Введение к работе
Актуальность. Программный документ «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», разработанный Минэнерго России в 2000 году, предусматривает диверсификацию энергоносителей: стабилизацию доли газа в производстве первичных топливно-энергетических ресурсов (до 38,8 %) и увеличение использования угля в топливно-энергетическом балансе страны, с доведением добычи до 430 млн т. В Центральном Федеральном округе планируется создание топливной базы Рязанской ГРЭС на подмосковных углях с годовым объемом добычи угля от 1 до 1,5 млн т, а в перспективе - до 4 млн т в год. Обеспечение такого роста связано с необходимостью повышения безопасности ведения горных работ и снижением количества несчастных случаев вызванных загазованностью горных выработок.
Важнейшей проблемой стратегии управления качеством охраны труда при подземных горных работах является организация эффективного комплексного и экономически рационального использования вентиляционных систем. Подход, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов проектирования вентиляции угольных шахт, является перспективным направлением аэрологии горных предприятий в России и за рубежом.
До настоящего времени загазирование горных выработок остается одной из причин несчастных случаев, которые заканчиваются для горняков летальным исходом. Несмотря на сокращение числа угледобывающих предприятий за последние три десятилетия, процент этого вида аварий остается достаточно стабильным (5,4 % в 70-х годах, 14,0 % в 80-х годах, 8,3 % в 90-е годы, 7,6 % после 2000 года).
Анализ фактической аварийности на угольных шахтах Кузбасса, Восточного Донбасса и Подмосковного бассейна показывает, что газовыделение в подготовительные выработки, в период падения атмосферного давления, является одной из основных причин несчастных случаев со смертельным исходом при нарушении состава рудничной атмосферы. Действующее руководство по проектированию вентиляции угольных шахт предусматривает расчет количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительных выработок, из условия статического разжижения углекислого газа. При этом прогноз углекислото-обильности основан на эмпирических формулах, удовлетворительно описывающих средний газовый фон, но не учитывающих динамики экстренных газовыделений вследствие колебаний статического давления воздуха в шахте.
Поэтому особую актуальность в современных условиях приобретает проблема научного обоснования динамического метода прогноза газообильности и расчета количества"
шиствования
БИБЛИОТЕКА {
С.Г '
«в
системы вентиляции углекислотообильных шахт, обеспечивающей безопасные условия труда и способствующей сохранению жизни и здоровья, работающих в подземных горных выработках.
Актуальность проблемы возрастает в связи с необходимостью решения вопросов вентиляции очистных участков и подготовительных выработок на стадии проектирования, так как ошибки при проектировании могут привести к снижению уровня безопасности труда, ограничению нагрузки на забой, увеличению затрат труда и средств на реконструкцию систем вентиляции на практике.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами МНТП «Прогноз», «Экологически чистое горное производство», «Технические университеты России» и Федеральной целевой программы «Интеграция».
Целью работы является уточнение существующих и установление новых закономерностей процессов газообмена и формирования газовых ситуаций в шахтах для научного обоснования теоретических положений динамического метода расчета количества воздуха, что позволит повысить безопасность подземных горных работ в угольной отрасли.
Идея работы заключается в том, что предложенная методика проектирования вентиляции шахт с невысокой метанообильностью, основывается на адекватных математических моделях выделения углекислого газа, поглощения кислорода углем, разбавления кислорода газовой смесью, выделяющейся из выработанных пространств и формирования газовых ситуаций в выработках при стабильном давлении воздуха и в период снижения атмосферного давления.
Методы исследований. В работе использованы классические методы математической физики, математической статистики, теории вероятностей, теоретический анализ физических процессов, моделирование и современные программные продукты.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
расчетные зависимости, используемые при определении количества воздуха необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков, полученные из решений уравнения конвективно-турбулентной диффузии, позволяют учитывать параметры переноса газовых примесей вентиляционными струями;
интенсивность поглощения кислорода единичной поверхностью обнажения угольного пласта быстро достигает асимптотического значения, которое пропорционально корню квадратному из произведения коэффициента кнудсеновской диффузии на константу скорости низкотемпературного окисления угля;
при стабильном давлении воздуха изменение концентрации кислорода в шахтной атмосфере обусловлено поглощением кислорода за
счет низкотемпературного окисления угля, а при падении атмосферного давления - диффузионными потоками вытеснения, разбавляющими кислород газовой смесью, выделяющейся из выработанных пространств;
динамика газового состава выработанных пространств имеет жесткую корреляцию со скоростью изменения атмосферного давления и моделируется системой уравнений конвективно-диффузионного переноса газов в пористой среде для полуограниченного одномерного пространства и граничного условия первого рода;
изменение атмосферного давления, являющегося движущей силой газовыделения из выработанных пространств, является стохастическим процессом, который можно условно считать эргодическим, стационарным, имеющим' периодическую компоненту и достаточно продолжительную связь между лагами;
методика проектирования вентиляции подготовительных выработок должны основываться на взаимосвязанных математических моделях аэродинамики вентиляционного трубопровода и конвективно-турбулентной диффузии газовых примесей по длине выработки;
сосредоточенные утечки воздуха на стыках труб вентиляционного трубопровода целесообразно моделировать эквивалентными распределенными утечками, при которых изменение количества воздуха по длине трубопровода уменьшается пропорционально произведению объемного потока воздуха на коэффициент доставки;
формирование полей концентрации углекислого газа и кислорода в очистных и подготовительных выработках происходит за счет фильтрации газа в горном массиве (нарушенной и ненарушенной структуры) и последующего переноса его вентиляционной струей, при этом конвективный диффузионный поток пропорционален среднеинтегральной скорости движения воздуха в подготовительной выработке.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
уточнены закономерности газообмена пластов угля и выработанных пространств с атмосферой выработок очистных и подготовительных участков с учетом основных законов изменения атмосферного давления;
получены новые математические модели для динамического расчета количества воздуха, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков с учетом параметров переноса газовых примесей вентиляционными струями,
разработана математическая модель расчета вентиляционного трубопровода, учитывающая распределенные утечки из труб в подготовительную выработку и позволяющая снизить энергозатраты на местное проветривание,
усовершенствована математическая модель газовых ситуаций в подготовительной выработке, которая учитывает влияние утечек из трубопровода на среднюю скорость движения воздуха;
установлено, что в горных выработках временной ряд динамики концентрации углекислого газа идет в противофазе с временными рядами концентрации кислорода и ходом статического давления;
доказано, что концентрация кислорода в шахтной атмосфере изменяется за счет низкотемпературного окисления угля и диффузионных потоков вытеснения, разбавляющих кислород газовой смесью, выделяющейся из выработанных пространств.
Научное значение работы заключается в том, что установленные закономерности процессов газообмена и формирования газовых ситуаций в шахтах позволили сформулировать теоретические положения, позволяющие научно обосновать динамический метод расчета количества воздуха для шахт с невысокой метанообильностью, а также повысить безопасность разработки угольного месторождения.
Практическая значимость работы. Усовершенствованная методика проектирования вентиляции подготовительных выработок углеки-слотообильных шахт позволяет оценить применение различных способов и средств местной вентиляции и обеспечить безопасные условия труда. Разработанные пакеты прикладных программ, для персональных ЭВМ типа IBM PC, для расчета газовыделений в подготовительные выработки в период падения атмосферного давления существенно облегчают решение задач газовой динамики и позволяют повысить качество проектирования вентиляции очистных и подготовительных выработок шахт Кузбасса и Подмосковного бассейна. Переведены на магнитный носитель базы данных Тульского государственного университета по результатам шахтных наблюдений газовыделения при снижении статического давления воздуха и Тульской областной метеослужбы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач;
значительным объемом базы данных по шахтным наблюдениям (газовоздушные съемки были выполнены на 11 шахтах Подмосковного бассейна и использованы фактические данные по 5 шахтам Кузбасса), а также по результатам анализа метеорологических параметров (обобщены данные непрерывных наблюдений за 41 месяц);
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонения не превышают 20 %) и большим объемом вычислительных экспериментов;
положительными результатами промышленной апробации математического обеспечения задач прогноза газовыделений и газовых си-
туаций на шахтах 000 «Ерунаковская угольная компания» (Кузбасс) и ОАО «Мосбассуголь» (Подмосковный бассейн).
Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, использованы на шахтах 000 «Ерунаковская угольная компания» (Кузбасс) и ОАО «Мосбассуголь» (Подмосковный бассейн) для оценки газовых ситуаций и автоматизированного расчета количества воздуха, а также при выполнении федеральной целевой программы «Интеграция», хоздоговорных и госбюджетных НИР Тульского государственного университета.
Теоретические положения прогноза газообмена и газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах для динамического метода расчета количества воздуха используются в учебном процессе для подготовки горных инженеров по специальности 130404, в учебных курсах «Аэрология горных предприятий» и «Промышленная безопасность», при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1996 -2000 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательскоґо состава ТулГУ (г. Тула, 1996 - 2000 гг.); первой Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.), второй Международной конференции по экологическому образованию «Между школой и университетом» (г. Тула, 1996 г.); первой Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Наука и экологическое образование. Практика и перспективы» (г. Тула, 1997 г.); второй Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы» (г. Тула, 1998 г.); Международных симпозиумах «Mining Environmental Protection» (Югославия, г. Белград 2001 г., 2003 г.), Международном симпозиуме «Transport and Logistics» (Югославия, г. Белград 2001 г.), второй Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г Тула, 2002 г.); Международных конференциях по проблемам экологической и технологической безопасности (г. Санкт-Петербург, 1997 - 2001 г.); первой и второй Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2003 г.)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 34 научных работы, в том числе 1 монография, 1 патент и 27 статей, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 7 глав, изложенных на 308 страницах машинописного текста, содержит 61 иллюстрацию, 38 таблиц, список литературы из 281 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность профессору, д-ру техн. наук Э.М. Соколову и профессору, д-ру техн. наук Е.И Захарову, преподавателям и сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды за организационную и методическую помощь.
