Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогноз динамики газовыделения и оценка газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах

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

Автореферат диссертации по теме "Прогноз динамики газовыделения и оценка газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах"

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Олег Александрович

ПРОГНОЗ ДИНАМИКИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ И ОЦЕНКА ГАЗОВЫХ СИТУАЦИЙ В УГЛЕКИСЛОТООБИЛЬНЫХ

ШАХТАХ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С Г 'О чгм/

I 0 I ¿»Ц

Тула 2014

005548239

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:

ГЕНДЛЕР Семён Григорьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Национального минерально-сырьевого университета «Горный»/ кафедра «Безопасности производств», профессор, г. Санкт-Петербург;

ЛИСКОВА Мария Юрьевна, кандидат технических наук, старший преподаватель Пермского национального исследовательского политехнического университета/ кафедра электрификации и автоматизации горных предприятий, г. Пермь.

Ведущая организация: ФГБУН «Горный институт» УрО РАН, г. Пермь.

Защита диссертации состоится «18» июня 2014 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, д. 90, ауд. 220, б-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

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

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного сов

Копылов Андрей Борисович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одна из глобальных проблем экономики — истощение природных ресурсов энергоносителей. Так, в России доля природного газа как топлива на теплоэлектростанциях будет снижаться вследствие падения добычи. Мировая электроэнергетика в среднем на 43 % основана на угле: в Европе - более 50 %, в США - на 56 %, в Китае - на 70 %. В России его доля на теплоэлектростанциях составляет 27 %, а с учетом атомных и гидростанций - 18 %. Разведанных запасов газа хватит на 80 лет, а угля - на 300 лет. Традиционные месторождения иссякают, а для освоения новых месторождений газа требуются огромные затраты. Таким образом, для угольной промышленности открываются новые перспективы. Однако газовый фактор во многом ограничивает современные геотехнологические возможности освоения угольных месторождений.

Анализ данных по интенсивности загазирования горных выработок угле-кислотообильных шахт свидетельствует о высоком уровне газовой опасности. Это не соответствует перспективным планам развития угольной отрасли в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах. Например, Подмосковный бассейн всегда занимал особое место в угольной промышленности России в связи с географическим расположением его в центре Европейской части. Разведанные балансовые запасы бурого угля бассейна составляют 3,4 млрд тонн, основная часть которых сосредоточена в Тульской области - 1,4 млрд тонн. При этом, несмотря на снижение числа угледобывающих предприятий, нарушение газового состава рудничной атмосферы всегда являлось основной причиной несчастных случаев со смертельным исходом.

При некоторых благоприятных тенденциях состояние промышленной безопасности в угольной отрасли остается достаточно напряженным, проти-воаварийная устойчивость угольных предприятий РФ требует совершенствования. Анализ аварийности на угольных шахтах показывает, что газовыделение из выработанных пространств является одной из основных причин несчастных случаев.

В условиях перехода к рыночной экономике, особенно в условиях реальных рыночных отношений, достоверность прогноза безопасности горных работ по аэрологическому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью горных работ по газовому фактору приводит к крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт. С другой стороны, при отсутствии аварий достоверный прогноз газовыделений может существенно снизить расчетное количество воздуха для проветривания подготовительных участков, что уменьшает эксплуатационные затраты на вентиляцию шахт при сохранении высокого уровня безопасности горных работ.

Следовательно, прогноз динамики газовыделения и оценка газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах представляют исключительную актуальность для углекислотообильных шахт России.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 гг.)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Целью работы являлось уточнение закономерностей фильтрационно-диффузионного переноса газов в угольных пластах, выработанных пространствах и горных выработках, а также разбавления и переноса газовых примесей в вентиляционном потоке горных выработок очистных и подготовительных участков с учетом трендов временного ряда атмосферного давления для прогноза газовых ситуаций в период экстренных газовыделений и повышение безопасности очистных и подготовительных работ.

Идея работы заключается в том, что прогнозная оценка газовых ситуаций в периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в воздухе, которая обеспечивает повышение уровня безопасности подземных работ, должна основываться на адекватных математических моделях, адаптированных информационно и технически к фильтрационно-диффузионным процессам на различных технологических участках углекислотообильных шахт и повышающих достоверность прогнозных оценок опасных газовых ситуаций.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

достоверный прогноз динамики изменения атмосферного давления основывается на алгоритме выделения информативных фрагментов исследуемого временного ряда и использования вейвлет-анализа для определения прогнозных значений скорости падения давления, что позволяет количественно задать параметры граничного условия первого рода для уравнения фильтрации;

при стабильном атмосферном давлении абсолютная газообильность углекислотообильных шахт однозначно определяется процессами кнудсеновской и фольмеровской диффузии кислорода шахтной атмосферы в угольный пласт и последующего низкотемпературного окисления угля;

линеаризация одномерного уравнения фильтрации методами Л.С. Лейбен-зона и И.А. Чарного дает практически одинаковую погрешность, не превышающую 2 % в интервалах изменения атмосферного давления от 94816 до 100000 Па в течение 24 ч.;

наиболее эффективным техническим средством обеспечения аэрологической безопасности при экстренных газовыделениях является подача допол-

нительного количества воздуха, которое рассчитывается динамическим методом с учетом диффузионных процессов.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

разработан алгоритм выделения информативных фрагментов исследуемого временного ряда атмосферного давления и использования вейвлет - анализа для определения прогнозных значений скорости падения давления;

получено автомодельное решение уравнения фильтрационного переноса газа, которое является эталоном точности для линеаризованных решений уравнения фильтрации параболического типа;

разработан и апробирован метод динамического расчета дополнительного количества воздуха для проветривания подготовительных выработок и очистных участков по фактору снижения концентрации кислорода в периоды экстренного газовыделения, обусловленного падением атмосферного давления.

Практическая значимость заключается в том, что использование метода вейвлет-анализа для прогноза и хранения данных по аномальным колебаниям атмосферного давления позволяет прогнозировать скорость падения атмосферного давления, а разработанный комплекс программных средств позволяет оперативно производить расчеты количества воздуха для проветривания подготовительных выработок и очистного участка по фактору обескислороживания с учетом прогнозируемой скорости падения давления.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований и использованием классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных компьютерных технологий;

результатами анализа и обработки большого объема данных по изменению атмосферному давлению на рассматриваемой территории, и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности применяемой модели для построения прогнозных значений атмосферного давления;

удовлетворительным совпадением прогнозных значений газовыделения с результатами шахтных наблюдений (отклонения, как правило, не превышали 30 %).

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке газовых ситуаций на углекислотообильных шахтах. Комплекс программных средств используется в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); I Всероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти» - «Информтех-2008» (г. Курск, 2008 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2007-2011 гг.); Международной конференции "Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений", посвященной 80-летию профессора Н.С. Булычева; Международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений»; 8-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 8 статей, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 123 страницах машинописного текста, содержит 33 иллюстрации, 5 таблиц, список литературы из 121 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Задача прогноза динамики фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования подземной разработки угольных месторождений. Задачи рудничной аэрогазодинамики углекислотообильных шахт решали A.A. Ско-чинский, JI.H. Быков, Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, С.Г. Гнедлер, Н.Г. Рыжи-кова, М.Б. Сулла, P.A. Ковалев, А.Ф. Симанкин и др. Их исследования показали, что газовыделение в горных выработках является нестационарным процессом, при стабильном барометрическом давлении уровень газовыделений : сравнительно невысок, главную же опасность представляет экстренное газовыделение. Между выработанным пространством и действующими выработками газовый обмен может происходить под влиянием изменений барометрического давления в горных выработках или при наличии аэродинамической связи с поверхностью. Экстренные газовыделения, представляющие опасность для горнорабочих, происходят при снижениях барометрического давления с градиентами, превышающими 1 мм рт. ст./ч. Математическая мо-

дель газовыделения из пористой среды представляет собой одномерную задачу фильтрационного переноса.

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

1. Проанализировать и обобщить технологические условия, влияющие на газообмен между поверхностью обнажения угольного пласта, выработанными пространствами и рудничным воздухом на добычных и подготовительных участках для различных технологических условий.

2. Систематизировать данных по аномальным колебаниям атмосферного давления.

3. Провести оценку эффективности методов линеаризации нелинейного уравнения фильтрации при решении задач по выделению газовой смеси из выработанных пространств в периоды снижения атмосферного давления.

4. Уточнить математическую модель диффузионных процессов в угольных пластах и выработанных пространствах в периоды экстренных газовы-делениий.

5. Провести вычислительные эксперименты и усовершенствовать методику анализа фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках в периоды снижения атмосферного давления за счет уточнения границ применения рассмотренных методов линеаризации и расчета среднеинтегральных значений концентрации газовых компонент, определяющих газовую среду выработанных пространств. Оценить адекватность усовершенствованной методики.

Наибольшее влияние на газовыделение оказывает выработанное пространство и длина вентиляционной сети. Фактор влияния падения барометрического давления на газовыделения является превалирующим особенно для выработанных пространств, и существует зависимость выделения углекислого газа из последних от градиента падения барометрического давления. Количество выделяющегося углекислого газа в целом по шахте зависит от объема выработанного пространства.

В ходе эксперимента установлено, что на количество выделяющегося углекислого газа в выработку влияют не только время и глубина падения атмосферного давления в рассматриваемый период, но и глубина и продолжительность падения давления предыдущего периода, определяющего накопление газа в результате десорбции и окисления.

В Гидрометцентре России хранится информация по атмосферному давлению, среднесуточной температуре и относительной влажности. Прогноз данных по атмосферному давлению, представляющих собой дискретный временной ряд, проиллюстрирован на рисунке 1.

Анализ показал, что указанный рад не является стационарным. Видно, что различия между отрезками временного ряда являются достоверными (таблица 1).

Таким образом, подтверждено, что рассматриваемый временной ряд является нестационарным.

Поэтому прогноз проводится с использованием адаптивных методов прогнозирования, что позволяет не выдвигать требования стационарности к рассматриваемому временному ряду. Данная модель, использующаяся при краткосрочных прогнозах, имеет вид (1) График прогнозных значений представлен на рисунке 2.

Р<л =аР,_]+(1~а)Р1_1, (1)

где к - число шагов прогноза; е(г) - ошибка прогноза.

Рисунок 1 - График данных атмосферного давления за 2012 год

Таблица 1 — Сравнение средних арифметических выборок согласно __^критерию Стьюдента___

Параметры Выборки

1 2 3

Расчетное значение 1 4,67 2,95 1,93

Табличное значение 1

Уровень значимости 0,1 1,65 1,65 1,65

0,05 1,96 1,96 1,96

0,01 2,58 2,58 2,58

Процесс систематизирования данных по аномальным колебаниям атмосферного давления состоит из:

1) сегментации дискретного временного ряда (данных по атмосферному давлению) с целью обнаружения информативных фрагментов;

2) построения модели информативных фрагментов.

Задача сегментации решается как выявление информативных фрагментов исследуемого временного ряда. Строится экстраполированный дискретный временной ряд, который в каких-то точках будет совпадать с исходным, а в каких-то и различаться. Указанные точки (или участки) совпадения и показывают границы информативных фрагментов. Применяя вейвлет-анализ к информативным фрагментам, используем их представление в виде совокупности последовательных приближений грубой (аппроксимирующей) А„(0 и

уточненной (детализирующей) £>,„(?) составляющих:

т

р(0 = Ат( 0+££>у(0- (2)

М

-~ ттг 111 И т 1! Г 1 Ж

I Тт "Пт II 1 ! 1 1 и1 л*к -I- №

ТТ[1гТ ¡1 м ! Ц. | А \ !: • И 14 Щ1 1 |Й1: |

' . I у. ,1г Ш !1 1 ПТ X ш >1

1 1 п 1 —У;» 1 \ 1 1 И* 1 И ш | |

1 } 1И1 1 5:1 | 1 1 -Н-+- 1 -4-4-1- 1 Г 144-4 I1 и ! 1 4 ! 111 ) : ( (4_ ■й 1—^

п.в!р» го«,..«™ Вн.»» »»!-«»■"»

Рисунок 2 - График прогноза данных атмосферного давления: 1 - наблюдаемые значения; 2 - прогнозируемые значения;

3 - доверительный интервал

Предлагается при построении модели однородных фрагментов временного ряда в качестве параметров векторов брать информацию из набора коэффициентов декомпозиции атк для определенного масштаба т, при применении вейвлет - анализа к однородным фрагментам временного ряда, используя при этом восьмиточечный фильтр, п = 4 .

При построении модели информативных фрагментов используется процедура векторного квантования информативных участков сигнала. Указанный участок заменяется вектором параметров и помещается в кодо-

вую книгу, хранящуюся в базе данных.

Использование систематизации данных по аномальным колебаниям атмо-

сферного давления, включающую в себя предложенный способ построения математической модели участков временного ряда, а также спроектированную базу данных, по аномальным колебаниям атмосферного давления, позволяет корректировать параметры прогнозной модели с целью улучшения

достоверности прогноза.

Практический интерес в рамках задачи прогноза динамики газовыделения из выработанных пространств представляет прогноз величины скорости падения атмосферного давления - параметра г . Для подпора оптимального параметра адаптации необходимо проведение определенного числа «обкаток» модели для наилучшего приближения. Данное время можно сократить, если для рассматриваемой части временного ряда найти ближайший вектор из базы данных с соответствующим ему параметром адаптации. Таким образом, с одной стороны получаем прогнозную скорость падения давления по прогнозному значению временного ряда давления г,, с другой - другую прогнозную величину Г2 с использованным оптимальным параметром адаптации, соответствующим найденному вектору. В качестве уточненного значения скорости падения атмосферного давления берем г = (/-, +г2)/ 2. Доверительные интервалы также уточняются.

Перенос газа в пористой несорбирущей среде происходит под действием градиента давления, обусловленного либо технологическими воздействиями, либо колебаниями статического давления воздуха в горных выработках. Анализ результатов многолетних наблюдений как на метанообильных, так и на углекислотообильных шахтах показал, что колебания статического давления воздуха оказывают основное влияние на газовыделение из выработанных пространств. При этом практический интерес представляют периоды уменьшения давления.

Задача изменения давления газа внутри выработанного пространства запишется в виде

ф = Л-^-, Р0с,0) = ра, р(0,0 = ра - П. (3)

3/ 2т\т дх

Первый вариант линеаризации — заменить переменное давление р в коэффициенте уравнения (3) на постоянное давление ра, равное начальному давлению в пласте. Тогда, обозначив К = кра!Г]т, произведя замену

р1 = Р, получим вместо уравнения (2) уравнение теплопроводности, аналитическое решение которого хорошо известно.

Решение полученного уравнения является приближенным, так как получено в результате интегрирования линеаризованного уравнения, а не точного.

Второй вариант линеаризации эквивалентнен осреднению нелинейного коэффициента в уравнении Лейбензона по его среднелогарифмическому зна-

10

чению, пр этом вводятся обозначения х = ка 1 Таким образом система имеет вид

•X

где

рО,г) = (Ра-пТ +

Р2аег/

2 ^К

\-erf

\2 4гп)

г ггх4 иг

12 К2

\Pa-rt) К

Xг

■л

4пк

ехр -

Ш

К

0,5

Пусть к = — , при этом: Ра

} =

т] дх

к р„{2к/-к212) 'т] г4лШх.(\-ъУ

(4)

(5)

Одним из эффективных путей точного решения уравнения Лейбензона является автомодельные решения, которые служат эталоном точности приближенных методов линеаризации, и в этом их большое принципиальное значение.

Произведя замену переменных в (3), получаем обыкновенное дифференциальное уравнение, которое решается численно:

(6)

й?£Г

где £ = х4пГ (Ра - ПУХ - безразмерная комбинация. На рисунке 3 представлен график точного решения (2).

Рисунок 3 - График точного решения

Анализ эффективности методов линеаризации был проведен на модельном примере при различных значениях глубины выработанного пространства. Сравнивались два ряда: ряд значений точного решений и ряд значений, полученных при решении линеаризованного уравнения.

Был проведен совокупный анализ отклонений двух рассмотренных выше приближенных методов решения и точного. Результатом данного анализа является таблица 2, в которой показана величина отклонения линеаризованного решения от точного при конкретных значениях координат х и / в (%).

Таким образом, рассмотренные методы линеаризации вполне допустимы, однако дальнейшее увеличение глубины выработанного пространства приводит к существенным отклонениям от точного решения задачи. Метод линеаризации, в котором происходит осреднение нелинейного коэффициента в уравнении Лейбензона по его среднелогарифмическому значению, дает лучший результат относительно метода, в котором указанный коэффициент заменяется константой.

Таблица 2 - Расчет отклонений между точным и приближенными _методами решения, %_

Время, с Глубина выработанного пространства, м

10 20 30 40 50 60 70 80

73600 0,22 0,45 0.63 кШШЁ 0,86 ршйшя? 0Л>6 0,96

74400 0,22 0,45 шви 0,77 О.«"? и •»* 0,97 Щмм

75200 0,22 0,45 0.64 п.— (1.87 0.94 0,97 к^ШШ

76000 0,22 0,46 0,64 0,78 0,84 0.')? 0,99 0,99

76800 0,22 0,46 0.65 0,-9 (IV) (1.96 0.90 щйш

77600 0,22 0,46 0,65 «,-ч 0,9 1,01 1.02

78400 0,23 0,47 0.66 (1,4 0.9 0,97 «й 1,03

79200 0,23 0,47 0.66 0,8 0.91 0.9« 1.02 1,04

80000 0,23 0,47 0,66 0,81 0,92 0,99 1.03 ямё

80800 0,23 0,48 0,67 II, Я2 0,93 0.945 1.04 |.«б

81600 0,23 0,48 11.Х2 еда Ц!1 1.05 йй

82400 0,23 0,48 0,68 0,83 0,94 ; 1.02 ЮГ. «ЙМВ8

83200 0,23 0,48 II »Л 0,83 ^ТИЯН 1 02 ш 1,09

84000 0,24 0,49 0,69 0,84 1,03 1.08 >.1

84800 0,24 0,49 0.0'» 0,85 И «И. 1,04 ! . 1,1» 1 И

85600 0,24 0,49 0,69 , 0,85 ¡.«5 ..1.1. ЖЁ?

86400 0,24 0,5 0,7 0,86 ЗЙМ 1.06 ■ 1,1 из

Основным модельным структурным элементом, поглощающим газы из атмосферы и выделяющим газы в рудничную атмосферу шахт, будет являться пористая сорбирующая среда, которая должна отражать физико-химические свойства, присущие как породоугольному массиву нарушенной структуры (отбитый уголь, выработанное пространство), так и породоуголь-

ному массиву ненарушенной структуры (обнажение поверхности разрабатываемого пласта и вмещающих пород).

Если принять, что в призабойном пространстве по всей его длине концентрация углекислого газа одинакова и зависит только от времени, то уравнение баланса количества углекислого газа в проветриваемом объеме можно записать в следующем виде:

Qdc(t) = Iz(t)dt + (Qcoy, -Qc(t))dt, (7)

где Q - объем рабочего пространства очистного забоя;

с,соуг- концентрация углекислого газа в исходящей и свежей струях соответственно;

1ме (/)- количество «мертвого воздуха», выделяющегося в единицу времени в рассматриваемый объем Q;

Q - количество воздуха, поступающего в призабойное пространство; t - время.

Тогда модель динамики концентрации для углекислого газа в указанном объеме будет иметь следующий вид:

с(0) = с„ = const, (9)

где

h=cyJM..+I-Kp, (Ю)

Пусть 1 / Q. = А, тогда окончательно для концентрации углекислого газа решение уравнения (8) для условия (9) имеет вид

c(t)=c0y^Kp^ro+l) + cyJM,esp+A-exp<i-ht), (11)

где А = сн- с0 у г (1 + Кр DkK0 ) - су г1м в ср .

Значение искомой функции достаточно быстро стремится к своему предельному значению и поэтому не зависит от временной компоненты.

Выделения углекислого газа с поверхности обнажения угольного пласта однозначно связаны с процессом поглощения кислорода, протекающего в режиме кнудсеновской диффузии, через значения респираторного коэффициента, значения которого изменяются от 0,2 до 0,3 для Подмосковного бассейна и от 0,31 до 0,78 для Восточного района Донбасса.

Модель динамики количества кислорода в проветриваемом объеме имеет

вид

dcl = QTX{lz+Q(c0-c)), (12)

с(0) = сн = const . (13)

Для частного случая, когда 1МЛ_ (О = 1ср = const, а для поверхности обнажения угольного пласта динамика поглощения кислорода 1к„ = cayjDkK0 ,

получено

I = -F ■ с JD,Kn +1 ■с ,

г 0 \ к О м.в. м.в. '

(14)

где Эк - коэффициент кнудсеновской диффузии кислорода в угле;

св " концентрация кислорода в рудничном воздухе. В результате

с(/) = с0-Лг0>/ад +1срсмв +В-ехр(-Л), (15)

где В = сот1 = си-(с0-Рс0Л[о^+1срсм).

С учетом того, что концентрация кислорода в конце подготовительной выработки с(Ьпв ) = ПДК, получено алгебраическое уравнение для расчета количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительной выработки в периоды экстренных газовыделений:

Q,„CC0+IC] Q3„+I + KnSneLnЛ

-+

&.„.gо+Ь

хехр

о

(16)

Учитывая, что на исходящей концентрация кислорода должна быть не менее. ПДК, определяется количество воздуха, необходимое для проветривания очистного забоя в период экстренных газовыделений по кислородному фактору <£ из решения следующего уравнения:

Q;c0+I + Kn(lBJI_+\04)

QX+Ic,

.П. + 10'Д

хехр

Вычислительные эксперименты показывают, что дополнительное количество воздуха составляет 45...87 % от расчетной величины.

Решение алгебраических уравнений (16) и (17) реализовано на языке СИ в виде отдельного модуля.

QI

= пдк.

(17)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основании выполненных теоретических и практических исследований уточнены закономерности колебаний атмосферного давления, уточнена математическая модель процесса фильтрационного переноса и динамики газовыделений через выработанное пространство в периоды снижения атмосферного давления, а также разработана математическая модель разбавления и переноса газовых примесей в вентиляционном потоке горных выработок очистных и подготовительных участков, что позволяет уточнять объем воздуха, необходимого для проветривания.

Основные выводы и практические рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Использование метода вейвлет-анализа для описания аномальных колебаний атмосферного давления, а также прогнозирования скорости падения давления показало свою эффективность для решения подобных задач и является более предпочтительным в связи с тем, что метод не требует стационарности ряда, что увеличивает достоверность полученных результатов.

2. При проведении комплексного анализа эффективности методов линеаризации нелинейного дифференциального уравнения неустановившейся фильтрации совершенного газа, необходимо сравнивать результаты линеаризованных решений с полученным автомодельным решением уравнения фильтрационного переноса газа, которое является эталоном точности.

3. Анализ данных вычислительного эксперимента показал, что линеаризация одномерного уравнения фильтрации методами Л.С. Лейбензона и И. А. Чарного дает практически одинаковую погрешность, не превышающую 2 % в интервалах изменения атмосферного давления от 94816 до 100000 Па в течение 24 ч. Далее погрешность возрастает, но для периодов времени, представляющих практический интерес, не превышает 10 %.

4. При анализе газовыделения из выработанных пространств необходимо учитывать скорость уменьшения атмосферного давления. Расчеты показали, что с увеличением скорости уменьшения атмосферного давления дебит газовой смеси возрастает, это полностью согласуется с многочисленными данными шахтных наблюдений.

5. В математических моделях концентрации кислорода и углекислого газа в призабойном пространстве, в период экстренных газовыделений, необходимо учитывать диффузионный поток газовой смеси из выработанного пространства.

6. Вычислительные эксперименты показали, что в период экстренных газовыделений потребное количество воздуха, согласно предложенной методике, в атмосфере подготовительной выработки, а так же дополнительное количество воздуха в атмосфере очистного участка составляет 45...87 % от расчетной величины.

7. Разработан комплекс программных средств для прогноза скорости падения атмосферного давления, расчета поля давления газа внутри выработанных пространств точным и линеаризованными методами, позволяющий оценить границы применимости линеаризованных методов решения. Проведенные вычислительные эксперименты показали адекватность усовершенствованной методики расчета потребного количества воздуха для проветривания в периоды экстренных газовыделений в подготовительных выработках и очистных участках и возможность ее практического применения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Афанасьев O.A. Анализ экспериментальных геодинамических сигналов// Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2010. Вып. 2 . С. 156-162.

2. Качурин Н.М., Афанасьев O.A. Оценка эффективности методов линеаризации нелинейного уравнения фильтрации идеального газа при выделении газовой смеси из выработанного пространства// Изв.ТулГУ. Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 268-275.

3. Афанасьев O.A. Анализ эффективности методов линеаризации нелинейного уравнения фильтрации идеального газа // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 20-23

4. Качурин Н.М., Агеев И.И., Афанасьев O.A. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов в углекислотообильных шахтах // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 73-76.

5. Качурин Н.М., Агеев И.И., Афанасьев O.A. Газообмен поверхности обнажения угольного пласта с вентиляционной струей // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 73-76.

6. Качурин Н.М., Агеев И.И., Афанасьев O.A. Газовыделение из выработанных пространств в периоды падения статического давления воздуха в шахте // Международная научная конференция «Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2012. С. 77-78.

7. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Афанасьев O.A., Шкуратский Д.Н. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов и прогноз динамики газовыделения из выработанного пространства// Изв.ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 152-158.

8. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Афанасьев O.A., Шкуратский Д.Н. Прогноз газовых ситуаций в угольных шахтах в периоды падения атмосферного давления// Изв.ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 165-172.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 17.04.2014 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Усл.печ.л. 1,4. Уч.изд.л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 106 Тульский государственный университет.

300600, г.Тула, пр.Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГу.

300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Афанасьев, Олег Александрович, Тула

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201459231

АФАНАСЬЕВ Олег Александрович

ПРОГНОЗ ДИНАМИКИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ И ОЦЕНКА ГАЗОВЫХ СИТУАЦИЙ В УГЛЕКИСЛОТООБИЛЬНЫХ ШАХТАХ

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

диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д-р техн. наук, профессор Николай Михайлович Качурин

Тула-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................ 9

1.1 Фильтрационно-диффузионные процессы в углекислотообильных шахтах............................................................................... 9

1.2 Моделирование газовых ситуаций в горных выработках............... 20

1.3 Прогноз снижения концентрации кислорода в атмосфере горных

выработок........................................................................... 25

Выводы.............................................................................. 33

Цель и идея работы. Постановка задач исследований..................... 34

2. СИСТЕМАТИЗИРОВАНИЕ ДАННЫХ ПО АНОМАЛЬНЫМ КОЛЕБАНИЯМ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ.............................. 36

2.1 Структура и содержание метеорологических данных..................... 36

2.2 Факторы, влияющие на изменения атмосферного давления............. 37

2.3 Анализ влияния изменения атмосферного давления на процесс газовыделения из выработанного пространства................................. 40

2.4 Построение математической модели аномальных участков временных рядов значений атмосферного давления................................ 44

2.5 Анализ данных атмосферного давления, в целях прогноза его будущих значений....................................................................... 60

Выводы.............................................................................. 65

3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ЛИНЕАРИЗАЦИИ НЕЛИНЕЙНОГО УРАВНЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ИЗ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА................................................................. 67

3.1 Применение метода Л.С. Лейбензона для линеаризации нелинейного уравнения фильтрации совершенного газа................................... 70

3.2 Применение метода И.А. Чарного для линеаризации нелинейного уравнения фильтрации совершенного газа................................... 76

3.3 Точное решение нелинейного уравнения неустановившейся фильтрации совершенного газа...................................................... 79

3.4 Анализ эффективности методов линеаризации............................. 81

Выводы.............................................................................. 83

4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ И ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ............................................................... 85

4.1 Газовыделение из выработанных пространств в периоды падения атмосферного давления воздуха в шахте....................................... 85

4.2 Математическая модель поглощения кислорода и выделение углекислого газа поверхностью обнажения угольного пласта................ 87

4.3 Математическая модель динамики концентрации кислорода/ углекислого газа в призабойном пространстве, в период экстренны......... 91

4.4 Математическая модель динамики концентрации кислорода в атмосфере подготовительной выработки и очистного участка в период

экстренных газовыделений...................................................... 95

Выводы.............................................................................. 99

5. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ................................ 101

5.1 Разработка автоматизированной системы оценки эффективности методов линеаризации нелинейного уравнения фильтрации газа......... 101

5.2 Разработка автоматизированной системы по расчетам динамики концентрации кислорода/углекислого газа в призабойном пространстве................................................................................... 106

5.3 Разработка программного модуля динамического метода расчета количества воздуха для периодов экстренных газовыделений............. 107

5.4 Разработка автоматизированной системы прогноза динамики изменения атмосферного давления.................................................................. 108

Выводы.............................................................................. 108

Заключение........................................................................ 110

Список используемых источников............................................... 112

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Одна из глобальных проблем экономики - истощение природных ресурсов энергоносителей. Так, в России доля природного газа как топлива на теплоэлектростанциях будет снижаться вследствие падения добычи. Мировая электроэнергетика в среднем на 43 % основана на угле: в Европе — более 50 %, в США - на 56 %, в Китае - на 70 %. В России его доля на теплоэлектростанциях составляет 27 %, а с учетом атомных и гидростанций - 18 %. Разведанных запасов газа хватит на 80 лет, а угля - на 300 лет. Традиционные месторождения иссякают, а для освоения новых месторождений газа требуются огромные затраты. Таким образом, для угольной промышленности открываются новые перспективы. Однако газовый фактор во многом ограничивает современные геотехнологические возможности освоения угольных месторождений.

Анализ данных по интенсивности загазирования горных выработок углекислотообильных шахт свидетельствует о высоком уровне газовой опасности. Это не соответствует перспективным планам развития угольной отрасли в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах. Например, Подмосковный бассейн всегда занимал особое место в угольной промышленности России в связи с географическим расположением его в центре Европейской части. Разведанные балансовые запасы бурого угля бассейна составляют 3,4 млрд тонн, основная часть которых сосредоточена в Тульской области - 1,4 млрд тонн. При этом, несмотря на снижение числа угледобывающих предприятий, нарушение газового состава рудничной атмосферы всегда являлось основной причиной несчастных случаев со смертельным исходом.

При некоторых благоприятных тенденциях состояние промышленной безопасности в угольной отрасли остается достаточно напряженным, противоава-рийная устойчивость угольных предприятий РФ требует совершенствования. Анализ аварийности на угольных шахтах показывает, что газовыделение из выработанных пространств является одной из основных причин несчастных случаев.

В условиях перехода к рыночной экономики, а особенно в условиях реальных рыночных отношений достоверность прогноза безопасности горных работ по аэрологическому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью горных работ по газовому фактору приводит к крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт. С другой стороны при отсутствии аварий достоверный прогноз газовыделений может существенно снизить расчетное количество воздуха для проветривания подготовительных участков, что уменьшает эксплуатационные затраты на вентиляцию шахт при сохранении высокого уровня безопасности горных работ.

Следовательно, прогноз динамики газовыделения и оценка газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах представляют исключительную актуальность для углекислотообильных шахт России.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 гг.)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Целью работы являлось уточнение закономерностей фильтрационно-диффузионного переноса газов в угольных пластах, выработанных пространствах и горных выработках, а также разбавления и переноса газовых примесей в вентиляционном потоке горных выработок очистных и подготовительных участков, с учетом трендов временного ряда атмосферного давления для прогноза газовых ситуаций в период экстренных газовыделений, и повышение безопасности очист-иых и подготовительных работ.

Идея работы заключается в том, что прогнозная оценка газовых ситуаций в периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в воздухе, которая обеспечивает повышение уровня безопасности подземных работ, должна основываться на адекватных математических моделях, адаптированных информа-

ционно и технически к фильтрационно-диффузионным процессам на различных технологических участках углекислотообильных шахт, повышающих достоверность прогнозных оценок опасных газовых ситуаций.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

достоверный прогноз динамики изменения атмосферного давления основывается на алгоритме выделения информативных фрагментов исследуемого временного ряда и использования вейвлет - анализа для определения прогнозных значений скорости падения давления, что позволяет количественно задать параметры граничного условия первого рода для уравнения фильтрации;

при стабильном атмосферном давлении абсолютная газообильность углекислотообильных шахт однозначно определяется процессами кнудсеновской и фольмеровской диффузии кислорода шахтной атмосферы в угольный пласт и последующего низкотемпературного окисления угля;

линеаризация одномерного уравнения фильтрации методами Л.С. Лейбен-зона и И.А. Чарного дает практически одинаковую погрешность, не превышающую 2 % в интервалах изменения атмосферного давления от 94816 до 100000 Па для периода времени 24 ч;

наиболее эффективным техническим средством обеспечения аэрологической безопасности при экстренных газовыделениях является подача дополнительного количества воздуха, которое рассчитывается динамическим методом с учетом диффузионных процессов.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

разработан алгоритм выделения информативных фрагментов исследуемого временного ряда атмосферного давления и использования вейвлет - анализа для определения прогнозных значений скорости падения давления;

получено автомодельное решение уравнения фильтрационного переноса газа, которое является эталоном точности для линеаризованных решений уравнения фильтрации параболического типа;

разработан и апробирован метод динамического расчета дополнительного количества воздуха для проветривания подготовительных выработок и очистных участков по фактору снижения концентрации кислорода в периоды экстренного газовыделения, обусловленного падением атмосферного давления.

Практическая значимость заключается в том, что использование метода вейвлет-анализа для прогноза и хранения данных по аномальным колебаниям атмосферного давления позволяет прогнозировать скорость падения атмосферного давления, а разработанный комплекс программных средств позволяет оперативно производить расчеты количества воздуха для проветривания подготовительных выработок и очистного участка по фактору обескислороживания с учетом прогнозируемой скорости падения давления.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований и использованием классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных компьютерных технологий;

результатами анализа и обработки большого объема данных по изменению атмосферному давлению на рассматриваемой территории, и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности применяемой модели для построения прогнозных значений атмосферного давления;

удовлетворительным совпадением прогнозных значений газовыделения с результатами шахтных наблюдений (отклонения, как правило, не превышали 30%).

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке газовых ситуаций на углекислотообильных шахтах. Комплекс программных средств используется в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); I Всероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти», «Информ-тех-2008» (г. Курск, 2008 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2007—2011 гг.); Международной конференции "Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений", посвященной 80-летию профессора Н.С. Булычева; Международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений»; 8-я Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 8 статей, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 123 страницах машинописного текста, содержит 33 иллюстрации, 5 таблиц, список литературы из 121 наименования.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Фильтрационно-диффузионные процессы в углекислотообильных

шахтах

Различные методы оценки интенсивности фильтрационно-диффузионных процессов в углекислотообильных шахтах для прогноза газовыделений и моделирование газовых ситуаций в горных выработках разрабатываются в течении шести десятилетий. Этой проблемой занимались ведущие научные центры: МакНИИ, ВостНИИ, ИГД им. A.A. Скочинского, МГГУ, ТулГУ и др. Выполненные ими комплексные исследования в угольных шахтах позволили разработать методику, изложенную первоначально в нормативном документе «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт». Постоянно уточняя существующую методику, они разработали «Дополнения к руководству по проектированию вентиляции угольных шахтах», а затем и новую редакцию нормативного документа [93, 94].

Прикладные и фундаментальные аспекты прогноза газовыделений на углекислотообильных шахтах рассматривались Д.И. Коварским, A.A. Скочинским, Л.Н. Быковым и были, затем разработаны Э.М. Соколовым, М.Б. Суллой, Г.Д. Лидиным, Н.М. Качуриным, Е.И. Захаровым, A.A. Кузнецовым, A.A. Мяснико-вым, Н.С. Тищенко, Н.Г. Рыжиковой, А.Ф. Симанкиным, Н.Г. Шиловым, P.A. Ко-валевевым и другими учеными [95, 96, 98, 100]]. Показательным является пример Подмосковного угольного бассейна. Пласты Подмосковного бассейна, залегающие в нескольких десятках метров от поверхности, относятся к экзогенным (осадочным) месторождениям, и здесь наблюдается только верхняя зона азотно-углекислых газов [114]. Концентрации газов изменяются в широких пределах: азота от 72,3 % до 93,5 %, углекислого газа от 2,3 % до 28 %, метана от 0 % до 8,66 % [60].

Углекислотоносность углей бассейна, определенная косвенным методом,

3 3

составляет 6...7 см/г угля, в среднем 2...4 см/г угля. По пробам, взятым на

кромке обнаженного забоя, углекислотоносность составила 0,2...0,3 см /г, углей,

л

выданных из лавы - 0,05...0,15 см /г, в то время, как по кернам, отобранным в герметичный стакан из скважин, не превысила 0,02...0,07 см /г [101].

Газоносность вмещающих песчано-глинистых пород весьма невелика, так как углекислый газ в породах угленосной толщи содержится в свободном состоянии только в тех порах, которые не заполнены водой. Поэтому большинство исследователей считают, что углекислый газ, содержащийся как в углях, так и в горных породах, не может оказывать серьезного влияния на загазирование рудничной атмосферы. В работах Э.М. Соколова, Г.Д. Лидина, М.Б. Суллы, Н.М. Ка-чурина, Е.И. Захарова отмечалось, что значительные количества углекислого газа поступают в рудничную атмосферу вследствие окисления угля [97, 98, 100, 101, 102].

Динамика развития процессов окисления изменяется во времени. В начальный период эксплуатации после вскрытия месторождения поровое пространство угля занято природным газом и водой. По мере дегазации [89] и осушения угольных пластов активизируется и их окисление [1,9, 53]. Вследствие прососа воздуха через целики в них интенсивно поглощается кислород и выделяется углекислый газ, часть которого сорбируется в порах углей, а другая находится в свободном состоянии. При колебаниях барометрического давления в «т�