Вы здесь

Контроль вибухонебезпечності газових сумішей при аварійних загазуваннях гірничих виробок шахт

Автор: 
Білоножко Олександр Вікторович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2009
Артикул:
3409U001975
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Особенности формирования взрывоопасных смесей при
аварийных загазированиях горных выработок шахт
1.2. Анализ существующих способов и средств контроля
взрывоопасности газовых смесей
1.3. Выводы, цель и задачи исследований
РАЗДЕЛ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СРЕДСТВ
КОНТРОЛЯ МЕТАНА В АВАРИЙНЫХ УСЛОВИЯХ
2.1. Экспериментальные исследования термокаталитических
датчиков метана после их длительной работы в шахтных условиях
2.2. Исследование процессов накопления продуктов термической
деструкции углеводородов на поверхности термоэлементов
2.3. Исследования работоспособности анализаторов метана в
многокомпонентных газовых смесях
2.4. Выводы
РАЗДЕЛ 3. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ МЕТАНА,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АНАЛИЗАТОРОВ
ПРИ АВАРИЙНЫХ ЗАГАЗИРОВАНИЯХ
3.1. Обоснование способа контроля с использованием термокатали-
тического датчика метана с неодинаковыми электротепловыми
параметрами чувствительных элементов
3.2. Разработка и обоснование способа контроля с использованием
двухкамерного термокаталитического датчика метана
3.3. Обоснование конструкции и режимов работы термоэлементов
двухкамерного датчика
3.4. Обоснование конструктивных и технологических параметров
датчиков метана
3.5. Выводы
РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ
КОНТРОЛЯ МЕТАНА ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ
4.1. Лабораторные исследования датчиков с различными тепловыми
режимами чувствительных элементов
4.2. Лабораторные исследования двухкамерных
термокаталитических датчиков метана
4.3. Техническая реализация разработанных средств контроля
4.4. Направления дальнейшего совершенствования средств контроля
взрывоопасности газовых смесей
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Одним из наиболее опасных видов аварий на угольных шахтах являются взрывы метана и угольной пыли. Несмотря на то, что среди всех видов аварий число взрывов не превышает %, последствия и ущерб, вызываемый этими явлениями, сопоставимы с последствиями от таких наиболее распространенных видов аварий, как пожары. Примером таких аварий являются взрывы, прогремевшие на шахте им. А.Ф.Засядько в конце г., которые привели к гибели более ста горнорабочих и горноспасателей, а их материальные последствия исчисляются миллиардами гривен.
Одним из важнейших мероприятий, направленных на предупреждения взрывов, является контроль состава рудничной атмосферы и оборудование шахт средствами автоматической газовой защиты, срабатывающей при недопустимой концентрации метана.
Обеспечение надежного и однозначного контроля взрывоопасности горных выработок шахт является одной из наиболее актуальных для угольной отрасли задач. Разработке способов и средств контроля взрывоопасности посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. В последнее время исследования ученых Национального горного университета, НПО "Красный металлист", МакНИИ, выполненные в этой области, позволили существенно улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики средств контроля взрывобезопасности, повысить надежность и стабильность их работы, в значительной мере решить вопросы обеспечения однозначности измерения содержания метана во всем диапазоне его возможных концентраций. Однако до настоящего времени наблюдаются случаи нарушения работоспособности существующих термокаталитических газоанализаторов при аварийных загазированиях горных выработок шахт. В ряде случаев, например при пожарах и внезапных выбросах угля, породы и газа, когда существенно изменяется газовый состав рудничной атмосферы и у горных выработках образуются газовые смеси с высокой концентрацией метана, когда кроме метана в этих смесях в значительных количествах присутствуют его высшие гомологи, водород и оксид углерода существующие анализаторы оказываются неработоспособными, что затрудняет принятие решений, направленных на спасение людей и ликвидацию аварии. Причины отказов и нарушений в достаточной мере не выяснены, что не позволяет вести разработку эффективных решений по их предотвращению.
Вышеприведенное обуславливает актуальность проведения исследований направленных на повышение надежности контроля взрывоопасности газовых смесей при аварийных загазированиях горных выработок шахт.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Исследования за темой диссертации выполнены в соответствии с "Программой повышения безопасности труда на угольных шахтах", утвержденной постановлением Кабинета Министров Украины от г. № и планом научно-исследовательских работ Национального горного университета по темам "Обосновать методы контроля метана, обеспечивающие работоспособность газоанализаторов при аварийных загазированиях" (№ госрегистрации U) и "Разработка технических решений по улучшению эксплуатационных характеристик газоанализаторов для дегазационных трубопроводов" (№ госрегистрации U).
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности и достоверности контроля взрывоопасности горных выработок угольных шахт, путем обоснования способов и разработки средств контроля содержания метана в рудничной атмосфере, работоспособных при аварийных загазированиях выработок.
Для достижения поставленной цели необходимо:
- изучить особенности формирования взрывоопасных смесей при аварийных загазированиях горных выработок шахт;
- выполнить анализ существующих способов и средств контроля взрывоопасности газовых смесей и возможности их использования в аварийных условиях;
- установить причины отказов и нестабильной работы существующих термокаталитических датчиков метана при аварийных загазированиях шахт;
- обосновать новые, более совершенные способы и разработать средства, обеспечивающие контроль взрывоопасности газовых смесей и работоспособность систем газовой защиты при аварийных загазированиях горных выработок шахт;
- наметить перспективы совершенствования средств и систем контроля взрывоопасности горных выработок шахт.
Объект исследования - процесс контроля взрывоопасности горных выработок угольных шахт.
Предмет исследований - способы и средства контроля взрывоопасности метановоздушных смесей.
Методы исследования. Для достижения поставленных задач в работе использованы анализ и обобщение существующих литературных источников, относительно формирования газовоздушных смесей при авариях, способов и средства контроля взрывоопасности - при выборе и обосновании направлений исследований; физическое моделирование и экспериментальные исследования в лабораторных и шахтных условиях анализаторов метана - для установления причин их отказов и сбоев в работе при аварийных загазированиях, а также для оценки разработанных способов и средств контроля; элементы классической теории газодинамики, термодинамики, электротехники и тепломасопереноса при обосновании предложенных способов контроля метана.
Основные научные положения и результаты, их новизна.
Положения.
1. При аварийных загазированиях горных выработок шахт сбои в работе существующих средств взрывозащиты возникают в результате горения метана на сравнительном элементе термокаталитического датчика, активность которого возрастает в процессе длительной эксплуатации в шахтных условиях, а также из-за дополнительного разогрева сравнительного элемента в результате окисления на нем высших гомологов метана, водорода и оксида углерода, присутствующих в рудничном газе.
2. Изменение каталитической активности чувствительных элементов термокаталитических датчиков в процессе эксплуатации происходит вследствие накопления на их поверхности продуктов термической деструкции углеводородов, причем карбонизация рабочего элемента снижает, а карбонизация сравнительного элемента повышает активность элемента по отношению к метану.
3. Карбонизация рабочего элемента в основном обуславливается неполным сгоранием метана на его поверхности и усиливается при низкой температуре разогрева элемента, карбонизация сравнительного элемента возникает из-за неполного сгорания на его поверхности высших гомологов метана и частично из-за окисления метана, повышение температуры предварительного нагрева этого элемента приводит к более интенсивному окислению метана и ускорению процессов его карбонизации.
Научные результаты и их новизна.
1. Выявлены и исследованы факторы, обуславливающие отказы и нестабильную работу средств взрывозащиты при аварийных загазированиях горных выработок шахт. Впервые установлено, что указанные сбои возникают в результате повышения активности сравнительного элемента термокаталитического датчика при высоких концентрациях метана, когда агентом лимитирующим скорость реакции является кислород воздуха и в рудничной атмосфере присутствуют высшие гомологи метана, водород и оксид углерода.
2. Выявлено, что основной причиной повышения активности сравнительного элемента термокаталитического датчика при длительной эксплуатации газоанализаторов в шахтных условиях является накопление продуктов термической деструкции углеводородов на поверхности этого элемента. Впервые установлены закономерности влияния на скорость карбонизации чувствительных элементов термокаталитических датчиков режима их работы и состава рудничной атмосферы.
3. Исследована работоспособность анализаторов метана в многокомпонентных газовых смесях. Установлено, что высшие гомологи метана, водород и оксид углерода снижают выходной сигнал существующих серийных однокамерных термокаталитических датчиков, в то время как взрывоопасность смеси при наличии этих компонентов возрастает.
4. Теоретически обоснованы новые способы контроля взрывоопасности газовых смесей, заключающиеся в использовании разных тепловых режимов чувствительных элементов термокаталитических датчиков метана и
раздельном управлении диффузными потоками контролируемой среды к чувствительным элементам двухкамерного термокаталитического датчика.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждается: корректностью постановки и решения задач; применением современных способов теоретического анализа с учетом общепринятых допущений; проведением экспериментальных исследований с использованием апробированных методик, аттестованного оборудования и средств контроля; согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительными результатами использования разработанных способов и средств контроля в серийно изготавливаемых изделиях.
Практическое значение полученных результатов:
1. Разработанные термокаталитические датчики с разными тепловыми режимами чувствительных элементов и двухкамерные термокаталитические датчики с
раздельным управлением диффузными потоками к чувствительным элементам, позволяющие контролировать взрывоопасность газовых смесей при наличии в них высших гомологов метана, водорода и оксида углерода.
2. Обоснованные параметры и режимы работы разработанных датчиков контроля концентрации метана, которые обеспечивают линейность выходной характеристики анализаторов метана, стабильность их нуля и работоспособность при аварийных загазированиях горных выработок шахт.
3. Разработаны средства контроля концентрации метана, которые сохраняют работоспособность системы взрывозащиты при аварийных загазированиях горных выработок шахт, в том числе: стационарных автоматических газоанализаторов и переносных автоматических сигнализаторов метана.
Результаты диссертационной работы внедрены на НПО "Красный металлист" (г. Конотоп) при разработке технического задания на опытно-конструкторскую разработку переносного анализатора метана, кислорода, токсичных газов и температуры "Сигнал. ", которое утверждено Министерством угольной промышленности Украины, и освоении серийного производства этого анализатора.
Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и постановке задач исследований, выполнении теоретических и экспериментальных исследований средств контроля метана в многокомпонентных газовых смесях, разработке и обосновании способов и средств контроля взрывоопасности газовых смесей, сохраняющих работоспособность при аварийных загазированиях горных выработок шахт. Содержание диссертации изложено автором самостоятельно.
Личный вклад диссертанта в роботах, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке и проведении исследований термокаталитических датчиков [,], обосновании способа измерения содержания метана с использованием двухкамерного термокаталитического датчика [, ], исследовании причин нестабильной работы термокаталитических датчиков [], в разработке признаков изобретений [, ,].
Апробация результатов диссертации.
Основные положения диссертационной работы докладывались на международных конференциях "Форум горняков" (Днепропетровск, , , ), "Школа подземной разработки полезных ископаемых" (Ялта, ), "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" (Кривой Рог, , ), научном симпозиуме "Неделя горняка" (Москва, ), научно-технических семинарах НПО "Красный металлист" (г. Конотоп , ) и кафедры аэрологии и охраны труда Национального горного университета (г. Днепропетровск ).
Публикации. По материалам исследований опубликовано научных работ, в том числе статей в журналах и сборниках, входящих в перечень ВАК Украины, патента на изобретения и статьи в материалах докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
разделов и заключения. Она содержит страниц машинописного текста, включая рисунок, таблиц, список