Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Аэрогазодинамические процессы при разрушении газоносного угольного пласта резанием

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Аэрогазодинамические процессы при разрушении газоносного угольного пласта резанием"

На правах рукописи

САРЫЧЕВА Ирина Владимировна

АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГАЗОНОСНОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

РЕЗАНИЕМ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОКТ 2014

Тула 2014

005553034

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель:

КАЧУРИН Николай Михайлович, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

КАЗАКОВ Борис Петрович, доктор технических наук, профессор, ФГБУН «Горный институт» Уральского отделения РАН/ отдел аэрологии и теплофизики, заведующий, г. Пермь

ПОЛЯКОВ Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, ООО «Экспертно-консультационный центр»/ управление, ведущий инженер, г. Тула

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт угля» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерс .о

Защита диссертации состоится «26» ноября 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, ауд. 220, 6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим выслать по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс (4872)35-81-41.

Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 этих условиях директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метаноопасности шахт. За последнее десятилетие доля взрывов и вспышек метана составляет около 8 % от общего количества аварий на шахтах России, однако возникновение опасных газовых ситуаций в горных выработках представляет наибольшую угрозу жизни людей, выполняющих подземные работы. Обеспечение роста подземной добычи угля связано с необходимостью повышения безопасности ведения горных работ и снижением количества несчастных случаев, вызванных загазованностью горных выработок. До настоящего времени нарушение состава атмосферы горных выработок остается одной из главных причин возникновения техногенных катастроф в угольных шахтах. Несмотря на сокращение числа угледобывающих предприятий за последние три десятилетия, процент этого вида аварий практически не уменьшается. Социально-экономические г политические условия последних десятилетий обусловили необходимость того, чтобы при освоении и эксплуатации недр должен быть в полной мере учтен императив обеспечения безопасности по газовому фактору.

Несмотря на то, что нагрузка на очистные забои угольной промышленности России увеличилась в 10-15 раз по сравнению с производительностью очистных забоев советского периода, подход к расчету количества воздуха, необходимого для проветривания лавы, а, следовательно, и к расчету предельно допустимой нагрузки, а также к режимным параметрам выемочных машин остался прежним. То есть, как определение количества воздуха, необходимое для проветривания лавы, так и оценка предельно допустимой нагрузки на очистной забой основываются на физических принципах статического разбавления метана в рабочем пространстве очистного забоя. Но результаты многочисленных натурных наблюдений показывают, что работа очистных и проходческих комбайнов, разрушающих угольный массив, приводит к увеличению абсолютной метанообилыюсти очистных и подготовительных забоев.

Поэтому исследование аэрогазодинамических процессов при разрушении газоносного угольного пласта резанием для совершенствования методов прогноза метановьщеления и обеспечения аэрологической безопасности на очистных и подготовительных участках на современной научно-технологической базе является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке аналитической ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).

Целью работы является уточнение закономерностей дегазации отбитого угля и аэрогазодинамических процессов на очистных и подготовительных участках для оптимизации режимных параметров выемочных и проходческих комбайнов с учетом конструктивных характеристик машин и геотехнологических параметров выемочных и подготовительных участков, обеспечивающих максимальную нагрузку на забои с учетом ограничения по газовому фактору.

Идея работы заключается в том, что оптимальные режимные параметры выемочных и проходческих комбайнов, учитывающие конструктивные характеристики машин и геотехнологические параметры выемочных и подготовительных участков, могут обеспечивать максимальную нагрузку на забои при оптимальном сочетании скорости резания угля и скорости подачи с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение остаточной газоносности отбитого угля связано с динамикой газового давления при дегазации угольного пласта и описывается уравнением гиперболического типа с источником, учитывающим способность угля к измельчению и технические характеристики выемочных машин, при этом граничные условия задачи определяются последовательностью технологических операций при выемке угля или проведении подготовительных выработок.

2. Оценка метановой опасности выемочных и проходческих работ основывается на уравнениях стационарной конвективной и конвективно-турбулентной диффузии метана в горных выработках очистных и подготовительных участков, что позволяет оценить предельную нагрузку на очистной забой и максимальную скорость подвигания подготовительного забоя по газовому фактору, а также сформулировать ограничения к режимным параметрам выемочных и проходческих машин.

3. Критериями оптимизации режимных параметров для выемочных машин являются нагрузка на очистной забой и скорость подачи очистного комбайна, а целевая функция, характеризующая энергоемкость процесса разрушения угля резанием позволяет определить оптимальное сочетание скорости резания угля и скорости подачи с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.

4. Области допустимых решений и оптимальные режимные параметры выемочной машины при максимальном использовании мощности двигателя и реализации технически допустимой скорости подачи регламентируются газовой ситуацией в очистном забое, которая является доминирующим фактором, ограничивающим нагрузку на очистной забой.

Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:

получены аналитические закономерности метановыделения из отбитого угля, разрушаемого резанием, отличающиеся тем, что динамика метановыделения описывается с учетом конструктивных характеристик исполнительных органов комбайнов и технологических параметров очистных и подготовительных работ;

разработана математическая модель оценки предельной нагрузки на очистной забой и максимальной скорости подвигания подготовительного забоя по газовому фактору, отличающаяся тем, что используются решения уравнений стационарной конвективной и конвективно-турбулентной диффузии метана в вентиляционных струях;

разработана математическая модель оптимизации режимных параметров выемочных машин, отличающаяся тем, что целевая функция, направленная на обеспечение максимальной производительности забоев, позволяет определить оптимальное сочетание скорости резания угля и скорости подачи очистного комбайна с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.

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 20 %) и большим объемом вычислительных экспериментов;

значительным объемом шахтных наблюдений, а также результатами анализа плановых замеров на шахтах ОАО «ОУК - Южкузбассуголь».

Научное значение диссертационной работы состоит в обосновании методических положений прогноза динамики метановыделения из отбитого угля для оценки аэрологической безопасности интенсивной отработки газоносных углей и проведения подготовительных выработок по газоносным угольным пластам с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя на основе математических моделей динамики дегазации отбитого угля, конвективного и конвективно-турбулентного переноса метана воздушной струей.

Практическая значимость работы заключается в определении областей допустимых решений и оптимальных режимных параметров выемочных машин при максимальном использовании мощности двигателя и реализации

технически допустимой скорости подачи, которые регламентируются газовой ситуацией в очистном забое, являющейся доминирующим фактором, ограничивающим нагрузку на очистной забой.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы работы и рекомендации по обеспечению аэрологической безопасности выемочных работ и проведения подготовительных выработок использованы в Кузнецком бассейне, а также при корректировке программы развития бассейна на перспективу и реализации энергетической стратегии России на период до 2020 года. Теоретические результаты и технические решения использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР в ТулГУ, а также включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий и промышленной безопасности.

Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.), «Неделя горняка» (г. Москва, 2012-2013 г.г.), «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011-2013 гг.), «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2013 г.), «Аэрология и безопасность горных предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), «Рудник будущего» (г. Пермь, 2011—2013 гг.), «Перспективы инновационного развития угольных регионов России» (г. Прокопьевск, 2014 г.); на технических советах ОАО «Южкузбассуголь» (2011-2012 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей, 3 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 177 страницах машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 17 таблиц, 35 рисунков и список литературы из 258 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современные методы прогноза динамики газовыделения и расчета количества воздуха являются результатом исследований, выполненных научными школами ИПКОН РАН, ГИ УроРАН, Института угля СО РАН, ВостНИИ по безопасности горных работ, ИГД им. A.A. Скочинского, МГТУ, Национального минерально-сырьевого университета «Горный», ТулГУ и др. Общая методология аэрогазодинамики очистных и подготовительных участков создана академиком АН СССР A.A. Скочинским, профессорами В.Б. Комаровым, А.И. Ксенофонтовой. Дальнейшее развитие исследований и комплексное решение проблем рудничной аэрогазодинамики осуществлялось академиком РАН К.Н. Трубецким, чл. корреспондентами РАН Л.А. Пучковым, Д.А. Руба-ном, Д.Р. Каштуновым, А.Е. Красноштейном, В.И. Клишиным, а также профессорами A.A. Айруни, Ю.Ф. Васючковым, С.Г. Гендлером, Б.П. Казако-

вым, H.О. Калединой, Н.М. Качуриным, Г.И. Коршуновым, C.B. Кузнецовым, А.Э. Петросяном и др. Анализ основных научных и практических результатов, полученных в различных научных школах, позволил сформулировать цель и идею работы, а также определить направление дальнейших исследований.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований:

1. Анализ горно-геологических условий залегания высокогазоносных угольных пластов, особенностей ведения очистных работ и параметров высокопроизводительных выемочных участков в метанообильных шахтах.

2. Оценка аварийности выемочных участков по газовому фактору и эффективности технических средств для интенсивной отработки высокогазоносных угольных пластов. Обобщение результатов натурных наблюдений динамики метановыделения на очистных участках метанообильных шахт.

3. Разработка математических моделей динамики остаточной газоносности отбитого угля и прогноза опасных газовых ситуаций на очистных и подготовительных участках на метанообильных шахтах при отработке угольных пластов по технологии «шахта — лава». Проведение вычислительных экспериментов.

4. Разработка математической модели для оптимизации режимов работы выемочных комбайнов, учитывающей технические характеристики выемочных комбайнов и геотехнологические условия ведения очистных работ с учетом ограничений по газовому фактору.

Удельный вес добычи угля из комплексно-механизированных очистных забоев в общей подземной добыче составил 86,6 %. Из опыта разработки газоносных пластов угля в условиях Кузнецкого угольного бассейна и Воркутского угольного месторождения установлено, что рентабельная работа метанообильных шахт по добыче угля возможна при системах разработки пластов длинными столбами при фронте очистных работ 200-250 м, длине столбов не менее 1500 м и среднесуточной нагрузке на очистной забой на тонких пластах 3-3,5 тыс. т, на пластах средней мощности - 5-8 тыс. т, на мощных пластах - не менее 10-15 тыс. т угля.

Многочисленные шахтные наблюдения показали, что детерминированная составляющая процесса газовыделения представляет собой периодический тренд, имеющий положительную корреляционную связь с цикличностью технологических воздействий на угольные пласты и геомеханических процессов. Следовательно, детерминированная составляющая газовыделения может быть представлена в виде суммы интенсивностей процессов газовыделения из различных источников, включающихся в общий процесс в соответствующие моменты времени.

Интенсивность дегазации отбитого угля однозначно связана с предыдущими этапами эволюции системы «уголь—газ» от начального состояния, характеризующегося природной газоносностью угля, до промежуточного со-

стояния, характеризующегося газоносностью призабойной части угольного пласта. В подготовительном забое в процессе проведения подготовительных выработок, проводимых частично или полностью по углю, происходит разрушение угля исполнительными органами проходческих комбайнов. В процессе выемки угольный пласт разрушается исполнительными органами очистных комбайнов. Уголь дробится на блоки, которые целесообразно заменить эквивалентными сферами, радиус которых соответствует некоторой эффективной величине, определяемой гранулометрической кривой, представляющей собой закон распределения разрушенного угля по фракциям различного размера. Тогда можно ввести следующие допущения: кусок отбитого угля заменяется эквивалентной сферой, которая дегазируется в диффузионном режиме; движущей силой диффузионного переноса является градиент остаточной газоносности рассматриваемой угольной сферы.

Установлено, что динамика остаточной газоносности эквивалентной угольной сферы описывается следующей зависимостью:

где х — остаточная газоносность отбитого угля; г, / - радиальная координата (Л > г > 0) и время соответственно; Л — радиус сферы, равный среднему размеру куска отбитого угля; Б — коэффициент диффузии метана в угле;

хг— газоносность угля в массиве подготовительного или очистного забоя; ха — остаточная газоносность отбитого угля при атмосферном давлении.

Для определения скорости газоотдачи поверхностью угольной сферы надо вычислить диффузионный поток на этой поверхности, то есть ,/| я = -Оуу(дх/дг)г=к, где уу- плотность угля. Учитывая быструю сходимость бесконечного ряда в производной {дх/8г)г=к, можно ограничиться первым членом этого ряда. Тогда приближенная формула будет иметь следующий вид: ,/| Л « у'0ехр(-9,87Ро0), где _/0 - начальная скорость газоотдачи поверхностью угольной сферы; Рои - диффузионный критерий Фурье. Начальная скорость газоотдачи определяется по формуле: Уо = _*ао)Уу'ОЛ>

Рассматривая подготовительный забой, заменим отбитый уголь различного гранулометрического состава сферами эквивалентного диаметра, который представляет собой математическое ожидание размера кусков отбитого угля ¿з = 2Д . Значение </э определяется по экспериментально установленному закону распределения фракций отбитого угля. Тогда объем эквивалентной сферы и ее масса соответственно будут равны 4Д89Л3(м3) и 4,189ууЛ3 (кг), а количество таких сферических кусков угля, образующихся в единицу времени, составит 0,2395ЧКП ЗЛ~3, где 5Ч - площадь поперечного сечения подгото-

=1»

(1)

вительной выработки вчерне, м2; У„ , - средняя скорость подвигания подготовительного забоя за рабочий цикл проходческого комбайна, м/мин. Площадь

2

поверхности газоотдачи у одной эквивалентной сферы будет равна 4тсЛ . Следовательно, скорость формирования суммарной площади газоотдачи

отбитого угля будет = 3,476- 10~55ЧКП 3Я_1 (м2/с), где 5Э - эквивалент-

ная площадь поверхности газоотдачи, м2. Таким образом, можно записать, что эквивалентная площадь поверхности газоотдачи определяется по следующей формуле: =3,476-Ю-55чКпзй_1Гцк (м2), где /цк - длительность рабочего цикла проходческого комбайна, мин. Объем метана, выделившегося в подготовительную выработку из отбитого угля По у за малый период времени Л, определим как сК1оу = = . Следовательно,

получим уравнение: сО0.у = 3,476-10-5 5чКпзуу(х3-*<»)ех

Интегрируя это уравнение в интервале значений времени от начала до завершения рабочего цикла проходческого комбайна, определим объем метана,

выделившегося за это время из отбитого угля Оо у = ЯаУ[1-ехр(-9,87Роц к)],

где Поу - максимальное значение объема метана, выделившегося в подготовительную выработку за рассматриваемый период времени из отбитого угля; Роц к - диффузионный критерий Фурье, соответствующий длительности рабочего цикла проходческого комбайна /ц к. На практике удобно рассматривать длительность рабочего цикла проходческого комбайна, равную 1 сут. Тогда результаты вычислительного эксперимента показывают, что максимальное значение объема метана, выделившегося в подготовительный забой из отбитого угля, будет определяться по формуле:

/оу = 2,083-1 (Г35ЧКП Зуу(*3 -хД м3/мин . (2)

Формула (2) позволяет прогнозировать метановыделение в подготовительном забое из отбитого угля для наиболее опасной ситуации. Практическая апробация разработанной методики прогноза метановыделения в подготовительную выработку из отбитого угля осуществлялась на 13-ти подготовительных участках 5-ти шахт объединенной угольной компании «Южкуз-бассуголь». Результаты расчетов по формуле (2) и по действующей методике представлены на рисунке 1. Сравнение прогнозных значений абсолютной ме-танообильности, обусловленной газовыделением из отбитого угля, показали, что действующая методика дает, как правило, заниженные значения метановыделения из отбитого угля.

Уголь краевой части угольного пласта, имеющий среднюю газоносность дг3, разрушается исполнительным органом комбайна и грузится на скребковый конвейер. Газоносность транспортируемого угля убывает, так как часть газа уносится из угольного вещества диффузионными потоками, направленными в

сторону газоотдающих поверхностей.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Номер выработки

□Действ, методика ■ Предл. методика

Рисунок 1 - Прогноз метановыделения из отбитого угля в подготовительные выработки шахт ОАО «ОУК - Южкузбассуголь»: шахта «Абашевская»: 1 - Главный вентиляционный штрек пл. 15;

2 - Западный конвейерный уклон пл. 15; 3 - Основной конвейерный штрек пл.15; 4 - Вентиляционный штрек 15-34; 5 - Конвейерный штрек 15-34; шахта «Юбилейная»: 6 - Вентиляционный штрек 50-12; 7 - Вентиляционный штрек 50-04 «бис»; 8 - Вентиляционный штрек 50-04 «бис»; шахта «Кушеяковская»:

9 - Конвейерный штрек 67-37; 10 - Конвейерный штрек 67-38; шахта «Есаульская»: 11 - Минусовый штрек 26-31; 12 - Конвейерный штрек 26-31; шахта «Осинниковская»: 13 - Промежуточный штрек Е-1бис

Схематично процесс изменения газоносности транспортируемого угля х0 можно представить как дегазацию слоя угля, перемещающегося со скоростью ук + уп по отношению к некоторому началу отсчета вдоль оси координат 0£, с которой однозначно связана подвижная система координат 0'т|, где ук - скорость транспортирования угля на скребковом конвейере; уп - скорость подачи очистного комбайна. Считая, что ось 0Е всегда направлена в сторону движения угля, и переходя к подвижной системе координат по формуле £ = г1 + гп/, получим, что для случая, имеющего практический интерес, можно записать следующее дифференциальное уравнение:

= (3)

Начальные и граничные условия имеют вид: .хо(г|,0)= *о(0,/)= х3. Решение уравнения (3) для этих условий получено в следующем виде:

-9,874

Я

/ —

Л

-ехр|-9,87^1. (4)

мс 1'п )

Следовательно, максимальное метановыделение из отбитого угля в лаве (1°у), которое используется в дальнейшем при расчете количества воздуха,

можно представить следующим образом: = [х3 -х0(/04)

'в.ц)К. гДе А ~

производительность выемочного комбайна, т/мин. Тогда, записывая эту формулу с учетом зависимости (4), получим:

=0,304Л(*з -*Лехр(-9,87рРов.ц)-ехр(-9,87Ров.ц)], (5)

где р - коэффициент, учитывающий соотношение скоростей скребкового конвейера и подачи очистного комбайна; р = ук/(ук

Численные значения параметров формулы (5) представлены в таблице.

Значения параметров в формуле (5) для условий Кузбасса

Параметр в формуле (5) Единица измерения Численное значение параметра

максимальное минимальное среднее

Ту т/м3 1,7 1,35 1,5

тв м 4,5 1,5 2,5

ь,, м 0,63 0,63 0,63

м3/т 20 5 12

м3/т 5 2 4

В м2/с 10"6 10"8 ю-7

я м 0,4 0,01 0,05

^в.ц мин 100 10 30

А>ч м 300 100 200

м/мин 20 1 6

V* м/мин 30 10 15

Результаты расчетов, представленные на рисунке 2, наглядно свидетельствуют об адекватности зависимости (5). Эта формула отражает взаимосвязь природных и технологических факторов, влияющих на метановыделение из отбитого угля в очистном забое. Метановыделение в лаве из отбитого угля составляет от 2 до 12 м3/мин. Прогноз газовых ситуаций на очистных и подготовительных участках позволяет определить предельно допустимую скорость подвигания подготовительного забоя и максимально возможную скорость подачи очистного комбайна в лаве.

ю6Г

Рисунок 2 - График зависимости безразмерного газовыделения из отбитого

угля от диффузионного критерия Фурье: /* у = 3,27/оу [уу/яв63У

Ровц соответственно равно: 1 - 10"5; 2 - 0,998-10'5; 3 - 0,996-10"5; 4 - 0,994-10"5; 5-0,992-Ю-5; 6-0,99-10"5

Газовые ситуации моделировались нестационарными одномерными уравнениями конвективной и конвективно-турбулентной диффузии. Были получены следующие теоретические закономерности изменения концентрации метана в вентиляционных струях:

подготовительная выработка

^'п.в

1-ехр

ср

^п.в

- 0,5 ехр[- ¡ехр^-рЕ- т | [ехр(- К^ь}*

ч £п.в 1

V ^'п.в

+ ехр

выработки очистного участка с(С,г)=£у

Уо.у

сЬ,

(6)

у ( ~ \

С

) _ — ехр

х-М —ехр -

у 1 С _ \

, с 1

Г хо0

1 \и1)

(7)

где Ъ = 0,25ыс2р/£)т +«ср/1п в ; К = ^¡О0/ ;

Вг — коэффициент турбулентной диффузии метана в воздухе; /„ в — абсолютная метанообильность подготовительной выработки;

Ьп в — объем и длина подготовительной выработки соответственно; ¡¡, Мер — пространственная координата и средняя скорость воздуха в подготовительной выработке соответственно;

/оу, 0оу - абсолютная метанообильность очистного участка и количество воздуха, подаваемого на очистной участок соответственно;

(и), ££оу - средняя скорость воздуха в выработках очистного участка и их протяженность.

Вычислительные эксперименты с использованием зависимостей (6) и (7) показали, что максимальные значения концентрации метана имеют место при его стационарном распределении вдоль вентиляционной струи. И наибольшее значение концентрации в продольном профиле содержания метана в воздухе наблюдается в точках выхода воздуха из подготовительных выработок и выработок очистных участков. Это позволило определить максимальную скорость подачи очистного комбайна с ограничением по газовому фактору:

, , 546,75оч (п ДК - ср) (8)

твУу^з/7см'см ^пр ~хо/ где 5оч - площадь поперечного сечения очистного забоя;

Со, ПДК - концентрация метана на свежей и струе предельно допустимая концентрация метана на исходящей струе;

исм, 'см - количество рабочих смен и длительность смены соответственно.

Зависимость (8), учитывающая динамику остаточной газоносности угля, позволила дополнить задачу оптимизации режимов эксплуатации очистных комбайнов ограничением по газовому фактору. Разработанная математическая модель оптимизации режимных параметров очистных комбайнов позволяет определить оптимальную скорость подачи выемочной машины при полной загрузке двигателя, т.е. при максимальном использовании эффективной мощности двигателя, идущей на резание и подачу.

В связи с тем, что основным показателем эффективности работы очистного забоя является суточная нагрузка Асуг, то этот показатель и был использован в качестве критерия оптимизации Ъ , т.е. г = Лсуг—» шах. Нагрузка на очистной забой определяется по скорости подачи выемочной машины. Скорость подачи, к тому же, аналитически взаимно увязывается со всеми управляемыми режимными параметрами выемочной машины и является наиболее чувствительной по отношению к остальным управляемым режимным параметрам. В результате целевая функция Р была определена в виде: Р = уп (ур) —► тах, где ур - скорость резания угля исполнительным органом очистного комбайна.

Поиск экстремальных значений целевой функции осуществлялся при следующих ограничениях: ограничения по глубине резания; ограничения по фактору взаимовлияния резцов; ограничения по установленной мощности электродвигателя; ограничения по газовому фактору.

На рисунке 3 в качестве примера приведены результаты определения оптимальной скорости подачи и скорости резания очистного комбайна К-500Ю при количестве резцов в линии резания тх = 3.

Подобные решения были получены также при ти равном 1, 2 и 4. Было установлено, что оптимальное решение для т\ = 1 лежит при скорости подачи 3,7 м/мин и скорости резания 6,0 м/с, а для ш, = 2 - при 7,3 и 6,0 соответст-

венно. В первом случае комбайн набирает только 36,5 % мощности, а во втором - 73,0 %. Скорость подачи реализуется соответственно только на 38,9 и 76,8 %. При числе резцов в линии резания, равном 3 и 4, решения являются оптимизирующими, т.к. дают искомые параметры при максимально допустимых режимных характеристиках как по технически допустимой скорости подачи, так и по максимальной установленной мощности двигателя. При лг, = 3 имеем: скорость подачи У„ = 9,5 м/мин; скорость резания Кр = 5,94 м/с; мощность, идущая на резание 1¥р = 597,73 кВт; мощность на подачу = 7,27 кВт. При ш, = 4: У„ = 9,5 м/мин; Кр = 4,40 м/с; мощность, идущая на резание \Ур = 594,84 кВт; мощность на подачу XV,, = 10,16 кВт. Полученные оптимальные параметры режима работы очистного комбайна необходимо сопоставлять с расчетной скоростью подачи, которая определяется по формуле (8) исходя из реальных характеристик газовой ситуации в очистном забое.

Рисунок 3 — Поле регулирования режимных параметров очистного комбайна: ограничения по конструктивному вылету резца (1), по взаимовлиянию резцов (2), по минимальной скорости резания (3), по максимальной скорости резания (4); по технически допустимой скорости подачи (5), по установленной мощности двигателя (6)

Основные научные и практические результаты исследований аэрогазодинамических процессов при разрушении газоносных углей резанием, направленные на обеспечение безопасных условий развития добычи угля, использованы на предприятиях ОАО «Южкузбассуголь». Новые теоретические результаты и технические решения использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований уточнены закономерности дегазации отбитого угля и протекания аэрогазодинамических процессов на очистных и подготовительных участках для оптимизации режимных параметров выемочных и проходческих комбайнов с учетом конструктивных характеристик машин и геотехнологических

параметров выемочных и подготовительных участков, обеспечивающих максимальную нагрузку на забои с учетом ограничения по газовому фактору, что является существенным вкладом в повышение уровня безопасности угольной промышленности.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Для удовлетворения потребности российского рынка в рентабельном угле, шахты должны стремиться к объему добычи в 3 - 4 млн. т угля в год из комплексно-механизированного забоя. Реальность выполнения такой задачи подтверждается опытом работы шахт Кузбасса, где с применением отечественных и зарубежных очистных комплексов неоднократно достигалась наивысшая суточная производительность в 10-26 тыс. т угля. При этом наибольшую опасность начинает представлять метановыделение из отбитого угля.

2. Усовершенствована методика прогноза метановыделения из отбитого угля при разрушении газоносного угольного пласта резанием на очистных и подготовительных участках применительно к технологии «шахта - лава», основанная на динамических принципах газообмена в вентиляционных струях, и разработаны методические положения по оценке предельно допустимой скорости подачи очистного комбайна по газовому фактору.

3. Изменение остаточной газоносности отбитого угля связано с динамикой газового давления при дегазации угольного пласта и описывается уравнением, учитывающим способность угля к измельчению и технические характеристики выемочных машин, при этом граничные условия задачи определяются последовательностью технологических операций при выемке угля или проведении подготовительных выработок.

4. Оценка метановой опасности выемочных и проходческих работ основывается на уравнениях стационарной конвективной и конвективно-турбулентной диффузии метана в горных выработках очистных и подготовительных участков и позволяет оценить предельную нагрузку на очистной забой и максимальную скорость подвигания подготовительного забоя по газовому фактору.

5. Критерием оптимизации режимных параметров для выемочных машин являются нагрузка на очистной забой, а целевая функция, характеризующая энергоемкость процесса разрушения угля резанием позволяет определить оптимальное сочетание скорости резания угля и скорости подачи с учетом ограничений по глубине резания, фактору взаимовлияния резцов, установленной мощности электродвигателя и газовому фактору.

6. Области допустимых решений и оптимальные режимные параметры выемочной машины при максимальном использовании мощности двигателя и реализации технически допустимой скорости подачи регламентируются газовой ситуацией в очистном забое, которая может быть доминирующим фактором, ограничивающим нагрузку на очистной забой.

7. Оптимальными конструктивными и режимными параметрами очистных комбайнов с учетом ограничения по газовому фактору являются скорость подачи от 8 до 13,5 м/мин; суммарная мощность двигателей 200...835 кВт; диаметр шнеков от 1,0 до 2,36 м; производительность 3,2...28,0 т/мин; масса - от 22 до 45 т.

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Качурип Н.М., Боршевич A.M., Бухтияров A.A., Сарычева И.В. Метановы-деление из отбитого угля при интенсивной отработке угольного пласта// 3-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства»: Материалы конференции/ ТулГУ. 8-10 июня 2010 г. Тула: ЗАО «Гриф и К», 2010. С. 200-204.

2. Боршевич A.M., Ковалев P.A., Бухтияров A.A., Сарычева И.В. Ограничение нагрузки на очнстной забой по газовому фактору// Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 232-239.

3. Качурин Н.М., Бухтияров A.A., Сарычева И.В. Оптимизация скорости транспортирования угля на очистном участке по газовому фактору// Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 97-103.

4. Каледина Н.О., Качурин А.Н., Сарычева И.В. Теоретическое обоснование модели метановыделения в подготовительный забой из отбитого угля// Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 124-128.

5. Сарычева И.В. Апробация модели оптимизации режимных параметров на примере выемочного комбайна К-500Ю// Перспективы инновационного развития угольных регионов России: Сборник трудов IV Международной научно-практической конференции; КузГТУ, г. Прокопьевск, 4-5 марта 2014 г. Прокопьевск: Изд-во филиала КузГТУ в г. Прокопьевске. 2014. С. 82-85.

6. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Качурин А.Н., Сарычева И.В. Математические модели метановыделения в подготовительные и очистные забои из отбитого угля// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 158-165.

7. Качурин Н.М., Сарычева И.В. Разработка оптимизационной модели расчета режимных параметров очистных комбайнов// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 166-177.

Изд. лиц J1P №020300 от 12.02.97 Подписано в печал ь 16.09.2014. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч. изд. л. 1 Д. Тираж 100 экз. Заказ 120 Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина. 92. Отпечатано в Издательстве ТудГУ. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95.