Введение к работе
Актуальность работы. Наиболее распространенным, сложным и опасным видом аварий на шахтах являются подземные пожары, которые могут возникать как на действующих, так и на законсервированных, и даже на ликвидированных шахтах В ряде случаев из-за подземного пожара приходится затапливать всю шахту или ее часть с находящимся там дорогостоящим оборудованием
Борьба с подземным пожаром и своевременное его предупреждение требуют тщательного диагностирования и локализации его очагов Однако существующие методы обнаружения и локализации пожаров не позволяют не только точно определить местоположение очагов пожара, но даже их количество и установить, в каком пласте они расположены
Появление признаков пожара на подземных угледобывающих предприятиях (уменьшение содержания Ог, увеличение концентрации С02, появление СО, Н2, газообразных углеводородов в газовом составе выработанного пространства и в подпочвенных пробах, повышение температуры и влажности воздуха, покраснения поверхностей выработок из-за формирования окисей железа, накопление смолы, бензола, серы и сульфата натрия в надпожареннои поверхности, иногда появление дыма) указывают лишь на наличие подземного пожара Для идентификации местоположения очага пожара этих данных оказывается недостаточно
Применяющиеся методы определения местоположения очагов подземных пожаров зависят от изменения внешних условий (погоды, времени года), поэтому разброс координат пожара составляет более 500 м Кроме того, при использовании таких методов проводится большой объем дорогих по стоимости, длительных и опасных бурильных работ
Таким образом, ключевой задачей рассматриваемой проблемы является умение правильно определять местоположение очага подземного пожара Однако на настоящий момент отсутствует оборудование, позволяющее диагностировать очаги пожара в глубине угольного пласта Поэтому разработка принципиально нового способа, позволяющего это делать, представляется весьма актуальной задачей.
Цель диссертации. Разработать способ акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах
Идея работы. На основе исследования трещинообразования в угле при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию,
выявление особенностей возникающих при этом акустических импульсов для разработки способа определения местоположения очагов пожара в угольном массиве
Постановка задачи исследования. В настоящее не существует общей теории процесса горения, позволяющей определять координаты очагов пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, в угольном массиве
В диссертационной работе теоретически обосновывается и экспериментально подтверждается новый эффект возникновения акустических импульсов в конденсированных твердых средах при горении и критических процессах, предшествующих их возгоранию, применительно к условиям угольного пласта для диагностики и определения координат очагов пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, в углесодержащем массиве Акустические импульсы рассматриваются по первому вступлению зависимости амплитуды от времени Полученные импульсы характеризуются специфичными для данного угольного пласта диапазонами измеряемых параметров (времени ожидания, частоты и амплитуды), что обусловлено широким разнообразием свойств углей, и их петрографическими особенностями
Научные положения, выносимые на защиту
-
При горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, происходит явление трещинообразования, приводящее к возникновению и распространению в нем акустических волн
-
Акустическое излучение, возникающее в угле при трещинообразовании, вызванном горением и критическими процессами, предшествующими возгоранию угля, генерируется непрерывно, это является отличительным акустическим признаком, позволяющим идентифицировать горение и критические процессы, предшествующие возгоранию
3. Частоты первых вступлений акустических сигналов, возникающих в угле при горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию, лежат в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц (для образцов исследованных углей соответственно подмосковного бурого угля от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного угля от 1700 до 6900 Гц), но обладают
характерными интервалами частоты, типичными для каждого угля, что является отличительным акустическим признаком, позволяющим идентифицировать горение и критические процессы, предшествующие возгоранию
4 В связи с широким разнообразием свойств углей целесообразно проводить экспериментальную тарировку акустических характеристик сигналов, возникающих при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию угля, для конкретных пластов
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
рекомендаций, диссертационной работы вытекает из корректности
постановки рассматриваемых задач, представительного объема полученных
данных по статистическому анализу результатов экспериментальных
исследований (около 15000 значений), воспроизводимости полученных
экспериментальных результатов, использования современной
вычислительной техники, позволяющей автоматизировать процесс регистрации экспериментальных данных, приемлемых коэффициентов вариации результатов обработки параметров акустических импульсов по времени ожидания для подмосковного бурого угля - 10%, для минусинского длиннопламенного - 14%, по амплитуде - соответственно 5 и 4%, по частоте - соответственно 4 и 3%
Научная новизна работы. Установлен новый эффект возникновения акустических импульсов при горении угля Впервые экспериментально установлено возникновение акустических импульсов, вызванных трещинообразованием в угле, при его горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию Первые вступления акустических сигналов в этих случаях характеризуются частотами, лежащими в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц (например, для образцов исследованных углей соответственно подмосковного бурого от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного от 1700 до 6900 Гц) Установлено, что непрерывность акустического излучения в течение всего процесса горения угля и критических процессов, предшествующих его возгоранию, отличает его от дискретных акустических импульсов, возникающих при других процессах, происходящих в угольном массиве
Практическая ценность работы состоит в установлении нового эффекта возникновения акустических импульсов при горении конденсированных твердых сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию, экспериментально доказывающего возможность создания пассивного акустического способа определения координат очагов подземных пожаров и зон самонагревания, находящихся в глубине углесодержащего массива Разработана методика тарировки для установления характеристик сигналов, возникающих в образцах различных углей при горении и критических процессах, предшествующих их возгоранию Предложен новый способ обнаружения очагов подземного пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, основанный на прямых измерениях -регистрации первых вступлений акустических импульсов, возникающих при трещинообразовании, вызванном горением конденсированных твердых сред Отличительными признаками акустического излучения при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию, являются его перманентность и частоты, лежащие в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц
Личный вклад авторасостоит
- в экспериментальном подтверждении гипотезы профессора Н Ф
Кусова о возникновении акустического излучения при пожаре в угольном
пласте,
- в проведении патентного поиска и составлении обзора литературы
по взаимному влиянию теплового и акустического полей вообще и
применительно к пожарам в угольных пластах в частности,
- в создании экспериментальной установки для исследования
акустического излучения, возникающего при горении конденсированных
твердых сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию,
- в разработке методов измерений акустических и теплофизических
величин в процессе эксперимента по исследованию акустического излучения,
возникающего при горении конденсированных твердых сред и критических
процессах, предшествующих их возгоранию и в осуществлении этих
измерений,
- в проведении экспериментов по исследованию акустического
излучения, возникающего при горении угля и критических процессах,
предшествующих его возгоранию,
- в обработке полученных экспериментальных результатов
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на
- международной научно-практической конференции «Наукоемкие
технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г
Новокузнецк, 2005 г),
восьмой научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г Кемерово, 2006 г),
всероссийской научной конференции, посвященной 30-летию Челябинского государственного университета «Математика Механика Информатика» (г Челябинск, 2006 г ),
шестой всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (г Новосибирск, 2006 г),
первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (г Москва, 2006г),
международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г Новокузнецк, 2007 г),
научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского (г Люберцы, 2007 г )
Публикации. По результатам исследований опубликовано семь научных работ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 122 страницы, 27 рисунков и список литературы из 107 наименований
