Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой

В статье приведены результаты исследований, направленных на повышение уровня безопасности ведения горных работ при разрушении газонасыщенного массива исполнительными органами добычных и проходческих комбайнов. Определена область эффективного использования мероприятий и средств предупреждения взрыво...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Голинько, В.И., Яворский, А.В., Лебедев, Я.Я., Яворская, Е.Я.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2014
Назва видання:	Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137298
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:	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой / В.И. Голинько, А.В. Яворский, Я.Я. Лебедев, Е.А. Яворская // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 117. — С. 175-261-. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-137298
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1372982018-06-18T03:08:06Z Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой Голинько, В.И. Яворский, А.В. Лебедев, Я.Я. Яворская, Е.Я. В статье приведены результаты исследований, направленных на повышение уровня безопасности ведения горных работ при разрушении газонасыщенного массива исполнительными органами добычных и проходческих комбайнов. Определена область эффективного использования мероприятий и средств предупреждения взрывов пылеметановоздушных смесей. Разработана и теоретически обоснована математическая модель формализованного описания процесса передачи тепла в окружающую метановоздушную среду раскаленной поверхностью. Получены зависимости для определения количества накопленного тепла и отданного в окружающую метановоздушную среду поверхностью взаимодействия режущего инструмента с газонасыщенным массивом, а также для расчета времени передачи тепла горючей смеси, позволяющих учитывать индукционные свойства метановоздушной среды. У статті наведено результати досліджень, спрямованих на підвищення рівня безпеки ведення гірничих робіт при руйнуванні газонасиченого масиву виконавчими органами видобувних і прохідницьких комбайнів. Визначена область ефективного використання заходів та засобів попередження вибухів пилометаноповітряних сумішей. Розроблена і теоретично обґрунтована математична модель формалізованого опису процесу передачі тепла в навколишнє метаноповітряне середовище розпеченою поверхнею. Отримано залежності для визначення кількості накопиченого тепла і відданого в навколишнє метаноповітряне середовище поверхнею взаємодії ріжучого інструмента з газонасичених масивом, а також для розрахунку часу передачі тепла горючої суміші, що дозволяють враховувати індукційні властивості метаноповітряного середовища. The article presents results of research on improving mining safety when gassaturated rocks are broken by operating members of mining and tunneling machines. Fields of effective use of methods and means for preventing explosions of dust-methane-air mixtures are defined. A mathematical model of formal description of heat transferring to the surrounding methane-air environment by hot surface was developed and theoretically substantiated. Dependences were established to determine amount of heat accumulation and transfer to the surrounding methane-air environment by surface of interacting cutting tools with gas-saturated rocks, and to calculate duration of the heat transfer from combustible mixture with taking into account induction properties of the methane-air environment. 2014 Article Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой / В.И. Голинько, А.В. Яворский, Я.Я. Лебедев, Е.А. Яворская // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 117. — С. 175-261-. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137298 (622.817:622.812:622.807) 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	В статье приведены результаты исследований, направленных на повышение уровня безопасности ведения горных работ при разрушении газонасыщенного массива исполнительными органами добычных и проходческих комбайнов. Определена область эффективного использования мероприятий и средств предупреждения взрывов пылеметановоздушных смесей. Разработана и теоретически обоснована математическая модель формализованного описания процесса передачи тепла в окружающую метановоздушную среду раскаленной поверхностью. Получены зависимости для определения количества накопленного тепла и отданного в окружающую метановоздушную среду поверхностью взаимодействия режущего инструмента с газонасыщенным массивом, а также для расчета времени передачи тепла горючей смеси, позволяющих учитывать индукционные свойства метановоздушной среды.
format	Article
author	Голинько, В.И. Яворский, А.В. Лебедев, Я.Я. Яворская, Е.Я.
spellingShingle	Голинько, В.И. Яворский, А.В. Лебедев, Я.Я. Яворская, Е.Я. Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой Геотехнічна механіка
author_facet	Голинько, В.И. Яворский, А.В. Лебедев, Я.Я. Яворская, Е.Я.
author_sort	Голинько, В.И.
title	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой
title_short	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой
title_full	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой
title_fullStr	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой
title_full_unstemmed	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой
title_sort	влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2014
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137298
citation_txt	Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой / В.И. Голинько, А.В. Яворский, Я.Я. Лебедев, Е.А. Яворская // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 117. — С. 175-261-. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT golinʹkovi vliânieparametrovrazrušeniâgazonasyŝennogomassivanaegoteploobmensokružaûŝejmetanovozdušnojsredoj AT âvorskijav vliânieparametrovrazrušeniâgazonasyŝennogomassivanaegoteploobmensokružaûŝejmetanovozdušnojsredoj AT lebedevââ vliânieparametrovrazrušeniâgazonasyŝennogomassivanaegoteploobmensokružaûŝejmetanovozdušnojsredoj AT âvorskaâeâ vliânieparametrovrazrušeniâgazonasyŝennogomassivanaegoteploobmensokružaûŝejmetanovozdušnojsredoj
first_indexed	2025-07-10T03:35:31Z
last_indexed	2025-07-10T03:35:31Z
_version_	1837229445015928832
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 161 УДК(622.817:622.812:622.807) Голинько В.И., д-р техн. наук, профессор, Яворский А.В., канд. техн. наук, доцент, Лебедев Я.Я., канд. техн. наук, доцент, Яворская Е.А., канд. техн. наук, доцент (Государственный ВУЗ «НГУ») ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО МАССИВА НА ЕГО ТЕПЛООБМЕН С ОКРУЖАЮЩЕЙ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СРЕДОЙ Голінько В.І., д-р техн. наук, професор, Яворський А.В., канд. техн. наук, доцент, Лебедєв Я.Я., канд. техн. наук, доцент, Яворська О.О., канд. техн. наук, доцент (Державний ВНЗ «НГУ») ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ РУЙНУВАННЯ ГАЗОНАСИЧЕНОГО МАСИВУ НА ЙОГО ТЕПЛООБМІН З НАВКОЛИШНІМ МЕТАНОПОВІТРЯНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ Golinko V.I., D. Sc. (Tech.), professor, Yavorskyy A.V., Ph.D. (Tech.), Associate Professor, Lebedev Ya.Ya., Ph.D. (Tech.), Associate Professor, Yavorskaya Ye.A., Ph.D. (Tech.), Associate Professor (State H E I «NMU») EFFECT OF GAS-SATURATED ROCK MASS FRAGMENTATION ON ITS HEAT-EXCHANGE WITH AMBIENT METHANE-AIR ENVIRONMENT Аннотация. В статье приведены результаты исследований, направленных на повышение уровня безопасности ведения горных работ при разрушении газонасыщенного массива ис- полнительными органами добычных и проходческих комбайнов. Определена область эффек- тивного использования мероприятий и средств предупреждения взрывов пылеметановоз- душных смесей. Разработана и теоретически обоснована математическая модель формализованного опи- сания процесса передачи тепла в окружающую метановоздушную среду раскаленной по- верхностью. Получены зависимости для определения количества накопленного тепла и отданного в окружающую метановоздушную среду поверхностью взаимодействия режущего инструмен- та с газонасыщенным массивом, а также для расчета времени передачи тепла горючей смеси, позволяющих учитывать индукционные свойства метановоздушной среды. Ключевые слова: газонасыщенный массив, теплообмен, метан, резец. Постановка проблемы. Процесс разрушения горных пород, при взаимодей- ствии режущего инструмента исполнительного органа комбайна с массивом, связан со значительными затратами энергии. Экспериментальными исследова- ниями [1] установлено, что на трение резца об уголь уходит до 46% энергии, © В.И. Голинько, А.В. Яворский, Я.Я. Лебедев, Е.А. Яворская, 2014 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 162 которая в итоге превращается в тепловую. В результате накопления тепла про- исходит нарастание контактной температуры, величина которой может превы- шать температуру воспламенения тройных пылеметановоздушных смесей в не- сколько раз. Этот факт, в условиях газонасыщенного массива, оказывает суще- ственное влияние на безопасность ведения горных работ. Поэтому для разра- ботки новых и определения области эффективного использования существую- щих мероприятий и средств предупреждения взрывов пылеметановоздушных смесей необходимо установить закономерности процесса отдачи тепла в окру- жающую пылеметановоздушную среду раскаленной поверхностью, образовав- шейся при взаимодействии режущего инструмента исполнительного органа очистных и проходческих комбайнов с разрушаемым газонасыщенным масси- вом горных пород. Актуальность. Анализ вспышек и взрывов метана и угольной пыли, про- исшедших в очистных и подготовительных выработках [2, 4, 7] свидетельству- ет о том, что применение выемочных и проходческих комбайнов действительно связано с опасностью фрикционного воспламенения пылеметановоздушных смесей, возникающего при разрушении массива горных пород. Так 08.02.1985 года, при комбайновой проходке горных выработок, произошел взрыв в шахте «Карагайлинская» ПО «Киселевскуголь». Воспламенение метана произошло от фрикционного выделения тепла, возникшего при трении режущих зубков о твердые включения в угольном пласте. Воспламенение метана перешло во взрыв угольной пыли. Было разрушено 630 м горных выработок. Один из крупнейших взрывов метана произошел 2 декабря 1997 г. в шахте "Заряновская" в Кузбассе, при котором погибло 67 человек. Воспламенение ме- тана произошло в очистном забое при работе выемочного комбайна, т.е. от фрикционного тепловыделения. На шахтах Западного Донбасса в разные пе- риоды времени также происходили вспышки метана, вызвавшие пожары. Так 27 мая 2009 произошел пожар в лаве пласта С10 В ПСП «Шахта «Западно- Донбасская» ПАО «ДТЭК Павлоградуголь». Причиной аварии явилось возго- рание метановоздушной смеси на выемочном участке 1021 лавы. На основании изучения всех материалов, экспертная комиссия пришла к выводу, что наиболее вероятным источником возгорания метановоздушной смеси в лаве явилось фрикционное искрение, возникшее в результате трения зубков шнека о вклю- чения пирита в угольном пласте. По этой же причине в 2011 году произошел пожар в 158 лаве пласта С6 ПСП «Шахта Степная». Фрикционное воспламенение пылеметановоздушных смесей занимает вто- рое место среди всех возможных источников воспламенений в угольных шах- тах [2]. Две трети всех воспламенений в очистных забоях угольных шахт про- исходило от фрикционного тепловыделения. Причем в 55% случаев причиною было трение зубков о пирит, находящийся в угольных пластах в виде включе- ний, и в 15% случаев - резание песчаников. Несколько воспламенений было вы- звано ударами стальных инструментов о крепкий глинистый сланец. Известен также взрыв метана от фрикционного искрения при трении зубков об извест- няк. Т.е. появление такого теплового источника как фрикционное тепловыделе- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 163 ние во многом зависит от минералогического состава горных пород. В целом по угольным бассейнам СНГ количество шахтопластов с боковыми породами, способными при трении образовывать взрывоопасное тепловыделе- ние, около 19%, причем 38% всех вмещающих пород составляют песчаники [2]. Угольные пласты, как правило, содержат включения пирита, встречающегося в виде линз и конкреций различных размеров, и другие твердые включения, рас- пределение которых в пласте носит случайный характер. В связи с вышеуказанным, изучение процесса фрикционного воспламенения пылеметановоздушных смесей и его предупреждение в угольных шахтах явля- ется актуальной задачей. Анализ исследований. До настоящего времени механизм поджигания го- рючих смесей фрикционным тепловыделением остается малоизученным. Вме- сте с тем известно, что интенсивность и поджигающая способность фрикцион- ного тепла зависит от режима трения и соударения двух тел, физико- механических и физико-химических свойств контактирующих поверхностей, а также целого ряда других факторов. Это означает, что механизм воспламенения смеси таким источником тепла зависит от его природы. Не любое фрикционное тепло способно поджечь пылеметановоздушную смесь. Одно время основной причиной воспламенения горючих смесей считались любые искры, вызываемые фрикционным трением или ударом резца о кварцсодержащий песчаник. Однако Бликенсдерфер, а также Бергесс и Уиллер в лабораторных условиях установи- ли, что очень трудно воспламенить метановоздушную смесь с помощью такого искрения, так как отдельные искры обычно не обладают достаточным сочета- нием продолжительности, температуры и площади поверхности для воспламе- нения. Газы с низкой температурой воспламенения, типа водорода, воспламе- няются довольно легко от одиночных искр. Метан же обладает свойством за- паздывания воспламенения при появлении теплового источника, поэтому по отношению к пылеметановоздушной смеси фрикционные искры могут быть воспламеняющими только при определенных условиях [2], когда тепловая энергия и время действия искр достаточны для воспламенения взрывоопасной смеси метана или пыли с воздухом. Такие условия создаются при трении зуб- ков (резцов) о кварц, песчаник, гранит и другие крупнозернистые крепкие (f = 10...12) породы, когда на трущейся поверхности остаются раскаленные тонко- дисперсные частицы металла в виде ярко-белого следа длиной 8...10 мм, светя- щегося в течение 5 мс, с температурой 1200...1250 о С, который и является ис- точником воспламенения метановоздушной смеси. Наиболее высокой воспла- меняющей способностью обладает источник фрикционного тепла, который по- лучается от трения резцов о кварц и крупнозернистый песчаник крепостью (по шкале проф. М.М. Протодьяконова) f = 10...12. При трении резцов о мелкозер- нистый песчаник возникает много тонкодисперсной пыли, которая флегматизи- рует взрывчатую среду, в результате чего воспламенение ее не происходит (ис- следования показали, что при f < 6 воспламенение метана не происходит, при f = 8...9 вероятность воспламенения составляет 0,16). Исследованиями было также установлено [2], что воспламенение метана ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 164 происходит при трении новых резцов, то есть когда изнашивается только вставка из твердого сплава, а стальная державка еще не приходит в соприкос- новение с породой. При этом твердый сплав при трении и соударении вследст- вие износостойкости оставляет на поверхности породы раскаленные тонкодис- персные частицы в виде ярко-белого следа, температура которого близка к тем- пературе плавления сплава (1300...1350°С). В процессе износа твердого сплава вслед за ним происходит трение стальной державки, в результате чего разруша- ется высокотемпературный след и тем самым улучшаются условия для его ох- лаждения до температуры, не воспламеняющей метан. При трении зубков режущего органа о пирит, источником воспламенения пылегазовых смесей является воспламенившееся от фрикционного искрения облако сульфидной пыли при длине следа зубка не менее 10 см [3]. По данным скоростной киносъемки время горения облака ипритной пыли объемом 15...20 дм 3 составляет 200...300 мс. Таким образом, при относительно низком значении минимальной температуры воспламенения аэровзвеси пирита (350...400°С) вспышка облака пиритной пыли по продолжительности, размерам нагретой поверхности и развиваемой температуре горения (свыше 1000°С) мо- жет рассматриваться как вторичный источник с более мощным поджигающим действием, чем само фрикционное искрение. Таким образом, анализ выполненных ранее исследований свидетельствует о том, что тепло выделяемое в процессе трения при взаимодействии резцов ис- полнительного органа комбайна с массивом горных пород, передается в пыле- газовоздушную среду с поверхности резца, его высокотемпературного следа и от поверхности нагретых частиц (искр). При определенных условиях эти ис- точники могут выступать в роли инициатора воспламенения метана. Плотность теплового потока от указанных источников различна. Поэтому возникает необ- ходимость оценки каждого из них с точки зрения возможности поджигания ме- тановоздушной среды. Основная часть. При оценке нестационарного режима теплообмена в усло- виях разрушения газонасыщенного массива режущим инструментом комбайна, задача расчета состоит в определении температурного состояния тела и количе- ства отданной телом теплоты Q за определенный промежуток времени  . Рассмотрим однородный металлический шар радиуса r0 при одномерном температурном поле. Распространение тепла в этом случае происходит только по радиусу шара. Изотермные поверхности представляют собой концентриче- ские шаровые поверхности. Шар расположен внутри шаровидного пространст- ва радиуса Пr , заполненного пылеметановоздушной смесью. Известно аналитическое решение задачи о температурном поле и количест- ве переданной теплоты в нестационарных условиях теплообмена для сплошно- го однородного шара радиуса r0 . Избыточная температура в любой точке шара на расстоянии r от центра в произвольный момент времени τ определяется выражением мвсttT  ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 165 где t – температура рассматриваемой точки; tмвс – температура метановоздуш- ной среды. Для начального момента времени мвсttT  00 Математическая постановка задачи состоит в решении дифференциального уравнения теплопроводности для твердых тел                    2 2 2 2 2 2 z t y t x tt   которое для шара имеет вид               r t rx t д дt 2 2 2   , где  – коэффициент температуропроводности. pc    где  ,  , сp - соответственно теплопроводность, плотность и удельная тепло- емкость шара. Начальные и граничные условия: при 0 и 0 0 rr  мвс ttTT  00 ; при 0r 0 0         rr T ; при 0 0 rr rr T r T             . Задача решается методом разделения переменных [5, 6] и конечным резуль- татом является выражение, определяющее температурное поле шара    Fonexp r r r r sin cossin cossin T T k i i iii iii k 2 0 0 10 2                   где nk – корни характеристического уравнения; 1 , 2 , 3 … i – бесчислен- ное множество решений корней трансцендентного уравнения; Fo – критерий Фурье, определяемый из выражения 0 rr  ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 166 2 0 0 r F   где τ – момент времени от начала процесса.   1  Bi tg   или Bictg  1 где Bi – критерий Био характеризующий соотношение между перепадом темпе- ратуры в двух точках тела, находящихся на расстоянии друг от друга, и темпе- ратурным напором между поверхностью тела и окружающей средой. i i r B   0 При Bi (Bi > 100) in i  , при этом уравнение для безразмерной избы- точной температуры принимает вид    Fonexp r r isin ri r k k i 2 01 01 12              . При 0Bi (Bi < 0,1) Bin 32  , остается только первое слагаемое в решении и уравнение для безразмерной избыточной температуры  FoBiexp r r Bi r r Bisin         3 3 3 0 0 . Если число Фурье превышает 0,25, то ряд становится настолько быстросхо- дящимся, что ошибка не превышает 1%, если распределение температуры огра- ничить первым членом ряда, то    Fonexp r r r r sin cossin cossin i 2 1 0 1 0 1 111 1112                Температура в любой точке шара, отстоящей от центра на расстоянии r, в момент времени τ равна ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 167 t = tмвс (1 – ) + t0 При разрушении горного массива, взаимодействующие элементы имеют сложную форму тел, неоднородность их теплофизических характеристик, сложный характер граничных и временных условий однозначности, поэтому оценить температурные поля аналитическим методом весьма сложно. Для ре- шения таких задач, как правило, используют численные методы расчета темпе- ратурных полей. При этом анализируемое тело делят на элементы, а рассматри- ваемый отрезок времени – на небольшие периоды. В течение каждого периода времени теплообмен между соседними элементами тела или между поверхно- стью тела и окружающей средой принимается стационарным. Составляя баланс теплоты для каждого элемента тепла, определяется изменение его тепловой функции за каждый отрезок времени. Последовательный расчет температуры всех элементов позволяет определить температурное поле исследуемого тела при нестационарном режиме. Для построения математической модели нестационарного теплообмена не- однородного шара рассмотрим многослойный неоднородный шар радиуса r, со- стоящий из n слоев (рис. 1). Δr - постоянная толщина слоя, rвi - внутренний радиус, rнi - наружный радиус; ti о –температура слоя ,tв о – температура внутреннего слоя, tн о - температура внешнего слоя в мо- мент времени τ;ΔQн – количество тепла, получаемое слоем от внешнего слоя, ΔQв – количест- во тепла, получаемое слоем от внутреннего слоя, ΔQi- количество тепла в слое Рисунок 1 - Принципиальная схема теплообмена в неоднородном шаре Каждый i-й слой в момент времени τ характеризуется внутренним и наруж- ным радиусами rвi и rвi+Δr = rнi соответственно (первый слой имеет внутренний ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 168 нулевой радиус), температурой ti удельной теплоемкостью сi, плотностью i  , те- плопроводностью i  , влажностью wi. плотностью тепловыделения f(сi, еi, t, р) (р – мощность источника тепловыделения), т.е. количеством тепла, выделяемым i-ым слоем в единицу времени на единицу объема. Пусть  - коэффициент теплоотдачи к наружной среде для внешнего i-го слоя; tмвс - температура окружающей среды; τобщ – общее время нагрева шара; τ – текущее время; Δτ – величина временного шага; n = t/  – число шагов расчета. При увеличении числа разбиений на элементы (в данном случае на слои) точность решения увеличивается. Рассмотрим задачу распространения тепла в данном шаре. Пусть постоянная толщина слоя – Δr = r/n. Объем произвольного шарового слоя может быть определен, как   33 3 4 вiвii rrrW   , откуда       2 3 3 4 rrrrrW вiвii   . Площади внутренней сферы радиуса rвi и наружной радиуса rвi + Δr вычисля- ются по формулам 24 вiвi rS  ;  24 rrS вiнi   , или после несложных преобразований     22 24 rrrrS вiвiнi   . Количество тепла, получаемое k-м слоем от внешнего слоя нiн iн н S r tt Q     , или            rr r r dtQ вi вi нн 24 2  , а для внутреннего вiв вi в S r tt Q     или r r dtQ вi вв   2 4 . ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 169 Тогда изменение температуры слоя за время  составит       c)W( QQQ dt iнв Исключив, без ущерба для точности, величины высшего порядка малости ))(r(  2 , 3)r( и 4)r( , получим выражение представляющее собой изме- нение температуры слоя                   rrrrrrc Qr dt вiнвiнвiввi 24 2222 (1) Дифференциальное уравнение (1) решается известными способами [7, 8]. Ре- зультатом его решения является выражение                                  c r ttc, Q lnttr, tt, ttr,ttQr,Q н мвс мвсн мвсн мвснмвсн 2 5612 163284803 2310096 06252424501 22 222 (2) Количество подведенной энергии Q может быть определено, исходя из сле- дующего. Пусть барабан исполнительного органа радиуса rи внедряется с угловой скоро- стью u в газонасыщенный массив по некоторой поверхности, которую можно считать абсолютно твердой. При этом колесо прижимается с силой P, направ- ленной вдоль радиуса колеса (рис. 2). Под воздействием силы P резцы расположенные на поверхности барабана прижимаются к массиву, в результате чего возникает трение с искрообразова- нием и интенсивным тепловыделением. Интенсивность тепловыделения S q при трении, с единицы поверхности в единицу времени, определяется равенством pfq р.трS  , (3) где fтр. – коэффициент трения; p – удельное контактное давление, обуслов- ленное воздействием силы P; р  – результирующая скорость, определяемая по- дачей комбайна и скоростью вращения барабана. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 170 Рисунок 2 - Схема распределения усилий резания Pz и подачи Py при нагружении массива горных пород режущим инструментом По сравнению со скоростью резания, величина скорости подачи комбайна низкая, поэтому этим параметром можно пренебречь. Подача комбайна прижи- мает исполнительный орган к груди забоя, создавая при этом значительное ста- тическое удельное контактное давление на конце резца. От величины скорости вращения исполнительного органа зависит величина кинетической энергии удара резца и эффективность разрушения. Поэтому при расчетах скорость по- дачи учитывается параметром p, а скорость резания линейной скоростью выра- женной через угловую uu.резp r  (4) Непосредственно одновременно на забой воздействует половина резцов (от 20 до 30) [5], установленных на шнеке и через них вся мощность двигателей ре- зания передается на разрушение массива, что позволяет судить о реальных на- грузках, испытываемых резцами. Максимальное давление на массив развивает- ся резцами в различное время и в разных местах (места выпуклостей на груди забоя). Однако, в основном, наибольшее давление на массив развивается в мес- тах наибольшего среза, т.е. при hmax (рис. 3). ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 171 1 – траектория движения резцов при П = 0; 2, 3 – траектория вершин резцов при разруше- нии массива ( 0П ); 4 – газонасыщенный массив; h – толщина стружки; П – скорость подачи; рез – скорость резания; р – результирующая скорость;  – угловая скорость; а – ордината точки с наибольшей толщиной стружки; ru – радиус исполнительного органа комбайна (шнека) Рисунок 3 - Кинематика перемещения режущего инструмента в призабойном пространстве На рис. 4 показана схема сил, действующих на резец. Основными состав- ляющими являются: сила сопротивления резанию Z, величина которой зависит от угловой скорости u ; сила сопротивления подаче резца Y, зависящая от ско- рости подачи комбайна и создающая боковое усилие на резец. Все эти силы оказывают существенное влияние на величину трения при взаимодействии фрикционных пар (резец - газонасыщенный массив), а, следовательно, и на сте- пень нагрева в области фактической площади касания этих пар. Известно, что величины сил сопротивления и возникающей температуры при разрушении газонасыщенного массива в значительной степени зависят также от свойств пород входящих в состав массива. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 172 1 - разрушаемая среда; 2 – режущий инструмент; Z – сопротивление резанию; Y – сопротив- ление подаче резца; S – результирующая сила Рисунок 4 - Схема взаимодействия режущего инструмента с забоем: Например, угли по сопротивляемости их резанию делятся на несколько кате- горий (А = 110; 220; 330 кН/м и т.д.), откуда следует, что максимальные значения сил p, действующих на резец при резании углей со стружкой от 2 до 14 см в ука- занном диапазоне сопротивляемости углей, находятся в диапазоне значений от 2 до 15 кН. Величину p можно определить по выражению maxAhp  (5) При дискретном контакте, источниками теплоты трения являются элемен- тарные участки взаимодействующих фрикционных пар в области фактической площади касания [6], от которых теплота распространяется вглубь трущихся фрикционных пар и в окружающее пространство. Процесс возникновения и ус- тановления температуры на пятнах фактического контакта за время удара носит характер температурных вспышек, длящихся сотые доли секунды, максималь- ное значение которых может составлять тысячу и более градусов [3], в зависи- мости от подачи П и скорости .рез . Общее количество теплоты, выделяемое пятном контакта за период времени  определяется с учетом и выражений (3), (4) pfrQ .трuи (6) Наивысшая температура метановоздушной смеси достигается па поверхности пятна контакта. Разницу между температурой окружающей метановоздушной среды tмвс и температурой на поверхности контакта фрикционных пар t можно представить ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 173 как приращение t полученное за счет трения. С учетом вышеуказанного, выражения (6), а также того, что  н , форму- ла (2) примет вид                                              2080168480332 2501099105 222 22 5 33 3 pf, c r t lntr, rpfr, pfr t , pfr t трu u u uтрuu трuuтрuu (7) Выражение (7) устанавливает взаимосвязь температуры нагрева метановоз- душной смеси со скоростью резания исполнительного органа комбайна и коэф- фициентом трения резца о породу в процессе взаимодействия режущей поверх- ности отбойного органа с поверхностью газонасыщенного массива, учитывает ряд конструктивных особенностей исполнительного органа комбайна (радиус ре- зания отбойного органа rи, максимально возможную его конструктивную ско- рость резания  , теплопроводность метановоздушной смеси  , а также нагрузку от исполнительного органа на грудь забоя P). Так как uu.рез r  то равенство (7) с учетом (5) примет вид                                                   2080168480332 2501099105 222 22 5 33 3 maxтр u резu u umaxтррез maxтррезmaxтррез Ahf r , c r t lntr, rAhf, Ahf t , Ahf t (8) Выводы. Температура на поверхности контакта фрикционных пар, обра- зующейся при взаимодействии исполнительного органа комбайна с газонасы- щенным массивом, значительно превышает температуру воспламенения мета- новоздушной смеси. При этом количества тепла, которое отдает поверхность контакта фрикционных пар в окружающую метановоздушную среду, может быть недостаточно для воспламенения горючей смеси в связи с необходимо- стью поддержания этого тепла в течение индукционного периода. Воспламенение метановоздушной смеси возможно при условии, что сум- марное количество тепла отданное поверхностью контакта фрикционных пар в окружающую метановоздушную среду удовлетворяет условиям поджигания горючей смеси. Разработана и теоретически обоснована математическая модель формализо- ванного описания процесса передачи тепла в окружающую метановоздушную среду раскаленной поверхностью, образовавшейся при взаимодействии режу- щего инструмента исполнительного органа комбайна с разрушаемым газона- сыщенным массивом горных пород, отличающаяся от известных тем, что учи- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 174 тывает индукционные свойства метановоздушной среды и позволяет исследо- вать область опасных значений тепловых параметров удовлетворяющих усло- виям поджигания горючей смеси. Для оценки влияния параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой получена зависимость температуры нагрева метановоздушной смеси от скорости резания исполнитель- ного органа комбайна и коэффициента трения резца о породу в процессе взаимо- действия режущей поверхности отбойного органа с поверхностью газонасыщен- ного массива, учитывающая конструктивные особенности исполнительного ор- гана комбайна. ––––––––––––––––––––––––––––––– СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Крестовоздвиженский, П.Д. Повышение прочности тангенциальных поворотных резцов гор- ных очистных комбайнов: дис. …канд. техн. наук: 05.05.06 / Крестовоздвиженский П.Д. – Новокуз- нецк: Кузбасский государственный технический университет, 2011. – 199 с. 2. Шевцов, Н.Р. Взрывозащита горных выработок (курс лекций): Учебное пособие для вузов. – 2- е изд., перераб. и доп. / Н.Р. Шевцов. – Донецк: ДонНТУ, 2002. - 280 с. 3. Ткачук, С.П. Взрывопожаробезопасность горного оборудования / С.П. Ткачук, В.П. Колосюк, С.А. Ихно. – К.: Основа, 2000. – 694 с. 4. Софийский, К.К. Cнижение газонасыщенности пологого угольного пласта i3 1 гидродинамиче- ским воздействием/ К.К.Софийский, В.И.Гаврилов, В.В. Власенко // Геотехническая механика: Меж- вед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2013. – № 111. – С. 90 – 99. 5. Моисеенко, М. А. Математическое моделирование нестационарных температурных полей и напряжений в деталях дискового тормоза, обусловленных пульсирующим подводом тепловой мощ- ности: автореф. дис… канд. техн. наук: 01.02.06 / Моисеенко М.А.. –Орел, 2012. – 20 с. 6. Справочник по триботехнике /Под общ. ред. М. Хебды, А. Чичинадзе. В 3т. Т.1. Теоретические основы. - М.: Машиностроение, 1989. – 400 с. 7. Davies, A.W. Investigation of a coal mine explosion and relevance of risk assessment / A.W.Davies, A.K.Isaac, P.M.Cook // Trans Inst Min Metall 109 (May-Aug)(Sect A), 2000. –р.61–69. ––––––––––––––––––––––––––––––– REFERENCES 1. Кrеstovozdvizhenskiy, P.D. (2011), “Increasing the strength of the tangential rotary cutters of mining shearers”, Ph.D. Thesis, Mining Machines, Kuzbass State Technical University, Novokuznetsk, Russia. 2. Shevtsov, N.R. (2002), Vzryvozashchita gornykh vyrabotok (kurs lektsyy) [Explosion protection of mine workings (lectures)], 2nd ed., Donetsk National Technical University, Donetsk, Ukraine. 3. Tkachuk, S.P., Kolosyuk, V.P. and Ihno, S.A. (2000), Vzryivopozharobezopasnost gornogo oborudovaniya [Explosion and fire safety of mining equipment], Osnova, Kiev, Ukraine. 4. Sofiyskiy, K.K., Gavrilov, V.I. and Vlasenko, V.V. (2013),“Gas-saturation reduction in the flat coal seam i3 1 by applying hydrodynamic impact”, Geotekhnicheskaya Mekhanika [Geo-Technical Mechanics], no. 111, pp. 90 – 99. 5. Moiseenko, M.A. (2012), “Mathematical modeling of non-stationary temperature fields and stresses in parts of disc brake due to the pulsating application of thermal rating”, Abstract of Ph.D., Dynamics and strength of machines, devices and equipment, Orel, Russia. 6. Hebda, M. and Chichinadze, A. (1989), Spravochnik po tribotehnike, [Triboengineering handbook], in Hebda, M., Chichinadze, A. (ed.), V.1. The theoretical foundations, Mashinostroenie, Moscow, Russia. 7. Davies, A.W., Isaac, A.K., Cook, P.M. (2000), “Investigation of a coal mine explosion and relevance of risk assessment”, Trans Inst Min Metall 109 (May-Aug)(Sect A), pp. A61–A69. ––––––––––––––––––––––––––––––– Об авторах Голинько Василий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой аэро- логии и охраны труда, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный универ- ситет» (ГВУЗ «НГУ»), Днепропетровск, Украина, golinko@nmu.org.ua. mailto:golinko@nmu.org.ua ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №117 175 Яворский Андрей Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры подземной разработ- ки месторождений Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (ГВУЗ «НГУ»), Днепропетровск, Украина, yavorskiyandrey@mail.ru. Лебедев Яков Яковлевич, кандидат технических наук, доцент кафедры аэрологии и охраны труда Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (ГВУЗ «НГУ»), Днепропетровск, Украина, lebedev.1943@gmail.com. Яворская Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры аэрологии и охра- ны труда Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (ГВУЗ «НГУ»), Днепропетровск, Украина, lenayavorskay@mail.ru. About the authors Golinko Vasiliy Ivanovich, Doctor of Technical Sciences (D. Sc), Professor, Head of the Aerology and Labor Protection Department, State Higher Educational Institution «National Mining University» (SHEI «NMU»), Dnepropetrovsk, Ukraine, golinko@nmu.org.ua. Yavorsky Andrey Vasilyevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Associate Professor of the Un- derground Mining Department, State Higher Education Institution «National Mining University» (SHEI «NMU»), Dnepropetrovsk, Ukraine, yavorskiyandrey@mail.ru. Lebedev Yakov Yakovlevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Associate Professor of the Aerol- ogy and Labor Protection Department, State Higher Education Institution «National Mining University» (SHEI «NMU»), Dnepropetrovsk, Ukraine, lebedev.1943@gmail.com. Yavorskaya Yelena Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Associate Professor of the Aerology and Labor Protection Department, State Higher Education Institution «National Mining Universi- ty» (SHEI «NMU»), Dnepropetrovsk, Ukraine, lenayavorskay@mail.ru. ––––––––––––––––––––––––––––––– Анотація. У статті наведено результати досліджень, спрямованих на підвищення рівня безпеки ведення гірничих робіт при руйнуванні газонасиченого масиву виконавчими орга- нами видобувних і прохідницьких комбайнів. Визначена область ефективного використання заходів та засобів попередження вибухів пилометаноповітряних сумішей. Розроблена і теоретично обґрунтована математична модель формалізованого опису про- цесу передачі тепла в навколишнє метаноповітряне середовище розпеченою поверхнею. Отримано залежності для визначення кількості накопиченого тепла і відданого в навко- лишнє метаноповітряне середовище поверхнею взаємодії ріжучого інструмента з газонаси- чених масивом, а також для розрахунку часу передачі тепла горючої суміші, що дозволяють враховувати індукційні властивості метаноповітряного середовища. Ключові слова: газонасичений масив, теплообмін, метан, різець. Abstract. The article presents results of research on improving mining safety when gas- saturated rocks are broken by operating members of mining and tunneling machines. Fields of ef- fective use of methods and means for preventing explosions of dust-methane-air mixtures are de- fined. A mathematical model of formal description of heat transferring to the surrounding methane-air environment by hot surface was developed and theoretically substantiated. Dependences were established to determine amount of heat accumulation and transfer to the surrounding methane-air environment by surface of interacting cutting tools with gas-saturated rocks, and to calculate duration of the heat transfer from combustible mixture with taking into ac- count induction properties of the methane-air environment. Keywords: gas-saturated rock, heat exchange, methane, cutter. Статья поступила в редакцию 23.09.2014 Рекомендовано к печати д-ром техн. наук М.С. Четвериком mailto:golinko@nmu.org.ua mailto:yavorskiyandrey@mail.ru mailto:lenayavorskay@mail.ru Сб 117 ПВ.pdf PutAuthorsHere OLE_LINK2 bookmark1 bookmark0

Влияние параметров разрушения газонасыщенного массива на его теплообмен с окружающей метановоздушной средой

Репозитарії

Схожі ресурси