Введение к работе
Актуальность работы. В современных шахтах с развитой сетью горных выработок и высокой технологической оснащенностью углекислый газ наряду с метаном фиксируется в рудничной атмосфере всех угольных бассейнов страны как один из определяющих факторов при расчете необходимого для проветривания горных выработок количества воздуха. В Кузбассе, например, по фактору СОг необходимое количество воздуха принимается для 28% участков из всех действующих, а по метану только для 18%, по объединениям "Сахалинуголь" соответственно 50 и 25 %, "Приморскуголь" - 41,66 и 25 %, "Кизелуголь" - 40 и 20 %.
Крупный вклад в становление и развитие исследований по борьбе с углекислым газом внесли А.А. Скочинский, Л.Н. Быков, B.C. Веселовский, В.Б. Комаров, А.И. Кравцов, Г.Д. Лидин, И.М. Печук, К.З. Ушаков, А.А. Мясников, И.Д. Мащенко, Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, М.Б. Сулла, Л.П. Белавенцев, Г.Н. Крикунов, Е.И. Глузберг, Г.А. Бабанский и другие ученые.
К наиболее углекислотообильным шахтам в Кузбассе можно отнести шахты "Коксовая", "Зиминка", "Тырганская", "Распадская", "Юбилейная", им. Кирова, "Комсомолец", им. 7 Ноября, которые разрабатывают угольные пласты Мощный, Горелый, Лутугинский, IV Внутренний, 3 и 4-й, Толмачевский, Емельяновский, Бреевский, относящиеся по стадии метаморфизма к I и III группам. Они характеризуются большим содержанием выхода летучих - до 35-37 % и по вещественному составу содержат более 15% фюзена. К этой категории относятся шахты Кизеловского, Черногорского и Букачачинского месторождений, а также шахты Приморья и о. Сахалин.
По действующим Правилам безопасности содержание углекислого газа на рабочих местах и исходящих струях участков не должно превышать 0,5%, по метану - 1,0%, а в общей исходящей шахты, крыла по СН4 и С02 - 0,75%. Содержание СОг До 1,0% допускается только при проведении выработок по завалу, в то время как по метану эта норма является предельной для исходящих струй участков и перед производством взрывных работ, а местное скопление метана в очистных и подготовительных выработках допускается до 2,0 %.
Вместе с тем, если проблема борьбы с метаном в угольных шахтах во всех аспектах глубоко исследована и имеется широкая информация об эффективных методах и способах борьбы с метано выделениями, то углекислый газ в шахте изучен недостаточно и существующие методы прогноза не имеют пока той научной основы, которая позволила бы применять их при различных горно-геологических условиях разработки месторождений и при изменении горнотехнологических факторов. Особенно это касается случаев, когда количество воздуха рассчитывается по выделению углекислого газа. Более того, при расчетах количества воздуха далеко недостаточно принимать во внимание только уровень выделения углекислого газа. Полученное расчетное количество воздуха ДОЛЖНО Проверяться И ПО Содержанию уигттпрпгтя, няпт. иутгпрпгг» трпдрт>-а на
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С-Яетербург 09 V
различные окислительные процессы и обусловливает недопустимую концентрацию кислорода на исходящих струях и на рабочих местах. Как показывают последние обследования рудничной атмосферы шахт в Кузбассе, при уровнях концентрации углекислого газа в исходящих струях, близких к 0,5 %, содержание кислорода в них снижается более чем на 1 %.
Приведенные факты свидетельствуют о том, насколько важно и точно нужно знать ожидаемое выделение углекислого газа. Высокая точность здесь необходима и в связи с тем, что даже сравнительно небольшие ошибки в прогнозе допустимых норм содержания СОг в горных выработках дают значительные колебания расчетного количества воздуха и приводят к неоправданным капитальным затратам или загазованию тупиковых горных выработок из-за нехватки воздуха.
В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений управления аэрогазодинамическими процессами в вентиляционной системе углекислотообильных шахт, которая объединяет в аэро-газодинамически связанную вентиляционную сеть действующие очистные и подготовительные забои с допустимым содержанием СОг и выработанное пространство, являющееся коллектором и основным источником выделения углекислого газа.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа, прогнозу газообильности и дегазации угольных шахт» Минуглепрома СССР, компании "Росуголь", Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля и газа в период 1970-1993 гг., по заказам производственных объединений Кузбасса, Приморья и о. Сахалин в период 1980-2001 гг.
Целью работы является экспериментально-теоретическое обоснование и разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт.
Идея работы заключается в установлении источников, кинетики и закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках и их использовании при управлении проветриванием углекислотообильных шахт.
Задачи исследований:
-
Обосновать концепцию роли углекислого газа в многофакторной аэрогазодинамической системе управления проветриванием угольных шахт.
-
Изучить физико-химические условия развития процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха с целью установления закономерности выделения углекислого газа из различных источников в условиях так называемого низкотемпературного окисления угля (16-26С).
-
Развить экспериментально-статистические модели аэрогазодинамических процессов в горных выработках с участием СОг и на их основе разработать методику оценки выделения углекислого газа в зависимости от свойств угля, количества поглощенного кислорода, интенсивности проветривания, температуры, площади и времени контакта "уголь-воздух", стадии метаморфизма и петрографического состава.
-
Обосновать структуру газового баланса и газовоздушных потоков при действующих технологических схемах и способах управления проветриванием выемочных участков и полей в различных горнотехнологических условиях.
-
Разработать методы расчета ожидаемого выделения углекислого газа в горных выработках для управления аэрогазодинамическими процессами и опасностью загазований действующих выемочных участков.
-
Разработать методику расчета количества воздуха для проветривания горных выработок с учетом снижения концентрации кислорода и образования углекислого газа.
Методы исследований:
анализ и обобщение работ по применению существующих способов управления параметрами рудничной атмосферы по углекислому газу и снижения углекислотообильности выемочных участков угольных шахт;
лабораторные исследования процессов взаимодействия между углем и кислородом воздуха, определения природного и остаточного содержания углекислого газа в угольных шахтах;
шахтные эксперименты по исследованию аэрогазодинамических процессов в вентиляционной системе горного массива, горных выработок и выработанных пространств;
экспериментально-статистическое обоснование управления аэрогазодинамическими процессами в горных массивах, горных выработках и выработанных пространствах угольных шахт с учетом поглощения ( и выделения СОг;
методы математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих факторов управления аэрогазодинамическими процессами в системе жизнеобеспечения угольных шахт.
-
Возможность накопления в горных выработках углекислого газа в концентрации, превосходящей допустимую, предопределяет процесс взаимодействия угля с кислородом воздуха, протекающий в горном массиве, выработанном пространстве и действующих подготовительных выработках, а доля выделения углекислого газа из угля, образованного вследствие окислительного процесса, а также из минеральных источников, за счет разложения крепежного
леса и угленосных пород шахтными водами, не превышает 2-3 % в газовом балансе выемочного участка.
-
Развитие процесса низкотемпературного окисления угля зависит от сорбционной способности его по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, степени первичной окисленности, а также от горно-геологических и горнотехнологических факторов.
-
В аэродинамически связанной вентиляционной сети выемочного участка выработанное пространство является коллектором и основным источником выделения углекислого газа, уровень образования которого зависит от ширины проветриваемой зоны выработанного пространства, его аэродинамической особенности и интенсивности проветривания.
-
Управление процессами выделения углекислого газа и опасностью за-газирования на выемочных участках осуществляется оптимизацией аэрогазодинамических параметров в многофакторной системе проветривания углеки-слотообильных шахт.
-
Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания углеки-слотообильных шахт, производится в соответствии со структурой газового баланса по совместным факторам метана и углекислого газа с учетом неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.
-
Оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными местными скоплениями газа и обеспечения устойчивости проветривания достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки пологих и наклонных пластов, применением новых технических решений по способу оценки склонности угля к окислению и по составу для снижения хим ической активности угля.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждаются:
обоснованностью постановки физико-химических задач процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха и его развития на экспериментально-статистической основе;
использованием апробированных методов и приборов контроля при проведении лабораторных исследований;
необходимым и достаточным для статистической обработки количеством многосторонних лабораторных и шахтных исследований (более 1000 экспериментов), проведенных в 1968-1989 гг. в 70 горных выработках шахт восточных бассейнов России;
- удовлетворительной сходимостью результатов экспериментально-
статистических исследований, лабораторных и шахтных экспериментов (по
грешность не более 15 % при доверительной вероятности 0,95);
- положительными результатами практического использования методов
управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углеки-
слотообильных шахт Челябинского, Кузбасского, Карагандинского, Краснояр
ского, Приморского и Сахалинского угольных месторождений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые научно обосновано, что углекислый газ является одним из определяющих наряду с метаном факторов при расчете количества воздуха для проветривания горных выработок угольных шахт восточных регионов России;
впервые установлено, что в угольных шахтах восточных регионов России основная доля выделяемого углекислого газа из обнаженных поверхностей угольного массива, из выработанных пространств и действующих подготовительных выработок образуется в процессе низкотемпературного окисления угля кислородом воздуха;
проведены исследования низкотемпературного окисления угля и установлены закономерности выделения углекислого газа в горных выработках в зависимости от сорбционной способности углей по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, степени первичной окисленное угля;
установлено, что основой управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках при низкотемпературном окислении угля являются экспериментально-статистические модели выделения углекислого газа, определяемые в зависимости от источников газовыделения, от скорости подвигания очистного забоя, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства и его аэродинамических особенностей, потерь угля, применяемых технологических схем и способов проветривания;
разработана методика расчета необходимого для проветривания горных выработок количества воздуха с учетом снижения содержания кислорода за счет окислительного процесса и выделения углекислого газа в рудничную атмосферу;
разработаны новый метод оценки склонности угля к окислению и новый метод для определения состава снижения химической активности обрушенных горных пород по отношению к кислороду, блокирующий дальнейшее развитие окислительного процесса, образование и выделение углекислого газа;
разработаны специфические методы управления аэрогазодинамическими процессами выделения углекислого газа в угольных шахтах при различных горнотехнических условиях и оптимизации параметров управления технологическими схемами и способами проветривания выемочных участков.
Личный вклад автора состоит:
- в обосновании концепции выделения углекислого газа в многофактор
ной вентиляционной системе проветривания угольных шахт;
в разработке методик и проведении экспериментальных исследований аэрогазодинамических процессов на выемочных участках шахт Кузбасса, Караганды, Хакасии, Восточной Сибири, Приморья и о. Сахалин, а также лабора-торно-стендовых испытаний окислитель ных процессов;
в установлении закономерностей развития процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха в условиях нормативных температурных режимов в рудничной атмосфере;
в разработке методики оценки выделения углекислого газа в зависимости от горно-геологических и горнотехнологических факторов, стадии метаморфизма, петрографического состава угля;
в обосновании структуры газового баланса по углекислому газу при действующих схемах и способах проветривания выемочных участков, на основании которой определен позабойный метод расчета количества воздуха для проветривания углекислотообильных шахт;
в разработке методики расчета количества воздуха с учетом снижения содержания кислорода и выделения углекислого газа в рудничной атмосфере;
в разработке нового способа оценки склонности угля к окислению и метода определения нового состава для снижения химической активности угля по отношению к кислороду;
- в разработке специфических методов управления аэрогазодинамиче
скими процессами выделения углекислого газа в угольных шахтах и оптими
зации параметров управления технологическими схемами и способами провет
ривания выемочных участков.
Практическая ценность работы
Полученные соискателем результаты позволяют:
учитывать, что углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих факторов при расчете количества воздуха для проветривания горных выработок, а расчетное количество воздуха должно проверяться и по содержанию кислорода, теряемого на развитие окислительного процесса;
обосновать для решения актуальные задачи о влиянии на организм человека углекислого газа при длительном пребывании горнорабочих в подземных горных выработках;
определять расчетное количество воздуха для проветривания горных выработок на основе позабойного метода;
управлять процессами рудничной аэрогазодинамики, связанными с распределением выделений СОг по источникам, определять общий дебит углекислого газа в зависимости от скорости подвигания забоев, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства, потерь угля, применяемых технологических схем и способов проветривания, аэродинамических особенностей выработанного пространства, интенсивности проветривания горных выработок, а также в зависимости от петрографического состава угля;
обеспечить расчеты необходимого количества воздуха для проветривания горных выработок по фактору С02) количества ожидаемого поглощения 02 в шахте, допустимых нагрузок на очистные забои по С02 для предупреждения загазования выработок участка;
определять неравномерность выделения углекислого газа в зависимости от колебания барометрического давления и респираторного коэффициента;
управлять аэрогазодинамическими процессами и формированием углекислоте обильности горных выработок в многофакторной системе проветривания угольных шахт.
Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: "Методика определения углекислот ообильных горных выработок", 1974 (Минуглепром СССР); "Методика расчета количества воздуха для проветривания горных выработок по фактору С02", 1974 (Минуглепром СССР); "Методика определения ожидаемого поглощения 02 в шахте", 1975 (Минуглепром СССР); "Методика расчета допустимых нагрузок на очистные забои по С02 для предупреждения загазирования выработок участка", 1976 (Кузнецкое управление Госгортехнадзора СССР); "Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов страны", 1979 (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР); "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт", 1989 (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР, Госстрой СССР), материалы к проекту "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт, 2004; заключениия, рекомендации по использованию "Руководства..." в части прогноза углекислотообильно-сти угольных шахт, проведение научно-технических и практических семинаров по использованию "Прогноза..." в производственных объединениях, шахтах и ИПК Минэнерго РФ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1972, 1985, 1995, 2003), Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1973), Кемеровского регионального института повышения квалификации Минэнерго РФ (г. Кемерово, 2002, 2003); Технических советов угольных компаний "Кузбассуголь" (г. Кемерово, 1975, 1989, 1990, 2003), "Южкузбассуголь" (г. Новокузнецк, 1969, 1999, 2002); секции техники безопасности НТС Минуглепрома СССР (г. Караганда, 1975, 1980, г. Прокопьевск, 1974, 1986, 1989); секции "Разработка и внедрение новых средств и способов, обеспечивающих улучшение охраны труда и техники безопасности на предприятиях области" (Свердловск, 1989); на Всесоюзных совещаниях "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск, 1984, 1989); Международных научно-практических конференциях "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кеме-
рово, 1994, 1998, 2000); Международной научно-практической конференции "Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию" (Кемерово, 1999), региональных научно-практических конференциях по безопасному ведению горных работ на предприятиях региона (Южно-Сахалинск, 1995; Артем, 1999; Иркутск, 2003).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 печатных работ, в том числе 1 монография, 20 статей, 5 нормативных документов, 3 авторских свидетельства.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов и за
ключения, изложенных на 220 страницах машинописного текста, включая 1
37 рисунков, 20 таблиц, 3 приложения, списка использованных источников из
83 наименований.
Автор признателен члену-корреспонденту РАН, доктору технических наук, профессору Грицко Г.И. за ценные замечания в ходе подготовки работы к защите, кандидату технических наук, старшему научному сотруднику Мащенко И.Д. за творческую помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Диссертационная работа с одержит:
Введение, в котором обоснована актуальность работы, изложены цель работы, идея работы, формулировка задач исследований, методы исследований, научные положения, достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, научная новизна работы, личный вклад автора, практическая ценность работы, реализация и апробация работы.
Раздел 1. в котором дается обзор представлений о выделении углекислого газа в угольных шахтах, определена роль выделения углекислого газа в многофакторной системе управления аэрогазодинамическими процессами в угольных шахтах.
Раздел 2. в котором изложена методика исследований, включающая в себя изучение содержания углекислого газа в угольных пластах и вмещающих породах, изучение низкотемпературного окисления и сорбционной способности угля в лабораторных условиях, определение активной поверхности угля по отношению к кислороду, экспериментально-статистические наблюдения в шахтных условиях, изучение структуры газового баланса шахт по углекислому газу и метану.
Раздел 3. в котором изложены результаты работы по определению природной и остаточной углекислотоносности угольных пластов и особенности содержания в них углекислого газа, а также выделения углекислого газа из шпуров и скважин, при отбойке угля, внезапных выбросах угля и газа, из подземных вод и древесины.
Раздел 4. в котором приведены исследования процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха в условиях низкотемпературного окисления, развитие данного процесса в зависимости от сорбционной склонности угля по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, а также горнотехнологических факторов. Приведены результаты обработки экспериментально-статистических материалов и построение на их основе аналитических зависимостей, описывающих выделение углекислого газа из обнаженных поверхностей угольного массива, из выработанного пространства и действующих подготовительных выработок.
Раздел 5. в котором изложены результаты изучения структуры газового баланса шахт по углекислому газу и метану, показаны управление процессами выделения углекислого газа на выемочных участках на стадии их проектирования и организации проветривания, оптимизация аэрогазодинамических параметров проветривания.
Раздел 6. в котором изложены разработка методов управления аэрогазодинамическими процессами углекислото обильных шахт, управления опасностью загазирования действующих выемочных участков, показан выбор эффективных параметров в многофакторной системе проветривания угольных шахт, приведена методика расчета количества воздуха для углекислотообильных шахт с учетом неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.
