На правах рукописи

ЛУКАШОВ Олег Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ЭФФЕКТОВ,

ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ УДАРНЫХ ВОЛН

ПО РАЗВЕТВЛЕННОЙ СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2003 2

Работа выполнена в Томском государственном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, ст. н. с.

Палеев Дмитрий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Глазунов Анатолий Алексеевич доктор физико-математических наук Ткаченко Алексей Степанович

Ведущая организация – Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится «»_2004 г. в «» часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.13. при Томском государственном университете по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «»_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., ст. н. с. Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наибольшую опасность в угольных шахтах представляют аварии, вызванные взрывом метана и угольной пыли, которые составляют 18,9% от общего количества, а несчастные случаи со смертельным исходом при этих авариях - 86%. При взрывах шансы на выживание в 112 раз меньше, чем при других авариях.

Особую опасность представляют взрывы, возникающие в ходе ведения горноспасательных работ, когда нарушено проветривание и существует реальная угроза быстрого формирования зон с высокой концентрацией метана вблизи источников высокой температуры. В этих условиях требуются оперативность и точность прогнозирования параметров и области распространения ударной волны в горных выработках, а также знание того, насколько близко можно подойти к аварийному участку, оставаясь при этом в безопасной для жизни и здоровья зоне.

В настоящее время для расчёта взрывобезопасных расстояний горноспасатели пользуются полуэмпирической методикой, которая даёт ответ только на один вопрос – какое будет давление в переднем фронте ударной волны при её распространении только по одному маршруту. Однако при взрыве по горным выработкам всегда распространяются не одна, а несколько ударных волн, которые, взаимодействуя друг с другом, испытывают многократные отражения при поворотах. На людей воздействует целый ряд поражающих факторов, в числе которых динамическое воздействие набегающего потока, концентрация и высокая температура ядовитых продуктов взрыва. По этой причине точность существующих методов расчёта в сложных ситуациях перестала удовлетворять горноспасателей, а возможности их уточнения исчерпаны.

Для корректного расчёта распространения воздушных ударных волн в сложной разветвлённой сети горных выработок необходима разработка принципиально новой методики, в основу которой должен быть положен газодинамический подход, основанный на численном решении системы нестационарных уравнений газовой динамики. Это даст возможность описать процесс распространения ударных волн более детально и не только по заданному маршруту, а одновременно по всем направлениям, учитывая такие эффекты, как усиление и ослабление волн при их взаимодействии между собой, отражение волн в тупиках, влияние волн разрежения, а также взаимодействие ударных волн с различными защитными сооружениями и горным оборудованием.

Все исследования выполнялись по тематике Томского государственного университета и Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (РосНИИГД). Диссертационная работа обобщает результаты трёх научно-исследовательских тем, выполненных в 1999-2003 гг. при непосредственном участии автора (№№ Г.Р.: 01200304101, 01200211619, 0980009368).

Цель работы – усовершенствование газодинамического метода расчёта параметров распространения воздушных ударных волн при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах и исследование волновых эффектов, возникающих при распространении ударных волн по разветвлённой сети горных выработок.

Идея работы заключается в повышении точности расчёта зон поражения при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах за счёт учёта волновых эффектов, возникающих при распространении ударных волн в разветвлённой сети горных выработок.

Задачи исследований:

1. Усовершенствовать газодинамический подход и разработать методику расчёта волновых процессов, возникающих при распространении воздушных ударных волн по шахтной сети с учётом пространственной топологии горных выработок.

2. Исследовать затухание ударной волны на прямолинейных участках горных выработок в зависимости от коэффициента их аэродинамического сопротивления.

3. Исследовать влияние волновых процессов, возникающих в тупиковых выработках, на интенсивность распространяющихся ударных волн.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели исследований использовался комплекс методов, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, методы механики сплошных сред и математической физики для построения и обоснования математических моделей по распространению ударных волн в горных выработках и их численное решение с применением ЭВМ, проведение тестовых расчётов, сравнение полученных результатов математического моделирования с существующими эмпирическими методиками аналогичных расчётов и экспериментальными данными других авторов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. На величину взрывобезопасного расстояния при взрывах в угольных шахтах сильное влияние оказывают волновые эффекты, возникающие в разветвлённой сети горных выработок при формировании, распространении, отражении и взаимодействии воздушных ударных волн, волн сжатия и волн разрежения.

2. Интенсивность ударной волны определяется энергией взрыва, не зависит от формы начального распределения давления и на расстояниях, превышающих размеры первоначального объёма загазования в три-пять раз, может быть рассчитана на основе простейшей модели мгновенного взрыва.

3. Силу трения газа о стенки горных выработок можно согласовать с экспериментальными данными путём введения безразмерного коррелирующего коэффициента, функционально зависящего от коэффициента аэродинамического сопротивления выработки.

4. При переходе потока, втекающего в тупиковую выработку длиной 100 м и более, в дозвуковой режим возникает эффект торможения сверхзвукового потока, подходящего к этой выработке. В сопряжении с тупиковой выработкой наблюдается повышение давления с выходом из него слабой волны сжатия.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- обоснованностью исходных предпосылок и использованием апробированных методов математического моделирования распространения ударных волн в горных выработках в широком диапазоне изменения их геометрических и аэродинамических параметров;

- удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и расчётов по существующим аналитическим методикам других авторов;

- положительными результатами опытно-промышленной проверки «Методики газодинамического расчета параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли» и программного комплекса «Ударная волна» в отрядах ВГСЧ и в экспертных комиссиях по расследованию аварий на угольных шахтах Кузбасса.

Научная новизна работы:

1. Усовершенствован газодинамический метод и разработана методика газодинамического расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах в угольных шахтах, позволяющие рассчитывать формирование, распространение, отражение и взаимодействие ударных волн, волн сжатия и волн разрежения с учётом пространственной топологии сети горных выработок.

2. Установлено, что на расстояниях, превышающих в три-пять раз взорвавшийся объём, интенсивность ударной волны определяется энергией, выделившейся при взрыве, не зависит от формы начального распределения давления и может быть рассчитана на основе простейшей модели мгновенного взрыва 3. Получен коррелирующий коэффициент = 3.0 ln( ) + 19.2, позволяющий рассчитывать затухание воздушных ударных волн на прямолинейных участках горных выработок с учётом коэффициента их аэродинамического сопротивления.

4. Установлено, что при переходе потока, втекающего в тупиковую выработку длиной 100 м и более, в дозвуковой режим возникает эффект торможения сверхзвукового потока, подходящего к этой выработке. В сопряжении с тупиковой выработкой наблюдается повышение давления с выходом из него слабой волны сжатия.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- в создании методики газодинамического расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах метановоздушных смесей в угольных шахтах;

- в разработке программного комплекса «Ударная волна».

Результаты выполненных исследований позволяют:

- рассчитывать газодинамические параметры ударных волн, распространяющихся по горным выработкам, и определять места безопасного размещения людей и оборудования, задействованных в ходе ликвидации аварии;

- повысить эффективность и безопасность ведения горноспасательных работ за счёт определения зон поражения при взрывах от воздействия поражающих факторов: давления и скорости набегающего потока, температуры и концентрации продуктов взрыва;

- прогнозировать интенсивность распространения ударных волн по горным выработкам при составлении планов ликвидации аварии и проводить экспертные оценки с целью выявления причин и возможных мест взрыва в ходе расследования аварий.

Личным вкладом автора является:

- проведение многопараметрических расчётов, обработка и анализ полученных результатов;

- получение безразмерного коррелирующего коэффициента, позволяющего рассчитывать затухание воздушных ударных волн на прямолинейных участках горных выработок с учётом их аэродинамического сопротивления;

- разработка алгоритма расчёта потокораспределения газа по сети горных выработок;

- разработка и внедрение в ВГСЧ угольной промышленности нормативного документа и программного комплекса для расчета параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли в угольных шахтах.

Реализация работ в промышленности. Результаты исследований вошли в «Методику газодинамического расчета параметров воздушных ударных волн при взрывах газа и пыли», которая утверждена Госгортехнадзором РФ (2003 г.).

Программный комплекс «Ударная волна» имеет сертификат Госгортехнадзора РФ и используется в ВГСЧ угольной промышленности с 2000 г. С его помощью создан банк данных трёхмерных координат горных выработок угольных шахт Российской Федерации. «Методика …» и программный комплекс использовались экспертными комиссиями при расследовании аварий на шахтах «Распадская» (2000 г.), «Алардинская» (2003 г.), «Зиминка» (2003 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее части докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета РосНИИГД, на семинарах кафедры прикладной аэромеханики ТГУ, на технических советах Центрального штаба ВГСЧ угольной промышленности РФ, на IV Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 2000), на Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и техногенных катастроф» (г. Красноярск, 2001, 2003), на IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2001), на Всероссийской научно-практической конференции «Промышленная безопасность» (г. Москва, 2001), на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (г. Томск, 2002), на 3-й Международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (г. Абаза, 2002), на 1-й Международной конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», (г. Москва, 2002), на Научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2002), на научной конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2003), на XII Международной конференции по Вычислительной Механике и Современным Программным Системам (г. Владимир, 2003), на Международной научнопрактической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2003), 30th International Conference of Safety in Mines Research Institutes (Johannesburg, 2003).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 13 печатных работах и одном нормативном документе.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 141 странице машинописного текста, включая 52 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 107 наименований и приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и идея работы. Даётся описание научных положений, выносимых на защиту, подчёркивается их обоснованность, достоверность, новизна и практическая ценность.

В первой главе (п. 1.1) дан краткий анализ взрывов метана и угольной пыли в шахтах и приведены особенности распространения воздушных ударных волн в горных выработках.

Основные поражающие факторы взрыва в условиях угольных шахт: сейсмические волны, воздушные ударные волны; высокая температура во фронте горения; токсичные газы и низкое содержание кислорода в продуктах реакции.

Радиус действия сейсмических волн, опасных для людей и подземных инженерных сооружений, сравнительно невелик и не превышает 100 м, что значительно меньше зон действия токсичных газов и ударных волн. Из поражающих факторов ударной волны следует выделить: избыточное давление, время его действия и скоростной напор газа, движущегося за фронтом волны. Ослабление ударной волны при движении ее вдоль горных выработок происходит за счет вовлечения в движение дополнительных масс воздуха, трения о стенки выработок, теплообмена и потерь энергии на сопряжениях и поворотах.

Действующие в угольной промышленности нормативные документы требуют обязательного определения зоны воздействия для каждого поражающего фактора. Однако в настоящее время рассчитывается зона воздействия только одного поражающего фактора – ударной волны.

В СССР изучение взрывов угольной пыли и газа в шахтах и разработка мер предупреждения их были начаты в 1925 г. в МакНИИ (г. Макеевка). Затем они были развёрнуты в ВостНИИ (г. Кемерово), ИГД им. А.А. Скочинского (г. Люберцы), ВНИИГД (г. Донецк), РосНИИГД (г. Кемерово), ТГУ (г. Томск).

Классические работы советских ученых Н.Н. Семенова, Л.Д. Ландау, Я.Б.

Зельдовича, Д.А. Франк-Каменецкого, К.И. Щелкина, Я. К. Трошина, Л.Н. Хитрина, Л.И. Седова, К.П. Станюковича, В.Н. Вилюнова и многих других, а также зарубежных исследователей Е. Гюгонио, В. Деринга, Р. Льюиса, Г. Эльбе, Р.

Куранта, Г. Тейлора, Ф. Вильямса и других в области физики взрыва послужили основой для выполнения работ прикладного характера, посвященных проблеме борьбы с взрывами газа и пыли в угольных шахтах.

Широко известны работы А.Г. Абинова, А.М. Быковa, И.М. Васенина, Ф. М.

Гельфанда, А.С. Голика, В.И. Гудкова, А.А. Гурина, Н.Д. Зрелого, А.Ю. Крайнова, Б.Н. Кутузова, А.В. Мишуева, М.И. Нецепляева, Е.И. Онтина, Д.Ю. Палеева, П.М. Петрухина, В.М. Плотникова, В.С. Сергеева, А.М. Чеховских, Э.Р.

Шрагера и других ученых, выполнивших ряд экспериментальных и теоретических исследований по разработке мер предупреждения и локализации взрывов газа и пыли в шахтах.

Анализ вышеприведённых работ показал, что корректный расчёт зон воздействия поражающих факторов взрыва возможен и сдерживается он отсутствием методики основанной на газодинамических принципах расчёта распространения ударных волн по сети горных выработок.

В п. 1.2 дан анализ двух наиболее известных методов расчёта взрывобезопасных расстояний А.М. Чеховских и В.М. Плотникова. Показывается, что эти методики разработаны на основе упрощенных аналитических соотношений, допускающих ручной счёт. Все методики опираются на экспериментальные данные, полученные в условиях не всегда соответствующих условиям угольных шахт, и содержат большое количество эмпирических коэффициентов. Основным выходным параметром расчёта является давление во фронте ударной волны, распространяющейся только по одному маршруту, который необходимо выбирать на схеме горных выработок. Методики не рассматривают отражение ударных волн от твердых поверхностей в местах поворота, взаимодействие ударных волн и формирование волн разрежения.

В итоге горноспасатели получают недостаточную точность при расчёте главного параметра взрывного процесса – избыточного давления во фронте ударной волны. Кроме того, горноспасателей не устраивает длительность подготовки исходных данных и необходимость в сложных ситуациях поочерёдно проводить расчёты по нескольким маршрутам движения ударной волны.

При ликвидации подземных аварий, когда в стрессовых ситуациях решения необходимо принимать быстро, человеческий фактор появления вычислительных ошибок должен быть по возможности исключён. Методика должна предоставлять информацию о затухании ударных волн распространяющихся по всей сети горных выработок с учётом их волнового взаимодействия. Результатом расчёта должна быть зона поражения, фиксируемая на плане горных работ, включающая зоны динамического воздействия ударной волны, теплового и токсического воздействия продуктов взрыва. Расчёт должен также выдать информацию обо всех возможных разрушениях (повреждениях) вентиляционных дверей, шлюзов и других инженерных сооружений и оборудования, размещённых в выработках аварийного участка. Иными словами, руководитель ликвидации аварии должен в результате расчёта иметь целостную картину всех негативных последствий взрыва.

В п. 1.3 показывается, что альтернативой известным методикам может стать новая методика, опирающаяся на разработанный в РосНИИГД и Томском государственном университете газодинамический метод расчёта параметров воздушных ударных волн при взрывах в угольных шахтах. Метод учитывает такие эффекты, как усиление и ослабление волн при их взаимодействии, отражение волн в тупиках, влияние волн разрежения, а также взаимодействие ударных волн с различными взрывозащитными сооружениями и горным оборудованием.

Метод позволяет автоматически рассчитывать параметры ударных волн не только по заданному маршруту, но одновременно во всех направлениях. При этом, процесс распространения ударной волны можно наблюдать во времени, начиная с момента взрыва и заканчивая её затуханием.

В главе 2 проведено исследование и доработка газодинамического метода до возможности расчёта распространения ударных волн по разветвлённой сети горных выработок реальной шахты.

В п. 2.1. приводится математическая модель газодинамического метода.

Для расчета течения продуктов взрыва и распространения ударных волн в прямолинейных выработках используются одномерные уравнения газовой динамики, где в правых частях учитываются процессы силового и теплового взаимодействия потока со стенками: