геомеханические и аэрологические основы предотвращения пожаров от самовозгорания угля в шахтах



Скачать 383.9 Kb.
страница1/3
Дата24.04.2016
Размер383.9 Kb.
ТипДиссертация
  1   2   3

Для заказа доставки данной работы воспользуйтесь поиском на сайте по ссылке: http://www.mydisser.com/search.html


Министерство образования и науки украины



Донецкий национальный технический университет (донНТУ)

Министерство топлива и энергетики украины

Научно-исследовательский институт горноспасательного дела и пожарной безопасности (НИИГД «Респиратор»)

На правах рукописи

КОСТЕНКО Виктор Климентьевич

УДК 622.831:622.817(043.3)



геомеханические и аэрологические основы предотвращения пожаров от самовозгорания угля

в шахтах
Специальность 21.06.02– «Пожарная безопасность»
Диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук


Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор П.С. Пашковский
Донецк 2004

Содержание



Для заказа доставки данной работы воспользуйтесь поиском на сайте по ссылке: http://www.mydisser.com/search.html 1

Введение 3

Заключение 10

Список использованных источников 13

Для заказа доставки данной работы воспользуйтесь поиском на сайте по ссылке: http://www.mydisser.com/search.html 27





  1. Введение


Актуальность проблемы. В течение последних пятнадцати лет шахтах Украины ежегодно регистрировали от 6 до 36 эндогенных пожаров. Активным способом потушено 36 %, изолировано - 59 %, комбинированным способом ликвидировано 5 % пожаров. Они стабильно остаются на втором месте, после экзогенных пожаров, по величине наносимого ущерба. Он достигал от 12 до 40 % и, например, в 1999 году составил около 21,4 % (8 млн. гривен) от потерь, нанесенных авариями угольной промышленности. За последние годы эндогенными пожарами были выведены из эксплуатации самые производительные в Украине выемочные поля на шахтах им. А.Ф. Засядько, им. Г.Г. Капустина, «Привольнянская», им. В.М. Бажанова, «Самсоновская – Западная» и др. Помимо прямых ущербов, связанных с потерей техники, горных выработок и подготовленных к выемке запасов угля, в интенсивно отрабатываемых выемочных полях особенно велики ущербы, связанные с простоями лав или несвоевременной подготовкой фронта очистных работ.

Эндогенные пожары возникают из-за самонагревания угля в труднодоступных местах, таких как выработанное пространство, в целиках, за крепью подготовительных выработок, в пластах-спутниках. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий. Обозначилась тенденция к увеличению продолжительности и трудоемкости их тушения. В этой ситуации предотвращение или ограничение до безопасных пределов самонагревания угля – самый перспективный путь борьбы с эндогенными пожарами.

Низкую эффективность профилактических мероприятий можно объяснить недостаточной изученностью процессов формирования пустот, образующихся в выработанном пространстве, и параметров газообмена в них. Не исследованы условия возникновения очагов самонагревания угля в зонах неупругих деформаций, которые примыкают к подготовительным горным выработкам, пересекающим геологические нарушения.

Назрела необходимость совершенствования арсенала средств и способов профилактики эндогенных пожаров в подземных горных выработках. Особенно актуальной в кризисной для угольной промышленности ситуации представляется разработка так называемых общетехнических мер, позволяющих снизить пожароопасность горных выработок за счет выбора рациональных технологических режимов и приемов процесса выемки угля.

В этой связи раскрытие условий возникновения и развития очагов самонагревания угля, разработка средств и способов их предупреждения и подавления в труднодоступных местах разрабатываемой угленосной толщи, является актуальной научно-технической проблемой, решение которой позволит обеспечить эффективное и безопасное ведения горных работ.

Связь диссертационной работы с научными программами, планами и темами НИР. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно – исследовательских работ ДонНТУ (№№ гос. рег. 0102U002568, 0102U002569, 0102U002570) и НИИГД (№№ гос. рег. 0194U037006, 0196U002679, 0196U002682, 0198U004817 и др.), ИГД им. А.А. Скочинского (№ гос. рег. 01200202077), выполненных по заданиям Минтопэнерго (бывш. Минуглепрома) Украины, Миннауки Украины, Госнадзорохрантруда Украины, Минпромполитики Российской Федерации. Основное содержание работы отражено в отчетах по НИР, которые выполнялись автором в качестве руководителя или ответственного исполнителя за период 1986-2003 гг.

Целью работы является раскрытие геомеханических и аэрологических основ процесса самонагревания угля в подземных горных выработках и создание на этой основе высокоэффективных способов предупреждения эндогенных пожаров в шахтах.

Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ предпосылок возникновения эндогенных пожаров в угольных шахтах;

2. Исследовать геомеханические процессы формирования пожароопасных зон при ведении горных работ;

3. Изучить влияние напряженно-деформированного состояния пород кровли пласта на возникновение пожароопасных зон;

4. Исследовать параметры движения воздуха в выработанных пространствах и формирования очагов самонагревания угля;

5. Обосновать выбор способов предупреждения самовозгорания угля в горных выработках;

6. Провести апробацию научных разработок и практических рекомендаций по предупреждению эндогенных пожаров в угольных шахтах.



Объект исследования – условия пожаробезопасной отработки склонных к самовозгоранию угольных пластов пологого и наклонного падения.

Предмет исследования – влияние геомеханических и аэрологических условий на тепловые процессы в угленосном массиве, деформирующемся под влиянием горных работ, технология предупреждения самонагревания и самовозгорания угля в подземных горных выработках.

Методы исследований. Комплексный подход к выполнению работы предусматривал использование следующих видов исследований: теоретических, основанных на системном анализе условий зарождения очагов самовозгорания в выработках; теории упругости при математическом моделировании перераспределения напряженно-деформированного состояния пород кровли разрабатываемого пласта; классической термогазодинамике, математической статистике, теории подобия при изучении тепломассопереноса в угольных скоплениях; экспериментальных, включающих шахтные инструментальные и визуальные наблюдения за сдвижениями и деформациями угленосной толщи пород; физическое моделирование с помощью эквивалентных материалов геомеханических процессов в окрестностях очистной выработки; математическое моделирование распределения воздуха в выработанном пространстве и фильтрации его в разрыхленных горных породах.

Идея работы – заключается в учете совместного влияния геомеханических и аэрологических процессов на формирование пожароопасных зон в выемочном поле, что позволяет разработать научно обоснованные способы подавления процесса самовозгорания угля при отработке угольных пластов.

Научная новизна полученных результатов:

    1. Раскрыта физическая сущность влияния изменяющегося литологического строения кровли разрабатываемого пласта на цикличность геомеханических и аэрологических процессов в выработанном пространстве, заключающаяся в увеличении размеров воздухопроницаемых пустот и уменьшении частоты осадок кровли с увеличением отношения жесткости пород кровли к массовой нагрузке. Получена экспериментально-аналитическая зависимость шага осадки кровли пласта от мощности, модуля упругости и коэффициента поперечной деформации слагающих ее породных слоев, что позволяет обосновать изменение аэродинамических параметров выработанных пространств при нестабильных горно-геологических условиях в пределах выемочного поля.

    2. Уточнен механизм формирования напряжений в зоне плавных прогибов подработанных слоистых пород, заключающийся в представлении горного массива в виде толстой плиты, имеющей неоднородные граничные условия опирания, сложенной слоями, имеющими соответствующие натурным условиям мощность, порядок расположения и механические свойства. При этом представление полного прогиба плиты в виде суммы двух составляющих – за счет изгиба и сдвига дало возможность получить вариационное уравнение внутренней энергии, а также систему линейных алгебраических уравнений для расчета напряжений. Это позволило установить параметры напряженно-деформированного состояния плиты с учетом влияния сдвига на величину изгибающих моментов и энергии сдвига от поперечных сил и выявить значимые факторы: жесткость породной толщи кровли, соотношение размеров плиты в плане, определяющие параметры формирования пожароопасных зон в выработанном пространстве.

    3. Впервые теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что пожароопасные зоны в выработанных пространствах действующих очистных забоев ограничены областью полных сдвижений подработанных пород кровли. При этом установлено, что подработанные и обрушенные породы непосредственной кровли пласта даже с упорядоченной блочной структурой в пределах области полных сдвижений являются непроницаемой для воздуха средой при уровне депрессии выемочного участка достигающем 20…50 даПа. Размеры и форма пожароопасных зон описываются содержащими разрывы второго рода цикличными функциями (например функцией Хэвисайда). Из этого следует, что периодичность обрушения пород кровли позади очистного забоя приводит к изменению параметров пожароопасных зон. Это позволило обосновать пожаробезопасные параметры подвигания очистных забоев.

    4. Впервые экспериментально установлено, что размеры пожароопасных зон в выработанном пространстве, примыкающих к подготовительным выработкам, определяются податливостью охранных сооружений. При этом с ростом податливости ширина зоны увеличивается по линейной зависимости. Снижение податливости за счет увеличения ширины жесткого сооружения с 4 до 12 м в системе «бутовая полоса – подготовительная выработка – жесткое сооружение», при труднообрушаемых кровлях типа А3, приводит к сокращению от 6 до 3 м ширины примыкающей к бутовой полосе пожароопасной зоны. Использование комбинированных сооружений с переменной конструктивной податливостью и возведение в выработанном пространстве барьеров позволяет сокращать размеры пожароопасных зон.

    5. Раскрыт механизм самонагревания угля в краевой деформированной части пласта, заключающийся в формировании фильтрационного режима поступления воздуха вглубь пласта под действием тепловой депрессии, вызванной нагреванием термически тонких тел (частиц угля). Это позволяет подавить самовозгорание угля за счет конгломерация термически тонких частиц путем обработки краевой части пласта капиллярно-проникающими составами.

    6. Впервые теоретически обоснован и экспериментально подтвержден эффект ускорения самонагревания разрыхленного угля в горных выработках путем передачи термически тонким угольным частицам теплоты от газов, нагревающихся вследствие физических процессов: истечения десорбирующихся газов из деформированных краевых частей газообильных пластов, сопровождающегося отрицательным эффектом Джоуля-Томсона; превращения из механической в тепловую энергии пульсирующего в разрыхленной угольной среде воздуха. Стабилизация режима проветривания и управление истечением десорбирующихся газов позволяет предотвратить самонагревание угля.

Таким образом, выносимые на защиту научные положения определяют теоретические основы и принципы создания и совершенствования способов и средств управления процессом формирования пожароопасных зон при ведении горных работ, их использование позволяет обеспечить повышение пожарной безопасности угольных шахт.

Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается:

  • большим объемом сведений об эндогенных пожарах и экспериментальных данных;

  • представительным объемом шахтных исследований в различных горно-геологических и горнотехнических условиях разработки и положительными результатами внедрения на угольных шахтах;

  • соответствием установленных закономерностей формирования пожароопасных зон современным представлениям о природе и механизме сдвижений и напряженно-деформированном состоянии горных пород вокруг очистных и подготовительных выработок и опыту разработки пластов на глубоких горизонтах;

  • удовлетворительной сходимостью результатов аналитических (максимальная погрешность не превышает 7%), шахтных экспериментов и данных практики.


Практическое значение работы заключается:

В разработке и внедрении ряда нормативно-технических документов, которые регламентируют порядок ведения горных работ на пластах склонного к самовозгоранию угля.

В создании на основе установленных закономерностей самонагревания угля в выработанных пространствах и внедрении способа профилактики эндогенных пожаров при форсированном отходе лавы от места самонагревания угля. Отличительной особенностью его является управление скоростью подвигания забоя и другими параметрами технологических процессов выемки угля, при этом учитывается нестабильность горно-геологических условий залегания пластов, податливость охранных сооружений, схема проветривания выемочного участка.

В разработке новых и модернизации известных способов профилактики эндогенных подземных пожаров, в том числе: конгломерации частиц угля твердеющими антипирогенами, растворы которых имеют свойство проникать у трещины и поры за счет капиллярных сил; дистанционного возведения огнепреграждающих барьеров из вспучивающихся химических композиций; инертизации воздуха в пожароопасных зонах разложением карбонатных солей; в применении газообразных ингибиторов при охлаждении очагов генерации теплоты рециркуляцией или возвратно-поступательным перемещением пожарных газов; импульсной подачей в труднодоступные места охлаждающих растворов с флегматезирующими добавками. Большая часть этих способов внедрена на шахтах отрасли.

В разработке технических средств предупреждения самовозгорания угля в горных выработках и выработанных пространствах. Созданы и прошли промышленные испытания вентиляционные перемычки, которые препятствуют пульсации воздуха в выработанном пространстве действующего очистного забоя, предложено устройство для стабилизации режима проветривания при наращивании гибких вентиляционных трубопроводов в тупиковых выработках.

Выводы и рекомендации по работе реализованы следующим образом:

1. Основные научные положения работы вошли в следующие нормативно-технические документы: Рекомендации по безопасной отработке лав при наличии пожара в выработанном пространстве, Донецк, - ВНИИГД, 1986, -22 с.; Технологические схемы предупреждения самовозгорания угля в шахтах путем управления влагосодержанием выработанного пространства. Руководящий документ Минуглепрома Украины. Донецк, НПО "Респиратор", 1995, -63 с.; Эндогенные пожары на угольных шахтах Донбасса. Предупреждение и тушение. Инструкция. Донецк, НПО "Респиратор", 1997 -70 с.; Наставление по тушению пожаров в угольных шахтах. Донецк, НПО "Респиратор", 1998, -80 с.; Руководство по подавлению очагов самонагревания, расположенных в выработанных пространствах, путем ускоренного подвигания лав. Донецк: НИИГД.- 1999. - 16 с.; Руководство по применению рециркуляции для тушения пожаров на пластах, склонных к самовозгоранию. Донецк: НИИГД.- 1999. -15 с.; Технические требования безопасности при проведении горных выработок в зонах геологических нарушений по склонным к самовозгоранию пластам (первая редакция). Донецк, ДУНПГО - 2002. -57с.

2. Основные выводы и технические решения использованы на шахтах, которые разрабатывают склонные к самовозгоранию угольные пласты.

За период 1994 -1999 г. под руководством соискателя были реализованы 49 договоров с предприятиями по предоставлению научно - технической помощи при отработке пластов угля, склонных к самовозгоранию.

Проведена опытно-промышленная проверка способа обеспечения безопасной работы очистного забоя при наличии очагов самонагревания в выработанном пространстве в восьми забоях на шахтах: "Днепровская" (дважды), им. А.Г. Стаханова, "Южно-Донбасская" №3 (дважды), "Тошковская", "Новогродовская" №1-3 (дважды). Проведена опытно-промышленная проверка технологии предотвращения и локализации очагов самонагревания путем обработки угля капиллярно-проникающими растворами в пересекаемых подготовительными выработками зонах геологических нарушений на арендном предприятии "Шахта им. А.Ф. Засядько". На шахте им. РККА ПО "Добропольеуголь" проведены промышленные испытания скоростной технологии возведения перемычек, ограждающих погашаемую часть вентиляционных штреков.

3. Технические решения по прогнозированию пожароопасных зон в горных выработках, являющиеся результатом научных исследований, использованы при разработке создаваемой в рамках российско-польского проекта автоматизированной системы комплексного мониторинга безопасности угольных шахт.

4. Научные положения работы используются в учебном процессе при чтении курсов "Горноспасательное дело", "Подземные пожары", "Управление состоянием массива горных пород" в Донецком национальном техническом университете и Учебно-оперативном отряде ГВГСС.



Личный вклад автора в разработку научных результатов, выносимых на защиту, заключается в формулировании научной проблемы, цели, задач исследований и научных положений; раскрытии геомеханических и аэрологических закономерностей механизма формирования пожароопасных зон в горных выработках угольных шахт. Им был проведен анализ состояния вопросов, обоснованы направления научного поиска, выполнены теоретические и экспериментальные исследования деформированного состояния вмещающих очистную выработку пород, разработаны математические модели: напряженного состояния слоистой анизотропной среды, термодинамического состояния очагов самонагревания угля; произведена обработка и обобщение результатов экспериментов; разработаны и внедрены в практику технические решения по снижению пожароопасности горных выработок.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование способов борьбы с эндогенными пожарами» (Донецк, ВНИИГД, 1987г.); Всесоюзной конференции «Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений» (Москва, ВНИИПО МВД СССР, 1990 г.); Международном симпозиуме «Предупреждение риска» (Москва, МГУ, 1992г.); 2-й и 3-й международных научно–практических конференциях «Проблемы пожарной безопасности» (Киев, МВД Украины, УкрНИИПБ, 1995 и 1997гг.); 3-й, 4-й и 5-й международных научно-технических конференциях «Проблемы экологического мониторинга и охраны труда». (Севастополь, СГТУ, 1995, 1996 и 1997 гг.); Международной научно–практической конференции «Пути развития горноспасательного дела» (Донецк, НПО «Респиратор», 1997 г.); Международной научно–практической конференции «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия” (Алчевск, ДГМИ, 1999 г.); «Пожарная безопасность –2001» (Львов, ЛИПБ МВД Украины, 2001 г); Международных конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2001, 2002, 2003 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 56 научные работы, включая две монографии и справочник, 35 статей в научных специализированных изданиях (12 без соавторов), 15 авторских свидетельств, 6 публикаций и тезисов в материалах конференций.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: постановка идеи исследований, сбор, анализ, обобщение исходных данных [209, 210, 211, 218, 225]; лабораторные исследования, анализ результатов [148, 202, 213, 214, 215, 216, 217]; экспериментальные исследования, обобщение и анализ результатов [120, 152, 189, 212, 219, 220, 221, 222, 223, 224]; разработка математических моделей, проведение теоретических исследований [154, 172, 173, 197, 199, 200, 205, ];разработка практических решений по ведению горных и аварийно-спасательных работ [152, 177, 180, 181, 185, 207, 208, 230, 231, 232, 234].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и двух приложений, содержит 334 страницы основного текста, 84 рисунка, 49 таблиц и список использованных источников из 235 наименований.


  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал