Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ ім. О.О. ГАЛКІНА
БОКІЙ БОРИС ВСЕВОЛОДОВИЧ
УДК 622.273
УПРАВЛІННЯ АЕРОДИНАМІЧНИМИ І ГАЗОДИНАМІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ У ВИРОБКАХ ГЛИБОКИХ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ НА ОСНОВІ УДОСКОНАЛЕННЯ СХЕМ ПРОВІТРЮВАННЯ
05.15.11 –Фізичні процеси гірничого виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк-2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О.Галкіна Національної академії наук України та Міністерства вугільної промисловості України
Науковий керівник:
кандидат технічних наук, професор, Народний депутат Верховної Ради України
Звягільський Юхим Леонідович
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідуючий відділом прогнозу та боротьби з газодинамічними явищами у шахтах Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О.Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України
Маєвський Валерій Стефанович
кандидат технічних наук, виконавчий директор Донбаського наукового центру Академії гірничих наук України
Мірончак Олег Петрович
Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки НАН України,
м. Дніпропетровськ
Захист відбудеться "15" березня 2001 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради К 11.184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О.Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України за адресою: 83114, вул. Р.Люксембург, 72.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення ФТГП ДонФТІ ім. О.О.Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України за адресою: 83114, вул. Р.Люксембург, 72.
Автореферат розісланий “09” лютого2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук Піталенко Є.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. За останнє десятиріччя гірничі роботи на вугільних шахтах опустилися на велику глибину, що поставило ряд гострих проблем, однієї з яких є складність провітрювання виймальних дільниць в умовах високої газоносністі пластів. Крім цього відробка похилих полів на великих глибинах ускладнюється проблемами дефіциту повітря і його подачею на виймальну дільницю при великій температурі порід, що вміщують.
Ріст вуглевидобутку при схемах провітрювання виймальних дільниць, які прийняті на шахтах Донбасу, неможливий через припустимі навантаження на очисний вибій за газовим фактором, при природній газоносністі пластів 20 м/т.с.б.м. і більш не можливе його збереження на досягнутому рівні (1500-2000 т/добу). В умовах дефіциту повітря управління аерогазодинамічними процесами зводиться до розробки заходів щодо зниження багатогазності виймальних дільниць за рахунок дегазації супутників і бокових порід. Для цого на шахтах застосовують дегазаційні свердловини, які буряться з гірничих виробок і з поверхні, що лише частково вирішують проблему зменшення газовиділення у виробках виймальної дільниці.
Існуючі методики розрахунку абсолютного газовиділення припускають неминучість інтенсивного виділення газу з вищележачої породної товщі і зближених пластів. Основними принципами, які покладені в основу способів зниження газовиділення на виймальних дільницях, є тимчасова зупинка або зниження темпів видобутку вугілля. Однак ця міра не допустима з економічної точки зору, тому що спричиняє зниження навантаження на очисний вибій і приводить до подорожчання виїмки вугілля. Результатами досліджень впливу інтенсивності вуглевидобутку на збільшення газовиділення не доведено, що збільшення швидкості посування лави завжди приводить до збільшення абсолютного газовиділення у виробках. Тому, дисертаційна робота, яка присвячена вирішенню цієї проблеми, є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планам темами. Основні результати дисертаційної роботи отримані в процесі виконання НДР, що проведені у ДонФТІ НАН України (№ ДР 0199U002103 і № ДР 0199U008905), у яких автор приймав безпосередню участь.
Мета і задачі дослідження –управління аерологічними і газодинамічними процесами в глибоких вугільних шахтах на основі удосконалення схем провітрювання для забезпечення підвищення навантаження на очисний вибій.
Основна ідея роботи –відвід на фланг виймальної дільниці газу і тепла, що виділились з виробленого простору за допомогою непідтримуваної виробки й ізольованого газовідводу.
Задачі дослідження:
дослідження розподілу газоповітряних потоків і температурних режимів при існуючих схемах провітрювання для вибору і розробки напрямку удосконалення схем провітрювання;
вивчення впливу дегазації на газодинамічні процеси, що протікають у виробках виймальної дільниці;
дослідження розподілу газоповітряних потоків і температурних режимів при застосуванні поворотноточних схем провітрювання з відводом газу через непідтримувану виробку на фланг і дегазації за допомогою ізольованого газовідводу;
установлення характеру впливу швидкості посування очисного вибою, довжини виробленого простору виймальної дільниці на аерологічні і газодинамічні процеси, що протікають при виїмці вугілля.
Об'єкт дослідження –аерологічні процеси, що протікають у виробках при різних схемах провітрювання.
Предмет дослідження –особливості процесів повітря- і газорозподілу у виробках на великих глибинах при природній газоносністі пластів більш 20 м/т.с.б.м.
Методи досліджень. У роботі використаний комплексний метод досліджень, що включає інструментальні спостереження (проведено 320 газових зйомок, бiльш нiж 100 теплових зйомок і 20 циклів десорбометричного визначення газоносністі вугілля) за аерологічними, газодинамічними і тепловими процесами у виробках при різних схемах провітрювання, аналіз результатів вимірів з обробкою інформації методами математичної статистики. Робота виконана за період 1994-2000 р.
Наукові положення, що виносяться на захист.
Газовиділення у виробки виймальної дільниці змінюється циклічно при збільшенні швидкості посування лави.
Підробка поверхневих дегазаційних свердловин збільшує газовиділення на виймальній дільниці, що просліджується на 250 метровому інтервалі посування лави.
Довгі крутопохилі свердловини, які пробурені з вентиляційних виробок на підроблений масив, при довжині виробленого простору 700 метрів і більш збільшують газовиділення на 10-20 м/хв., тому основним способом підземної дегазації рекомендований ізольований газовідвід.
Вплив виробленого простору на газову і теплову обстановку у виробках виймальної дільниці усунуто за рахунок відводу газоповітряної суміші через непідтримувані виробки на фланг і локалізовано за допомогою ізольованого газовідводу.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
Установлено, що в зоні впливу поверхневих дегазаційних свердловин додаткове газовиділення у виробки виймальної дільниці зв'язано з надлишковим тиском на устя свердловини.
Виявлено циклічний, що має тенденцію до росту, характер наростання і спаду величини абсолютного газовиділення при збільшенні швидкості посування лави.
Установлена залежність газовиділення в повітрявідвідну виробку від довжини виробленого простору виймальної дільниці при застосуванні прямоточних схем провітрювання після первинної посадки основної покрівлі.
Для визначення газового балансу виймальної дільниці запропонований новий критерій оцінки (Kx), що враховує вплив супутників і бокових порід, гірничо-геологічну характеристику пласта і умови його відробки.
Відвод газоповітряної суміші на фланг через непідтримувані виробки дозволяє розділити об’єм виділеного газу на дві частини. Більша, його частина, виділяется в непідтримувану дільницю вентиляційного штреку i каптирується за допомогою ізольованого газовідводу, що дозволяє зняти обмеження на видобуток вугілля за газовим фактором.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному.
Впровадження удосконаленої схеми провітрювання і дегазації виймальної дільниці в умовах високої природної газоносності пластів на великих глибинах дозволило забезпечити, без збільшення загальних витрат повітря на дільниці, необхідну інтенсивність провітрювання лави, знизити концентрацію газу і температуру в підтримуваних виробках, подати свіжий струмінь для провітрювання підготовчих робіт, підвищити концентрацію газу в системі ізольованого газовідводу і практично зняти обмеження на видобуток за газовим фактором.
Реалізація рекомендацій з удосконалення параметрів підземної дегазації дозволили знизити газовиділення у виробки виймальної дільниці при одночасному скороченні обсягів буріння.
Облік виявленого впливу поверхневих дегазаційних свердловин на газовиділення у виробки дозволив знизити кількість поверхневих дегазаційних свердловин і обсяги буріння без погіршення газової обстановки в шахті.
Збільшення швидкості руху повітря і відвід тепла через непідтримувані виробки на фланг дозволили знизити температуру на 2-3С в очисному вибої і вентиляційному штреку.
Більш ефективний спосіб підземної дегазації за допомогою ізольованого газовідводу, замість дегазаційних свердловин, забезпечив різке зниження виносу газу з виймальної дільниці струменем повітря.
Реалізація висновків і рекомендації роботи. Застосування удосконалених схем провітрювання і дегазації дозволило забезпечити відробку, починаючи з 1997 року, виймальних полів пластів m, l. Упровадження рекомендацій створило умову для росту навантаження на очисний вибій до 5000 т/добу, що дало можливість видобути за чотири роки на шахті ім. О.Ф. Засядько більш 10 млн. тон вугілля.
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульована ідея роботи, проведений аналіз, сформульовані мета і задачі досліджень, отримані і сформульовані основні наукові положення і висновки, обрана методика обробки результатів. Розроблені рекомендації з удосконалення схеми провітрювання і дегазації. Практично підтверджена правильність обраних схем провітрювання і дегазації. Автор брав участь у шахтних спостереженнях і аналізі результатів упровадження, практичної реалізації удосконалених схем провітрювання і дегазації.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації неодноразово доповідалися й одержали схвалення на вченій раді ВФТГП ДонФТІ НАНУ в 1998-2000 р.; на науково-технічній раді АП шахти ім. О.Ф. Засядько в 1996-2000 р.; на науковій конференції в ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ, присвяченої 35-річчю інституту (5-7.12.2000 р.); на науково-методичній конференції “Вугілля в XXI столітті”у м. С. Петербург у С.-Петербурзькому державному гірничому інституті (24-25.10.2000 р.).
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований у п'ятьох статтях науково-технічних спеціалізованих видань.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, списку літературних джерел з 104 назв і 13 додатків, має 167 сторінок машинописного тексту, 35 рисунків, 25 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Економічна стабільність шахти ґрунтується на високому рівні вуглевидобутку, що досягається за допомогою механізованих комплексів нового технічного рівня, при впровадженні яких проблеми кріплення привибійного простору і виїмки вугілля вирішені. В очисному вибої при виїмці вугілля гостро стоїть проблема управління аерологічними процесами на виймальної дільниці з метою збільшення навантаження на очисний вибій і нормалізації кліматичних умов.
Вивченню процесів руху повітря, газу і тепла через гірничі виробки і навколишній масив, ролі супутників розроблювальних пластів у формуванні газового балансу виймальних дільниць присвячено багато наукових праць вітчизняних і закордонних учених (О.О. Скочинський, Б.В. Комаров, Г.Д. Лідін, М.М. Хохотва, І.І. Медведєв, Б.І. Медведєв, О.Н. Щербань, В.С. Маевський, Ю.Д. Дядькін, Ю.В. Шувалов, І.Е. Болбат, В.Г. Іллюшенко, В.В. Пудак, А.І. Бобров, О.І. Касімов, К.К. Бусигін, М.А. Патрушев, М.М. Андрєєв, Л.О. Скляров, К.К. Софійський, В.І. Голинько, О.П. Мирончак, П.І. М’якенький, В.С. Кулініч, В.О. Бойко, Г.А. Шевелєв, Б.Б. Грицингер, В.О. Абрамов, В.Г. Колесників, Вінтер, Шульц, Ноак і інші).
Вивчений і проаналізований досвід застосування схем провітрювання визначив, що газовий баланс виймальних дільниць формується з трьох основних джерел: розроблювального пласта, супутників і бокових порід. На газовиділення у виробки дільниці впливає так само дегазація, що може здійснюватися за допомогою підземних і поверхневих свердловин.
Складність провітрювання видобувних дільниць на великих глибинах з абсолютною газообільністю виробок 40-50 м/хв. СН і більш зажадало проведення досліджень ефективності існуючих схем провітрювання, способів дегазації для уточнення структури газового балансу.
В даний час на шахтах, що розробляють викидонебезпечні, газоносні пласти, “Керівництвом із проектування вентиляції…”передбачено застосування прямоточних схем провітрювання з підсвіжуванням і лише в деяких випадках поворотноточних.
Дослідження розподілу газових потоків у подовжньому і поперечному перерізах гірничих виробок показали, що щільність потоку описується рівнянням:
(1)
де Iв –щільність потоку газу уздовж замірної лінії, рівна добутку концентрації С на швидкість повітря V, %·м/с;
I –те ж на границі робочого простору лави з виробленим, %·м/с;
a, d, c –постійні для даного перетину коефіцієнти одержувані експериментально за результатами поперечних зйомок: [a]= %·м/с; [c]= м-1;
b –відстань по простяганню від вибою лави до лінії виміру C і V, м.
Рівняння (1) свідчить про те, що графічно залежність Iв від b представлена випуклою кривою, а максимальне значення Iв присвячене до b=0,2-0,6 м (загальноприйняте, що графік залежності Iв від b представлений увігнутою кривою з точкою перегину за умови надходження газу з виробленого простору чи кривою з монотонно убутними ординатами при відсутності надходження газу з виробленого простору). Рідше графічна залежність Iв від b представлена більш складною, чим (1), кривою, що має дві-три точки перегину. Це свідчить про те, що існуюча методика визначення частки газовиділення з виробленого простору в загальному газовому балансі лави мало придатна для застосування. Щільність потоку Iв закономірно знижувалася від вибою убік виробленого простору, що можна розцінювати як доказ переважної ролі розроблювального пласта в газовому балансі лави.
Застосування прямоточних схем з підсвіжуванням (СПОРВ) варто вважати нераціональним з наступних причин: після первинної посадки основної покрівлі зростає проникність біляштрекових ізолюючих смуг, у результаті чого при загальній подачі до лави через два штреки 1,5-2,0 тис.м/хв. повітря через робочий простір лави протікає всього 100-350 м/хв., що створює небезпеку появи високої концентрації метану в зоні різання вугілля; струмінь підсвіжування погано перемішується з вихідним з лави. У поперечному перерізі повітрявідвідного штреку просліджується значний поділ струменів за концентрацією метану. З боку виходу вихідного з лави струменя в поперечному перерізі штреку спостерігаються підвищена концентрація метану і більш висока температура повітря, а з протилежної сторони – більш низькі температура і концентрація метану.
Поділ струменів за концентрацією метану (C) у перерізі повітрявідвідного штреку при спадному провітрюванні підкоряється визначеній закономірності, що при роботі комбайна відбиває залежність:
(2)
де x, y –координати точки виміру C в площині поперечного переріза штреку при розташуванні початку координат у нижньому правому куті штреку, м;
і під час простою –аналогічна функція:
(3)
Формули (2) і (3) підтверджують той факт, що в одній і тій же повітрявідвідній виробці при прямоточному провітрюванні практично мають місце два рівнобіжних потоки повітря, тепло- і масообмін між якими відбувається недостатньо інтенсивно. У цих умовах середня концентрація метану в поперечному перерізі виробки не може характеризувати рівень її вибухонебезпечності. Як показали виміри, значна нерівномірність у розподілі концентрації метану в поперечному перерізі просліджується на віддаленні 300-400 м від лави і більш, що ставить під сумнів доцільність застосування СПОРВ.
Дослідженнями особливостей газовиділення в лаві й у повітрявідвідному штреку встановлено, що витрата газу через переріз повітрявідвідного штреку IL залежить від відстані L між лавою і цим перерізом. Ця залежність при сталості параметрів виїмки має вид:
, м/хв (4)
де KL –коефіцієнт газообільності, що залежить від параметрів виїмки і гірничо-геологічних умов, м/(хв.·м).
Залежність (4) характеризується високим кореляційним відношенням, що склало = 0,93. Це свідчить про необхідність обліку довжини виробленого простору Lв при встановленій припустимій за газом швидкості посування лави Vоч: при більшому значенні Lв припустиме навантаження на лаву повинно знижуватися, що показано на рис. 1.
Рис. 1. Ізолінії абсолютної багатогазності при my= 1,7 м и lоч= 205 м
Особливість газовиділення при прямоточних схемах провітрювання, відбита залежністю (4), свідчила про наявність додаткового газовиділення, джерело якого могло бути у виробленому просторі лави й у бокових породах штреку. Для уточнення характеру додаткового газовиділення були проведені зйомки в лавах і в перетинах вентиляційних штреків. З цією метою для оцінки газового балансу прийнятий показник Kx, який дорівнює відношенню
(5)
де Ix –розрахункова багатогазність виробок, яка обумовлена газоносністю пласта і параметрами очисної виїмки, м/хв, яка визначається за формулою
(6)
де x, xзал –відповідно природна і залишкова газоносності пласта, м/т.с.б.м;
kWA –коефіцієнт, що враховує вологість і зольність пальної маси;
y –об’ємна вага вугілля, т/м;
F –частина площі оголення пласта в лаві, м;
де my –товщина вугільних пачок, м;
lоч –довжина очисного вибою, м;
lзд –ширина зони дренування, м.
Виміри багатогазності показали, що при Kx 1 газовиділення на виймальній дільниці визначається, в основному, газовиділенням із пласта, а при Kx > 1 газовиділенням із пласта, супутників і бокових порід. Чим вище Kx, тим більша частка виділеного газу із супутників і порід, що вміщають. Для прямоточних схем провітрювання з підсвіжуванням Kx змінюється від 2,5 до 8,0, що вказує на неможливість удержати концентрацію газу в припустимих межах і, отже, указує на неможливість сполучення СПОРВ із високими навантаженнями на лаву.
Дослідження аерологічних процесів, що протікають у виробках виймальної дільниці при поворотноточних схемах провітрювання, здійснювалися при відробці, 13-й східної і 13-й західної лав, а також розвантажувальній лаві пласта m. Дана схема при погашенні підготовчих виробок дозволила дослідити залежність показника відносного газовиділення (q) від довжини виробленого простору, що визначається за формулою:
, (7)
де Iуч –витрата газу по вентиляційному штреку, м/хв.;
Iго –витрата газу в трубі дегазації, м/хв.;
Vоч –швидкість посування очисного вибою, м/годину.
За допомогою показника q досліджена зміна величини газовиділення на дільниці з ростом довжини виробленого простору, що дозволило уточнити структуру газового балансу виймальної дільниці. Результати досліджень свідчили про циклічну зміну q при збільшенні Lв: у міру відходу лави від розрізної печі значення q росли і, досягши максимуму до моменту посадки основної покрівлі, знижувалися, а потім збільшувалися і стабілізувалися на рівні, що відповідає природній газоносності пласта. Це дає підставу вважати, що газовий баланс дільниці формується, в основному, за рахунок газовиділення з розроблювального пласта. Поперечні зйомки, які проведені в лаві, підтвердили цей висновок: розподіл Iв по b при поворотноточних схемах підкорявся залежності (1). Однак структура газового балансу дільниць пласта m значно змінювалась після порушення нормальної роботи підземної дегазаційної мережі, що зажадало проведення додаткових досліджень.
Дослідження впливу ПДС проведені при їхній підробці в умовах 13-й західної і 14-й східної лав пласта m. Вибої свердловин відставали від розроблювального пласта на відстань 8-50 м. Газовиділення у виробцi виймальної дільниці починало збiльшуватися з 20 м і закінчувалося на відстані 250 м, що ілюструє рис. 2.
Рис. 2. Графіки залежності показника відносного газовиділення q від ширини уздовж простягання виробленого простору Lв в зонах впливу ПДС: а) –№ Ш 1345; б) –№ МТ 317
Зона підвищеного газовиділення під впливом ПДС простягається на 250 м. У межах цієї зони показники відносного газовиділення склали: при відпрацьовуванні 13 західної лави q= 34,21,9 і для 14 східної q= 32,53,5 м/т. Середньозважені значення газовиділення без впливу ПДС відповідно склали q= 20,70,7 і q= 19,31.0 м/т.
Після перевірки рівності дисперсії показників q у відповідних зонах обох лав за F-критерієм було встановлено за t-критеріями, що середньозважене відносне газовиділення в зоні впливу ПДС значно вище, ніж у вихідних зонах. Паралельно проведені спостереження в шахті і на поверхні (устя ПДС) показали, що при збільшенні тиску газу Py на усті ПДС збільшується газовиділення виробки дільниці, а при спаді –знижується. Однієї з причин збільшення газовиділення є великий опір потоку газу в свердловинах, що перешкоджає вільному руху метану до поверхні й обумовлює ріст тиску газу в тріщинах, що примикають до ПДС. У зв'язку з негативним впливом ПДС на газову обстановку на виймальній дільниці їх доцільно застосовувати тільки в якості газодобувних. Необхідно провести додаткові дослідження з пошуку параметрів, що знімають негативний вплив ПДС на газову обстановку у виробках.
Відносний вплив на газову обстановку у виробках дільниці було не тільки з боку ПДС, але і при застосуванні дегазації за допомогою підземних дегазаційних свердловин, що віддавали більше газу, чим міг прийняти дільничний дегазаційний трубопровід.
Вплив свердловин підземної дегазації на багатогазність виробок було досліджено при відпрацьовуванні 13-х і 14-х західних і 14-х і 15-х східних лав пласта m. Відповідно до проекту МакНДІ, довжина дегазаційних свердловин на підроблений масив склала lсв= 90 м, що відповідало 70-ти метровій товщі порід покрівлі і забезпечувало сумарний дебіт метану по дільничній трубі від 30-40 до 50-70 м/хв.. При цьому відзначалися ознаки перевантаження дільничного трубопроводу (гранично висока концентрація CH, низький рівень розрядження в доступних для спостереження дільницях труби), що дають підставу думати, що в зоні погашення штреків дільничний трубопровід знаходиться під надлишковим тиском газу, що частково потрапляє у вихідний струмінь дільниці. Зменшення lсв з 90 до 60 м в умовах дільниць 13-й західної і 14-й східної лав привело до зниження відносного газовиділення, що показано на рис. 3.
Рис. 3. Залежність відносної газоносності дільниці від швидкості посування при сквердловинах довжиною 60 и 90 м
Відносне газовиділення при довжині lсв= 90 м у залежності від швидкості посування лави описується формулою:
, (8)
а при lсв= 60 м –формулою:
. (9)
Більш радикальне зниження lсв прийняте при відробці 14-й західної лави, коли lсв =30 м, що відповідало 24-х метровій товщі порід покрівлі. Результати визначення q для дільниці даної лави були зіставлені зі значеннями q для дільниці 15 східної лави, де lсв =50-60 м і, крім того, мав місце вплив ПДС №№ МТ-317 і МТ0-327. Для 14-й західної лави, lсв = 30 м, q=20,45,5, для 15-й східної лави, lсв =50-60 м, q=49,19,8 м/т при порівнянних значеннях Vоч: Vоч=113 для 14 західної лави і Vоч=102 м/міс. для 15 східної лави. Зниження дебіту підземних свердловин за рахунок скорочення їхньої довжини в 1,5 рази і більш, дозволило знизити багатогазність виробок. Однак, небезпека ушкодження дегазаційного трубопроводу в частині штреку, що погашається, взагалі поставила під сумнів доцільність буріння свердловин для дегазації й обумовила їхню заміну на ізольований газовідвід з виробленого простору.
При веденні очисних робіт на великих глибинах важкі кліматичні умови відзначалися і при поворотноточних схемах вентиляції, при яких характерні великі швидкості повітря у виробках дільниці. Висока температура (t>35С) у верхній ніші і вентиляційному штреку зажадала переходу режиму роботи лави на 6 змін по 4 години, що свідчить про необхідність штучного охолодження повітря.
Відмовлення від буріння ПДС і застосування дегазації за допомогою ізольованого газовідводу було недостатнім для забезпечення високих темпів вуглевидобутку, що привело до необхідності зміни схеми провітрювання.
На рис 4 представлена найбільш раціональна схема провітрювання виймальної дільниці: поворотноточна з відводом газу і тепла на фланг по непідтримуваній виробці й ізольованому газовідводу.
Рис. 4. Найбільш раціональна схема провітрювання видобувної дільниці:
–глуха перемичка; 2 –труба газовідводу до ПВНС; 3 –напрямок депресії повітря
При цій схемі провітрювання основний потік повітря (більш 1200 м/хв.) і менша частина газу (10-15 м/хв.) відводились поворотно до центру, велика частина газу (35-60 м/хв.) і незначна частина повітря (300-500 м/хв.) на фланг, де, як правило, установлюється перемичка з виведеним через неї трубопроводом ізольованого газовідводу. Це дало можливість у 3-4 разу знизити концентрацію метану на виході з лави й у зоні різання вугілля комбайном. Різке зниження потоку повітря на фланг вело до підвищення концентрації газу в непідтримуваній виробці, що створювало умови для підвищення ефективності ізольованого газовідводу. Газ, що просочується через перемичку, розбавлявся струменем повітря, що піднімалося з підготовчих робіт нижнього поверху.
Перехід до висхідного провітрювання дозволив подати для провітрювання підготовчих виробок нижнього поверху і до місця перекріплення штреку свіжий струмінь. За рахунок значного збільшення витрати повітря по лаві радикально змінилися кліматичні умови в ній і в підтримуваній частині вентиляційного штреку, температура повітря на виході з лави знизилася на 2-3ºС.
Застосування ізольованого газовідводу і зниження довжини підземних свердловин до 30 м, що відповідало 24-х метровій товщі порід безпосередньої покрівлі, дозволило знизити інтенсивність виносу газу струменем повітря (10-15 м/хв.). Це забезпечило різке збільшення навантаження на очисний вибій без збільшення витрати повітря на дільницях.
Дослідження впливу швидкості посування лави здійснювалися при прямоточних і поворотноточних схемах провітрювання.
При прямоточних схемах провітрювання для дослідження прийняті три показники абсолютного газовиділення: газовиділення привибійної зони Iвиб; газовиділення очисного вибою Iоч; газовиділення у виробки виймальної дільниці, яке виміряне при L=1000 м, I. Значення Iвиб і Iоч встановлювалися за результатами поперечних зйомок у лаві і вентиляційному штреку. Значення Iоч відповідало сумі Iвиб і частині потоку газу через вироблений простір, що безпосередньо примикає до робітника. Залежність Iвиб від Vоч представлена на рис. 5, з якого слідує, що Iвиб зростає з ростом Vоч в області 0,083< Vоч <0,147, а в області 0,14<Vоч<0,163, спостерігається значний спад Iвиб, що потім змінюється зростанням при Vоч>0,163 м/годину.
Рис. 5. Графiк залежностi газовидiлення робочого простору Iпр.з при рiзних значеннях швидкостi посування Vоч лав.
Залежність Iоч і I, від Vоч при Vоч0,06 м/годину (46 м/міс.) прийняла вид
(10)
де: (11)
де: . (12)
Для компактності формул (12) Vоч прийняте в м/місяць.
При швидкостях посування очисного вибою 0,06 Vоч 0,141 м/годину, що відповідає 46Vоч101 м/місяць, графік залежності являє собою ламану лінію (рис. 6).
Рис. 6. Графік залежності Iоч и Iоч от Vоч.
1 –для I; 2 –для Iоч
Довірчий інтервал залежності описується кривими:
(13)
(14)
де Iочв й Iочн –ординати огинаючих верхньої і нижньої ліній графіка залежності Iоч від Vоч м/хв.
Чітке падіння Iоч з ростом Vоч виявляється при Vоч=0,033; 0,066; 0,099 м/годину, що припускає період наростання Iоч (I) рівний 0,033 м/годину чи 25-26 м/місяць, що може відповідати точці посадки основної покрівлі. Падіння I з ростом Vоч чітко фіксується в області раніше зазначених швидкостей, що вимагає додаткового уточнення в областях Vоч= 0,15 і 0,19 м/годину.
При прямоточних схемах провітрювання установлена відсутність єдиної залежності Iуч від Vоч: у міру росту швидкості посування значення газовиділення на дільниці закономірно росло, а у визначеній області Vоч різко знижувалося або стабілізувалося зі збільшенням Vоч. В інтервалі 0,116 Vоч 0,151 м/годину, зазначена залежність мала вид, при Vоч –м/місяць
(15)
при високому значенні кореляційного відношення, рівному = 0,975, а в інтервалі 0,155 Vоч0,200 м/годину змінювалася незначно Iуч=const.
Таким чином, циклічність зміни Iуч з ростом Vоч проявилася при різних схемах провітрювання.
Область Vоч, де спостерігалася зміна виду залежності Iуч від Vоч, названа критичною швидкістю посування Vкрі. Значення Vкрі необхідно використовувати при плануванні навантаження на лаву, приймаючи планове посування на 15-20% вище одного зі значень Vкрі.
Обгрунтованість і вірогідність основних результатів роботи підтверджується:
високими значеннями кореляційних відносин і коефіцієнтів кореляції, не менш 0,9 функцій, що характеризують, апроксимуючих результатів шахтних вимірів;
значним зниженням абсолютного і відносного газовиділення, що перевищує коридори помилок, визначеному на 1%-ом рівні значимості, після застосування пропонованих заходів і параметрів очисної виїмки.
ВИСНОВКИ
Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій дане нове рішення актуальної для вугільної промисловості України задача - управління аеродинамічними і газодинамічними процесами у виробках добувна дільниці при відробці вугільних пластів із великою природною газообільністю, при яких забезпечується навантаження на забій до 5000 т/доб.
Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:
. На великих глибинах при природній газоносності пластів більш 20 м/т.с.б.м. існуючі схеми провітрювання і дегазації за допомогою свердловин не дозволяють збільшити навантаження на очисний вибій до величин, що забезпечують економічно ефективну роботу вуглевидобувних підприємств.
. Аналіз науково-технічної літератури показав, що питання впливу швидкості посування лави, а отже збільшення навантаження на очисний вибій, на газовиділення у виробках виймальної дільниці вивчений не досить повно. Це диктує необхідність заглибленого дослідження даної проблеми.
. На великих глибинах чітко проявилися недоліки прямоточних схем провітрювання з підсвіжуванням вихідного струменя і дегазацією:
при довжині виймального поля більш 600-1000 м застосування такої схеми не забезпечує подачу в очисний вибій необхідної кількості повітря через зменшення перерізу повітрявідвідної виробки;
при спадному провітрюванні підготовчі роботи провітрюються вихідним струменем повітря, що не дозволяє забезпечити своєчасне відтворення очисної лінії робіт;
великі витоки повітря через вироблений простір приводять до виносу тепла і метану в повітрявідвідну виробки, що веде до підвищення концентрації газу і температури в очисному вибої і повітрявідвідній виробці.
газовиділення на виймальній дільниці залежить від довжини виробленого простору (після первинної посадки). Припустиме навантаження на очисний вибій повинні встановлюватися з урахуванням цієї обставини.
виявлений факт поганого перемішування повітряних струменів (що виходять з лави і підсвіжування), різних за концентрацією газу і температурі, просліджується на протязі більш 400 м від очисного вибою, що варто враховувати для забезпечення безпечного ведення робіт у повітрявідвідній виробці.
. Для оцінки газового балансу виймальної дільниці запропонований новий критерій Kx. Чим більше Kx –тим більша частка виділеного газу із супутників і бокових порід. При поворотноточних схемах провітрювання з погашенням обох штреків і дегазацією, за допомогою свердловин, газовий баланс виймальної дільниці визначається в основному газовиділенням із пласта Kx 1. Тому як основний спосіб дегазації варто застосовувати ізольований газовідвід.
. Довгі крутопохилі підземні дегазаційні свердловини при довжині виймального поля уздовж простягання більш 700 м збільшують газовиділення на 10-20 м/хв. Зниження довжини крутопохилих свердловин з 90 до 40-30 м, що обумовлено відстанню до основної покрівлі, приводить до зниження газовиділення у виробках дільниці.
. Газовиділення у виробках виймальної дільниці збільшується в 1,5-2,0 рази при підробці поверхневих дегазаційних свердловин (ПДС) і залежить від тиску на їхній усті. Зона впливу свердловини просліджується на 250 метровому інтервалі посування очисного вибою. Тому ПДС доцільно розділити на газодобувні і дегазаційні для, визначення оптимальних параметрів яких необхідні додаткові дослідження.
. При збільшенні швидкості посування лави зміна газовиділення у виробки носить циклічний характер. Це дає можливість підвищувати навантаження на лаву без збільшення газовиділення і кількості подаваного в лаву повітря. Необхідні подальші дослідження впливу швидкості посування лави на газовиділення у виробки.
. Удосконалені поворотноточні схеми провітрювання з відводом газу на фланг через непідтримувані виробки і дегазація за допомогою ізольованого газовідводу при природній газоносністі пластів більш 20 м/т.с.б.м. дозволили забезпечити збільшення навантаження на очисний вибій без збільшення кількості повітря. Поліпшення кліматичних умов у всіх виробках дільниці забезпечено збільшенням витрати повітря по лаві й у підтримуваному відрізку вентиляційного штреку, а також відводом на фланг тепла і газу.
Газ, що виділився в непідтримувану частину вентиляційного штреку, відводиться за допомогою ізольованого газовідводу за виймальну дільницю, з подальшим транспортуванням його по трубопроводу на поверхню.
. Удосконалені схеми провітрювання і дегазації виймальних дільниць АП шахти ім. О.Ф. Засядько забезпечили безпечну відробку дев’яти виймальних полів пластів m і l, підвищили навантаження на очисної вибій до 5000 т/добу. Застосування цієї схеми дозволило інтенсифікувати відробки виймальних дільниць пластів m і l, і довести видобуток шахти в 2000 році до 4 млн. тонн.
Список опублікованих робіт:
1. Петров В.В., Бобрышев В.В., Бокий Б.В., Ирисов С.Г. Циклическое изменение газообильности участка при увеличении нагрузки на лаву. // Уголь Украины. -1999. - №3. -С. 15-16.
. Ирисов С.Г., Бокий Б.В. Совершенствование схем проветривания лав шахты А.Ф. Засядько с целью обеспечения нормального пылегазового и температурных режимов. // “Физико-технические проблемы горного производства”. -1999, - вып. 2. - С. 73-77.
. Ефремов И.А., Б.В. Бокий, Ирисов С.Г. О целесообразности применения схем прямоточного проветривания. // Уголь Украины. -2000. -№1. -С. 34-37.
. Бокий Б.В. Исследование влияния поверхностных дегазационных скважин на газообильность добычных участков. // “Известия Донецкого горного института”. -2000, вып. 2. -С. 101-104.
. Бокий Б.В. Оценка эффективности схем проветривания добычных участков шахты им. А.Ф. Засядько. -Донецк: //Проблемы экологии. ДонГТУ, -2000, -№1. -С. 71-74.
Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві полягає в наступному: у постановці задачі, виборі об'єктів спостережень, в аналізі їхніх результатів [1]; у постановці задачі і виборі об'єктів спостережень, у зміні схем провітрювання, в аналізі результатів спостережень [2, 3].
Здобувач Бокій Б.В.
АНОТАЦІЯ
БОКІЙ Б.В. Керування аерологічними і газодинамічними процесами у виробках глибоких вугільних шахтах на основі удосконалювання схем провітрювання. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 –фізичні процеси гірничого виробництва. –Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О.Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України, Донецьк, 2001.
На підставі дослідження газовиділення у виробки виймальної дільниці установлено, що на великих глибинах прямоточні схеми провітрювання і дегазація за допомогою свердловин не дозволяють досягти навантаження на лаву, що забезпечує економічно ефективну роботу шахти.
При підробці дегазаційних свердловин, пробурених з поверхні, у 1,5-2,0разу збільшується газовиділення у виробках виймальної дільниці, що зв'язано з підвищенням тиску на устях свердловин.
Довгі крутопохилі свердловини збільшують газовиділення у виробки виймальної дільниці, при довжині відробленого простору більш 700 м, на 10-20 м/хв. При поворотноточних схемах провітрювання джерелом газовиділення у виробки є розробляємий пласт. Тому як спосіб підземної дегазації прийнятий ізольований газовідвід.
Установлено циклічний характер газовиділення у виробки виймальної дільниці при збільшенні швидкості посування очисного вибою.
Застосування удосконаленої поворотноточної схеми провітрювання з відводом газу на фланг по непідтримуваних виробках з наступним ізольованим газовідводом забезпечує збільшення навантаження на очисної вибій і знижує температуру у виробках на 2-3С, без збільшення кількості повітря, подаваного у виробки виймальної дільниці.
Ключові слова: газовиділення, дегазація, схема провітрювання, газовідвід, шпара, температура.
АННОТАЦИЯ
БОКИЙ Б.В. Управление аэрологическими и газодинамическими процессами в выработках глубоких угольных шахтах на основе совершенствования схем проветривания. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 –физические процессы горного производства. –Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАНУ и Минуглепрома Украины, Донецк, 2001г.
Шахтными инструментальными наблюдения установлено, что прямоточные схемы проветривания на больших глубинах при длине выемочного поля 600 м и более, не позволяют подавать в лаву необходимое количество воздуха из-за уменьшения сечения воздухоотводящей выработки. При нисходящем проветривании подготовительные и восстановительные работы проветриваются исходящей струёй воздуха, что затрудняет подготовку новых выемочных полей из-за необходимости установки ВМП на исходящей струе воздуха. Большие утечки воздуха по выработанному пространству приводят к ухудшению климатических условий и повышению концентрации газа в очистном забое.
Поток газа через сечение воздухоотводящего штрека зависит от его удаления от лавы. Допустимая скорость подвигания очистного забоя и нагрузка на лаву должна устанавливаться с учётом длины выработанного пространства: при большей длине она должна снижаться.
Газовые съёмки в выработках выемочного участка показали, что основное газовыделение при нисходящем прямоточном проветривании приурочено к двум узким взаимно перпендикулярным полосам, вытянутым вдоль линии лавы и по оси воздухоотводящего штрека. Исходящая из лавы и подсвежающая струи плохо перемешиваются и после их слияния в выработке на расстоянии 200-400 м прослеживаются два параллельных потока, отличающихся концентрацией газа и температурой, свидетельствуя о неэффективности подсвежения. При суммарном выделении газа в атмосферу выработок участка, достигающем 50-60 м/мин, его разбавление до нормы по всему сечению выработки практически невозможно.
Для возвратноточной схемы проветривания, с погашением обеих подготовительных выработок, установлено, что относительная газообильность изменяется циклически, при этом среднее по циклу значение соответствует природной газоносности пласта. В этих случаях применение скважин для дегазации спутников не рационально. Необходим изолированный газоотвод.
При подработке поверхностных дегазационных скважин увеличивается газовыделение в выработках выемочного участка, что прослеживается на 20-250 метровом интервале подвигания лавы. Параллельные наблюдения в шахте и на поверхности показали, что газообильность выработок участка увеличивается при увеличении давления на устье скважины, а при спаде давления –снижается. Из-за отрицательного влиянием ПДС на газовую обстановку их следует применять в качестве газодобывающих.
На основании исследований предложена возвратноточная схема проветривания с отводом газа на фланг по неподдерживаемым выработкам и дегазация с помощью изолированного газоотвода. При этом основной поток воздуха и часть газа, выделяющегося в рабочее пространство лавы, отводится возвратно к центру шахтного поля, а незначительная часть воздуха и основной поток газа –на фланг, где, как правило, устанавливается перемычка с заведенными в нее трубопроводом для изолированного газоотвода. Внедрение разработанных рекомендаций обеспечило снижение в 3-4 раза концентрации газа на выходе из лавы и в зоне резания угля комбайном. Возведение перемычки на фланге повысило концентрацию газа в неподдерживаемой части вентиляционного штрека, что создало условия для эффективного отвода газовоздушной смеси за пределы участка. К месту восстановления выработки и для подготовительных работ на фланг подается свежая струя воздуха.
Увеличение интенсивности проветривания очистного забоя и частичный отвод тепла, выделившегося из выработанного пространства, по неподдерживаемым выработкам снизили температуру в лаве и на вентиляционном штреке на 2-3С.
Длинные крутонаклонные скважины, пробуренные из вентиляционных штреков, увеличивают газовыделение в выработки выемочного участка при ширине выработанного пространства более 700 м на 10-20 м/мин. Снижение высоты подъема скважин с 70 до 20 м приводит к снижению газовыделения в выработках выемочного участка.
Установлен циклический характер газовыделения в выработки выемочного участка при увеличении скорости подвигания очистного забоя. Эту закономерность необходимо использовать при оптимизации планирования нагрузки на очистной забой с целью уменьшения газовыделения.
Ключевые слова: газовыделение, дегазация, схема проветривания, газоотвод, скважина, температура.
SUMMARY
BOKYI B.V. Aerological and gasodinamical processes control in deep coal mines based on ventilation scheme improvement. - Manuscript.
The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.11 –physical processes in mining. - The Department of Physico-Technical mining problems DonPTI by name A.A. Galkin, Ukrainian National Academy of sciences, Donetsk, 2001.
In the dissertation on the base of investigation gas distribution in district mining working had been determined that the application of straight- flow ventilation and degasation scheme on the depth from above 1000 m don’t allow to ensure the assignment loading on longwall. Rise of loading on longwall face is possible perhaps only under application of the improved return-precise ventilation scheme with allocate harmfully on the flank by unsupporting working and degasing pipeline with a help of carcassed (entered) in goaf “candles”, which allowed to lead the load on the longwall face to 5000 t/day without rise of the air giving in the longwall.
In the dissertation demonstrated the possibility of decreasing the absolute gas emission in the working district at the rise of load on the longwall. This possibility determines cycling in growing and slump of absolute gas emission in the working district at the rise rate of face advance. Main gas source, which enters in the workings, is workable seam, and because methane kaltage from retired from the seam underworking collectors not lead to decreasing of working gaserich. Decreasing of lifting height of the degasing holes from 70 to 20 m brings to decrease working mining district gasreich. Surface degasing hole - rises the gasreich of districts in 1,5-2 ones, thats why surface degasing hole necessary to use in quality of gas mining.
Key words: gasreich, degasation, rate of face advance, scheme ventilation, underground degasing hole, surface degasing hole, temperature.