Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и постановка задач исследований . 10
1.1. Системные свойства минерально-сырьевых ресурсов и проблемы безопасности при подземном способе добычи полезных ископаемых... 15
1.2. Инженерные методы прогноза газовыделений в шахтах и оценка их достоверности 18
1.3. Теория и практика прогноза динамики газовыделений в угольных шахтах 38
1.4. Теория и практика прогноза газовых ситуаций в горных выработках 38 Выводы 43 Цель. Идея работы. Постановка задач исследования . 44
ГЛАВА 2. Краткая геотехнологическая оценка разработки высокогазоносных угольных пластов 46
2.1. Горно-геологические условия разработки угольных пластов 46
2.1.1. Общие положения . 46
2.1.2. Кузнецкий бассейн . 47
2.1.3. Печорский бассейн . 49
2.1.4. Восточный Донбасс . 50
2.2. Особенности очистных работ и параметры высокопроизводи тельных выемочных участков в метанообильных шахтах . 51
2.2.1. Особенности очистных работ на метаноносных пластах угля 51
2.2.2. Нагрузка на забой и производительность 52
2.2.3. Параметры высокопроизводительных выемочных участков в метанообильных шахтах 54
2.2.4. Аварийность и метанообильность выемочных участков угольных шахт . 55
2.3. Прогрессивные технологические схемы подготовки и отработки пологих и наклонных высокогазоносных угольных пластов 60
2.4. Анализ технических средств для интенсивной отработки высокогазоносных угольных пластов 63
2.5. Существующие методы определения нагрузки на очистные забои по газовому фактору 70
2.5.1. Проверка нагрузки на очистной забой по газовому фактору для действующих шахт . 70
2.5.2. Проверка нагрузки на очистной забой по газовому фактору при проектировании и реконструкции угольных шахт . 74
2.5.3. Экспериментально-аналитический метод определения допу стимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору . 75
Выводы . 81
ГЛАВА 3. Результаты шахтных наблюдений процессов газовыдельния и формирования газовых ситуаций . 84
3.1. Структура газового баланса шахт 84
3.2. Факторы, влияющие на газообильность шахт 89
3.3. Статистические характеристики процессов газовыделения . 95
3.4. Динамика газовыделений из различных источников и газовые ситуации в горных выработках . 101 Выводы 112
ГЛАВА 4. Математические модели метановыделения в подготовительные выработки и очистные забои . 113
4.1. Метановыделение в подготовительный забой из отбитого угля 113
4.2. Метановыделение из отбитого угля в очистном забое 119
4.3. Разработка аналитического метода расчета нагрузки на очистной забой по газовому фактору 124
4.4. Определение предельной скорости подачи по газовому фактору.. 130
Выводы 132
ГЛАВА 5. Разработка оптимизационной модели расчета режимных параметров очистных комбайнов 134
5.1. Основные уравнения математической модели расчета конструктивных и режимных параметров очистных комбайнов . 134
5.2. Разработка оптимизационной модели режимных параметров выемочной машины 141
5.3. Апробация задачи оптимизации на примере выемочного комбайна К-500Ю . 146
Выводы 150
Заключение 151
Список использованных источников
- Инженерные методы прогноза газовыделений в шахтах и оценка их достоверности
- Особенности очистных работ и параметры высокопроизводи тельных выемочных участков в метанообильных шахтах
- Факторы, влияющие на газообильность шахт
- Разработка оптимизационной модели режимных параметров выемочной машины
Введение к работе
Актуальность работы. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны, предполагающему обеспечение высокого уровня промышленной безопасности в угольной отрасли. Планируется увеличение производительности труда в 5 раз к 2030 г. В этих условиях директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метаноопасности шахт. За последнее десятилетие доля взрывов и вспышек метана составляет около 8 % от общего количества аварий на шахтах России, однако возникновение опасных газовых ситуаций в горных выработках представляет наибольшую угрозу жизни людей, выполняющих подземные работы. Обеспечение роста подземной добычи угля связано с необходимостью повышения безопасности ведения горных работ и снижением количества несчастных случаев, вызванных загазованностью горных выработок. До настоящего времени нарушение состава атмосферы горных выработок остается одной из главных причин возникновения техногенных катастроф в угольных шахтах. Несмотря на сокращение числа угледобывающих предприятий за последние три десятилетия, процент этого вида аварий практически не уменьшается. Социально-экономические и политические условия последних десятилетий обусловили необходимость того, чтобы при освоении и эксплуатации недр должен быть в полной мере учтен императив обеспечения безопасности по газовому фактору.
Несмотря на то, что нагрузка на очистные забои угольной промышленности России увеличилась в 10-15 раз по сравнению с производительностью очистных забоев советского периода, подход к расчету количества воздуха, необходимого для проветривания лавы, а, следовательно, и к расчету предельно допустимой нагрузки, а также к режимным параметрам выемочных машин остался прежним. То есть, как определение количества воздуха, необходимое для проветривания лавы, так и оценка предельно допустимой нагрузки на очистной забой основываются на физических принципах статического разбавления метана в рабочем пространстве очистного забоя. Но результаты многочисленных натурных наблюдений показывают, что работа очистных и проходческих комбайнов, разрушающих угольный массив, приводит к увеличению абсолютной метанообильности очистных и подготовительных забоев.
Поэтому исследование аэрогазодинамических процессов при разрушении газоносного угольного пласта резанием для совершенствования методов прогноза метановыделения и обеспечения аэрологической безопасности на очистных и подготовительных участках на современной научно-технологической базе является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке аналитической ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).
Целью работы является уточнение закономерностей дегазации отбитого угля и аэрогазодинамических процессов на очистных и подготовительных участках для оптимизации режимных параметров выемочных и проходческих комбайнов с учетом конструктивных характеристик машин и геотехнологических параметров выемочных и подготовительных участков, обеспечивающих максимальную нагрузку на забои с учетом ограничения по газовому фактору.
Идея работы заключается в том, что оптимальные режимные параметры выемочных и проходческих комбайнов, учитывающие конструктивные характеристики машин и геотехнологические параметры выемочных и подготовительных участков, могут обеспечивать максимальную нагрузку на забои при оптимальном сочетании скорости резания угля и скорости подачи с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Изменение остаточной газоносности отбитого угля связано с динамикой газового давления при дегазации угольного пласта и описывается уравнением гиперболического типа с источником, учитывающим способность угля к измельчению и технические характеристики выемочных машин, при этом граничные условия задачи определяются последовательностью технологических операций при выемке угля или проведении подготовительных выработок.
2. Оценка метановой опасности выемочных и проходческих работ основывается на уравнениях стационарной конвективной и конвективно-турбулентной диффузии метана в горных выработках очистных и подготовительных участков, что позволяет оценить предельную нагрузку на очистной забой и максимальную скорость подвигания подготовительного забоя по газовому фактору, а также сформулировать ограничения к режимным параметрам выемочных и проходческих машин.
3. Критериями оптимизации режимных параметров для выемочных машин являются нагрузка на очистной забой и скорость подачи очистного комбайна, а целевая функция, характеризующая энергоемкость процесса разрушения угля резанием позволяет определить оптимальное сочетание скорости резания угля и скорости подачи с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.
4. Области допустимых решений и оптимальные режимные параметры выемочной машины при максимальном использовании мощности двигателя и реализации технически допустимой скорости подачи регламентируются газовой ситуацией в очистном забое, которая является доминирующим фактором, ограничивающим нагрузку на очистной забой.
Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:
получены аналитические закономерности метановыделения из отбитого угля, разрушаемого резанием, отличающиеся тем, что динамика метановыделения описывается с учетом конструктивных характеристик исполнительных органов комбайнов и технологических параметров очистных и подготовительных работ;
разработана математическая модель оценки предельной нагрузки на очистной забой и максимальной скорости подвигания подготовительного забоя по газовому фактору, отличающаяся тем, что используются решения уравнений стационарной конвективной и конвективно-турбулентной диффузии метана в вентиляционных струях;
разработана математическая модель оптимизации режимных параметров выемочных машин, отличающаяся тем, что целевая функция, направленная на обеспечение максимальной производительности забоев, позволяет определить оптимальное сочетание скорости резания угля и скорости подачи очистного комбайна с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной математики;
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонение не превышает 20 %) и большим объемом вычислительных экспериментов;
значительным объемом шахтных наблюдений, а также результатами анализа плановых замеров на шахтах ОАО «ОУК - Южкузбассуголь».
Научное значение диссертационной работы состоит в обосновании методических положений прогноза динамики метановыделения из отбитого угля для оценки аэрологической безопасности интенсивной отработки газоносных углей и проведения подготовительных выработок по газоносным угольным пластам с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя на основе математических моделей динамики дегазации отбитого угля, конвективного и конвективно-турбулентного переноса метана воздушной струей.
Практическая значимость работы заключается в определении областей допустимых решений и оптимальных режимных параметров выемочных машин при максимальном использовании мощности двигателя и реализации технически допустимой скорости подачи, которые регламентируются газовой ситуацией в очистном забое, являющейся доминирующим фактором, ограничивающим нагрузку на очистной забой.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы работы и рекомендации по обеспечению аэрологической безопасности выемочных работ и проведения подготовительных выработок использованы в Кузнецком бассейне, а также при корректировке программы развития бассейна на перспективу и реализации энергетической стратегии России на период до 2020 года. Теоретические результаты и технические решения использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР в ТулГУ, а также включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий и промышленной безопасности.
Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.), «Неделя горняка» (г. Москва, 2012-2013 г.г.), «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011–2013 гг.), «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2013 г.), «Аэрология и безопасность горных предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), «Рудник будущего» (г. Пермь, 2011–2013 гг.), «Перспективы инновационного развития угольных регионов России» (г. Прокопьевск, 2014 г.); на технических советах ОАО «Южкузбассуголь» (2011–2012 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей, 3 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 177 страницах машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 17 таблиц, 35 рисунков и список литературы из 258 наименований.
Инженерные методы прогноза газовыделений в шахтах и оценка их достоверности
Комплексное изучение проблемы прогноза динамики газовыделений в угольных шахтах получило, по инициативе академика А.А. Скочинского, широкое развитие в СССР. Исследования, начатые А.А. Скочинским, В.Б. Комаровым, А.И. Ксенофонтовой, Л.Н. Быковым, П.И. Ворониным непрерывно продолжаются отраслевыми исследовательскими организациями ИГД им. А.А. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ИПКОН АП СССР, ИГТМ АН УССР, а также ведущими школами в системе высшего горного образования СССР Московским, Ленинградским, Днепропетровским горными институтами, на горных факультетах Донецкого, Карагандинского, Кузнецкого, Тульского политехнических институтов [48, 189-194].
Фундаментальные положения теории прогноза динамики газовыделений в угольных вахтах разработаны и сформулированы в трудах Ф.А. Абрамова, А.Т. Айруни, А.С. Бурчакова, Л.Н. Быкова, А.Т. Горбачева, Н.С. Гращенкова, В.Б. Ва-сючкова, Ф.С. Клебанова, В.А. Колмакова, Т.М. Кричевского, Г.Д. Лидина, И.И. Медведева, Н.В. Ножкина, А.Э. Петросяна, Л.А. Пучкова, И.В. Сергеева, Э.М. Соколова, М.Б. Суллы, Б.Г. Тарасова, К.З. Ушакова, П.П. Фельдмана, И.Л. Эттин-гера, С.А. Ярунина и др. [1-12, 17 , 33 , 37 , 38 , 41-46 , 57-62, 101, 109, 116-118, 135-139, 186-221, 235, 237]. Анализ этих работ показал, что приближенные методы полуэмпирического характера не могут заменить аналитических методов, и дальнейшее решение проблемы прогноза газовыделений, несомненно, связано с совершенствованием теоретических положений движения газов в горном массиве с целью установления закономерностей, позволяющих надежно и быстро решать краевые задачи фильтрационного газопереноса и на этой основе принимать эффективные инженерные решения по обеспечению безопасного состояния рудничной атмосферы.
Из уравнения (1.1) следует, что необходимо знать вид связи массовой скорости фильтрации с давлением газа, поэтому одними из основных задач газовой динамики породоугольного массива является прогноз его природной газоносности и выявление адекватных законов сопротивления при фильтрации газов в пористых средах. Уровень адекватности физической модели и математического описания контролируется данными о реальном процессе газовыделения, позволяющими оценить влияние различных факторов на этот процесс.
Таким образом, теоретические основы динамики газовыделений можно условно разделить на следующие взаимосвязанные разделы: газовая статика породоугольного массива; феноменологическая теория сопротивления при фильтрации газов, которая позволяет установить вид закона сопротивления; газовая динамика горного массива, изучающая движение газов в угольных пластах и вмещающих породах.
Газовая статика угленосной толщи, характеризуется пространственным распределением газоносности угольных пластов и вмещающих пород. Длительность процессов переноса газов в породоугольном массиве, ненарушенном горными работами, превышает периоды эксплуатации месторождений на несколько порядков, поэтому существующее стационарное распределение газоносности представляет собой начальное условие в математических моделях газовой динамики и, как свидетельствует накопленный опыт, определяет в целом газовую ситуацию при подземной выемке угля.
В 1932 г. Л.Н. Быков обобщил результаты натурных наблюдений и лабораторных экспериментов по угольным месторождениям Донецкого бассейна [42-44], целью которых являлось установление закономерностей распределения метана в угольных пластах и разработка теоретических положений возникновения внезапных выбросов. Им отмечалось, что без знания основных условий распределения метана в пластах и характера этого распределения в различных участках пласта невозможно вести достоверную оценку газопроявлений в шахтах. Л.Н. Быков отмечал особо тот факт, что находящиеся в угольных пластах газы, будь то углекислый газ или метан, какого бы происхождения они ни были, распределяются в пластах не случайно, а подчиняясь какой-то закономерности, обусловленной причинами геологического порядка.
Последующие исследования, выполненные Л.Н. Быковым, Г.Д. Лидиным, А.А. Айруни, А.И. Кравцовым, А.Э. Петросяном, А.М. Дмитриевым, М.А. Ерме-ковым и др., позволили установить конкретный вид зависимости давления свободного газа от глубины залегания [5, 42-44, 66-69, 77, 80, 110, 111, 135, 168]. Как правило, это зависимость имела следующий вид: р = Р0 + В(Н-Н0), (1.2) где р, ро - давление газа на глубинах Н и Н0; Я, Н0 глубина замера газового давления и верхней границы метановой зоны; В, v эмпирические коэффициенты.
Предлагаемые различными авторами закономерности, по сути дела, отличались только значениями эмпирических коэффициентов. Формула (1.2) проверяется на протяжении десятилетий и все исследователи приходят к выводу о существовании постоянных значений градиентов давления свободного газа в угольных пластах. Однако удовлетворительного физического объяснения этой закономерности не дано. Это объясняется прежде всего использованием положений классической термодинамики изолированных систем при оценке результатов наблюдений.
Особенности очистных работ и параметры высокопроизводи тельных выемочных участков в метанообильных шахтах
Пласты группы 2 разрабатываются большинством шахт Кузбасса. Для них характерны мощности от 1,5 до 10 м, наличие разрывных нарушений, высокая газоносность углей (до 25 м3/т с.б.м.), глубина ведения горных работ 200-600 м, боковые породы средней устойчивости и устойчивые (70 %), породы основной кровли легко (65 %) и трудно обрушаемые (35 %), в отдельных пластах существует опасность внезапных выбросов угля и газа, горных ударов, имеет место самовозгораемость угля. Шахты, разрабатывающие пласты этой группы, обеспечены высокотехнологичными (60 %) и технологичными (25 %) запасами угля на срок более 15 лет. В то же время до 15 % запасов на этих шахтах является нетехнологичными – участки небольших размеров и неправильной формы, мощность пластов менее 1,5 м.
К группе 3 относятся крутые и крутонаклонные пласты, для отработки которых еще не созданы высокопроизводительные и безопасные технологии добычи угля.
В Кузбассе угли, значительно разнящиеся по марочному составу (Г, ДД, ДГ, ГЖ, К, КЖ, КО, СС), имеют сравнительно низкую сопротивляемость резанию, изменяющуюся от 70 до 200 Н/мм. Большая часть шахтопластов (63 %) обладает сложным строением и содержит от 1 до 5 прослоев с мощностью каждого от 0,03 до 0,77 м. Основная доля прослоев (27 %) приходится на аргиллиты и алевролиты, имеющие сопротивляемость резанию от 200 до 400 Н/мм. Низкие по крепости углистые аргиллиты и аргиллиты, имеющие сопротивляемость резанию
до 200 Н/мм. составляют около 40 %, а крепкие алевролиты и песчаники с сопротивляемостью резанию более 400 Н/мм – немногим более 6 %. Характерным для пластов Кузбасса является наличие в них нераздробленных и консолидированных твердых включений (Sвкл=0,97,4 %). Нераздробленные включения, как правило, представлены пиритными конкрециями, называемыми в практике угледобычи колчеданами. Размеры их в конечном счете составляют обычно 25-50 см. Более простое, как правило, без прослоев и твердых включений строение имеют шахто-пласты Кемеровского и Томусинского районов. Доля таких пластов составляет около 30 % общего числа шахтопластов Кузбасса.
Крутопадающие пласты Прокопьевско-Киселевского района имеют в основном сложное строение и лишь 26 % – простое строение.
Таким образом, пласты Кузнецкого бассейна в целом характеризуются относительно невысокой сопротивляемостью резанию. Однако около 35 % шахто-пластов содержат значительные по размерам и крепости включения или породные прослои алевролита или песчаника, что отрицательно сказывается на производительности комбайнов.
В Печорском угольном бассейне разрабатываются Воркутское, Воргашор-ское и Интинское месторождения. На Воркутском месторождении шахтами отрабатываются от 1 до 3 пластов: «Мощный» (эксплуатационная мощность 2,4 – 4,0 м); «Тройной» (2,4 – 3,0 м); «Четвертый» (1,4 – 1,7 м); «Пятый» (1,0 м). Пласты слабо нарушенные, несамовозгорающиеся, опасные по внезапным выбросам угля и газа, горным ударам, глубина ведения горных работ 500 – 1000 м, газоносность пластов – до 30 м3/т с.б.м. Боковые породы не ниже средней устойчивости с пределом прочности на одноосное сжатие 40 – 60 МПа. Породы основной кровли представлены от легко- (70 %) до труднообрушаемых (30 %) с пределом прочности на одноосное сжатие 40–80 МПа. Запасы угля практически везде технологичные. На Воргашорском месторождении (шахта «Воргашорская») на глубине 350–400 м разрабатывается пласт «Мощный» пологого залегания, газоносность которого достигает 15–20 м3/т с.б.м. Боковые породы средней устойчивости и об-рушаемости. Пласт, опасный по горным ударам. Запасы угля высокотехнологичные.
На Интинском угольном месторождении разрабатываются 4 пласта мощностью 1,6–3,0 м с углом падения 4–11о. Породы кровли неустойчивые. Породы основной кровли легко- и труднообрушаемые. Природная газоносность пластов 2 – 6 м3/т с.б.м., глубина отработки составляет 300–500 м с углом падения 3 – 14о. Запасы в пластах относятся к технологичным.
Шахтопласты Воркутского и Воргашорского месторождений имеют в основном простое строение или содержат невысокие по сопротивляемости резанию прослойки углистого аргиллита и аргиллита. Сопротивляемость резанию угля достигает 230 Н/мм. Напротив, пласты Интинского месторождения, как правило, имеют сложное строение, содержат различные по крепости прослойки аргиллита, углистого аргиллита и алевролита. Причем 23 % пластов от общего количества шахтопластов Печорского бассейна, помимо породных прослоев, содержат нераздробленные твердые включения песчаника. Все угли Интинского района имеют сравнительно невысокую сопротивляемость резанию – от 140 до 190 Н/мм.
Факторы, влияющие на газообильность шахт
В шахтах Кузбасса с пологими пластами угля, отличающихся более высокими нагрузками на очистные забои, также отмечена линейная зависимость интенсивности метановыделения в связи с ростом среднесуточной добычи угля.
Из анализа результатов отечественных и зарубежных исследователей очевидно, что при возрастании скорости подвигания лавы и, следовательно, при увеличивающейся нагрузке на лаву газовыделение из отрабатываемого пласта возрастает преимущественно за счет отбитого угля (Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов. Справочное пособие. Под общ. ред. А.Д. Рубана, М.И. Щадова. М.: Издательство «Горная книга», 2010, 500с.).
Фактическое метановыделение в призабойное пространство лавы разной длины при высоких нагрузках на нее возрастает и существенно отличается от расчетного, установленного при невысоких скоростях подвигания лав. Чем выше скорость подвигания лавы, тем меньше времени остается для выделения газа из массива угля в проходящий по лаве воздух, так что содержание метана в ее воздушной струе в течение цикла выемки угля уменьшается.
Из анализа нормативных и методических документов вытекает, что нет единого научного подхода к определению допустимой нагрузки на угольный очистной забой по газовому фактору, в результате чего численные значения такой нагрузки сильно отличаются из-за наличия различных зависимостей для определения остаточной газоносности угля в массиве, подверженном влиянию очистного забоя, и газоносности отбитого в лаве угля.
В основу данного метода определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору положены требования ПБ по допустимой скорости движения потока воздуха в призабойном пространстве лавы Vоч, равной 4 м/с, и по предельному содержанию метана в исходящей из лавы струе воздуха С, которое не должно превышать 1 %, а также проектные или фактические исходные данные, в числе которых площадь поперечного сечения призабойного пространства лавы S (м2) для прохода воздуха, природная Х (м3/т с.б.м.) и остаточная Xу (м3/т с.б.м.) метаноносность угля в массиве после его искусственной дегазации, метаноносность в зоне выемки угля Хв (м3/т с.б.м.), остаточная метаноносность отбитого в лаве угля Хх (м3/т с.б.м.), скорости движения цепи конвейера в лаве VK (м/с) и ленточного конвейера Кл.к (м/с) в выработке, по которой доставляется отбитый уголь от лавы до бункера или другого пункта пересыпа угля за пределами выработок выемочного участка.
Метод определения допустимой j (т/мин) нагрузки на лаву по газовому фактору базируется на соблюдении равенства: 0,6VочSC = j{T-Xx)KWA, где КWA — коэффициент, учитывающий содержание в угле природной влаги W (%) и золы Ас (%), доли ед. При таком условии допустимое по газовому фактору значение j определяется по формуле: J= SC . (2.15) (X-Xl)KWA Метаноностность угольного массива в зоне выемки угля выемочной машиной Хв (м3/т с.б.м.) определяется экспериментально или рассчитывается по формуле: Xв=(\-ке)X\ (2.16) где ке — коэффициент естественной дегазации массива угля в полосе заходки выемочной машины, доли ед. Определяется экспериментально в зависимости от половины ширины захвата угледобывающей машины, продолжительности цикла заходки и степени естественной дегазации пласта вблизи очистного забоя. к е=1-X"/X (2.17) где Х}},Х}— соответственно метаноносность угольного пласта после его предварительной дегазации и средняя в зоне разгрузки очистным забоем, м3/т с.б.м.; принимаются по расчету или определяются экспериментально.
Если предварительная дегазация пласта не применялась, то вместо X в формулы (2.16, 2.17) вводится природная метаноносность пласта X. В неизученных условиях значение коэффициента ке может быть принято по таблице 2.11.
Численное значение остаточной метаноносности отбитого в лаве угля Х\ (м3/т с.б.м.) определяется с учетом крупности кусков и марки угля, времени пребывания угля в призабойном пространстве лавы и в выработке выемочного участка, схемы его проветривания и схемы доставки угля от лавы до бункера (или пересыпа угля) за пределами участка экспериментально путем измерений расхода воздуха и концентрации метана на выходах воздуха из лавы и выемочного участка при известной минутной производительности выемочной машины. Степень дегазации отбитого угля можно установить с учетом выхода летучих веществ по фактическим данным. Таблица 2.11 - Значения коэффициента естественной дегазации угольного массива в зоне выемки пласта очистным забоем фоновое метановыделение в очистном забое до начала работы выемочной машины по отбойке угля, м3/мин, определяется экспериментально или расчетом с учетом зависимости /оч =ДА); Со - концентрация метана в поступающем в лаву потоке воздуха, %;
Разработка оптимизационной модели режимных параметров выемочной машины
При газовоздушных съемках измерялись концентрации газов, входящих в состав рудничного воздуха. Анализ динамики средних концентраций метана в горных выработках шахт Донбасса свидетельствует о том, что изменение содержания газов в воздухе зависит как от его количества, так и от интенсивности газовыделений. Если расход воздуха был стабилен при наблюдении, то случайная функция, характеризующая среднюю концентрацию газа, изменялась по тем же закономерностям, что и случайная функция газообильности, но со своими эмпирическими коэффициентами.
Анализ полей концентраций газов в поперечном и продольном сечениях выработок показал, что, как правило, содержание метана у кровли в 2 – 4 раза превышает среднее значение.
Анализ газовых ситуаций позволяет утверждать, что поле концентраций газа в выработке является результатом одновременно протекающих процессов -газовыделение и перенос газа воздушным потоком, и их следует рассматривать взаимосвязано.
1. Газообильность очистных и подготовительных участков метанообильных и метаноуглекислотообильных шахт является нестационарным случайным процессом, который представляет собой сумму элементарных стационарных процессов.
2. Процесс газовыделения представляет связан с цикличностью технологических воздействий на угольные пласты и цикличностью геомеханических процессов, обусловленных этими воздействиями, а также скоростью уменьшения статического давления воздуха в горных выработках.
3. Общее газовыделение следует рассматривать как результат суммирования газовыделений из различных источников, включающихся в общий процесс в соответствующие моменты времени, что позволяет рассматривать породоугольный массив в виде сплошной среды с распределенными параметрами, где в качестве составляющих элементов принимаются твердая фаза и газ.
4. Метанообильность очистных и подготовительных забоев, а также рабо чих горизонтов и шахт в целом зависит от природной метаноносности породо угольной толщи и, прежде всего, от геологических условий, оказывающих влия ние на содержание доли свободного газа в угольных пластах и вмещающих поро дах.
5. Динамика газовыделений для различных очистных участков, отражающая изменения метановыделения из очистных забоев, выработанных пространств и по участку в целом, взаимосвязана с технологическими операциями по выемке угля, которые характеризуются либо сменной добычей, либо производительностью комбайна. Установлено, что увеличение газовыделений связано с интенсивностью добычи полезного ископаемого и производительности очистного комбайна.
Метановыделение в подготовительный забой из отбитого угля В подготовительном забое в процессе проведения подготовительных выработок, проводимых частично или полностью по углю, происходит разрушение угля исполнительными органами проходческих комбайнов. Аналогично при очистных работах происходит нарушение структуры угольных пластов. Отбитый уголь дробится на блоки, которые можно заменить эквивалентными сферами, радиус которых соответствует некоторой эффективной величине, определяемой гранулометрической кривой, представляющей собой закон распределения разрушенного угля по фракциям различного размера (рис. 4.1). Тогда можно ввести следующие допущения: кусок отбитого угля заменяется эквивалентной сферой, которая дегазируется в диффузионном режиме; движущей силой диффузионного переноса является градиент остаточной газоносности рассматриваемой угольной сферы.
