Введение к работе
Актуальность работы. Очаги самовозгорания, возникающие в угольных шахтах, представляют большую опасность для жизни и здоровья шахтеров, а также угрозу деятельности угледобывающих предприятий. Особую сложность представляют эндогенные пожары, возникающие в выработанном пространстве, обнаружение и тушение которых затруднено из-за недоступности очагов. При несвоевременном вводе средств пожарной защиты в действие, а также низкой эффективности применяемых способов тушения подземные пожары превращаются в грозное бедствие. Они дезорганизуют работу горного предприятия, обесценивают недра, приводят в негодность оборудование. Под угрозой оказываются здоровье и жизнь шахтеров, а также горноспасателей, участвующих в ликвидации аварийной ситуации.
В большинстве случаев эндогенные пожары, возникающие в выработанном пространстве, изолируют, что ведет к огромному экономическому ущербу, обусловленному потерей дорогостоящей угледобывающей техники, подготовленных к выемке запасов угля, горных выработок, а также затратами на тушение пожара и восстановление горных выработок после ликвидации аварии. Основной причиной значительного ущерба, наносимого угольным шахтам эндогенными пожарами, является низкая эффективность применяемых способов обнаружения очагов, не позволяющих выявить начальную стадию процесса самовозгорания и ликвидировать зарождающиеся очаги с минимальными потерями.
Наиболее распространенным способом обнаружения процессов самовозгорания угля в шахтах является контроль за содержанием индикаторных газов в рудничной атмосфере, в качестве которых используют оксид углерода, водород, предельные и непредельные углеводороды, а также радон. Однако зачастую концентрация индикаторных газов изменяется в широких пределах, значительно превышая фоновые значения, что может вызвать необоснованную остановку горных работ или с большим опозданием зафиксировать процесс самовозгорания угля.
Разработка и применение способов раннего обнаружения процессов самовозгорания угля позволит повысить безопасность горных работ и снизить экономический ущерб от возникновения очагов эндогенных пожаров.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа, позволяющего повысить эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт.
Идея работы состоит в использовании для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в воздухе, прошедшем выработанное пространство.
Задачи исследований:
1. Оценить эффективность газоаналитического метода обнаружения процесса самовозгорания в шахтах.
Провести исследования теплофизических параметров рудничного воздуха и определить условия образования жидкого аэрозоля в рудничной атмосфере.
Разработать параметры устройства для измерения суммарного количества пара и жидкой фазы в рудничном воздухе.
Разработать критерии обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания угля в выработанном пространстве.
Методы исследований:
- анализ теории и практики применения способов и средств по обнаруже
нию и предупреждению эндогенных пожаров;
теоретическое и экспериментальное исследование изменений тепло-физических параметров воздуха, проходящего через горные выработки и выработанное пространство;
лабораторные эксперименты по оценке количества жидкой фазы в воздухе с применением сорбентов;
шахтные эксперименты с использованием устройства для оценки суммарного количества влаги в воздухе.
Научные положения, выносимые на защиту:
Выделение индикаторных газов в процессе низкотемпературного окисления угля, а также при его механическом разрушении сопоставимо по интенсивности с выделением индикаторных газов при нагревании угля до температуры 150-200С, что снижает эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля с помощью газоаналитического способа.
При движении воздуха от воздухоподающего ствола по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах, при этом относительная влажность входящего в лаву воздуха варьируется от 50 до 100 %, что ограничивает применение способа обнаружения самонагревания угля, основанного на контроле влагосодержания воздуха, прошедшего через выработанное пространство.
В процессе тепло- и массообмена воздух в очаге самонагревания угля насыщается паром, а при последующем охлаждении до естественной температуры горных пород превращается в жидкий аэрозоль, который можно использовать в качестве индикатора ранней стадии процесса самовозгорания. Для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе достаточно порции сили-кагеля массой 0,01 кг, и пробы воздуха объемом 0,008-0,01 м , прокачиваемой через сорбент с расходом менее 1,2* 10~3 м3/мин.
При относительной влажности входящего в лаву воздуха менее 100 % критерием процесса самонагревания угля является превышение суммарного количество пара и жидкого аэрозоля в исходящем потоке воздуха над максимальной влажностью входящего воздуха, а при относительной влажности входящего воздуха равной 100 %, опасной считается ситуация, при которой суммарное количество пара и жидкого аэрозоля в исходящей струе больше, чем во входящей.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
корректностью методов исследований и обработки экспериментальных данных;
положительными результатами аналитических и лабораторных исследований при оценке количества влаги в воздухе;
удовлетворительной сходимостью результатов натурных и аналитических исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Обоснованы причины значительных изменений концентрации индикаторных газов в процессе ведения горных работ.
Выявлены закономерности изменения теплофизических параметров воздуха при движении по горным выработкам и выработанному пространству угольных шахт.
Установлены закономерности образования жидкого аэрозоля в воздухе после прохождения очага самонагревания угля, позволяющие обнаруживать раннюю стадию процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе с применением адсорбционного метода.
Разработаны критерии для оценки опасности возникновения очага самовозгорания в выработанном пространстве.
Личный вклад автора:
в обосновании возможности обнаружения ранней стадии самовозгорания путем контроля и оценки количества жидкого аэрозоля в воздухе;
в обработке и анализе результатов теоретических исследований и экспериментов;
в разработке и испытании способа определения суммарного количества влаги в воздухе и устройства для его реализации.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:
обнаруживать очаги самовозгорания в выработанном пространстве угольных шахт по содержанию жидкого аэрозоля в воздухе;
повысить безопасность ведения горных работ на угольных пластах, склонных к самовозгоранию.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались и получили одобрение на ежегодной конференции аспирантов и студентов КузГТУ (2007); XII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2008г); Втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопо-жароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа 2008); Второй международной научно-практической конференции «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009); VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности регионов в промышленно-развитых
регионах» (Кемерово, 2009), а также результаты исследований докладывались на технических совещаниях в «Сибирской угольной энергетической компании».
Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, приложений и содержит 130 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 101 наименования.
