Введение к работе
Актуальность темы исследования. Для обеспечения конкурентоспособности угледобывающих предприятий в современных экономических условиях возрастают требования к принимаемым проектным техническим решениям на стадии проектирования вновь строящихся, реконструируемых шахт и работ для поддержания производственной мощности. На стадии проектирования принимаются наиболее современные технические решения, которые должны повысить технико-экономические показатели. Проектирование горнопроходческих работ производится из условия повышения темпов подготовки очистной выемки и повышения производительности проходчиков. Неотъемлемой частью технического проекта является проект вентиляции забоя выработки во время проходческих работ. В настоящее время на шахтах ОАО «СУЭК» применяют высокопроизводительные проходческие комбайны. Повышение эффективности проведения подготовительных выработок диктуется необходимостью концентрации очистных работ с переходом на технологические схемы «лава-шахта». Увеличилась длина выработок до 2500 м. Опыт реализации проектных решений на шахтах ОАО «СУЭК» показал, что темпы проведения выработок высокопроизводительными комбайнами значительно ниже технических возможностей комбайнов. Одной из причин снижения темпов проведения выработок является недостаточное обеспечение свежим воздухом метанообильных забоев выработок. Повышение интенсивности работы комбайнов приводит к резкому увеличению концентрации горючей метанопылевоздушной смеси, что необходимо учитывать на стадии проектирования схемы вентиляции. По этой причине на шахтах Кузбасса в период с 2000 г. произошло 18 взрывов метанопылевоздушной смеси в подготовительных выработках, а на выемочных участках – 13. Причинами воспламенения было электрооборудование в 32 случаях и фрикционное трение при работе комбайна – в 9 случаях. Анализ методической базы проектирования показал, что концепция вентиляции не учитывает физических процессов в метановоздушных потоках в ограниченном пространстве подземных выработок и базируется на закономерностях, полученных опытным путём при эксплуатации типов комбайнов, которые в настоящее время не применяются. При выборе типа вентилятора учитываются не все потери давления при перемещении потоков воздуха, что является причиной аварийных ситуаций в призабойном пространстве и снижения темпов проведения при большой длине выработок. Несовершенство известной методики проектирования вентиляции делает чрезвычайно актуальной разработку научно-методических положений проектирования схем вентиляции, базирующихся на системном походе к обеспечению взрывобезопасности при принятии технических решений.
Цель работы заключается в разработке научно обоснованных методических положений проектирования нагнетательной схемы вентиляции, обеспечивающей безопасность работ и эффективность применения высокопроизводительных комбайнов в тупиковых забоях в условиях повышенной газообильности.
Идея работы заключается в комплексном системном учёте факторов, влияющих на эффективность вентиляции комбайновых забоев выработок в условиях повышенной газообильности, включая физико-химические изменения, которые происходят в метанопылевоздушных смесях, барометрическое давление и плотность воздуха в вентиляционных потоках, потери динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления в исходящем потоке.
Методы исследований: комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической литературы; аналитические расчёты с применением фундаментальных физических и химических законов; шахтные обследования; физическое моделирование и математическую обработку данных.
Защищаемые научные положения:
1. Расход воздуха для проветривания тупикового забоя зависит от показателя пылеобразующей способности исполнительного органа комбайна, значение которого определяется суммарной длине борозд оставляемых кернами всех резцов рабочего органа на плоскости забоя за 1 минуту работы комбайна и параметром твёрдосплавного керна.
2. При увеличении барометрического давления и плотности шахтного воздуха в вентиляционных потоках увеличивается молярная концентрация метана и снижается нижний предел взрывоопасности метановоздушной смеси.
3. В пограничных слоях метановоздушной смеси после обтекания источников выделения тепловой энергии в призабойном пространстве происходит одновременное увеличение концентрации метана и температуры.
4. Риск возгорания и взрыва метановоздушной смеси и тонкодисперсной угольной пыли, отложившейся на нагревающихся поверхностях, повышается из-за увеличения разности скоростей в турбулентных потоках и ламинарном слое и увеличения молярной концентрации метана.
Достоверность и новизна полученных результатов.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением фундаментальных газовых и химических законов, научно-обоснованным моделированием изменения физических параметров перемещаемых вентилятором потоков воздуха в вентиляционной сети, применением сертифицированных измерительных приборов, хорошей сходимостью результатов натурных и экспериментальных замеров. Результаты моделирования подтверждают теоретические закономерности.
Научная новизна диссертационного исследования заключается:
- в установлении зависимости расхода воздуха для разбавления витающих фракций горючей угольной пыли размером до 50 мкм от скорости воздушного потока для выноса её за пределы тепловых источников;
- в установлении нижнего концентрационного предела взрываемости метана в зависимости от повышения молярной концентрации и удельной плотности метановоздушной смеси на локальных участках призабойного пространства;
- в установлении влияния молярной концентрации метана и температуры в ламинарном слое на контакте с вероятным источником нагревания на риск возгорания метана и отложившейся угольной пыли;
- в установлении влияния потерь динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления при перемещении исходящего потока воздуха в тупиковой выработке на определение параметров схемы вентиляции.
Научное значение работы заключается в развитии научно-методической базы и принципов проектирования схем вентиляции подготовительных выработок и решении на их основе актуальной научно-технической задачи повышения эффективности и снижения риска взрывоопасности метанопылевоздушных смесей в подземных выработках угледобывающей отрасли.
Практическая значимость научных исследований состоит в следующем:
Разработаны новые методические положения проектирования схем вентиляции, позволяющие:
- учитывать тип применяемого проходческого комбайна при определении расхода воздуха по пылевому фактору с учётом снижения концентрации взрывоопасных фракций угольной пыли размером до 50 мкм и выноса её за пределы призабойного пространства;
- учитывать изменения физико-химических характеристик метановоздушных потоков;
- обеспечить повышение точности при проектировании схемы вентиляции комбайнового забоя выработки;
- повысить темпы проведения и безопасность работ в призабойном пространстве выработок, проходимых условиях повышенной газообильности.
Реализация работы. Результаты научных исследований и разработанные рекомендации были использованы в ОАО «СУЭК» при выполнении темы «Обеспечение скоростной проходки комбайнами избирательного действия и непрерывной выемки». Разработан проект схемы вентиляции конвейерного ствола «Юг» по угольному пласту 52 на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс», обеспечивающий снижение риска взрыва метана в 2 раза. Основные положения расчёта вошли в учебное пособие «Основы аэрогазодинамики в горных выработках» (7,5 п.л.) для студентов специальностей «Горное дело» и «Безопасность технологических процессов и производств» в Шахтинском институте (филиале) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова.
Теоретические и практические разработки, изложенные в диссертации, рекомендуется использовать при проектировании вентиляции подготовительных выработок на метаноносных пластах угля в Кузбассе, в проектных институтах и в учебном процессе вузов России при подготовке специалистов по направлению «Горное дело».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ 2010, 2011, 2012 и 2013 гг.), в горном отделе ОАО «СУЭК», на научно-практических конференциях ЮРГТУ(НПИ) в 2007 – 2013 гг., на конкурсе «Лучший инновационный проект в области техники и технологии» ШИ(ф) ЮРГТУ(НПИ) (диплом за 1 место и именной Сертификат).
Публикации. Соискатель имеет 35 опубликованных печатных работ. Из них 24 по теме диссертации, в том числе 11 статей в журналах, включённых ВАК Минобрнауки РФ в список реферируемых: «Уголь», «Горная промышленность», «Горный информационно-аналитический бюллетень».
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и четырёх приложений; содержит 32 рисунка, 22 таблицы и список литературы, состоящий из 139 наименований.
