Оценка динамики влияния выработанного пространства на аэродинамическое сопротивление выемочного участка

© A.B. Лейсле, B.B. Смирняков, M.M. Попов, 2015

УДК 622.456.3

А.В. Лейсле, В.В. Смирняков, М.М. Попов

ОЦЕНКА ДИНАМИКИ ВЛИЯНИЯ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА

Проведен анализ динамики изменения параметров вентиляционных схем добычных участков ряда угольных шахт в производственных условиях, с целью оценки диапазона изменения воздухо-распределения и депрессии по мере отработки выемочных столбов. Анализ выполнен на основе данных воздушно-депрессионных съемок, проведенных сотрудниками компании ОАО «СУЭК-Кузбасс» на шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты длинными очистными забоями с возвратноточной схемой проветривания. На основании полученных результатов определены аэродинамические сопротивления выработок выемочного участка, в том числе выработанного пространства, а также диапазоны их изменения по мере подвигания очистного забоя. Основная научно-практическая задача аналитических исследований при определении факторов, составляющих сопротивление выработанного пространства, заключалась в установлении периодичности и пределов их изменения, а также в определении баланса и структур фильтрационных потоков.

Ключевые слова: аэродинамика, воздух, выработанное пространство, аэродинамическое сопротивление, утечки.

При разработке пластов, заключенных в высокоугленосный массив (свиту), выработанное пространство (ВП) является основным источником поступления метана в очистную выработку. Его доля в балансе метановыделения на выемочном участке достигает свыше 75%. Количество метана, поступающего из выработанного пространства в призабой-ное, как для прямоточных, так и для возвратоточных схем проветривания, зависит, в том числе, от величины и характера (направления) утечек воздуха. В свою очередь, величина и место утечек, а значит и количество воздуха, проходящего по призабойному пространству, напрямую связаны с

аэродинамическим сопротивлением обрушенных пород. Таким образом, аэродинамические параметры выработанных пространств на угольных шахтах оказывают значительное влияние на процессы метано- и воздухораспределения в выработках выемочного участка, и имеют определяющее значение при расчете необходимого количества воздуха в ключевом звене участка - очистном забое. Необходимо отметить, что сопротивление выработанного пространства является величиной, изменяющейся не только во времени (по мере подвигания фронта очистных работ), но и по ширине и длине выемочного столба.

С учетом изложенного, цель проведенных исследований состояла в определении и анализе изменения сопротивления выработанного пространства при отработке угольных пластов длинными очистными забоями в пространстве и времени и сопоставлении его с сопутствующими горнотехническими процессами.

В современном представлении выработанное пространство являет собой несколько аэродинамически активных ветвей, сопротивление которых взаимосвязано и зависит от множества горно-геологических и горно-технических факторов. С точки зрения, обоснованной фундаментальной геомеханикой, эти ветви можно охарактеризовать как:

1. ветвь, проходящая через зону беспорядочного обрушения пород кровли;

2. ветвь в зоне, т.н. блочного обрушения, где течение газо-воздушной смеси проходит по каналам, появившимся в результате развития трещин;

3. ветвь, проходящая через зону расслоения пород кровли, представленную трещинами между расслоившимися породами с разными деформационными характеристиками.

Аналитические зависимости для определения аэродина-мичских и фильтрационных характеристик выработанного пространства были предложены многими исследователями [1-4]. Данные зависимости с высокой степенью достоверности описывают фактическое воздухораспределение для сплошных систем разработки, и систем разработки с прямоточной схемой проветривания. Это обусловлено относительной доступностью для наблюдений объекта исследования (ВП) с непогашаемых за лавой выработок. Для возвратоточ-

ных схем проветривания получение подобных зависимостей осложнено горно-техническими условиями, в частности, односторонним примыканием выработанного пространства к лаве. В этой связи, с целью определения пределов изменения сопротивления путей утечек через зоны обрушения, были обработаны результаты воздушно-депрессионных съёмок на ряде добычных участков предприятий ОАО «СУЭК-Кузбасс».

По мере отработки выемочного столба, с момента окончания монтажа очистного оборудования до захода механизированного комплекса в демонтажную камеру, сотрудниками участков ВТБ с некоторой периодичностью снимались данные по расходу воздуха в выработках участка и статическое давление в ключевых узлах. Таким образом, воспользовавшись основным законом воздухораспределения для турбулентного режима движения, были рассчитаны фактические сопротивления выработок участка, и отслежено его изменение в процессе развития горных работ. Сопротивление участка, заключенного между нижним и верхнем сопряжением лавы с подготовительными выработками, рассчитанное подобным образом, не соответствует истинному значению сопротивления призабойного пространства, более правильным будет считать его сопротивлением параллельного соединения из нескольких ветвей (рис. 1). При этом одной из ветвей является непосредственно призабойное пространство, остальные ветви соответствуют путям утечек через выработанное пространство. Так как сопротивление параллельного соединения всегда меньше сопротивления составляющих его отдельных ветвей, то за истинное значение сопротивления призабойного пространства было принято максимальное сопротивление соединения «лава+ВП» за весь период отработки столба, соответствующее моменту обрушения основной кровли и закрытию основных каналов утечек воздуха. Сопротивление путей утечек определялось по формулам расчета для параллельного соединения через известные сопротивления призабойного пространства и эквивалентного сопротивления выработок участка.

На рис. 2 представлено изменение аэродинамического сопротивления параллельного соединения, состоящего из ветви призабойного пространства и ветвей утечек.

Рис. 1. Последовательность упрощения аэродинамической схемы при расчете сопротивления выработок выемочного участка

По оси абсцисс отложено расстояние от лавы до монтажной камеры, по оси ординат величина сопротивления. В данном случае, правильным было бы изобразить динамику как семейство точек, а не как линию, так как в промежутках между замерами значения могут не соответствовать положению линии (линия изображена для наглядности). Прямая линия соответствует сопротивлению призабойного пространства, в работе принято допущение о его неизменности. Абсолютные значения сопротивления в период установившегося шага обрушения основной кровли колебались от 29 до 98 (*10-3 киломюрг).

На рис. 3 показано изменение сопротивления выработанного пространства, на графике оно представлено относительной величиной, т.е. отношением сопротивления ВП к сопротивлению лавы. На графике хорошо виден циклический характер изменения относительного сопротивления. Максимум величины соответствует минимальной проницаемости зоны обрушения. По мнению авторов, такая ситуация имеет место после обрушения основной кровли в аэродинамически активной зоне выработанного пространства, приводящего к уплотнению ранее обрушенных пород.

lío 100

Ъ

о

О 100 ZOO 300 400 500 BOO 700 300

Подвнгание очистного забоя, м Рис. 2. Динамика изменения сопротивления по мере подвигания очистного забоя

Рис. 3. Изменение сопротивления выработанного пространства по мере подвигания очистного забоя

Отмечено, что сопротивление ВП периодически принимало значения, близкие к сопротивлению очистного забоя (выше всего в 1,5-2 раза, в абсолютных единицах — 130*10-3кр). Подобный минимум сопротивления выработанного пространства характеризуется наибольшей его проницаемостью, что соответствует максимальному зависанию пород кровли и распространению аэродинамически активной зоны в глубину зоны обрушения.

Практический интерес вызывает разница в величинах подви-гания очистного забоя, соответствующая минимальным и максимальным значениям относительного сопротивления ВП. В отдельных случаях эта разница близка к величине шага обрушения пород основной кровли, иногда составляет значительно большую величину, что объясняется разной дискретностью замеров при воздушно-депрессионных съемках, данные которых использовались при обработке наблюдений. Достоверность подобных замеров можно увеличить при проведении воздушно-депрессионных съемках, периодичность которых составляет время, меньшее между циклами обрушения пород основной кровли.

Согласно вышеописанной методике было проанализировано 12 добычных участков, отрабатывающих пологие угольные пласты длинными очистными забоями. Установлено, что аналогичный циклический характер изменения сопротивления выработанного пространства имел место по всем выемочным столбам.

В перспективе подобные исследования позволят разработать методику сопоставления диапазонов фактического изменения сопротивления выработанного пространства с рассчитанными по существующим аналитическим зависимостям величинами, а также дифференцировать сопротивление зоны обрушения по различным путям утечек.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рудничная вентиляция / Справочник под ред. К.З.Ушакова // М.: Недра, 1988.

2. Пучков ДМ. Аэродинамика подземных выработанных пространств // М.: МГГУ, 1993.

3. Устинов A.M. Закономерности распределения утечек воздуха в выработанном пространстве лав при возвратноточной через целик схеме проветривания / А.М. Устинов, С.Г.Калиев // В сб. научных трудов ВостНИИ, т. 19, Кемерово, 1973. С. 94-100.

4. Маспяев A.E Определение ширины проветриваемой зоны выработанного пространства при столбовой системе разработки / А.Е. Масляев, И.Н. Ёинденау // В сб. научных трудов ВостНИИ, т. 19, Кемерово, 1973, С. 8993. ШЪ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Смирняков В.В. — кандидат технических наук, доцент, smirnyakovvv@ya.ru, Попов М.М. — кандидат технических наук, доцент, popov@spmi.ru Лейсле A.B. — кандидат технических наук, асситент, groz-4@yandex.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.456.3

IMPACT ASSESSMENT OF THE MINED-OUT SPACE ON THE AERODYNAMICAL RESISTANCE OF THE WORKING SITE

Smirnyakov V.V., PhD., associate professor, smirnyakovvv@ya.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia,

Popov M.M., PhD., associate professor, popov@spmi.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia,

Leisle A.V., PhD., assistant, groz-4@yandex.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia.

The authors have analyzed the dynamic parameters of mine ventilation schemes in some coal mines in work situations, to assess the range of the air distribution and depression while extraction pillars mining. The study has been done on the data of the air-depression survey conducted by the employees of JSC«SUEK-Kuzbass» in mines, which are mined coal flat-lying seams by means of long mining faces with back-flow air ventilating schemes. Aerodynamical resistance of the working site has been determined on the basis of this results, including mined-out space, as well as the range of their changes while face advance. The main scientific and practical task of this analytical studies in the determination of working site resistance, was the frequency establishment and extent of their changes, as well as in the balance determining and seepage structures.

Key words: Aerodynamics, air, mined-out space, aerodynamical resistance, leakage.

REFERENCES

1. Rudnichnaja ventiljacija (Mining ventilation)/ Spravochnik pod red. K.Z.Ushakova // Moscow: Nedra, 1988.

2. Puchkov D.D. Ajerodinamika podzemnyh vyrabotannyh prostranstv (Aerodynamics of undersurface mined-out spaces)// Moscow: MGGU, 1993.

3. Ustinov A.M. Zakonomernosti raspredelenija utechek vozduha v vyra-botannom prostranstve lav pri vozvratnotochnoj cherez celik sheme provetrivanija (Principles of air leakage in mined-out spaces for back-flow air ventilating schemes through the block)/ A.M. Ustinov, S.G.Kaliev // V sb. nauchnyh trudov VostNll, t. 19, Kemerovo, 1973. pp. 94-100.

4. Masljaev A.E Opredelenie shiriny provetrivaemoj zony vyrabotannogo prostranstva pri stolbovoj sisteme razrabotki (Width definition of ventilation zone of mined-out space in pillar mining )/ A.E. Masljaev, l.N. Lindenau // V sb. nauchnyh trudov VostNll, t. 19, Kemerovo, 1973, pp. 89-93.