ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(9):131-137

УДК 622.831 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-09-0-131-137

исследование возможностей повышения эффективности подземной дегазации угольных шахт

В.А. Малашкина

МГИ НИТУ «МИСиС», Москва, Россия, e-mail: Promecolodgy@mail.ru

Аннотация: Вследствие недостаточной эффективности работы системы дегазации на многих газообильных угольных шахтах метановыделение в горные выработки превышает допустимые нормы и не позволяет при применении высокопроизводительной добычной техники достигать плановых нагрузок на очистные забои, а также является причиной взрывов шахтного метана и пылегазовых смесей. Особенно эти явления проявляются при развитии горных работ и связанным с этим наращиванием разветвленной сети подземных дегазационных газопроводов. При этом мощность установленных вакуум-насосов остается неизменной, и зачастую разрежение на скважинах равно нулю. Метан выходит из скважин самотеком, но не всегда. В этих условиях обеспечение безопасности труда шахтеров и безостановочного технологического процесса выемки угля возможны только за счет стабилизации содержания метана в атмосфере горных выработок угольных шахт в пределах установленных норм. Для этих целей на многих шахтах РФ применяется комплексная дегазация, то есть подземная дегазация источников метановыделения и поверхностный газоотсос. Эти мероприятия позволяют достичь поставленных целей при постоянном росте глубины разработки угольных месторождений и протяженности горных выработок за счет снижения гидравлического сопротивления и, следовательно, потерь разрежения по длине подземного вакуумного трубопровода путем применения на участковых газопроводах звеньев труб и соединительной арматуры из композитных (стеклопластиковых) материалов.

Ключевые слова: дегазация, гидравлическое сопротивление, подземный вакуумный газопровод, метановоздушная смесь, стеклопластиковый трубопровод.

Для цитирования: Малашкина В.А.Исследование возможностей повышения эффективности подземной дегазации угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 9. - С. 131-137. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-09-0-131-137.

Efficiency boosting feature of intensification of coal mine in degasification

V.A. Malashkina

Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», Moscow, Russia,

e-mail: Promecolodgy@mail.ru

Abstract: As a consequence of inefficient degassing in many high-gas coal mines, methane release in roadways exceeds permissible rates, prevents high-capacity mining machines from reaching project output per face, and causes explosions of mine methane and gas-and-dust mixtures. These events become more frequent is mining is advanced with the related expansion of branched net of underground degasification pipelines. Vacuum pumps operate at the same preset capacity, and rarefaction at holes is often zero. Methane flows from holes by gravity but not every time. Under such conditions,

© B.A. Ma.nawKMHa. 2019.

mine personnel safety and nonstall coal production are only feasible through stabilization of methane content of coal mine air within standard ranges. To this effect, many coal mines in Russia apply integrated degasification, i.e. in-mine drainage of methane sources and surface gas suction. These actions allow meeting the set objectives at the continuous growth of mining depth and length of roadways in coal mines due to reduction in pressure loss and, consequently, in rarefaction drop along the underground vacuum pipeline by using pipe sections and connection fittings made of composite (fiberglass) materials.

Key words: degasification, pressure loss, underground vacuum gas pipeline, methane-and-air mixture, fiberglass pipeline.

For citation: Malashkina V. A. Efficiency boosting feature of intensification of coal mine in degasification. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(9):131-137. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-090-131-137.

Введение

Для эффективной дегазации угольных шахт и расширения диапазона возможностей полезного использования шахтного метана подземная дегазационная и поверхностная газоотсасывающая установки должны обеспечивать стабильность заданных технологических параметров: требуемое разрежение в устьях дегазационных скважин, обеспечивающее откачивание расчетного количества метана; поддержание в начале наземного трубопровода величины давления, определяемой техническими характеристиками системы потребителя; параметров каптируемой метановоздушной смеси: величины дебита и концентрации метана в смеси, гарантирующих бесперебойную работу дегазационной системы и потребителя.

Объекты и методы исследования

Так как методика расчета технических характеристик и конструктивных параметров подземных вакуумных и наземных дегазационных трубопроводов, а также выбора вакуум-насосов для подземной дегазации [1] не учитывает особенностей движения метановоздушной смеси в дегазационной трубопроводной системе, то эффективность действующих дегазационных установок всегда меньше проектируемой [2].

К основным направлениям повышения эффективности использования дега-

зационных установок угольных шахт можно отнести следующие:

• для проектируемых установок: совершенствование методик расчета конструктивных параметров и технических характеристик, учитывающих термо- и гидродинамические особенности режимов движения метановоздушной смеси; совершенствование оборудования для транспортирования метановоздушной смеси от скважин на поверхность или к потребителю, обеспечивающей стабильную работу дегазационной установки в рациональном режиме; создание эффективных и оперативных методов непрерывного контроля изменяющихся во времени параметров каптируемой смеси; создание и использование методов диагностики работы дегазационной системы, учитывающих особенности движения каптируемой смеси по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу;

• для действующих установок: возможность корректировки режимов работы дегазационной установки в режиме «on line»; снижение гидравлического сопротивления подземной вакуумной трубопроводной сети; применение рациональных методов диагностики и контроля работы дегазационной установки; учет фактических потерь давления на участках трубопровода при корректировке режимов работы установки и других особенностей эксплуатации дегазационной установки;

• для газоотсасывающих установок [3]: возможность корректировки концентрации метана в отсасываемой смеси в режиме «оп line»; обеспечение качества смешения отсасываемой метано-воздуш-ной смеси при превышения в ней концентрации метана выше нормы с воздухом подсвежения.

Повышение эффективности использования дегазационной установки складывается из обеспечения рациональной работы ее основных элементов: дегазационных скважин, подземного вакуумного газопровода и вакуум-насосной станции; а также достоверной оценки работы всей дегазационной системы [4].

Показатель эффективности использования подземного вакуумного дегазационного трубопровода зависит от его герметичности и пропускной способности, так как наибольшее снижение концентрации каптируемого метана в смеси из-за притечек воздуха в дегазационную систему через неплотности фланцевых соединений и потери создаваемого вакуум-насосами разрежения происходят именно во время подачи газовой смеси от скважин к потребителю [5].

Давление в начале и конце участков подземного газопровода является основным показателем, характеризующим его гидравлическое сопротивление, с уменьшением которого потери давления по длине снижаются, и для получения величины разрежения в устье удаленной скважины, необходимой для откачивания расчетного количества метана, возможно использование меньшего числа вакуум-насосов.

Уменьшить сопротивление подземного вакуумного дегазационного трубопровода, особенно при увеличении его протяженности без увеличения производительности работающих вакуум-насосов возможно за счет применения участковых газопроводов из композитных материалов, в частности из стеклопластика,

гидравлические характеристики которых позволят значительно снизить общее сопротивление трубопроводной сети. Выбор режимов подачи метановоздушной смеси по вакуумному газопроводу должен производиться с учетом шероховатости его стенок, которая для стальных труб изменяется в пределах от 0,05 мм (для новых труб) до 0,45 мм (для труб, которые несколько лет находились в эксплуатации), для стеклопластиковых труб шероховатость изменяется в пределах от 0,0001 до 0,0015 мм. Преимущество второго варианта очевидно.

Основная часть энергии, переносимой метановоздушной смесью вдоль подземного газопровода, расходуется на преодоление гидравлического сопротивления разветвленной трубопроводной сети, преобразуясь в тепловую [6]. По гидравлической классификации подземный вакуумный дегазационный газопровод относится к длинным трубопроводам, следовательно, это сопротивление по длине. Рост турбулентности движущейся смеси — основная причина увеличения сопротивления, а значит, и потерь давления в подземном вакуумном дегазационном трубопроводе. Так как между молекулами метановоздушной смеси нет взаимодействия, а в промежутках между столкновениями друг с другом или со стенками труб движение их прямолинейно [5].

Рост содержания воздуха в метано-воздушной смеси по пути движения от скважин к вакуум-насосной станции за счет имеющихся подсосов через неплотности фланцевых соединений приводит к увеличению сил инерции, действующих в смеси и динамической вязкости, влияние которой на гидравлическое трение значительно у стенок труб и уменьшается к середине сечения. При этом главную роль в образовании потерь энергии играют перемешивание и соударения молекул смеси друг с другом, приводя-

щие к рассеиванию кинетическом энергии завихренных частиц. Увеличение турбулентности является одной из основных причин роста гидравлического сопротивления вакуумного трубопровода, и, как следствие, — возрастания потерь давления в дегазационной системе. Касательные напряжения при этом в основном определяются турбулентной вязкостью, обусловленной турбулентными пульсациями.

Влияние гидравлического сопротивления трубопроводной сети на потери давления в подземной дегазационной системе вакуумных трубопроводов характеризуется коэффициентом гидравлического сопротивления Дарси, который зависит от числа Рейнольдса, относительной шероховатости внутренних стенок труб (Д/б, где Д — абсолютная шероховатость, м) и от характера этой шероховатости. С учетом формулы А.Д. Альтшуля это можно представить зависимостью

(р1- Р2 ) а5

4,5-10"4 Q2m RLt

= 0,11

Дэ 68

— + —

d Re

где р1, р2 — абсолютное давление в вакуумном трубопроводе соответственно

в начале и конце участка, Па; I — длина участка, м; Я — газовая постоянная ме-тановоздушной смеси, Дж/кгК; б — диаметр трубопровода на участке, м; 0т — массовый расход метановоздушной смеси на участке, кг/с; Дэ — эквивалентная шероховатость, м; Re — число Рейнольдса; Т — температура газовой смеси, °С.

Для стеклопластиковых труб коэффициент Дарси имеет более низкие значения, чем для стальных, поэтому при транспортировании метановоздушной смеси от скважин угольных шахт на поверхность необходимо режимы работы вакуум-насосов определять по уточненной методике с учетом материала звеньев подземного газопровода и срока их эксплуатации. Это позволит определить, какие участки необходимо собирать из стеклопластиковых труб, а какие из стальных.

Например (рис. 1), при одинаковых условиях эксплуатации для разных типов материала трубопроводов имеют место различные величины потерь давления по длине и следовательно разное разрежение у устья скважин. Расход ме-тановоздушной смеси во всех случаях 10 м3/мин. Участок 1—19 — магистральный газопровод (внутренний диаметр трубы 300 мм), участок 19—22—23 —

1 4 5 16 18 19 20 21(23)21(22) Участки

Рис. 1. График изменения разрежения по длине газопровода: 1 — стальной трубопровод; 2 — комбинированный трубопровод; 3 — стеклопластиковый трубопровод

Fig. 1. Schedule of changes in the vacuum along the length of the pipeline: 1 — steel pipe; 2 — combined pipe; 3 — fiberglass pipe

Конструктивные параметры сети подземных дегазационных трубопроводов Design parameters of the network of underground degassing pipelines

Наименование параметра Узлы Е ед./изм.

1-4; 4-5 5-6 6-8 8-9 9-20 0-21 1-23 1-22

Диаметр Лу (стальные трубы) 307 150 мм

Диаметр Ду (стекло-пластиковые трубы) 315 154 мм

Длина участка 50 0 40 0 0 50 00 000 000 м

участковый газопровод (диаметр трубы — 150 мм). Для стальных труб полная потеря разрежения происходит на участковом газопроводе 19—21 (кривая 1). При замене всего стального дегазационного газопровода на стеклопластиковый можно получить разрежение на скважине 200 мм рт.ст. (кривая 3), но для действующих дегазационных сетей такой вариант не всегда является возможным как достаточно затратный.

Замена стальных труб на трубы из стеклопластика на участковых газопроводах (кривая 2), которые по технологическому процессу дегазации перемонтируются каждые 1,5—2 года, позволит при тех же условиях эксплуатации и режимах работы вакуумнасосной станции получить разрежение на скважине 150 мм рт.ст., что говорит о возможности дальнейшего наращивания участкового

трубопровода по длине или регулирования режимов работы вакуум-насосов. Это позволит получить экономию расхода электроэнергии. Кроме того, звенья труб из стеклопластика помимо низкой шероховатости [2] имеют значительно меньшую массу, чем стальные, что также важно для выполнения их переноса на новое место и монтажа. В этих трубопроводах не образуются продукты коррозии. Конструктивные характеристики дегазационных трубопроводов приведены в таблице.

Увеличение количества и улучшение качества откачиваемой метановоздуш-ной смеси в этих же условиях эксплуатации (без дополнительных вакуум-насосов) возможно при разрежении на скважине 26 мм рт.ст. (рис. 2): кривая 1 — 10 м3/мин, кривая 2 — 17 м3/мин, кривая 3 — 20 м3/мин.

Рвак'ММ рт. СТ.

350 300 250 200 150 100 50 О

1 4 5 16 18 19 20 21(23)21(22) Участки

Рис. 2. График зависимости значения разрежения по длине газопровода: 1—10 м3/мин;

2-17 м3/мин; 3-20 м3/мин

Fig. 2. The graph of the rarefaction value along the length of the pipeline: 1—10 m3/min; 2—17 m3/min;

3-20 m3/min

и — з,

л ч

/ N s

\

\

i \ \

Экономичным является вариант с заменой стальных труб на стеклопласти-ковые на участковых газопроводах. Ме-тановоздушную смесь, откачиваемую дегазационной и газоотсасывающей установками будет возможно использовать в хозяйственных целях [7, 8], а также для дутья в шахтной котельной [9] после специальной подготовки.

При оценке эффективности совместной работы системы вентиляции и дегазации с использованием результатов вакуумно-газовой съемки при расчете и компьютерном моделировании ее конструктивных параметров [10] не учитывается изменение по длине газопровода состава каптируемой смеси, а также влияние гидро- и термодинамических особенностей движения, имеющих место в процессе транспортирования смеси от скважин к вакуум-насосной станции.

На сегодняшний день вакуумно-газо-вая съемка является практически единственным способом диагностики состоя-

список ЛИТЕРАТУРЫ

ния дегазационной установки, по результатам которой невозможно определить необходимость прокладывания параллельного участка, а также оценить количественную интенсивность выбросов метана из угольных шахт вентиляцией [11].

Заключение

При любой конструкции дегазационной системы возможно сформировать такой термо- и гидродинамический режим транспортирования метановоздуш-ной смеси от подземных скважин до вакуум-насосной станции, который обеспечивал бы наилучшие в рассматриваемых условиях и для конкретной установки показатели давления, концентрации метана и расхода метановоздушной смеси за счет применения уточненной методики расчета, а также не ограничивал бы возможности применения высокопроизводительной добычной техники [12] по газовому фактору.

1. Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Вып. 22. — М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2012. — 250 с.

2. Малашкина В.А. Определение режимов работы дегазационных установок угольных шахт с участками подземных газопроводов из композитных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — СВ 19. — С. 1—12.

3. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасыва-ющих установок / Приказ Минприроды РФ № 325 от 08.10.2009 г. — М., 2009.

4. Карпов Е. Ф., Рязанов А. В. Автоматизация и контроль дегазационных систем. — М.: Недра, 1983. — 190 с.

5. Малашкина В.А., Вострикова Н.А. Выбор режимов транспортирования метановоздушной смеси по подземному дегазационному трубопроводу // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2003. — СВ. — С. 13—18.

6. Малашкина В.А. Направления повышения эффективности подземной дегазации для улучшения условий труда шахтеров угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 7. — С. 69—75.

7. Пармузин П. Н. Зарубежный и отечественный опыт освоения ресурсов метана угольных пластов. — Ухта: УГТУ, 2017. — 109 с.

8. UNECE, Best practice guidance for effective methane drainage and use in coal mines, (U.N. Economic Commission for Europe, ECE Energy Series, No. 31, Geneva, Switzerland, Accessed on 11 March 2017 at: http://www.unece. org/fileadmin/ DAM /energy/se/pdfs/cmm/pub/ Best-PractGuide_MethDrain es31.pdf, 2010).

9. Krings T., Gerilowski K., Buchwitz M., Hartmann J., Sachs T., Erzinger J., Burrows J., Boven-smann H. Quantification of methane emission rates from coal mine ventilation shafts using airborne remote sensing data // Atmospheric Measurement Techniques. 2013. Vol. 6. Pp. 151—166.

10. Junjie Chen, Deguang Xu. Ventilation air Methane of Coal Mines as the Sustainable Energy Source // American Journal of Mining and Metallurgy. 2015. Vol. 3. Iss. 1. Pp. 1—8.

11. §uvar M. C., Lupu C., Arad V., Cioclea D., Päsculescu V. M., Mija N. Computerized simulation of mine ventilation networks for sustainable decision making process // Environmental Engineering and Management Journal. 2014. Vol. 13. No. 6. Pp. 1445—1451.

12. Сластунов С. В., Каркашадзе Г. Г., Коликов К. С. Современные проблемы метанобезо-пасности при высокопроизводительной отработке угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — ОВ 1. — С. 202—210. ЕШ

REFERENCES

1. Instruktsiya po degazatsii ugol'nykh shakht. Seriya 05. Vyp. 22 [Instructions for the degassing of coal mines. Series 05. Issue 22], Moscow, ZAO NTTS PB, 2012, 250 p. [In Russ].

2. Malashkina V. A. Definition of modes of degassing of coal mines plants with sections of underground pipelines made of composite materials. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. Special edition 19, pp. 1—12. [In Russ].

3. Instruktsiya po primeneniyu skhem provetrivaniya vyemochnykh uchastkov ugol'nykh shakht s izolirovannym otvodom metana iz vyrabotannogo prostranstva s pomoshch'yu gazoot-sasyvayushchikh ustanovok [Instructions for use schemes of airing of excavation sites of coal mines with isolated removal of methane from out space with gazootsasyvajushchih plants], Order of the Ministry of natural re-sources № 325 from 08.10. 2009. Moscow, 2009. [In Russ].

4. Karpov E. F., Ryazanov A. V. Avtomatizatsiya i kontrol' degazatsionnykh sistem [Automation and control of degas-sing systems], Moscow, Nedra, 1983, 190 p.

5. Malashkina V. A., Vostrikova N. A. The choice of modes of transport methane-air mixture through an underground drainage pipe. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2003. Special edition, pp. 13—18. [In Russ].

6. Malashkina V. A. Directions of increase of efficiency of under-ground degassing to improve the working conditions of miners in coal mines. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018, no 7, pp. 69—75. [In Russ].

7. Parmuzin P. N. Zarubezhnyy i otechestvennyy opyt osvoeniya resursov metana ugol'nykh plastov [Foreign and domestic experience of development of resources of coal bed methane], Ukhta, UGTU, 2017, 109 p.

8. UNECE, Best practice guidance for effective methane drainage and use in coal mines, (U.N. Economic Commission for Europe, ECE Energy Series, No. 31, Geneva, Switzerland, Accessed on 11 March 2017 at: http://www.unece. org/fileadmin/ DAM /energy/se/pdfs/cmm/ pub/ BestPractGuide_MethDrain es31.pdf, 2010).

9. Krings T., Gerilowski K., Buchwitz M., Hartmann J., Sachs T., Erzinger J., Burrows J., Boven-smann H. Quantification of methane emission rates from coal mine ventilation shafts using airborne remote sensing data. Atmospheric Measurement Techniques. 2013. Vol. 6. Pp. 151—166.

10. Junjie Chen, Deguang Xu. Ventilation air Methane of Coal Mines as the Sustainable Energy Source. American Journal of Mining and Metallurgy. 2015. Vol. 3. Iss. 1. Pp. 1—8.

11. §uvar M. C., Lupu C., Arad V., Cioclea D., Päsculescu V. M., Mija N. Computerized simulation of mine ventilation networks for sustainable decision making process. Environmental Engineering and Management Journal. 2014. Vol. 13. No. 6. Pp. 1445—1451.

12. Slastunov S. V., Karkashadze G. G., Kolikov K. S. Modern problems of methane safety in high-performance coal mining. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011. Special edition 1, pp. 202—210. [In Russ].

информация об авторе

Малашкина Валентина Александровна — доктор технических наук, профессор, e-mail: Promecolodgy@mail.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

V.A. Malashkina1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: Promecolodgy@mail.ru, Mining Institute,

National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.