Оценка параметров состояния рудничной атмосферы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Mashintsov Evgeniy Arsenevich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Kotlerevskaya Ludmila Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Krinichnaya Nataliy Aleksandrovna, engineer, natascha.crinichnaya@,yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.812.2

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РУДНИЧНОЙ

АТМОСФЕРЫ

Е.А. Машинцов, Л.В. Котлеревская, Н.А. Криничная

Рассмотрены концентрационные пределы взрываемости метана и угольной пыли, приведены коэффициент взрывобезопасности горной выработки и его зависимость от влагонасыщенности воздуха. Проведен анализ влияния концентрации кислорода на взрываемость метана и угольной пыли, определено понятие кислородного индекса.

Ключевые слова: концентрационные пределы взрываемости, коэффициент взрывобезопасности горной выработки, концентрация кислорода, кислородный индекс, условия невзрывчатости смеси горючих газов и угольной пыли с воздухом.

Концентрационные пределы взрываемости (воспламенения) смеси с воздухом являются важными практическими характеристиками взрывоопасности рудничных газов и пыли. Они определяют способность смесей к самовоспламенению при нагреве и к распространению возникшего пламени по газу или аэровзвеси [1].

Нижний предел концентрации угольной пыли, взвешенной в рудничном воздухе, при которой она взрывается, составляет 10 ... 300 г/м

3

(для каменных углей он равен 20 ... 25 г/м , для некоторых бурых углей -

33

10 ... 15 г/м , для угля марки ПА - 300 г/м ). Нижний предел взрывчатости отложившейся пыли в 2,5 раза больше, чем для взвешенной пыли. При зольности 60 ... 90 % или при влажности более 40 %, а также при содержании пыли в рудничной атмосфере более 1 кг/м угольная пыль не взрывается.

Присутствие метана в рудничном воздухе значительно повышает степень взрывчатости взвешенной пыли.

Для метановоздушной смеси нижний концентрационный предел воспламенения (НПВ) равен 5 %, а верхний (ВПВ) - 15 %. Это означает, что способны воспламеняться только смеси, содержащие от 5 до 15 % метана.

Коэффициент взрывобезопасности выработки определяется как отношение НПВ метана к фактической концентрации метана в воздухе выработки [2 - 4]:

к — ХмН11В

Квз —

X

(1)

м

где Квз - фактический коэффициент взрывобезопасности шахтной выработки (шахты) в текущий момент; х м - концентрация метана, % объемные; х мНПВ - нижний предел взрываемости (НПВ) метана, % объемные.

Из работ [4, 5] известно, что запыленность воздуха угольной пылью существенно снижает коэффициент взрывобезопасности, что объясняется законом Ле-Шателье [6], имеющим линейную зависимость [2]:

г \

хмНПВ

X

м

+

С

п

СпНПВ

— 1,

(2)

где х м - концентрация метана, % объемные; хмНПВ - нижний предел взрываемости (НПВ) метана, хмНПВ = 4,9 % объемные; Сп - концентрация взвешенной угольной пыли, г/м3; СмНПВ - нижний предел взрываемости угольной пыли, г/м3.

В работах [3, 6] отмечается несоответствие линейности закона фактическому состоянию НПВ пылеметановоздушной смеси.

Исследованиями установлено, что эта зависимость имеет вид экс-поиды с зависимым показателем степени [2]:

X,

мНПВ

X,

+

с

С

V СпНПВ

—1

(3)

при

или

т — 0,66551 - 0,12818 •

т — 0,53694 + 0,12818

( Х Л

м

V х мНПВ

1

Л 3

V спННП у

После преобразования уравнения (3) зависимость НПВ метана от запыленности воздуха будет иметь вид

хм ХмНПВ

' ( \ т

с

1 - п >

с V пНПВ

(4)

т

т

с

п

а при

т = 0,53694 + 0,12818 •

с„

V спннп у

, зависимость НПВ угольной пыли от

концентрации метана в шахтной атмосфере будет иметь вид:

С = С

^п СпНПВ

' Ґ \ т

х

1 - м >

VХмНПВ У

(5)

при

т = 0,66551 - 0,12818 •

Ґ л х,.

VХмНПВ у

Таким образом, получаем обобщенный показатель коэффициента взрывобезопасности для горных выработок [2]:

х.

__ мНПВ

х„

Г с і т

1 - п >

V СпНПВ у

(6)

где Квз - фактический коэффициент взрывобезопасности шахтной выработки (шахты) в текущий момент; х м - концентрация метана, % объемные; х мНпв - нижний предел взрываемости (НПВ) метана, % объемные; сп - концентрация взвешенной угольной пыли, г/м3; смНПВ - нижний предел взрываемости угольной пыли, г/м3 ; т - показатель степени взаимодействия взрываемости пылеметановоздушной смеси в соответствии с экспо-идным законом; 0,53694; 0,66551 - постоянные слагаемые показателя т в соответствующих зависимостях; 0,12818 - коэффициент переменной слагаемой показателя т.

По результатам многих научных исследований, выполненных в МакНИИ, ВостНИИ и других организациях, установлено [7], что влага воздуха, влагонасыщенность воздуха, является надежным экологически чистым флегматизатором взрываемости метана и угольной пыли. Фактический коэффициент взрывобезопасности горной выработки имеет следующую зависимость от влагонасыщенности воздуха [2]:

Кез =

4,9 + 0,09 • у

.2,34

х.

1 -

С

VС,нпв + 0,357 У

65

(7)

где у - абсолютная влажность воздуха, г/м ; 0,357 - минимальное значение коэффициента повышения НПВ (в зависимости от свойств угля меняется в пределах 0,357 - 0,755); 4,9 - НПВ метана в сухом воздухе, %; 0,009 - согласующий коэффициент повышения НПВ метана, % / (г/м ).

В теории горения горючих газов отмечается, что их нижний концентрационный предел не изменяется при замене в горючей смеси кисло-

3

1

т

т

рода на инертный компонент, например, азот. Эта закономерность соблюдается практически вплоть до смесей горючих газов, соответствующих мысу области взрываемости. При этом концентрация кислорода в смесях, флегматизированных азотом у мыса взрываемости, мало отличается от эквивалентного содержания кислорода в горючем газе на его нижнем пределе взрываемости. Это положение позволяет находить расчетным путем концентрацию кислорода в крайней точке мыса взрываемости горючего газа [8]:

Г = Кс • Сн_,%, (8)

где Кс - стехиометрический коэффициент реакции полного окисления кислородом горючего газа.

С помощью стехиометрических реакций окисления кислородом воздуха горючих газов с известным Сн.к.п., можно установить вид эмпирической зависимости КИ от произведения Кс-Снк.п..

Для горючих газов и паров

Г0 = 12,94- 8,718 • ехр[- 0,00011- (Кс • Сш )2,48С3]. (9)

Для метана

252,82 п/

Г = 17,13 - Т~?-----’% . (Ю)

с С н.к.п.

Чтобы учесть изменения состава воздуха и концентрации в нем кислорода, вводится кислородный коэффициент воздуха А 0 (табл. 2), который для атмосферного давления и нормального состава воздуха при С0 = 21,0 % равен 0,422. Тогда в зависимости от глубины горизонта шах-

ты И и концентрации кислорода С0 получаем уравнение

г „ и\

А0 = (0,020213 • С0 - 0,00184) •

ехр

(11)

Я • Т

Эмпирическая зависимость, полученная методами корреляционного анализа, имеет следующий вид [8]:

КИ(70) = 17,151 - 0,241 • С0,% . (12)

Таблица 1

Кислородный индекс метана в зависимости от кислородного коэффициента воздуха (А0)

№ и Ао К с Кс • С н.к.п.% КИ и Го, %

1 13,0 0,261 15,330 81,248 14,02

2 14,0 0,281 14,228 75,407 13,78

3 15,0 0,301 13,273 70,349 13,54

4 17,0 0,342 11,703 62,026 13,05

5 19,0 0,384 10,415 55,202 12,55

6 21,0 0,422 9,479 50,239 12,10

7 24,54 0,494 8,107 42,969 11,25

По уравнению (9) в работе [8] рассчитаны КИ для обычной угольной пыли и наночастиц пыли, полученных при распаде комплекса макромолекул угольного вещества. Результаты расчетов приведены в табл. 2. Проведенные исследования позволяют сформулировать условия невзрыв-чатости смеси горючих газов и угольной пыли с воздухом при любом их разбавлении воздухом. Смесь газов невзрывчата, если при содержании в ней горючих газов, соответствующем нижнему концентрационному пределу взрываемости, концентрация кислорода в смеси будет меньше или равна КИ для смеси этих газов [8].

Это условие можно записать в математическом виде, полученном из неравенства Ле-Шателье:

С

С

Сі

С,

+

с.

'ін.к.п.

где Сі, С2, Сз, ..

с

+

С

2н.к.п.

С

+ .

Зн.к.п.

Сі + С2 + С3 +.

+

С

+

С

КИ1 КИ2 КИ3

(13)

+ .

- концентрации горючих газов и наночастиц пыли, %.

Таблица 2

№ Химическая формула угля £ С) А0 К с Сн.к.п., % Кс • С н.к.п.% К И (¥0), %

1 С71,75 Н 54 О4,624 N 0,786 21,0 0,422 393,07 1,23 483,47 12,94

2 С71,75 Н 54 О4,624 N 0,786 24,54 0,494 335,78 1,1 369,57 12,94

3 [ С16Н12 О N0 0,197 ] 21,0 0,422 87,68 1,23 107,84 12,94

4 [ С16Н12 О N0 0,197 ] 24,54 0,494 74,899 1,1 82,39 12,92

Таким образом, осуществляя мониторинг концентрации кислорода в забоях горных выработок, можно обеспечить приемлемую для человека газовую обстановку и атмосферу, значительно увеличить эффективность вентиляции и подачу охлажденного обедненного воздуха, тем самым снизить температуру в забоях, обеспечив при этом надежную и безопасную для человека взрыво- и пожарозащиту горных выработок и выработанного пространства угольных шахт на глубоких горизонтах .

На основании изложенных выше рассуждений выявлено, что коэффициент взрывобезопасности горной выработки существенно зависит от концентрации метана, кислорода, угольной пыли и влажности воздуха, по которым можно контролировать взрывобезопасность горных выработок отдельно и по шахте в целом. Поэтому для повышения эффективности системы управления необходима правильная установка датчиков, прежде всего для измерений концентраций метана и угольной пыли, зная которые, по коэффициенту взрывобезопасности можно прогнозировать необходимые концентрацию кислорода и влажность воздуха.

186

Список литературы

1. Шевцов Н.Р. Взрывозащита горных выработок при их строительстве (конспект лекций): учебное пособие. Донецк: Новый мир,

1998. 329 с.

2. Стефанюк Б.М., Сенкус В.В., Лукин К. Д. Коэффициент взрыво-безопасности угольной шахты // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2008. № 10. С. 23 - 27.

3. Пат. 2373397 Российская Федерация, МПК E21F 7/00. Способ мониторинга атмосферы угольной шахты / Стефанюк Б.М., Стефанюк Я.Б., Сенкус В.В., Гершгорин В.С., Фомичев С.Г., Сенкус В.В., Сенкус В.В., Конакова Н.И., Марченко В.А. № 2007147053/03; заявл. 17.12.2007; опубл. 20.11.2009. Бюл. № 32. 7 с.

4. Клебанов Ф.С., Лагутин В.И., Шаталов B.C. Определение взрывчатости горючих газов в аварийных зонах угольных шахт // Горный вестник. Кемерово, 1994. № 2. С. 38 - 41.

5. Мясников А.А., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. М.: Недра, 1985. 180 с.

6. Гороховский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка, 1987. 830 с.

7. Стефанюк Б.М., Кайдо И.П., Фомичев С.Г. Профилактика взрывов метана и угольной пыли на шахтах // Уголь. 2000. № 3. С. 47 - 48.

8. Калякин С.А. Эффективный и безопасный способ борьбы со взрывами метана и пыли на угольных шахтах // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: сборник научных трудов. Макеевка: МакНИИ. 2011. Вып. 2. С. 116 - 136.

Машинцов Евгений Арсеньевич, д-р техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Котлеревская Людмила Викторовна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Криничная Наталья Александровна, инженер, natascha. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

ASSESSMENT OF PARAMETERS OF THE CONDITION OF THE MINER A TMOSPHERE E.A. Mashintsov, L. V. Kotlerevskaya, N.A. Krinichnaya

Concentration limits of explosibility of methane and coal dust are considered, the coefficient of explosion safety of an excavation and its dependence on water saturation of air are brought. The analysis of influence of concentration of oxygen on explosibility of methane and a coal dust is carried out, the concept of an oxygen index is defined.

Key words: concentration limits of explosibility, coefficient of explosion safety of an excavation, concentration of oxygen, oxygen index, conditions of not explosibility of a mix of combustible gases and a coal dust with air.

Mashintsov Evgeniy Arsenevich, doctor of technical sciences, docent, mea-44 a jvail.ni, Russia, Tula, Tula State University,

Kotlerevskaya Ludmila Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, spl.atsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Krinichnaya Nataliy Aleksandrovna, engineer, natascha.crinichnayaayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.451-52: 519.673

УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ В УГОЛЬНОЙ ШАХТЕ

Е.А. Машинцов, Л.В. Котлеревская, Н.А. Криничная

Приведена оценка математического моделирования в системе управления шахтной вентиляционной сетью, рассмотрены особенности моделирования нестационарных процессов вентиляции; описана схема проветривания горной выработки.

Ключевые слова: шахтная вентиляционная сеть, ориентированный граф, нестационарное воздухораспределение, математическое моделирование, потеря депрессии на горной выработке, схема проветривания горной выработки.

При создании системы автоматизированного управления проветриванием (САУП) одним из важных вопросов, которые необходимо решить, является построение математической модели шахтной вентиляционной сети (ШВС), которая адекватно описывала бы процессы, происходящие в объекте управления. Задачу построения математической модели относят к задачам идентификации объекта управления [1].

Как было указано ранее, ШВС представляется ориентированным графом 0(ш, п), где т - количество ветвей (0), п - количество узлов (V). Этот граф отражает топологию связей между ветвями и узлами, размещение активных элементов в сети (вентиляторов). Топология графа описывается матрицей инциденций А размерностью (ш*(п -1)) и матрицей независимых контуров (ш* у), где у = (ш - п+1) [2].

Математическое описание переходных процессов в сети (модель ШВС) имеет вид [2]

' А • 0 = 0;

*5 • К • ^ = 5 • Н - 5 • Я • 2-5 • #• 2, (1)

где А - матрица инциденций; 5 - матрица контуров; 0 - вектор расхода

1SS