Аэрогазодинамические и теплофизические процессы, обусловленные ликвидацией угольных шахт Кузбасса

УДК 622.85

АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЛИКВИДАЦИЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ КУЗБАССА

Н.М. Качурин, П.В. Васильев, С. А. Воробьев, Л. Л. Рыбак

Показано что, структуризация российской угольной промышленности обусловила ликвидацию большого количества шахт в Кузнецком и Донецком угольных бассейнах. Экологические последствия приобрели особую остроту в таких условиях. Обобщение результатов натурных исследований газообмена выработанных пространств с атмосферой на земной поверхности территорий горных отводов ликвидированных шахт в Кузбассе и Донбассе наглядно иллюстрирует, что уточненные закономерности этих процессов являются необходимыми для обеспечения экологической безопасности подработанных территорий. Мониторинг аэрогазодинамических и тепловых процессов показал, что на земную поверхность фильтруются различные газы из подработанных пород в результате избыточного давления в выработанных пространствах.

Ключевые слова: мониторинг, аэрогазодинамические и тепловые процессы, ликвидация шахт, выработанное пространство, газ, земная поверхность, экологическая безопасность, подработанная территория.

В соответствии с программой реструктуризации и общей стратегией развития угольной промышленности различных стран предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль за счет создания конкурентоспособных предприятий, освоения месторождений с благоприятными горно-геологическими условиями, внедрения новых технологий, комплексной экологически чистой переработкой полезных ископаемых [1-2]. В результате осуществляемой реструктуризации угольной промышленности России и ликвидации нерентабельных угледобывающих предприятий произошла ликвидация шахт Кузбасса, разрабатывавших газоносные и склонные к самовозгоранию угольные пласты [3]. Особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, обусловленными, на первый взгляд, рациональными экономическими решениями [4].

Проекты проведения работ по экологической реабилитации нарушенных территорий, предусмотренные проектами ликвидации шахт и обеспечивающие приведение территорий промышленных площадок ликвидируемых шахт в экологически безопасное состояние, разрабатываются и реализуются на основании результатов комплексного геоэкологического мониторинга [5]. Существующие методы прогнозирования экологических последствий на территориях горных отводов ликвидированных шахт требуют более глубокого научного обоснование для реализации эффективных алгоритмов экологического мониторинга [6]. Это повысит эффективность экологиче-

ского мониторинга, прогнозных расчетов и долгосрочной оценки воздействия на окружающую среду при закрытии нерентабельных шахт [7-8].

Закрытие шахт на территории Кемеровской области создало и продолжает создавать экологические проблемы. Результаты газодинамического мониторинга по ликвидируемым шахтам показывают, что постоянно фиксируются поступления метана, углекислого газа и оксида углерода на земную поверхность (табл. 1). Наличие оксида углерода в газодренажных трубах на подконтрольных объектах наглядно свидетельствует об активно протекающем процессе низкотемпературного окисления угольных скоплений в зоне обрушения. Еще активнее этот процесс протекает на поверхности породных отвалов. Оценка склонности угольных пластов к самовозгоранию и значения инкубационного периода самовозгорания подтверждают этот вывод (табл. 2).

Таблица 1

Результаты газодинамического мониторинга по ликвидируемым

шахтам за 2013 год

Шахта Объектов с проникновением газа Отобрано проб Сделано анализов Число регистраций выхода газов Максимальные концентрации, %

СН4 СО2 СО СН4 СО2 СО

Анжерская 47 4404 8844 78 4404 - 0,4 2,15 -

Судженская 28 3458 6988 183 3458 - 0,94 5,32 -

Сибирская 57 6252 12552 108 6252 - 0,94 6,13 -

Южная 67 5690 11443 1316 3574 - 0,5 6 -

Шахта им. Волкова 7 596 1215 1 417 - 0,1 2,4 -

Ягуновская 6 168 408 10 168 5 5 6 0,0001

Кольчугинская 149 15436 35818 432 9827 7 0,3 1,6 0,0001

ШУ Грамотеин-ское 1 28 92 - 28 - 2,22 -

им. Ярославского 2 56 184 - 56 2 4 0,0001

Пионерка 175 18899 37813 579 7722 - 0,2 1 -

Суртаиха 37 4088 8187 123 2648 - 0,2 2,2 -

Центральная 4 72 240 48 69 1 2,94 1,12 0,0005

Ноградская 4 112 368 за 99 29 0,5 15 0,003

Шахта им. Димитрова 8 224 544 172 223 2 3 -

Нагорная 11 308 1010 298 306 5 11,4 11,5 0,0002

Новокузнецкая 7 196 525 189 195 - 3,6 7,2

Байдаевская 5 140 460 133 140 - 5,2 4,7 --

Шушталепская 8 224 736 159 182 6 0,5 11,8 0,0019

Характер развития процесса самонагревания определяется соотношением генерации и рассеяния теплоты в угольном скоплении. По результатам выполненного теоретического обобщения из многообразия фак-

тов выделены следующие закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания угля. Преобразование угольного вещества под воздействием горных работ происходит на двух уровнях организации. Это макроскопические изменения, при которых происходит перераспределение напряжений и тепловых потоков в окрестности выработки переориентировка элементов строения угольного вещества в соответствии с новой системой воздействующих сил, образование новой системы нарушенности угля и преобразование природных нарушений массива [10]. Микроскопические преобразования сопровождаются физико-химическими и структурными изменениями, которые переводят стабильную систему уголь-кислород в новое метастабильное состояние. В процессе самонагревания угля имеет место латентный (инкубационный) период развития. Известно, что в начальной стадии окисления углей происходит лишь поглощение кислорода и почти не выделяется никаких легких продуктов. Следующая стадия окисления характеризуется появлением СО2 и СО.

Таблица 2

Угольные пласты, склонные к самовозгоранию

Пласт Категория склонности к самовозгоранию Инкубационный период самовозгорания угля, сут.

Горелый Весьма склонный 43

Прокопьевский II Склонный 54

Прокопьевский I Склонный 54

Мощный Весьма склонный 40

Лутугинский Весьма склонный 49

III Внутренний Весьма склонный 48

IV Внутренний Весьма склонный 44

II Внутренний Весьма склонный 46

Двойной Склонный 56

VI Внутренний Склонный 56

I Внутренний Склонный 54

Обоснована следующая математическая модель диффузии кислорода в угольном скоплении:

дск _ п д2ск _г-1

~дГ " Пк 1X2 к и

Ск

к

х^м

где ск - концентрация кислорода в угольном скоплении; Бк - коэффициент диффузии кислорода в угле; ? - время; х - пространственная координата;

начальная скорость сорб-

Гк - константа изотермы сорбции Генри; ик(0) ции кислорода углем; ск (в) - концентрация кислорода в воздухе Решение уравнения (1) для условия (2) имеет вид

cK (x, t ) = 0,5c

к

exp

+ exp

Вычисляя производную от функции (3) в точке х = 0 и используя первый закон Фика, получим величину диффузионного потока кислорода в угольное скопление. Вычислительные эксперименты показали, что величина диффузионного потока кислорода стремится к некоторой асимптоте. Установившийся диффузионный поток кислорода в угольное скопление (Л (да)) определяется по следующей формуле:

JK («) = J——« Jk\ x=0 = Ск ( б) <

iuk (0)dk

г к

Зависимость (4) позволяет представить источник тепловыделения в следующем виде: = ]к(с / Уус, где q - тепловой эффект поглощения

кислорода углем; Бу.с , Уу с - площадь поверхности и объем угольного скопления соответственно. При этом зависимость (3) показывает уменьшение концентрации кислорода по мере удаления от внешней поверхности угольного скопления. Следовательно, математическую модель самонагревания угольного скопления можно записать следующим образом:

дТ

д 2Т

+ —exp (-kx).

a-

dt dx2 cp T(x,0) = T0 = const, T(0,t) = Tc = const, lim T Ф«,

x—

где T - температура угля в угольном скоплении; a - температуропроводность угольного скопления; c - теплоемкость угля; p - плотность угля; k -коэффициент ослабления диффузии кислорода в угольное скопление; T0 -температура угольного скопления в начальный момент времени; Tc - температура на внешней поверхности угольного скопления.

Решение уравнения (5) для условий (6) получено в следующем виде:

T (x, t)-T

Tc - T

erfc

x

wn

24ät Xk2

erfc

x

2\[ät

ex

p

"^2exp(

k at - kx lerfc

kyfät

x

24ät

+

2exp(

k at + kx lerfc

kjät

+

x

22

.

Результаты вычислительных экспериментов показывают, что продольный профиль температуры угольного скопления имеет точку экстремума, являющуюся максимальной температурой угля в данный момент времени (рис. 1). Эта точка перемещается вглубь угольного скопления, а максимальная температура угля растет. Таким образом, проводя вычислительные эксперименты в процессе экологического мониторинга, можно прогнозировать теплофизические процессы в породных отвалах по фактору возникновения эндогенных пожаров.

Рис. 1. График зависимости безразмерной температуры угольного скопления. Значения at (м2): 1 - 0,3; 2 - 0,4; 3 - 0,45; 4 - 0,5;

5 - 0,55; 6 - 0,6

Прогноз газообмена выработанных пространств с земной поверхностью осуществлялся на основе классической математической модели фильтрации метана из подработанных горных пород:

д 2 д22

= , 0 < z < H, 0 < t <+ да,

dt dz2

p2

где p - давление газовой смеси в подработанных породах; к - пьезопро-водность подработанных пород; H - глубина залегания отработанного угольного пласта; p0 - начальное давление газовой смеси; pa - атмосферное давление.

Решение уравнения (8) для условий (9) имеет следующий вид: p2 (z,t) = p2a + (2 - p2a )zH-1 +1,273 p0X(2n +1)-1 x

n=0

х ехр

-(2« +1)2п2кИ~2г Бш (2« + 1)И

г-2

г-1

Зависимость (10) позволила вычислить производную поля давления в точке х = 0 и, используя закон Дарси, определить фильтрационный поток метана (]м) в виде

к

]м = -^рН|

где кп - газовая проницаемость подработанных пород; ц - динамическая вязкость газовой смеси.

Вычислительные эксперименты показали, что фильтрационный поток с течением времени стремится к некоторому установившемуся значению (), которое может существовать довольно долго на территории горного отвода ликвидированной шахты. Установившийся фильтрационный поток метана на земную поверхность имеет вид

кп

7о

= Ит ]м =--

2ПРаИ

В итоге для экологического мониторинга аэрогазодинамических процессов получены следующие закономерности фильтрации метана на земную поверхность из подработанных горных пород:

(]'м - ]'о)цРаИ

I з

2 Гз.п кп Р0

I з.п (о,) = X ехр [-9,87 (2« +1)2 Го,

«=0

(

Р02

Ра) г

к

з.п п

2 И ' (15) 2МРаИ

где 1зп - газовыделение на земную поверхность из подработанных пород; Го, - фильтрационный критерий Фурье; Гзп - площадь подработанной земной поверхности; 1о - установившееся выделение газа на земную поверхность из подработанных пород.

Следует отметить, длительные исследования показали, что информационная технология обмена информацией по прогнозу последствий, обусловленных аэрогазодинамическими и теплофизическими процессами после ликвидации нерентабельных шахт, связана с конкретными технологиями управления в технологической системе добычи угля и ликвидации шахты [10]. Логический уровень базовой информационной технологии в организационном управлении отображается как в моделях организации информационной деятельности по реализации рутинных операций решения информационных задач, так и в моделях принятия решений по опти-

мизационным задачам управления. Структурно-функциональная схема подсистемы оценки экологических последствий представлена на рис. 2. Усовершенствованная методика оценки экологических последствий, обусловленных аэрогазодинамическими и теплофизическими процессами после ликвидации нерентабельных шахт, позволила обосновать целесообразность доработки оставшихся запасов коксующихся углей.

Рис. 2. Структурно-функциональная схема оценки экологических последствий при закрытии шахт Кузбасса

С учетом разработанных подходов к прогнозной экологической оценке сформирована производственная программа ООО «Прокопьевск-уголь», которая позволит выйти на устойчивую работу предприятий с обеспечением стабильной добычи угля при интенсификации природоохранной деятельности. На практике доказана эффективность системы комплексного геоэкологического мониторинга на территориях горных отводов ликвидируемых шахт, включающая подсистемы мониторинга аэрогазодинамических и тепловых процессов.

Список литературы

1. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 67-69.

2. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N.M. Kachurin, S.A. Voro-bev, T.V. Korchagina, R.V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 43-47.

3. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, S.A. Vorobev, D.N. Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 48-51.

4. Kachurin N., Kоmashchenko V., Morkun Vl. Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. № 6. P. 595-597.

5. Соколов Э.М., Качурин Н.М. Техносферная безопасность - важное направление деятельности Тульского регионального отделения Академии горных наук // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 12. С. 2-3.

6. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Прогноз загрязнения приземного слоя атмосферы горнодобывающими предприятиями/ Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 12. С. 28-34.

7. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Математическое моделирование загрязнения воздуха в приземном слое предприятиями минерально-сырьевого комплекса // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 4. С. 46 - 50.

8. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Диффузия пыле-газовых примесей в атмосфере от точечного источника загрязнения воздуха / Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 5. С. 73 - 79.

9. Перспективы экологически безопасного использования отходов производства на территориях горнодобывающих регионов / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, В.В. Факторович, Е.К. Мосина // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 9. С. 81-84.

10. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин, С. А. Воробьев, Я.В. Чистяков, Л. Л. Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 35-38.

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

Васильев Павел Валентинович, канд. техн. наук, генеральный директор, Sib_EO@bk.ru, Россия, Прокопьевск, Кемеровской обл., ООО «Сибирская экспертная организация»,

Воробьев Сергей Александрович, научный сотрудник, vorobjov@rudmet.ru, Россия, Белгород, Белгородский национальный исследовательский университет,

Рыбак Леонид Львович, канд. техн. наук, научный сотрудник ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет

EROGASDYNAMICS AND THERMAL PROCESSES STIPULATED BY LIQUIDATING

COAL MINES

N.M. Kachurin, P.V. Vasiliev, S.A. Vorobev, L.L. Ribak

Restructuring Russian coal industry made conditional on liquidating a lot of mines in Kuznetsk and Donetsk Basins. Environmental consequences of liquidating mines problems get special acuteness at these conditions. Generalizing field observation results of gas changing open areas with atmosphere on Earth surface of mining lease liquidated mines territories in Kuznetsk and Donetsk Basins illustrates that improving regularities of this process is necessary for providing environmental safety of undermining territories. Monitoring aerogasdy-namics and thermal processes show that different gases filtration to Earth surface from undermining rocks realizes as result of these gases excessive pressure in open areas.

Key words: monitoring, aerogasdynamics and thermal processes, liquidating mines, open area, gas, Earth surface, environmental safety, filtration, undermining territory.

Kachurin Nikolai Michailovich, Doctor of Sciences, Full Professor, Chief of a Chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vasiliev Pavel Valentinovich, Candidate of Science, General Director, Sib_EO@bbk.ru , Russia, Prokopievsk of Kemerovo Region, OOO «Siberian Expert Organiza-tion»,

Vorobev Sergei Aleksandrovich, Scientific Associate, vorobjov@rudmet.ru, Russia, Belgorod City, Belgorod National Researching University,

Ribak Leonid Lvovich, Candidate of Science, Scientific Associate ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University