Министерство путей сообщения РФ;doc

УНИВЕРСИТЕТА
СОДЕРЖАНИЕ
ВЫДАЮЩИЙСЯ ОРГАНИЗАТОР, УЧЕНЫЙ, УЧИТЕЛЬ............................................................................б
ГАЗАЛИЕВ А.М. КарГТУ - 60. Новая парадигма инженерного образования в Карагандинском
«Политехе»............................................ ............................................................................................................... 7
РАЗДЕЛ 1. ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ ................................................... .................................... .
11
ПАК Ю.Н. КарГТУ - 60. В авангарде технического образования...........................................................................11
ЕГОРОВ В.В., СМИРНОВА Г.М., УДАРЦЕВА С.М., ГОТТИНГ В.В. КарГГУ - 60. Развитие потенциала вуза в условиях международного сотрудничества.................................................................................... 17
КУЗНЕЦОВ С.Б., КАСЯН Н.И., ЛЕПЕТУХИН Е.А., КУЗНЕЦОВА С.В. К вопросу использования
слайд-лекций в учебном процессе военных кафедр гражданского вуза.............................................................. 20
НУРГУЖИН М.Р., ДАНЕНОВА Г.Т. Применение современных информационных технологий при
подготовке инженерных кадров........................................................................................................................... 23
РАЗДЕЛ 2. МАШИНОСТРОЕНИЕ. МЕТАЛЛУРГИЯ.................................................................................27
ИСАГУЛОВ А.З., КУЛИКОВ В.Ю., КИПНИС Л.С., ЖУКЕБАЕВА Т.Ж. КарГТУ - 60. Вклад ученых
университета в развитие металлургического и литейного производства Казахстана.......................................... 27
ЖЕТЕСОВА Г.С., МУРАВЬЕВ О.П., ЖАРКЕВИЧ О.М., ТКАЧЕВА Ю.О. К вопросу выбора твердых
коррозионно-стойких покрытий для деталей горно-шахтного оборудования........................................................ 30
МУРАВЬЕВ О.П., ЕРАХТИНА А.В. Совершенствование конструкции устройства для обработки
глубоких отверстий раскатыванием..................................... ................................................................................33
ГАЗАЛИЕВ А.М., ИСИН Д.К., ЕГОРОВ В.В., ИСАГУЛОВ А.З., ИСИН Б.Д. Исследование влияния
отдельных факторов на интенсификацию процесса агломерации............. ......................................................... 36
ИСИН Д.К., БАЙСАНОВ С.О., БАЙСАНОВ А.С., ИППОЛИТОВ С.В., ИСИН Б.Д. Исследование процесса восстановления карбида кремния из кварцитов.........................................................................................41
СТАРОСТИН В.П., БЕЗКОРОВАЙНАЯ Д.Н., ЖАКСЫЛЫКОВА М.И. Исследование движения точек
четырехзвенного механизма с помощью программы «Маіһсагі»..........................................................................44
ПЕТУХОВ А.Н., МАРКОВ В.Ф., ЖЕЛОБКОВ П.С. Щековые дробилки нового поколения...................................... 46
РАЗДЕЛ 3. ГЕОТЕХНОЛОГИИ. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ..................................... 51
ИСАБЕК Т.К., ДЕМИН В.Ф. КарГТУ - 60. Научная школа академика А.С. Сагинова - становление и
развитие в современных условиях...... ................................................................................................................51
ДРИЖД Н.А., ШАРИПОВ Н.Х., АХМАТНУРОВ Д.Р, КарГТУ - 60. Научно-технологическое обеспечение развития угольной отрасли Карагандинской области................................................................................ 54
ДРИЖД Н.А., ШАРИПОВ Н.Х., АХМАТНУРОВ Д.Р., ШМИДТ И.М. КарГТУ - 60. Угольный метан,
история, проблемы, перспективы добычи и использования................................................................................. 59
АГЕЕВ В.Г., ГРЕКОВ С.П., ЗИНЧЕНКО И.Н., ПЛОТНИКОВ В.М. Численные и натурные эксперименты по гашению ударных волн в горных выработках огнетушащими порошками............................................. 63
ДЕМИН В.Ф., МАПЬЧЕНКО Т.Д., ДЕМИНА Т.В., ИСКАКОВ А.А. Смещения пород на сопряжениях
выработок, подверженных влиянию очистных работ........................................................................ я................. 66
АХМЕДЕНОВ К.М., ЖАНТАСОВА Г.М. Современное состояние родниковых урочищ ЗападноКазахстанской области........................................................................................................................................ 70
2 * 2013
3
Раздел «Геотехнологии. Безопасность Жизнедеятельности»
УДК 622.868.42:[001.891.54:5]
Численные и натурные эксперименты
по гашению ударных өолн е горных
выработках огнетуиіащими порошками
B.Г. АГЕЕВ, директ ор НИИГД «Респиратор»,
C.П. ГРЕКОВ, д.т.н., зам ест ит ель заведую щ его от делом НИИГД «Респиратор»,
И.Н. ЗИНЧЕНКО, к.т.н., ведущ ий инженер НИИГД «Респиратор»,
В.М. ПЛОТНШ ОВ, д. т.н., начальник от дела инж енерного обеспечения РГКП ВАСС «Кәмір»
МЧС Республики Казахстан
Ключевые слова: газ, волна, пламягашение, материал, взрыв, ингибирование, огнепреграждение, заслон,
датчик, концентрация, метан.
моделирования гашения ударных волн огнетуД ляшащими
порошками использована разработанная
НИИГД математическая модель формирования и распространения ударных волн в сети выработок угольных шахт при взрывах метана и угольной пыли [1].
Поскольку газы при болыних скоростях являются
сжимаемыми, использованы уравнения, описывающие
их течения в сокращённой записи, что очень удобно
для изложения и оценки численных схем решения.
Сокращённая запись уравнений течения газов может
быть представлена в одномерной постановке
дІІдҒ
---- + — + 0 = к — гді
дх
ох
<о
Здесь функции Ц Ғ, С представляют собой упорядоченные наборы основных переменных и выглядят
таким образом [2]:
Р
£/ = • ри
ри
ғ = . Р + ри2
и [Е + (у -1 )Р ]
Е
С
ри\и\
(2)
2 уі8
.4 а
( у - і ) М Т - То ) Н Ч2 - ^ ) ]
I - время, с;
х —координата, направленная вдоль оси выработки, м.
Входящий в правую часть коэффициент к (м2/с)
представляет собой коэффициент схемной диффузии
массы газов, вязкости и диссипации энергии и используется при численных расчётах для погашения осцилляхцій этих величин.
Полная энергия смеси газов может быть представлена в виде суммы статической и кинетической энергий
Е = Р + (у -1 )
2 * 2013
(3)
где у - ср/с„ - отношение теплоёмкостей газов (для
воздуха у = 1,4).
Анализ слагаемых в правой части формулы (3)
показывает, что при дозвуковых течениях газов второе слагаемое составляет максимум 20 % даже при
скорости движения газов 300 м/с. При этом расчётное
значение давления, найденное согласно (3), будет несколько уменыпаться с увеличением кинетической
энергии.
При расчётах удобно пользоваться относительными величинами плотности газов, давления, температуры, массовой скорости движения газов и полной энергии, а именно
р = р / р 0; Р = Р /Р 0; Т = Т/Т0; Е = Е / Р 0,
й = р и / р 0с; х = х / А х ;
где р - плотность газовоздушной смеси, кг/м3;
и —продольная составляющая скорости смеси газов вдоль оси выработки, м/с;
Р - давление, Па;
Е - полная энергия потока газов, Па;
Т - температура смеси газов, К;
7о - температура окружающего массива, К;
Яо —коэффициент трения газов о стенки выработки;
а - коэффициент теплообмена со стенками выработки, Вт/(м2-К);
<7і —интенсивность выделения тепла при детонационном горении, Вт/м3;
интенсивность поглощения тепла пламягасящим порошком на заданном участке выработки,
Вт/м3;
ри
(=і/Аі,
(4)
где Ах - шаг по длине, м;
Аі - шаг по времени, с.
Здесь с - скорость, близкая к скорости звука при
нормальных условиях и равная (м/с)
( 5)
где ро - плотность газовоздушной смеси при нормальных условиях, кг/м3;
Р0 - давление при нормальных условиях, Па.
Вводя безразмерные параметры, представим систему уравнений (1) и (2) в виде
ӘІ/ _ ,д Ғ
~ = + Си{— + С)
ді
дх
ЬСиЩ .
дх '
(6)
63
и
р
й ; Ғ = - Р + й 2/ р
Р
й[(у - \)й 2 / р 2 + у Р / р ]
0
0 = ' Яй \ й \ / р
}>.
(7)
а ( Р / р - \ ) + я2 -я^
Здесь, как и в работе [3], принято в первом приближении в первой колонке третьей строки Е ~ Р .
Параметр Си = сАі/Лх означает число Куранта и выбирается из условия устойчивости выбранной расчётной
схемы.
Входящие в третью матрицу безразмерные параметры означают
-х-
ЯАх
_
(ү-\)пАх
—_ М.У ~ \)аАх
Рос'
Яі
_
(г-\)пАх
(»)
...ц; Яі“ — —
гг— ^2>
р 0сВТ0
РвсВТ0
где В - газовая постоянная в уравнении состояния газов, Дж/(кг К).
Входящее в безразмерные параметры количество
шагов по времени выбирается, исходя из длины зоны
горения и длины зоны действия огнетушащего порошка.
Для численного расчёта ударных волн используем
явную схему с центральными разностями по пространству [2]. Уравнение (6) в конечных разностях
имеет вид
*с'
СиО" +
+ си (к _ ]
+ к си (р :_ 1-20"т +й : +1).
( 9)
Входящим в формулы (7) функциям плотности,
скорости и давления присваиваются соответствующие, как и в (9), индексы шагов п по времени и шагов
т по длине выработки.
В качестве краевых условий используются условия неизменности параметров вначале и на границах
ддя сквозной выработки. В результате можно принять
—Н+1 і .
р 0 = *; р п
м = і;
й° =0:
= 0; < =0;
( 10)
р° = 1- 1Р"*'
= А’1- Л Г = 1.
0
Здесь индекс «М» означает правую узловую точку
на выходе из выработки.
Для тупиковой выработки изменятся лишь граничные условия у забоя из-за непроницаемости стенок. Поэтому для плотности и давления здесь можно
принять
1 т
ро"+’ = р Г ;
=
(і і )
Преимущество предлагаемой схемы численных
расчётов, по сравнению с известной схемой [4], заключается в том, что в формулы введен коэффициент
схемной диффузии массы, вязкости и диссипация
энергии для погашения осцилляций, обязательно возникающих и искажающих конфигурацию ударных
волн. Как отмечается [2], эти осцилляции присущи
64
явным схемам, использующим аппроксимации второго порядка точности по пространственной координате
при сверхзвуковых течениях газов и должны погашаться введением схемного коэффициента.
Действие распыляемой инертной пыли основано
на огнетушащей её способности, приводящей к
уменьшению интенсивности горения.
Как считается [5], основными механизмами порошкового тушения пламени являются: 1) гетерогенное ингибирование, 2) охлаждение как огнепреграждение и 3) гомогенное ингибирование продуктами испарения или разложения. Эти три фактора не только
дополняют друг друга, но и зависят друг от друга. Так,
гетерогенное ингибирование зависит от степени прогрева частиц порошка, а огнепреграждение является
уже результатом объёмного охлаждения потока газов
и эффектом гетерогенного ингибирования. При этом
вопрос состоит ещё в том, успевают ли часі ицы порошка прогреться в пламени и испариться за короткое
время.
Поэтому при математическом моделировании гашения ударных волн сланцевыми заслонами будем
исходить из того, что в этом случае аэродинамическое
сопротивление выработки уменъшается незначительно, и коэффициент теплообмена с окружающим массивом остаётся прежним. Зато основными факторами
пламягашения являются уже перечисленные выше
факторы.
Для сравнения численных экспериментов с натурными экспериментами использованы данные работы
[5]. В качестве инертной пыли - порошка использовался огнегасящий порошок на основе фосфата аммония, выпускаемый под фирменным названием ірополяр. Эксперименты по гашению ударных волн порошком трополяр при взрывах метана проводились в тупиковой выработке длиною 700 м и площадью поперечного сечения 8 м2. Заслоны с сосудами с порошком
были расположены на боковых стенках выработки на
58-м и 62-м метрах от забоя штрека. Всего было с порошком 20 сосудов по 6 кг в каждом. Метановоздушной смесью заполнялись первые 72 м штрека, а инициатор взрыва находился в самом тупике. Взрывы метана производились при концентрациях метана 9% и
12%, чтобы установить разницу в их интенсивности
при стехиометрической смеси и смеси, близкой к
верхнему пределу взрываемости.
На рисунке 1 представлены результаты численных
и натурных экспериментов гашения ударных волн пылевым заслоном при взрыве метана с концентрацией 9
%.
Как показывают результаты сравнения численного
эксперимента с натурным, наблюдается некоторое
несовпадение данных на начальном участке. Так, не
совпадает положение их максимумов: 50 м экспериментальные точки и 100 м - данные расчётов. В то же
время указывается, что в нулевом эксперименте пламя
взрыва распространялось на 250 м, что вызывает
большие сомнения. Не ясно, как в этом случае могло
уменынаться давление, начиная с 50 м, когда с учётом
длины загазованной зоны и проскока пламени оно
должно быть больше 72 м. Поэтому при математическом моделировании пришлось сдвинуть максимум на
Труды университета
Раздел «Геотехнологии. Безопасность іһизнедеятельности»
50 м, чтобы удовлетворительно согласовать расчётные
и экспериментальные данные, принимая при нулевом
эксперименте X = 0,05; а = 0,001; ?/" = 2пһхЫ& на
длине 100 м.
Как видно (см. рисунок 1), гашение ударной волны порошковым заслоном привело к уменьгаению
максимутма давления с 6,4 (7,4) МПа до 5(4,7) МПа.
Здесь в скобках указаны расчётные значения давления. При этом, начиная со 150-250 м расчётные данные и натурные результаты измерения удовлетворительно согласуются друг с другом, если принять что
интенсивность цепного горения уменьшилась до величины д ” = 1,ЗпАх/ЧЯ на длине 100 м.
8
Более согласованными результатами сравнения
расчётных и экспериментальных данных являются
результаты, полученные при рассмотрении гашения
ударной волны огнегасяшим порошком в эксперименте
при взрыве метана с 12 % концентрацией (рисунок 2).
Здесь видно, что положения расчётных и фактических максимумов, а также их значения полностью совпадают, как в нулевом эксперименте, так и при гашении ударных волн порошком. Кроме того, удовлетворительное согласование данных численных и натур-
ных экгаериментов каблюдается на всём \'частке от
забоя штрека до 700 м как в нулевом эксперименте,
так и при гашении ударных волн огнегасящим порошком. При этом была принята начальная интенсивность
Р/Ро
6.5
3.5
2.5
1.5
0,5
0
->
0
------------------ ------------------ ------------------н------- ------------------1-------- 1---------1----------------- -і х, м
50
100
150 200
250 300 350
400 450 500 550 600 650
700
Рисунок 1 - Гашение ударньгх волн огнегасящим порошком при взрыве метана с концентрацией 9 %
(штриховая линия - нулевой эксперимент, сплошная линия - гашение порошком)
Р /Р о -1
Рисунок 2 - Гашение ударных волн огнегасящим порошком нри взрыве метана с концентрацией 12 %
(штриховая линия - нулевой эксперимент, сплошная линия —гашение порошком)
2 * 2013
65
цепного горения, равная ц* = 2,5пАх/'І8 на дпине 100
м, а затем уменьшена до
= 0,8лДхА/5.
Как отмечается [5], не было существенного различия по мощности взрыва между смесями газов с 9 % и
12 % концентрациями метана, что и показывают данные, приведенные на рисунках 1 и 2. Так, можно гіринять в среднем интенсивность цепного горения д" =
2,25 пАх/^ІЗ на длине 100 м при длине загазованной
зоны 70 м. В то же время при гашении ударных волн
огнегасящим порошком в количестве 120 кг (20 сосудов по 6 кг) можно принять в среднем интенсивность
цепного горения равной ц п
т = 1,1 пАх/^8.
Таким образом, эффективность заслонов на основе
пламегасящего порошка подгверждается не только
численными экспериментами, но также и многочисленными экспериментами, проведенными в шахтных
условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агеев В.Г. Моделирование наложения и взаимодействия ударных волн на пути их движения при повторных взрывах /
B.Г.Агеев, И.Н. Зинченко // Физико-технические проблемы горного производства / НФГП НАНУ, Донецк, 2012. Вып. 15.
C. 111-117.
2. Роуч П. Нычислительная гидродинамика / П. Роуч. М.: Мир, 1980. 616 с.
3. Кепігег С.Р. Сотриіаііопз оҒ Ііте (Іерепіепі Яоүуз оп ап іпйпііе сіотаіп. - АІАА Раре N 0. 70-45. АІАА 8іһ Аегокрасе 8сіепсе§ Мееііп§. Ыел’Үогк / .Іапиагу 19-21. 1970.
4. Палеев Д. Ю. Математическое моделирование активного воздействия на взрывоопасные области и очаги горения в
угольных шахтах / Д.Ю. Палеев, О.П. Брабандер // Томск: Изд-во Томского университета, 1999. 199 с.
5. Дрижд Н.А. Инженерные системы взрывоподавления на горных предприятиях / Н.А. Дрижд, В.М. Плотников,
В.С. Харьковский. Караганда: КарГТУ, 2010. 173 с.
УДК 622.831
Смещения пород на сопряжениях
выработок, подверженных влиянию
очистных работ
В.Ф. ДЕМИН, д. т.н., профессор,
Т.Д. МАЛЬЧЕНКО, ст. преподавателъ,
Т.В. ДЕМИНА, к.т.н., ст. преподавателъ,
А.А. ИСКАКОВ, магистр,
К арагандинский государст венны й техническийуниверситет, кафедра РМПИ
Юіючевые слоеа: геомеханика, сдвижение, анкер, крепъ, фактор, эффективностъ, исследование, выработка, крегиіение.
роль в повышении эффективности горного
Важную
производства имеет решение проблемы совершенствования технологических схем возведения и элементов крепления с учетом геомеханических особенностей поведения вмещающих пород. При этом необходимо учитывать то, что от параметров крепления
выработки зависит их устойчивость поддержания, которое требует затрат на ремонт выработок как до, так
и после ввода их в эксплуатацию до 15-20 % от стоимости проведения.
Одной из основных причин потери устойчивости
породных обнажений в горных выработках и увеличения затрат на их крепление, в особенности с углублением горных работ, является недостаточная изученность геомеханических процессов в приконтурных
породах. Сложность задачи по повышеншо устойчивости породных обнажений горизонтальных горных
выработок на шахтах в значительной мере обусловлена большим разнообразием горно-геологических условий —по мощности и углу падения пластов, строе-
66
нию и прочности вмещающих пород, условиям залегания и др.
Анализ технологических схем возведения анкерной крепи в горных выработках показал, что к настоящему времени в мировой практике накоплен достаточный опыт их применения. Однако, как показывают
натурные наблюдения, состояние горных выработок,
особенно выемочных, не всегда удовлетворительное.
С целью изучения особенностей деформирования
породного массива, вмещающего выработки, закрепленные с применением анкерной крепи, особенно на
сопряжениях были проведены шахтные наблюдения
на комплексных замерных станциях, оборудованных
глубинными и контурными реперами на шахте им.
Костенко Карагандинского угольного бассейна.
Условия поддержания выработок с различными
видами крепления в зоне влияния очистных работ исследованы на примере венгиляционного штрека 46к(-з
лавы на шахте им. Костенко УД АО «АрселорМиттал
Темиртау». Вынимаемая мощность пласта к^ на за-
Труды университета