WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ГОВОРУХИН Юрий Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (горная промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Кемерово 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» – ФГБОУ ВПО «СибГИУ» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Фрянов Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: Белавенцев Лев Петрович доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности» Попов Валерий Борисович доктор технических наук, директор ЭО ООО «Центр независимой экспертизы» Ведущая организация – ОАО «Объединенная Угольная компания «Южкузбассуголь»

Защита диссертации состоится «10» мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 520.063.01 при ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности» по адресу: 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НЦ ВостНИИ».

Автореферат разослан __ _________ 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ДМ 520.063.01, д-р техн. наук, проф.

Ли Хи Ун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сложенное из обрушенных блоков и разрыхленных пород основной и непосредственной кровли очистное выработанное пространство угольных шахт представляет собой высокопроницаемую среду.

Аэродинамические сопротивления определяют объёмы неконтролируемых потоков воздуха в обрушенной породной среде, которая может содержать значительное количество разрыхленного угля в виде потерь, в частности, при переходе дизъюнктивных нарушений. При определённых условиях и свойствах угля могут начаться окислительные процессы, и при накоплении тепла возможно самовозгорание угля, что зачастую приводит к взрывам как в самом выработанном пространстве, так и в примыкающих к нему горных выработках, последнее сопряжено с тяжкими последствиями.

С процессами самовозгорания угля в выработанном пространстве связан ряд крупных техногенных аварий, произошедших на шахтах юга Кузбасса (ОАО «Шахта «Распадская» ОАО «РУК», филиал «Шахта «Кушеяковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»). Поэтому разработка метода оценки параметров воздухораспределения в выработанном пространстве для выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» и перевода их в неопасную зону за счёт управления фильтрационными потоками воздуха является актуальной научно-технической задачей.

Автор выражает благодарность канд.техн.наук Криволапову В.Г. за методическую помощь в проведении исследований, полезные замечания и ценные советы.

Научная работа выполнена в рамках: Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы» по государственному контракту № П41; договора №32-11 «Локальный контроль состояния горного массива лавы 3-32 филиала «Шахта «Алардинская» ОАО «Объединённая угольная компания «Южкузбассуголь» на предмет возникновения горных ударов посредством геофизических и сейсмоакустических наблюдений согласно РД 05-328 и изменений в параграф № 41 ПБ 05618-03».

Объектом исследований являются фильтрационные потоки в выработанном пространстве выемочных участков на пологих пластах угольных шахт.

Предметом исследований являются закономерности фильтрации воздушных потоков в выработанном пространстве.

Целью работы является создание условий для повышения пожарной и промышленной безопасности технологических процессов в угольных шахтах путём разработки метода, обеспечивающего снижение скорости процессов окисления угля в выработанных пространствах.

Идея работы заключается в торможении процесса окисления угля в выработанном пространстве путём выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» и перевода их в неопасную зону за счёт управления фильтрационными потоками воздуха.

Для достижения поставленной цели в рамках данной диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследований:

1. Проанализировать состояние и обосновать перспективные методы, обеспечивающие снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов в угольных шахтах.

2. Разработать метод оценки параметров фильтрационных потоков в выработанном пространстве пологих пластов средней мощности шахт Кузбасса.

3. Разработать алгоритм интегрирования модели выработанного пространства в модель шахтной вентиляционной сети для горно-геологических условий пологих пластов средней мощности шахт Кузбасса.

4. Разработать аэродинамический способ торможения процессов окисления угля на основе разработанного метода оценки параметров воздухораспределения.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: сравнительный анализ фактических и расчётных данных состояния рудничной атмосферы на выемочном участке; системный анализ результатов научных исследований предшественников; численное моделирование методом конечных элементов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выработанное пространство является высокопроницаемой средой, характер распределения фильтрационных потоков в которой оказывает существенное влияние на безопасность технологических процессов на выемочном участке.

2. Параметры фильтрационных потоков в выработанном пространстве зависят от характера распределения коэффициента разрыхления горных пород и закономерностей их уплотнения.

3. Модель выработанного пространства, представленная как математически дезинтегрированная среда, в модели шахтной вентиляционной сети позволяет прогнозировать распределение фильтрационных параметров обрушенных пород.

4. Снижение скорости окислительных процессов достигается при использовании разработанного аэродинамического способа торможения процесса окисления угля, включающего прогноз, текущий контроль и управление объёмами фильтрационных потоков.

Научная новизна работы:

– разработан алгоритм анализа результатов мониторинга рудничной атмосферы, отличающийся оперативностью получения информации, обеспечивающий внесение текущих корректировок в модель по мере отработки выемочного столба;

– синтезирован метод оценки параметров фильтрационных потоков в зоне обрушения, отличающийся возможностью его применения в горногеологических и горнотехнических условиях пологих пластов средней мощности Кузбасса, обеспечивающий прогноз распределения фильтрационных потоков в обрушенной среде;

– разработана модель выработанного пространства, отличающаяся возможностью его интегрирования в расчётные схемы воздухораспределения на выемочном участке, обеспечивающая повышение достоверности вентиляционных расчётов;

– сформированы рекомендации по обеспечению аэродинамического способа торможения процесса окисления угля, отличающиеся оптимизированными параметрами проветривания и возможностью прогноза и контроля объёмов фильтрационных потоков в выработанном пространстве.

Отличие от ранее выполненных работ заключается в том, что модель выработанного пространства представлена математически как дезинтегрированная среда, в которой изменяющиеся по мере отработки выемочного столба аэродинамические сопротивления определяются численным методом конечных элементов.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

– использованием представительного объёма шахтной информации (планы горных работ, проекты вентиляции выемочных участков, стратиграфические колонки геологических скважин, результаты мониторинга шахтной атмосферы в течение 5 месяцев на двух шахтах и пр.);

– развитием и применением сертифицированного авторского программного комплекса «Геомеханика» посредством разработки и реализации подпрограммы «Аэродинамика».

Личный вклад автора состоит в:

– разработке и реализации методики исследования, анализе и обобщении результатов мониторинга шахтной атмосферы по филиалам «Шахта «Абашевская» и «Шахта «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»;

– синтезе алгоритма расчёта аэродинамических сопротивлений выработанного пространства для горно-геологических и горнотехнических условий пологих пластов средней мощности Кузбасса;

– разработке подпрограммы «Аэродинамика» в целях адаптации авторского программного комплекса «Геомеханика» для прогноза проницаемости выработанного пространства;

– установлении возможности управления фильтрационными потоками воздуха в выработанном пространстве для предупреждения окислительных процессов угля.

Научное значение работы состоит в развитии теоретических основ, создании алгоритма, модели и компьютерной программы для оценки численных параметров фильтрации воздушных потоков через дезинтегрированную среду выработанного пространства.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:

– адаптировать модели выработанных пространств к конкретным условиям и повысить достоверность вентиляционных расчётов;

– использовать полученный метод прогноза параметров фильтрационных потоков: в программных комплексах по расчёту воздухораспределения (например «Вентиляция») и для расчёта воздухораспределения только в выработанном пространстве, например с помощью офисных программ (OpenOffice.org Calc, Microsoft Office Excel);

– интегрировать модель выработанного пространства в математическую модель шахтной вентиляционной сети;

– разрабатывать аэродинамические способы торможения процесса окисления угля, обеспечивающие повышение пожарной и промышленной безопасности на угольных предприятиях.

Реализация работы. Результаты исследований приняты для реализации в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета. Алгоритм метода оценки аэродинамических параметров использован в программном комплексе «Вентиляция».

Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы доложены и обсуждены на Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2010-2011 гг.), Региональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы добычи и переработки угля в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2011 г.).

Публикации.

По исследуемой теме автором опубликовано 10 печатных работ (3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), отражающих основное содержание диссертационной работы.

Структура и объём работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложена на 126 страницах, содержит 56 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Изучению геомеханических процессов при отработке выемочного столба и процессов фильтрации воздуха через обрушенную среду выработанного пространства посвятили свои работы известные отечественные учёные:

Ф.А. Абрамов, С.Г. Авершин, Л.П. Белавенцев, А.А. Борисов, Е.И. Глузберг, Н.Ф. Гращенков, Е.П. Евтушенко, В.Г. Игишев, Н.О. Каледина, А.М. Карпов, Ф.С. Клебанов, В.А. Колмаков, Г.Н. Кузнецов, С.Т. Кузнецов, Н.И. Линденау, В.М. Маевская, И.Д. Мащенко, А.Ф. Милетич, В.И. Мурашев, А.А. Мясников, Д.Ю. Палеев, Г.Я. Полевщиков, И.М. Печук, В.Б. Попов, Л.А. Пучков, В.Д. Слесарев, Г.Г. Стекольщиков, Б.Г. Тарасов, А.М. Тимошенко, К.З. Ушаков и др.

Содержание диссертационной работы представлено в автореферате в последовательности защищаемых научных положений.

1. Выработанное пространство является высокопроницаемой средой, характер распределения фильтрационных потоков в которой оказывает существенное влияние на безопасность технологических процессов на выемочном участке.

Для оценки влияния выработанного пространства на вентиляционные процессы выемочного участка проведены сбор, анализ и обобщение результатов мониторинга параметров шахтной атмосферы (системы АСКУ Davis Derby) филиалов «Шахта «Абашевская» и «Шахта «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь». Влияние обрушенной среды на состояние рудничной атмосферы рассмотрено на примере метана. Сравнение фактических и расчётных значений объёмного расхода метана, полученных по «Инструкции по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок» (далее «Инструкция…»), представлено на рисунке 1.

Как видно из рисунка 1, фактические максимальные объёмные расходы метана на газоотсасывающих установках, т.е. метановыделение в выработанное пространство из пластов-спутников, газоносных вмещающих горных пород и отрываемой части метановоздушной смеси из очистного забоя, больше расчётных, что подтверждает существенное влияние распределения фильтрационных потоков на состояние промышленной безопасности технологических процессов.

Выработанное пространство - это составная часть шахтной вентиляционной сети действующей шахты, оно имеет аэродинамическую связь с горными выработками выемочного участка, поэтому его необходимо интегрировать в модель шахтной вентиляционной сети в целях:

- прогноза, текущего контроля объёмов фильтрационных потоков в обрушенной среде;

- выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух»;

- разработки различных горнотехнических решений для снижения скорости окислительных процессов.

а б Рисунок 1 – Сравнение расчётной и фактической абсолютной метанообильности: а – выемочный участок 16-17 филиала «Шахта «Абашевская»; б – выемочный участок 1-1-5-6 бис филиала «Шахта «Осинниковская»; 1 – фактический расход метана на газоотсасывающих установках; 2 – расчётное газовыделение в выработанное пространство, полученное по «Инструкции…»; 3 – фактический расход метана на исходящей струе, соответствующий максимальному расходу метана на газоотсасывающих установках; 4 – расчётное газовыделение в очистную выработку (исходящая струя), полученное по «Инструкции…» 2. Параметры фильтрационных потоков в выработанном пространстве зависят от характера распределения коэффициента разрыхления горных пород и закономерностей их уплотнения.

Фильтрационные потоки в обрушенных горных породах описываются общеизвестными уравнениями турбулентной фильтрации, которые для случая прямолинейного движения по осям x, y, z в декартовой системе координат приводятся к общепринятому виду двучленного закона сопротивления:

P µ P µ P µ = - + U ux; = - + U uy ; = - + U uz, (1) x k l y k l z k l где P – давление газа, Па; – плотность воздуха, кг/м3; ux, uy, uz – проекции вектора фильтрационной скорости газа U на оси декартовой системы координат, м/с; µ – коэффициент динамической вязкости газа, Па·с; k – коэффициент проницаемости пород, м2; l – коэффициент макрошероховатости, м.

Для расчёта коэффициента проницаемости обрушенных и деформированных пород выбрана модель фиктивной породы, сложенной из «кубов с шероховатыми гранями» (Б.Г. Тарасов – И.Д. Мащенко). В этом случае коэффициент проницаемости определяется по формуле 2 dU m0 ± 3 dx 2 k = 3,2 dэ 104 , (2) dU 1± dx где k – коэффициент проницаемости пород, Д (1 Д = 0,9869·10-12 м2); dэ – параметр, характеризующий размеры отдельностей среды, мм; m0 – начальная поdU ристость вмещающих пород, доли ед.; – величина деформации, принятая со dx знаком «+» при расширении и со знаком «–» при сжатии среды.

В работе принято, в целях определения коэффициента проницаемости в dU зоне обрушения горных пород вместо деформаций использовать разность dx kр -1, где kр - коэффициент разрыхления, в связи с тем, что при обрушении ( ) породы разламываются на отдельные куски, хаотически расположенные относительно друг друга, со сравнительно значительными объёмами пустого пространства в местах «гребней».

Коэффициент макрошероховатости рассчитан по формуле М.Д. Миллионщикова:

k =, (3) mгде k – коэффициент проницаемости пород, м2; m1 – пористость деформированной среды, доли ед.

Скорость фильтрации определена по формуле А.А. Мясникова:

µ µ P - + + 4 k k l x P U = sgn, (4) x 2 l где k – коэффициент проницаемости пород, м2.

Так как при дальнейшем ведении очистных работ процесс сдвижения массива продолжается и происходит уплотнение обрушенных и разрыхленных пород, то для расчёта адекватных аэродинамических сопротивлений необходима оценка коэффициента уплотнения.

3. Модель выработанного пространства, представленная как математически дезинтегрированная среда, в модели шахтной вентиляционной сети позволяет прогнозировать распределение фильтрационных параметров обрушенных пород.

Для определения коэффициентов проницаемости и макрошероховатости обрушенной среды проведено численное моделирование геомеханических процессов, происходящих в углепородном массиве по мере отработки выемочного столба, в целях расчёта коэффициентов остаточной прочности, разрыхления и уплотнения (принят авторский программный комплекс «Геомеханика»). Указанная программа адаптирована для выработанного пространства как объекта исследования в филиалах ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» – «Шахта «Осинниковская» и «Шахта «Абашевская».

Математическое моделирование осуществлено для условий выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская». В связи с тем, что программный комплекс «Геомеханика» решает двухмерную задачу, то при моделировании для оценки поведения горных пород рассмотрено два главных сечения зоны сдвижения (по линии движения (а) и перпендикулярное линии движения очистного забоя (б), как показано на рисунке 2).

Для подготовки исходных данных, характеризующих горногеологические параметры, выбрано восемь разведочных скважин, расположенных в пределах, а также в непосредственной близости от выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская». Интерполирование данных скважин позволило получить детальное строение углевмещающей толщи и составить стратиграфические колонки для каждого из главных сечений зоны сдвижения.

При моделировании процессов обрушения в программном комплексе «Геомеханика» сделано допущение, что при прогибе слоёв горных пород и достижении ими предела упругости происходит упруго-пластическое разрушение.

В качестве критерия для установления шага обрушения пород использован коэффициент остаточной прочности, который определяется как отношение паспортной прочности к новой в деформированном массиве. Согласно рекомендациям А.А. Борисова, при потере породами прочности более чем на 20 % происходит их разрушение.

Моделирование осуществлялось с шагом суточного подвигания очистного забоя. По результатам моделирования определены шаги обрушения каждого слоя пород кровли, которые формируют зону обрушения (рисунки 3-5). На рисунке 3 граница зоны с коэффициентом остаточной прочности пород меньшим 0,8 обозначена пунктирной линией. На рисунке 5 серым цветом выделена область изменения коэффициента остаточной прочности.

Рисунок 2 – Главные сечения зоны сдвижения (а – по линии движения очистного забоя, б – перпендикулярное линии движения очистного забоя); 1 – очистной забой; 2 – конвейерный штрек; 3 – погашенная часть конвейерного штрека; 4 – вентиляционный штрек; 5 – сохраняемая часть вентиляционного штрека; 6 – монтажная камера; 7 – направление подвигания очистного забоя; в – плоскость пласта; Lоп – ширина зоны опорного горного давления Рисунок 3 – Распределение коэффициента остаточной прочности по главному сечению зоны сдвижения по линии движения очистного забоя при длине выработанного пространства 29,3 м, положение очистного забоя -370,7 м (пунктирная линия – изолиния с коэффициентом остаточной прочности 0,8); 1 – выработанное пространство; 2 – направление подвигания очистного забоя Рисунок 4 – Последовательность обрушения подслоёв мелкозернистого алевролита при длине выработанного пространства 29,3 м: римскими цифрами обозначена последовательность обрушения каждого подслоя, арабскими – шаг обрушения (главное сечение зоны сдвижения по линии движения очистного забоя);

1 – направление подвигания очистного забоя Рисунок 5 – Изменение коэффициента остаточной прочности пород 1-го подслоя кровли при длине выработанного пространства 29,3 м для главного сечения зоны сдвижения по линии движения очистного забоя На основе анализа проведённых исследований процессов разрыхления принят максимальный коэффициент разрыхления kрmax для пластов средней мощности (таблица 1).

Таблица 1 – Максимальный коэффициент разрыхления kрmax при обрушении кровли для пологих пластов Кузбасса средней мощности Вынимаемая мощность Максимальный коэффициент разрыхления пласта, м при обрушении 1,2 … 2,0 1,2,0 … 3,0 2,3,0… 3,5 2,В качестве критерия для определения границы между зоной обрушения и зоной трещин и разломов для условий выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» выбран коэффициент разрыхления 1,1. В связи с тем, что основные фильтрационные потоки происходят в зоне обрушения горных пород, рассматривать вышележащий массив нет необходимости. Принято, что коэффициент разрыхления плавно уменьшается со снижением высоты обрушения по линейной зависимости (таблица 2).

Таблица 2 – Рассчитанное по линейной зависимости распределение коэффициента разрыхления kр в зоне обрушения для условий Кузбасса Отношение свободного проКоэффициент разрыхления kр странства к мощности обрушившегося слоя hс / mобр.сл при kрmax =1,8 при kрmax = 2,0 при kрmax = 2,2,3 и более 1,8 2,0 2,1,5…2,29 1,65 1,8 1,0,75…1,49 1,4 1,5 1,0,5…0,74 1,2 1,3 1,0,2…0,49 1,15 1,15 1,до 0,19 1,1 1,1,Примечание: hс – свободное пространство, м; mобр.сл – мощность обрушившегося слоя, м.

Свободное пространство hс после обрушения первого слоя пород кровли определено по следующей формуле:

hс = mвын.м - mобр.сл (k -1), (5) р где mвын.м – вынимаемая мощность пласта, м.

По результатам моделирования высота зоны обрушения для условий выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» составила 6,85 м, т.е.

3,87 mвын.м (рисунок 6).

Рисунок 6 – Изменение коэффициента разрыхления пород в зоне обрушения для условий выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» Продолжительность уплотнения обрушенных горных пород приравнена к продолжительности активной стадии процесса сдвижения массива. Максимальная деформация, которая произойдёт с разрыхленными породами при уплотнении, по результатам исследований отечественных учёных Авершина С.Г., Борисова А.А., Кузнецова Г.Н., Кузнецова С.Т., Мурашева В.И., определена из формулы k -р =, (6) m k р где kр – коэффициент разрыхления, доли ед.

В работе принято, что зона сдвижения массива формируется в виде эллипсоида и уплотнение разрыхленных пород в зоне обрушения начинается после обрушения её верхнего слоя (рисунок 7).

Рисунок 7 – Принятая концептуальная схема первичного и последующего шагов обрушения верхнего слоя зоны обрушения: I, II, …, n – шаги обрушения налегающей плиты (на основе рекомендаций А.А. Борисова и В.И. Мурашева) Для повышения точности при прогнозе распределения проницаемости и макрошероховатости в пределах зоны обрушения принято несколько дополнительных поперечных сечений, что позволяет осуществить также переход от двухмерной модели к объёмной (рисунок 8).

Рисунок 8 – Размещение сечений расчётной модели для расчёта аэродинамических параметров обрушенной среды а – главное сечение зоны сдвижения по линии движения очистного забоя;

б – главное сечение зоны сдвижения, перпендикулярное линии движения очистного забоя; в – плоскость пласта; S1, S2, S3,…, Sn – поперечные сечения; 1 – очистной забой; 2 – конвейерный штрек 16-17; 3 – вентиляционный штрек 16-17; 4 – направление подвигания очистного забоя На языке программирования Фортран 90 разработан дополнительный программный модуль «Аэродинамика», интегрированный в комплекс «Геоме ханика», для расчёта коэффициентов проницаемости k и макрошероховатости l (рисунки 9-11).

Рисунок 9 – Укрупнённая блок-схема работы пакета программ, включающего комплекс «Геомеханика» и интегрированный в него модуль «Аэродинамика» Рисунок 10 – Изменение коэффициента разрыхления для выработанного пространства длиной 404 м (0,3 м от почвы пласта, главное сечение зоны сдвижения по линии движения очистного забоя): 1 – монтажная камера; 2 – очистной забой Рисунок 11 – Изолинии коэффициента проницаемости уплотнённых горных пород в выработанном пространстве выемочного участка 16-17 (0,3 м от почвы пласта):

1 – очистной забой; 2 – пространство за секциями механизированной крепи;

3 – частично сохранённый вентиляционный штрек; 4 – погашенный конвейерный штрек; 5 – монтажная камера; 6 – направление подвигания очистного забоя На рисунке 11 расстояние между изолиниями проницаемости по длине выработанного пространства отражает динамику подвигания очистного забоя в течение отработки выемочного столба.

4. Снижение скорости окислительных процессов достигается при использовании разработанного аэродинамического способа торможения процесса окисления угля, включающего прогноз, текущий контроль и управление объёмами фильтрационных потоков.

Одним из факторов, обуславливающих развитие процесса окисления угля в выработанных пространствах, являются утечки воздуха. По данным исследований, проведённых в МГГУ, пожароопасные скорости фильтрации находятся в пределах от 110-5 до 110-3 м/с. По данным НЦ ВостНИИ, пожароопасными являются утечки воздуха от 0,1 до 0,9 м3/(мин·м2), при этом наиболее благоприятные условия процесса окисления создаются при притоке воздуха от 0,3 до 0,6 м3/(мин·м2). Пожароопасные значения фильтрационных скоростей зависят от ряда факторов и должны определяться с учётом конкретных горногеологических условий.

В качестве аэродинамического способа торможения процесса окисления угля в случае, если пласт склонен к самовозгоранию, а также при больших скоплениях угля предложено использование разработанного метода оценки па раметров воздухораспределения в выработанном пространстве для принятия технологических решений, позволяющих снизить скорость фильтрации в обрушенной среде на участках с большими потерями угля. Например, для обоснования применения многоштрековой подготовки выемочных полей.

Предлагается использовать рассчитанные значения коэффициентов проницаемости и макрошероховатости обрушенной среды (комплекс «Геомеханика»): в программных комплексах по моделированию процессов воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях (программа «Вентиляция»); для определения параметров воздухораспределения в выработанном пространстве (офисные программы OpenOffice.org Calc, Microsoft Office Excel).

По результатам расчёта в OpenOffice.org Calc определены значения скоростей фильтрации в выработанном пространстве для комбинированной схемы проветривания:

- при одноштрековой подготовке выемочного столба (рисунки 12, 14 а);

- при многоштрековой подготовке выемочного столба (рисунки 13, 14 б).

Рисунок 12 – Изолинии скорости фильтрации воздуха в выработанном пространстве для комбинированной схемы проветривания при одноштрековой подготовке выемочного столба:

1 – очистной забой; 2 – пространство за секциями механизированной крепи;

3 – частично сохранённый вентиляционный штрек; 4 – погашенный вентиляционный штрек; 5 – монтажная камера; 6 – направление подвигания очистного забоя;

7 – область выработанного пространства с большими потерями угля (рисунок 14 а) Как видно из рисунков 12-14, скорости фильтрации в обрушенной среде в области концентрированных потерь угля (дизъюнктивное нарушение) могут быть снижены при использовании различных горнотехнических решений для управления воздушными потоками в выработанном пространстве.

Рисунок 13 – Изолинии скорости фильтрации воздуха в выработанном пространстве для комбинированной схемы проветривания при многоштрековой подготовке выемочного столба:

1 – очистной забой; 2 – пространство за секциями механизированной крепи;

3 – монтажная камера; 4 – фланговая газодренажная выработка; 5 – частично сохранённый вентиляционный штрек; 6 – параллельный штрек; 7 – погашенный вентиляционный штрек; 8 – направление подвигания очистного забоя; 9 – область выработанного пространства с большими потерями угля (рисунок 14 б) а б Рисунок 14 – Изолинии скорости фильтрации воздуха (м/с) в области выработанного пространства с большими потерями угля (дизъюнктивное нарушение) для комбинированной схемы проветривания:

а – при одноштрековой подготовке; б – при многоштрековой подготовке Результаты исследований для выработанного пространства выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» проверены на сходимость со значениями, полученными по результатам ранее проведённых научных работ для аналогичных условий пласта Питсбург Аппалачского угольного бассейна, подтверждёнными эмпирически (таблица 3).

Таблица 3 – Сравнение значений коэффициентов проницаемости обрушенной среды при максимальном коэффициенте разрыхления Выемочный участок Пласт Питсбург Параметр 16-Вынимаемая мощность пласта, м 1,77 1,Максимальный коэффициент раз1,80 1,рыхления, доли ед.

Максимальный коэффициент про841 10ницаемости, Д Относительная погрешность, % 15,Таким образом, применение разработанного метода оценки параметров воздухораспределения при известных пожароопасных скоростях фильтрации позволяет на стадии разработки паспорта выемочного участка, а также в течение отработки выемочного столба управлять объёмами фильтрационных потоков в выработанном пространстве в целях снижения скорости окислительных процессов на участках с большими потерями угля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложено решение актуальной научно-технической задачи по разработке метода оценки параметров воздухораспределения в выработанном пространстве для выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» и перевода их в неопасную зону за счёт управления фильтрационными потоками воздуха, что обеспечивает повышение безопасности горных работ и имеет существенное значение для угольной отрасли.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Распределение воздушных потоков в выработанном пространстве оказывает существенное влияние на состояние промышленной безопасности технологических процессов на выемочном участке, что подтверждается данными мониторинга шахтной атмосферы. Максимальный фактический расход метана на газоотсасывающих установках для условий экспериментального выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» в течение суток составил 80 м3/мин при расчётном значении, без учёта влияния распределения воздушных потоков в выработанном пространстве, – 50 м3/мин.

2. Синтезирован алгоритм расчёта аэродинамических сопротивлений обрушенной среды выработанного пространства, учитывающий закономерности распределения фильтрационных потоков с учётом коэффициентов разрыхления и уплотнения, позволяющий численно моделировать воздушные потоки для горнотехнических и горно-геологических условий пологих пластов средней мощности Кузбасса. Разработанный алгоритм может использоваться как инструмент для управления объёмами и направлениями фильтрации в обрушенной среде.

3. Математическая модель выработанного пространства представлена как дезинтегрированная среда, в которой параметры воздухораспределения изменяются во времени и пространстве отрабатываемого выемочного столба и определяются численным методом конечных элементов, для чего принят авторский программный комплекс «Геомеханика».

4. Синтезирована методика расчёта изменения коэффициента разрыхления по высоте зоны обрушения. Для условий выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» установлен максимальный коэффициент разрыхления 1,8, который уменьшается до 1,1 при переходе в зону трещин и разломов. По результатам расчёта высота зоны обрушения составила 6,85 м, т.е. 3,87 mвын.м, где mвын.м – вынимаемая мощность пласта, м.

5. Разработан программный модуль «Аэродинамика», интегрированный в комплекс «Геомеханика», на выходе из которого получены данные о распределении коэффициентов проницаемости и макрошероховатости в зоне обрушения. По результатам численного моделирования для условий выемочного участка 16-17 филиала «Шахта «Абашевская» максимальный коэффициент проницаемости обрушенной среды выработанного пространства составил 841 Д при коэффициенте разрыхления 1,8. Сходимость с ранее полученными максимальными значениями проницаемости для аналогичных условий составила 15,9 %.

6. Обоснована возможность использования значений выходных данных модуля «Аэродинамика» в программных комплексах («Вентиляция»), а также в офисных программах (OpenOffice.org Calc, Microsoft Office Excel) для расчёта воздухораспределения в выработанном пространстве. Таким образом, внедрение результатов исследований позволяет на стадии разработки паспорта выемочного участка, а также в течение отработки выемочного столба прогнозировать и осуществлять текущий контроль направлений и объёмов потоков воздуха.

7. Применение разработанного метода оценки параметров воздухораспределения в выработанном пространстве обеспечивает снижение скорости окислительных процессов в обрушенной породной среде за счёт выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» и перевода их в неопасную зону.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией РФ:

1. Говорухин, Ю.М. Методология моделирования фильтрации газовоздушных смесей в выработанном пространстве выемочного участка / Ю.М. Говорухин, А.Н. Домрачев, В.Г. Криволапов, Д.Ю. Палеев, М.Ю. Балаганский // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности.

– 2011. – № 1. – С. 72 – 76.

2. Говорухин, Ю.М. Сравнительная оценка фактического и проектного метановыделения в выработанное пространство угольных шахт / Ю.М. Говорухин, В.Г. Криволапов, Д.Ю. Палеев, А.Н. Кнышенко // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2010. – № 1. – С. 27 – 30.

3. Криволапов, В.Г. Проектная и фактическая эффективность дегазации на высокогазоносных шахтах / В.Г. Криволапов, Ю.М. Говорухин, Д.Ю. Палеев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2009. – №1. – C. 48 – 53.

в прочих изданиях и материалах конференций:

4. Фрянов, В.Н. Исследование влияния дизъюнктивных нарушений на эффективность дегазации угольных пластов / В.Н. Фрянов, В.Г. Криволапов, О.В. Фрянова, Ю.М. Говорухин, О.А. Петрова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды международной научно-практической конференции. – Кемерово, 2011. – С. 64 – 69.

5. Методика расчёта технических возможностей шахты по вентиляции:

метод. рек. / сост.: В.Г. Криволапов, Ю.М. Говорухин, Вал.В. Сенкус. – Новокузнецк: СибГИУ, 2011. – 58 с.

6. Говорухин, Ю.М. Методика разработки исходных данных для моделирования геомеханических процессов, происходящих в выработанном пространстве / Ю.М. Говорухин // Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. – Новокузнецк: СибГИУ, 2011. – С. 112 – 115.

7. Говорухин, Ю.М. О возможности моделирования газодинамических процессов в выработанном пространстве выемочного участка / Ю.М. Говорухин // Проблемы и перспективы добычи и переработки угля в Кузбассе: Труды I региональной научно-практической конференции. – Новокузнецк: СибГИУ, 2010. – С.86 – 89.

8. Говорухин, Ю.М. К вопросу об управлении газовыделением выемочного участка / Ю.М. Говорухин, В.Г. Криволапов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов; под общей ред. В.Н. Фрянова.

– Новокузнецк: СибГИУ, 2010. – C. 396 – 399.

9. Говорухин, Ю.М. Направление исследований на кафедре разработки пластовых месторождений по повышению безопасности ведения горных работ / Ю.М. Говорухин, В.Г. Криволапов, К.Д. Лукин, Ю.А. Векслер // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: под общей ред.

В.Н. Фрянова. – Новокузнецк: СибГИУ, 2010. – C. 444 – 448.

10. Криволапов, В.Г. Возможность использования шахтного оборудования для прогнозирования газодинамических явлений при неравномерном подвигании очистного забоя / В.Г. Криволапов, Ю.М. Говорухин // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: сб. науч. ст. – Вып. 1. – Новокузнецк: СибГИУ, 2008. – С. 128 – 133.

Подписано в печать «2» апреля 2012 г. Формат 60х84/16.

Бумага белая писчая. Отпечатано на ризографе.

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 2 2012 г.

ОАО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3.

Типография ОАО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, ул. Институтская,




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.