Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
Кемерово: КузГТУ, 2001. — 268 с.
05.26.03. - Пожарная и промышленная безопасность
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Егоров П.В. Цель работы - понизить опасность фрикционного воспламенения пылеметановоздушных смесей в комбайновых забоях угольных шахт до нормативного уровня. Идея работы заключается в использовании полученных закономерностей, связывающих величины вероятностей событий, сопутствующих появлению взрывоопасной ситуации в выработке, с горно-геологическими и горнотехническими условиями, для прогнозирования и предупреждения фрикционного воспламенения. Задачи исследований. Для воплощения идеи работы на каждом этапе процесса фрикционного воспламенения пылеметановоздупшых смесей разработаны математические модели, описывающие:
- влияние прочностных свойств и параметров резания пород на вероятность образования источника фрикционного воспламенения на следе резца на породе;
- подавление фрикционного воспламенения метана (ФВМ) внутренним орошением;
- зависимость предельно допустимой концентрации витающей угольной пыли по фактору вспышки (ПДКВ) от различных факторов;
- снижение запыленности воздуха в зоне резания угольного пласта внешним импульсным орошением до уровня ПДКВ; и позволившие :
- составить каталог шахтопласгов Кузбасса по фактору опасности ФВМ, как результат прогнозирования образования источника ФВМ, и разработать методику оценки опасности ФВМ в угольных шахтах при разрушении угольного массива комбайнами и буровыми машинами;
- установить оптимальные параметры внутреннего орошения на основе вариантов различных исследователей из Германии, России, стран СНГ, Англии для повышения эффективности подавления источника ФВМ;
- разработать метод определения в призабойной зоне предельно допустимой концентрации угольной пыли по фактору опасности фрикционного воспламенения пылеметановоздушной смеси;
- разработать систему внешнего орошения с целью повышения эффективности подавления угольной пыли в призабойной части горной выработки при уменьшенном, по сравнению с типовым орошением, расходе воды, что позволит снизить опасность фрикционного воспламенения пылеметановоздушной смеси до нормативного уровня, определяемой вероятностью, равной 1/10 6 Методы исследований. При исследованиях в данной работе анализировались литературные данные, сочетались теоретические методы: уравнения математической физики, теория тепломассопереноса, триботехника, материаловедение, физические процессы горного производства, гидроаэродинамика, теория вероятностей, математическая статистика, методы вычислений на ЭВМ - и экспериментальные: физическое моделирование на лабораторных стендах, разрушение горных пород резанием, толчением, ситовой анализ для определения дисперсного состава продуктов разрушения породы, измерения теплофизических свойств резца и породы, температуры с помощью термопар и самописцев, концентраций пыли и метана, скоростей воздуха, запись осциллограмм давления воды в системах внутреннего орошения - а также использовались предложенные автором способы определения:
- мощности резания породы на лабораторном стенде по импульсу тока в электродвигателе;
- температуры на контакте резца с породой;
- удельной работы пылеобразования;
- среднего размера частиц толчением, продуктов разрушения породы по двум фракциям дисперсного состава;
- скорости воздуха в струе диспергированной воды. Научные положения, выносимые на защиту:
- естественной оценкой опасности возникновения процесса фрикционного воспламенения пылеметановоздушных смесей является его вероятность, определение которой упрощается при разложении процесса на более простые события: наличия метана взрывчатой концентрации в околорезцовом пространстве исполнительного органа комбайна, образования источников ФВМ на следах резцов на породе; наличия витающей угольной пыли взрывчатой концентрации в зоне резания;
- измерения и метод экстраполяции показывают, что при приближении датчика метана к исполнительному органу комбайна во время его работы на категорных по метану шахтах концентрация увеличивается от допустимой до взрывчатой. Поэтому вероятность первого события близка к единице;
- в работе доказано, что вероятность второго события не может быть определена по экспериментальной частоте его появления, так как такое определение дает большую относительную погрешность, исчисляемую сотнями процентов;
- поэтому вероятность образования источника ФВМ определяется с помощью безразмерного критерия образования источника, являющегося случайной величиной, которая определяется разбросом прочностных свойств и параметров резания породы, математическое ожидание его опасной величины при вспышках метана равно единице. Чем ближе среднее значение критерия к единице и больше его разброс, тем больше вероятность образования источника;
- в наибольшей степени на величину критерия влияют температура и тепловая энергия источника, зависящие от перераспределения тепловой мощности, равной мощности трения резца о породу, между резцом и породой соответственно их теплофизическим свойствам. Время установления температуры на контакте резца с породой составляет порядка сотых долей секунды и зависит от мощности трения, т. е. от коэффициента трения, контактной прочности породы, скорости резания , остроты резца. Температура от контакта резца с породой падает в резце на расстоянии 1 мм в 2 раза. Ни искры, ни тело резца не являются источниками ФВМ, и подавление источника должно осуществляться только на следе резца Величина максимально возможной температуры ограничена температурой плавления вставки и определяется из условия термодинамического равновесия между процессом пластификации резца и тепловыделением на контакте резца с породой вследствие трения;
- имеется зависимость вероятности ФВМ от числа резцов, одновременно контактирующих с породой, от качества изготовления и эксплуатации системы внутреннего орошения ОР1, форсунки которой локализуют диспергированными струями воды каждый след резца на породе;
- математическое моделирование процесса подавления ФВМ показало, что источник ФВМ на следе резца поджигает метан непосредственно у своей поверхности, но теплота сгорания метана поглощается за счет испарения капель струй форсунок системы ОР1т при оптимальных параметрах работы которой: расходе и давления воды на форсунке, установочном расстоянии от форсунки до задней кромки резца - источник надежно локализуется, и ФВМ предотвращается; расчетами и экспериментами установлена низкая надежность системы ОР1; вероятность того, что она работоспособна в течение рабочей смены, равна 0,09; она, практически, не подавляет ФВМ, и вероятность ФВМ равна вероятности образования источников ФВМ на следах резцов на породе;
- вероятность третьего события - наличия взрывчатой гибридной смеси- зависит от нижнего концентрационного предела взрывчатости (НКГГВ) витающей угольной пыли и метана, содержания метана и пыли в воздухе зоны резания, разброса концентрации пыли; математическое моделирование показало, что высокая эффективность внешнего орошения (93 - 97 %) разработанной автором системы импульсного орошения (СИО) обусловлена усилением турбулентной коагуляции частиц пыли с каплями диспергированных струй воды при смене стационарного режима истечения из форсунок на нестационарный, с периодическим чередованием низко- и высоконапорных струй;
05.26.03. - Пожарная и промышленная безопасность
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Егоров П.В. Цель работы - понизить опасность фрикционного воспламенения пылеметановоздушных смесей в комбайновых забоях угольных шахт до нормативного уровня. Идея работы заключается в использовании полученных закономерностей, связывающих величины вероятностей событий, сопутствующих появлению взрывоопасной ситуации в выработке, с горно-геологическими и горнотехническими условиями, для прогнозирования и предупреждения фрикционного воспламенения. Задачи исследований. Для воплощения идеи работы на каждом этапе процесса фрикционного воспламенения пылеметановоздупшых смесей разработаны математические модели, описывающие:
- влияние прочностных свойств и параметров резания пород на вероятность образования источника фрикционного воспламенения на следе резца на породе;
- подавление фрикционного воспламенения метана (ФВМ) внутренним орошением;
- зависимость предельно допустимой концентрации витающей угольной пыли по фактору вспышки (ПДКВ) от различных факторов;
- снижение запыленности воздуха в зоне резания угольного пласта внешним импульсным орошением до уровня ПДКВ; и позволившие :
- составить каталог шахтопласгов Кузбасса по фактору опасности ФВМ, как результат прогнозирования образования источника ФВМ, и разработать методику оценки опасности ФВМ в угольных шахтах при разрушении угольного массива комбайнами и буровыми машинами;
- установить оптимальные параметры внутреннего орошения на основе вариантов различных исследователей из Германии, России, стран СНГ, Англии для повышения эффективности подавления источника ФВМ;
- разработать метод определения в призабойной зоне предельно допустимой концентрации угольной пыли по фактору опасности фрикционного воспламенения пылеметановоздушной смеси;
- разработать систему внешнего орошения с целью повышения эффективности подавления угольной пыли в призабойной части горной выработки при уменьшенном, по сравнению с типовым орошением, расходе воды, что позволит снизить опасность фрикционного воспламенения пылеметановоздушной смеси до нормативного уровня, определяемой вероятностью, равной 1/10 6 Методы исследований. При исследованиях в данной работе анализировались литературные данные, сочетались теоретические методы: уравнения математической физики, теория тепломассопереноса, триботехника, материаловедение, физические процессы горного производства, гидроаэродинамика, теория вероятностей, математическая статистика, методы вычислений на ЭВМ - и экспериментальные: физическое моделирование на лабораторных стендах, разрушение горных пород резанием, толчением, ситовой анализ для определения дисперсного состава продуктов разрушения породы, измерения теплофизических свойств резца и породы, температуры с помощью термопар и самописцев, концентраций пыли и метана, скоростей воздуха, запись осциллограмм давления воды в системах внутреннего орошения - а также использовались предложенные автором способы определения:
- мощности резания породы на лабораторном стенде по импульсу тока в электродвигателе;
- температуры на контакте резца с породой;
- удельной работы пылеобразования;
- среднего размера частиц толчением, продуктов разрушения породы по двум фракциям дисперсного состава;
- скорости воздуха в струе диспергированной воды. Научные положения, выносимые на защиту:
- естественной оценкой опасности возникновения процесса фрикционного воспламенения пылеметановоздушных смесей является его вероятность, определение которой упрощается при разложении процесса на более простые события: наличия метана взрывчатой концентрации в околорезцовом пространстве исполнительного органа комбайна, образования источников ФВМ на следах резцов на породе; наличия витающей угольной пыли взрывчатой концентрации в зоне резания;
- измерения и метод экстраполяции показывают, что при приближении датчика метана к исполнительному органу комбайна во время его работы на категорных по метану шахтах концентрация увеличивается от допустимой до взрывчатой. Поэтому вероятность первого события близка к единице;
- в работе доказано, что вероятность второго события не может быть определена по экспериментальной частоте его появления, так как такое определение дает большую относительную погрешность, исчисляемую сотнями процентов;
- поэтому вероятность образования источника ФВМ определяется с помощью безразмерного критерия образования источника, являющегося случайной величиной, которая определяется разбросом прочностных свойств и параметров резания породы, математическое ожидание его опасной величины при вспышках метана равно единице. Чем ближе среднее значение критерия к единице и больше его разброс, тем больше вероятность образования источника;
- в наибольшей степени на величину критерия влияют температура и тепловая энергия источника, зависящие от перераспределения тепловой мощности, равной мощности трения резца о породу, между резцом и породой соответственно их теплофизическим свойствам. Время установления температуры на контакте резца с породой составляет порядка сотых долей секунды и зависит от мощности трения, т. е. от коэффициента трения, контактной прочности породы, скорости резания , остроты резца. Температура от контакта резца с породой падает в резце на расстоянии 1 мм в 2 раза. Ни искры, ни тело резца не являются источниками ФВМ, и подавление источника должно осуществляться только на следе резца Величина максимально возможной температуры ограничена температурой плавления вставки и определяется из условия термодинамического равновесия между процессом пластификации резца и тепловыделением на контакте резца с породой вследствие трения;
- имеется зависимость вероятности ФВМ от числа резцов, одновременно контактирующих с породой, от качества изготовления и эксплуатации системы внутреннего орошения ОР1, форсунки которой локализуют диспергированными струями воды каждый след резца на породе;
- математическое моделирование процесса подавления ФВМ показало, что источник ФВМ на следе резца поджигает метан непосредственно у своей поверхности, но теплота сгорания метана поглощается за счет испарения капель струй форсунок системы ОР1т при оптимальных параметрах работы которой: расходе и давления воды на форсунке, установочном расстоянии от форсунки до задней кромки резца - источник надежно локализуется, и ФВМ предотвращается; расчетами и экспериментами установлена низкая надежность системы ОР1; вероятность того, что она работоспособна в течение рабочей смены, равна 0,09; она, практически, не подавляет ФВМ, и вероятность ФВМ равна вероятности образования источников ФВМ на следах резцов на породе;
- вероятность третьего события - наличия взрывчатой гибридной смеси- зависит от нижнего концентрационного предела взрывчатости (НКГГВ) витающей угольной пыли и метана, содержания метана и пыли в воздухе зоны резания, разброса концентрации пыли; математическое моделирование показало, что высокая эффективность внешнего орошения (93 - 97 %) разработанной автором системы импульсного орошения (СИО) обусловлена усилением турбулентной коагуляции частиц пыли с каплями диспергированных струй воды при смене стационарного режима истечения из форсунок на нестационарный, с периодическим чередованием низко- и высоконапорных струй;