CC BY
10
С.П. Казаков
д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры ФГБОУ ВПО «КеМГУ»
О.С. Токарев
заместитель начальника по оперативной работе ФГКУ «Национальный горноспасательный центр»
УДК 622.522
ОБОСНОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ДОСТУПА ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ВГСЧ К МЕСТУ АВАРИИ ПРИ УЧЕТЕ АЭРОТЕРМОГАЗОДИНАМИКИ ВЫРАБОТОК ПОСЛЕ ПОЖАРА
Приведены уравнения распространения ядовитых газов по выработкам аварийного участка после пожара. Рассмотрены асимптотические решения. Предложен алгоритм определения времени безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии.
Ключевые слова: ПОЖАР, МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ, УРАВНЕНИЕ МАССОПЕРЕНОСА, РЕШЕНИЕ, ВРЕМЯ ДОСТУПА К МЕСТУ АВАРИИ
В работе [1] предложено расширить функции системы мониторинга атмосферы локальных объектов (СМА-ЛО) и использовать результаты измерений для оценки подвижности температурных и газовых полей в рудничной атмосфере аварийных участков, что даст возможность определения времени и места безопасного доступа подразделений ВГСЧ на аварийных объект.
В работе [2] соответствующая задача решена для ситуации, возникающей после внезапного выброса угля и газа. Рассмотрим еще одну из основных аварии: пожар в очистной выработке, при котором происходит тепломассоперенос и выделение ядовитых газов в атмосферу выработок. Задачей СМАЛО является оценка тепловой и газовой ситуации для дальнейшего определения действий подразделений ВГСЧ.
Предложим математические модели задач конвективно - диффузионного переноса ядовитых газов и тепломассопереноса в потоке. Уравнение одномерного конвективно - диффузионного переноса рудничного воздуха с примесью ядовитых газов при источнике убывающей интенсивности, согласно [3] имеет вид:
дс де ^ д2е — + и— = В^-дг дх д2 х (1)
с краевым условием е(0,г)=е0е-р' и начальным е(х,0)=0.
Здесь В - коэффициент турбулентной диффузии примеси, м2/с ; и - скорость потока воздуха в выра-
ботке, м/с; р - коэффициент затухания пожара, 1/с.
Данное уравнение является дифференциальным уравнением параболического типа с частными производными. Решение его имеет достаточно сложный вид и не используется в дальнейшем, в связи с чем здесь не приводится.
Асимптотически, при значительных значениях Ь - длины выработки и г -- температуры, (что характерно для места расположения датчиков СМАЛО), решение уравнения (1) на этом участке имеет вид [4]
С{г )=С,
Лр+В / = С е-
шах^ ^шах1-
(2)
где Стхх - максимальная концентрация ядовитых газов в месте расположения датчиков СМАЛО при первом замере.
Обозначим р +иВ через а и проведем несколько измерений е(г) через интервал времени А^ тогда среднее значение а рассчитывается по формуле: с
1п шах
1 п
а = -Х-—
Пг=1 г1 , (3)
где п - число измерений.
Пересечение построенной кривой с линией е = ед - допустимой концентрацией ядовитых газов дает значение Тдост - времени доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии через разгазируемую выработку по фактору скопления ядовитых газов (рис.1).
47
С(9
и
ь1 + дt1
Ь1 + 2Д Ь1
1досш
Рисунок 1 - Обработка результатов измерений с(1) через интервал At1
Рассмотрим тепломассоперенос в выработках. После пожара в очистной выработке в призабойном пространстве возникает очаг длительной постоянной температуры или с убывающей интенсивностью. Температура за счет тепломассопереноса распространяется по выработкам со скоростью и (м/с). На стенках выработок, по которым проходит движение нагретого воздуха, происходит теплообмен (поглощение тепла потока поверхностью выработки). В результате к месту расположения датчиков СМА-ЛО приходит воздух меньшей температуры, чем в источнике пожара.
Процесс тепломассопереноса в выработке описывается уравнением, аналогичным уравнению (1) со следующими изменениями:
- концентрация с замещается на энтальпию рТ ;
- в уравнение добавляется линейный член, определяющий теплообмен с поверхностью выработки;
- учитываются уравнения состояния (связь плотности воздуха с температурой) [5].
Поскольку существено важно поведение температуры в месте расположения датчиков СМАЛО, то есть при значительных повышениях / решение уравнения асимптотически аппроксимируем зависимость Т(ф) функцией, аналогичной (2), с заменой показателя степени на р.
Получим:
Рисунок 2. Алгоритм выбора времени безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии
Коэффициент р рассчитывается по формуле, подобной (3). Значение Тдосп по тепловому фактору определяется аналогично соответствующему значению для газового фактора.
Далее приведен общий алгоритм выбора времени безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии (рис.2).
Логика первых двух блоков следует из текста и алгоритма. В последних двух блоках, на основе оценки наиболее опасных ситуаций, выбирается максимальное время безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии по факторам содержания ядовитых газов или температуры воздуха в выработке.
Для этого используется формула:
Т 1
= шах
I ^
1 Т -1п-
Сд Р Т
где параметры а и в определяются по формулам (3) и (4); индекс д обозначает допустимые значения соответствующих параметров.
Таким образом, время безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии определяется по интенсивности разгазирования и тепломассопереноса выработки.
Щ = Т е-вф.
х ' тах
С
у
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Казаков, С.П. Расширение функций СМАЛО для обоснования времени безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии / С.П.Казаков, О.С.Токарев // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности Кемерово. - 2015. - №3. - C. 42 - 44.
2. Казаков, С.П. Контроль разгазирования аварийных объектов с помощью системы мониторинга после внезапных выбросов угля и газа/ С.П.Казаков, О.С.Токарев // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности Кемерово. - 2015. - №3. - C. 52 - 54.
3. Казаков, С.П. Проветривание подготовительных выработок угольных шахт Кузбасса / С. П. Казаков, А. М. Ермолаев, С. А. Прокопенко; Нац. исслед. Том. политехн. ун-т, Юргин. технол. ин-т. - Томск : Изд-во Том. политехн. ун-та, 2013. - 210 с
4. Франк, Ф. Дифференциальные и интегральные уравнения математической физики. Часть вторая / Ф. Франк, Р. Мизес. - М.: Главная редакция общетехнической литературы, 1937. - 998с.
5. Абрамов, Ф.И. Рудничная аэрогазодинамика / Ф.И. Абрамов. - М.: Недра, 1972. - 272с.
SUBSTANTIATION OF MINE RESCUE DETACHMENTS ACCESS TIME TO THE ACCIDENT SPOT WITH CONSIDERATION OF AIR THERMAL GAS DYNAMICS OF THE MINE OPENINGS AFTER FIRE
Kazakov S. P., Tokarev O. S.
Equations of toxic gases spreading in the accidental mine openings after the fire are given. Asymptotic decisions are reviewed. Algorithm of mine rescue detachment safe access time estimation to the accident spot is suggested.
Key words: FIRE, MINE AIR MONITORING, MASS TRANSFER EQUATION, DECISION, ACCIDENT SPOT ACCESS TIME
Казаков Сергей Павлович e-mail: bgnkfi@gmail.com
Токарев Олег Сергеевич e-mail: zentr-oper@mail.ru
