CC BY
16
УДК 622.411.332:661.92:622.831.32:622.272:516.02 © С.В. Черданцев, П.А. Шлапаков, К.С. Лебедев, С.А. Хаймин, А.Ю. Ерастов, 2019
Параметры ударного фронта в теплопроводном газовоздушном потоке горной выработки
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-9-38-43 -
ЧЕРДАНЦЕВ С.В.
Доктор техн. наук, главный научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: svch01@yandex.ru
ШЛАПАКОВ П.А.
Канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, е-таИ: shlapakl978@mail.ru
ЛЕБЕДЕВ К.С.
Научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: lebedevks1987@yandex.ru
ХАЙМИН С.А.
Старший научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: hsa007@mail.ru
ЕРАСТОВ А.Ю.
Старший научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: eractov_a_y@mail.ru
С переходом горных работ на более глубокие горизонты существенно снижается безопасность труда горняков на угольных шахтах. Главным образом это обусловлено проявлением газодинамических и теплофизических факторов, к первым относятся внезапные выбросы угля и газа, суфлярные выделения газа, ударные и детонационные волны в атмосфере горных выработок. Причиной теплофизических явлений является наличие пылегазовоздушных смесей, склонных к химическому реагированию в форме дефлаграции или детонации, и очагов самонагревания, приводящих к изменению температурного поля горных пород и атмосферы горных выработок, что существенно повышает вероятность зажигания и горения пылегазовоздушных смесей. В данной работе определяются параметры ударного фронта в теплопроводном газовоздушном потоке, образующемся при внезапном выбросе газа из подземного резервуара в горную выработку со сверхзвуковой скоростью. Предполагается, что движение газовоздушной смеси при переходе через ударный фронт происходит стационарно, что позволило использовать фундаментальные законы сохранения массы, импульсов и энергии. Получены формулы, определяющие скорость за ударным фронтом, найдена температура газовоздушной смеси и вычислена ширина ударного фронта. Построены графики и выявлены некоторые закономерности изменения ширины ударного фронта в зависимости от начального числа Маха при различных показателях адиабаты Пуассона. Ключевые слова:горные выработки, газовоздушные смеси, законы сохранения массы, импульсов и энергии, коэффициент теплопроводности, число Маха, показатель адиабаты Пуассона, фронт ударной волны.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка угольных месторождений на глубоких горизонтах сопровождается регулярными проявлениями газодинамических и теплофизических процессов, существенно снижающих безопасность и производительность труда шахтеров. Газодинамические процессы обусловлены суфлярными выделениями метана в горные выработки из подземных резервуаров, которые могут происходить внезапно с выбросами не только метана, но также угля и породы [1, 2]. Как показано в работе [2], при определенных условиях внезапные выбросы газа из подземных резервуаров могут происходить со сверхзвуковой скоростью.
Теплофизические процессы обусловлены склонностью пылегазовоздушных смесей (ПГВС) к химическим реакциям окисления, сопровождающимся процессами теплообмена [3, 4] и образованием очагов самонагревания с повышенной температурой, что приводит к изменению температурного поля горных пород, окружающих горные выработки [5, 6]. При наличии источников зажигания возни-
кает процесс горения ПГВС в форме дефлаграции [7, 8, 9, 10] или детонации [10, 11, 12].
В частности, в работе [12] описан механизм возникновения аварий при разработке пологих угольных пластов, заключающийся в том, что очаги самонагревания инициируют воспламенение метановоздушной смеси, что, в свою очередь, приводит к взрывным волнам и детонационным процессам в угольной пыли, носящим в условиях угольных шахт характер катастрофы.
Таким образом, на наш взгляд, наиболее опасными явлениями на угледобывающих предприятиях являются ударно-волновые процессы, инициирующие детонационные волны, проявляющиеся в форме взрывов, которые приводят к наиболее тяжким экономическим и социальным последствиям.
Ударно-волновые процессы достаточно хорошо изучены, а библиография весьма богата и разнообразна. Здесь мы отметим лишь фундаментальные работы [13, 14, 15, 16], в которых отмечается особая роль теоретических исследований.
Классическая теория ударных волн в газообразных средах построена в рамках модели идеального газа на базе фундаментальных законов сохранения массы, импульсов и энергии. Целью теории ударно-волновых процессов является решение задачи установления взаимосвязи между газодинамическими и теплофизическими параметрами газа: скоростью, плотностью, давлением и температурой [13, 14, 15, 16]. В рамках модели идеального газа найдены решения этой задачи для многих частных случаев. В одних случаях решения задачи получены аналитически, в других - приближенно, но с достаточной для практических целей точностью.
Однако в некоторых случаях ударно-волновые процессы не могут быть описаны в рамках модели идеального газа. В первую очередь это относится к классу задач о течении газов в горных выработках с рамной крепью, представляющих собой шероховатые трубы. Наличие шероховатости создает существенное сопротивление движению газовоздушной смеси по горным выработкам, что, на наш взгляд, приводит к необходимости учитывать вязкие свойства газовоздушной смеси. В других условиях следует принимать во внимание теплообменные процессы внутри газовоздушного потока, что вызывает необходимость учитывать теплопроводность газовоздушной смеси и градиент температуры.
Отметим, что к настоящему времени теория ударно-волновых процессов в полном объеме еще не завершена [14]. Поэтому нам представляется необходимым рассмотреть задачи о структуре, эволюции и устойчивости ударно-волновых процессов в вязких и теплопроводных газовоздушных смесях, имеющих место в атмосфере горных выработок. Одна из этих задач обсуждается в данной статье.
ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О СТРУКТУРЕ
УДАРНОГО ФРОНТА В ТЕПЛОПРОВОДНОЙ
ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
Следуя работе [2], предположим наличие в окрестности горных выработок подземного резервуара с газом, находящимся под большим давлением. От резервуара в направлении выработки имеется канал переменного се-
чения, состоящий из конфузора и диффузора. При вскрытии диффузора горной выработкой газовоздушная смесь способна перетекать в выработку со сверхзвуковой скоростью, где, в результате столкновения с малоподвижным воздушным потоком выработки, образуется скачок уплотнения, переходящий в ударную волну. В статье мы поставили задачу определить скорость смеси за фронтом ударной волны и его ширину, полагая газовоздушную смесь теплопроводным газом.
Для решения сформулированной задачи воспользуемся фундаментальными законами сохранения [17, 18], описываемыми соответственно уравнением неразрывности:
— + &у(ри) = 0, д
уравнением импульсов:
5(ру)
дt
■ = -&у(руу + Т)
и уравнением переноса энергии:
д (ру2 . .. —I -— + ре I = -ё1У дг \ 2 1
ру | — + г Т
(1)
(2)
(3)
Уравнения (1), (2), (3) образуют систему, в которой искомыми величинами являются: вектор скорости течения газовоздушной смеси V, ее давлениер, плотность р и температура Т по Кельвину. Остальные величины в системе (1), (2), (3) обозначены: / - время, е и /' - соответственно внутренняя энергия и энтальпия газовоздушной смеси, зависящие от температуры Т; 1 - коэффициент теплопроводности смеси; Т = -рЕ - шаровой тензор, содержащий искомое давление р и единичную матрицу Е. Входя щая в уравнение (2) величина руу представляет собой диаду векторов ру и V, являющуюся тензором второго ранга, содержащим компоненты (руук).
Ударно-волновые процессы протекают, как правило, в стационарном режиме [13, 14, 15, 16, 17]. Поэтому производные по времени / в системе (1), (2), (3) равны нулю, а сама система существенно упрощается и приобретает вид:
&у(ру) = о, ^(р™+т) = о,
2 Л
V
1-1 -2+■
- ^гаё Т
= 0.
(4)
Поскольку дивергенция во всех уравнениях (4) равна нулю, то выражения, стоящие в скобках, не зависят от координат х,у, г [19], в силу чего мы получаем первые интегралы данной системы:
ру = С1, руу + Т = С2, ру
—+1 Т = С3.
(5)
Совместим ось х с осью выработки, вдоль которой составляющая скорости у, а составляющие скорости в плоскости поперечного сечения уу и у, очевидно, уу = у, = 0. В силу сказанного, движение газовоздушной смеси по выработке будет одномерным, при котором из девяти компонентов шарового тензора Т и диады руу имеют только по одной компоненте, равной соответственно р, ру^ и поэтому равенство (5) приводится к виду:
Р^ = С1> Р^ + Р = С2 = Р^
Ч2
х к Р 2 к-1 р
Л
-к -- = С3. (6) ах
где мы учли, что энтальпия определяется по формуле [20]: /' = кр/[(к- 1)р], в которой к является показателем адиабаты Пуассона в газовоздушной смеси.
2
Значения постоянных С1, С2, С3 в правых частях уравне ний (6) определим из граничных условий:
— = 0, р| = р0, = 0, Т\ = Т0, (7^
C1 = PoV*0> C2 = PoVXo + Po> C3 = PoVx
4
_+ k Po 2 k-1 p,
0
с учетом которых уравнение (6) приобретает вид:
2 2 PVx = PoVx0 > PVx + Р = PoVx0 + Р0 >
PVx
2
vx — + -
Л
2 k-1 p
, dT
~X~T = P ovx о dx
2
'Vx0
+ k Р 0 2 k-1 p
о J
Разделив первое из полученных уравнений на р0Ух0, второе - на р0у2х0, а третье - на р0у3х0, после несложных, но достаточно громоздких преобразований получим следующую систему уравнений:
Р-и = 1, (8)
1
u -1 + -
к М 2
--11 = 0, u
и 2 -1 + 2(Т-1 - 2 K/-1 = 0, dx
(9) (10)
(к - 1)М0 ' ' '
в которой и = ух/ух0, Р = р/р0, Т = Т/Т0 являются соответственно безразмерными скоростью, плотностью и температурой смеси (Р и Т - заглавные греческие буквы).
Входящая в уравнение (10) величина Кт представляет собой параметр, характеризующий теплопроводность газовоздушной смеси, а величина М0 является числом Маха:
К — XT° Кт —
Pov'o
М0 — ,
ao
(11)
T = u(1 + к М 2) - u2 к М 0
(13)
(14)
(1 - u)(u - uG)
■ = Wdx,
где
(к - 1)M02 + 2 M 2 (к +1)
H = 1 + kM0
2kM 2
W =-
(к +1)
4KT (к - 1)кМ0
(15)
(16)
при этом ис представляет собой скорость газовоздушной смеси за ударным фронтом. Проинтегрировав уравнение (15), получим:
H-1 (и -1)
-ln—-— = W ■ x + A,
(17)
означающих, что на достаточно большом расстоянии от зоны формирования ударного фронта все производные по хобращаются в ноль, а искомые величины р,ру, Тимеют начальные значения р0, р0 ух0, Т0 в невозмущенном потоке газа (при х ^ -да).
Подставив условия (7) в уравнения (6), находим постоянные интегрирования:
иа -1 (и - иа )а где А - постоянная интегрирования, а остальные величины в (17) определяются следующим образом:
uG - H 1 - H
к(3 - к)(М2 -М02)
М2 =
3к -1
(18)
(к + 1)(кМ0 -1) ' к(3 - к)
В результате преобразования (17) приходим к уравнению:
ln
u -1
1 -м-
x + A
(u - uG )a (к-1) • (kM2 -1) KT
которое после потенцирования принимает вид:
u -1
(u - ua )С
■ = exp
1 - m;
(k -1) • (kM 2-1)
-X
i? - т x A где X = x + A =— +—.
KT KT
(19)
(20)
m;-M0 >о, км2 -1 >о
или M2-M0 < 0, kM0 -1 < 0.
где а0 - начальная скорость звука, определяется по формуле [18]:
а (12)
а величина Я = 287 Дж/(кг-К) является газовой постоянной. Далее, из уравнения (9) определим температуру:
и продифференцировав полученную формулу по координате х, найдем производную:
I"2 Т/.Л/Т2,.
dT п г. du
— = (1 + Ш2 - 2Ш2и) —, dx dx
подставив которую в (10), после громоздких преобразований получим дифференциальное уравнение:
du (к +1) (1 -и)(и - ис) dx ~ 2Кт (к -1) (1 + кМ0 - 2кМ0и)' в котором переменные легко разделяются:
(Н-u)du
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из анализа уравнения (19) следует, что оно имеет место только в том случае, если а > 0, в силу чего из первой формулы (18) мы приходим к необходимости выполнения следующих неравенств:
2 Л Л2 ^ Л 7.Л Л2 1 ^ Л (21)
(22)
Рассмотрим вначале первое неравенство (22). График функции МТ(к) показывает (рис. 1), что величина М^ >1 и, следовательно, М0 также превышает единицу.
Из второго же неравенства (22) следует, что М2 < 1/к, и, поскольку к > 1, то М0 < 1. Следовательно, оба неравенства (22) одновременно не выполняются. Выполняя подобный анализ неравенства (21), убеждаемся, что они выполняются одновременно. Из этих неравенств вытекают условия формирования ударного фронта в теплопроводной газовоздушной смеси:
М0 > 1, МТ > м0. (23)
Чтобы выделить из общего решения (19) частное решение, описывающее процесс образования ударного фронта единственным образом, необходимо определить постоянную интегрирования А, используя третье граничное условие (7). Однако подстановка этого условия в (19) приводит к тривиальному тождеству вида 0 = 0 и, следовательно, определить постоянную А не представляется возможным. Поэтому постоянную А определим в ходе вычислительных процедур.
MT 2,0 1,5 1.0
Рис. 1. График функции М 2(0) Fig. 1. Graph of function №T(k)
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 к
2
k
UG =
fx(u )
fjx)
2,0
1,5742-
1,5
1,0
0,5
f2( X)
f( и)
Рис. 2. К решению уравнения (19) Fig. 2. To the solution of the equation (19)
0,5 0,6^ 0,7 0,8 0,9 и,X
0,62 26
Особенность уравнения (19) состоит в том, что ее левая часть является функцией/1(и) безразмерной скорости и, а правая часть представляет собой функцию /2(Х) безразмерной координаты (X):
fi(u) =
1 - u
(u - UG )а
f2( X) = exp
1 -м-
(k -1) • (k м 2 -1)
X
(24)
M - uG )a
1 - u2 (u2 - MgУ
= exp
= exp
1 -M-2 (k - 1)(kM20 -1)
1 - M-
(k - 1) • (kM20 -1)
X,
-X
A 200 150 100 50 0
1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 M0
Рис. 3. Зависимость ширины ударного фронта от начального числа Маха газовоздушного потока для ряда показателей адиабаты Пуассона
Fig. 3. The dependence of the width of the shock front from the initial Mach number of the gas flow for a number of indicators of specific heats, Poisson's
k = 1 ,8
k - 1,6
k = 1 -Л ,4
Анализ функций показывает, что/1(и) является монотонно убывающей функцией, а /2 (X) - монотонно возрастающей (рис. 2), при этом аргумент и, как ранее установлено, принадлежит отрезку и е [иа; 1], где иа определяется по первой формуле (16), а аргумент X будем полагать принадлежащим отрезку X е [0; 1]..
Отметим, что уравнение (19) имеет место только в том случае, если обе его части являются постоянной величиной, которую определим графически. При построении графиков функций /(и), /2(Х) и последующих вычислений приняты следующие параметры газовоздушной смеси [21]: к = 1,4; р0 = 1,29 кг/м3; 1 = 2,62 • 10-2 Вт/(м • град), а начальную скорость и температуру мы приняли сами: ^ = 460 м/с; Т„ = 290 К.
х0 ' 0
Вычисление начнем с определения по формуле (12) скорости звука а0 = 341,35 м/с, по второй формуле (11) - числа Маха М0 = 1,35, по второй формуле (18) - параметра МТ = 1,43 и убеждаемся, что неравенства (23) выполняются.
Зная число Маха М0 и показатель к, построим графики /1(и) и /2(Х), полагая в формулах (20) величину х = 0. Тогда абсцисса точки пересечения графиков является искомой величиной и = А = 0,6226, при которой уравнение (19) тождественно удовлетворяется. Следовательно, в точке * = 0. безразмерная скорость смеси составляет и = 0,6226 (см. рис. 2). Если же х = - А = -0,6226, то X = 0, и поэтому уравнение (19) приводится к виду: 1 - и 1 (и - иа )а
а его решением является величина и = 0,6245.
При определении ширины фронта ударной волны будем полагать, что на левой границе ударного фронта скорость смеси составляет и1 = 0,99, а на правой границе -и2 = 1,01иа. В этом случае мы получим два трансцендентных уравнения: 1 - и1
= (* - IX* М -1) 1п
1 1 -М-2
1 - и,
X2 = - 1)(*М -1) 1п
2 1 -М-2
(Uj - иа )а 1-и
логарифмируя которые находим искомые величины:
(и2 - ис)а (25)
Зная координаты левой Х1 и правой Х2 границ ударного фронта и учитывая формулу (20), найдем безразмерную ширину фронта Д:
Д = х2 - х1 = X2 - А - (Х1 - А) = X2 - Х1, (26)
то есть безразмерная ширина ударного фронта определяется разностью безразмерных координат Х2 и Х1.
Анализ зависимостей безразмерной ширины Дуда р-ного фронта от начального числа Маха М0 для ряда значений показателя адиабаты Пуассона к, приведенных на рис. 3, показывает, что функция Д(М0) является монотонно убывающей функцией на всем рассматриваемом интервале М0 е [1,1; 1,4], не имеющей локального экстремума.
Таким образом, с увеличением числа Маха в невозмущенном потоке ширина ударного фронта уменьшается, причем тем существеннее, чем больше показатель адиабаты Пуассона.
Чтобы определить реальную ширину ударного фронта Д при указанных параметрах газовоздушной смеси, мы сначала вычислим по первой формуле (11) параметр КТ = 6,02х10-8 м, после чего найдем:
Д = Д-Кт = 27,1-6,02-10-8 = 1,63-10-6 м.
Таким образом, реальная ширина ударного фронта хотя и очень мала, но не равна нулю, как в случае идеального газа.
ВЫВОДЫ
1. Определена скорость газовоздушной смеси за ударным фронтом.
2. Установлена связь температуры газовоздушной смеси с ее скоростью, числом Маха и показателем адиабаты Пуассона.
3. Получено дифференциальное уравнение и найден его интеграл, представляющий собой трансцендентное уравнение, связывающее скорость газовоздушной смеси с шириной ударного фронта.
4. Получена формула, определяющая относительную ширину ударного фронта газовоздушной смеси с заданными параметрами. Анализ формулы показал, что с уве-
0
2
личением начального числа Маха ширина ударного фронта уменьшается, причем тем существеннее, чем выше показатель адиабаты Пуассона.
5. Реальная ширина ударного фронта является хотя и малой величиной, но не равной нулю, как в случае идеального газа.
Список литературы
1. Большинский М.И., Лысиков Б.А., Каплюхин А.А. Газодинамические явления в шахтах. Севастополь: Вебер, 2003. 284 с.
2. Об одном подходе к описанию суфлярных выделений газа из резервуаров угольного массива в горные выработки / Н.В. Черданцев, С.В. Черданцев, Ли Хи Ун и др. // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 3. С. 45-52.
3. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 502 с.
4. Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М.: Книга по требованию, 2013. 601 с.
5. Chanyshev A.I. A method to determine a body's thermal state // Journal of Mining Science. July 2012. Vol. 48. N 4. P. 660-668.
6. Initiation of underground fire sources / V.N. Oparin, T.A. Kiryaeva, V.Yu. Gavrilov et al. // Journal of Mining Science. May 2016. Vol. 52. N 3. P. 576-592.
7. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Initiation of Combustion of a Gel-Like Condensed Substance by a Local Source of Limited Power // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. January 2017. Vol. 90. N 1. P. 206-216.
8. Анализ процесса горения микрогетерогенных пыле-газовоздушных смесей в горных выработках / С.В. Чер-данцев, Ли Хи Ун, Ю.М. Филатов, П.А. Шлапаков // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 11. С. 10-15.
9. Combustion of Fine Dispersed Dust-Gas-Air Mixtures in Underground Workings / S.V. Cherdantsev, Li Hi Un, Yu.M. Filatov // Journal of Mining Science. March 2018. Vol. 54. N 2. P. 339-346.
10. Васильев А.А., Васильев В.А. Расчетные и экспериментальные параметры горения и детонации смесей на основе метана и угольной пыли // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2016. № 2. С. 8-39.
11. Amelchugov S.P., Bykov V.I., Tsybenova S.B. Spontaneous Combustion of Brown-Coal Dust. Experiment, Determination of Kinetic Parameters, and Numerical Modeling // Combustion, Explosion and Shock Waves. May 2002. Vol. 38. N 3. P. 295-300.
12. Kurlenya M.V., Skritsky V.A. Methane Explosions and Causes of Their Origin in Highly Productive Sections of Coal Mines // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. N 5. P. 861-867.
13. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 688 с.
14. Бартльме Ф. Газодинамика горения (перевод с немецкого). М.: Энергоиздат, 1981. 280 с.
15. Великович А.Л., Либерман М.А. Физика ударных волн в газах и плазме. М.: Наука, 1987. 296 с.
16. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. 2-е изд., перераб. и доп. / И.Ф. Кобылкин, В.В. Селиванов, B.C. Соловьев, Н.Н. Сысоев. М.: Физматлит, 2004. 376 с.
17. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. 3-е изд., перераб. М.: Наука, 1986. 736 с.
18. Овсянников Л.В. Лекции по основам газовой динамики. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 336 с.
19. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. 712 с.
20. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1972. 672 с.
21. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. М.: Недра, 1977. 320 с.
SAFETY
UDC 622.411.332:661.92:622.831.32:622.272:516.02 © S.V. Cherdantsev, P.A. Shlapakov, K.S. Lebedev, S.A. Khaymin, A.Yu. Erastov, 2019 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 9, pp. 38-43 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-9-38-43
Title
PARAMETERS OF THE SHOCK FRONT IN THE HEAT-CONDUCTING GAS-AIR FLOw OF MINING Authors
Cherdantsev S.V.1, Shlapakov P.A.1, Lebedev K.S.', Khaymin S.A.1, Erastov A.Yu.'
' "Scientific Centre "VostNII" for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation
Authors' Information
Cherdantsev S.V., Doctor of Engineering Sciences, Chief Researcher, e-mail: svch01@yandex.ru
Shlapakov P.A., PhD (Engineering), Laboratory Head, e-mail: shlapak1978@mail.ru
Lebedev K.S., Research fellow, e-mail: lebedevks1987@yandex.ru Khaymin S.A., Senior Researcher, e-mail: hsa007@mail.ru Erastov A.Yu., Senior Researcher, e-mail: eractov_a_y@mail.ru
Abstract
With the transition of mining operations to deeper horizons, the safety of miners in coal mines is significantly reduced. This is mainly due to the manifestation of gas-dynamic and thermophysical factors, the first of which include sudden emissions of coal and gas, gas venting, shock and detonation waves in the atmosphere of mine workings. The causes of thermophysical phenomena are the presence of dust-air mixtures prone to chemical reaction in the form of deflagration or detonation, and centers of self-heating, leading to changes in
the temperature field of rocks and the atmosphere of mine workings, which significantly increases the probability of ignition and combustion of dust-air mixtures. In this paper, the parameters of the shock front in a heat-conducting gas-air flow formed by a sudden release of gas from an underground tank into a mine at supersonic speed are determined. It is assumed that the movement of the gas-air mixture during the transition through the shock front is stationary, which made it possible to use the fundamental laws of conservation of mass, momentum and energy. The formulas determining the velocity behind the shock front are obtained, the temperature of the gas-air mixture is found, and the width of the shock front is calculated. The graphs are plotted and some regularities of the shock front width change depending on the initial Mach number for different indicators of Poisson adiabate are revealed.
Keywords
Mining, Gas mixture, Law of conservation of mass, Momentum and energy, Thermal conductivity coefficient, Mach number, Ratio of specific heats, Poisson, Shock wave front.
References
1. Bolshinskiy M.I., Lysikov B.A. & Kaplyhin A.A. Gazodinamicheskie yavleniya vshahtah [Gas and dynamic phenomena in mines]. Sevastopol, Veber Publ., 2003, 284 p. (In Russ.).
2. Cherdantsev N.V., Cherdantsev S.V., Li Hee Un, Filatov Yu.M., Shlapakov P.A. & Lebedev K.S. Ob odnom podhode k opisaniyu suflyarnyh vydelenij gaza iz rezervuarov ugol'nogo massiva v gornye vyrabotki [On one approach to the description of gas venting from coal reservoirs to mine workings]. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti - Industrial safety, 2017, No. 3, pp. 45-52. (In Russ.).
3. Frank-Kamenetsky D.A. Diffuziya i teploperedacha v himicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1987, 502 p. (In Russ.).
4. Kantorovich B.V. Osnovy teorii goreniya i gazifikacii tverdogo topliva [Fundamentals of theory of combustion and gasification of solid fuels]. Moscow, Kniga po trebovaniyu Publ., 2013, 601 p. (In Russ.).
5. Chanyshev A.I. A method to determine a body's thermal state. Journal of Mining Science, July 2012, Vol. 48, Issue 4, pp. 660-668.
6. Oparin V.N., Kiryaeva T.A., Gavrilov V.Yu., Tanashev Yu.Yu. & Bolotov V.A. Initiation of underground fire sources. Journal of Mining Science, May 2016, Vol. 52, Issue 3, pp. 576-592.
7. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V. & Strizhak P.A. Initiation of Combustion of a Gel-Like Condensed Substance by a Local Source of Limited Power. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, January 2017, Vol. 90, Issue 1, pp. 206-216.
8. Cherdantsev S.V., Lee Hee Un, Filatov Yu.M. & Shlapakov P.A. Analiz processa goreniya mikrogeterogennyh pylegazovozdushnyh smesey v gornyh vyrabotkah [Analysis of the combustion process microheterogeneous dustLaden flue gas mixtures in mines]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti -Safety in industry, 2017, No. 11, pp. 10-15. (In Russ.).
9. Cherdantsev S.V., Li Hi Un, Filatov Yu.M., Botvenko D.V., Shlapakov P.A., Kolykha-lov V.V. Combustion of Fine Dispersed Dust-Gas-Air Mixtures in Underground Workings. Journal of Mining Science, March 2018, Vol. 54, Issue 2, pp. 339-346.
10. Vasiliev A.A. & Vasiliev V.A. Raschetnye i eksperimental'nye parametry goreniya i detonacii smesey na osnove metana i ugol'noy pyli [Calculated and experimental parameters of combustion and detonation of mixtures of methane and coal dust]. Vestnik Nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v
ugol'noy promyshlennosti - Scientific Bulletin of the center for safety in the coal industry, 2016, No. 2, pp. 8-39. (In Russ.).
11. Amelchugov S.P., Bykov V.I. & Tsybenova S.B. Spontaneous Combustion of Brown-Coal Dust. Experiment, Determination of Kinetic Parameters, and Numerical Modeling. Combustion, Explosion and Shock Waves, May 2002, Vol. 38, Issue 3, pp. 295-300.
12. Kurlenya M.V. & Skritsky V.A. Methane Explosions and Causes of Their Origin in Highly Productive Sections of Coal Mines. Journal of Mining Science, 2017, Vol. 53, No. 5, pp. 861-867.
13. Zeldovich Ya.B. & Raizer Yu.P. Fizika udarnyh voln i vysokotemperaturnyh gidrodinamicheskihyavleniy [Physics of shock waves and high temperature hydrodynamic phenomena]. Moscow, Nauka Publ., 1966, 688 p. (In Russ.).
14. Bartlma F. Gas Dynamics of combustion (translated from German). Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 280 p. (In Russ.).
15. Velikovich A.L. & Lieberman M.A. Fizika udarnyh voln v gazah i plazme [Physics of shock waves in gases and plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1987, 296 p. (In Russ.).
16. Kobylkin I.F., Selivanov V.V., Solovev V.S. & Sysoev N.N. Udarnye i detonacion-nye volny. Metody issledovaniya. 2-e izdanie, pererab. i dop. [Shock and detonation waves. Method of research]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2004, 376 p. (In Russ.).
17. Landau L.D. & Lifshits E.M. Teoreticheskaya fizika: Uchebnoe posobie [Theoretical physics. Textbook]. Vol. VI. Gidrodinamika 3-e izd., pererab. [Hydrodynamics. the 3rd prod., reslave]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 736 p. (In Russ.).
18. Ovsyannikov L.V. Lekcii po osnovam gazovoy dinamiki [Lectures on the basics of gas dynamics]. Moscow - Izhevsk, Institute of computer research Publ., 2003, 336 p. (In Russ.).
19. Koshlyakov N.S., Gliner E.B. & Smirnov M.M. Uravneniya vchastnyh proiz-vodnyh matematicheskoy fiziki [Partial differential equations of mathematical physics]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1970, 712 p. (In Russ.).
20. Vukalovich M.P. & Novikov I.I. Termodinamika: Uchebnoe posobie dlya vu-zov [Thermodynamics. Textbook for universities]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972, 672 p. (In Russ.).
21. Lindenau N.I, Mayevskaya V.M., Krylov V.F. Proiskhozhdenie, profilaktika i tush-enieendogennyhpozharovvugol'nyhshahtah [Origin, prevention and suppression of endogenous fires in coal mines]. Moscow, Nedra Publ., 1977, 320 p. (In Russ.).
Received August 4,2019
Распадская угольная компания применила подземное видеонаблюдение для контроля безопасности горных работ
На угольных шахтах ЕВРАЗа, находящихся под управлением Распадской угольной компании, установили камеры подземного видеонаблюдения. Они позволяют контролировать производственный процесс в режиме реального времени, оперативно выявлять и устранять нарушения правил безопасности.
105 инфракрасных и тепловизионных камер во взрыво-защищенных корпусах ведут непрерывную видеосъемку в условиях низкой освещенности. Информация автоматически отображается на мониторах специалистов, руководителей шахт и в центральной диспетчерской Распадской угольной компании. Руководители компании регулярно просматривают и анализируют записи.
Угольщики установили камеры подземного видеонаблюдения во всех проходческих забоях и в выработках с ленточными конвейерами. В этом году планируют смонтировать в лавах и на остальных участках ведения горных работ.
Распадская угольная компания использует современные цифровые технологии для повышения безопасности угледобычи. Горняки применяют на шахтах подземные планшеты, на участках открытых горных работ - беспилотные летательные аппараты. Контролировать газовую обстановку и параметры работы оборудования помогают 1Т-программы - приложения для подземных мобильных устройств.
ГНПП ЗАВОД МДУА
