Введение к работе
Актуальность работы. Сложенное из обрушенных блоков и разрыхленных пород основной и непосредственной кровли очистное выработанное пространство угольных шахт представляет собой высокопроницаемую среду. Аэродинамические сопротивления определяют объёмы неконтролируемых потоков воздуха в обрушенной породной среде, которая может содержать значительное количество разрыхленного угля в виде потерь, в частности, при переходе дизъюнктивных нарушений. При определённых условиях и свойствах угля могут начаться окислительные процессы, и при накоплении тепла возможно самовозгорание угля, что зачастую приводит к взрывам как в самом выработанном пространстве, так и в примыкающих к нему горных выработках, последнее сопряжено с тяжкими последствиями.
С процессами самовозгорания угля в выработанном пространстве связан ряд крупных техногенных аварий, произошедших на шахтах юга Кузбасса (ОАО «Шахта «Распадская» ОАО «РУК», филиал «Шахта «Кушеяковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»). Поэтому разработка метода оценки параметров воздухораспределения в выработанном пространстве для выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» и перевода их в неопасную зону за счёт управления фильтрационными потоками воздуха является актуальной научно-технической задачей.
Автор выражает благодарность канд.техн.наук Криволапову В.Г. за методическую помощь в проведении исследований, полезные замечания и ценные советы.
Научная работа выполнена в рамках: Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы» по государственному контракту № П41; договора №32-11 «Локальный контроль состояния горного массива лавы 3-32 филиала «Шахта «Алар- динская» ОАО «Объединённая угольная компания «Южкузбассуголь» на предмет возникновения горных ударов посредством геофизических и сейсмоакусти- ческих наблюдений согласно РД 05-328 и изменений в параграф № 41 ПБ 05618-03».
Объектом исследований являются фильтрационные потоки в выработанном пространстве выемочных участков на пологих пластах угольных шахт.
Предметом исследований являются закономерности фильтрации воздушных потоков в выработанном пространстве.
Целью работы является создание условий для повышения пожарной и промышленной безопасности технологических процессов в угольных шахтах путём разработки метода, обеспечивающего снижение скорости процессов окисления угля в выработанных пространствах.
Идея работы заключается в торможении процесса окисления угля в выработанном пространстве путём выявления зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» и перевода их в неопасную зону за счёт управления фильтрационными потоками воздуха.
Для достижения поставленной цели в рамках данной диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследований:
-
Проанализировать состояние и обосновать перспективные методы, обеспечивающие снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов в угольных шахтах.
-
Разработать метод оценки параметров фильтрационных потоков в выработанном пространстве пологих пластов средней мощности шахт Кузбасса.
-
Разработать алгоритм интегрирования модели выработанного пространства в модель шахтной вентиляционной сети для горно-геологических условий пологих пластов средней мощности шахт Кузбасса.
-
Разработать аэродинамический способ торможения процессов окисления угля на основе разработанного метода оценки параметров воздухораспре- деления.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: сравнительный анализ фактических и расчётных данных состояния рудничной атмосферы на выемочном участке; системный анализ результатов научных исследований предшественников; численное моделирование методом конечных элементов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
Выработанное пространство является высокопроницаемой средой, характер распределения фильтрационных потоков в которой оказывает существенное влияние на безопасность технологических процессов на выемочном участке.
-
Параметры фильтрационных потоков в выработанном пространстве зависят от характера распределения коэффициента разрыхления горных пород и закономерностей их уплотнения.
-
Модель выработанного пространства, представленная как математически дезинтегрированная среда, в модели шахтной вентиляционной сети позволяет прогнозировать распределение фильтрационных параметров обрушенных пород.
-
Снижение скорости окислительных процессов достигается при использовании разработанного аэродинамического способа торможения процесса окисления угля, включающего прогноз, текущий контроль и управление объёмами фильтрационных потоков.
Научная новизна работы:
- разработан алгоритм анализа результатов мониторинга рудничной атмосферы, отличающийся оперативностью получения информации, обеспечивающий внесение текущих корректировок в модель по мере отработки выемочного столба;
-
синтезирован метод оценки параметров фильтрационных потоков в зоне обрушения, отличающийся возможностью его применения в горногеологических и горнотехнических условиях пологих пластов средней мощности Кузбасса, обеспечивающий прогноз распределения фильтрационных потоков в обрушенной среде;
-
разработана модель выработанного пространства, отличающаяся возможностью его интегрирования в расчётные схемы воздухораспределения на выемочном участке, обеспечивающая повышение достоверности вентиляционных расчётов;
-
сформированы рекомендации по обеспечению аэродинамического способа торможения процесса окисления угля, отличающиеся оптимизированными параметрами проветривания и возможностью прогноза и контроля объёмов фильтрационных потоков в выработанном пространстве.
Отличие от ранее выполненных работ заключается в том, что модель выработанного пространства представлена математически как дезинтегрированная среда, в которой изменяющиеся по мере отработки выемочного столба аэродинамические сопротивления определяются численным методом конечных элементов.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
-
использованием представительного объёма шахтной информации (планы горных работ, проекты вентиляции выемочных участков, стратиграфические колонки геологических скважин, результаты мониторинга шахтной атмосферы в течение 5 месяцев на двух шахтах и пр.);
-
развитием и применением сертифицированного авторского программного комплекса «Геомеханика» посредством разработки и реализации подпрограммы «Аэродинамика».
Личный вклад автора состоит в:
-
разработке и реализации методики исследования, анализе и обобщении результатов мониторинга шахтной атмосферы по филиалам «Шахта «Абашев- ская» и «Шахта «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»;
-
синтезе алгоритма расчёта аэродинамических сопротивлений выработанного пространства для горно-геологических и горнотехнических условий пологих пластов средней мощности Кузбасса;
-
разработке подпрограммы «Аэродинамика» в целях адаптации авторского программного комплекса «Геомеханика» для прогноза проницаемости выработанного пространства;
-
установлении возможности управления фильтрационными потоками воздуха в выработанном пространстве для предупреждения окислительных процессов угля.
Научное значение работы состоит в развитии теоретических основ, создании алгоритма, модели и компьютерной программы для оценки численных параметров фильтрации воздушных потоков через дезинтегрированную среду выработанного пространства.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:
-
адаптировать модели выработанных пространств к конкретным условиям и повысить достоверность вентиляционных расчётов;
-
использовать полученный метод прогноза параметров фильтрационных потоков: в программных комплексах по расчёту воздухораспределения (например «Вентиляция») и для расчёта воздухораспределения только в выработанном пространстве, например с помощью офисных программ (OpenOffice.org Calc, Microsoft Office Excel);
-
интегрировать модель выработанного пространства в математическую модель шахтной вентиляционной сети;
-
разрабатывать аэродинамические способы торможения процесса окисления угля, обеспечивающие повышение пожарной и промышленной безопасности на угольных предприятиях.
Реализация работы. Результаты исследований приняты для реализации в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета. Алгоритм метода оценки аэродинамических параметров использован в программном комплексе «Вентиляция».
Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы доложены и обсуждены на Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2010-2011 гг.), Региональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы добычи и переработки угля в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2011 г.).
Публикации.
Похожие диссертации на Разработка метода оценки параметров воздухораспределения для снижения скорости окислительных процессов в выработанном пространстве угольных шахт
-
