CC BY
20
© Д.И. Борисснко, 2013
УДК 622.82 Д.И. Борисснко
РАЗРАБОТКА И НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СПОСОБА АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ОЧАГОВ ПОЖАРОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ
Приведено теоретическое и экспериментальное обоснование способа определения координат очагов пожаров в угольных пластах по регистрации акустических импульсов, генерируемых трешинообразованием, вызванным горением, а также описывается проведение экспериментального опробования этого способа в про-мышленнытх условиях.
Ключевые слова: горение угля, угольные пласты, определение координат очага пожара, диагностика подземного горения угля, натурный эксперимент.
Введение
дной из наиболее опасных и ^" дорогостояших при ликвидации их последствий проблем горного дела являются подземные пожары. Так, по данным ряда исследований потери подготовленных к выемке запасов углей шахт составляют 30— 40%. Один подземный пожар может уничтожить до 60 млн т высокосортных углей и сделать практически безжизненной пустыней надпожаренную земную поверхность плошадью более 3 млн м2 [1, стр.230]. При применяющихся в горном деле технологиях для того, чтобы потушить пожар, нужно знать, где находится очаг горения, то есть уметь определять его координаты.
Сушествуюшие методы не всегда позволяют делать это с точностью, необходимой для эффективного проведения противопожарных мероприятий. При измерении концентрации индикаторных газов сушествует риск неверного определения местоположения очага горения в силу подсоса газовой среды по системе
полостей и трешин на значительные расстояния (километры) от зоны горения. На сегодняшний день даже в передовых в техническом отношении угледобываюших странах не сушествует способов диагностировать очаги пожара на расстоянии более 300 м. Как отмечено в [2, стр. 53], проницаемые для воспламеняюшего импульса каналы между лавой и выработанным пространством на расстоянии от лавы более 300 м не доступны для контроля.
Нужен новый способ, основанный на иных физических явлениях.
Целью настояшей работы являлось обосновать создание нового способа диагностики подземного горения, менее подверженного искажениям, чем ныне применявшиеся газоаналитические методы.
Для этого были проведены исследование трансформации горения угля в акустические импульсы в лабораторных условиях, разработан способ акустической диагностики очагов пожара в угольных пластах и проведен эксперимент в промышленных условиях.
1 2 3 Д 5 6 7 8
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования акустических импульсов, возникающих в угле при горении: 1 — газовая горелка; 2 — пламя; 3 — исследуемый образец угля; 4 — подвес; 5 — корпус; 6— пьезоэлектрический датчик; 7 — соединительный фланец; 8 — вытяжная труба; 9 — теплоизоляция; 10 — персональный компьютер; 11 — цифровой мультиметр; 12 — хромель-алюмелевая термопара; 13 — поддон для сбора отколовшихся фрагментов образца угля; 14 — откалывающиеся фрагменты угля; 15 — заслонка; 16— платинородий-платиновая термопара; 17— цифровая видеокамера
Разрушение угля при нагреве
Как известно [3, стр. 144, 145], твёрдые тела расширяются при нагревании. Причём, чем больше подводится энергии к частицам, слагающим тело, тем интенсивнее они колеблются [4, стр. 66, 67].
Термические напряжения в горных породах возникают за счёт либо неоднородного нагрева породы, либо различия в значениях коэффициентов теплового расширения и упругих свойств слагающих породу минералов и агрегатов [5, стр. 95—97]. Основную роль в формировании остаточных температурных деформаций играют микроразрывы межзерновых связей структурными термическими напряжениями [6, стр. 43—65]. Так, при подводе тепла изменение геометрических размеров соседних структурных элементов угля во времени не совпадет. Это приводит к возникно-
вению напряжений в зонах их контактов. При превышении напряжениями определённых значений происходит разрыв связей между изоморфными кластерами, т.е. соседними структурными элементами угля, внутри которых свойства идентичны. При продолжении подвода тепла такие разрывы объединяются в микротрещины, а те, в свою очередь, — в макротрещины. Образование трещины сопровождается появлением свободной поверхности, которая, колеблясь, создаёт акустические импульсы.
Таким образом, горение угля порождает трещинообразование, сопровождающееся акустическим излучением, по регистрации которого можно диагностировать процесс, приводящий к его возникновению. Следовательно, регистрируя акустические импульсы, можем диагностировать пожар в угольном пласте. Во-
подмосковный бурый минусинский длиннбпламенный
б)
подмосковный бурый
минусинский длиннопламенньш
Рис.2. Гистограммы распределения экспериментальных значений в зависимости от частоты и амплитуды первых вступлений акустических сигналов, возникающих в одних и тех же образпах различных углей при: их самостоятельном горении (а) и вне-дрении в них стального клиновидного индентора с шириной острия 4 мм (б)
N %
обще говоря, акустическое излучение несёт информацию не только о местоположении своего источника, но и о его размерах, форме, интенсивности, так по характеристикам сигнала акустической эмиссии (амплитуда, спектр, мощность) можно оценивать энергию, скорость актов акустической эмиссии и тем самым исследовать микромеханизм и природу действующего источника [7, стр. 37—38]. Применительно к пожарам в угольных пластах актуально диагностировать координаты очагов горения, оконтуривать их, а также уметь оценивать интенсивность процесса горения.
Однако для регистрации акустических сигналов в угольном пласте, возникающих именно при его горении, следует отличать их от звуков, вызванных другими причинами, в частности, механическим воздействием.
Получение эффекта генерапии акустического излучения при горении образпов угля в лабораторных условиях
В [8] выявлено и экспериментально доказано возникновение акустического излучения при горении угля. Схема экспериментальной установки для определения характеристик акустических
Рис. 3. Схема проведения диагностики подземного пожара в угольном пласте с дневной поверхности стапионарной системой: 1 — очаг пожара; 2 — угольный пласт; 3 — чувствительный элемент системы диагностики пожара; 4 — шпур; 5 — канал передачи сигнала; 6 — блок регистрации сигнала и принятия решения
сигналов, возникающих в образцах угля при горении, представлена на рис. 1.
Принципиально, что характер акустических сигналов, возникающих в образцах угля при горении и механическом воздействии различен. Причём, влияет как характер воздействия, так и марка угля. Для наглядности на рис. 2 представлены распределения характеристик акустических импульсов, возникающих в одних и тех же образцах различных углей при горении (а) и при внедрении стального клиновидного индентора с шириной острия 4мм (б).
Акустический способ диагностики очагов пожара в угольном пласте
В [9] предлагается диагностировать очаги пожаров в угольных пластах по регистрации акустических импульсов, соответствующих горению угля, чувствительными элементами, расположенными непосредственно в пласте так, как это показано на рис. 3.
При этом амплитуда регистрируемого акустического сигнала будет изменяться в зависимости от расстояния между источником звука и чувствительными элементами системы.
В работе [10, стр. 5] отмечено: «<...> реальная геологическая среда является неоднородной по своему составу и физико-механическим свойствам как по вертикали, так и по латерали. Упрощение схемы строения такой сред и её отображение в виде модели — неизбежны1й и необходимый этап любы1х геофизических исследований». Поэтому вместо строгого расчёта допустима приближённая оценка изменения амплитуды сигналов при распространении акустического излучения по угольному пласту и в массиве горных пород по [11, стр. 25]: А(х) = (Ао/хп)еах (1)
где А(х) — амплитуда акустической волны на расстоянии х от источника колебаний; А0 — амплитуда источника колебаний; х — расстояние от источника колебаний до точки, в которой определяется амплитуда; а — коэффициент затухания акустического излучения в среде; п — показатель степени, п = 0 для плоской волны, п =05 для цилиндрической волны и п = 1 для сферической волны.
Эксперимент в промышленных условиях
Для отработки способа требуется натурный эксперимент. Поскольку точные координаты фронтов горения
12 3 4
Рис. 4. Схема проведения натурного эксперимента:
1 — очаг горения; 2 — поверхность выреза, на которой располагался очаг горения; 3 — угольная пачка, непосредственно подвергавшаяся воздействию искусственного очага горения; 4 — вырезы, в которых располагались чувствительные элементы системы; 5 — оператор; 6 — блок обработки информации и принятия решений.
существующих очагов пожара на момент проведения эксперимента, а, следовательно, их взаимное расположение относительно чувствительных элементов системы в шахтных условиях неизвестны, то необходимо создать искусственный очаг горения. Делать
это на действующей шахте невозможно по соображениям безопасности, поэтому логично провести натурный эксперимент в условиях открытых горных работ, где, во-первых, удобно задавать нужную геометрию эксперимента, во-вторых, весь эксперимент можно контролировать визуально, и, в-третьих, удобнее тушить очаг горения по завершении эксперимента. В рамках данной работы эксперимент по акустической диагностике горения угля и пеленгации его очага был проведен в промышленных условиях на угольном разрезе. Настоящий эксперимент готовился автором в течение четырёх лет — с 2 006 г и был проведен собственными силами по методике, описанной в [12]. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 4.
Внешний вид фрагмента забоя, на котором осуществлялись необходимые измерения, представлен на рис. 5.
Рис. 5. Внешний вид фрагмента забоя при проведении эксперимента по акустической диагностике очага пожара в промышленных условиях: обозначения те же, что на рис. 4.
Объектом исследования являлся угольный пласт, поверхность обнажения которого представляла собой практически вертикальный забой высотой около четырёх метров. Пласт имел три явно выраженные пачки угля мошностью в 1 м. Перпендикулярно груди забоя на всю его высоту с помошью экскаватора проде-лывались прямоугольные в плане вырезы глубиной 2 м и шириной от 1 до 15 м с шагом 22 м (позиция 4 на рис. 4 и 5). В одном из таких вырезов в слое вмешаюшей породы — серой глины, — находяшейся под средней угольной пачкой, было проделано углубление в виде параллелепипеда размерами 50x23x20 см (соответственно: ширинахглубинахвысота), в котором организовывался искусственный очаг горения. В других вырезах располагались чувствительные элементы системы регистрации акустических импульсов.
Важно отметить, что борьба с пожарами наиболее эффективна на ранних стадиях. Сушествуюшие методы диагностики горения позволяют констатировать факт пожара, когда концентрация индикаторных газов в зоне датчиков превысит пороговое значение, для чего нужно некоторое время. Характерные акустические импульсы, соответствуюшие горению, начнут генерироваться на стадии, которую в [12] предлагается называть критическими процессами, предшествуюшими возгоранию угля. Излучаться эти импульсы будут со скоростью звука, что на порядки быстрее, чем распространяются продукты горения.
Разработанный и созданный автором комплект оборудования для осу-шествления акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах опробован в промышленных условиях. Результаты этой эксперименталь-
ной апробации показали, что испытанная система функционально пригодна. В дальнейшем планируется оснастить систему более чувствительными датчиками, разработанными автором, что даст возможность диагностировать очаги пожаров на значительно больших расстояниях, чем это позволяет сушествуюший комплект аппаратуры. Также планируется модернизировать программную обработку регистрируемых сигналов, что должно ускорить работу системы и позволить проводить расчёты координат горяшей поверхности непосредственно во время измерений.
Принципиально отметить, что данная технология не имеет аналогов в мире, является полностью российской разработкой, отличается сравнительной дешевизной (стоимость серийного изготовления одного комплекта оборудования меньше минимальных затрат на проведение мероприятий по определению координат очагов пожара при помоши сушествуюших технологий). Учитывая, что в Кузнецком каменноугольном бассейне постоянно возникают возгорания угля и пород (многие очаги там действуют по несколько десятков лет), предлагаемая технология будет весьма актуальна как с позиций безопасности (борьба с пожарами на ранних стадиях, предот-врашение поджигов метана и угольной пыли), так и с экономической точки зрения (сохранение полезного ископаемого).
Заключение
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований возникновения акустического излучения при горении угля разработан и опробован в промышленных условиях способ акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах. Проведенный натурный экс-
перимент показал как состоятельность разработанного способа — применимость технологии определения координат очагов пожаров в угольных
пластах по регистрации акустического излучения в промышленных условиях, так и работоспособность созданного комплекта оборудования.
Автор выражает искреннюю благодарность В.А. Азаренко, A.A. Гетцу, А.Н. Костяному, В.В. Перегудову, Р.И. Харитонову и Д.А. Шулыжину за помощь в организации и проведении экспериментов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колмаков А.В. / Технико-экологические последствия от эндогенных пожаров в шахтах // Материалы Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов»: сборник научнык статей. СибГИУ; Под ред. В.Н. Фрянова, Е.В. Пугачева. — Новокузнецк, 2 005. — 277с.
2. Хермюльцхайм В., Бетка А. / 30-летний опыт разработки и применения эффективных средств борьбы с эндогенными пожарами // Глюкауф, 2 010, август № 2(3), С. 51—54.
3. КухлингХ. Справочник по физике./ Пер. с нем. под ред. Е.М. Ёейкина. — М.: Мир, 1 982. — 520 с.
4. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1 985. — 359 с.
5. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горнык пород: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1 984. — 359 с.
6. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горнык породах: Учебник для вузов / 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1 990. — 360 с.
7. Бартенев O.A., Хамитов В.А. Применение метода акустической эмиссии для исследования фазовых превращений в сплавах: Обзор. — Заводская лаборатория. Т. 53, № 6, — М.: Изд-во «Металлургия», 1 987. — С. 37—45.
8. БорисенкоД.И. / Возникновение акустических импульсов в угле при различнык воздействиях // Деп. в ГИАБ. — 2 007. — № 5. — 10 с.
9. Борисенко Д.И. / Акустический способ диагностики очагов пожаров в угольных пластах // Сборник научных статей Современная наука. — 2 010 № 3(5). — С. 81—85.
10. Кондратьев O.K. Сейсмические волны в поглощающих средах. — М.: Недра, 1 986. — 176 с.
11. Ивакин Б. Н., Карус Е. В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. — М.: Недра, 1 978. — 320 с.
12. Кусов Н.Ф., Борисенко Д.И. / Методика проведения экспериментального исследования возникновения акустических импульсов в угольном пласте при его горении // Науч. сообщ. / ННЦ ГП — им. А.А. Скочинского. — М., 2 007. — Вып. 333. — С. 220—221. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Борисенко Дмитрий Иванович— кандидат технических наук, dima-luxinzhi@mail.ru, Национальный научный центр горного производства — Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
