CC BY
18
д-р техн. наук, профессор кафедры НФИ ФГБОУ заместитель начальника по оперативной работе
ВПО «КемГУ» ФГКУ «Национальный горноспасательный центр»
УДК 622.522
КОНТРОЛЬ РАЗГАЗИРОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОСЛЕ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА
Приведено уравнение разгазирования аварийного объекта после внезапного выброса. Предложен алгоритм контроля и анализа формирования аэрогазовых ситуаций в месте расположения датчиков СМАЛО. Определено время доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии.
Ключевые слова: СИСТЕМА МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ, УРАВНЕНИЕ РАЗГАЗИРОВАНИЯ, ВРЕМЯ ДОСТУПА К МЕСТУ АВАРИИ.
В работе [1] было предложено расширить функции СМАЛО (системы мониторинга атмосферы локальных объектов) [2] с целью применения результатов измерений для оценки подвижности температурных и газовых полей в рудничной атмосфере аварийных участков, а также для определения времени и места безопасного доступа подразделений ВГСЧ на аварийные объекты для ее ликвидации.
Рассмотрим одну из основных аварий -внезапный выброс угля и газа в подготовительных или очистных выработках. При внезапном выбросе происходит частичное забучивание призабойной части выработки углем, ее зага-зирование и, возможно, частичное или полное нарушение проветривания. В динамике, при частичном наличии проветривания, будет происходить разгазирование выработки.
Предположим, что возник выброс угля и газа, в результате которого произошло частичное забучивание выработки, разрушение датчика метана и частичное разрушение воздушного става. Датчики СМАЛО, начавшие действовать через Тмин после аварии, показали концентрацию газов С =СВ , скорости движения воздуха и=ив - по данным замеров в устье выработки по истечение Т после аварии.
мин 1
Отметим, что процесс разгазирования очистной выработки физически мало отличается от разгазирования подготовительной выработки.
Различие заключается в том, что проветривание очистной выработки более стабильное и эффективность использования воздуха более высокая.
Выведем соответствующее уравнение для разгазирования призабойного пространства выработки от метана, выделяющегося из отбитого угля после выброса угля и газа.
Выделение метана из угля объема Р0 т, согласно [3] описывается зависимостью:
1^)=Р(х-х)а(1) где х, х0 - метаноносность угля в зоне выемки и остаточная метаноносность, м3/т; а - числовой коэффициент, зависящий от выхода летучих веществ, (0,24 - 0,45); t - время, прошедшее после выброса угля, мин.
Дифференцируя функцию (1) найдем интенсивность выделения метана из тонны угля
+ (2)
где О0- начальная интенсивность метано-выделения из тонны угля, равная 0,25(хе - х0),м3/т.
Коэффициент 1 в знаменателе формулы (2) принят для исключения бесконечности в этой формуле.
Составим дифференциальное уравнение разгазирования выработки после внезапного выброса. Для этого воспользуемся схемой разгазирования (рис.1).
Далее обозначим объем зоны загазирова-ния через V м3, а расход воздуха в выработке
^^^ научно-технический журнал № 3-2015
52 вестник
• шт,
L i
Рисунок 1 - Схема разгазирования подготовительной выработки после внезапного выброса угля и газа: 1 - место выброса; Ьд - зона отброса газов; Ь -длина выработки; 2 - место расположения датчиков СМАЛО
- Q м3/мин. Пусть концентрация метана в зоне загазирования в момент времени t равна сф. За малый интервал времени dt в призабойное пространство выделится G(t)dt м3 метана. За это же время вентиляционной струей будет вынесено примерно Qc(t)dt м3 метана и концентрация станет равной c(t+dt). Составим уравнение баланса метана [4]:
V[c(t+dt)-c(t)]=-Qc(t)dt+Pд G(t)dt Разделив обе части этого соотношения на dt, приходим к обыкновенному дифференциальному уравнению
(3)
Это линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Его решение при начальном условии с(0) =с имеет вид [5]:
с(0 = с0е
-кЯ,
t к.%
f*
о
* V
P0G0
/vif(.
1 ) dx
(4)
Кэ - коэффициент эффективности использования воздуха при разгазировании. Ввиду возможности повреждения труб при выбросе, коэффициент принимается равным 0,5.
Упростим это решение. Значение сд равно РдС^ -в долях единицы. Коэффициент Q/V в показателе степени равен и ^д (рис.1) Обозначим 0,5Qt/v = 0,5и^д =у. Получаем решение (4) в виде:
С0ех
3/4
dx
со оО+т)57- (5)
На рисунке 2 приведена динамика концентрации метана в призабойном пространстве во времени (зависимость с^)/сд от безразмерного параметра у).
Значение концентрации метана в устье выработки через время t1 равно с. Получаем:
t1 = At - L/ue; V =0,5Ш^д, (6)
Рисунок 2 - Динамика относительной концентрации метана в призабойном пространстве во времени: 1 -
--0,5
с„=1; 2 - с„
где At - интервал времени от момента внезапного выброса до установки датчиков СМАЛО.
Значения с^)/сд может быть определено по кривым (рис.2) на их нисходящих ветвях.
Для определения времени доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии используется общий алгоритм, приведенный на рисунке 3.
В первом и третьем блоках алгоритма проводится расчет газовой обстановки в выработках по формулам, предложенным в работе. В предпоследнем блоке производится анализ результатов на предмет дальнейших расчетов. В предпоследний блок может быть введен повышающий коэффициент Кп с заменой сд на Кп сд, что даст возможность ускорить процесс определения Тдост - времени доступа путем его прогноза.
В последнем блоке алгоритма определяется время доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии. Если бы параметры формирования начальной зоны загазирования были известны, задача сводилась бы к определению соответствующей точки у, и было бы достаточно одного комплекса показаний датчиков СМАЛО.
Рисунок 3 - Общий алгоритм определения времени доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии
научно-технический журнал № 3-2015 ^^
вестник 53
В реальности необходимо несколько (2 -4) измерений концентрации метана через интервал At1 (рис.4), поскольку начальные параметры процесса выброса неизвестны. Интервал подбирается из условия визуализируемости различий сф. Кривая должна иметь вид с= стае-ш.
Параметр а рассчитывается по формуле
[6]:
(7)
где п - число измерений.
Пересечение построенной кривой с линией с = сд - допустимой концентрацией метана дает значение Тдост - времени доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии через разгазируе-мую выработку.
Рисунок 4 - Обработка результатов измерений c(t) через интервал /At.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Казаков, С. П. Расширение функций СМАЛО для обоснования времени безопасного доступа подразделений ВГСЧ к месту аварии / С.П. Казаков, О.С. Токарев // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности - Кемерово. - 2015. - №2. - С. 69 - 72.
2. Голик, А. С. Система мониторинга атмосферы локальных объектов (СМАЛО) для газового контроля горноспасателями в аварийных условиях шахт / А. С. Голик, О.С. Токарев. //, Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности - Кемерово - 2013 - №1.2. - C. 69 - 72.
3. Руководство по проектированию и организации проветривания подготовительных выработок действующих шахт угольных шахт. - ВостНИИ, 1984, - 25 с.
4. Казаков, С. П. Проветривание подготовительных выработок угольных шахт Кузбасса: монография / С.П. Казаков, А.М. Ермолаев, С.А. Прокопенко; Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 211 с.
5. Кудрявцев, В. А. Краткий курс высшей математики / В. А. Кудрявцев, Б. П. Демидович. - М.: «Наука», 1989. - 656 с.
6. Казаков, С.П. Теория вероятностей, случайные процессы и математическая статистика: учебное пособие. - Томск: Издательство ТПУ, 2010. -108 с.
EMERGENCY FACILITIES DEGASSING
CONTROL WITH THE USE OF MONITORING
SYSTEM AFTER THE SUDDEN COAL AND GAS
OUTBURSTS
Kazakov S.P., Tokarev O.S. Казаков Сергей Павлович
An equation of emergency facility degassing e-mail: [email protected]
after sudden outburst is given. An algorithm for
control and analysis of air and gas situation formation Токарев Олег Сергеевич
at the location of the sensors SMALO is suggested. e-mail: [email protected]
The time of VGSCH (mine rescue) divisions access
to the accident site is determined.
Key words: LOCAL OBJECTS AIR
MONITORING SYSTEM, DEGASSING CONTROL,
ACCESS TIME TO THE ACCIDENT SITE
А научно-технический журнал № 3-2015
54 вестник
