Исследования изменения влажности угольного массива под воздействием шахтной атмосферы

М.С. Сазонов

аспирант ООО «ВостЭКО»

С.И. Голоскоков

кан. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

Д.А. Трубицына

инженер ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.333:622.876

ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ УГОЛЬНОГО МАССИВА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ

Приведены результаты шахтных исследований влияния рудничной атмосферы на изменение влажности угольного массива во время проветривания выработки. Показано, что вокруг выработки имеются температурные поля, которые из-за наличия температурного градиента также влияют на скорость осушения угольного массива во время проветривания выработки.

Ключевые слова: ОСУШЕНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА, ВЛАЖНОСТЬ УГЛЯ, ВРЕМЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫРАБОТКИ

Окружающие выработку горные породы представляют собой не идеальную изотропную среду, а состоят из множества макро- и микрокомпонентов, сцепленных между собой в большей или меньшей степени. Эта совокупность компонентов образует среду, имеющую различную пористость и трещиноватость. Поровое и трещинное пространство горных пород частично или полностью заполнено влагой. Количество влаги, содержащееся в единице объема горной породы, определяет ее влажность.

В работе [1] влагоотдача трещиноватого скального горного массива изучалась в связи с проблемой регулирования подземного микроклимата. Динамика распространения зоны пониженной влажности вокруг выработки была весьма выражена: через 20 ч граница зоны осушения достигала 1,5-2,0 м от поверхности выработки; через 40 ч - 3,5 м

и через 400 ч она составила около

6 м. Установлено, что влагонасы-щение воздуха в глубоких шахтах в значительной мере происходит за счет выделения влаги горными породами. Анализ образцов показал, что естественная влажность пород ниже их максимальной гигроскопической влажности, т.е. породы находятся вне зоны полного насыщения. До глубины 1000 м, несмотря на уменьшение влажности пород, давление пара в них повышается, и, следовательно, увеличивается интенсивность влагоотдачи массива. В сухих очистных забоях глубоких шахт с 1 м2 поверхности стенок выделялось 30-100 г/ч влаги (пара) [2]. В сухих подготовительных выработках - на порядок меньше, но общая площадь их поверхности приводила к увеличению влажности рудничного воздуха и изменению естественной влажности угольного массива. Размеры пустот (пор и трещин) в части массива, примы-

кающей к поверхности обнажения, велики, поэтому при гигроскопическом состоянии влага в них может находиться только в парообразном виде. Механизмом переноса является диффузия водяного пара.

В другой работе [2] рассмотрены сезонные изменения относительной влажности воздуха ф, %, подаваемого в шахту.

Так, например, для подаваемого в шахту атмосферного воздуха характерны различные летние (ф=90-95 %) и зимние (ф=30-35 %) значения. В летнее время влагосодержа-ние атмосферного воздуха довольно высокое, а при охлаждении его в горных выработках избыток влаги конденсируется на стенках выработок [3]. В этом случае относительная влажность воздуха может достигать 100 %, а в выработках шахт и рудников накапливается значительное количество воды. На Соликамском калийном руднике, например, по этой причине в июле

Рисунок 1 - Схема отработки лавы 1305 и параметры рудничного воздуха в различных участках

Рисунок 2 - График зависимости влажности угля от относительной влажности воздуха

остается в горных выработках более 2000 т воды. В вентиляционных выработках рудников Крайнего Севера влага конденсируется на стенках выработок в виде крупных хлопьев снега и кристаллов причудливой формы.

В зимнее время влагосодержание атмосферного воздуха, как правило, невелико, и поэтому чаще всего происходит обратный процесс - осушение горных выработок. На том же Соликамском руднике в феврале было вынесено вместе с воздухом более 1500 т воды. На угольных шахтах вынос воздухом воды в зимнее время в 2-3 раза и более может превышать приведенное выше значение [3].

Все вышесказанное говорит о нестационарном характере массооб-мена пород с воздухом. Для определения параметров рудничного воздуха (температура и влажность) в различных конструктивных элементах шахты «Заречная» зимой 2012 г. были выполнены натурные замеры температуры и влажности воздуха, подаваемого в шахту, а также их мониторинг по направлению движения свежей струи воздуха по горным выработкам с помощью прибора ТГО-2МП.

С поверхности в шахту подавалась холодная струя воздуха температурой 7=11,5 °С и относительной влажностью воздуха ф=18,5 %. Через 3 км от начала движения воздуха по выработке его параметры немного изменяются: воздух насыщается влагой от открытых поверхностей воды и капежа, его температура практически не меняется

7=10,5 °С, а относительная влажность воздуха изменяется значительно ф=38 %. После прохождения воздуха через калорифер его параметры также меняются: 7=17,5 °С; ф=19 %. Среднее значение в сухих выработках: 7=18-20°С; ф=45-60 %, во влажных 7=18-20 °С; ф=75-85 %.

Ниже на рисунке 1 показаны параметры рудничного воздуха в вентиляционном и конвейерном штреках при отработке лавы 1305. Вышеприведенные факты свидетельствуют не только о достаточно больших сезонных колебаниях температуры и относительной влажно-

сти воздуха, подаваемого в шахту, но и о значительном насыщении влагой рудничного воздуха открытыми поверхностями воды, а также водяными парами горных пород, которые приводят к изменению естественной влажности горных пород, хотя в меньшей степени.

Рисунок 3 - График зависимости влажности угля от глубины скважины на 4-е сутки проветривания выработки

Рисунок 4 - График зависимости влажности угля от глубины скважины на 11-е сутки проветривания выработки

5.0

4,!

С 4.0

* 3.5

3,0

* 1

♦

*

* * * !

*  я

-  ! ш  і і

Сквлжина 3 Ск&ЛкИна; І СкьлжнніЗ:

25 50 75 100 125 250 275 200 22І 250

Гл'бина сквяжнны. сч

Рисунок 5 - График зависимости влажности угля от глубины скважины на 18-е сутки проветривания выработки

Для определения зависимости влажности угля от относительной влажности воздуха была построена изотерма десорбции влаги [4] каменным углем марки Г с естественной влажностью 3,7 % (рисунок 2). Интервал «критической влажности» угля по разработанной методике соответствует влажности угля от 2,6 до 3,3 % (среднее значение 2,95 %).

Для определения характера изменения естественной влажности угольного массива под воздействием рудничного воздуха были выполнены шахтные исследования. Для этого в феврале 2012 года на шахте «Заречная» по пласту Байкаимскому в проходческом забое вентиляционного штрека в борту свежего обнажения были пробурены три скважины глубиной 2,4 м каждая. При этом через каждые 20-50 см отбиралась буровая мелочь для определения влажности угля. Пробы угля надежно герметизировались и отправлялись в лабораторию для определения аналитической влажности [5]. По три скважины были пробурены на 4, 11 и 18-е сутки проветривания в одном и том же месте (участок борта размерами 1x1 м). Динамика изменения влажности углепородного массива в зависимости от времени проветривания выработки представлена на рисунках 3, 4, 5.

На рисунках 3, 4, 5 четко прослеживается динамика изменения естественной влажности угольного массива от времени проветривания: происходит его постепенное осушение с глубиной. Видно также, что влажность угля во время проветривания изменяется около выработки на глубине до 1,5 м. Далее изменения влажности массива практически не ощущаются. Следует отметить, что скважины, пробуренные

на 18-е сутки проветривания, были не такими глубокими, как в двух предыдущих исследованиях. Это связано с техническими аспектами бурильного оборудования. Влажность угольного массива ста-

новится близкой к равновесной влажности угля, соответствующей данным параметрам рудничного воздуха (см. таблицу 1 и рисунок 2). При этом до начала бурения были замерены параметры рудничного

Таблица 1 - Параметры рудничного воздуха в различные периоды проветривания

Время проветривания, сут Температура воздуха Т, °С Относительная Влажность воздуха <р, % Расход воздуха (), мл/мин

4 19,6 52,6 430

11 20,3 51,3 485

18 20,1 51,0 475

воздуха около борта выработки (таблица 1) с помощью электронного термометра ТГО-2МП (взрывозащищенное электрооборудование группы I) с пределами допускаемых погрешностей по температуре 0,5°С и относительной влажности воздуха 3 %.

В ряде работ говорится о распределении вокруг выработки различных температурных и влажностных полей. Проведенные исследования подтверждают эту информацию. Действительно, вокруг выработки во время ее проветривания создается не только различное влажностное поле, но и температурное (рисунок 6).

Породы, расположенные ближе к бортам, нагреваются сильнее по сравнению с удаленными от бортов за счет повышенной температуры воздуха рудничной атмосферы, что только способствует изменению влажности угольного массива за счет температурного градиента. Также были отобраны пробы угля без инертной пыли с бортов вентиляционного штрека на различных пикетах, пройденных ранее, и определена их влажность. Результаты приведены на рисунке 7.

Из рисунка 7 видно, что характер массообмена пород с воздухом имеет нестационарный характер, но в целом наблюдается тенденция к уменьшению влажности угольного массива за счет испарения влаги во

время проветривания горной выработки.

Проведенные исследования показывают, что осушение массива во время проветривания происходит достаточно медленно, даже несмотря на наличие температурного градиента (распределение температурных полей вокруг выработки, рисунок 7). Влажность угля не опу-

скается ниже равновесной влажности угля, соответствующей данным параметрам воздуха, те. относительная влажность воздуха в месте отбора проб была 50-54 % (рисунок 2). Ей соответствует влажность угля около 3 %, что, собственно, и наблюдаем. Влажность угольного массива на поверхности выработки приближается к интервалу «крити-

ческой влажности» угля, равному для данного угля 2,6...3,3 %, но достигает этих значений малая часть угольного массива.

Происходит медленное высыхание массива, и тем самым изменение

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Кондиционирование воздуха на глубоком руднике / С.Н. Волощук, Г.Г Андреев, В.Н. Мельниченко. - М.: Недра, 1975. - 152 с.

2 Венгеров, И.Р Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. Анализ парадигмы / И.Р Венгеров. -Т.1. -Донецк: Норд-Пресс, 2008. - 632 с.

3 Ушаков, К.З. Рудничная аэрология/ К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, И.И. Медведев. - М.: Недра, 1975. - 440 с.

4 Сазонов, М.С. Исследование зависимости показателя удароопасности углей различной степени метаморфизма от влагосодержания угля во время его сушки / М.С. Сазонов, Я.С. Ворошилов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2011. -№2. -С. 125-131.

5 ГОСТ Р 52917-2008 Топливо твердое минеральное. Методы определения влаги в аналитической пробе.

6 Ворошилов, А.С. Моделирование самонагревания угля с учетом дезактивации и влияния изменения влажности угля / А.С. Ворошилов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2011. - № 1. - С. 123-130.

RESEARCH OF COAL MASSIF MOISTURE CHANGE UNDER Сазонов

INFLUENCE OF THE MINE ATMOSPHERE Михаил Сергеевич

M.S. Sazonov, S.I. Goloskokov, D.A. Trubitsyna е-mail: jajabingsms@gmail.com

Results of mine research of the mine atmosphere influence on the coal

massif moisture content during the gallery ventilation is given. it is shown Голоскоков

that around the gallery there are temperature fields which due to the Сергей Иванович

temperature gradient also influence the speed of coal massif drying when е-mail: vosteco@yandex.ru

the gallery is ventilated.

Key words: MINE GALLERY DRYING, RELATIVE AIR MOISTURE, COAL Трубицына

MOISTURE, GALLERY VENTILATION TIME Дарья Анатольевна

е-mail: dtrubitsyna@gmail.com

естественной влажности угля до интервала «критической влажности», что ведет к значительным изменениям физико-механических [4] и физико-химических [6] характеристик углей, способных повлиять

на прочность и устойчивость выработки, работу крепи, а также внести дополнительную энергию деформирования в развитие мощного динамического явления.

научно-технический журнал № 2-2012

ВЕСТНИК

77