Содержание к диссертации
Введение
I Анализ проблемы и постановка задач исследования 10
1.1 Анализ причин аварийности на угольных шахтах Российской Федерации 12
1.2 Анализ существующих схем вентиляции выемочного участка высокопроизводительных угольных шахт, на которых произошли аварии, связанные с взрывами и вспышками метана 20
1.3 Оценка современного состояния нормативно — методической базы проектирования вентиляции шахт 37
1.4 Анализ состояния научных исследований в области управления метановыделением в угольных шахтах 38
Выводы 40
II Исследования влияния природных и организационно- технических факторов на газоообильных угольных шахт 43
2.1 Влияние скорости подвигания очистного забоя на газовыделение 46
2.2 Изменение газопроницаемости угольных пластов при увеличении глубины их разработки 50
2.3 Влияние горного давления при добыче угля длинными очистными забоями на распределение газовыделения 52
2.4 Оценка максимальной пропускной способности по параметру скорости движения воздуха по горным выработкам выемочного участка 57
2.5 Анализ влияния технологических параметров на абсолютное метановыделение при применении современной добычной техники 59
2.6 Методика определения величины «газового барьера» в зависимости от технико-технологических параметров 70
Выводы 71
III Математическое моделирование диффузионных процессов и численное моделирование вентиляции подземных аэрогазодинамических систем 73
3.1 Математическое моделирование диффузионных процессов вентиляции горных выработок выемочного участка 75
3.1.1 Уравнение количества движения 76
3.1.2 Уравнение неразрывности 80
3.1.4 Уравнения сохранения энергии 81
3.1.5 Физические модели турбулентности 83
3.1.6 Модель выработанного пространства 83
3.1.7 Физическая модель плавучести 87
3.1.8 Распространение взрывоопасных примесей. Уравнение конвективной диффузии 89
3.1.9 Аэродинамическое сопротивление горных выработок 90
3.1.10 Уравнение состояния реального газа 91
3.2 Краевые условия в задаче диффузионных процессов вентиляции выемочных участков 93
3.3 Требования к построению разностной сетки и визуализации результатов расчетов 100
3.4 Применяемый метод для решения многофакторной математической модели процессов вентиляции выемочных участков и вводимые допущения 101
Выводы 107
IV Разработка методологических основ расчёта шахтных вентиляционных систем с использованием объёмных моделей аэрогазодинамических процессов 109
4.1 Шахтные исследования и моделирование распространения воздушных потоков в шахтных вентиляционных сетях 110
4.2 Шахтные исследования и численное моделирование процессов вентиляции и распространения метановоздушной смеси в
тупиковых горных выработках при их проходке 113
4.3 Шахтные исследования и численное моделирование распространения метановоздушной смеси в горных выработках выемочного участка и в выработанном пространстве 122
4.4 Методологический подход к проектированию шахтных вентиляционных систем на основе объёмного моделирования 131
4.5 Методика проектирования элементов шахтной вентиляционной сети с использованием объемного моделирования аэрогазодинамических процессов 135
Выводы 137
Заключение 137
Список использованных источников
- Анализ существующих схем вентиляции выемочного участка высокопроизводительных угольных шахт, на которых произошли аварии, связанные с взрывами и вспышками метана
- Влияние горного давления при добыче угля длинными очистными забоями на распределение газовыделения
- Модель выработанного пространства
- Шахтные исследования и численное моделирование распространения метановоздушной смеси в горных выработках выемочного участка и в выработанном пространстве
Анализ существующих схем вентиляции выемочного участка высокопроизводительных угольных шахт, на которых произошли аварии, связанные с взрывами и вспышками метана
Основное содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2008, 2009, 2010, 2011); на научных семинарах кафедры «Аэрология и охрана труда» (МГГУ), на научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» (НТТМ) (Москва, 2008), на 6 Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» УРАН ИПКОН РАН, 2009, на Экспертном совещании «Гуманитарные и социальные проблемы обеспечения безопасности горнодобывающих регионов» (Новокузнецк, 2010), на научно-техническом совете шахты «Эстония» компании Eesti Energia Kaevandused, (Эстония, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ (в том числе 4 работы в изданиях рекомендованных ВАК).
Объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 152 страницах машинописного текста, и содержит 60 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 137 наименования источников, 4 приложений.
Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Н.О. Калединой, сотрудникам кафедры «Аэрология и охрана труда» МГГУ, сотрудникам института «Гипроуглеавтоматизация» и Центрального штаба ВГСЧ угольной промышленности за содействие и методическую помощь. I АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью диссертационной работы является обоснование метода расчёта параметров вентиляции шахт на основе объёмного моделирования аэрогазодинамических процессов в современных условиях ведения горных работ. Для чего необходимо установление зависимости влияния нагрузки на метановыделение и разработка многофакторной математической модели, инновационное решение которой позволит повысить аэрологическую безопасность угольных шахт, создать безопасные условия труда горнорабочих, надлежащую санитарно-гигиеническую обстановку и требуемую производительность оборудования с учетом современного состояния технической базы. Решение этих проблем осложняется ухудшающимися природными и горнотехническими факторами, особенно с внедрением новой высокопроизводительной техники добычи угля и переходом на большие глубины. В первую очередь это касается вопросов, связанных с весьма значительными выделениями метана.
Таким образом вопросы борьбы с газом, повышения безопасности труда и его санитарно-гигиенических условий оказываются тесно связанными между собой, кроме того они имеют влияние на производительность и технико-экономические показатели работы шахты. Учитывая, что дальнейшее развитие горной промышленности связано с интенсификацией и концентрацией горных работ, увеличением темпов подвигания подготовительных и очистных забоев, внедрением высокопроизводительной техники и увеличением нагрузки на очистной забой, следует ожидать повышения интенсивности общего выделения газов, усложнения проветривания выработок, роста опасности эндогенных пожаров.
Горной наукой много сделано в отношении борьбы с метаном при разработке газоносных угольных месторождений, а именно: в нашей стране были разработаны методы прогноза газообильности шахт [2, 3, 4, 5, 6], которые применяются при проектировании строительства новых шахт и ю реконструкции действующих, хотя эти методы не лишены недостатков и не охватывают всевозможные системы разработки.
Решение поставленных выше вопросов рудничной аэрологии должно вестись по следующим направлениям: - совершенствование известных и изыскание новых методов управления газовыделением в шахтах; - изыскание оптимальных параметров проветривания выработок в условиях значительного выделения или образования взрывоопасных и токсичных газов с учетом различных факторов; - повышение точности прогноза газообильности горнодобывающих предприятий; - выявление оптимальных параметров управления газовыделением в зависимости от системы разработки, управления горным давлением, методов выемки и последовательности отработки месторождений полезного ископаемого. В современных условиях программу развития угольного предприятия определяют, прежде всего экономические факторы, при этом затраты на безопасность горного производства повышают себестоимость продукции, являются сдерживающим фактором увеличения производственной мощности. Вентиляционные системы шахт как основное средство создания безопасных и комфортных условий работы не обеспечивают в полном объеме необходимую аэрологическую безопасность ведения горных работ и выполнение требований законодательных и нормативных документов, о чем свидетельствует анализ причин аварийности на отечественных горнодобывающих предприятиях.
Влияние горного давления при добыче угля длинными очистными забоями на распределение газовыделения
Изменения величины дебита, как было установлено, происходит по определенной закономерности (рис. 24). Первоначальное газовыделение из скважины идет с постепенным уменьшением дебита метана в скважину. Затем, начиная примерно с 40 метров, по мере приближения лавы к скважине происходит увеличение дебита метана в скважину, при дальнейшем приближении забоя лавы, после некоторого спада, дебит метана из скважины резко возрастает, что обусловлено перераспределением горного давления.
На основании анализа исследований проведенных М.Я. Рапопортом можно сделать следующие выводы о том, что есть связь между интенсивностью газовыделения из угольного массива, деформациями и напряжениями, испытываемыми им. Поскольку управление кровлей предопределяет глубину нарушенной зоны угля в очистном, а стало быть, и зону газового дренажа и степень дегазации угля, то это дает возможность управлять газовыделением на выемочном участке. 125 120
Стоит отметить, что при рассмотрении вопросов газовыделения из экспериментальных скважин авторы [74] не останавливаются на процессах дегазации угольного пласта стенками скважин в связи с газопроницаемостью угольного вещества пласта скважин в связи с газопроницаемостью угольного вещества пласта, его газоемкостью, продолжительностью наблюдений, газовым давлением и т.д. Рапопорт М.Я. предложил представить как уголь вещество, состоящее из сети капилляров. Тогда скорость движения газа в угле по капиллярным сосудам может определяться по закону Пуайзеля: Q = (PP2)l(nL) (2.1) где Q — количество газа, протекающее в единицу времени; р - эквивалентное отверстие сети капилляров; Р — давление газа; п — вязкость газа; L - длина блока угля; Величина эквивалентного отверстия капилляров находится в связи с состоянием угля и может изменяться в широких пределах. Например, неравномерное сжатие пласта, вызываемое давлением кровли, может изменять значение эквивалентного отверстия в 20 раз [74].
Увеличение интенсивности газовыделения из скважины в пределах первой зоны h\ (рис. 25) по мере удаления от очистного забоя в основном находится в связи с дегазацией угольного массива стенками скважины. Глубина распространения отдельных зон напряжений в породах и в разрабатываемом угольном массиве впереди очистного забоя определяется, с одной стороны, геологическими факторами (глубина разработок, строение вмещающей толщи пород и угля, их крепостью) и, с другой стороны, факторами производственного порядка (способами управления кровлей и креплением, шириной рабочего пространства). Так при небольших пролетах выработок и при прочных породах кровли нагрузка распределяется на большие поверхности боковых целиков. По мере увеличения пролета выработки нагрузка постепенно концентрируется непосредственно у боков выработки.
Выемка длинными забоями обладает многими достоинствами, главными из которых являются: 1) непрерывность операций; 2) более высокая безопасность горных работ вследствие сплошного крепления кровли призабойного пространства металлической крепью и минимизации перемещения оборудования; 3) высокая скорость выемки и, следовательно, лучшая сохранность выработок; 4) повышенная гибкость технологии при разработке пластов под слабой кровлей на больших глубинах, а также при отработке мощных пластов; 5) ряд дополнительных преимуществ, связанных с отсутствием необходимости анкерного крепления забоя, борьбы с инертной пылью. Но при этом опорное горное давление перераспределяется на большее расстояние от очистного забоя вдоль массива угля, тем самым увеличивая газоотдачу в подготовительные горные выработки.
В работе Радионовского В.Л. [75] были определены рациональные параметры систем разработки с учетом особенностей проявления горного давления. Следует отметить, что изучение особенностей проявления горного давления проводились на коротких очистных забоях. В ходе работ было изучено напряженное состояние массива впереди очистного забоя, установлена связь между напряженным состоянием массива и его деформациями. Автором получена зависимость показывающая связь между глубиной разработки (Я), мощностью вынимаемого полезного ископаемого (т) и зоной опорного горного давления (Ход): Lm = (1,87 + 1ДЗш)2 5л/я (2.2) где є\ — эмпирический коэффициент, учитывающий литологические свойства пород основной кровли. Выводы по работе Радионовского В.Л. заключаются в следующем: зона опорного горного давления при системах разработки короткими очистными забоями зависит от мощности пласта, глубины ведения горных работ, устойчивости вещающих горных пород, несущей способности и количества целиков. В этих случаях, когда целики не разрушаются под действием горного давления, величина зоны опорного давления остается одинаковой при системах длинными и короткими очистными забоями. Величина деформации и, как следствии, высокого газовыделения, в зоне опорного горного давления зависит от многообразного сочетания природных и технических факторов. Продолжительность процесса деформации зависит от величины зоны опорного горного давления и скорости подвигания очистного забоя.
Оценка максимальной пропускной способности по параметру скорости движения воздуха по горным выработкам выемочного участка
Максимальная скорость движения воздуха вдоль очистного забоя, регламентированная правилами безопасности и составляющая 4 м/с, тесно связана с количеством подаваемого воздуха в очистной забой. Предел связан с медицинскими требованиями безопасности, так как происходит увеличение запыленности шахтной атмосферы, что в свою очередь приводит к заболеваниям органов дыхания и к простудным заболеваниям. С этим пределом скорости в свою очередь связаны затруднения, заключающиеся в ограничении такого параметра, как длинна очистного забоя /оч., об этом писал в своей статье [76] В.В. Владимирский, также оптимизацией параметров занимался Хоменко Н.П. [77, 78].
Речь идет о том, что если производительность очистного забоя А т/сут угля и количество выделяемого газа с единицы добытого полезного ископаемого q м /т, то в сутки в забое выделяется qA м метана. По ПБ [12] концентрация метана на исходящей не должна превышать 1 %, тогда в очистной забой необходимо подать воздуха:
Модель выработанного пространства
Для оценки адекватности математической модели и ее численного решения были произведены исследования по распределению воздушных потоков в камерном блоке отрабатываемой панели 1210, где добыча сланца осуществляется буровзрывным способом. Поступающая струя воздуха подается по сборному штреку 1, а исходящая - по бортовым штрекам 2 и 3.
На рисунке 39 отмечены места проведения замеров распределения воздушных масс. Измерения производились анемометром АПР-2 по методике, представленной в инструкции к правилам безопасности. Выработанное пространство поддерживается целиками размером 6 на 6 метров, основная кровля, сложенная из прочного известняка, остается на протяжении всего срока эксплуатации шахты.
Анализ проведённых расчетов показал следующее. Проветривание в шейках и в коротких забоях происходит лишь за счет молекулярной диффузии. В межцеликовом сечении происходит рециркуляция воздуха (рис. 40). Натурные исследования проводились в трёх камерных блоках. Ранее было установлено, что при длине выработанного пространства 300 метров и более дальнобойность струи не ограничивается, а достигает своей максимальной величины 70-80 метров. Проведённые исследования показали, что эта величина в современных условиях достигает 60-90 метров в зависимости от перекрытия сечения в месте перегрузки сланца на скребковый конвейер. Результаты численного моделирования с заданными краевыми условиями и соответствующей реальности геометрии течения полностью соответствуют натурным измерениям.
Результаты численного моделирования процессов вентиляции, были представлены на техническом совете шахты «Эстония». Сравнение результатов показало полное соответствие результатов численного моделирования и натурных экспериментов, что позволило сделать вывод о внедрении и возможности дальнейшего применения полученных данных численного моделирования при проектировании новых камерных блоков и вновь строящихся шахт (приложение 3).
Шахтные исследования и численное моделирование процессов вентиляции и распространения метановоздушнои смеси в тупиковых горных выработках при их проходке Во второй группе расчетов проводились исследования диффузионных процессов вентиляции проходческих забоев угольных шахт. Экспериментальные исследования по верификации разработанной модели и результатов численного решения проводились на шахтах им. СМ. Кирова и шахта «Осинниковская.
Изолинии скорости движения воздуха при проходке конвейерной печи 24-55, отставание вентиляционной трубы от забоя 4 м
Анализ результатов объёмного моделирования с изменяющимся параметром - отставание конца вентиляционного трубопровода от проходческого забоя показал, что наиболее оптимальное значение составляет 3-4 метра, в этом случае зона интенсивного проветривания составляет 40-60 метров. В случае близкого расположения конца вентиляционного трубопровода к забою (1-2 метра), происходит разделение струи на две части
Исследования распределения депрессии в выработке (рис. 46) показали наличие зоны с разряжением, расположенной непосредственно перед проходческим комбайном. В данной области возможно образование повышенных концентраций метана из разрушенного угля.
Проведённое моделирование показало наличие зон под вентиляционным трубопроводом с циркуляцией воздушной струи, приводящей к образованию застойной зоны (рис. 47). Это
При создании модели учитывались характерные геометрические параметры проходческого комбайна. Расстояние от конца вентиляционного трубопровода до груди очистного забоя составило при создании трехмерной модели 8 м. Газовыделение рассматривалось только с поверхности забоя, с бортов, почвы и кровли газовыделение отсутствует.
Проветривание осуществляется нагнетательным способом по гибкому трубопроводу, расход воздуха задаётся как постоянная величина, равная 25 м3/с. С поверхности забоя происходит постоянное интенсивное метановыделение, равное 15 м /мин (с учётом коэффициента неравномерности). Результаты расчета распределения скорости движения воздуха представлены на рисунке 49.
Анализируя потоки воздухораспределения, можно сделать вывод о том существует зона с минимальными скоростями движения воздуха, в которой могут формироваться скопления вредного и опасного газа, а также скопления пыли. Полученное распределение метана в горной выработке при заданных технологических параметрах (рис. 50) показывает, что в объёме выработки наблюдаются скопления газа, превышающие допустимые концентрации в 2 %. Скопления наблюдаются в зоне исполнительного органа комбайна, за трубопроводом и на протяжении 18 метров от проходческого забоя. Это говорит о необходимости выбора более безопасного режима вентиляции - за счёт изменения геометрических параметров или расхода воздуха.
Анализируя данные объёмного моделирования двух проходческих участков можно сделать вывод о сложности проветривания пространства за комбайном, где скорость движения воздуха менее 0,1 м/с. Образуются в этом месте также зоны циркуляции, нагрев проходческого оборудования и скопление пыли способны стать инициатором взрыва метановоздушной смеси. Наиболее эффективное проветривание осуществляется при отставании конца вентиляционного трубопровода от забоя на расстояние 4 м.
Шахтные исследования и численное моделирование распространения метановоздушной смеси в горных выработках выемочного участка и в выработанном пространстве
Натурные исследования воздухораспределения и метанораспределения на выемочном участке проводились на шахте им СМ. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс». Для измерений была выбрана лава 24-53 (рис. 51), расположенная в поле блока № 3, угол падения от 3 градусов до 9 градусов на крыльях. Глубина залегания пласта колеблется от 410 до 240 м, средняя мощность пласта 2,22 м, коэффициент крепости угля / = 1,5-2. При проведении исследований наблюдался отжим угля. Непосредственная кровля сложена аргиллитами мощностью от 1 до 6 м и крепостью/= 3-4, а основная кровля
Шахтные исследования и численное моделирование распространения метановоздушной смеси в горных выработках выемочного участка и в выработанном пространстве
Достоверность результатов численного решения много факторной математической модели подтверждается натурными измерениями, проведёнными на шахтах Российской Федерации и Эстонии.
Исследования показали высокую эффективность использования численных методов при решении сложных задач рудничной аэрогазодинамики и необходимость их применения, особенно в сочетании с аналитическими и экспериментальными методами. Предлагаемые соискателем методы и модели позволяют решать задачи как научного исследования закономерностей аэродинамики и переноса примесей в атмосфере горных выработок, так и практического обоснования рациональных параметров систем вентиляции шахт, обеспечивающих безопасность ведения горных работ по газовому фактору. Расчет задач проветривания горных предприятий на основе упрощенных инженерных методик не удовлетворяет современным требованиям. Назрела необходимость в практике научных и проектных расчетов создавать сложные многофакторные математические модели, позволяющие с требуемой точностью описывать аэродинамические и диффузионные процессы в шахтной атмосфере. Решение таких задач является сложной проблемой и возможно только с применением современных вычислительных ресурсов.
В четвертой главе приведено обоснование адекватностей моделей реальным процессам и требования к краевым условиям. Решены практические вопросы применения моделей в решении конкретных задач по проветриванию проходческих и выемочных участков угольных и сланцевых шахт.
В диссертационной работе решена задача обоснование метода расчёта параметров вентиляции шахт на основе объёмного моделирования. В основе решения лежит многофакторная математическая модель, описывающая конвективную диффузию стратифицированных потоков в горных выработках и в прилегающем к ним выработанном пространстве. В результате проведенных аналитических исследований, численного моделирования, шахтных экспериментов и наблюдений изучено влияние горногеологических и организационно-технических параметров на абсолютное метановыделение участка. В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи создания многофакторной математической модели массопереноса в горных выработках и в выработанном пространстве. Дано обоснование применяемого метода для обеспечения численного решения модели и исследования газодинамических процессов протекающих на проходческих и выемочных участках пологих газоносных пластов угольных шахт.
Основные результаты исследований сводятся к следующему:
На основе анализа статистики аварий, связанных с вспышками и взрывами метана на угольных шахтах России за последние 20 лет, проведено ранжирование типовых схем проветривания по степени метанобезопасности. Установлено, что наибольшей частотой взрывов с катастрофическими последствиями характеризуются комбинированные схемы проветривания выемочных участков с использованием газоотсасывающих вентиляторов.
Установлены количественные зависимости абсолютного метановыделения выемочного участка от нагрузки на очистной забой, длины лавы, её площади сечения и природной метаноносности для условий пологих пластов Кузбасса, показывающие нелинейную связь указанных параметров.
Разработана многофакторная математическая модель процесса конвективной диффузии в горных выработках и фильтрации метановоздушной смеси в выработанном пространстве, позволившая получить в трехмерном объёме поле скоростей движения воздуха и метана, их концентрации и поле давлений с высокой степенью детализации и достоверности.
Для численного решения многофакторной модели обоснованы диапазоны изменения физико-химических параметров газов, их диффузионных характеристик, учет которых в аналогичных расчетах ранее не производился.
Результаты численного моделирования показали, что разработанная модель позволяет выполнять прогноз и анализ газодинамических ситуаций в горных выработках и в выработанном пространстве для выбора рациональных технических решений по управлению газовыделением как при оперативном планировании развития горных работ, так и при разработке проектов вновь строящихся шахт.
Натурные исследования подтвердили высокую степень достоверности разработанной модели: расхождение расчетных значений и результатов шахтных измерений не превышали 15%.
Практическое применение разработанного методологического подхода к проектированию вентиляции высокопроизводительных газообильных шахт позволяет повысить эффективность вентиляции, и на этой основе, обеспечить повышение производительности забоев и безопасность ведения горных работ.
