Прогнозирование и разработка комплекса мер по нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких угольных шахт на ПЭВМ

ния, существенное влияние на процесс разгрузки оказывает фактор времени. Так, нами было установлено, что увеличение времени достижения максимума газовыделения в 2 раза, соответствует увеличению времени разгрузки также в 2 раза.

Новый подход к оценке эффекта устранения выбросоопас-ности потребовал введения и новых показателей, характеризующих изменение напряженно-деформированного и газодинамического состояния под- и над-рабатываемых выбросоопасных массивов. Наряду с ранее предложенными показателями [2] следует учитывать и величину разности между временем достижения максимальной скорости

газовыделения и началом роста газовыделения из измерительных скважин (А^. Установленная по экспериментальным данным [7] зависимость (рис. 1), по своей физической сущности характеризует скорость протекания деформаций генетического возврата в породах междупластья в результате разгрузки.

В целом изложенное позволяет сделать следующие выводы, относящиеся к увеличению эффективности первоочередной отработки защитных пластов.

Эффект устранения выбросо-опасности обусловливается не только снижением напряженности углепородного массива, но и необходимостью дегазации выбросоопасного пласта. Снижение

напряженности - процесс мгновенный. Но так же мгновенно дегазация произойти не может, т.к. для этого должна увеличиться проницаемость, рост которой становится реальным по мере развития деформаций генетического возврата.

Для увеличения эффективности отработки защитных пластов необходимо наряду с нормативными показателями, характеризующими рекомендуемый способ, обязательно учитывать фактор времени и склонность пород междупластья к деформациям генетического возврата.

С увеличением глубины горных работ эффективность защиты увеличивается.

1. Николин В.И, Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений.-М.:Полимедиа,1997.-496с.

2. Нпколпн В.И, Мордасов В.И, Подкопаев С.В. Закономерности развития деформаций генетического возврата - научная основа снижения травматизма.-Донецк.-РИА ДонГТУ.-2001.-318с.

3. Забигайло В.Е., Николин В.И. Влияние катагенеза горных пород и метаморфизма углей на их выбросоопас-ность.-К.:Наукова думка, 1990.-168с.

4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа.-М.: Минуглепром СССР, 1989.-192с.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Мордасов В.И, Подкопаев С.В., Формос В.Ф. Экс-

периментальное изучение влияния глубины разработки на размеры зон разгрузки при разработке свиты пластов //Сб.научн.тр.НГА Украины.-Днепропетровск.-2000.-Ш9.-

т.2-с.188-193.

6. Подкопаев С.В, Сорокопуд М.П, Теросипов В.М. Аналитическая оценка параметров разгрузки при отработке защитных пластов //Изв.Донецкого горного института.-2000.-Ш2.-с.62-66.

7. Новый подход к оценке эффекта разгрузки выбросоопасного массива при его надработке / Николин В.И., Калфакчиян А.П., Бобров И.А. и др. // Безопасность труда в промышленности, 1997.-Ш11.-с.31-33.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------

Николин В.И. - доктор технических наук, профессор, Донецкий национальный технический университет, г. Донецк. Подкопаев С.В. - кандидат технических наук, доцент, Донецкий национальный технический университет, г. Донецк.

© А.А. Мартынов, С.Г. Лунев,

А. К. Яковенко, 2003

УЛК 622.413:536.244

А.А. Мартынов, С.Г. Лунев, А. К. Яковенко

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕР ПО НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ГЛУБОКИХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ НА ПЭВМ

Овоение глубоких горизонтов на шахтах Донецкого бассейна сопровождается формированием в рабочих забоях температур воздуха выше допустимых Правилами безопасности

норм. Наиболее неблагоприятные климатические условия формируются в подготовительных выработках выемочных участков и очистных забоях. Тепловой режим горных выработок глубоких шахт

формируется под влиянием сложных процессов тепло- и массообмена между горным массивом и вентиляционной струей при воздействии целого ряда дополнительных факторов.

Основными источниками теплоприращения воздуха в выработках являются горный массив, выемочное и транспортное электрооборудование, транспортируемое ископаемое, обводненных выработках - шахтная вода. В тепловом балансе лав и выемочных участков в целом существенную долю составляют теплопритоки из выработанного пространства.

Широкий диапазон горно-геологических и горнотехнических условий отработки запасов угля на шахтах предопределяет применение большого числа технологических схем и параметров разработки пластов. Применяемые на действующих глубоких шахтах технологические схемы по фактору формирования климатических условий в выработках выемочных участков имеют существенные отличия.

На основании исследований установлено, что степень проявления теплового фактора в выработках выемочных участков во многом определяется комплексом технологических решений отработки пластов и прежде всего системой разработки, схемой и параметрами проветривания, способом управления горным давлением, местом размещения основного участкового электрооборудования, рядом других параметров (длина выемочного поля, длина лавы и др.) [1]. Оптимизация указанных горнотехнических решений по тепловому фактору в конкретных условиях разработки угольных пластов, обоснование эффективных способов и средств регулирования теплового режима, в том числе и искусственного охлаждения воздуха, возможны только на основе выполнения трудоемких вариантных тепловых расчетов горных выработок.

Фундаментальные исследования тепломассообмена в горных выработках, выполненные основоположниками научной школы горной теплофизики А.Н. Щербанем, О.А. Кремневым, А.Ф. Воропаевым, Ю.Д. Дядькиным, позволили разработать научные основы прогноза и регулирования теплового режима глубоких шахт. За основу тепловых расчетов рудничного воздуха признано решение задачи нестационарной теплопроводности горного массива при теплообмене между вентиляционной струей и стенками выработки. Дальнейшее развитие исследования по проблеме теплового режима шахт получили в ИТТФ НАН Украины, ИгТм НАН Украины, МакНИИ, ДГТУ, ДонУГИ и других институтах и организациях. В результате были разработаны различные методики прогнозирования температуры рудничной атмосферы.

Основным руководящим нормативным документом для проектных организаций и специалистов угольных шахт, занимающихся вопросами прогноза и регулирования теплового режима горных выработок, является “Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах” [2].

Зависимости для расчета температуры воздуха в горных выработках получены на основании ре-

шения уравнения теплового баланса в дифференциальной форме, которое имеет вид С Л = ( Оп / Ь ) dy + ( ЕОш / Ь ) dy ± 9,81 О вту dy , где О - массовый расход воздуха в выработке, кг / с Ц - энтальпия воздуха, Дж/кг; Оп - тепловыделение из горного массива в выработку, Вт; ЕОш -суммарное тепловыделение местных источников, Вт; Ь - расчетная длина выработки, м; у - продольная координата, м; у - угол наклона выработки к горизонту, град.

На основании выполненных в последующий период (после утверждения “Единой методики...” [2]) теоретических и экспериментальных исследований в области тепломассопереноса в выработках глубоких шахт, теплопритоков из выработанного пространства лав при различных способах управления кровлей, уточнения тепловыделений от ряда местных источников были разработаны “Методика прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт” [3] и “Экспресс-методика прогнозирования температуры воздуха в выработках глубоких шахт” [4]. Разработка этих отраслевых нормативных документов была весьма актуальной, так как с переходом горных работ на более глубокие горизонты существенно возросла в тепловом балансе выработок выемочных участков доля теплопритоков из выработанного пространства лав. Последняя для глубоких горизонтов шахт Донецкого бассейна составляет 28-68 %. Величина теплопритоков определяется температурой горного массива, утечками воздуха и зависит от системы разработки, способа управления горным давлением, схемы и параметров проветривания выемочного участка.

С углублением горных работ в Донбассе и имеющимся дефицитом высокопроизводительной шахтной холодильной техники все большее внимание стало уделяться шахтами оценке горно-планировоч-ных и технологических параметров отработки выемочных участков по тепловому фактору.

Для этих целей на основании выполненных специальных исследований для обоснованного выбора при проектировании и эксплуатации шахт рациональных с учетом теплового фактора технологических схем и параметров разработки угольных пластов на больших глубинах МакНИИ совместно с ДонУГИ разработано “Руководство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки пологих пластов глубоких шахт” (КД 12.5.012-94) [5]. В указанном “Руководстве...” изложены основные требования по учету теплового фактора при проектировании горных работ на больших глубинах, дана классификация технологических схем, обоснованы условия и область применения технологических схем и параметров разработки пологих пластов с учетом теплового фактора.

Для оказания оперативной помощи ИТР шахт и проектных организаций в выполнении многовариантных прогнозных тепловых расчетов выработок выемочных участков и выборе рациональных по тепловому фактору технологических схем разра-

ботки угольных пластов, параметров горных работ и обоснованных мер по нормализации тепловых условий в очистных забоях разработана компьютерная технология для персональных ЭВМ, совместимых с 1ВМ [6]. Выполнение указанных тепловых расчетов необходимо при разработке проектов новых и реконструируемых шахт, определении перспективных программ развития горных работ по пластам, планировании ввода в эксплуатацию новых выемочных участков, выборе практических мер по улучшению теплового состояния шахтной атмосферы в выработках глубоких горизонтов. Укрупненная блок-схема компьютерной программы теплового расчета выработок выемочных участков угольных шахт показана на рисунке.

Программа разработана на базе указанных выше действующих в угольной промышленности нормативных документов по прогнозированию температурных условий в горных выработках [2, 3, 4].

Область применения разработанной программы тепловых расчетов горных выработок на ПЭВМ распространяется на шахты, разрабатывающие пологие и наклонные угольные пласты.

Разработанная компьютерная программа позволяет с достаточной степенью точности решить следующие задачи: выполнить прогноз температуры воздуха в выработках выемочного участка при естественном режиме формирования климатических условий и применении искусственного охлаждения; определить холодопотребность лавы; рассчитать необходимую холодильную мощность оборудования для нормализации теплового режима в выработках в соответствии с требованиями Правил безопасности. Возможно, также установить температуру притока воздуха из выработанного пространства лавы, рассчитать величины поступления тепла из него непосредственно в лаву и на вентиляционный штрек.

Укрупненная блок-схема компьютерной программы выполнения тепловых расчетов выемочных участков угольных шахт

Внедрение компьютерной технологии прогноза температурных условий в выработках выемочных участков обеспечивает возможность оперативного выполнения оценки по тепловому фактору горнотехнических решений и параметров разработки угольных пластов на глубоких горизонтах: системы разработки; направления перемещения очистного забоя; способа управления горным давлением; схем проветривания выемочного участка и лавы; способа и средств охраны участковых выработок; расхода воздуха на выемочном участке; механизации очистных работ; длины выемочного поля, лавы; нагрузки на очистной забой и др.

Компьютерная программа позволяет в кратчайшие сроки установить целесообразные практические действия шахт по улучшению и нормализации температурных условий в очистных забоях, в том числе с применением искусственного охлаждения воздуха на выемочных участках. При этом определить параметры охлажденного воздуха, необходимую холодильную мощность средств охлаждения, оптимальную расстановку воздухоохладителей в участковых штреках. Из специальных мер программа позволяет для конкретных условий произвести оценку осушения участковых воздухоподающих выработок, уменьшения (локализации) выноса тепла утечками воздуха из зоны выработанного пространства и ряда других мероприятий.

Разработанная компьютерная технология является первым шагом в создании унифицированных программных средств для ПЭВМ по данному направлению, получившая положительные результаты апробации и внедрения на глубоких шахтах Донецкого бассейна.

Результаты практического использования компьютерной технологии на ряде шахт с глубиной разработки угольных пластов 1000-1300 м показали ее надежную работоспособность, точность и достоверность выполняемых прогнозных тепловых расчетов, преимущества оптимизации параметров разработки пластов по тепловому фактору. Обоснованный выбор рациональных с учетом теплового фактора технологических схем в конкретных условиях разработки пластов обеспечивает минимальные холодопотребности очистных забоев и затраты на кондиционирование воздуха [7].

Программа проста в использовании, не требует от потребителя специальных навыков и знаний сложной теории тепломассообменных процессов в горных выработках. При выполнении тепловых расчетов с использованием данной программы на ПЭВМ требуется лишь правильный выбор и ввод исходных данных, характерных для шахты и выработок выемочного участка. Выполнение прогноза температуры воздуха в выработках, выбор целесообразных технологических решений и параметров разработки угольных пластов по тепловому фактору с использованием данной компьютерной программы характеризуется быстротой получения результатов.

Компьютерная технология в настоящее время внедрена в Донецком бассейне на глубоких шахтах государственных холдинговых компаний “Дон-уголь”, “Свердловантрацит” и “Шахтерскантра-цит”. В разработке программных средств и их апробации на глубоких шахтах принимали участие Р.М. Саноцкий, А.А. Климов, Е.С. Бондарева.

Положительные результаты внедрения и отзывы о использовании компьютерной программы позволяют рекомендовать ее для более широкого применения работниками угольной промышленности, занимающихся решением проблемы борьбы с высокими температурами воздуха в шахтах.

Выводы. Компьютерная технология прогнозирования температурных условий в глубоких угольных шахтах разработана на основании действую-

щих в угольной промышленности Украины нормативных документов. Компьютерная технология позволяет осуществлять выбор рациональных по тепловому фактору горнотехнических, технологических и специальных мер по нормализации тепло-вогосостояния рудничной атмосферы в рабочих забоях при планировании ведения горных работ на больших глубинах. Положительные результаты апробации и внедрения компьютерной технологии на шахтах Донецкого бассейна с глубиной ведения очистных работ 600-1300 м позволяют рекомендовать ее для более широкого применения работниками угольной промышленности, занимающихся проблемой борьбы с высокими температурами в горных выработках угольных шахт

1. Мартынов А.А., Андреев И.М., Большаков П.Я. Управление тепловым режимом глубоких шахт внедрением прогрессивных горнотехнических решений // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. трудов МакНИИ. -1995. - С. 184-193.

2. Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах. Макеевка -Донбасс: МакНИИ.- 1979.- 189 с.

3. Методика прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов

глубоких шахт. Макеевка-Донбасс: МакНИИ- 1984.- 61с.

4. Экспресс-методика прогнозирования температуры воздуха в выработках глубоких шахт Донбасса. Макеевка-Донбасс:МакНИИ.-1985.-59 с.

5. Руководство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки пологих пластов глубоких шахт. КД 12.5.012-94. - Мак-НИИ.- 1994.- 54 с.

6. Бобров А.И., Мартынов А.А., Тулуб С.Б. Компьютерная технология выбора рациональных по тепло-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

вому фактору технологических решений разработки пологих пластов глубоких шахт // Горная промышленность на пороге XXI века: Доклады 16 Всемирного Горного Конгресса.- София- Болгария.- 1994. Т.

4.- С. 119-124.

7. Лунев С.Г., Мартынов А.А., Распопов А.Н., Яковенко А.К. Повышение безопасности и комфортности труда при разработке уклонных полей глубоких шахт. В кн.: Доклады 9-й сессии Международного бюро по горной теплофизике.-Гливице-Польша.- 2000.- С.297-305.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------

Мартынов А.А. — кандидат технических наук, Теруправление Госнадзорохрантруда Украины, Донецк. Лунев С.Г. — кандидат технических наук, Теруправление Госнадзорохрантруда Украины, Донецк. Яковенко А.К. — кандидат технических наук, МакНИИ, Украина, Макеевка.