Введение к работе
з
Актуальность работы. В современных условиях формирования новых рыночных отношений развитие подземной добычи угля вызывает необходимость внедрения прогрессивных технологий отработки пластов при обеспечении безопасности труда горнорабочих. Однако эффективность использования высокопроизводительных механизированных комплексов на пластах самовозгорающегося угля снижается в значительной мере из-за аварийных простоев, связанных с возникновением эндогенных пожаров.
Большие осложнения в технологический процесс угледобычи вносит возникноьение очагов самовозгорания угля при отработке пологих и наклонных пластов. Так, пожары, возникающие при бесцеликовых схемах подготовки и отработки выемочных столбов, приводят к большой потере добычи угля, которая в пересчете на один пожарный участок в 10 раз и более превышает аналогичный показатель для крутых пластов; значительно выше затраты н сроки тушения пожаров.
В Кузбассе около 75% эндогенных пожаров возникает в выработанном пространстве действующих очистных забоев вследствие того, что применяемые способы предупреждения их не удовлетворяют современным требованиям как по эффективности, так и по технологичности. Поэтому при выемке пологих и наклонных пластов особую актуальность приобретают вопросы совершенствования и разработки новых способов предупреждения самовозгорания угля, использование которых не сдерживало бы и не препятствовало бы ведению очистных работ.
Перспективным направлением предупреждения эндогенных пожаров является управление процессом дезактивации потерь угля в выработанном пространстве для снижения химической активности и торможения развития самонагревания угольного скопления. Однако отсутствие научно обоснованных параметров и рекомендаций по использованию этого процесса не позволяет применить его для снижения эндогенной пожароопас-
4 ности действующих очистных забоев. В связи с этим разработка способа предупреждения эндогенных пожаров в выработанном пространстве на принципе управления процессом дезактивации угля является актуальной научной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексных научно-технических программ Минтопэнерго РФ и компании «Росуголь» в соответствии с планами НИР института «ВостНИИ». Выполнено 3 научно-исследовательские работы, в которых автор диссертации был ответственным исполнителем.
Цель работы - создание способа предупреждения эндогенных пожаров на принципе управления процессом дезактивации угля в выработанном пространстве шахт, разрабатывающих пологие и наклонные пласты.
Идея работы заключается в использовании закономерностей влияния теплофизических параметров воздуха и аэрозолей воды, прошедшей магнитную обработку, на торможение развития окисления и самонагревания угля для обоснования нового принципа интенсификации процесса дезактивации угольного скопления.
Задачи исследований:
изучить влияние комплекса параметров воздуха (скорость движения, температура, влажность, концентрация кислорода) на процесс окисления угля;
установить закономерности формирования теплофизических и аэродинамических параметров утечек воздуха через выработанное пространство при гидравлической и «сухой» технологиях выемки угля;
разработать методики оценки безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков и определения местонахождения очага эндогенного пожара в выработанном пространстве;
исследовать влияние воды, прошедшей магнитную обработку, на химическую активность и скорость сушки угля;
- разработать способ предупреждения подземных эндогенных пожа
ров на принципе интенсификации процесса дезактивации потерь угля в
- выработанном пространстве;
- провести опытно-промышленную проверку разработанного спосо
ба предупреждения эндогенных пожаров при выемке пологих и наклонных
пластов самовозгорающегося угля в шахтах.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта предупреждения эндогенных пожаров при отработке пологих и наклонных пластов, математическое описание физических явлений и процессов, протекающих при формировании очага самовозгорания угля, лабораторные и шахтные эксперименты, опытно-промышленную проверку разработанного способа и технико-экономический анализ.
Научные положения, выносимые на защиту:
на стадии самонагревания угля (до 70С) наиболее важным управляемым параметром, определяющим ее продолжительность, является вла-госодержание воздуха, фильтрующегося через угольное скопление;
формирование теплофизических параметров утечек воздуха (тепло- и влагосодержание и др.) зависит от применяемой технологии добычи угля («сухая», гидравлическая) и предопределяет возможность образования зон повышенной эндогенной пожароопасное;
закономерности формирования аэродинамических параметров выработанного пространства (удельное сопротивление, коэффициент проницаемости и др.) на различных стадиях сдвижения и уплотнения обрушенных пород позволяют повысить надежность прогноза утечек воздуха, определить оптимальные сечения поддерживаемых горных выработок и допустимые опережения во времени между очистными работами на смежных выемочных столбах по фактору эндогенной пожароопасности;
методика совокупной оценки факторов, влияющих на активизацию пожара и возможный вынос токсичных газов з действующие выработки.
обеспечивает достоверное определение безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков;
оперативное определение района местонахождения очага эндогенного пожара в выработанном пространстве достигается при использовании в качестве показателя относительной влажности рудничной атмосферы, поступающей из контрольных скважин, пробуренных с земной поверхности в пожарный участок;
увлажнение угольного скопления водой, прошедшей магнитную обработку, обеспечивает интенсификацию процесса дезактивации угля, снижение химической активности его и предупреждение эндогенного пожара.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием фундаментальных положений аэро- и термодина-. мики и теории сушки при обосновании принципа торможения процесса окисления и самонагревания угля;
достаточным объемом выполненных в рамках диссертации лабораторных экспериментов (25 опытов) и шахтных исследований при отработке пологих и наклонных пластов самовозгорающегося угля (6 шахт, 12 шахтопластов в диапазоне глубины разработки 100-300 м);
удовлетворительной сходимостью результатов выполненных аналитических расчетов и натурных наблюдений;
положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработок на шахтах филиала «Беловоуголь» АО УК «Куз-бассуголь».
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
- обоснован принцип торможения процесса окисления угля путем
регулирования влагосодержания воздуха, фильтрующегося через угольное
скопление;
установлены закономерности формирования теплофизических параметров утечек воздуха при гидравлической и «сухой» технологиях добычи угля для определения зон повышенной эндогенной пожароопасно-сти;
впервые определены аэродинамические параметры выработанного пространства на различных стадиях сдвижения и уплотнения обрушенных пород для прогноза утечек воздуха;
разработана методика определения безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков, отличающаяся тем, что в ней впервые произведена оценка совокупного влияния факторов, влияющих на активизацию пожара и возможный вынос токсичных газов в действующие выработки;
обоснован новый принцип интенсификации процесса дезактивации угля для снижения химической активности его и предупреждения эндогенных пожаров.
Личный вклад автора состоит:
в формулировке задач и обосновании методов исследований, выборе объектов наблюдений с учетом горно-геологических и горнотехнических факторов;
в исследовании и использовании закономерностей влияния аэродинамических и теплофизических параметров воздуха на процесс окисления угля для обоснования принципа торможения развития самонагревания угольного скопления;
в получении новых данных о формировании теплофизических параметров утечек воздуха через выработанное пространство при различных технологиях выемки пологих и наклонных пластов самовозгорающегося угля;
в установлении зависимости изменения аэродинамических параметров выработанного пространства от расстояния до очистного забоя для определения оптимальных сечений поддерживаемых выработок и допус-
8 тимых опережений во времени при отработке смежных выемочных столбов;
в разработке и реализации методики определения безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков;
в обосновании принципа интенсификации процесса дезактивации угля путем увлажнения ею водой, прошедшей магнитную обработку;
в создании и внедрении способов предупреждения эндогенных пожаров и определения местонахождения очагов их в выработанном пространстве шахт.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволили:
управлять процессом формирования очага самовозгорания угля в проветриваемой зоне выработанного пространства действующих очистных забоев;
оценить влияние воды, прошедшей магнитную обработку, и комплекса параметров воздуха на снижение химической активности угля и торможение развития процесса самонагревания угольного скопления;
прогнозировать величину утечек воздуха через выработанное пространство на стадии проектирования горных работ;
разработать новые способы предупреждения и определения местонахождения очаюв эндогенных пожаров в выработанном пространстве шахт;
повысить эффективно ;ть мероприятий по предупреждению самовозгорания угля в высокопроизводительных очистных забоях и снизить затраты на их проведение.
Реализация работы. Результаты исследований реализованы в паспортах выемочных учасіков шахт филиалов «Беловоуголь» и «Ленинск-уголь» АО УК иКузбассуюль». Основные положения диссертационной работы использованы также при рафаботке «Методики прогноза эндогенной пожароопасное пі ныемочнмч полей шахт Кузбасса для выбора достаточ-
9 ного объема пожарно-профилактических мероприятий» (Кемерово, Вос-тНИИ,І996) и «Руководства по применению способа профилактики эндогенных пожаров на принципе интенсификации дезактивации угля в шахтах Кузбасса» (Кемерово, ВостНИИ, 1997).
Долевой экономический эффект автора от использования результатов исследований составляет 150тыс. руб. в год (в ценах 1999 г.).
Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на международном симпозиуме «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (Москва-Премь, 1995), Международной конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в Ш-ем тысячелетии (Новокузнецк, 2000), техническом совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора России (Кемерово, 1996-2000 гг.), на НТС ассоциации «Кузбассуглетехнология» (Кемерово, 1997-2000 гг.), на техническом совете филиала «Беловоуголь» АО УК»Кузбассуголь» (Белом, 1997-1999 гг.), на научном семинаре лаборатории прогноза и предупреждения эндогенных пожаров института «ВостНИИ» (Кемерово, 1996-2000 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано семь научных работ, включая патент РФ на изобретение.
Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав н заключения, изложенных на 147 страницах, содержит 22 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 119 наименований.