Архив научных публикаций

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ИНТЕНСИВНОСТИ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЙ И МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА

А.А. Трубицын
доктор техн. наук, проф., зам директора по научной работе ООО «ВостЭКО+»

С.Н. Подображин
доктор техн. наук; ведущий эксперт отдела по надзору за открытой угледобычей и обогащению углей Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору

В.В. Скатов
начальник отдела управления по надзору в угольной промышленности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору

Я.С. Ворошилов
канд. техн. наук, зам.директора ООО «Горный-ЦОТ»

С.Н Мусинов
заместитель директора ООО «ВостЭКО»

Д.А. Трубицына
Выпускающий редактор ООО «ВостЭКО», директор ООО «ЦОТ-Горный»

В статье приведены результаты разработки системы мониторинга интенсивности пылеотложений в горных выработках угольных шахтах. Даны алгоритмы оценки и принципиальные схемы устройств контроля показателей, методики прогноза ожидаемой запыленности воздуха при различных технологических процессах.

Ключевые слова: ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЙ, ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА, ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ, ЗАПЫЛЕННОСТЬ ВОЗДУХА, ПЫЛЕВЗРЫВОЗАЩИТА, ПРОГНОЗ.

Важнейшей проблемой промышленной безопасности в угольных шахтах является предотвращение взрывов пыли. Решение ее в разные периоды развития угольной отрасли формировалось в направлении создания комплексов профилактических мероприятий, которые регламентировались, на определенных этапах, различными нормативными документами. Даже при использовании действенных при низких нагрузках на забои мероприятий по пылевзрывозащите горных выработок до 2000 годов не существовало средств для оперативной оценки их состояния. При этом основной показатель степени опасности состояния горной выработки - интенсивность пылеотложений до сих пор определяется методом, предложенным еще в 60-е годы прошлого столетия, с помощью подложек [1]. Метод весьма трудоемок, продолжителен по времени и говорить о его оперативности не представляется возможным.

В разные годы предпринимались многочисленные попытки создания устройств для автоматического определения интенсивности пылеотложений. Например, известен датчик контроля интенсивности накопления пыли [2], состоящий из чувствительного элемента, соединенного с блоком обработки и передачи информации через блок согласования, и блока питания. Чувствительный элемент снабжен микровесами, состоящими из приемной платформы и пьезокристалла и схемой возбуждения. Недостатком данного датчика является наличие микровесов, что создает определенные проблемы в обслуживании и эксплуатации датчика и поэтому он не эксплуатируется на угольных шахтах.

В настоящее время группой компаний ВостЭКО и ГорныйЦОТ разрабатываются методы и средства непрерывного мониторинга интенсивности пылеотложений, которые бы поэтапно, с учетом существующей сложной экономической ситуации в угольной отрасли, обеспечивали бы внедрение системы приборного контроля степени взрывоопасности горной выработки.

На первом этапе для реализации системы мониторинга интенсивности пылеотложений предлагается использовать действующие в системах АГК датчики контроля запыленности воздуха и с помощью известного пересчетного алгоритма, установленного на сервере диспетчера, осуществлять непрерывную оценку показателя. Данный алгоритм приведен подробно в [1] и заключается в определении интенсивности пылеотложения по изменению средней концентрации витающей в воздухе пыли в выработках со стационарными источниками пылевыделения. Выбираются два сечения на различном расстоянии от источника (в пределах участка выработки, где определяется пылеотложение), но не далее соответственно 10 и 50 м. В этих сечениях одновременно замеряется запыленность воздуха. Значение интенсивности пылеотложения (Р_t) на участке выработки между этими сечениями рассчитывается по формуле:

где С₁, С₂ - концентрация пыли соответственно в 1 и 2 сечениях, г/м³; l₁,l₂- расстояние от источника пылевыделения соответственно до 1-го и 2-го сечения, м; S - площадь поперечного сечения выработки в свету, м²; Q - количество прошедшего за время замера воздуха, м³; t - продолжительность замера, сут.

На первом промежуточном этапе внедрение этого метода существенно повысит достоверность и оперативность контроля степени взрывоопасности горной выработки. Наряду с этим, уже на протяжении четырех лет ведутся интенсивные шахтные и лабораторные исследования по установлению закономерностей распределения интенсивности пылеотложений [3] и работы по созданию компактного устройства для его определения.

Известно, что для исследования концентрации пыли и ее дисперсного состава применяют весовой, счетный фотометрический и радиометрический методы [4]. При весовом методе определяется концентрация пыли, выраженная в миллиграммах на один кубический метр воздуха. При счетном методе подсчитывается число пылевых частиц, содержащихся в одном кубическом сантиметре исследуемого воздуха, а также определяются их размеры (дисперсность - фракционный состав пыли) под микроскопом или с помощью кинопроекционной аппаратуры. Приборы для измерения запыленности воздуха методом фотометрии получили название фотопылемеров. Принцип действия этих приборов основан на измерении фотометрическим способом изменения (ослабления) интенсивности светового потока, проходящего через запыленный воздух. Но, как правило, известные приборы не учитывают общее состояние атмосферы в комплексе, что повышает погрешность при оценке фактор запыленности. Например, важными факторами, влияющими на интенсивность пылеотложения, являются такие параметры, как влажность и скорость воздушного потока.

Актуальной задачей является разработка автоматических средств контроля интенсивности пылеотложения, т.е. разработка датчика интенсивности пылеотложения. При этом датчик должен удовлетворять следующим основным условиям: осуществлять непрерывное измерение массы пыли, ее дисперсный состав с выводом данных на дисплей. При этом должен быть надежным в эксплуатации и обслуживании и иметь небольшую погрешность в измерении.

Для повышения точности контроля состояния пылевзрывобезопасности атмосферы с помощью оптического метода предложено использовать компоновку источников света под малыми углами рассеяния для определения дисперсности пыли и увеличения количества показателей, характеризующих состояние атмосферы. Предварительные тестовые исследования показали эффективность и надежность данного способа, который заключается в определении интенсивности пылеотложения на основе регистрации комплекса параметров, таких как, величина запыленности воздуха, влажность, температура, скорость движения воздуха, дисперсность пыли. При этом уровень запыленности определяют по средней концентрации витающей в воздухе пыли с использованием оптического метода малых углов рассеяния с учетом влажности воздуха и скорости воздушного потока с помощью встроенного алгоритма оценки (закономерностей) распространения и отложения пыли по длине выработки.

Для реализации способа разрабатывается датчик контроля интенсивности пылеотложения, включающий блок питания, блок обработки и передачи информации, линию передачи данных на дисплей, модуль оптического излучения и приемники оптического излучения, расположенные под разными углами, передающие информацию на модуль измерения дисперсного состава пыли, модуль измерения скорости воздушного потока, модуль измерения влажности, модуль измерения температуры, модуль измерения атмосферного давления, передающие информацию на блок обработки и передачи информации, где происходит логическая увязка всех сигналов с сигналами, полученными от модуля измерения дисперсного состава пыли, расчет дисперсности пыли и оценка интенсивности пылеотложения.

Сущность способа определения интенсивности пылеотложения заключается в том, что для определения дисперсности пыли, содержащейся в атмосфере, и интенсивности запыленности используется оптический метод, а не весовой. При этом интенсивность пылеотложений определяется с учетом скорости движения воздуха и его влажности, и с помощью разработанного алгоритма рассчытывается распределение пыли по длине выработки.

Одной из важнейших характеристик запыленного воздуха (воздушно среды) является дисперсный состав входящих в нее частиц.

Функция распределения частиц по размеру может быть найдена по известной формуле:

где n - полное число частиц; dn - число частиц, радиус которых лежит в интервале от r до (r+dr).

Влажность воздуха влияет на летучие свойства угольной пыли. Чем влажнее воздух тем частицы пыли становятся тяжелее, следовательно путь их распространения по выработке становится короче. Скорость движения воздуха влияет на дальность полета пылевых частиц, следовательно учитывая этот показатель можно определить планируемую территорию запыленности.

При этом учитывая все указанные выше показатели и используя математические вычислительные методы можно точно дать оценку состояния шахтной атмосферы, интенсивности пылеотложения и оценить пылевзрывобезопасность горных выработок в шахте.

Согласно теории рассеяния определяется функция ȹ(х), где х – заданная геометрическая или оптическая характеристика. При этом ȹ(х) и f(r) связаны между собой соотношением:

ȹ(х) = ∫F(xr)f(r)dr (3)

где F(xr) – величина известная из теории рассеяния света на отдельной частице.

Решая известное равенство, которое является интегральным уравнением первого рода, получаем значение функции. Используя известный метод, можно получить информацию о дисперсном составе частиц, на которых происходит рассеяние.

Шахтная атмосфера содержит частицы разного размера, таким образом, пучок света проходит через слой различных по размеру частиц с функцией распределения f(r). При этом мы определяем индикатрису рассеяния по соотношению:

Далее определяется функция распределения частиц по размерам:

где F(ρβ)= ρβJ₁(ρβ)N₁(ρβ); (ρβ) – функция Неймана первого порядка; С – нормировочная постоянная.

где τ - оптическая толщина исследуемой дисперсной среды; I₀ – интенсивность света в отсутствие частиц; I – интенсивность рассеяния света на частицах света.

Получая этот показатель, мы определяем дисперсность пылевых частиц в атмосфере шахты. Показатели дисперсного состава пыли и ее влажность являются существенными, т.к. оказывают влияние на интенсивность запыленности. Дисперсный состав пыли и влажность оказывают существенное влияние на сдуваемость пыли. Если пыль сухая, то скорость, при которой начинается ее сдувание, гораздо ниже. Одновременно, по мере продвижения запыленного воздуха по горным выработкам его дисперсный состав изменяется. Это происходит за счет того, что выпадают наиболее крупные фракции пыли. Интенсивность пылеотложения определяется по формуле:

где v - скорость движения воздуха по выработке, м/с; l - расстояние от источника пылеобразования, м; S - сечение выработки, м²; В - коэффициент, учитывающий влияние степени метаморфизма угля; f(r) - суммарное значение функции распределения частиц по размеру в момент измерения концентрации, мг/м³; W -естественная влажность угля,%; W_B - относительная влажность воздуха в горной выработке,%.

Степень взрывчатости пыли зависит от вида вещества, образовавшего взрывчатую пыль, дисперсного состава пыли, выделения летучих (горючих) веществ при её нагреве, от влажности, содержания золы и др. Взрывчатость пыли возрастает с увеличением степени дисперсности.

Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, вносит изменения в прохождение луча. В данном случае, это пылевые частицы разного размера. В основе работы датчика лежит принцип использования оптического метода малых углов рассеяния для определения дисперсности пыли. Изменение фиксируется приёмниками, расположенными под разными углами к лучу. После обработки, появившийся сигнал подаётся на модуль расчета дисперсного состава пыли, где и происходит обработка, преобразование сигналов из аналогового в цифровой и их сравнение, затем определяется гранулометрический состав пыли. Далее данные поступают на блок обработки и передачи информации, где информация анализируется во взаимосвязи с поступившей информацией с модулей скорости воздушного потока, измерения влажности, температуры и атмосферного давления. В зависимости от гранулометрического состава атмосферы, скорости воздушного потока и влажности воздуха расчетно определяется характер распределения пылеотложения. Модуль измерения скорости воздушного потока базируется на принципе действия ультразвукового анемометра. Измеряется скорость и направление движения воздуха. Модули измерения влажности и температуры содержат датчики влажности и температуры соответственно. Модуль измерения влажности предназначен для измерения и контроля количества влаги в атмосфере. При этом измеряется относительная влажность, то есть количество водяного пара, которое содержит воздух при данной температуре. Модуль измерения атмосферного давления содержит датчик давления, например это может быть тензометрический датчик давления Bosch BM180.

Блоком обработки и передачи информации сигналы с датчиков обрабатываются и передаются на дисплей, где одновременно с информацией о характере пылеотложения показана информация о дисперсности пыли. В блоке обработки и передачи информации производится математическая обработка сигналов (с использованием формулы способа определения интенсивности пылеотложения), а на дисплей информация выводится как в цифровом виде, так и графическом, что усиливает наглядность подаваемой информации. Анализ дисперсного состояния пыли с учетом скорости движения воздуха и его влажности позволит оперативно и наиболее точно определить показатель интенсивности пылеотложения. В систему АГК в качестве уровня тревоги вводится значение нижнего предела взрываемости отложившейся угольной пыли для конкретного угольного пласта, определяемого по результатам лабораторных испытаний. При достижении расчетного количества отложившейся на участке выработки пыли значения 90 % нижнего предела взрываемости, система выдает сигнал тревоги и диспетчер должен дать команду персоналу, обслуживающему данную выработку, на приведение ее в пылевзрывобезопасное состояние. После проведения мероприятий по пылевзрывозащите расчет показателей интенсивности пылеотложений и количества отложившейся по выработке угольной пыли возобновляется. Использование предлагаемого способа и устройства (заявка на изобретение направлена в Роспатент) позволит оперативно и своевременно проводить мероприятия по обеспыливанию атмосферы шахты.

Кроме того, на этапе разработки проектной документации в соответствии с пунктом 11 [1] выбор мер по борьбе с пылью осуществляется на основании прогноза запыленности рудничного воздуха в горных выработках шахты.

В целях содействия соблюдению требований Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности была разработана методика, определяющая порядок проведения прогноза запыленности рудничного воздуха в горных выработках шахты, и выбора мер, направленных на снижение запыленности рудничного воздуха.

Запыленность воздуха в угольных шахтах зависит от многих факторов, в основном же определяется интенсивностью образования и выделения пыли в рудничную атмосферу при выполнении раз личных производственных процессов и эффективности применяемых мер, способов и средств борьбы с пылью. Основной характеристикой пылеобразующей способности угольных пластов является удельное пылевыделение, определяемое расчетом суммарного содержания в разрушенном угле пылевых частиц размерами 1 – 100 мкм, которые способны переходить во взвешенное состояние, что явилось основополагающим для разработки данной методики.

Для определения прогнозной запыленности рудничного воздуха используются установленные в документации по ведению горных работ значения: вынимаемая мощность пласта mв, м; производительность очистного комбайна Роч, т/мин; производительность проходческого комбайна Рпр, т/мин; расход воздуха в очистном забое Qоч, м3/мин; расход воздуха в забое подготовительной выработки Qпр, м3/мин; скорость воздуха в забое очистной выработки vоч, м/с; скорость воздуха в забое подготовительной выработки vпр, м/с.

Методика включает в себя следующие этапы:
1.Проведение лабораторных испытаний пластовых проб угля.
2.Расчет прогнозной запыленности рудничного воздуха.
3.Выбор мер по борьбе с пылью при расчетном превышении прогнозной запыленности рудничного воздуха к максимально допустимой и проверка эффективности принятых мер.

Для проведения лабораторных испытаний отбирают пластовые пробы угля в соответствии с [4]. Места отбора пластовых проб выбираются на участках горных выработок, где в дальнейшем планируется ведение горных работ по добыче угля или проведению горной выработки.

Лабораторные испытания пластовых проб состоят из следующих этапов: взвешивание пластовой пробы; дробление пластовой пробы; определение гранулометрического состава пластовой пробы после ее дробления.

Пластовые пробы взвешиваются на технических весах с относительной погрешностью взвешивания не более 0,1 %. Дробление пластовых проб проводится в соответствии с [5]. Гранулометрический состав пластовых проб после их дробления определяется в соответствии с [6]. Рассев пластовых проб начинается на сите с наибольшим размером отверстий сетки и заканчивается на контрольной сетке по [7] с номинальным размером сторон ячеек в свету 0,1 мм. После определения гранулометрического состава в пластовой пробе определяется общая влага угля по [8].

По результатам определения гранулометрического состава пластовой пробы после ее дробления и общей влаги рассчитывается удельное пылевыделение qпл, г/т, по формуле:

где а100 – выход при ситовом анализе класса крупностью менее 0,1 мм, %; W – общая влага угля, %.
Прогнозная запыленность рудничного воздуха определяется:
для очистного забоя Соч.заб., (мг/м3), по формуле:

где Эоч – эффективность мер по борьбе с пылью в очистном забое, содержащихся в проектной документации на строительство, реконструкцию и техническое перевооружение шахт в составе мероприятий по безопасному ведению работ, связанных с пользованием недрами, доля;
для подготовительного забоя Сп.заб, (мг/м3), по формуле:

где Эп – эффективность мер по борьбе с пылью в подготовительном забое, содержащихся в проектной документации на строительство, реконструкцию и техническое перевооружение шахт в составе меро- приятий по безопасному ведению работ, связанных с пользованием недрами, доля.

В случаях, когда определенная прогнозная запыленность рудничного воздуха в очистном или подготовительном забое, превышает запыленность рудничного воздуха для данных выработок, регламентированную пунктами 36, 44 [1], в документацию по ведению горных работ включают дополнительные меры по ее снижению.

Принятая прогнозная запыленность рудничного воздуха, рассчитанная с учетом данных дополнительных мер определяется:
для очистного забоя Соч.заб.пр, мг/м3, по формуле:

для подготовительного забоя Сп.заб.пр, мг/м3, по формуле:

где Эk – эффективность мероприятий по борьбе с пылью, выбранных при составлении документации по ведению горных работ, доля; n – количество дополнительно выбранных мер по борьбе с пылью при составлении документации по ведению горных работ, шт.

Значения коэффициента Эk для очистных забоев приведены в таблице 1, для подготовительных - в таблице 2.

Выбранные меры, направленные на снижение запыленности рудничного воздуха в угольных шахтах, можно считать достаточно эффективными, если значения принятой прогнозной запыленности рудничного воздуха не превышают нормативных значений запыленности, соответствующих Инструкции по борьбе с пылью.

На основании проведенных исследований был разработан нормативный документ Ростехнадзора Руководство по безопасности «Рекомендации по прогнозу и выбору мер, направленных на снижение запыленности рудничного воздуха в угольных шахтах» [9].

Таким образом, реализация и внедрение разработанного способа, комплекса методик и алгоритмов, а также средств для мониторинга запыленности воздуха и оценки интенсивности пылеотложения позволят сформировать надежную и эффективную систему мониторинга оценки взрывоопасности горных выработок, что обеспечит оперативность проведения профилактических мероприятий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Российская Федерация. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Инструкция по борьбе с пылью в угольных шахтах. приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 14 окт. 2014 г. N 462.
2. Трубицына ,Д.А. Результаты шахтных исследований интенсивности пылеотложений по сети горных выработок /Д.А. Трубицына, А.А. Анисимов, Д.С. Хлудов, С.В. Оленников, Н.В. Трубицына// Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности.- 2014.-№1. – С.68-74.
3. Белов С.В. Учебник по безопасности жизнедеятельности. - М.: Высшая школа, 2003 г..
4. ГОСТ 9815-75. Межгосударственный стандарт. "Угли бурые, каменные, антрацит и горючие сланцы. Метод отбора пластовых проб"- М.: "ИПК Издательство стандартов",1998.
5. ГОСТ 21153.1-75. Межгосударственный стандарт. "Породы горные. Метод определения коэффициента крепости по Протодьяконову"- М.: ИПК Издательство стандартов, 1999.
6. ГОСТ 2093-82. Межгосударственный стандарт. "Топливо твердое. Ситовый метод определения гранулометрического состава"- М.: "ИПК Издательство стандартов",1998.
7. ГОСТ 6613-86. Межгосударственный стандарт. "Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками"- М.: Стандартинформ, 2006.
8. ГОСТ 52911-2013. Национальный стандарт Российской федерации. "Топливо твердое минеральное. Определение общей влаги"- М.: Стандартинформ, 2014.
9. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору № 83 от 04.03.2016 г. Об утверждении Руководства по безопасности «Рекомендации по прогнозу и выбору мер, направленных на снижение запыленности рудничного воздуха в угольных шахтах».

DEVELOPMENT OF MONITORING SYSTEM DUST DEPOSITS INTENSITY AND METHODS OF FORECAST OF DUST LEVELS

Trubitsyn A.A., Podobrajin S.N., Voroshilov Y.S., Musinov S.N., Trubitsyna D.A.

The results of monitoring the intensity of the development of deposits of dust in mountain developments coal mines. Given estimation algorithms and concepts of indicators for monitoring devices, methods of forecasting the expected particulate air pollution in various industrial processes.

Keywords: THE INTENSITY OF DUST DEPOSITS, EXCAVATION, DISPERSE COMPOSITION OF COAL DUST, AIR DUST, DUST EXPLOSION, FORECAST.

Трубицын Анатолий Александрович
e-mail: atrubitsyn@rambler.ru

Подображин Сергей Николаевич
e-mail: tghcn13@mail.ru

Скатов Виктор Васильевич
e-mail: V.Skatov@gosnadzor.ru

Ворошилов Ярослав Сергеевич
e-mail: yaroslav.voroshilov@gmail.com

Мусинов Станислав Николаеви
e-mail: vosteko@inbox.ru

Трубицына Дарья Анатольевна,
e-mail: dtrubitsyna@gmail.com

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 1-2016.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ УГЛЕДОБЫЧИ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ НАЗЕМНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ МЕТОДОМ ОБЩЕЙ ГЛУБИННОЙ ТОЧКИ

О.В. Тайлаков
д-р техн. наук, профессор, проректор по научной работе и стратегическому развитию ФГБОУ ВПО «КузГТУ», зав. лабораторией Института угля СО РАН

С.В. Соколов
младший научный сотрудник Института угля СО РАН

Д.Н. Застрелов
канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН

А.И. Смыслов
младший научный сотрудник Института угля СО РАН

А.С. Ярош
канд. техн. наук, заместитель директора по научной работе АО «НИИГД»

Для повышения производительности горношахтного оборудования, а также безопасности и эффективности угледобычи существенное значение имеет развитие и применение современных геофизических методов, направленных на обеспечение достоверной оценки горногеологических условий ведения горных работ. Одним из таких перспективных подходов является сейсморазведка с размещением регистрирующего оборудования на поверхности горного отвода. В статье рассмотрено применение метода сейсмоакустического профилирования на шахтных полях в Кузбассе. Описывается методика проведения работ, применяемое геофизическое оборудование и подходы к обработке полученных сейсморазведочных данных. Приводятся результаты сейсмопрофилирования, дана их интерпретация на примере одной из угольных шахт.

Ключевые слова: СЕЙСМОРАЗВЕДКА, ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОД ОБЩЕЙ ГЛУБИННОЙ ТОЧКИ, ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ, УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, УГЛЕДОБЫЧА

В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1] угольная шахта является опасным производственным объектом подземного назначения. При добыче угля подземным способом необходимо применять комплекс мероприятий по обеспечению безопасного ведения горных работ в условиях освоения новых глубоких горизонтов. При этом существенным образом ужесточаются требования к качеству и достоверности горногеологической информации, которая используется при планировании горных работ и принятии технологических решений. С учетом «Правил безопасности в угольных шахтах» [2] при ведении работ в области тектонических нарушений предполагается применение технологических операций, порядок и характер которых обусловлен изменениями структуры и прочности массива, а также возможными газопроявлениями, вызванными поступлением метана в разупрочненные зоны [3]. Для этого необходимо применять современные методы геофизических исследований, позволяющих оперативно уточнять параметры нарушенности массива и оценивать смещение угольного пласта [4]. Оценка опасных проявлений в массиве предполагает использование комплекса исследований физикомеханических параметров пород, выполняемых из горных выработок угольных шахт. Однако применение шахтной геофизики имеет некоторые ограничения. Так, например, размещение приемника и источника сигнала невозможно в оконтуривающих горных выработках напротив друг друга, когда один из штреков находится в стадии проходки, либо когда оба штрека пройдены, но длина лавы значительно превышает глубину зондирования применяемого геофизического оборудования. В этих случаях целесообразно применять разведку массива с поверхности для уточнения условий залегания угольного пласта на основе доразведки месторождений полезных ископаемых [5–7].

В рамках разработки комплекса мер по обеспечению безопасности процесса угледобычи на одной из шахт Кузбасса возникла необходимость оценки нарушенности участка планируемого выемочного столба. Для получения этой информации до начала подготовительных работ были выполнены полевые сейсмические исследования по методу общей глубинной точки (МОГТ) [8]. Определение геологических нарушений в углепородном массиве методом наземной сейсморазведки было обусловлено возможностью выделения отражений от угольных пластов, в цуге волн, характеризующих вмещающие породы ввиду различия их скоростных и плотностных характеристик [9]. Сейсморазведка выполнена в летний полевой сезон по двум параллельным профилям, размещенным сонаправленно конвейерному и вентиляционному штрекам.

В соответствии с целями выполняемого исследования были выбраны следующие параметры полевых сейсмических измерений. Интервал между пунктами приема и возбуждения колебаний – 5 м, кратность по ОГТ – 24, источник возбуждения – импульсный источник типа «сейсморужье», количество накоплений на каждом пункте возбуждения – 1. Регистрирующий комплекс был сформирован из двух отечественных сейсморазведочных станции Лакколит - XМ3 (рис. 1). В результате полевых исследований получен массив исходных геофизических данных с качеством, достаточным для оценки условий залегания пластов угля в массиве горных пород.

К исходным данным применен стандартный метод обработки, включающий набор полосовых фильтров, регулировку усилений и ввод кинематических поправок [10]. По результатам анализа на временных сейсмических разрезах выделена ось синфазности, которая на основе скоростного анализа и предварительно построенных теоретических сейсмограмм охарактеризована как горизонт залегания угольного пласта. На суммарных сейсмических разрезах по двум профилям также зарегистрирована область потери прослеживаемости отражений от угольного пласта, связанная с наличием дизъюнктивного нарушения. Во временном окне, включающем горизонт с залегающим угольным пластом, дополнительно выполнен анализ амплитудно-частотных характеристик сигнала. По первому и второму профилям зафиксирована симметрия волновых картин, что соответствует параллельному расположению исследовательских линий. На участках, прилегающих к зоне интерпретированной как геологическое нарушение, отмечено значительное визуально заметное снижение уровня амплитуд. По результатам анализа АЧХ выделена область влияния дизъюнктивного нарушения и уточнена конфигурация его сместителя. После этого рассчитана амплитуда нарушения, которая составила 11 м (рис. 2).

На основе полученных результатов разработаны рекомендации, регламентирующие порядок ведения горных работ в области влияния дизъюнктивного нарушения, а также запланированы технические мероприятия, обеспечивающие безопасные условия проходки штреков. Впоследствии результаты исследования были подтверждены проходческими работами. Фактическая амплитуда нарушения, определенная при проведении штрека по пласту, не превышала 14 м.

По итогам выполненных геофизических измерений подтверждена целесообразность применения наземной сейсморазведки для уточнения горно-геологических условий в сложных помехообразующих условиях действующего угледобывающего предприятия. При этом качество регистрируемых данных достаточно для разработки эффективных мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение горных работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». – Режим доступа http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_15234/.
2. Приказ Ростехнадзора от 19.11.2013 N 550 (ред. от 02.04.2015) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» (Зарегистрировано в Минюсте России 31.12.2013 N 30961). – Режим доступа http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_157929/.
3. Полевщиков, Г. Я. Исследования газодинамики разрабатываемых угольных месторождений / Г. Я. Полевщиков // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013. – Отдельный выпуск. № 6. – С. 252–258.
4. Азаров, Н. Я. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений / Н. Я. Азаров, Д. В. Яковлев. – М.: Недра, 1988. – 199 с.
5. Базылев, А. П. Детальные исследования углеводородных объектов Западной Сибири по технологии совмещенных наземно-скважинных сейсмических наблюдений 2D(2D) + ВСП / А. П. Базылев, В. Г. Конюхов, О. М. Сагайдачная и др. // Технологии сейсморазведки. – 2005. – № 2. С. 86–89.
6. Карасевич, А. М. Сейсморазведка при изучении метаноугольного разреза / А. М. Карасевич, Д. П. Земцова, А. А. Никитин. – М.: ООО «Центр информационных технологий в природопользовании», 2008 – 164 с.
7. Тиркель, М. Г. Особенности обработки данных наземной сейсморазведки тектонической нарушенности угольных пластов / М. Г. Тиркель, А. И. Компанец, Е. В. Сухинина // Сб. тр. ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск, 2002. – № 35. – С. 96–101.
8. Авербух, А. Г. Изучение состава и свойств горных пород при сейсморазведке / А. Г. Авербух. – М.: Недра, 1982. – 232 с.
9. Анциферов, А. В. Моделирование процесса формирования и распространения сейсмоакустических волновых полей в углепородном массиве с учетом зон вероятного скопления метана / А. В. Анциферов, М. Г. Тиркель, А. А. Глухов, В. А. Анциферов // Геомеханические и геодинамические аспекты повышения добычи шахтного и угольного метана. – С.-Петербург ВНИМИ, 2007. – С. 231–239.
10. Тайлаков, О. В. Применение малоглубинной сейсморазведки для уточнения условий залегания угольных пластов и локализации изменений их газоносности» / О. В. Тайлаков, В. И. Овчинников, С. В. Соколов // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр., ИГТМ НАН Украины. – 2010. – №17. – С. 22–26.

COAL MINING SAFETY PROVISION SURFACE SEISMIC PROSPECTING DATA BASED BY COMMON DEPTH POINT METHOD

Tailakov O.V., Sokolov S.V., Zastrelov D.N., Smyslov A.I., Yarosh A.S.

To improve the performance of mining equipment as well as the safety and effectiveness of coal mining essential is the development and application of advanced geophysical methods aimed to ensure a reliable assessment of geological conditions of mining operations. One such promising approaches is the placement of seismic recording equipment on the surface of the mining lease. The article deals with the application of the method of seismic acoustic profiling on Kuzbass mine fields. Work fulfillment methods are described, and also the applied geophysical equipment and the obtained seismic prospecting data treatment approaches. The results of seismic profiling are given and their interpretation by the example of a coal mine.

Key words: SEISMIC PROSPECTING, GEOPHYSICAL EQUIPMENT, METHOD OF A COMMON DEPTH POINT, GEOLOGICAL FAULT, COAL SEAM, COAL MINING

Тайлаков Олег Владимирович,
e-mail: tov@kuzstu.ru

Соколов Сергей Владиславович,
e-mail: sokolov@uglemetan.ru

Застрелов Денис Николаевич,
e-mail: zastrelov@uglemetan.ru

Смыслов Алексей Игоревич,
e-mail: smyslov@uglemetan.ru

Ярош Алексей Сергеевич,
e-mail: rosniigdbuh@mail.ru

Трубицына Дарья Анатольевна,
e-mail: dtrubitsyna@gmail.com

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 4-2015.

ПОЛНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ДЕТОНАЦИИ И ГОРЕНИЯ МЕТАНОВЫХ СМЕСЕЙ ПЫЛЕВОЙ ЗАВЕСОЙ

А.А. Васильев
доктор физ-мат. наук Институт гидродинамики им. М.А.Лавреньева СО РАН

А.В. Пинаев
доктор физ-мат. наук Институт гидродинамики им. М.А.Лавреньева СО РАН

А.В. Троцюк
кандидат физ-мат. наук Институт гидродинамики им. М.А.Лавреньева СО РАН

П.А. Фомин
кандидат физ-мат. наук Институт гидродинамики им. М.А.Лавреньева СО РАН

А.А. Трубицын
професор, доктор техн. наук, заместитель директора по научной работе ООО «ВостЭКО+»

Д.А. Трубицына
Выпускающий редактор ООО «ВостЭКО», директор ООО «ЦОТ-Горный»

В работе приведен анализ теории распространения волн горения и детонации, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке двухстадийной модели кинетики детонационного горения метана в смеси метан - воздух - угольная пыль. Сформулированы требования к системам пожаротушения взрывов пылеметановоздушной смеси.

Ключевые слова: ГОРЕНИЕ, ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА, УДАРНАЯ ВОЛНА, ФРОНТ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, ЭНЕРГИЯ ЗАЖИГАНИЯ, ТЕМПЕРАТУРА ВСПЫШКИ, ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ.

В 80-х годах 19-го века именно катастрофические взрывы в шахтах положили начало исследованиям газовой детонации: эксперименты Berthelot, Vieille, Mallard, Le Chatelier (статьи 1883 г.) привели к созданию теория идеальной детонации – Chapman (1889), Михельсон (1890), Jouguet (1904), базой которой послужили работы по теории ударных волн (УВ) - Rankine (1870) и Hugoniot (1887-1889). За 130 лет в вопросах горения и детонации многое изучено, но взрывы в шахтах (Турция – 2014, Китай, Россия, ЮАР) происходят до сих пор. Требуется беспристрастный анализ современного состояния данной проблемы с целью выработки обоснованных направлений дальнейших исследований по предупреждению аварийных взрывов. Предполагается один из номеров нашего журнала посвятить этой проблеме. Данная публикация – краткая аннотация основной тематики анализа.

Известны предельные режимы самоподдерживающегося распространения фронта химической реакции в газообразных смесях: дозвуковое ламинарное горение со скоростями порядка сантиметров в секунду и сверхзвуковое детонационное горение со скоростями порядка нескольких километров в секунду [1-5]. Низкоскоростное горение распространяется за счет механизма теплопроводности (от горячих продуктов к исходной смеси) и диффузии активных радикалов из зоны реакции в исходную смесь, а высокоскоростное детонационное горение – с помощью ударно-волнового возбуждения химической реакции. В диапазоне скоростей от мм/с до км/с наблюдается огромное разнообразие нестационарных и квазистационарных режимов распространения волн горения и детонации [6-7].

Традиционно условия распространения волн горения и детонации связываются с нижним и верхним концентрационными пределами, характеризующими минимальную и максимальную концентрации топлива в горючей смеси, внутри которых возможно существование того или иного процесса. Наряду с концентрационными пределами существуют геометрические пределы, обычно связанные с минимальным размером заряда, при котором еще возможно распространения процесса. Для детонации – это критический диаметр заряда, ниже которого детанационная волна не способна распространяться в самоподдерживающемся режиме и потому затухает при любом сверхмощном инициирующем импульсе. Для горения – это критический диаметр гашения пламени, ниже которого фронт горения распространяться не может. В технике используется термин безопасный гасящий зазор.

Для оценки последствий аварийного возгорания метана необходимо четко представлять возможные сценарии возникновения и развития очага горения в условиях шахт, чтобы максимально обезопасить людей и оборудование от воздействия горячих продуктов. К настоящему времени экспериментально хорошо изучены процессы низкоскоростного горения метановых смесей как одного из главных виновников трагедий на шахтах. Процессы высокоскоростной детонации и, тем более, нестационарного горения (например, процесс ускорения пламени вплоть до перехода горения в детонацию) изучены в значительно меньшей степени. Что такое «взрыв» в шахте с точки зрения идентификации процессов горения и детонации? К сожалению, даже в современной справочной литературе по безопасности нет ответа на этот вопрос, а процессы низко- и высокоскоростного горения рассматриваются в рамках единого термина «пожаро-взрывоопасность». С научной точки зрения его нельзя признать корректным, поскольку, как правило, пожароопасность связана с низкоскоростным горением, а взрыв – с высокоскоростным детонационным процессом. Несопоставимы и последствия пожара и взрыва газовой смеси по динамическому воздействию.

В большинстве случаев характерный размер зоны химической реакции в волне горения и детонации оказывается значительно меньше характерного масштаба горючей системы. Это позволяет заменить реальные волны на поверхности разрыва со скачкообразным изменением параметров системы. Классическая одномерная теория детонации базируется на законах сохранения массы, импульса и энергии, записываемых в системе фронта волны для двух произвольных сечений трубки тока постоянного сечения:

Здесь v₀ и v - скорости втекающего и вытекающего потоков между выбранными сечениями, ρ - плотности потока, P - давления, H - энтальпии, Q - удельное энерговыделение смеси [1-2]. В рамках модели идеального газа с уравнением

энтальпия выражается формулой

Первые два уравнения дают уравнение прямой в плоскости (Р,V) – ее называют прямой Михельсона-Рэлея

Преобразуя систему, получаем уравнение P=F(V,Q) , называемое адиабатой энерговыделения:

При Q=0 получаем уравнение ударной адиабаты. На рис.1 представлен типичный график состояний горючей системы и ее продуктов. Адиабата энерговыделения представляет собой гиперболу, сдвинутую относительно точки исходного состояния О так, что точка О лежит вне гиперболы (рис.1). Из точки О к данной гиперболе можно провести множество прямых. Существуют три варианта взаимного расположения адиабаты энерговыделения и прямой: а) пересечения нет; б) есть пересечение в двух точках; в) осуществляется касание прямой и адиабаты.

Классические представления о детонационной волне (ДВ) как о стационарно распространяющемся со сверхзвуковой скоростью газодинамическом комплексе из бесконечно тонкой ударной волны (УВ) и одномерных зон индукции и химической реакции (модель «прямоугольной ДВ») являются сильно идеализированными при рассмотрении газовой детонации. Основная причина нарушения подобной идеализации – неустойчивость совместного взаимодействия газодинамических и кинетических факторов, проявляющаяся в усилении слабых возмущений и нарушении одномерности течения. Сложная неодномерная и нестационарная структура фронта ДВ оказалась присущей не только чисто газовым системам, но и ряду жидких и твердых взрывчатых веществ (ВВ), а также гетерогенным смесям.

В настоящее время общепринято, что ДВ в газовой смеси представляет сложный квазистационарный многофронтовый газодинамический комплекс из ударных скачков, волн разрежения, контактных разрывов и локальных зон химической реакции. На рис.2 представлена шлирен-фотография фронта ДВ, иллюстрирующая сложную структуру детонационного фронта в области сопряжения головных участков фронта ДВ с поперечной волной (ПВ), распространяющейся по зоне индукции.

При распространении ДВ траектории движения ПВ по зоне индукции образуют упорядоченную структуру с характерным масштабом, называемым размером ячейки а (рис.3). Средний размер ячейки определяется как отношение длины базовой линии в нормальной к направлению распространения ДВ плоскости, деленной на количество траекторий поперечных волн одного направления, пересекающих данную линию. Для большинства горючих смесей количество поперечных волн на детонационном фронте уменьшается при понижении начального давления и приближении к концентрационным пределам, что приводит к увеличению размера ячейки а.

Эффект возбуждения горения или детонации обычно носит «пороговый» характер: «да» - «нет» для любого инициатора. Минимальная энергия, обеспечивающая 100-процентное возбуждение данного режима, традиционно называется критической энергией. На рис.4 приведены две фотографии следовых отпечатков, иллюстрирующие пороговый характер сильного инициирования: успешное возбуждение ДВ при энергии, большей критической величины (правая фотография), и отсутствие возбуждения ДВ при энергии, меньшей критической величины (в этом случае возбуждается режим высокоскоростного турбулентного горения).

Минимальная энергия зажигания метано-воздушных смесей характеризуется величиной порядка миллиджоуля, а критическая энергия инициирования детонации – порядка 10⁸ Дж (17 кг ВВ). Огромная разница Е_min (около 5-10 порядков) между этими двумя процессами, казалось бы, позволяет основное внимание сосредоточить лишь на процессах воспламенения и низкоскоростного горения и не рассматривать энергетически затратный детонационный режим. Однако специалистам хорошо известны нестационарные режимы ускорения пламени вплоть до перехода горения в детонацию (при выполнении определенных требований), которые могут играть определяющую роль при аварийном возгорании метана в шахтах.

Для моделирования шахтных условий (с характерным размером шахтного туннеля порядка 6 метров) не обойтись без геометрического моделирования. С этой целью были выполнены исследования параметров детонационных волн в стехиометрической смеси метан-кислород при ее постепенном разбавлении азотом вплоть до воздушного соотношения (air = O₂ + 3.76N₂). На рис.5 представлены данные о размере ячеек в смесях CH₄ + 2(O₂ + nN₂) при различных n. Верхняя горизонтальная пунктирная линия соответствует спиновому режиму детонации в стехиометрической смеси метана с воздухом в трубе 100 мм с характерным размером ячейки детонационной волны а ≈ 314 мм. Для приближенных оценок можно взять в качестве характерного размера шахтного штрека его диаметр в 6.3 метра и получить цифру d/a = 20. Другими словами в условиях шахты при детонации стехиометрической метано-воздушной смеси ДВ является многофронтовой. Поскольку характерный размер зоны реакции в ДВ напрямую связан с размером ячейки, то для моделирования «шахтной ДВ» в лабораторных условиях необходимо выполнение критерия геометрического подобия d/a = 20. Этого можно достичь либо при фиксированном составе смеси соответствующим подбором диаметра детонационной трубы, либо более удобным способом: при фиксированном диаметре подобрать такую смесь, чтобы ее характерный размер ячейки обеспечивал моделирование (область между горизонтальными пунктирными линиями на рис.5).

Поскольку в нестационарных режимах весьма важным параметром является не только поперечный, но и продольный размер (длина) рассматриваемого явления, то в данном случае в качестве критерия выбрано соотношение длина–диаметр, равное 100 (сто калибров). Такая величина принята детонационным сообществом в качестве достаточной для вывода о стационарности детонационной волны, распространяющейся в длинной трубе. Динамика событий в лабораторной трубе в 100 калибров в пересчете на шахтные условия дает величину порядка 600 метров. Комбинируя различные критерии в качестве базовой для лабораторных условий была выбрана детонационная труба диаметром 70 мм длиной 7 метров!

Для исследований возможности гашения детонации и взрывных волн пылевой завесой использовалось вертикальное расположение трубы. Труба была оборудована устройством для дозированной подачи пыли (на верхнем торце трубы), электроникой для управления подачей пыли в объём трубы, системой инициирования детонационного процесса, пьезодатчиками давления, ионизационными датчиками, фотоэлектронными умножителями для регистрации свечения и т.д., а также необходимыми приборами для регистрации данных (4–лучевые осциллографы, скоростные кинокамеры и пр). На рис. 6 приведены схема характерных зон трубы (1 – метановая смесь + инертная пыль; 2 – метановая смесь; 3 – фронт детонационной волны; 4 – продукты детонации метановой смеси) и схема генератора пылевзвеси (1 – цилиндрический контейнер с сыпучим материалом; 2 – запорный конус; 3 – стержень электромагнита). В качестве пылевзвеси использован кварцевый песок с фракциями частиц размером d = 250÷600, 120÷250, 90÷120 мкм.

Основные стадии экспериментальных исследований:
• I – динамика формирования облака пыли;
• II – динамика формирования ДВ в газовой смеси;
• III – динамика распространения ДВ в газопылевой среде.

При варьировании концентрации частиц использовались как традиционная схема (рис. 7) – увеличение количества и плотности частиц – ρ2>ρ1 – при постоянном давлении и размере характерной зоны химической реакции (L₁=const), а также схема увеличения размера зоны химической реакции L₂>L₁ (пропорциональной размеру ячейки в ДВ) при уменьшении начального давления смеси, при этом плотность частиц можно оставлять неизменной (ρ=const).

Важно, что для эффективного гашения ДВ пространственно-временные масштабы физических процессов (разгон частиц, нагревание, дробление и тд) должны быть меньше масштабов химических процессов в зоне реакции. Физические процессы зависят от размера частиц и их концентрации. При нагревании частиц происходит поглощение тепловой энергии из зоны реакции (Qт), а при разгоне частиц – поглощение кинетической энергии газа (Qк), при этом Qт > Qк.

Экспериментально проверено, что ДВ выходит на установившийся режим (2200-2240 м/с) на расстоянии около 2 м от верхнего торца трубы, скорость волны отличается от DCJ менее чем на 1 %.

При воздействии частиц на взрывную волну нужно иметь в виду, что недостаточно «сорванная» взрывная волна способна восстановиться и усилиться при последующем столкновении со стенками или препятствиями, поскольку при отражении ударной волны заметно возрастает температура и смесь может воспламениться. На рис.8 представлен график зависимости температуры за ударной волной в метано-воздушной смеси. Можно видеть, что с точки зрения воспламенения смеси (критерий - температура достигает температуры вспышки) опасными являются волны, скорость которых выше звуковой примерно в 1.45 раза. За такой волной давление возрастает примерно вдвое по сравнению с начальным Р₀=1.0 атм.

На рис.9 представлен график зависимости скорости детонационной волны по мере ее распространения в пылевом облаке (по вертикали – скорость волны, м/с; по горизонтали – координата фронта волны от точки входа в пылевое облако, м). Хорошо видно немонотонное ослабление ДВ в облаке. Символами 1-4 обозначены различные условия эксперимента: 3 соответствует полному затуханию взрывной волны – как исходной детонационной, всех промежуточных между детонацией и горением, так и самого горения. Эксперимент (линия 3) доказывает возможность полного гашения взрывных волн пылевыми завесами. Проблема в своевременном создании пылевых завес в нужном месте!

Поскольку энергия зажигания метано–воздушной смеси составляет всего доли миллиджоуля, в то время как энергия прямого инициирования детонации эквивалентна примерно 17 кг тротила, то на начальной стадии всегда реализуется лишь воспламенение метано–воздушной смеси и пламя вначале распространяется из точки в режиме ламинарного горения со скоростью порядка 0.3 м/с. Если диаметр шахтного штрека взять равным равен 5 м, то ламинарное пламя полностью перекроет сечение шахты примерно за 15 сек (в случае воспламенения вблизи стенки). Реально же фронт ламинарного пламени будет взаимодействовать с шероховатостями стенок, превращаться в турбулентное горение и увеличивать скорость распространения. Скорость турбулентного пламени составляет примерно 60 м/с. Особо отметим, что как при ламинарном, так и при турбулентном дозвуковом горении не наблюдается повышения давления в продуктах реакции. При сильно затурбулизованной смеси на перекрытие сечения шахты фронтом турбулентного пламени потребуется примерно 0.1 секунды. После перекрытия сечения шахты пламя будет распространяться вдоль штрека, ускоряясь как за счет автотурбулизации, так и за счет искусственной турбулизации. При этом впереди пламени будет формироваться предвестник из волн сжатия, генерируемых расширяющимся фронтом пламени. Поскольку волны сжатия распространяются значительно быстрее фронта пламени, то они будут способствовать вовлечению в поток мелкодисперсных частиц угольной пыли с формированием гетерогенной двухтопливной системы метан–воздух–угольная пыль. На рис. 10 представлен график основных продуктов реакции метано-воздушных смесей, из которого видно, что в продуктах имеется заметное количество горячего водорода и оксида углерода (известного как синтез-газ), являющимися горючими компонентами. Мелкодисперсная угольная пыль, попадая в такую нагретую смесь, будет вступать в реакцию, усугубляя воздействие метано-воздушной смеси. Нельзя исключить возможность перехода горения в детонацию в условиях шахты, что может существенно усугубить последствия аварии.

Тот факт, что на начальной стадии в метано-воздушной смеси может возбуждаться только горение, позволяет сразу же сформулировать преимущества начальной стадии возгорания.

А именно:
• низкие скорости распространения пламени;
• малый размер зоны возгорания;
• максимально возможное время для принятия решения и ввода в действие факторов тушения;
• максимальное время для создания однородного тушащего облака.

Эти преимущества позволяют более адекватно ответить на вопросы – Как предотвратить или ослабить воздействие «взрыва»? Чем гасить?

Среди известных методов, но все еще недостаточно применяемых:
• дегазация угольных пластов;
• постоянный контроль концентрации метана;
• постоянный контроль положения шахтеров – система подземного позиционирования (особо важная для МЧС);
• инертный газ – выход вне концентрационных пределов;
• ингибиторы (кинетическое гашение) – введение веществ, препятствующих размножению активных радикалов в цепном механизме реакций метано-воздушной смеси;
• инертные частицы – отбор кинетической и тепловой энергий;
• распылы инертной жидкости – отбор энергии фазовых переходов (жидкость – пар);
• «подушки безопасности»;
• гасящие зазоры;
и пр

Требования к системе пожаротушения:
• максимально быстрое обнаружение – оптическая диагностика;
• анализ возникшей ситуации и выбор решения (АСУ);
• передача управления на соответствующие элементы пожаротушения (АСУ);
• максимально быстрый ввод системы в рабочее состояние (взрывное диспергирование);
• однородность тушащего средства по сечению и длине;
• оптимизация по физическим свойствам (учет физических свойств гасящего материала: теплоемкость, масса, поверхность, агрегатное состояние,…)…

Очевидно, что для процесса подавления волны наиболее эффективны частицы, имеющие высокую теплоемкость и (при наличии плавления) большую теплоту фазового перехода. Если частицы имеют относительно большой размер, газ и конденсированная фаза не будут находиться в тепловом и механическом равновесии внутри зоны реакции ДВ. Для увеличения эффективности подавления детонации желательно использовать настолько малые частицы, насколько это возможно.

Для моделирования детонации в смеси метан – воздух – угольная пыль разработана приближенная двухстадийная модель кинетики детонационного горения метана.

Для смеси с реальными теплофизическими и химическими свойствами в расчетах была воспроизведена нерегулярная ячеистая структура со всеми основными ее особенностями:
- хаотическое несогласованное движение основных поперечных волн;
- многочисленные вторичные поперечные волны, составляющие иерархию уменьшающихся по размерам возмущений фронта ДВ;
- области несгоревшей смеси на значительном расстоянии за фронтом ДВ;
- тонкая (ячеистая) структура поперечных волн.

Еще раз отметим основной результат – полное гашение детонации и горения с помощью пыле- вой завесы: экспериментальными исследованиями ослабления детонационной волны (ДВ) в метановой смеси CH₄+2O₂+N₂, запыленной кварцевым песком, установлено, что пылевое облако с размером ча- стиц 250–600 мкм и их средне-объемной концентрацией ρ_s ≈ 2.5 г/литр практически не ослабляет ДВ на длине облака около 6 м при p₀ = 0.1 МПа. Но уже при p₀ = 0.01 МПа пылевое облако с размером частиц 90–120 мкм и их средне-объемной концентрацией ρ_s ≈ 2.5 г/литр ослабляет ДВ на такой же длине облака от детонационной (гиперзвуковой) скорости до акустической (линия 3 на рисунке). Другими словами – пылевое облако срывает полностью как детонацию, так и горение смеси, что принципиально важно для взрывобезопасности шахт. Обнаружено немонотонное затухание взрывной волны в пылевом облаке, что свидетельствует о новых механизмах взаимодействия зоны реакции с пылевым облаком.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации / /Москва, Гостехиздат, 1955
2. К.И.Щелкин, Я.К.Трошин. Газодинамика горения//М., из-во АН СССР, 1963
3. Войцеховский Б.В., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е. Структура фронта детонации в газах// Новосибирск, из-во СО АН СССР. 1963.
4. Физика взрыва//под ред. Л.П.Орленко. М., Физматлит, 2002.
5. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах//М., Мир, 1984.
6. Vasil’ev A.A. The limits of stationary propagation of gaseous detonation//in «Dynamic structure of detonation in gaseous and dispersed media» ed. by A.A.Borisov: v.5 of «Fluid Mechanics and its applications». Kluwer Academic Publishers. -Dordrecht-Boston-London. -1991. -p.27-49.
7. Vasil’ev A.A. Quasi-stationary regimes of wave propagation in active mixtures// Shock Waves, 2008, 18,4. p.245-253
8. Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения// Справочник в 2-х томах (под ред. А.Н.Баратова и А.Я.Корольченко). М., Химия, 1990.
9. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ//М., Гостехиздат. -1960.
10. Стрижевский И.И., Заказнов В.Ф. Промышленные огнепреградители//М., Химия. -1974.
11. Нетлетон М. Детонация в газах//М., Мир. -1989.
12. Химическая энциклопедия (в 5 томах)//под ред. И.Л.Кнунянца. М., «Советская энциклопедия». -1988.
13. Щетинков Е.С. Физика горения газов//М., Наука. 1965.
14. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные углеводо-родов// Справочник под ред. В.А.Филова. Ленинград, Химия, 1990.
15. Hertzberg M. The flammability limits of gases, vapors and dusts: theory and experiment//in «Fuel-Air Explosions» ed. by Lee and Guirao. University of Waterloo press. 1982. p.3-48.
16. Hertzberg M., Cashdollar K.L., Zlochower I.A. Flammability limit measurements for dusts and gases: ignition energy requirements and pressure dependences//21-th Symp. (International) on Combustion, 1986, p.303-313.
17. Michels H.J., Munday G., Ubbelohde A.R. Detonation limits in mixtures of oxygen and homologous hydrocarbons//Proc. Roy. Soc. A:1539. Math. and Phys. Sci. -1970. 319,10. p.461-477.
18. Когарко С.М. Детонация метано-воздушных смесей и пределы детонации углеводородно-воздушных смесей в трубе большого диаметра//ЖТФ, 1958. 38,9. с.2072-2083.
19. Vasil’ev A.A. Cell size as the main geometric parameter of multifront detonation wave// Journal of Propulsion and Power, 2006, vol.22, n.6, pp. 1245-1260
20. Васильев А.А. Околокритические режимы газовой детонации//Дис. докт. физ.-мат. наук. Новосибирск. 1995.

COMPLETE SUPPRESSION OF DETONATION AND COMBUSTION OF METHANE MIXTURES OF DUST VEIL

Vasiliev A.A., Pinaev A.V., Trutsjuk A.V., Fomin P.A., Trubitsyn A.A., Trubitsyna D.A.

The paper analyzes the theory of combustion and detonation waves, and the results of theoretical and experimental studies on the development of a two-stage model of the kinetics of detonation combustion of methane in a methane - air - coal dust. The requirements for fire extinguishing systems explosion pylemetanovozdushnoy mixture.

Key words: BURNING, DETONATION WAVE, SHOCK WAVE FRONT OF A CHEMICAL REACTION, IGNITION ENERGY, FLASH POINT, IGNITION TEMPERATURE.

Васильев Анатолий Александрович,
e-mail: gasdet@hydro.nsc.ru

Пинаев Александр Владимирович,
e-mail: avpin@ngs.ru

Троцюк Анатолий Владиславович,
e-mail: trotsyuk@hydro.nsc.ru

Фомин Павел Аркадьевич,
e-mail: pavel_fomin_new@mail.ru

Трубицын Анатолий Александрович,
e-mail: atrubitsyn@rambler.ru

Трубицына Дарья Анатольевна,
e-mail: dtrubitsyna@gmail.com

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 4-2015.

Архив научных публикаций

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Н.В. Трубицына
доктор техн. наук, директор по научной работе ООО «ВостЭКО»

С.Н. Подображин
доктор техн. наук; ведущий эксперт отдела по надзору за открытой угледобычей и обогащению углей Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору

Н.Н. Ахлестин
первый заместитель директора Группы Компаний ООО «ВОСТЭКО», ООО «Горный-ЦОТ»

С.В. Спирин
Технический директор ООО «Горный-Цот»

В статье приведены подходы к организации системы пылевзрывобезопасности угольных шахт, требования к элементам системы мониторинга интенсивности пылеотложений.

Ключевые слова: ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЙ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ПЫЛИ, СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА.

Безопасное ведение горных работ, сохранение жизни и здоровья работников подземных угольных предприятий является неотъемлемой частью позитивного развития угольной промышленности Кузбасса и России в целом.

Вместе с тем, история шахтерского труда и шахтерских побед, к сожалению, омрачена трагедиями повлекшими гибель и травмирование людей, связавших свою жизнь с опасной горняцкой профессией.

Крупные аварии с человеческими жертвами происходят чаще всего при недостаточном или полном отсутствии должного контроля за производственным процессом со стороны руководителей, специалистов и исполнителей работ. Также, аварии неизбежны при отсутствии непрерывного автоматического контроля состояния рудничной атмосферы в действующих горных выработках и выработанных пространствах выемочных участков (полей).

Вспомним аварии прошлых лет. В 2005 году авария — пожар и взрыв в выработанном пространстве шахты «Есаульская» с гибелью 8 работников предприятия и 17 горноспасателей; в 2006 году взрыв в выработанном пространстве шахты «Томская» в результате которого гибнет шахтер и принимается решение по закрытию предприятия; в 2009 году взрыв в изолированном пространстве шахты «им. Ворошилова» с гибелью двух бойцов Прокопьевского ОВГСО. Затем аварии 2007 года: «Ульяновская», «Юбилейная», унесшие жизни 149 человек, 2010 года — авария на шахте «Распадская», где смертельные травмы получили 71 шахтер и 20 горноспасателей. Последние аварии и их масштабность произошли по причине участия отложившейся угольной пыли во взрыве метано-воздушной смеси, что заставило в корне пересмотреть отношения к созданию безопасных условий труда, как специалистами шахт, надзорных органов, горноспасательных частей, так и научных организаций.

В результате внедрения новых безопасных методов ведения горных работ, высокопроизводительной техники и устройств, выполнение проектных решений и научных проработок с применением способов и средств по предупреждению аварий и инцидентов стало возможным на порядок сократить количество травм и аварий и в тоже время позволило увеличить объемы добычи угля.

С другой стороны повышение нагрузок на забои угольных шахт привело к тому, что ситуация с обеспечением пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт сложилась крайне не однозначная: декларировать собственно безопасность на практике невозможно. Это обусловлено целым комплексом причин, поясним главные из них.

1. В настоящее время все мероприятия, направленные на обеспечение безопасности регламентируются двумя документами: ГОСТ Р [1] и инструкцией [2], и по сути многочисленный комплекс мероприятий, поддерживающий должный уровень пылевзрывозащиты, вынесен за рамки обязательных, открывая тем самым абсолютно не защищённые в данном контексте ниши.

2. Высокие нагрузки на забои сопровождаются, что очевидно, многократно возросшей интенсивностью пылеотложений, которая не нашла отражения в действующих нормативных документах. Следствием этого является то, что периодичность и эффективность профилактических мероприятий ни в коей мере не обеспечивают сколько-нибудь приемлемый уровень пылевзрывозащиты.

Из этих причин следуют два комплекса необходимых действий: детальный и глубокий анализ реальной ситуации по количественной оценке интенсивности пылеотложений в горных выработках, на основе которого должна быть разработана инструкция по обеспечению пылевзрывобезопасности с адаптированным комплексом регламентированных мероприятий и их периодичностью.

Экспериментальная оценка уровня интенсивности пылеотложений в очистных и проходческих забоях была проведена коллективом исследователей в 2011-2012 гг., [3-5] которая показала, что действующая периодичность мероприятий обеспечивала лишь частичный уровень безопасности. Кроме того, отсутствует мониторинг реальной ситуации этого показателя, в нормативной документации отсутствуют удобные для практического применения методы оценки, а приборы для автоматического определения интенсивности пылеотложений до сих пор не разработаны.

Сегодня, предприятиями подземной добычи угля ведется активная работа по внедрению на шахтах современных систем и приборов контроля производственных процессов, мониторинга рудничной атмосферы по содержанию вредных газов и запыленности на рабочих местах, разработанных заводами-изготовителями средств измерений.

При существующем положении наиболее быстро с позиций организационных и практических можно реализовать только один поход (при этом уделив пристальное внимание разработке инструментов для автоматического мониторинга): вернуться к старому методу оценки интенсивности пылеотложений с помощью двух приборов стационарного и непрерывного контроля концентрации пыли в воздухе, четко регламентировав места их установки и алгоритм автоматического расчета показателя с выводом в диспетчерскую службу шахты и сигнализацией о необходимой периодичности используемого мероприятия по обеспечению пылевзрывобезопасности. Что должно быть внесено в проектную документацию, а также разработаны регламенты предприятий по предупреждению взрывов.

При этом не стоит полагаться и руководствоваться установленным техническим руководителем (главным инженером) шахты порядком по контролю состояния взрывозащиты, пылевзрывобезопасности с выполнением определенных мероприятий по предупреждению взрывов угольной пыли. Учитывая человеческий фактор и другие, вдруг возникшие, негативные обстоятельства, позволяющие привести горную выработку (шахту) в предаварийное состояние, необходимо обеспечить надежный автоматический контроль у источника пылевыделения с установкой специального устройства (двух измерителей запыленности) с вводом их в систему АГК. В системе АГК в качестве уровня тревоги должно быть введено значение нижнего предела взрываемости отложившейся угольной пыли для конкретного угольного пласта. При достижении 90-процентного значения нижнего предела взрываемости система выдает сигнал тревоги и горный диспетчер приостанавливает горные работы и выдает команду на приведение выработки в пылевзрывобезопасное состояние.

Для реализации этого алгоритма могут быть использованы любые приборы непрерывного действия включённые в систему АГК, и допущенные к эксплуатации в установленном порядке.

Суть алгоритма определения интенсивности пылеотложений и выбора периодичности профилактических мероприятий заключается в следующем.

1. В соответствии с руководством по АГК на исходящих из очистных и проходческих забоев угольных шахт должны устанавливаться приборы непрерывного контроля запыленности воздуха, с выдачей результатов на пульт диспетчера шахты. В 50 м от этого датчика должен быть установлен второй, также соответствующий этим требованиям.

2. Сервер диспетчера должен быть оснащён программным обеспечением, которое бы обеспечивало регистрацию показаний с двух датчиков и автоматический расчёт интенсивности пылеотложений на участке выработки между ними и прогнозной оценки интенсивности пылеотложений на прямом участке выработки далее за местом установки второго датчика на расстояние не менее 1 км.

3. Результаты расчета должны сравниваться с нормативными показателями для данного забоя и по мере достижения порога накопления опасности сигнализировать о необходимости проведения следующего цикла профилактических мероприятий диспетчеру. Диспетчер обязан сообщить об установленной необходимости и отдать распоряжение на приведение выработки в пылевзрывобезопасности состояние.

4. Контроль интенсивности пылеотложений с помощью двух датчиков измерения концентрации пыли в горной выработке при этом следует регламентировать как достаточный только на определенный временной период. Необходимо интенсифицировать работы по созданию инновационных приборов нового поколения по автоматическому контролю интенсивности пылеотложений. Спектр обязательно контролируемых параметров такого прибора должен включать: дисперсный состав витающей пыли, концентрацию пыли в атмосфере горной выработки, скорость движения воздуха в выработке, площадь сечения выработки, влажность воздуха. Кроме того, в программное обеспечение прибора должны быть заложены количественные оценки нижнего предела взрываемости угольного пласта и его зольность. Программное обеспечение прибора должно быть также оснащено алгоритмом экстраполяции показателя интенсивности пылеотложений до следующего по выработке источника интенсивного пылевыделения на основании данных регистрации в точке установки устройства.

Проведённые исследования показали, что используемые в настоящее время профилактические мероприятия (осланцевание, обмывка) требуют многократного снижения их периодичности для обеспечения требуемого уровня безопасности. В этой связи необходима разработка эффективных технологий и способов, которые бы обеспечивали максимальную периодичность для того чтобы по крайней мере не повышать затратную финансовую часть на их выполнение.

В концепте этой работы могут быть быстро реализованы два направления:

1. Разработка пылесвязывающих составов и технологии для их не затратного по времени и средствам нанесения, которые бы обеспечивали надежную защиту в течении не менее двух-трёх суток в местах интенсивных пылевыделений и пылеотложений, что обеспечит необходимость профилактики только по мере подвигания забоя. Эти работы уже несколько лет проводит ООО «Сибэкохим» (г.Омск). К недостаткам такого подхода можно отнести только одно: в любом случае состав будет обладать повышенной травмоопасностью для персонала, т.к. устранить скольжение при передвижении по обработанной горизонтальной поверхности вряд ли удастся.

2. Капсулированные инертизаторы и/или ингибиторы, которые бы не позволили в случае вспышки метана принять угольной пыли участие во взрыве. В этой технологии наиболее слабым местом является нанесение капсул с реагентом на вертикальные поверхности горных выработок, хотя возможно отработать алгоритм, исключающий эту необходимость.

Для создания этой технологии требуется разработка нового поколения инертизаторов и ингибиторов, которые бы повысили эффективность пылевзрывозащиты при минимальных концентрациях.

Кроме того, не следует выпускать из внимания тот факт, что в последние годы в научном сообществе сложились крайне полярные позиции о первичном составе газовой среды, которая взрывается в первую очередь. Большая часть мнений сходится на взрывоопасности метановоздушной смеси, другие утверждают о наличии более легко воспламеняемого водорода в призабойных пространствах, третьи - что минимальный поджиг метана влечёт за собой пиролиз угольной пыли причём в геометрической прогрессии, который сопровождается выделением ещё более взрывоопасных летучих веществ, обладающих высокой детонационной способностью.

В связи с этим возникает необходимость проведения широчайшей научной дискуссии, которую необходимо организовать в кратчайшие сроки.

Не выдерживает никакой критики также и методика определения нижнего предела взрываемости угольной пыли и, соответственно, нормы осланцевания. Данные нормативы устарели настолько, что даже в ближайшем приближении не обеспечивают минимальный уровень безопасности горных выработок.

Конструкции обязательных взрыволокализующих водяных и сланцевых заслонов также морально устарели, так как те уже не единожды наблюдаемые, после последних аварий в угольных шахтах, параметры взрыва позволяют утверждать, что мы имеем дело с очень мощными детонационными эффектами, противостоять которым заслоны не могут, так как количество отложившейся угольной пыли увеличилось многократно, что и является причиной таких явлений.

Кардинально решение этой проблемы возможно только двумя путями:

1. Кратное увеличение нормы осланцевания горных выработок, причём на всём их протяжении вне зависимости от интенсивности пылеотложений от конкретного источника пылевыделения. Это полностью исключит возможность формирования детонационных эффектов в случае возникновения взрыва, позволит отказаться от крайне не удобных сланцевых и водяных заслонов и, соответственно, затрат на их обслуживание.

Проблемными вопросами при данном подходе останутся контроль за призабойной зоной и участком по мере продвижения забоя и высокие скорости движения воздуха, обусловленные высоким уровнем метановыделения в угольных шахтах России. Для минимизации развития сильного взрыва необходимо будет и контролировать интенсивность пылеотложений от первичного источника и увеличить частоту его профилактической обработки.

2. Многократное снижение периодичности (увеличение количества циклов мероприятия в единицу времени по сравнению с нормативными требованиями) весьма затратной профилактической обработки существующими материалами и составами и обеспечение системами надежного контроля за интенсивностью пылеотложений с выводом результатов оценки текущей ситуации на диспетчерский пульт. При такой схеме необходимость сохранения системы стационарных водяных либо сланцевых заслонов становится обязательным условием, для того чтобы хотя бы частично предотвратить возможность разгона взрывной волны до детонации. Новых разработок, доведенных до серийного производства, в области создания более эффективных и легко эксплуатируемых заслонов ни в России, ни за рубежом пока нет.

По сути, этот путь характеризует существующую, текущую ситуацию с обеспечением пылевзрывозащиты на угольных шахтах России.

Таким образом, необходимо в кратчайшие сроки, объединив усилия научного, экспертного и производственного сообществ, выработать единую стратегию, принять решение по выбору технологических схем обеспечения пылевзрывобезопасности горных выработок и, соответственно, разработать нормативный документ для обеспечения общих требований и правил ведения профилактических мероприятий, методов и способов контроля обеспечения их качества и уровня ответственности за их выполнением.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ Р 54776-2011. Оборудование и средства по предупреждению и локализации взрывов пылевоздушных смесей в угольных шахтах, опасных по газу и пыли. Общие технические требования. Требования безопасности и методы испытаний.
2. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по локализации и предупреждению взрывов пылегазовоздушных смесей в угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 25. –М: ЗАО «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности»., 2013 – 40 с.
3. Трубицына, Д.А. Исследование интенсивности пылеотложений в угольных шахтах/ Д.А. Трубицына, Д.С. Хлудов, Н.В. Трубицына // Безопасность труда в промышленности. – М.: 2014. № 9 – С. 62-67.
4. Трубицына, Д.А. Исследование дисперсного состава отложившейся пыли углей различной стадии метаморфизма/ Трубицына Д.А., Хлудов Д.С. //Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2014. № 1. - С. 13-23.
5. Трубицына, Д.А. Результаты шахтных исследований интенсивности пылеотложений по сети горных выработок/ Д.А. Трубицына, А.А. Анисимов, Д.С. Хлудов, С.В. Оленников, Н.В. Трубицына//Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2014. - № 1. - С. 68-74.

ENFORCEMENT DUST EXPLOSIONS COAL MINE SAFETY

Trubitsyna N.V., Podobrajin S.N., Ahlestin N.N., Spirin S.V.

The article presents approaches to the organization of pylevzryvobezopasnosti coal mines, requirements for elements of the monitoring system of intensity pyleotlozheny.

Keywords: COAL MINE DUST EXPLOSION PROTECTION, INTENSITY OF COAL DUST DEPOSITS, DUST CONCENTRATION MONITORING SYSTEM.

Трубицына Нэля Вадимовна,
e-mail: ntrubitsyna@rambler.ru

Подображин Сергей,
e-mail: tghcn13@mail.ru

Ахлестин Николай Николаевич,
e-mail: a9617087450@gmail.com

Спирин Сергей Владимирович,
e-mail: s9069877090@gmail.com

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 4-2015.

Архив научных публикаций

ВЫДЕЛЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ПОЖАРНЫХ ГАЗОВ ПРИ ОКИСЛЕНИИ УГЛЯ НА СТАДИЯХ САМОНАГРЕВАНИЯ И БЕСПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ

В.Г. Игишев
д-р техн. наук, проф., старший научный консультант АО «НЦ ВостНИИ»

П.А. Шлапаков
инженер, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ»

С.А. Хаймин
старший научный сотрудник лаборатории АО «НЦ ВостНИИ»

С.А. Син
генеральный директор ООО «Эгида-Сервис», генеральный директор ООО «Азот Сервис»

Исследовано выделение индикаторных пожарных газов при нагревании углей марок Б, Д, Г, К, СС, Т. Установлены аномально высокие скорости разогрева навески угля в интервале температур: 342÷372 К и 428÷529 К, характерных для стадий самонагревания и беспламенного горения (тления). Показано, что в стадии тления содержание оксида углерода в продуктах окисления более чем в 100 раз превышает таковое на стадии самонагревания. Сделан вывод о возможности превышения содержания индикаторных газов над фоновым уже на стадии тления, когда переход очага в стадию пламенного горения может быть спровоцирован факторами, способствующими компенсации недостатка кислорода (внезапное обрушение кровли, землетрясение и др.).

Ключевые слова: САМОНАГРЕВАНИЕ УГЛЯ, КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ВОЗГОРАНИЕ УГЛЯ, БЕСПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ (ТЛЕНИЕ), ПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЖАРА НА СТАДИИ

Постоянное углубление горных работ, повышение производительности очистных забоев за счёт внедрения дорогостоящих механизированных комплексов, преодоление газового барьера реализацией схем проветривания с отводом метановоздушной смеси и угольной пыли по выработанному пространству – факторы, которые обострили проблему защиты выемочных полей от эндогенных пожаров.

Особую значимость в комплексе профилактических мер, используемых в Кузбассе в последние годы, приобрело обнаружение признаков эндогенного пожара на ранней стадии его развития. Реализация этой меры позволяет локализовать и ликвидировать очаги с минимальными затратами сил и средств.

Для однозначного восприятия обозначенной в статье проблемы ниже приведены использованные в ней термины и определения.

Самонагревание угля – процесс повышения температуры очага в результате его окисления кислородом воздуха.

Критическая температура самонагревания угля (КТС) – предельное значение температуры в очаге, при достижении которой процесс самонагревания принимает необратимый характер и переходит в возгорание [1].

КТС не является константой и зависит как от вещественного состава угля, так и от условий формирования очага, которые определяются его формами и размерами, а также притоком воздуха и теплообменом с окружающей средой. По данным работы [2] она изменяется от 403 К для бурых до 453 К для каменных углей. При этом отмечается её ориентировочный характер, так как она получена разными методами. В инструкции [3] предельные значения критической температуры для каменных углей обозначены в пределах 363÷403 К без указания количественных регламентирующих критериев.

Самовозгорание угля – возгорание угля в результате его самонагревания. Схема развития процесса по [1] представлена на рисунке1.

Источником теплового импульса при самонагревании угля является химическая реакция окисления углерода с выделением 12,5 Дж тепла при присоединенным 1 мл. кислорода. Гетерогенная система «уголь - воздух» вначале имеет низкую температуру, и повышение её идёт медленно. Эту стадию процесса выделяют как стадию самонагревания.

Согласно [2] возгорание – это процесс перехода системы из низкотемпературного состояния в состояние горения, сопровождающееся по крайней мере одним из трёх факторов: пламенем, свечением, выделением дыма. Пламенное горение – это горение в газовой фазе с видимым излучением. Другим типом горения угля является тление – беспламенное горение с выделение дыма, света и тепла. Для стадии самовозгорания характерен резкий рост температуры.

Тление угля возможно при недостатке кислорода в зоне горения и при недостатке выделяющегося при тлении тепла. В первом случае в газовой фазе в зоне высоких температур не происходит образования горючей смеси из продуктов разложения и кислорода воздуха. Во втором случае температура горючей газовой смеси из продуктов термического разложения тлеющего угля и кислорода воздуха не достигает температуры самовоспламенения, и смесь рассеивается без горения.

Современная практика раннего - по времени и температуре - обнаружения эндогенных пожаров базируется на газовом и температурном контроле атмосферы в зонах потенциальных формирований скоплений угля и угольной пыли. В качестве наиболее информативных индикаторных газов при этом используются оксид углерода и водород. Повышение надёжности контроля по этим газам обусловлено инертностью при низких температурах, характерных для стадий самонагревания и возгорания угля, их низкой сорбцией разрыхлённым углем и породами в выработанном пространстве и слабой растворимостью в воде.

В связи с этим предварительные лабораторные исследования состава индикаторных газов, выделяющихся при нагревании угля, могут быть использованы для объективной классификации эндогенного пожара на ранней стадии с оценкой их температурных интервалов.

Температура тления твёрдых материалов, в том числе и угля, определяется путём термостатирования в реакционном сосуде при обдуве воздухом и визуальной оценке результатов испытаний (появление дыма, свечение). Изменяя температуру испытаний, находят её минимальное значение, при которой наблюдается тление. Метод реализуется по ГОСТ 12.1.044 – 89 (ИСО4589 - 89) при температурах 298÷873 К [4].

Стандартизированный метод не позволяет оценивать состав индикаторных газов при температуре тления угля [7] и, как следствие, в исследованиях была использована описанная в работе [5] аппаратура (рис.2.).

Условия проведения экспериментов сводились к следующему:
масса угля – 40 г;
фракция – (-3+1) мм;
расход воздуха – 0,5 л/мин;
скорость разогрева угля – 3-6 град/мин.

Температура появления характерного запаха оценивалась субъективно. Появление влаги и дыма фиксировалось визуально на фильтре 7. Свечение фиксировалось периодически поднятием реторты 5.

Обобщённые данные по температуре появления влаги, запаха, дыма, свечения (начала и конца) по восемнадцати экспериментам с углями марки Б, Д, Г, К, СС, Т приведены в таблице 1.

Согласно данным таблицы 1 минимальная температура тления исследованных образцов, зафиксированная по выделению дыма, составляет 493 К (220 0C). Свечение тлеющего угля происходит при более высокой температуре (2500C). Для сравнения: в работе [6] температура тления бурого угля указана в пределах 423÷523 К; для марки Т температура тления равна 573 К.

Полные результаты нагрева угля марки К приведены в таблице 2.

Характерный запах зафиксирован в анализируемом опыте при температуре 491 К, дым – при 535 К, появление свечения – при 555 К, окончание свечения – при 567 К. Средняя температура нагревания составила 3,4 градуса в минуту. Аномальные скорости разогрева навески угля приурочены к двум интервалам температур 342÷372 К и 482÷529 К.

Аномальные интервалы в таблице 2 тонированы. Превышение средней скорости нагрева в этих интервалах составило, соответственно, 2,9-2,8 раза.

Экспериментально проверено, что ДВ выходит на установившийся режим (2200-2240 м/с) на расстоянии около 2 м от верхнего торца трубы, скорость волны отличается от DCJ менее чем на 1 %.

Удельная скорость сорбции кислорода углем в первом интервале скачкообразно увеличилась в 11 раз с 0,00075 до 0,00825 мл/час. Содержание оксида углерода на исходящей струе при Т=342 К возросло в 6,2 раза с 0.0008% до 0,0050%.

При нагревании угля в пределах 372÷522 К удельная скорость сорбции увеличилась в 15,5 раз, при этом нарастания происходило равномерно. Резкое увеличение концентрации оксида углерода с 0,2% до 6,6%, наблюдалось в интервале температур (482÷529) К.

Результаты лабораторных исследований, частично приведенные в таблицах 1, 2, иллюстрируют стадийность возникновения и развития эндогенных пожаров. В частности признаки стадии самонагревания (табл. 2) могут быть обнаружены в интервале температур 342÷372 К по резкому увеличению скорости нагревания и содержания оксида углерода в атмосфере в районе формирования скопления угля.

Тление для марки угля К зафиксировано по выделению дыма при температуре 535 К. Этой стадии также присущи аномально высокие скорость нагревания и выделения индикаторных газов. При этом концентрации последних на два порядка превышают таковые для стадии самонагревания.

Такая ситуация не исключает ошибочной аттестации обстановки на контролируемом участке как «эндогенный пожар в стадии самонагревания» с температурой в очаге в пределах 363÷403 К при фактическом тлении угля при температуре, превышающей критическую температуру самонагревания более чем на 90 градусов.

Уголь в шахте находится в виде сплошного массива (целики угля), в виде пористого дисперсного слоя угольной пыли (аэрогеля) и в виде мелкодисперсной взвеси пыли в воздухе (аэрозоля). Горение аэрозоля происходит в глубине скопления в форме тления. При доступе воздуха, компенсирующем недостаток кислорода, ликвидируется первое условие беспламенного горения. Зона тления при этом перемещается к поверхностному слою. Возникает горение с образованием пламени [1]. Процесс может привести к взрыву горючих газов. Подобные условия создаются, например, при обрушении кровли, землетрясении, реверсировании воздуха и при взрывных работах.

Вывод. Существующий газоаналитический метод не позволяет однозначно классифицировать эндогенный пожар на стадии и определить температуру очага. При возникновении пожара в отработанной части пласта и невозможности контроля утечек воздуха, превышение фонового содержания оксида углерода водорода может фиксироваться уже на стадии тления со стабилизацией их процентного содержания на низком уровне. Необходимы дополнительные исследования по поиску показателей, позволяющих обнаруживать очаги с температурой не выше критической температуры самонагревания угля.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кольцов, К. С. Самовозгорание твердых веществ и материалов и его профилактика / К. С. Кольцов, Б. Г. Попов - М.: Изд-во Химия, 1978. - 138 с.
2. Веселовский, В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В. С. Веселовский, Н. Д. Алексеев, Л. П. Виноградова, Г. Л. Орлеанская, Е. А. Терпогосова – М.: Изд-во Наука, 1964. - С.122-127.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по определению инкубационного периода самовозгорания угля». Серия 05. Выпуск 38. - М.:ЗАО НТЦ ПБ, 2013. - 10 с.
4. ГОСТ 12.1.044 - 89 (ИСО 4589-84). Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения (утв. постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 12.12.89 №3683) (с изменениями и дополнениями с изменением №1, принятым в апреле 2000 г.) [официальное издание] - М.:ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ, 2001. - 4.9 Метод экспериментального определения температуры самовоспламенения твёрдых веществ и материалов.
5. Игишев, В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах / В. Г. Игишев - М.: Изд-во Недра, 1987. - С. 54 - 56.
6. Корольченко, А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник часть 2 / А. Я. Корольченко - М.: Ассоциация Пожнаука, 2000. - С. 563-564.
7. Ли Хи Ун. Разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках шахт / Ли Хи Ун.- Кемерово: ВостНИИ,2003 -234с.

FIRE INDICATOR GASES LIBERATION AT COAL OXIDATION AT THE STAGE OF SELF-HEATING AND FLAMELESS COMBUSTION

Igishev V. G., Shlapakov P. A., Haimin S. A., Sin S. A.

Liberation of indicator fire gases at coal brands B, D, G,K,SS, T heating is investigated. Abnormally high heating rates of coal samples in the temperature range: 342 ÷ 373 K and 428 ÷529 K are detected which is characteristic for self-heating and flameless combustion (smoldering) stages. It is shown that in the stage of smoldering carbon monoxide content in the oxidation products are more than 100 times greater than it is at the self-heating step. The conclusion is made about the possibility of exceeding the content of the tracer gas over the background one at the stage of smoldering, when the transition to the flame burning stage can be triggered by factors contributing to the lack of oxygen compensation (sudden roof fall, earthquake and so on).

Key words: COAL SELF-HEATING, CRITICAL TEMPERATURE, COAL COMBUSTION, FLAMELESS COMBUSTION (SMOLDERING), FLAME BURNING, STAGE FIRE CLASSIFICATION

Игишев Виктор Григорьевич,
e-mail: v.igishev@nc-vostnii.ru

Шлапаков Павел Александрович,
e-mail: shlapak1978@mail.ru

Хаймин Сергей Александрович,
e-mail: hsa007mail.ru

Син Сергей Александрович,
e-mail: s.o.n.i.k_2002@mail.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 4-2015.

Архив научных публикаций

В.С. Зыков
д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник АО «ВНИМИ» (Кемеровское представительство)

И.Л. Абрамов
канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории Института угля СО РАН

Предложено уточнение классификации динамических явлений в угольных шахтах. Введены названия и описания новых видов зарегистрированных при разработке угольных пластов явлений. Разграничены понятия «динамические явления» и «газодинамические явления».

Ключевые слова: ДИНАМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ, ВНЕЗАПНЫЙ ВЫБРОС УГЛЯ И ГАЗА, ГОРНЫЙ УДАР, КЛАССИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Для более правильной регистрации динамических явлений в угольных шахтах и выбора мероприятий по их предупреждению они должны быть точно классифицированы. Авторами статьи проанализированы существующие классификации явлений и даны предложения по их усовершенствованию [1, 2].

Во-первых, существуют три наименования техногенных динамичесих явлений в шахтах: динамичесие явления, геодинамичесие явления и газодинамичесие явления.

Согласно терминологическому словарю [3], динамическое явление – это «внезапно возникающее и протекающее с высокой скоростью движение угля, пород, газов или жидкостей вблизи выработок, сопровождающееся сильным динамическим эффектом. Д. я. являются результатом проявления горного давления и движения заключенных в породах газов и жидкостей. К Д. я. относятся горные удары, внезапные выбросы угля и газа, внезапные выбросы породы и газа, прорывы газа, воды, плывунов, внезапные обрушения, высыпания и отжим, стреляние пород».

Термин «геодинамические явления в шах- тах» расшифрован в «Российской угольной энциклопедии [4] как результат обмена энергией в блочном массиве горных пород, деформирующемся (разрушающемся) в условиях существующего или возникающего предельно напряженного состояния. При этом отмечается, что он объединяет группу динамических и газодинамических явлений, физическая природа которых основана на хрупком разрушении угольных пластов и боковых пород силами горного и газового давления в процессе ведения горных работ, а также выбросы газа в горную выработку.

Отличие указанной в [4] группы «геодинамические явления» от группы «динамические явления» состоит лишь в том, что она не включает прорывы воды, плывунов, глины и пульпы. Но данные явления вполне подходят под приведенное выше определение «геодинамические явления», так как тоже представляют собой результат обмена энергией в блочном массиве горных пород. Исходя из этого, предлагается использовать термин «динамические явления в шахтах», поскольку его расшифровка в терминологическом словаре [3] объединяет все рассматриваемые в настоящей работе виды явлений.

Рабочей группой по углю Европейской экономической комиссии ООН при активном участии российских ученых разработана международная классификация «Геодинамические явления в шахтах». Она представлена в энциклопедии [4]. Классификация включает 4 класса явлений:

1. Горные удары, обусловленные энергией напряженных угля и пород: горные удары, толчки, выдавливания угля, стреляния, горные удары с разрушением вмещающих пород.

2. Выбросы газа, обусловленные энергией газа: суфляры, выбросы (прорывы) газа, в том числе из зон тектонических нарушений.

3. Выбросы угля (породы) и газа, обусловленные энергией напряженных угля и пород и газа: выбросы угля и газа, выбросы породы и газа; выбросы с разрушением вмещающих пород; обрушения, высыпания угля с газовыделением.

4. Горно-тектонические явления, обусловленные энергией напряженных угля и пород и газа и энергией сейсмических волн: сотрясения (толчки) в массиве, горно-тектонические удары, горно-тектонические выбросы.

В соответствии с вышеизложенным предлагается классификацию назвать «Динамические явления в шахтах».

Термин «динамические явления в шахтах», в частности, был выбран и основоположником энергетической теории внезапных выбросов угля и газа Ходотом В. В. еще в 1961 г. [6]. В указанной работе он определяет «динамическое явление в каменноугольной шахте» как «внезапное сдвижение или выброс угля или породы и заключенных в них жидкостей и газов, протекающие со значительным силовым (динамическим) эффектом». Формулировка В. В. Ходота отличается универсальностью и предельной точностью и, на наш взгляд, должна оставаться в основе классификации явлений.

Следует отметить, что некоторые происходящие на шахтах России динамические явления не совсем укладываются в данную классификацию. Например, в класс горные удары включены выдавливания угля. Они имеют место при хрупком разрушении вблизи кромки пласта, которые можно назвать слабыми горными ударами. После них не отмечается таких масштабных последствий, как при мощных явлениях, называемых горными ударами. Отсутствует выраженная полость в разрушенном массиве, нет отброса угля в виде крупных глыб и кусков от массива. Выдвижение угля происходит без видимого разрушения. Предупредительные признаки перед данными явлениями отсутствуют. Они происходят на тех же пластах, что и горные удары, то есть сложенных крепким однородным углем, с боковыми породами высокой прочности, в зонах повышенного горного давления, сформировавшихся вследствие влияния оставленных на данном или соседних пластах целиков угля или влияния близко расположенных геологических нарушений разрывного типа.

Однако в классификации не указаны геодинамические явления, называемые внезапными выдавливаниями или отжимами угля с повышенным газовыделением. Согласно современным представлениям, их природа точно такая же, как и у внезапных выбросов угля и газа. Но из-за недостатка потенциальной энергии, обусловленной газовым фактором, в этих явлениях остаются нереализованными стадии протекания явления, следующие за второй стадией, представляющей собой смещение слоя угля в выработку вблизи плоскости обнажения в окрестности забоя под действием активной силы, обусловленной силами газового давления на стенки пор и трещин при резких изменениях напряженно-деформированного состояния призабойной части пласта вследствие выемки угля в забое или исчерпания несущей способности прочного участка угля в форме хрупкого разрушения, или динамической нагрузки на пласт со стороны вмещающих пород (рис. 1).

От выдавливаний угля, отнесенных к классу «горные удары», они отличаются следующим. В процессе данных явлений выделяется большое количество свободного газа с высокой интенсивностью газовыделения, поскольку они происходят на высокогазоносных пластах под воздействием сил давления свободного газа. По характеру газовыделение бывает близким к газовыделению при внезапном выбросе. В выработке создается опасная метановая атмосфера. Часто между кровлей и пластом образуется щель, заполненная тонкоизмельченным углем. Иногда образуется в массиве полость глубиной меньше ширины. Явления происходят при наличии слабого тектонически нарушенного угля в угольном пласте. Им предшествуют предупредительные признаки.

В международную классификацию должна быть внесена соответствующая поправка, и эти явления, несомненно, должны быть включены в класс «выбросы угля (породы) и газа». Чтобы их не путать с выдавливаниями из класса «горные удары», предлагается использовать для них второе их название – «отжимы угля с повышенным газовыделением».

Дополнительно к двум названным выше терминам в настоящее время используется еще термин «газодинамические явления в шахтах».

Согласно [3] они расшифровываются следующим образом: «Газодинамические явления – разрушения массива горных пород под влиянием горного давления, сопровождающиеся кратковременным выделением газа (метана, углекислого газа). В случае внезапного выброса угля и газа движущей силой может явиться упругая энергия газа». Такая формулировка практически уравнивает газодинамические явления с названными в международной классификации геодинамическими явлениями, поскольку любое разрушение газоносных угольных пластов, а тем более динамическое явление приводит к высокому газовыделению из угольных пластов. Действительно, в действующих «Методических указаниях по классификации газодинамических явлений на угольных шахтах» [5] к газодинамическим отнесены следующие явления: суфляры; внезапные прорывы газа из зоны геологического нарушения; внезапные разрушения пород почвы с выносом метана и угля; внезапные выбросы угля и газа; внезапные выбросы породы и газа; внезапные обрушения (высыпания) угля с повышенным газовыделением; внезапные выдавливания (отжимы) угля с повышенным газовыделением; горные удары; толчки; стреляния; горно-тектонические удары; горные удары с разрушением пород почвы (кровли) выработки.

Классификация газодинамических явлений в шахтах, если не принимать во внимание незначительные отличия в названиях одних и тех же явлений, практически повторяет международную классификацию геодинамических явлений в шахтах. Создается впечатление, что нет необходимости в существовании отдельной классификации газодинамических явлений. Но это не так. В этой связи следует вспомнить классификацию динамических явлений, предложенную Ходотом В. В. [6].

Им в общем перечне явлений выделены три категории:

1. Явления, происходящие в результате совместного проявления давления горных пород и заключенного в угле газа – внезапные выбросы угля и газа.

2. Явления, возбуждаемые только давлением горных пород: горные удары, внезапные обрушения, воздушные удары, внезапные высыпания, внезапные отжимы, раздавливания угля, стреляния угля и горных пород.

3. Явления, возбуждаемые только давлением газов, жидкостей или плывучих пород: прорывы газа через горные породы, суфляры, прорывы воды, плывунов, заиловочной массы (пульпы) и глины.

Таким образом, условием отнесения динамических явлений к первой категории является участие газа совместно с горным давлением в разрушении угольного массива, а не пассивное его выделение из предварительно разрушенного другими силами угля. Из этого следует, что данная категория представляет собой именно газодинамические явления. Строго следуя сделанному определению, Ходот В. В. отнес к первой категории динамических явлений, т. е. к газодинамическим явлениям, лишь один их вид – внезапные выбросы угля и газа, поскольку механизм некоторых других явлений, которые могут быть отнесены к этой же категории, был тогда еще неясен. Но и сейчас первыми в данной категории должны быть названы эти же явления, поскольку в их развязывании и протекании гармонично сочетаются как горное давление, так и работа газа. Согласно [6], главным и необходимым условием возбуждения внезапного выброса является выполнение неравенства

При этом потенциальная энергия угля включает и энергию заключенного в угле газа, которая в процессе явления перейдет в кинетическую энергию. Таким образом, газ является важным фактором в условии развязывания внезапного выброса уже в его подготовительной стадии. На этой стадии идет насыщение массива «газодинамической энергией» за счет того, что увеличиваются активные силы в растущих в зоне влияния призабойной части выработки квазипараллельных плоскостям обнажения системах трещин [7]. Соответственно, в каждой системе трещин возрастает отношение активной силы, стремящейся сдвинуть слой угля между трещинами и плоскостью забоя, к препятствующей этому пассивной силе.

Важнейшую роль играет газовый фактор и на второй стадии внезапного выброса угля и газа. При перемещении плоскости обнажения в процессе выемки угля расстояние до зоны концентрации напряжений остается еще значительным. Однако в этом случае большего развития достигают системы квазипараллельных плоскости забоя трещин, и активных сил внезапного выброса бывает достаточно для осуществления второй стадии явления – разрушения слоя угля между наиболее активной системой трещин и плоскостью обнажения даже без предварительного хрупкого разрушения его под влиянием высоких напряжений. Условие разрушения на каком-либо расстоянии х от забоя вглубь массива в упрощенном виде может быть записано в следующем виде:

Выше отмечалось, что, если внезапный выброс угля и газа останавливается на второй стадии, то он относится к внезапным отжимам угля с повышенным газовыделением. Если же энергии угольного массива достаточно для перехода явления в третью стадию, то на этой стадии газ играет самую важную роль. Вблизи новой возникшей на второй стадии явления поверхности обнажения интенсивно образуются новые квазипараллельные ей системы трещин, и в них сразу же создается высокое давление газа за счет быстрого притока десорбируемого из массива газа. В трещинах возникают высокие активные силы за счет давления газа на стенки трещин. Этими силами разрушаются и выбрасываются в пространство выработки перемычки между плоскостью обнажения массива и трещинами. Выброшенные слои угля вследствие неустойчивой их формы распадаются на отдельные блоки и куски.

И здесь же стартует следующая, четвертая, стадия явления. Она представляет собой дальнейшее разрушение блоков и кусков угля, содержащих внутри газ под высоким давлением, до мелких фракций и даже тонкоизмельченной пыли («бешеной муки») вследствие их попадания в атмосферу горной выработки с низким давлением. Таким образом, на этой стадии также важнейшую роль в продолжении процесса явления играет газ.

В пятой, предпоследней стадии внезапного выброса, предшествующей стадии торможения явления, газ продолжает играть важнейшую роль. За счет энергии его перемещения из полости внезапного выброса в горную выработку образующаяся при динамическом разрушении угля газоугольная смесь разносится по выработке.

Работа газа хорошо прослеживается при рассмотрении последствий разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа. Это, в первую очередь, образование уходящей из призабойной части выработки вглубь массива специфичной полости, суженной в непосредственной близости к забою, расширяющейся вглубь массива и уменьшающейся в поперечнике при приближении к ее удаленной границе (рис. 2). Вторым характерным и обязательным признаком внезапного выброса является наличие выброшенного газом в горную выработку угля, расположенного под углом меньше угла естественного откоса. Так, после показанного на рисунке 1 выброса уголь располагался, начиная с удаления 2,5 м от забоя, под углом, близким к 0º. Сверху на выброшенном угле и крепле- нии горной выработки часто присутствует слой тонкоизмельченной угольной пыли – «бешеной муки», которая образуется на четвертой стадии явления при дроблении кусков угля газом на мелкие фракции.

В то же время, несмотря на такое активное участие газа во внезапном выбросе, очень важной остается роль горного давления, особенно на подготовительной стадии явления, а также в процессах формирования квазипараллельных забою систем трещин и послойного отделения угля от массива.

Важную роль газ играет и в возбуждении и протекании процесса внезапного выброса породы и газа, но при объяснении рядом исследователей механизма данного явления большее значение придается влиянию перепада напряжений в процессе выемки породы, осуществляемой, как правило, взрывным способом, на развязывание данного явления.

Газовый фактор, как следует из вышеизложенного, является одним из определяющих и при возникновении внезапных отжимов угля с повышенным газовыделением. Это хорошо видно из приведенной выше формулы (2).

приведенной выше формулы (2). К газодинамическим явлениям, несомненно, относятся внезапные выбросы газа с разрушением вмещающих пород (рис. 3). Они представляют собой быстропротекающие разрушения пород почвы или кровли выработки, сопровождающиеся динамическим эффектом и интенсивным выделением газа, порой с углем, водой. Образуются зияющие трещины, ориентированные под некоторым углом к напластованиию пород и, как правило, вдоль линии очистного забоя и продольной оси подготовительной выработки. Поднимаются породы почвы, резко повышается выделение газа в горную выработку, возможны повреждения крепи и оборудования. Прорывы газа происходят на значительных глубинах ведения горных работ, как правило, более 300 м при наличии ниже- или вышележащих газоносных пластов на расстояниях не более 100 м при их подработке и 60 м при надработке [8, 9].

Внезапные выбросы газа с разрушением вмещающих пород являются результатом сопутствующего отрицательного эффекта под- и надработки выбросоопасных зон угольных пластов. За счет упругого восстановления ранее сжатого угольного пласта его газопроницаемость и газоотдача значительно возрастают, и создаются условия для накопления больших объемов свободного метана под давлением в щелевых полостях-коллекторах в виде трещин расслоения по контакту угольного пласта с породами междупластья или внутри пласта между пачками тектонически нарушенного и прочного угля.

Согласно [10], условием расслоения массива в надработанной толще является:

Реализуются газопроявления в период движения очистного забоя под- и над выбросоопасной зоной, как только появляются каналы (трещины) прорыва – сообщающиеся газонаполненные полости-коллекторы с выработанным пространством разрабатываемого пласта.

Возникновение и протекание этих явлений определяется энергией свободного газа, заключенного в расслоениях между пачками соседних пластов и пропластков, и участием горного давления в формировании трещин расслоения пластов (пропластков) угля и горных пород.

При проведении расследований динамических явлений на шахтах выделяется еще один их вид – внезапные выбросы газа из тектонически нарушенной угольной пачки за контуром выработки, которые также следует считать газодинамическими явлениями. Они имеют механизм, схожий с механизмом выбросов из вмещающих пород, однако происходят в специфичных условиях – на мощных пластах при проведении выработки у кровли пласта и наличии в почве пласта за пределами сечения выработки пачки тектонически нарушенного угля. В данном случае разрушаются не вмещающие породы, а слой прочного угля между выработкой и находящейся в нижней части пласта пачкой с нарушенной структурой. Не исключено, что такие явления могут произойти и из нарушенной пачки, расположенной за ее контуром со стороны кровли выработки.

Авторами перечислены явления, которые могут быть отнесены к первой категории согласно рассмотренной выше классификации В. В. Ходота или к категории под названием «газодинамические явления».

В международной классификации данной категории соответствует класс явлений под названием «выбросы угля, пород и газа».

Однако в этом классе отсутствует последнее из перечисленных выше газодинамических явлений, которое нужно к ней присовокупить.

В то же время из данного класса следует исключить обрушения и высыпания угля с газовыделением (рис. 4). Эти явления происходят и на не газоносных пластах. Условие их развязывания в общей форме, согласно [11], можно записать в следующем виде:

Как следует из условия (4), газ активного участия в возникновении явления не принимает, поскольку возможность обрушения (высыпания) определяется гравитационными силами, прочностной характеристикой массива и углом β.

После обрушения (высыпания) с повышенным газовыделением в массиве горных пород или угля образуется полость куполообразной формы, а обрушившаяся (высыпавшаяся) масса располагается в виде конуса под углом естественного откоса к горизонтальной плоскости (рис. 4), что подтверждает отсутствие работы газа по разрушению массива и отбросу разрушенной массы.

Поэтому, по-нашему мнению, данные явления необоснованно отнесены в международной классификации к классу «выбросы угля, пород и газа».

Ходотом В. В. они тоже не отнесены к первой категории, соответствующей газодинамическим явлениям. Внезапные обрушения и высыпания определены им во вторую категорию, т. е. причислены к явлениям, возбуждаемым только давлением горных пород. Учитывая, что давление горных пород родственно связано с гравитационными силами, наше мнение об исключении этих явлений из числа газодинамических, т. е. из класса «внезапные выбросы угля, породы и газа», совпадает с его представлением о них. Предлагается поместить их в класс «горные удары» и назвать этот класс «горные удары и обрушения (высыпания)».

Для полной точности следует отметить, что в обрушениях (высыпаниях) определенное участие газа при обрушении (высыпании) угля из газоносного угольного пласта имеет место.Когда под действием гравитационных сил в на- висающей части угольного массива начинает увеличиваться зияние трещин, то в эти трещины десорбирует газ и снижает силы сцепления угля, способствуя его обрушению.

Отдельный вид динамических явлений представляют собой обрушения пород основной кровли после выхода очистного забоя из зоны ее первичного обрушения. Эти явления не описываются формулой (4), т. к. представляют собой обрушения зависшей консоли в точке ее защемления между вышележащими породами и угольным пластом вблизи забоя выработки. При этом на участках с труднообрушаемой кровлей фактический шаг ее посадки может сильно отличаться от расчетного и принимать характер неожиданного явления. Неожиданной может быть и первичная посадка кровли. При зависании кровли на значительной протяженности по ходу подвигания очистного забоя создаются негативные последствия двух видов.

Первое – это то, что повышается удароопасность забоя вследствие повышения концентрации напряжений в области влияния выработки на горный массив. При этом на глубинах от поверхности около 500 м начинают происходить не прогнозируемые горные удары и выдавливания, причиной которых, с нашей точки зрения, является неожиданная пригрузка на прилежащую к забою кромку угля из-за обрушений на консоль основной кровли блоков вышележащей породы. Примером могут быть такие явления в лаве № 33 по пласту XXVII шахта «Первомайская» [12]. Их неожиданное проявление привело к снижению в разы производительности лавы. Только разработка и применение специальных мероприятий с привлечением научных сил региона, постоянный их анализ и корректировка по результатам анализа протокольными решениями технических советов, проводимых с участием представителей научных организаций, и создание при компании специальной лаборатории по контролю за эффективностью мероприятий позволило повысить производительность очистного забоя до приемлемого с экономической точки зрения уровня.

Вторым негативным последствием является обрушение зависшей на значительной площади кровли, которое может привести и иногда приводило к резкому выхлопу газа из загазированного отработанного пространства в очистной забой и сопряженные с ним выработки, и повышению концентрации метана до уровня выше допустимого предела. Такие явления, несомненно, необходимо относить к динамическим. Предлагается назвать его «обрушения основной кровли в очистном забое с выбросом газа». Данные явления могут сбивать нормальное проветривание горных выработок и приводить к серьезным авариям. Необходимо осуществлять прогнозирование данных явлений и применение мероприятий по предупреждению их последствий.

Обрушения основной кровли в очистном забое с выбросом газа следует включить в международную классификацию динамических явлений в класс «горные удары и обрушения (высыпания)».

В то же время, по-нашему мнению, не следует «толчки» представлять в двух классах классификации. Достаточно указать эти явления в классе «горные удары», а в классе «горно-тектонические явления» ограничиться сотрясениями в массиве.

Для гармонизации в максимальной степени международной классификации с той, которая предложена В. В. Ходотом, следует в нее включить динамические явления, возбуждаемые давлением воды, плывунов пульпы и глины. Для этого следует добавить еще один класс явлений. Этот класс явлений может быть назван «прорывы воды и водонасыщенных пород».

В результате представленного анализа сформирована представленная ниже классификация «динамические явления в шахтах».

Динамические явления в угольных шахтах

Многолетний опыт показал, что классификация динамических явлений не может быть догматом. Так, в классификации Ходота В. В. отсутствовали внезапные выбросы породы и газа, внезапные прорывы газа из нарушенных пачек угля за контуром выработки, стреляния, толчки, выдавливания угля с повышенным газовыделением, прорывы газа из зон тектонических нарушений, все виды горно-тектонических явлений, поскольку эти явления на то время не происходили или не были актуальны. Предложенная классификация может совершенствоваться по мере появления новых явлений и изменения представлений об уже включенных в классификацию явлениях.

Кроме того, существует проблема в том, чтобы однозначно определить вид динамического явления. Поэтому, во-первых, методики отнесения явлений к какому-либо их виду должны включать все возможные их отличительные признаки, позволяющие разграничить данные явления. Во-вторых, нами предлагается при расследовании явлений не только ориентироваться на последствия явлений, но и, при возникновении трудностей с определением типа явлений, исследовать все физико-химические свойства угольного массива в той точке, где произошло явление. Это позволит, используя современные представления о формировании, возникновении и протекании явлений, облегчить их идентификацию, а, значит, принять правильные решения по их предупреждению при дальнейшем ведении горных работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зыков, В. С. Динамические явления в угольных шахтах и их классификация / В. С. Зыков, И. Л. Абрамов // Маркшейдерия и недропользование. – 2012. – № 4. – C. 56-60.
2. Совершенствование классификации динамических явлений в шахтах // Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности. Сборник трудов XIV Международной научно-практической конференции. – Кемерово: Кузбасская выставочная компания «ЭкспоСибирь, 2012. – С. 23-29.
3. Горное дело: Терминологический словарь. 4-е изд, перераб. и доп. / Г. Д. Лидин, Л. Д. Воронина, Д. Ф. Каплунов и др. –– М.: Недра, 1990. – 694 с.
4. Российская угольная энциклопедия. Т. 1 – М.-СПб: ВСЕГЕИ, 2004. – 649 с.
5. Методические указания по классификации газодинамических явлений на угольных шахтах / А. И. Бобров, Л. А. Вайнштейн, М. А. Ильяшов и др. / МакНИИ /; И. М.Петухов, В. П. Кузнецов / ВНИМИ /; И. В. Сергеев, О. И. Хмара / ИГД им. А. А. Скочинского /, В. И. Мурашев, В. С. Зыков / ВостНИИ/; В. Е. Зайденварг, А. М. Обрезан /Минуглепром СССР /; В. Я. Привыко Госгортехнадзор РСФСР /; С. П. Ткачук / Укркомгосгортехнадзор УССР / – Донецк: ЦБНТИ Минуглепрома СССР, 1991. – 18 c.
6. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля и газа/ В. В. Ходот – М.: Госгортехиздат, 1961. – 363 с.
7. Зыков, В. С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах / Зыков, В. С – Кемерово: Фирма ПОЛИГРАФ. – 334 с.
8. Исследование внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана из вмещающего углепородного массива: Отчет о НИР / ВостНИИ: Исп. В. С. Зыков, В. А. Рудаков, П. В. Потапов и др. – Кемерово, 1988. – 99 с.
9. Зыков, В. С. Руководство по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана / В. С Зыков, Г. Г. Стекольщиков, В. Н. Пузырев [и др.] – НЦ ВостНИИ – Кемерово, 2000. – 36 с.
10. Малышев, Ю. Н. Техногенная геодинамика. Книга 1: Аналитический обзор. Актуальные проблемы./ Ю. Н. Малышев, О. И. Сагалович, А. В. Лисуренко – М.: Недра, 1995. – 430 с.
11. Большинский, М.И. Газодинамические явления в шахтах / М. И. Большинский, Б. А. Лысиков, А. А. Каплюхин – Севастополь: Вебер, 2003. – 284 с.
12. Зыков, В. С. Научные проблемы борьбы с газодинамическими проявлениями в угольных шахтах Кузбасса / В. С. Зыков // Маркшейдерия и недропользование. – 2011. – № 3. –С. 57-59.

DYNAMIC PHENOMENA CLASSIFICATION SPECIFICATION AT COAL MINES

Zykov V.S., Abramov I.L.

Dynamic phenomena classification specification at coal mines are suggested. The names and descriptions of new types of phenomena registered at coal seams development are introduced. The notions of “dynamic phenomena” and “gasdynamic phenomena” are differentiated.

Key words: DYNAMIC PHENOMENA, GASDYNAMIC PHENOMENA, GAS AND COAL OUTBURST, MINE SHOCK, CLASSIFICATION OF DYNEMIC PHENOMENA AT COAL MINES

<

Зыков Виктор Семенович
e-mail: zykovvs@icc.kemsc.ru

Абрамов Игорь Леонидович
e-mail: аbramov@iuu.kemsc.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 3-2015.

С.В. Шатиров
канд. техн. наук, зам. председателя Комитета Совета Федерации по промышленной политике Федерального Собрания РФ

В.В. Азатян
д-р хим. наук, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий лабораторией ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

В.А. Петухов
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Ли Хи Ун
д-р техн. наук, профессор, ученый секретарь АО «НЦ ВостНИИ»

Ю.М. Филатов
канд. техн. наук, первый заместитель генерального директора АО «НЦ ВостНИИ»

Исследован механизм действия присадок на возгорание метановоздушных смесей при различных параметрах проведения исследований. В результате испытаний установлен цепной характер воспламенения и горения метана, сужение концентрационных пределов путем ингибирования.

Ключевые слова: ВЗРЫВНАЯ КАМЕРА, РЕАКЦИОННАЯ СМЕСЬ, ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ГАЗОВ СМЕСИ, ИНГИБИТОРЫ.

На основании договора №2221-14 от 27.06.2014 между АО «НЦ ВостНИИ» и ОИВТ РАН в рамках научно-технического сотрудничества проведена работа «Изучение воздействия ингибитора на воспламенение метано-воздушных смесей»

Исследования были проведены с использованием различных методик. Для исследования механизма действия присадок реакцию проводили в замкнутом стальном цилиндрическом реакторе диаметром 12,6 см и высотой 25,2 см. Чистота углеводорода составляла 99%. Рабочие смеси составляли в самом реакторе по парциальным давлениям компонентов. Относительная погрешность концентраций газов не превышала 1%. Начальные давление и температура смесей были равны 1,0 бар 293 °К соответственно. Зажигание производили искрой между электродами, вмонтированными у нижнего конца. Энергия инициирующего импульса составляла 3,6 Дж, что превышает минимально необходимую величину. С момента инициирования горения и до его завершения синхронно регистрировались давление реакционной смеси и хемилюминесценция. Сигнал пьезоэлектрического датчика давления проходил через усилитель и регистрировался на запоминающем двулучевом осциллографе С9–8 со временем дискретизации 2 мкс. Тактовая частота датчика давления составляла 300 кГц. Хемилюминесценция пламени в диапазоне длин волн 300–600 нм также регистрировалась на осциллографе с использованием фотодатчика. По завершении реакции измерялось остаточное давление смеси. После каждого опыта реактор откачивали до 2 Па. Воспламенение регистрировали по появлению пиков на осциллограммах давления и хемилюминесценции. После завершения реакции наблюдалось уменьшение давления, вызванное конденсацией паров воды.

Горение сопровождается значительным промежуточным повышением давления, что является результатом роста температуры газовой смеси. Этот рост температуры вызван превышением скорости тепловыделения, сопровождающего реакцию горения, над скоростью теплоотвода из реактора. Очевидно, что в зоне продвигающегося пламени, в которой и происходит тепловыделение, температура выше, чем в еще не сгоревшем газе. Соответственно, рост давления (ΔP) характеризует среднее по объему реактора повышение температуры (и усредненную температуру).

Таким образом, величина ΔP и скорость ее роста показывают интенсивность тепловыделения и, соответственно, интенсивность реакции горения. Этим и обусловлен одинаковый характер изменения интенсивности хемилюминесценции и давления во времени. Продолжительность уменьшения интенсивности хемилюминесценции после достижения максимума в значительной мере определяется длительностью свечения образующихся в пламени молекул воды и диоксида углерода. Кинетика же падения давления во многом определяется временем остывания газа после горения.

Были проведены эксперименты по ингибированию метано-воздушных смесей во взрывной камере 13Я3 с внутренним диаметром 12 м (рис. 1). Метано-воздушная смесь находилась внутри резиновой оболочки, помещенной во взрывную камеру. Схема проведения эксперимента показана на рисунке 2.

Резиновый шар с горючей смесью находится в центре сферической камеры. В горловину шара вставлена металлическая пробка, через которую в шар подается газовая смесь (воздух+метан+ингибитор) и вводится высоковольтный кабель для подрыва газовой смеси. Внутри резинового шара кабель находится в металлической трубке и подсоединен к разряднику с медными электродами, образующими зазор 0,7 мм, который расположен на конце металлической трубки. Другие концы кабеля подсоединяются к высоковольтному источнику импульсного напряжения, который обеспечивает получение на разряднике искры с энергией 1.8, 2.7 и 3.6 Дж.

Газовая смесь подавалась в резиновый шар по схеме, показанной на рисунке 3. Метан и хладон поступали в смеситель 1. Количество метана определялось по уменьшению давления в баллоне, измеряемому образцовым манометром, и известному объему баллона. Вводились поправки на изменение температуры газа в результате дросселирования. Количество хладона определялось с помощью весов ПВМ-3/150 с точностью ±50 г. Из смесителя 1 метан и хладон поступали в смеситель 2, куда с помощью компрессора подавался воздух. Количество воздуха измерялось расходомером PROWIRL 72F 15 c точностью ±1.5%. Из смесителя 2 смесь метана, хладона и воздуха поступала в термостат, где она стабилизировалась до температуры окружающей среды, и далее во взрывную камеру 13Я3 и резиновый шар.

Результаты и анализ.

Поскольку рост давления а, значит, и температуры, является показателем интенсивности горения, то кинетические кривые давления являются показателем развития процесса во времени. Отражением развития процесса во времени являются также кинетические кривые хемилюминесценции.

Цепной характер воспламенения и горения метана. Из наклонов кинетических кривых хемилюминесценции и давления на рисунке 4 видно, что максимальная скорость роста интенсивности свечения достигается раньше максимальной скорости роста давления. Из рисунка 4 следует также, что относительный рост интенсивности хемилюминесценции, т.е. величина (ΔI/ Imax), сопровождающей воспламенение, с самого начала горения опережает относительный рост давления (ΔP/Pmax). Это значит, что цепная лавина опережает рост температуры, т.е. ускорение свечения опережает ускорение саморазогрева и, значит, воспламенение метана при атмосферном давлении начинается цепным, а не тепловым путем. Саморазогрев и его роль становятся существенными в резвившимся цепном горении и усиливают цепную лавину. Это значит, что критические условия воспламенения метана определяются конкуренцией разветвления и обрыва реакционных цепей.

Заметим, что опережение свечения тепловыделению наблюдаются также при воспламенении водородно-воздушных смесей [1,2].

Поскольку ламинарное распространение пламени представляет собой послойное воспламенение, то разветвленно-цепной характер реакции определяет также закономерности распространения пламени и, в том числе, зависимость от наличия ингибиторов. Действительно, как это видно из рисунка 5, присадки трифторметана сокращают концентрационную область воспламенения и горения метано-воздушных смесей намного эффективнее, чем добавки инертного газа азота. Специальными опытами было показано, что в условиях данного эксперимента трифторметан не горит. Наблюдаемое подавление воспламенения невозможно объяснить большей теплоемкостью трифторметана, поскольку, например, у верхнего предела распространения пламени его концентрация в несколько раз меньше концентрации метана и теплоемкости СН₄ и CF₃H различаются не сильно.

Очевидно, что если бы молекулы метана и кислорода реагировали между собой с наблюдаемой скоростью горения, то добавка, например 3% CF₃H сказалась бы также, как и добавка 3% азота, т.е. верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) снизился бы всего на 1%. Концентрационный предел (КП) снижается в четыре раза (рис.5). Также сильно различаются минимальные концентрации N₂ и CF₃H, необходимые для предотвращения воспламенения и горения метано-воздушных смесей любого состава (абсциссы мысов полуостровов на рисунке 5). Поэтому, очевидно, что наблюдаемое ингибирование вызвано тем, что горение метана реализуется при участии активных промежуточных частиц, которые перехватываются трифторметаном с образованием Н₂ и малоактивного радикала CF₃:

Н +СF₃H = H₂ + CF₃

Полученные данные показывают, что горение метана протекает по разветвленно-цепному механизму, а присадки CF₃H обрывают реакционные цепи. В отличие от модели одностадийной реакции, разветвленно-цепной характер процес- са, протекающего с участием размножающихся высоко активных промежуточных частиц, обеспечивает большие скорости горения метана, наблюдаемые, несмотря на большую прочность исходных молекулярных реагентов.

Сужение концентрационных пределов путем ингибирования.

Измерения показали, что введение в метано-воздушные смеси присадок, содержащих более 5% CF₃H с 13% CF₄, предотвращает воспламенение и горение любых метано-воздушных смесей при попытках их инициирования. После запуска искры в таких смесях не регистрируются ни изменение давления, ни хемилюминесценция. Не наблюдается также изменение давления смеси после опыта. Результаты ряда экспериментов представлены на рисунке 6.

Четырехфтористый углерод сужает концентрационный предел распространения пламени (КПРП) сильнее. Однако влияние CF₄ невозможно отнести к ингибированию. Действительно, на рисунке 5 видно, что воздействие CF₃H на концентрационные пределы значительно сильнее чем влияние CF4, несмотря на то, что теплоемкость CF₃H несколько меньше. Кроме того, как видно из рисунка 4, различие воздействия CF₃H от влияния N₂ и CF₄ значительно больше, чем различие влияния последних между собой. Это проявляется и при сравнении кинетических кривых давления. Более сильное же влияние CF₄ по сравнению с влиянием азота вызвано большей теплоемкости тетрафторметана.

Тот факт, что CF₄ не ингибирует, означает, что C–F связь не участвует в ингибировании. Поэтому, наблюдаемое подавление горения присадками CF₃H, обусловлено реакцией С–Н связи этих молекул c активной промежуточной частицей:

Н + CF₃H = Н₂ + CF₃, (1)

В этих реакциях атомарный водород заменяется фторалкильными радикалами, которые значительно меньше способны к участию в развитии реакционных цепей.

Эксперименты показывают, что путем ва- рьирования концентрации и состава присадки можно управлять также интенсивностью горения (рисунки 6, 7).

Поскольку скорость цепного процесса экспоненциально зависит от концентраций реагентов, то добавки CF₄, разбавляя смесь, в значительной мере уменьшают скорость реакции и саморазогрев, способствуя превышению скорости обрыва цепей над скоростью разветвления. Это приводит к наблюдаемому ингибированию воспламенения и горения.

Предложенный ингибитор прошел успешные испытания межведомственной комиссии в Москве и в испытательном штреке АО «НЦ ВостНИИ» г. Кемерово.

Опыты по ингибированию метано-воздушных смесей проводились для смесей с различным содержанием метана, но основное внимание было уделено смеси с содержанием метана 8.5 % (об.), имеющей наименьшую энергию воспламенения, и стехиометрической смеси с содержанием метана 9.5% (об.). Инициирование смесей осуществлялось искрой с энергией 3.6 Дж. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Первый опыт был осуществлен в шаре объемом 7 м³. Состав смеси: метан – 7.5 % (об.), ингибитор (хладон 23) – 9.0 % (об.), воздух – 83.5 % (об.). После инициирования смесь загорелась (рисунок 8).

В следующем опыте объем был увеличен до 30 м³, а содержание метана увеличено до 8.0 % (об.). Содержание ингибитора осталось прежним. Смесь также воспламенилась. Затем содержание метана в смеси было увеличено до 8.5 % (об.), а ингибитора – до 9.5 % (об.). Смесь опять воспламенилась (рис. 9).

Чтобы определить, при каком содержании ингибитора смесь с 8.5 % (об.) метана, имеющая наименьшую энергию воспламенения, не воспламеняется, был проведен следующий опыт. Первоначально резиновый шар объемом 6 м3 наполнялся смесью, содержащей 8.5 % (об.) метана, 14 % (об.) хладона 23 и 77.5 % (об.) воздуха. Эта смесь не воспламенялась. Затем в шар добавили метан и воздух в таком количестве, чтобы смесь имела состав: 8.5 % (об.) метана, 13 % (об.) хладона 23 и 78.5 % (об.) воздуха. Эта смесь также не загорелась. Затем в резиновый шар добавили еще метан и воздух, чтобы смесь имела состав: 8.5 % (об.) метана, 12 % (об.) хладона 23 и 79.5 % (об.) воздуха. Объем смеси при этом стал равен 7 м³. Горения опять не было. На следующем этапе после добавления метана и воздуха смесь имела состав: 8.5 % (об.) метана, 11 % (об.) хладона 23 и 80.5 % (об.) воздуха. Эта смесь загорелась (рис. 10). Данный опыт показал, что 12 % (об.) хладона 23 ингибируют метано-воздушную смесь с содержанием 8.5 % (об.) метана.

Были проведены также опыты с ингибированием стехиометрической метано-воздушной смеси, т.е. содержащей 9.5 % (об.) метана (опыты 5-7). Во всех этих опытах содержание хладона 23 было равно 12 % (об.), а объем смеси менялся от 20 до 43.1 м³. Смесь в этих опытах при инициировании искрой с энергий 3.6 Дж не загорелась.

Был проведен опыт с промежуточным между 8.5 и 9.5 % (об.) содержанием метана, равным 9 % (об.) (опыт 8) и содержанием хладона 23 12 % (об.). Эта смесь также не горела.

Был проведен демонстрационный опыт, когда внутри взрывной камеры 13Я3 были наду- ты два шара – один шар объемом 25 м³ содер- жал смесь с составом 9.5 % (об.) метана, 12 % (об.) хладона 23 и 78.5 % (об.) воздуха, а другой шар (объемом 7 м³) содержал смесь 9.5 % (об.) метана с 90.5 % (об.) воздуха, т.е. без ингибито- ра. При инициировании первого шара горения не наблюдалось. Второй шар после инициирования загорелся весьма интенсивно, прожог оболочку первого шара, смесь в котором перемешалась с воздухом, и он также загорелся, но горение было медленным (рис. 11).

Предложенный ингибитор входит в перечень газов, рекомендованных к применению на территории РФ по СП5.13130.2009 «Свод правил. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования» и Нормам пожарной безопасности НПБ 88-2001. В перечень вредных веществ по ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» хладон 23 (трифторметан) не входит. По литературным данным [1-4] хладон 23 является безопасным для людей газом. Предельная допустимая концентрация (50 %) более чем в 3 раза превышает огнетушащую концентрацию (14.6 %). При этом остаточная концентрация кислорода составляет 17-18 %, что обеспечивает свободное дыхание человека.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На базе экспериментальных данных на примере ингибирования горения смесей метана с воздухом, продемонстрирована невозможность возгорания горючих газовых смесей без реализации цепной лавины при инициировании искрой.

Показано, что воздействие ингибитора (хладона 23), предотвращающее возгорание, состоит в блокировании цепного пути реакции.

На этом эффекте основан предложенный авторским коллективом метод предотвращения возгорания смесей метана и воздуха в условиях, непосредственно относящихся к запросам практики: в метано-воздушных смесях, образующихся в шахтах.

Определены минимальные концентрации ингибитора, при которых предотвращается возгорание метано-воздушной смеси с содержанием метана 8.5% (об.), имеющей минимальную энергию воспламенения, и стехиометрической смеси с содержанием метана 9.5 % (об.) в различных объемах, в том числе 30, 36 и 43 м³.

Показано, что при использовании явления синергизма, т.е. не аддитивного усиления совместного влияния присадок, можно значительно уменьшить количество ингибитора, необходимого для предотвращения возгорания метано-воздушных смесей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Азатян, В. В. Журнал физической химии / В.В. Азатян - 2011. - Т. 85. - № 8. - С. 1405.
2. Azatyan, V.V. Combustion Wave Propagation in H2–O2 Mixtures / V.V. Azatyan, Z.S. Andrianovа, A.N. Ivanova, A.A Karnaukh // Basic Principals and Some Kinetic Aspects. Proceedings of European Seminar on Flame Structure. Lund (Sweden). - 2013. – P. 5 – 8.
3. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Франк-Каменецкий Д. А. - М.: Наука, 1987. - 491 с.
4. Химическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1988. – Т. 1. – С. 1164.
5. Мержанов, А. Г., Хайкин, Б. И. Теория волн горения в гомогенных среда / А. Г. Мержанов, Б. И. Хайкин - Черноголовка: Изд-во ОИХФ РАН, 1992. –160 с.
6. Бабкин, В. С. Фильтрационное горение газов: дис. д-ра физ.-мат. наук. М.: ИХФ РАН, 1993.

EXPERIMENTAL STUDY OF THE INHIBITOR EFFECT ON THE FLAMMABLE GAS MIXTURES IGNITION

Shatirov S.V., Azatian V.V., Petukhov V.A., Li Hi Un, Filatov Y.M.

Additives action mechanism at methaneair mixtures ignition at various parameters of the study is researched. The tests established the chain nature of methane ignition and combustion, concentration limits narrowing by inhibiting.

Key words: COMBUSTION CHAMBER, REACTION MIXTURE, HEAT EMISSION, MIXTURE GASES CONCENTRATION, INHIBITORS

Шатиров Сергей Владимирович

Азатян Вилен Вагаршович
e-mail: azatyan@ism.ac.ru

Петухов Вячеслав Александрович
e-mail: petukhov@ihed.ras.ru

Ли Хи Ун
e-mail: leeanatoly@mail.ru

Филатов Юрий Михайлович
e-mail: y.filatov@nc-vostnii.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 3-2015.

Трубицын А.А.
професор, доктор техн. наук, заместитель директора по научной работе ООО «ВостЭКО+»

В статье приведена концепция адаптивных технологий ингибирования метановоздушных смесей в угольных шахтах с целью предупреждения вспышек метана и развития взрывов, коротко очерчены технические решения по реализации данных технологий в очистных и проходческих забоях, в местах слоевых скоплений метана и выработанных пространствах угольных шахт.

Ключевые слова: ИНГИБИТОР, ИНГИБИРОВАНИЕ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ, ПНЕВМОГИДРООРОШЕНИЕ, МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИНГИБИРОВАНИЯ, КАПСУЛИРОВАНИЕ ИНГИБИТОРА, ЭНДОГЕННЫЕ ПОЖАРЫ.

В настоящее время в научном сообществе весьма интенсивно обсуждается возможность ингибирования метановоздушных смесей с помощью газов, т.к. актуальность профилактики возникновения вспышек метановоздушных смесей и эндогенных пожаров в угольных шахтах остается чрезвычайной. Регламентированные нормативными документами профилактические мероприятия для предотвращения этих опасных ситуаций в шахтах остаются крайне затратными, а эффективность результата их использования, как правило, не достаточно высока.

Если рассматривать данное направление в качестве мероприятия предупреждения аварийных ситуаций, то необходимо искать решения в области адаптивной комплексной технологии, которая бы обеспечивала нейтрализацию метана во всех возможных местах его скопления. Анализ аварийных ситуаций, связанных со вспышками метана на угольных шахтах показал, что максимальную опасность с точки зрения возникновения этого явления представляют выработанные пространства очистных забоев как очаги эндогенной пожароопасности, призабойная зона проходческих и очистных забоев, кутковые, плохо проветриваемые участки горных выработок. Исходя из этого можно утверждать, что для предупреждения вспышек метана необходимо разработать следующие элементы комплексной технологии:

1. Технологические схемы и автоматизированные системы орошения и ингибирования при работе очистных и проходческих комбайнов;

2. Системы стационарного и мобильного ингибирования застойных и кутковых зон горных выработок.

3. Способ и средства предотвращения самовозгорания угля и вспышек метана в выработанном пространстве очистных забоев.

Ниже коротко рассмотрим пути реализации каждого из элементов комплексной системы ингибирования метановоздушных смесей с помощью газов, отметив также, что каждый из них в настоящее время структурно и конструктивно разработан, реализован в макетных образцах и защищен патентами.

Как отмечается в [1-2, 5] управление горением газов химическими методами становится все более актуальным вследствие интенсивного роста количества газофазных углеводородов, используемых (либо присутствующих в технологическом процессе) во многих отраслях промышленности в особенности в добывающих отраслях и энергетике. При этом мероприятия, направленные на предотвращение горения и развитие взрыва метановоздушной смеси, основаны либо на разработке технических устройств типа огнепреградителей, искрогасителей и распылителей инертных, в основном, порошковых аэрозолей, либо на замещение окислителя в атмосфере горных выработок на инертные газы. До настоящего времени вопрос управления процессом горения в технологических решениях по предотвращению взрывов метановоздушной смеси не рассматривался.

В основе теоретических суждений о возможности инертизации метана с помощью газов лежат представления о цепной природе химического процесса, к которому относятся горение (вспышка, взрыв). И с учетом цепного характера теоретически существует возможность с помощью различного рода присадок регулировать характеристики всех стадий и режимов горения.

Для решения поставленной задачи был разработан способ предотвращения воспламенения метановоздушной смеси, включающий пневмогидроорошение зоны проведения горных работ, автоматический контроль содержания метана датчиками и введение в шахтную атмосферу ингибитора [3].

Способом предусмотрено, что при достижении концентрации метана в воздухе более 2% автоматически отключается подача в систему воздуха с одновременным подключением под давлением ингибитора заданной концентрации, подача воды в систему пневмогидроорошения при этом не отключается.

В качестве ингибитора могут быть использованы, например, фторкетоны, которые интенсивно используются в системах пожаротушения. Фторкетоны – это синтетические органические вещества, в молекулах которых все атомы водорода заменены на прочно связанные с углеродным скелетом атомы фтора. Использование фторкетонов позволяет проводить химическую реакцию ингибирования пламени. Другим важным свойством фторкетона является их низкая растворимость в воде, их низкая токсичность. Использование фторкетонов не снижает концентрацию кислорода. Фторкетоны легко разрушаются в верхних слоях атмосферы, что делает их использование экологичным. Многочисленные тестовые испытания, проведенные ведущими международными организациями, показали, что фторкетоны не только обладают отличными огнетушащими свойствами (с эффективностью аналогичной хладонам), но и демонстрируют положительный экологический и токсикологический профиль.

Предлагаемый способ направлен на торможение цепных реакций окисления метана уже на начальных стадиях возникновения вспышек метановоздушной смеси и заключается в оперативной локации места скопления метана. В зону образования метановоздушной смеси подается ингибитор заданной концентрации, а при одновременном использовании гидроорошение выполняет функцию пылевзрывозащиты. Способ защищен патентом, действующем на территории Российской Федерации.

Автоматическое регулирование подачи ингибирующего газа и водовоздушной смеси расширяет возможности использования способа, а именно, могут быть защищены конвейерные выработки, наклонные горные выработки, горные выработки, оборудованные монорельсовым транспортом на всем протяжении, очистные выработки, подготовительные выработки, пожарные участки. Способ позволяет учесть разные варианты использования пневмогидроорошения на разных участках проведения горных работ. Если есть необходимость усилить пылевзрывозащиту, система пневмогидроорошения работает в режиме, исключающем подачу ингибитора в систему. При возникновении угрозы нарастания концентрации метана в воздухе, либо если происходит залповый выброс метана, подключается подача ингибитора в оптимальной концентрации.

Способ предотвращения воспламенения метановоздушной смеси испытан на стенде ООО «ВостЭКО». Рабочие газовые смеси, содержащие воздух, угольную пыль и метан подавались в стенд для проведения исследований. Концентрация метана контролировалась датчиками. Система пневмогидроорошения приводилась в рабочее состояние, создавалась водяная завеса. Концентрация метана повышалась, и при достижении 2% автоматически пневмогидрооршение переключалось на подачу в зону образования метановоздушной смеси ингибирующего газа под давлением. Поджиг исследуемой взрывоопасной метано-воздушной смеси проводился при помощи искрового источника, размещенного в центре стенда для проведения исследований. Воздушная смесь, содержащая метан и ингибитор не взрывалась. В данном случае проводится гидропылевзрывозащита зоны содержащей угольную пыль и ингибирование метановоздушной смеси. Таким образом, в момент возрастания концентрации метана, происходит локация и нейтрализация метановоздушной смеси за счет оперативной подачи ингибитора заданной концентрации, предотвращается нарастание активации в реакции окисления метана, при этом гидроорошение предотвращает нарастание взрывоопасной концентрации угольной пыли.

Существенным преимуществом предлагаемого способа предотвращения воспламенения метановоздушной смеси является его универсальность, возможные варианты использования пневмогидроорошения и ингибирования, а также широкий спектр использования ингибиторов. На этапе научноисследовательской работы проанализирован достигнутый уровень техники по использованию систем пневмогидроорошения, получен патент на автоматическую систему пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси [4]. Получены также патенты на отдельные элементы системы [9].

При решении поставленной технической задачи по разработке автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования было реализовано три конструктивных варианта исполнения. В первых двух вариантах автоматическая система пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси включает в себя каналы для подачи воды и воздуха, фильтры, электронные манометры, датчик метана. Основным отличием от аналогов является то, что установлен электронный блок управления, принимающий и анализирующий сигналы от приборов учета концентрации метана, давления воды и воздуха и регулирующий подачу ингибитора. Каналы для подачи воды и воздуха соединены с распылительными блоками форсунок, состоящими из двух камер. Каждая из камер соединена отдельными входами с распылительными форсунками. К каналу подачи воздуха через дозирующее устройство подключены баллоны с ингибитором. В третьем варианте предлагаемая автоматическая система содержит три отдельных канала для подачи воды, воздуха и ингибитора. Каналы отдельными входами соединены с блоком форсунок. Блоки форсунок выполнены в трехкамерном исполнении. Подача ингибитора регулируется автоматически с оптимальными рабочими параметрами.

Принцип реализации разработанной системы состоит в следующем. В момент срабатывания датчика метана электронный блок управления системой подаёт сигнал и открывает подачу ингибитора. Газ, минуя блок управления системой, в требуемой пропорции поступает к форсункам.

Газ-ингибитор может подаваться:

1. По воздушному каналу, подмешиваясь в пропорции, необходимой для разрыва цепной реакции горения. Пропорция высчитывается исходя из показаний датчика блока управления.

2. По воздушному каналу в концентрированном виде.

3. По водяному каналу в концентрированном виде, смешиваясь непосредственно в форсунке в необходимой пропорции.

4. По отдельному каналу в третью камеру блока форсунок, откуда и происходит его истечение через форсунку в концентрированном виде.

Предложенная система пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт обеспечит высокий уровень безопасности при ведении работ в горных выработках, позволит сократить время на простоях при внезапных выбросах метана, тем самым увеличить производительность. Техническим результатом предлагаемой технологии является нейтрализация взрывоопасных скоплений пылегазового облака в местах работы горных машин путем пневмогидроорошения и дозированной подачи ингибитора.

Таким образом, использование комплексной технологии полной или частичной инертизации шахтной атмосферы позволяет кардинально изменить ситуацию как в очистных и проходческих забоях так и в отдельных местах локальных выделений метана при ведении горных работ, создавая безопасные условия для труда шахтеров и работы оборудования.

Следует отметить, что данная работа выполнена до стадии проработки проектно-конструкторской документации, т.е. проведены поисковые исследовательские работы, созданы и испытаны макетные образцы оборудования, проведены их стендовые испытания. Дальнейшая разработка оборудования для реализации способа инертизации забоев угольных шахт в настоящее время невозможна без реализации либо инвестиционных проектов (что мало вероятно в условиях текущей экономической ситуации, когда большая часть угольных компаний работает в режиме нулевой рентабельности вследствие низких цен на уголь) либо в рамках федеральных целевых программ. Кроме того, для детализации и теоретического обоснования проекта с целью его внедрения на угольных шахтах, что потребует освоения весьма затратного серийного производства, необходимо объединение усилий целого ряда научных и проектных коллективов.

Кроме того нами была разработана концепция и реализована технология создания унифицированной серии мобильных устройств, новизна которой подтверждена патентом РФ [6].

Были разработаны мобильные устройства для ингибирования взрывоопасной концентрации метана в шахтах в двух исполнениях: передвижное на тележке с блоком распылительных форсунок и в ранцевом исполнении.

Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах в первом исполнении содержит баллоны с ингибитором, датчик метана, электронный манометр, источник питания, тележку на колесах, дополнительно оснащено блоком управления, подключенного к системе контроля и мониторинга шахты и принимающего сигнал от датчиков метана и манометров, и передающих сигнал на два управляющих клапана, которые соединены одновременно с регулирующим блоком и баллонами с ингибитором, а регулирующий блок подключен к блоку форсунок, состоящему из двух изолированных друг от друга камер для подвода ингибитора к двум форсункам. Разработанное мобильное устройство может располагаться в местах разбучивания камер на крутом падении, в кутках очистных забоев, на пологом падении, а также в любых труднодоступных местах слоевых скоплений метана.

При проведении поисковых, спасательных работ и разборе завалов на аварийных участках шахты, т. е. в местах явного изменения сечения выработки и, как следствие, условий и режима проветривания, возникают трудности с доставкой спасательного оборудования. Работы проходят в условиях повышенной опасности с жетским временным регламентом. В ситуации, когда существует опасность повторных выбросов и доступ оборудования для снижения взрывоопасной концентрации метановоздушной смеси ограничен, наиболее актуальными являются переносные мобильные малогабаритные устройства. Поэтому во втором варианте исполнения мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах содержит баллоны, датчик метана, манометры, а также дополнительно содержит регулирующий блок, соединенный с баллонами с ингибитором и одновременно при помощи гибкого соединения с управляющим клапаном и с, по меньшей мере, одной распылительной форсункой с телескопической штангой, а регулирующий блок и управляющий клапан состоят из двух изолированных камер для подвода ингибитора, управляющий клапан снабжен кнопкой подключения. Устройство предназначено для использования в местах локального скопления метана, где нет возможности подвести или установить стационарно тележку.

Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах универсально и предполагает варианты использования ингибитора. Баллоны могут быть заполнены как одним по составу ингибитором, так и разными его компонентами и элементами, которые подлежат смешению в разных соотношениях.

Например, это может быть бинарный газ, образованный путем смешения элементов непосредственно в форсунке. Для этого предусмотрен изолированный подвод компонентов через изолированные камеры. Возможно и использование различного рода бинарных смесей ингибиторов, смешиваемых непосредственно в форсунке. Данное техническое решение позволит избежать, например, риска расслоения газов в баллонах при хранении.

Устройство также подходит и для использования ингибиторов и ингибирующих смесей, уже готовых к распылению.

В качестве датчика метана в ранцевом исполнении устройства для ингибирования метановоздушной смеси в шахтах предполагается использование, например, газоанализатора GaSense .

В данном случае обеспечивается абсолютная защита конкретного работника, автоматически предупреждается нарастание концентрации метана уже в начальной стадии. Оперативность и быстрота срабатывания индивидуального мобильного устройства для ингибирования метановоздушной смеси позволит значительно снизить риск взрыва опасной концентрации метана в непосредственных местах работы шахтеров.

Уровень разработки этого направления также относится к законченной поисковой работе и для постановки на серийное производство крайне важно осуществить консолидацию финансовых и научнопроизводственных ресурсов.

В настоящее время в угледобывающей отрасли основным способом локализации эндогенных пожаров и взрывов метановоздушной смеси в выработанном пространстве угольных шахт является инертизация посредством снижения содержания кислорода в защищаемой зоне с помощью инертных газов (например азота).

Проблема предотвращение возгорания угля и сдерживание распространения пожара по выработке в настоящее время является весьма актуальной, т.к. в ее основе лежит предотвращение отравлений у горнорабочих, находящихся в близлежащих выработках, окисью углерода и другими ядовитыми продуктами горения и не менее важным является предотвращения вспышки метана и развития взрыва. Все известные способы предотвращения возгорания и взрыва метана в шахте направлены на интенсивную вентиляцию, подачу в забой инертных газов, либо утилизацию метана и изоляцию горных выработок, в которых выделяется метан, от притока свежего воздуха, заполнение их инертным газом для снижения концентрации кислорода до взрывобезопасных значений.

К недостаткам первого способа относятся высокие энергозатраты и низкая эффективность, т.к. при существующих ограничениях по скорости движения воздуха в горных выработках, в шахтах всегда образуются скопления метана и угольной пыли.

К недостаткам второго способа относится высокие и непроизводительные единовременные и эксплуатационные затраты и технологические потери (времени) при осуществлении изоляции горных выработок: на установку перемычек со специальными шлюзами для доставки людей и грузов, на специальное исполнение работающих механизмов и электроаппаратуры для метановой среды, на изолирующую дыхательную аппаратуру с ограниченным ресурсом времени для работы людей, на закачку инертного газа с поверхности.

Поэтому известные на сегодня способы не обеспечивают эффективность предупреждения возгорания в шахтах и не способны сдерживать распространение пламени по горной выработке.

В связи с этим была разработана технология (приоритет которой установлен поданной заявкой на получение патента) [8], в основу которой положена задача совершенствования мер предотвращения возникновения эндогенных пожаров и пресечение распространения огня по горной выработке посредством нейтрализация очага возгорания в момент его возникновения, блокирование распространения уже возникшего пожара.

Суть разработанной технологии предотвращения возникновения эндогенных пожаров заключается в профилактической обработке поверхности угля с помощью микрокапсул из не термостойкого и нерастворимого в воде материала диаметром от 20 до 5000 мкм содержащих ингибитор в количестве от 50 до 95% от массы микрокапсулы и легко раскрывающихся при температуре выше 45 градусов.

При этом возможна предварительная обработка поверхности угля клейкой жидкостью для повышения антипирогенных качеств технологии и равномерной фиксации микрокапсул. При этом под не термостойким материалом понимается материал, который при невысоких температурах начинает разрушаться. Например, материалы с невысокой температурой плавления, низкой жаропрочностью и т.д. Кроме того в данном случае имеются в виду материалы, изменение физических свойств которых начинается при температуре уже свыше 45 градусов, что значительно ниже температуры активного горения. При достижении температуры свыше 70 градусов материал разрушается полностью, например плавлением.

Предлагаемый способ предотвращения возникновения эндогенных пожаров включает обработку поверхности угля газообразным ингибитором, который помещен в капсулы. В качестве ингибитора горения может быть ингибирующая жидкость, которая легко испаряется. В капсулы может быть помещен, например, любой допустимый в данном случае ингибитор метана. В данном случае авторы учитывали, что многие огнегасящие агенты, состоящие из галоидзамещенных углеводородов, имеют принципиальный недостаток, так как уничтожают озоновый слой в атмосфере. В соответствии с этим Монреальским Протоколом 1987 года запрещено производство этих галоидзамещенных углеводородов и ввоз этих продуктов в большинство стран. При этом большинство превращаемых в газ бромзамещенных углеводородов не используются при тушении огня из-за чрезвычайно высокой летучести. По этой причине, при их использовании в концентрациях, близких к концентрациям, необходимым для тушения огня другими огнегасящими агентами, практическая эффективность бромзамещенных углеводородов оказалась более низкой. Кроме того, использование ингибиторов наиболее эффективно и желательно именно в момент начала возгорания, что снижает затраты и позволяет предотвратить продвижение пожара в шахте, и значительно снижает вероятность взрыва. Поэтому требуется сохранение свойств ингибирующего газа ( либо аэрозоля) до момента его практического использования, а в случае повышения температуры мгновенный его выброс в атмосферу. Известные на сегодня способы тушения пожара капсулированными огнегасящими агентами предполагают использование их в пламени при тушении.

Оболочка капсулы может быть изготовлена из полимера, желатина или другого материала, при этом толщина оболочки и материал должен обеспечивать термическую неустойчивость оболочки и легкую ее открываемость при повышении температуры. Практически при осуществлении заявленного способа могут быть использованы любые полимерные оболочки термонеустойчивые. Важен момент: капсула должна раскрыться до момента возгорания угля.

Один из признаков эндогенного пожара – повышение температуры лежит в осуществлении предлагаемого способа. При самонагревании угля происходит повышение температуры, капсула реагирует и распадается, выделяется ингибитор и заполняет место предполагаемого возгорания, разрывается цепная реакция горения. Чем быстрее идет процесс повышения температуры, тем активнее происходит разрушение капсул, выделение ингибитора в атмосферу шахты. Возгорание не происходит. Способ предполагается для использования как в особо опасных по пожару участках, так и для профилактических целей.

Обработка угля капсулированным ингибитором может осуществляться как распылением, так и в обычном порядке насыпанием, раскидыванием, складированием и т.д. В зависимости от цели обработки: профилактическая обработка или обработка в особо опасных по пожару местах регулируются и объемы капсулированного ингибитора.

Способ использования капсулированного ингибирующего газа предполагает использование достаточно широкого спектра ингибиторов, в том числе и легко летучих. Варианты использования ингибиторов достаточно обширны. Могут быть использованы любые ингибиторы (газообразные, жидкие и т.д.), которые в данном случае допустимы. При этом оболочка капсулы не должна быть растворимой в воде, но достаточно активно должна реагировать на повышение температуры окружающего воздуха. Тем самым обеспечивая раскрытие оболочки капсулы при повышении температуры свыше 45 градусов ( когда пожар еще не возник). Таким образом, нейтрализуется очаг возгорания, предупреждается самовозгорание.

Способы распыления различных клеящих составов также достаточно широко известны. Технологически обычно используют пневматическое распыление. Клеящий состав может быть использован любой, допустимый в условиях шахты и обладающий антипирогенными свойствами. Распыление микрокапсул, содержащих ингибитор производится следом через непродолжительный интервал времени. В отдельных случаях распыление возможно проводить одномоментно. Ингибирующий газ, помещенный в капсулы и закрепленный в выработанном пространстве в случае повышения температуры окружающего воздуха обеспечит предотвращение возгорания и обеспечит сдерживание распространения пожара. Таким образом, можно обрабатывать любые выработанные пространства.

Кроме того, предлагаемый способ можно использовать и при предотвращении экзогенных пожаров по выработкам путем нанесения микрокапсул с ингибитором на борта выработки. Например, при возгорании ленточного конвейера.

Промышленная применимость предлагаемого способа очевидна. Актуальность исследований подтверждается востребованностью новых эффективных способов предотвращения аварий, связанных с возгораниями угля в подземных выработках. Способ может быть осуществлен на любых угольных предприятиях. Микрокапсулы для осуществления способа могут быть изготовлены в условиях промышленного производства с использованием уже известных технологий изготовления капсул.

В заключении следует отметить, что предложенная технология ингибирования метана, на наш взгляд хорошо применима для создания нового поколения взрыволокализующих заслонов. Совместно с новосибирскими учеными ведется проработка элементов системы пылевзрывозащиты горных выработок, которая будет сочетать в себе комбинацию подходов как сланцевой инертизации так и газового ингибирования взрывоопасных сред.

Угольная промышленность, включающая целый комплекс горных производств, формирующих ее инфраструктуру: шахты, разрезы, обогатительные фабрики, транспортные, наладочные, научные, проектные, экспертные и пр. предприятия и организации, в настоящий момент почти целиком зависит от импортной машиностроительной продукции. Если в 60-80 гг. прошлого века механизация добычи угля шла по пути развития и оснащения угольных шахт и разрезов исключительно продукцией отечественного машиностроения, то начиная с 90-х годов в отрасли сформировалась жесткая зависимость от поставок импортной продукции и технологий: очистные комбайны и комплексы более чем на 90 % являются продукцией европейского и американского производства, доля импорта проходческого оборудования составляет примерно 50 %, конвейерного оборудования – 45-60 %, оборудования для доставки материалов – 80 %, систем АГК и связи около 45 %, вентиляционных установок около 20 %.

В концепции мировой интеграции экономики России подобная ситуация была экономически целесообразна и выгодна: отсутствовала необходимость концентрации машиностроительных производств вблизи потребителей этой техники, инвестирования глобальных ресурсов в развитие машиностроительных технологий. Политическая ситуация текущего момента вскрыла и минусы реализации этой концепции: в условиях экономических санкций и изоляции экономики России наметилась тенденция к скорой остановке угольного производства вследствие отсутствия запасных частей и комплектующих при полностью либо частично порушенном машиностроительном производстве и интеллектуальных мощностей. Новые технологии производства горнодобывающего оборудования не разрабатывались и не покупались на протяжении десятилетий. В сложившейся ситуации доминирующего преобладания импортного оборудования в угольной отрасли необходимо целенаправленно приступить к осуществлению федеральной целевой программы, которая бы позволила оснастить российские предприятия современными средствами и технологиями, особенно в решении вопросов промышленной безопасности и предупреждения аварийных ситуаций. Для этого необходимо создание сети научно-производственных кластеров по требуемым направлениям для разработки и освоения серийных производств продукции и проработка вариантов финансирования этих проектов.

Таким образом, разработанная комплексная технология ингибирования вспышек метановоздушной смеси и предупреждения эндогенных пожаров, включающая автоматизированную систему пневмогидроорошения и ингибирования при работе очистных и проходческих комбайнов, системы стационарного и мобильного ингибирования застойных и кутковых зон горных выработок и способ и средства предотвращения самовозгорания угля и вспышек метана в выработанном пространстве вследствие эндогенного пожара, обладающая новизной и простотой реализации позволит существенно повысить уровень безопасности и обеспечит предупреждение возникновения крупных техногенных и природных аварий и катастроф в угольных шахтах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Азатян, В.В. Химические методы ингибирования взрывоопасных сред/ В.В. Азатян, Т.Р. Тимербулатов, А.А. Трубицын, Н.В. Трубицына, Ю.М. Филатов, С.В. Шатиров// Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 2. – С. 38-47.
2. Шатиров С.В. Химические методы управления горючим газом / С.В. Шатиров, В. В. Азатян, В. А. Петухов, Ли Хи Ун, Ю.М. Филатов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2015. – № 2. – С. 41-43.
3. Патент 2558068 Российская Федерация E21F5/02. Способ предотвращения воспламенения метановоздушной смеси/ Трубицын А.А., Трубицына Д.А.; заявитель и патентообладатель Трубицына Д.А. - 2014126303/03; 27.06.2014; опубл. 27.07.2015.
4. Патент 2539194 Российская Федерация E21F5/04. Автоматическая система пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси / Трубицын А.А., Азатян В.В., Филатов П.Ю., Христофоров А.А., Трубицына Д.А.; заявитель и патентообладатель Трубицын А.А. - 2013148543/03, 30.10.2013; опубл. 20.01.2015.
5. Азатян, В. В. О промотировании и ингибировании фторированными углеводородами горения метана в окислительных средах с различным содержанием кислорода/ В.В. Азатян, Ю.Н. Шебеко, А.Ю. Шебеко, В.Ю. Навценя // Химическая физика. - 2010. - №9. - С.42-51.
6. Патент 2537303 Российская Федерация E21F5/04. Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси / Христофоров А.А., Филатов П.Ю., Трубицына Д.А., Трубицын А.А., Филатов Ю.М., Азатян В.В., Хлудов Д.С.; заявитель и патентообладатель Трубицын А.А. - 2013148543/03, 30.10.2013; опубл. 20.01.2015.
7. Азатян, В. В. Эффективные химические методы управления горением, взрывом и детонацией 2. газов / В. В. Азатян, Т. Р. Тимербулатов, С. В. Шатиров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 4. – С. 27–36.
8. Заявка на патент E21F5/00. Способ предотвращения возникновения эндогенных пожаров/ Трубицын А.А., Трубицына Д.А. Дата приоритета.20.01.2015 г.
9. Патент 140535 Российская Федерация E21F5/04. Распылительное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси / Христофоров А.А., Филатов П.Ю., Трубицын А.А., Трубицына Д.А., Хлудов Д.С., Азатян В.В.; заявитель и патентообладатель Трубицын А.А. - 2013136203/03, 01.08.2013; опубл. 10.05.2014.

CONCEPT OF ADAPTIVE TECHNOLOGY INHIBITION OF FLARES METHANE-AIR MIXTURES AND CAUTIONS ENDOGENOUS FIRES IN COAL MINES

Trubitsyn A.A.

The paper presents the concept of adaptive technology for inhibiting methane-air mixtures in coal mines in order to prevent outbreaks of methane explosions, briefly outlines the technical solutions for the implementation of these technologies in the treatment and tunnel faces, places layered accumulations of methane and coal mine developed spaces.

Keywords: INHIBITOR, INHIBITION OF METHANE-AIR MIXTURE, PNEVMOGIDROOROSHENIE MOBILE DEVICES TO INHIBIT, ENCAPSULATION INHIBITOR, ENDOGENOUS FIRES.

Трубицын Анатолий Александрович
e-mail: atrubitsyn@rambler.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 3-2015.

П.А. Шлапаков
заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ»

К.С. Лебедев
научный сотрудник лаборатории АО «НЦ ВостНИИ»

Т.М. Грачева
старший научный сотрудник лаборатории АО «НЦ ВостНИИ»

Проведены исследования различных водных растворов, предлагаемых для использования в качестве антипирогенов. Установлено, что не все составы пригодны для применения в шахтных условиях. Приведены некоторые критерии для оценки эффективности антипирогена.

Ключевые слова: КОНСТАНТА СКОРОСТИ СОРБЦИИ, АНТИПИРОГЕН, ДЕЗАКТИВАЦИЯ УГЛЯ, НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ОКИСЛЕНИЕ, УДЕЛЬНОЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ АНТИПИРОГЕНА.

На сегодняшний день с улучшением технической оснащенности шахт значительно возросли объемы добычи угля. Вместе с тем усложнились горно-геологические условия добычи, возросла глубина отработки, при этом большинство отрабатываемых пластов являются склонными к самовозгоранию. За последние 15 лет на угольных шахтах Кузбасса произошло 56 эндогенных пожаров, следовательно, вопрос о предотвращении самонагревания, и как следствие, самовозгорания угля остается актуальным.

Термин «антипироген» был введен академиком А.А. Скочинским для обозначения веществ, которые препятствуют возгоранию [1]. В дальнейшем В.С. Веселовским, Н.Д. Алексеевой были установлены основные механизмы действия антипирогенов, которые актуальны до сих пор:

1. Химическое ингибирование реакции окисления;
2. Блокировка поверхности кусков угля пленками;
3. Блокировка пор в угле;
4. Изолирующее покрытие трещиноватых целиков;
5. Тампонаж трещин в целиках [2].

Для разработки новых антипирогенов и правильного применения их на практике, необходимо знать изложенные выше механизмы их действия. Необходимо отметить, что основная функция антипирогенов, по мнению авторов, заключается в торможении развития окислительных процессов, то есть в ингибировании сорбции кислорода углем, и только после этого - в использовании антипирогенов в качестве средств тушения пожаров. При этом необходимо отметить, что применение антипирогенов прочно занимает место в перечне мер по профилактике самовозгорания угля.

Известно [3], что с целью изыскания антипирогенов, исследовались неорганические, органические и газообразные вещества. Испытывались водные растворы, суспензии, эмульсии и их смеси, при этом по многим из них получены противоречивые результаты. Например, CaCl2, Na2CO3, MgCl2, Ca(OH)2, Al2(SO4)3 и некоторые другие неорганические соединения отнесены одними исследователями к ингибиторам, другими – к катализаторам или нейтральным веществам. При этом, как подтверждено в работе [4], антипирогены могут быть как порошкообразными, так и растворами тех или иных органических, либо неорганических веществ, при этом принцип их воздействия на процесс окисления угля серьезно отличается.

Так как актуальность разработки более эффективного антипирогена существует и сейчас, многие компании и производственные объединения занимаются созданием новых составов. В данной статье приведены испытания некоторых из них. Испытания данных составов проводились путем прямых экспериментов, в лабораторных условиях, при низкотемпературном окислении проб угля. Подготовка проб угля, а также проведение испытаний производилось согласно методике ОАО «НЦ ВостНИИ» ФР.1.31.2011.10639, основанной на исследованиях Веселовского В.С. [5]

При проведении испытаний данных растворов, для каждой пробы угля была соблюдена пропорция в сорбционном сосуде - объем угля к объему воздуха, как 1:6. Пробы угля были одного веса – 90 г., при обработке проб угля использовался одинаковый объем каждого из представленных антипирогенов – 2 мл. Раствор карбамида использовался в испытаниях как эталонный антипироген.

Как показано на рисунке 1, наиболее эффективным в данном испытании оказался пенообразователь ПО-1НСВ, снизивший константу скорости сорбции на первые сутки практически в 2,5 раза. Тренды остальных составов близки к значениям констант скорости сорбции пробы угля, обработанной карбамидом, что в данном случае говорит об их эффективности.

Стоит отметить, что это единственный эксперимент, когда антипирен ОЗ-УП ингибировал окисление пробы угля. Во всех остальных испытаниях значительного снижения константы скорости сорбции не наблюдалось. Также необходимо отметить, что при газовом анализе пробы воздуха, отобранной над поверхностью жидкости, была получена концентрация углерода оксида (CO), близкая к ПДК (20 мг/м3) по ГН 2.2.5.1313-03 в содержании 18,8 мг/м3 (0,0015 %). Таким образом, антипирен ОЗ-УП не был рекомендован к применению в качестве антипирогена, так как был зафиксирован всего один положительный эксперимент, а необходимые для профилактических мер объемы раствора создавали бы значительный фон углерода оксида (CO) в шахтной атмосфере, что могло расцениваться как возникновение очага эндогенного пожара (Заключение ОАО «НЦ ВостНИИ» №17/9-1 от 15.05.2013 г).

На рисунке 2 приведены графики выделения CO из угля при низкотемпературном окислении угля. Как видно из полученных данных, и в этом случае наиболее эффективным оказался раствор пенообразователя ПО-1НСВ, снизивший удельное газовыделение в 2 раза. Стоит отметить, что данный состав испытывался только в одном эксперименте.

На рисунке 3 приведены результаты испытаний раствора Эльфор. В испытании также использовались составы с концентрацией 1 и 3 %. Как видно из полученных данных, Эльфор очень эффективно снизил константу скорости сорбции после первых суток (почти в 3 раза). Составы с концентрацией 1 и 3 % снизили константу примерно также, что говорит о необходимости испытания разных концентрации при испытании различных растворов.

Необходимо отметить, что во многих экспериментах тенденция дезактивации как исходного, так и обработанного угля соответствует этапам релаксации угля по уровням остаточных напряжений [6,7].

На рисунке 4 представлены результаты изменения удельного газовыделения из угля как исходного, так и обработанного. Как видно из полученных результатов, Эльфор значительно снизил выделение CO, что говорит о серьезном снижении химической активности угля.

На рисунке 5 представлены результаты испытаний раствора огнетушащего состава «ВАЛ». Данный состав был из второй партии, от 10.10.2013 г., предварительно очищенный от примесей. Для оценки эффективности данного раствора были взяты минимально и максимально возможные концентрации, принятые эмпирически. Как видно из полученного графика, данные концентрации практически не снизили константу скорости сорбции. Вместе с тем, «Эльфор» снизил химическую активность угля недостаточно сильно.

На рисунке 6 представлены результаты изменения удельного газовыделения из угля как исходного, так и обработанного. Как видно из полученных результатов, при снижении константы скорости сорбции как исходного, так и обработанного угля, снижения выделения CO не происходит, а наоборот, концентрация увеличивается.

На рисунке 7 представлены результаты испытаний раствора огнетушащего состава «ВАЛ». Данный состав был не очищенный от примесей из первой партии. Для оценки эффективности данного раствора были взяты минимально и максимально возможные концентрации, принятые эмпирически. Как видно из полученного графика, данные концентрации практически не снизили константу скорости сорбции. «Эльфор», как и в эксперименте с пластом 48 ШУ «Талдинское-Южное», снизил химическую активность угля.

На рисунке 8 представлены результаты изменения удельного газовыделения из угля как исходного, так и обработанного. Как и в предыдущем эксперименте, концентрация CO при снижении констант скорости сорбции не падает, что в данном случае не поддается объяснению. Следует принять во внимание, что эксперименты по определению эффективности состава «ВАЛ» разных партий проводились в разное время, при одних и тех же условиях, таким образом какаялибо ошибка исключается.

На основании проведенных исследований можно сказать, что один и тот же состав антипирогена по-разному влияет на процесс дезактивации угля. Вместе с тем, следует отметить, что на сегодняшний день отсутствует методика оценки эффективности антипирогенов, но работы в данном направлении ведутся.

Таким образом, можно выделить следующие условия, которые должны быть соблюдены при испытании раствора антипирогена:

1. Эффективность раствора антипирогена может быть установлена только в результате прямых экспериментов при испытаниях на углях различных марок (это относится и к порошкообразным антипирогенам);

2. Необходимо подготовить параллельные пробы, обработанные, например, раствором карбамида, и дистиллированной воды, так как экспериментально установлено, что данные растворы значительно снижают химическую активность угля. Затем полученные результаты сравнить с исследуемым раствором антипирогена;

3. Основным критерием оценки эффективности раствора антипирогена является снижение химической активности угля, то есть константы скорости сорбции. Необходимо обратить внимание и на удельное газовыделение обработанных проб угля (насколько сильно снижается концентрация CO со временем);

4. Необходима периодичность экспериментов при определении эффективности антипирогена (соблюдение веса исходной и обработанных проб угля; использование одного и того же объема раствора антипирогена; соблюдение пропорции объема угля к объему воздуха в сорбционном сосуде; процесс обработки раствором антипирогена проб угля должен быть идентичен во всех случаях);

5. Необходимо исследовать действие антипирогена во времени, когда через значительный промежуток времени обработанные пробы угля будут подвергаться высушиванию-увлажнению, то есть помещены в критические условия [7] (выявление способности исследуемых растворов антипирогенов длительное время закрывать поверхность угля, не допуская активацию пробы при изменении влажности воздуха).

Из результатов проведенных исследований можно сделать выводы о том, что для наибольшей эффективности под каждый конкретный пласт и конкретные условия, необходим конкретный антипироген, наиболее эффективно снижающий химическую активность угля.

Следует отметить, что испытуемый антипироген должен быть не токсичен, не горюч, не создавать фона индикаторных газов (CO, H2 и др.), не взрывоопасен, и по возможности, экономически выгоден к применению в значительных объемах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Веселовский, В. С. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров / В. С. Веселовский, Л. П. Виноградова, Г. Л. Орлеанская [и др.]. – М.: Наука, 1975. – 158 с.
2. Завьялова, Е. Л. Применение антипирогенов пролонгированного действия на пластах наклонного и крутого падения / Е. Л. Завьялова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – №12.– С. 321–328.
3. Линденау, Н. И. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах / Н. И. Линденау, В. М. Маевская, В. Ф. Крылов – М.:Недра, 1977. – 318 с.
4. Федорович, А. П., Об эффективности применения антипирогенов / А. П. Федорович, В. Г. Игишев, С. Н. Вершинин, В. Я. Панчишин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2010. - №1. – С. 81–88.
5. Веселовский, В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В. С. Веселовский, Н. Д. Алексеева, Л. П. Виноградова [и др.]. – М.: Наука, 1964. – 246 с.
6. Ворошилов, С. П. Причины замедления скорости сорбции кислорода углем со временем / С. П. Ворошилов, К. С. Лебедев, Л. П. Белавенцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – №1. – С. 26–30.
7. Ли Хи Ун Разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт [Текст]: дис. д-р. техн. наук: 25.00.20 – 2003. – С. 107–110.
8. Лебедев, К. С. Поддержание процесса активации угля путем изменения равновесной влажности / К. С. Лебедев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2011. – №1. – С. 85–90.

ON WATER-BASED ANTIPIROGENS EFFECTIVENESS

Shlapakov P.A., Lebedev K.S., Gracheva T.M.

Investigations of various aqueous solutions proposed for use as antipirogens are fulfilled. It is found that not all compounds are suitable for use in mine conditions. Some criteria for the of antipirogens effectiveness evaluation are described.

Key words: SORBTION SPEED CONSTANTA, ANTIPIROGEN, COAL DISACTIVATION, LOW TEMPERATURE OXIDATION, SPECIFIC GAS EMISSION, ANTIPIROGEN EFFECTIVENESS

Шлапаков Павел Александрович
e-mail: shlapak1978@mail.ru

Лебедев Кирилл Сергеевич,
e-mail: pepper9999@yandex.ru

Грачева Татьяна Михайловна

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 3-2015.

Черепов А.А.
Технический директор АО «Распадская угольная компания»

Ерусланов А.П.
Заместитель командира филиала «Новокузнецкий ВГСО» ФГУП «ВГСЧ»

А. С. Ярош
канд. техн. наук, директор ООО «НИИ ГП»

Трубицын А.А.
професор, доктор техн. наук, заместитель директора по научной работе ООО «ВостЭКО+»

Кузнецов Д.А.
Главный инженер проекта АО «НИИГД»

Сергеев О.А.
Зав. лаборатории вентиляции и дегазации угольных шахт АО «НИИГД»

Мусинов С.Н.
Директор ООО «НИИ ГП»

В статье представлена концепция организации пунктов коллективного спасения персонала, застигнутого аварийной ситуацией в подземных горных выработках угольных шахт. Представлены основные требования, варианты размещения и пути решения проблемы обеспечения жизнедеятельности работников в условиях пребывания в ПКСП.

Ключевые слова: ПУНКТ КОЛЛЕКТИВНОГО СПАСЕНИЯ ПЕРСОНАЛА, СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВАМИ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ, ПРОВЕТРИВАНИЕ, ЗАГАЗИРОВАНИЕ, ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОДУЛЬ, ПОДЗЕМНЫЙ МОДУЛЬ.

Высокая аварийность на шахтах России вынуждает искать новые методы и средства для уменьшения трагических последствий аварий в горных выработках. Анализ показал, что существующая одноступенчатая система самоспасения шахтеров, которая предусматривает использование самоспасателей, не может обеспечить в достаточной степени безопасность людей при возникновении в горных выработках непригодной для дыхания среды. Это связано со значительной протяженностью аварийных маршрутов для выхода персонала на свежую струю воздуха. Эти причины в значительной части и привели к появлению дополнительных и обязательных требований в правилах безопасности угольных шахт [1]. В соответствии с требованиями п. 28 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах», вступившего в силу с 1 января 2015 года, для спасения людей в горных выработках шахт необходимо оборудовать пункты коллективного спасения персонала (ПКСП) в качестве дополнительного средства самоспасения персонала.

В настоящее время пункты коллективного спасения персонала применяются во многих странах и зарекомендовали себя с хорошей стороны, так например, в Австралии, США и Китае. В России на необходимость внедрения пунктов коллективного спасения персонала обратили внимание лишь после аварии произошедшей на шахте «Распадская» в 2010 г.

В настоящее время повышение безопасности на шахтах Кузбасса осуществляется за счет внедрения многоступенчатой системы самоспасения, которая учитывает разнообразие условий разработки угольных месторождений, степень безопасности шахт, профессию, расположение рабочих мест шахтеров и другие факторы. Эта система предусматривает использование в шахтах пунктов переключения в самоспасатели (далее ППС)

Важной составляющей системы самоспасения является определение мест расположения ПКСП. На шахтах место размещения, количество и вместимость пунктов коллективного спасения в горных выработках определяется в каждом отдельном случае проектной документацией. Периодически, по мере развития фронта горных работ, по решению технического руководителя угледобывающей организации проектная документация корректируются и утверждается.

Сеть действующих горных выработок шахты должна обеспечивать эвакуацию персонала при аварии из наиболее удаленных загазированных горных выработок на поверхность или в горные выработки со свежей струей воздуха по маршрутам, предусмотренным ПЛА, за время защитного действия средств индивидуальной защиты органов дыхания (далее - СИЗОД) изолирующего типа. (п. 27 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах»). Это положение безусловно должно выполняться, когда средства проветривания и вентиляционные устройства не разрушены и реализуется предусмотренный ПЛА аварийный вентиляционный режим. Однако, когда авария приобретает характер катастрофы (детонационный взрыв, масштабный внезапный выброс угля и газа с опрокидыванием вентиляционной струи), средства проветривания и вентиляционные устройства могут разрушаться, аварийный вентиляционный режим реализовать невозможно. В таком случае происходит загазирование большей части выработок, и предусмотренные ПЛА маршруты не обеспечивают выход людей в выработки со свежей струёй за время защитного действия СИЗОД. Кроме того, нарушение вентиляционного режима при катастрофах может увеличить вероятность повторного взрыва (при наличии источников с достаточным тепловым импульсом). Существует вероятность поражения выходящих из зоны аварии людей поражающими факторами повторного взрыва.

Материалы расследований масштабных катастроф на юге Кузбасса свидетельствуют о том, что большинство масштабных взрывов формируются в очистных забоях, выработанном пространстве, либо в подготавливаемых контурах планируемых к отработке выемочных участков. В этих же местах, как правило, концентрируется большая часть персонала.

При решении вопроса о наиболее целесообразном типе камер спасения и размещения их в горных выработках следует учитывать возросшую оперативность горноспасательных частей, оснащение их современными техническими средствами, позволяющими быстро прибывать к местам укрытия рабочих в подземных выработках даже в сложных условиях рудничных аварий, а также совершенствование конструкций и организации снабжения рабочих самоспасателями.

Оснащение выработок шахты пунктами коллективного спасения персонала и пунктами переключения в резервные самоспасатели должно осуществляться исходя из следующих критериев:

• при необходимости одного переключения в резервный самоспасатель по маршруту выхода из шахты на маршруте размещается пункт переключения в самоспасатели;
• при необходимости двух и более переключений на маршруте дополнительно оборудуется пункт коллективного спасения персонала;
• размещение в местах концентрации горных работ и, соответственно, на путях выхода основной массы работников при аварии;
• размещение в местах возможного нарушения вентиляционного режима и вероятного загазирования выработок при масштабных взрывах;
• размещение на путях следования из отдалённых рабочих мест, по которым невозможен выход на поверхность за время защитного действия самоспасателя при масштабных взрывах (загазировании всех выработкок шахты);
• размещение в месте, позволяющих минимизировать воздействие на них ударной воздушной волны при взрыве в местах его наиболее вероятного возникновения.

К приоритетным местам размещения ПКСП необходимо отнести имеющиеся сбойки между горными выработками или специально пройденные для этой цели выработки.Для условий шахт Кузбасса применительно три варианта размещения ПКСП в горных выработках, представленных на рисунке 1.

Несмотря на большой объем строительных работ наиболее предпочтителен I вариант размещения ПКСП в специально пройденной горной выработке. В этом случае в условиях ЧС обеспечиваются более комфортные условия пребывания персонала и вероятность разрушения пункта сведена к минимуму. По стоимости и продолжительности возведения наименее затратен II вариант, так как пункт размещается в сбойке между двумя выработками. Третий вариант требует возведение более протяжённой взрывоустойчивой перемычки, что приведет к дополнительным затратам.

Пункт коллективного спасения персонала должен обеспечивать:

• защиту горнорабочих от вредных газов, образующихся при пожарах и взрывах;
• защиту от воздействия высокой температуры;
• защиту от возможных повторных взрывов;
• снабжение воздухом пригодным для дыхания без применения индивидуальных средств защиты;
• возможность постоянной связи с диспетчером шахты;
• приемлемые санитарно-гигиенические условия обитания;
• жизнеобеспечение на период не менее 24 часов (определяется исходя из технических решений, принятых при выполнении проектной документации на оснащение горных выработок шахты ПКСП).

Выработки, оборудованные под пункты коллективного спасения персонала, не должны подвергаться затоплению шахтными и поверхностными водами, а также загазированию вредными газами в течение установленного срока использования этих выработок.

Пропуск укрываемых в убежище в условиях загрязнённой атмосферы предусматривается со стороны исходящей из убежища струи воздуха (при нормальном режиме проветривания). Оборудованный с указанной стороны вход (выход) обеспечивается двойным шлюзованием, состоящим из последовательно расположенных тамбура-шлюза и шлюзовой камеры представленных на рисунке 2. Вход в тамбур-шлюз, а также выход в шлюзовую камеру должен состоять из взрывоустойчивой перемычки с защитно-герметичными дверями. Вход в камеру спасения оборудуется перемычкой с герметичной дверью. Взрывоустойчивые перемычки возводятся из материалов предназначенных для возведения взрывоустойчивых перемычек.

Величину площади ПКСП следует принимать исходя из условия размещения максимального количества персонала (пересменок); количества емкостей для хранения запасов питьевой воды; склада продовольствия; оборудования санитарных узлов; медицинских пунктов (санитарных постов); противопожарного инвентаря; средств индивидуальной защиты; мест для сидения и лежания персонала, а также площади для размещения пункта управления объекта и вентиляционного оборудования на поверхности.

Согласно СНиП 2.01.54-84 [2] минимальные размеры выработок, используемых для размещения пунктов коллективного спасения персонала, должны быть по высоте 1,8 м и ширине 2 м, максимальный угол наклона выработки не должен превышать 18°.

Минимальные размеры выработки для размещения укрываемых должны соответствовать трем условиям:

• минимальная площадь пола - не менее 0,6 м^2 на одного человека;
• минимальная площадь внутренней поверхности выработки по тепловому фактору - не менее 2,5 м^2 на одного человека;
• минимальный объем выработки по газовому фактору - не менее 5 м^3 на одного человека.

Пункт коллективного спасения должен быть оборудован местами для сидения и лежания из расчета 75 и 25 % соответственно от общего числа укрываемых в пункте ПКСП. Санитарные узлы следует проектировать из расчета одно очко на 75 человек и один умывальник на 200 человек, но не менее одного. Размещение санитарных узлов следует предусматривать со стороны исходящей из ПКСП струи воздуха (по решению технического руководителя предприятия).

Указанная в (1) связь несёт глубокий методологический смысл, заслуживающий дальнейших исследований не только на экспериментально-статистическом уровне, но и с привлечением методов энергетического анализа. Актуальность этого направления исследований несомненна ввиду очевидной его методологической и практической важности как в решении прямых и обратных задач литологии, так и для решения геомеханических и геотехнологических задач по добыче и переработке полезных ископаемых.

Исходя из требований п. 28 «Правил безопасности в угольных шахтах» ПКСП должны быть обеспечены обособленным или автономным проветриванием.

Могут быть рассмотрены четыре возможных варианта проветривания ПКСП:

• обеспечение укрываемых сжатым воздухом;
• обеспечение убежища системами регенерации воздуха;
• проветривание фильтро-вентиляционными установками воздухом, забираемым из выработок шахты;
• проветривание через скважину, пробуренную с поверхности.

При проветривании сжатым воздухом требуется его предварительная очистка от масляных включений и конденсата с помощью специального водомаслоотделителя, устанавливаемого на выпускном клапане пневмопровода. Для исключения повреждений пневмопровода от разрушений ударной волной необходима укладка его в приямки. Для обеспечения равномерного его распределения необходимо использовать рассекатели в виде перфорированной трубы, прокладываемой по полу ПКСП. Для снижения уровня шума, создаваемого сжатым воздухом при выходе его из трубопровода, необходимо устанавливать ресивер или другое шумопоглощающее устройство.

Воздухообеспечение ПКСП в режиме чистой вентиляции с помощью регенерирующих установок производится с использованием регенеративных патронов, содержащих химические поглотители, очищающие воздух в следующем порядке: сжатый кислород подается в эжектор и извлекает предварительно очищенный воздух, обогащая его кислородом, делая пригодным для дыхания. При этом должна быть обеспечена равномерность распределения обогащенного кислородом воздуха по всему ПКСП. В этом случае запас сжатого кислорода в балонах должен обеспечивать подачу его в необходимом объеме. Этот вариант обеспечивает полную автономность системы вентиляции, однако требует монтаж установки регенерации, включая невзрывозащищённое электрооборудование, выделяющее свободный кислород, в горных выработках. Такое оборудование будет представлять повышенную взрыво и пожароопасность для шахты, так же регенерация воздуха в устройстве сопровождается повышением его температуры, поэтому перед подачей его в отсеки необходимо охлаждение с помощью воздухоохладителя.

При проветривании ПКСП при помощи фильтро-вентиляционных установок используется шахтный воздух, который засасывается вентилятором и перед подачей его в ПКСП очищается от вредных примесей прохождением через многослойные фильтры. Недостатком данного способа проветривания является его непригодность в случаях, когда концентрация кислорода в рудничном воздухе значительно падает.

При проветривании ПКСП через скважину, пробуренную с поверхности, подача воздуха осуществляется за счет вентилятора (1 рабочий и 1 резервный), установленного в поверхностном модульном здании. Для обеспечения равномерного распределения необходимо использовать рассекатели в виде перфорированной трубы прокладываемой по полу ПКСП. Так же скважина будет являться независимым гарантированным источником подачи воздуха с поверхности, что обеспечит неограниченное время для спасения горноспасателями и ожидания персонала, а при необходимости и соответствующем диаметре скважины возможность эвакуации через нее на поверхность.

Таким образом, наиболее оптимальным способом воздухоснабжения ПКСП из выше описанных, является проветривание ПКСП через скважину, пробуренную с поверхности.

Ниже на рисунке 3 представлена схема проветривания ПКСП через скважину, пробуренную с поверхности.

Так же в ПКСП должен обеспечиваться сброс избыточного давления из воздуха, способствующий вытеснению загрязненного воздуха в течение всего времени эксплуатации, в том числе и при периодическом заполнении ее людьми. Для выполнения этого условия применяются клапаны избыточного давления, предназначенные для автоматического поддержания постоянного избыточного давления в смежных помещениях и для обеспечения перетекания воздуха из одного помещения в другое только в одном направлении.

При эксплуатации ПКСП производственный автоматический газовый контроль (АГК) за содержанием метана, вредных газов, кислорода, температуры должен осуществляться при помощи датчиков контроля непрерывного действия, входящих в состав автоматизированной системы аэрогазового контроля шахты, которая в свою очередь является составной частью многофункциональной системы безопасности (МФСБ). Данная система должна обеспечивать непрерывное функционирование технических средств контроля содержания вредных газов, кислорода, температуры и расхода воздуха, а также систем жизнеобеспечения ПКСП при возникновении чрезвычайной ситуации (в случае выхода из строя подземной инфраструктуры МФСБ).

Использование в целях аэрогазового контроля и автоматической газовой защиты системы многофункционального измерительного контроля, связи, передачи информации и управления оборудованием необходимо:

• для измерения и автоматического контроля параметров рудничной атмосферы;
• контроля и управления установками и оборудованием с целью обеспечения безопасности работ в угольных шахтах;
• анализа, обработки, хранения, передачи информации и обмена информацией с автоматизированными рабочими местами.

Система управления и контроля средств жизнеобеспечения пункта коллективного спасения персонала (ПКСП) должна обеспечивать:

• непрерывную подачу необходимого для проветривания ПКСП количества воздуха;
• температуру подаваемого в ПКСП воздуха не менее +2 °С;
• непрерывный мониторинг концентрации вредных для дыхания газов.

Система управления и контроля средств жизнеобеспечения ПКСП должна быть включена в общую многофункциональную систему безопасности шахты и соответствовать требованиям в области промышленной безопасности и технического регулирования, обеспечения единства средств измерений и стандартов на взрывозащищенное электрооборудование, автоматизированные системы управления, информационные технологии, измерительные системы и газоаналитическое оборудование.

Система автоматического запуска средств жизнеобеспечения ПКСП в шахте должна состоять из электронных, электромеханических средств управления и прочих исполнительных механизмов и средств наблюдения за их состоянием.

Средства системы жизнеобеспечения пункта коллективного спасения персонала должны размещаться в поверхностном здании ПКСП и включать в себя:

• систему управления автоматическим запуском средств жизнеобеспечения;
• вентиляторные установки для подачи воздуха;
• систему электропитания;
• систему аварийного электропитания;
• систему диагностики и контроля;
• систему связи и управления.

Общая блок-схема системы управления средствами жизнеобеспечения ПКСП представлена на рисунке 4. В состав системы управления ПКСП входят системы визуализации, контроля и управления средствами жизнеобеспечения ПКСП, которые в свою очередь доступны диспетчеру шахты, обслуживающему персоналу шахты непосредственно в самом ПКСП и его поверхностном модульном здании. Система визуализации процессов происходящих в ПКСП должна отображать текущее состояние объекта и параметры текущих настроек оборудования.

Управление ПКСП должно осуществляться либо через отдельную панель управления, либо непосредственно через дисплей визуализации, оснащённый активной панелью срабатывающей от прикосновения оператора, которую также можно считать панелью управления. С панели управления можно производить включения или отключения средств жизнеобеспечения ПКСП или же изменять параметры средств, предварительно переведя систему запуска средств жизнеобеспечения ПКСП в ручное управление.

Рекомендуемая блок-схема автоматического запуска системы жизнеобеспечения пункта коллективного спасения персонала представлена на рисунке 5.

Управление системой запуска средств жизнеобеспечения ПКСП должно производиться автоматически или вручную и может осуществляться:

• с пульта управления в поверхностном здании ПКСП;
• с пульта управления горного диспетчера шахты по проводному или беспроводному каналам связи.

В состав системы диагностики и контроля входят:

• система сигнализации и видеонаблюдения;
• система аэрогазового контроля, включающая в себя датчики газоанализаторов и температуры;
• система позиционирования, включающая в себя датчики позиционирования персонала.

Система сигнализации и видеонаблюдения предназначена для охраны объекта от расхищения и вандализма, а также для наблюдения за процессом работы в ходе аварийной ситуации. Система оборудована бесконтактными охранными датчиками и видеонаблюдением. К видеонаблюдению подключена система распознавания движения, которая в свою очередь точно определяет присутствие человека на объекте.

Информация о присутствии на объекте поступает на терминал диспетчера шахты и выводится в виде сигнала.

Размещение оборудования предназначенного для поддержания жизнедеятельности персонала, находящегося в пункте коллективного спасения персонала на поверхности, предусматривает наличие модульного здания (возможно, контейнерного типа, полной заводской готовности), представленного на рисунке 6.

Ниже на рисунках 7 и 8 представлены схемы размещения оборудования и инвентаря для поддержания жизнедеятельности персонала в режиме ожидания прихода горноспасателей и режиме переключения в самоспасатели для дальнейшего движения к запасным выходам согласно плану ликвидации аварии.

Таким образом, сформулированные требования и концепция развития в угольных шахтах пунктов коллективного спасения персонала позволит существенно повысить уровень безопасности горняков в аварийных ситуациях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 декабря 2013 г. N 599)

2. СНиП 2.01.54-84. «Защитные сооружения гражданской обороны в подземных горных выработках»

THE CONCEPT OF CREATION OF POINTS OF COLLECTIVE RESCUE PERSONNEL IN CASE OF EMERGENCY

Cherepanov A.A., Eruslanov A.P., Yarosh A.S., Trubitsyn A.A., Kuznetsov D.A., Sergeev O.A., Musinov S.N.

The article presents the concept of the organization of points of collective rescue of personnel apprehended emergency situation in underground mining of coal mines. The basic requirements of accommodation options and solutions to the problem of life support conditions in PKSP.

Key words: POINT OF COLLECTIVE RESCUE OF PERSONNEL MANAGEMENT SYSTEMS LIFE SUPPORT, VENTILATION, SURFACE UNIT, UNDERGROUND UNIT.

Черепов Андрей Александрович
e-mail: info@evraz.com

Ерусланов Александр Петрович
e-mail: profnvgso@vgsch.ru

Ярош Алексей Сергеевич
e-mail: rosniigdbuh@mail.ru

Трубицын Аанатолий Александрович
e-mail: atrubitsyn@rambler.ru

Кузнецов Денис Александрович
e-mail: Kuznetsov.d.82@mail.ru

Сергеев Олег Аркадьевич
e-mail: soleg42mail.ru

Мусинов Станислав Николаевич
e-mail: niigpkem@mail.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 2-2015.

С.В. Шатиров
канд. техн. наук, зам. председателя Комитета Совета Федерации по промышленной политике Федерального Собрания РФ

В.В. Азатян
д-р хим. наук, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий лабораторией ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

В.А. Петухов
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Ли Хи Ун
д-р техн. наук, профессор, ученый секретарь АО «НЦ ВостНИИ»

Ю.М. Филатов
канд. техн. наук, первый заместитель генерального директора АО «НЦ ВостНИИ»

Настоящая работа посвящена исследованию влияния малых присадок i-C4H8, CO2, CF3H и CF4, а также их смесей на горение смесей метана с воздухом при атмосферном давлении с целью эффективного подавления процесса. Рассматривается также роль разветвленно-цепного механизма процесса в синергизме совместного влияния инертных газов и ингибиторов.

Ключевые слова: РЕАКЦИЯ ГОРЕНИЯ, ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ, РАЗВЕТВЛЕННО-ЦЕПНОЙ МЕХАНИЗМ, АТОМЫ РОДИКАЛЫ, ПОЖАРОТУШЕНИЕ

Исследование влияния химически активных добавок на реакции горения дает важные сведения о механизме и закономерностях этих процессов. Управление горением газов химическими методами, в том числе обеспечение взрывобезопасности, является также одной из наиболее важных проблем прикладного характера. Применяемые до последнего времени с этой целью методы имеют в основном не химический характер (огнепреградители, пламегасители, сильное разбавление инертными газами и др.). Связано это в основном с тем, что до последнего времени горение газов при атмосферном давлении и повышенных давлениях рассматривали как одностадийные реакции между валентно-насыщенными соединениями. Такой подход нередко встречается также в настоящее время, например в [1–10]. Очевидно, что одностадийные реакции могут самоускоряться только в результате саморазогрева и не чувствительны к присутствию посторонних примесей. Роль реакционных цепей считалась существенной только при давлениях в десятки раз ниже атмосферного давления. Для аналитического описания процессов использовался соответствующий математический аппарат. Температурную же зависимость скорости реакции представляют аррениусовской функцией. При численном моделировании процессов газофазного горения в реакционную схему обычно включают много десятков реакций атомов и радикалов. Однако вопрос о вкладе цепной лавины и раздельно саморазогрева не ставился или утверждалось, что воспламенение и горение при атмосферном давлении имеют тепловой, а не цепной характер [11,12].

Модель одностадийной реакции, также как и модель лимитирующей роли реакции между исходными молекулами, находится в противоречии с фактом быстрой реакции горения. Действительно, энергии активации межмолекулярных реакций очень большие, превышают 220 кДж/моль. Предэкспоненциальные же множители констант скорости, естественно, не могут быть больше числа двойных столкновений. Поэтому, константы скорости и, значит, сами скорости очень малы.

В настоящее время в большой серией экспериментальных и теоретических работ установлено, что горение подавляющего большинства газов протекает по разветвленно-цепному механизму, например [13–15]. Определяющая роль активных промежуточных частиц: свободных атомов и радикалов, представляющих собой осколками молекул, в горении и взрыве газов проявляется, прежде всего, в том, что эти процессы протекают за миллисекунды. Такие скорости могут быть достигнуты только в реакциях частиц со свободными валентностями, обеспечивающими очень малые энергии активации. Скорость разветвленно-цепного процесса в режиме горения пропорциональна концентрациям активных частиц:

W = kn[b] (1)

где k – константа скорости, с^-1;
n – концентрация активной частицы, атома или радикала, моль/л;
[B] –концентрация исходного молекулярного реагента, обычно кислорода, моль/л.

Атомы и радикалы вступают в реакции размножения и гибели. Соответственно, скорость изменения их концентрации равна алгебраической сумме скоростей таких реакций:

где f и g – скорости реакций размножения и гибели активных частиц при их единичной концентрации, с^-1.

Из уравнения (2) видно, что величина зависит от времени экспоненциально. И в условиях, при которых больше , эта экспоненциальная зависимость представляет собой экспоненциальный рост во времени даже при неизменной температуре. Более строго, интегрирование уравнения (2) приводит к выражению.

Но величина f, как было сказано, представляет скорость при единичной концентрации активных частиц. Значит в f входит константа скорости разветвления:

со своим фактором Больцмана:

где Е – энергия активации, Дж/моль;
Т – температура, °К;
R – газовая постоянная, Дж/моль·°К.

Таким образом, из уравнений (3), (4) и (5) видно, что концентрация активных частиц от температуры изменяется по закону «экспонента в экспоненте». Это чрезвычайно сильная зависимость, которая и наблюдается в процессах горения газов. Таким образом, получает объяснение не только большая скорость реакции, но также ее сильная зависимость.

Поскольку горение является химическим процессом, то следует ожидать, что при его протекании по цепному механизму химические средства – ингибиторы и промоторы должны оказать эффективное воздействие.

Для пожаротушения ранее использовались бромхладоны, однако эти вещества коррозионно агрессивны, токсичны и нестойкие. Их производство приостановлено в соответствии с рекомендациями ряда международных конвенций, в том числе Монреальской, Токийской в связи с проблемами экологии. Вследствие низкой эффективности воздействия этих соединений на горение требуются такие большие их концентрации, что ряд авторов не без основания считают влияние результатом основном разбавления и увеличения теплоемкости горючей смеси [7, 8]. Таким образом, установление цепной природы горения газов открыло широкие возможности использования химических методов в управлении горением газов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. ФранкКаменецкий – М.: Наука, 1987. – 491 с.
2. Химическая энциклопедия. – М.: Сов. энциклопедия, 1988. – Т. 1. –1164 c.
3. Мержанов, А.Г. Теория волн горения в гомогенных средах / А. Г. Мержанов, Б. И. Хайкин – Черноголовка: ОИХФ РАН, 1992. – 160 с.
4. Бабкин, В.С. Фильтрационное горение газов [Текст]: дис. … д-ра физ.-мат. наук / В. С. Бабкин,Физика горения и взрыва М.: ИХФ РАН, 1993.
5. Пределы распространения пламени в канале при фильтрации газа / В. В. Замащиков, С. С. Минаев // Физика горения и взрыва – 2001. – Т. 37. – № 1. – С. 25 - 31.
6. Dou H.S., Tsai H.U., Khoo B.Ch. // Comb. Flame. – 2008. –V. 154. – P. 644.
7. Kislov, V.M. Proc. Int. Seminar on Nonequilibrium Processes / V. M. Kislov, E. A. Salgansky, G. B.Manelis – M.: Torus Press, 2005. – P. 247 – 253.
8. Стабилизированная волна горения газов в инертной среде / Ю. М. Лаевский, В. С. Бабкин // Физика горения и взрыва. – 2008. – Т. 44. – № 5. – С. 8– 15.
9. Тепловой взрыв газовой смеси в полом пористом цилиндре / Чумаков Ю.А., Клязева А.Г. // Физика горения и взрыва. – 2010. – Т. 46. – № 5. – С. 20 – 27.
10. Кукин, П. П. Теория горения и взрыва / В. В. Юшин, С. Г. Емельянов – М.: Юрайт, 2012. – 435 с.
11. Lewis В., Von Elbe G. Combustion, Explosions and Flame in Gases. N.Y. – L.: Acad. Press, 1987. 592 p.
12. Warnatz, Jürgen: Combustion: physical and chemical fundamentals, modeling and simulation,experiments, pollutant formation / I J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble.– N.Y.Springer, 2001. - 3. ed. ISBN
978-3-662-04510-7
13. Петрова, Л.Д. Сб. Горение и взрыв / В. В. Азатян, А. Н. Баратов [и др.]. – М.: Наука,1977. – С.526–528.
14. Азатян, В.В. Ингибирование горения и детонации водородо-воздушных смесей за фронтом ударной волны / В. В. Азатян, В. А. Павлов, О. П. Шаталов // Кинетика и катализ. – 2006. – Т. 40. – № 6. – С. 835.
15. Азатян, В. В. Научные основы и эффективные химические методы управления процессами горения, взрыва и детонации газов //Журнал физической химии. – 2011. – Т. 85. – № 8. С. 1405.

CHEMICAL METHODS OF FLAMMABLE GAS CONTROL

Shatirov S.V., Azatian V.V., Petukhov V.A., Li Hi Un, Filatov Y.M.

The present work is devoted to researches of small additives i-C4H8, CO2, CF3H и CF4, and also their mixtures influence on methane-air mixtures burning at the atmospheric pressure in order to suppress this process. Also the role of a branchedchain mechanism in synergy process of mutual effect of inert gases and inhibitors is reviewed.

Key words: BURNING REACTION, EXPLOSIONPROOF, BRANCHED-CHAIN MECHANISM, atoms radicals, FIRE SUPPRESSION

Шатиров Сергей Владимирович

Азатян Вилен Вагаршович
e-mail: azatyan@ism.ac.ru

Петухов Вячеслав Александрович
e-mail: petukhov@ihed.ras.ru

Ли Хи Ун
e-mail: leeanatoly@mail.ru

Филатов Юрий Михайлович
e-mail: y.filatov@nc-vostnii.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 2-2015.

В.Н. Опарин
член-корреспондент РАН, д-р физ.-мат. наук, проф. ИГД СО РАН

Статья посвящена современным достижениям нелинейной геомеханики, приведены методологические основы для создания многослойной геоинформационно-мониторинговой системы «Геомеханико-геодинамической безопасности России». Рассматривается понятие о канонической шкале структурно-иерархических представлений горных пород и их массивов. Рассматривается явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия, волны маятникового типа в напряженных геосредах, явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок и процесс самоорганизации в закладочных массивах.

Работа выполнена в рамках реализации партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100 и проекта ОНЗ РАН-3.1.

Ключевые слова: ГЕОМЕХАНИКА, ГЕОДИНАМИКА, МОНИТОРИНГ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ГЕОИНФОРМАТИКА, ГОРНЫЙ МАССИВ, ВЗАИМОСВЯЗЬ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Введение

Динамика развития горнодобывающего комплекса в России и в мире за минувшее столетие привела к качественно новой ситуации, когда «локальные» геомеханические поля, индуцируемые техногенной деятельностью человека, уже не являются пренебрежимо малыми в сравнении с глобальными геодинамическими полями тектонически активной Земли, в том числе и самой верхней ее оболочки [1, 2]. Следовательно, рассматривая шахты и рудники как уникальные природные лаборатории, широко представленные по поверхности континентов земного шара, где можно детально исследовать во взаимосвязи геомеханические и геодинамические процессы инструментальными горно-геофизическими и спутниковыми геодезическими методами, естественной представляется идея «синхронизации» и «геообъектной привязки» геомеханической информации к глобальной геофизической и геодезической. В России она в значительной мере представлена «Федеральной системой сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений», находящейся под эгидой Геофизической службы РАН и МЧС России [3].

В качестве методологической основы для создания многослойной геоинформационно-мониторинговой системы «Геомеханико-геодинамической безопасности России», состоящей из трех базовых геоинформационных слоев (подземного, наземного и надземного) могут служить следующие важнейшие положения, установленные экспериментально [1 - 5]:

- основными свойствами геосреды являются ее блочно-иерархическое строение и постоянное колебательное движение структурных элементов горного массива. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют о практически повсеместной распространенности разнопериодных циклических вертикальных и горизонтальных движений геоблоков разного масштабного уровня;

- подвижность земной коры и ее проницаемость для жидкости и газов обусловлены наличием трещин, соразмерных отделяемым ими геоблокам соответствующего иерархического уровня. Речь идет о «локализованном» характере динамического деформирования геосреды, наличии активных массообменных процессов в межблоковых трещинных пространствах и ярко выраженном проявлении эффекта аномально высокой тензочувствительности геофизических полей в зонах сопряжения геоблоков по всей их иерархии;

- основными энергетическими источниками движения структурных элементов геосреды и ее геосфер в целом являются тепло недр Земли (тектонические силы), гравитационные приливы от планет Солнечной системы, атмосферное давление и техногенная деятельность человека.

Отмеченные положения - непременное условие, обеспечивающее взаимосвязь энерго- и массообменных процессов между геосферами Земли, а также космическим пространством. Наиболее ярко выражена эта взаимосвязь в тектонически активных зонах (горно-складчатых системах) нашей планеты. С ними, нередко, ассоциированы и места локализации крупных месторождений полезных ископаемых.

Минувшее десятилетие ознаменовалось также крупными достижениями в области нелинейной геомеханики, разработки специализированных геоинформационных продуктов [9 - 11] и создания новых измерительно-вычислительных комплексов приборов и оборудования для мониторинга напряженно-деформированного состояния породных массивов, особенно для областей с сильными техногенными воздействиями ведением горных работ [6 - 8].

В этой связи автор ограничился упоминанием лишь трех крупных научных результатов из области нелинейной геомеханики и геофизики, которые явились в известной мере основополагающими для цикла экспериментально-теоретических исследований [1 - 7] по формированию ряда ключевых элементов для будущей многослойной геоинформационной системы «Геомеханико-геодинамической безопасности России», а в перспективе – и мира.

Эти открытия, условно, можно отнести к описанию нелинейных динамических процессов в геосредах со структурой (явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия) и нелинейных квазистатических процессов в массивах горных пород (явление зональной дезинтеграции горных пород), связанных «самоорганизующимися» системами.

Оба из отмеченных геомеханических эффектов связаны с блочно-иерархическим строением геоматериалов и массивов горных пород, которым дано каноническое описание в [12]. Последнее является принципиально важным для количественного построения соответствующих геомеханических моделей геосред.

Упоминание лишь этих трех, в достаточной мере универсальных, геомеханических результатов для высоконапряженных массивов горных пород обусловлено наличием у них необходимого конструктивного потенциала не только для выделения «иерархической соподчиненности» множества наблюдаемых в натурных условиях физических эффектов с позиции причинно-следственных связей, но и для выбора «независимых» (взаимно-дополняющих друг друга) методов измерения и количества контролируемых параметров относительно катастрофических событий, по-видимому достаточных для надежного прогноза по их месту и времени проявления, а также генезиса (природные, техногенные, «триггерные» или смешанного типа).

О канонической шкале структурно-иерархических представлений горных пород и их массивов. Геомеханические «инварианты»

На рубеже минувшего ХХ-го и наступившего ХХІ-го столетий произошло важное для естествоиспытателей событие – понимание того, что в основе развития нелинейных геомеханических и геодинамических процессов лежит блочно-иерархическое строение массивов горных пород. На это обстоятельство, пожалуй, впервые особое внимание было обращено в работах академика М.А. Садовского и его учеников из Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР, а также коллективом ученых Института горного дела СО АН СССР, существенно развивших базовые представления академика М. А. Садовского о блочно-иерархическом строении объектов геосреды в широком диапазоне их линейных размеров. Практически, речь идет о диапазоне линейных размеров от атомарных и до космических масштабных уровней [12].

Еще сравнительно недавно при описании деформирования массивов горных пород под воздействием естественных либо техногенных возмущений геосреда моделировалась в виде однородного изотропного континуума. Для получения количественных соотношений о напряженно-деформированном состоянии горных пород и описания геомеханических и геодинамических процессов использовался математический аппарат механики сплошных сред. На известном этапе развития науки о природе и характере протекания процессов, происходящих в массивах горных пород под воздействием естественных и антропогенных факторов, такой подход к их описанию был вполне естественным и в достаточной мере удовлетворял исследователей и практиков.

Однако, с развитием экспериментальных методов геомеханики и геофизики стали множиться факты, для объяснения которых необходимо было учитывать, что реальные массивы горных пород на самом деле представляют собой сложно построенные среды, расчлененные поверхностями и зонами ослабления на отдельные блоки различного масштабного уровня. В настоящее время для количественного описания этой реальности активно разрабатывается кластерный подход, основанный на существовании канонических рядов структурных отдельностей и сопряженных с ними амплитудно-периодных спектров геофизических и геомеханических полей (спектроскопический подход) [12].

Обобщение результатов исследований в этом важном направлении количественного описания блочно-иерархического строения массивов горных пород дано в недавно вышедшей в свет фундаментальной монографии [12], в которой представлены в систематизированном виде результаты многолетних исследований, посвященных поиску формализованных связей как для количественного описания собственно блочно-иерархического строения массивов горных пород и геоматериалов, так и обусловленности им физико-механических свойств различных типов горных пород в процессах разрушения.

В [12] закладываются научные основы для развития нового направления в горных науках – горного породоведения, связанного с построением классификаций горных пород и их массивов по физико-механическим свойствам в канонических шкалах. Теоретические положения новых классификаций горных пород базируются на общности закономерностей самоорганизации геовещества на разных масштабных уровнях в процессах его дезинтеграции и кластеризации.

Основываясь на установленных закономерностях, впервые предложены аналитические зависимости для построения классификаций горных пород по размерам естественных отдельностей. Их особенность заключается в ориентированности на генетические типы пород, что обусловлено огромным опытом, накопленным геологами. Этот опыт свидетельствует о том, что каждый генетически одинаково организовавшийся тип породы представлен естественными отдельностями (кристаллы, обломки, зёрна, кристаллиты и пр.), размеры которых находятся в известных пределах (от минимальных до максимальных). Так как часто возникает необходимость построения узко ориентированных (частных) классификаций не только по основным генетическим типам горных пород, но и по их специфическим разновидностям, то для сопоставимости, как оказывается, частные классификации можно привести к инвариантной шкале. Это позволяет определить место различных горных пород в иерархически организованных процессах кластеризации геовещества, опираясь на достаточно универсальный закон «квантования» структурных отдельностей [13]:

Указанная в (1) связь несёт глубокий методологический смысл, заслуживающий дальнейших исследований не только на экспериментально-статистическом уровне, но и с привлечением методов энергетического анализа. Актуальность этого направления исследований несомненна ввиду очевидной его методологической и практической важности как в решении прямых и обратных задач литологии, так и для решения геомеханических и геотехнологических задач по добыче и переработке полезных ископаемых.

Важно, что установленная закономерность (1), проявляющаяся в блочно-иерархическом строении горных пород и массивов, одновременно отражает их прочностные свойства. Это стало основанием для введения новых классификаций горных пород в канонических шкалах1 по пределам прочности при одноосном сжатии и растяжении, контактной и агрегатной прочности. Такие классификации получены как для горных пород в целом (т.е. без акцента на их разновидности), так и для основных генотипов пород углевмещающей толщи Кузбасса. Разработанная при этом методика позволяет осуществлять приведение частных однопараметрических шкал по прочностным свойствам горных пород к инвариантной шкале. Физические причины, обусловившие расположение частных шкал по прочностным свойствам в различных интервалах инвариантной шкалы, требуют дальнейших исследований.

Развиваемый в [12] методический подход к решению проблемы количественного отображения зависимости горнотехнологических свойств горных пород от совокупности физико-механических основывается на канонической закономерности распределения прочностных свойств, используемой авторами для построения однопараметрических классификаций. Это позволило впервые получить классификации, в которых отражено совокупное влияние физико-механических свойств горных пород на процессы разрушения по их сопротивляемости разрушению (близкий аналог классификации проф. М. М. Протодьяконова и акад. В. В. Ржевского); водопрочности основных генотипов пород Кузбасса; абразивной способности горных пород; прочности породного массива; сопротивляемости горных пород бурению.

Выполненный комплекс исследований создает теоретические основы построения классификаций горных пород, в существенной мере исключающий элементы субъективизма при их построении.

Это фундаментальное направление исследований во многом связано с открытием явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок [13]. Оно свидетельствует о наличии своеобразного закона «квантования геомеханической энергии» при образовании подземных выработок (полостей) в условиях больших глубин с коэффициентами «подобия» относительно их начального радиуса r0 в виде r0 (√2)n, где n – целые числа, а также сопряженного канонического ряда структурных отдельностей (1).

Важно, что при этом установлена и статистически инвариантная связь между «раскрытием» (среднее расстояние между берегами) трещин (δ) в горных массивах и диаметрами отделяемых ими геоблоков (Δi) различного иерархического уровня i:

Эта характеристика является весьма важной для оценки «меры подвижности» νΔ(δ) структурных элементов (блоков) в стесненных условиях массивов горных пород и, фактически,сопряжена СμΔ(δ):

поскольку отделяющие геоблоки трещины всегда частично заполнены газом, жидкостью или более мелким фрагментированным твёрдым веществом. Для реальных массивов горных пород достаточно часто можно использовать упрощенную связь:

Явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия и волны маятникового типа в напряженных геосредах [4, 5]

Эти открытия стали этапными в создании экспериментально-теоретических основ нелинейной геомеханики и геофизики и связаны с работами ученых из ИГД СО АН СССР и ИФЗ им. О.Ю. Шмидта АН СССР (Спецсектор), выполнивших большой комплекс экспериментальных исследований по изучению особенностей механического последствия взрывов разной мощности – от обычных взрывов для ведения горных работ при отработке месторождений твердых полезных ископаемых и до ядерных, что позволило вначале установить неизвестное ранее явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия [14].

Суть данного явления заключается в том, что при образовании полостей внутри массивов горных пород посредством мощных взрывов в их окрестностях происходят смещения разных знаков между геоблоками с колебательным движением друг относительно друга, обусловленные стесненным поворотом и трансляционным движением породных блоков разного иерархического уровня, зависящего от размеров образующихся полостей, горного давления и энергии взрывов.

Эта, на первый взгляд, простая формулировка результата привела к постановке принципиально новых задач для последующих теоретических, экспериментальных и прикладных исследований [4, 5].

В частности, была выдвинута гипотеза о возможности существования в массивах горных пород нелинейных упругих волн маятникового типа, носителями которых являются не абстрактные математические «элементарные объёмы», но реальные структурные элементы геологического вещества в приближении «абсолютно твёрдых тел» [15]. Для их регистрации (рис. 1, 2) и теоретического анализа в последнее десятилетие ведутся исследования и разработки в ряде институтов СО РАН в рамках интеграционных проектов [6 - 8].

Существенной особенностью знакопеременной реакции горных пород на мощные взрывные воздействия в геосредах стало их «дальнодействие»: локальные механические проявления необратимого характера, как оказалось, происходят до расстояния (8 – 10)·R, где R – радиус зоны взрывного разрушения породы.

Иными словами, в результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что процесс деформирования массива горных пород имеет ярко выраженный неоднородный характер: деформации локализуются на поверхностях и в областях ослабления массива, а структурные блоки движутся в значительной мере независимо. При этом движение блоков имеет знакопеременный характер по трансляционным и вращательным компонентам.

Обнаружение явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия явилось экспериментальным доказательством того, что большая доля энергии взрывов расходуется не только на дробление породного массива в очаговой зоне и её непосредственной окрестности, но и передаётся в виде кинетической энергии структурным элементам напряженной геосреды [8, 16].

В работах [14, 16] показано, что нелинейные упругие волны маятникового типа обладают чрезвычайно широким скоростным диапазоном своего распространения в массивах горных пород и непосредственно зависят как от напряженно-деформированного состояния последних, так и их блочно-иерархического строения. Устанавливается также прямая зависимость скоростных характеристик этого типа волн от мощности источника их возмущения, а также возможность существования т.н. «геомеханических волноводов». Эти возможности, безусловно, необходимо использовать в построении новых мониторинговых систем.

В качестве примера [16], можно отметить, что в ИГД СО РАН создана и запущена в эксплуатацию не имеющая аналогов в России многоканальная измерительная система «Карьер» для контроля геомеханического состояния бортов глубоких карьеров алмазоносных трубок Якутии (рис. 3). Входящий в состав системы «Карьер» измерительно-вычислительный комплекс со специально созданными деформационно-волновыми датчиками и с радиоканалом дистанционной передачи информации в Центр ее сбора (ЦСИ) позволяют решать задачи по оценке устойчивости прибортовых зон глубоких карьеров в экстремальных природно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. В настоящее время система в составе двух измерительно-вычислительных комплексов проходит опытную эксплуатацию в режиме мониторинга на трубке «Удачная» (Якутия).

Явление зональной дезинтеграции горных пород и процессы самоорганизации в породных массивах

В монографии [17] представлены основные достижения в области исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород вокруг подземных выработок при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах, в первую очередь на примере полиметаллических рудников Талнахско-Октябрьского месторождения (г. Норильск, Россия).

Ключевая роль в понимании этих, нелинейных в своей основе, процессов принадлежит явлению зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок [18], зарегистрированному в начале 90-х годов минувшего века в СССР как научное открытие № 400 СССР [19].

Речь идет об открытии своеобразного «эффекта квантования упругой энергии» вокруг подземных полостей при их образовании на глубинах, где достигаются условия близости или превышения действующего уровня горного давления относительно предельно-прочностных свойств горных пород.

Открытие этого явления дало мощный импульс исследованиям в этом направлении для широкого спектра горно-геологических условий отработки месторождений полезных ископаемых: не только рудных, но и нерудных, в том числе угольных [20 - 23] и даже нефтегазовых [24].

Большой шаг сделан и в области разработки теоретических основ описания явления зональной дезинтеграции [17, 25 - 27], что само по себе имеет принципиальную значимость. В этом аспекте следует особо отметить цикл исследований, выполненных китайскими учеными [28 - 30].

Как известно, уголь играет особую роль в развитии энергетического и химико-технологического комплекса современной цивилизации. В этом отношении Кузбасс играет исключительно большую роль благодаря большим запасам высокомарочных углей. За более чем вековую историю освоения в этом регионе угольных запасов в настоящее время все более актуальными становятся проблемы не только безопасности ведения горных работ на более глубоких горизонтах залегания высокого качества углей, но и экологические проблемы из-за изменения гидрогеологического режима в районах ведения горных работ открытым и подземным способами.

Более явно проявляют себя крупномасштабные деформационные процессы, развивающиеся на протяжении многих десятилетий вокруг отработанных шахтных полей в подземных условиях, либо «законсервированных» на неопределенное время из-за убыточности отработки угольных шахт региона в современных экономических условиях ведения хозяйства в стране. Выход на поверхность Земли зон локализации деформаций от сдвижения подработанных толщ массивов горных пород приводит в результате к трудно контролируемым ныне процессам самовозгорания и последующего горения, в том числе оставляемых по разным причинам не извлекаемых запасов угля.

Нередкими и учащающимися становятся случаи выхода глубинного метана по формирующимся зонам локализации деформаций от ведения подземных горных работ на поверхность земли, сопровождающиеся возникновением пока локального возгорания метана в пределах некоторых поселений Кемеровской области. Поскольку Кузнецкий угольный бассейн находится в тектонически активной зоне Алтае-Саянской складчатой области, то длительные процессы самоорганизации в пределах многочисленных шахтных полей этого бассейна приводят в результате к возникновению новых волноводных структур для распространения сейсмических волн от землетрясений и технологических взрывов на карьерах, иногда трудно различимых по своему генезису.

В этой связи хотелось бы особо отметить большой цикл экспериментально-теоретических исследований, проведенных на угольных месторождениях под руководством профессора Г. Я. Полевщикова [21 - 23]. Так, Геннадием Яковлевичем совместно с сотрудниками на примере отработки угольных шахт Кузбасса экспериментально была установлена связь между развитием крупномасштабных зонально-дезинтеграционных процессов в продуктивных пластах и вмещающих породных массивах, и пространственной локализацией сопутствующих газодинамических событий (рис. 4, 5).

Отмеченные крупномасштабные процессы самоорганизации рудных и угольных массивов горных пород являются принципиально значимыми для интерпретации комплексных геомеханических, геофизических и иных данных в перспективных мониторинговых системах геомеханико-геодинамической безопасности горнопромышленных систем. Возможность их количественного (канонического) описания в рамках развития зонально-дезинтеграционных процессов различного масштабного уровня дает важный конструктив как для ретроспективного анализа имеющейся разноплановой информации, так и для построения прогнозных оценок развития сложных геомеханических процессов [32]. Здесь ключевая роль принадлежит масштабному фактору явления зональной дезинтеграции для массивов горных пород вокруг отрабатываемых пространств.

Выводы.

Таким образом, наметилась четкая тенденция по сближению и активному взаимодействию специалистов, разрабатывающих измерительные системы мониторинга и приборные комплексы горно-геофизического и геомеханического направлений. Основными факторами, способствующими такому сближению, стали новые открытия в области нелинейной геомеханики и геофизики, связанные с блочно-иерархическим строением массивов горных пород и геоматериалов, выделением групп медленных волн деформаций (волны маятникового типа), динами-ко-кинематические характеристики которых несут непосредственно информацию о напряженно-деформационном состоянии породных массивов и энергетических параметрах источников их излучения.

Реализованный объем научных исследований и технических разработок, несомненно, является крупным вкладом в развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геомеханики и геофизики, создавая соответствующие предпосылки для построения новых (прежде всего сейсмодеформационно-электромагнитных) систем комплексного мониторинга горных ударов и техногенных землетрясений на рудниках и шахтах России. Обеспечение их геоинформационной сопряженности и совместимости с ныне действующей Федеральной системой сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений России – залог успешного решения сформулированной в [4, 5] проблемы необходимости создания многослойной мониторинговой системы «Геомеханико-геодинамической безопасности России и мира».В этом нами видится и мощный конструктивный потенциал для укрепления научно-практического взаимодействия между геофизиками, геомеханиками и горняками при обеспечении стратегии освоения месторождений полезных ископаемых в ныне усиливающейся в мире тенденции перехода ведения горных работ на глубокие горизонты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Опарин, В.Н. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования/ В.Н. Опарин [и др.] – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. – 450 c.

2. Опарин, В.Н. Землетрясения, горные удары, внезапные выбросы породы, угля и газа: механизмы формирования и критерии прогнозирования катастрофических событий / В.Н. Опарин, А.В. Леонтьев // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2011. – т. І. – с.21 – 48.

3. Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений: информационно-аналитический бюллетень. Специальный выпуск. М.: МЧС России, 1995. - Т. 2, № 1,- 112 с.

4. Адушкин В.В., Опарин В.Н. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия – к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. І / В.В. Адушкин, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. – 2012. - № 2. – С. 3 – 27.

5. Адушкин В.В. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия – к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. ІІ / В.В. Адушкин, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. – 2013. - № 2. – С. 3 – 46.

6. Опарин В.Н. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород / В.Н. Опарин [и др.]. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. – 320 с.

7. Опарин В.Н. Методы и системы сейсмо-деформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов / В.Н. Опарин [и др.]. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - Том 1. – 304 с.

8. Опарин, В.Н. Методы и системы сейсмо-деформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов / В.Н. Опарин [и др.]. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. -Том 2. – 261 с.

9. Потапов, В.П. Интеграция пространственных геоданных и распределенных вычислительных модулей для решения горно-технологических задач / В. П. Потапов, С.Е. Попов // Геоинформатика. – 2007. - № 3.

10. Опарин, В.Н. К вопросу формирования информационной геомеханической модели строения Кузнецкого угольного бассейна / В.Н. Опарин [и др.] // ФТПРПИ. – 2006. - № 3. – С. 27 – 49.

11. Потапов, В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий / В.П. Потапов – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. – 211 с.

12. Опарин, В. Н. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении / В.Н. Опарин, А. С. Танайно – Новосибирск: Наука, 2011. – 259 с.

13. Курленя, М.В. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. І / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. - 1999. - № 3. – С. 12 – 26.

14. Курленя, М.В. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. ІІ / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. - 2000. - № 4. – С. 3 – 26.

15. Курленя, М.В. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа υμ / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.И. Востриков // ДАН. – 1993. – т. 333, № 4. – С.515 – 521.

16. Опарин, В.Н. Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия / В.Н. Опарин [и др.]. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. – 632 с.

17. Опарин, В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок. / В.Н. Опарин [и др.].– Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. – 278 с.

18. Шемякин, Е.И. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Е.И. Шемякин [и др.] // ДАН СССР. – 1986. – т. 289, № 5. – С. 1088 – 1094.

19. Шемякин, Е.И. Открытие № 400 СССР. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Е.И. Шемякин [и др.]. // БИ. – 1992. - № 1. – С. 3.

20. Ягунов, А.С. Динамика деформаций в подрабатываемом горном массиве / А.С. Ягунов - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. – 239 с.

21. Полевщиков, Г.Я. Газогеомеханические процессы при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – Кемерово, 2010.

22. Полевщиков, Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю. Назаров // ГИАБ. – 2001. - № 5. – С. 121 – 127.

23. Полевщиков, Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева // ГИАБ. – 2002. - № 11. – С. 117 – 120.

24. Опарин, В.Н. О нелинейных деформационно-волновых процессах в виброволновых геотехнологиях освоения нефтегазовых месторождений / В.Н. Опарин, Б.Ф. Симонов // ФТПРПИ. – 2010. – № 2. – С. 3 – 25.

25. Одинцев, В.Н. Отрывные разрушения массива скальных пород/ В.Н. Одинцев – М.: ИПКОН РАН, 1996. – 166 с.

26. Гузев, М.А. Неевклидова модель зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных вы- работок / М.А. Гузев, А.А. Парошин // ПМТФ. – 2000. - № 3. – С. 181 – 195.

27. Гузев, М.А. Деформирование и разрушение сильно сжатых горных пород вокруг выработок / М.А. Гузев, В.В. Макаров // Владивосток: Дальнаука, 2007. – 232 с.

28. Ван Ксю-бин. Численное моделирование механизма пространственной локализации деформации в процессе зональной дезинтеграции / Ван Ксю-бин, Пан И-Шан, Чжан Чжи-хуэй // ФТПРПИ. – 2013. - № 3. – С. 21 – 32.

29. Циопин Чжоу. Неевклидова модель разрушения глубокозалегающего породного массива в условиях несовместной деформации / Циопин Чжоу, Циц Цянь, Кс. П. Чжоу, Кв. Х. Цянь // ФТПРПИ. – 2013. - № 3. – С. 33 – 41.

30. Циху Цян. Влияние горизонтальных напряжений на явление зональной дезинтеграции горных пород в массиве с выработкой круглого сечения / Циху Цян, Чжу Ксяопин, Кси Еньшин // ФТПРПИ. – 2012. - № 2. – С. 88 – 97.

31. Полевщиков, Г.Я. Газодинамическая активность угольных пластов и зональная дезинтеграция массива горных пород при ведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископае- мых на больших глубинах: тр. 2-й Рос.-Кит. науч. конф. — Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. – С. 83 – 89.

32. Опарин, В.Н. Геомеханические и технические основы увеличения нефтеотдачи пластов в виброволновых технологиях / В.Н. Опарин [и др.] – Новосибирск: Наука, 2010. – 404 с.

MODERN ACHIEVEMENTS OF NONLINEAR GEOMECHANICS AND METHODOLOGICAL BASIS FOR GEOMECHANICAL – GEODYNAMICAL SAFETY MONITORING SYSTEM CONSTRUCTION AT MINING ENTERPRISES

Oparin V.N.

The article is devoted to modern achievements of nonlinear geomechanics, methodological basis for construction of multilevel geoinformational monitoring system of «Geomechanical – geodynamical safety of Russia» are brought. The concept about canonical scale of structuralhierarchical presentation of mine rocks and their masses is reviewed. Phenomenon of alternating reactions of rocks on the dynamic effects, pendulum-type waves in tensed geoenvironments, phenomenon of zonal disintegration of rocks around underground openings and the process of selforganization in the filling massif are reviewed. The work is done within the frames of implementation of partnership integration project No. 100 of RASc SB and project ON3 RASc-3.1.

Key words: GEOMECHANICS, GEODYNAMICS, MONITORING, SAFETY, GEOINFORMATICS, ROCK MASSIF, INTERCONNECTION, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES

Опарин Виктор Николаевич
e-mail: oparin@misd.nsc.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 1-2015.

В.П. Доманов
канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ»

Ю.А. Масаев
канд. техн. наук, профессор кафедры строительства подземных сооружений и шахт ФГБОУ ВПО «КузГТУ»

В.Ю. Масаев
канд. техн. наук, доцент кафедры экономики и управления на предприятии Кемеровского института (филиал) ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г.В. Плеханова»

Е.Н. Балаганская
канд. экон. наук, доцент кафедры мировой экономики Кемеровского института (филиал) ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г.В. Плеханова»

Рассмотрены условия формирования зоны нарушенности законтурного породного массива в зависимости от параметров расположения зарядов взрывчатых веществ в оконтуривающих шпурах.

Ключевые слова: ПРОХОДЧЕСКИЙ ЗАБОЙ; ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА; ЗАРЯД; УДАРНАЯ ВОЛНА; РАЗРУШЕНИЕ

При углублении горных выработок происходит трансформацию состояния породного массива вследствие изменения различных механических процессов, связанных с действующим горным давлением и общим напряженным состоянием. В таких условиях изменяется и устойчивость породных обнажений при сооружении горных выработок, особенно при использовании взрывных работ.

Процесс разрушения горных пород взрывом характеризуется строго определенным пределом энергоемкости качественного дробления, зависящим от прочностных свойств породы, характера её разрушения, естественного распространения микро и макротрещин, показателя степени дробления, избранной схемы расположения зарядов взрывчатых веществ (ВВ) и полностью определяет необходимые энергетические затраты взрыва на разрушение необходимого объема горной породы. При увеличении энергии взрыва до величины выше предела энергоемкости разрушения, улучшения качества дробления обычно не наблюдается, но при этом имеют место непроизводительные перерасходы энергии на излишние разрушения породного массива за контуром горной выработки.

Из методов управления энергией взрыва, базирующихся на использовании энергетических параметров процесса разрушения породного массива, в горнодобывающей промышленности используют следующие: выбор типа ВВ в соответствии с конкретными горно-геологическими характеристиками разрушаемой горной породы; выбор конструктивных параметров взрываемых зарядов ВВ; количественная оценка запаса энергии применяемых ВВ и равномерности распределения её по разрушаемому породному массиву; регулирование условий передачи энергии взрыва окружающей породе.

Завышенная концентрация энергии ВВ в оконтуривающих шпурах горной выработки приводит к нарушенности законтурного массива, что, в свою очередь, ведет к потере устойчивости породных обнажений.

Степень нарушенности законтурного массива зависит от напряженного состояния породы вокруг горной выработки, параметров взрыва, свойств взрывчатого вещества и кривизны траектории размещения оконтуривающих шпуров.

В ранее опубликованных нами материалах [1] были приведены результаты производственных исследований влияния взрывных работ на состояние законтурного массива без пояснения физической сущности происходящих процессов, изучение которых позволило бы управлять влиянием энергии взрыва на окружающий породный массив.

При взрыве зарядов ВВ в окружающий породный массив переходит мощная ударная волна трансформирующаяся затем в волну напряжения, взаимодействие которых с породным массивом и формирует зоны нарушенности.

Действие взрыва в оконтуривающих шпурах происходит при наличии двух обнаженных поверхностей, поэтому на законтурный массив действуют как прямые волны напряжений, так и отраженные от предконтурной плоскости обнажения волны.

По данным исследований А.Н. Ханукаева максимальные радиальные напряжения в крепких горных породах при взрывании удлиненных зарядов ВВ составляют

Проходящая по породному массиву волна напряжения создает зону предразрушения, а при ее подходе к обнаженной поверхности, образованной после взрыва отбойных шпуров, происходит ее отражение на границе раздела сред. Отраженная волна напряжений может распространяться в законтурный массив, если к моменту ее формирования между оконтуривающими шпурами еще не будут образованы трещины.

Это условие можно выразить в виде:

Из полученного выражения видно, что минимальное расстояние между оконтуривающими шпурами, обеспечивающее локализацию отраженной волны, зависит от скорости разрушения участков породы между оконтуривающими шпурами, скорости распространения волны напряжений и величины линии наименьшего сопротивления оконтуривающего ряда.

В лабораторных условиях на моделях было проведено сравнение влияния на величину зон нарушенности только одного фактора – кривизны траектории размещения зарядов оконтуривающих шпуров.

Исследования влияния других факторов были проведены в производственных условиях шахт Кузбасса. Величина нарушенности законтурного массива определялась методом сквозного ультразвукового прозвучивания законтурного массива пород после взрыва зарядов ВВ и исследованием на энергоемкость разрушения породных кернов, извлеченных из законтурного массива. Оценочными факторами являлись: коэффициент крепости пересекаемых горных пород; расстояния между оконтуривающими шпурами; повторность воздействия взрывных нагрузок от действия взрыва зарядов ВВ последующих циклов; изменение нарушенности породного массива в направлении глубины шпуров.

Исследования показали, что по всей длине выработки породный массив получает нарушенность глубиной 0,5 – 1 м. Кроме того, через некоторый интервал, равный длине применяемой внутренней забойки, наблюдаются дополнительные ослабления массива общей глубиной до 0,7 – 1,35 м.

Исследования трещиноватости кернов, взятых из законтурного массива, показали, что на глубине 10 – 20 см образуется густая сеть трещин, на глубине до 40 см сеть трещин становится реже, а на глубину до 1 м и более распространяются лишь отдельные трещины. Более точную картину изменения состояния законтурного массива дает исследование на энергоемкость разрушения образцов породы, взятых с различной глубины законтурного пространства после взрыва.

Относительная энергоемкость разрушения, равная единице, получена на глубине несколько большей, чем глубина нарушенности, установленная анализом трещиноватости кернов и ультразвуковым методом. Общую зону нарушенности породного массива вокруг горной выработки можно разделить на область трещинообразования, непосредственно прилегающую к контуру выработки, простирающуюся вглубь массива до 0,3 – 0,5 м и область волнового ослабления породы, простирающуюся за областью трещинообразования до глубины 1,1 – 1,5 м. На величину зон нарушенности влияет форма контура выработки. Установлено, что наибольшая глубина зоны нарушенности наблюдается при минимальном радиусе кривизны размещения зарядов ВВ. При этом, глубина зон нарушенности в своде выработки составляет 1,2 – 1,3 глубины зоны нарушенности в боках выработки.

Значительное влияние на величину зон нарушенности и их состояние оказывает расстояние между оконтуривающими шпурами. Исследования глубины нарушенности законтурного массива в зависимости от расстояние между оконтуривающими шпурами (Е) были проведены в слаботрещиноватых породах в диапазоне расстояния между оконтуривающими шпурами от 0,4 до 0,9 м. Во всех случаях линия наименьшего сопротивления (W) была не менее 0,6 м, что обеспечивало локализацию отраженной волны. Было установлено, что с увеличением расстояния между оконтуривающими шпурами глубина нарушенности законтурного массива уменьшается.

Полученные результаты позволили установить рациональные соотношения расстояний между оконтуривающими шпурами и величиной наименьшего сопротивления для различных крепостей горных пород, при которых обеспечиваются условия локализации отраженных волн напряжения.

Для горных пород с f =9–12 E≤2W, с f=6–8 E≤1,6W, с f=4–6 E≤1,4W. При этих условиях влияние отраженной волны напряжения на разрушение законтурного массива будет незначительно.

При соблюдении этого условия законтурный массив не будет подвергаться дополнительному разрушению за счет действия отраженной волны напряжения, дальнейшее разрушение будет происходить за счет действия расширяющихся продуктов детонации, остаточное давление которых может быть определено из выражения

Разрушение горной породы под действием остаточного давления продуктов взрыва (ПВ) будет эффективно происходить при возможности беспрепятственного смещения в каком-либо направлении.

При взрыве зарядов ВВ оконтуривающих шпуров, из-за высокой скорости разрушения, которая на небольших расстояниях от заряда ВВ близка к скорости распространения волн напряжения, при значительной скорости прорастания трещин, прорыв газообразных ПВ от соседних шпуров через обнаженную поверхность, возможен при коэффициенте сближения

При меньших значениях этого коэффициента продукты детонации, в первую очередь, будут проникать по трещинам, соединяющим соседние шпуры и массив начнет смещаться в сторону свободной поверхности как одно целое, а продукты детонации будут продолжать развивать трещиноватость как в смещаемом слое, так и в неподвижном законтурном массиве. Это приводит к увеличению нарушенности законтурного массива, если оконтуривающие шпуры были пробурены по линии проектного сечения. Для ослабления влияния такого явления оконтуривающие шпуры необходимо бурить на определенном расстоянии от проектного контура, зависящем от физико-механических свойств горной породы.

Существенное влияние на величину зоны видимых разрушений и глубину проникновения трещин оказывает расстояние между оконтуривающими шпурами. С увеличением расстояния между зарядами ВВ в оконтуривающих шпурах снижается коэффициент затухания скорости разрушения породы в приконтурном слое. «Перебуры» породы за проектный контур выработки зависят от угла наклона оконтуривающих шпуров, их глубины и положения устьев шпуров относительно проектного контура. Немаловажное значение имеют свойства применяемых взрывчатых веществ и вес зарядов в оконтуривающих шпурах, которые должны удовлетворять основным требованиям:

• обеспечивать качественное отделение породы от массива и равномерное дробление её;

• обеспечивать формирование проектного контура горной выработки;

• обеспечивать минимальную нарушенность законтурного породного массива.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Масаев, Ю. А. Влияние параметров буровзрывных работ на состояние законтурного массива горных выработок / Ю. А. Масаев, // Вестн. КузГТУ: – Кемерово. – 2000.– №5. – С. 85–87.

2. Масаев, Ю.А. Исследование механизма формирования зоны нарушенности породного массива после взрывания зарядов ВВ в оконтуривающих шпурах / Ю. А. Масаев // Вестн. КузГТУ: – Кемерово.– 2013. – №3. – С. 21–23.

PERIMETER MASSIF DISRUPTION ZONE FORMATION CONDITIONS AND ITS IMPACT ON MINE OPENING STABILITY STUDY

Domanov V. P., Massaev Y. A., Massaev V. Y., Balaganskaya Y. N.

Perimeter massif disruption zone formation conditions depending on parameters of explosion charges location in perimeter blast-holes are reviewed.

Key words: MINE HEADING FACE, MINE OPENING, CHARGE, SHOCK WAVE, DISRUPTION

Виктор Петрович Доманов
e-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Юрий Алексеевич Масаев

Владислав Юрьевич Масаев

Евгения Николаевна Балаганская

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 1-2015.

Н.В. Трубицына
д-р техн. наук, заместитель директора по научной работе ООО «ВостЭКО»

А.С. Ярош
канд. техн. наук, директор ООО «НИИ ГП»

Импортозамещение – это уменьшение или прекращение импорта определённых товаров путём запуска собственного производства аналогичных товаров (импортозамещающих) [1]. Стратегия предпочтения товаров отечественного производства импортным, а также внутреннего потребления их экспорту требует серьёзных изменений в экономике страны в целом и Кемеровской области в частности.

За последние полгода Российская Федерация сталкивалась с угрозами введения санкций против российских организаций, в том числе и имеющих стратегическое значение. Подобные меры могут не только дать негативный экономический эффект, но и оказать разрушительное влияние на те сектора экономики, которые отвечают за жизнедеятельность общества, и поэтому носят общегосударственный характер. Решать данную проблему необходимо, в том числе, через импортозамещение.

На пленарном заседании Петербургского международного экономического форума 23 мая 2014 года президент России Владимир Путин поставил задачу импортозамещения как важнейшего элемента технологического перевооружения российской промышленности [2].

3 июля 2014 года в Госдуме состоялось заседа- ние Комиссии по нормативно-правовому обеспечению развития наукоемких технологий стратегических информационных систем при Комитете Государственной Думы по науке и наукоемким технологиям, посвященное вопросам импортозамещения [3].

Глава Минкомсвязи России Н. Никифоров, выступая в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики в г. Саров, объявил о том, что до конца 2014 года Минпромторг и Минкомсвязи России по поручению Правительства РФ должны разработать программу импортозамещения для предприятий оборонно-промышленного комплекса России [4].

Таким образом, к настоящему времени сформировались следующие предпосылки для создания концепции и программы импортозаме- щения, направленной на освоение региональным производителем продукции и технологий, способных вывести региональный рынок на более высокий уровень оснащенности для поддержания стабильности в условиях ограниченных поставок комплектующих и материалов из-за рубежа:
сложившиеся международные условия;
санкции со стороны Евросоюза, США, Канады и других государств;
снижение темпов собственного производства, финансово-экономическая динамика рынка;
финансовые потери, которых можно было бы избежать при импортозамещении;
«теневые» схемы при формировании государственных и корпоративных заказов на рынке представителями крупных западных компаний;
низкий уровень технологической оснащенности российских производств и, как следствие, их низкая рентабельность.

В сложившихся международных условиях для нашей страны повышается актуальность импортозамещения в стратегических отраслях экономики, особенно в сфере наукоемких технологий. Недопустимым является факт монополизации и захвата рынка зарубежными технологиями и аналогами на местном рынке наукоемких производств в Кемеровской области. В связи с этим предлагается создать региональную программу им- портозамещения для поддержки отечественных производителей и замещения иностран- ных товаров, разработок и производств региональными аналогами.

Импортозамещение открывает возможность для роста национального рынка и стабилизации социальной обстановки в регионе. Поэтому участие в программе может стать одним из факторов, окажущих влияние на социально-экономическое развитие Кузбасса.

Обладая значительным потенциалом в таких сферах, как угольная промышленность, металлургия, приборостроение, машиностроение, химическая промышленность, Кемеровская область способна в ближайшей перспективе обеспечить стабильное развитие региональных производств и разработок.

Следует особо отметить, что в основу плана импортозамещения должны быть положены задачи создания конкурентоспособных продуктов и выхода на мировой рынок, обладающий гораздо более высоким потенциалом для роста отечественных компаний, а не полной замены всего зарубежного, тем более что значительная часть оборудования и разработок, поставляемых по импорту, может быть освоена российскими предприятиями.

Целью программы является создание и поддержание производств и разработок, для обеспечения развития и перевооружения тех технологий, продукция которых сегодня импортируется в Россию.

Задачи плана импортозамещения: 1) создание в регионе условий независимости и безопасности от импортной продукции и разработок.

Региональная промышленность не должна нуждаться в поставках из-за рубежа в связи с обострением внешнеполитической ситуации и вводом новых санкций со стороны США и ЕС. Независимость от импорта обеспечит максимальную социально-экономическую безопасность Кузбасса;

2) создание реестра импортозамещающих технологий;

3) защита от утечек новых национальных технологий за границу.

Лоббирование интересов Кузбасских производителей поможет создать благоприятную обстановку для развития местных ноу-хау. Необходимо создать такие условия, при которых региональные производители будут заинтересованы в развитии разработок и производств на местном рынке;

4) поддержание региональных производителей и разработчиков.

При реализации плана импортозамещения важно учитывать, что у российских производителей должен быть стимул создавать отечественный продукт, а у потребителей – его покупать. Для этого необходимо сформировать профессиональную медиа-среду для продвижения товаров местного производителя.

Следует убрать разрыв «производитель — потребитель» путем инициирования национальных проектов на базе отечественных продуктов, так как зачастую в тендерах ус- ловия специально прописываются таким образом, что российских аналогов в принципе нет, другими словами, следует устранить ангажированность [5];

5) создание саморегулируемых организаций региональных производителей и разработчиков по отраслям промышленности.

Наличие саморегулируемой организации производителей и разработчиков в той или иной отрасли позволило бы снять многие проблемы формирования доверия как со стороны отечественного производителя, так и со стороны экспортирующих организаций. Такая организация могла бы также представлять интересы российских производителей на международном рынке;

6) создание регионального рынка, максимально независимого от импортных поставок.

В случае перебоев с поставками импортного оборудования и технологий региональные разработчики и промышленники должны действовать на рынке максимально независимо и иметь базу импортозамещающих технологий и разработок;

7) формирование научно обоснованной национальной программы импортозамещения.

В этой связи возникает необходимость создания и освоения новых производств и разработок в различных секторах экономики, соответствующим образом следует скорректировать работу ведущих научных институтов и независимых научных, экспертных организаций и разработчиков. Создание региональной программы научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы (НИОКР) по различным отраслям промышленности позволит заложить базу для новых технологий и производств без необходимости импорта ноу-хау из западных стран [6, 7].

8) инициирование национальных проектов на базе отечественных продуктов;

9) разработка и внедрение национальных стандартов с формированием регионального бренда.

Этапы создания программы импортозамещения должны включать:
1) создание экспертной группы промышленников Кузбасса для разработки основных направлений программы импортозамещения;
2) разработку региональной программы импортозамещения;
3) согласование программы на местном и федеральном уровнях;
4) формирование, в частности, медиа-среды среды для обеспечения конкурентоспособности и востребованности Кузбасских товаров и производств на местном, федеральном и межнациональном рынках.

Рассматривая перспективы выхода на глобальный рынок, нельзя забывать и о кон- куренции на внутреннем рынке. Здесь можно воспользоваться опытом других отраслей. К примеру, в медицине действует правило, согласно которому, если в конкурсе участвуют два или более отечественных продукта, импортный не закупается [5].

Предполагаемые итоги реализации плана импортозамещения:
1) обеспечение информационной безопасности региона.
Предотвращение утечки новейших разработок, НИОКР и ноу-хау в зарубежные страны, создание базы данных по региональным разработчикам и производителям;
2) обеспечение самодостаточности региона и независимости от импортных производителей.
Любое блокирование и срывы в импорте продукции не должны влиять на ситуацию на местном и Российском рынках;
3) технологическая независимость промышленности региона.
Промышленность Кузбасса становится независимой от технологий Запада и способна заменить любые необходимые технологии и продукты заимствованием из списка импортозамещающих производителей;
4) снижение затрат на импорт.
Цена товара на местном уровне будет падать в связи с тем, что затраты на госпошлины, ввоз технологий, транспортировку, страхование и пр., то есть связанные с импортом, будут исключены из себестоимости продукции;
5) создание новых рабочих мест.
Новая производственная, технологическая, научная база потребует привлечения высококвалифицированных специалистов и создания новых рабочих мест;
6) рост налогооблагаемой региональной базы.
Рост продаж на местном рынке и количества производств позволит поднять уровень доходов в бюджет Кемеровской области;
7) социальная стабильность региона;
8) совершенствование технической и технологической оснащенности региональных производств;
9) повышение глобальной конкурентоспособности национальной экономики;
10) введение элементов инновации и модернизации региональной промышленности.

В Кузбассе традиционно отраслью, формирующей бюджет, является угольная промышленность, включающая целый комплекс горных производств, образующих ее инфраструктуру: шахты, разрезы, обогатительные фабрики, транспортные, наладочные, научные, проектные, экспертные и пр. предприятия и организации. Если в 60–80 годах прошлого века механизация добычи угля шла по пути развития и оснащения угольных шахт и разрезов исключительно продукцией отечественного машиностроения, то начиная с 90-х годов в отрасли сформировалась жесткая зависимость от поставок импортной продукции и технологий. Так, очистные комбайны и комплексы на 80–85 % являются продукцией европейского и американского производства, доля импорта проходческого оборудования составляет примерно 65–70 %, конвейерного оборудования – 35–40 %, оборудования для доставки материалов – 95 %, систем АГК и связи более – 50 %, вентиляционных установок – около 70 %.

Приведем некоторые данные по оснащению горношахтным оборудованием угольных шахт Кузбасса, предоставленные более чем 30 организациями. Для анализа поставок учитывалось количество и остаточная стоимость оборудования на сентябрь 2014 года. Основное горношахтное оборудование очистных забоев (комбайны, механизированные комплексы, лавные конвейеры, перегружатели, дробилки) представлено такими странами-производителями, как Германия, Россия, Польша, Великобритания, Чехия, Китай, США и Украина. Стоимость импорта данного оборудования составляет 22 792 091 тыс. руб. (84,2 %), российского производства – 4 240 024 тыс. руб. (15,8 %). Основное горношахтное оборудование подготовительных забоев (проходческие комбайны, ленточные конвейеры, перегружатели, скребковые конвейеры, буровое оборудование, самоходные вагоны) представлено такими странами-производителями, как Россия, Украина, Китай, Австрия, Германия, Великобритания, США и Австралия. Стоимость импорта оборудования составляет 5 257 720 тыс. руб. (64,6 %), российского производства – 2 886 704 тыс. руб. (35,4 %). Ленточные конвейера, считающиеся российскими, собраны из комплектующих (электродвигатели, редукторы, конвейерные ленты, быстроходные и тихоходные муфты, дисковые тормоза, системы охлаждения, высокочастотные преобразователи и др.) производства различных стран (Германия, Россия, Швеция, Китай, Великобритания, Австралия, Украина и многих других). Похожая ситуация складывается и в производстве оборудования систем аэрогазового контроля, связи, оповещения и автоматизации. Основное горношахтное оборудование, предназначенное для перевозки грузов и персонала (дизельный транспорт, электровозы, подъемные установки), представлено такими странами-производителями, как Германия, Россия, Польша, Чехия, Украина и Словакия. Все поставляемые на шахты дизелевозы – импортного производства (в основном Чехия и Германия), электровозы и подъемные установки – российского и украинского. Стоимость импорта оборудования составляет 1 297 907 тыс. руб. (95,9 %), российского производства – 55 528 тыс. руб. (4,1 %). Вентиляторы главного и местного проветривания в основном представлены российскими, китайскими, украинскими и немецкими производителями. Несмотря на то, что в данной позиции доля продукции российского производителя практически в 2 раза выше импортного, его стоимость значительна ниже зарубежных аналогов и составляет немногим больше 30 %.

Количественная оценка закупленного горношахтного оборудования российского и импортного производства приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Оснащение шахт основным горношахтным оборудованием российского и импортного производства

Общая стоимость горношахтного оборудования, согласно предоставленным угольными предприятиями данных, составила более 41 млрд руб., причем на долю российских производителей пришлось немногим более 9 млрд руб.

Распределение денежных средств на оснащение угольных шахт оборудованием российского и импортного производства представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Стоимостная оценка оснащенности угольных шахт оборудованием импортного и отечественного производства

В концепции мировой интеграции экономики России подобная ситуация была экономически целесообразна и выгодна: отсутствовала необходимость концентрации машиностроительных производств вблизи потребителей этой техники, инвестирования глобальных ресурсов в развитие машиностроительных технологий. Политическая ситуация текущего момента вскрыла и минусы реализации этой концепции: в условиях экономических санкций и изоляции экономики России наметилась тенденция к скорой остановке угольного производства вследствие отсутствия запасных частей и комплектующих при полностью либо частично разрушенном машиностроительном производстве и интеллектуальных мощностей. Новые технологии производства горнодобывающего оборудования не разрабатывались и не покупались на протяжении десятилетий. Для устранения сложившейся ситуации преобладания импортных технологий и оборудования в угольной отрасли Кузбасса необходимо выполнить ряд последовательных мероприятий:

1. Выполнить анализ производственно-технического и научно-технологического потенциала региона с целью изучения возможности использования и включения этих ресурсов в программу импортозамещения. В этой связи необходимо осуществить ревизию машиностроительных мощностей и установить уровень технологической оснастки с учетом станочного парка и периодичности его обновления предприятий региона.

2. Разработать перечень оборудования и технологий, подлежащих освоению региональными производителями и оценить экономическую целесообразность производства горнодобывающей продукции в регионе.

3. Создать сеть научно-производственных кластеров по требуемым направлениям для разработки и освоения серийных производств продукции.

4. Разработать технические задания на разработку и производство оборудования, подлежащего импортозамещению, посредством проведения открытого обсуждения этих документов с потребителями продукции.

5. Изготовить опытные образцы (либо опытные партии) продукции и освоить их се- рийное производство.

При этом в основе программы должно быть сосредоточено положение о том, что все импортозамещаемые технологии и оборудование получают свое развитие на более высоком уровне для достижения максимально высокой эффективности планируемых мероприятий, т. е. простое копирование существующих зарубежных технологий не должно стать приоритетом.

Источники финансирования Программы исходят из общего принципа ее реализации на основе частно-государственного партнерства: 50 % целевого финансирования с це- лью модернизации производственных мощностей и проведение НИОКР и 50 % собствен- ных средств промышленных предприятий и научно-исследовательских организаций для проведения опытно-конструкторских, проектных работ, изготовления опытных образцов, проведение промышленных испытаний и организации серийного производства.

Основные финансовые механизмы стимулирования выполнения программы должны быть сосредоточены в двух направлениях:

Частичный возврат инвестиций, вложенных в разработку новых технологий и оборудования, в рамках областных компенсаций.

Налоговые льготы на реализацию проектов программы.

Для реализации программы необходимо создание координирующего и контролирующего ход ее выполнения органа. Юридическим статусом данного объекта может обладать Фонд содействия выполнению программы импортозамещения, в состав учредителей которого должны входить Администрация Кемеровской области, Союз промышленников и предпринимателей Кемеровской области и ведущие научные и проектные организации Кемеровской области.

Выводы

К настоящему времени сформировались предпосылки для создания концепции и программы импортозамещения, направленной на освоение региональным производителем продукции и технологий, способных вывести рынок на более высокий уровень оснащенности для поддержания стабильности в условиях ограниченных поставок комплектующих и материалов из-за рубежа.

Импортозамещение открывает возможность для роста национального рынка и стабилизации социальной обстановки в регионе. Поэтому участие в программе может стать одним из факторов, влияющих на социально-экономическое развитие Кузбасса.

В основу плана импортозамещения должны быть положены задачи создания конкурентоспособных продуктов и выхода на мировой рынок.

Для устранения сложившейся ситуации преобладания импортных технологий и оборудования в угольной отрасли Кузбасса необходима разработка и реализация программы импортозамещения оборудования в угольной промышленности. При этом в основу программы должен быть положен тезис о том, что все импортозамещаемые технологии и оборудование получают свое развитие на более высоком уровне.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кураков, Л. П. Экономика и право: словарь-справочник / Л. П. Кураков, В. Л. Кураков, А. Л. Кураков. – М. : Вуз и школа, 2004.

2. Официальный сайт Презедента РФ. Заседание 18-го Петербургского международного экономического форума. Выступление Путина В. В. – Режим доступа: http://www. kremlin.ru/transcripts/21080.

3. Пресс-центр Комитета Государственной Думы по науке и наукоемким технологиям. – Режим доступа: http://www.komitet2-8.km.duma.gov.ru/site.xp/052057124055048052. html.

4. Научная экосистема Сарова станет базой российских исследований в сфере кибербезопасности. Н. А. Никифоров. – Режим доступа: http://minsvyaz.ru/ru/news/index. php?id_4=44431.

5. Импортозамещение в сфере ИКТ: политика государства, предложения ИТ- сообщества. Е. Гореткина. –http://www.pcweek.ru/gover/article/detail.php?ID=164710

6. Межотраслевая экспертная сессия: Эффективность программ импортозамеще- ния в отраслях топливно-энергетического комплекса России, М., 2012. – Режим доступа: http://www.npa-arm.org/.

7. ОАО «ФСК ЕЭС». Программа импортозамещения оборудования, технологий, материалов и систем. – Режим доступа: http://www.fsk-ees.ru/about/import_substitution/. (дата обращения: 11.03.2013).

JUSTIFICATION OF CONCEPTUAL APPROACHES TO THE EQUIPMENT IMPORT SUBSTITUTION PROGRAM DEVELOPMENT FOR KEMEROVO REGION COAL MINES

N. V. Trubitsyna, A. S. Yarosh

The main approaches to the concept of mining equipment import substitution and economic figures for the regional program main projects formation are described.

Key words: IMPORT SUBSTITUTION, IMPORT, MINING EQUIPMENT, COAL MINE

Трубицына Нэля Вадимовна
e-mail: ntrubitsyna@rambler.ru

Ярош Алексей Сергеевич
e-mail: niigpkem@mail.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 2-2014.

Н.В. Черданцев
д-р техн. наук, заведующий лабораторией геомеханики угольных месторождений Института угля СО РАН

В.С. Зыков
д-р техн. наук, проф., заместитель директора по научной работе ФГБУН Институт угля СО РАН

В рамках усовершенствованной модели геомеханического состояния анизотропного по прочности массива проведены исследования состояния нетронутого горными работами породного массива в окрестности дизъюнктивного нарушения. В качестве количественных оценок этого состояния приняты широко применяемые в настоящее время показатели в виде зон нарушения сплошности массива и его коэффициента нарушенности.

Ключевые слова: МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД, ПРОЧНОСТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ, ЗОНЫ НАРУШЕНИЯ СПЛОШНОСТИ, ПОВЕРХНОСТИ ОСЛАБЛЕНИЯ, ДИЗЪЮНКТИВНОЕ НАРУШЕНИЕ

Угольное месторождение может быть представлено массивом осадочных горных пород, структура которого обусловлена тектоническими процессами, произошедшими на ранней стадии его формирования. В результате этих процессов в земной коре возникали напряжения, превышающие пределы прочности пород и приводящие вначале к образованию трещин скола или отрыва, а затем при дальнейшем действии сил и концентрации на концах трещин напряжений – к объединению их и перерастанию в разрывные нарушения.

Остановимся в настоящей статье на учёте влияния на состояние массива горных пород одного лишь дизъюнктивного нарушения. Оценим это влияние вне зоны ведения горных работ. Механика явления может быть представлена следующим образом. При возникновении нарушения происходит смещение крыльев нарушения по поверхности сместителя, которое сопровождается трением и, как следствие, появлением касательных усилий. Очевидно, что движение прекратится, когда сдвигающие усилия уравновесятся силами трения, возникающими в этом сместителе.

В зависимости от того, как блок висячего крыла перемещается относительно лежачего блока, различают дизъюнктивное нарушение ввиде взброса (надвига) и сброса. При взбросе касательные усилия по висячему крылу действуют вверх, а по лежачему крылу ‒ вниз. При сбросе, наоборот, касательные усилия, действующие по висячему крылу, направлены вниз, а по лежачему крылу эти усилия направлены вверх. В массиве горных пород, вмещающем дизъюнктивное нарушение, до ведения горных работ помимо исходного гравитационных сил существуют и касательные усилия.

Тектонические процессы, кроме дизъюн- ктивных нарушений в породных слоях массива осадочных горных пород, приводят к образованию систем мелких регулярных трещин, называемых кливажем. Кливаж – это постоянный атрибут осадочных горных пород. Трещины кливажа с течением времени закрываются и начинают проявляться в результате ведения горных работ. Все направления в массиве, связанные с любыми системами нарушений, по которым характеристики прочности породы существенно ниже, чем по другим направлениям, называют поверхностями ослабления. Это свойство массива называется прочностной анизотропией, и оно обусловлено наличием в массиве поверхностей ослабления [2]. В этой связи области массива, в которых произошло разрушение массива лишь по поверхностям ослабления, называют его зонами нарушения сплошности (ЗНС) [2 - 4]. Наличие зон ‒ показатель нарушенности массива и критерий его устойчивости. На основе ЗНС проведены многочисленные исследования состояния анизотропных по прочности массивов горных пород [4 – 24].

Рассмотрим геомеханическое состояние анизотропного по прочности массива, вмещающего только дизъюнктивное нарушение. Нарушение задаётся двумя параллельными плоскостями, представляющими крылья висячего и лежачего боков. Параметрами дизъюнктивного нарушения являются его размеры в плане Ln, bn, углы наклона αn, βn, системы координат xn, yn, zn, привязанной к одной из поверхностей нарушения (сместителю), относительно глобальной координатной системы, которая при наличии выработки обычно привязывается к её центру тяжести. При этом ось z задаётся вертикально, ось x направлена вдоль оси выработки, а ось y направлена горизонтально в плоскости поперечного сечения выработки. Эти оси образуют правую систему координат. В локальной системе ось zn совпадает с нормалью νn к сместителю. Для задания плоскости сместителя в пространстве вполне достаточно введённых двух углов αn, βn и трёх координат его центра тяжести δx, δy, δz относительно глобальной системы координат (рисунок 1). Ориентация поверхностей ослабления задаётся углами падения α и простирания β. Угол α ‒ угол между осью z и нормалью к поверхности ослабления ν, а угол β образован проекцией этой нормали на плоскость xOy и осью y. Угол ω - угол между направлением простирания нарушения и направлением сдвига.

Очевидно, что нарушение вносит изменения в геомеханическое состояние массива, нагруженного лишь гравитационными силами, и в окрестности нарушения геомеханическая обстановка будет другой по сравнению с состоянием, когда нарушения нет.

Целью данной статьи является количественная оценка влияния нарушения на нетронутый горными работами массив. Задачу о влиянии дизъюнктивного нарушения на массиве с двумя его плоскостями формулируем следующим образом. В породном массиве имеется полость типа щели, один размер которой, перпендикулярный двум другим, настолько мал, что его можно принять равным нулю. В этой связи полагаем, что берега такой щели сомкнуты друг с другом. При скольжении берегов исходное поле напряжений ни в нормальных, ни в касательных напряжениях не претерпевает разрывов. Однако в результате взаимного скольжения берегов согласно закону сухого трения Кулона по ним возникают силы трения, пропорциональные силе давления, действующей нормально плоскости нарушения, и коэффициенту трения породы по породе ρtr [27].

Рисунок 1 – Положение сместителя относительно исходной системы координат

В связи со сказанным выше расчётная схема массива, соответствующая поставленной задаче, представляет собой упругое однородное тело неограниченных размеров с регулярными поверхностями ослабления и двумя параллельными плоскостями, имитирующими дизъюнктивное нарушение. Массив сверху и снизу нагружен гравитационным давлением γH (γ ‒ средневзвешенный объёмный вес налегающих сверху пород, H – глубина заложения выработки), а по бокам λγH ( λ ‒ коэффициент бокового давления). Касательная нагрузка в нетронутом массиве, кроме дизъюнктивного нарушения, отсутствует.

Для массива, вмещающего только дизъюнктивное нарушение, интегральное уравнение краевой задачи так же, как и в задаче с выработкой, может быть представлено следующим интегральным уравнением [4], [27], [29]

В уравнении (1) интегрирование ведётся по поверхности нарушения On. Для простоты изложения индекс n опущен. QO, MO ‒ точки на поверхности этой области, dOMO – дифференциал поверхности в окрестности точки MO, Φqm(QO,MO) ‒- тензор Грина, nm(QO) – направляющие косинусы вектора нормали к поверхности выработки в точках QO, MO; σe qm – компоненты тензора естественного поля в нетронутом горными работами массиве. Индексы q, m в обозначениях векторов и тензоров изменяются от единицы до трёх.

Слагаемое в правой части уравнения (1) представляет собой вектор поверхностной нагрузки, приложенной по поверхности нарушения, и в алгебраической форме он представляется следующими выражениями:

где lxn, …, nyn ‒ направляющие косинусы осей локальной системы координат; ω ‒ угол между направлением простирания нарушения (осью xn) и направлением сдвига.

Касательные напряжения, входящие в (2), связаны с напряжениями естественного поля и коэффициентом трения зависимостями согласно закону сухого трения Кулона следующим образом:

где ρtr коэффициент трения породы по породе, а нормальное напряжение выражается через компоненты естественного поля напряжений зависимостью

где lzn, mzn, nzn ‒ направляющие косинусы нормальной к сместителю оси zn.

Направляющие косинусы, входящие фор- мулы (2), (4), определяются по формулам преоб- разования системы координат при её повороте на углы αn, βn по следующим формулам [30]:

Решение интегрального уравнения (2) может быть построено численно – методом механических квадратур, как это сделано в [4], [27]. Согласно нему поверхность полости разбивается на конечное число N-элементов, а интеграл заменяется суммой; фиктивная нагрузка, а также реактивная нагрузка на контакте пласта в предельно-напряжённой зоне по каждому элементу заменяются равнодействующими, при этом считается, что они в пределах элемента постоянны. В результате этой процедуры получаются N уравнений относительно неизвестного вектора фиктивной нагрузки, что в координатной форме соответствует 3N уравнениям относительно проекций вектора фиктивной нагрузки. После решения системы алгебраических уравнений напряжения в произвольной точке k массива определяются путём суммирования напряжений естественного поля и напряжений от действия найденной фиктивной нагрузки

Совокупность тензоров напряжений в специально организуемых точках, принадлежащих некоторой области, называемой расчётной областью, представляет собой поле напряжений в этой области. Если это поле в ходе решения задачи определено в расчётной плоскости, то напряжения могут быть легко определены и по любым другим направлениям, проходящим через расчётную область, в том числе и по поверхностям ослабления [29].

Описанная процедура построения поля напряжений в интересующей области массива горных пород называется методом граничных элементов [4], [27], [31], [32].

Следовательно, оценка прочности по этим поверхностям согласно критерию Мора – Кузнецова [2, 3] может быть произведена без проблем.

Согласно этому критерию разрушение по поверхности ослабления происходит в том случае, если касательные напряжения по ней превысят предельные напряжения, определяемые зависимостью

где τν и σν − касательное и нормальное напряжения, действующие по поверхности ослабления; ϕ и K − угол внутреннего трения и коэффициент сцепления по этой поверхности; τ0 – предельное касательное напряжение.

Метод граничных элементов совместно с критерием (7) представляет собой трёхмерную модель геомеханического состояния анизотропного по прочности массива [4], [27].

Частным случаем описанной выше модели является двумерная модель, позволяющая решить плоские задачи о геомеханическом со- стоянии массивов, вмещающих выработки и нарушения, размеры которых в одном направлении значительно превышают размеры в двух других направлениях. Задача о влиянии дизъюнктивного нарушения на геомеханическое состояние массива сводится к плоской задаче в том случае, если размер по простиранию нарушения значительно превышает размер по падению. В этом случае горные породы вмещающего массива находятся в условиях плоского деформированного состояния, и для его анализа допустимо решение плоской задачи теории упругости. Расчётная схема массива в такой задаче показана на рисунке 2. На схеме система координат привязана к осям выработки, которая будет сооружаться в будущем.

Рисунок 2 – Расчётная схема массива в плоской задаче о выработке и нарушении

Отметим, что массив, разрушаясь по поверхностям ослабления, может сохранять прочность породы, расположенной между поверхностями ослабления и называемой основной.

Ниже приведены результаты решения плоской задачи о геомеханическом состояния массива с прочностной анизотропией и горизонтально расположенным дизъюнктивным нарушением (рисунок 2). В расчётах принято, что сдвиг массива вдоль сместителя происходит влево. Задача решалась при следующих исходных параметрах массива и выработки:

γ=2,5 т/м2, ϕ=20о, K=0, H=400 м, λ=1, bn=10м, δy=δz=0, ω=90о,ρtr=0,7.

В качестве показателей, по которым производилась количественная оценка геомеханического состояния массива, приняты зоны нарушения сплошности и коэффициент нарушенности массива kn. Этот коэффициент применительно к дизъюнктивному нарушению будем определять отношением площади зон нарушения сплошности, расположенных в расчётной области, к размеру дизъюнктивного нарушения bn, отсчитываемому по его падению.

На фрагментах рисунка 3 представлены картины зон нарушения сплошности в окрестности дизъюнктивного нарушения, построенные для ряда значений углов падения и простирания поверхностей ослабления. Для сокращения объёма вычислений дизъюнктивное нарушение относительно глобальной системы координат ориентировано горизонтально αn=0o, βn=0o.

Рисунок 3 – Зоны нарушения сплошности в окрестности горизонтального дизъюнктивного нарушения для ряда параметров поверхностей ослабления

На рисунке 4 построена серия графиков зависимости коэффициента нарушенности от угла падения ослаблений для ряда значений угла простирания. График 1 на этом рисунке соответствует β=0o, график 2 построен при β=20o, график 3 ‒ при β=40o, график 4 ‒ при β=60o, график 5 ‒ при β=70o, график 6 ‒ при β=80o, график 7 ‒ при β=90o.

Рисунок 4 – Графики зависимости коэффициента нарушенности от угла падения поверхностей ослабления, по- строенные при нескольких значениях их угла простирания

Из графиков следует, что размеры и конфигурация зон нарушения сплошности сильно зависят от ориентации поверхностей ослабления относительно расположения нарушения. Хорошо видно, что все графики имеют точки перегиба, а большинство из них, за исключением графика, построенного при β=90o, имеют экстремумы в виде максимумов. По результатам широкомасштабного вычислительного эксперимента установлено, что максимальное значение коэффициента нарушенности, равное 4,728, достигается при αo=63o, βo=37o.

Выводы

1. Разработанная и широко применяемая в геомеханических исследованиях модель геомеханического состояния анизотропного по прочности массива горных пород в окрестности горных выработок усовершенствована и адаптирована к изучению геомеханического состояния массива осадочных горных пород, вмещающего дизъюнктивное нарушение.

2. Графики зависимости коэффициента нарушенности от углов падения и простирания поверхностей ослабления подтверждают тот факт, что геомеханическое состояние анизотропного по прочности массива горных пород в значительной степени зависит от взаимного расположения нарушения и поверхностей ослабления.

3. В ходе исследований геомеханического состояния массива, вмещающего отдельное горизонтально расположенное дизъюнктивное нарушение, установлено, что наибольшие по размерам зоны нарушения сплошности образуются, если угол падения поверхностей ослабления составляет 63 градуса, а угол простирания при этом равен 37 градусам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Букринский, В. А. Геометрия недр / В. А. Букринский. – М.: Недра, 1999. – 526 с.

2. Кузнецов, Г. Н. Графические методы оценки предельных состояний трещиноватого массива вокруг горных выработок / Г. Н. Кузнецов // Современные проблемы механики горных пород. – Л.: Наука, 1972. – С. 30 – 44.

3. Ержанов, Ж. С. Комбайновые выработки шахт Кузбасса. Опыт поддержания и расчет устойчиво- сти / Ж. С. Ержанов, В. Ю. Изаксон, В. М. Станкус. – Кемерово: Кемеров. книжн. изд-во, 1976. – 216 с.

4. Черданцев, Н. В. Некоторые трёхмерные и плоские задачи геомеханики / Н. В. Черданцев, В. Ю. Изаксон. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – 190 с.

5. Черданцев, Н. В. Зоны нарушения сплошности в области сопряжения двух выработок квадратного поперечного сечения / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2003. – № 5. – С. 19–21.

6. Черданцев, Н. В. Области разрушения вокруг сопряжений двух выработок квадратного поперечного сечения / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2003. – № 6. – С. 6–7.

7. Черданцев, Н. В. Зоны нарушения сплошности вокруг выработок с нетиповыми поперечными сечениями / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2003. – № 6. – С. 8–11.

8. Черданцев, Н. В. Устойчивость сопряжения вертикального ствола и горизонтальной выработки / Черданцев, Н. В. // Вестник КузГТУ. – 2004. – № 5. – С. 3–5.

9. Черданцев Н. В. Устойчивость сопряжения перегонных тоннелей и трёхсводчатой станции метро / Н. В. Черданцев // Ивестия ТулГУ. – 2004. – Вып. 2. – C. 270–275. – (Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений»).

10. Черданцев, Н. В. Подход к оценке устойчивости двухсвязного массива горных пород с прочностной анизотропией / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 1. – С. 7–10.

11. Черданцев, Н. В. Оценка устойчивости целиков при отработке угольного пласта по геотехнологии HIGHWALL / Н. В. Черданцев, В. А. Федорин, В. Т. Преслер // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 2. – С. 14–16.

12. Черданцев, Н. В. Выбор нетипового поперечного сечения выработки в зависимости от физикомеханических свойств массива горных пород / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер, В. Ю. Изаксон // Горный журнал. – 2009. – № 6. – С. 41–44.

13. Черданцев, Н. В. Построение областей неустойчивости двухсвязного массива горных пород с прочностной анизотропией / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер, В. Ю. Изаксон // ГИАБ. – 2008. – № 8. – С. 313–320.

14. Черданцев, Н.В. Обоснование геомеханической модели разрушения многосвязного массива горных пород с прочностной анизотропией / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер, В. Ю. Изаксон // ГИАБ. – 2009. – Отдельный выпуск № 7. – С. – 122–125.

15. Черданцев, Н. В. Геомеханический подход к обоснованию рационального проведения выработок в массиве осадочных и повышению безопасности работ / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер // Безопасность труда в промышленности. – 2010. – № 5. – С. 13–17.

16. Черданцев, Н. В. Геомеханическое состояние анизотропного по прочности массива в призабойной части подготовительной выработки / Н. В. Черданцев, В. Е. Ануфриев // Известия вузов. Горный журнал. – 2010. – № 3. – С. 33–39.

17. Черданцев, Н. В. Моделирование геомеханического состояния анизотропного по прочности неоднородного массива горных пород / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер // Вестник КузГТУ. – 2011. – № 3. – С. 15–22.

18. Черданцев, Н. В. Влияние параметров анизотропного по прочности массива горных пород на размеры разрушений вокруг выработок / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер, В. Е. Ануфриев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2011. – № 1. – С. 11–18.

19. Черданцев, Н. В. Моделирование разрушений в анизотропном по прочности неоднородном массиве горных пород, вмещающем выработку / Н. В. Черданцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 1. – С. 6 –11.

20. Черданцев, Н. В. Устойчивость целиков в окрестности системы выработок, сооружаемых в анизотропном по прочности массиве горных пород / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2012. – № 1. – С. 15–19.

21. Черданцев, Н. В. Влияние анкерной крепи на устойчивость породного массива, вмещающего одиночную выработку / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2012. – № 4. – С. 3–7.

22. Черданцев, Н. В. Оценка прочности слоя кровли горной выработки после его отделения от основного массива / Н. В. Черданцев // Вестник КузГТУ. – 2012. – № 5. – С. 3–7.

23. Черданцев, Н. В. Устойчивость целиков в окрестности системы выработок прямоугольного сечения, сооружаемых в анизотропном по прочности массиве горных пород / Н. В. Черданцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 2. – С. 110–114.

24. Черданцев, Н. В. Обоснование выбора параметров анкерной крепи для выработки, пройденной в анизотропном по прочности массиве горных пород / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 2. – С. 115–124.

25. Черданцев, Н. В. Устойчивость целиков в анизотропном массиве горных пород / Н. В. Черданцев // Известия вузов. Горный журнал. – 2012. – № 7. – С. 45–49.

26. Черданцев, Н. В. К вопросу о состоянии породного слоя в кровле выработки / Н. В. Черданцев // ГИАБ. – 2013. – № 6. – С. 215–226.

27. Черданцев, Н. В. Вопросы методического и инструментального обеспечения мониторинга горных выработок / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер, В. Е. Ануфриев. – Кемерово, 2012. – 221 с.

28. Жданкин, Н. А. Анализ напряжённо–деформированного состояния массива горных пород в окрестности движущегося забоя в условиях пространственного взаимодействия горных выработок: дис. д-ра техн. наук / Н. А. Жданкин. – Кемерово, 1991. – 330 с.

29. Лурье, А. И. Теория упругости / А. И. Лурье. – М.: Наука, 1970. – 940 с.

30. Выгодский, М. Я. Справочник по высшей математике / М. Я. Выгодский. – М.: Наука, 1966. – 872с.

31. Крауч, С. Методы граничных элементов в механике твёрдого тела / С. Крауч, А. Старфилд. – М.: Мир, 1987. – 328 с.

32. Бреббия, К. Методы граничных элементов / К. Бреббия, Ж. Теллес, Л. Вроубел. – М.: Мир, 1987. – 525 с.

TO THE ESTIMATION OF GEOMECHANICAL ROCK MASS STATE IN THE AREA OF DISJUNCTIVE DISLOCATION

N. V. Cherdantsev, V. S. Zykov

Within the framework of an improved model of geomechanical condition of anisotropic by strength rock mass investigated state of untouched by mining operations rock mass in the area of disjunctive dislocation. As quantitative estimates of this state accepted widely and currently used indicators in in the figure of discontinuity zones and its array of infringements.

Key words: ROCK MASS, STRENGTH ANISOTROPY, DISCONTINUITY ZONES, SURFACE OF DEGRADATION, DISJUNCTIVE DISLOCATIONS

Черданцев Николай Васильевич
e-mail: cherdantsevnv@icc.kemsc.ru

Зыков Виктор Семенович
e-mail: zykovvs@icc.kemsc.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 2-2014.

Я.С. Ворошилов
канд. техн. наук, заместитель директора OOO «Горный-ЦОТ»

А.Н. Коков
канд. мед. наук, заведующий лабораторией ФГБУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний» СО РАМН

Исследование образцов для нужд геологии с использованием компьютерной томографии позволяют «заглянуть» в неизмененный образец угля и породы, не нарушая его внутреннюю структуру. В данной работе проводится попытка связать фрактальные размерности «облаков пористости» и разрушенных образцов угля.

Ключевые слова: ТОМОГРАФИЯ, ФРАКТАЛЬНАЯ РАЗМЕРНОСТЬ, УГОЛЬ, ОБЛАКА ПЛОТНОСТИ, НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

Исследованиям геообъектов при помощи различных методов рентгеновской томографии в настоящее время посвящено множество публикаций [1–5,12]. Кроме того, для описания внутренней структуры пород углей все чаще используется аппарат фрактальной математики [6, 8–11].

В данной работе предпринята попытка установить связь между фрактальными размерностями продуктов механического разрушения угля и внутренней фрактальной структурой неразрушенного угля.

Компьютерная томография, или рентгеновская компьютерная томография, – это способ послойного получения изображения исследуемого объекта с использованием специальной компьютерной обработки принятого ослабленного рентгеновского излучения, пропущенного через исследуемый образец. Благодаря современным математическим методам возможны восстановление трехмерной внутренней структуры исследуемых образцов, измерения их физических параметров, использование данных томограммы для построения математических моделей твердых тел.

Из вышесказанного следует, что вопросы, связанные с внезапными выбросами газа, застоями в зонах, малодоступных при непрерывном проветривании, нейтрализацией взрывоопасной концентрации метана остаются открытыми.

По результатам обработки серии проекций образца, которые создаются сдвигом или поворотом исследуемого образца, либо перемещением блока излучателей и детекторов вокруг предмета исследований, строится трехмерная модель распределения коэффициента ослабления рентгеновского излучения. В одном из исследований [2] объект помещали на вращающийся столик при неподвижных детекторе и рентгеновском излучателе. В данной работе применен другой принцип построения срезов для воссоздания трехмерной картины распределения коэффициента ослабления. В используемом компьютерном томографе GE LightSpeed VCT образец находится на горизонтальном транспортёре, перемещающемся внутри вращающегося блока, содержащего излучатель. Спиральное сканирование заключается в одновременном выполнении двух процедур: поступательного движения транспортера при одновременным непрерывном вращении блока с излучателем, который в этом случае описывает спираль вокруг исследуемого образца. В томографе строится одновременно несколько спиралей вокруг объекта исследований, что позволяет увеличить пространственное разрешение томограмм и улучшить контрастное разрешение после математической обработки.

Основной показатель, получаемый при проведении томографирования, – это линейный коэффициент ослабления (ЛКО) рентгеновского излучения. Эта величина определяется химическим составом и плотностью вещества для выбранной энергии рентгеновского излучения. Различия в значениях ЛКО для минералов позволяют изучать внутреннюю структуру образцов без специальной подготовки и разрушения. Значения ЛКО, полученные для каждой точки (вокселя) томограммы, сравниваются с теоретическими эталонными значениями и позволяют сделать предположения о составе и плотности вещества образца.

Изображения, получаемые при томографировании объекта, являются черно-белыми с градациями серого, где для каждого уровня яркости на томограмме ставится в соответствие определённый уровень рентгеновской плотности (радиоденсивности). Данное соотношение между яркостью и ослаблением рентгеновского излучения называется шкалой Хаунсфилда. Стандартные точки для шкалы Хаунсфилда (табл. 1) применимы в томографии живых организмов, а также других объектов. После проведения томографирования возможно провести сопоставление различных участков одинаковой радиоденсивности с определённым цветом и получить более наглядные изображения распределения плотностей внутри образца.

Таблица 1 – Стандартные точки шкалы Хаунсфилда

Достоинством томографирования является отсутствие специальных процедур для подготовки образца и требований к его виду и внутренней структуре, что позволяет проводить исследования без внесения искусственных изменений в исследуемый образец.

Для проведения томографирования была создана сборка из 7 образцов угля, взятых с нескольких шахт Кузбасса, которые были соединены между собой с помощью этиленвинилацетата в единую сборку и покрыты сверху полиэтиленовой пленкой для обеспечения неподвижности внутри томографа. В дальнейшем перед проведением количественных исследований математическими методами с использованием данных о плотности и физическом расположении с томограммы были удалены области, содержащие этиленвинилацетат и укрывной материал, а также элементы поддержки образцов угля, являющиеся составными частями томографа.

При получении томограмм угля был использован режим, обеспечивающий максимальное разрешение для данного томографа. По результатам сканирования разрешение составило по осям «Х» и «Y» 390 мкм (оси перпендикулярные движению образца внутри томографа), по оси «Z» 625 мкм (ось движения транспортера внутри томографа). На рисунке 1 приведен срез сборки образцов угля, помещенный в томограф: более яркие области соответствуют областям с более высокой плотностью.

Рисунок 1 – Сечение томограммы перпендикулярно оси «Х» сборки образцов углей (слева на право):
ш. Полысаевская, пл. Толмачевский (48); ш. Костромовская, пл. 19Ж;
ш. Кыргайская, пл. Кыргайский (38); ш. 7 Ноября, пл. Надбайкаимский;
ш. Распадская-Коксовая, пл. VI; Есаульская, пл. 26а; ш. Распадская-Коксовая, пл. IV-V

После проведения сканирования в томографе данные о распределении радиоденсивности внутри образца, измеренные по шкале Хаунсфилда, были подвергнуты дополнительной обработке. Принимая во внимание тот факт, что на отрезке плотностей 0,5–1,9 значение радиоденсивности существенно линейно зависит от плотности материала образца, и в наших образцах не существует вкраплений, значительно отличающихся по плотностям и радиоденсивности, мы можем оценить значения плотности для каждого элемента томограммы. Также получая данные о наличии или отсутствии вещества, а под отсутствием вещества мы принимаем значение радиоденсивности, соответствующее радио- денсивности воздуха (HU = -1 000), возможно оценить объем исследуемого образца и его массу.

На рисунке 2, в качестве примера приведена карта распределения плотностей на одном из срезов томограммы образца с ш. Костромовская, пл. 19.

Рисунок 2 – Карта распределения плотностей на срезе томограммы. Инверсное изображение.Более темные области имеют более высокую плотность

Воспользовавшись данными о распределении плотности вещества по объему образцов, можно рассчитать относительное количество вещества с заданной плотностью.

На рисунке 3 приведены распределения относительной доли массы по плотностям для трех образцов исследуемых углей. Высокая плотность образца ш. Распадская-Коксовая, пл. IV-V свидетельствует о наличии в нем значительной доли минеральных примесей.

Рисунок 3 – Распределение относительной доли массы по плотностям

В дальнейшем планируется более детальное изучение взаимосвязи плотностей, полученных при помощи томографии, и определенных традиционными способами.

На следующих реконструкциях трехмерных изображений показаны возможности работы с областями различной плотности, выделены области с различной радиоденсивностью, а соответственно и плотностью. На первой реконструкции с отображением плотностей от 0,02 г/см3 можно различить укрывной материал образцов, а также состав, которым были склеены образцы между собой, далее изменяя диапазон плотностей можно выделить только фрагменты, которые наиболее интересны для исследований. На следующих томограммах выделяются различные области исследуемых образцов, хорошо видны очертания вкраплений областей с более высокой плотностью, наслоения. Светлые области соответствуют более высокой плотности.

Рисунок 4 – Трехмерная реконструкция промежутка плотностей от 0,02 г/см^3 до 0,99 г/см^3

Рисунок 5 – Трехмерная реконструкция промежутка плотностей от 1,00 г/см^3 до 2,28 г/см^3

Рисунок 6 – Трехмерная реконструкция промежутка плотностей от 1,44 г/см^3 до 2,28 г/см^3

Рисунок 7 – Трехмерная реконструкция промежутка плотностей от 2,00 г/см^3 до 2,28 г/см^3

Рисунок 8 – Трехмерная реконструкция промежутка плотностей от 2,14 г/см^3 до 2,28 г/см^3

Для полученных срезов томограммы была рассчитана фрактальная размерность «облаков» с различной плотностью. Компьютерная программа выделяла в каждом срезе образца области с заданной плотностью (пример на рис. 2) и рассчитывала для них фрактальную размерность, используя отношение Ln(S)/Ln(p) [6]. Фрактальной размерностью «облаков» для каждого образца является тангенс наклона аппроксимирующей прямой для всех областей выделенных внутри образца (рис. 9). Следует заметить, что построение графика зависимости фрактальной размерности начинается от максимальных значений в сторону уменьшения плотности «облака».

Рисунок 9 – Вычисление фрактальной размерности для образца ш. Распадская-Коксовая, пл. IV-V, полученного реконструкцией томограммы

Каждая из проб при подготовке для дро- бления предварительно была разбита молотком. Полученные куски фракцией ~30–70 мм откладывались в сторону, кусочки фракцией ≤ 10мм утилизировались. Затем пробы поочередно в произвольном порядке (т. е. не согласно напластованию) помещались в стальной стакан прибора для определения крепости (ПОК–1). С высоты 0,7 м на подготовленную пробу сбрасывалась гиря массой 3,4 кг с количеством ударов, равным 5. Затем раздробленная проба полностью пересыпалась в герметичный пакет. При таком количестве ударов достигается оптимальное количество остатка раздробленного угля.

Следует отметить, что фрактальные размерности «облаков плотности», полученные при сканировании вдоль напластования, всегда меньше найденных в результате сканирования поперек напластования (табл. 4).

Таблица 4. Фрактальные размерности «облаков плотности», рассчитанные по данным томограмм

После проведения томографирования образцы были подготовлены и разрушены в приборе для определения крепости.

На пробу №7, ш. Распадская-Коксовая, пл. IV-V потребовалось 8 ударов. Это позволяет предположить, что образцом был не уголь, а углистый аргиллит, который имеет большую плотность и крепость.

После разрушения все частицы с размерами более 5 мм по одной оси были помещены в сканнер EPSON с максимальным оптическим разрешением 4 800х9 600 dpi, что соответствует размеру минимального сканируемого элемента 5,29х2,64 мкм для проведения количественного и размерного анализа и расчета фрактальной размерности. На рисунке 10 переставлены фотографии пыли после разрушения образца и бинаризации изображения.

Рисунок 9 – Вычисление фрактальной размерности для образца ш. Распадская-Коксовая, пл. IV-V, полученного реконструкцией томограммы

В таблице 5 приведены результаты вычисления фрактальной размерности разрушенных образцов для двухмерного случая. Для перехода к 3D-размерностям нужно добавить единицу периметра и площади. Тангенс угла наклона прямой аппроксимирующей данное отношение и является искомой фрактальной размерностью.

Таблица 5 – Фрактальные размерности для разрушенных образцов

Для получения фрактальной размерности использовалась следующая методика. Предварительно изображение, полученное в оттенках серого, преобразовывалось в изображение, содержащее только черные или белые пикселы, методом Оцу [7], который выбирает порог путем минимизации различных вариантов черных и белых пикселов. Затем на черно-белом изображении выделялись области, относящиеся к частицам разрушенного угля, после чего проводился подсчет количества, геометрических размеров, площади и периметра частиц. После получения полных данных о каждой частице строилась линейная аппроксимация отношения логарифмов к размерности, рассчитанной для двухмерного случая [8].

Рисунок 11 – Вычисление фрактальной размерности для разрушенного образца ш. Полысаевская, пл. Толмачев- ский (48): D = tg α = 1,695

Для трех образцов (строчки 1,2; 7,8; 9,10) были рассчитаны фрактальные размеры частиц при различном расположении частиц на поверхности сканера. Результаты показывают, что вне зависимости от положения частиц фрактальная размерность не меняется.

Сравнение фрактальных размерностей (табл. 6), полученных по данным томограмм и результатам разрушения образцов, выявило, что фрактальная размерность продуктов разрушения всегда выше чем фрактальная размерность «облаков» плотностей.

Таблица 6 – Сравнение фрактальных размерностей

В заключение можно сделать следующие выводы:

1. Современные микротомографы имеют разрешение от сотен нанометров до нескольких миллиметров и позволяют получить пространственную, в том числе микрокомпонентную, структуру плотности углей. Предварительное томографирование, построение пространственной структуры с последующим разрушением образцов углей, несомненно, будет полезным для развития теории прочности углей и пород.

2. Результаты, полученные в ходе исследования на томографе с пространственным разрешением 0,39–0,625 мм, имеют хорошее согласование с результатами, полученными на микротомографе с пространственным разрешением 0,01 мм. Так, в работе [2] с использованием микротомографа TOLMI–150–10 установлено, что для углей минеральные слоистые включений имеют «облачную» структуру, причем фрактальные размерности минеральных включений для различных углей близки между собой и колеблются в пределах D = 1,35-1,45. Таким образом, можно говорить о том, что фрактальные свойства для различных углей, по крайней мере, колеблются в пределах D = 1,35–1,58, масштабах примерно от 100 мкм до 50 мм.

3. Разница во фрактальных размерностях, полученная при сканировании поперек и вдоль напластования, говорит о том, что для вычисления объемной фрактальной размерности традиционный метод D3=D2+1 , очевидно, не применим, и D3 фрактальную размерность необходимо вычислять прямыми методами.

4. Установлено, что фрактальная размер- ность продуктов разрушения угля всегда больше, чем фрактальная размерность «облаков»» плотности. Причины данной закономерности требуют дополнительного исследования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Геофизические методы исследования геомеханического состояния угольных массивов / В. А. Рудаков, Л. П. Белавенцев, П. В. Потапов, В. В. Славолюбов, А. Я. Каминский // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2006. – № 2. – С. 14-19

2. Козырева, Е.Н. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2006. – № 6. – С. 17-19.

3. К оценке ресурсов Шахтного метана в выработанном пространстве / О. В. Тайлаков, В. О. Тайлаков М. П. Макеев, С. В. Соколов, А. Н. Кормин // Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического бюллетеня. – 2013. – № ОВ 6. – С. 160-165.

4. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих пород на выделение метана из разрабатываемого пласта / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. Н. Козырева, О. В. Брюзгина //Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2008. – № 2. – С. 139-143.

5. Зыков, В.С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах: монография / В. С. Зыков. – Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2010 – 333 с.

6. Полевщиков, Г. Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах / Г. Я. Полевщиков. – Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003.- 317с.

7. Руководство по применению автоматизированного метода прогноза выбросоопасных зон угольных пластов и контроля эффективности противовыбросных мероприятий в подготовительных выработках шахт Карагандинского бассейна. – Алма-Ата, 1992. – 14 с.

8. Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок. - Кемерово: ИУ СО РАН, 1994. - 14 с.

9. Временная методика текущего прогноза газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам: Утв. 13.02.97 / В. С. Зыков, В. С. Лудзиш, В. С. Черкасов, В. А. и др. – Кемерово: ВостНИИ, 1996. – 16 с.

10. Петухов, И. М. Механика горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М. Линьков. – М.: Недра, 1983.– 280 с.

11. Ходот, В. В. Физико-химия газодинамических явлений в шахтах / В. В. Ходот, М. Ф. Яновская, Ю. С. Премыслер и др.. -М., 1973. (1002 - гл.1)

12. Алексеев, А. Д. Формы нахождения метана в ископаемом угле / А. Д. Алексеев, Н. А. Калугина, А. Н. Молчанов // «Форум горняков - 2009» Материалы I международной конференции «Подземные катастрофы: модели, прогноз, предотвращение» (30.09-03.10.2009г., Днепропетровск, НГУ). – С.7-17.

COAL FRACTAL STRUCTURE STUDY BY COMPUTER TOMOGRAPHY METHODS

Y. S. Voroshilov, A. N. Kokov

Samples examination for the needs of geology using computed tomography allows to “look” into the unmodified sample of coal and rock, without destructing its internal structure. In this paper, we attempt to connect the fractal dimensions of “porosity clouds “ and destructed coal samples.

Key words: Tomography, fractal dimension, COAL, DENSITY CLOUDS, NON-DESTRUCTIVE TESTING

Ворошилов Ярослав Сергеевич
e-mail: yaroslav.voroshilov@gmail.com

Коков Александр Николаевич
e-mail: radiology@bk.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 2-2014.

А. А. Трубицын
д-р техн. Наук, проф., заместитель директора по научной работе ООО "НИИ ГП"

А. А. Христофоров
ведущий конструктор ООО "Горный-ЦОТ"

А. А. Малахов
ведущий конструктор ООО "ВостЭКО"

Рассмотрены проблемы скопления метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт взрывоопасной концентрации, внезапных выбросов метана, доставки оборудования в труднодоступные места при авариях. Особое внимание обращается на ингибирование как эффективный метод предотвращения воспламенения и взрыва горючих газов. предложены конструкции мобильного устройства для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт, а также показано применение технологии инертизации на проходческих комбайнах в системе пневмогидроорошения.

Ключевые слова: РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ, ИНГИБИРОВАНИЕ, МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ, СИСТЕМА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ, МОДЕРНИЗАЦИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОВЫШЕНИЕ, ФАКЕЛ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ВЫДУВАНИЕ МЕТАНА, ПРОВЕТРИВАНИЕ, МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА, УСТРОЙСТВО, ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ, ДЕТОНАЦИЯ

Ингибитор (от лат. inhibere – задерживать) –
вещество, замедляющее или предотвращающее течение
какой-либо химической реакции: коррозии металла, старения полимеров,
окисления топлива и смазочных масел, пищевых жиров и др.
Краткая химическая энциклопедия

Актуальность проблемы

Увеличение темпов проведения и протяженности подготовительных выработок приводит к значительному росту метановыделения. из-за выделения метана в процессе выемки угля на многих шахтах мира возникают опасные условия для ведения работ, последствиями которых являются гибель людей и разрушения оборудования вследствие взрывов.

Надлежащая практика обеспечения безопасности в угольных шахтах заключается в исключении образования взрывоопасных концентраций метановоздушных смесей, сокращении метановыделения в горные выработки, предотвращении возможности воспламенения и взрывов метана.

Применение различных возможных комбинаций способов проветривания очистных забоев и тупиковых подготовительных выработок с целью разбавления интенсивно выделяющихся газов не всегда способствует достижению требуемой степени турбулизации в местах источников газовыделения, что порождает формирование зон повышенных концентраций метана. так, например, при нагнетательном способе проветривания из-за несимметричного расположения трубопровода относительно центра и шероховатостей стенок выработки может возникнуть такое направление движения воздуха, при котором даже небольшая газообильность в выработке приведет к образованию непроветриваемых или слабопроветриваемых зон с местным и слоевым скоплением метана [5].

Из вышесказанного следует, что вопросы, связанные с внезапными выбросами газа, застоями в зонах, малодоступных при непрерывном проветривании, нейтрализацией взрывоопасной концентрации метана остаются открытыми.

Горение является сложным физико-химическим процессом, поэтому для борьбы с ним должны использоваться наиболее эффективные методы, непосредственно влияющие на сам механизм, такие как добавление химически активных присадок (в малых количествах), состав которых зависит от свойства горючих газов, интенсивно реагирующих с атомами и радикалами, образуя малоактивные продукты, неспособные участвовать в цепном процессе горения [1, 2].

Коллективом авторов были проведены теоретические и экспериментальные исследования в области предотвращения воспламенения и взрыва горючих газов. в основу изысканий положена теория Н. Н. Семенова, в которой широко использовался механизм ингибирования, получившая развитие в теории неизотермических цепных процессов [1, 2].

Было установлено, что, если ингибитор не полностью предотвращает горение, например в результате очень малого количества, то он устраняет взрыв и детонацию, предотвращая тем самым присущее этим режимам горения разрушающее действие [1, 2].

Таким образом, технология полной или частичной инертизации шахтной атмосферы позволяет радикально изменить ситуацию на местах при ведении горных работ, создавая безопасные условия для труда шахтеров и работы оборудования.

Подводя небольшой итог, отметим, что разработка устройства для ингибирования атмосферы является не только актуальным направлением, но и необходимым требованием обеспечения безопасности условий труда работников на производстве.

Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси

При проведении поисковых, очистных работ и разборе завалов на аварийных участках шахты, т. е. в местах явного изменения сечения выработки и, как следствие, условий и режима проветривания, возникают трудности с доставкой спасательного оборудования. работы проходят в условиях повышенной опасности, а счет времени идет на минуты. в ситуации, когда существует опасность повторных выбросов и доступ оборудования для снижения взрывоопасной концентрации метановоздушной смеси ограничен, наиболее актуальными являются переносные мобильные малогабаритные устройства.

На основе результатов ранее проведенных исследований и собственных разработок специалистами ООО «ВостЭКО» и ООО «Горный-ЦОТ» разрабатывается мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт (МУИВМС), предназначенное для контроля, нейтрализации взрывоопасных скоплений газа в пылегазовом облаке в местах работы горных машин и обеспечения безопасности. в перспективе, уже на стадии проектирования будут определяться все опасные по слоевым скоплениям метана зоны и, соответственно, оснащаться такими установками в обязательном порядке, что, в свою очередь, должно существенно повысить взрывобезопасность шахт.

На начальном этапе разработки были обозначены требования мобильности и удобства использования в любых труднодоступных местах, которые определили основные особенности конструкции устройства в зависимости от исполнения: ранцевого (переносного, индивидуального на рюкзаке) или передвижного на тележке, которую можно будет легко переместить к месту предполагаемого метановыделения.

Установка должна иметь электронный блок управления для мониторинга, управления и регистрации информации, а также осуществления связи по выделенному каналу с оператором шахты.

Одним из основных факторов, которые необходимо учесть при проектировании устройства, являются свойства газов. в тех случаях, когда газы имеют свойство расслаиваться, необходимо подавать их по схеме с двумя отдельными баллонами и смешивать непосредственно в форсунке.

МУИВМС ранцевого исполнения (переносное, индивидуальное на рюкзаке).

Устройство предназначено для использования в местах локального скопления метана, где нет возможности подвести или поставить стационарно тележку.

Принципиальная схема МУИВМС ранцевого исполнения показана на рисунке 1.

Краткое описание

Устройство ранцевого типа включает в себя: ранец (9), на котором располагаются баллоны с газом и ингибитором (1 и 2), устройства контроля и регулирования потоков (3), клапан (5), форсунка (в которой происходит смешение компонентов, если газ бинарный) (7), а также соединительный рукав и телескопическая трубка (11).

Рисунок 1 – мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах ранцевого исполнения: 1 – баллон с ингибитором (компонент 1); 2 – баллон с ингибитором (компонент 2); 3 – регулирующий блок; 4 – газоанализатор; 5 – управляющий клапан; 6 – кнопка управления; 7 – форсунка; 8 – манометр; 9 – ранец; 10 – соединительный рукав; 11 – трубка телескопическая

Устройство также комплектуется газоанализатором типа GaSense (разработанным в ООО «Горный-ЦОТ») (4), который располагается на ранце в свободном доступе для работника шахты или спасателя.

Принцип работы

При срабатывании сигнала датчика о превышении предельно допустимого уровня метана в атмосфере работник шахты или спасатель вручную открывает клапан, газ из баллона, проходя через блок контроля, подаётся к форсунке, и далее ингибитор с большой скоростью поступает в атмосферу.

В случае, когда ингибитор является двухкомпонентным газом – в баллонах 1 и 2 в сжиженном состоянии находятся ингибитор и инертный газ (например со2 или n). после открытия клапана инертный газ и ингибитор под необходимым давлением поступают в форсунку, где происходит смешение в заданной пропорции. Затем готовая смесь поступает в атмосферу.

МУИВМС, смонтированное на тележке (передвижное)

Разработанное в ООО «Горный-ЦОТ» мобильное устройство может располагаться в местах разбучивания камер на крутом падении, в кутках очистных забоев, на пологом падении, а также в любых труднодоступных местах слоевых скоплений метана.

Принципиальные схемы МУИВМС, смонтированного на тележке, в зависимости от количества компонентов используемого газа, показаны на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах, смонтированное на тележке (с однокомпонентным газом): 1, 2 – баллоны с ингибитором; 3 – газоанализатор; 4 – электронный манометр; 5 – блок управления системой; 6 – управляющий клапан; 7 – блок регулирующий; 8 – блок с форсунками; 9 – тележка

Рисунок 3 – мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах, смонтированное на тележке (с двухкомпонентным газом): 1 – баллоны с ингибитором (компонент 1); 2 – баллоны с ингибитором (компонент 2); 3 – газоанализатор; 4 – электронный манометр; 5 – блок управления системой; 6 – управляющий клапан; 7 – блок регулирующий; 8 – блок с форсунками; 9 – тележка

Краткое описание

Устройство передвижного типа в общем случае состоит из баллонов с газом-ингибитором (1 и 2), которые монтируются на тележке (9), газоанализатора (3), блоков управления и регулирования (5 и 7), блока с форсунками (8).

В случае, когда ингибитор является однокомпонентным газом, предлагается использовать форсунки стандартной конструкции для газов. Тогда используется однокамерный блок с форсунками упрощенной конструкции (см. рис. 2).

Если ингибитор является двухкомпонентным газом, применяется другой тип блока с форсунками (см. рис. 3).

Монтаж устройства может осуществляться как в постоянном пункте возможного скопления метана, так и иметь передвижной характер (например, на энергопоезде), поэтому предусмотрен альтернативный источник питания (аккумуляторная батарея) для бесперебойной автономной работы.

Важную роль в эффективной работе системы играет расстояние от устройства до источника образования и зоны прохождения потоков. для выбора оптимального расстояния с учетом эжектирующих способностей факелов форсунок, компенсации инерционности газоанализатора и поступления на блок управления более объективной информации при установке в кутковых зонах очистных забоев МИУВМС может быть дистанционно привязано к обязательному стационарному кутковому датчику метана.

Параметры, при которых работает устройство, и количество оросителей рассчитываются, исходя из места установки, площади и длины выработки и автоматически регулируются блоком управления.

Автоматизация устройства

Управление и контроль МУИВМС осуществляется автоматически с помощью блока управления, который регулирует (возможно дистанционно) параметры газовоздушных сред, собирает, анализирует, передает информацию с приборов диспетчеру на шахту по системе контроля и мониторинга. Оснащение устройства блоком питания и аккумуляторной батареей для бесперебойной автономной работы позволяет свести влияние внешних факторов к минимуму.

Принцип работы

На мобильной тележке или в постоянном пункте возможного скопления метана располагаются баллоны со сжатым инертным газом и ингибитором. На борту располагается газоанализатор типа GaSense либо метан-реле ТМРК. При достижении установленного порога концентрации метана в атмосфере (3 %) блок управления дает команду на открытие клапана. Инертный газ и ингибитор под давлением начинают свое движение, проходят через регулирующие блоки, понижающие давление до требуемого, и поступают к форсункам, которые установлены в блок с раздельными камерами. Далее газы смешиваются в заданных пропорциях, и готовая смесь поступает в атмосферу.

Применение технологии ингибирования

Следует отметить, что имеются все основания применения технологии ингибирования на проходческие комбайны в комплексе с системой пневмогидроорошения (ПГО) в момент работы исполнительного органа. ПГО используется достаточно эффективно в качестве одной из превентивных мер безопасности шахты, однако при больших объёмах выброса газа количество воздуха, которое эжектируется в пространство, может быть недостаточным для разбавления метана до безопасной концентрации. В таком случае комбинирование системы и технологии ингибирования шахтной атмосферы может сыграть решающую роль.

Создание системы на базе имеющегося опытного образца не ограничивает возможности для технических вариантов разработки различных конструктивных решений и их привязки к существующей конструкции.

Ранее были разработаны конструкции и испытаны экспериментальные образцы форсунок для орошения очагов пылеобразования, определены основные параметры системы ПГО, оказывающие существенное влияние на эффективность её работы. На основании полученных данных нам удалось разработать экспериментальный новый образец автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси (далее – автоматической системы) за счет модернизации схемы блока управления, а также изменения в отдельном случае конструкции блока форсунок за счет добавления третьей камеры.

Примеры вариантов принципиальных схем автоматической системы представлены на рисунках 4–7.

Краткое описание

Автоматическая система в общем случае состоит из блока управления, в который входит электронный блок контроля, блок регулирования давления, дозирующего устройства (в зависимости от модификации) и другой контрольно-измерительной арматуры, а так же баллонов с компонентом(ми) и стандартного либо модернизированного (с добавлением третьей камеры) блока форсунок (рис. 5).

Рисунок 4 – пример принципиальной схемы автоматической системы с возможностью регулирования расхода ингибитора в автоматическом режиме электронным блоком управления системы ПГО: 1 – кран запорный; 2 – грязеуловитель (фильтр); 3 – электромагнитный клапан; 4 – блок регулирования давления; 5 – манометр электронный; 6 – клапан редукционный; 7 – клапан балансировочный; 8 – электронный расходомер; 9 – клапан управляющий с пневмоприводом; 10 – дозирующее устройство; 11 – электронный блок управления системы ПГО; 12 – клапан обратный; 13 – блок форсунок; 14 – датчик метана; 15 – баллон с ингибитором

Принцип работы

В момент срабатывания датчика метана электронный блок управления системой подаёт сигнал и открывает подачу ингибитора. Газ, минуя блок управления системой, в требуемой пропорции поступает к форсункам.

Газ-ингибитор может подаваться: 1. по воздушному каналу, подмешиваясь в пропорции, необходимой для разрыва цепной реакции горения. Пропорция высчитывается исходя из показаний датчика блока управления. 2. по воздушному каналу в концентрированном виде. 3. по водяному каналу в концентрированном виде, смешиваясь непосредственно в форсунке в необходимой пропорции. 4. по отдельному каналу в третью камеру блока форсунок, откуда и происходит его истечение через форсунку в концентрированном виде.

Предложенная разработка системы пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт обеспечит высокий уровень безопасности при ведении работ в горных выработках, позволит сократить время на простоях при внезапных выбросах метана, тем самым увеличить производительность.

На этапе научно-исследовательской работы проанализирован достигнутый уровень техники по аналогичным устройствам. получен патент № 138710 (дата приоритета от 30.10.2013 г.) на автоматическую систему пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси, а так же поданы заявки на изобретение № 2013148543 и 2013136183 на мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах, №2013136203 на распылительное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в федеральную службу по интеллектуальной собственности (Роспатент).

Рисунок 5 – пример принципиальной схемы автоматической системы без возможности регулирования расхода ингибитора электронным блоком управления системы ПГО: 1 – кран запорный; 2 – грязеуловитель (фильтр); 3 – электромагнитный клапан; 4 – блок регулирования давления; 5 – манометр электронный; 6 – клапан редукционный; 7 – клапан балансировочный; 8 – электронный расходомер; 9 – клапан управляющий с пневмоприводом; 10 – дозирующее устройство; 11 – электронный блок управления системы ПГО; 12 – клапан обратный; 13 – блок форсунок; 14 – датчик метана; 15 – баллон с ингибитором

Рисунок 6 – пример принципиальной схемы автоматической системы с трехкамерным блоком форсунок: 1 – кран запорный; 2 – грязеуловитель (фильтр); 3 – электромагнитный клапан; 4 – блок регулирования давления; 5 – манометр электронный; 6 – клапан редукционный; 7 – клапан балансировочный; 8 – электронный расходомер; 9 – клапан управляющий с пневмоприводом; 10 – электронный блок управления системы ПГО; 11 – клапан обратный; 12 – блок форсунок; 13 – датчик метана; 14 – баллон с ингибитором

Рисунок 7 – измененная конструкция блока форсунок: 1 – блок форсунок системы ПГО; 2 – камера для подачи воздуха; 3 – камера для подачи воды; 4 – камера для подачи ингибитора; 5 – форсунка для создания водовоздушного тумана системы ПГО; 6 – форсунка для распыления ингибитора

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Азатян, В. В. Химические методы ингибирования взрывоопасных сред / В. В. Азатян [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 5. –с. 38–46.

2. Азатян, В. В. Эффективные химические методы управления горением, взрывом и детонацией газов / В. В. Азатян, Т. Р. Тимербулатов, С. В. Шатиров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2012. – № 4. – с. 27–36.

3. Шатиров, С. В. Повышение эффективности и улучшение характеристик технологии пылеподавления. Разработка системы пылеподавления с использованием энергии воздуха или газа / С. В. Шатиров, А. А. Христофоров, П. Ю. Филатов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2013. – № 1.2 – с. 88–94.

4. Изыскать перспективные направления по созданию способов и средств прогнозирования, повышения эффективности управления газовыделением, борьбы с внезапными выбросами угля и газа и эндогенными пожарами: отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. А. А. Мясников, И. Д. Мащенко, С. П. Казаков, В. П. Птицын, И. А. Камышенский, Л. В. Цехин, А. В. Трубицын, В. Т. Медведев, С. В. Удотов, С. М. Авраменко, Л. Я. Лихачев, А. А. Гринюк, С. П. Ворошилов, Г. В. Чикунова, Н. К. Шмакова. – Кемерово, 1986. – 78 с.

DEVICES FOR NEUTRALIZATION FIREDAMP EXPLOSIVE CONCENTRATION

A. A. Trubitsyn, A. A. Khristoforov, A. A. Malakhov

Problems of explosive concentration of a firedamp accumulation in coal mine atmosphere, methane outburst, equipment delivery in hard-to-reach spots at accidents are considered. the special attention is paid on inhibition as an effective method to prevent ignition and explosion of combustible gases. Design of a mobile device to inhibit firedamp explosive in coal mine atmosphere is offered and the use of technology for inserting with tunneling machine in pneumatic water spraying system.

Key words: DEVELOPMENT, ANALYSIS, INHIBITION, METHANE EMISSION, DEDUSTING, AERO-HYDRODYNAMIC SYSTEM, MODERNIZATION, SAFETY, PRINCIPLE DIAGRAM, CONTROL UNIT, EFFICIENCY, INFLAMMATION, METHANE BLOWOUT, AERATION, MOBILE INSTALLATION, DEVICE, CHEMICAL METHODS, BURNING, EXPLOSION, DETONATION

Трубицын Анатолий Александрович
e-mail: atrubitsyn@rambler.ru

Христофоров Александр Александрович
e-mail: knaz1984@gmail.com

Малахов Андрей Андреевич
e-mail: uz.malahov@gmail.com

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 1-2014.

А. А. Христофоров
ведущий конструктор ООО "Горный-ЦОТ"

А. А. Малахов
ведущий конструктор ООО "ВостЭКО"

П. Ю. Филатов
старший начный сотрудник ОАО "НЦ ВостНИИ"

Составной частью системы пневмогидроорошения является конструкция форсунок эффективного пылеподавления с использованием энергии воздуха или газа, разработанная инженерами ООО "ВостЭКО". Описана конструкция блока для установки форсунок, а также блока управления. Проведены испытания, по результатам которых доказана эффективность, определены рациональные параметры работы системы. Предложены рекомендации по ее установке на комбайне, количеству и расположению форсунок в пространстве.

Ключевые слова: РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ, ПАРАМЕТРЫ, ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЕ, СИСТЕМА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, ОРОШЕНИЕ, ФОРСУНКА, ЭНЕРГИЯ ВОЗДУХА ИЛИ ГАЗА, ВОДОВОЗДУШНЫЙ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОВЫШЕНИЕ, ДИСПЕРГИРОВАНИЕ, ТУМАН, ФАКЕЛ, АКТИВНАЯ ЧАСТЬ, ФРИКЦИОННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ВЫДУВАНИЕ МЕТАНА, ОХЛАЖДЕНИЕ РЕЗЦОВ, ПРОВЕТРИВАНИЕ

Состояние вопроса и задачи исследования

По итогам реализации «Долгосрочной программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года» предполагается обеспечить добычу угля объемом не мене 500 млн тонн в год [1].

Решение этой задачи будет осуществляться, прежде всего, за счет повышения производительности труда (в 5 раз к 2030 году) на базе последовательной модернизации и обновления производственных мощностей, внедрения более производительных механизированных и автоматизированных комплексов, повышения конкурентоспособности угольных компаний (не менее чем в 2–3 раза по основному кругу показателей), уровня промышленной и экологической безопасности в отрасли, разработки новых технологий, обеспечивающих добычу угля в сложных местах залегания пластов. К тому моменту в Кузнецком угольном бассейне будут построены новые шахты и разрезы общей мощностью более 50 млн тонн угля в год [1].

Согласно одному из пунктов программы стратегической целью развития угольной промышленности является повышение уровня безопасности функционирования угледобывающих предприятий.

Основным способом борьбы с взвешенной пылью в угольных шахтах, применяемым на всех очистных и проходческих комбайнах, а так же при погрузочно-транспортных операциях, является орошение. Способ пылеподавления заключается в смачивании, улавливании и осаждении пыли жидкостью, диспергированной на мелкие капли. Эффективность орошения зависит от многих факторов, основными из которых являются: степень диспергирования капель, степень турбулизации потока, скорость капель жидкости в факеле орошения, способность жидкости к смачиванию пылинок. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при использовании низконапорного орошения до 2,5 МПа наибольший эффект может быть достигнут при оптимальной дисперсности капель в факеле порядка 100 мкм и начальной скорости полета капель 30–80 м/с. Однако при этом эффективно улавливается крупная пыль, а тонкая (менее 3 мкм) остается витать в воздухе. Более высокого эффекта улавливания как крупной, так и мелкой пыли можно достигнуть при повышении давления воды до 10 МПа и оптимальном размере капель до 10 мкм [4].

В настоящее время современные выемочные и проходческие комбайны оснащены различными модификациями типовой оросительной системы с внутренней и внешней разводкой воды. Совершенствование системы проводится главным образом в направлении увеличения энерговооруженности и автоматизации с целью повышения производительности, возможности проведения выработок большого сечения, в том числе по породам повышенной крепости.

Однако проблема борьбы с пылью при работе проходческих комбайнов остается не решенной, несмотря на довольно высокую эффективность пылеподавления (85–95 %) при соблюдении оптимальных параметров орошения. Такая ситуация обусловливается недостатками существующих систем орошения.

К недостаткам системы орошения с подачей воды под резец можно отнести частое засорение форсунок снаружи и изнутри, отсутствие регулирования расхода воды в зависимости от положения исполнительного органа комбайна в забое и его производительности, недостаточно надежную герметизацию соединения водяных каналов, коронки и кулаков. Такое улучшение конструкции, как подача на резец только в момент его контакта с породой, не добавляет надежности. Для систем с внешней разводкой характерны низкая эффективность улавливания тонких фракций пыли, сильное обводнение забоев и зон выработок, переувлажнение угля в результате большого расхода и низкого коэффициента использования воды, ухудшающие санитарно-гигиенические условия труда шахтеров.

Итак, типовая оросительная система горных комбайнов недостаточно надежна и не обеспечивает требуемых параметров орошения в течение длительного времени, а эффективность её работы в производственных условиях обычно ниже требуемой. Поэтому дальнейшее повышение эффективности пылеподавления невозможно за счет увеличения расхода воды – необходимо применение более эффективных, усовершенствованных способов орошения [4].

Выполненные в ООО "Горный ЦОТ" и ООО "ВостЭКО" изыскания возможности создания аэрогидродинамического способа обеспыливания воздуха при работе проходческого комбайна показали, что на его основе возможно создание адаптивной унифицированной системы, которая позволит упростить конструкцию исполнительного органа и резцов, значительно снизить расход воды.

С 2012 года по 2014 год авторами проведены исследования гидродинамических процессов, аналитические исследования и лабораторные эксперименты, а также компьютерное моделирование физических процессов.

На основании полученных результатов разработаны конструкции блока для форсунок и блока управления системой, определены параметры и оптимальные места расположения оросителей, обеспечивающие пневмогидравлическое обеспыливание зоны работы исполнительного органа горного комбайна. Проведены лабораторные испытания на стенде.

Технические решения форсунок для создания водовоздушного тумана с использованием воздуха и воды одновременно, что повышает эффект пылеподавления, использованы в составе системы пневмогидроорошения. Форсунки защищены патентами.

Основные конструкторские решения и принцип действия системы пневмогидроорошения

Результаты проведенных ранее исследований и выполненных разработок позволили определить составные части системы пневмогидроорошения (далее – ПГО), а также разработать технологическую схему её применения для проходческих комбайнов.

Система ПГО состоит из двух основных частей: блока с форсунками и блока управления.

Блок управления представляет собой металлический короб, в котором размещены редукционные, управляющий и обратные клапаны, устройства для регулирования расхода, контрольно-измерительная аппаратура, фильтры, а так же запорные вентили, на торцах расположены выходы для фитингового соединения с блоками форсунок. В зависимости от модификации в схему могут быть установлены электронные устройства контроля расхода и давления обоих сред, которые будут включены в электрическую сеть и позволят комбайну работать только при достижении требуемых параметров. С учетом особенностей области эксплуатации системы корпус блока управления изготавливается из толстого листового металла (рис. 1).

Рисунок 1 – Общий вид блока управления системы ПГО: 1 – кран шаровой запорный; 2 – грязеуловитель; 3 – манометр; 4 – редукционный клапан с манометром; 5 – расходомер; 6 – клапан управляющий с пневмоприводом; 7 – регулятор давления; 8 – обратный клапан; 9 – шланг пневмопривода

Блок форсунок состоит из двух изолированных камер для раздельной подачи воды и воздуха, каждая из которых соединена с отдельными входами распылительных форсунок. Корпус блока изготавливают из U-образного профи-ля, а так же толстостенной трубы круглого или квадратного сечения. Существуют две модификации блока: с коллектором и без него (рис. 2, 3).

Рисунок 2 – Блок форсунок. Модификация с коллектором

Рисунок 3 – Блок форсунок. Модификация без коллектора

В блок установлены форсунки двух типов, имеющие конусный и плоскоструйный распылы.

Принцип действия системы ПГО следующий. Воздух от компрессора подается к фильтру по шлангу. Поток проходит по магистрали к блоку форсунок через редукционный клапан, понижающий давление воздуха до требуемого. Как только давление в системе выравнивается, за счет пневматического привода срабатывает управляющий клапан. В это время вода из противопожарного трубопровода под требуемым давлением, которое обеспечивает водяной редукционный клапан, через фильтр поступает в блок к форсункам, где происходит дозированная подача компонентов. Газовый канал особого профиля разгоняет проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. В этот момент подается вода в заданном соотношении. На выходе из сопла форсунки давление и скорость резко понижаются, газ расширяется, происходит разрывание жидкости и превращение в водовоздушную смесь высокой дисперсии.

Рисунок 4 – Общий вид системы с исполнительным органом: размер А – расстояние от форсунки до оси режущего органа; размер В – межосевое расстояние между форсунками; угол А – угол раскрытия факела форсунки

Методика исследований

Исследования по определению рациональных схем и параметров аэрогидродинамического способа обеспыливания при работе проходческого комбайна проводились на стенде лабораторно-модельным способом (рис. 5), позволяющим выделить из всех совокупностей отдельные факторы и установить их влияние на данный процесс и регулировать в необходимых пределах те или иные параметры процесса, что значительно облегчает постановку экспериментов и сокращает время и затраты на их проведение.

Рисунок 5 – Схема расположения оборудования при испытаниях

Система испытывалась в широком диапазоне параметров, проверялись уязвимые места, которые впоследствии модернизировались или исправлялись. Арматура выбиралась из расчета работы системы на параметрах, оптимальных для работы форсунок.

В ходе испытаний фиксировались следующие параметры: давление воды и воздуха на входе в систему, а также у оросителей, расход воды, скорость потока воздуха от оросителей, проверка времени достижения рабочих параметров, показатели надежности.

Анализ данных позволил прийти к неожиданному, но вполне логичному выводу: факелы форсунок при распылении жидкости эжектируют значительное количество воздуха. Так, при давлении в 0,4 МПа используемая форсунка эжектирует не менее 0,6 м3/мин. Учитывая, что при использовании внешнего орошения на комбайне должно применяться от 15 до 25 форсунок конусного распыла и от 2 до 4 плоскоструйного, не сложно посчитать количество воздуха, принимающего участие в процессе пылеподавления. Таким образом, система ПГО в зависимости от количества форсунок создает направленный водовоздушный поток интенсивностью 0,25–0,5 м3/с. Такое количество тумана с размерами капель от 10 до 200 мкм, имеющее постоянную скорость в зоне выброса под коронкой, превышающую 10 м/с, оказывает влияние на диффузионные свойства вентиляционных потоков по газовому фактору, способствуя вымыванию метана из зоны резания и удаления его из забоя.

Рекомендации по установке блока относительно режущего органа

Существует единое мнение исследователей о том, что скорость движения капель жидкости в факеле определяет эффективность их соприкосновения с пылинками и имеет решающее значение для осаждения взвешенной пыли в воздухе, а с ее возрастанием увеличивается и длина активной зоны факела диспергированной жидкости. Относительно оптимальной скорости движения капель мнения расходятся: по данным одних авторов, она должна составлять не менее 15–20 м/с., других – 20–30 м/с [2].

Таким образом, на основании аналитических и экспериментальных исследований, нами определено необходимое расстояние, при котором рабочий орган должен находиться в зоне эффективного действия форсунок. Этот показатель напрямую зависит от рабочего давления системы.

Плоскость распыла форсунок, расположенных на торце блока, должна быть перпендикулярна оси симметрии режущего органа. Допускается изменять угол, но в пределах ±10°.

Для зоны резания факел форсунок должен быть направлен на основание коронки, для орошения зоны погрузки – в зону падения угля.

С целью увеличения эффективности работы системы гидропневмоорошения, необходимо установить на торцевых поверхностях блоков форсунки с плоским факелом распыла. Водяная завеса, создаваемая форсунками, будет отсекать потоки пылевоздушной массы из места выемки, проходящие рядом с почвой.

Рекомендации по количеству и расположению форсунок

Количество форсунок зависит от размеров исполнительного органа.

Межосевое расстояние между форсунками в плоскости выбирается исходя из расстояния до исполнительного органа, так как факелы форсунок должны перекрываться друг относительно друг друга непосредственно перед ним.

Выводы

В настоящей работе дано решение актуальной задачи разработки нового высокоэффективного метода борьбы с пылью при работе проходческих комбайнов.

Разработанная система показала высокую эффективность и надежность работы, что позволяет повысить эффективность работы системы орошения комбайна в целом. На основании многофакторного анализа полученных данных даны рекомендации по конструкции блока, количеству форсунок, межосевому расстоянию между ними, а также по установке его на комбайне.

Определены рациональные параметры работы системы ПГО: – давление воды Р = 0,3÷1,5 МПа; – давление воздуха Р = 0,3÷0,7 МПа; – расход воды Q = не менее 0,8 л/мин. на одну форсунку; – расход воздуха Q = не менее 0,6 м3/мин. на одну форсунку при давлении Р = 0,4 МПа.

Разработан блок управления системой. Установлено, что система позволяет повысить взрывобезопасность шахтной атмосферы при интенсивной выемке породы или угля за счет выдувания метана из режущей области.

К техническим преимуществам системы ПГО относятся: – упрощенное исполнение конструкции исполнительного органа и резцов за счет использования внешней системы орошения; – значительное снижение расхода воды; – выдувание метана из режущей области; – возможность проверки работоспособности системы способом визуального осмотра; – простое обслуживание системы; – удобное регулирование расхода и контроль за давлением и воды и воздуха; – достаточное охлаждение резцов в зонерезания; – уменьшение износа резцов; – снижение затрат на обслуживание и ремонт.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Об утверждении долгосрочной программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года : распоряжение Правительства Рос. Федерации от 24.01.2012 № 14-р. – Режим доступа: http://www.rg.ru/pril/64/07/80/14_ghu.doc.

2. Гринюк, А. А. Разработка способа пылеподавления и предотвращения воспламенения метана при работе проходческих комбайнов : дис. …канд. техн. наук : 05.26.01; защищена 10.10.1985 / Гринюк Алексей Алексеевич. – Кемерово, 1985. – 142 с.

3. Белоногов, И. П. Исследование пылевыделения и совершенствование способов и средств борьбы с пылью на основе водовоздушных эжекторов при работе проходческих комбайнов : автореф. дис. … канд. техн. наук / Белоногов Иван Петрович. – Кемерово, 1978. – 23 с.

4. Авраменко, С. М. Повышение эффективности пылеподавления при работе очистных комбайнов на основе аэрогидродинамического обеспыливания : дис. … канд. техн. наук: 05.26.01 / Авраменко Сергей Михайлович. – Кемерово, 1989 – 165 с.

5. Создать и освоить аэрогидродинамическую систему обеспыливания при работе очистных комплексов для пластов мощностью до 4,5 м с углом падения до 35° : отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. Авраменко С. М., Трубицын А. В., Медведев В. Т., Бугримова Э. С., Большаякова Т. В. – Кемерово, 988. – 31 с.

6. Провести исследования по созданию принципиально новых сред, обеспечивающих значительное (по ПДК) снижение запыленности воздуха : отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. Авраменко С. М., Трубицын А. В., Удотов С. В., Пищалина Т. Н., Медведев В. Т., Донсков Ю. И., Чикунова Г. В., Большакова Т. В. – Кемерово, 1985. – 60 с.

DEVELOPMENT OF DUST SUPPRESSION SYSTEM BASED ON THE METHOD AEROHYDRODYNAMIC AIR DEDUSTING

A. A. Khristoforov, A. A. Malakhov, P. Yu. Filatov

The construction of nozzles for efficient dust control using gas or air energy, developed by engineers OOO "VostEKO." is the part of pneumohydraulic spraying system.The unit construction for nozzle installation and control unit are described. Test, the results of which proved the effectiveness, defined rational parameters of the system were carried out. installation Recommendations for combine machine, quantity and an arrangement of nozzles in space are offered.

Key words: DEVELOPMENT, ANALYSIS, PARAMETERS, DUST SUPPRESSION, SYSTEM OF AIR HYDRODYNAMIC DUST SUPPRESSION, SAFETY, CONTROL UNIT, IRRIGATION, NOZZLE, AIR OR GAS ENERGY, WATER-AIR, EFFICIENCY, INCREASE, DISPERSION, FINE DISPERSION, FOG, STRUCTURE, TORCH, LENGTH, ACTIVE PART, FRICTION IGNITION, BLADES COOLING, VENTILATION, PARTICLE SIZE

Христофоров Александр Александрович
e-mail: knaz1984@gmail.com

Малахов Андрей Андреевич
e-mail: uz.malahov@gmail.com

Филатов Павел Юрьевич
е-mail: fillini-f@mail.ru

Источник – журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» No 1-2014.