Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Аэрогазодинамические процессы при сооружении вертикальных стволов в газоносных горных породах

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

Автореферат диссертации по теме "Аэрогазодинамические процессы при сооружении вертикальных стволов в газоносных горных породах"

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов

Научный руководитель:

ПРОКОПОВ Альберт Юрьевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: ,гту

КОВАЛЕВ Роман Анатольевич, доктор технических наук, доцент, Ф1 ЬОУ ВПО «Тульский государственный университет»/ горно-строительныи факультет, декан

ШИНКАРЬ Игорь Георгиевич, кандидат технических наук, Заслуженный строитель России/ ООО «Донуглестрой», генеральный директор

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Кузниишахтострой», г. Кемерово

Защита состоится 28 декабря 2013 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г.Тула, просп. Ленина, 90, 6-й учебный корпус, ауд. 220. Тел./факс: (4872) 33-13-05, e-mail: toolart@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТулГУ (г. Тула, просп. Ленина, 92)

Автореферат разослан « ^ ^ » ноября. 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Копылов Андреи Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В ряде случаев проходка глубоких вертикальных стволов ведется с пересечением нефте- и газоносных пластов, при этом в забое и по всей глубине ствола могут образовываться взрывоопасные смеси воздуха с метаном, его гомологами и другими взрывоопасными газами. Такие условия имели место при проходке стволов рудников «Мир» и «Удачный» АК «Алроса», при пересечении газоносных пластов ряда сверхкатегорийных шахт Кузбасса (ш. «Юбилейная», ш. «Бутовская» и др.), украинского Донбасса (ш. им. А.Ф. Засядько, «Красноармейская-Западная №1» и др.). В практике отечественного шахтного строительства неоднократно возникали аварии, связанные со взрывами и вспышками газовоздушных смесей (ГВС), нефти и битумов, а также пожарами в проходимых и эксплуатируемых вертикальных стволах. Такие аварии происходили при проходке вентиляционно-вспомогательного и скипового стволов рудника «Удачный» в 2006 и 07 гг., в стволе ш. им. 50-летия СССР ГУП «Краснодонуголь» в 2004 г., в стволе рудника «Вершино-Дарасунский» компании «Руссдрагмет» в 2006 г. и др.

В этих случаях необходимы специальные мероприятия газового режима, большинство из которых разработаны применительно к очистным и подготовительным выработкам, проходимым и эксплуатируемым в условиях высокой газообильности угольных пластов и вмещающих пород. В связи с тем, что вертикальные стволы имеют целый ряд отличительных особенностей (действие объемных сил, наличие капежа, значительное изменение температуры вмещающих пород), необходимы дополнительные исследования аэрогазодинамических процессов, протекающих при буровзрывных работах, проветривании, погрузке породы и креплении для учета факторов газовой опасности при проектировании взрывозащиты стволов, проходимых в газоносных горных породах.

Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-13 гг.)», Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», тематического плана НИР на 2013-15 гг. кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет».

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов и формирования взрывоопасной среды в вертикальных стволах, проходимых в газоносных горных породах для обоснования методов и средств взрывозащиты.

Идея работы заключается в том, что последовательность и параметры взрывозащиты вертикальных стволов, проходимых буровзрывным способом в газоносных горных породах, проектируются на основе закономерностей

3

V

протекания аэрогазодинамических процессов, определяющих динамику формирования и распространения по стволу взрывоопасной среды. Основные научные положения, защищаемые автором: недопущение распространения взрыва ГВС по стволу обеспечивается ограничением максимальной массы одновременно взрываемых ВВ, зависящей от состава смеси газов, состава ВВ, диаметра ствола и критическои дальности разлета высокотемпературных продуктов взрыва, определяемой с учетом инерционности буферной среды в призабойном пространстве ствола;

изменение удельного газовыделения из разрушенной взрывом породы во времени описывается сплайн-функцией, коэффициенты аппроксимации которой зависят от природной газоносности пород, коэффициента газоотдачи и временных границ интервалов, при этом в 1-м и 2-м периодах изменение удельного газовыделения описывается логарифмической, а в 3-м и 4-м периодах - гиперболической функцией;

применение набрызгбетонирования после частичной уборки пород в стволе позволяет снизить газовыделение из обнаженных боковых поверхностей на 25-30 % что в итоге приводит к снижению суммарного газовыделения в ствол из всех источников при высоком коэффициенте газоотдачи (кт - 0,5) на 14-17 %; при среднем (кгаз = 0,3) - на 9-12 %, при низком коэффициенте (к <0 1) применение набрызгбетонирования боковых пород становится малоэффективным, так как уменьшает суммарное газовыделение в ствол не более чем на 3-5 %.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработан метод расчета максимально допустимого количества одновременно взрываемого ВВ по фактору недопущения распространения взрыва ГВС по стволу учитывающий состав смеси газов, состав ВВ, диаметр ствола и критическую дальность разлета высокотемпературных продуктов взрыва;

установлены закономерности тепловыделения в ствол при горении и взрыве газов и нефти для проектирования научно обоснованных параметров буферной предохранительной среды, поглощающей выделившееся тепло и

локализующей взрыв;

разработана расчетная модель динамики газовыделения в призабоиное пространство ствола из отбитой взрывом горной массы, обнаженных пород и подземных вод, позволяющая устанавливать влияние параметров БВР, вентиляции, погрузки, крепления и водоотлива на изменение газовыделения в

СТВОЛ

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются хронометражные наблюдения за ведением проходки стволов в газоносных горных породах, аналитические методы расчета на основе положений рудничной аэрогазодинамики, математическое моделирование динамики газовыделения в ствол из различных источников на разных стадиях проходческого цикла, статистический, корреляционный и технико-экономический анализ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием апробированных методов математической статистики, представительным объемом обработанных данных хронометражных измерений, высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором зависимостей, инженерно-техническими проработками и проектными решениями; внедрением результатов научных исследований.

Научное значение работы заключается в разработке модели аэрогазодинамических процессов, протекающих при буровзрывной технологии проходки стволов в газоносных горных породах, и выявлении закономерностей формирования взрывоопасной среды в призабойном пространстве ствола.

Практическое значение работы состоит в разработке методических основ проектирования взрывозащиты вертикальных стволов, сооружаемых в газоносных горных породах, и включающей технические, технологические и организационные мероприятия по 4 линиям взрывозащиты.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Ростовшахтострой» при разработке рабочей документации и проходке скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса», вентиляционно-вспомогательного и скипового стволов подземного рудника «Удачный» АК «Алроса» и вентиляционного ствола ООО «Шахта «Бутовская». Результаты исследований внедрены Шахтинским филиалом ФГБУ «ИПК» Минобрнауки России в образовательный процесс.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных симпозиумах «Неделя горняка - 2009, 2010, 2011», (г. Москва, 2009-11 гг.), международной конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), международной конференции «Форум горняков - 2009» (г. Днепропетровск, 2009 г.), 5-7-й и 9-й международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2009-11 гг.; БНТУ, г. Минск, 2013 г.), IX Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г. Москва — Котону (Бенин), 2010 г.), 15-17-й международных научных конференциях «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений», (г.Донецк, 2009-11 гг.), 3-й и 5-й Международных научно-практических конференциях «Перспективы освоения подземного пространства» (г. Днепропетровск, 2009, 2011 гг.), IV Международной научно-практической конференции «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (г. Антрацит, 2009 г.); Международной конференции «Подземные катастрофы: модели, прогноз, предотвращение» (г. Днепропетровск, 2009 г.); Международных научных конференциях «Перспектива - 2010» и «Перспектива - 2011» (г. Нальчик, 2010-11 гг.), Международной конференции «Взрывная технология. Эмпирика и теория. Достижения. Проблемы. Перспективы» (г. Тула,

20П г.), научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (2012 и 2013 гг.), кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, включая 6 стаей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, при этом 10 работ были опубликованы в зарубежной печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и 3 приложений, содержит 166 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 15 таблиц, библиографический список из 165 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Существенный вклад в разработку методов борьбы с метаном, взрывоза-щиты горных выработок, развитие рудничной аэрогазодинамики, разрушения горных пород взрывом и технологии сооружения вертикальных стволов внесли C.B. Борщевский, Б.И. Вайнштейн, Е.И. Захаров, С.А. Калякин, Н.М. Ка-чурин, Н.О. Каледина, P.A. Ковалев, Н.П. Куприянов, И.А. Мартыненко, С.П. Минеев, В.И. Мурашев, П.А. Парамонов, А.Ю. Прокопов, Л.А. Пучков, A.A. Рубинский, Э.М. Соколов, С.Г. Страданченко, П.С. Сыркин, К.Н. Трубецкой, К.З. Ушаков, Г.С. Франкевич, Н.Р. Шевцов, И.Г. Шинкарь, Ф.И. Ягодкин и др. ученые.

Несмотря на определенные успехи ученых и специалистов в решении проблемы предупреждения взрывов горючих газов и воспламенения нефти, битумов и других взрыво- и пожароопасных соединений и смесей, на горнодобывающих предприятиях мира периодически происходят аварии, связанные с пожарами и взрывами, в том числе при проходке стволов в условиях нефтега-зопроявлений.

В связи с этим цель, идея работы и современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач:

исследовать влияние интенсивности нефтегазопроявлений на продолжительность отдельных процессов проходческого цикла (по результатам хрономегражных наблюдений);

выявить закономерности протекания аэрогазодинамических процессов и формирования взрывоопасной среды в вертикальных выработках при буровзрывном способе их проходки.

определить влияние технологических параметров сооружения ствола на динамику газовыделения;

разработать методические основы проектирования многоуровневой взры-возащиты вертикальных стволов, проходимых в газоносных горных породах.

Для анализа влияния выделений газа, нефти и битумов на технологию проходки и разработку мер взрывозащиты стволов были проведены хроно-

метражные наблюдения при проходке скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса» на участках нефтегазопроявлений. Статистический анализ результатов показал большой разброс значений величины заходки, вызванный изменяющимися горно-геологическими условиями. В 9 случаях из 24 заходка составляла от 2 до 2,5 м, КИШ был близок к 1, а в нескольких случаях превышал ее. Из структуры затрат времени на выполнение процессов проходческого цикла следует, что около 51 % времени занимает погрузка породы и разборка забоя, нарушенного взрывом вследствие влияния нефтегазопроявлений, 23,6 % - бурение шпуров, 12,5 % - крепление тюбингами, 9 % -заряжание, взрывание и проветривание, 3,9 %- спуск-подъем полка и приведение забоя в безопасное состояние.

Исходя из того, что критерием воспламеняющей агрессивности взрыва является количество теплоты, выделяющееся в единицу времени, получено обобщенное уравнение тепловыделения в ствол от сгорания нефти и газа с учетом газовыделения из взорванных пород, параметров заходки, характеристик массива и рассолов:

V , л

<2 =

V'o

i,Л fi1 100

273

ВЫГ

^прунф 'с

273 -и, рнф

<7нф' О)

Vi "^пр'зах и /,(0 _ коэффициент и функция от времени, учитываю-

где

щие изменения

пр + 4/зах j

удельного газовыделения из взорванных пород; пр ' ~"зах)/4 и /2^) - коэффициент и функция от времени, учитывающие изменения удельного газовыделения из забоя и обнаженных

взрывом

kfi =-nDnJ.

пр'зах

DnpWn

ствола;

3 ^

8е Ррас

---—it

3dvL

kf,=-

зах

(iDnpWn +4 k„itc),

f3(t) — коэффициенты и функция

изменения удельного газовыделения из рассолов для однородных пород и для трещиноватых пород соответственно; qj и kj - удельная теплота сгорания и объемная концентрация чистых компонентов смеси; 13 - температура в забое от начала горения и взрыва; Snp - площадь поперечного сечения ствола в

проходке; - скорость выгорания нефти; р„ф и <7„ф - плотность и удельная

теплота сгорания нефти по массе; /0 — время момента начала взрыва заряда ВВ в забое ствола; /с - время встречи фронта пламени с пламегасящей средой (затухание очага); /зах — величина заходки за цикл; Dnp - диаметр ствола в проходке; W„ - водонасыщенность горных пород; £ст = Кр// - коэффициент

фильтрации пород вокруг ствола; Fp - скорость фильтрации рассола; к„ - ; / = hjL — гидравлический коэффициент потока, равный потере напора h на

проксимации а„ Ъ, будут определяться суммарной газоносностью ^С и коэффициентом газоотдачи кт, равным:

к _ __^св_? (5)

' Ссв + + Саб + Схем

где Ссв - газоносность пород, обусловленная наличием газов в свободном состоянии; м3/м3; ^ С - суммарная газоносность, включающая газоносность

вследствие свободного газа Ссв, а также находящегося в адсорбированном абсорбированном и хемосорбированном Схем состояниях. Параметры, входящие в формулу (5), определяются экспериментально. Для условий вертикальных стволов рудника «Удачный» значение # колеблется по глубине в

пределах 0,22-0,4. При этом на долю метана приходится 30-60 % свободных газов, а в сорбированных газах превалируют его гомологи (65-80 %).

Исходя из непрерывности сплайн-функции /,(/) на всей области определения и соотношений между выделением свободных и сорбированных газов, получены уравнения для расчета коэффициентов аппроксимации:

' 1п —— 1

= -а, 1п 10; а2 -

411+/,

12 12

а4 = Ч^-О!0-/!^^-^) . ^ =/,(/з)_£1.

/3

Изменение концентрации взрывоопасных газов в призабойном пространстве ствола со временем зависит от динамики удельного газовыделения, величины заходки за цикл, коэффициента газоотдачи и подачи свежего воздуха в забой ствола. Максимальное значение концентрации углеводородных газов (УВГ) в условиях подземного рудника «Удачный» возникает в первые 10-15 с после взрыва и может достигать 10-23 % (при коэффициенте газоотдачи кгзз = 0,1); 25-47 % (при кт = 0,3) и 34-57 % {кт = 0,5) в зависимости от заходки.

В определенные промежутки времени в призабойном пространстве ствола даже при минимальной заходке (/зах = 1,5 м) и применении наиболее мощных вентиляторов местного проветривания (О до 30 м3/с) может возникать взрывоопасная концентрация газов, продолжительность существования которой в условиях рудника «Удачный» колеблется в пределах от 1,4 до 3,9 мин.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Склепчук, Вячеслав Леонидович, Ростов-на-Дону

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

На правах рукописи

СКЛЕПЧУК ВЯЧЕСЛАВ ЛЕОНИДОВИЧ

АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СООРУЖЕНИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В ГАЗОНОСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - Прокопов А.Ю.

Ростов-на-Дону - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................... 5

1. Современное состояние вопроса сооружения вертикальных выработок в условиях нефтегазопроявлений....................................9

1.1. Общие сведения............................................................................. 9

1.2. Анализ видов, источников возникновения и последствий воспламенения газовоздушных смесей, нефти и битумов при проходке вертикальных выработок.............................................. 12

1.2.1. Источники выделения горючих и взрывоопасных газов в вертикальных стволах и оценка степени их влияния

на различных стадиях проходческого цикла..........................................................................12

1.2.2. Источники воспламенений и условия их возникновения....................................14

1.2.3. Классификация воаыаменений....................................................................................................................16

1.2.4. Анализ факторов, влияющих на взрывчатость газовоздушных смесей........................................................................................................................................................................................................16

1.2.5. Вредные последствия воспламенения газовоздушных смесей................18

1.3. Анализ отечественного опыта взрывозащиты при сооружении вертикальных стволов.............................................. 19

1.4. Анализ зарубежного опыта проведения стволов в условиях, опасных по взрывам газов............................................................. 29

1.5. Анализ причин и последствий произошедших аварий, вызванных взрывами газовоздушных смесей при проходке вертикальных стволов и скважин................................................. 30

1.6. Анализ нормативных документов в области взрывозащиты вертикальных стволов.................................................................... 35

1.7. Анализ современных исследований в области взрывозащиты горных выработок.......................................................................... 36

1.8. Выводы. Цели и задачи исследований........................................ 38

2. Шахтные исследования влияния газонефтепроявлений на показатели сооружения вертикальных стволов............................ 40

2.1. Хронометражные наблюдения за проведением скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса» на участке нефтегазопроявлений................................................................... 40

2.1.1. Общая характеристика ствола........................................................ 40

2.1.2. Цель и методика хронометраэ/сных наблюдений 40

2.1.3. Результаты хронометраэ/сных наблюдений и их анализ................ 41

2.2. Результаты хронометражных наблюдений за проведением

вертикальных стволов АП «Шахта им. А.Ф. Засядько».......... ^

2.2.1. Общая характеристика шахты........................................................ 48

2.2.2. Характеристика вертикальных стволов..................................................................................48

2.2.3. Результаты хронометраэюных наблюдений и их анализ................................49

2.3. Разработка критериев отнесения выработок к опасным по га-зонефтепроявлениям и классификация нефтегазоопасных

зон....................................................................................................................................................................................................51

2.4. Выводы по главе 2..................................................................................................................................................54

3. Особенности развития воспламенений и взрывов в вертикальных выработках................................................................. 56

3.1. Определение опасных зон, возникающих в стволе

при развитии взрыва.................................................................... 56

3.2. Определение параметров распространения взрыва в зонах взрывного горения и выброса пламени..................................... 59

3.2.1. Особенности выделения и воспламенения нефти и газа

в вертикальных стволах...........................................................................................................................................60

3.2.2. Определение количества теплоты, выделяемого в ствол при горении и взрыве......................................................................................................................................................................61

3.2.3. Определение инерционности буферной среды..................................................................71

3.2.4. Определение критической дальности разлета высокотемпературных продуктов взрыва..............................................................................71

3.2.5. Оценка скорости движения пламени в стволе................................................................74

3.2.6. Определение давления в зоне горения................................................................................................75

3.3. Определение параметров распространения воздушной ударной волны в стволе после прекращения горения............................80

3.4. Выводы по главе 3..................................................................................................................................................83

4. Исследование протекания аэрогазодинамических процессов и формирования взрывоопасной среды при проходке вертикальных стволов в условиях нефтегазопроявлений................. 85

4.1. Влияние параметров буровзрывных работ на суммарное газовыделение в ствол................................................................. 85

4.1.1. Величина заходки и площадь сечения в проходке................................................85

4.1.2. Тип и количество одновременно взрываемых ВВ..........................................................91

4.1.3. Ступени и суммарное время замедления при короткозамедленном взрывании................................................................................................................99

4.2. Исследование взаимосвязи параметров проветривания, погрузки породы и водоотлива с концентрацией взрывоопасных газов в стволе............................................................................................................100

4.2.1. Построение математической модели процесса газовыделения после взрыва в период проветривания и погрузки породы.............. 100

4.2.2. Влияние параметров проветривания и газоносности на концентрацию взрывоопасных газов в призабойном пространстве ствола.........................................................................". 111

4.2.3. Влияние параметров погрузки горной массы.............................. 118

4.2.4. Влияние параметров водоотлива............................................... 122

4.3. Влияние параметров временной крепи на процесс газовыделения из боковых пород................................................. 126

4.3.1. Построение математической модели процесса газовыделения в ствол из незакрепленных боковых пород........................................... 126

4.3.2. Влияние временной набрызгбетоииой крепи на динамику газовыделения в ствол ................................................................................... 130

4.4. Выводы по главе 4......................................................................... 132

5. Разработка и промышленная апробация концепции взрывозащиты вертикальных стволов, проходимых в условиях нефтегазопроявлсний.................................................................................... 136

5.1. Разработка концепции взрывозащиты вертикальных стволов 13 6

5.1.1. Общие положения..............................................................................................................................................................136

5.1.2. 1-я линия взрывозащиты ......................................................................................................................................138

5.1.3. 2-я линия взрывозащиты........................................................................................................................................141

5.1.4. 3-я линия взрывозащиты........................................................................................................................................142

5.1.5. 4-я линия взрывозащиты........................................................................................................................................143

5.2. Промышленная апробация разработанных мер взрывозащиты..................................................................................................................................................................144

5.2.1. Использование предохранительной пенной среды при проходке вентиляционно-вспомогательного ствола (ВВС) подземного рудника «Удачный»............................................................................. 144

5.2.2. Организационно-технические мероприятия по обеспечению безопасности при проходке вентиляционно-вспомогательного (ВВС) и скипового (СС) стволов рудника «Удачный» на участках нефтегазопроявлений.......................................................................... 144

5.2.3. Проектирование мероприятий по дегазации массива и локализации иефтепроявлений при проходке клетевого ствола

(КС) подземного рудника «Удачный»................................................ 149

5.3. Выводы по главе 5...........................................................................152

Заключение................................................................................................. 154

Библиографический список................................................................... 156

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 2.1. Результаты хрономегражных наблюдений за проведением скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса» на участке

нефтегазопроявлений............................................................................................ 167

Приложение 5.1. Акт внедрения результатов исследований при строительстве вентиляционно-вспомогатсльного ствола подземного рудника «Удачный» АК «Алроса»................................................................................................ 169

Приложение 5.2. Акт внедрения результатов исследований при строительстве вентиляционного ствола шахты «Бутовская»............................................ 171

ВВЕДЕНИЕ

Вертикальные стволы шахт и рудников проходятся в самых разнообразных горно-геологических условиях. Стволы, как главные вскрывающие выработки, пересекают многочисленные слои горных пород, имеющие различное происхождение, механические и физико-химические свойства, водо-обильность, газонасыщенность, нефтеносность, битуминозность и другие характеристики, оказывающие существенное влияние, как на технологию проведения ствола, так и на организационно-технические мероприятия по обеспечению безопасности горнопроходческих работ.

Увеличение глубин разработки связано с ухудшением горно-геологических условий. В ряде случаев проходка глубоких вертикальных стволов ведется с пересечением газоносных пластов, при этом в забое и по всей глубине ствола могут образовываться взрывоопасные смеси воздуха с метаном, его гомологами (этаном, пропаном, бутаном и более высокими) и другими взрывоопасными газами. Такие условия имели место при проходке вертикальных стволов подземных рудников «Мир» и «Удачный» АК «Алроса», при пересечении газоносных пластов ряда сверхкатегорийных шахт Кузбасса (ш. «Юбилейная», ш. «Бутовская» и др.), украинского Донбасса (ш. им. А.Ф. Засядько, «Красноармейская-Западная №1» и др.). В практике отечественного шахтного строительства неоднократно возникали аварии, связанные со взрывами и вспышками газовоздушных смесей (ГВС), нефти и битумов, а также пожарами в проходимых и эксплуатируемых вертикальных стволах. Такие аварии происходили при проходке вентиляционно-вспомогательного и скипового стволов рудника «Удачный» в 2006 и 07 гг. [111], в стволе ш. им. 50-летия СССР ГУП «Краснодонуголь» в 2004 г., в стволе рудника «Вершино-Дарасунский» компании «Руссдрагмет» в 2006 г. и др. [70].

В этих случаях необходимы специальные мероприятия по взрывозащи-те вертикальных стволов. К наиболее известным и распространенным способам предупреждения взрывов ГВС в подземных горных выработках, проводимых по газоносным породам, относятся: дегазация; специальные режимы и средства проветривания, не допускающие образования взрывоопасной концентрации ГВС; меры по недопущению источников инициирования взрыва, либо по исключению возможности их контакта (вообще или дольше определенного времени); создание инертной среды в месте и во время возможного образования взрывоопасной ГВС и др.

Однако, большинство вышеуказанных мероприятий газового режима разработаны применительно к очистным и подготовительным (горизонтальным и наклонным) выработкам, проходимым и эксплуатируемым в условиях высокой газообильности угольных пластов и вмещающих пород, так как подавляющее большинство аварий, связанных со вспышками и взрывами ГВС, происходят именно в этих выработках.

Вертикальные стволы имеют целый ряд отличительных особенностей: действие объемных сил, наличие капежа, значительное изменение темпера-

туры вмещающих пород по глубине, технологические особенности буровзрывных работ, проветривания, водоотлива, крепления и др., оказывающих существенное влияние на изменение во времени концентрации горючих газов в призабойном пространстве при различных процессах проходческого цикла, а также на распространение газопылевого облака и ударной волны после взрывных работ. Эти факторы необходимо учитывать при проектировании взрывозащиты стволов, проходимых в условиях нефтегазопроявлений.

Тем не менее мероприятиям по пожаро- и взрывозащите вертикальных стволов в периоды их проходки и эксплуатации уделяется недостаточное внимание. Остается непроработанным ряд теоретических вопросов и практических задач по обеспечению безопасности и технико-экономической эффективности проходки вертикальных стволов шахт и рудников при пересечении зон нефтегазопроявлений. Это приводит к возникновению пожаров, взрывов ГВС в стволах, а также значительному снижению темпов проходки из-за неправильного проектирования параметров проветривания и технологии буровзрывных работ. Поэтому дальнейшее совершенствование технологии сооружения, а также методов и средств взрывозащиты вертикальных стволов, проходимых в газоносных горных породах, является актуальной задачей шахтного строительства.

Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-13 гг.)»; Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; тематического плана НИР на 2013 -15 гг. кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет».

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов и формирования взрывоопасной среды в вертикальных стволах, проходимых в газоносных горных породах для обоснования методов и средств взрывозащиты.

Идея работы заключается в том, что последовательность и параметры взрывозащиты вертикальных стволов, проходимых буровзрывным способом в газоносных горных породах, проектируются на основе закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов, определяющих динамику формирования и распространения по стволу взрывоопасной среды. Основные научные положения, защищаемые автором: недопущение распространения взрыва ГВС по стволу обеспечивается ограничением максимальной массы одновременно взрываемых ВВ, зависящей от состава смеси газов, состава ВВ, диаметра ствола и критической дальности разлета высокотемпературных продуктов взрыва, определяемой с учетом инерционности буферной среды в призабойном пространстве ствола;

изменение удельного газовыделения из разрушенной взрывом породы во времени описывается сплайн-функцией, коэффициенты аппроксимации которой зависят от природной газоносности пород, коэффициента газоотдачи

и временных границ интервалов, при этом в 1-м и 2-м периодах изменение удельного газовыделения описывается логарифмической, а в 3-м и 4-м периодах - гиперболической функцией;

применение набрызгбетонирования после частичной уборки пород в стволе позволяет снизить газовыделение из обнаженных боковых поверхностей на 25-30 %, что в итоге приводит к снижению суммарного газовыделения в ствол из всех источников при высоком коэффициенте газоотдачи (кгга = 0,5) на 14-17 %; при среднем (/сгаз = 0,3) - на 9-12 %, при низком коэффициенте (/сгаз <0,1) применение набрызгбетонирования боковых пород становится малоэффективным, так как уменьшает суммарное газовыделение в ствол не более чем на 3-5 %.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработан метод расчета максимально допустимого количества одновременно взрываемого ВВ по фактору недопущения распространения взрыва ГВС по стволу, учитывающий состав смеси газов, состав ВВ, диаметр ствола и критическую дальность разлета высокотемпературных продуктов взрыва;

установлены закономерности тепловыделения в ствол при горении и взрыве газов и нефти для проектирования научно обоснованных параметров буферной предохранительной среды, поглощающей выделившееся тепло и локализующей взрыв;

разработана расчетная модель динамики газовыделения в призабойное пространство ствола из отбитой взрывом горной массы, обнаженных пород и подземных вод, позволяющая устанавливать влияние параметров БВР, вентиляции, погрузки, крепления и водоотлива на изменение газовыделения в ствол.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются хронометражные наблюдения за ведением проходки стволов в газоносных горных породах, аналитические методы расчета на основе положений рудничной аэрогазодинамики, математическое моделирование динамики газовыделения в ствол из различных источников на разных стадиях проходческого цикла, статистический, корреляционный и технико-экономический анали�