CC BY
27
К 70-летию КАФЕДРЫ
«аэрология : и . охрана : труда» : .
1^^ В.А. Горбатов, 2000
1
УДК 622.341.1
В.А. Горбатов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ОЧАГОВ САМОНАГРЕВАНИЯ И САМОВОЗГОРАНИЯ ПРИ БЕСЦЕЛИКОВОЙ ВЫЕМКЕ УГЛЯ
П
о причиняемому ущербу и опасности эндогенные пожары превалируют над другими видами аварий в угольных шахтах. Широко применявшаяся ранее изоляция выемочных участков как средство борьбы с эндогенными пожарами при отработке мощных пологопадающих пластов угля становится экономически невыгодной. Такое положение определяет необходимость поиска новых и уточнения области применения существующих способов предупреждения, локализации и тушения эндогенных пожаров. Причем во всех угледобывающих странах особое внимание стали уделять созданию способов и средств активного подавления очагов самонагревания и самовозгорания угля.
Наиболее сложные условия по данному фактору создаются при применении бесцеликовых систем разработки, широко используемых в настоящее время при выемке мощных пологих пластов, где условия изоляции выработанных пространств весьма затруднены.
Активное подавление эндогенных пожаров требует не только наличия эффективных средств пожаротушения, но и знания закономерностей возникновения и локализации очагов. Именно место расположения очага предопределяет выбор способов и средств борьбы с пожаром. В связи с этим были выполнены исследования процессов теплонакопления и изменения газового состава рудничной атмосферы при возникновении очагов самонагревания и самовозгорания, цель которых - разработка методов установления местонахождения очага для последующего целенаправленного воздействия на него.
В настоящее время созданы технологии профилактики и тушения эндогенных пожаров с применением антипирогенов, воздушно- и инертно-механических пен, вспененных пульп и суспензий. Однако процессы теплонакопления и фильтрации воздуха при бесцеликовой отработке мощных пологих пластов изучены недостаточно, предлагаемые математические модели развития процессов самонагревания и самовозгорания угля в большинстве своем достаточно сложные, громоздкие, требуют знания параметров, определение которых, зачастую, затруднено или просто технически невозможно. Поэтому ликвидация очага чаще всего осуществляется практически «вслепую».
Известно, что возникновение и развитие процесса самонагревания возможно при наличии достаточного скопления разрыхленных масс химически активного угля и притока к нему воздуха. Разогревание угля начинается сразу же, как
только создаются условия для аккумуляции теплоты реакции окисления. Установлено также, что самонагревание угля зависит от его химической активности (способности к окислению), теплофизических свойств угля и вмещающих пород, путей и величины утечек воздуха в выработанном пространстве и др. Поэтому для определения местоположения очага эндогенного пожара в выработанном пространстве необходимо решать комплекс задач, в том числе нахождения поля скоростей фильтрации воздуха, теплового баланса пористой среды и фильтрующегося воздуха и баланса кислорода.
Движение воздуха в пористой среде без учета газовыделе-ния описывается системой уравнений Навье-Стокса и однородным уравнением неразрывности. В векторной форме эта система имеет вид
- gmdP=(^/к+р |к| /1) V (1)
divV =0, (2)
где Р - давление воздуха в каждой точке пористой среды, Па; ц - коэффициент динамической вязкости, Н с/м2; К -коэффициент проницаемости, м2; р - плотность фильтрующегося воздуха, кг/м3; I - масштаб макрошероховатости, м;
V = Vx ■ I + Vy ■ ] + Vz • k - вектор скорости фильтрации, м/с.
Определяя из (1) составляющие скоростей фильтрации и подставляя их в уравнение неразрывности (2), приходим к нелинейному уравнению эллиптического типа:
div[k(x, V ) qradP] = 0, (3)
к(х, V)=(р/К+ р^^/1)1; (4)
гдеХ =(х,у,2) - пространственная координата, м.
Описанная система уравнений (1) и (2) рассмотривалась применительно к сложной области О, которая в случае двухслоевой системы разработки имеет вид, приведенный на рис. 1.
Сопряженная задача движения воздуха по горным выработкам и выработанному пространству решалась при следующих условиях:
( „а „Л
= _| Qа\
ёР?
dx
Г
к2 ёх
п
+ ^р^а
Ка
(5)
Ра =
А
где
рас
- давление воздуха в очистной выработ ке;
1,2 Па; Qб - объемный расход воздуха
соответственно нижнего (а=1) и верхнего (а=2) слоев, м3/с; 0б - коэффициенты неравномерности потоков по сечениям соответственно нижнего и верхнего слоев; Sб - площадь сечения очистных выработок, м2; Пб - периметр очистных выработок, м; X - коэффициент, учитывающий сопротивление выработок;
РАІГ = РІГРАІГ = Р|
(6)
где Гі, Г2...Г10 - границы расчетной области О соответственно примыкающие к очистному забою нижнего слоя, очистному забою верхнего слоя, к целику со стороны верхнего
Г
+
2
слоя и т.д.
Уравнение неразрывности для горных выработок имеет
вид
^а
ёх
■ = -да; а = I;2,
(7)
где qб - утечки через границу, примыкающую к выработанному пространству, м3/с.
На границе области ? со стороны целика и почвы разрабатываемого пласта условия непроницаемости границы задаются следующим образом:
дР дР дР дР дР
дх Г3 дх Г 4 дх Г 5 дх Га ду Г10
= 0.
(8)
Оставшаяся часть границы - проницаемая и, следовательно, необходимо задать поток:
дР
- — = 8Р - Р&(х)):
дп 5
(9)
где 5 - эмпирический коэффициент, м-1; Рв(х) - характерное значение давления, определяющее депрессию между действующей лавой и отработанным пространством, Па.
Решаем краевую задачу (3) с граничными условиями (8), а затем из (1) определяем составляющие скоростей фильтрации.
Определяя самонагревание как теплофизический процесс, т.е. абстрагируясь от химической стороны явления, потери угля в обрушенных породах кровли рассматриваем как сплошную среду, через которую фильтруется поток утечек воздуха с определенным содержанием кислорода. При этом указанная среда наделена теплофизическими свойствами и включает распределенные источники теплоты. В работе [1] предложена математическая модель самонагревания угля с распределенными источниками для пористой
Рис. 1. Схема выработанного пространства для определения тепловых и фильтрационных процессов
стенки. Продолжая приведенные в работе рассуждения было обобщено уравнение тепло- и массопереноса для выработанного пространства выемочного участка. В результате выполненных исследований установлено, что для определения температурного поля в выработанном пространстве последовательно находим поле давлений и скоростей фильтрации воздуха, после температур и концентрации кислорода в расчетной области.
Проведенные экспериментальные исследования газовой динамики и температурного режима в выработанном пространстве лавы 22 по пласту К12 шахты имени 50-летия Октябрьской революции ПО "Карагандауголь" позволили произвести численное моделирование на компьютере процесса развития самонагревания угля.
Расхождение расчетных и экспериментальных значений температур в точках, соответствующих расположению в выработанном пространстве датчиков наблюдательных станций, не превышает 20 %. Это свидетельствует об относительно высокой достоверности расчетного метода определения мест расположения зон с повышенной температурой самонагревания угля в выработанном пространстве.
Выполненные теоретические исследования процессов теплонакопления в выработанном пространстве позволили создать алгоритмы и программы расчета на персональных компьютерах скоростей фильтрации воздуха, температуры угля и концентрации кислорода, позволяющие определить местонахождение очагов самонагревания угля и в численном моделировании проследить развитие и возможные варианты подавления эндогенных пожаров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вылегжанин В.Н., Вылегжанин Вл.Н. (сорбционно-диффузионно-фильтрационные процессы тепломассообмена при эндогенных пожарах // Физико-техн. пробл. разраб. полезных ископаемых. - 1978. - № 3. - С. 85-87)
