ДонНТУ

Зміст

Вступ

Значимість даної теми полягає в тому, що безпечні умови праці працівників на шахтах і кар'єрах залежать від чистоти повітря у виробках, температури і швидкості його руху по виробках. Для цього потрібно знати склад повітря в шахті і концентрацію різних газів і пилу у виробках. Одним з найнебезпечніших компонент рудничної атмосфери вугільних шахт метан і супутні йому горючі гази, при концентрації метану 2,5% його суміш з повітрям вибухонебезпечна. При раптових викидах метану протягом декількох секунд його концентрація може досягати вибухонебезпечної межі. Згідно статистичних досліджень, критичне час відключення технологічного електропостачання, забезпечує допустиме значення достовірності аварійної ситуації, становить 4,5 с. Тому, розробка швидкодіючих методів і засобів вимірювання характеристик газових компонент рудничної атмосфери вугільних шахт набуває актуального характеру.

1. Актуальність

Зі збільшенням глибини розробок вугілля зростає газоносність виробок, збільшується інтенсивність і частота газодинамічних проявів, що в свою чергу пов'язане з підвищенням небезпеки при веденні гірських робіт. Отже в таких умовах зростає необхідність в переоснащенні вугільних шахт безперервно діючими засобами автоматичного контролю концентрації газових компонент підвищеної швидкодії. Розробка та вдосконалення вимірювальних каналів концентрації газів, що дозволяє отримати надійну метрологічну інформацію в режимі реального часу про фактичний та прогнозований стан аерогазової обстановки промислових підприємств, є одним з пріоритетних напрямів проблеми підвищення ефективності промислових систем комплексної аерогазової безпеки. Так, вимірювальний контроль концентрації метану в рудничні атмосфери вугільних шахт в режимі on-line, дозволить знизити вірогідність виникнення вибухонебезпечних ситуацій та запобігти виникненню ендогенних й екзогенних пожеж.

В значній мірі цю проблему можливо вирішити з використанням новітніх систем оптичного контролю концентрації метану та пилу в рудничній атмосфері вугільних шахт, які засновані на практичних досягненнях сучасної вимірювальної техніці. Проте, недостатній розвиток теоретичної бази вимірювачів концентрації метану істотно перешкоджає створенню сучасних засобів аерогазового контролю у вугільних шахтах, які задовольнять зростаючим вимогам практики.

2. Мета роботи

Мета роботи – підвищення точності вимірювання концентрації метану, що вітає у повітрі, для визначення порогу вибуховості повітряної суміші в рудничній атмосфері вугільних шахт.

3. Задачі роботи

Для реалізації ідеї і досягнення мети магістерської роботи поставлені наступні завдання:

  • Удосконалити і досліджувати математичну модель оцінки нижнього порогу вибуховості метану з урахуванням комплексу дестабілізуючих факторів.
  • Встановити вимоги до вимірювального пристрою концентрації метану і сформулювати його базисні функції.
  • Виконати структурно-алгоритмічну організацію вимірювального пристрою концентрації метану в рудничної атмосфері шахт.
  • 4 Основний матеріал роботи

    Для вирішення поставлених задач отримала подальший розвиток математична модель визначення імовірнісних характеристик критичних меж вибуховості пилоповітряної суміші. В основу розробки математичної модель покладений закон Лє-Шательє, який має лінійну залежність між запиленістю повітря вугільним пилом та концентрацією метану: [1]

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    де CCH4(c) – фактична концентрація метану при запиленому повітрі, об.%; CCH4 НМВ – нижня межа вибухонебезпеки концентрації метану в сухому повітрі без пилу, величина якої складає 5 об.%; CС(CH4) – фактична концентрація вугільного пилу при наявності у повітрі метану, г/м3; CС НМВ – нижня межа вибухонебезпеки концентрації пилу в сухому повітрі, функціональний опис якої з достатньою практичною точністю при виході летючих речовин від 15 до 30 % дає емпірична залежність, що основується на результатах чисельних досліджень МакНДІ (м. Макіївка, Україна)[2] :

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    де VdafC – вихід летючих речовин і газів із вугілля, %; Ad – зольність вугільного пилу на суху вагу, %. За результатами експериментальних досліджень, які виконані МакНДІ, встановлено залежність нижньої межі вибуховості вугільного пилу від насичення вологою повітря :

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    де CС НМВγ – НМВ пилоповітряної суміші в насиченому вологою повітрі, г/м3; γ – вмісті вологи в пилоповітряної суміші рудничної атмосфери, г/м3; ε – значення коефіцієнту підвищення НМВ, який змінюється в залежності від властивостей вугілля в межах від 0,375 до 0,755; α – показник ступеня, значення якого залежить від атмосферного тиску , Па, та визначається за співвідношенням:

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    де Φ – число, значення якого дорівнює 1,6180399; P0 – нормальний атмосферний тиск, 101325 Па. Залежність нижньої межі вибуховості концентрації метану від насичення вологою повітря має наступний вигляд :

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    де CС НМВγ – НМВ концентрації метану в насиченому вологою повітрі, об.%; ν – коефіцієнт, який узгоджує підвищення НМВ концентрації метану[3] з вмістом вологи в метаноповітряної суміші, значе ння якого дорівнює 0,009 (%/г/м3); β – показник ступеня, значення якого залежить від атмосферного тиску , Па, та визначається за співвідношенням:

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    При нормальному атмосферному тиску значення показника ступеня дорівнює β(P = 101325 Па)= 1.62

    В роботі зазначається невідповідність лінійності закону фактичному стану НМВ метанопилоповітряної суміші.[4] Дослідженнями встановлено, що залежність має вид експоїди з показником ступеня ,m1 значення якого встановлюються експериментальним шляхом:

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    m1,m2 – коефіцієнти, які визначаються експериментальним шляхом. Після перетворення рівняння залежність НМВ вугільного пилу від концентрації метану в рудничній атмосфері має наступний вигляд:

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    Для дрібнодисперсного пилу викидонебезпечного вугільного пласту l1 ПАТ «Шахта ім. О.Ф. Засядько» (марка вугілля – Ж, вихід летючих Vdaf = 34% ,Ad = 7.0% зольність ) в роботі наведено результати дослідження зміни НМВ метану при зміні концентрації пилу (див. рис. 1). Результати досліджень вибухонебезпеки пилегазової системи «метан – вугільний пил – повітря» апроксимовані емпіричною залежністю вигляду :

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    Для зіставлення результатів досліджень в роботі , які апроксимовані емпіричною залежністю ,[5] з результатами математичного моделювання НМВ вугільного пилу від концентрації метану, що визначені за формулою (7), авторами отримані коефіцієнти m1 та m2, значення яких становлять 0,66512 та 0,32818. При цьому відносне значення похибки апроксимації результатів експериментальних досліджень за формулою (9) від результатів розрахунку, які отримані за залежністю складає не більш 5 %, що підтверджує адекватність запропонованого математичного опису НМВ метану при зміні комплексу дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери вугільної шахти, а саме: вмісту вологи у повітряної суміші, виходу летючих, зольністі вугілля та тиску рудничної атмосфери.

    Рис. 1 – Залежність НМВ метану при зміні концентрації пилу:

    Рис. 1 – Залежність НМВ метану при зміні концентрації пилу:

    1 – залежність вугільного пилу від концентрації метану, з визначеними коефіцієнтах m1=0,66512 та m2=0,32818 функції (7); 2 – функція, яка апроксимована емпіричною залежністю (9); 3 – результати досліджень НМВ метану[6] від зміни концентрації вугільного пилу, які наведено в роботі ; 4 – область вибухових концентрацій системи «метан – вугільний пил – повітря»

    Аналіз результатів, які наведено на рис. 1 показує, що можна виділяються чотири області, три з яких характеризуються вибуховість метанопилоповітряної суміші: в I області концентрація метану перевищує НМВ, в цій області в займанні суміші основну роль відіграє метан; в II області займання пилогазової суміші визначається співвідношенням концентрації метану та вугільного пилу, що вітає у повітрі, III область відповідає співвідношенням концентраційних меж метану та пилу, при яких газова суміш не є вибуховою. В IV області концентрація метану складає менш 1 об.%, що повністю задовольняє вимогам аерогазового захисту шахт[7], а концентрація пилу наближається до НМВ, що створює передумови для виникнення на виробничих ділянках шахт пилогазового середовища у вигляді аерозолю, який має здатність до вибуху.[10]

    З аналізу результатів досліджень розробленої математичної моделі можна зробити висновок, що при зміні вмісту вологи у повітряної суміші змінюються межі IV області, тим самим змінюється поріг вибуховості метанопилоповітряної суміші[9]. Так на рис. 2 наведено залежність НМВ метану при зміні концентрації вугільного пилу в діапазоні від 0 до 50 г/м3 при фіксованих значеннях насичення вологою повітря рудничної атмосфери вугільної шахти 3; 9 та 12 г/м3.

    Рис. 1 – Залежність НМВ метану при зміні концентрації пилу:

    Рис. 2 – Залежність НМВ метану при зміні концентрації вугільного пилу:

    1 – насиченість вологою повітря γ = 3 г/м3; 2 – γ = 9 г/м3; 3 – γ = 12 г/м3

    Аналіз даних на рис. 2 показує, що при підвищені насичення вологою повітря рудничної атмосфери в 3 рази від 3 до 9 г/м3 нижня межа вибуховості збільшується в 2 рази, тобто від 10,9 г/м3 до 22,4 г/м3, а при збільшенні вмісту вологи у повітрі до 12 г/м3 НМВ вугільного пилу складає 31,7 г/м3. Тому без вимірювального контролю вмісту вологи у повітрі в діапазоні від 3 до 9 г/м3 в реальному масштабі часу не можливо врахувати вибухонебезпечність вугільного пилу, що вітає у повітрі, для запобігання виникнення вибухонебезпечного аерозолю в рудничної атмосфери вугільних шахт.[8]

    При проведенні досліджень розробленої математичної моделі виявлено, що для контролю порогу вибуховості метанопилоповітряної суміші необхідно враховувати характеристики марки вугілля, так для марки вугілля Ж при виході летючих компонент VdafC = 34 % та зольності Ad = 7.0 % нижня межа вибуховості вугільного пилу складає 10,9 г/м3 при насиченні вологою повітря 3 г/м3 та концентрації метану 1 об.%. Так при збільшенні виходу летючих компонент до 41 %, що складає не більш 20 % від номінального значення, нижня межа вибуховості вугільного пилу зменшується на 21 % та складає 8,6 г/м3. Тобто чутливість НМВ вугільного пилу при зміні виходу летючих компонент VdafC в межах від 34 до 41 % становить:

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    Чутливість НМВ вугільного пилу при зміні зольності вугільного пилу від 7 до 14 % складає:

    Область вибуховості метаноповітряної суміші в залежності від вмісту в них кисню і метану.

    З аналізу отриманих величини чутливості НМВ вугільного пилу при зміні характеристик марки вугілля можна зробити висновок, що підвищення виходу летючих компонент знижує практично пропорційно межу вибуховості метанопилоповітряної суміші, а збільшення практично в два рази зольності вугільного пилу підвищую межу вибуховості на 18 %. Тому при контролі НМВ системи «метан – вугільний пил – повітря» необхідно виконувати періодичний контроль параметрів марки вугілля, щоб запобігти наближенню робочої точки режиму роботи системи аерогазового контролю у виробленнях вугільної шахти до критичних меж вибуховості метанопилоповітряної суміші. Зміна в робочих межах тиску рудничної атмосфери практично не впливає на НМВ системи «метан – вугільний пил – повітря», тому впливом цього дестабілізуючого фактору можна знехтувати.

    Висновки

    Проаналізувавши склад рудникової атмосфери, способи і методи визначення її складу, були зроблені наступні висновки:

    Ведення безперервного контролю концентрації метану використовувати підсистему в комплексі УТАС, а об'єднання в ній функцій вимірювання вологості і концентрації метану у виробках робить можливість оцінити в режимі реального часу ймовірність настання вибухонебезпечної ситуації в шахтах, що в існуючих системах до теперішнього часу не виконується.

    На основі комплексного показника-функціоналу визначено ймовірні характеристики вибуховості пилогазової суміші встановлено, що при наявності 1об.% метану концентраційна нижня межа вибуховості вугільного пилу знижується в два рази, а при 2 об.% - в чотири, в існуючих системах зниження даного показника практично не враховувалося через відсутність вимірювального контролю концентрації пилу в режимі реального часу.

    На підставі отриманих результатів розроблені технічні вимоги до вимірника концентрації метану в рудничної атмосфері вугільних шахт. З аналізу пропонованих вимог визначені базисні функції підсистеми, які з урахуванням всіх зв'язків між ними дозволили об'єднати їх в єдину систему, що має статус підсистеми комплексу УТАС аерогазового захисту шахти.

    Литература

    1. Щербань А.Н., Фурман Н.И. Методы и средства контроля рудиничного газа (метана). – Киев: Наукова думка, 1985. – 412 с.
    2. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. – Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980. – 164 с.
    3. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. – М.: Наука, 1984.–285с
    4. Вовна А.В., Зори А.А. Разработка и исследование экспериментального образ-ца измерителя концентрации метана для угольных шахт // Известия ЮФУ. Технические науки. Выпуск «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении». — Таганрог, 2014. — № 4 (153). — С. 171 – 177.
    5. Нецепляев М.И, Любимова А.И, Петрухин П.М. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. - М.: Недра, 1992. – 298 с.
    6. Перепелица В.К., Скляренко И.П. Контроль состава рудничной атмосферы переносными способами. – М.: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1960.–52с.
    7. Вовна А.В.,Хламов М.Г. «Применение оптико-абсорбционного метода для измерения объемной концентрации метана в условиях угольных шахт» Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація» – Донецьк, 2007. – Випуск 13(121). – С. 173 –179.
    8. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384 с.
    9. ГОСТ 24032-80 « Приборы шахтные газоаналитические». – М., 1992. – 36 с.
    10. Погоржельский Ю.А. Диссертация. «Обоснование структуры быстродействующего измерителя концентрации метана системы газовой защиты угольных шахт».