Содержание к диссертации
Введение
2.Состояние вопроса 13
2,1,Анализ возможных нагрузок на очистной забой при восходящем и нисходящем проветривании .13
2.2. Проблема управления газовыделением при нисходя щем проветривании очистной выработки 22
2,3.Факторы,определяющие аэрогазодинамический режим выработанного пространства 26
2.4.Особенности аэрогазодинамики выработанного про странства в схемах нисходящего проветривания собособленным разбавлением вредностей
3. Обоснование выбранного направления работы.цель и задачи исследования 55
4 Исследования процессов газовэдвления из вырабо тайного пространства разрабатываемого пласта при нисходящем проветривании очистного забоя .56
4.1.Методика исследований .57
4.2. Аналитические исследования процессов газовыде ления из выработанного пространства при нисхо дящем проветривании очистной выработки 61
4.3.Экспериментальные исследования параметров аэро газодинамики выемочных участков шахт на тонких крутых пластах .79
4.3.1.Определение объема выборки 79
4.3.2.Шахтные эксперименты 85
4.3.3.Проверка математической модели на сходимость 114
5. Управление газовццеиением из выработаннсго пространства разрабатываемого пласта при нисходящем проветривании очистнсго забоя регламентацией параметров технологической схемы . 122
5.1.Управление газовыделением из выработанного пространства регламентацией параметров режима проветривания выемочного участка 123
5.2. Управление газовыделением из выработанного пространства регламентацией параметров схемы проветривания выемочного участка 125
6. Совершенствование методики расчета максимальной по газовому фактору нагрузки на комплексно-механи зированный забой при выемке лаваш по простиранию 132
7 .Экономическая эффективность внщрения результатов работы 134
7.1.Экономическая эффективность схемы нисходящего проветривания с последовательным разбавлением вредностей при одноэтажной отработке запасов 136
7.2. Экономическая эффективность схемы нисходящего проветривания с обособленным разбавлением вредностей 139
7.3.Экономическая эффективность охег' нисходящего проветривания при многоэтажной отработке запасов 142
8. Результаты внедрения результатов работы на шахтах ЦРД 144
Заключение 144
Список литературы і47
Приложения 153
- Проблема управления газовыделением при нисходя щем проветривании очистной выработки
- Аналитические исследования процессов газовыде ления из выработанного пространства при нисхо дящем проветривании очистной выработки
- Управление газовыделением из выработанного пространства регламентацией параметров схемы проветривания выемочного участка
- Экономическая эффективность схемы нисходящего проветривания с обособленным разбавлением вредностей
Введение к работе
В принятых ХХУІ съездом КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І - 1985 годы и на период до 1990 года" среди мер,направленных на .развитие угольной промышленности страны,предусматривается "...Осуществлять дальнейшее развитие подземной добычи угля,особенно для коксования","...Ускорить разработку и освоение серийного производства -высокопроизводительного оборудования . для. выемки угля в сложных горно-геологических условиях","...Улучшать условия труда и технику безопасности".
.. Для Центрального района.Донбасса (ЦРД) эти партийные установки имеют самое актуальное, значение, поскольку угольные предприятия-района ведут добычу наиболее-ценных для коксования марок угля в весьма сложных горно-геологических условиях при относительно, .невысоком уровне механизации и автоматизации основных производственных процессов.Глубина отработки угольных запасов на некоторых шахтах достигла уже 1000-метровой., отметки, уровень выемки комплексно-механизированными забоями не.превышает 25$,горные работы ведутся в крайне, неблагоприятных с точки .зрения газового, пылевого .и температурного режимов условиях, почти все шахты ЦРД отнесены к опасным по внезапным выбросам угля, породы и газа.
.. В ходе осуществления и реализации научно исследовательских программ в IX и X пятилетках производственными объединениями, научными и проектными организациями Минуглепрома УССР сделан значительный шаг в направлении технического перевооружения шахт района на базе комплексной механизации процессов добычи угля, в первую очередь - очистных работ. Результатом совершенствования технологии и средств выемки лавами по протиранию явилось создание и внедрение механизированных крепей семейства КГУ, призванных в комплексе с очистными комбайнами "Темп",А-70 обеспечить значительное повышение нагрузки на очистные забои, рост производительности труда, снижение трудоемкости и исключение- тяжелых ручных операций по выемке угля, креплению призабойного пространства и управлению горным давлением. В стадии постановки серийного производства находится комплекс .КГУ-Д ,с кинематической привязкой комбайна к секциям крепи и дистанционным управлением системой передвижения последних также узкозахватный очистной комбайн "Поиск-2",который предназначен для коренного решения проблемы высокопроизводительной выемки защитных пластов малой мощности, что в условиях постоянного увеличения с ростом глубины разработки количества, выбросоопасных пластов рабочей мощности, является весьма актуальным.
Нарастающими темпами развивается и технология выемки полосами по падению с применением щитовых агрегатов. На шахтах ЦРД. работают уже более 70 щитовых агрегатов,представленные в основном типами АЩМ (для пластов мощностью 1,2-2,2 м) и АНЩ (для пластов мощностью 0,7-1,3 м).Разрабатываются также унифицированный агрегат АОЩ и второй типоразмер агрегата АНЩ, который заменит .агрегат АЩМ.
Однако следует отметить,что в целом комплексно-механизированная выемка еще не получила широкого распространения на шахтах ЦРД,а на тех предприятиях,где уровень такой выемки относительно высокий,существенного улучшения технико-экономических показателей пока не наблюдается.Объясняется это тем,что на фоне повышения технических возможностей средств добычи угля возникло отставание в решении целого круга вопросов,ка б
сающихся совершенствования технологических схем очистных работ на тонких крутых пластах.Традиционно применяемые в условиях ЦРД технологические схемы,особенно при выемке лавами по простиранию,не позволяют в полной мере реализовать все прогрес сивные решения,заложенные в конструкциях механизированных комплексов ,и тем самым ставят под вопрос рентабельность использования последних.
Одной из основных проблем совершенствования технологии очистных работ на тонких крутых пластах является проблема выбора и расчета параметров технологических схем по газовому фактору.
Интенсификация процессов угледобычи приводит к росту газовыделения в горные выработки шахт, что повышает требования ,к эффективности способов и средств управления содержанием га за в шахтной атмосфере. Кроме того, механизированная выемка на ,крутых пластах, как правило, сопровождается действием фактора ,падающего угля,который.в преимущественно распространенных на ,шахтах ЦРД технологических схемах с восходящим движением воз духа в очистных выработках, усложняет газовую обстановку, своей ,способностью снижать расход воздуха в пределах выемочного участка и тем самым нарушать расчетный массоперенос вредных примесей.
Влияние потока падающего угля на проветривание механизированного участка в некоторой степени уже изучено и разработаны практические рекомендации по учету этого влияния при расчете количества воздуха, необходимого для проветривания выработок, участка. Такой подход при достигнутых за последние годы нагрузках на очистные забои и применяемой технологии комбайновой выемки с применением индивидуальной крепи и управлениєм горным давлением удержанием на кострах или плавным опусканием лишь в некоторой степени соответствует требованиям производства, поскольку влияние падающего угля на такой важнейший параметр технологической, схемы, как максимально возможная по газовому фактору нагрузка на очистной забой, пока не нашло своего отражения в нормативных документах, регламентирующих порядок и методы расчета параметров технологии очистных работ по газовому фактору, что нередко приводит к серьезным нарушениям газовой обстановки в выработках участка, а следовательно - и самого процесса угледобычи. В забоях, оборудованных механизированными комплексами, необоснованные с рассматриваемой точки зрения темпы выемки регулярно приводят к. упомянутым нарушениям, и, таким образом, задача разработки методов учета падающего угля при расчете и выборе параметров технологических схем очистных работ с применением механизированной выемки стала весьма актуальной.
В то же время учет падающего угля при восходящем проветривании очистной выработки, решая локальную задачу нормализации газовой обстановки во время работы выемочного агрегата, не решает более широкую задачу обеспечения таких нагрузок на очистные забои по газовому фактору, которые бы в полной мере соответствовали техническим возможностям нового очистного оборудования.
Отрицательная роль фактора падающего угля в формировании газовой обстановки на участке возрастает с ростом нагрузки.., что в конечном итоге приводит к ее ограничению на некотором, часто совершенно недостаточном уровне. Например, комплекс типа КГУ первого, типоразмера самоокупается. за время, соответствующее его техническому ресурсу, при суточной нагрузке не менее 300т/сут.,в то же время в наиболее характерных горно-геологических условиях ЦРД при восходящем проветривании лавы комплекс не может давать более 150-200 т/сут. без нарушения газового режима участка. Т.е. можно констатировать, что при восходящей схеме проветривания как элементе технологической схемы очистных работ на тонких крутых пластах исчерпаны возможности увеличения нагрузки на забой путем управления газовой обстановкой в выработках участка и дальнейший рост нагрузок невозможен без коренного изменения применяемых в ЦРД схем проветривания выемочных участков.
Среди разработок,направленных на решение рассматриваемых проблем центральное место занимают разработки по совершенствованию схем проветривания на базе применения нисходящего проветривания очистной.выработки,тем более,что в настоящее.время, если учитывать.основную тенденцию развития угледобычи из тонких крутых пластов. Донбасса за счет увеличения нагрузки на очистной забой,нисходящее проветривание пока не имеет технически обоснованной альтернативы.
Нисходящее проветривание устраняет основной недостаток, присущий восходящему,- отрицательное влияние потока падающего угля на расход воздуха в. .очистной выработке.Кроме того, как показывают шахтные наблюдения и достаточно обширный опыт применения этого способа проветривания на шахтах ЦРД,при нисходящем проветривании достигается существенная нормализация пылевой и температурной обстановки на рабочих местах,особенно при комбайновой выемке.Крайне важным является также то обстоятельство, что нисходящее проветривание позволяет значительно упростить шахтную вентиляционную сеть в условиях,когда отработка запасов ведется одновременно на двух и более этажах.Это дает возможность,наряду с повышением устойчивости проветривания горных выработок,значительно сократить объемы проведения и поддержания последних и в результате получить определенный экономический эффектов некоторых случаях доходящий до полумиллиона рублей в год на одну шахту.
Являясь средством комплексного решения задач совершенствования технологических схем очистных работ на тонких крутых ,пластах в части управления выделением вредностей, нисходящее ,проветривание имеет ..свою проблематику, вследствие чего объем ,его применения на шахтах ЦРД пока ограничен. Не решены., в ,частности, вопросы, проветривания транспортных выработок и ,подготовительных забоев на. откаточном горизонте, устойчивости
вентиляционных струй в схемах обособленного .разбавления вред ,носатей по источникам их поступления в рудничную атмосферу , ,скоплений метана в очистной выработке при потолкоуступной ,форме очистного забоя а также .весьма важный вопрос управления газовыделением из выработанного пространства разрабатываемого пласта.
..Суть.последнего-вопроса состоит в .возможности существования такого режима газовыделения на выемочном участке,когда под воздействием.гравитационного.напора метана в выработанном пространстве будут иметь место восходящие потоки газовоздушной смеси и,как следствие,будет происходить загазирование поступающей в.. очистной забой струи-свежего воздуха...
. Условия формирования подобных режимов газовыделения изучены еще недостаточно и надёжных .рекомендаций по управлению газовыделением из выработанного пространства при нисходящем проветривании очистного забоя пока нет. В то же время опыт применения нисходящего проветривания на шахтах ЦРД, особенно
в наиболее совершенных схемах с обособленным разбавлением вредностей по источникам их поступления также отмеченная выше необходимость расширения области применения нисходящего проветривания ставят задачу разработки таких рекомендаций в ряд наиболее актуальных при решении проблемы увеличения нагрузок на очистные забои шахт ЦРД.
В ходе выполнения научно-исследовательских работ по совершенствованию технологии отработки тонких крутых пластов в условиях украинского Донбасса лабораторией.проветривания.шахт на. крутых пластах.Донецкого научно-исследовательского угольного, института (ДонУГИ) под руководством-и при непосредственном участии, автора были проведены .исследования аэрогазодина -. мики выемочного участка .в различных горно-геологических условиях при различных .вариантах.схем-восходящего и..нисходящего -проветривания.На.базе этих..исследований, разработаны и внедрены усовершенствованные, схемы проветривания.механизированных участков на пластах крутого, падения,разработаны рекомендации по.управлению газовыделением из.выработанного пространства разрабатываемого..пласта при нисходящем проветривании,методические, указания по выбору схем и расчету параметров проветривания участков и этажей шахт на тонких крутых пластах .. при прогрессивной технологии угледобычи,усовершенствована-методика расчета максимально возможной по газовому фактору, нагрузки на комплексно-механизированный забой при выемке лавами по простиранию..
- _ Основные результаты проведенных исследований легли в основу настоящей работы.
Пелью работы является обеспечение эффективной и безопас ной отработки высокогазоносных свит маломощных угольных пластов крутого падения лавами по простиранию с применением механизированных комплексов высокой производительности.
Идея работы заключается в применении нисходящего проветривания очистных выработок при механизированной отработке свит сближенных крутых пластов высокой газоносности для увеличения нагрузки по газовому фактору.
Методы исследований - аналитические и экспериментальные (шахтные) исследования по установлению закономерностей изменения вентиляционного и газового режимов выемочного участка в зависимости от уровня основных и вентиляционных параметров технологической схемы очистных работ.
Научная новизна результатов работы состоит в установлении системы зависимостей,описывающих закономерности газовыделения из выработанного пространства при нисходящем проветривании лавы и разработке способа управления этим газовыделением на базе полученных зависимостей ; установлении зависимости между максимальным расходом воздуха в очистной выработке и параметрами потока падающего угля при восходящем проветривании лавы.
Достоверность научных положений обоснована использованием в качестве исходных посылок сведений из классической теории аэрогазодинамики пористых сред,большим объемом статистической информации и экспериментальных исследований (собраны и обработаны данные о технологических параметрах более чем 300 выемочных участков 28 шахт ЦРД,выполнено около 50 газовоздушных и депрессионных съемок на участках-объектах экспериментов), высокой сходимостью и достаточной надежностью расчетных величин параметров технологических схем по газовому фактору (отклонения от натурных данных не превысили Ю % , коэффициент запаса характеризовался значениями не ниже 1,05), положительными результатами практического использования вы -полненных разработок на шахтах ЦРД.
Практическая ценность работы заключается в использовании ее результатов в нормативных и нормативно-методических документах ("Схемы проветривания механизированных участков на пластах крутого падения","Рекомендации по применению нисходящего проветривания","Методические указания по выбору схем и расчету параметров проветривания участков и этажей шахт на тонких крутых пластах при прогрессивной технологии угледобычи") и во внедрении.этих результатов на шахтах ЦРД.
Реали запия работы.Ре зультаты-работы внедрены на 7 выемочных участках пяти шахт ЦРД с общим экономическим-эффектом около 350 тыс.руб.Научные положения,выводы и рекомендации работы могут быть .рекомендованы для использования научными и.проектными .организациями.Минуглепрома УССР,занимающимися проблемами разработки технологии и проектирования средств добычи угля из тонких крутых пластов Донбасса,производственными объединениями и шахтами Минуглепрома УССР,отрабатывающими тонкие_крутые пласты.
Апробация работы..Ре зультаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались на П-ой научно-практической республиканской конференции молодых.ученых и.. специалистов "Молодые.ученые-- научно-техническому прогрессу, в угольной .промышленности" (гДонецк, 1978 г.)гна республиканском семинаре "Комплексная, механизация разработки тонких кру-г.. тых пластов"..(г.Киев,І98ІГ.),на всесоюзной .конференции "Автоматизированные системы безопасности на шахтах и рудниках" (г.Киев,1982.г.),в производственных объединениях по добыче угля "Артемуголь","Дзержинскуголь","Орджоникидзеуголь", на шахтах ЦРД,а также на научных семинарах горного отдела на крутых пластах ДонУГИ и Отдела физико-технических горных проблем при комплексном освоении недр Института проблем комплексного освоения недр АН СССР Сг.Москва,1984 г.).
Усовершенствованные схемы нисходящего проветривания механизированных участков на пластах крутого падения экспонировались на ВДНХ СССР в 1982 г.
Публикации.По результатам исследований опубликовано 8 работ.
Проблема управления газовыделением при нисходя щем проветривании очистной выработки
Многочисленными исследованиями /3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, 13,14/ установлено,что нисходящее-проветривание обладает рядом преимуществ перед восходящим,.особенно в обеспечении дальнейшего повышения нагрузки на комплексно-механизированные забои на-крутых пластах,однако его широкое применение на шахтах крутого падения пока невозможно из-за наличия некоторых нерешенных вопросов .Как на одну из .важных проблем исследователи нисходящего проветривания указывают на проблему управления газовыделением из выработанного.пространства разрабатываемого пласта,поскольку существует опасность возникновения нерасчетных газопроявлений - выделения метана из выработанного пространства в поступающую на верхний штрек выемочного участка струю свежего воздуха.Об этой опасности упоминается в работах /3,4,5,7,8,15,16,17/. Опрокидывание газовоздушных струй в выработанном пространстве - .суть проявление разности в плотности газовоздушной смеси в выработанном и. призабойном пространствах,которая проявляется возникновением-депрессии,носящей характер естественной .тяги .и действующей в контуре .."выработанное пространство -примыкающие горизонтальные выработки -.очистная выработка" . Разность в плотности может быть обусловлена как высокой, концентрацией метана /3 4,5,7,8/, так. л повышенной температурой газовоздушной, смеси.в выработанном пространстве,вызванной несколько иными .по отношению к.очистной выработке параметрами теплообмена между вмещающими породами и вентиляционными потоками также окислительными процессами эндогенного самовозго рания угля,оставшегося в выработанном пространстве /15,1б/. Предлагаемые в перечисленных работах рекомендации по предотвращению нерасчетного газовыделения из выработанного пространства при нисходящем проветривании в основном сводятся к регламентации режима проветривания выемочного участка путем установления нижней границы депрессии выработанного пространства в соответствии с неравенствомгде Пв.п - депрессия выработанного пространства, Па ; г)с гравитационный напор метана,Па. Наиболее детальный анализ опасности опрокидывания газовоздушных струй в выработанном пространстве под воздействием гравитационного напора метана выполнен А.ГЛепиховым /8/. В его работе методом априорных рассуждений получено условие опрокидывания утечек воздуха в газообильном выработанном пространстве, которое имеет вид/с -м -Q.icp - среднее-.удельное газовыделение из выработанного пространства,м3/с-м ; с . - длина участка выработанного пространства,м ; Con" концентрация метана в. газовоздушной .смеси утечек через выработанное пространство.; при которой наступает., возможность опрокидывания утечек, % ; С -средняя концентрация метана в утечках на выходе их в штрек, % І X - линейная координата оси,направленной по простиранию пласта в сторону выработанного пространства ; & - координата вершины кривой плотности газовыделения из выработанного пространства по оси ил »м ; в - основание натурального логарифма. Это выражение,имея более сложный вид,является,по сути , развитием неравенства (2.10),причем,как показали натурные нвблюдения,некоторые исходные положения рассуждений,которые привели к выражению (2.11), носят слишком гипотетический характер (допущение о нормальном распределении плотности утечек воздуха по простиранию отрабатываемого выемочного поля.и др.), чтобы результаты этих рассуждений можно было бы использовать в практических рекомендациях. Несколько в более расширенной постановке вопроса сделана попытка решить задачу предотвращения опрокидывания газовоздушных струй в выработанном пространстве при нисходящем проветривании в работе Дб/,в которой учтено также термодинамиче -ское состояние средыгде Пг - гравитационный напор газовоздушной среды,Па ;А/7-разность высотных .отметок конечных точек выработки, м ; // -средняя глубина расположения выработок,км ; Та $ /в - абсолютная температура соответственно газовоздушной смеси в выработке, относительно которой определяется устойчивость струи, и анализируемой-струи,К0; Сса , CLQ - концентрации газов соответственно газовоздушной смеси в выработке,относительно.которой определяется устойчивость струили анализируемой струи , % ; ҐІ плотность газов по отношению к плотности воздуха , кт/м3 . Приведенные зависимости,в общем правильно отражающие направление, которому,на наш взгляд,нужно идти в решении данной задачи (регламентация параметров режима проветривания) , обладают,тем не менее,рядом недостатков,основные из которых следующие : - в составе, этих зависимостей присутствуют параметры , расчет которых или инструментальное измерение в натурных ус ловиях сложно или просто невозможно,что снижает практическую ценность зависимостей ; л упомянутые параметры по существу представляют коррелированные между собой факторы,являющиеся к тому.-же функциями рассматриваемого-процесса, а не его независимыми переменными (концентрация метана в газовоздушной смеси,плотность утечек через выработанное пространство,температура среды,ее плот -ность и.т.д.). Таким образом,приведенные зависимости не могут быть ис пользованы для. .определения параметров управляющего фактора изучаемого- процесса неочевидно,исследования в данном направ лении следует .вести,рассматривая действия некоррелированных факторов..(в.данной постановке задачи),таких,как уровень, газо выделения из выработанного пространства,аэродинамического со противления последнего,схемы и режима проветривания выемочно го участка и..др. .._... Суммируя вышесказанное, можно .отметить, что ... - проблема управления газовыделением из выработанного пространства.-разрабатываемого пласта ..обусловлена опасностью опрокидывания газовоздушных струй в выработанном пространст ве и выноса метана в свежую струю воздуха,поступающего на
Аналитические исследования процессов газовыде ления из выработанного пространства при нисхо дящем проветривании очистной выработки
Выработанное пространство разрабатываемого пласта представляет собой весьма сложный аэрогазодинамический объект с переменными по всем направлениям параметрами.Характер течения газовоздушной смеси в обрушенном кусковом массиве в основном определяется уровнем и градиентом поля депрессии проветриваемой части этого массива.Поле депрессии,в свою очередь, зависит от соотношения аэродинамического-сопротивления примыкающих.к обрушенному массиву очистной и подготовительных выработок ..Поскольку,как показывают натурные наблюдения , удельное аэродинамическое сопротивление очистных выработок шахт на..тонких крутых пластах .(достигающее величин порядка 10 кг/м ) значительно выше удельного аэродинамического сопротивления горизонтальных выработок,а длина очистных вырабо-
ток,как правило,соизмерима с размерами проветриваемой части выработанного пространства, имеет место следующее неравенство, позволяющее значительно упростить задачу построения математической модели исследуемого процесса газовыделения из выработанного пространства :где hfXMJ- функция, описывающая поле депрессии в выработанном пространстве ; / , Ц - линейные координаты, направ -ленные по простиранию и восстанию (падению) пласта соответственно.
Исходя из этого неравенства можно считать,что в рас -сматриваемом безвихревом стационарном течении газовоздушной смеси в выработанном пространстве разрабатываемого пласта линии тока направлены по падению или восстанию пласта в зависимости от направления градиента депрессии,и в результате перейти к уже.упомянутой выше схеме одноосного течения.Такая схема дает возможность абстрагироваться от изменений аэрогазодинамических параметров по падению пласта и ограничиться интегральными характеристиками в этом направлении.
Таким образом,уравнение (4.1) для элемента выработанного пространства размерами ґп Х сх / (считаем,что плотность утечек воздуха через выработанное пространство на метровом отрезке по простиранию примерно постоянна) принимает вид :
Состав правой части последнего уравнения обычно определяется депрессией,развиваемой на участке вентилятором главного проветривания, и потерями депрессии на преодоление аэродинамического сопротивления обрушенного массива.Однако, как указывалось выше,особенность нисходящего проветривания состоит в том,что при более или менее значительном газопоступлении в выработанное пространство из под- и надработанного горного массива к этим компонентам добавляется гравитационный напор метана,.суть которого заключается в проявлении гидростатического давления в выработанном пространстве,отличного от давления в очистной выработке,что обусловлено неодинаковой по величине плотностью газовоздушной смеси в выработанном и при-забойном пространствах.Разность этих давлений и составляет гравитационный напор :где !%оч - средняя по высоте этажа плотность газовоздушной смеси в.призабойном пространстве,кг/м3 ; Рв п - средняя по высоте этажа плотность газовоздушной смеси в выработанном пространстве,кг/м3 ; Н - высота этажа,м ; О - ускорение свободного падения,м /с.
Плотность газовой сшей в общем случае зависит от ее состава и..термодинамического состояния.В очистном забое движется .газовоздушная смесь,как правило, малых концентраций (до одного процента в эксплуатационных режимах) метана,другие газовые кампоненты рудничного происхождения в условиях ЦРД вообще можно не принимать к рассмотрению,поэтому j oy можно принять равной плотности воздуха при статическом давлении и температуре,соответствующем данной глубине разработки.
В выработанном пространстве газовая смесь может иметь какую угодно высокую концентрацию метана,поэтому плотность такой смеси будет выражаться следующим соотношениемгде j в - плотность воздуха,кг/м3 ; JM - плотность метана, кг/м3 ; Cgп - средняя по высоте этажа концентрация метана в выработанном пространстве.
Вели учесть,что pM OyJiJ o из формул (4.6),(4.7) можно получить сравнительно простое выражение для Пг
Следуя рассуждениям В.Б.Комарова /42/ для условия изотермического процесса изменения параметров газовоздушной среды с ростом глубины разработки (такое допущение правомерно , так как согласно многим данным /43,44,45/ рост температуры среды от адиабатического сжатия"в пределах характерной для ЦРД высоты этажа .не превышает 1С) может быть получено соотношение, учитывающее, термодинамическое состояние газовоздушной смеси в очистном забое и выработанном пространстве,
Управление газовыделением из выработанного пространства регламентацией параметров схемы проветривания выемочного участка
Схема,.проветривания выемочного участка является весьма эффективным средством управления газовыделением в пределах участка,обеспечения высоких нагрузок на очистные забои,со здания безопасных условий труда горнорабочих.
В литературных источниках /2,32,55/ приводятся разные способы определения схемы проветривания,ни одно из которых нельзя признать удовлетворительным,так как они отражают , в основном, лишь некоторые стороны этого несомненно совокупного понятия.В этом отношении,на наш взгляд,необходимо исходить прежде всего из характеристик выемочного участка как объекта проветривания,- с одной стороны,и как части схемы вентиляционных соединений шахты в целом,- с другой стороны.
Как объект проветривания выемочный участок представляет собой объединенную единой технологической цепью систему источников выделения вредностей,а также некоторую сеть аэродинамических сопротивлений,образованную горными выработками и вентиляционными сооружениями участка.
Как часть схемы вентиляционных соединений шахты выемочный участок представляет собой совокупность вентиляционных (свежих,омывающих источники выделения вредностей и исходящих) струй,ограниченную точками слияния этих струй с общими для вентиляционного участка или общешахтными .Взаимное расположение источников выделения вредностей,аэродинамических сопротивлений и вентиляционных струй выемочного участка и составляет схему его проветривания.
В вопросах совершенствования схем проветривания выемочных участков.за последние годы определились,как наиболее-перспективные, два направления,состоящие,во-первых,- в реализации принципа обособленного разбавления и. удаления вредностей по источникам их поступления в рудничную атмосферу,а с другой стороны - в применении нисходящего проветривания очистных вы работок.
Схемы обособленного проветривания на пластах пологого и наклонного падения уже получили свое теоретическое обоснование, апробированы и широко внедряются на шахтах Донбасса /55, 5б,57/.Нисходящее проветривание,как было показано выше, внедряется на шахтах ЦРД при доработке запасов верхних этажей, которыми пока и ограничен объем применения этого способа проветривания.
Вне сомнения указанные направления должны рассматриваться как наиболее правомерная перспектива развития средств и способов проветривания шахт на тонких крутых пластах в условиях применения высокопроизводительной выемочной техники. Основные типы усовершенствованных схем проветривания выемочных участков на пластах крутого падения уже предложены /58/, тем более,что в отношении нисходящего проветривания Правилами безопасности /59/ установлены требования к схемам такого проветривания , в значительной мере определяющие конструкцию последних.
Решая задачу разработки конструкции усовершенствованных схем для конкретных горно-геологических и горно-технических условий и отработки основных параметров схем обособленного разбавления вредностей лаборатория проветривания шахт на крутых пластах ДонУГИ разработала схеж проветривания механизированных участков на крутых пластах,опасных по газу и пыли,склонных к внезапным выбросам угля и газа,самовозгорающихся , для различных систем разработки и способов подготовки пласта при применении различных средств механизации очистных работ /60/.
Выбор параметров схем обособленного разбавления вредно стей включает в себя прежде всего отработку параметров возду-хораспределения в вентиляционной сети участка и средств,обеспечивающих это распределение,: режимов проветривания выемочного участка,величины аэродинамического сопротивления его ветвей.Последние параметры особенно важны в аспекте рассмотренной выше особенности,присущей шахтам на тонких крутых пластах, ведущих отработку запасов,как правило, на двух - трех этажах одновременно.На рис.5.2,5.3 показаны некоторые наиболее характерные варианты включения усовершенствованных схем в состав шахтных вентиляционных сетей и схемы вентиляционных соединений при таком включении,которые весьма однозначно имеют вид простого диагонального соединения.Состав ветвей,образующих это диагональное соединение,рассмотрен выше и здесь остается только отметить то обстоятельство,что аэродинамическое сопротивление регуляторов расхода воздуха,расположенных в выработках с дополнительной струей свежего воздуха,подаваемой на участки,(ветви 1-3 на рис.5.2,5.3), ограничено сверху ввиду необходимости подавать определенное количество воздуха для проветривания тупиковых выработок.
Исходными данными при выборе параметров схем проветривания являются значения количества воздуха в ветвях схемы, рассчитанные в соответствии с действующими нормами.Кроме того, исходными являются величины аэродинамического сопротивления ветвей,для которых возможности регулирования сопротивления ограничены.Это величина сопротивления очистной выработки ,а также - ветвей 1-2 и 3-4,т.е. тех ветвей,которые опасны по увеличению своего.сопротивления (см.рис-5.2,5.3).Используя общие уравнения расчета вентиляционных соединений, определяем параметры схем обособленного проветривания.
Экономическая эффективность схемы нисходящего проветривания с обособленным разбавлением вредностей
Применение схемы нисходящего проветривания в данном ва рианте позволяет увеличить нагрузку на лаву минимум в два раза. Соответственно снижается участковая себестоимость I т. добытого угля :
Вместе с тем увеличиваются капитальные вложения,что обусловлено необходимостью проведения дополнительных горизонтальных выработок для реализации обособленного разбавления вредностей по.источникам их поступления в рудничную атмосферу.
В результате формула для расчета экономического эффекта принимает вид :Величину /с определяем как среднюю по наиболее представительной группе шахт Щ?Д (табл.7.2) при подготовке нового гори зонта,использующего схему восходящего проветривания очистных выработок. Be ли чина /т принимается в соответствии с проектом строительства горизонта 830..м шахты им.Ю.А.Гагарина п.о. "Артемуголь",согласно которому увеличение капитальных вложений при вводе в эксплуатацию этажа 710-830 м с проветриванием очистных выработок по схемам нисходящего проветривания с обособленным разбавлением вредностей составило 60$.По горно-геологическим и горнотехническим условиям отработки запасов -угля шахта им.Ю.А.Гагарина достаточно характерна для ЦРД,поэтому существенного изменения показателя,характеризующего рост капитальных вложений с внедрением рассматриваемых схем,для других шахт района ожидать сложно.Поэтому имеем :
Капитальные затраты.на подготовку нового горизонта в условиях ЦРД Подставляя найденные компоненты в формулу для экономического эффекта,получим минимальную оценку этого параметра для рассматриваемой схемы :Соответственно максимальная величина экономического эффекта от внедрения рассматриваемых схем может достигать, как показывают расчеты по приведенной методике,величины 80 - 100 тыс.руб. на один участок в год.
Наиболее ощутимый экономический эффект от внедрения схем нисходящего проветривания получается на шахтах,разрабатывающих угольные пласты одновременно на двух и более этажах одновременно.Этот эффект получается в результате учета косвенных последствий внедрения схем нисходящего проветривания и.в формуле для годового экономического эффекта.представлен компонентой C/tcoc. .Величина этого эффекта зависит..от расходов на проведение и.поддержание единицы длины наклонной или горизонтальной выработки и.определяется топологией шахтной, вентиляционной сети.В табл.7.3 приведены данные.о сокращении затрат на проведение и поддержание горных выработок в. результате внедрения схем нисходящего проветривания.Как видно из таблицы , годовая.эконошя по шахте варьируется в. широких, пределах.. . Еще в б о лее. широких пределах варьируется годовая эконошя от сокращения объемов проведения и поддержания горных выработок, отнесенная к выемочному участку,на котором внедрена схема нисходящего проветривания.Здесь можно наблюдать величины от6 тыс.руб. на шахте "Торецкая" до Ю2,4 тыс.руб. на шахте"Булавинская".
Результаты настоящей работы в І980-І98І гг. внедрялись на шахтах производственных объединений "Артемуголь" и "Дзер-жинскуголь" (см.приложения).Всего внедрением было охвачено7 выемочных участков 5 шахт ЦРД.В результате внедрения получен экономический эффект в размере 347,4 тыс.руб.
В ходе выполнения настоящей работы проведены следующие исследования :изучен аэрогазодинамический режим выработанного пространства разрабатываемого пласта в технологических схемах очистных работ с выемкой лавами по простиранию и нисходящим проветриванием очистных выработок ;исследованы дебитные характеристики выработанного пространства как источника газовыделения в зависимости от геологических условий залегания пласта,технологических особенностей его разработки ;изучено влияние падающего угля на максимально возможную по газовому фактору нагрузку на механизированный очистной забой при восходящем проветривании лавы.
Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем : разработана математическая модель аэрогазодинамического процесса в выработанном пространстве при нисходящем проветривании очистной выработки,на основании которой выведено условие отсутствия опрокидывания газовоздушных струй в выработанном пространстве под влиянием гравитационного напора газовых смесей ;установлено,что параметры управления газовыделением из выработанного пространства зависят от плотности газовыделения из выработанного пространства,его удельного аэродинашческого сопротивления,температуры вмещающих пород и подаваемого на участок свежего воздуха и определяются экстремальными точкаш обобщенной аэродинамической характеристики выработанного пространства ;установлено,что дебитные характеристики выработанного
