Обеспечение безопасной эксплуатации горных машин по газовому фактору

УДК 658.382.2

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ МАШИН ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ

Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, А.Б. Жабин, Г.В. Стась

Повышение достоверности прогноза газовыделений и газовых ситуаций в горных выработках достигается адекватным математическим описанием процессов переноса газа в массиве и вентиляционных струях, отражающим их связь с параметрами технологических процессов. Обеспечение безопасной эксплуатации горных машин по газовому фактору основано на достоверном прогнозе газовыделений и газовых ситуаций.

Ключевые слова: безопасность, газовыделение, газовая ситуация, вентиляция, технологический процесс, горные машины.

Целью комплексных многолетних исследований динамики газовыделений на метанообильных шахтах являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей движения газов в породоугольном массиве и вентиляционных потоках для повышения достоверности прогноза газовыделения и газовых ситуаций в горных выработках, что позволило уменьшить вероятность аварий и несчастных случаев, вызванных нарушением состава рудничной атмосферы. Идея исследований заключалась в том, что повышение достоверности прогноза газовыделений и газовых ситуаций в горных выработках достигается адекватным математическим описанием процессов переноса газа в массиве и вентиляционных струях, отражающим их связь с параметрами технологических процессов [1].

В процессе исследований были поставлены и решены следующие

задачи:

1. Разработаны методические положения прогноза динамики газовыделений, отражающие взаимосвязь скорости газовыделения с параметрами основных и вспомогательных технологических процессов, для чего были решены следующие частные задачи:

- исследованы характерные особенности динамики газовыделения на очистных и подготовительных участках метанообильных и метаноугле-кислотообильных шахт;

- обоснована обобщенная формула закона сопротивления при фильтрации газа в горном массиве, учитывающую кинетику взаимодействия газа с твердой фазой;

- разработано математическое описание переноса газа в массиве с учетом конечной скорости распространения давления в пористой сорбирующей среде;

- установлены закономерности влияния физических свойств газа, коллекторских свойств пористой среды и статистических характеристик фильтрационного течения на величину газовой проницаемости, а также получены расчетные зависимости для определения газовой проницаемости углей и вмещающих пород ненарушенной и нарушенной структуры;

- исследована структура исходной информации, необходимой для прогноза динамики газовыделений и разработаны способы и средства для ее определения на основе существующей базы данных.

2. Разработано математическое обеспечение прогноза динамики газовыделений, позволяющее достоверно и с минимальной трудоемкостью моделировать газодинамические процессы, для чего были решены следующие частные задачи:

- разработаны математические модели метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта, учитывающие основные технологические параметры очистных и подготовительных работ;

- разработана математическая модель метановыделения из отбитого угля, учитывающая планограмму работ и технические характеристики выемочного и транспортного оборудования;

- разработана математическая модель метановыделения из выработанного пространства, учитывающая особенности динамики газовыделения из подработанных и надработанных массивов;

- разработаны математические модели газовыделения на углекис-лото-обильных шахтах, учитывающие влияние процессов низкотемпературного окисления, метеорологических факторов и развития горных работ.

Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахтах существенно облегчают решение задач газовой динамики за счет обеспечения диалогового режима работы пользователя с ЭВМ, что повышает эффективность САПР вентиляции. Основные научные и практические результаты комплексных исследований и моделирования динамики газовыделения и низкотемпературного окисления угля в шахтах, реализованные в виде пакетов прикладных программ, использованы ВГСЧ и отделом техники безопасности и охраны труда Минуглепрома СССР, включены в фонды алгоритмов и программ производственных объединений "Прокопьевскуголь", "Гуковоуголь", "Че-лябинскуголь", "Тулауголь" Закономерности динамики газовых выделений и рекомендации по повышению достоверности прогноза газообильности использованы ИГД им. А.А. Скочинского при разработке раздела "Прогноз метанообильности выработок угольных шахт", входящего в "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт". Способ дегазации угольного пласта, способ определения площади поперечного сече-

ния выработок, способы и устройства для определения окислительной активности и сорбционных свойств углей, устройство для изоляции тупиковых выработок от выработанного пространства внедрены на шахтах Донецкого и Подмосковного бассейнов и использованы в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР.

Основными источниками выделения обескислороженной газовой смеси в горные выработки углекислотообильных шахт являются разрабатываемые угольные пласты и выработанные пространства очистных участков. Эти источники газовыделений и являлись основными объектами исследований [1].

Целью комплексных многолетних исследований газообмена негазоносных угольных пластов с рудничной атмосферой являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей динамики поглощения кислорода разрабатываемыми угольными пластами и выделения углекислого газа для оценки газовых ситуаций и совершенствования методики расчета количества шахтного воздуха по газовому фактору. Идея выполненных исследований заключается в том, что количество воздуха, необходимого для поддержания концентрации кислорода и углекислого газа на так называемых негазовых шахтах, установленных правилами безопасности для угольных шахт, должно определяться с использованием адекватных математических моделей диффузии кислорода в угле и его переноса вентиляционными струями.

В процессе исследований газообмена негазоносных угольных пластов с рудничной атмосферой были решены следующие задачи:

выполнены анализ и обобщение технологических условий, влияющих на газообмен между угольными пластами, выработанными пространствами и шахтным воздухом на очистных и подготовительных участках, и получены оценки интервалов расчетного количества воздуха для различных технологических условий по очистным и подготовительным участкам шахт восточного Донбасса и Подмосковного бассейна;

- разработана математическая модель динамики поглощения кислорода обнаженными поверхностями разрабатываемого угольного пласта, учитывающая кинетику сорбционных процессов;

- разработана математическая модель кинетики сорбции кислорода углем в адсорбере закрытого типа и проведен цикл вычислительных экспериментов для определения области применения линейной модели;

- установлены закономерности изменения коэффициента эффективной диффузии кислорода в углях в зависимости от показателей технического анализа и петрографического состава углей;

- усовершенствована методика расчета количества воздуха для шахт Подмосковного бассейна путем определения количества воздуха по фактору обескислороживания шахтной атмосферы на очистных и подготовительных участках, а также разработан комплекс программных средств

для автоматизированных инженерных расчетов и проведено промышленное апробирование методик.

Аналогично целью многолетних комплексных исследований газообмена выработанных пространств с рудничной атмосферой являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей газовыделения из выработанных пространств в вентиляционными струями для совершенствования методики расчета динамики абсолютного газовыделения из выработанных пространств в шахтах Подмосковного бассейна с учетом динамики атмосферного давления, что позволило повысить безопасность подземных горных работ. Идея выполненных исследований заключается в том, что усовершенствованная методика расчета динамики абсолютного газовыделения из выработанных пространств в шахтах Подмосковного бассейна, позволяющая повысить безопасность подземных горных работ, должна основываться на адекватной математической модели газообмена выработанных пространств с вентиляционными струями и эффективных моделях локального изменения атмосферного давления.

В процессе исследований газообмена выработанных пространств с рудничной атмосферой были решены следующие задачи:

Выполнен анализ и обобщение результатов шахтных наблюдений газообмена в угольных шахтах Подмосковного бассейна при постоянном и снижающемся атмосферном давлении, а также при реверсировании вентилятора главного проветривания и разработана автоматизированная база данных на основе пакетов прикладных программ фирмы Microsoft.

Разработаны физическая модель и математическое описание динамики газового состава в выработанных пространствах, учитывающие перенос газов за счет совместного действия фильтрации и диффузии.

Уточнена математическую модель динамики газовыделений из выработанных пространств в периоды снижения атмосферного давления с учетом современных возможностей анализа временных рядов метеорологических параметров.

На основе созданной метеорологической базы данных установлены факторы, влияющие на изменения атмосферного давления, статистические характеристики этого процесса, а также разработана прогнозная модель оценки его изменения атмосферного давления, позволяющая получать аналитические зависимости путем экстраполяции.

Усовершенствована методика расчета абсолютного газовыделения из выработанных пространств очистных участков шахт Подмосковного бассейна в периоды снижения атмосферного давления путем расчета среднеинтегральных значений концентрации газовых компонент, определяющих газовую среду выработанных пространств. Доказана адекватность усовершенствованной методики.

Установленные закономерности дополняют действующую методику расчета количества воздуха, необходимого для проветривания очистных

и подготовительных участков шахт Подмосковного бассейна. В целях повышения эффективности инженерных расчетов разработан комплекс программных средств, который апробирован на действующих шахтах ОАО "Мосбассуголь" (табл. 1).

Таблица 1

Результаты практической апробации методики расчета __количества воздуха_

Шахта УЧАСТОК Расчетное количество воздуха, м3/мин

По действующей методике По фактору поглощения кислорода

Дубовская Очистной участок №4 86,20 119,73

Подгот. участок №13бис 120,47 218,40

Владимировская Очистной участок №55 108,83 155,97

Подгот. участок №33 юж. 204,20 343,60

Сравнение прогнозных концентраций кислорода на исходящих струях участков с данными многолетних натурных наблюдений, выполненных научными коллективами кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ, свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей (отклонения расчетных концентраций от фактических не превышает 20 %). Расчетные значения количеств воздуха по фактору поглощения кислорода, как правило, превышают расходы воздуха, рассчитанные в соответствии с методикой действующего "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт" на 25...45 %. Следовательно, усовершенствованная методика расчета количества воздуха, в которой использованы адекватные математические модели диффузии кислорода в угле и его переноса вентиляционными струями, и достоверные методы определения параметров этих математических моделей позволяют уменьшить вероятность отклонений концентраций кислорода рудничного воздуха в шахтах Подмосковного бассейна ниже значений, установленных Правилами безопасности, и тем самым повысить уровень безопасности подземных горных работ по газовому фактору.

Таким образом, были предложены математические модели для прогноза динамики газовой среды выработанных пространств, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на основе совместного решения уравнений фильтрации и конвективно-диффузионного переноса. В результате натурных наблюдений установлено, что в горных выработках временной ряд динамики концентрации углекислого газа идет в противофазе с временными рядами концентрации кислорода и ходом статического давления. По данным вычислительных экспериментов каче-

ственно эта закономерность сохраняется и для газовой среды выработанного пространства [2]

Из решения одномерного уравнения параболического типа для граничного условия первого рода и уравнения диффузии получена обобщенная зависимость изменения во времени газовыделения из выработанного пространства {1вл} при падении атмосферного давления и реверсирования или остановке вентилятора главного проветривания. Эта зависимость имеет вид

. вл} )Т-\коь [^(лмроГН^Ч (г - гр) + я/-5

{1вп}-цг2(г)Т~1{Ивь [тк^мРоГН^Ч (г - гр) + +

3 1] Т

+£/4

где Т - длительность периода снижения атмосферного давления при прогнозировании газовыделения; Су - содержание 1-й компоненты в газовой среде выработанного пространства, примыкающего к вентиляционной струе с ]-й стороны; ^ - момент времени, начиная с которого наблюдается падение статистического давления воздуха.

Оценка адекватности зависимости (1) осуществлялась для условий шахт «Приупская», «Дубовская», «Бельковская», «Васильевская», «Подмосковная» и «Середейская» АОО «Тулауголь». Сравнение фактических данных с расчетными значениями свидетельствует о том, что, во-первых, действующий и действовавший ранее нормативные документы рассматривают термодинамические равновесные процессы изотермического расширения газовой смеси, находящейся в выработанном пространстве и стационарного вымывания газовой смеси из аэродинамически активной зоны обрушения, и, во-вторых, информационный блок конечных результатов, полученных по предлагаемой методике, дает большие значения углекисло-товыделений. Усовершенствованная методика в отличие от существующих методик позволяет рассчитать также и потоки азота и кислорода, выделяющихся в составе мертвого воздуха при падении атмосферного давления. В целом результаты прогноза газовыделений подтверждают адекватность усовершенствованной методики, так как удовлетворительно совпадают с данными натурных наблюдений, опубликованными в литературе и представленными в базе данных ТулГУ.

Исследования последнего десятилетия показали, что в шахтах Подмосковного бассейна в ряде случаев основной газовой вредностью является радон. Для обеспечение безопасной эксплуатации горных машин на шахтах Подмосковного бассейна по фактору выделения радона в шахтную атмосферу были проведены комплексные исследования, позволившие разработать методику прогноза выделений радона и усовершенствовать методику расчета количества воздуха, введя радоновый фактор.

Алгоритм расчета абсолютного радоновыделения из надрабатывае-

мого уранового месторождения (1™) заключается в следующем. Формируется информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: IВП - интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении; Х^ - эффективная константа скорости процессов сорбции и радиоактивного распада радона; - коэффициент эффективной диффузии радона; h - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки.

Интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении рассчитывается по формуле

тВП — тВП с ехп

ТЯп — ТЯп Ь ум ехр

Алгоритм расчета абсолютного радоновыделения из разрабатываемого угольного пласта заключается в следующем. Формируется информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: IУП - интенсивность образования радона из разрабатываемого угольного пласта; Х^ - эффективная константа скорости процессов сорбции и радиоактивного распада радона; - коэффициент эффективной диффузии радона.

Интенсивность выделения радона из разрабатываемого угольного пласта определяется по формуле

тУП _ тУП гг

тЯн — ТЯп ЬПО

^.

Х Ян

Расчет радовыделения из подземных вод осуществляется в следующей последовательности. Формируется информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: Х - эффективная константа скорости процессов сорбции и радиоактивного распада радона; -коэффициент эффективной диффузии радона; h - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки; L - длина дренажного канала; - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом

объекте; А™

- конечное значение удельной активности подземных вод

КОН

по радону в точке x = L; Кб - коэффициент поверхностной газоотдачи по радону; u - средняя скорость движения воды в дренажном канале.

Абсолютное радоновыделение из подземных вод определяется по формуле

тПВ _ лПВ 1 Еп ~ ЛЕп

КОН

а

ПВ

1 - ехр

(АЕп + КОБ ) Ь

и

Расчет количества воздуха по фактору выделения радона осуществляют следующим образом. Формируют информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: - количество воздуха, которое необходимо подавать в подготовительный забой, чтобы концентрация радона на исходящей струе подготовительной выработки не превышала ПДК^; Lпв - проектная длина подготовительной выработки; $пв -площадь поперечного сечения подготовительной выработки в свету; kyТ -коэффициент утечек воздуха в вентиляционном трубопроводе; Dx - коэффициент диффузии радона; - суммарное выделение радона из всех источников; А^ - эффективная константа скорости сорбции и скорости радиоактивного распада радона.

Определяют количество воздуха по следующим формулам.

Расчет количества воздуха по фактору радоновыделений для подготовительных выработок:

Г \

аЗП

^Еп

П V

ПТ° ПВ

ь

ПВ

^кут

1п

1_ А Еп

ПДК

Еп

(^1Еп )пв

А Еп ^ПВ

П 1п

\

1

А ел ПДК

Еп

У

(^Еп )пв

Расчет количества воздуха по фактору радоновыделений для очистного участка:

аОЧ=--.

1п

Еп )оу

А Е„ ПДКеп )(

"Еп гЛ Еп \ ^ Еп/ОУ

Результаты расчета количества воздуха для очистных участков шахт Подмосковного бассейна представлены в табл. 2.

Разработанные математические модели радоновыделений и расчета количества воздуха были положены в основу алгоритмов и комплекса программных средств, позволяющего автоматизировать процесс решения инженерных задач при использовании усовершенствованных методик прогноза газовыделений в выработки шахт Подмосковного бассейна и расчета количества воздуха, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков.

Вычислительные эксперименты, выполненные для среднестатистических значений горно-геологических условий и технологических параметров, показали, что, как правило, фактор радоновыделений является

превалирующим при стабильном атмосферном давлении. При этом количество воздуха по фактору радоновыделений на 20...30 % превышает количество воздуха, необходимое для разбавления углекислого газа до предельно допустимого значения [3, 4].

Таблица 2

Расчеты количества воздуха для очистных участков шахт

Подмосковного бассейна

№ п/п Сочетание расчетных параметров Рассчетная углекислото-обильность, м3/мин Расчетное количество воздуха, м3/мин

Среднеста-тистиче- ский очистной участок Очистной участок с оптимальными параметрами по углекислото-обильности по радоно-обильности

1 Максимальное 0,85 1,00 201 - 260 274

2 Минимальное 0,10 0,24 36 - 86 156

3 Среднее 0,63 0,74 189 - 222 231

Разработанные методические положения прогноза газовыделений и расчета количества воздуха с учетом выделений радона в горные выработки, а также комплекс программных средств внедрены в ОАО «Тулауголь» и Подмосковном региональном отделении академии горных наук. Основные научные и практические результаты были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по межрегиональным научно-техническим программам, а также включены в учебные планы и учебно-методические материалы для студентов горно-строительного факультета.

Список литературы

1. Соколов Э.М., Качурин Н.М. Углекислый газ в угольных шахтах. М.: Недра. 1987. 142 с.

2. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин [и др.]. Тула ; Кемерово: Изд-во ТулГУ. 2013. 219 а

3. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов / Н.М. Качурин [и др.]. М.: Изд-во МГГУ. 2003. 293 а

4. Разрушение горных пород шарошками и диспергирование примесей в жидкостях / Н.М. Качурин [и др.]. Тула: Изд-во «Гриф и К0». 2003. 330 с.

Соколов Эдуард Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PROVIDING SAFETY EXPLOITATION OF MINING MACHINE BY GAS FACTOR E.M. Socolov, N.M. Kachurin, A.B. Gabin, G.V. Stas

Increasing authenticity of forecasting gas emission and gas situations in mining workings achieves by adequate mathematical description of moving gas in massif and ventilation jets reflecting their interconnection with technological processes parameters. Providing safety exploitation of mining machine by gas factors is based at authenticity of forecasting gas emission and gas situations.

Key words: safety, gas emission, gas situation, ventilation, technological process, mining machine.

Socolov E.M., Doctor of Science, Full Professor, Chief of a Department, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kachurin N.M., Doctor of Science, Full Professor, Chief of a Department, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gabin A.B., Doctor of Science, Full Professor, Chief of a Department, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Stas G.V., Candidate of Technical Science, Docent, galina_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University