Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках
Для повышения точности расчета безопасных расстояний при взрывах газа на аварийных участках угольных шахт были проведены численные эксперименты с использованием математической модели ударной трубы по распространению ударных воздушных волн в цилиндрических каналах. Ударные волны генерировались взрыво...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2016
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136930 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках / Н.Н. Налисько // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 127. — С. 112-126. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-136930 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1369302018-06-17T03:10:42Z Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках Налисько, Н.Н. Для повышения точности расчета безопасных расстояний при взрывах газа на аварийных участках угольных шахт были проведены численные эксперименты с использованием математической модели ударной трубы по распространению ударных воздушных волн в цилиндрических каналах. Ударные волны генерировались взрывом вытянутых газовоздушных облаков которые заполняют протяженные участки каналов. Изучались закономерности распространения фронта ударной воздушной волны при взрыве вблизи тупикового забоя. Показано как в динамике изменяются давление, скорость, плотность и температура газового потока вдоль оси выработки. Установлено, что эффект отражения ударной волны от плоскости забоя может увеличивать амплитуду головной волны на величину до 36 % (для типовых сечений выработок), силовой импульс, создаваемый волной до 70 %. Максимальное расстояние от места взрыва до забоя, при котором возникают заметные волновые эффекты составляет 180 м. Получены закономерности изменения степени интенсивности ударной волны и расстояния до точки слияния отраженной и головной волны в зависимости от начальных условий. Закономерности представлены в виде графиков и регрессионных уравнений. Разработана методика учета волновых эффектов распространения ударных воздушных волн в расчете безопасных расстояний. Для підвищення точності розрахунків безпечних відстаней при вибухах газу на аварійних ділянках вугільних шахт були проведені чисельні експерименти з використанням математичної моделі ударної труби по поширенню ударних повітряних хвиль у циліндричних каналах. Ударні хвилі генерувалися вибухом витягнутих газоповітряних хмар які заповнюють протяжні ділянки каналів. Вивчалися закономірності поширення фронту ударної повітряної хвилі при вибуху поблизу тупикового вибою. Показано як у динаміці змінюється тиск, швидкість, щільність і температура газового потоку уздовж осі виробки. Встановлено, що ефект відбиття ударної хвилі від площини вибою може збільшувати амплітуду головної хвилі на величину до 36 % (для типових перетинів виробок), силовий імпульс, що створюється хвилею до – 70 %. Максимальна відстань від місця вибуху до вибою, при якому виникають помітні хвильові ефекти становить 180 м. Отримано закономірності зміни ступеню інтенсивності ударної хвилі й відстані до місця злиття відбитої й головної хвилі залежно від початкових умов. Закономірності представлені у вигляді графіків і регресійних рівнянь. Розроблена методика врахування хвильових ефектів поширення ударних повітряних хвиль у розрахунках безпечних відстаней. To increase the accuracy of calculation of safety distances when a gas explosion at the damaged sections of coal mines were carried out numerical simulations using a mathematical model of the shock tube to spread shock waves of air in cylindrical channels. Shock waves generated by explosion elongated gas-filled clouds are stretches of canals. We studied the patterns of distribution of the air shock wave front in the explosion near the bottom of deadlock. It is shown as a dynamic pressure change, speed, density and temperature of the gas flow generation along the axis. It was found that the effect of the shock wave reflection from the bottom plane can increase the amplitude of the bow wave of up to 36% (for typical sections of mines), power pulse wave generated by up to 70%. The maximum distance from the scene of the explosion to the face in which there are noticeable ripple effects is 180 m. Regularities of changes in the degree of intensity of the shock wave and the distance to the point of confluence of reflected and head waves, depending on the initial conditions. The regularities presented in graphs and regression equations. The method of accounting effects of shock wave of air waves in calculating safe distances. 2016 Article Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках / Н.Н. Налисько // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 127. — С. 112-126. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136930 331.452:519.6: 622.81 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Для повышения точности расчета безопасных расстояний при взрывах газа на аварийных участках угольных шахт были проведены численные эксперименты с использованием математической модели ударной трубы по распространению ударных воздушных волн в цилиндрических каналах. Ударные волны генерировались взрывом вытянутых газовоздушных облаков которые заполняют протяженные участки каналов. Изучались закономерности распространения фронта ударной воздушной волны при взрыве вблизи тупикового забоя. Показано как в динамике изменяются давление, скорость, плотность и температура газового потока вдоль оси выработки. Установлено, что эффект отражения ударной волны от плоскости забоя может увеличивать амплитуду головной волны на величину до 36 % (для типовых сечений выработок), силовой импульс, создаваемый волной до 70 %. Максимальное расстояние от места взрыва до забоя, при котором возникают заметные волновые эффекты составляет 180 м. Получены закономерности изменения степени интенсивности ударной волны и расстояния до точки слияния отраженной и головной волны в зависимости от начальных условий. Закономерности представлены в виде графиков и регрессионных уравнений. Разработана методика учета волновых эффектов распространения ударных воздушных волн в расчете безопасных расстояний. |
| format |
Article |
| author |
Налисько, Н.Н. |
| spellingShingle |
Налисько, Н.Н. Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Налисько, Н.Н. |
| author_sort |
Налисько, Н.Н. |
| title |
Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках |
| title_short |
Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках |
| title_full |
Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках |
| title_fullStr |
Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках |
| title_full_unstemmed |
Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках |
| title_sort |
определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136930 |
| citation_txt |
Определение безопасных расстояний при аварийных взрывах шахтной атмосферы с учетом отражения ударных воздушных волн в тупиковых выработках / Н.Н. Налисько // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 127. — С. 112-126. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT nalisʹkonn opredeleniebezopasnyhrasstoânijpriavarijnyhvzryvahšahtnojatmosferysučetomotraženiâudarnyhvozdušnyhvolnvtupikovyhvyrabotkah |
| first_indexed |
2025-07-10T02:14:16Z |
| last_indexed |
2025-07-10T02:14:16Z |
| _version_ |
1837224334061469696 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 112
УДК 331.452:519.6: 622.81
Налисько Н.Н., канд. техн. наук, доцент
(ГВУЗ «ПГАСА»)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ РАССТОЯНИЙ ПРИ АВАРИЙНЫХ
ВЗРЫВАХ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ С УЧЕТОМ ОТРАЖЕНИЯ
УДАРНЫХ ВОЗДУШНЫХ ВОЛН В ТУПИКОВЫХ ВЫРАБОТКАХ
Налисько М.М., канд. техн. наук, доцент
(ДВНЗ «ПДАБА»)
ВИЗНАЧЕННЯ БЕЗПЕЧНИХ ВІДСТАНЕЙ ПРИ АВАРІЙНИХ ВИБУХАХ
ШАХТНОЇ АТМОСФЕРИ З УРАХУВАННЯМ ВІДБИТТЯ УДАРНИХ
ПОВІТРЯНИХ ХВИЛЬ У ТУПИКОВИХ ВИРОБКАХ
Nalisko N.N., Ph.D. (Tech.), Associate Professor
(SHEI «PSACEA»)
HOW TO DETERMINE SAFETY DISTANCE AT EMERGENCY AT-
MOSPHERIC EXPLOSIONS IN THE BLIND DRIFTS IN VIEW OF RE-
FLECTION OF SHOCK AIR WAVES
Анотация. Для повышения точности расчета безопасных расстояний при взрывах газа на
аварийных участках угольных шахт были проведены численные эксперименты с использова-
нием математической модели ударной трубы по распространению ударных воздушных волн
в цилиндрических каналах. Ударные волны генерировались взрывом вытянутых газовоздуш-
ных облаков которые заполняют протяженные участки каналов.
Изучались закономерности распространения фронта ударной воздушной волны при
взрыве вблизи тупикового забоя. Показано как в динамике изменяются давление, скорость,
плотность и температура газового потока вдоль оси выработки. Установлено, что эффект от-
ражения ударной волны от плоскости забоя может увеличивать амплитуду головной волны
на величину до 36 % (для типовых сечений выработок), силовой импульс, создаваемый вол-
ной до 70 %. Максимальное расстояние от места взрыва до забоя, при котором возникают
заметные волновые эффекты составляет 180 м. Получены закономерности изменения степе-
ни интенсивности ударной волны и расстояния до точки слияния отраженной и головной
волны в зависимости от начальных условий. Закономерности представлены в виде графиков
и регрессионных уравнений. Разработана методика учета волновых эффектов распростране-
ния ударных воздушных волн в расчете безопасных расстояний.
Ключевые слова: ударная воздушная волна, волновой эффект, тупиковая выработка, от-
ражение, интенсивность волны, численный расчет.
Введение. Одним из способов тушения подземных пожаров в шахте являет-
ся изоляция аварийного участка взрывоустойчивыми перемычками. Для защи-
ты горноспасателей от газовых взрывов при возведении перемычек использует-
ся метод защиты безопасным расстоянием, методика определения которого ос-
нована на закономерностях затуханий ударных воздушных волн (УВВ) в гор-
ных выработках.
© Н.Н. Налисько, 2016
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 113
Практика показывает, что в некоторых случаях повторные взрывы на ава-
рийных участках приводят к гибели или травмированию горноспасателей, вы-
полняющих работы как во время возведения изолирующих перемычек, так и
работающие под их защитой [1]. Можно предположить, что такая ситуация
возникает из-за неполноты учета факторов в процессе определения параметров
УВВ.
Анализ последних исследований. В направлении численного моделирова-
ния действия взрывов в горных выработках известны работы, проводимые в
университетах Китая [2–4], в Институте угля и углехимии СО РАН [5].
При разработке планов ликвидации аварии или в реальной ситуации при ло-
кализации аварийного взрыва возникает задача прогнозирования параметров
течения ударной воздушной волны в тупиковых выработках (рис. 1). Это может
быть взрыв газа в призабойном пространстве, на некотором расстоянии от ту-
пикового забоя.
Рисунок 1– Распространения
ударной воздушной волны
вблизи тупикового забоя
В существующей методике расчета (Устав ГВГСС Украины) параметры
УВВ в этом случае определяются как течение газового потока по прямолиней-
ному участку, в сторону от тупика, начиная от границы загазирования. Началь-
ное избыточное давление во фронте УВВ определяется длиной участка загази-
рования. Однако, исходя из физики процесса на распространение УВВ в дан-
ных случаях могут оказывать влияния волновые процессы, возникающие у
плоскости забоя при отражении фронта УВВ двигающегося в сторону тупика.
Об этом свидетельствуют исследования, проведенные в 70-х годах прошлого
столетия на экспериментальных участках рудников под руководством А.М. Че-
ховских, В.М. Плоникова. Результаты в виде только качественной оценки были
использованы в методике расчета параметров УВВ и лишь в случае т-образного
сопряжения выработок: при наличии примыкающего к сопряжению тупиковой
выработки длиной не более 130 м коэффициент затухания избыточного давле-
ния принимался равным единице (т.е. избыточное давление во фронте УВВ не
уменьшалось), в противном случае влияние тупикового забоя не учитывалось.
Теоретические и экспериментальные исследования по распространению га-
зовых потоков, в т.ч. УВВ в горных выработках, в Украине, проводились в
ИГТМ НАН Украины [6, 7], НИИГД «Респиратор», Криворожском националь-
ном университете и Национальном горном университете [8]. Детального рас-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 114
смотрения волновых эффектов на сопряжениях и в тупиках не выполнялось.
Более полные теоретические исследования в рассматриваемом вопросе были
проведены на базе Института угля и углехимии СО РАН, для случая т-
образного сопряжения [9]. Путем математического моделирования показано
влияние отраженных волн в тупике на избыточное давление во фронте УВВ.
Установлена возможность увеличения амплитуды УВВ в случае примыкания к
сопряжению тупиковой выработки. Однако, в работе не установлено как влияет
на эту величину амплитуда входящей в сопряжение УВВ и другие параметры
УВВ существенные для газовых взрывов.
Таким образом, вопрос окончательно не решен, не установлены закономер-
ности изменения избыточного давления во фронте УВВ под влиянием отра-
женных в тупике волн. Так же, кроме избыточного давления не рассматривают-
ся другие поражающие факторы УВВ входящие в понятие интенсивность вол-
ны, а именно импульс силового воздействия газового потока, который будет
передаваться взрывозащитному сооружению.
Цель работы. Оценка влияния волновых эффектов отражения ударной воз-
душной волны при газовых взрывах на безопасные расстояния. Установление
закономерностей изменения параметров ударных воздушных волн вблизи ту-
пиковых выработок на основании математического моделирования ее распро-
странения по сети горных выработок. Разработка методики учета волновых эф-
фектов в расчете безопасных расстояний.
Метод исследований. Для исследований используется численное модели-
рование течений газового потока с использованием математической модели
ударной трубы, в которой реализован газодинамический подход.
Задача решалась путём использования метода численного счёта уравнений
газодинамики в системе "газовая взрывчатая среда – окружающая среда". Дви-
жение среды в цилиндрической системе координат описывается уравнениями
Эйлера (в дивергентном виде):
,0)(
Wdiv
t
неразрывности
( ) ,
( ) 0
тр
u P П
div uW
t z S
v P
div vW
t r
движения (1)
( ) ( ) ,x
E
div EW div PW qП q
t t
энергии,
где ρ – плотность, кг/м
3
; Р – давление, Па; W – вектор скорости, м/с; u, v –
компоненты скорости W по оси z и r соответственно, м/с; z, r – цилиндриче-
ские координаты; )22(
2
1
vuJE – полная энергия, Дж; J – внутренняя энер-
гия газа, Дж; τтр – напряжение поверхностных сил трения газового потока о
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 115
стенку, Н/м
2
; q – плотность теплового потока в стенку канала, Дж/(м
2
∙с); S,П –
периметр выработки, м; qх – тепловой эффект химической реакции горения уг-
леводородов, Дж/кг; α – мольная доля углеводорода в шахтной атмосфере; t –
время, с.
Для замыкания этой системы используется уравнение состояния идеального
газа: JP )1( , где J – удельная внутренняя энергия; γ– показатель адиа-
баты; ρ– плотность газа.
Таким образом, система уравнений (1) является замкнутой и полностью
описывает среду при решении газодинамических задач. Решения системы урав-
нений (1) производилось с использованием однородной схемы сквозного счёта.
В качестве такой схемы был применен модифицированный метод крупных час-
тиц (МКЧ).
Рассматриваемая задача решена в цилиндрической системе координат, в ко-
торой расчетная область представлена в виде цилиндрического канала. По сути,
такая схема представляет собой ударную трубу с участком, заполненным газо-
воздушной смесью. Быстрое горение смеси (дефлаграция или детонация) вызы-
вает формирование и распространение ударных воздушных волн в цилиндриче-
ском канале (рис. 2). Схема метода крупных частиц, вопросы его устойчивости
и порядка аппроксимации достаточно подробно рассмотрены в литературе (Бе-
лоцерковский О.М., Давыдов Ю.М., 1982).
а) в объёмном представлении, в цилиндрической системе координат; б) в плоском
представлении; Δr, Δz – размеры расчетной ячейки; Г1 – тип границы расчетной области
«свободный выход», Г2, Г3, – тип границы расчетной области «непротекание», Г4 – тип
границы расчетной области «жесткая стенка»; v, u – компоненты вектора скорости
Рисунок 2 – Общая структура расчётной сетки
Научная новизна в решении данной задачи с помощью МКЧ заключается в
ее постановке (соответственно учет факторов течения газа в канале: теплооб-
мен со стенкой, трение потока о стенку) и модификации метода для течения ге-
терогенных газовых потоков с учетом кинетики химических реакций между га-
зами, в частности, реакции горения углеводородов в воздухе [10]. Разностная
схема решения нестационарных системы дифференциальных уравнений (1) ос-
новывается на идее расщеплении этой системы по физическим процессам. За-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 116
дача решается в три этапа: эйлеров, лагранжев и заключительный. На эйлеро-
вом этапе, промежуточные значения скорости , и энергии потока опреде-
ляются из условия «замораживания» поля плотности
0
t
, поэтому чис-
ленная аппроксимация уравнений движения и энергии (1), в момент времени
t
n
, в цилиндрической системе координат r, z будет представлена следующими
явными конечно-разностными алгебраическими уравнениями первого порядка
точности по времени и второго порядка по пространству:
0,5, 0,5,
, ,
,
, 0,5 , 0,5
, ,
,
, 0,5 , 0,5 , 0,5 , 0,5 0,5, 0,5, 0,5, 0,5,
, ,
;
;
( 1)
( 0,5)
n n
i j i jn n
i j i j n
i j
n n
i j i jn n
i j i j n
i j
n n n n n n n n
i j i j i j i j i j i j i j i jn n
i j i j
P P t
u u
z
P P t
v v
r
jP v j P v P u P u t
E E
j r z
,
,
n
i j
где i, j – адрес ячейки прямоугольной расчетной сетки.
На лагранжевом этапе вычисляем перетоки газа за время Δt между ячейками
по следующим алгебраическим уравнениям, полученным из численной аппрок-
симации уравнения неразрывности (1).
Потоки масс по оси z (в зависимости от направления):
, 1,2
, , 1,
0,5,
, 1,2
1, , 1,
( 0,5) , если 0,
2
( 0,5) , если 0;
2
n n
i j i jn n n
i j i j i j
n
i j n n
i j i jn n n
i j i j i j
u u
j r t u u
M
u u
j r t u u
Поток масс по оси r (в зависимости от направления):
, 1 ,
, , 1 ,
, 0,5
, 1 ,
, 1 , 1 ,
( 0,5) , если 0,
2
( 0,5) , если 0;
2
n n
i j i jn n n
i j i j i j
n
i j n n
i j i jn n n
i j i j i j
v v
j r z t v v
M
v v
j r z t v v
На заключительном этапе рассчитываем новые значения всех параметров
потока с учетом перетока масс:
})]4(1[
)]3(1[)]2(1[)]1(1[
)5,0{(
~~
)4(
~
)3(
~
)2(
~
)1()5,0(
5,0,,
,,,
,
2
,1,,
,1,,,,5,0,1,
1
,
21
,
,5,05,0,,5,0
5,0,
,5,05,0,
n
ji
n
ji
nn
ji
nn
ji
nn
ji
n
ji
n
ji
nn
ji
n
ji
nn
ji
n
ji
nn
ji
n
ji
n
ji
n
ji
n
ji
n
ji
n
ji
MD
MDMDMD
zrjXMXD
MXDMXDMXDzrjX
jijiji
ji
jiji
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 117
где ,
n
i jD – функция-признак направления перетока масс через границу расчёт-
ных ячеек;
1
,
n
i jX
, ,
n
i jX – значение параметра на новом временном слое и проме-
жуточное его значение.
В результате этих расчётов нам становятся известными величины ρ
n+1
, u
n+1
,
v
n+1
, E
n+1
на новом временном слое.
Зная эти величины, можно определить внутреннюю энергию ,
2
2WE
J
где
W
2
= u
2
+ v
2
, а следовательно, определить значение давления по формулам
уравнений состояния.
В расчетной ячейке могут присутствовать сразу несколько веществ, поэтому
для расчёта давления в ней необходимо знать концентрации этих веществ. Для
этой цели вводится концентрационная функция )(, kCn
ji , для которой k = 1 соот-
ветствует углеводороду (метан), k = 2 – кислород, k = 3 – азот.
Перед тем как рассчитать потоки массы через поверхность расчетной ячей-
ки, необходимо знать массивы )(, kCn
ji , т.е. знать концентрации веществ.
В начальный момент времени t= 0 объемные доли газов задаются в каждой
расчетной ячейке следующим образом:
– в области загазирования метаном массивы концентраций имеют значения
, (1) 0,09;n
i jC , (2) 0,205;n
i jC , (3) 0,705;n
i jC
– в области чистой шахтной атмосферы (не загазированно) ;0)1(, n
jiC
, (2) 0,21;n
i jC , (3) 0,79;n
i jC
При расчетах потоков массы через границы счётных ячеек будем учитывать
тот факт, что общий поток массы равен сумме потоков масс отдельных компо-
нентов. Вначале рассчитываем общие потоки массы, затем потоки отдельных
компонентов (предполагается односкоростная модель). Для этого делается за-
мена jijiji C ,,, . Таким образом, определяются , ( ), 1..3n
i j .
После этого определяем концентрации 1
,
1
,1
,
)(
n
ji
n
jin
jiC
.
Расчёт давления необходимо вести по формуле
4
1
1
,
1
,
1
, )()(
n
ji
n
ji
n
ji CPP ,
где парциальное давление определяется по уравнениям состояния для каждой
компоненты.
Данная расчетная схема позволяет моделировать распространения УВВ
вблизи призабойного пространства подготовительной выработки (рис. 1). Фор-
ма и величина поперечного сечения выработки в расчете переводятся в эквива-
лентное сечение круглой формы.
Экспериментальная часть. Для установления закономерностей изменения
параметров УВВ при ее распространении вблизи тупиковых выработок была
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 118
проведена серия численных экспериментов по плану дробного трехфакторного
эксперимента. Пределы варьирования начальных условий приведены в табл. 1.
Таблица 1– Пределы варьирования начальных условий в плане
трехфакторного эксперимента
Длина загазированного уча-
сткака,
L0, м
Расстояние от места взрыва
до забоя
h, м
Давление взрыва,
P, МПа
1–200 5–180 0,1–2,8
В задаче принимались следующие допущения (приближения): взрывчатая
газовоздушная смесь равномерно распределена на прямолинейном загазиро-
ванном участке, объемный газовый взрыв происходит мгновенно во всем объе-
ме, плоскость забоя перпендикулярна направлению потока, граничные условия
по теплопроводности в стенку канала – условия третьего рода с постоянным
коэффициентом теплообмена газового потока со стенкой 50 Вт/(м
2
·К) и тепло-
проводностью стенки (аргиллит) 2 Вт/(м·К), шероховатость стенки канала со-
ответствует установленной крепи типа СВП-19 с шагом установки 1,0 м.
Численный эксперимент показал, что в случае взрыва газовоздушной смеси
непосредственно у плоскости забоя тупиковой выработки формируется фронт
УВВ (рис. 3) и поток газа движущийся от забоя, объем которого в начальной
стадии пропорционален объему взорвавшейся газовоздушного облака (рис. 3б).
а) давление, б) мгновенная скорость потока, в) плотность газового потока,
г) адиабатическая температура; L0 – длина загазированной части канала
Рисунок 3 – Динамика изменения параметров газовоздушной среды при взрыве в
призабойном пространстве (вдоль оси z)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 119
При газовом взрыве на некотором расстоянии от плоскости забоя фронт
УВВ формируется с обеих сторон от газовоздушного облака, направление дви-
жения одного из них направлено в сторону плоскости забоя (рис. 4). Достигнув
забоя, последний отражается от жесткой стенки и движется вслед за головным.
Поскольку в процессе отражения увеличивается амплитуда УВВ и распростра-
нятся он будет по сжатому газу то скорость отраженной волны будет выше ско-
рости головного фронта УВВ и соответственно через некоторое время отра-
женная волна может догонять передовую и усиливать ее.
а) возникновение отраженной волны, б) динамика изменения давления во фронте
головной, отраженной и суммарной УВВ
Рисунок 4 – Динамика процесса возникновения отраженной УВВ и ее слияние
с головным фронтом
Результаты эксперимента выявили, что на амплитуду отраженной волны
влияет не только амплитуда набегающей волны, но и объем газового потока.
При взрыве значительных объемов газа, в плоскости тупикового забоя про-
исходит не одномоментное отражение УВВ, как при взрыве конденсированных
ВВ, а процесс отражения растянут во времени за счет сравнительно длительно-
го времени набегания газового потока на забой.
Фронт набегающего потока отразившись от забоя начинает двигаться по
встречному потоку газа что вызывает возникновения пульсаций параметров га-
за и формирование несколько отраженных волн сжатия первая из которых бу-
дет ударная остальные – волны сжатия. По мере распространения эти волны
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 120
сливаются в одну отраженную УВВ которая может догонять головную. На-
пример, на рис. 5 показана динамика изменения профиля давления в газовом
потоке, образованном взрывом газовоздушной смеси в выработке сечением 7,2
м
2
, длина загазированного участка 5 м, начальное давление взрыва 0,5 МПа.
Рисунок 5 – Изменения профиля давления в тупиковой выработке при взрыве
газовоздушной смеси с начальным давлением взрыва 0,5 МПа (cчет времени
от момента отражения фронта УВВ от плоскости забоя)
Амплитуда набегающей УВВ у плоскости забоя имеет значение 0,3 МПа, в
результате отражения, амплитуда возрастает до 0,78 МПа, которая на сразу на-
чинает убывать по мере удаления фронта от забоя: через 0,6 мс амплитуда сни-
жается до 0,74 МПа, через 10,4 мс волны пульсации давления соединяются в
одну волну сжатия, через 24 мс отраженная волна выравнивается в единый
фронт. Скорость убывания амплитуды зависит от объема газового потока, дви-
жущегося на забой.
Отраженная волна, в случае слияния с головной, увеличивает интенсивность
УВВ и по максимальному давлению и по создаваемой волной импульсу, что
хорошо видно на графике скорости потока (рис. 6). Причем, интенсивность
волны в большей степени возрастает не за счет увеличения амплитуды, а за
счет увеличения создаваемого импульса. Как видно из графика (рис. 6) ампли-
туда в суммарной волне увеличилась на 24 %, импульс увеличился на 70 %
(значения импульса получено путем численного интегрирования графика ско-
рости и плотности среды). Характерно, что интенсивность УВВ возрастает да-
же в случае, когда амплитуда отраженной волны, движущейся вслед головной,
опускается ниже амплитуды последней. При постепенном слиянии, фронт от-
раженной набегает на волну сжатия головной и их амплитуды выравниваются,
интенсивность в этом случае увеличивается только за счет импульса волны.
Как показал численный эксперимент, на расстояние до точки слияния и дру-
гие параметры суммарной УВВ влияет (при прочих равных условиях) не только
избыточное давление взрыва газовоздушной смеси, но и ее объем (рис. 7): уве-
личение объема ведет к увеличению расстояние, что связано с значительной
длиной волны сжатия и прохождением ее отраженного фронта по самому набе-
гающему потоку.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 121
Рисунок 6 – Профиль скорости газо-
вого потока головной одинарной и
суммарной УВВ в момент слияния
волн (вариант задачи): u – скорость
ударной волны относительно
сжатого газа
Рисунок 7 – Зависимости расстояния до точки слияния волн L*, коэффициента увеличе-
ния амплитуды фронта УВВ kР и импульса ki суммарной волны от начальных параметров
взрыва: избыточное давление взрыва ΔР, относительная длинна загазированного участка ,
расстояние от места взрыва до тупикового забоя h
Характерное влияние на процесс диссипации энергии УВВ оказывает также
соотношение длины участка загазирования к его диаметру. Чем меньше это
значение, тем выше скорость падения амплитуды и импульса волны (хотя в
этом случае меньшее влияние на диссипацию энергии оказывают сила трения
потока газа и теплообмен со стенкой, но по отношению к предыдущему факто-
ру они незначительны) (рис. 8). Поэтому при установлении закономерностей,
мерой объема должна выступать относительная длина загазированного участка,
как принято в действующей методике расчета безопасных расстояний, но уточ-
ненная в зависимости от формы сечения выработки:
0
г
L
L
d
,
4
г
S
d
П
,
где L, L0 – относительная и фактическая длина загазированного участка, м; dг –
гидравлический диаметр выработки, м; S – площадь сечения выработки, м
2
; П –
периметр выработки, для формы сечения арочная – 3,84 S , трапециевидная –
4,16 S , круглая – 3,56 S , квадратная – 4 S , м
С практической точки зрения для конкретных условий нам необходимо
знать, произойдет ли влияние отраженной волны, где произойдет слияние волн
и как увеличится интенсивность УВВ.
Приближенное аналитическое решение такой задачи для слабых ударных
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 122
волн в звуковом приближении впервые было получено в работе М.А. Цикулина
1960, экспериментальная проверка теоретических положений были представле-
ны в работах А.А. Гурина, 1983. В качестве источников УВВ, в последней ра-
боте, использовались два заряда конденсированных ВВ, генерирующие УВВ
треугольного профиля (рис. 9).
Рисунок 8 – Зависимость коэффициента
затухания УВВ от относительной длины
загазированного участка
Рисунок 9 – Профиль ударной волны
взрыва открытого заряда
конденсированного ВВ
Однако, результаты этих исследований не дают возможности использовать
их в практических расчетах взаимодействия отраженных и прямых волн,
имеющих различные параметры, с профилем сильно вытянутого треугольника,
что характерно для газовых взрывов. Так же в полученных аналитических зави-
симостях в качестве исходных данных необходимо знать начальные импульсы
волн, их длины, что не реализуемо на практике.
По результатам обработки данных эксперимента методом наименьших
квадратов получены регрессионные уравнения определения расстояния до точ-
ки слияния отраженной и головной волны, и значения коэффициентов увеличе-
ния амплитуды и импульса УВВ в точке слияния:
0,2 0,9
1,12
25
*
L h
L
P
,
0,01 0,06
0,05
1,23
P
L P
k
h
,
0,04 0,08
0,09
1,5
i
L P
k
h
, (2)
где L
*
– расстояние до точки слияния фронтов отраженной и головной волны
(рис. 4), м; kP, ki – коэффициенты увеличения амплитуды и импульса УВВ в
точке слияния; L– приведенная длина загазированного участка от очага воспла-
менения до границы раздела «горючая смесь–воздух» (1); h – расстояние от за-
газированного участка до плоскости тупикового забоя, м; ΔР – избыточное
давление взрыва, МПа
Граничные значения начальных параметров в (2) были приняты исходя из
их максимальных значений в действующей методике расчета безопасных рас-
стояний: ΔР=2,8 МПа, L = 70. Максимальное значение h, при котором возможно
влияние отраженной волны, было установлено исходя из эксперимента. Для ти-
пичных сечений подготовительных выработок шахт Донбасса это значение не
превышает 160-180 м, т.е. если взрыв газа происходит на расстояниях превы-
шающих эти величины то влияние отраженной волны не существенно: ампли-
туда головной волны не увеличивается, импульс волны возрастает не более,
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 123
чем на 4 %, отраженная волна догоняет головную когда амплитуда последней
падает до безопасных значений (< 0,006 МПа). В противном случае, влияние
отраженной волны необходимо учитывать в расчете безопасных расстояний.
Методика учета волновых эффектов в тупиковых выработках с использова-
нием уравнений (2) следующая. Вначале составляется расчетная схема распро-
странения УВВ от вероятных источников взрыва шахтной атмосферы по стан-
дартной методике. Далее, если вероятный источник взрыва находится ближе
180 м к забою тупиковой выработки, то необходимо выполнить проверку воз-
можности влияния волновых эффектов на интенсивность УВВ. Для этого по
соответствующей формуле (2) определяют расстояние до точки слияния фрон-
тов отраженной и головной УВВ. На расчетную схему наносят точку слияния.
В случае если в пределах расстояния до точки слияния встречаются разветвле-
ния выработок, то таких точек может быть несколько, соответственно, по одной
каждом направлении. Поскольку каждое сопряжение выработок или ответвле-
ние уменьшают амплитуду фронта УВВ, то оставшееся расстояние от сопряже-
ния (ответвления) до точки слияния пропорционально увеличивается (рис. 8). В
качестве коэффициента пропорциональности используется стандартный коэф-
фициент местного сопротивления сопряжений и ответвлений выработок Км
(Устав ГВГСС Украины, приложение 19). Для корректировки этого расстояния,
его значение после каждого сопряжения (ответвления) необходимо умножить
на корректирующий коэффициент k′ = 2 – Км.
После того как будут установлены точки слияния с учетом корректировки,
необходимо определить коэффициент увеличения амплитуды головной волны
kP по соответствующей формуле (2). Этот коэффициент также необходимо
скорректировать в случае наличия местных сопротивлений, понижающих ам-
плитуду головной волны и соответственно степень ее увеличения при слиянии
с отраженной. Для этого после каждого сопряжения определяют новый kР′ по
формуле kР′ = 1+kРКм – Км.
Если в полученных точках слияния отраженной и головной волны избыточ-
ное давление фронта головной волны, рассчитанное по стандартной методике,
выше безопасного значения то мы считаем, что здесь возникает усиливающий
эффект волнового взаимодействия и избыточное давление фронта умножается
на kР.
В случае, если по формуле (2) мы получаем значение kР ≤ 1 или же после
корректировки значение kР′ ≈ 1,0, то усиливающий волновой эффект не насту-
пает.
Для инженерных расчетов, определение значений L
*
и kP можно произво-
дить по номограммам (рис. 10).
В настоящее время в действующей методике расчета безопасных расстояний
и прочности взрывоустойчивых перемычек не учитывается временной фактор
силового воздействия УВВ – импульс, хотя известно, что в газовых взрывах его
влияние в некоторых случаях может быто решающим. Поэтому полученную за-
кономерность увеличений импульса в волновых эффектах в виде коэффициента
ki (2) можно использовать как дополнительную прогнозную оценку разрушаю-
щих факторов УВВ.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 124
а) б)
Рисунок 10 – Номограммы определения L
*
(а) и kP (б)
Выводы. Результаты численного эксперимента позволяют установить зако-
номерности распространения ударных воздушных волн по сети горных вырабо-
ток с учетом волновых эффектов возникающих в тупиковых забоях. Установ-
лено, что для типовых сечений подготовительных выработок относительное
увеличение амплитуды УВВ от волновых эффектов не превышает 36 %, а рас-
стояние от места взрыва до тупикового забоя, при котором возможно возникно-
вение значительных эффектов, не превышает 180 м. Для каждого конкретного
случая степень изменения параметров УВВ определяется по формулам (2) с ис-
пользованием разработанной методики.
______________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брюханов, А.М. Анализ обстоятельств взрывов метана на шахтах и мероприятия по их предот-
вращению / А.М. Брюханов, А.Г. Мнухин, К.К. Бусыгин // Уголь Украины. – 2003. – № 4. – С. 37-40.
2. Chen, C.Y. (2010), “Numerical simulation on airflow effects in local ventilate network of gas explo-
sion”, in Xiangchun Li (ed.), Progress in Mine Safety Science and Engineering II, CRC Press, Balkema
Book, London, UK, pp. 167-175.
3. Wang, K., Zhou, A., Wei, G. and Zhang J. (2012), “Study of the Formation and Propagation Charac-
teristics of Shock Wave and Gas Flow of Outburst at Straight Roadway”, Journal of Mining & Safety Engi-
neering, issue 4, pp. 197-202.
4. Wang, K., Zhou, A., Zhang, P., Li C. and Guo, Y. (2011), “Study on the propagation law of shock
wave resulting from coal and gas outburst” Journal of Coal Science and Engineering (China), vol. 17, issue
2, pp. 142–146.
5. Математическое моделирование нестационарных процессов вентиляции сети выработок
угольной шахты / И.М. Васенин, Э.Р. Шрагер, А.Ю. Крайнов, Д.Ю. [и др.] // Компьютерные исследо-
вания и моделирование.– 2011.– Т.3 № 2.– С. 155-163.
6. Бунько, Т.В. Обоснование метода расчета воздухораспределения в реконфигурируемой шахт-
ной вентиляционной системе в условиях неполной информации об объекте управления / Т.В. Бунько,
И.Е. Кокоулин, А.Ш. Жалилов // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної
механіки ім. М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2014. – Вип. 116. – С. 203-210.
7. Совершенствование метода расчета концентраций метана по сети горных выработок, вклю-
чающих рассредоточенные источники метановыделения / Т.В. Бунько, И.Е. Кокоулин, А.Ш. Жали-
лов, А.Б. Бокий // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім.
М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2015. – Вип. 120. – С. 31-43.
8. Русских, В.В. Определение фактических параметров ударных воздушных волн при производ-
http://link.springer.com/journal/12404
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 125
стве массовых зрывов в подземных условиях // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т
геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2005. – Вип.55. – С. 176-
182.
9. Палеев, Д.Ю. Исследование влияния примыкающей тупиковой выработки на интенсивность
ударной волны / Д.Ю. Палеев, О.Ю. Лукашов // Безопасность угольных предприятий: сб. науч. тр. –
Кемерово: ВостНИИ, 2004.– С. 47-55.
10. Чернай, А.В. Кинетика окисления метана кислородом и его роль в формировании взрывной
воздушной волны в шахтных выработках / А.В. Чернай, Н.Н. Налисько, А.С. Деревянко // Науковий
вісник НГУ. – 2016. – Вип. 1(151). – С. 63-69.
REFERENCES
1. Bryuhanov, A.M., Mnuhin, A.G. and Busyigin, K.K. (2003), “Analysis of the circumstances of me-
thane explosions in mines and measures for their prevention”, Coal of Ukraine, vol. 4, pp. 37–40.
2. Chen, C.Y. (2010), “Numerical simulation on airflow effects in local ventilate network of gas explo-
sion” in Xiangchun Li (ed.), Progress in Mine Safety Science and Engineering II, CRC Press, Balkema
Book, London, UK, pp. 167-175.
3. Wang, K., Zhou, A., Wei, G. and Zhang J. (2012), “Study of the Formation and Propagation Charac-
teristics of Shock Wave and Gas Flow of Outburst at Straight Roadway”, Journal of Mining & Safety Engi-
neering, issue 4, pp. 197-202.
4. Wang, K., Zhou, A., Zhang, P., Li C. and Guo, Y. (2011), “Study on the propagation law of shock
wave resulting from coal and gas outburst” Journal of Coal Science and Engineering (China), vol. 17, issue
2, pp. 142–146.
5. Vasenin, I.M., Shrager, E.R., Kraynov, A.Y. and Paleev, D.Y. (2011), “The mathematical modelling
of nonsteady ventilation processes of coal mine working net”, Computer researches and modelling, vol. 3, no
2. pp. 155-163.
6. Bunko, T.V., Kokoulin, I.E. and Zhalilov, A.Sh. (2014), “Justification of the method of calculation of
air distribution in the mine ventilation system reconfigurable under conditions of incomplete information
about the management of facility”, Geo-Technical Mechanics, no. 116, pp. 203-210.
7. Bunko, T.V., Kokoulin, I.E., Zhalilov, A.Sh. and Bokiy, A.B. (2015), “Improving the method for cal-
culating methane concentrations over the network of mine workings, including diffuse sources of methane” ,
Geo-Technical Mechanics, no. 120, pp. 31-43.
8. Russkikh, V.V. (2005), “Determination of the actual parameters of shock waves of air in the produc-
tion of massive explosions in underground conditions”, Geo-Technical Mechanics, no. 55, pp. 176-182.
9. Paleev, D.Y. and Lukashov, O.Y. (2004), “Research of influence of adjacent dead-end generation of a
shock wave intensity”, in Belaventsev L.P. (ed.), Bezopasnost ugolnyih predpriyatiy: sb. nauch. tr., pp. 47-
55.
10. Chernay, A.V., Nalisko, N.N. and Derevyanko, A.S. (2016), “The kinetics of the methane acidifica-
tion by the oxygen and its role in the blast air wave formation in mine workings”, Scientific Bulletin of Na-
tional Mining University Scientific and technical journal, no. 1(151), pp. 63-69.
_______________________________
Об авторе
Налисько Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности
жизнедеятельности, Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры (ПГА-
СА), Днепропетровск, Украина, 0507544273@mail.ru.
About the author
Nalisko Nikolay Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Associate Professor of the De-
partment of Life Safety, Pridneprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture (PSACEA),
Dnepropetrovsk, Ukraine, 0507544273@mail.ru.
_______________________________
Анотація. Для підвищення точності розрахунків безпечних відстаней при вибухах газу
на аварійних ділянках вугільних шахт були проведені чисельні експерименти з використан-
ням математичної моделі ударної труби по поширенню ударних повітряних хвиль у цилінд-
ричних каналах. Ударні хвилі генерувалися вибухом витягнутих газоповітряних хмар які за-
повнюють протяжні ділянки каналів. Вивчалися закономірності поширення фронту ударної
повітряної хвилі при вибуху поблизу тупикового вибою. Показано як у динаміці змінюється
тиск, швидкість, щільність і температура газового потоку уздовж осі виробки. Встановлено,
http://link.springer.com/journal/12404
mailto:0507544273@mail.ru
mailto:0507544273@mail.ru
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 127 126
що ефект відбиття ударної хвилі від площини вибою може збільшувати амплітуду головної
хвилі на величину до 36 % (для типових перетинів виробок), силовий імпульс, що створю-
ється хвилею до – 70 %. Максимальна відстань від місця вибуху до вибою, при якому вини-
кають помітні хвильові ефекти становить 180 м. Отримано закономірності зміни ступеню ін-
тенсивності ударної хвилі й відстані до місця злиття відбитої й головної хвилі залежно від
початкових умов. Закономірності представлені у вигляді графіків і регресійних рівнянь. Роз-
роблена методика врахування хвильових ефектів поширення ударних повітряних хвиль у ро-
зрахунках безпечних відстаней.
Ключові слова: ударна повітряна хвиля, хвильовий ефект, тупикова виробка, відбиття,
інтенсивність хвилі, чисельний розрахунок.
Abstract. To increase the accuracy of calculation of safety distances when a gas explosion at
the damaged sections of coal mines were carried out numerical simulations using a mathematical
model of the shock tube to spread shock waves of air in cylindrical channels. Shock waves generat-
ed by explosion elongated gas-filled clouds are stretches of canals. We studied the patterns of dis-
tribution of the air shock wave front in the explosion near the bottom of deadlock. It is shown as a
dynamic pressure change, speed, density and temperature of the gas flow generation along the axis.
It was found that the effect of the shock wave reflection from the bottom plane can increase the am-
plitude of the bow wave of up to 36% (for typical sections of mines), power pulse wave generated
by up to 70%. The maximum distance from the scene of the explosion to the face in which there are
noticeable ripple effects is 180 m. Regularities of changes in the degree of intensity of the shock
wave and the distance to the point of confluence of reflected and head waves, depending on the ini-
tial conditions. The regularities presented in graphs and regression equations. The method of ac-
counting effects of shock wave of air waves in calculating safe distances.
Keywords: air shock wave, a ripple effect, dead-end mine workings, reflection, wave intensity,
numerical calculation.
Статья поступила в редакцию 20.03.2016
Рекомендована к печати д-ром техн. наук Т.В. Бунько
|