БЕЗОПАСНОСТЬ


Оригинальная статья

 

УДК 622.272:516.02 © C.В. Черданцев, Ю.М. Филатов, П.А. Шлапаков, 2020

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Уголь № 2-2020 /1127/

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-2-27-32

 

Название

Режимы диффузионного горения мелкодисперстных пылегазовоздушных смесей в атмосфере горных выработок

 

Авторы

Черданцев С.В., доктор техн. наук, главный научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: svch01@yandex.ru

Филатов Ю.М., канд. техн. наук, генеральный директор АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: belovo-f@mail.ru

Шлапаков П.А., канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, е–mail: shlapak1978@mail.ru

 

Аннотация

В результате работы очистных и проходческих комбайнов на угольных шахтах неизбежно образуются пылегазовоздушные смеси, склонные к химическому реагированию, что может привести к процессам дефлаграции (горения) или детонации, носящих катастрофический характер. В данной работе исследуется процесс горения в горных выработках мелкодисперсных пылегазовоздушных смесей в диффузионной области. Сформулирована краевая задача для дифференциального уравнения второго порядка, в котором учтена не только молекулярная диффузия, но и конвективный массоперенос. Установлено, что в зависимости от параметров пылегазовоздушной смеси теоретически возможны три режима ее горения в диффузионной области. Однако в реальных условиях существует только единственный режим, при котором концентрация реагирующего газа в зоне горения изменяется экспоненциально. Получена формула, определяющая длину зоны горения, и построены графики её изменения в зависимости от ряда параметров пылегазовоздушных смесей.

 

Ключевые слова

Горные выработки, пылегазовоздушные смеси, диффузионная область горения, уравнение диффузии, коэффициент массообмена, число Шервуда, диффузионное число Прандтля.

 

Список литературы

1. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 502 с.

2. Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М.: Книга по требованию, 2013. 601 с.

3. Анализ процесса горения микрогетерогенных пылегазовоздушных смесей в горных выработках / С.В. Черданцев, Ли Хи Ун, Ю.М. Филатов, П.А. Шлапаков // Безопасность труда в промышленности. 2017. 11. С. 10-15.

4. Combustion of fine dispersed dust-gas-air mixtures in underground workings / S.V. Cherdantsev, L.H. Un, Yu.M. Filatov et al. // Journal of Mining Science, 2018. Vol. 54. Issue 2. Р. 339-346.

5. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Initiation of Combustion of a Gel-Like Condensed Substance by a Local Source of Limited Power // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. Vol. 90. Issue 1. Р. 206-216.

6. Frolov S.M., Basevich V.Y., Medvedev S.N. Modeling of low-temperature oxidation and combustion of droplets // Doklady Physical Chemistry. 2016. Vol. 470. N 2. P. 150-153.

7. What is burning in coal mines: methane or coal dust? / A.A. Vasilev, A.V. Pinaev, A.A. Trubisyn et al. // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2017, Vol. 53. Issue 1. Р. 8-14.

8. Amelchugov S.P., Bykov V.I., Tsybenova S.B. Spontaneous Combustion of Brown-Coal Dust. Experiment, Determination of Kinetic Parameters, and Numerical Modeling / Combustion, Explosion and Shock Waves. 2002. Vol. 38. Issue 3. Р. 295-300.

9. Анализ процесса выгорания грубодисперсных пылегазовоздушных смесей, движущихся в воздушных потоках горных выработок / С.В. Черданцев, Ли Хи Ун, Ю.М. Филатов, П.А. Шлапаков // Химическая физика и мезоскопия. 2017. № 4. С. 513-523.

10. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978. 480 с.

11. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1974. 331 с.

12. Кутателадзе С.С. Анализ подобия и физические модели. Новосибирск: Наука, 1986. 296 с.

13. Телегин А.С., Швыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г. Тепло-массоперенос. М.: Металлургия, 1995. 400 с.

14. Абрамов Ф.А. Рудничная аэрогазодинамика. М.: Недра, 1972. 356 с.

15. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. М.: Недра, 1977. 320 с.

 

Иллюстрации

Рис. 1. Зависимость концентрации реагирующего газа  от координаты

Рис. 2. Зависимость длины зоны горения пылегазовоздушных смесей от скорости воздушного потока (а) и от коэффициента диффузии (б)

Рис. 3. Зависимость длины зоны горения пылегазовоздушных смесей от величины Q (а) и от коэффициента массообмена (б)

 

Для цитирования

Черданцев С.В., Филатов Ю.М., Шлапаков П.А. Режимы диффузного горения мелкодисперсных пылегазовоздушных смесей в атмосфере горных выработок // Уголь. 2020. № 2. С. 27-32. DOI: 10.18796/0041-5790-2020-2-27-32.

 

Информация о статье

Поступила в редакцию: 05.11.2019

Одобрена рецензентами: 04.12.2019

Принята к публикации: 20.12.2019

 

РЕЦЕНЗИЯ

на статью: «Режимы диффузионного горения мелкодисперстных пылегазовоздушных смесей в атмосфере горных выработок», авторы: Черданцев С.В., Филатов Ю.М., Шлапаков П.А.

 

Рецензент

Тимошенко А.М., канд. техн. наук, исполнительный директор по промышленной и экологической безопасности в горной отрасли «АО «НЦ ВостНИИ».

 

Добыча твердых полезных ископаемых всегда сопряжена с образованием пыли различной дисперсности, которая взаимодействуя с атмосферой горных выработок, образует пылегазовоздушные смеси. Смеси, содержащие частицы угля предрасположены к химическому реагированию, которое при наличии источников зажигания переходит в режим горения.

Хорошо известно, что процесс горения смесей способен протекать в кинетической, диффузионной и промежуточной областях. Причем в промежуточной области процесс горения является неустойчивым и, в зависимости от внешних условий, скачкообразно переходит в кинетическую или диффузионную область.

Процесс горения мелкодисперсных пылегазовоздушных смесей в кинетической области авторами уже рассмотрен в ряде статей, процесс же горения в диффузионной области еще не обсуждался.

Рецензируемая статья, посвященная исследованию различных режимов диффузионного горения мелкодисперсных пылегазовоздушных смесей, и на мой взгляд, существенно расширяет наши познания в области горения.

В статье сформулирована математическая задача о массопереносе реагирующего газа, в которой учтена как молекулярная диффузия, так и конвективный массоперенос, обусловленный скоростью движения пылегазовоздушных смесей. Выполнен анализ трех режимов горения смесей в диффузионной области и показано, что в условиях горных выработок реализуется только один режим, при котором концентрация реагирующего газа изменяется в зоне горения по экспоненциальному закону. Получена формула, определяющая длину зоны горения, и выявлены некоторые закономерности ее изменения от ряда параметров мелкодисперсных пылегазовоздушных смесей.

Рецензируемая статья является актуальной и рекомендуется к опубликованию в журнале «Уголь».

 

Свежий выпуск
Партнеры