0,4х0,3 м. В качестве закладочного материала использовалась шахтная порода. Как показали осциллограммы, давление взрывных газов за породной пробкой составляло 0,012 МПа, что почти в 3 раза ниже, чем в предыдущем опыте с hp = 6 м. Безопасного уровня давление в опыте № 3 достигло на расстоянии 20 м от породной пробки.
Таким образом, проведенный комплекс теоретических, лабораторных и натурных исследований позволил разработать научнообоснованные рекомендации по использованию взрывогасящих
свойств обрушенных горных пород при ведении горноспасательных работ в шахтах, опасных по газу и пыли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Плотников В.М. Исследование параметров взрывов горючих наук, Кемерово, 1980.- 24 с.2. газов в шахтах и разработка взрывоустойчивых перемычек: Автореф. 2. Покровский Г.И. Успехи газодинамики. - М.: Знание, 1974.-
дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. 64с.
ш
Булгаков Ю. Ф. - зав. лабораторией НИИ горноспасательного дела, Украина, Донецк
