К анализу расчетных формул предельной нагрузки на очистной забой угольных шахт

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»

ЭО ООО «Центр независимой экспертизы»

К анализу расчетных формул предельной нагрузки на очистной забой угольных шахт

А.М. Ермолаев (д-р техн. наук, профессор кафедры)

М.Т. Кобылянский (д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой)

А.В. Адамков (канд. техн. наук, доцент)

В.Б. Попов (д-р техн. наук, директор)

А.В. Сурков (д-р техн. наук, проф.)

Аннотация

Ермолаев Алексей Михайлович

Кобылянский Михаил Трофимович

Адамков Аркадий Викторович

Попов Валерий Борисович

Сурков Александр Васильевич

Взрывы метана и угольной пыли в шахтах с многочисленными жертвами и громадными разрушениями происходили и происходят. Они связаны с газовыделением и интенсивностью горных работ, а газовыделение и пылеобразование - с объемом добычи угля в единицу времени. Все это ограничивает суточную нагрузку на очистной забой.

Формула расчета предельной суточной нагрузки на очистной забой разработана в прошлом столетии, изложена в справочниках по рудничной вентиляции. Расчеты по этим формулам дают незначительную суточную нагрузку на современную энерговооруженную горную технику, которая не может удовлетворить современных собственников. Уступая их требованиям, ученые без научного обоснования вводят выдуманные коэффициенты, увеличивая этот показатель в четыре и более раз, что недопустимо.

Ключевые слова: ОЧИСТНОЙ, ЗАБОЙ, УГОЛЬНЫЕ, ШАХТЫ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ГАЗОВЫЙ, ФАКТОР, ПРЕДЕЛЬНАЯ, НАГРУЗКА, ФОРМУЛЫ, РАСЧЕТ

Annotatіon

TO THE ANALYSIS OF DESIGN FORMULAS OF ULTIMATE LOAD ON LONGWALL FACE IN COAL MINES

A.M. Ermolaev, M.T. Kobilaynskii, A.V. Adamkov, V.B. Popov, A.V. Surkov

Methane and coal dust explosions in mines lead to numerous fatalities and enormous destruction. This happens because of gas emissions and intensive coal mining, and gas liberation and dust formation relate to the amount of coal mined per a time unit. All these factors limit a daily production load on the longwall face.

A design formula for the ultimate daily load on the longwall face was developed in last century, and is provided in handbooks on mine ventilation. Calculation done by these formulas provide too small daily load on modern powerful mining equipment, and cannot satisfy coal mines' owners. Meeting their demands the scientists without scientific justification introduce made-up coefficients, increasing this index by four and more times, which is unacceptable.

Key words: LONGWALL, FACE, COAL, MINES, SAFETY

В литературных источниках взрывы метана и угольной пыли в шахтах упоминаются начиная с XVIII в. В начале XIX в. произошел ряд крупных катастроф, связанных со взрывами на шахтах Европы, с огромным числом погибших шахтеров. Вопрос о взрывах в угольных шахтах был вынесен на Международный горный конгресс, рекомендации которого фактически вошли в действующие Правила безопасности.

Взрывы в шахтах, прежде всего, связаны с выделением метана и образованием угольной пыли. Газовыделение и пылеобразование зависят от объема добычи угля в единицу времени. Газовыделение в рабочее пространство очистного забоя ограничивает нагрузку на очистной забой по газовому фактору. Суточная нагрузка по газовому фактору A определяется по формуле 1:

т/сут, (1)

где v - максимально допустимая скорость движения воздуха в очистной выработке, м/с;

S - расчетная площадь поперечного сечения призабойного пространства очистной выработки, м2;

с - максимально допустимое содержание газа в исходящей вентиляционной струе, %;

k - коэффициент неравномерности газовыделения;

q - газообильность лавы, м3 /т.

Эта же формула расчета максимальной суточной нагрузки на очистной забой по газовому фактору приведена на с. 408 в книге [2]. Авторы добавляют, что максимально допустимая производительность выемочной машины по газовому фактору зависит от коэффициента машинного времени, и фиксируют, что при k = 0,5 необходимо добавлять в числитель коэффициент 0,6.

Сущность формулы состоит в том, что количество газа, выделяющееся при работе машины, не должно быть больше того количества газа, которое может выноситься из лав при данной максимальной скорости движения воздуха в лаве, ее сечении и максимальном содержании газа в воздухе.

Эта же формула фигурирует во многих методических пособиях членов кафедры разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом Кузбасского государственного технического университета. Так, без изменений и добавлений эта формула применяется в источниках [3].

В работе [4] нагрузку на очистной забой по газовому фактору можно определить по формуле:

, т/сут, (2)

где, помимо ранее применяемых коэффициентов (S· v· c / q), вводятся:

k - коэффициент, учитывающий движение части воздуха по выработанному пространству за крепью (при управлении кровлей полным обрушением принимают равным 1,2…1,4);

- коэффициент, учитывающий предварительную дегазацию пласта (при отсутствии предварительной дегазации пласта =1);

d - коэффициент, учитывающий естественную дегазацию пласта и других источников выделения метана при отсутствии добычных работ (для столбовых систем разработки при управлении кровлей полным обрушением принимается равным 0,7).

Здесь следует отметить, что в работе не приводится методика определения коэффициентов, учитывающих объем воздуха, движущегося по выработанному пространству за крепью, и нет методики оценки коэффициентов предварительной дегазации. Надо заметить, что эти явления могут наблюдаться, но не во всех лавах. За крепью остается, как правило, обрушенная порода кровли с пустотами, и считать, что по этим каналам движется воздух, проветривающий рабочее пространство очистного забоя, - это весьма опрометчивое, сомнительное и рискованное утверждение. Предложенные коэффициенты ничем не обоснованы, а их применение существенно изменяет допустимую предельную нагрузку на очистной забой. Так, если в числитель поставить k=1,4, а в знаменатель d =0,7, то расчетная предельная нагрузка на очистной забой увеличивается в 2 раза. Это и является, по нашему мнению, основным мотивом разработки новых формул расчета предельной нагрузки на очистной забой.

В работе [5] при определении нагрузки на очистной забой по газовому фактору относительную метанообильность лавы определяют с учетом дегазации пласта, спутников и выработанного пространства, а также с учетом способа управления кровлей (при полном обрушении коэффициент 0,25; при полной закладке 0,1). К сожалению, и эти коэффициенты не являются обоснованными.

В работе [6] формула расчета предельной нагрузки на очистной забой несколько изменена с учетом режима работы лавы и добавлением коэффициента машинного времени работы выемочной машины по выемке, разрушению и погрузке угля на забойный конвейер f, т.е. предложено учитывать то время, при котором из угля интенсивно выделяется метан.

Формула (3) применима при режиме работы лавы: три добычные шестичасовые смены и одна ремонтно-подготовительная смена:

очистной забой горный взрыв

т/сут. (3)

Формула (4) применима для лав, которые работают без ремонтно-подготовительной смены, т.е. непрерывно 24 ч по добыче угля:

 т/сут, (4)

где 68400 - продолжительность трех добычных смен, с;

86400 - продолжительность четырех добычных смен, с;

100 - коэффициент перевода процентов в единицы.

Формулы (1)-(4) по своей сущности - это формулы К.З.Ушакова, А.С. Бурчакова и И.И. Медведева. В них добавлен ими же предложенный коэффициент машинного времени и учтено только то время, в течение которого выемочная машина работает по отбойке, разрушению, измельчению и погрузке угля, т.е. время массового интенсивного выделения метана в очистной забой.

Во «Временной инструкции по расчету параметров проветривания выемочных участков при комбинированном способе проветривания» расчет максимальной нагрузки на очистной забой по газовому фактору проводится по формуле:

т/ сут, (5)

где T - продолжительность рабочей смены, мин;

k - коэффициент, характеризующий схему выемки угля. При односторонней схеме выемки угля в лаве k =0,5; при двухсторонней (челноковой) k =1;

n - число рабочих смен по добыче угля;

j - производительность комбайна:

т / мин, (6)

где kг.н - коэффициент уменьшения нагрузки в зависимости от длины геологического нарушения лавы;

kк - коэффициент готовности комбайна;

v - скорость комбайна, м/мин;

Y - объемный вес угля, т/м3;

m - вынимаемая мощность пласта, м.

Попытаемся определить максимальную нагрузку на очистной забой по предложенным формулам (5) и (6):

Проверим размерность применяемых формул:

мин • ед.• ед./сут • м • т/ м3 • м/с • ед. • ед. = т/м•сут.

В итоге получается, что максимальная нагрузка на очистной забой по газовому фактору будет измеряться в т/мсут !

В чем ошибка? Все применяемые величины никак не связаны с газовыделением в очистном забое. Про газовыделение авторы забыли или игнорируют.

Вместе с тем, величина мощности пласта, умноженная на величину захвата (стружки) комбайна и умноженная на показатель скорости движения комбайна при выемке угля дает объем извлекаемого угля за единицу времени, и тут правомерно применение объемного веса угля. Это количество угля Q, т/мин, содержащее в себе определенный объем метана W, которое при разрушении, измельчении, погрузке на забойный конвейер и транспортировании его по лаве, а иногда и по конвейерному штреку, бремсбергу (уклону), откаточным выработкам вплоть до подъема на поверхность, выделяет метан в воздушный поток, проходящий через очистной забой.

Объем метана W в количестве угля Q определяется:

м3,

где X - природная газоносность пласта угля, м3/т.

Но в шахте выделяется не весь метан, содержащийся в угле, а определенная часть W1:

W1 м3.

Величину

(X -X0) =q

назовем газовыделением в шахте, м3/т. В очистном забое организуется проветривание, а скорость движения воздуха ограничивается 4 м/с. В свою очередь, большинство очистных забоев оборудуются механизированными крепями, которые имеют весьма определенное сечение рабочего пространства.

Следовательно, количество воздуха, проходящее по очистному забою B, строго ограничено предельной скоростью (v= 4 м/с) и сечением рабочего пространства S:

м3/с.

Содержание метана в исходящей из очистного забоя струе ограничено - с =1 %. Это значит, что в очистной забой может быть выделено метана не более С:

м3/с.

Допустимое предельное выделение метана в очистной забой составит:

м3/с

или м3/сут.

С другой стороны, при газовыделении метана в лаве q и суточной добыче A газовыделение составит G = q A , но оно не должно быть больше C:

Выполнив подстановки, получим

откуда

Выразив Т в секундах (T=6·60·60 = 21600 с) и заменив проценты на единицы, получим следующее:

- при двухсменной работе очистного забоя по выемке угля предельная суточная нагрузка на очистной забой определится по формуле:

 , т/ сут; (7)

- при трехсменном режиме работы лавы - по формуле:

, т/сут. (8)

- при четырехсменном режиме работы лавы по добыче предельная суточная нагрузка на очистной забой определится по формуле:

, т/сут. (9)

По существу выражение (9) является формулой К.З. Ушакова, А.С. Бурчакова, И.И. Медведева [1, 2].

На графике (рисунок 1) показаны результаты расчета предельной нагрузки на очистной забой в зависимости от газовыделения. Расчеты сделаны для следующих условий: S = 10 м2; v=4 м/с; с=1 %; f=1 и f=0,7. Эти результаты можно считать универсальными и ими можно пользоваться в любых условиях. Если в какой-либо лаве меняется параметр сечения рабочего пространства в большую или в меньшую сторону, то, применив соответствующий коэффициент увеличения или уменьшения, можно воспользоваться этими данными. Из графика следует, что максимально допустимая нагрузка на очистной забой, работающий в четыре добычные смены, для шахт I категории по газу составляет 6912 т/сут, для шахт II категории - 3456 т/сут и для шахт III категории - 2340 т/сут.

При выполнении требований правил безопасности в шахтах надо следовать принципам правил дорожного движения. Так, если в городе правилами движения скорость ограничена 60 км/ч, то расстояние 60 км необходимо проехать не менее чем за 60 мин. В противном случае нарушили правила. Так, по аналогии на шахтах сверхкатегорийных по газу проектировать «шахту - лаву» или «шахту - пласт» с суточной добычей более 2340 т/сут без дегазации необходимо запретить, так как они будут вынуждены работать с нарушениями ПБ.

Рисунок 1 Предельная суточная нагрузка на очистной забой при четырехсменной работе по добыче: с коэффициентом машинного времени f=1 и с коэффициентом машинного времени f=0,7

Известно, что в 2008 г. 30 бригад очистных забоев перешагнули рубеж добычи за год 1 млн т и более, следовательно, среднесуточная добыча в них составила более 3000 т/сут. Есть бригада, которая довела суточную добычу свыше 20000 т в течение месяца. Среднесуточная добыча комплексно-механизированных забоев в 2000-2008 гг. показана в таблице 1.

Таблица 1 Среднесуточная добыча комплексно-механизированных забоев по годам

Стремление поднять этот показатель, игнорируя метановыделение, чревато опасностью взрыва метана. График зависимости предельной нагрузки на очистной забой по газовому фактору при режиме работы в три добычные смены с одной ремонтно-подготовительной представлен на рисунке 2.

Из рисунка 2 следует, что при трехсменной работе лавы с коэффициентом машинного времени, равным 1, предельная добыча на шахтах I категории по газу не может быть свыше 5472, на шахтах II категории - 2736, на шахтах III категории - 1824 и на сверхкатегорийных не свыше 1368 т/сут. И если коэффициент машинного времени составляет 0,7 (такой коэффициент уже был достигнут в передовых бригадах), то предельная нагрузка для шахт I категории по газу составляет 3830, для шахт II категории - 1915, для шахт III категории - 1260 и для сверхкатегорийных по газу - 907 т/сут. Как видно из расчетов, предельные цифры весьма незначительные, и поэтому изыскиваются формулы различными авторами с целью обосновать увеличение предельной нагрузки в ущерб безопасности шахтеров, которые и остаются виновными во всех авариях.

Рисунок 2 Предельная суточная нагрузка на очистной забой при трехсменной работе по добыче: с коэффициентом машинного времени f=1 и с коэффициентом машинного времени f=0,7

Данная статья публикуется с целью привлечения научно-технической общественности к обсуждению проблемы разработки «новых» формул расчета предельной нагрузки на очистной забой по газовому фактору.

Наше мнение: сущность явления объективно и точно отражена в формулах К.З. Ушакова, А.С. Бурчакова, И.И.Медведева [1, 2]. Попытка вставлять различные коэффициенты с различными индексами не меняет сущности. Газовыделение в очистном забое при наличии современной газовой защиты можно определять чуть ли не на каждой стружке, и нет никакого смысла тащить массу коэффициентов, основанных на применении числа е в различных степенях, как это делается в работе [7] и др. Число е = 2,73 (подсчитанное даже до тысячных знаков) на газовыделение в очистном забое, по нашему мнению, никаким образом не влияет.

Следовательно, при определении максимальной предельной суточной нагрузки на очистной забой по газовому фактору по формуле (2), если использовать коэффициент 864, а также коэффициент, учитывающий движение воздуха по выработанному пространству за крепью (k=1,4), коэффициент дегазации (kе=0,7) и не учитывать достигнутый коэффициент машинного времени (f=0,44), то допустимая предельная нагрузка на очистной забой увеличивается более чем в пять раз:

.

Таким образом, можно констатировать, что, несмотря на проведенные на протяжении десятилетий исследования, в настоящее время нет зависимостей, позволяющих достоверно определять оптимальные нагрузки на очистные забои по газовому фактору с учетом геомеханического состояния призабойной зоны пласта, параметров лавы, скорости ее подвигания и глубины ведения горных работ. А взрывы метана в очистных забоях участились: из 18 случаев взрывов, произошедших за последние годы в шахтах, 17 произошли в лавах. Поэтому возникает необходимость, изучив и обсудив эту проблему, разработать единую формулу, определяющую предельную нагрузку на очистной забой по газовому фактору для современных условий ведения горных работ, что обеспечило бы максимальную безопасность при добыче угля.

Библиографический список

1 Справочник по рудничной вентиляции. - М.: Недра, 1977. - 328 с.

2 Ушаков, К.З. Рудничная аэрология / К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, И.И. Медведев. - М.: Недра, 1978. - 440 с.

3 Хомченко, В.Н. Основы горного дела: методические указания по выполнению курсовых работ/ В.Н. Хомченко, А.И. Набоков. - Кемерово, 1998. - 23 с.

4 Бобер, Е.А. Подземная разработка пластовых месторождений: методические указания по лабораторным занятиям для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело» / Е.А. Бобер. - Ч. 2. - Кемерово: КузГТУ. - 2000. - 53 с.

5 Егоров, П.В. Подземная разработка пластовых месторождений / П.В.Егоров, Е.А.Бобер, Ю.Н.Кузнецов, О.В.Михеев, Б.В.Красильников. - М.: МГГУ, 2002. - 217 с.

6 Ермолаев, А.М. О необходимости корректировки формул расчета предельной нагрузки на комплексно-механизированные очистные забои // Безопасность жизнедеятельности предприятий топливно-энергетического комплекса России: материалы Международной научно-практической конференции МАНЭБ «Белые ночи». - Кемерово - СПб., 2006.

7 Каркашадзе, Е.Г. Совершенствование методики расчета нагрузки на очистной забой с учетом давления метана в угольном пласте / Е.Г. Каркашадзе // Горный журнал. - 2009. - №4. -С.90.

Размещено на Allbest.ru