Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт"

На правах рукописи

ЛИХИ УН

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УПРАВЛЕНИЯ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГЛЕКИСЛОТООБ ИЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамик а и горная теплофизика»

Специализация- Гидро-, пыле-,аэро-, газо- и термодинамические процессы в массивах

горных пород и грунтов, горных выработках и выработанном пространстве. Разработка методов и средств управления этими процессами (пункт 10 Паспорта специальности).

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово - 2003

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ (НЦ ВостНИИ).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Полевщиков Геннадий Яковлевич доктор технических наук, профессор Колмаков Владислав Александрович доктор технических наук Соболев Виктор Васильевич

Ведущая организация: ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского

Защита состоится 4 ноября 2003 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 003.036.01 в Институте угля и углехимии СО РАН по адресу: 650610 г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и угле-химии СО РАН.

Автореферат разослан 01 октября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф.

Власенко Б. В.

2оо>-А

Актуальность работы. В современных шахтах с развитой сетью горных выработок и высокой технологической оснащенностью углекислый газ наряду с метаном фиксируется в рудничной атмосфере всех угольных бассейнов страны как один из определяющих факторов при расчете необходимого для проветривания горных выработок количества воздуха. В Кузбассе, например, по фактору СОг необходимое количество воздуха принимается для 28% участков из всех действующих, а по метану только для 18%, по объединениям "Сахалинуголь" соответственно 50 и 25 %, "Приморскуголь" - 41,66 и 25 %, "Кизелуголь" - 40 и 20 %.

Крупный вклад в становление и развитие исследований по борьбе с углекислым газом внесли A.A. Скочинский, JI.H. Быков, B.C. Веселовский, В.Б. Комаров, А.И. Кравцов, Г.Д. Лидин, И.М. Печук, К.З. Ушаков, A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, М.Б. Сулла, Л.П. Белавенцев, Г.Н. Крикунов, Е.И. Глузберг, Г.А. Бабанский и другие ученые.

К наиболее углекислотообильным шахтам в Кузбассе можно отнести шахты "Коксовая", "Зиминка", "Тырганская", "Распадская", "Юбилейная", им. Кирова, "Комсомолец", им. 7 Ноября, которые разрабатывают угольные пласты Мощный, Горелый, Лутугинский, IV Внутренний, 3 и 4-й, Толмачевский, Емельяновский, Бреевский, относящиеся по стадии метаморфизма к I и III группам. Они характеризуются большим содержанием выхода летучих - до 3537 % и по вещественному составу содержат более 15% фюзена. К этой категории относятся шахты Кизеловского, Черногорского и Букачачинского месторождений, а также шахты Приморья и о. Сахалин.

По действующим Правилам безопасности содержание углекислого газа на рабочих местах и исходящих струях участков не должно превышать 0,5%, по метану - 1,0%, а в общей исходящей шахты, крыла по СН4 и С02 - 0,75%. Содержание СОг до 1,0% допускается только при проведении выработок по завалу, в то время как по метану эта норма является предельной для исходящих струй участков и перед производством взрывных работ, а местное скопление метана в очистных и подготовительных выработках допускается до 2,0 %.

Вместе с тем, если проблема борьбы с метаном в угольных шахтах во всех аспектах глубоко исследована и имеется широкая информация об эффективных методах и способах борьбы с метано выделениями, то углекислый газ в шахте изучен недостаточно и существующие методы прогноза не имеют пока той научной основы, которая позволила бы применять их при различных горно-геологических условиях разработки месторождений и при изменении горнотехнологических факторов. Особенно это касается случаев, когда количество воздуха рассчитывается по выделению углекислого газа. Более того, при расчетах количества воздуха далеко недостаточно принимать во внимание только уровень выделения углекислого газа. Полученное расчетное количество воздуха должно проверяться и по содержанию унгчпррпя, нж-™. irf.-™p"r" трпа^» на

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С-Яетербург 09 И

различные окислительные процессы и обусловливает недопустимую концентрацию кислорода на исходящих струях и на рабочих местах. Как показывают последние обследования рудничной атмосферы шахт в Кузбассе, при уровнях концентрации углекислого газа в исходящих струях, близких к 0,5 %, содержание кислорода в них снижается более чем на 1 %.

Приведенные факты свидетельствуют о том, насколько важно и точно нужно знать ожидаемое выделение углекислого газа. Высокая точность здесь необходима и в связи с тем, что даже сравнительно небольшие ошибки в прогнозе допустимых норм содержания С02 в горных выработках дают значительные колебания расчетного количества воздуха и приводят к неоправданным капитальным затратам или загазованию тупиковых горных выработок из-за нехватки воздуха.

В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений управления аэрогазодинамическими процессами в вентиляционной системе углекислотообильных шахт, которая объединяет в аэро-газодинамически связанную вентиляционную сеть действующие очистные и подготовительные забои с допустимым содержанием СО2 и выработанное пространство, являющееся коллектором и основным источником выделения углекислого газа.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа, прогнозу газообильности и дегазации угольных шахт» Минуглепрома СССР, компании "Росуголь", Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля и газа в период 1970-1993 гг., по заказам производственных объединений Кузбасса, Приморья и о. Сахалин в период 1980-2001 гг.

Целью работы является экспериментально-теоретическое обоснование и разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт.

Идея работы заключается в установлении источников, кинетики и закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках и их использовании при управлении проветриванием углекислотообильных шахт.

Задачи исследований:

1. Обосновать концепцию роли углекислого газа в многофакторной аэрогазодинамической системе управления проветриванием угольных шахт.

2. Изучить физико-химические условия развития процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха с целью установления закономерности выделения углекислого газа из различных источников в условиях так называемого низкотемпературного окисления угля (16-26°С).

3. Развить экспериментально-статистические модели аэрогазодинамических процессов в горных выработках с участием СО? и на их основе разработать методику оценки выделения углекислого газа в зависимости от свойств угля, количества поглощенного кислорода, интенсивности проветривания, температуры, площади и времени контакта "уголь-воздух", стадии метаморфизма и петрографического состава.

4. Обосновать структуру газового баланса и газовоздушных потоков при действующих технологических схемах и способах управления проветриванием выемочных участков и полей в различных горнотехнологических условиях.

5. Разработать методы расчета ожидаемого выделения углекислого газа в горных выработках для управления аэрогазодинамическими процессами и опасностью загазования действующих выемочных участков.

6. Разработать методику расчета количества воздуха для проветривания горных выработок с учетом снижения концентрации кислорода и образования углекислого газа.

Методы исследований:

- анализ и обобщение работ по применению существующих способов управления параметрами рудничной атмосферы по углекислому газу и снижения углекислотообильности выемочных участков угольных шахт;

- лабораторные исследования процессов взаимодействия между углем и кислородом воздуха, определения природного и остаточного содержания углекислого газа в угольных шахтах;

- шахтные эксперименты по исследованию аэрогазодинамических процессов в вентиляционной системе горного массива, горных выработок и выработанных пространств;

- экспериментально-статистическое обоснование управления аэрогазодинамическими процессами в горных массивах, горных выработках и выработанных пространствах угольных шахт с учетом поглощения 02 и выделения СОг;

- методы математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих факторов управления аэрогазодинамическими процессами в системе жизнеобеспечения угольных шахт.

2. Возможность накопления в горных выработках углекислого газа в концентрации, превосходящей допустимую, предопределяет процесс взаимодействия угля с кислородом воздуха, протекающий в горном массиве, выработанном пространстве и действующих подготовительных выработках, а доля выделения углекислого газа из угля, образованного вследствие окислительного процесса, а также из минеральных источников, за счет разложения крепежного

леса и угленосных пород шахтными водами, не превышает 2-3 % в газовом балансе выемочного участка.

3. Развитие процесса низкотемпературного окисления угля зависит от сорбционной способности его по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, степени первичной окисленности, а также от горно-геологических и горнотехнологических факторов.

4. В аэродинамически связанной вентиляционной сети выемочного участка выработанное пространство является коллектором и основным источником выделения углекислого газа, уровень образования которого зависит от ширины проветриваемой зоны выработанного пространства, его аэродинамической особенности и интенсивности проветривания.

5. Управление процессами выделения углекислого газа и опасностью за-газирования на выемочных участках осуществляется оптимизацией аэрогазодинамических параметров в многофакторной системе проветривания углеки-слотообильных шахт.

6. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания углеки-слотообильных шахт, производится в соответствии со структурой газового баланса по совместным факторам метана и углекислого газа с учетом неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.

7. Оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными местными скоплениями газа и обеспечения устойчивости проветривания достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки пологих и наклонных пластов, применением новых технических решений по способу оценки склонности угля к окислению и по составу для снижения хим ической активности угля.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- обоснованностью постановки физико-химических задач процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха и его развития на экспериментально-статистической основе;

- использованием апробированных методов и приборов контроля при проведении лабораторных исследований;

- необходимым и достаточным для статистической обработки количеством многосторонних лабораторных и шахтных исследований (более 1000 экспериментов), проведенных в 1968-1989 гг. в 70 горных выработках шахт восточных бассейнов России;

- удовлетворительной сходимостью результатов экспериментально-статистических исследований, лабораторных и шахтных экспериментов (погрешность не более 15 % при доверительной вероятности 0,95);

- положительными результатами практического использования методов управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углеки-слотообильных шахт Челябинского, Кузбасского, Карагандинского, Красноярского, Приморского и Сахалинского угольных месторождений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые научно обосновано, что углекислый газ является одним из определяющих наряду с метаном факторов при расчете количества воздуха для проветривания горных выработок угольных шахт восточных регионов России;

- впервые установлено, что в угольных шахтах восточных регионов России основная доля выделяемого углекислого газа из обнаженных поверхностей угольного массива, из выработанных пространств и действующих подготовительных выработок образуется в процессе низкотемпературного окисления угля кислородом воздуха;

- проведены исследования низкотемпературного окисления угля и установлены закономерности выделения углекислого газа в горных выработках в зависимости от сорбционной способности углей по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, степени первичной окисленности угля;

- установлено, что основой управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках при низкотемпературном окислении угля являются экспериментально-статистические модели выделения углекислого газа, определяемые в зависимости от источников газовыделения, от скорости подвигания очистного забоя, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства и его аэродинамических особенностей, потерь угля, применяемых технологических схем и способов проветривания;

- разработана методика расчета необходимого для проветривания горных выработок количества воздуха с учетом снижения содержания кислорода за счет окислительного процесса и выделения углекислого газа в рудничную атмосферу;

- разработаны новый метод оценки склонности угля к окислению и новый метод для определения состава снижения химической активности обрушенных горных пород по отношению к кислороду, блокирующий дальнейшее развитие окислительного процесса, образование и выделение углекислого газа;

- разработаны специфические методы управления аэрогазодинамическими процессами выделения углекислого газа в угольных шахтах при различных горнотехнических условиях и оптимизации параметров управления технологическими схемами и способами проветривания выемочных участков.

Личный вклад автора состоит:

- в обосновании концепции выделения углекислого газа в многофакторной вентиляционной системе проветривания угольных шахт;

- в разработке методик и проведении экспериментальных исследований аэрогазодинамических процессов на выемочных участках шахт Кузбасса, Караганды, Хакасии, Восточной Сибири, Приморья и о. Сахалин, а также лабора-торно-стендовых испытаний окислительных процессов;

- в установлении закономерностей развития процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха в условиях нормативных температурных режимов в рудничной атмосфере;

- в разработке методики оценки выделения углекислого газа в зависимости от горно-геологических и горнотехнологических факторов, стадии метаморфизма, петрографического состава угля;

- в обосновании структуры газового баланса по углекислому газу при действующих схемах и способах проветривания выемочных участков, на основании которой определен позабойный метод расчета количества воздуха для проветривания углекислотообильных шахт;

- в разработке методики расчета количества воздуха с учетом снижения содержания кислорода и выделения углекислого газа в рудничной атмосфере;

- в разработке нового способа оценки склонности угля к окислению и метода определения нового состава для снижения химической активности угля по отношению к кислороду;

- в разработке специфических методов управления аэрогазодинамическими процессами выделения углекислого газа в угольных шахтах и оптимизации параметров управления технологическими схемами и способами проветривания выемочных участков.

Практическая ценность работы

Полученные соискателем результаты позволяют:

- учитывать, что углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих факторов при расчете количества воздуха для проветривания горных выработок, а расчетное количество воздуха должно проверяться и по содержанию кислорода, теряемого на развитие окислительного процесса;

- обосновать для решения актуальные задачи о влиянии на организм человека углекислого газа при длительном пребывании горнорабочих в подземных горных выработках;

- определять расчетное количество воздуха для проветривания горных выработок на основе позабойного метода;

- управлять процессами рудничной аэрогазодинамики, связанными с распределением выделений СОг по источникам, определять общий дебит углекислого газа в зависимости от скорости подвигания забоев, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства, потерь угля, применяемых технологических схем и способов проветривания, аэродинамических особенностей выработанного пространства, интенсивности проветривания горных выработок, а также в зависимости от петрографического состава угля;

- обеспечить расчеты необходимого количества воздуха для проветривания горных выработок по фактору С02, количества ожидаемого поглощения 02 в шахте, допустимых нагрузок на очистные забои по С02 для предупреждения загазования выработок участка;

- определять неравномерность выделения углекислого газа в зависимости от колебания барометрического давления и респираторного коэффициента;

- управлять аэрогазодинамическими процессами и формированием углекислоте обильности горных выработок в многофакторной системе проветривания угольных шахт.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: "Методика определения углекислотообильных горных выработок", 1974 (Минуглепром СССР); "Методика расчета количества воздуха для проветривания горных выработок по фактору С02", 1974 (Минуглепром СССР); "Методика определения ожидаемого поглощения 02 в шахте", 1975 (Минуглепром СССР); "Методика расчета допустимых нагрузок на очистные забои по С02 для предупреждения загазирования выработок участка", 1976 (Кузнецкое управление Госгортехнадзора СССР); "Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов страны", 1979 (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР); "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт", 1989 (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР, Госстрой СССР), материалы к проекту "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт, 2004; заключениия, рекомендации по использованию "Руководства..." в части прогноза углекислотообильно-сти угольных шахт, проведение научно-технических и практических семинаров по использованию "Прогноза..." в производственных объединениях, шахтах и ИПК Минэнерго РФ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1972, 1985, 1995, 2003), Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1973), Кемеровского регионального института повышения квалификации Минэнерго РФ (г. Кемерово, 2002, 2003); Технических советов угольных компаний "Кузбассуголь" (г. Кемерово, 1975, 1989, 1990, 2003), "Южкузбассуголь" (г. Новокузнецк, 1969, 1999, 2002); секции техники безопасности НТС Минуглепрома СССР (г. Караганда, 1975, 1980, г. Прокопьевск, 1974, 1986, 1989); секции "Разработка и внедрение новых средств и способов, обеспечивающих улучшение охраны труда и техники безопасности на предприятиях области" (Свердловск, 1989); на Всесоюзных совещаниях "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск, 1984, 1989); Международных научно-практических конференциях "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кеме-

рово, 1994, 1998, 2000); Международной научно-практической конференции "Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию" (Кемерово, 1999), региональных научно-практических конференциях по безопасному ведению горных работ на предприятиях региона (Южно-Сахалинск, 1995; Артем, 1999; Иркутск, 2003).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 печатных работ, в том числе 1 монография, 20 статей, 5 нормативных документов, 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 220 страницах машинописного текста, включая 1 37 рисунков, 20 таблиц, 3 приложения, списка использованных источников из 83 наименований.

Автор признателен члену-корреспонденту РАН, доктору технических наук, профессору Грицко Г.И. за ценные замечания в ходе подготовки работы к защите, кандидату технических наук, старшему научному сотруднику Мащенко И.Д. за творческую помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ

Диссертационная работа с одержит:

Введение, в котором обоснована актуальность работы, изложены цель работы, идея работы, формулировка задач исследований, методы исследований, научные положения, достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, научная новизна работы, личный вклад автора, практическая ценность работы, реализация и апробация работы.

Раздел 1. в котором дается обзор представлений о выделении углекислого газа в угольных шахтах, определена роль выделения углекислого газа в многофакторной системе управления аэрогазодинамическими процессами в угольных шахтах.

Раздел 2. в котором изложена методика исследований, включающая в себя изучение содержания углекислого газа в угольных пластах и вмещающих породах, изучение низкотемпературного окисления и сорбционной способности угля в лабораторных условиях, определение активной поверхности угля по отношению к кислороду, экспериментально-статистические наблюдения в шахтных условиях, изучение структуры газового баланса шахт по углекислому газу и метану.

Раздел 3. в котором изложены результаты работы по определению природной и остаточной углекислотоносности угольных пластов и особенности содержания в них углекислого газа, а также выделения углекислого газа из шпуров и скважин, при отбойке угля, внезапных выбросах угля и газа, из подземных вод и древесины.

Раздел 4. в котором приведены исследования процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха в условиях низкотемпературного окисления, развитие данного процесса в зависимости от сорбционной склонности угля по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, а также горнотехнологических факторов. Приведены результаты обработки экспериментально-статистических материалов и построение на их основе аналитических зависимостей, описывающих выделение углекислого газа из обнаженных поверхностей угольного массива, из выработанного пространства и действующих подготовительных выработок.

Раздел 5. в котором изложены результаты изучения структуры газового баланса шахт по углекислому газу и метану, показаны управление процессами выделения углекислого газа на выемочных участках на стадии их проектирования и организации проветривания, оптимизация аэрогазодинамических параметров проветривания.

Раздел 6. в котором изложены разработка методов управления аэрогазодинамическими процессами углекислото обильных шахт, управления опасностью загазирования действующих выемочных участков, показан выбор эффективных параметров в многофакторной системе проветривания угольных шахт, приведена методика расчета количества воздуха для углекислотообильных шахт с учетом неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Углекислый газ является одним из определяющих факторов управления аэрогазодинамическими процессами в угольных шахтах

Дебит углекислого газа является одним из факторов, определяющих подачу в шахту необходимого количества воздуха, в силу того, что изменения в составе рудничной атмосферы, связанные с увеличением концентрации углекислого газа, приводят к уменьшению содержания кислорода в ней и представляют большую опасность для рабочих. По имеющимся данным в отношении физиологического действия на организм человека углекислоты, содержащейся в рудничной атмосфере, предельное содержание С02 в воздухе, когда он еще без вреда пригоден для дыхания, составляет 0,5%. Воздух пригоден для дыхания и при большем содержании углекислого газа (примерно до 2 %). Однако при длительном пребывании человека в такой атмосфере содержание С02 больше 1,0% может вызвать заметное недомогание.

Определению возможных источников образования углекислого газа в шахте посвящены работы A.A. Скочинского, Д.Ф. Борисова (1930), Л.Н. Быкова (1962), Е.И. Левина (1968), Э.М. Соколова, М.Б. Суллы, В.И. Харламова (1970), Г.Д. Лидина (1971).

Отмечается, что степень изменения состава рудничного воздуха в шахте при определенных горно-геологических и горнотехнических условиях разработки полезного ископаемого всегда зависит от газоносности полезного ископаемого, скорости движения воздуха по сети горных выработок, склонности полезного ископаемого и вмещающих пород окисляться кислородом воздуха, а также от характера производственных процессов. В соответствии с этим различают следующие основные источники образования углекислого газа в шахтах:

а) выделение углекислого газа из угля, образованного вследствие окислительного процесса, и горных пород вместе с метаном или без него и из минеральных источников;

б) процессы разложения горных пород органического и неорганического происхождения, медленное окисление угля кислородом воздуха и разложение углекислых пород шахтными водами и т.д.

в) процессы разложения органических веществ, главным образом крепежного леса.

Эти источники являются основными, определяющими обычное (постоянное) выделение углекислого газа в течение суток, которое не опасно, если поддерживать надлежащий режим проветривания шахты.

Наиболее опасными являются источники, действующие непостоянно, иногда периодически. Так и в ряде случаев значительное количество углекислого газа обнаруживается при взрывах гремучего газа, угольной пыли и рудничных пожарах.

Иногда выделение СОг происходит в виде внезапных выбросов вместе с угольной мелочью. При этом Р. Блажек (1967) различает выбросы только углекислого газа и смешанные в присутствии метана, вероятность возникновения которых увеличивается пропорционально содержанию СОг в смеси.

Однако, с точки зрения вентиляции шахт, эти источники не представляют интереса, так как при взрывах или пожарах обычно предусматривается аварийный режим проветривания, а внезапных выбросов на шахтах России с участием углекислого газа пока вообще не наблюдалось.

Различают также второстепенные источники образования углекислого газа в шахтах - дыхание людей, горение ламп и взрывные работы.

Обычно эти источники в сумме дают лишь 1/10-1/20 всего количества углекислого газа, образующегося в шахте.

Таким образом, в проблеме управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт наибольший интерес представляют источники обычного (постоянного) выделения углекислого газа, так как именно они всегда определяют необходимое количество воздуха для проветривания шахты.

Установлено, что в пределах восточных районов наиболее газообильными являются шахты Кузнецкого бассейна, Урала, о. Сахалина и Приморья, где выделению больших количеств углекислого газа в шахте, кроме высокой (по отношению к кислороду) сорбционной способности разрабатываемых пластов,

способствуют также большие мощности производственных единиц, интенсификация добычи, значительные объемы выработанных пространств, их высокая воздухопроницаемость, а в ряде случаев и огромная протяженность сети горных выработок.

Основное количество С02 на большинстве шахт образуется за счет непрерывного взаимодействия обнаженных поверхностей угольного массива, а также отбитого и потерянного в выработанных пространствах угля с кислородом воздуха. Подтверждением тому служит целый ряд исследований с участием автора по определению природной и остаточной газоносности угольных пластов Кузбасса и Урала (Челябинское месторождение), Воркутинского, Приморского и Сахалинского месторождений. Определялись объемный состав газов в отобранных пробах угля, их содержание в пробах горючей массы, технический анализ угля, состав газов в угольных кернах, отобранных на большой глубине, состав газов при отбойке угля, внезапных выбросах угля и газа. Во всех случаях содержание свободного углекислого газа в угольных пластах незначительное и является результатом глубокого окисления. Из всего объема газа, заключенного в угле, содержание свободного углекислого газа не превосходит по большинству проб 2-3 %. Изучение содержания углекислого газа в подземных водах и горных породах показало также незначительное его содержание, и при инженерных расчетах его можно не принимать во внимание.

2. Возможность накопления в горных выработках углекислого газа в концентрации, превосходящей допустимую, предопределяет процесс взаимодействия угля с кислородом воздуха, протекающий в горном массиве, выработанном пространстве, действующих подготовительных выработках

Установление закономерности поглощения кислорода и выделения углекислого газа углями разных стадий метаморфизма в зависимости от времени и вещественного состава при различных температурах показало, что сорбция кислорода и выделение С02 углем во всех сериях опытов независимо от вещественного состава угля, стадии метаморфизма, степени его выветренности и температуры наилучшим образом описывается степенной зависимостью, представленной на рис.1.

Мв1 ,МС0!=а&ь>, (1)

где Л^о, и Л/с0; - соответственно количество кислорода, поглощенного всей навеской угля в сорбционном сосуде, и количество выделившегося С02 из этой же навески, мл;

Я/ и £¡2 - коэффициенты, имеющие соответственно размерность мл/г-чЬ1 и мл/г-чь2 и численно равные скорости сорбции 02 и выделения С02 углем при 1*1 я;

0 - количество испытуемого угля, г;

/ - время контакта угля с кислородом, ч;

Ъь Ь2 - коэффициенты, характеризующие темпы замедления сорбции 02 и выделения С02 с течением времени, которые друг от друга отличаются незначительно и могут быть без больших погрешностей при соответствующей корректировке значений параметров а1 и а2 приняты независимо от петрографического состава углей, их стадии метаморфизма и температуры равными 0,75.

Нь,нл

* Л; / -

V

Ф ¥

/ .л \

л /у 1 *

••

-А угли Кара анды

Г « • угли Куз/асса 1 1 1

На,,ил

• л* » /

• Ж1 г

I* Л

9 £ •

я

•

0 50 ЮО М> 200 КО 300 ¿,4 0 50 ЮО Я0 200 250 300 г,Ч

Рис. 1. Поглощение 02 и выделение С02 в зависимости от времени контакта угля с кислородом воздуха

Влияние температуры угля на сорбцию кислорода и выделение углекислого газа учитывал ось через коэффициенты а' и , которые имеют прежний физический смысл параметров Д/ и а2 . Численные значения коэффициентов аА

«а . Ь2, а1 к а2, определенные для каждого опыта по методу наименьших квадратов, приведены в приложении диссертации вместе с исходными данными по кинетике сорбции кислорода и выделению углекислого газа. В соответствии с известными положениями по теории окисления углей уравнения (1) с учетом температуры принимают следующий вид

__ОЙТЛ, д 4 „ОВТ^Ь,

0!=а,е / ; МСОг=а2е Г , (2)

где а0] и а°2 - коэффициенты, характеризующие соответственно поглощение 02 и выделение С02 в момент времени * = 1 ч при температуре угля Т = 0°С, мл/ч; В - температурный коэффициент, 1/град.

В приведенном виде изменение коэффициентов о] и а2 в зависимости от температуры описывается уравнениями

а*СОлр = 0,526е°'025Г; (3)

а2*(^)лр =0,24е0,025Г. (4)

Расчет приведенных значений сорбции 02 и выделения С02 производится по формулам

М0,(0п,= мог(О, Щ- , мл; (5)

мсог (0„р = мсо, ( V, —Г, мл,

где М0/0пр и МСО!(0„р - экспериментальные значения сорбции 02 и выделения СО г при времени / в /-том опыте, мл; * *

аи и а21 - коэффициенты для 1-того опыта, мл/ч.

Полученные зависимости без больших погрешностей пригодны для расчетов сорбции 02 и выделения С02 как функций времени контакта с кислородом воздуха для углей любых стадий метаморфизма и независимо от их вещественного состава.

Установлена зависимость между респираторным коэффициентом Я, определяемым как отношение объема выделившегося в выработки С02 к объему расходуемого Ог, и содержанием фюзена в углях самых различных стадий метаморфизма за 250 ч.

Уравнение связи Л и Р имеет вид

КЛ^Ш+(0,036±0,016), (6)

где Р- содержание фюзена, %, представлено на рис.2.

Рис.2. Изменение показателя Я для разных углей в зависимости от содержания фюзена

Преобразовав формулу (6) для МС02 как функции времени и т емпературы получим

0)052)>мл, (7)

где а° - коэффициент, характеризующий химическую активность угля по отношению к кислороду, мл/г-ч;

Р - масса угля, находящегося в контакте с кислородом воздуха, г;

t - время, ч.

В работе использована известная в теории самовозгорания угля константа U2j из методики B.C. Веселовского, среднее значение которой в интервале времени от 50 до 250 ч для фракции угля -3 +1 мм при температуре 25°С принимается как стандартный показатель химической активности угля и обозначается U25 мл/г-ч.

Установлена корреляционная связь между количеством поглощенного углем за 250 ч кислорода и константой U25, которая представлена на рис. 3, и описывается уравнением

Mo2/t=250 =(0,40±0,04)-10<U~2S,m. (8)

Рис.3. Зависимость количества поглощенного кислорода от константы скорости сорбции: 1 - угли Карагандинского бассейна; 2 - угли Кузбасса

С учетом формул (2) и (8) уравнение (7) принимает вид

МС01 = 0,7 и25 Р ^-»^(^+0,052), мл. (9)

Формула (7) позволяет рассчитывать выделение углекислого газа из угля, если известна его масса. В практике же, как отмечалось выше, источником образования СОг является не только отбитый и потерянный уголь, но и обнаженные поверхности угольного массива. Формула для расчета выделения углекислого газа за счет окисления обнаженно й поверхности угля будет иметь вид

МС01 = 1,4-10"2 и25 мл. (10)

Поскольку реагирование кислорода с веществом угля идет значительно быстрее, чем его приток к реагирующей поверхности внутри куска угля, интенсивность образования углекислого газа, независимо от того, фильтруется ли воздух через скопление угля или омывает поверхность, в первом приближении должна быть пропорциональна кратности обмена воздуха. Иначе говоря, интенсивности поглощения кислорода и выделения углекислого газа отбитым и потерянным углем, если через него фильтруется воздух, через период времени г часов в соответствии с формулами (2) и (9) будут равны

^ =0,88-10м3/ми„; (11)

УСУ02 = 0,88.10- и15 052)) мз/мШ)

г +1

где Р - масса отбитого или потерянного угля, т;

I!а- константа, мл/г-ч.

Для обнаженной поверхности

К* = 1,75 - Ю-6 и25 5г,е°'025(Г-25)/-°'25, м3/мин; (13)

Ус% = 1,75 -10"* 1/\5 0.052), м3/мин, (14)

г +1

где - площадь поверхности, м2.

3. Развитие процесса низкотемпературного окисления угля зависит

от сорбционной способности его по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава и степени первичной окисленности угля, а также горно-геологических и горнотехнологических факторов

Разработанный петрографический метод определения поглощенного углем кислорода и выделения углекислого газа исходит из установленной работами по изучению склонности углей к самовозгоранию предпосылки, что химическая активность углей по кислороду в значительной степени зависит от

вещественного состава угля. В этом отношении определяющая роль принадлежит фюзену, который благодаря своей пористой структуре обеспечивает большую площадь сопрокосновения угля с кислородом и ускоряет также процесс

из-за развития трещин в витрините. Сам по себе витринит, хотя и является наиболее легко окисляемым веществом, тормозит процесс из-за образования пленки окисления.

Такая закономерность характерна для всех стадий метаморфизма и, судя по изменению активной поверх ности, предельное содержание фюзена, когда он теряет свои дальнейшие "каталитические" свойства, у всех углей примерно одинаково - на уровне 20-30%.

Зависимость активной поверхности угля 5Д от содержания фюзена достаточно хорошо аппроксимируется уравнением

^=—+«3 М2/Г (15)

г + 1

при корреляционных отношениях Г) = 0,82 и т]тт = 0,63, обеспеченного уровнем вероятности 0,05.

Установлено, что с увеличением содержания фюзена в угле растет количество поглощенного кислорода и выдвлившегося углекислого газа.

Уравнения зависимости между количеством поглощенного кислорода и содержанием фюзена имеют следующий ввд:

- для углей с окисленностью до 9% (при т| = 0,93)

м02^250 = 27,7 + Г+0,23Р2 мл; (16)

- для углей с окисленностью более 9% (при т| = 0,77)

м02\,-25о = 9,54 + 0,53Р + 0,035 Г2 мл, (17)

где F - содержание фюзена, %.

С другой стороны, это же количество кислорода может быть определено

через стандартную константу и25. Так, для неокисленных углей

и2} = 63-Ю-4 (1+0,036Р + 0,84- 10'2 Б2) мл/г • ч; (18)

- для окисленных углей

^¡5(оо = 22-10"4 (1+0,056Р + 3,67- 10'3 Р2) мл/г • ч. (19) Если принять, исходя из понятий химической активности угля, характер изменения количества поглощенного кислорода в зависимости от содержания компонентов группы фюзена одинаковым для всех стадий метаморфизма угля и ограничить его пределом /■"= 20-30% в том смысле, что при дальнейшем увеличении содержания фюзена поглощение О2 остается на одном уровне, можно записать

Пи =С/^(1+0,036^ + 0,84-10-2^2)|Л25% +7,1[/2°Х25% мл/Г-Ч; (20)

+0,056^ + 3,67-10-3/-2)|лт +4,7£/£(СП,|газ% мл/г-ч, (21)

где U°2S i, U°SI(X j t - константы сорбции для i -той стадии метаморфизма при F = 0 соответственно неокисленного и окисленного угля, мг/г-ч.

Для выяснения действия адсорбированной влаги на окисление производилось изучение кинетики сорбции молекулярного кислорода на образцах углей пластов Журинского, Толмачевского, II Внутреннего и Верхнего Алыкаев-ского. Исследованию подвергалась фракция 0,053-0,074 мм. Чтобы получить образцы с разной влагой, угли вакуумировались на установке до глубокого вакуума (порядка МО"5... 8-10"6 мм рт ст.), а затем производилась сорбция паров воды при различных равновесных давлениях. Для подготовленных таким образом образцов определялась кинетика сорбции кислорода в течение 1 ч при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст.

Установлено, что количество сорбированного кислорода углем уменьшается с увеличением адсорбированной влаги. Скорость сорбции кислорода увеличивается в определенном интервале влажности углей, разных по возрасту, и снижается для углей сухих и с большой адсорбированной влагой.

4. В аэродинамически связанной вентиляционной сети выемочного участка выработанное пространство является коллектором и основным источником выделения углекислого газа, уровень образования которого зависит от ширины проветриваемой зоны выработанного пространства, его аэродинамической особенности и интенсивности проветривания

Для определения углекислоте обильности выемочного участка должно рассчитываться суммарное выделение углекислого газа в остановленные и проводимые подготовительные выработки, с обнаженных поверхностей очистных забоев и из выработанных пространств.

Перечисленные составляющие газового баланса участка легко определяются на основе закономерностей взаимодействия между углем и кислородом воздуха. Так, выделение углекислого газа из проветриваемой зоны выработанного пространства может быть определено на основании уравнения (12).

В данном случае нужно учитывать, что интенсивность выделения СОг из скоплений угля по ширине проветриваемой зоны различна и убывает с увеличением Н. Если в проветриваемой зоне имеется п скоплений угля АР = АН 1-т-Р / 100-8, где т - мощность пласта, м; Р - потери угля, включающие пачки в кровле и почве пласта, %; у- удельный вес угля, м3/т, то общее выделение СОг из выработанного пространства определяется интегрированием уравнения (12) от 0 до t при Р = ДР. Выразив t в сутках и приняв его равным H/V,получим

*шл.=б,б-10-6mPlU2S V0J5H0J!K,K2KS, м3/мин, (22)

где К,К2К, - коэффициенты, учитывающие влияние на газовыделение соответственно температуры угля на данной глубине, интенсивности проветривания и петрографического состава угля.

В соответствии с приведенными выше исследованиями

к^е0,02^-25). (23)

К2 = 1+1201Г'е-"г; (24)

647

В соответствии с известными исследованиями по аэрогазодинамике выработанных пространств ширина проветриваемой зоны при сплошной системе разработки на любой стадии отработки выемочного поля практически равна размеру выработанного пространства по простиранию, но не более 500-700 м.

При У= 3,5-4 м/сут получим для Я выражение

28

1,2 + ^У7 . [Г —м- (26)

100 - 28-—

1,2 + \У3

Здесь коэффициенты 28 и 1,2 равны соответственно максимальной величине утечек воздуха для данных условий и коэффициенту а, характеризующему аэродинамические свойства выработанного пространства.

При У>3-4 м/сут

_ 0,043£2 ГГ

юо-к у Л, >и- (27>

Для любых условий удовлетворительные результаты в пределах точности инженерных расчетов дает также упрощенное выражение

__ 0,043К2 л/Й7 Н — ■

100 -К ОМЗК + ^У1

(28)

Характер изменения размеров проветривания зоны в зависимости от величины утечек воздуха и скорости подвигания очистного забоя в соответствии с формулой (28) представлен на рис. 4.

Для удобства определение Н рекомендуется производить по номограмме рис. 5.

Среднее выделение СОг с обнаженной поверхности в лаве за время определяется в соответствии с уравнением (14) и равно

175-10^Ц251тК1К2кЛ ¡оз =---, м /мин. (29)

*ГТ л

Рис. 4. Зависимость ширины проветривания зоны от величины утечек воздуха и скорости подвигания забоя

Н,ы

Рис. 5. Номограмма для определения ширины проветриваемой зоны при обратном ходе отработки

Выразив 1Ч через скорость подвигания забоя V, м/сут, и ширину захвата г, м, и учитывая, что г без больших погрешностей может быть принято постоянным для всех условий выемки, так как после интегрирования (29) оно находится под двойным радикалом, при г =1,6 получим

10 3=9,4-Ю-8 Ь 251т У0"К,К2К3, м3/мин. (30)

При средней скорости подвигания забоев У^ = 2 м/сут и потерях около 10%, характерных для условий, в которых проводились поперечные съемки, К,попр ~ 2,8г 10?.

Тогда

1оэ = 26,1-Ю'5 и25 1тУ0,25 К,К2К}, м3/мин. (31)

Однако в полученные формулы (32) и (23) в виде множителя необходимо также ввести поправку на несоответствие лабораторных и шахтных данных, которая на основании ранее проведенных исследований равна 23,5.

Таким образом, в конечном итоге получаем

1ВП_ = 15,6-10~5 К1К2К3 и251тРV°"Н0,75, м3/мин; (32)

103 = 6,1 ■ 10~3К,К2 и25 1тУ0,25, м3/мин. (33)

Выделение углекислого газа 1П в равномерно подвигаемые и остановленные подготовительные выработки при обнажении угольного пласта на полную мощность составит:

1П = 0,58• Ю-2 К,К2 и25 тГ(1°л -1°с75) ,м3/мин, (34)

где т - мощность пласта, м;

V- скорость проведения выработки, м/сут;

I - время проведения выработки, сут;

1С - время, прошедшее с момента остановки выработки (для проводимых выработок (с = 0), сут.

При проведении выработок по мощным пластам вместо т должно подставляться значение полу периметра выработки по углю.

Аналогичная корректура должна приниматься и при определении 10 д по формуле (33), если пласт вынимается не на полную мощность.

В этом случае вместо т берется периметр призабойного пространства забоя по углю.

Проверка полученных зависимостей производилась на основе экспериментальных исследований по результатам газовых съемок, проведенных в лавах при различных горно-геологических условиях на шахтах Кузбасса, Челябинского месторождения, Приморья и комбината "Востсибуголь" при сплошной и столбовой системах разработки.

Сведения об участках, на которых проводились наблюдения, и сравнение рассчитанного газовыделения с фактическим приведены в диссертации в

табл.5.9. Константа U2S определялась по петрографическому составу угля или экспериментально.

Коэффициенты К,, К2, К3 рассчитаны на основании данных о температуре воздуха на исходящей из забоя струе, средней скорости движения его в пределах проветриваемой зоны и петрографическом составе угля. Средняя скорость движения воздуха по выработанному пространству определялась как отношение количества воздуха в утечках к сечению проветриваемой зоны. Для расчета/о.а коэффициент К2 принимался равным 1, как при ш=оо

Анализ полученных данных свидетельствует об удовлетворительной сходимости расчетных величин с фактическими. Среднеквадратическое отклонение расчетных величин газовыделения от фактических составляет 8,9 %. Это означает, что точность прогноза на основании полученных формул с вероятностью Ф(0 = 0,95 примерно равна ±18 %.

5. Управление процессами выделения углекислого газа и опасностью загазирования на выемочных участках осуществляется оптимизацией аэрогазодинамических параметров в многофакторной системе проветривания углекислотообилъных шахт

5.1. Выбор эффективных аэрогазодинамических параметров управления проветриванием углекислотообилъных шахт

5.1.1. Общие положения

В основу настоящей работы положены методы определения углекислото-обильности горных выработок, разработанные НЦ ВостНИИ, 11 У, МакНИИ, а также опыт и рекомендации ННЦ-ГП ИГД им. A.A. Скочинского по составлению прогнозов ожидаемого выделения углекислого газа в угольных шахтах различных бассейнов России.

Работа содержит методы определения ожидаемой газообильности горных выработок по С02 реконструируемых и вновь проектируемых шахт для условий, которые имеют место в угольных бассейнах России, и обязательна для всех организаций, занимающихся составлением прогноза углекислотообильно-сти выработок. Исходными материалами для расчета являются данные, характеризующие основные источники выделения углекислого газа в конкретных горно-геологических условиях, представляемые геологоразведочными организациями после разведки месторождения, и данные по фактической газообильности выработок.

Значения коэффициентов и параметров, характеризующих удельные газовыделения, сорбционную способность углей, утечки воздуха через выработанные пространства, неравномерность газовыделений, газовый баланс по участкам и шахте допускается уточнить на основании материалов депрессионных и газовых съемок в аналогичных с рассматриваемыми в проекте условиях, согласовав эти уточнения с НЦ ВостНИИ.

5.1.2. Принцип прогноза и область применения

Прогноз углекислотообильности горных выработок основан на изученных закономерностях выделения углекислого газа по мере развития горных работ по простиранию и падению угольных пластов из возможных основных источников в зависимости от природных условий и определяющих факторов. Расчет газовыделения производится для отдельных очистных забоев (выемочных участков) и выработок по разработанным планам горных работ с последующим учетом выделения углекислого газа за пределами участков в соответствии с действующей инструкции по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания шахты.

Данный прогноз применяется во всех случаях, когда имеются следующие исходные материалы:

- основные положения проекта будущей шахты;

- геологические пластовые карты, разрезы и структурные колонки с точным указанием мощности пластов, пропластков угля, угленистого сланца и расстояний между ними;

- данные, характеризующие удельные выделения углекислого газа в горных выработках и сорбционную способность углей к окислению кислородом воздуха, технический анализ и петрографический состав углей;

- обводненность горных выработок;

- график роста температуры пород с глубиной, данные о среднегодовой температуре воздуха на местности и возможных изменениях барометрического давления.

При этом оценивается газовыделение с обнаженных поверхностей пластов в очистных и подготовительных выработках, образование углекислого газа в выработанных пространствах (в пределах и за пределами участков), а также выделения его из подземных шахтных вод.

5.1.3. Прогноз углекислотообильности горных выработок по степени метаморфизма углей

5.1.3.1. Углекислотообшьность выемочного участка

Средняя углекислотообильносгь выемочного участка м3/мин, определяется как сумма газовыделений из разрабатываемого пласта 1шуг, м3/мин, и выработанного пространства /влчг, м3/мин, с учетом газовыделения из подземных вод

Iуч.уг. ~ ^вод{1т уг \ (35)

к вод - коэффициент, учитывающий выделение углекислого газа из подземных вод; принимается равным 1,22 для шахт восточной части Донбасса, разрабатывающих высокометаморфизованные антрациты, и 1,0 для шахт остальных районов Донбасса, других бассейнов и месторождений страны.

Для шахт, разрабатывающих каменные и бурые угли, среднее выделение углекислого газа из разрабатываемого пласта и из выработанного пространства в пределах выемочного участка при столбовой, сплошной и щитовой системах разработки определяется по формулам

10Ч = 6,1-10 гу « к,к21мтУ °'25 ; (36)

1ВП = 15,6 -Ю'5 и25 кхкгк,тРУ "'"¿Л25 > (37)

где II25 - константа, характеризующая химическую активность угля на данном горизонте по отношению к кислороду воздуха, см3/(г.ч.);

к1к1Ук} - коэффициенты, учитывающие влияние на выделение углекислого газа соответственно температуры массива угля на данной глубине, петрографического ^ состава угля и интенсивности проветривания выработанного пространства;

Р - эксплуатационные потери угля в пределах выемочного участка, доли ! единицы; определяются в соответствии с проектом при отсутствии данных о

, величине потерь как частное от деления разности между подготовленными к

'А отработке и извлеченными запасами угля к подготовленным;

Ь - ширина зоны в прилегающем к забою выработанном пространстве, из которой углекислый газ выносится в действующие выработки, м.

Константа принимается по каталогам пластов, склонных к самовозгоранию.

При стадиях метаморфизма углей от Шг до 1Уз при степени о кисленности меньше 9% значение константы может быть определено по данным петрографического анализа угля

*725 =(6,3 + ^+0,053^2)-10-5 , (38)

а при большей степени окисленности

и25=(21,6 + 1,+ 0,079/^)-10^ , (39)

где - содержание в угле компонентов группы фюзена, %.

Типичные значения константы для некоторых месторождений:

й25, см3/(г.ч.)

0,040-0,050 0,025 0,070

0,110-0,090 0,110-0,080 0,140-0,100

0,180 0,155 0,085 0,105

0,024

Кузбасс

Прокопьевско-Киселевский район: верхние горизонты нижние горизонты

Кемеровский район (пласт Волковский) Челябинский бассейн Еманжелинский район Район Коркинского разреза Копейский район Подмосковный бассейн Люменцевское месторождение Зубовское месторождение Гранковское месторождение Глубоковское месторождение Башкирия

Кумер-Тауское месторождение

Коэффициенты кх,к2,определяются по следующим формулам 23,24,

Средняя скорость воздуха в пределах проветриваемой зоны для расчета коэффициента кИц при сплошной и столбовой системах разработки определяется по формуле

ср~ , , , (40)

где - максимально допустимая ПБ скорость воздуха в очистной выработке, м/с;

- площадь поперечного сечения призабойного пространства очистной выработки в свету, м2;

кущ - коэффициент, учитывающий утечки воздуха через выработанное пространство в пределах выемочного участка; определяется по формуле

кутв = 1 + 0,5тВЯЛ ехр(0,24/-0,455О1/ шЬ). (41)

При щитовой системе разработки средняя скорость воздуха через выработанное пространство разрабатываемого столба

Уср = 0,04 ^ , (42)

где куч - депрессия выемочного участка, даПа; величина Иу, принимается по ее пожаробезопасному пределу.

Ширина зоны Ь при сплошной системе разработки с обрушением кровли на любой стадии отработки выемочного поля практически равна размеру выработанного пространства по простиранию, но не более 500-700 м.

Для расчета газовыделения из отрабатываемого столба при щитовой системе разработки проветриваемая зона принимается равной расстоянию от вентиляционного штрека до щитового перекрытия.

При столбовой системе разработки с прямоточной схемой проветривания ширина Ъ принимается равной половине размера выработанного пространства, а при возвратноточной схеме рассчитывается по формуле (28).

При управлении кровлей полным обрушением, устойчивых вмещающих породах и при скорости подвигания очистного забоя до 4 м/сут ширина зоны равна

Ь= 2,1 +4,3 У. (43)

5.1.3.2. Углекислотообилъность тупиковых выработок

Абсолютная углекислоте обильность тупиковых выработок определяется интенсивностью выделения углекислого газа с обнаженной поверхности пласта.

Для шахт, разрабатывающих каменные и бурые угли при выемке пласта на полную мощность, ожидаемое выделение углекислого газа в равномерно

продвигающиеся и остановленные тупиковые выработки рассчитывается по формуле

1ПЖ = 0,58-10"2 йг5-к1к,твУп(Т^'-Г™), (44)

Тсе - время существования выработки, сут;

Тоа» - время, прошедшее с момента остановки выработки (для проводимых выработок Гост,= 0), сут.

При обнажении пласта выработкой на неполную мощность в формулу (44) вместо тд подставляется значение полупериметра выработки по углю.

6. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания углекисло-тообильных шахт, производится согласно структуре газового баланса по совместным факторам метана и углекислого газа с учетом неравномерности газовыделения вследствие колебания барометрического давления и снижения концентрации 02 за счет окислительного процесса и образования С02 в горных выработках

Исследование структуры газового баланса шахт и углекислотообильно-сти участков проводилось для основных систем разработки в зависимости от применяемых схем проветривания, аэродинамических параметров горных выработок и особенностей выработанных пространств, неравномерности выделения углекислого газа при различных уровнях газовыделения и с учетом свойств углей, горнотехнических условий и технологических процессов.

Учитывалось, что при образовании углекислого газа в процессе окисления обнаженных поверхностей угольного массива, а также отбитого и потерянного угля газовый баланс шахт и углекислотообильность участков в значительной степени зависят от марок углей, их химической активности по отношению к кислороду, разветвленности сети горных выработок, потерь при выемке полезного ископаемого и объемов выработанных пространств, омываемых утечками воздуха.

В пределах восточных бассейнов "чисто углекислотообильных" шахт нет. Газовая ситуация в системе горных выработок зависит не только от дебита углекислого газа и распределения его по источникам, но и лимитируется по условиям проветривания другими факторами. В качестве критерия оценки принималось отношение дебита метана к выделению углекислого газа. Это позволило проверить одновременно применимость в практике проектирования углекислотообильных шахт используемых в настоящее время принципов расчета количества воздуха.

Структура газового баланса шахт по углекислому газу и метану примерно одинакова для условий Кузнецкого, Карагандинского и Воркутинского бассейнов, что позволило сделать вывод о том, что при расчетах количества воздуха, необходимого для проветривания углекислотообильных шахт, применение установленных коэффициентов доставки, учитывающих распределение воздуха между проветриваемыми объектами и утечки, вполне оправдано, а для определения его необходимо располагать данными о газовыделении в пределах участков (табл. 1).

Кроме того, анализ структуры газового баланса показывает, что основным источником выделения СОг в шахте являются выработанные пространства.

Влияние горнотехнических факторов и горно-геологических условий на структуру газового баланса и углекислотообильность выемочного участка должно рассматриваться в системе "уголь-воздух" при всех особенностях применяемых технологических схем отработки пластов и выемки угля, а также в зависимости от схем проветривания и аэродинамических особенностей вентиляционной сети и выработанных пространств. В каждом конкретном случае газовая ситуация в системе горных выработок рассматриваемого участка будет зависеть от свойств угля, размеров обнаженных поверхностей, интенсивности отработки пласта, потерь угля, величины утечек воздуха, интенсивности проветривания и объемов выработанных пространств, аэродинамически связанных с этой системой.

В процессе взаимодействия угля с кислородом воздуха образование дебита углекислого газа из выработанного пространства зависит от размеров проветриваемой зоны. За пределами проветриваемой зоны, где отсутствуют утечки воздуха, С02 образуется в незначительных количествах. Выделение С02 из "старых выработанных пространств" может произойти в случае изменения режима проветривания или барометрического давления и обусловливает неравномерность газовыделения и экстренные случаи, называемые "газованиями".

6.1. Методика расчета количества воздуха для проветривания горных выработок с учетом снижения содержания кислорода в рудничной атмосфере, коэффициенты неравномерности газовыделения за счет колебания барометрического давления

Сохраняя принятый позабойный метод и порядок определения количества воздуха, в соответствии с действующими нормативами и на основании проведенных исследований потребное количество воздуха принимается путем сравнения его расходов на разжижение С02 и для обеспечения допустимого содержания кислорода в выработках шахты и на участках.

Для очистных забоев и обособленно проветриваемых подготовительных выработок расчет количества воздуха по фактору 02 производится по формуле

л _ШЩсо2>К .

и3(0,1 - щС . М /мин, (45)

где ¿з(со2) - углекислотообильность очистного забоя или выработки, м3/мин;

кИ - коэффициент неравномерности газовыделения;

■¿г

Таблица 1

Структура газового баланса шахт Кузбасса, Караганды и Воркуты

Показатель Количество газа, поступающее

из шахты из очистных участков из подготовительных выработок за пределами участков

поСОг по СН« поСОг по СИ« по СОг поСН, по СОг по СН«

Кузнецкий бассейн

Дебит газа, ^/мин 5-95 5-76 2-66 3-42 1-14 1-12 1-23 1-22

% 100 100 12-82 33-74 4-60 9-24 2-59 9-54

Средн. знач, м'/мин 26 30 15 18 3 5 8 8

% 100 100 58 60 12 17 30 23

Карагандинский бассейн

Дебит газа, к?/мин 4-19 8-86 1-10 5-67 1-7 1-12 1-7 1-24

% 100 100 20-75 28-92 9-50 4-43 10-70 8-57

Средн. знач, м'/мин 8 35 4 22 1 4 3 9

% 100 100 50 63 12 И 38 26

Воркутинский бассейн

Дебит газа, 1^/мин 3-12 7-62 1-5 3-22 1-4 1-21 1-5 2-21

% 100 100 14-67 17-77 17-60 4-50 12-86 15-69

Средн. знач, м'/мин 7 30 2 11 2 7 3 12

% 100 100 29 37 29 23 42 40

Я - респираторный коэффициент, определяемый из выражения

Л= 0,17-Ш3(У)2 + 0,28, где V - средний выход летучих по шахте, %;

Со - концентрация кислорода в поступающем воздухе, %;

С - допустимая по ПБ концентрация кисл орода в горных выработках, %.

Если 0-з(о,) < Яусо,), где Яусо,) - количество воздуха, рассчитанное по фактору С02, допустимые нормы содержания кислорода обеспечиваются, и для проветривания необходимо принимать количество воздуха 0%со2) • ® противном случае, наоборот, поэтому для проветривания принимается количество воздуха бз(о,) ■

При последовательном проветривании нескольких очистных забоев расчет 0з(ог) производится аналогично ^

юо&](С01)1кИ1 ®3'°!> = —щс -с)—'м3/мин' (46)

где ^з(со2)1, 'з(С02>2. Зцсо2)п - ожидаемое или фактическое среднее выделение С02 в каждом очистном забое в соответствии с порядковыми номерами 1, 2, ... п, м3/мин;

к, - коэффициент неравномерности, соответствующий газовыделению в ¡-том забое.

Для участка в целом (¡у,^ определяется по формуле

вмо2) 'м3/мин' (47)

где — ожидаемое или фактическое среднее выделение углекислого газа

на участке, м3/мин;

кд- коэффициент доставки воздуха в пределах выемочного участка, принимается в зависимости от системы разработки, порядка отработки, схемы проветривания и способа управления кровлей;

Хбяа ~~ сумма количеств воздуха, необходимых для обособленного проветривания подготовительных выработок, проводимых в пределах выемоч- « ного участка, принятых по одному из определяющих факторов (в том числе и по кислороду), м3/мин;

^Яущ - сумма утечек воздуха через перемычки, изолирующие выемоч- ^

ный участок от старых выработанных пространств (при всасывающем способе проветривания прибавляются, при нагнетательном - вычитаются), м3/мин.

После сравнения и б^со,) к учету принимается большее. Проверка

общепринятого количества воздуха производится на основе неравенства

^ 3исх (со,) ^н

--вТг7)-> м3/мин> (48)

где £?в, - количество воздуха для проветривания шахты, м3/мин;

~ суммарный средний дебит углекислого газа по исходящим струям шахты, м3/мин;

кн - коэффициент неравномерности газовыделения, равный для исходящих струй шахты 1,2; 4. Со - концентрация кислорода в атмосферном воздухе, %.

Если условие (48) не выполняется, необходимо увеличить суммарные утечки воздуха через вентиляционные сооружения за пределами участков и принимать их равными

у = к 3/ (49)

где ку— коэффициент увеличения газовыделения за пределами выемочных участков, для шахт восточных бассейнов принимается в соответствии с данными табл. 2.

Таблица 2

Показатель ку по угольным регионам Наименование районо в Значения коэфф ициентов ку

Ленинск-Кузнецкий район Кузбасса 1,39

Анжерский район Кузбасса 1,59

Новокузнецкий район Кузбасса 1,40

Карагандинский бассейн 1,48

Шахты Приморья 1,37

Шахты о. Сахалин 1,45

Шахты Красноярского края 1,38

Воркутинский бассейн 1,28

Среднее для районов 1,43

Значения дебита углекислого газа во всех формулах и коэффициенты не-•4 равномерности определяются в соответствии с разработанной методикой по

прогнозу углекислотообильности горных выработок, приведенной в действующем "Руководстве по проектированию вентиляции шахт".

7. Оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными местными скоплениями газа и обеспечения устойчивости проветривания достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки пологих и наклонных пластов, применением новых технических решений по способу оценки склонности угля к окислению и по составу для снижения химической активности угля

Подача воздуха на выемочные участки проектируется в зависимости от газообильности очистных забоев, утечек воздуха через выработанные пространства и необходимости подачи дополнительного количества воздуха для разжижения газа, который выделяется из отбитого угля и выработанного пространства в выработки участка за пределами призабойного пространства (в к зависимости от схем проветривания). В любом случае определяющими факторами являются газообильность очистного забоя (по углекислому газу), либо газообильность участка в целом, структура газового баланса и утечки воздуха, которые оцениваются отношением подачи воздуха в очистной забой к его расходу в призабойном пространстве у сопряжения с вентиляционными выработками.

Такой порядок проектирования проветривания приемлем и для реализации новой технической политики, предусматривающей высокопроизводительную добычу угля при использовании максимальных возможностей горно-выемочной техники. Однако статус вентиляции углекислотообильных шахт как главной меры защиты против загазования горных выработок углекислым газом в таком случае с учетом повышения безопасности и комфортности труда шахтеров в целом нельзя связывать только с повышением эффективности проветривания выемочных участков за счет увеличения его интенсивности на основе статического разжижения вредностей по мере роста добычи угля. Взаимосвязь интенсивности проветривания с определяющими факторами и переносом газовоздушных смесей в горных выработках, как правило, имеет очень сложный характер.

Желаемые результаты достигаются лишь при вентиляции выемочных участков по принципу динамического разжижения углекислого газа по источникам выделения, исключающему возможность образования его местных скоплений во всей системе действующих выработок на основе выбора соответст- V вующих безопасных схем проветривания для любой технологической схемы отработки пластов. Поэтому существующее многообразие технологических схем подготовки и отработки угольных пластов, неразрывно связанное с соответствующими схемами проветривания согласно принятой в "Руководстве по ^ проектирования вентиляции угольных шахт" классификации, всегда ограничивается определенным рядом альтернативных вариантов (рис.6).

Рис. 6. Варианты схем проветривания углекислоте обильных выемочных участков:

а). Возвратноточная схема проветривания очистной выработки с выдачей исходящей струи по газодренажным выработкам;

б). Прямоточная схема с нисходящим проветриванием очистной выработки. 1 - воздухоподающая выработка; 2 - очистной забой; 3 - вентиляционная выработка; 4, 5 - выработки соответственно для отвода вредностей из выработанного пространства (дренажная) и транспортируемого угля

свежии воздух;

—►

исходящая струя;

отбитый уголь; + утечки

В настоящее время в проектах новых и реконструируемых шахт независимо от глубины работ и газообильности очистных выработок в качестве основной принимается система разработки длинными столбами с обратным порядком отработки разрабатываемого пласта в силу наибольшей экономической эффективности и безопасности по сравнению со сплошной.

Изменение количества воздуха, необходимого для проветривания выемочных участков с его распределением по вентиляционным потокам в горных выработках, для различных схем пр^виЦИШШЫ лши ¿щэдртк; разработки длин-

"библиотека |

С. Петербург | 09 100 «т_ \

ПИ 4/1*1

ными столбами с обратным порядком отработки описывается единым уравнением аэродинамики в обобщенном виде

0у,= а*.+ Яуп,+ доу+<2п (50)

где

Оу,

Яу»

Яоу

вп

подача воздуха, необходимого для проветривания выработок участка по газовому фактору, м3/мин;

количество воздуха, необходимое для проветривания приза-бойного пространства очистного забоя, м3/мин; утечки воздуха через выработанное пространство, м3/мин; количество воздуха, необходимое для разжижения и обособленного отвода газа, который выделяется при транспортировании отбитого угля вне призабойного пространства очистного забоя, м3/мин;

количество воздуха, необходимое для подсвежения утечек воздуха при обособленном газоотводе из выработанного пространства;

Яучтх - максимальная подача воздуха на выемочный участок для каждой конкретной схемы проветривания, исходя из реальных возможностей вентиляционной системы шахты с учетом ограниченной скорости его движения в горных выработках согласно ПБ.

Искомые значения составляющих баланса воздуха в уравнения (50) определяются по формулам

_ Ю0(С - КУ)кй

ъ£оч г* — {¿оч тах!

с-с,

Оут = Qoч (КутцЛУ,

а

^ С-С„'

а-=%:\1' тН1+слк^ ~ 1)1" |г

при 0%=

е;

+ Пп)

с-с„

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

где

Г»

Кв

максимальная газообильность очистного забоя по углекислому газу с учетом его количества, которое выделяется из транспортируемого угля в поступающие в призабойное пространство потоки воздуха, м3/мин;

максимальное выделение углекислого газа из транспортируемого угля вне призабойного пространства очистного забоя при обособленном газоотводе, м3/мин;

коэффициент, учитывающий вынос газа утечками воздуха из очистной выработки в выработанное пространство;

С - допустимая концентрация газа для исходящих потоков воздуха из очистного забоя и выемочного участка, %; по углекислому газу С = 0,5 %;

Со - концентрация газа в потоках воздуха, поступающих в очистной забой и подсвежающие выработки, %; по углекислому газу для поступающих забоя ограничивается допустимым уровнем Со = 0,5 %;

Яттах - максимальная подача воздуха в призабойное пространство очистного забоя у сопряжения с вентиляционной выработкой (в 10-15 м) не может превышать допустимую 0о,доп, м3/мин; принимается, исходя из реальных возможностей вентиляционной системы шахты, с учетом ограничения допустимой скорости его движения У^ ¿4 м/с согласно ПБ, соответствующей условию

0.т шах доп ~ 240 ^оч.лал , (56)

8т - минимальная площадь поперечного сечения призабойного пространства очистной выработки в свету, м2;

Кут в - коэффициент утечек воздуха через выработанное пространство; определяется по формуле

Кутв - К ш»

(57)

К*^ „ - характерные для схем проветривания коэффициенты, соответствующие оптимальному отводу утечек воздуха из призабойного пространства при полном погашении воздухоподающих выработок в выработанном пространстве;

К„ж - коэффициент, учитывающий расход воздуха или его утечки при поддержании воздухоподающих выработок в выработанном пространстве и при их погашении в зависимости от применяемых способе в;

Гвл - максимальная газообильность выработанного пространства, м3/мин;

Сг - допустимый уровень концентрации газа в газоотводящих выработках, %; принимается в зависимости от схем проветривания и способов изолированного газоотвода.

Прогнозные значения ожидаемого газовыделения Гт, Гоу, Гвя определяются по средним значениям 1т, 1оу, 1Вп по общепринятому правилу определения максимальной газообильности с учетом коэффициентов неравномерности в соответствии с "Руководством..."

Рекомендации этих дополнений следует использовать и при расчетах коэффициентов Кв и Ку„,в по новым алгоритмам, представленным в отличие от "Руководства..." в обобщенном виде. В этом случае представляется возможность обоснованного выбора рациональных схем проветривания участков на основе формирования альтернативных вариантов с учетом эффективного использования воздуха путем изменения его утечек при вариациях определяю-

щих технологических параметров. Одновременно упрощается и общий порядок при выборе схем, так как прежние уравнения для расчета утечек (см. "Руководство..."), являясь копией частных решений новых обобщенных зависимостей для определенных условий, такой универсальности не имеют.

Распределение расчетного количества воздуха по выработкам участков в соответствии с уравнением (57), так как £>„,+ Яуп, = йо, (К^А),

представляется следующим образом:

- воздухоподающие выработки для всех схем проветривания

й^йочКуп,. (58)

- подсвежающие выработки (в общем случае)

&**>=&,+&,; (59)

- выработки с исходящей участков (вентиляционные)

б»сх = бот Кут.в ; (60)

- вентиляционные выработки при С/-= 1%

йас* - Ооч Кут.в+ Я под', (61)

- вентиляционные выработки с дренажной выработкой

(62)

- газоотводящие выработки при Ср =

(бз>

При ()/ю<, меньше подачи воздуха 0,т„ по его минимально допустимой скорости принимается Qnoд = бтп- Подачу воздуха ()„ для подсвежения газоот-водящих выработок следует производить по специальным выработкам за пределами участков.

С учетом представленного распределения воздуха по выработкам участков уравнение (55) можно представить в виде

Йуч = б«г Кпод ^Яу лиг > (64)

Кпод - коэффициент необходимого увеличения подачи воздуха на участки за счет подсвежения вентиляционных или газоотводящих выработок из условия обособленного разжижения газа по источникам его выделения; в общем случае

..&,+& .. а~> ал„ ~ {65)

Из анализа уравнения (64) видно, что такой вид представления баланса воздуха, потребного для разжижения суммарного газовыделения на участках Гу< = Гт +/в П, более приемлем. В таком случае значительно упрощаются расчеты при выборе мер (способов) снижения газовыделения по источникам с учетом необходимой для этого их эффективности.

Если при определении £)т расчетное значение Qoч не удовлетворяет условию (51), требуется снижение газовыделения из разрабатываемого пласта: по углекислому газу - на основе дезактивации угля в массиве по сорбции кислорода. Необходимый для этого коэффициент эффективности снижения газовыделения определяется с учетом условия (56) из выражения

пл — 1 - Ооч/Ооч та.с (66)

Далее, когда при принятом коэффициенте уменьшения газовыделения из разрабатываемого пласта не удовлетворяется условие (62), требуется дезактивация выработанного пространства с коэффициентом ее эффективности, равным

Кд

вп -1 - (ЯочтахКуте/(¿уч тах) Кпод (67)

После завершения расчетов по формуле (67) при К^ =1 дополнительно необходимо проверить их на безопасность, исходя из предотвращения местных скоплений углекислого газа на сопряжении лавы с вентиляционной выработкой при принятом Кдвп и Qm = Оттах в соответствии с "Руководством..." по формуле

\4,Ъ41ВЛ(\ — Кл,яу[§

О (К _1\1.5 (68)

х^ог тах V ут е /

где 5 - проектная площадь поперечного сечения вентиляционной выработки в свету, м2.

Возможность использования прямоточных схем проветривания в отдельных случаях ограничивается, так как при соотношении ()„*/(),„ К^« больше определенного значения неизбежно опрокидывание воздуха в очистном забое с образованием "нулевой" зоны проветривания у сопряжения с вентиляционной выработкой. По данным исследований НЦ ВостНИИ по ходу технической помощи шахтам и разработки предложений в плане переработки действующего "Руководства..." это значение равно 0,49/ К^в -1- В результате для учета устойчивости этих схем расчетное значение К^, по формуле (65) при 0.т~0.Оч тах необходимо сравнивать с допустимым К"„х) согласно выражению ту , . Опод___гл. , , 0>49

""0 О-К~ "О" ~К-1Т- (69)

-самцах ути ут в

Допускается, когда полученные значения коэффициентов Кдпл и Кд„„ для всех рассмотренных вариантов схем проветривания превосходят технически достижимые, требуется пересмотр принятых для отработки выемочных участков технологических решений с увеличением, например, числа воздухоподающих и вентиляционных выработок, уменьшением длины очистных забоев и выемочных полей, снижением технологических потерь угля и т.п. После этого приведенные выше расчеты повторяются вплоть до перехода на другие прогрессивные системы разработки и технологии выемки угля.

В заключение следует отметить, что для каждой рассмотренной схемы вентиляционные параметры соответствуют оптимальной эффективности использования воздуха для управления опасными местными скоплениями газов и устойчивостью проветривания. Поэтому в отношении безопасности их приемлемость однозначна, несмотря на различие этого показателя с экономической точки зрения.

В действительности сравнение схем по эффективности использования воздуха следует производить с учетом затрат по способам снижения газовыде-

ления (изолированный газоотвод), на подачу принятых расходов воздуха и обеспечения надежности элементов вентиляционных сетей (поддержание и ремонт выработок, установка регуляторов распределения воздуха и т.п.). При этом затраты по газоотводу должны приниматься в удельном виде - относительно числа отрабатываемых столбов угля.

В конечном итоге эффективность использования воздуха с учетом отмеченного учитывается при конкретном технико-экономическом сравнении возможных вариантов их применения. Особенно важно это для условий углеки-слотообильных шахт, так как в таких случаях за счет минимизации и аэродинамической локализации проветриваемых зон в выработанных пространствах возможный эффект снижения содержания кислорода воздуха на участках практически исключается.

у-

7.1. Рекомендации по снижению углекислоте обильности горных выработок и управлению газовыделением

В соответствии с проведенными исследованиями в условиях шахт восточных бассейнов России углекислый газ образуется за счет окисления угля кислородом воздуха, используемого для их проветривания. При этом определяющим фактором прежде всего является склонность угля к окислению и его способность к образованию углекислого газа. Полученные данные показывают, что для разных углей характерно образование различных количеств углекислого газа на каждую единицу поглощенного кислорода. Эта склонность углей зависит в первую очередь от величины активной поверхности угля.

Для снижения углекислото обильности горных выработок в условиях склонных к окислению пластов могут быть рекомендованы все известные в практике предупреждения эндогенных пожаров способы снижения химической активности углей как на основе региональных, так и локальных методов. При выборе таких способов необходимо обратить внимание прежде всего на тот факт, что эффективность их применения зависит от снижения активности угля по отношению к кислороду. Отсюда предпочтительнее тот, который дает большее снижение химической активности угля.

В соответствии с изложенным разработан новый эффективный состав снижения химической активности угля, содержащий газогель, пенообразова- V

тель и воду.

Состав обладает избирательным действием и представляет собой вспененную прямую эмульсию кратностью 3-7, которая равномерно распределяется в обрушенных породах, не стекает на почву пласта и в призабойное простран- '

ство, полностью поглощается обрушенными породами, а на кусках угля создает устойчивую защитную пленку. Состав защищен заявкой на изобретение № 2003105137 с приоритетом от 19 февраля 2003 г.

Предложен также новый способ оценки склонности каменного угля к окислению, основанный на анализе влагосодержания отобранных проб. Он

простой, не требует больших трудозатрат и необходимой классификации шах-топластов.

Сущность способа заключается в том, что определяется содержание влаги в мезопорах и микропорах, а анализ склонности к окислению производят по показателю Р, равному отношению содержания влаги в мезопорах к содержанию влаги в микропорах.

При значениях Р от 0,1 до 2,0 уголь относят к легкоокисляемым, при значениях Р от 2,0 до 2,5 - к слабоокисляемым, а при Р более 2,5 - к неокисляемым углям.

В условиях разработки склонных к окислению углей основное количество газа выделяется из выработанных пространств, поэтому управление газовыделением целесообразно производить средствами вентиляции или изменением ^ аэродинамических свойств выработанного пространства.

Установлено, что одним из эффективных методов борьбы с повышенным выделением углекислого газа из выработанных пространств является применение схем вентиляции со специальными газосборными выработками, оконтури-вающими выработанное пространство и соединенными с вентиляционным штреком, по которому выходит исходящая струя участка. Эти выработки преследуют двойную цель: во-первых, отводят газ из выработанного пространства, не допуская его выделения в действующие выработки, с другой стороны, они предупреждают загазование призабойного пространства при резких колебаниях атмосферного давления. Учитывая, что действие веса углекислого газа в призабойном пространстве противоположно действию метана, можно заключить, что основные недостатки нисходящего проветривания на метанообиль-ных участках являются преимуществами при выделении углекислого газа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения процессов взаимодействия угля с кислородом воздуха, выделения углекислого газа в горных выработках и управления аэрогазодинамическими процессами в углекислоте обильных шахтах, совокупность которых можно квалифицир овать как новое крупное научное достижение в области рудничной аэрогазодинамики, имеющее важное значение для обеспечения эффективности и безопасности работ на угольных предприятиях отрасли.

^ Основные научные и практические результаты диссертации заключаются

в следующем:

1. Углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих параметров при расчете количества воздуха в многофакторной вентиляционной системе управления аэрогазодинамическими процессами угольных шахт.

2. Проведенные исследования позволили установить, что процесс взаимодействия угля с кислородом воздуха, происходящий в горном массиве, вы-

работанном пространстве и действующих горных выработках при низкотемпературном окислении угля вследствие его высокой сорбционной способности к кислороду, является основным источником образования углекислого газа в угольных шахтах. Сравнение выделения углекислого газа с метановыдел ением даже в условиях наиболее газовых (по метану) шахт показывает, то углекислый газ выделяется здесь зачастую в таких же, а иногда даже в больших количествах и является определяющим фактором при расчетах необходимого количества воздуха. Так, по шахтам Кузбасса 28,0 % участков от общего числа расчет воздуха производят по углекислому газу и только 18,0 % по метану.

3. Определяющими факторами в развитии процесса низкотемпературного окисления угля и выделения углекислого газа в горные выработки являются: стадия метаморфизма, с увеличением которой от бурых углей до марок ОС и К активность угля уменьшается в 3,5-4 раза; группа фюзена в петрографическом у составе, содержание которой до уровня 20-30% увеличивает сорбционную способность по отношению к кислороду, а с дальнейшим увеличением содержания фюзена теряются его "каталитические" свойства; при первичной окисленности

углей до 9% наблюдается резкое изменение скорости сорбции, а после 9% не происходит существенного изменения химической активности.

4. Установлено, что в аэродинамически связанной вентиляционной сети выемочного участка выработанное пространство является коллектором и основным источником выделения газа. Температура и концентрация углекислого газа повышаются с удалением в глубь выработанного пространства, а содержание кислорода, наоборот, убывает с ростом концентрации С02. Это обусловливает тесную связь между образованием С02 и его распределением на данном участке выработанного пространства с движением воздуха.

При управлении газовыделением из выработанного пространства одним из определяющих его параметров является проветриваемая зона, размер которой принимается: при столбовой системе разработки с прямоточной схемой проветривания 1/2 размера выработанного пространства, с возвратноточной схемой проветривания рассчитывается в зависимости от величины утечек воздуха К = 5-30%, скорости подвигания очистного забоя К = 3-4 м/сут и более, длины лавы I = 25-100 м и более, аэродинамического сопротивления Я = 0,010,20 кгс-с3/м8. ^

5. На основе полученных экспериментально-статистических закономерностей процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха разработан метод управления выделением углекислого газа в горные выработки при действующих технологических схемах и способах проветривания, который следует вы- ' поднять дифференцированно по источникам с учетом составляющих газового баланса выемочного участка: с обнаженных поверхностей угольного пласта очистного забоя до 10-15% С02 от общего выделения на очистном участке, 6070% С02 из выработанного пространства, 20-25% - из действующих подготовительных выработок. Общее газовыделение на участке должно рассчитываться как сумма газовыделений по источникам.

6. Установлено, что структура газового баланса шахт по углекислому газу и метану практически одинакова. По средним данным на шахтах Кузбасса, Приморья, о. Сахалин и Карагандинского бассейна до 50-60 % С02 от общего выделяется из очистных участков, около 10 % из подготовительных выработок и 30-40% за пределами участков. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания углекислотообильных шахт, нужно производить в соответствии с установленной структурой газового баланса по совместным факторам метана и углекислого газа с учетом горно-геологических и горнотехнологических факторов, а также неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.

7. Разработанные вентиляционные параметры для технологических схем ^ проветривания с применением обособленных газоотводящих выработок соответствуют оптимальной эффективности использования воздуха для управления опасными местными скоплениями газов и устойчивостью проветривания углекислотообильных шахт, для которых за счет минимизации и аэродинамической локализации проветриваемых зон в выработанных пространствах возможное снижение содержания кислорода в атмосфере участка практически исключается. Учитывая, что действие веса углекислого газа в призабойном пространстве противоположно действию метана, можно заключить, что основные недостатки нисходящего проветривания на метанообильных участках являются преимуществами при выделении углекислого газа.

8. Разработанный метод управления аэрогазодинамическими процессами в ■ многофакторной вентиляционной системе проветривания обеспечивает снижение

углекислотообильности выемочных участков в 1,5-2 раза, уменьшение необходимого расхода воздуха до 20% за счет увеличения точности прогноза газовыделения, позволяет определять источники газовыделения и загазования в горных выработках и их устранение, применять эффективные и безопасные технологические схемы и способы проветривания, оптимизировать их параметры.

9. На основе проведенных исследований и полученных рекомендаций, обобщенных данных о выделении углекислого газа в горные выработки разработан проект "Временной инструкции по прогнозу углекислотообильности

/ шахт СССР", который вошел в действующее в настоящее время "Руководство

по проектированию вентиляции угольных шахт", согласованное с Госгортех-надзором СССР 18 июня 1989 г., Госстроем СССР 4 июля 1989 г. и утвержденное Минуглепромом СССР 15 августа 1989 г. В 2003 г. оно переработано. В ^ новой редакции "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт"

выйдет в 2004 г. Оно является основополагающим нормативным документом в производственной деятельности по управлению аэрогазодинамическими процессами в горных выработках и эффективностью и безопасностью ведения горных работ в угольных шахтах России.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография

1. Ли Хи Ун. Борьба с углекислым газом в угольных шахтах / Ли Хи Ун, И.Д. Мащенко; НЦ ВостНИИ.- Кемерово, 2003. -200 с.

Публикация в ведущих научных журналах и изданиях

2. Ли Хи Ун. Метаноносность угля и окисление его кислородом воздуха д //Борьба с авариями в шахтах.- Кемерово: Кузбассвузиздат, 2003.- Вып. 16. -

с.150-152.

3. Ли Хи Ун. О содержании углекислого газа в угольных пластах и вмещающих породах Кузбасского и Уральского месторождений //Борьба с авария- у ми в шахтах.-Кемерово: Кузбасс вузиздат, 2003.- Вып. 16,- с.152-157.

4. Ли Хи Ун. Определение активной поверхности углей Кузбасса// Борьба с авариями в шахтах. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2003,- Вып. 16,- с.164-171.

5. Ли Хи Ун. О содержании углекислого газа в угольных пластах Приморья и Сахалинского месторождения // Борьба с авариями в шахтах. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2003.- Вып. 16,- с. 157-164.

6. Выбор эффективных технологических схем проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки пологих и наклонных пластов / И.Д. Мащенко, A.M. Тимошенко, Ли Хи Ун, В.А. Лукьянов, А.П. Павлов) // Вопросы безопасности горных предприятий: Вестник КузГТУ. -Кемерово, Кузбассвузиздат, 2003.

7. Ли Хи Ун. Исследование неравномерности выделения углекислого газа / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун // Безопасность работ в угольных шахтах. -М.: Недра, 1972.-Т. XVI.-C.41-46.

8. Ли Хи Ун. Углекислотообильность выемочных участков. В кн. «Прогноз углекислотообильности угольных шахт» / Ли Хи Ун, A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Г.Н. Крикунов. -М.: Недра, 1974. -С.51-59.

9. Ли Хи Ун. Газотермодинамические особенности выработанного пространства при обратном порядке отработки. В кн. «Прогноз углекислотообильности угольных шахт» / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун, Г.Н. Крику- >• нов, В.А. Александров. -М.: Недра, 1974. -С. 69-72.

10. Ли Хи Ун. Поглощение кислорода углями разных стадий метаморфизма и выделение углекислого газа при разных температурах. В кн. «Прогноз углекислотообильности угольных шахт» / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Г.Н. * Крикунов, Ли Хи Ун, В.В. Шестых. - М.: Недра, 1974. -С.100-115.

11. Ли Хи Ун. Методика прогноза углекислотообильности выработок. В кн. «Прогноз углекислотообильности угольных шахт» / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун, Е.И. Глузберг, Г.А. Бабанский. -М.: Недра, 1974. -С. 141151

Патенты и авторские свидетельства иа изобретения

12. Заявка РФ № 200307221/20, МКИ 7 E21F 1/04. Гибкая вентиляционная труба / В.П. Рощин , И.В. Николаев, A.M. Тимошенко, Ли Хи Ун; Заявлено 20.03.2003; Патент №30840 от 10.07.2003.

13. Заявка на изобретение РФ № 2003103645/20 (003706), МКИ7 G01 N 25/36. Способ оценки склонности каменного угля к окислению / Ли Хи Ун; Приоритет от 06.02.2003.

14. Заявка на изобретение РФ №2003105137, МКИ7 E21F 5/00. Способ оценки химической активности обрушенных пород / Ли Хи Ун; Приоритет от

* 19.02.2003.

Нормативные документы российского и регионального значения

^ 15. Методика определения эндогенной пожароопасности выемочных по-

лей шахт Кузбасса для выбора достаточного объема пожарно-профилактических мероприятий / Л.П. Белавенцев, С.П. Ворошилов, АЛ. Каминский, Ли Хи Ун ; ВостНИИ. -Кемерово, 1996.

16. Руководство по применению способа профилактики эндогенных пожаров на принципе интенсификации дезактивации угля в шахтах Кузбасса / Л.П. Белавенцев, З.С. Быков, А.Я. Каминский, Ли Хи Ун, A.B. Сурков, B.C. Лудзиш и др.; ВостНИИ. -Кемерово, 1997.

17. Руководство по применению способов торможения развития самонагревания угля в выработанных пространствах выемочных полей шахт / B.C. Евсеев, В.М. Маевская, Л.П. Белавенцев, Ли Хи Ун; ВостНИИ. -Кемерово, 1986.- 60с.

18. Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов / Н.И. Линденау, A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун. -Кемерово: Кемеровское книжное изд-во, 1969.

19. Руководство по проектированию угольных шахт / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун. -Макеевка-Донбасс, 1989.- 320с.

Статьи в сборниках научных трудов НЦ ВостНИИ

20. Ли Хи Ун. Об эндогенной пожароопасности угольных бортов возду-г> хоподающих выработок / Л.П. Белавенцев, А.Я. Каминский, Ли Хи Ун, C.B.

Алексеев // Безопасность угольных предприятий: Сб. науч. трудов / НЦ ВостНИИ. -Кемерово, 2002.- С. 29-33.

21. Ли Хи Ун. Предупреждение эндогенного пожара в межлавном целике угля / Л.П. Белавенцев, А .Я. Каминский, Ли Хи Ун, C.B. Алексеев // Безопасность угольных предприятий: Сб. науч. трудов / НЦ ВостНИИ. -Кемерово, 2002.- С. 37-44.

22. Ли Хи Ун. О выделении углекислого газа из шпуров и скважин в зоне влияния горных выработок// Безопасность угольных предприятий: Сб. науч. трудов / НЦ ВостНИИ. -Кемерово, 2002,- С. 44-47.

23. Ли Хи Ун. Методика расчета необходимого для проветривания угле-

кислотообильных шахт количества воздуха с учетом его обескислороживания / И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун // Безопасность угольных предприятий: Сб. науч. трудов / НЦ ВостНИИ. -Кемерово, 2002.- С. 47-50.

24. Ли Хи Ун. Сорбционная способность углей разных стадий метаморфизма по отношению к кислороду и выделение углекислого газа в зависимости от температуры угля / Ли Хи Ун, А.Я. Каминский) // Безопасность угольных предприятий: Сб. науч. трудов / НЦ ВостНИИ. -Кемерово, 2002.- С. 50-63.

25. Ли Хи Ун. Газовый баланс шахт по углекислому газу и расчет количества воздуха, необходимого для проветривания / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун, Н.Е. Комаров, В.В. Шестых // Борьба с газом, внезапными выбросами и пожарами в угольных шахтах: Сб. науч. тр./ ВостНИИ. -Кемерово, 1975.-Т.24.- С. 41-49.

26. Ли Хи Ун. Определение потерь воздуха в вентиляционных сетях шахт Кузбасса / Г.Т. Богданов, Ли Хи Ун, Ю.С. Сосновский, А.Е. Масляев // Вопросы безопасности в угольных шахтах: Труды / ВостНИИ. - Кемерово, 1972.-T.XII.- С.138-144.

27. Ли Хи Ун. Определение аэродинамических параметров для электромоделирования сопротивления пород в обрушенном пространстве / Ли Хи Ун, Г.Т. Богданов, А.Е. Масляев) // Вопросы безопасности в угольных шахтах: Труды / ВостНИИ. -Кемерово, 1972,- Т. XII.- С. 144-150.

28. Ли Хи Ун. Исследование выделения углекислого газа при низкотемпературном окислении углей / И.Д. Мащенко, Ли Хи Ун, Г.Н. Крикунов // Безопасность работ в угольных шахтах: Труды / ВостНИИ -Кемерово, 1973.-. Т. XIX,- С.52-66.

29. Ли Хи Ун. К оценке углекислотообильности угольных шахт восточных районов страны / A.A. Мясников, И.Д. Мащенко, Г.Н. Крикунов, Ли Хи Ун, Н.Е. Комаров // Безопасность работ в угольных шахтах: Труды / ВостНИИ. -Кемерово, 1973.-. T.XIX.- С.66-72.

*

Н

ЛР № 021306 от 10 августа 1998 г. Подписано в печать 29.09.2003 г. Тираж 100 экз. Формат 60Я0 1/16 Печать офсетная. Печ. л.2,0. Заказ № 182.2003-09-30 Кемерово, Ротапринт ВостНИИ, Институтская, 3

щ

4

f

у

115 43®

i

t

Г (i

Содержание диссертации, доктора технических наук, Ли Хи Ун

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ВЫДЕЛЕНИИ

УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ.

ВЫВОДЫ.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕКТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДАХ.

3.1. Природная и остаточная газоносность угольных пластов по углекислому газу.

3.1.1. Особенность содержания СО2 в угольных пластах восточных регионов России.

3.1.1.1. Углекислотоносность пластов Кузбасса и Урала.

3.1.1.2. Углекислотоносность пластов Приморья.

3.2 Выделение углекислого газа из шпуров и скважин по данным газового каротажа.

3.3 Исследование углекислотоносности угольных пластов по газо-<ч выделению при отбойке угля, внезапных выбросах угля и газа и содержанию углекислого газа в выработанных пространствах

3.4 Углекислотоносность вмещающих пород и выделение углекислого газа из подземных вод и древесины.

ВЫВОДЫ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УГЛЯ С КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА, ПРОТЕКАЮЩЕГО В ГОРНОМ МАССИВЕ, ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ, ДЕЙСТВУЮЩИХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ.

4.1 Сорбционная способность углей разных стадий метаморфизма по отношению к кислороду и выделение углекислого газа в зависимости от температуры угля.

4.2 Исследование активной поверхности углей и петрографический метод определения поглощенного углем кислорода и выделения углекислого газа.

4.3 Окисление углей в зависимости от количества адсорбированной влаги.

ВЫВОДЫ.

5. ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО БАЛАНСА ШАХТ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПА УПРАВЛЕНИЯ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГЛЕКИСЛОТО-ОБИЛЬНЫХ ШАХТ.

5.1 Структура газового баланса шахт по углекислому газу и метану

5.2. Углекислотообильность выемочного участка и зависимость ее от свойств углей, горнотехнических и технологических процессов

5.3. Влияние утечки воздуха на углекислотообильность горных выработок и размеры проветриваемых зон в выработанных пространствах

5.4. Зависимость углекислотообильности горных выработок от интенсивности их проветривания.

5.5. Исследование неравномерности выделения углекислого газа

5.6. Оптимизация аэродинамических параметров углекислотообильных горных выработок.

ВЫВОДЫ.

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ОПАСНОСТЬЮ ЗАГАЗИРОВАНИЯ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ОПТИМИЗАЦИЕЙ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В МНОГОФАКТОРНОЙ СИСТЕМЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ УГЛЕКИСЛОТООБИЛЬ-НЫХ ШАХТ.

6.1. Выбор эффективных аэрогазодинамических параметров управления проветриванием углекислотообилъных шахт.

6.2. Принцип прогноза и область применения.

6.3. Углекислотообильностъ выемочного участка.

6.4. Углекислотообильностъ тупиковых выработок.

6.5. Методика расчета количества воздуха для проветривания горных выработок с учетом снижения содержания кислорода

- - в рудничной атмосфере, коэффициенты неравномерности газовыделения за счет колебания барометрического давления.

6.6. Выбор эффективных технологических схем проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки пологих и наклонных пластов.

6.7. Рекомендации по снижению углекислотообилъности горных выработок и управлению газовыделением.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт"

Актуальность работы. В современных шахтах с развитой сетью горных выработок и высокой технологической оснащенностью углекислый газ наряду с метаном фиксируется в рудничной атмосфере всех угольных бассейнов страны как один из определяющих факторов при расчете необходимого для проветривания горных выработок количества воздуха. В Кузбассе, например, по фактору СО2 необходимое количество воздуха принимается для 28% участков из всех действующих, а по метану только для 18%, по объединениям "Сахалинуголь" соответственно 50 и 25 %, "Приморскуголь" -41,66 и 25 %, "Кизелуголь" - 40 и 20 %.

Крупный вклад в становление и развитие исследований по борьбе с углекислым газом внесли А.А. Скочинский, JI.H. Быков, B.C. Веселовский, В.Б. Комаров, А.И. Кравцов, Г.Д. Лидин, И.М. Печук, К.З. Ушаков, А.А. Мясников, И.Д. Мащенко, Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, М.Б. Сулла, Л.П. Белавенцев, Г.Н. Крикунов, Е.И. Глузберг, Г.А. Бабанский и другие ученые.

К наиболее углекислотообильным шахтам в Кузбассе можно отнести шахты "Коксовая", "Зиминка", "Тырганская", "Распадская", "Юбилейная", им. Кирова, "Комсомолец", им. 7 Ноября, которые разрабатывают угольные пласты Мощный, Горелый, Лутугинский, IV Внутренний, 3 и 4-й, Толмачевский, Емельяновский, Бреевский, относящиеся по стадии метаморфизма к I и III группам. Они характеризуются большим содержанием выхода летучих -до 35-37 % и по вещественному составу содержат более 15% фюзена. К этой категории относятся шахты Кизеловского, Черногорского и Букачачинского месторождений, а также шахты Приморья и о. Сахалин.

По действующим Правилам безопасности содержание углекислого газа на рабочих местах и исходящих струях участков не должно превышать 0,5%, по метану - 1,0%, а в общей исходящей шахты, крыла по СН4 и СО2 -0,75%. Содержание СОг до 1,0% допускается только при проведении выработок по завалу, в то время как по метану эта норма является предельной для исходящих струй участков и перед производством взрывных работ, а местное скопление метана в очистных и подготовительных выработках допускается до 2,0 %.

Вместе с тем, если проблема борьбы с метаном в угольных шахтах во всех аспектах глубоко исследована и имеется широкая информация об эффективных методах и способах борьбы с метановыделениями, то углекислый газ в шахте изучен недостаточно и существующие методы прогноза не имеют пока той научной основы, которая позволила бы применять их при различных горно-геологических условиях разработки месторождений и при изменении горнотехнологических факторов. Особенно это касается случаев, когда количество воздуха рассчитывается по выделению углекислого газа. Более того, при расчетах количества воздуха далеко недостаточно принимать во внимание только уровень выделения углекислого газа. Полученное расчетное количество воздуха должно проверяться и по содержанию кислорода, часть которого теряется на различные окислительные процессы и обусловливает недопустимую концентрацию кислорода на исходящих струях и на рабочих местах. Как показывают последние обследования рудничной атмосферы шахт в Кузбассе, при уровнях концентрации углекислого газа в исходящих струях, близких к 0,5 %, содержание кислорода в них снижается более чем на 1 %.

Приведенные факты свидетельствуют о том, насколько важно и точно нужно знать ожидаемое выделение углекислого газа. Высокая точность здесь необходима и в связи с тем, что даже сравнительно небольшие ошибки в прогнозе допустимых норм содержания С02 в горных выработках дают значительные колебания расчетного количества воздуха и приводят к неоправданным капитальным затратам или загазованию тупиковых горных выработок из-за нехватки воздуха.

В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений управления аэрогазодинамическими процессами в вентиляционной системе углекислотообильных шахт, которая объединяет в аэрогазодинамически связанную вентиляционную сеть действующие очистные и подготовительные забои с допустимым содержанием ССЬ и выработанное пространство, являющееся коллектором и основным источником выделения углекислого газа.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа, прогнозу газообильности и дегазации угольных шахт Минуглепрома СССР, компании "Росуголь", Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля и газа в период 19701993 гг., по заказам производственных объединений Кузбасса, Приморья и о. Сахалин в период 1980-2001 гг.

Целью работы является экспериментально-теоретическое обоснование и разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт.

Идея работы заключается в установлении источников, кинетики и закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках и их использовании при управлении проветриванием углекислотообильных шахт.

Задачи исследований:

1. Обосновать концепцию роли углекислого газа в многофакторной аэрогазодинамической системе управления проветриванием угольных шахт.

2. Изучить физико-химические условия развития процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха с целью установления закономерности выделения углекислого газа из различных источников в условиях так называемого низкотемпературного окисления угля (16-26°С).

3. Развить экспериментально-статистические модели аэрогазодинамических процессов в горных выработках с участием СО2 и на их основе разработать методику оценки выделения углекислого газа в зависимости от свойств угля, количества поглощенного кислорода, интенсивности проветривания, температуры, площади и времени контакта "уголь-воздух?\ стадии метаморфизма и петрографического состава.

4. Обосновать структуру газового баланса и газовоздушных потоков при действующих технологических схемах и способах управления проветриванием выемочных участков и полей в различных горнотехнологических условиях.

5. Разработать методы расчета ожидаемого выделения углекислого газа в горных выработках для управления аэрогазодинамическими процессами и опасностью загазования действующих выемочных участков.

6. Разработать методику расчета количества воздуха для проветривания горных выработок с учетом снижения концентрации кислорода и образования углекислого газа.

Методы исследований:

- анализ и обобщение работ по применению существующих способов управления параметрами рудничной атмосферы по углекислому газу и снижения углекислотообильности выемочных участков угольных шахт;

- лабораторные исследования процессов взаимодействия между углем и кислородом воздуха, определения природного и остаточного содержания углекислого газа в угольных шахтах;

- шахтные эксперименты по исследованию аэрогазодинамических процессов в вентиляционной системе горного массива, горных выработок и выработанных пространств;

- экспериментально-статистическое обоснование управления аэрогазодинамическими процессами в горных массивах, горных выработках и выработанных пространствах угольных шахт с учетом поглощения 02 и выделения СОг;

- методы математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих факторов управления аэрогазодинамическими процессами в системе жизнеобеспечения угольных шахт.

2. Возможность накопления в горных выработках углекислого газа в концентрации, превосходящей допустимую, предопределяет процесс взаимодействия угля с кислородом воздуха, протекающий в горном массиве, выработанном пространстве и действующих подготовительных выработках, а доля выделения углекислого газа из угля, образованного вследствие окислительного процесса, а также из минеральных источников, за счет разложения крепежного леса и угленосных пород шахтными водами, не превышает 2-3 % в газовом балансе выемочного участка.

3. Развитие процесса низкотемпературного окисления угля зависит от сорбционной способности его по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, степени первичной окисленно-сти, а также от горно-геологических и горнотехнологических факторов.

4. В аэродинамически связанной вентиляционной сети выемочного участка выработанное пространство является коллектором и основным источником выделения углекислого газа, уровень образования которого зависит от ширины проветриваемой зоны выработанного пространства, его аэродинамической особенности и интенсивности проветривания.

5. Управление процессами выделения углекислого газа и опасностью загазирования на выемочных участках осуществляется оптимизацией аэрогазодинамических параметров в многофакторной системе проветривания угле-кислотообильных шахт.

6. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания угле-кислотообильных шахт, производится в соответствии со структурой газового баланса по совместным факторам метана и углекислого газа с учетом неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.

7. Оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными местными скоплениями газа и обеспечения устойчивости проветривания достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки пологих и наклонных пластов, применением новых технических решений по способу оценки склонности угля к окислению и по составу для снижения химической активности угля.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- обоснованностью постановки физико-химических задач процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха и его развития на экспериментально-статистической основе;

- использованием апробированных методов и приборов контроля при проведении лабораторных исследований;

- необходимым и достаточным для статистической обработки количеством многосторонних лабораторных и шахтных исследований (более 1000 экспериментов), проведенных в 1968-1989 гг. в 70 горных выработках шахт восточных бассейнов России;

- удовлетворительной сходимостью результатов экспериментально-статистических исследований, лабораторных и шахтных экспериментов (погрешность не более 15 % при доверительной вероятности 0,95);

- положительными результатами практического использования методов управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках углекислотообильных шахт Челябинского, Кузбасского, Карагандинского, Красноярского, Приморского и Сахалинского угольных месторождений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые научно обосновано, что углекислый газ является одним из определяющих наряду с метаном факторов при расчете количества воздуха для проветривания горных выработок угольных шахт восточных регионов России;

- впервые установлено, что в угольных шахтах восточных регионов России основная доля выделяемого углекислого газа из обнаженных поверхностей угольного массива, из выработанных пространств и действующих подготовительных выработок образуется в процессе низкотемпературного окисления угля кислородом воздуха;

- проведены исследования низкотемпературного окисления угля и установлены закономерности выделения углекислого газа в горных выработках в зависимости от сорбционной способности углей по отношению к кислороду воздуха, стадии метаморфизма, петрографического состава, степени первичной окисленности угля;

- установлено, что основой управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках при низкотемпературном окислении угля являются экспериментально-статистические модели выделения углекислого газа, определяемые в зависимости от источников газовыделения, от скорости подвигания очистного забоя, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства и его аэродинамических особенностей, потерь угля, применяемых технологических схем и способов проветривания;

- разработана методика расчета необходимого для проветривания горных выработок количества воздуха с учетом снижения содержания кислорода за счет окислительного процесса и выделения углекислого газа в рудничную атмосферу;

- разработаны новый метод оценки склонности угля к окислению и новый метод для определения состава снижения химической активности обрушенных горных пород по отношению к кислороду, блокирующий дальнейшее развитие окислительного процесса, образование и выделение углекислого газа;

- разработаны специфические методы управления аэрогазодинамическими процессами выделения углекислого газа в угольных шахтах при различных горнотехнических условиях и оптимизации параметров управления технологическими схемами и способами проветривания выемочных участков.

Личный вклад автора состоит:

- в обосновании концепции выделения углекислого газа в многофакторной вентиляционной системе проветривания угольных шахт;

- в разработке методик и проведении экспериментальных исследований аэрогазодинамических процессов на выемочных участках шахт Кузбасса, Караганды, Хакасии, Восточной Сибири, Приморья и о. Сахалин, а также лабораторно-стендовых испытаний окислительных процессов;

- в установлении закономерностей развития процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха в условиях нормативных температурных режимов в рудничной атмосфере;

- в разработке методики оценки выделения углекислого газа в зависимости от горно-геологических и горнотехнологических факторов, стадии метаморфизма, петрографического состава угля;

- в обосновании структуры газового баланса по углекислому газу при действующих схемах и способах проветривания выемочных участков, на основании которой определен позабойный метод расчета количества воздуха для проветривания углекислотообильных шахт;

- в разработке методики расчета количества воздуха с учетом снижения содержания кислорода и выделения углекислого газа в рудничной атмосфере;

- в разработке нового способа оценки склонности угля к окислению и метода определения нового состава для снижения химической активности угля по отношению к кислороду;

- в разработке специфических методов управления аэрогазодинамическими процессами выделения углекислого газа в угольных шахтах и оптимизации параметров управления технологическими схемами и способами проветривания выемочных участков.

Практическая ценность работы

Полученные соискателем результаты позволяют:

- учитывать, что углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих факторов при расчете количества воздуха для проветривания горных выработок, а расчетное количество воздуха должно проверяться и по содержанию кислорода, теряемого на развитие окислительного процесса;

- обосновать для решения актуальные задачи о влиянии на организм человека углекислого газа при длительном пребывании горнорабочих в подземных горных выработках;

- определять расчетное количество воздуха для проветривания горных выработок на основе позабойного метода;

- управлять процессами рудничной аэрогазодинамики, связанными с распределением выделений ССЬ по источникам, определять общий дебит углекислого газа в зависимости от скорости подвигания забоев, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства, потерь угля, применяемых технологических схем и способов проветривания, аэродинамических особенностей выработанного пространства, интенсивности проветривания горных выработок, а также в зависимости от петрографического состава угля;

- обеспечить расчеты необходимого количества воздуха для проветривания горных выработок по фактору СО2, количества ожидаемого поглощения О2 в шахте, допустимых нагрузок на очистные забои по СО2 для предупреждения загазования выработок участка;

- определять неравномерность выделения углекислого газа в зависимости от колебания барометрического давления и респираторного коэффициента;

- управлять аэрогазодинамическими процессами и формированием уг-лекислотообильности горных выработок в многофакторной системе проветривания угольных шахт.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: "Методика определения углекислотообильных горных выработок", 1974 (Минуглепром СССР); "Методика расчета количества воздуха для проветривания горных выработок по фактору ССЬ", 1974 (Минуглепром СССР); "Методика определения ожидаемого поглощения СЬ в шахте", 1975 (Минуглепром СССР); "Методика расчета допустимых нагрузок на очистные забои по СО2 для предупреждения загазирования выработок участка", 1976 (Кузнецкое управление Госгортехнадзора СССР); "Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов страны", 1979 (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР); "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт", 1989 (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР, Госстрой СССР), материалы к проекту "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт, 2004; заключения, рекомендации по использованию "Руководства." в части прогноза углекислотообильности угольных шахт, проведение научно-технических и практических семинаров по использованию "Прогноза." в производственных объединениях, шахтах и ИПК Минэнерго РФ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1972, 1985, 1995, 2003), Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1973), Кемеровского регионального института повышения квалификации Минэнерго РФ (г. Кемерово, 2002, 2003); Технических советов угольных компаний "Кузбассуголь" (г. Кемерово, 1975, 1989, 1990, 2003), "Южкузбассуголь" (г. Новокузнецк, 1969, 1999, 2002); секции техники безопасности НТС Минуглепрома СССР (г. Караганда, 1975, 1980, г. Прокопьевск, 1974, 1986, 1989); секции "Разработка и внедрение новых средств и способов, обеспечивающих улучшение охраны труда и техники безопасности на предприятиях области" (Свердловск, 1989); на Всесоюзных совещаниях "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск, 1984, 1989); Международных научно-практических конференциях "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово, 1994, 1998, 2000); Международной научно-практической конференции "Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию" (Кемерово, 1999), региональных научно-практических конференциях по безопасному ведению горных работ на предприятиях региона (Южно-Сахалинск, 1995; Артем, 1999; Иркутск, 2003).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 печатных работ, в том числе 1 монография, 20 статей, 5 нормативных документов, 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 234 страницах машинописного текста, включая 31 рисунок, 32 таблицы, 6 приложений, списка использованных источников из 84 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Ли Хи Ун

ВЫВОДЫ

В результате изучения газового баланса шахт, углекислотообильности участков в зависимости от определяющих факторов и неравномерности выделения углекислого газа установлено:

1. Структура газового баланса шахт по углекислому газу и метану примерно одинакова. По средним данным на шахтах Кузбасса и комбината "Кара-гандауголь" до 50-60% СОг от общего количества выделяется из очистных участков, около 10% - из подготовительных выработок и 30-40% за пределами участков. При этом основным источником газовыделения на выемочном участке являются выработанные пространства.

2. В пределах очистного участка распределение выделений СО2 по источникам и общий дебит углекислого газа зависят от скорости подвигания забоев, размеров зоны интенсивного проветривания выработанного пространства, потерь угля и его химической активности. Кроме того, при прочих равных условиях углекислотообильность участков различна в зависимости от применяемых систем разработки, схем и способов проветривания, от аэродинамических особенностей выработанного пространства и от интенсивности проветривания горных выработок. При сплошной системе разработки дебит углекислого газа из выработанного пространства достигает 90% от общего. Менее газообильны участки при столбовых системах, когда применяется возвратноточная схема проветривания.

3. Из всех источников на шахтах восточных бассейнов (пока не установлены аномалии углекислого газа) определяющими являются процессы окисления угля.

4. Представляется возможным определять газовыделение на основе закономерностей низкотемпературного окисления углей. Расчет может быть выполнен дифференцированно по источникам: с обнаженных поверхностей пласта очистного забоя, из выработанного пространства (в зависимости от особенностей применяемых систем разработки и схем проветривания) и стенок подготовительных выработок.

Полученные формулы вполне приемлемы для инженерной практики и обеспечивают достаточную точность. Максимально возможная ошибка при Ф(0 = 0,95 не превосходит ±18%.

5. Неравномерность выделения углекислого газа обусловлена целым рядом причин, главными из которых являются изменения барометрического давления и колебания дебита воздуха. В пределах изменения барометрического давления ±0,222 мм рт.ст./ч представляется возможным с высокой степенью надежности определять коэффициенты неравномерности в зависимости от общей газообильности участка. Для различных бассейнов и даже шахт Кн при одинаковой газообильности отличаются незначительно.

6. Порядок расчета количества воздуха, необходимого для проветривания шахты в целом, должен полностью соответствовать приведенному во "'Временной инструкции по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания угольных шахт" (- М.:Недра, 1966) при тех же коэффициентах доставки воздуха, учитывающих распределение его между проветриваемыми объектами и утечки.

6. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ОПАСНОСТЬЮ ЗАГАЗИРОВАНИЯ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ОПТИМИЗАЦИЕЙ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В МНОГОФАКТОРНОЙ СИСТЕМЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ УГЛЕКИСЛОТООБИЛЬНЫХ ШАХТ

6.1. Выбор эффективных аэрогазодинамических параметров управления проветриванием углекислотообильных шахт

В основу настоящей работы положены методы определения углекислотообильности горных выработок, разработанные НЦ ВостНИИ, ТГУ, МакНИИ, а также опыт и рекомендации ННЦ-ГП ИГД им. А.А. Скочинского по составлению прогнозов ожидаемого выделения углекислого газа в угольных шахтах различных бассейнов России.

Работа содержит методы определения ожидаемой газообильности горных выработок по С02 реконструируемых и вновь проектируемых шахт для условий, которые имеют место в угольных бассейнах России, и обязательна для всех организаций, занимающихся составлением прогноза углекислотообильности выработок. Исходными материалами для расчета являются данные, характеризующие основные источники выделения углекислого газа в конкретных горно-геологических условиях, представляемые геологоразведочными организациями после разведки месторождения, и данные по фактической газообильности выработок.

Значения коэффициентов и параметров, характеризующих удельные газовыделения, сорбционную способность углей, утечки воздуха через выработанные пространства, неравномерность газовыделений, газовый баланс по участкам и шахте допускается уточнить на основании материалов депрессионных и газовых съемок в аналогичных с рассматриваемыми в проекте условиях, согласовав эти уточнения с НЦ ВостНИИ.

6.2. Принцип прогноза и область применения

Прогноз углекислотообильности горных выработок основан на изученных закономерностях выделения углекислого газа по мере развития горных работ по простиранию и падению угольных пластов из возможных основных источников в зависимости от природных условий и определяющих факторов. Расчет газовыделения производится для отдельных очистных забоев (выемочных участков) и выработок по разработанным планам горных работ с последующим учетом выделения углекислого газа за пределами участков в соответствии с действующей инструкцией по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания шахты.

Данный прогноз применяется во всех случаях, когда имеются следующие исходные материалы:

- основные положения проекта будущей шахты;

- геологические пластовые карты, разрезы и структурные колонки с точным указанием мощности пластов, пропластков угля, угленистого сланца и расстояний между ними;

- данные, характеризующие удельные выделения углекислого газа в горных выработках и сорбционную способность углей к окислению кислородом воздуха, технический анализ и петрографический состав углей;

- обводненность горных выработок;

- график роста температуры пород с глубиной, данные о среднегодовой температуре воздуха на местности и возможных изменениях барометрического давления.

При этом оценивается газовыделение с обнаженных поверхностей пластов в очистных и подготовительных выработках, образование углекислого газа в выработанных пространствах (в пределах и за пределами участков), а также выделения его из подземных шахтных вод.

6.3. Углекислотообильность выемочного участка

Средняя углекислотообильность выемочного участка 1у,угл м3/мин, определяется как сумма газовьщелений из разрабатываемого пласта /Л7>.,, м3/мин, и выработанного пространства 1впуг., м3/мин, с учетом газовьщеления из подземных вод

Iуч.уг. ~~ пл.уг. ^в.п.уг.)' (6.1) к во д - коэффициент, учитывающий выделение углекислого газа из подземных вод; принимается равным 1,22 для шахт восточной части Донбасса, разрабатывающих высокометаморфизованные антрациты, и 1,0 для шахт остальных районов Донбасса, других бассейнов и месторождений страны.

Для шахт, разрабатывающих каменные и бурые угли, среднее выделение углекислого газа из разрабатываемого пласта и из выработанного пространства в пределах выемочного участка при столбовой, сплошной и щитовой системах разработки определяется по формулам

10Ч = 6,1 • 10 "3 U 25 kxk2lMmV 0 25 ; (6.2)

1ВП = 15,6-10"5 С/25 к,к2кътРУ °-25Ь0-25 , (6.3) где U25 - константа, характеризующая химическую активность угля на данном горизонте по отношению к кислороду воздуха, см3/(г.ч.); кх к2,к3 - коэффициенты, учитывающие влияние на выделение углекислого газа соответственно температуры массива угля на данной глубине, петрографического состава угля и интенсивности проветривания выработанного пространства;

Р - эксплуатационные потери угля в пределах выемочного участка, доли единицы; определяются в соответствии с проектом при отсутствии данных о величине потерь как частное от деления разности между подготовленными к отработке и извлеченными запасами угля к подготовленным; b - ширина зоны в прилегающем к забою выработанном пространстве, из которой углекислый газ выносится в действующие выработки, м.

Константа U25 принимается по каталогам пластов, склонных к самовозгоранию.

При стадиях метаморфизма углей от НЬ до IV3 при степени окисленности меньше 9% значение константы может быть определено по данным петрографического анализа угля

U25 = (6,3 + Fi + 0,053F,2) • 10~5 , (6.4) а при большей степени окисленности й25 = (21,6 + l,2Ft + 0,079/г12) • 10-6 , (6.5) где F/ - содержание в угле компонентов группы фюзена, %.

Типичные значения константы U25 для некоторых месторождений:

Кузбасс U25, см7(г,

Прокопьевско-Киселевский район: верхние горизонты 0,040-0,050 нижние горизонты 0,025

Кемеровский район (пласт Волковский) 0,070

Челябинский бассейн

Еманжелинский район 0,110-0,090

Район Коркинского разреза 0,110-0,080

Копейский район 0,140-0,100

Подмосковный бассейн

Люменцевское месторождение 0,180

Зубовское месторождение 0,155

Гранковское месторождение 0,085

Глубоковское месторождение 0,105

Башкирия

Кумер-Тауское месторождение 0,024

Коэффициенты > определяются по формулам 5.23; 5.20, 5.24.

Средняя скорость воздуха в пределах проветриваемой зоны для расчета коэффициента кИН при сплошной и столбовой системах разработки определяется по формуле v ^У^оч{кутл-\) кут.вР m где Vmax - максимально допустимая ПБ скорость воздуха в очистной выработке, м/с;

S04, - площадь поперечного сечения призабойного пространства очистной выработки в свету, м2; кьт.в. - коэффициент, учитывающий утечки воздуха через выработанное пространство в пределах выемочного участка; определяется по формуле

Кт.в. = 1 + .пр. ехр(0,24/-0,455от.т!п). (6.7)

При щитовой системе разработки средняя скорость воздуха через выработанное пространство разрабатываемого столба

Уср = 0.04 ^ , (6.8) где hV4 - депрессия выемочного участка, даПа; величина hV4 принимается по ее пожаробезопасному пределу.

Ширина зоны b при сплошной системе разработки с обрушением кровли на любой стадии отработки выемочного поля практически равна размеру выработанного пространства по простиранию, но не более 500-700 м.

Для расчета газовыделения из отрабатываемого столба при щитовой системе разработки проветриваемая зона принимается равной расстоянию от вентиляционного штрека до щитового перекрытия.

При столбовой системе разработки с прямоточной схемой проветривания ширина b принимается равной половине размера выработанного пространства, а при возвратноточной схеме рассчитывается по формуле (5.11).

При управлении кровлей полным обрушением, устойчивых вмещающих породах и при скорости подвигания очистного забоя до 4 м/сут ширина зоны равна

Ь = 2,1 + 4,3 V. (6.9)

6.4. Углекислотообильность тупиковых выработок

Абсолютная углекислотообильность тупиковых выработок определяется интенсивностью выделения углекислого газа с обнаженной поверхности пласта.

Для шахт, разрабатывающих каменные и бурые угли при выемке пласта на полную мощность, ожидаемое выделение углекислого газа в равномерно продвигающиеся и остановленные тупиковые выработки рассчитывается по формуле

1ПУГ = 0,58-10"2 й25-kxkymBVn{T™ , (6.10)

7св - время существования выработки, сут;

Тост - время, прошедшее с момента остановки выработки (для проводимых выработок Тост = 0), сут.

При обнажении пласта выработкой на неполную мощность в формулу (6.10) вместо )пв подставляется значение полупериметра выработки по углю.

6.5. Методика расчета количества воздуха для проветривания горных выработок с учетом снижения содержания кислорода в рудничной атмосфере, коэффициенты неравномерности газовыделения за счет колебания барометрического давления

Сохраняя принятый позабойный метод и порядок определения количества воздуха, в соответствии с действующими нормативами и на основании проведенных исследований потребное количество воздуха принимается путем сравнения его расходов на разжижение ССЬ и для обеспечения допустимого содержания кислорода в выработках шахты и на участках.

Для очистных забоев и обособленно проветриваемых подготовительных выработок расчет количества воздуха по фактору СЬ производится по формуле п №0Jз(со:)^н з

Уз(о2) - , м /мин, (6.11) где Jз(со3) - углекислотообильность очистного забоя или выработки, м3/мин; кн - коэффициент неравномерности газовыделения;

R - респираторный коэффициент, определяемый из выражения

R= 0,17-10'3(Vе)2 + 0,28, где Vе - средний выход летучих по шахте, %;

Со - концентрация кислорода в поступающем воздухе, %;

С - допустимая по ПБ концентрация кислорода в горных выработках, %.

Если Qj(o:) < Яз(со2)1 где Q3(Co,) - количество воздуха, рассчитанное по фактору ССЬ, допустимые нормы содержания кислорода обеспечиваются, и для проветривания необходимо принимать количество воздуха Q3(Co,)• В противном случае, наоборот, поэтому для проветривания принимается количество воздуха Q3(d:t ■

При последовательном проветривании нескольких очистных забоев расчет Qi, о. j производится аналогично мо^3(СО:)1кН1

Q3(о2) =-fb.-ТГ;-, м3/мин, (6.12)

К( с0 -CJ где J3tC02>i.J3(C02)2. J3tco2)n - ожидаемое или фактическое среднее выделение СО: в каждом очистном забое в соответствии с порядковыми номерами I. 2, . п. м3/мин; кч - коэффициент неравномерности, соответствующий газовыделению в i-том забое.

Для участка в целом Qy4{o2) определяется по формуле кд Х°тгСОгл +T,Qn.B.±ZQym ,м3/мин, (6.13)

К(С0 - С) где JумС0,) ~ ожидаемое или фактическое среднее выделение углекислого газа на участке, м3/мин; кд - коэффициент доставки воздуха в пределах выемочного участка, принимается в зависимости от системы разработки, порядка отработки, схемы проветривания и способа управления кровлей;

2 Qn.B. ~ сумма количеств воздуха, необходимых для обособленного проветривания подготовительных выработок, проводимых в пределах выемочного участка, принятых по одному из определяющих факторов (в том числе и по кислороду), м3/мин;

XQym ~ сУмма утечек воздуха через перемычки, изолирующие выемочный участок от старых выработанных пространств (при всасывающем способе проветривания прибавляются, при нагнетательном - вычитаются), м3/мин.

После сравнения Qy4{0> и Qmcoj к УчетУ принимается большее. Проверка общепринятого количества воздуха производится на основе неравенства

0^ Jисх(со2)^н

Qui ^--ZT^r,-, м3/мин, (6.14) щ ^О) где QM - количество воздуха для проветривания шахты, м3/мин;

ХЛсг(со2) ~~ суммарный средний дебит углекислого газа по исходящим струям шахты, м3/мин; кн — коэффициент неравномерности газовыделения, равный для исходящих струй шахты 1,2;

С'0 - концентрация кислорода в атмосферном воздухе, %. Если условие (6.14) не выполняется, необходимо увеличить суммарные утечки воздуха через вентиляционные сооружения за пределами участков и принимать их равными

100^^<соЛ м3/ (6Л5) где ку— коэффициент увеличения газовыделения за пределами выемочных участков, для шахт восточных бассейнов принимается в соответствии с данными табл. 6.1.

Значения дебита углекислого газа во всех формулах и коэффициенты неравномерности определяются в соответствии с разработанной методикой по прогнозу углекислотообильности горных выработок, приведенной в действующем "Руководстве по проектированию вентиляции шахт".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения процессов взаимодействия угля с кислородом воздуха, выделения углекислого газа в горных выработках и управления аэрогазодинамическими процессами в углекислотообильных шахтах, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области рудничной аэрогазодинамики, имеющее важное значение для обеспечения эффективности и безопасности работ на угольных предприятиях отрасли.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Углекислый газ является наряду с метаном одним из определяющих параметров при расчете количества воздуха в многофакторной вентиляционной системе управления аэрогазодинамическими процессами угольных шахт.

2. Проведенные исследования позволили установить, что процесс взаимодействия угля с кислородом воздуха, происходящий в горном массиве, выработанном пространстве и действующих горных выработках при низкотемпературном окислении угля вследствие его высокой сорбционной способности к кислороду, является основным источником образования углекислого газа в угольных шахтах. Сравнение выделения углекислого газа с метановыделением даже в условиях наиболее газовых (по метану) шахт показывает, то углекислый газ выделяется здесь зачастую в таких же, а иногда даже в больших количествах и является определяющим фактором при расчетах необходимого количества воздуха. Так, по шахтам Кузбасса 28,0 % участков от общего числа расчет воздуха производят по углекислому газу и только 18,0 % по метану.

3. Определяющими факторами в развитии процесса низкотемпературного окисления угля и выделения углекислого газа в горные выработки являются: стадия метаморфизма, с увеличением которой от бурых углей до марок ОС и К активность угля уменьшается в 3,5-4 раза; группа фюзена в петрографическом составе, содержание которой до уровня 20-30% увеличивает сорбционную способность по отношению к кислороду, а с дальнейшим увеличением содержания фюзена теряются его "каталитические" свойства; при первичной окисленности углей до 9% наблюдается резкое изменение скорости сорбции, а после 9% не происходит существенного изменения химической активности.

4. Установлено, что в аэродинамически связанной вентиляционной сети выемочного участка выработанное пространство является коллектором и основным источником выделения газа. Температура и концентрация углекислого газа повышаются с удалением в глубь выработанного пространства, а содержание кислорода, наоборот, убывает с ростом концентрации ССЬ. Это обусловливает тесную связь между образованием ССЬ и его распределением на данном участке выработанного пространства с движением воздуха.

При управлении газовыделением из выработанного пространства одним из определяющих его параметров является проветриваемая зона, размер которой принимается: при столбовой системе разработки с прямоточной схемой проветривания 1/2 размера выработанного пространства, с возвратноточной схемой проветривания рассчитывается в зависимости от величины утечек воздуха К = 5-30%, скорости подвигания очистного забоя К = 3-4 м/сут и более, длины лавы / = 25-100 м и более, аэродинамического сопротивления R = 0,010,20 кгс-с2/м8.

5. На основе полученных экспериментально-статистических закономерностей процесса взаимодействия угля с кислородом воздуха разработан метод управления выделением углекислого газа в горные выработки при действующих технологических схемах и способах проветривания, который следует выполнять дифференцированно по источникам с учетом составляющих газового баланса выемочного участка: с обнаженных поверхностей угольного пласта очистного забоя до 10-15% СОг от общего выделения на очистном участке, 6070% СОг из выработанного пространства, 20-25% - из действующих подготовительных выработок. Общее газовыделение на участке должно рассчитываться как сумма газовыделений по источникам.

6. Установлено, что структура газового баланса шахт по углекислому газу и метану практически одинакова. По средним данным на шахтах Кузбасса, Приморья, о. Сахалин и Карагандинского бассейна до 50-60 % С02 от общего выделяется из очистных участков, около 10 % из подготовительных выработок и 30-40% за пределами участков. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания углекислотообильных шахт, нужно производить в соответствии с установленной структурой газового баланса по совместным факторам метана и углекислого газа с учетом горно-геологических и горнотехнологических факторов, а также неравномерности газовыделения вследствие колебаний барометрического давления и снижения концентрации кислорода за счет окислительного процесса и образования углекислого газа в горных выработках.

7. Разработанные вентиляционные параметры для технологических схем проветривания с применением обособленных газоотводящих выработок соответствуют оптимальной эффективности использования воздуха для управления опасными местными скоплениями газов и устойчивостью проветривания углекислотообильных шахт, для которых за счет минимизации и аэродинамической локализации проветриваемых зон в выработанных пространствах возможное снижение содержания кислорода в атмосфере участка практически исключается. Учитывая, что действие веса углекислого газа в призабойном пространстве противоположно действию метана, можно заключить, что основные недостатки нисходящего проветривания на метанообильных участках являются преимуществами при выделении углекислого газа.

8. Разработанный метод управления аэрогазодинамическими процессами в многофакторной вентиляционной системе проветривания обеспечивает снижение углекислотообильности выемочных участков в 1,5-2 раза, уменьшение необходимого расхода воздуха до 20% за счет увеличения точности прогноза газовыделения, позволяет определять источники газовыделения и загазования в горных выработках и их устранение, применять эффективные и безопасные технологические схемы и способы проветривания, оптимизировать их параметры.

9. На основе проведенных исследований и полученных рекомендаций, обобщенных данных о выделении углекислого газа в горные выработки разработан проект "Временной инструкции по прогнозу углекислотообильности шахт СССР", который вошел в действующее в настоящее время "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт", согласованное с Госгортех-надзором СССР 18 июня 1989 г., Госстроем СССР 4 июля 1989 г. и утвержденное Минуглепромом СССР 15 августа 1989 г. В 2003 г. оно переработано. В новой редакции "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт" выйдет в 2004 г. Оно является основополагающим нормативным документом в производственной деятельности по управлению аэрогазодинамическими процессами в горных выработках и эффективностью и безопасностью ведения горных работ в угольных шахтах России.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Ли Хи Ун, Кемерово

1. Brokman, Kete. Die Entwieskelung des Niederkeinisch Westfalischen Steinkohlen-Bergbaues. Wetterwirtschaft, VI, Berlin, 1903.

2. Брандис C.A. Очерки по физиологии и гигиене труда горноспасателей. -М.: Медицина, 1970.

3. Скочинский А.А. Предварительные данные об углекислотообильном режиме рудников Донецкого и Подмосковного бассейнов / А.А. Скочинский, Д.Ф. Борисов // Наука и техника. -1930. №61.

4. Горное дело: Энциклопедический справочник. -Т.6. -М.: Углетехиздат,1959.

5. Быков Л.Н. Исследование закономерности газовыделения на шахтах Подмосковного бассейна: Техотчет/ТПИ. -Тула, 1962.

6. Быков Л.Н. Прогноз углекислотообильности шахт "Обуховская", "Западная", "Обуховская №1" и "Жерловская" треста "Гуковуголь" комбината "Ростовуголь": Техотчет/ТПИ.-Тула-Макеевка, 1967.

7. Левин Е.И. Выделения углекислого газа из древесины в угольных шахтах// Известия вузов, Горный журнал. -1968. -№3.

8. Соколов Э.И. Вода как источник появления С02 в шахтах / Э.И. Соколов, М.Б. Сулла, В.И. Харламов //Уголь. -1970.

9. Лидин Г.Д. К вопросу о выборе параметров для расчета вентиляции негазовых и углекислотообильных шахт /ГУголь. -1971. -№6.

10. Блажек Р. Меры борьбы с внезапными выбросами в Чехословакии / Р. Блажек, Лат Яндрих// Симпозиум по вопросам внезапных выбросов угля и газа.-Венгрия, 1967.

11. Печук И.М. Разработка метода прогноза углекислотообильности шахт Донбасса: Техотчет/ МакНИИ. -Макеевка, 1970.

12. Мясников А.А. Разработать методы прогноза углекислотообильности шахт восточных бассейнов страны с учетом свойств углей, горнотехнических условий и технологических процессов: Техотчет/ А.А. Мясников, И.Д. Машен-ко, Ли Хи Ун; ВостНИИ. -Кемерово, 1971.

13. Скочинский А.А. Труды научно-технической конференции Подмосковного угольного бассейна. -М.: Углетехиздат, 1947.

14. Коварский Д.И. Вопросы газового режима в рудниках Подмосковного бассейна. М.: Горное издательство. 1932.

15. Коварский Д.И. Углекислый газ и рудничная атмосфера угольных шахт Подмосковного бассейна/ ОНТИ. -М., 1933.

16. Лидин Г.Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР. T.I, 1949, Т. II, 1962.

17. Кравцов А.И. Влияние геологических условий на газоносность угольных месторождений. -М.: Углетехиздат, 1950.

18. Эттингер И.Л. Газоемкость ископаемых углей. -М.: Недра, 1966.

19. Быков Л.П. Упорядочение проветривания шахт комбината "Тула-уголь". Тула, 1961.

20. Patteisky К.В. Einfluss der Luftdruckschwankungen auf Gasabgabe von Steinkohlengruben // Gluckauf. -1950. №19-20.

21. Winter K. Der Einfluss der Druckgefalls der Wetter // Gluckauf. -1952. -№ 5/6.

22. Веселовский B.C. Самовозгорание промышленных материалов / B.C. Веселовский, Н.Д. Алексеева, Л.П. Виноградова и др. -М.: Недра, 1964.

23. Соколов Э.М. Выделение углекислого газа в угольных шахтах / Э.М. Соколов, М.Б. Сулла, Н.Г. Шилов, Н.Г. Рыжикова// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1969. -№11-12.

24. Временная инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания угольных шахт. -М.: Недра, 1966.

25. Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов страны. -Кемерово, 1969.

26. Милетич А.Ф. Утечки воздуха и их расчет при проветривании шахт. -М.: Недра, 1968.

27. Мясников А.А. Проветривание горных выработок при различных системах разработок. -М.: Госгортехиздат, 1962.

28. Сурков A.JI. Влияние изменения режима проветривания на концентрацию метана в очистном забое/ A.J1. Сурков, В.А. Михайлов // Тр. ВостНИИ. Т.З. -М.: Госгортехиздат, 1963.

29. Веселовский B.C. Определение химической активности самовозгорающихся материалов/ B.C. Веселовский, Г.Л. Орлеанская, Н.Д. Алексеева // Проблемы рудничной аэрологии. -М.: Изд. АН СССР. 1963.

30. Чернов О.И. Разработка инженерного метода расчета параметров увлажнения пластов: Техотчет/ О.И.Чернов, В.А. Вологодский; ВостНИИ. -Кемерово, 1971.

31. Карнаухов А.П. Адсорбционные методы измерения удельной поверхности и структуры пор катализаторов // Кинетика и катализ, 1962. III. В.4.

32. Веселовский B.C. Научные основы борьбы с самовозгоранием углей / B.C. Веселовский, Г.Л. Орлеанская, Е.А.Терпогосова и др. -М.: Недра, 1967.

33. Веселовский B.C. Изучение пленкообразующих антипирогенов и исследование пожароопасности шахт: Техотчет/ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 1966.

34. Агафонова В.И. Исследование низкотемпературного окисления и самовозгорания бурых углей при открытой разработке: Автореферат. -М., 1968.

35. Крикунов Г.Н. Влияние вещественного состава углей на самовозгорание и степень взрывчатости угольной пыли пластов Карагандинского бассейна: Диссертация/МГРИ.-М., 1967.

36. Временная инструкция по производству плановых газовых съемок в угольных шахтах: Ротапринт/ ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 1968.

37. Пузырев В.Н. Замер газовыделения из скважин в зоне влияния горных выработок / В.Н. Пузырев, И.Д. Мащенко, Н.Г. Вершинин и др. // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1970. -№11-12.

38. Кривицкая P.M. Прогноз газообильности шахт Зверево-Грязновского района Донбасса по углекислому газу: Техотчет/ МакНИИ. -Макеевка, 1965.

39. Крйчевский P.M. Определение газоносности и газообильности новых горизонтов шахты им. Молотова: Техотчет/ МакНИИ. -Макеевка, 1943.

40. Рябченко А.С. Изучение газоносности угольных пластов и газового баланса наиболее газообильных участков с целью предотвращения аварий, связанных с выделением метана в шахтах Челябинского бассейна: Техот-чет/ВостНИИ. -Кемерово, 1968.

41. Одноруков Г.Ф. Кернонаборник шахтный герметический/ Г.Ф. Однорукое, Е.С. Маловинский, Г.Г. Псковитин// ВостНИИ. -Кемерово, 1965.

42. Ефремов К.А. Инструкция по определению газоносности углей и составлению карт прогноза газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей/ К.А. Ефремов, В.И. Бархатова и др. // ЦБТИ Кемеровского СНХ. -Кемерово, 1961.

43. Мясников А.А., Чернев И.Н., Дубов Г.П. Создание методики для классификации забоев газовых шахт по степени опасности взрывов метана при ведении взрывных работ/ А.А. Мясников, И.Н.Чернев, Г.П. Дубов: Техотчет/ ВостНИИ. -Кемерово, 1967.

44. Ласточкин В.А. Изучение газоносности угля глубоких горизонтов Челябинского буроугольного бассейна: Техотчет/ Челябинский геологоразведочный трест. -Челябинск, 1958.

45. Ефремов К.А. Метод составления карт прогноза газоносности угольных пластов. -М.: Госгортехиздат, 1961.

46. Семеркина Т.П. Заключение по газоносности поля шахты "Березовская- 1": Техотчет/ Т.П. Семеркина, Н.К. Дорошкевич; Тр. "Кузбассуглегеоло-гия". -Кемерово, 1966.

47. Семеркина Т.П., Дорошкевич Н.В. Заключение по газоносности полей шахт "Бирюлинская-1,2" в Кемеровском районе Кузбасса/ Техотчет: Т.П. Семеркина, Н.В. Дорошкевич; Тр. "Кузбассуглегеология". -Кемерово, 1964.

48. Газовая зональность Ленинского и Томь-Усинского районов Кузбасса: Техотчет/ Тр. "Кузбассуглегеология". -Кемерово, 1970.

49. Шишигин С.Н. Убинское месторождение и участки Убинские 1-2 в Беловском районе Кузбасса: Техотчет/ Тр. "Кузбассуглегеология". -Кемерово, 1966.

50. Горное дело: Энциклопедический справочник. -Т.2. -М.: Углетехиз-дат, 1957.

51. Угольная промышленность Дальнего Востока: Справочник. -М.: Недра, 1969.

52. Корицкий А.А. Геометрия разрывных нарушений (по материалам Старосучанского месторождения): Диссертация/ ЛГИ им. Г.В. Плеханова. -Л., 1968.

53. Шарудо И.И. Типы метаморфизма углей старого Сучана Сучанского бассейна: Промежуточный отчет по теме "Метаморфизм углей Сучанского бассейна/ И.И. Шарудо, А.А. Корицкий, Г.В. Кузнецов, В.И. Москвин: ИГГ СО АН СССР. -М., 1970.

54. Пузырев В.Н. Разработка рекомендаций по разграничению пластов на опасные и неопасные по внезапным выбросам угля и газа участки для условий шахт Сучанского месторождения: Техотчет, этап III темы №12 пл. 1966 г. /ВостНИИ. Кемерово, 1966.

55. Железное П.К. Геологический отчет для изучения газоносности поля шахты "Белопадинской" Сучанского бассейна/ П.К. Железнов, П.А.Иваненко: Тр. *'Дальвостшахтогеология". 1970.

56. Панова М.В. Совершенствование методов испытания аммиачно-селитренных взрывчатых веществ/ Техотчет: М.В. Панова, В.П. Горковенко; ВостНИИ. -Кемерово, 1964.

57. Линденау Н.И. Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов/ Н.И. Линденау, А.А,Мясников, И.Д. Машенко, Ли Хи Ун и др. Кемерово: Кемеровское кн. изд-во, 1969.

58. Вологодский В.А. Изучение и разработка практических рекомендаций по предупреждению случаев вспышек и выгораний метана в выработанном пространстве при обрушении основной кровли в шахтах Кизеловского бассейна: Техотчет/ВостНИИ. -Кемерово, 1962.

59. Мясников А.А. Руководство по проектированию угольных шахт / А.А. Мясников, И.Д. Мащенко и др. -Макеевка-Донбасс, 1989.

60. Дьячков А.И. О состоянии рудничной атмосферы в шахтах Артемов-ского месторождения/ А.И. Дьячков, В.А. Заковряжин // Безопасность труда в промышленности. -1967. -№2.

61. Захаров А.Б. Совершенствование методов контроля за составом газов в пожарных участках шахт Прокопьевско-Киселевского района: Техот-чет/ВостНИИ. Кемерово, 1965.

62. Чернов О.И. Вопросы снижения окисляемости угля в шахтах / О.И. Чернов, В.И. Хавова // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1968. -№6.

63. Саранчук В.И. Исследование природы и интенсивности образования окиси углерода в горных выработках шахт комбината "Александрияуголь": Автореферат.-Новочеркасск, 1968.

64. Chiche P. Evolution de la structure intere des houilles au cours leus cor-bonisation// Journal de Chimie Physique et de physick-chimie biologique. 1963. -V.60. -№6.

65. Маевская B.M. Разработка пожаробезопасных режимов проветривания горных выработок на пластах угля, склонного к самовозгоранию, для шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса/ Техотчет: В.М. Маевская,

66. А.А. Мясников; ВостНИИ. -Кемерово, 1968.

67. Крикунов Г.В. Исследование интенсивности и механизма процесса окисления углей с целью совершенствования методов определения химической активности углей к самовозгоранию: Диссертация/ КПИ. -Караганда, 1964.

68. Каталог углей шахтопластов Кузнецкого бассейна по степени их склонности к самовозгоранию. -М.: Недра, 1966.

69. Каталог метаноемкости углей Кузбасса. -Кемерово, 1968.

70. Мясников А.А. Разработка метода расчета количества воздуха и руководства по проектированию и организации проветривания шахт в условиях Кузнецкого бассейна: Техотчет/ВостНИИ. Кемерово, 1965.

71. Лидин Г.Д. Газовый баланс шахт, прогноз их газообильности и способы управления газовыделением// Горное дело: Энциклопедический справочник. -Т.6. -М.:Углетехиздат, 1959.

72. Минский Е.М. Экспериментальное исследование сопротивления несовершенных скважин/ Е.М. Минский, П.П. Марков // Тр. ВНИИ природных газов. Т.7. -М.: Гостоптехиздат, 1956.

73. Алихичев С.П. Аэродинамика зон обрушения и расчет блоковых утечек воздуха/ С.П. Алихичев, Л.А. Пучков.- Л.: Наука, 1968.

74. Масляев А.Е. Определение пожаробезопасных параметров проветривания участков Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса при щитовой системе разработки: Диссертация/ ВЗПИ. -1970.

75. Ушаков К.З. Исследование вентиляции шахт Кузбасса, имеющих аэродинамическую связь с поверхностью через зоны обрушения / К.З. Ушаков, JT.A. Пучков: Техотчет, промежуточный/ НТИ. -1969.

76. Маевская В.М., Морозов А.Д. Влияние утечек воздуха на развитие процесса самовозгорания угля / В.М. Маевская, А.Д. Морозов// Тр. ВостНИИ. Т.2. -М.: Госгортехиздат, 1962.

77. Соколов Э.М. Исследование газовыделений на участках с механизированными передвижными крепями и комплексами в Подмосковном бассейне и подсчет количества воздуха для этих участков: Автореферат. -JL, 1963.

78. Сулла М.Б. Рудничная атмосфера и прогноз изменения для шахт Подмосковного бассейна: Автореферат. -М., 1963.

79. Колотовкин Л.Д. Разработка способов управления метановыделением в шахтах на сопряжениях очистных выработок с вентиляционными штреками в условиях шахт восточных бассейнов страны: Техотчет/ ВостНИИ. -Кемерово, 1970.

80. Соколов Э.М., Качурин Н.М. Углекислый газ в угольных шахтах. -М.: Недра, 1987.

81. Ли Хи Ун. Исследование выделения углекислого газа на шахтах восточных бассейнов страны. Автореф. дис. канд. техн. наук. Кемерово, 1972.

82. Мясников А.А. Разработка методики определения количества воздуха по углекислому газу в условиях шахт восточных бассейнов: Техотчет/ А.А. Мясников, И.Д. Мащенко; ВостНИИ. -Кемерово, 1969.