авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Научное обоснование разработки средств ликвидации скоплений газа в горных выработках методом пульсирующей вентиляции

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 622.82:622.411.3

ФИЛИН Александр Эдуардович

Научное обоснование разработки средств ликвидации скоплений газа в горных выработках методом пульсирующей вентиляции

Специальность 05.26.02 – «Безопасность в чрезвычайных ситуациях»

(в горной промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Московский государственный горный университет»

Научные консультанты

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор Каледина Нина Олеговна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор – Матвиенко Николай Григорьевич

доктор технических наук, профессор – Терентьев Борис Дмитриевич

доктор технических наук – Поздняков Георгий Акимович

Ведущая организация

Федеральное унитарное государственное предприятие центральный штаб военизированных горноспасательных частей угольной промышленности (ФГУП ЦШ ВГСЧ угольной промышленности), г. Москва

Защита состоится «___» ____________ 2009 г. в «_____» часов на заседании диссертационного совета Д–212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «___»_____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

докт. техн. наук Королева В.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Аварии, связанные со скоплением опасных и вредных газов, систематически проявляются на горных предприятиях, что приводит к чрезвычайным ситуациям (ЧС), нанося значительный материальный ущерб, и создает угрозу жизни и здоровью людей. В последние годы на угольных шахтах произошли крупные взрывы метана с гибелью от 50 до 110 человек и значительными материальными потерями. Особенно остро угроза ЧС по газовому фактору проявляется на угледобывающих предприятиях, где отмечается усложнение горно-геологических и технико-технологических условий эксплуатации горных выработок, сопровождающееся значительным газовыделением (СН4, СО2).

Основной причиной подобных ЧС является формирование в горных выработках скоплений газов с опасными концентрациями – взрывопожароопасными и отравляющими. Основными методами борьбы со скоплениями вредных и опасных газов являются вентиляция горных выработок и подземных сооружений, направленная на поддержание допустимого содержания газа по всему их объему, и дегазация основных источников газовыделения. Однако вследствие неравномерного распределения газа возникают условия, при которых эти методы не позволяют ликвидировать причины возникновения ЧС. Применяемые в этом случае дополнительные средства предупреждения образования местных скоплений в виде направляющих щитков и парусов, рассеивающих сеток и вентиляционных труб имеют либо незначительную эффективность и малый радиус воздействия, либо сложные схемы монтажа в подземных условиях и не всегда учитывают условия формирования скоплений газов. Решение этой проблемы важно и для рудников, и для подземных объектов мегаполисов: коллекторов различного назначения, коммуникационных тоннелей, подземных путепроводов и ряда других городских объектов.



Анализ и оценка методов и средств борьбы со скоплениями газа показали, что решить эту проблему возможно при использовании пульсирующей вентиляции. Этот метод применим для всего спектра горнодобывающих предприятий и подземных сооружений, где возможно возникновение скоплений динамически активных газов, при решении задач по разгазированию.

Образование скоплений газов является сложным многофакторным процессом, который трудно поддается математическому описанию, позволяющему полностью учесть указанные факторы и применить его на практике для решения задачи предотвращения ЧС и обеспечения безопасных условий труда. Для решения этой задачи необходим инструментарий, позволяющий выполнять оценку условий возникновения скоплений газа, учитывать влияние факторов на процессы газопереноса при пульсирующей вентиляции. Сегодня отсутствуют теоретические основы для разработки средств генерации пульсирующей вентиляции с учетом влияющих факторов. Вследствие этого развитие научных основ, позволяющих создавать средства для ликвидации скоплений опасных и (или) вредных газов в горных выработках и подземных сооружениях как разновидности ЧС, является актуальной научной проблемой.

Целью работы является развитие теоретических основ процесса газопереноса в горных выработках и подземных сооружениях (ГВиПС) при пульсирующей вентиляции и создание соответствующих средств ликвидации опасных скоплений газа на горных предприятиях.

Основная идея работы заключается в выявлении и использовании закономерностей процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции для определения параметров режима проветривания в газообильных ГВиПС и разработке на их основе технических средств, обеспечивающих ликвидацию угрозы ЧС по газовому фактору на горных предприятиях.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

  1. Ликвидация ЧС, связанных со скоплениями опасных и вредных газов на горных предприятиях, наиболее эффективна при использовании пульсирующего движения воздуха, позволяющего существенно повысить перемешивание газовоздушного потока в местах скопления газов в ГВиПС.
  2. Оценку необходимости применения пульсирующей вентиляции следует выполнять на основе разработанной классификации условий формирования местных скоплений газов в ГВиПС по степени опасности.
  3. Процесс формирования и разрушения местных скоплений газа при режиме пульсирующей вентиляции (РПВ) следует описывать критериальным уравнением, включающим числа Рейнольдса (Re), Эйлера (Eu), Фруда (Fr), Галилея (Ga) и Архимеда (Ar), из которых определяющими являются числа Рейнольдса (Re), Эйлера (Eu) и Архимеда (Ar).
  4. Использование полученной регрессионной модели позволяет создавать эффективный РПВ, обеспечивающий оптимальные параметры дистанционного разрушения скоплений газов в горных выработках. Основными параметрами, определяющими режим газопереноса при пульсирующей вентиляции в системе «горная выра- ботка-газовоздушный поток-пульсатор», описываемыми моделью, являются: средние значения концентрации газа в поступающей на загазированный участок и в исходящей с загазированного участка воздушной струе, максимальное значение концентрации газа в местном скоплении газа, расход воздуха в выработке и в генераторе импульсов давления (пульсатора), гидравлический диаметр выработки, разность значений статического давления у пульсатора и в местном скоплении, скорость воздушного потока и расстояние от пульсатора до местного скопления газа.
  5. Закономерности газопереноса с учетом РПВ, полученные на основе моделирования, позволяют выявить связь времени разрушения местных скоплений tр с определяющими параметрами системы «горная выработка - газовоздушный поток- пульсатор».
  6. Режим пульсирующей вентиляции в условиях ГВиПС необходимо формировать посредством специальных генераторов пульсаций, обеспечивающих необходимые частоту импульсов и расход воздуха (производительность).
  7. Оптимальные параметры пульсатора для разрушения местных скоплений необходимо задавать на базе разработанной методики для определения оптимальной производительности пульсатора по воздуху, что позволит повысить безопасность ведения аварийно-спасательных работ при разгазировании горных выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:

  • представительным количеством лабораторных, стендовых и промышленных экспериментов по исследованию процесса предупреждения возникновения и разрушения сформировавшихся опасных скоплений метана в ГВиПС угольных шахт при РПВ (более 5000 измерений);
  • репрезентативным объемом статистических данных по 14 показателям;
  • высокими показателями доверительного интервала показаний математической модели - 98,5;
  • сходимостью лабораторных, стендовых и промышленных данных с результатами теоретических исследований (отклонение не более 19%).

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Разработана классификация условий формирования местных скоплений газов в ГВиПС по степени опасности.
  2. Получено новое теоретическое описание процесса газопереноса в критериальном виде для условий подземных ГВиПС, отличающееся учетом пульсирующего движения воздуха.
  3. Установлены общие закономерности газопереноса при РПВ для газообильных ГВиПС, учитывающие взаимосвязь времени разрушения скоплений газа с определяющими параметрами газопереноса и параметрами технических средств ликвидации скоплений опасных и вредных газов для обеспечения безопасного ведения аварийно-спасательных работ.
  4. Впервые выявлено совокупное влияние факторов системы «горная выработка – газовоздушный поток – пульсатор»: средние значения концентрации газа в поступающей на загазированный участок и в исходящей с загазированного участка воздушной струе, максимальное значение концентрации газа в местном скоплении газа, расход воздуха в выработке и в генераторе импульсов давления (пульсатора), гидравлический диаметр выработки, разность значений статического давления у пульсатора и в местном скоплении, скорость воздушного потока и расстояние от пульсатора до местного скопления газа.
  5. Впервые научно обоснованы оптимальные технические параметры и режимы генерации импульсов установки для пульсирующей вентиляции, обеспечивающие разрушение местных и слоевых скоплений опасных и вредных газов.
  6. Установлены рациональные параметры РПВ в условиях газообильных ГВиПС.

Научное значение диссертации состоит в выявлении закономерностей разрушения опасных скоплений газа при пульсирующей вентиляции и научном обосновании аэродинамических параметров РПВ для решения проблемы предотвращения и ликвидации скоплений вредных и опасных газов в газообильных ГВиПС и, соответственно, снижения риска возникновения ЧС по газовому фактору и поражения людей при ведении работ по разгазированию.

Практическое значение диссертации заключается в следующем:

  • разработаны требования к средствам, генерирующим РПВ;
  • предложены конструкторские решения по устройству генерации РПВ;
  • разработана методика расчета оптимального расхода воздуха установок «Пульсатор»;
  • разработаны рекомендации по применению пульсирующей вентиляции в условиях шахт ОАО «Воркутауголь».

Апробация работы

Основные результаты научных исследований, проведенных автором доложены и получили положительную оценку на: семинарах кафедры Аэрологии и охраны труда МГГУ (г. Москва, 1997-2007), на заседаниях секции «Проблемы Аэрологии и безопасности горных предприятий» научного симпозиума в рамках «Недели горняка» в МГГУ (г. Москва, 1998-2007), на семинарах и симпозиумах в рамках работы выставок «Промышленная безопасность» на ВВЦ (г. Москва, 2004), «Безопасность в промышленности» на ВВЦ (г. Москва, 2005), выставке «ИННОВ-2005» в ЮРГТУ (г. Новочеркасск, 2005), на 3-й межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2005), на международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2006)

Реализация выполненной работы. Основные результаты работы реализованы в виде опытно-промышленного образца установки «Пульсатор П1», руководства по применению установки «Пульсатор П1» на угольных шахтах Воркутского месторождения.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 33 работы, из них 17 в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе 2 авторских свидетельства.





Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 7 разделов, заключения и 3 приложений, включает 76 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 112 наименований.

Основное содержание работы

Современное состояние обеспечения безопасности работ на предприятиях горнодобывающего комплекса и объектах строительства подземных сооружений находится на той стадии, когда проявлениям внешних опасных и вредных факторов уделяется все большее внимание, часто технико-технологические решения принимаются исходя из потенциала конкретного фактора. В рамках данной работы рассматривается безопасность по газовому фактору, которая далее для краткости именуется газовой безопасностью (ГБ). Внимание к этой проблеме связано как с усложняющимися горно-геологическими условиями ведения работ, так и с заметно возросшими темпами и объемами их выполнения. Применение традиционных методов и средств предупреждения и ликвидации ЧС, связанных с ГБ, становится малоэффективным, а в ряде случаев и опасным в силу отсутствия или неадекватного применения методов и средств предотвращения негативных проявлений газов, отсутствия соответствующих научных и технико-технологических решений. Это подтверждается случаями гибели бойцов ВГСЧ при ведении спасательных работ и общей статистикой гибели людей на угольных шахтах.

Решение теоретических и практических вопросов обеспечения безопасных условий труда по газовому фактору рассмотрено в трудах таких ученых и исследователей, как Р.Н. Аврамчук, А.А. Айруни, А.Т. Айруни, Г.М. Алейникова, Ф.А. Алексеев, С.А. Баталин, А.С. Бурчаков, Воронин В.И., Г.И. Войтов, Б.Я. Дробот, Г.К. Дымчук, Н.О. Каледина, Ф.С. Клебанов, Е.А. Колесниченко, Н.Н. Красюк, А.Я. Креслинь, П.Н. Кропоткин, А.И Ксенофонтова, В.С. Лебедев, С.И. Луговский, Е.Г. Мамусов, Н.Г. Матвиенко, Н.И. Мривалов, П.И. Мустель, З.Н. Несмелова, В.С. Орехов, Г.К. Петерсон, Г.А. Поздняков, Ю.Ф. Пономаренко, Л.А. Пучков, А.Л. Романчук, А.А. Скочинский, Б.Д. Терентьев, К.З. Ушаков, В.В. Ходот, О.И. Чернов и др.

Непосредственно проблеме борьбы со скоплениями метана посвящены труды К.З.Ушакова, А.И. Боброва, П.Д. Кизрякова, В.А. Лигая, Д.М. Шередекина, Г.В. Польщикова, В.А. Полякова, В.Д. Косарева, С.Ю. Ерохина.

Анализ динамики аварий периода 19552008 гг. показал, что количество вспышек и взрывов с участием метана на угольных шахтах является устойчивым на протяжении всех лет, даже имеющих место в 80-90 гг. при снижении темпов добычи угля.

Анализ причин вспышек и взрывов показывает, что 80 % из них произошли по причине возникновения местных скоплений газа с опасной концентрацией. А одним из недостатков профилактики негативных проявлений скоплений газа является отсутствие упорядоченной системы учета факторов и условий, при которых возникает угроза формирования скоплений газа с опасными концентрациями. Вследствие этого не удаётся адекватно применять существующие дополнительные средства предупреждения местных скоплений газов и их ликвидации, что обусловливает необходимость разработки классификации ГВиПС по степени опасности возникновения в них местных скоплений газа.

В данной работе объектом обеспечения ГБ являются горные выработки с интенсивным газовыделением, прежде всего в угольных шахтах, а также объекты подземного строительства, подземные объекты городской инфраструктуры (коллекторы, каналы и др.). С точки зрения общей постановки задач исследований эти объекты объединяет наличие вероятности формирования скоплений газа в замкнутом объеме сооружений, что позволяет рассматривать их в качестве единого объекта исследования.

Вследствие недостаточно эффективной вентиляции при наличии газовыделений в ГВиПС формируются области повышенной концентрации газа (местные скопления). Постепенно увеличиваются их геометрические размеры, объем и концентрация скопившегося газа, возможно перемещение (миграция) местоположения скопления по длине выработки. Образование местных скоплений и представляет собой ЧС, так как их наличие может привести к человеческим жертвам или ущербу здоровья работающих, а также к значительным материальным потерям. Отличительными чертами такой ЧС являются ее зарождение из относительно незначительного превышения ПДК и последующее постепенное увеличение масштабов и степени опасности. Итогом такого развития событий применительно к угольным шахтам является формирование условий для взрыва метановоздушной смеси, приводящего к тяжелейшим последствиям. Применительно к объектам городской инфраструктуры, например, коллекторам, каналам и др., характерно образование скоплений метана, природного бытового газа, азота, углекислого газа.

Необходимо отметить возрастающую перспективность использования подземного пространства мегаполисов для транспортных коммуникаций и многих других целей. Возникновение в таких объектах ЧС, вызванных скоплениями газов, весьма вероятно, учитывая наличие в них источников интенсивного газовыделения, накопления продуктов сгорания и др. обстоятельства. А присутствие в подобных объектах большого количества людей, использование их не только для производственно-технологических целей, но и для многих других, включая широкий спектр бытовых потребностей, делает задачи обеспечения безопасности особо актуальными уже на стадиях, предшествующих переходу к масштабному строительству и последующей эксплуатации.

В настоящее время известен ряд методов управления ГБ в ГВиПС: газодинамические, аэрогазодинамические, аэродинамические, режимные (организационные).

Главным условием предупреждения и прекращения развития, а также ликвидации ЧС является устранение скоплений газов. Поэтому общая направленность обеспечения ГБ в подобных ЧС, принятая в настоящей работе, заключается в ликвидации образовавшихся скоплений.

Газовая опасность традиционно снижается до безопасного уровня с помощью вентиляции, являющейся до настоящего времени основным средством обеспечения безопасности атмосферы шахт и подземных сооружений. В случаях когда вентиляционные возможности оказываются недостаточными, на угольных шахтах и подземных рудниках применяется дегазация. Сочетание вентиляции и дегазации потенциально может обеспечить ГБ при весьма значительных газовыделениях. Однако в очистных и подготовительных выработках местные скопления могут формироваться в протяженных выработках и за пределами выемочных и проходческих участков.

В настоящей работе показано, что безопасность достигается применением традиционного вентиляционного процесса, эффективность которого повышается за счет специального усиления сопровождающих этот процесс пульсаций. Специальное создание и распространение слабых импульсов давления в основном потоке газовоздушной смеси существенно увеличивает его диффузионные (перемешивающие) свойства, что придает процессу вентиляции новые возможности.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.