Введение к работе
Актуальность проблемы. В Основных направлениях реструктуризации угольной промышленности России и перспективных планах развития угольной отрасли стран СНГ под-геркивается, что ликвидация в короткие сроки убыточных пахт, а также техническое перевооружение и реконструкция терспективных предприятий позволят увеличить их долю в эбщем объеме добычи угля до 70%. Дальнейший технический ірогресс в угольной промышленности связан с освоением но-5ых месторождений и развитием действующих предприятий с Зезопасными условиями труда. В нынешних условиях углуб-іенпе шахт, интенсификация производства и расширение до-5ычных работ должны непременно сопровождаться повыше-іием эффективности дегазационных установок.
Рост глубины разработки каменноугольных пластов и ин-енсификация процессов выемки приводят к значительному величению метановыделеиия в горные выработки. В странах >НГ число сверхкатегорных шахт за последние 10 лет воз-юсло на 21%, при этом средняя газообильность выработок величилась до 40 м3 на тонну добываемого угля. Большинст-о газовых шахт приходится на Донецкий, Кузнецкий и Ка-агалдинскин угольный бассейны, что составляет около 63% т общего'числа. Метод вентиляции в таких условиях не обе-печивает нормальные условия работы, поэтому шахтный ме-ан извлекается с помощью дегазационных установок. Еже-эдно дегазационными установками в странах СНГ из уголь-ых шахт извлекается 2,3 млрд. м3 метана, в том числе в Росин -— 900 млн. м3.
Обеспечение безопасных условий труда шахтеров и увели-ение производственной мощности угольных шахт возможны ри непрерывной, эффективной и надежной работе дегазаци-нных установок.
Кроме того, метан является ценным химическим сырьем и ысококалорийным топливом. В современных условиях эконо-ического и социального развития стран СНГ необходимо :обен'но бережно и экономно использовать топливно-энерге-іческие ресурсы, что включает более полную утилизацию
вторичных энергоресурсов. В частности, последнее относится к газу метану, добываемому при ведении дегазационных работ в угольных шахтах.
Показатель использования шахтного метана находится в прямой зависимости от эффективности использования дегазационной установки, производительность которой существенно зависит от стабильности функционирования ее элементов.
Анализ результатов диагностики состояния дегазационных установок угольных шахт ПО Донецкуголь показывает, что повышение их эффективности сдерживается рядом отрицательных факторов, основными из которых являются наличие скоплений воды в пониженных местах подземного газопровода, а .также большие потери по концентрации метана при подаче каптируемой метановоздушной смеси от скважин на поверхность. Это приводит к увеличению затрат на обслуживание подземного газопровода, снижению возможности полезного использования шахтного метана, росту вредных выбросов в окружающую атмосферу.
Учитывая постоянный рост количества метановоздушной смеси, которую необходимо каптировать из угольных шахт дегазационными установками, разработка способов повышения их эффективности при одновременном снижении вредных выбросов в атмосферу, увеличении количества полезно используемого шахтного метана, уменьшении затрат по эксплуатации установок является актуальной научной проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.
Цель работы. Исследование и установление зависимости рациональных параметров и режимов работы дегазационной установки угольной шахты от условий эксплуатации ее оборудования, обоснование методов и средств, обеспечивающих максимальную эффективность установки в каждом рассматриваемом случае.
Идея работы. Применение комплексного анализа параметров и режимов работы дегазационной установки для обоснования направлений улучшения условий эксплуатации и совершенствования оборудования, что обеспечивает безостановочную подачу метановоздушной смеси от скважин на поверхность с минимальными потерями по концентрации метана и, как следствие, повышение эффективности дегазационных установок.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
метод оценки эффективности дегазационной установки, представляющий обобщенную оценку эффективности элементов ее технологической схемы, учитывающую изменение параметров и режимов работы установки в зависимости от состава каптируемой метановоздушной смеси;
показатель пропускной способности подземного дегазационного газопровода, оцениваемый интенсивностью теплообмена в нем, характеризуемого критерием Нуссельта, который необходимо определять с учетом изменяющегося состава неконденсирующейся части метановоздушной смеси;
математическая модель водоотделителыюго устройства, учитывающая одновременное охлаждение, изменение направления движения и объема метановоздушной смеси в его отсеках и позволяющая аналитически определять рациональные режимы работы дегазационной установки;
метод оценки герметичности подземного вакуумного дегазационного газопровода, представляющий сравнение показателя действительной герметичности, отражающего состояние, условия эксплуатации и конструктивные параметры соединений звеньев труб, с его нормативным значением, определяемым для каждого рассматриваемого участка вакуумного трубопровода;
обобщенная зависимость притечек воздуха в подземный вакуумный газопровод через неплотности фланцевых соединений от их конструктивных параметров, состояния и условий эксплуатации, позволяющая аналитически определять параметры каптируемой из угольных шахт метановоздушной смеси.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Результаты, полученные в работе и базирующиеся на применении разнообразных научных методов исследовании, включают теоретические исследования с использованием основных законов гидромеханики и термодинамики, научное обобщение, экспериментальные исследования в промышленных условиях с использованием современных средств и методов контроля измеряемых величин. Точность экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляла 88...93%.
Внедренные в угольной промышленности основные разработки диссертационной работы дали положительные результаты.
Научная новизна выполненной работы заключается в сле
дующем: >
разработан метод оценки эффективности дегазационной установки с помощью обобщающего показателя, позволяющий на основе анализа информации о параметрах каптируемой метановоздушной смеси определить возможные направления достижения оптимальных в рассматриваемом случае режимов работы установки;
установлено критериальное описание процесса теплообмена в условиях подземных дегазационных газопроводов, учитывающее изменяющийся состав неконденсирующейся части
метановоздушной смеси и позволяющее определить возможные направления интенсификации теплообмена для обеспечения непрерывной подачи газовой смеси от скважин на поверхность;
разработана математическая модель водоотделитсльного устройства, учитывающая одновременное охлаждение, изменение направления движения и объема метановоздушной смеси в его отсеках и позволяющая аналитически определять оптимальные параметры подаваемой на поверхность метановоздушной смеси;
разработан метод оценки герметичности вакуумных газопроводов дегазационных установок, обеспечивающий с помощью действительного и нормативного показателей герметичности возможность аналитического определения направлений получения максимальной герметичности газопровода;
установлена зависимость притечек воздуха в подземный вакуумный дегазационный трубопровод от конструктивных параметров, состояния и условий эксплуатации фланцевых соединений, позволяющая обеспечить выбор для каждого участка газопровода оптимального типа прокладок;
установлены зависимости для аналитического расчета термодинамических параметров влажной метановоздушной смеси, каптируемой из угольных шахт дегазационными установками.
Научное значение работы состоит в разработке метода и показателей оценки эффективности дегазационных установок угольных шахт, позволяющих определить и обосновать направления ее повышения; в установлении критериального описания теплообмена в подземном дегазационном трубопроводе, основанном на научном обобщении результатов теоретических и промышленных экспериментальных исследований; разработке метода и показателей оценки герметичности дегазационных вакуумных газопроводов и рекомендаций по ее улучшению, что является вкладом в развитие теории дегазационных установок.
Практическая ценность работы состоит в разработке способов и средств,, использование которых позволяет повысить показатель эффективности дегазационных установок в 1,4... 1,8 раза, а также в разработке методики оценки эффективности дегазационных установок, позволяющей определять оптимальные режимы их работы и рекомендовать мероприятия по их достижению; создании способа и установки для подготовки к непрерывной подаче влажной метановоздушной смеси от скважин на поверхность; разработке методики оценки герметичности вакуумных дегазационных газопроводов и рекомендаций по ее улучшению; создании новых конструкций соединений звеньев труб вакуумных газопроводов.
Связь темы диссертации с государственными научными программами. Диссертация содержит исследования, .выполненные по плану основных научно-исследовательских работ Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации, и является составной частью исследований, выполняемых Московским государственным горным университетом по теме г/б ГМ-3-66И № ГР 01940000582 от 20.12.1994 г.
Реализация выводов и рекомендаций работы в промышленности. Результаты работы по повышению эффективности дегазационных установок угольных шахт внедрены и приняты к внедрению на предприятиях угольной промышленности стран СНГ: метод оценки эффективности дегазационных установок используется на угольных предприятиях производственных объединений Донецкуголь, Воркутауголь, Краснодонуголь; на шахте им. М. Горького ПО Донецкуголь прошли опытно-промышленные испытания и находятся в. эксплуатации четыре водоотделительные установки; проектно-конструкторским бюро ПО Донецкуголь в рабочем проекте «Дегазация пластов /г7 и /гЗ» для условий шахты им. М. Горького в технологическую схему включена водоотделительная установка конструкции автора; институтом Гнпрошахт (С.-Петербург) при проектировании систем дегазации шахт Воргашорская и Воркутинская ПО «Воркутауголь» в технологическую схему включена водоотделительная установка конструкции автора; институту Днепрогипрошахт передана для включения в проекты новых участков дегазации угольных шахт конструкторская документация на водоотделительную установку конструкции автора; институтом Гипрошахт (г. С.-Петербург) рекомендации по расчету термодинамических параметров метановоздушной смеси, каптируемой из угольных шахт, включены в «Руководство по утилизации шахтного метана»; техническая документация на водоотделительные установки передана и принята к внедрению на шахтах ПО Донецкуголь: «Донбасс», «Кировская», им. А. Ф. Засядь-ко, им. А. А. Скочинского и др.
Внедрение на угольных шахтах результатов исследований позволило получить экономический эффект в сумме 532,8 тыс. руб. (в ценах 1988 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на отчетных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донецкого государственного технического университета (1980, 1982, 1986 и 1992); X научно-технической конференции молодых ученых ИПКОН РАН по проблемам разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых (Москва, 1980); III Республиканской (Украина) научно-
технической конференции «Молодые ученые — научно-техническому прогрессу в угольной промышленности» (Донецк, 1980); Украинской республиканской научно-технической конференции по вопросам развития стационарных установок угольных шахт (Донецк, 1988); Международном симпозиуме «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения» (Санкт-Петербург, 1992); Международной «Неделе горняка» (МГГУ, Москва, 1994); семинаре с международным участием ученых «Проблемы и перспективы развития горной техники» (МГГУ, Москва, 1994); Международном симпозиуме «Горная техника па пороге XXI века» (МГГУ, Москва, 1995); «Неделе горняка — 96» симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (МГГУ, Москва, 1996).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 научных работах, в том числе 3 монографиях, 4 авторских свидетельствах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, включает список использованных источников из 140 наименований, 42 рисунка, 6 таблиц и 4 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры горной механики и транспорта МГГУ за помощь при подготовке диссертации.