Оценка эффективности гашения ударных волн водяными заслонами

УДК 622.822.35

А.П. Федорович, В.Г. Игишев

ОАО «РосНИИГД»

Оценка эффективности гашения ударных волн водяными заслонами

Разработана методика количественной оценки взрывозащитного эффекта при срабатывании заслонов. Показаны преимущества водяных заслонов из пленочных сосудов типа «водяной мешок» по сравнению со сланцевыми заслонами и с заслонами, сформированными из емкостей типа «водяное корыто»

Механизм взаимодействия ударных волн с заслонами согласно «Аналитической инженерной методике оценки затухания ударных волн при их прохождении через защитные сооружения» [1] сводится к следующему. При прохождении ударных волн (УВ) через водяные или сланцевые заслоны наблюдается нестационарное течение, при котором скорости частиц пыли или воды отличаются от скоростей и температуры газовой фазы. Заслон считается эффективным, если на его длине происходит релаксация (выравнивание) скоростей и температуры обеих фаз равновесной среды.

Аналитические исследования показали, что при реальных параметрах ударной волны, рудничной атмосферы и плотности двухфазной среды заслона последний эффективен при определенных размерах частиц пыли и воды. Для сланцевых заслонов максимальный размер частиц составляет 25 мкм, для водяных - 5 мкм. Более крупные частицы практически не ускоряются газом и по третьему закону Ньютона в свою очередь будут оказывать на газовую среду в ударной волне весьма слабое воздействие. В результате происходит падение эффективности защитного заслона, через который газ УВ протекает, «не замечая» крупных частиц.

Согласно ГОСТ Р 51569-2000 гидрофобная инертная пыль, используемая в сланцевых заслонах, имеет следующий гранулометрический состав: частицы более 160 мкм составляют 15%; более 63 и менее 160 мкм - 35%; менее 63 мкм - 50%. Наличие частиц менее 25 мкм регламентируется на уровне до 50%. В то же время дробление воды до капель менее 5 мкм происходит уже при избыточном давлении в УВ, равном 0,5 • 105 Па. Даже по приведенному гранулометрическому составу видно, что сланцевые заслоны менее эффективны по сравнению с водяными (более чем в 2 раза). Этот вывод согласуется и со сроком службы инертной пыли марки ПИГ. Согласно ГОСТ Р 51569-2000 при высокой степени гидрофобизации и относительной влажности 95% она сохраняет защитные свойства в течение 30 сут, а при удовлетворительной степени гидрофобизации - всего 20 сут.

Поэтому предпочтение должно быть отдано водяным заслонам, формируемым из пленочных емкостей типа «водяной мешок». Преимущество последних по сравнению с емкостью из ударопрочного полистирола типа «водяное корыто» доказана исследованиями Д.Ю.Палеева и В.Г.Криволапова [2]. Ими установлено, что давление за заслоном (запреградное давление) зависит от порогового давления его срабатывания. Оно линейно снижается по мере уменьшения порогового давления. Последнее зависит от конструктивного исполнения преграды. Для заслонов из «водяных корыт» оно достигает 0,055 МПа. У заслонов из «водяных мешков» оно в 18 раз меньше и составляет 0,003 МПа.

Качественно механизм взаимодействия ударной волны с преградой, содержащей большое количество мелкодисперсных (менее 5 мкм) капель в пределах границ водяного заслона, можно описать следующим образом. При столкновении с преградой волна в первый момент времени усиливается в 3-4 раза. Проникая в двухфазную преграду (капли воды - воздух), волна попадает в своеобразную ловушку, в которой, многократно отражаясь от контактных разрывов на границах заслона, медленно затухает. При отражениях она каждый раз меняет свой знак, а именно, волна сжатия становится волной разрежения и наоборот. При этом в каждом отражении за преграду проникает только незначительная часть энергии. При воздействии на преграду короткой ударной волны за нее может проникнуть только первая УВ. При длительном воздействии первая ударная волна может усиливаться системой волн сжатия.

Исследования на математической модели, представленной в методике [1], показали, что на давление за преградой сильно влияет концентрация в ней мелкодисперсных частиц. Изменение

запреградного перепада давления АР = Р — Ра для концентрации частиц 100; 50; 33 кг/м3

приведено на рисунке 1.

400 —«

ДР, кПа

33 кг/м3

300 —

200 —

100 -

О

сек.

т

О

0.2

0.4

0 6

0.8

1

Рисунок 1 - Влияние концентрации воды в заслоне на запреградный перепад давлений

При этом длина заслона принималась равной 5 м. Давление в падающей ударной волне -8105 Па. После прохождения заслона с концентрацией воды 33 и 100 кг/м3 это давление уменьшилось соответственно в 2,6 и 4,7 раза.

На рисунке 2 приведены результаты исследований влияния на запреградный перепад

давления АР длины преграды. Массовая концентрация частиц в этих исследованиях

3 5

принималась равной 100 кг/м , давление в падающей ударной волне - 810 Па. Из рисунка видно, что в более длинной преграде из-за большего времени прохождения волн все процессы растянуты во времени. Меньшее давление в этом случае объясняется приходом волны разрежения к моменту времени, когда запреградное давление еще не успело заметно возрасти.

Рисунок 2 - Влияние длины заслона на запреградный перепад давления

Испытания во взрывной трубе ВостНИИ длиной 15 м, диаметром 2 м и толщиной стенок 20 мм, проведенные в 2003 г., подтвердили пламегасящий и взрывозащитный эффект водяных заслонов из «водяных мешков». При взрыве стехиометрической смеси метана с воздухом объемом 12,5 м3 перепад давления на длине 6 м за зоной загазования составлял 0,08 МПа. При навеске однорядного заслона из четырех «водяных мешков» с общей массой воды 130 кг падение давления УВ увеличилось в 3,7 раза и достигло 0,299 МПа.

Эффективность гашения пламени и УВ, простота формирования без ограничения по углу падения выработки, вида ее крепления и способа транспортирования груза, минимизация затрат на обслуживание - все эти преимущества обусловили то обстоятельство, что разработанный по поручению Европейской ассоциации свободной торговли стандарт ЕЫ 14591-2, гармонизированный для европейской горной промышленности, базируется на водяных заслонах из пленочных трудногорючих «мешков», имеющих антистатическое покрытие [3].

Водяные заслоны из пленочных сосудов используются с 2003 г. главным образом для защиты от взрыва на газоотводящих скважинах при комбинированной схеме проветривания. Три заслона (шахты «Распадская» в 2005 г., «Кушеяковская» в 2006 г. и «Комсомолец» в 2007 г.) сработали в условиях реальных взрывов, произошедших на подобных скважинах из-за удара

молнии и замыкания электрического кабеля. Во всех случаях срабатывания заслонов не погиб и не отравился ни один горнорабочий аварийной шахты.

Показателен при этом взрыв на скважине при работе лавы № 1728 на пласте Бреевском шахты «Комсомолец». Жертв и пострадавших не было. На аварийном участке и в примыкающих выработках во время взрыва находилось 340 работников шахты. Горноспасатели, обследовавшие выработки после взрыва, зафиксировали разрушение двух водяных заслонов, установленных в конвейерном штреке 1728 за монтажной камерой.

Расстояние между заслонами равно 120 м. Длина каждого из них составляла 30 м. Для обеспечения эффекта взрывозащиты они были дополнены на длине 10 м вторым рядом «водяных мешков» из расчета 30 кг воды на 1 м3 заслона. Для сравнения: при существующей норме 400 кг на 1 м2 сечения выработки [4] концентрация воды в заслоне не превышает 13,3 кг/м3. По результатам обследования установлено, что все 292 «мешка» обоих заслонов разорваны в клочья.

Минимальный эффект от срабатывания водяных заслонов согласно [1] может быть определен по уравнению:

Рпр = 0,866

где Рпр = (1 - Р/Рв);

Р - давление за преградой;

Рв - давление в ударной волне;

1 - длина взрывозащитной части заслона;

Ра - атмосферное давление.

Уравнение (1) справедливо для длины взрывозащитной части заслона в пределах от 5 до 15 м, давлении в исходной ударной волне - не более 1,6 МПа и концентрации воды в заслоне -30 кг/м3. Расчет по уравнению (1) позволяет оценить защитный эффект от срабатывания двух заслонов в условиях взрыва на шахте «Комсомолец». При объемном взрыве максимальное давление УВ достигает 1,0 МПа. Первый заслон погасил его до значения 0,375 МПа, т.е. в 2,6 раза. После прохождения УВ через второй заслон запреградное давление снизилось до 0,205 МПа (в 1,8 раза). Дальнейшее снижение давления до безопасного обусловлено затратами энергии УВ на ее проход по сохраненной части выработок и пористой среде выработанного пространства, а также на разрушение части изолирующих невзрывоустойчивых перемычек.

Приведенная в статье проблема защиты шахт от взрывов газа и пыли не ограничивается исследованиями количественного эффекта гашения ударных волн основными заслонами различных типов. Однако уже выполненных исследований достаточно для вывода о том, что повышение эффективности взрывозащиты должно базироваться на использовании водяных заслонов, формируемых из пленочных сосудов типа «водяной мешок». Вместе с тем они показали необходимость внесения изменений в нормативную базу по проблеме как в части загрузки заслонов (до 30 кг/м ), так и в части схем их размещения в пределах выемочного участка с учетом

достижения требуемого эффекта снижения избыточного давления до безопасного значения 0,006 МПа. Последнее возможно при совершенствовании газодинамической модели распространения ударных волн по горным выработкам и методики прогноза зон загазования, определяющих интенсивность исходных ударных волн.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Аналитическая инженерная методика оценки затухания ударных волн при их прохождении через защитные сооружения. - Кемерово, 2003. - 40с.

2 Палеев, Д.Ю. Взаимодействие ударной волны с рассредоточенным водяным заслоном/ Д.Ю. Палеев, В.Г. Криволапов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: материалы Международной науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 2004. -С.121-123.

3 Фукс, Э. Стандарты по защите от взрывов в горной промышленности - безопасность, экономичность, охрана окружающей среды / Э. Фукс, Х.-Г. Благсуде // Глюкауф. -2007. - № 1 (2). - С.56-64.

4 Правила безопасности в угольных шахтах. - М. - 2003. - 293 с.