Вдосконалення методу керування провітрюванням виймальних дільниць метанонасичених шахт комплексуванням схем провітрювання та параметрів дегазації

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С. Полякова

Спеціальність:

05.26.01 - Охорона праці

УДК [622.454.2 : 622.831.325.3] (043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вдосконалення методу керування провітрюванням виймальних дільниць метанонасичених шахт комплексуванням схем провітрювання та параметрів дегазації

Торопчин

Олег Серафимович

Дніпропетровськ

2010

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ

Науковий доктор технічних наук

керівник - Красник Вячеслав Григорович,

начальник відділу координації наукової діяльності

Міністерства вугільної промисловості України (м. Київ).

Офіційні

опоненти: доктор технічних наук, професор

Софійський Костянтин Костянтинович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН

України, завідуючий відділом проблем технологій

підземної розробки вугільних родовищ

(м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, доцент

Муха Олег Анатолійович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і

науки України, доцент кафедри аерології та охорони праці

(м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться „ 12 " березня 2010 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ,

вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий „ 12 " лютого 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук

В.Г. Шевченко



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Продуктивність гірничих робіт обумовлюється підвищенням безпеки праці гірників, яка, у свою чергу, залежить від забезпечення ефективного управління процесами газовиділення на виймальних дільницях.

Діючими "Правилами технічної експлуатації вугільних шахт" передбачена можливість зміни схеми провітрювання виймальної дільниці, проте до теперішнього часу не досліджувалися закономірності змін її аерогазодинамічних параметрів в процесі відпрацьовування виймального стовпа.

Постійну загрозу загазування провітрюваних виробок завдають скупчення метану у виробленому просторі. Використання засобів вакуумування метаноповітряної суміші у виробленому просторі істотно впливає на винесення метану на вентиляційний штрек. Тому необхідним є дослідження закономірностей зміни коефіцієнтів витоків повітря у виймальних дільницях, які враховують відведення витоків засобами вакуумування залежно від продуктивності і розташування засобів газовідсмоктування.

Існуючі методи розрахунку ліній витоків повітря через вироблений простір під дією загальношахтної депресії не враховують впливу на їх конфігурацію розрідження, яке створюється засобами вакуумування, розташованими у виробленому просторі.

Тому встановлення закономірностей впливу параметрів пересувних підземних дегазаційних установок (ПДУ) на режими провітрювання виймальної дільниці та розробка методів керування витоками повітря через вироблений простір при різних схемах провітрювання виймальних дільниць вугільних шахт для обґрунтування їх зміни у період відпрацьовування стовпа є актуальним науковим завданням, яке має важливе значення для безпечного видобутку вугілля на великих глибинах .

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних тем: "Інформаційна технологія аналізу, розрахунку та оптимізації багатовентиляторних вентиляційних мереж газонасичених шахт з високопродуктивними лавами", № ДР 0103U004022, 2003-2007 рр.; "Розроблення та впровадження комп'ютерної технології для підвищення ефективності контролю за шахтними вентиляційними системами з урахуванням впровадження комплексної дегазації", № ДР 0108U007915, 2003-2007 рр. (ІГТМ НАН України, по яких автор був виконавцем).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вдосконалення методу керування провітрюванням виймальних дільниць метанонасичених шахт комплексуванням схем провітрювання і параметрів дегазації для підвищення рівня безпеки видобутку вугілля.

Для досягнення мети поставлені та вирішені наступні завдання:

- виконати аналіз існуючих способів дегазації, що застосовуються на високонавантажених дільницях вугільних шахт, і існуючих методів розрахунку витоків повітря при різних режимах провітрювання виймальних дільниць;

- дослідити основні закономірності розподілу аерогазодинамічних параметрів виймальних дільниць при переході від зворотноточної до комбінованої схеми провітрювання;

- встановити закономірності зміни коефіцієнтів витоків повітря у виймальних дільницях з відведенням витоків засобами вакуумування;

- розробити методи розрахунку ліній витоків повітря через вироблений простір під комплексною дією загальношахтної депресії і розрідження, яке створюється засобами дегазації;

- розробити та впровадити методику розрахунку витоків метаноповітряної суміші через вироблений простір виймальних дільниць вугільних шахт.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей руху метаноповітряної суміші у виробленому просторі під дією загальношахтної депресії і розрідження, яке створюється засобами дегазації при зміні схем провітрювання виймальної дільниці в період відпрацьовування стовпа для вдосконалення методу керування провітрюванням виймальних дільниць метанонасичених шахт та підвищення безпеки ведення гірничих робіт.

Об'єкт дослідження: аерогазодинамічні процеси провітрювання виймальних дільниць газонасичених шахт.

Предмет дослідження: методи розрахунку та керування аерогазодинамічними параметрами виймальних дільниць з урахуванням змін схем їх провітрювання та використання засобів вакуумування.

Методи дослідження. У роботі використаний комплексний метод досліджень, який включає: аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень в галузі використання методів розрахунку аерогазодинамічних параметрів виймальних дільниць в умовах застосування засобів вакуумування; імітаційне моделювання розповсюдження витоків повітря через вироблений простір виймальних дільниць; апробацію результатів роботи в умовах діючих шахт.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Коефіцієнт витоків повітря через вироблений простір зростає на величину, пропорційну продуктивності відсмоктувача газу, задіяного на ізольоване відведення притоків газоповітряної суміші, яка поступає у верхню частину лави, якщо "свічки" періодично встановлюються по мірі посування очисної виробки; або лінійно знижується пропорційно збільшенню довжини виробки, що погашається, якщо "свічки" відсмоктувача газу залишаються позаду фронту очисних робіт, який віддаляється.

2. Лінії току витоків повітря через вироблений простір характеризуються результуючим потоком, який визначається шляхом складання векторів швидкості потоку, обумовленого дією загальношахтної депресії, та розрідженням, яке створюється засобами дегазації; на кожній характерній ділянці лінії току описуються кусково-безперервними функціями, які є кривими другого порядку. Вершини перегину ліній витоків визначаються координатами стоку метаноповітряної суміші, а крутизна ліній - співвідношенням абсолютних значень тисків.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше встановлені раціональні умови заміни схеми провітрювання виймальної дільниці з розбавленням на комбіновану схему при вирішенні задачі топологічної оптимізації шахтної вентиляційної мережі (ШВМ);

- вперше встановлена залежність, яка характеризує вплив ПДУ на режим провітрювання виймальної дільниці;

- вперше встановлені графоаналітичні залежності руху газоповітряної суміші у виробленому просторі від сумісної дії загальношахтної депресії та засобів вакуумування.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей комплексного впливу параметрів засобів вакуумування на режим провітрювання в схемах з ізольованим відводом газоповітряної суміші з виробленого простору газонасичених виймальних дільниць для вдосконалення методу керування провітрюванням виймальних дільниць метанонасичених шахт, який забезпечив можливість та умови використання дегазаційних засобів вакуумування як стоку для ізольованого відводу притоків (витоків) газоповітряної суміші з виробленого простору за межі виймальної дільниці, що при прямоточній схемі провітрювання знижує депресію і подовжує експлуатаційний період неконтрольованої повітровідводячої виробки, при зворотноточній схемі провітрювання становить аналог комбінованої схеми, раціональної по газовому фактору, і у цілому направлена на підвищення безпеки праці горноробочих.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується: застосуванням апробованих методів імітаційного моделювання аєрогазодинамічних процесів, проведенням натурних експериментів, адекватністю імітаційних моделей реальним процесам з розбіжністю теоретичних та експериментальних даних не більш 12%, позитивними результатами впровадження запропонованої методики розрахунку витоків повітря через вироблений простір на шахтах галузі.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

- заміна схеми провітрювання з прямоточної (2-В) на комбіновану (1-К) дозволила знизити проявлення часового фактору - збільшення аеродинамічного опору неконтрольованої повітровідводячої виробки, зниження її пропускної спроможності і, як наслідок, підвищення газонасиченості виймальної дільниці;

- використання засобів вакуумування при керуванні повітро- та газорозподілом на виймальних дільницях при зворотноточних схемах провітрювання дозволило створити топологічний аналог комбінованої схеми та підвищити ефективність провітрювання;

- розроблено графоаналітичний метод розрахунку ліній витоків через вироблений простір, який враховує наявність та координату стоку метаноповітряної суміші;

- розроблено та чинним порядком затверджено методику розрахунку витоків повітря через вироблений простір виймальних дільниць вугільних шахт.

Реалізація результатів роботи. Основні результати досліджень автора використані при розробці: методики розрахунку витоків повітря через вироблений простір виймальних ділянок вугільних шахт; методу розрахунку витоків повітря у виробленому просторі, викликаних суперпозицією загальношахтної депресії і градієнта розрідження задіяних засобів вакуумування. Методики та рекомендації були передані в ДонВУГІ та МакНДІ і використані при вдосконаленні системи моделювання основних процесів, які протікають у шахті під час дегазації виробленого простору лави. Результати роботи впроваджені на шахтах ДП "Шахтарськантрацит" (довідка від 03.07.2008р.) при розрахунках режимів провітрювання виймальних дільниць. Очікуваний економічний ефект від впровадження розробок складатиме у середньому 60-80 тис. грн у рік на одну шахту.

Особистий внесок здобувача полягає в формулюванні мети, задач досліджень, наукових положень, висновків і рекомендацій, обґрунтуванні науково-технічних принципів внаслідок яких вдосконалена система моделювання основних процесів, які протікають у шахті під час дегазації виробленого простору. Автором прийнята участь у проведенні комплексу експериментальних досліджень та у спільних роботах з ІГТМ НАН України, МакНДІ, ДонВУГІ по впровадженню у галузі розроблених методик і рекомендацій за темою дисертації. Основні наукові результати, висновки і рекомендації отримані і сформульовані автором самостійно. Текст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи доповідались і схвалені на науково-практичній конференції „Практика виконання державної експертизи інвестиційних програм і проектів будівництва і методи її удосконалення" (Ялта, 2003 р.), Міжнародному енергетичному форумі "Проблемы поверхностной дегазации угольных месторождений" (Москва, 2004 р.), науково-практичній конференції "Проблеми прогнозування і попередження надзвичайних ситуацій природного, природно-техногенного і техногенного походження" (Одеса, 2008 р.), науково-технічних радах інститутів ДонВУГІ, Дніпродіпрошахт, ІГТМ НАН України.

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 13 наукових роботах, у тому числі двох монографіях, з яких 8 - у наукових фахових виданнях, 3 - у матеріалах науково-технічних конференцій. З робіт, опублікованих у наукових фахових виданнях, одна є одноосібною.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 130 найменувань і 3 додатків. Робота містить 150 сторінок основного тексту, 42 малюнки, 7 таблиць, список використаних джерел на 17 сторінках, 9 сторінок додатків, загальний обсяг - 181 сторінка.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено аналіз особливостей вживаних схем провітрювання виймальних дільниць глибоких газонасичених шахт, стану вентиляційних систем глибоких газонасичених шахт з високонавантаженими лавами, існуючих способів дегазації, що застосовуються на високонавантажених дільницях вугільних шахт, методів розрахунку витоків метаноповітряної суміші через вироблений простір лав.

Виконано аналіз робіт ІГС ім. О.О. Скочинського, ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України, МГУ, ДонВУГІ, МакНДІ та інших установ, а також ряду закордонних вчених, у яких приведені існуючі уявлення про керування газовиділенням при використанні різних схем провітрювання виймальних дільниць, комплексної дегазації вугільних пластів, вміщуючих порід і виробленого простору. В умовах з нестійкими бічними породами раціональну схему провітрювання виймальної дільниці неможливо зберегти під час всього періоду відпрацьовування стовпа, однак науково обґрунтованих методів визначення моменту переходу на нову схему провітрювання (найчастіше від 2-В до 1-К) в нинішній час не існує.

До теперішнього часу недостатньо досліджені питання впливу засобів дегазації виробленого простору на режим провітрювання і використання засобів вакуумування для оптимізації топології вентиляційної мережі виймальної дільниці.

Застосування комп'ютерних засобів і технологій дозволяє одержувати кількісний розподіл витоків і визначати напрям їх руху у виробленому просторі. Але розглянуті методи не враховують впливу розрідження, створюваного джерелом тяги системи дегазації, і тому не можуть бути використані для розробки інженерних методик розрахунку і управління витоками через вироблений простір.

У другому розділі наведені результати досліджень аеродинамічних параметрів (депресії h, аеродинамічного опору r виробок, витрати повітря Q в цих виробках) виймальної дільниці зі складною програмою керування повітророзподілом, що передбачає у цих гірничо-геологічних умовах три квазістаціонарних періоди.

На першому етапі досліджень, що проводився в умовах провітрювання по схемі 2-B до посадки основної покрівлі, виток з очисної виробки являв собою потік газоповітряної суміші, що звужується, який рухається через вироблений простір до сполучення вентиляційного штреку з повітровідводячою виробкою на фланзі шахтного поля. На другому етапі досліджень аеродинамічних параметрів очисний вибій перебував від розрізної печі на відстані 230 м. Після посадки основної покрівлі і деформації порід, що вміщують, різко знизилася пропускна здатність виробок, залишених за фронтом очисних робіт: поперечний перетин неконтрольованої повітровідводячої виробки зменшився з 4,5 до 3,8 м², а конвеєрної - з 5 до 4 м². Під час проведення третього етапу досліджень аерогазодинаміки виймальної дільниці довжина відпрацьованої частини виймального стовпа досягла 470 м. У результаті деформації вміщуючих порід, на окремих ділянках неконтрольованої виробки, що відводить повітря, поперечний перетин зменшився до 2,9ч2,6 м².

Аеродинамічний опір цієї виробки наближується до постійного зростання, а пропускна здатність - до зниження. Зростання аеродинамічного опору повітроподаючих виробок зв'язане винятково із проведеним негативним регулюванням витрати розбавляючого струменя, а зростання того ж опору повітровідводячих виробок - із проявом гірського тиску та деформацією виробок, залишених у виробленому просторі. Про інтенсивний характер цього процесу свідчить стрибкоподібний ріст співвідношень аеродинамічного опору між повітровідводячою r_нк та повітроподаючою r_под виробками (табл. 1).



Таблиця 1-

Зміна аеродинамічних параметрів схеми провітрювання 2-B у процесі відпрацьовування стовпа

Депресійні зйомки	Видалення очисних робіт від розрізної печі, м	Співвідношення довжин повітровідводячої виробки до повітроподаючої	Депресія дільниці, hділ, даПа	Аеродинамічний опір виймальної дільниці, кµ	Аеродинамічний опір паралельних з'єднань у схемі провітрювання 2-B	Газонасиченість дільниці з урахуванням дегазації, Jділ.д, м3/хв
					Повітроподаючого rпод, кµ	Повітровідводячого неконтрольованою виробкою rнк, кµ	rнк/ rпод
I	110	0,06	274,2	0,10	0,053	0. 014	0,032	39,9
II	230	014	328,8	0,12	0,051	0,088	0,117	74,0
III	470	0,33	560,1	0,40	0,061	0,620	0,780	88,0
IV1	685	0,73	1021	0,70	0,056	1,84	-	93,0

Примітки: 1 - Результати отримані за допомогою методу графічних побудов

Така ситуація на дільниці настає при п'ятикратному перевищенні співвідношення між аеродинамічними опорами r_нк/r_под виробок у схемі провітрювання

2-B. Це веде до необхідності переходу виймальної дільниці на комбіновану схему провітрювання 1-K, при якій за рахунок відводу вихідного струменя одночасно по двох паралельних виробках знижується аеродинамічний опір повітровідводячих виробок та видобувної дільниці в цілому. На рис. 1 представлений характер взаємозв'язку аеродинамічних та газодинамічних параметрів виймальної дільниці, провітрюваної за схемою 2-в-н-в-пт (прямоточна схема провітрювання з незалежним висхідним рухом повітря в очисній виробці, підсвіженням вихідного струменю і відведенням його "на вироблений простір"); - довжина частини виробки, яка не контролюється.

Як показали результати газоповітряних та депресійних зйомок, перехід на комбіновану схему провітрювання відкриває можливість продовжити експлуатацію неконтрольованої повітровідводячої виробки за рахунок зниження в ній витрати вихідного струменя у два рази, а депресії - у чотири рази. При цьому друга частина вихідного струменя, що відводить "на масив" і контролює у ній вміст метану, несе в собі газ, який виділився тільки з очисного вибою та відбитого вугілля, що в цілому не перевищує 30% газового балансу виймальної дільниці. Участь на паях вентиляції в цьому балансі пов'язана з топологією вентиляційної мережі, що змінилася. Якщо при схемі 2-В-Н-в-пт співвідношення між засобами зниження метановості (метанонасиченості)- вентиляція й дегазація - склало 35% і 65%, то при 1-К-Н-в-вт/пт (комбінована схема провітрювання з незалежним висхідним рухом повітря в очисній виробці і відводом висхідного струменя одночасно "на масив" і "на вироблений простір") - 12% і 88%, відповідно. Звідси, зниження вмісту метану у вихідному струмені "на масив" в 4 - 5 разів дозволяє, за інших рівних умов, підвищити по газовому фактору навантаження на очисний вибій на 1000 т/добу.

Комбінована схема провітрювання дозволяє в широких межах комплексно управляти повітророзподілом та аерогазодинамічним процесом у цілому. З'являються умови для керування метановістю та відводом з виробленого простору газоповітряної суміші з більш високим вмістом метану.

В умовах стійких бічних порід режим провітрювання за комбінованою схемою може тривати до кінця відпрацьовування виймального стовпа довжиною до 2000 м. При слабких бічних породах через пропускну здатність, що знижується в часі, неконтрольованої повітровідводячої виробки за фронтом очисних робіт, процес повітророзподілу при схемі 1-К має діссіпативний характер: починається з ефективного провітрювання виробленого простору, а закінчується ізольованим відводом притоків газоповітряної суміші з виробленого простору, що надходять у верхню частину лави, засобами ПДУ, тому що експлуатаційний період цієї неконтрольованої повітровідводячої виробки закінчується при досягненні довжини 250 - 300 м.

У третьому розділі представлені результати досліджень комплексування управління процесами повітророзподілу і газовиділення на виймальних дільницях шахт, де знаходять застосування такі технології газового дренажу виробленого простору, як: відведення газоповітряної суміші за рахунок загальношахтної депресії (прямоточні схеми 1-B, 2-B та комбінована 1-К); дегазаційні свердловини, пробурені з підземних виробок, а також з поверхні; ізольоване відведення газоповітряної суміші по трубопроводу за допомогою засобів вакуумування (підземні ПДУ, поверхнева вакуум-насосна станція (ВНС)). А також встановлені закономірності впливу ПДУ на режим провітрювання виймальної дільниці.

Участь на паях комплексної дегазації в загальному газовому балансі виймальної дільниці при схемах провітрювання 2-В, 1-К, 1-К^* (аналог комбінованої схеми провітрювання з незалежним висхідним рухом повітря у очисній виробці, відведенням висхідного струменя виймальної дільниці "на масив" і відбиранням притоків газоповітряної суміші з верхньої частини лави засобами вакуумування) досягає у середньому 66, 90-93 і 76%, відповідно, і окремо дегазації виробленого простору - 36, 55 і 41%. Експериментально встановлено, що в момент переходу від схеми 2-В на 1-К і зміни топології вентиляційної мережі виймальної дільниці відбувається різке зниження (до 40%) участі на паях дегазаційних свердловин у газовому балансі, викликане посиленням фільтрації газу у вироблений простір, у зв'язку зі збільшенням швидкості руху витоків та його депресії. Зокрема, розглянутий вплив топології вентиляційної мережі виймальної дільниці на ефективність дегазаційних свердловин.

Порівняння результатів відносної зміни участі на паях дегазаційних свердловин у газовому балансі виймальної дільниці до відповідних середніх його значень і за періоди дії схем провітрювання 2-B і 1-K з результатами відношень тих же значень до середньої величини дебіту газу з дегазаційних свердловин за весь період роботи виймальної дільниці свідчить (рис. 2), що величина більше, ніж , у середньому на 60%, оскільки при комбінованій схемі значна частина метану у вихідний струмінь "на вироблений простір" вноситься притоками. Тому, якщо дебіт газу відносити до , участь на паях цих свердловин у газовому балансі дільниці знижується. Якщо ж відносити до середньої величини метановості виймальної дільниці за весь період відпрацьовування стовпа , то, навпаки - участь на паях дегазаційних свердловин з переходом на схему 1-K зростає, оскільки < . На можливість таких змін вказують розміри заштрихованої поверхні (див. рис. 2). Тому на виймальних дільницях з комплексною програмою керування процесом повітророзподілу (чергування схем провітрювання протягом часу відпрацьовування стовпа) оцінку метановості та участі на паях застосовуваних способів дегазації в загальному газовому балансі варто давати окремо по відповідних квазістаціонарних періодах.

Застосування ПДУ дає можливість комплексно впливати на аерогазодинамічний процес одночасно у двох напрямках - у керуванні газорозподілом та повітророзподілом. За допомогою відсмоктування газу з верхньої частини лави відводиться 300 - 350 м³/хв, що становить основну масу газонесучих притоків з виробленого простору. Це знижує витрату вихідного струменя виймальної дільниці та швидкість її посування, що в умовах пропускної здатності, яка постійно знижується, неконтрольованої повітровідводячої виробки дозволяє на якийсь період подовжити режим провітрювання за схемою 2-В або 1-К.

З відходом очисної виробки від „свічей" вплив кожної з технологічних схем дегазації на режим провітрювання одержує згасаючий характер. Закономірність такого впливу визначалася за результатами ряду газоповітряних зйомок, проведених при різних схемах і режимах провітрювання, а також відомостей про параметри відсмоктувача газу, „свічки" якого встановлені у виробленому просторі. Загальна продуктивність застосовуваних вакуум-насосів і відповідна кількість притоків, які відбираються, змінювалися в процесі відпрацьовування стовпа, відповідно до плану керування газовиділенням (рис. 3).

Аналіз закономірностей, наведених на рис.3, показує, що коефіцієнт витоків повітря через вироблений простір зростає на величину, пропорційну продуктивності газовідсмоктування, задіяного на ізольований відвід притоків газоповітряної суміші з верхньої частини лави, якщо "відростки" газопроводу періодично встановлюються у міру посунення очисної виробки, або лінійно знижується пропорційно довжині, що збільшується, "неконтрольованої" повітровідводячої виробки, якщо "свічі" газовідсмоктування залишаються за фронтом очисних робіт, який віддаляється.

Відведення притоків у такому обсязі певним чином змінює топологію вентиляційної мережі. Тому зворотноточну схему провітрювання 1-М з ізольованім відводом газоповітряної суміші, що надходить із виробленого простору, засобами вакуумування варто розглядати як аналог 1-К^* комбінованої схеми. При відборі притоків газоповітряної суміші з верхньої частини лави відростки газопроводу періодично встановлюються за ходом посування очисної виробки, у результаті чого вплив відсмоктування газу на режим провітрювання практично зберігається на одному рівні. Така схема дозволяє відводити газоповітряну суміш за допомогою ПДУ за межі дільниці у вихідний струмінь із розведенням при невисокому вмісті метану в суміші, або за допомогою того ж ПДУ трубопроводом на поверхню до ВНС при високому вмісту метану в суміші. Результати застосування аналога схеми 1-К^* показали, що комплексування схеми провітрювання 1-М дегазації верхньої частини лави забезпечує по газовому фактору умови для досягнення високих навантажень на очисний вибий, рівень яких відповідає навантаженням при раціональних схемах 2-В и 1-К.

Четвертий розділ присвячений розробці методу управління газовиділенням з виробленого простору, заснованого на використовуванні витоків повітря в умовах суперпозиції загальношахтної депресії і градієнта розрідження задіяних засобів вакуумування, у схемах провітрювання з відведенням вихідного струменя "на вироблений простір".

Для побудови ліній струму витоків використані результати проведених депресійних зйомок, на підставі яких одержані графіки зміни абсолютного тиску і градієнта депресії уздовж оконтурювальних виробок, та всередині виробленого простору, і визначені значення складових швидкості витоків повітря V_x та V_y. По їх значенням проведена графічна побудова результуючої вектора швидкості (траєкторії руху кожної точки) у межах виробленого простору. Побудова мережі ліній струму витоків проведена по руху ряду точок, початкові координати яких вибираються на межах виробленого простору через рівні проміжки.

В результаті встановлено, що мережа ліній струму витоків у виробленому просторі при схемі провітрювання 2-B описується рівнянням:

,

де h_л, h_кш, h_вш, h_вп - відповідно депресія лави, конвеєрного і вентиляційного штреків та виробленого простору, даПа; L_л, L_вп - відповідно довжина лави та виробленого простору, м.

Знаки "+" і "-" перед радикалом вибираються з необхідного виконання умов: х = 0; у = 0; С = 0.

При веденні очисних робіт з використанням комплексної дегазації науковий і практичний інтерес представляє рішення задачі про суперпозицію одночасно діючих джерел тяги - загальношахтної депресії та градієнта розрідження від вживаних засобів вакуумування всередині або по периметру виробленого простору, наприклад, "свічок" від ПДУ або ВНС.

У основу рішення цієї задачі покладено принцип умовного розділення площі АВСD (рис.4), зайняту виробленим простором, на чотири частини так, щоб лінія перетину двох перпендикулярних площин виявилася продовженням осі діючого стоку E від джерела тяги ("свічка" газовідсмоктувача у виробленому просторі), а одержана від розподілу частка стоку E знаходилася в одному з кутів кожної окремої частини площі - KAME, KBNE, MDLE, NBKE, де KL і MN - лінії перетину тих же площин з площею ABCD, що проходять через стік E.

Це дозволяє кожну з чотирьох ділянок розглядати, як окремо взятий вироблений простір, в якому мережа ліній струму витоків описується тим же рівнянням, але вже з параметрами h та L конкретної ділянки. Тоді для ділянки KAME мережа ліній струму описується як:

,

де С₁ - довільна постійна.

Таким же чином визначаються рівняння ліній струму, що проходять через характерні точки на межах між ділянками, та проводиться комп'ютерна побудова мережі для виробленого простору в цілому.

Одержані рівняння дозволяють проводити комп'ютерну побудову мережі ліній струму витоків залежно від продуктивності засобів вакуумування, геометричних параметрів виробленого простору та абсолютних тисків в характерних місцях виробленого простору виймальної дільниці, визначати раціональні місця встановлення "свічок" і управляти газовиділенням з виробленого простору в цілому.

Розроблений графоаналітичний метод розрахунку ліній струму витоків метаноповітряної суміші через вироблений простір, що враховує наявність і місце розташування засобів вакуумування, дозволяє підвищити ефективність провітрювання виймальної дільниці з одночасним підвищенням ефективності дегазації. Запропоновані методи покладені в основу методики розрахунку витоків повітря через вироблений простір виймальних дільниць вугільних шахт та реалізовані у вигляді програмного забезпечення в середовищі DELPHI.

У додатках наведено матеріали про умови проведення шахтних спостережень, отримані експериментальні дані і документи, що підтверджують впровадження результатів дисертаційної роботи.



ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою в галузі безпеки праці, в якій на основі вперше встановлених закономірностей впливу параметрів пересувних підземних дегазаційних установок на режим провітрювання виймальної дільниці та руху газоповітряної суміші у виробленому просторі від сумісної дії загальношахтної депресії та засобів вакуумування, вдосконалено метод керування провітрюванням виймальних дільниць багатогазових шахт, що має важливе наукове та практичне значення для підвищення безпеки видобутку вугілля на великих глибинах.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Ефективність підземної дегазації залежить від потужності вакуум-насосних станцій, співвідношення створюваного ними розрідження і депресії на виймальних дільницях від шахтних вентиляторів головного провітрювання, а також від місця розташування засобів вакуумування метаноповітряної суміші у виробленому просторі. До теперішнього часу недостатньо досліджені питання комплексування засобів дегазації виробленого простору і схем провітрювання виймальних дільниць для вдосконалення методу керування їх провітрюванням з метою підвищення безпеки видобутку вугілля в умовах багатогазових шахт.

2. Встановлений характер зміни в часі аеродинамічних параметрів вентиляційної мережі виймальних дільниць, провітрюваних по схемах 2-B і 1-К, з урахуванням переходу від першої до другої. Показано, що зростання аеродинамічного опору повітропідводячих виробок пов'язане виключно з проведеним негативним регулюванням витрати повітря, а зростання того ж опору повітровідводячих виробок - з проявом гірського тиску і деформацією "неконтрольованих" виробок, залишених у виробленому просторі для тривалого використання.

3. Вперше встановлені межі сумісної участі вентиляції і комплексної дегазації у газовому балансі виймальних дільниць в умовах комплексної програми управління повітророзподілом, коли топологічні властивості вживаних схем провітрювання стають визначальним фактором: 63-70 % при схемі 2-B, 83-90 % при схемі 1-К і 76-85 % - при схемі 1-K*. Тому, застосовуючи різні схеми провітрювання під час відпрацьовування стовпа, оцінку метановості витікаючого струменя необхідно проводити окремо по відповідних квазістаціонарних періодах.

4. Вперше доведена можливість ефективного управління процесом повітророзподілу, заснованого на ізольованому відведенні трубопроводом витоків газоповітряної суміші, які поступають у верхню частину лави, засобами ПДУ, за межі виймальних дільниць, що в умовах зворотноточного провітрювання складає топологічний аналог 1-K* комбінованої схеми, забезпечує по газовому фактору навантаження на вибій на рівні раціональних схем 2-В та 1-К, а по ефективності однаково прийнятна для стовпової і суцільної систем розробки. Одночасно відведення витоків засобами ПДУ покращує аеродинаміку зворотноточної схеми провітрювання - знижує депресію повітровідводячої виробки, а також вентиляційної мережі виймальної дільниці в цілому.

5. Розроблений метод розрахунку витоків повітря у виробленому просторі, викликаних суперпозицією загальношахтної депресії і градієнта розрідження задіяних засобів вакуумування, і одержані рівняння ліній струменю цих витоків в схемах провітрювання повітровідводячими виробками за фронтом очисних робіт, в цілому склали основу для розробки способу управління газовиділенням з виробленого простору.

6. Розроблена і належним чином затверджена методика розрахунку витоків повітря через вироблений простір виймальних дільниць вугільних шахт, яка дозволяє вибирати раціональні місця встановлення, кількість і параметри пристроїв для відбирання газоповітряної суміші з виробленого простору.

7. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується: застосуванням апробованих методів імітаційного моделювання аєрогазодинамічних процесів, проведенням натурних експериментів, адекватністю імітаційних моделей реальним процесам з розбіжністю теоретичних та експериментальних даних не більш 12%, позитивними результатами впровадження запропонованої методики розрахунку витоків повітря через вироблений простір на шахтах галузі.

8. Результати роботи впроваджені на шахтах ГП "Шахтарськантрацит" при розрахунках режимів провітрювання виймальних дільниць. Використання методики розрахунку витоків і управління газовиділенням на виймальних дільницях шахти підвищує ефективність дегазації виймальної дільниці більш ніж на 15% за умови забезпечення допустимої концентрації метану у вентиляційній мережі. Економічна ефективність від її впровадження складатиме від 60 до 80 тис. грн на рік на одну шахту.



Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. Повышение эффективности проветривания угольных шахт с высоконагруженными лавами / А.Ф. Булат, Е.Л. Звягильский, Б.В. Бокий, В.В. Радченко, И.А. Ященко, И.А. Ефремов, О.С. Торопчин, И.Е. Кокоулин, Т.В. Бунько, Н.В. Карнаух, Е.Я. Самойленко, В.Г. Красник, А.В. Боровский. - Днепропетровск, 2004. - 264 с.

2. Совершенствование вентиляции и дегазации угольных шахт / А.Ф. Булат, Е.Л. Звягильский, Б.В. Бокий, В.В. Радченко, И.А. Ященко, И.А. Ефремов, О.С. Торопчин, Т.В. Бунько, В.Г. Красник, И.Е. Кокоулин. - Днепропетровск, 2005. - 216 с.

3. Методология разработки экспертной системы, предназначенной для анализа и прогнозирования опасных и аварийных ситуаций на угольных шахтах Украины / А.Ф. Булат, Т.В. Бунько, О.С. Торопчин, И.Е. Кокоулин, Ю.Д. Беликов // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики НАН Украины. - Днепропетровск, 2002. - Вып. 30. - С. 4-9.

4. Оценка необходимости использования экспертной системы при анализе возможности возникновения опасных и аварийных ситуаций на угольных шахтах / А.Ф. Булат, И.А. Ященко, Т.В. Бунько, О.С. Торопчин, И.Е. Кокоулин // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики НАН Украины. - Днепропетровск, 2002. - Вып. 40. - С. 311-316.

5. К вопросу экспертной оценки вентиляционных систем при отсутствии полной информации об их состоянии / А.Ф. Булат, Т.В. Бунько, О.С. Торопчин, И.Е. Кокоулин, Ю.Д. Беликов // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2003. - Вып. 46. - С. 3-9.

6. К вопросу об участке дегазации угольной шахты / А.Ф. Булат, В.Г. Красник, О.С. Торопчин, Б.В. Бокий, В.Н. Кочерга, Т.В. Бунько, И.Е. Кокоулин // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2005. - Вып. 55. - С. 3-10.

7. Проблемы поверхностной дегазации на угольных месторождениях / В.В. Лукинов, О.С. Торопчин, Д.П. Гуня, Н.Э. Капланец, С.В. Радованов // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2005. - Вып. 53. - С. 138-143. вакуумування депресійний зйомка повітря

8. Торопчин О.С. Графоаналитический метод определения линий тока утечек воздуха через выработанное пространство / О.С. Торопчин // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2007. - Вып. 68. - С. 245-258.

9. Торопчин О.С. Аналитический метод определения линий тока утечек воздуха через выработанное пространство / О.С. Торопчин, С.А. Головко, Н.В. Безкровный // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2007. - Вып. 69. - С. 277-288.

10. Боровский А.В. Оценка ародинамических параметров схем проветривания, применяемых для управления воздухораспределением на высокопроизводительном выемочном участке / А.В. Боровский, Т.В. Бунько, О.С. Торопчин // Геотехническая механика : межвед. сб. науч. тр. / Ин-т геотехн. механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2008. - Вып. 76. - С. 192-202.

11. К вопросу экологической экспертизы проектов строительства предприятий угольной промышленности с использованием экспертных оценок / И.А. Ященко, О.С. Торопчин, Т.В. Бунько, И.Е. Кокоулин // Практика виконання державної експертизи інвестиційних програм і проектів будівництва та методи її удосконалення : Матер. наук.-практ. конф., 29 вересня - 3 жовтня 2003р. - Ялта, 2003. - С. 25-29.

12. Лукинов В.В. Проблемы поверхностной дегазации угольных месторождений / В.В. Лукинов, О.С. Торопчин, Д.П. Гуня // Материалы международного энергетического форума "Уголь СНГ", 16-18 сентября 2004 г. - Москва, 2004. - С. 15-17.

13. Торопчин О.С. Аэрогазодинамика выемочного участка с управляемым процессом воздухораспределения при возникновении экзогенного пожара / О.С. Торопчин // Матер. наук.-практ. конф. "Проблеми прогнозування та попередження надзвичайних ситуаций природного, природно-техногенного та техногенного походження". - Одесса, 2008. - С. 102-103.

Внесок автора в роботи, що опубліковані у співавторстві: [1] - проведені аналіз і узагальнення результатів газоповітряних зйомок, проведених на виймальних дільницях з раціональними по газовому фактору схемами провітрювання у різні періоди відпрацьовування стовпа; [2] - проведено аналіз існуючих методів і розроблено узагальнений алгоритм розрахунку витоків повітря через вироблений простір для різних схем провітрювання виймальних дільниць; [3] - розроблено методологію експертної системи стосовно до аналізу та прогнозування небезпечних ситуацій, пов'язаних зі зміною режиму провітрювання; [4] - проведена оцінка впливу зміни у часі аеродинамічних і газодинамічних параметрів на можливість виникнення аварійних ситуацій на вугільних шахтах; [5] - на базі результатів депресійних зйомок зроблено розрахунок і оцінку аеродинамічних параметрів виробок шахтної вентиляційної мережі; [6] - проаналізована і узагальнена інформація про дегазаційні системи і використовуване дегазаційне устаткування на вугільних шахтах України; [7, 12] - зроблена прогнозна оцінка ефективності застосування дегазації поверхневими свердловинами технологічних скупчень метану у вугільних шахтах; [9] - розроблено теоретичні основи аналітичного методу визначення ліній току витоків повітря через вироблений простір; [10] - здійснено розрахунок аеродинамічних параметрів неконтрольованої повітровідводячої виробки при різних режимах і схемах провітрювання, що змінюються в період відпрацьовування виймального стовпа; [11] - розглянуті питання, пов'язані з оцінкою складу рудникового повітря і абсолютної газонасиченості діючих і проектованих вугільних шахт.



АНОТАЦІЯ

Торопчин О. С. Вдосконалення методу керування провітрюванням виймальних дільниц метанонасичених шахт комплексуванням схем провітрювання та параметрів дегазації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - "Охорона праці". Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2010 р.

У дисертації представлені результати депресійних зйомок виймальних дільниць метанонасичених шахт. Обґрунтовані умови й необхідність переходу в період відпрацювання виймального стовпа від прямоточної на комбіновану схему провітрювання , що, при досягненні максимального рівня аеродинамічного опору неконтрольованої повітровідводячої виробки, дозволяє продовжити її експлуатаційний період і одночасно знизити газонасиченість виймальної дільниці. Установлено, що на виймальних дільницях зі складною програмою керування процесом повітророзподілу при комплексуванні схем провітрювання та параметрів дегазації оцінку газонасиченості та участі на паях використовуваних способів дегазації в загальному газовому балансі варто давати окремо по відповідних квазістаціонарних періодах. Уперше встановлений зв'язок, що характеризує вплив пересувних підземних дегазаційних установок на режим провітрювання виймальної дільниці, і обґрунтована необхідність використання засобів вакуумування в її вентиляційній мережі, що в умовах зворотноточної схеми створює топологічний аналог комбінованого провітрювання.

Запропоновано метод розрахунку витоків повітря у виробленому просторі, викликаних суперпозицією загальношахтної депресії і градієнта розрядження задіяних засобів вакуумування, що дозволяє вибирати раціональні місця встановлення, кількість і параметри пристроїв для відбору газоповітряної суміші з виробленого простору. Розроблена і затверджена методика розрахунку витоків повітря через вироблений простір виймальних дільниць вугільних шахт, що дозволило підвищити ефективність дегазації виймальної дільниці на 15% і очікувати економічний ефект.

Ключові слова: виймальна дільниця, вироблений простір, схеми провітрювання, дегазація, неконтрольована повітровідводяча виробка, аерогазодинаміка, витоки (притоки), газоповітряна суміш, метод керування, комплексування.



АННОТАЦИЯ

Торопчин О.С. Совершенствование метода управления проветриванием выемочных участков метанообильных шахт комплексированием схем проветривания и параметров дегазации. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - "Охрана труда". Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2010 г.

В диссертации представлены результаты применения метода управления проветриванием выемочных участков метанообильных шахт для обеспечения безопасной добычи угля по газовому фактору.

Приведены результаты депрессионных и газовоздушных съемок на разных этапах разработки столба - до посадки основной кровли и после нее, когда резко снижалась пропускная способность выработок, оставленных за фронтом очистных работ. Скачкообразный рост аэродинамического сопротивления ведет к необходимости перевода выемочного участка на комбинированную схему проветривания, при которой за счет отвода исходящей струи одновременно по двум параллельным выработкам снижается аэродинамическое сопротивление воздухоотводящих выработок и выемочного участка в целом.

Впервые обоснованы условия и необходимость перехода от прямоточной схемы проветривания с подсвежением на комбинированную схему, которая, при уже достигшем максимального уровня аэродинамическом сопротивлении неконтролируемой воздухоотводящей выработки, позволяет продолжить ее эксплуатационный период и одновременно снизить газообильность выемочного участка. Поэтому, как показывают результаты шахтных исследований на выемочных участках со сложной программой управления процессом воздухораспределения (чередование схем проветривания в течении времени отработки столба), при комплексировании схем проветривания и параметров дегазации, оценку газонасыщенности и долевое участие используемых способов дегазации в общем газовом балансе следует давать отдельно по соответствующим квазистационарным периодам.

Впервые установлена связь, характеризующая влияние градиента разрежения от "свечей" газопровода передвижной подземной дегазационной установки на режим проветривания выемочного участка, и обоснована необходимость использования средств вакуумирования в его вентиляционной сети при возвратноточной схеме проветривания, что за счет изолированного отвода газовоздушной смеси из верхней части лавы создает топологический аналог комбинированного проветривания, обеспечивающий по газовому фактору нагрузку на забой на уровне рациональных схем. При периодической установке "свечей" по мере подвигания очистной выработки, влияние газоотсоса на режим проветривания практически сохраняется на постоянном уровне. В условиях, когда действующие "свечи" оставлены в выработанном пространстве, влияние газоотсоса на режим проветривания носит затухающей характер.

Предложен метод расчета утечек воздуха в выработанном пространстве, вызванных суперпозицией общешахтной депрессии и градиента разрежения задействованных средств вакуумирования, и получены уравнения линий тока этих утечек в схемах проветривания с воздухоотводящими выработками за фронтом очистных работ. Метод позволяет производить выбор рационального места установки, количества и параметров устройств для отбора газовоздушной смеси из выработанного пространства. Разработанная и утвержденная методика расчета утечек воздуха через выработанное пространство выемочных участков угольных шахт позволила повысить эффективность дегазации выемочного участка на 15% и ожидать получение экономического эффекта.

Ключевые слова: выемочный участок, выработанное пространство, схемы проветривания, дегазация, неконтролируемая воздухоотводящая выработка, аэрогазодинамика, утечки (притечки), газовоздушная смесь, метод управления, комплексирование.



ANNOTATION

Toropchin O.S. Improved method of airing control in extraction blocks of mines with high content of methane by way of combining airing schemes and degassing parameters.

Technical science candidate's thesis, speciality 05.26.01 - "Labour protection". M.S. Polyakov Institute of geotechnical mechanics of National academy of science of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2010.

The thesis represents results of depression mapping of blocks in mines with high content of methane. The author proves, for the stage of mining an extraction pillar, conditions for and necessity to pass from direct-flow airing to the combined scheme of airing, as it gives a possibility to reduce gas saturation of the extraction blocks and, at the same time, to make lifetime of uncontrolled exhaust working longer when it reaches maximal aerodynamic resistance. It is established that in the blocks with complex control program for the air-distribution process gas-saturation estimates and ratio of degassing methods used in the total gas balance should be given by separate quasi-stationary periods while combining airing schemes and parameters of degassing. The author is the first who has shown interrelations between underground degassing device and airing practice in the extraction blocks; he also states that it is necessary to use deairing devices in ventilation systems as it creates a topological analog of combined airing for the back-flow scheme.

The author proposes a method for calculating an air out-flow rate in the mined-out area caused by superposition of total depression in the mine, and vacuum gradient for the deairing devices, and this helps to choose optimal locations, number and parameters of devices that extract gas from the mined-out areas. Method for calculating out-flow rate of the air escaped through the mined-out areas in the coal mines is developed, and this method has improved degassing effectiveness by 15% with further expected economic effectiveness.

Key words: extraction blocks; mined-out area; airing scheme; degassing; uncontrolled exhaust working; air-gas dynamics; out-flow (inflow); air-gas mixture; control method; combining.

Размещено на Allbest.ru

...