Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и постановка задач исследований
1.1. Геологическое строение метаноносных угольных бассейнов России 10
1.2. Инженерные методы прогноза газовыделений в шахтах и рудниках, и оценка их достоверности 19
1.3. Теория и практика прогноза динамики газовыделений в угольных шахтах 22
1.4. Теория и практика прогноза газовых ситуаций в горных выработках и определение количества воздуха 37
Выводы 42
2. Метанообильность угольных шахт и риск взрывов метановоздушной смеси 45
2.1. Геотехнологическая характеристика перспективных предприятий Кузбасса и организационно-технологические принципы внедрения высокопроизводительной технологии 45
2.2. Динамика выделения метана из различных источников в горные выработки 56
2.3. Аэрогазодинамическая характеристика шахт ОАО ОУК «Южкузбассуголь» 58
2.4. Снижение риска и локализация последствий взрыва метана в угольных шахтах 64
2.5. Оценка риска и системный подход к профилактике аварий, обусловленных нарушением состава рудничной атмосферы 73
Выводы 76
3. Математические модели формирования опасных газовых ситуаций в очистных забоях шахт кузбасса при использовании технологии «шахта - лава» 78
3.1. Выделение метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта при интенсивной выемке угля 78
3.2. Метановыделение из отбитого угля 86
3.3. Теоретическое обоснование методов расчета количества воздуха для проветривания очистного забоя и оценки предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору 96
3.4. Математические модели газовых ситуаций на очистных и подготовительных участках 105
3.5. Теоретическое обоснование динамического метода расчета количества воздуха, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков 111
Выводы 116
4. Оценка газодинамического состояния горного массива при интенсивной отработке угольного пласта 118
4.1. Газоносность разрабатываемых угольных пластов и давление свободного газа 118
4.2. Газоносность вмещающих пород и смежных пластов 123
4.3. Теоретическое обоснование методических положений по оценке газовой проницаемости угольных пластов и вмещающих пород 126
4.4. Газовая проницаемость разрабатываемого угольного пласта 135
Выводы 140
5. Усовершенствованные методические положения прогноза выделения метана в горные выработки и расчета количества воздуха 142
5.1. Информационная технология прогноза выделения метана в горные выработки 142
5.2. Практическая апробация методики расчета количества воздуха 150
Выводы 155
Заключение 157
Список использованной литературы 159
- Инженерные методы прогноза газовыделений в шахтах и рудниках, и оценка их достоверности
- Аэрогазодинамическая характеристика шахт ОАО ОУК «Южкузбассуголь»
- Теоретическое обоснование методов расчета количества воздуха для проветривания очистного забоя и оценки предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору
- Теоретическое обоснование методических положений по оценке газовой проницаемости угольных пластов и вмещающих пород
Введение к работе
Актуальность. Практика эксплуатации угольных шахт России в целом и, Кузнецкого бассейна, в частности, показывает, что уровень безопасности подземных горных работ по газовому фактору постоянно снижается. Это обусловлено переходом на технологии интенсивной отработки запасов, при которых нагрузка на очистные забои может превышать 10000 т/сут, и постоянным ростом глубины разработки. При этом устойчивое обеспечение потребностей страны во всех видах топлива и энергии будет по-прежнему осуществляться за счет увеличения их добычи. В балансе топливно-энерге-тического комплекса доля использования угля занимает важное место, это положение сохранится и в перспективе, при этом около 40 % угля планируется добывать подземным способом. Рост эффективности подземной добычи угля намечено осуществить путем ускоренного роста производительности труда. Достижение этой цели возможно лишь на основе внедрения высокоэффективных технологий нового уровня, что приведет к существенному повышению газообильности добычных и подготовительных участков.
Анализ добычи углей для коксования по маркам и пропорциям содержания в угольной шихте даже на период до 2009 г. показывает, что отсутствуют ресурсы ценных марок коксующихся углей К, КО, ОС. Деформирование ресурсной базы добычи различных марок коксующихся углей и сокращения производства особо ценных коксующихся углей в условиях ликвидации угольных шахт предопределили необходимость импорта карагандинских углей до 2 млн т. Основная часть запасов особо ценных коксующихся углей сосредоточена в Кузнецком бассейне на действующих предприятиях, а также на ликвидируемых нерентабельных шахтах. Потребность коксохимических предприятий и металлургической отрасли в особо ценных марках коксующихся углей за последние годы возросла в два раза и достигла в 2009 г.
6,7 млн т. Удовлетворение внутренней потребности в особо ценных марках коксующихся углей осуществлялось в основном за счет сокращения экспорта поставок российских углей с 2,7 млн т до 0,8 млн т в 2009 г.
В этих условиях особую актуальность приобретает проблема обеспечения высокого уровня безопасности горных работ по газовому фактору.
За последнее десятилетие доля взрывов и вспышек метана не превышает
4 % от общего количества аварий на угольных шахтах России, однако возникновение опасных газовых ситуаций в горных выработках представляет наибольшую угрозу жизни людей, выполняющих подземные работы. В связи с этим в течение многих лет разработке эффективных методов прогноза газовыделений и газовых ситуаций уделяется пристальное внимание.
В условиях перехода к рыночной экономике, а особенно в условиях реальных рыночных отношений, достоверность прогноза безопасности горных работ по газовому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью горных работ по газовому фактору приводит к крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт. С другой стороны, при отсутствии аварий достоверный прогноз газовыделений может существенно снизить расчетное количество воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков, что уменьшает эксплуатационные затраты на вентиляцию шахт при сохранении высокого уровня безопасности горных работ.
Следовательно, изучение газообмена разрабатываемых метаноносных угольных пластов с шахтным воздухом при интенсивной выемке угля по технологии «шахта – лава» является одним из важнейших направлений рудничной аэрогазодинамики. Особую актуальность эта проблема приобретает в условиях широкой компьютеризации всех звеньев экономики, позволяющей автоматизировать сложные расчеты процессов динамики газовыделений и формирования опасных газовых ситуаций в угольных шахтах.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы является уточнение закономерностей фильтрационного движения газов в разрабатываемых угольных пластах и атмосфере горных выработок очистных и подготовительных участков угольных шахт для совершенствования методики расчета количества воздуха при интенсивной отработке угольных пластов и снижения риска аварий по газовому фактору при добыче угля подземным способом.
Идея работы заключалась в том, что совершенствование методики расчета количества воздуха при интенсивной отработке угольных пластов и снижение риска аварий по газовому фактору при добыче угля подземным способом основываются на адекватных математических моделях газообмена горного массива с атмосферой горных выработок и оценке допустимой нагрузки на очистные забои по величине остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов.
Основные научные положения состоят в следующем:
давление свободного метана в угольных пластах до начала разработки является следствием установившегося стационарного состояния термодинамической системы «газуголь», которое зависит от природной метаноносности, пористости, плотности, зольности, влажности, температуры и сорбционных свойств угля;
давление метана в метаноуглекислотоносных угольных пластах необходимо рассчитывать с учётом парциального давления углекислотного газа, так как его сорбционный потенциал в несколько раз превышает сорбционный потенциал метана;
газовая проницаемость угольного пласта представляет собой обобщенную характеристику свойств газа, фильтрационных свойств угля и релаксации процесса фильтрационного движения газа;
процессы фильтрации газа в горном массиве описываются уравнением гиперболического типа, а применение уравнений параболического типа является физически обоснованным для периодов времени, превышающих удвоенное произведение периода релаксации фильтрационного процесса на коэффициент, учитывающий точность вычислений, а также начальное и граничное давление газа.
Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:
получены аналитические закономерности газовыделений из разрабатываемого угольного пласта, отличающиеся тем, что динамика газовыделений описывается с учетом технологических параметров, а также обоснованы границы приемлемости этих закономерностей;
предложены математические модели для прогноза газовых ситуаций в горных выработках, отличающиеся тем, что расчет полей концентраций газов осуществляется на основе установленных закономерностей динамики газовыделений, входящих в уравнение конвективно-турбулентной диффузии в виде источников;
установлена зависимость газовой проницаемости от коллекторских свойств горного массива и свойств газа, отличающаяся тем, что в ней учтены параметры, характеризующие стохастичность фильтрационного движения газа в пористой среде.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследования, 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 (проанализированы данные по 26 очистным участкам).
Практическая значимость работы заключается в том, что установленные закономерности газовыделения повышают достоверность прогноза газообильности выработок, участков и шахт и дают возможность предварительного анализа газовых ситуаций, которые могут возникать при различных технологических решениях и, таким образом, позволяют оценить уровень их безопасности по газовому фактору. Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахтах существенно облегчают решение задач газовой динамики шахт за счет обеспечения диалогового режима работы пользователя с ЭВМ, что повышает эффективность САПР вентиляции. В процессе шахтных исследований проведена промышленная апробация прогноза газовыделений. Усовершенствованная методика расчета количества воздуха позволит увеличить добычу коксующихся углей в Кузнецком бассейне за счет ввода новых мощностей по добыче угля и доработки оставшихся запасов этих углей на ликвидируемых шахтах.
Практическая реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы и рекомендации работы по обоснованию возможности увеличения добычи коксующихся углей в Кузнецком бассейне, направленные на обеспечение безопасных условий развития добычи угля с учетом расширения масштабов производства действующих предприятий, нового строительства и освоения остаточных запасов дефицитных марок коксующихся углей ликвидируемых шахт, использованы при корректировке программы развития бассейна на перспективу и реализации энергетической стратегии России на период до 2020 года. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий, а также использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2005 – 2010 гг.), технических советах ОАО «Южкузбассуголь» (г. Междуреченск Кемеровской обл., 2004 – 2010 гг.), 3-й и 4-й Международной конференции «Социально-экономичес-кие и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008 – 2009 гг.), 3-й Международной конференции «Environmental Protection» (г. Будва, Югославия, 2005 г.), Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2009 г.)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 статей.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 20 таблиц, 30 рисунков, список литературы из 178 наименований.
Автор диссертации выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой геотехнологий и строительства подземных сооружений, д-ру техн. наук, проф. Н.М. Качурину за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.
Инженерные методы прогноза газовыделений в шахтах и рудниках, и оценка их достоверности
Современные инженерные методы прогноза газовыделений в угольных шахтах и создание автоматизированных систем обеспечения промышленной безопасности являются результатом комплексных исследований, выполненных МакНИИ, ВостНИИ, ИГД им. А.А. Скочинского, МГИ, ТулГУ и др. Большой вклад в решение проблемы внесли К.К. Бусыгин, Ю.Ф. Васючков, Ф.С. Клебанов, А.Д. Кизряков, О.И. Касимов, СП. Казаков, Н.М. Качурин, А.Д. Климанов, А.А. Мясников, Н.В. Ножкин, А.Э. Петросян, B.C. Пак, И.В. Сергеев, Э.М. Соколов, М.Б. Сулла, Н.И. Устинов, В.А. Фатуев и др. [26-59]. Методика прогноза газовыделений изложена в нормативном документе - «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт». Практика проектных работ показала, что в изменяющихся горно-геологических условиях, необходимо постоянно уточнять существующую методику. По результатам последних исследований были разработаны «Дополнения к руководству по проектированию вентиляции угольных шахт», а затем и новая редакция нормативного документа в целом.
В настоящее время наиболее широкое применение в инженерной практике нашли горно-статистический метод прогноза газовыделений и прогноз газообильности выработок по метаноносности угольных пластов и вмещающих пород. Горно-статистический метод основан на изучении изменения относительной метанообильности горных выработок по мере развития горных работ по простиранию и падению угольных пластов в пределах поля данной шахты и полей смежных шахт. При этом методе выполняют анализ природных и горнотехнических условий, предопределяющих изменения метанообильности, и устанавливают количественные зависимости между глубиной ведения горных работ и изменением метанообильности выработок.
Этот метод применим для определения предполагаемой метанообильности горных выработок новых горизонтов углубляемых действующих шахт. Можно использовать горно-статистический метод и для новых шахт, проектируемых рядом с полями действующих шахт. По падению пласта прогноз дается, как правило, на глубину на более 100-200 м по вертикали, но не более 600 м по пласту от отработанного нижнего этажа или яруса. Этим методом прогноза пользуются при идентичности горнотехнических (порядок отработки, система разработки, способ управления кровлей и т.д.) и геологических (стратиграфия пластов, геологические нарушения) условий действующих и проектируемых шахт.
При применении горно-статического метода прогноза газовый баланс выемочных участков составляется по результатам газовых съемок, проводимых в соответствии с правилами безопасности. Следует отметить, что горностатистический метод прогноза метанообильности горных выработок применяется, когда отсутствуют данные по природной газоносности угленосных отложений. В настоящее время, когда имеется почти 50-летний опыт обязательного определения газоносности угольных пластов при ведении геологоразведочных работ на проектируемых шахтных полях, горно-статистический метод прогноза применяется в исключительных случаях, при отсутствии каких-либо данных по метан он оси ости угольных пластов. Прогноз метанообильности проектируемых и реконструируемых шахт производится преимущественно по величине природной метаноносности угольных пластов и вмещающих пород [60-62].
Количество газа, поступающего в выработки, определяется по источникам его выделения. Относительная газообильность каждого выемочного участка определяется как сумма значений относительных газообильностей, обусловленных газовыделением из разрабатываемого пласта, из сближенных угольных пластов и вмещающих пород.
Метановыделение из разрабатываемого пласта, принимается пропорциональным разности между природной и остаточной метаноносностью, а горно-геологические и горнотехнические факторы учитываются эмпирическими коэффициентами. Эта же идея используется и при выводе соотношений для расчета метановыделений из пластов спутников и вмещающих пород. В основе расчетных формул для прогноза метановыделений в подготовительные выработки используется значение начальной скорости газовыделения.
Прогноз выделений углекислого газа на очистных участках ведется по эмпирическим формулам, где определяющей является величина скорости сорбции кислорода углем при температуре 25 С, определяемая в лабораторных условиях. Для расчета углекислотовыделений в подготовительные выработки используется начальная скорость газовыделения, то есть ситуация такая же как и при прогнозе метанообильности.
Общим недостатком расчетных формул прогноза газовыделений для очистных участков является предположение о том, что газоносность разрушенного угля или породы мгновенно принимает значение равное остаточной газоносности при 0,1 МПа. В связи с этим не учитывается фактор времени и, по сути дела, прогнозируется среднее значение газового фона. Справедливость такого подхода зачастую обосновывается удовлетворительным совпадением расчет ных значений газообильности с результатами газовоздушных съемок. Однако такое совпадение имеет место лишь в тех случаях, когда эмпирические коэффициенты в расчетных формулах были уточнены для тех условий, в которых проводились газовоздушные съемки. Поэтому в целом могут быть отклонения, существенно превышающие допустимые пределы. Если же сравнить расчетное газовыделение с динамикой газовыделения, то отклонения будут еще больше.
Г.Л. Пигида, изучая динамику абсолютной газообильности очистных участков шахт Львовско-Волынского бассейна, предложил представить газовыделение в виде нестационарного случайного процесса, который характеризуется набором вероятностных оценок. При этом газовыделение на очистном участке может характеризоваться тремя показателями: среднее выделение газа за весь период работы очистного участка; текущее среднее выделение газа, установленное по результатам газовых съемок; мгновенное текущее среднее газовыделение. Коэффициент неравномерности для каждого из трех показателей будет иметь различные значения [63]. Это подтверждается и многочисленными газовоздушными съемками, проведенными ТулГУ на шахтах Кузнецкого, Донецкого и Подмосковного бассейнов.
В условиях интенсивной отработки угольных пластов особую актуальность приобретает вопрос достоверного прогноза фактической потребности в воздухе на очистных участках и, следовательно, необходимость прогноза динамики газовыделений в горные выработки. Таким образом, целью прогноза газовыделения на очистном участке должно являться определение вида функции математического ожидания случайного процесса газовыделения.
Аэрогазодинамическая характеристика шахт ОАО ОУК «Южкузбассуголь»
Следует отметить, что выделить долевое участие каждого из перечисленных источников в газовом балансе по результатам натурных наблюдений достаточно сложно, а для некоторых источников невозможно. Так в настоящее время отсутствуют достоверные методы наблюдений, позволяющие разделить газ, выходящий из вмещающих пород и из пластов спутников. В этой ситуации можно считать обоснованными косвенные методы, основанные на определении газовыделений в скважины, пробуренные во вмещающие породы и смежные угольные пласты. Аналогичная трудность возникает при оценке количества газа, поступающего из надработанных и подработанных пород.
Однако в целом имеющийся материал позволяет правильно понять качественную картину процессов газовыделений из различных источников и на этой основе построить физическую модель явления с достаточно высоким уровнем адекватности. Анализ экспериментальных данных показывает, что газоотдача каждым источником во времени описывается гладкой функцией того или иного вида. Примечательным является факт незначительного отклонения результатов наблюдений от сглаживающей функции при правильном ее выборе. Качественный характер динамики выделений метана и углекислого газа из одних и тех же источников совпадает. Классификация динамических закономерностей газовыделения при различных технологических операциях позволяет рекомендовать следующие виды сглаживающих функций. Газовыделение с поверхности обнажения угольного пласта, надработанных пород, стенок скважин, находящихся вне зоны разгрузки пласта, и т.п., описывается функциями: Ці) — — Іи exp(-at) и I(t) = Iff bt 5 где IH - скорость начального газовыделения; a, b -эмпирические коэффициенты.
Экспоненциальная зависимость наиболее точно описывает процесс для начального периода газовыделения, а вторая формула точнее при рассмотрении последующего периода газоотдачи. Для газовыделения из отбитого угля лучшее совпадение дает аппроксимация экспоненциальной функцией. Газовыделение из подработанных вмещающих пород и пластов спутников описывается функцией: I(t) =f(t) exp(-kt) , rjipflt) - функция, характеризующая запаздывание процесса за счет газообмена между породными газонасыщенными блоками и транспортными трещинами; к - эмпирический коэффициент.
Следовательно, процессы газовыделения как на очистных, так и на подготовительных участках могут быть представлены как суперпозиции элементарных процессов выделения газа из источников. При этом отсутствие ярко выраженных закономерностей в динамике газовыделений наблюдаемой на очистных и подготовительных участках, обусловлено, главным образом, различным периодом действия источников в стационарных физических условиях. Технологические операции по выемке угля или связанные с проведением выработки являются внешними воздействиями, изменяющими интенсивность действия источников газовыделения. Таким образом, зная вид сглаживающих функций и периоды включения того, или иного источника, можно получить суммарную сглаживающую функцию, отклонение фактических значений газовыделения, от которой будут существенно меньше, чем от средней величины, полученной за фиксированный период времени. Суммарная сглаживающая функция будет непосредственно связана с планограммой технологических операций, что позволит решить задачу оптимального распределения технологических операций во времени по фактору газовыделения [31-45].
Шахта «Алардинская». На основании приказа № 6/26 по ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» и Управлению по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Кемеровской области от 13.01.09г., по филиалу - шахта «Алардинская» установлена категория по метану - сверхкатегорная, опасная по взрывчатости угольной пыли, опасная по горным ударам. Абсолютная газо-обильность шахты в среднем составляет 217,67 м /мин , а относительная газо-обильность равна 78,5 м7т.
Шахта относится к легко проветриваемым шахтам. Способ проветривания комбинированный. Схема проветривания центрально-фланговая. Очистных забоев проветриваемых последовательно нет, но 3 подготовительных забоя проветриваются последовательно. Схема проветривания лавы 6-1-10 комбинированная с отводом газо-воздушной смеси через выработанное пространство с помощью газоотсасывающей установки 2УВЦГ-15, расположенной на устье флангового уклона 3/3 (на поверхности). В зарядном депо смонтирована дегазационная установка 2ВВН - 150, обеспечивающая дегазацию пл. З-За и лавы 6-1-10.
Характеристика пластов, отрабатываемых ш. «Алардинская», представлена в табл. 2.3, а режимы работы вентиляционных установок показаны в табл. 2.4. Режим работы дегазационных установок ш. «Алардинская» представлен в табл. 2.5.
Шахта «Есаульская». Шахта «Есаульская» находится в районе г. Новокузнецка, Кемеровской области. На период проведения воздушно-депрессионной съемки горные работы велись по пласту 26а очистным - механизированным комплексами 2КМ-138 и подготовительными комбайнами ГПКС. Угольный пласт 26-а вскрыт штольнями и уклонами. Система отработки длинные столбы по простиранию. Транспорт угля - конвейерный. Категория шахты по газу -сверхкатегорная с абсолютной газообильностью 175,7 м /мин и относительной газообильностью 40,6 м /т. Пласт отнесен к сверхкатегорным по газу метану. Угольнй пласт, отрабатываемый шахтой, опасен по взрывчатости угольной пыли, не склонен к самовозгоранию. Пласт опасен по внезапным выбросам угля и суфлярным выделениям метана с глубины 450 м. С глубины 190 м выработки входят в зону угрожаемую по горным ударам.
Рассмотрим лаву 26-22, которая в целом характеризует специфику дегазации разрабатываемого угольного пласта. Выемочный участок 26-22 отрабатывается длинными столбами по падению с управлением кровлей полным обрушением. Выемочный столб лавы 26-22 подготовлен проведением вентиляционного штрека 26-22, конвейерного штрека 26-22 и монтажной камеры 26-22. Для отработки лавы 26-22 применяется механизированный комплекс 2КМ-138, который представляет собой совокупность нескольких машин и механизмов, работа которых увязана в общем технологическом процессе добычи угля, состоящим из отбойки, навалки, транспортирования угля и управления кровлей. Выемка угля в лаве 26-22 осуществляется комбайном KSW-460. Длина очистного забоя - 300 м. Длина выемочного столба — 1242 м. Вынимаемая мощность пласта - 2,05 ... 2,15 м. Суточное подвигание линии очистного забоя - 6,82 м/сут. Принятая нагрузка на очистной забой - 5659 т/сут.
При отработке лавы 26-22 предусматривается изолированный отвод метана из выработанного пространства по газодренажным выработкам с помощью газоотсасывающей установки с вентиляторами ВЦГ-15 (2 — в работе, 1 - в резерве), установленными на поверхности на устье ходка 26-52.
Теоретическое обоснование методов расчета количества воздуха для проветривания очистного забоя и оценки предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору
Обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств решения задач сетевой газовой динамики угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации угольных шахт. Совершенствование компьютерной технологии разработки, уточнения и реализации плана ликвидации аварии для метанообильных угольных шахт. Разработка и внедрение компьютерной технологии оценки риска взрыва метановоздушной смеси в угольных шахтах. Разработка и внедрение технологии снижения последствий взрыва метановоздушной смеси в угольных шахтах. Если конкретизировать предполагаемые результаты, как в научной сфере, так и в практическом направлении, то необходимо уточнить закономерности газообмена на контакте поверхностей обнажения горного массива с рудничной атмосферой и выявить закономерности влияния газовых примесей с высоким сорбционным потенциалом на скорость метановыделения из угольных пластов и вмещающих пород.
Для этого следует создать новые способы оценки метаноемкости и природной метаноносности угольных пластов и вмещающих пород, а также новые способы оценки газовой проницаемости, пористости и трещиноватости горного массива, и определения пластового давления метана. Необходимо разработать новый способ контроля воздухораспределения в горных выработках шахт и новые способы дегазации разрабатываемых угольных пластов, вмещающих горных пород и угольных пластов-спутников.
Современное положение и перспективы освоения глубоких горизонтов Кузбасса требуют разработки автоматизированной системы аэрогазодинамического мониторинга горных выработок очистных и подготовительных участков и газодинамического мониторинга дегазационной сети шахты. Особое внимание следует уделить разработке и внедрению новых технических средств повышения герметичности дегазационных скважин и снижения притечек воздуха в шахтную дегазационную сеть. Практика показывает, что необходимо продолжить совершенствование технологий разработки и реализации плана ликвидации аварии с использованием средств моделирования состава шахтного воздуха в реальном масштабе времени.
При изучении фактической аварийности шахт производился ретроспективный анализ данных посредством выделения тренда, позволяющего выявить детерминированную составляющую временного ряда. Адекватность тренда исходным данным оценивалась по величине коэффициента корреляции. Установлено, что наиболее значимыми внешними факторами, влияющими на количество аварий, являются технико-экономические показатели, характеризующие работу угледобывающего производственного объединения. Оценка влияния внешних факторов на количество аварий осуществлена методом корреляционного анализа.
В процессе исследований было доказано, что в соответствии с предлагаемой методикой количественную оценку аварийной опасности шахт и производственных объединений в целом целесообразно производить по величине вероятности возникновения аварий, позволяющей оценить период безаварийной работы рассматриваемого объекта. Отличительной особенностью настоящей методики является ее динамичность, что предполагает ежегодное пополнение базы данных по аварийности количественными показателя за истекший год и перерасчет коэффициентов соответствующих математических моделей.
При определении эффективности защитных мероприятий от конкретного вида аварий в технологическом процессе добычи угля (ТПДУ) подземным способом, оценке опасности производственных ситуаций, разработке планов ликвидации аварии следует принимать во внимание основные показатели аварийности и безопасности шахт. С точки зрения безопасности ТПДУ характеризуется величиной риска, под которым понимается вероятность человеческих и материальных потерь в случае аварии.
Основным показателем аварийности рассматриваемого технологического процесса является функция распределения количества аварий. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что функционирование ТПДУ без аварий меньше некоторого заданного времени t, (времени безаварийной работы), т.е. P{T t}.
Практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени.
Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков.
Таким образом, базовой закономерностью будет являться закон распределения вероятности безаварийной работы по і-му виду аварий где Pj(t) - вероятность возникновения аварии /-го вида в момент времени t\ Л{ -интенсивность аварий z -ro вида (всем видам аварий присваивается свой номер). Тогда длительность безаварийной работы ц по і-му виду аварий будет определяться по формуле:
Теоретическое обоснование методических положений по оценке газовой проницаемости угольных пластов и вмещающих пород
Формулы (3.68), (3.69) и (3.70) показывают, что учет процессов диффузионного переноса газа, позволяет уменьшить расчетное количество воздуха для подготовительных выработок и очистных участков на 30 — 40 % . Следовательно, динамический метод расчета воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков, во-первых, повышает адекватность моделей воздухообмена в горных выработках, и, во-вторых, позволяет существенно снизить затраты на вентиляцию основных технологических объектов шахты.
Динамика метановыделений на очистных и подготовительных участках характеризуется периодическими колебаниями дебита за счет рассредоточенного во времени проявления технологических и геомеханических воздействий на породоуголъный массив и включения в процесс газовыделения источников, сопутствующих этим воздействиям.
Метановыделение с поверхности обнажения угольного пласта пропорционально начальной скорости газовыделения, а его изменение во времени наиболее полно описывается произведением затухающей экспоненты на модифицированную функцию Бесселя нулевого порядка, имеющих аргумент, прямо пропорциональный времени процесса и обратно пропорциональный удвоенному периоду релаксации. 3. Практическое использование решения волнового уравнения фильтра ции целесообразно при прогнозе метановыделений с поверхности обнажения угольного пласта в лаве, во всех остальных случаях отклонения от гиперболи ческой кривой газового истощения не превышает 10 % уже при отношении времени процесса к удвоенному периоду релаксации, равном 0,5 - 1. 4. Метановыделение из отбитого угля связано с предшествующим процессом дегазации призабойной части разрабатываемого угольного пласта и зависит от остаточной метаноносности отбитого угля, динамика которой описывается гиперболическим уравнением со стоком, характеризующим параметры закона распределения фракций угля при, скорости подачи комбайна и транспортирования угля, а ткже фильтрационно-диффузионные свойства отбитого угля. 5. Метановыделение из отбитого угля - весьма динамичный процесс, имеющий тесную связь с планограммой работ в лаве, при этом установлено, что челноковая схема работы комбайна снижает неравномерность метановыде-ления из отбитого угля на 20 - 30 % и его длительность на 60 - 70 % по сравнению с односторонней схемой работы. 6. Прогноз динамики метановыделений позволяет задать в явном виде источник для прогноза газовых ситуаций, а также провести предварительную экспертную оценку технологических решений по газовому фактору и эффективности способов и средств управления газовыделением. 7. С увеличением разности между природной и остаточной газоносностью уменьшается максимально возможная нагрузка на очистной забой. Очевидно, что обеспечить современные требования по производительности очистных забоев можно лишь уменьшая величину природной газоносности. 8. Учет процессов диффузионного переноса газа, позволяет уменьшить расчетное количество воздуха для подготовительных выработок и очистных участков на 30 — 40 % . Следовательно, динамический метод расчета воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков, во-первых, повышает адекватность моделей воздухообмена в горных выработках, и, во-вторых, позволяет существенно снизить затраты на вентиляцию основных технологических объектов шахты. Газоносность разрабатываемых угольных пластов распределена неравномерно по глубине и площади их залегания. Это обусловлено историей геологической эволюции как угольных бассейнов в целом, так и их отдельных месторождений; тектоническим строением угленосных отложений и их угленосностью; гидрогеологическими и гидрохимическими условиями: литологическим составом вмещающих перед; мощностью покрывающей толщи и степенью естественной дегазации угля. В настоящее время получен ряд закономерностей, позволяющих оценить влияние перечисленных факторов количественно. Одна из основных объективно существующих закономерностей - это нарастание метаноносности угольных пластов с увеличением, глубины их: залегания. Однако отмеченная закономерность на некоторых участках месторождений может и не быть вскрытой отдельными скважинами при геологической разведке. То есть при определенных геологических условиях метаноносность пластов с глубиной может не только повышаться, но и понижаться. Это, например, наблюдается на шахтах Кузбасса, где разрабатываются метаноносные угольные пласты, приуроченные к южной части Кемеровской области. Геологические отложения этих районов представлены породами каменно-угольного, мелового, палеогенового, неогенового и четвертичного возрастов.
Анализ распределения метаноносности угля по падению и простиранию пластов показал, что достаточно четкой связи между метаноносностью угля и глубиной залегания проследить не удается. Количество газа, находящегося в угле меняется по случайному закону. При этом наблюдаются аномалии, где газосодержание на 20 - 30 % выше среднего значения. И такие примеры можно продолжить. То есть метаноносность является случайной величиной. Обработка данных свидетельствует о том, что для обследованных районов эта величина подчиняется нормальному закону распределения. Коэффициент неравномерности распределения метаноносности по площади угольных пластов изменяется от 1,69 до 1,77 и в среднем составляет 1,73.
