Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка способа акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка способа акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах"

БОРИСЕНКО Дмитрий Иванович

УДК 622 8 812 622 822 22 622 822 4

РАЗРАБОТКА СПОСОБА АКУСТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГОРЕНИЯ УГЛЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОЧАГОВ ПОЖАРОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ

Специальности 25 00 20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», 05 26 03 - «Пожарная и промышленная безопасность (горная промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

ООЭ1В1127

003161127

Работа выполнена в Федеральное государственное унитарное предприятие «Национальный научный центр горного производства -Институт горного дела им А А Скочинского» (ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Николай Федорович Кусов

Официальные оппоненты

доктор технических наук Георгий Яковлевич Воронков

кандидат технических наук, доцент Александр Васильевич Подгрушный

Ведущая организация ЗАО «Межведомственная комиссия по

взрывному делу при Академии горных наук»

Защита диссертации состоится « 8 » ноября 2007 г в 10 ч на заседании диссертационного совета Д 222 04 02 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им А А Скочинского» по адресу: 140004, Московская область, г Люберцы, Октябрьский проспект, 411

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального научного центра горного производства - Института горного дела им. А А. Скочинского

Автореферат разослан « 5 » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

И.Г Ищук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наиболее распространенным, сложным и опасным видом аварий на шахтах являются подземные пожары, которые могут возникать как на действующих, так и на законсервированных, и даже на ликвидированных шахтах В ряде случаев из-за подземного пожара приходится затапливать всю шахту или ее часть с находящимся там дорогостоящим оборудованием

Борьба с подземным пожаром и своевременное его предупреждение требуют тщательного диагностирования и локализации его очагов Однако существующие методы обнаружения и локализации пожаров не позволяют не только точно определить местоположение очагов пожара, но даже их количество и установить, в каком пласте они расположены

Появление признаков пожара на подземных угледобывающих предприятиях (уменьшение содержания О2, увеличение концентрации С02, появление СО, Н2, газообразных углеводородов в газовом составе выработанного пространства и в подпочвенных пробах, повышение температуры и влажности воздуха, покраснения поверхностей выработок из-за формирования окисей железа, накопление смолы, бензола, серы и сульфата натрия в надпожаренной поверхности, иногда появление дыма) указывают лишь на наличие подземного пожара Для идентификации местоположения очага пожара этих данных оказывается недостаточно

Применяющиеся методы определения местоположения очагов подземных пожаров зависят от изменения внешних условий (погоды, времени года), поэтому разброс координат пожара составляет более 500 м Кроме того, при использовании таких методов проводится большой объем дорогих по стоимости, длительных и опасных бурильных работ

Таким образом, ключевой задачей рассматриваемой проблемы является умение правильно определять местоположение очага подземного пожара Однако на настоящий момент отсутствует оборудование, позволяющее диагностировать очаги пожара в глубине угольного пласта Поэтому разработка принципиально нового способа, позволяющего это делать, представляется весьма актуальной задачей.

Цель диссертации. Разработать способ акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах

Идея работы. На основе исследования трещинообразования в угле при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию,

выявление особенностей возникающих при этом акустических импульсов для разработки способа определения местоположения очагов пожара в угольном массиве

Постановка задачи исследования. В настоящее не существует общей теории процесса горения, позволяющей определять координаты очагов пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, в угольном массиве

В диссертационной работе теоретически обосновывается и экспериментально подтверждается новый эффект возникновения акустических импульсов в конденсированных твердых средах при горении и критических процессах, предшествующих их возгоранию, применительно к условиям угольного пласта для диагностики и определения координат очагов пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, в углесодержащем массиве Акустические импульсы рассматриваются по первому вступлению зависимости амплитуды от времени Полученные импульсы характеризуются специфичными для данного угольного пласта диапазонами измеряемых параметров (времени ожидания, частоты и амплитуды), что обусловлено широким разнообразием свойств углей, и их петрографическими особенностями

Научные положения, выносимые на защиту

1 При горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, происходит явление трещинообразования, приводящее к возникновению и распространению в нем акустических волн

2 Акустическое излучение, возникающее в угле при трещинообразовании, вызванном горением и критическими процессами, предшествующими возгоранию угля, генерируется непрерывно, это является отличительным акустическим признаком, позволяющим идентифицировать горение и критические процессы, предшествующие возгоранию

3. Частоты первых вступлений акустических сигналов, возникающих в угле при горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию, лежат в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц (для образцов исследованных углей соответственно подмосковного бурого угля от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного угля от 1700 до 6900 Гц), но обладают

характерными интервалами частоты, типичными для каждого угля, что является отличительным акустическим признаком, позволяющим идентифицировать горение и критические процессы, предшествующие возгоранию

4 В связи с широким разнообразием свойств углей целесообразно проводить экспериментальную тарировку акустических характеристик сигналов, возникающих при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию угля, для конкретных пластов

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, диссертационной работы вытекает из корректности постановки рассматриваемых задач, представительного объема полученных данных по статистическому анализу результатов экспериментальных исследований (около 15000 значений), воспроизводимости полученных экспериментальных результатов, использования современной вычислительной техники, позволяющей автоматизировать процесс регистрации экспериментальных данных, приемлемых коэффициентов вариации результатов обработки параметров акустических импульсов по времени ожидания для подмосковного бурого угля - 10%, для минусинского длиннопламенного - 14%, по амплитуде - соответственно 5 и 4%, по частоте - соответственно 4 и 3%

Научная новизна работы. Установлен новый эффект возникновения акустических импульсов при горении угля Впервые экспериментально установлено возникновение акустических импульсов, вызванных трещинообразованием в угле, при его горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию Первые вступления акустических сигналов в этих случаях характеризуются частотами, лежащими в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц (например, для образцов исследованных углей соответственно подмосковного бурого от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного от 1700 до 6900 Гц) Установлено, что непрерывность акустического излучения в течение всего процесса горения угля и критических процессов, предшествующих его возгоранию, отличает его от дискретных акустических импульсов, возникающих при других процессах, происходящих в угольном массиве

Практическая ценность работы состоит в установлении нового эффекта возникновения акустических импульсов при горении конденсированных твердых сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию, экспериментально доказывающего возможность создания пассивного акустического способа определения координат очагов подземных пожаров и зон самонагревания, находящихся в глубине углесодержащего массива Разработана методика тарировки для установления характеристик сигналов, возникающих в образцах различных углей при горении и критических процессах, предшествующих их возгоранию Предложен новый способ обнаружения очагов подземного пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, основанный на прямых измерениях -регистрации первых вступлений акустических импульсов, возникающих при трещинообразовании, вызванном горением конденсированных твердых сред Отличительными признаками акустического излучения при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию, являются его перманентность и частоты, лежащие в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц

Личный вклад авторасостоит

- в экспериментальном подтверждении гипотезы профессора Н Ф Кусова о возникновении акустического излучения при пожаре в угольном пласте,

- в проведении патентного поиска и составлении обзора литературы по взаимному влиянию теплового и акустического полей вообще и применительно к пожарам в угольных пластах в частности,

- в создании экспериментальной установки для исследования акустического излучения, возникающего при горении конденсированных твердых сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию,

- в разработке методов измерений акустических и теплофизических величин в процессе эксперимента по исследованию акустического излучения, возникающего при горении конденсированных твердых сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию и в осуществлении этих измерений,

- в проведении экспериментов по исследованию акустического излучения, возникающего при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию,

- в обработке полученных экспериментальных результатов

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на

- международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г Новокузнецк, 2005 г),

- восьмой научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г Кемерово, 2006 г),

- всероссийской научной конференции, посвященной 30-летию Челябинского государственного университета «Математика Механика Информатика» (г Челябинск, 2006 г ),

- шестой всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (г Новосибирск, 2006 г),

- первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (г Москва, 2006г),

- международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г Новокузнецк, 2007 г),

- научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского (г Люберцы, 2007 г )

Публикации. По результатам исследований опубликовано семь научных работ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 122 страницы, 27 рисунков и список литературы из 107 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Существенный вклад в формирование методологической базы теоретических и экспериментальных исследований вопросов акустики и подземных пожаров, а также в борьбу с ними внесли М С Анцыферов, А С Апальков, В С Веселовский, А С Вознесенский, Г Я Воронков, И Л Гейхман, А П Жолус, В Н Захаров, И Г Ищук, В В Кудряшов, Н Ф Кусов, А М Морев, А Ф Перцев, А В Подгрушный, Г А Поздняков, А Д Рубан, А Ф Син, К 3 Ушаков, С Е Чирков, Е И Шемякин, В Л Шкуратник и другие учёные и специалисты

Обзор литературы показывает, что, существующие на настоящий момент способы определения местоположения очагов пожаров и предшествующих возгоранию процессов обладают недостатками, затрудняющими применение указанных способов в некоторых условиях Отсутствуют методики определения координат очагов пожара в глубине горного массива, основанные на прямых измерениях Применяющиеся способы определения местоположения очагов эндогенных пожаров в угольных пластах, опирающиеся на косвенные измерения, требуют значительных затрат и не всегда обеспечивают точность, необходимую для эффективного проведения противопожарных мероприятий

До сегодняшнего дня в научной литературе не было описано эффекта возникновения акустических импульсов в конденсированных твердых средах при их горении и критических процессах, предшествующих их возгоранию, в замкнутом объеме применительно к условиям углесодержащего массива В настоящей работе предлагается не только установить сам факт возникновения акустического излучения при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, но и детально изучить его особенности

На основании вышеизложенного, а также в соответствии с целью диссертационной работы, были поставлены следующие задачи исследования

- изучить состояние вопроса возникновения акустических волн при горении угля применительно к условиям угольных пластов,

- разработать методику исследования акустических волн, возникающих при нагреве и горении угля,

- разработать экспериментальную модель для исследования в лабораторных условиях возникновения акустических волн при нагреве и горении угля спроектировать и изготовить экспериментальную установку и выбрать методы измерения параметров акустических волн, возникающих при нагреве и горении угля,

- установить акустические признаки горения угля для идентификации пожара в угольных пластах для разработки акустического способа диагностики и определения координат очагов пожаров и зон самонагревания в угольных пластах,

- дать методические рекомендации по акустической диагностике пожаров в угольных пластах и определению координат их очагов

В экспериментах использовались образцы подмосковного бурого и минусинского длиннопламенного углей Они заторцовывались с двух противоположных концов параллельными отшлифованными гранями

перпендикулярно напластованиям К одной отшлифованной грани прикреплялся пьезодатчик, а на противоположную грань оказывалось воздействие механическое или открытым пламенем Длина образца (расстояние между его торцами) составляла 10 см

Когда импульс сжатия падает на свободную границу, он приводит к образованию отраженного импульса растяжения, а при наклонном падении образуется как импульс расширения, так и импульс искажения Интерференция таких отраженных импульсов может привести к очень сложным распределениям напряжений Чтобы этого избежать в эксперименте, описываемом в настоящей работе, фиксировались сигналы на начальной стадии распространения, на которой масса и форма боковой поверхности образца не влияли на акустические характеристики импульсов Под начальной стадией распространения подразумевается время от появления на чувствительном элементе сигналов, отличных от шума до прихода на него отражений от свободной поверхности образца

Поперечный размер образца составляет 6 см, датчик расположен на торцевой грани по центру Таким образом, расстояние от боковой поверхности до чувствительного элемента, диаметр которого равен 2 см, составляет (6-2)/2=2 см Поскольку скорость распространения продольных звуковых волн в угле изменяется в пределах от 1 до 2,8 км/с для бурого угля и от 1,1 до 3,5 км/с для каменного угля, а расстояние, которое будет пробегать отраженная волна, составляет около 2 см, то время первого вступления составит 0,02/3500-0,02/1000 = 0,006-0,02 мс

Чтобы отличить полезный сигнал от шума, проводилась предварительная тарировка сигнала, поступающего с пьезодатчика Для этого при отсутствии внешних воздействий на образец в течение нескольких секунд записывалась информация, воспринимаемая системой измерения Записанный сигнал интерпретировался как шум

В экспериментах фиксировались акустические сигналы, возникающие в угле, при воздействии на него индентором и открытым пламенем

Схема экспериментальной установки для исследования акустических импульсов, возникающих в угле при внедрении в него инденторов, представлена на рис 1

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования акустических импульсов, возникающих в угле при внедрении инденторов:

1 - индентор, 2 - острие индентора, 3 - исследуемый образец угля, 4 - подвес, 5 -корпус установки, 6 - пьезоэлектрический датчик, 7 - соединительный фланец, 8 -вытяжная труба, 9 - коаксиальный экранированный кабель, 10 - персональный компьютер, 11 - поддон для сбора отколовшихся фрагментов образца угля, 12 -откалывающиеся фрагменты угля, 13 - цифровая видеокамера

Эксперимент включал в себя следующие операции Индентором с наконечником различной геометрической формы оказывалось воздействие на образец угля Возникающие при этом в образце акустические сигналы воспринимались пьезодатчиком и по коаксиальному экранированному кабелю передавались на персональный компьютер Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 1,72 ГГц, 256 МБ ОЗУ со звуковой картой Avance АС97 Audio, где фиксировались и обрабатывались в среде Adobe Audition 1 5 Визуально эксперимент записывался на цифровую видеокамеру "SONY Handy cam DVD 405 E" с разрешением по времени 1/25 с В ряде случаев воздействие индентора приводило к откалыванию от образца фрагментов угля величиной 0,1 4 мм, которые собирались в поддон, расположенный в нижней части корпуса установки Для устранения возможных искажений акустической

картины эксперимента, вызываемых взаимодействием образца угля с твердыми металлическими поверхностями, образец закреплялся на подвесе

Схема экспериментальной установки для исследования акустических импульсов, возникающих в угле при воздействии на него открытым пламенем, представлена на рис 2

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования акустических импульсов, возникающих в угле при горении:

1 - газовая горелка, 2 - пламя, 3 - исследуемый образец угля, 4 - подвес, 5 - корпус, 6 - пьезоэлектрический датчик, 7 - соединительный фланец, 8 - вытяжная труба, 9 -теплоизоляция, 10 - персональный компьютер, 11 - цифровой мультиметр, 12 -хромель-алюмелевая термопара, 13 - поддон для сбора отколовшихся фрагментов образца угля, 14 - откалывающиеся фрагменты угля, 15 - заслонка, 16 -платинородий-платиновая термопара, 17 - цифровая видеокамера

Суть эксперимента заключалась в следующем Струя открытого пламени горящего изобутана, выходящая из сопла горелки, попадает на торец образца угля и нагревает его В процессе нагрева и последующего самостоятельного горения (когда горелка удаляется из зоны горения) образец диспергируется со стороны торца, на который воздействует пламя

1 2 3 4 5

6

8

Откалывающиеся от образца фрагменты угля собираются в поддон, расположенный в нижней части корпуса установки С торцов корпуса располагаются заслонка и соединительный фланец Заслонка позволяет регулировать расход подаваемого в зону горения воздуха К фланцу крепится труба, создающая тягу воздуха через рабочую камеру установки, что обеспечивает приток кислорода воздуха в зону горения Для устранения побочных эффектов образец закреплен на подвесе Температура пламени контролируется по платинородий-платиновой термопаре, расположенной в зоне горения, подсоединенной к прибору ГрПП ГОСТ 2261-43 (на рисунке не показан)

Для фиксирования акустических сигналов, возникающих в угле, к торцу образца угля, противоположному нагреваемому, прикреплен пьезоэлектрический датчик, показания с которого по коаксиальному кабелю передаются на персональный компьютер Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 1,72 ГГц, 256 МБ ОЗУ со звуковой картой Avance АС97 Audio, где фиксируются и обрабатываются в среде Adobe Audition 1 5 Температура торца образца, противоположного подвергающемуся нагреву, измеряется хромель-алюмелевой термопарой Термопара подсоединена к цифровому мультиметру UNI-T (UT30C) Во избежание нагрева датчика и королька термопары пламенем горелки и горящим углем, а также для предохранения пьезодатчика от не имеющих отношения к горению шумов торец образца, противоположный нагреваемому, защищен теплозвукоизоляцией, изготовленной из пластов Supersil и Superal-M2 Эксперимент записывался на цифровую видеокамеру "SONY Handy cam DVD 405 E" с разрешением по времени 1/25 с

В процессе проведения экспериментов по исследованию возникновения акустических волн в угле при горении обнаружено, что при нагреве открытым пламенем и самостоятельном горении уголь разрушается, причем различные угли разрушаются по-разному На рис 3 представлены типичные картины разрушения при горении подмосковного бурого угля

Трещинообразование в различных углях протекает по-разному Как видно из приведенных рисунков, образцы подмосковного бурого угля при нагреве открытым пламенем газовой горелки растрескиваются по плоскостям, параллельным направлению подвода тепла Трещины растут медленно, постепенно расширяясь и прорезая образец Между наиболее крупными трещинами остаются продолговатые образования, выступающие навстречу подводу тепла ти образования по мере дальнейшего подвода тепла

а б

Рис, 3. Внешний вил разрушения образца подмосковно! о бурого угля через 21 мнн (а) и через 33 мин (б) от начала горении.

раздвигаются в стороны, а в случае расположения около боковой поверхности образца отгибаются наружу; образец как бы «раз лохм ачивается»с нагреваемого торца. В стеснённых условиях продолговатые образования постепенно становятся тоньше и сокращаются по длине (см. рис. 3). М Шуе и некий длиннопламенный уголь растрескивается но всем направлениям, трещины растут взрывообразно, вызывая фрагментацию образца на отдельные куски.

В результате проведенною исследования установлено, что при механическом воздействии на образец угля и воздействии открытым пламенем в нём возникают акустические волны е определенными параметрами, характерными для данного образца.

Амплитудно-частотные характеристики полученных Сигналов подвергались разложению в интеграл Фурье. Выделенным таким образом частотам ставились в соответствие значения амплитуд первых вступлении акустических сигналов, для которых производились преобразования Фурье. Гистограммы распределения полученных по этому алгоритму .экспериментальных значений в зависимости от частоты и амплитуды первых вступлений акустических волн, возникающих в угле при взаимодействии со стальным клиновидным индентором, представлены на рис. 4. а, б.

Как видно из рис. 4, акустические характеристики сигналов, возникающих в образцах разных углей при внедрении в них одного и того же

¡X

б

Рис. Гистограммы распределения экспериментальных значений в зависимости oí частоты к амплитуды первых вступлений акустических

сигналов, возникающих в образцах подмосковного бурого угля (а} н Минусинске! о длиннопламенного угля (б) при внедрении в них стального клиновидного индентора с шириной ocipiiii 4 мм.

ндентора, различны Так, для подмосковного бурого угля кспериментальные значения лежат в диапазоне меньших частот, чем для :инусинского длиннопламенного угля Для минусинского длиннопламенного гля частоты четко разделяются на несколько основных групп, тематические ожидания которых составляют 1, 5 и 6,ЗкГц соответственно, в то время как для подмосковного бурого угля частоты разделяются не так отчетливо Видно, что для обоих углей преобладающее количество точек по астоте лежит в области порядка 1 кГц, что не противоречит известным из итературы данным

При воздействии открытого пламени на уголь и при его самостоятельном горении в угле возникают акустические импульсы В результате проведенного исследования получен массив данных по акустическим характеристикам этих импульсов

Обработка результатов эксперимента по исследованию возникновения акустических сигналов в угле при воздействии на него открытым пламенем и его самостоятельном горении, аналогична обработке данных, полученных при воздействии инденторами Гистограммы распределения полученных по этому алгоритму экспериментальных значений в зависимости от частоты и амплитуды первых вступлений акустических волн, возникающих в угле при его самостоятельном горении, представлены на рис 5, а, б

Как видно из рис 4, 5, акустические характеристики сигналов, возникающих в разных углях при их самостоятельном горении, различны Так, для подмосковного бурого угля имеет место значительная по количеству группа точек, лежащая в районе 1 кГц, в то время как для минусинского длиннопламенного угля такой группы не наблюдается Для минусинского длиннопламенного угля существенная по количеству группа точек располагается в районе 7 кГц, а для подмосковного бурого угля при этих частотах количество точек незначительно Данные для подмосковного бурого угля расположены в диапазоне меньших частот, чем для минусинского длиннопламенного угля

Так же, как и в случае с взаимодействием угля с инденторами, полученные данные разделяются на группы по частотным диапазонам Причем для минусинского длиннопламенного угля такое разделение данных более четкое, чем для подмосковного бурого угля Очевидно, это объясняется различиями в петрографических характеристиках углей Уголь является неоднородной многокомпонентной средой на микро-, мезо- и макроуровнях. Составляющие уголь агрегаты, мацералы и структурные элементы макроуровня характеризуются некоторыми пространственными масштабами,

о.

б

Рис. 5. Гистограммы распределения экспериментальных значений в зависимости от частоты к амплитуды первых вступлений акустических сигналов, возникающих в образцах подмосковного бурого угля (а) и минусинского длиннойламениого угля (б) при их самостоятельном горении.

что и обуславливает наличие нескольких частотных интервалов акустических импульсов, возникающих при трещинообразовании в угле, вне зависимости от причины, вызывающей это трещинообразование Однако в силу широкого разнообразия строения и свойств углей, упомянутые пространственные масштабы для углей, взятых из разных пластов, различны Поэтому частотные интервалы различных углей, взятых из разных пластов, не совпадают

Различия между зависимостями амплитуды первых вступлений от частоты акустических сигналов, возникающих в образцах одного угля при внедрении в них инденторов и их самостоятельном горении, меньше, чем между аналогичными зависимостями для различных углей Этот факт не противоречит современным научным представлениям, согласно которым определяющим фактором, влияющим на образ акустического сигнала в твердом теле, являются свойства самого тела, а не причина, вызывающая этот сигнал

В диссертационной работе установлено, что акустические импульсы, возникающие в угле при горении, имеют перманентный характер По полученным данным были построены зависимости максимальных амплитуд регистрируемых импульсов от времени ожидания (рис 6, а, б)

Под временем ожидания понимается интервал времени, на котором величины всех измеряемых параметров попадали в шумовые интервалы, установленные при тарировочной записи

Как видно из рис 6, а, б, акустическое излучение, возникающее в угле из-за трещинообразования при горении, генерируются перманентно несколько импульсов в секунду Причём, время ожидания, а значит и частота возникновения импульсов, для различных углей различна в минусинском длиннопламенном угле акустические волны возникают чаще, чем в подмосковном буром угле Поскольку свойства углей изменяются не только в зависимости от их марки, но и от условий залегания, для установления четкого значения времени ожидания и амплитудно-частотной характеристики, соответствующих акустическому излучению, вызванному горением угля и критическими процессами, предшествующими его возгоранию, необходимо проводить тарировку для каждого конкретного угольного пласта

Зная вид сигнала, возникающего при горении угля, мы можем настроить на него воспринимающую аппаратуру и запеленговать его источник Поскольку источником такого сигнала является очаг пожара, с помощью предлагаемого способа мы можем полностью снимать картину пожара определять сам факт пожара (горит или не горит), а также

посредством известных методов пеленгации определять количество очагов пожара и координаты их местоположения.

ра А,ЮдБ

Тож, ЮОмс

б

Рис. 6. Гистограммы распределения экспериментальных значений в зависимости от максимальной амплитуды регн£г р и ру ем ых акустических

импульсов н времени ожидания для подмосковного бурш о угля (а) минусинского длннноиламенного угля (б) при их самостоятельном 1 орення.

В диссертационной работе рассматривается простейший случай -одномерная задача распространения прямых продольных воли по пласту угля (рис. 7).

В случае плоской задачи, то есть если известно, что горит один пласт, для пеленгации источника сигнала достаточно трёх датчиков. Если же глубина горящего пласта также неизвестна (под подозрением оказывается сразу несколько пластов), то следует использовать более трёх датчиков.

Точность определения координат увеличивается по мере сокращения ¡количества сред, но которым распространяется сигнал от источника до датчиков системы.

I |

Рис. 7, Схема проведения диагностики подземного пожара с дневной

поверхности:

I - очаг пожара; 2 - угольный пласт; 3 - чувствительный элемент системы 1 обнаружения пожара; 4 - шнур: 5 - канал передачи сигнала; 6 - блок регистрации

сигнала и принятия решения.

Для наиболее чёткого восприятия акустической картины нам нужно | максимально уйти от искажений акустической картины процесса, которыми i могут быть неучтённые изменения акустических свойств среды, влияющие на 'скорость распространения акустического излучения. Для этого следует

установить чувствительные элементы системы таким образом, чтобы акустические волны от очага пожара до датчиков системы распространялись по углю и (или) горным породам При возможности доступа из соседних выработок датчики следует устанавливать в почву горящего пласта, на его обнаженную поверхность, в его кровлю или во вмещающие горящий пласт породы При работе с дневной поверхности следует пробурить слой четвертичных отложений (чернозем, песок, глину) и, достигнув скальных пород, установить датчики в них или пробурить скважину до горящего пласта и установить датчики непосредственно в нем или его почве или кровле

На этапе диагностики горящего пласта по предлагаемому в диссертационной работе способу следует во всех пластах твердого горючего полезного ископаемого, находящихся в зоне традиционных признаков подземного пожара, установить чувствительные элементы, воспринимающие акустическое излучение, и по максимальной интенсивности характерного перманентного сигнала идентифицировать горящий пласт

На этапе определения координат очагов пожара следует взять образец угля из горящего пласта и по алгоритму, описанному выше (см рис 2) определить параметры акустических импульсов, соответствующие горению данного образца («образ сигнала»), далее установленными в пласте чувствительными элементами осуществляется запись акустического излучения, распространяющегося в массиве, после чего происходит обработка записанного сигнала и пеленгация очагов пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, являющихся источниками характерного излучения, образ которого устанавливается при предварительной тарировке

Причем, предполагаемый способ идентификации и определения координат очагов пожара в угле и критических процессов, предшествующих его возгоранию, представляется эффективным и востребованным на практике в силу отсутствия необходимости бурения большого количества скважин, повышенной безопасности (не требуется вскрытие заперемыченного пространства), существенного повышения точности определения местонахождения очагов пожаров, так как способ основан на прямых измерениях

Таким образом, в диссертационной работе разработаны акустические признаки горения угля и критических процессов, предшествующих его возгоранию для разработки методических рекомендаций по идентификации процесса горения и определению координат очагов пожара и зон самонагревания в глубине угольного пласта акустическими методами, то есть

цель - разработать способ акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах - достигнута

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная для угольной промышленности задача акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах (по специфичным отличиям от прочих возмущений в массиве непрерывности акустического излучения и характерным частотам, лежащим в пределах от нескольких сотен герц до нескольких килогерц, зависящим от физико-химических и механических свойств угольного массива), а также для определения координат очагов пожаров и зон самонагревания

В результате настоящего исследования получен массив данных по акустическим импульсам, возникающих при внедрении в уголь инденторов и воздействии на него открытым пламенем Анализ полученных данных осуществлялся на компьютере с помощью программного обеспечения, позволяющего обрабатывать как амплитудно-временные, так и спектральные характеристики сигналов

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем

1 Установлено, что при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, протекает процесс трещинообразования, приводящий к возникновению и распространению в нем акустических волн

2 Экспериментально выявлено, что акустическое излучение, возникающее в угле при трещинообразовании, вызванном горением и критическими процессами, предшествующими возгоранию угля, генерируется непрерывно, в отличие от дискретных возмущений, возникающих в пласте вследствие механического воздействия

3 Получено, что первые вступления акустических сигналов, возникающих в угле при горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию, лежат в килогерцовом диапазоне частоты (для исследованных углей соответственно подмосковного бурого - от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного - от 1700 до 6900 Гц), но обладают характерными интервалами частоты, типичными для каждого угля

4 Экспериментально установлено сходство параметров акустических волн, генерируемых при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, и при механическом воздействии на торец

образца, что свидетельствует об аналогии процессов термического механического разрушений при указанных способах нагружения

5 Экспериментально доказано, что в связи с широким разнообразие! свойств углей целесообразно проводить экспериментальную тарировк акустических сигналов, возникающих при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, на образцах взятых из конкретных пластов

6 Разработаны методические положения методики предварительной тарировки, позволяющей установить особенности амплитудно-частотной характеристики первых вступлений акустических сигналов, возникающих при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию для конкретных пластов

7 Предложен способ обнаружения очагов пожара и зон самонагревания по регистрации акустических сигналов, возникающих при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию Для этого предлагается использовать систему регистрации, состоящую из чувствительных элементов, каналов передачи информации и блока регистрации и принятия решения, содержащего усилители и фильтры, настраиваемые по результатам тарировки При проведении экспериментов в диссертационной работе использовались пьезодатчики ДН-3-М1, телевизионный кабель MASTERS AT (RG-6/U) CATV 0 92m КОЗ, персональный компьютер Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 1,72 ГГц, 256 МБ ОЗУ со звуковой картой Avance АС97 Audio На начальном этапе предлагается применять использовавшуюся систему без изменений, в дальнейшем планируется наладить серийный выпуск специализированных приборов

8 Разработан алгоритм определения координат очагов пожара в угольном пласте и критических процессов, предшествующих его возгоранию а) берется образец угля из данного пласта, б) в процессе тарировки определяются параметры акустических импульсов, соответствующие горению данного образца, в) в массиве устанавливаются чувствительные элементы системы обнаружения пожаров, г) осуществляется запись акустического излучения, распространяющегося в массиве, д) производится обработка записанного сигнала и пеленгация очагов пожара в угле и критических процессов, предшествующих его возгоранию, являющихся источниками характерного излучения, образ которого устанавливается на этапе б) по первому вступлению зависимости амплитуды от времени

Руководство ВГСЧ РФ заинтересовано в разработке способа акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах и его внедрении на шахтах, добывающих твердые горючие полезные ископаемые

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ботах, в том числе две - в ведущем рецензируемом научном журнале, одящем в перечень ВАК

1 Экспериментальное исследование трансформации спергирования угля в акустические импульсы// Всерос Науч конф., поев -летию Челяб гос ун-та «Математика Механика Информатика», 19-22 нтября 2006 г - Челябинск, 2006. - С 21 (соавтор Харитонов Р И )

2 Исследование трансформации диспергирования угля в устические импульсы// VIII Всерос научно-практ конф «Энергетическая зопасность России Новые подходы к развитию угольной

ромышленности», 19-22 сентября 2006 г - Кемерово, 2006 - С 138-140

3 Трещинообразование в угле при горении// VI Всерос конф орение твердого топлива», 8-10 ноября 2006 г - Новосибирск, 2006 - 41

С 121-126

4 Сравнение разрушения различных углей при горении// В кн eformation & Fracture of Materials - DFM2006/ Book of articles, edited by Yu.

Kovneristiy et al - Moscow Interkontakt Nauka, 2006 - 846 p. - C. 535-537

5 Возникновение акустических импульсов в угле при различных оздействиях// Деп в Горн информ -аналит бюлл - (574/05-07 - 23 03 07) 0с

6 Возникновение акустических сигналов в угле при внедрении в его инденторов//Горн информ-аналит бюлл -2007 г -№5 - С 101-102

7 Методика проведения экспериментального исследования озникновения акустических импульсов в угольном пласте при его горении// ауч сообщ / Ин-т горн дела им А А Скочинского №333/2007 «Техника и ехнология разработки угольных месторождений», 2007 - С 215-216

оавтор Кусов H Ф )

Подписано в печать 30 08 2007 Формат 60x90 1/16 Печать цифровая Бумага «Performer» Печ л 1,25 Тираж 100 экз Заказ №7002 Отпечатано в ФГУП «Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ», 140010, г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Борисенко, Дмитрий Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВОЧНАЯ ЧАСТЬ.И

1.1. Выбор источника информации для диагностики подземных пожаров в угольном пласте.И

1.2. Аналитический обзор имеющихся научных представлений о трансформации тепла в акустические импульсы.

1.3. Аналитический обзор существующих способов диагностики подземных пожаров.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ ПРИ ГОРЕНИИ.ЗЗ

2.1. Расширение твёрдых тел при нагреве.

2.1.1. Тепловое расширение однородных твёрдых тел.

2.1.2. Тепловое расширение неоднородных твёрдых тел.

2.1.3. Тепловое расширение и остаточные температурные деформации в углях.

2.2. Характер разрушения угольного пласта при горении.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ УГЛЯ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1. Обоснование экспериментов.

3.2. Визуализация эффектов.

3.3. Описание экспериментальной установки.

3.3.1. Расчёт параметров экспериментальной установки.

3.4. Последовательность проведения экспериментов.

3.4.1. Подготовка эксперимента.

3.4.2. Сценарий эксперимента.

3.5. Достоверность экспериментальных результатов.

3.5.1. Тарировки.

3.5.1.1. Тарировка системы измерения.

3.5.1.2. Тарировка скорости нагрева пьезодатчика.

3.5.2. Статистическое обоснование.

3.6. Описание экспериментов.

3.6.1. Описание эксперимента по исследованию акустических импульсов, возникающих в угле при внедрении инденторов.

3.6.2. Описание эксперимента по исследованию акустических импульсов, возникающих в угле при горении.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Результаты эксперимента с внедрением инденторов в уголь.

4.2. Результаты эксперимента с горением угля.

5. РАЗРАБОТКА СПОСОБА АКУСТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГОРЕНИЯ УГЛЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОЧАГОВ ПОЖАРОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ.

5.1. Идентификация очагов пожара.

5.1.1. Идентификация очагов пожара при возможности установления чувствительных элементов непосредственно в пласт угля.

5.1.2. Идентификация очагов пожара при отсутствии возможности установления чувствительных элементов непосредственно в пласт угля.

5.2. Оценка применимости способа акустической идентификации очагов пожаров в угольных пластах.

5.3. Оценка экономической эффективности от внедрения способа акустической идентификации очагов пожаров в угольных пластах.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка способа акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах"

Актуальность работы

Наиболее распространённым, сложным и опасным видом аварий на шахтах являются подземные пожары [1, стр. 13]. За прошедшие десять лет по данным, установленным РосНИИГД, наиболее ущербными авариями на шахтах России были возгорания и взрывы газа и угольной пыли (74,4%) [2, стр. 251]. Причём, согласно специальным исследованиям [3, стр. 73, 74], трудоёмкость ликвидации эндогенного пожара и его последствий значительно (в некоторых случаях на порядок) выше трудоёмкости ликвидации других аварий, имеющих место в горных выработках. Проведение противопожарных мероприятий даже на поверхности горных предприятий является весьма трудоёмким процессом [4, стр. 17, 18], а борьба с подземными пожарами представляется более затратной и технически сложной. Ущерб от возникновения подземных пожаров выражается не только в причинении непосредственных материальных убытков (оплата рабочим за простой, потери материальных ценностей, потери запасов угля, подготовленных к выемке, и т.д.), но и в появлении затрат на борьбу с пожаром и ликвидацию его последствий (оплата рабочим за изоляцию рабочего участка, стоимость материалов для изоляции, ремонт и очистка выработок и т.д.) [5, стр. 39].

В ряде случаев из-за возникшего подземного пожара приходится затапливать всю шахту или её часть с находящимся там дорогостоящим оборудованием. Это наносит ощутимый экономический ущерб, так как, во-первых, выводятся из разработки значительные объёмы разведанного полезного ископаемого, а во-вторых, потребуется дополнительное затрачивание средств на постройку новой шахты. Кроме экономического ущерба, не выявленный вовремя подземный пожар может причинить существенный вред здоровью горнорабочих, а иногда вызвать летальный исход. Причём особенностью подземных пожаров является то, что они могут возникать как на действующих, так на законсервированных и даже на ликвидированных шахтах [6, 7].

Борьба с подземным пожаром или своевременное его предупреждение требуют тщательного диагностирования и локализации его очагов [8, стр. 3].

Появление признаков пожара на подземных угледобывающих предприятиях (уменьшение содержания 02, увеличение концентрации СОг, появление СО, Н2, газообразных углеводородов (этана, этилена, пропана, бутана и пр.) в газовом составе выработанного пространства и в подпочвенных пробах, повышение температуры и влажности воздуха [9, стр. 386], покраснения поверхностей выработок из-за формирования окисей железа, накопление смолы, бензола, серы и сульфата натрия на участках дневной поверхности, расположенных над зоной пожара [8, стр. 22-23], иногда появление дыма) указывают лишь на наличие подземного пожара. Для идентификации местоположения очага пожара этих данных, к сожалению, оказывается недостаточно.

Существующие способы локации подземных пожаров [например, 8, 10-14] и зон с повышенным тепловыделением [например, 15-17] не всегда позволяют с достаточной для эффективной борьбы с пожаром точностью обнаруживать его очаги. Часто применение большинства известных методов ограничено или невозможно в силу физических условий (вероятность расположения источников нагрева вдали от поверхности выработок, сложность расчёта концентрационных полей, ограниченность распространения электромагнитных волн в толще угля и горных пород, низкие тепло- и температуропроводность угля и горных пород). В некоторых случаях ни один из существующих методов не только не позволяет чётко указать местоположение пожара или пеленг на него, но даже определить количество его очагов.

Таким образом, при рассмотрении проблемы подземных пожаров ключевой задачей является умение правильно определять местоположение очага пожара. Однако на настоящий момент отсутствуют системы регистрации, позволяющие диагностировать очаги пожара в глубине угольного пласта. Поэтому разработка принципиально нового способа, позволяющего это делать, представляется весьма актуальной задачей.

Научная новизна

Получен новый эффект возникновения акустических импульсов при горении угля. Впервые экспериментально установлено возникновение акустических импульсов, вызванных трещинообразованием в угле, при его горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию. Первые вступления акустических сигналов в этих случаях характеризуются частотами, лежащими в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц (например, для образцов исследованных углей соответственно: подмосковного бурого от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного от 1700 до 6900 Гц). Установлено, что непрерывность акустического излучения в течение всего процесса горения угля и критических процессов, предшествующих его возгоранию, отличает его от дискретных акустических импульсов, возникающих при других процессах, происходящих в угольном массиве.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. При горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, протекает процесс трещинообразования, приводящий к возникновению и распространению в нём акустических волн.

2. Акустическое излучение, возникающее в угле при трещинообразовании, вызванном горением и критическими процессами, предшествующими возгоранию угля, генерируется непрерывно, это является отличительным акустическим признаком, позволяющим идентифицировать горение и критические процессы, предшествующие возгоранию.

3. Частоты первых вступлений акустических сигналов, возникающих в угле при горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию, лежат в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц (для образцов исследованных углей соответственно: подмосковного бурого от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного от 1700 до 6900 Гц), но обладают характерными интервалами частоты, типичными для каждого угля, что является отличительным акустическим признаком, позволяющим идентифицировать горение и критические процессы, предшествующие возгоранию.

4. В связи с широким разнообразием свойств углей целесообразно проводить экспериментальную тарировку акустических характеристик сигналов, возникающих при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию угля, для конкретных пластов.

Достоверность научных положений

Достоверность научных положений, установленных в работе, вытекает из: корректности постановки рассматриваемых задач; представительного объёма полученных данных по статистическому анализу результатов экспериментальных исследований (около 15000 значений); воспроизводимости полученных экспериментальных результатов; использования современной вычислительной техники, позволяющей автоматизировать процесс регистрации экспериментальных данных; приемлемых коэффициентов вариации результатов обработки параметров акустических импульсов: по времени ожидания для подмосковного бурого угля - 10%, для минусинского длиннопламенного - 14%, по амплитуде -соответственно 5 и 4%, по частоте - соответственно 4 и 3%.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в получении нового эффекта возникновения акустических импульсов при горении конденсированных твёрдых сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию, экспериментально доказывающего возможность создания пассивного акустического способа определения координат очагов подземных пожаров и зон самонагревания, находящихся в глубине углесодержащего массива. Разработана методика тарировки для установления характеристик сигналов, возникающих в образцах различных углей при горении и критических процессах, предшествующих их возгоранию. Предложен новый способ обнаружения очагов подземного пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, основанный на прямых измерениях -регистрации первых вступлений акустических импульсов, возникающих при трещинообразовании, вызванном горением конденсированных твёрдых сред.

Отличительными признаками акустического излучения при горении и критических процессах, предшествующих возгоранию, являются его перманентность и частоты, лежащие в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких килогерц.

Апробация работы

Основное содержание диссертационной работы и отдельные её положения докладывались и получили одобрение на:

- восьмой научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2006 г.);

- всероссийской научной конференции, посвященной 30-летию Челябинского государственного университета, «Математика. Механика. Информатика» (г. Челябинск, 2006 г.);

- шестой Всероссийской конференции «Горение твёрдого топлива» (г. Новосибирск, 2006 г.);

- первой Международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (г. Москва, 2006 г.);

- международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2007 г.);

- научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского (г. Люберцы, 2007 г.).

Публикации

По результатам исследований опубликовано семь научных работ.

Работа явилась результатом исследований, выполненных автором в течение двух лет в Федеральном государственном унитарном предприятии «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А. Скочинского».

Экспериментальные исследования по изучению возникновения акустических импульсов при горении проводились на углях Минусинского и Подмосковного бассейнов.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Национального научного центра горного производства - Института горного дела им. А.А. Скочинского, так или иначе способствовавшим проведению работы.

Особую благодарность хочу выразить Харитонову Роману Игоревичу за предоставление программы Adobe Audition 1.5, подбор и наладку измерительной аппаратуры и неоценимую помощь в проведении экспериментов.

И, конечно, отдельную благодарность выражаю своему научному руководителю - профессору Кусову Николаю Фёдоровичу.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Борисенко, Дмитрий Иванович

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, протекает процесс трещинообразования, приводящий к возникновению и распространению в нём акустических волн.

2. Экспериментально выявлено, что акустическое излучение, возникающее в угле при трещинообразовании, вызванном горением и критическими процессами, предшествующими возгоранию угля, генерируется непрерывно, в отличие от дискретных возмущений, возникающих в пласте вследствие механического воздействия.

3. Получено, что первые вступления акустических сигналов, возникающих в угле при горении и критических процессах, предшествующих его возгоранию, лежат в килогерцовом диапазоне частоты (для исследованных углей соответственно: подмосковного бурого - от 450 до 7000 Гц и минусинского длиннопламенного - от 1700 до 6900 Гц), но обладают характерными интервалами частоты, типичными для каждого угля.

4. Экспериментально установлено сходство параметров акустических волн, генерируемых при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, и при механическом воздействии на торец образца, что свидетельствует об аналогии процессов термического и механического разрушений при указанных способах нагружения.

5. Экспериментально доказано, что в связи с широким разнообразием свойств углей целесообразно проводить экспериментальную тарировку акустических сигналов, возникающих при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, на образцах, взятых из конкретных пластов.

6. Разработаны методические положения методики предварительной тарировки, позволяющей установить особенности амплитудно-частотной характеристики первых вступлений акустических сигналов, возникающих при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию, для конкретных пластов.

7. Предложен способ обнаружения очагов пожара и зон самонагревания по регистрации акустических сигналов, возникающих при горении угля и критических процессах, предшествующих его возгоранию. Для этого предлагается использовать систему регистрации, состоящую из чувствительных элементов, каналов передачи информации и блока регистрации и принятия решения, содержащего усилители и фильтры, настраиваемые по результатам тарировки. При проведении экспериментов в настоящей диссертационной работе использовались пьезодатчики ДН-3-М1, телевизионный кабель MASTERSAT (RG-6/U) CATV 0.92m КОЗ, персональный компьютер Intel(R) Pentium(R) 4 CPU 1,72 ГГц, 256 МБ ОЗУ со звуковой картой Avance АС97 Audio. На начальном этапе предлагается применять использовавшуюся систему без изменений, в дальнейшем планируется наладить серийный выпуск специализированных приборов.

8. Разработан алгоритм определения координат очагов пожара в угольном пласте и критических процессов, предшествующих его возгоранию: а) берется образец угля из данного пласта; б) в процессе тарировки определяются параметры акустических импульсов, соответствующие горению данного образца; в) в массиве устанавливаются чувствительные элементы системы обнаружения пожаров; г) осуществляется запись акустического излучения, распространяющегося в массиве; д) выполняется обработка записанного сигнала и пеленгация очагов пожара в угле и критических процессов, предшествующих его возгоранию, являющихся источниками характерного излучения, образ которого устанавливается на этапе б по первому вступлению зависимости амплитуды от времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований получен новый эффект возникновения акустических импульсов при горении твёрдых конденсированных сред и критических процессах, предшествующих их возгоранию, что предлагается использовать для диагностики пожаров в угольных пластах.

Зная вид сигнала, возникающего при горении угля, можно настроить на него воспринимающую аппаратуру и запеленговать его источник. Поскольку источником такого сигнала является очаг пожара, с помощью предлагаемого способа можно полностью снимать картину пожара: определять сам факт пожара (горит или не горит), а также посредством известных методов пеленгации определять количество очагов пожара и координаты их местоположения.

На этапе диагностики горящего пласта по предлагаемому в диссертационной работе способу следует во всех пластах твёрдого горючего полезного ископаемого, находящихся в зоне традиционных признаков подземного пожара, установить чувствительные элементы, воспринимающие акустическое излучение, и по максимальной интенсивности характерного перманентного сигнала идентифицировать горящий пласт.

На этапе определения координат очагов пожара следует взять образец угля из горящего пласта и по алгоритму, описанному в диссертационной работе, определить параметры акустических импульсов, соответствующие горению данного образца («образ сигнала»). Далее установленными в пласте чувствительными элементами осуществляется запись акустического излучения, распространяющегося в массиве, и последующие обработка записанного сигнала и пеленгация очагов пожара и критических процессов, предшествующих возгоранию, являющихся источниками характерного излучения, образ которого устанавливается при предварительной тарировке.

Таким образом, в диссертационной работе разработаны акустические признаки горения угля и критических процессов, предшествующих его возгоранию, для разработки методических рекомендаций по идентификации процесса горения и определению координат очагов пожара и зон самонагревания в глубине угольного пласта акустическими методами, т. е. задача - разработать способ акустической идентификации горения угля для диагностики очагов пожаров в угольных пластах - решена.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Борисенко, Дмитрий Иванович, Москва

1. Козлюк А.И., Чарков В.П., Тепер В.Б. Стратегия выбора средств тушения подземных пожаров и её реализация на ЭВМ// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. - 1980. - №6. - С.13-14.

2. Казанцев В.Г., Михеева А.Б. Выбор эффективных способов пожаротушения на горных предприятиях// Безопасность горных предприятий: Сб. науч. тр. по матер, симпозиума «Неделя горняка 2006». - М.: Изд-во МГГУ.-2006.-С. 251-253.

3. Осипов С.Н., Егоров В.А., Греков С.П. О трудоёмкости ликвидаций подземных аварий// Известия вузов: Горный журнал. 1972. -№4.-С. 71-75.

4. Саранчук В.И., Стельмах А.П., Рудько С.И. Борьба с горением породных отвалов// Безопасность труда в промышленности. 1973. - №6. - С. 16-18.

5. Сурначев В.А., Зырянов К.В. Определение экономического ущерба от эндогенного подземного пожара// Безопасность труда в промышленности. 1973.-№6.-C.3Ml.

6. Портола В. А. Возникновение подземных пожаров на ликвидируемых шахтах В сб. тр. Межд. научно-практ. конф. «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности» Кемерово: ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2003. - 170 стр. С. 120.

7. Егошин В.В. «Закрытая» шахта опасна Газета «Кузбасс» № 197 (21.10.1998);

8. Handbook for coal fire investigation/ Prepared by BOSS PRO-TEC GmbH Im Anwandel 12 72459 Albstadt; Lot 1: Contract №04/KOSS 01/03/011 -Oct. 2006.-71 P.

9. Килячков А.П., Брайцев A.B. Горное дело: Учебник для техникумов. М.: Недра, 1989. - 422 с.

10. Мещеряков Б.Г., Вылегжанин В.Н. О возможности локации эндогенных пожаров в выработанном пространстве газоаналитическим методом// В сб.: Локализация и тушение подземных пожаров, вып. 9. -Кемерово: Кем. кн. изд-во, 1981. С. 103-110.

11. Некрасов В.В., Михеев О.В., Казанцев В.Г., Гук А.И., Магдыч В.И. Идентификация подземного пожара. -М.: Изд-во МГГУ, 1995. 54 стр.

12. Авт свид СССР 1574829, 5E21F5/00. №4395342/24-03; заявл. 18.03.1988; опубл. 30.06.1990. Способ автоматического обнаружения пожаров в горных выработках/ Б.С. Карлебо, И.Л. Гейхман, A.M. Онищенко,

13. В.А. Деняк и A.M. Александров// Открытия. Изобретения. 1990. - №24. - С. 134.

14. Колотушкин В.В. Исследование самовозгорания углей на шахтах подмосковного бассейна и разработка мероприятий по его предупреждению: Автореф. дисс. канд. техн. наук. -М.: МГИ, 1972. 15 с.

15. Захаров Е.И. Прогноз и обнаружение самовозгорания угля на ранней стадии его развития: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. М.: МГИ, 1989.-30 с.

16. Извещатели пожарные пламени инфракрасные серии МДП-2АСТ.Сервер Науч.-производств. Предприятия «КАСПО (Контроль Аварийных Ситуаций на Промышленных Объектах)» http://www.kaspo.scn.ru.

17. Шорин С.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1964. - 491 с.

18. Амосов А.П./ Об условии распространения горения за пределы очага воспламенения// ДАН СССР. 1978. - т. 243. - №3. - С. 673-676.

19. Кобранова В.Н., Извеков Б.И., Пацевич C.JL, Шварцман М.Д. Определение петрофизических характеристик по образцам. М.: Недра, 1977. -432 с.

20. Амосов И.И., Еремин И.В., Бабинкова Н.И., Гречишников Н.П., Прянишников В.К., Мусял С.А., Амосова Я.М. Петрографические особенности и свойства углей. М.: Изд-во АН СССР. - 1963. - 380 с.

21. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород/ Под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. М.: Недра, 1975. -279 с.

22. Назаров Л.К., Ангелова Г.К. Структура и реакции углей. София: Изд-во Болгар. АН, 1990. - 232 с.

23. Петрографические типы углей СССР/ Под ред. А.А. Любер. М.: Недра, 1975.-248 с.

24. Мильнер Г.Б. Петрография осадочных пород. Т. 1. Методы исследования осадочных пород/ Пер. с англ. М.: Недра, 1968. - 500 с.

25. Бобин В.А. О свойствах каменного угля как природного наноматериала // Горный журнал. 2005. - №4. - С.27-30.

26. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1984. - 359 с.

27. Вознесенский А.С. Системы контроля геомеханических процессов: Учебное пособие 2-е стер, изд, - М.: Изда-во МГГУ, 2002. - 152 с.

28. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Исследование зон повышенного горного давления (ПГД) в углепородных массивах сейсмоакустическим методом// Науч. сообщ./ ИГД им. А.А. Скочинского. Вып. 313. М., 1999. - С. 39^46.

29. Ракишев Б.Р., Винокуров JI.B. Пеленгация источников возмущения в массиве горных пород. Алматы: НИЦ «Былым», 2002. - 236 с.

30. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния свойств массива горных пород при разработке угольных месторождений. М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 172 с.

31. Захаров В.Н. Разработка методологии и обоснование критериев прогнозирования состояния горного массива сейсмоакустическими методами при подземной угледобыче: Автореф. . докт. техн. наук. М.: ННЦ ГП -ИГД им. А.А. Скочинского, 2003. - 37 с.

32. Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. М.: Изд-во МГГУ. -2004.-456 с.

33. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. Под ред. Григорьева B.C. и Розенберга Л.Д. Изд 2-е. М.: Изд-во Иностр лит-ры, 1957. - 762 с.

34. Шакуров Р.Ф. Исследование влияния термоакустических колебаний, генерируемых в трубе Рийке, на слоевое горение твёрдых горючих веществ: Автореф. дисс. . канд. техн. наук Казань: Казанск. Гос. Техн. Ун-т им. А.Н. Туполева, 2001. - 27 с.

35. Неустойчивость горения в жидкостных ракетных двигателях/ Под ред. Д.Т. Харрье и Ф.Г. Рирдона. Пер. с англ. М.: Мир, 1975. - 872 с.

36. Песочин В.Р. Возбуждение акустических колебаний при горении угольных частиц// Известия РАН. Энергетика. 2002. - №1. - С. 146-151.

37. Литвиненко О.В. Исследование термоакустических эффектов в кремниевых пластинах: автореф. . канд. физ.-мат. наук. Ульяновск, 2003. -18 с.

38. Аполлонов В.В., Карташов Э.М., Шмаков В.А. Динамические эффекты в твёрдых телах при их взаимодействии с интенсивными тепловыми потоками// Препр. № III. М.: ИОФ АН СССР, 1990. - 64 с.

39. Экспериментальная механика. В 2-х кн.: Кн. 2/ Пер. с англ. Под ред. А. Кобаяси. М.: Мир, 1990. - 552 с.

40. Бартенев О.А., Хамитов В.А. Применение метода акустической эмиссии для исследования фазовых превращений в сплавах: Обзор. -Заводская лаборатория. Т. 53, №6, М.: Изд-во «Металлургия», 1987. - С. 37-45.

41. Бабий В.И. Перенос акустической энергии в поглощающей и излучающей среде // Морские гидрофизические исследования. 1974. - Т. 65. -№2. - С. 189-192.

42. Пасечник В.И. Акустическая термография биологических объектов// Радиотехника. 1991. - №8. - С. 77-80.

43. Пасечник В. И. Оценка чувствительности метода акустотермографии // Акустический журнал. 1990. - №4. - С. 718-724.

44. Пасечник В. И. Акустотермография биообъектов: влияние рассеяния ультразвука и динамики температурных полей // Акустический журнал. 1990. - №5. - С. 920-629.

45. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э., Демантиенко В.В., Пасечник В.И., Рубцов А.А. О возможностях акустотермографии биологических объектов // Докл. АН СССР. 1985. - Т. 283. - №6. - С. 1495-1499.

46. Миргородский В.И., Пасечник В.И., Пешин С.В. Зондирование внутренней температуры объектов по их тепловому акустическому излучению // Докл. АН СССР. 1987. - Т. 297. - №6. - С. 1370-1372.

47. Пасечник В.И., Аносов А.А., Барабаненков Ю.Н., Бограчев К.М., Сельский А.Г. Определение глубинной температуры биологических объектов методом пассивной акустической термографии // Тр. Нижегород. акуст. научн. сессии. ННГУ, 2002. - С.375-378.

48. Пасечник В.И., Аносов А. А., Бограчев К.М. Основы и перспективы пассивной термоакустической томографии // Биомедицинская радиоэлектроника. 1999. - №2. - С.3-26.

49. Гуляев Ю.В., Бограчев К.М., Боровиков И.П., Обухов Ю.В., Пасечник В.И. Пассивная термоакустическая томография методы и подходы // Радиоэлекторника и электроника. - 1998. - Т.43. - №9. - С.1140-1146.

50. Бограчев К.М., Пасечник В.И. Метод стандартного источника в пассивной термотомографии // Акустический журнал. 1999. - Т.45. - №6. -С.742-752.

51. Бограчев К.М., Пасечник В.И. Оценки точности восстановления температуры в пассивной термоакустической томографии // Акустический журнал. 1999. - Т.45. - №6. - С.742-752.

52. Бограчев К.М., Пасечник В.И. Оценки пространственной разрешающей способности в пассивной термоакустической томографии // Акустический журнал. 2002. - Т.45. - №6. - С.742-752.

53. Новиков С.С., Рязанцев Ю.С. О взаимодействии акустических волн с горящей поверхностью конденсированных систем// ПМТФ. 1966. -№2.-С. 57-62.

54. Волков П.П., Медведев Ю.И. О взаимодействии акустических волн с горящей поверхностью твёрдых топлив при повышенных частотах// ПМТФ. 1969.-№1.-С. 96-99.

55. Белавенцев Л.П., Миллер Ю.А., Эйнер Ф.Ф. Способы обнаружения эндогенных пожаров на шахтах Кузбасса. М.: ЦНИИ экономики и научно-технической информации угольной промышленности. - 1975. - 29 с.

56. Черняк З.А. Физические свойства углей и вмещающих пород как объект аппаратурного контроля. М.: Наука, 1985. - 128 с.

57. Игишев В.Г., Зырянов К.В. Новый способ обнаружения эндогенных пожаров// В сб.: Локализация и тушение подземных пожаров, вып. 11. Кемерово: Кем. кн. изд-во, 1989. - С. 40-45.

58. Неотвержденные эпоксидные смолы// Статья из книги "Справочник по композиционным материалам". Под ред. Дж. Люблина (в прошлом научн. рук. Грумман Аэроспейс корпорейшн), США: Van Nostrand Reinhold Company Inc, 1982.

59. Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов: Курс, работа студента С.М. Иванова М.: МГОУ, 2000.

60. Основы практической теории горения: Учебное пособие для студентов вузов Под ред. В.В. Померанцева. Л.: Энергия, 1973. 264 с.

61. Лавров Н.В., Шурыгин А.П. Введение в теорию горения и газификации топлива. М.: Изд-во АН СССР (ИГИ), 1962. 216 с.

62. Яворский И.А., Алаев Г.П., Оренбах М.С., Елчина В.И. Влияние строения ископаемых углей на их горение/ Под обще. ред. И.А. Яворского. -Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1963.- 176 с.

63. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах: Учебник для вузов/ 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990.-360 с.

64. Дурилинъ П.Н. Составь и испыташе каменныхъ углей Россш. Химичесюя изсл-Ьдовашя и испыташя въ топкахъ паровыхъ котловъ. М.: Тип. М. Александровой, 1916. 150 с.

65. Оренбах М.С. Влияние выветривания на горение каменных углей Кузбасса: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Новосибирск: МЭЭИ, 1961. — 20 с.

66. Щукин П.А., Шифрин В.Б. Исследование процесса нагрева угля при внутренней и внешней передаче тепла// В кн.: Новые методы подготовки и термической переработки углей. Труды ИГИ, т. XV. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-С. 161-165.

67. Мохнашин А.Е. Исследование процесса нагрева угля газом-теплоносителем в условиях стеснённого потока/ В кн.: Новые методы подготовки и термической переработки углей. Труды ИГИ, т. XV. - М.: Изд-во АН СССР, 1961.-С. 166-172.

68. Дмитриев А.П., Гончаров С.А., Германович J1.H. Термодинамическое разрушение горных пород. М.: Недра, 1990. - 255 с.

69. Вильяме Ф.А. Теория горения/ Пер. с англ. С.С. Новикова и Ю.С. Рязанцева. -М.: Наука, 1971. 615 с.

70. Кухлинг X. Справочник по физике./ Пер. с нем. под ред. Е.М. Лейкина. М.: Мир, 1982. - 520 с.

71. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1985. - 359 с.

72. Викулов А.Г., Меснянкин С.Ю. Теплопроводность в идеальном контакте твёрдых тел// Тр. 4-ой Росс. Национ. конф. по теплообмену в 8 томах: Т.7. Радиационный и сложный теплообмен. Теплопроводность. Теплоизоляция. М.: Изд. дом МЭИ, 2006. - С. 179-182.

73. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. -М.: Недра, 1970. 164 с.

74. Чернышев С.Н. Трещины горных пород М.: Наука, 1983. - 240 с.

75. Горная энциклопедия в 5 томах. М.: Советская энциклопедия, 1984-1991.

76. Барон Л.И., Мельников А.Н. Опыт анализа колеблемости контактной прочности пород по глубине скважины// ФТПРПИ. 1971. - №6. -С. 115-117.

77. Чхетиани JI.А. Исследование влияния времени вскрытия зарядной камеры трещинами на эффективность отбойки горной массы взрывом. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1971. -16 с.

78. Позин Е.З. Исследование влияния отжима на сопротивляемость угля резанию// В кн.: Сопротивляемость горных пород разрушению при добывании. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 53-68.

79. Арнольд Л.В., Михайловский Г.А., Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов 2-е изд., перераб. М.: Высшая школа, 1979. - 446 с.

80. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978.-480 с.

81. Ельчанинов Е.А. Проблемы управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ. М.: Наука, 1989. - 240 с.

82. Кольский Г. Волны напряжения в твёрдых телах. Пер. с англ. B.C. Ленского. -М.: ИЛ. 1955. - 192 с.

83. Adobe Audition 1.5 для Windows/ Джефф Партика. Пер. с англ. Д.С. Ремизова. М.: Н Т Пресс, 2006. - 216 с.

84. Петелин Р.Ю., Петелин Ю.В. Adobe Audition. Обработка звука для цифрового видео. СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 400 с.

85. Supersil. Экологически чистые теплозвукоизоляционные иглопробивные маты из кремнеземного волокна. Зеленоград: ЗАО «РЛБ Силика», 2005. - 4 с.

86. Преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-4-М1/ Паспорт 5Ф2.781.101ПС М.:. Аренды, тип. уч-к мФ «Союз», 1991. - 33 с.

87. Бауков Ю.Н., Колодина И.В. Методы и средства геоконтроля: Методические указания по проведению лабораторных работ. Метод, пособ. для вузов. М.: Изд-во МГТУ, 2003. - 80 с.

88. Барон Л.И. О точности основных технологических показателей и инженерных расчётов процессов добычи руд// Известия АН СССР. ОТН. -1951.-№9.-С. 1346-1355.

89. Борисенко Д.И. Сравнение разрушения различных углей при горении. В кн.: Deformation & Fracture of Materials DFM2006/ Book of articles, edited by Yu. K. Kovneristiy et al. - Moscow: Interkontakt Nauka, 2006. -C. 535-537.

90. Борисенко Д.И. Возникновение акустических импульсов в угле при различных воздействиях// Деп. в ГИАБ. 2007. - №5. - 10 с.

91. Берон А.И., Ватолин Е.С., Койфман М.И., Мохначев М.П., Чирков С.Е. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения/ Под ред. А.И. Берона. М.: Недра, 1984. - 276 с.

92. Анцыферов М.С., Анцыферова Н.Г., Каган Я.Я. Сейсмоакустические исследования и проблема прогноза динамических явлений. -М: Наука, 1971.- 136 с.

93. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах/ Отв. ред. чл.-корр. АН СССР В.В. Ржевский. Л.: Наука,1978. - 230 с.

94. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов: Учебник для вузов. М: Недра, 1982. - 296 с.

95. Стаховская З.И. К вопросу возникновения предвестников разрушения в лабораторных условиях// Физика горных пород при высоких давлениях: Сб. науч. тр. М.: Наука, 1991 - С. 108-114.

96. Дяконюк В.А. Амплитудно-частотные характеристики акустического сигнала, прошедшего через выбросоопасную породу// Уголь Украины. 1991. - №2 (410). - С. 34-35.

97. Анцыферов М.С. Теория геофонов и виброметров звукового диапазона. -М.: Наука, 1976. 144 с.

98. Отчёт о НИР (заключительный) Разработка технологических схем по ведению очистных работ на мощных самовозгорающихся и газообильных пластах в сложных горно-геологических условиях/ Н.Л. Разумняк, Л.Н. Гапанович, А.В. Брайцев. Люберцы, 1993. - 81 с.

99. Кусов Н.Ф., Борисенко Д.И. Методика проведения экспериментального исследования возникновения акустических импульсов вугольном пласте при его горении// Науч. сообщ./ ННЦ ГП им. А.А. Скочинского. - М., 2007. - Вып. 333. - С. 220-221.

100. Кондратьев O.K. Сейсмические волны в поглощающих средах. -М.: Недра, 1986.- 176 с.

101. Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов O.JI. Акустический метод исследования скважин. М.: Недра, 1978. - 320 с.

102. Политехнический словарь./ Гл. ред. акад. А.Ю. Ишлинский. 2-е изд. - М.: Советская энциклопедия, 1980. - 656 с.

103. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. 2-е изд., перераб. - M.-JL: Госэнергоиздат, 1954. - 292 с.