Введение к работе
Актуальность работы. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны, предполагающему обеспечение высокого уровня промышленной безопасности в угольной отрасли. Планируется увеличение производительности труда в 5 раз к 2030 г. В соответствии с принятой энергетической стратегией до 2020 года намечается увеличить добычу угля в Кузбассе до 177 млн. т. К настоящему времени Кузбасс добывает около 160 млн. т высококачественного угля, из которых подземная добыча обеспечивает 46 %.
Шахты Кузбасса высоко газообильные и, как показывает статистика взрывов метано-воздушной смеси (МВС), в угольных шахтах России до настоящего времени нет эффективной системы предотвращения этого вида аварий. Но в то же время широко внедряется технология «шахта – лава», при которой добыча из одной лавы может достигать 20 – 30 тыс. т в сутки. При этом большими темпами увеличивается глубина разработки, что влечет за собой рост природной газоносности разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород, угрозу динамических проявлений горного и газового давления. В этих условиях директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метаноопасности шахт.
Особую актуальность эта проблема приобретает для подготовительных выработок, проводимых по разрабатываемому угольному пласту с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя, существенно увеличивающей газовыделение из отбитого угля. Важнейшими элементами обеспечения аэрологической безопасности являются достоверный прогноз динамики метановыделения в подготовительных выработках и адекватная оценка количества воздуха, необходимого для их проветривания.
Действующие нормативно-методические документы, регламентирующие проектирование вентиляции подготовительных выработок при их проходке, базируются на эмпирических зависимостях, установленных для совершенно иных горнотехнологических условий, и не могут обеспечить необходимую надежность расчетов. Поэтому разработка методов прогноза метановыделения и обеспечения аэрологической безопасности при проходке подготовительных выработок по угольным пластам на современной научно-технологической базе является актуальной задачей.
Цель работы - уточнение закономерностей метановыделения из разрабатываемого угольного пласта и конвективно-турбулентной диффузии метана в подготовительных выработках при большой скорости подвигания подготовительного забоя для прогноза динамики абсолютной газообильности, оценки метановой опасности и совершенствования динамического метода расчета количества воздуха, обеспечивающих безопасность подготовительных работ по аэрологическому фактору.
Идея работы заключается в том, что прогноз динамики абсолютной газообильности, оценка метановой опасности и усовершенствованный динамический метод расчета количества воздуха, обеспечивающие безопасность подготовительных работ по аэрологическому фактору, основываются на адекватных математических моделях процессов движения метана в угольном пласте, отбитом угле и в атмосфере подготовительных выработок, с учетом режима работы системы «ВМП – вентиляционный трубопровод».
Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна.
1. Прогнозируя динамику метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку, следует использовать уравнение фильтрации в частных производных гиперболического типа, которое позволяет учесть волновую составляющую в уравнении фильтрации метана в угольном пласте.
2. При проектировании вентиляции подготовительной 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, являющийся монотонно убывающей функцией длины трубопровода.
3. Поля концентраций метана в воздухе подготовительных выработок стремятся к некоторому стационарному состоянию, поэтому динамический расчет количества воздуха, необходимого для проветривания метанообильных подготовительных участков, целесообразно осуществлять, используя решение стационарного уравнения конвективной диффузии для граничных условий первого рода, с учетом установленной зависимости распределения утечек.
4. Прогнозная оценка безопасности подготовительной выработки по аэрологическому фактору основывается на уточненной зависимости продольного профиля средней концентрации метана в исходящей струе, которая учитывает установленные зависимости динамики метановыделения, распределенные утечки и режим работы вентилятора местного проветривания.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной математики;
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонение не превышает 16 %) и большим объемом вычислительных экспериментов;
значительным объемом шахтных наблюдений, а также результатами анализа плановых замеров (проанализированы данные по 35 подготовительным участкам ОАО «ОУК - Южкузбассуголь»).
Научное значение диссертационной работы состоит в обосновании методических положений прогноза динамики метановыделения и оценки аэрологической безопасности проведения подготовительных выработок по газоносным угольным пластам с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя на основе обобщенной математической модели выделения метана с поверхности обнажения газоносного угольного пласта, конвективного переноса метана воздушной струей и динамического метода расчета количества воздуха необходимого для проветривания.
Практическая значимость работы заключается в разработке пакетов прикладных программ для прогноза газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахтах, обеспечивающих повышение достоверности расчетов параметров газовой динамики подготовительных выработок, что повышает качество проектов вентиляции подготовительных выработок при их проведении.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы работы и рекомендации по обеспечению аэрологической безопасности проведения подготовительных выработок, а также комплекс программных средств использованы на предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» при проектировании вентиляции тупиковых выработок для прогноза метановыделения и определения расхода воздуха на основе динамического метода расчета.
Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Неделя горняка» (г. Москва, 2010 г.), «Социально-экономи-ческие и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011–2013 гг.), «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2012 г.), «Аэрология и безопасность горных предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), «Рудник будущего» (г. Пермь, 2011 – 2013 гг.); на технических советах ОАО «Южкузбассуголь» (2011–2012 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 статей, 5 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Получен патент на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 16 таблиц, 34 рисунка и список литературы из 127 наименований.
