Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка научно-обоснованной методики проектирования схем вентиляции тупиковых комбайновых забоев выработок, проходимых в условиях повышенной газообильности

ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Разработка научно-обоснованной методики проектирования схем вентиляции тупиковых комбайновых забоев выработок, проходимых в условиях повышенной газообильности"

На правах рукописи

ЛЮБОМИЩЕНКО Екатерина Игоревна

РАЗРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННОЙ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ТУПИКОВЫХ КОМБАЙНОВЫХ ЗАБОЕВ ВЫРАБОТОК, ПРОХОДИМЫХ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООБИЛЬНОСТИ

Специальность 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Новочеркасск 2013

005540761

005540761

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре «Промышленная и экологическая безопасность»

Научный руководитель

Артемьев Владимир Борисович, доктор технических наук Официальные оппоненты:

Ягодкин Феликс Игнатьевич, доктор технических наук, профессор,

Кобылкин Сергей Сергеевич кандидат технических наук, доцент кафедры

Защита диссертации состоится 19 декабря 2013 г. в 11 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) (ЮРГТУ(НПИ) по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова по адресу: Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

директор научно-технического центра «Наука и практика» (г. Ростов-на-Дону)

«Аэрология и охрана труда» ФГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (г. Москва)

Ведущая организация

ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности в горной промышленности» (ОАО «НЦ ВостНИИ») (г. Кемерово)

Автореферат разослан 18 ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Шурыгин Дмитрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Для обеспечения конкурентоспособности угледобывающих предприятий в современных экономических условиях возрастают требования к принимаемым проектным техническим решениям на стадии проектирования вновь строящихся, реконструируемых шахт и работ для поддержания производственной мощности. На стадии проектирования принимаются наиболее современные технические решения, которые должны повысить технико-экономические показатели. Проектирование горнопроходческих работ производится из условия повышения темпов подготовки очистной выемки и повышения производительности проходчиков. Неотъемлемой частью технического проекта является проект вентиляции забоя выработки во время проходческих работ. В настоящее время на шахтах ОАО «СУЭК» применяют высокопроизводительные проходческие комбайны. Повышение эффективности проведения подготовительных выработок диктуется необходимостью концентрации очистных работ с переходом на технологические схемы «лава-шахта». Увеличилась длина выработок до 2500 м. Опыт реализации проектных решений на шахтах ОАО «СУЭК» показал, что темпы проведения выработок высокопроизводительными комбайнами значительно ниже технических возможностей комбайнов. Одной из причин снижения темпов проведения выработок является недостаточное обеспечение свежим воздухом метанообильных забоев выработок. Повышение интенсивности работы комбайнов приводит к резкому увеличению концентрации горючей метанопылевоздушной смеси, что необходимо учитывать на стадии проектирования схемы вентиляции. По этой причине на шахтах Кузбасса в период с 2000 г. произошло 18 взрывов метанопылевоздушной смеси в подготовительных выработках, а на выемочных участках - 13. Причинами воспламенения было электрооборудование в 32 случаях и фрикционное трение при работе комбайна — в 9 случаях. Анализ методической базы проектирования показал, что концепция вентиляции не учитывает физических процессов в метановоздушных потоках в ограниченном пространстве подземных выработок и базируется на закономерностях, полученных опытным путём при эксплуатации типов комбайнов, которые в настоящее время не применяются. При выборе типа вентилятора учитываются не все потери давления при перемещении потоков воздуха, что является причиной аварийных ситуаций в призабойном пространстве и снижения темпов проведения при большой длине выработок. Несовершенство известной методики проектирования вентиляции делает чрезвычайно актуальной разработку научно-методических положений проектирования схем вентиляции, базирующихся на системном походе к обеспечению взрывобезопасности при принятии технических решений.

Цель работы заключается в разработке научно обоснованных методических положений проектирования нагнетательной схемы вентиляции, обеспечивающей безопасность работ и эффективность применения высокопроизводительных комбайнов в тупиковых забоях в условиях повышенной газообильности.

Идея работы заключается в комплексном системном учёте факторов, влияющих на эффективность вентиляции комбайновых забоев выработок в условиях повышенной газообилыюсти, включая физико-химические изменения, которые

происходят в метанопылевоздушных смесях, барометрическое давление и плотность воздуха в вентиляционных потоках, потери динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления в исходящем потоке.

Методы исследований: комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической литературы; аналитические расчёты с применением фундаментальных физических и химических законов; шахтные обследования; физическое моделирование и математическую обработку данных.

Защищаемые научные положения:

1. Расход воздуха для проветривания тупикового забоя зависит от показателя пылеобразующей способности исполнительного органа комбайна, значение которого определяется суммарной длине борозд оставляемых кернами всех резцов рабочего органа на плоскости забоя за I минуту работы комбайна и параметром твёрдо-сплавного керна.

2. При увеличении барометрического давления и плотности шахтного воздуха в вентиляционных потоках увеличивается молярная концентрация метана и снижается нижний предел взрывоопасное™ метановоздушной смеси.

3. В пограничных слоях метановоздушной смеси после обтекания источников выделения тепловой энергии в призабойном пространстве происходит одновременное увеличение концентрации метана и температуры.

4. Риск возгорания и взрыва метановоздушной смеси и тонкодисперсной угольной пыли, отложившейся на нагревающихся поверхностях, повышается из-за увеличения разности скоростей в турбулентных потоках и ламинарном слое и увеличения молярной концентрации метана.

Достоверность и новизна полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением фундаментальных газовых и химических законов, научно-обоснованным моделированием изменения физических параметров перемещаемых вентилятором потоков воздуха в вентиляционной сети, применением сертифицированных измерительных приборов, хорошей сходимостью результатов натурных и экспериментальных замеров. Результаты моделирования подтверждают теоретические закономерности.

Научная новизна диссертационного исследования заключается:

- в установлении зависимости расхода воздуха для разбавления витающих фракций горючей угольной пыли размером до 50 мкм от скорости воздушного потока для выноса её за пределы тепловых источников;

- в установлении нижнего концентрационного предела взрываемое™ метана в зависимости от повышения молярной концентрации и удельной плотности метановоздушной смеси на локальных участках призабойного пространства;

- в установлении влияния молярной концентрации метана и температуры в ламинарном слое на контакте с вероятным источником нагревания на риск возгорания метана и отложившейся угольной пыли;

- в установлении влияния потерь динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления при перемещении исходящего потока воздуха в тупиковой выработке на определение параметров схемы вентиляции.

Научное значение работы заключается в развитии научно-методической базы и принципов проектирования схем вентиляции подготовительных выработок и

решении на их основе актуальной научно-технической задачи повышения эффективности и снижения риска взрывоопасное™ метанопылевоздушных смесей в подземных выработках угледобывающей отрасли.

Практическая значимость научных исследований состоит в следующем: • Разработаны новые методические положения проектирования схем вентиляции, позволяющие:

- учитывать тип применяемого проходческого комбайна при определении расхода воздуха по пылевому фактору с учётом снижения концентрации взрывоопасных фракций угольной пыли размером до 50 мкм и выноса её за пределы призабойного пространства;

- учитывать изменения физико-химических характеристик метановоздушных потоков;

- обеспечить повышение точности при проектировании схемы вентиляции комбайнового забоя выработки;

- повысить темпы проведения и безопасность работ в призабойном пространстве выработок, проходимых условиях повышенной газообильности.

Реализация работы. Результаты научных исследований и разработанные рекомендации были использованы в ОАО «СУЭК» при выполнении темы «Обеспечение скоростной проходки комбайнами избирательного действия и непрерывной выемки». Разработан проект схемы вентиляции конвейерного ствола «Юг» по угольному пласту 52 на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс», обеспечивающий снижение риска взрыва метана в 2 раза. Основные положения расчёта вошли в учебное пособие «Основы аэрогазодинамики в горных выработках» (7,5 п.л.) для студентов специальностей «Горное дело» и «Безопасность технологических процессов и производств» в Шахтинском институте (филиале) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова.

Теоретические и практические разработки, изложенные в диссертации, рекомендуется использовать при проектировании вентиляции подготовительных выработок на метаноносных пластах угля в Кузбассе, в проектных институтах и в учебном процессе вузов России при подготовке специалистов по направлению «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ 2010, 2011, 2012 и 2013 гг.), в горном отделе ОАО «СУЭК», на научно-практических конференциях ЮРГТУ(НПИ) в 2007 — 2013 гг., на конкурсе «Лучший инновационный проект в области техники и технологии» ШИ(ф) ЮРГТУ(НПИ) (диплом за 1 место и именной Сертификат).

Публикации. Соискатель имеет 35 опубликованных печатных работ. Из них 24 по теме диссертации, в том числе 11 статей в журналах, включённых ВАК Ми-нобрнауки РФ в список реферируемых: «Уголь», «Горная промышленность», «Горный информационно-аналитический бюллетень».

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и четырёх приложений; содержит 32 рисунка, 22 таблицы и список литературы, состоящий из 139 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен аналитический анализ состояния научных основ проектирования вентиляции и учёта требований безопасности при проведении подготовительных выработок. Существенный вклад в разработку методики проектирования вентиляции внесли отечественные ученые Бурчаков A.C., Воронин В.Н., Каледина Н.О., Кирин Б.Ф., Клебанов Ф.С., Комаров В.Б., Мясников A.A., Скочин-ский A.A., Сыркин С.Н., Ушаков К.З. и др. Результаты исследований позволили на первых этапах развития угольной отрасли обеспечивать эффективное проветривание выработок. Однако многие закономерности, полученные эмпирическим методом, не отражают физических процессов при высоких темпах проведения выработок и перемещении значительных горючих взрывоопасных масс от забоя выработки. Наибольший вклад в установление закономерностей образования взрывоопасных смесей внесли Быков A.M., Мясников М.А., Трубицин A.B., Бурчаков A.C., Лихачёв Л.Я., Петрухин П.М., Сергеев B.C., Кенигслев В, Льюис Б., Цибульский В. и др. Было установлено, что взрывоопасность угольной пыли зависит от выхода летучих, зольности и размеров частиц угольной пыли. Опытным путём были определены параметры и концентрационные пределы взрываемости смесей метана и угольной пыли с воздухом.

Исследования разрушения угольного массива комбайнами были выполнены проф. Бероном А.И., Бароном Л.И., Малевичем H.A. и др. Было введено понятие и установлена склонность угля к измельчению. При этом содержание пыли определялось в отбитом угле. Исследованиями МакНИИ показано, что в метановоздушной среде происходит снижение нижнего предела взрывоопасное™ взвешенной в воздухе угольной пыли.

Вопросы предотвращения взрывов угольной пыли в подготовительных выработках освещены в работах Бурчакова A.C., Кирина Б.Ф., Гращенкова Н.Ф., Трубицына A.B., Лихачёва Л.Я., Позднякова Г.А., Ищука И.Г., Палеева Д.Ю., Ерохина С.Ю., Дрёмова В.И. и др. Были разработаны способы нагнетания воды в пласт, подачи жидкости в след резания угля резцами, орошение отбитого угля, водяные завесы. Характер выноса угольной пыли от забоя был исследован учёными Мяснико-вым A.A., Дрёмовым В.И., Ищуком И.Г., Поздняковым Г.А. Рекомендована оптимальная скорость вентиляционной струи от 0,4 до 0,7 м/с.

Анализ показал, что отраслевая методика расчёта параметров вентиляции не учитывает фундаментальных физических законов в воздушных и газовых потоках. При проектировании производится расчёт расхода воздуха до призабойного пространства и выбор для этих условий типа вентилятора. Вопросы безопасного перемещения метанопылевоздушных потоков в зоне расположения вероятных источников воспламенения не рассматриваются. Вентиляция остаётся основным способом снижения риска взрывов в тупиковых забоях. Вентиляцию тупиковой выработки необходимо рассматривать в комплексе с технологией разрушения угля в забое выработки и протяжённостью зоны, в которой расположены вероятные источники возникновения опасной температуры. На шахтах применяют различные способы, которые должны снижать интенсивность выделения метана и образования пыли.

Однако взрывы, связанные с метаном и угольной пылью, на шахтах продолжаются. Наиболее опасными являются подготовительные выработки, в которых произошло более 74 % от всех взрывов в шахтах.

В соответствии с целью диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ научно-методической базы проектирования схем вентиляции тупиковых выработок, как составной части проектирования вновь строящихся, реконструируемых и техническом перевооружении действующих шахт, и её соответствия современным требованиям эффективности и безопасности работ;

• разработка концепции совершенствования проектных решений при проектировании схем вентиляции тупиковых забоев при разрушении угольного массива высокопроизводительными комбайнами;

• разработка методики и алгоритма расчёта параметров вентиляции тупикового забоя выработки с учётом предотвращении формирования опасных концентраций метана и тонкодисперсных фракций угольной пыли в призабойном пространстве при работе высокопроизводительных комбайнов;

• определение пылеобразующей способности современных типов проходческих комбайнов;

• определение наиболее взрывоопасные параметры угольной пыли и закономерности её образования при разрушении массива угольного пласта рабочим органом комбайна;

• определение закономерностей влияния замкнутого пространства и проходческого комбайна в призабойном пространстве тупиковой выработки на формирование давления воздуха в сети «вентилятор - забой - устье тупиковой выработки» выбор параметров вентилятора местного проветривания;

• апробация разработанных методических положений при проектировании схемы вентиляции подготовительных выработок по метаноносным пластам Кузбасса.

Во второй главе приведены результаты исследования факторов риска взрывоопасное™ метанопылевоздушных смесей в призабойном пространстве при работе проходческого комбайна. Интенсивность пылевыделения по отраслевой методике при работе проходческого комбайна определяется по замерам в воздухе при фиксированной скорости воздуха в граммах на 1 т разрушенного горного массива. Расчёт этого показателя ведётся по формулам без учёта технологических и технических особенностей устройств, образующих угольную пыль. По этим данным нельзя рассчитать безопасный расход воздуха.

В работе принято, что тонкодисперсная угольная пыль образуется в процессе разрушения массива резцами коронки комбайна. Проходческие комбайны отличаются конфигурацией и параметрами коронок, количеством и параметрами режущих резцов. В результате все типы комбайнов отличаются пылеобразующей способностью.

Для сравнения различных типов комбайнов предложен интегральный показатель пылеобразующей способности, значение которого равно суммарной длине борозд на плоскости забоя, которые производят все резцы коронки за 1 минуту работы комбайна

Е = ш-пк--1- = 1,57 -т-пк -Т)С11,м/мин, (1)

т — количество резцов в коронке; пк — количество оборотов коронки, 1/мин; Оср — средний диаметр коронки, м.

В результате расчётов по формуле (1) определён интегральный показатель пылеобразующей способности комбайнов 1ГПКС, КП21, П110 и ГОУ12СМ, который соответственно равен 1751, 2173, 5487 и 7500.

Замеры на шахтах показали, что глубина и ширина развала борозды зависит от прочности угля в пласте. При работе комбайна КП-21 на пласте 50 крепостью I1" = 1 ед. по шкале профессора Протодьяконова применяют резцы РС-33 и РС-38. Оставленные борозды на плоскости пласта имеют форму применяемого керна. У кернов диаметром 18 мм высота конусной части у основания державки равна 9 мм. Считаем, что тонкодисперсные фракции пыли образуются в результате смятия и истирания слоя на уровне надмолекулярной структуры угольного вещества боковыми гранями керна. Толщину истираемого в пыль слоя Д на основании анализа структуры угольного вещества (витрена) принимаем равной 200 мкм (0,2 мм или 0,0002 м). Масса пылевых частиц горной массы, образующихся в борозде длиной 1 м

ргм =10б -7-2-Ь-1,0-А,г/,и,

у — объёмная плотность горной массы в пласте, т/м3; Ь — высота боковой стороны борозды, м; 2 — количество сторон борозды; Д — толщина истираемого в пыль слоя на боковой стороне борозды, м; 1,0 — длина борозды, м.

При работе комбайна КП21 масса различных фракций в борозде равна 105 г/м. Удельная масса тонкодисперсных фракций угольной пыли с 1 м борозды

Руд = у^- • Рг.м. • Ксх ' Креж,г/ М,

<?г.л<. — плотность горючей массы, т.е. без общей влаги и зольности угля, %; ш — процент выхода тонкодисперсной угольной пыли аэрозольных фракций размером до 50 мкм, %, со = 50 %; Ксх, Креж — соответственно коэффициенты влияния схемы движения коронки при обработке забоя выработки и режима фрезерования массива резцами на выход пыли.

При работе комбайна КП-21 удельный выход тонкодисперсной пыли размером до 50 мкм составляет 2,57 г/м борозды. Размер пылинки до 50 мкм прият на основании результатов сравнения выделяемой энергии при сгорании пылинок разных размеров.

Удельная интенсивность выхода пыли за 1 мин определяется по формуле

Рин - Руд'Е, г/мин.

Удельная интенсивность выхода пыли от коронки комбайна в шахтную атмосферу

Рат = кс' , Г/МИН,

кс — коэффициент снижения массовой концентрации тонкодисперсной угольной пыли в шахтной атмосфере, зависящий от применяемых вспомогательных способов (при отсутствии способов кс = 1).

Для снижения массовой концентрации тонкодисперсной пыли необходимого

П - кс ' ' Е 3/ подать до забоя расход воздуха ~~ ^ 'Л' ¡мин. (2)

С, - регламентированная (безопасная) массовая концентрация тонкодисперсной пыли в воздухе (г/м3).

Выход тонкодисперсной пыли зависит от режима фрезерования массива и схемы движения коронки при обработке забоя выработки. На шахтах применяют схемы движения исполнительного органа комбайна по забою снизу вверх, сверху вниз и слева направо. Режим фрезерования применяют встречный и попутный.

Принимаем, что при работе вертикальными слоями Ксх = 1, а при работе горизонтальными слоями Ксх =1,1. Значение Креж = 1 при встречном режиме и Креж =1,1 - при попутном режиме фрезерования.

Скорость воздуха в призабойном пространстве из условия выноса тонкодисперсной взрывоопасной пыли за пределы опасного участка У„ = Wп ■ (Ь / Н), м/с, \УП - скорость осаждения пылинок, определяется формуле Стокса, м/с; Ь - длина опасного участка, м; Н — расстояние от почвы выработки до средины пылевоздуш-ного потока, м.

Расчёты показали, что для выноса на 30 м от забоя наиболее опасных по возгораемости и взрыву частиц пыли размером до 50 мкм (0,05 мм), должна быть скорость потока воздуха 1,1 м/с и более. А для выноса частиц пыли размером до 75 мкм - скорость 2,5 м/с. По ПБ в зависимости от мощности пласта минимальная скорость воздуха принята 0,25 и 0,5 м/с.

Теоретически определено и в результате термохимических расчётов доказано, что нижние концентрационные пределы воспламеняемости и взрываемости (НКПВ) зависят не от объёмной концентрации, а от молярной. В горной промышленности приборы контролируют объёмную концентрацию метана. Значения НКПВ определены на поверхности опытным путём. В горных выработках в локальных местах барометрическое давление выше, чем на поверхности. Давление отражает плотность вещества и молярную концентрацию. Поэтому в выработках и в пограничных слоях метановоздушной смеси при обтекании нагревающихся или искроопасных поверхностей увеличивается молярная концентрация метана. Приборы показывают объёмную концентрацию, а в отдельных местах происходят физико-химические процессы, увеличивается молярная концентрация и повышается риск взрыва смеси, у которой объёмная концентрация метана является неопасной. Установлено, что безопасной в любых местах с повышенным давлением в шахте является объёмная концентрация метана 1 %.

Объёмную концентрацию в выработке необходимо корректировать с учётом

барометрического давления

С — объёмная концентрация метана, показываемая приборами, %; Ки - коэффициент пересчёта концентрации.

Рш

Коэффициент пересчёта определяется по формуле - ^ ,%,

Рш - барометрическое давление воздуха в месте измерения, даПа.

Коэффициент пересчёта объёмной концентрации с учётом изменения молярной концентрации при обтекании метановоздушной смесью препятствий

V Р

_ ___ш

" У2 98,07 -102'

Теоретически и в результате лабораторных исследований доказано, что в пограничном слое скорость уменьшается в 1,5 — 2 раза. В этих слоях происходит увеличение плотности и молярной концентрации метана в соответствии с фундаментальным законом Бойля-Мариотта. Расчёты показали, что в призабойном пространстве объёмная концентрация метана не должна превышать 1,5 %. (рис. 1).

Спр,%

5

Рис. 1. Уменьшение нижнего концентрационного предела возго- 4 раемости (1) и взрываемости (2) метана при увеличении барометрического давления или плотно- ^ сти метановоздушной среды ( при Км > 1) в местах измерения 2 объёмной концентрации.

1

О

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 Кл,

В третьей главе в результате теоретических расчётов доказано, что при нагнетательном способе вентиляции динамическое давление воздуха в вентиляционной трубе не одинаково. За вентилятором оно больше, чем в конце трубы. Из закона сохранения массы определено, что скорость воздушного потока в вентиляционной трубе уменьшается по ходу движения. Целью экспериментальных исследований было установление закономерностей изменения и потерь давления воздуха в вентиляционных потоках, перемещаемых от вентилятора до забоя выработки. Подобие параметров горной выработки и струи воздуха, истекающей из вентиляционной трубы в реальных и моделируемых условиях, обосновано критериями геометрического подобия параметров 1:13 и энергетического подобия воздушных потоков. Для качественного анализа распределения потоков воздуха в призабойное пространство вентилятором подавали визуализированный воздух. Распространение потоков фиксировалось кинокамерой с частотой 28 кадров в секунду. Замеры давления производились сертифицированным измерителем дифференциального и абсолютного давления МБГО-2. Исследовались три варианта: при отсутствии оборудования в призабойном пространстве, с расположением модели установки УП250 и модели проходческого комбайна с продольно-осевой конической скруглённой коронкой (рис. 2 и 3). Установлено, что величина давления воздуха, создаваемого вентилятором в

нагнетательной системе вентиляции, зависит от габаритов находящегося в приза-бойном пространстве проходческого оборудования (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что по сравнению с отсутствием оборудования:

- при установке оборудования типа УП250 полное давление вентилятора увеличивается на 10 %, статическое снижается на 8 — 14 %, а динамическое — увеличивается на 35 - 40 %;

- при нахождении в призабойном пространстве более объёмного проходческого комбайна полное давление вентилятора увеличивается на 69 — 41 %, статическое увеличивается на 88 — 77 %, а динамическое — при увеличении производительности вентилятора уменьшается.

исходящий поток из призабойного пространства

нагнетательная вентиляционная труба

Рис. 2. Расположение точек измерения давления воздуха на модели при нахождении комбайна в призабойном пространстве,

т.1 - замеры до выхода воздуха из вентиляционной трубы; т.2 - 3 - замеры давления в призабойном пространстве; т.4 — замеры давления воздуха на выходе из вентилятора

Рис. 3. Замеры прибором МБГО-2 динамического давления воздуха перед выходом из вентиляционной трубы

При увеличении производительности вентилятора в 1,83 раза полное давление вентилятора в вариантах без оборудования и при УП250 увеличивается в 2,76 раза, а при нахождении комбайна - в 2,3 1 раза. Абсолютное значение полного давления при комбайне в 1,3 раза больше, чем при УП250. Динамическое давление в начале

вентиляционной трубы при нахождении комбайна увеличивается в 2 раза, а статическое - в 2,5 раза. Наибольшее давление вентилятор создаёт при нахождении комбайна в призабойном пространстве.

Таблица 1 - Сводная таблица результатов замера давления воздуха в призабойном пространстве тупиковой выработки

вмп Вид давления Занятость приза- бойного пространства Давление в точках измерения, Па

у вентилятора на расстоянии ной т от вентнляцнон-рубы, м

0 1,7 4,0 8,0

№ 1 динамическое без оборудования 17 и 12 5 0

УП250 23 10 6 2 0

комбайн 24 7 6 3 1

статическое без оборудования 25 8 6 7 б

УП250 23. 17 25 23 20

комбайн 47 43 33 33 33

№2 динамическое без оборудования 50 37 33 14 2

УП250 70 30 23 13 3

комбайн 47 18 17 10 4

статическое без оборудования 66 17 14 13 12

УП250 57 40 47 50 47

комбайн 117 77 72 67 70

Впервые установлены закономерности изменения динамического и статического давления и скорости свежего воздуха в вентиляционной трубе:

- динамическое давление и его потери при небольшой производительности вентилятора отличаются незначительно при различном оборудовании в призабойном пространстве; при увеличении производительности вентилятора в 1,83 раза динамическое давление вентилятора увеличивается в 3,0 - 2,0 раза, причём в меньшей степени при нахождении комбайна в призабойном пространстве;

- статическое давление вентилятора при небольшой производительности, отсутствии оборудования и нахождении УП250 в призабойном пространстве одинаковое по абсолютной величине, при нахождении комбайна больше в 1,88 раза; при увеличении производительности вентилятора в 1,83 раза увеличивается в 2,48 — 2,64 раза;

- величина динамическое давления при отсутствии оборудования от статического составляет 68 %, при нахождении комбайна - 51 %, а при УП250 - равно статическому; при увеличении производительности вентилятора в 1,83 раза при отсутствии оборудования динамическое давление составляет 76 % от статического, при УП250

- больше статического в 1,23 раза, а при нахождении комбайна составляет 40 % от статического;

- при нахождении комбайна в призабойном пространстве статическое давление в 1,77 раза больше, но его потери в 2 раза меньше чем при отсутствии оборудования; динамическое давление такое же, как и при отсутствии оборудования, а его потери в 2 раза больше;

- скорость свежего воздуха по длине трубы в зависимости от производительности вентилятора скорость уменьшается при отсутствии оборудования на 20-14 %, при УП250 - на 34 - 35 % и при установке комбайна на 46 - 38 %; наименьшая скорость воздуха при выходе из вентиляционной трубы при установке комбайна в призабой-ном пространстве.

Из рис. 4 видно, что при нахождении комбайна в забое статическое давление у вентилятора самое высокое и составляет 117 Па. В призабойном пространстве также самое высокое и составляет 67 - 77 Па. Статическое давление, создаваемое вентилятором, равно сумме потерь давления воздуха в вентиляционной трубе и давления в призабойном пространстве.

Р,

Па

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 ВМГГ

V -

Т"

-А-

\

г

--Т \ ■1 -

- 1-- ч \ -ч-

_4- ■» N

вентиляционная труба

О 1

7 ¡,м

Рис. 4. График изменения динамического и статического давления в вентиляционной трубе и в призабойном пространстве при работе вентилятора № 2, 1, 2, 3 — динамическое давление соответственно при отсутствии оборудования, при установке УП250 и комбайна; 4, 5, 6 - статическое давление соответственно при отсутствии оборудования, при установке УП250 и комбайна

Можно констатировать, что при определении потерь давления свежего воздуха на участке схемы вентиляции «вентилятор - вентиляционный воздуховод - забой выработки» необходимо учитывать потери статического и динамического давления в воздуховоде и статическое давление в призабойном пространстве. Статиче-

ское давление в призабойном пространстве формируется вентилятором для выдавливания исходящего потока от забоя за пределы выработки и оказывает влияние на увеличение напора вентилятора и уменьшение его производительности.

Для проверки полученных результатов были выполнены замеры давления и скорости в трубе в свободном пространстве вне модели. При этом атмосферное давление воздуха на входе в вентилятор и на выходе из трубы было одинаково. В результате замеров установлено, что режим работы вентилятора местного проветривания в ограниченных оборудованием горных выработках изменяется. Нахождение комбайна в призабойном пространстве значительно снижает динамическое давление и скорость воздуха в трубе, и соответственно производительность вентилятора.

Эксперименты показали (рис. 4), что на выходе из вентиляционной трубы струя свежего воздуха обладает динамическим давлением, т.е. кинетической энергией. При движении по призабойному пространству величина энергии уменьшается. Дальнобойность струи свежего воздуха зависит от её кинетической энергии на выходе из вентиляционной трубы.

В результате теоретических расчётов была установлена зависимость эффективности доставки свежего воздуха от вентиляционной трубы до забоя. Расход воздуха, который нужно доставить по вентиляционной трубе, определяется по формуле

о)

с{0 — диаметр выходного отверстия вентиляционной трубы, м; К — коэффициент эф-

фективности подачи свежего воздуха до забоя К =

Значение Qo не может быть меньше <2]. При расчётах необходимо, прежде всего, определить значение коэффициента К. При К > 1 определяется расчётное значение Qo по формуле (3). При этом условии не весь объём свежего воздуха достигнет забоя. В том случае, если К меньше 1, то необходимо принимать <20 = <2з-Чтобы обеспечить = 0,^. скорость струи в выходном отверстии трубы любого диаметра, расположенном на расстоянии 8 м от забоя, должна быть не менее 12,5 м/с, а на расстоянии 12 м — не менее 15,4 м/с.

На основе анализа кинетической энергии частиц воздуха и теоретических расчётов был сделан важный вывод, что начальная скорость воздуха при растекании по плоскости забоя равна скорости компактной струи свежего воздуха, достигшей забоя. Автор предлагает метод определения расхода воздуха для разбавления выделившегося метана с учётом времени обтекания поверхности забоя. В отраслевой методике принимается, что объём воздуха, который поступает к забою за 1 секунду, разбавит метан, который выделится там за 1 секунду. Но выработки проходят с различной площадью поперечного сечения. Например, время обтекания забоя площадью 10 м2 и 20 м2 будет различное. Поэтому концентрация метана у забоя будет зависеть от времени его обтекания.

12,1 /-с/04

С учётом времени обтекания забоя необходимый расход воздуха определится

^ _ 1,67 • / • t 3 , по формуле V] - —/с, (4)

С - С0

i — интенсивность выделения метана в забое, м3/мин; t — время обтекания потоком свежего воздуха поверхности забоя выработки, с; С - максимально допустимая объёмная концентрация метана, %; С0 - объёмная концентрация метана в струе свежего воздуха, %. Обычно в расчётах принимается С0 = 0. Среднее время обтекания поверхности забоя равно t = R/ Уср. Fcp - средняя скорость воздуха при обтекании поверхности забоя выработки

После подстановки значения t в формулу (4) и преобразований получим

Q, = 3,24 • d0 • R • -l;R , „и3/с

]]C(R2+dg-)

R - приведенный радиус выработки, м.

В четвёртой главе представлена концепция проектирования схемы вентиляции, которая с позиции фундаментальных газовых законов, термохимических реакций и полученных в результате экспериментов закономерностей обосновывает основные факторы, влияющие на взрывоопасность, методику и алгоритм снижения риска взрываемости горючих метановоздушных и пылевоздушных потоков в при-забойном пространстве. По горным выработкам перемещаются массы шахтного воздуха и метанопылевоздушных потоков. При воспламенении и взрыве принимают участие не объёмные, а молярные концентрации реагентов.

Производительность и давление вентилятора местного проветривания зависят от суммарных потерь давления в системе вентиляции: статического и динамического давления в воздуховоде, статического давления в призабойном пространстве и статического давления при напорном перемещении метанопылевоздушной массы от призабойного пространства за пределы выработки. Схема вентиляции показана на рис. 5.

Полные потери вентилятора на основании результатов выполненных исследований предлагается определять по формуле

h/юл ~~ hcm mp + 1г(Нш тр + hcm np, Па, hcm.mp, hdim.mp ~ соответственно потери статического и динамического давления воздуха в вентиляционной трубе; hcm„p- статическое давление в призабойном пространстве, равное потерям давления воздуха в тупиковой выработке..

Потери статического давления в трубопроводе и в выработке определяются по формулам Руководства по проектированию вентиляции в шахте.. Для определения потерь динамического давления в круглой полностью заполненной трубе для турбулентного потока при R<.> Re.Kp принята формула А.В.Теплова. Расчёты показали, что потери динамического давления в вентиляционной трубе составляют 28 % -30 % от потерь статического давления. Статическое давление в призабойном пространстве зависит от потерь в выработке и определяется по формуле

^СТ.пр Ьвь,р Бсв / (8СВ 8обор);

8обоР - площадь поперечного сечения комбайна, м2.

пласт угля

комбайн

вентиляционная труба-

статическое давление

динамическое давление

полное давление — выработке

в призабоином пространстве

полное давление

в вентиляционной трубе

забой выработки

Рис. 5. Схема вентиляции с изменениями давления, создаваемого вентилятором для подачи свежего воздуха до забоя и выдачи исходящего потока за пределы тупиковой части выработки.

Разработаны методика и блок-схема расчёта параметров системы вентиляции тупиковых выработок при работе проходческого комбайна, особенностью которой является определение расхода свежего воздуха не только для снижения концентрации метана, но и для снижения концентрации образующейся угольной пыли и выноса наиболее взрывоопасных фракций за пределы опасной зоны в призабойном пространстве.

Определение рациональных параметров вентиляции осуществляется по разработанному алгоритму. Блок-схема алгоритма приведена на рис. 6.

Были выполнены расчёты схемы вентиляции конвейерного ствола «Юг» по угольному пласту 52 на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК». Тип проходческого комбайна: КП-21 избирательного действия. Техническая производительность комбайна по углю 2,4 т/мин. Площадь поперечного сечения вчерне 8чер = 20 м2. Мощность пласта угля т,и~ 4,3 м; зольность угля Л''= 12,1 %; пластовая влажность \¥а = 10 %; природное содержание метана ХМ Ш1 = 9,9 м7т с.б.м; выход летучих веществ в рабочем составе пласта (в горной массе) V" = 32 %.

В проекте, выполненном на шахте по «Руководству по проектированию...», определен расход воздуха по числу людей 18 м7мин, для разбавления метана в за-

бое 3,22 м3/с (193 м3мин) и в выработке 4,08 м3/с (245 м3/мин), по минимально допустимой скорости воздуха в забое 5 м3/с (300 м3/мин). Окончательно принят расход 7,25 м7с (435 м /мин) по аэродинамической характеристике вентилятора типа ВМЭ-бм.

Рис. 6. Блок-схема алгоритма проектирования схемы вентиляции забоя тупиковой выработки

По рекомендуемой методике расход свежего воздуха для разбавления образующейся угольной пыли составил 13,3 м3/с (798 м3/мин), а для выноса взрывоопасных фракций угольной пыли за пределы расположения оборудования - 17,5 м3/с

(1050 м3/мин). Необходимо принимать вентилятор типа ВМЭ-2-10А. Рабочая точка вентилятора: давление Ру = 400 даПа, расход воздуха вентилятора (Я, = 21,7 м3/с (1300 м3/мин).

Эффективность рекомендуемой и отраслевой методик определялась в сравнении вероятностей воспламенения метановоздушных и пылевоздушных смесей в зоне возможных источников внешней энергии в забое и призабойном пространстве: фрикционного трения, электродвигателей (комбайна, конвейера, перегружателя), электрифицированного оборудования, механического искрения. Оценка производилась по 3 показателям (баллам) состояния потенциальной опасности: 1 - маловероятное , 2 - возможное, 3 - вполне вероятное. Установлено, что определение расхода воздуха для разбавления и выноса за пределы призабойного пространства опасных фракций угольной пыли позволяет снизить в 2 раза риск взрывоопасное™ в тупиковой выработке.

Экономическая эффективность заключается в повышении производительности проходчиков, которая зависит от темпов проведения выработки. Расчёт расхода воздуха с учётом технологии проведения выработки позволяет обеспечить безопасные темпы проведения выработок до 20 - 25 м в сутки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложена научно обоснованная методика проектирования схемы вентиляции тупиковых комбайновых забоев, проходимых в условиях повышенной газообильности, которую можно квалифицировать как новую методологию в области снижения риска взрыва горючих веществ в тупиковых комбайновых забоях, внедрение которой обеспечит повышение точности и надёжности проектирования вновь строящихся, реконструируемых и находящихся в эксплуатации угледобывающих предприятий.

Основные научные н практические результаты, полученные лично автором, выводы и рекомендации работы заключаются следующем:

1. Доказано, что одним из основных направлений обеспечения эффективности и безопасности в комбайновых забоях подготовительных выработок, проводимых в условиях повышенной газоносности, является реализация методики проектирования схемы вентиляции на основе учёта установленных закономерностей перемещения метанопылевоздушных потоков и изменения нижнего концентрационного предела взрываемости метана в метанопылевоздушных смесях. Областью применения методики являются проекты выбора схем вентиляции при проведении подготовительных выработок комбайновым способом по метаноносным пластам Кузбасса и других месторождений.

2. Разработана концепция научно-методических основ проектирования схемы вентиляции тупиковых забоев, базирующаяся на закономерностях аэродинамики,

полученных в результате экспериментальных исследований, и на фундаментальных газовых законах и термохимических реакциях, которые могут произойти с участием горючих метанопылевоздушных смесей при перемещении в зоне расположения вероятных тепловых источников в призабойном пространстве.

3. Разработаны методика и алгоритм расчёта параметров вентиляции в комбайновых забоях тупиковой выработки, исходя из закономерностей изменения кинетических параметров метанопылевоздушных смесей в схеме вентиляции «вентилятор - воздуховод - поверхность забоя - призабойное пространство - выработка -устье выработки», учитывающая технологические параметры проведения выработки. Расход воздуха определяется для разбавления метана и тонкодисперсной угольной пыли до безопасных концентраций и выноса наиболее взрывоопасных фракций угольной пыли за пределы призабойного пространства.

4. Установлено, что для обеспечения высоких темпов проведения выработки и снижения риска взрыва угольной пыли при работе высокопроизводительных комбайнов необходимо определять расход воздуха для снижения концентрации аэрозольных частиц пыли и выноса частиц размером до 50 мкм со скоростью не менее 1,2 м/с за пределы призабойного пространства . Для определения пылеобразующей способности комбайна принят интегральный показатель, равный суммарной длине борозд на плоскости забоя, которые образуют все резцы коронки за 1 мин работы комбайна. Интегральный показатель комбайна КП-21 равен 2173 м/мин, П110 -5487 м/мин.

5. Обосновано, что при расчёте расхода воздуха по метанообильности забоя необходимо учитывать повышение молярной концентрации метана в результате увеличения плотности метановоздушной смеси и уменьшения скорости в ламинарных пограничных слоях при обтекании нагретых поверхностей, из-за чего снижается нижний концентрационный предел взрываемости и возгораемости метана. Наиболее безопасной является концентрация метана 1 %, а на локальных участках она не должна превышать 1,5 %.

6. Доказано, что при выборе параметров вентилятора местного проветривания необходимо учитывать, что в вентиляционных трубах при турбулентных скоростях воздуха образуются потери динамического давления, величина которых достигают 40 % от потерь статического давления, и в тупиковой выработке - потери статического давления в исходящих потоках от забоя.

7. Обоснованы схема вентиляции и её параметры для проекта проведения конвейерного ствола «Юг» на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК» по угольному пласту 52. мощностью 4,3 м и природной метаноносностью 9,9 м3/т с.б.м. Расчётный расход воздуха определён при работе комбайна КП-21. Для разбавления концентрации тонкодисперсных фракций угольной пыли размером до 50 мкм расход воздуха равен 13,3 м7с, для их выноса на расстояние 30 м от забоя - 17,5 м5/с. При технической производительности комбайна 2,4 т/мин в забое будет выделяться 8,52 м3/мин метана. Для разбавления этого метана до безопасной концентрации необходимо не менее 15,55 м5/с свежего воздуха.

8. Социальный эффект от применения схемы вентиляции заключается в уменьшении риска воспламенении и взрыва в призабойном пространстве метано-пылевоздушных смесей в результате учёта их физико-химических изменений и увеличения количества факторов при определении расхода воздуха для сохранения жизни людей и предотвращении экономических потерь. Экономическая эффективность заключается в повышении производительности проходчиков, которая зависит от темпов проведения выработки. Расход воздуха определяется по технической производительности комбайна, что обеспечивает безопасные темпы проведения выработки до 20 — 25 м в сутки.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: в издательствах, рекомендованных ВАК Минобразования РФ

1. Любомищенко Е.И. Влияние внезапного расширения воздушного потока из вентиляционной трубы на уменьшение его скорости. Депонир. в М.: «Горном информационно-аналитическом бюллетене», № 6, 2008 г. Справка № 631/06-08 от 20 марта 2008 г. - автор 0,25 п.л.

2. Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И., Влияние длины тупиковой выработки и режима вентиляции на концентрацию метана в забое. М.: Горная промышленность». - 2010 .- № 3,. -С. 26-30— автор 0,15 п.л.

3. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Основные положения методики оценки влияния способа вентиляции шахты на эффективность дегазации выработанного пространства. М.: Горная промышленность.-

2010,-№5.- С. 66-69-автор 0,1 п.л.

4. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Закономерности образования опасной концентрации метана в местах локального уменьшения скорости метановоздушного потока. М.: Горная промышленность. —

2011. -№ 1. -С. 54 — 57 — автор 0,15 п.л.

5. Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Химические основы изменения концентрационных пределов и скорости реакции возгорания и взрыва метановоздушных смесей в горных выработках. М.: Горная промышленность. — 2011. - № 3. - С. 24 - 28 - автор 0,15 п.л.

6. Любомищенко Е.И. Интегральный показатель образования взрывоопасных фракций угольной пыли при работе комбайна. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во «Горная книга».- № 4, 2012 . - С. 393 —395 — автор 0,3 п.л.

7. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Энергетические и химические закономерности образования взрывов метановоздушной смеси в запылённой атмосфере угольных шахт. М.: Уголь. - 2012. - № 1. — С.28 -32.- автор 0,1 п.л.

8. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Энергетические и химические закономерности взрывов угольной пыли в шахтах. М.: Горная промышленность».-2012. -№ 1. - С. 24-30.-автор 0,1 п.л.

9. Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И., Демура В.Н. Технологические основы вентиляции забоя по критерию пылеобразующей способности проходческого комбайна. М.: Уголь. -2012. - № 6. - С.39 - 42 - автор 0,15 п.л.

10. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Концепция проектирования системы вентиляции, обеспечивающей снижение риска взрывов метана и угольной пыли в забоях тупиковых выработок. М.:Уголь. - 2013. - № 2. - С. 37 - 41 - автор 0,2 п.л.

11. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Нормативно-организационные причины образования взрывоопасной среды в атмосфере тупиковых забоев. М.: Уголь.-2013. - № 7. С. 23 -26-автор 0,15.

В других изданиях

12. Любомищенко Е.И. Уменьшение скорости воздуха при истечении из вентиляционной трубы в результате внезапного расширения. Перспективы развития Вост.Донбасса. Часть 2: сб.науч.тр./Шахт. ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ).- Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007.-С. 345 - 348 - автор - 0,25 п.л.

14. Любомищенко Е.И. Исследование уменьшения скорости воздушного потока после истечения из вентиляционной трубы. Технологии безопасности: Юбилейный сборник науч. тр./ Донское отд. Межд. акад. наук экологии и безопасности жизнедеятельности; Шахтинский институт ЮРГТУ(НПИ), Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2008,- С. 69-72-автор 0,25 п.л.

15. Любомищенко Е.И., Артемьев В.Б. Методика расчёта параметров воздушных струй для удаления локальных слоевых скоплений метановоздушных смесей. Технологии безопасности: Юбилейный сборник науч. тр./ Донское отд. Межд. акад. наук экологии и безопасности жизнедеятельности; Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ), Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2008,- С. 75-77 - автор 0,1 п.л.

16. Любомищенко Е.И., Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е. Новая концепция метанобезопасности при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Технологическая и экологическая безопасность: Сб. науч. тр./ Донское отд. межд. акад. Экологии и безопасности жизнедеятельности, Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2011,-С. 3-11 - автор 0,1 п.л.

17. Любомищенко Е.И., Колесниченко Е.А. Обоснование способа вентиляции мета-нообильных шахт. Технологическая и экологическая безопасность: Сб. науч. тр./ Донское отд. межд. акад. экологии и безопасности жизнедеятельности, Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2011. - С. 11-14 - автор 0,1 п.л.

18. Любомищенко Е.И., Колесниченко Е.А. Химические основы изменения концентрационных пределов и скорости реакции возгорания и взрыва метановоздушных смесей в горных выработках. Технологическая и экологическая безопасность : сб. науч. тр. / Донское отд. межд. акад. Экологии и безопасности жизнедеятельности. -Ростов на-Дону : Изд-во НМЦ «Логос», 2011,- С. 15-22 - автор 0,15 п.л.

19. Любомищенко Е.И. Исследование зависимости параметров вентиляции подготовительной выработки от длины ее тупиковой части. Технологическая и экологическая безопасность: Сб. науч. тр./ Донское отд. межд. акад. экологии и безопасности жизнедеятельности, Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2011. — С.26-29 - автор 0,25 п.л.

20. Любомищенко Е.И. Условия возгорания и взрыва метановоздушной смеси при обтекании нагретых препятствий в горных выработках. Технологическая и экологическая безопасность: Сб. науч. тр./ Донское отд. межд. акад. Экологии и безопасности жизнедеятельности, Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2011. — С.29-33 - автор 0,25 п.л.

22. Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Энергетическое обоснование расхода воздуха для вентиляции метанообильных тупиковых выработок. Технологическая и экологическая безопасность: Сб. науч. тр./ Донское отд. межд. акад. Экологии и безопасности жизнедеятельности, Ростов на-Дону: Изд-во НМЦ «Логос», 2011. — С.41-43 - автор 0,1 п.л.

23. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Физические основы аэрогазодинамики в вентиляционных и дегазационных сетях. Библиотека горного инженера. Выпуск 1.- М.: Изд-во «Горная книга»,- 2010.- 65 с. — автор 1,2 п.л.

24. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Природные закономерности содержания метана в угольных местах. Библиотека горного инженера. Выпуск 2.М.: Изд-во «Горная книга»,-2011,- 75 с. — автор 1,5 п.л.

Любомищенко Екатерина Игоревна

РАЗРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННОЙ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ТУПИКОВЫХ КОМБАЙНОВЫХ ЗАБОЕВ, ПРОХОДИМЫХ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООБИЛЬНОСТИ

Специальность 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Подписано в печать 15.11.2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,05. Тираж 100 экз. Заказ № 748 Отпечатано в типографии ООО «Полиграф-Проф», г. Шахты, ул. Маяковского, 68.

По заказу Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. МИ. Платова

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Любомищенко, Екатерина Игоревна, Новочеркасск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет

(НПИ) имени М.И. Платова»

На правах рукописи

04201453901

ЛЮБОМИЩЕНКО ЕКАТЕРИНА ИГОРЕВНА

РАЗРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННОЙ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ТУПИКОВЫХ КОМБАЙНОВЫХ ЗАБОЕВ ВЫРАБОТОК, ПРОХОДИМЫХ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООБИЛЬНОСТИ

25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата

технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Артемьев В.Б.

Новочеркасск - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 9 ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................

1.1. Технологические основы повышения риска взрывоопасности ме- 9 танопылевоздушных смесей и угольной пыли при работе проходческого комбайна.........................................................................

1.2. Анализ учёта требований безопасности и технологии проведения 17 тупиковых выработок при проектировании параметров вентиляции на шахтах..................................................................................

1.3. Анализ исследований факторов взрывоопасности угольной пыли и 21 метана при проведении подготовительных выработок комбайнами.

1.4. Постановка задачи исследований............................................ 27

ВЫВОДЫ.............................................................................. 30

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАКТОРОВ РИСКА 32 ВЗРЫВООПАСНОСТИ МЕТАНОПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

ПРИ РАБОТЕ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА............................

2.1. Исследование влияния характеристик рабочих органов проходче- 32

ских комбайнов на образование взрывоопасных фракций угольной пыли и на выбор параметров вентиляции..........................................

2.2. Закономерности выноса взрывоопасных фракций угольной пыли за 41 пределы нахождения вероятных источников тепловой энергии в приза-бойном пространстве................................................................

2.3. Исследование влияния увеличения плотности в метановоздушной 44 смеси на снижение нижних концентрационных пределов воспламеняе-

мости и взрываемости...............................................................

2.4. Исследование влияния физических процессов в исходящих мета- 54 новоздушных потоках при обтекании нагретых препятствий на изменение молярной концентрации метана и параметры вентиляции.........

ВЫВОДЫ.............................................................................. 59

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 60 ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ НАХОЖДЕ-

НИИ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА В ПРИЗАБОЙНОМ ПРОСТРАНСТВЕ..................................................................

3.1. Теоретическое обоснование закономерностей изменения парамет- 60 ров струи воздуха в нагнетательном трубопроводе..........................

3.2. Методика экспериментальных исследований............................. 63

3.3. Экспериментальные исследования закономерностей изменения и 65 потерь динамического и избыточного давления в вентиляционных потоках при подаче воздуха к забою выработки.................................

3.4. Аналитический расчёт давления вентилятора при напорной подаче 78 воздуха в тупиковый забой выработки...........................................

3.5. Энергетическое обоснование эффективности доставки свежего воз- 82 духа к забою и концентрации метана при обтекании плоскости забоя

выработки........................................................................

ВЫВОДЫ............................................................................. 91

4. РЕКОМЕНДУЕМАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМЫ 94 ВЕНТИЛЯЦИИ ТУПИКОВЫХ КОМБАЙНОВЫХ ЗАБОЕВ С УЧЁТОМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В МЕТАНОПЫЛЕВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ................................

4.1. Концепция проектирования схемы вентиляции, обеспечивающей 94 предотвращение взрывов метана и угольной пыли в забоях тупиковых выработок..............................................................................

4.2. Методика расчёта параметров схемы вентиляции тупиковых выра- 98 боток при работе проходческого комбайна..................................

4.3. Реализация методики проектирования схемы вентиляции тупико- 102 вой выработки на шахтах.......................................................

4.4. Экономическая и социальная эффективность применения методики 107 проектирования схемы вентиляции тупиковых комбайновых забоев с учётом физико-химических изменений в метанопылевоздушных потоках.......................................................................................

ВЫВОДЫ............................................................................. 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 119

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................... 131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Актуальность темы исследования. Для обеспечения конкурентоспособности угледобывающих предприятий в современных экономических условиях возрастают требования к принимаемым проектным техническим решениям на стадии проектирования вновь строящихся, реконструируемых шахт и работ для поддержания производственной мощности. На стадии проектирования принимаются наиболее современные технические решения, которые должны повысить технико-экономические показатели. Проектирование горнопроходческих работ производится из условия повышения темпов подготовки очистной выемки и повышения производительности проходчиков. Неотъемлемой частью технического проекта является проект вентиляции забоя выработки во время проходческих работ. В настоящее время на шахтах ОАО «СУЭК» применяют высокопроизводительные проходческие комбайны. Повышение эффективности проведения подготовительных выработок диктуется необходимостью концентрации очистных работ с переходом на технологические схемы «лава-шахта». Увеличилась длина выработок до 2500 м. Опыт реализации проектных решений на шахтах ОАО «СУЭК» показал, что темпы проведения выработок высокопроизводительными комбайнами значительно ниже их технических возможностей. Одной из причин снижения темпов проведения выработок является недостаточное обеспечение свежим воздухом мета-нообильных забоев выработок. Повышение интенсивности работы комбайнов приводит к резкому увеличению концентрации горючей метанопылевоздушной смеси, что необходимо учитывать на стадии проектирования схемы вентиляции. По этой причине на шахтах Кузбасса в период с 2000 г. произошло 18 взрывов метанопылевоздушной смеси в подготовительных выработках, а на выемочных участках - 13. Причинами воспламенения было электрооборудование в 32 случаях и фрикционное трение при работе комбайна - в 9 случаях. Анализ методической базы проектирования показал, что концепция вентиляции не учитывает физических процессов в метановоздушных потоках в ограниченном пространстве подземных выработок и базируется на закономерностях, по-

лученных опытным путём при эксплуатации типов комбайнов, которые в настоящее время не применяются. При выборе типа вентилятора учитываются не все потери давления при перемещении потоков воздуха, что является причиной аварийных ситуаций в призабойном пространстве и снижения темпов проведения при большой длине выработок. Несовершенство известной методики проектирования вентиляции делает чрезвычайно актуальной разработку научно-методических положений проектирования схем вентиляции, базирующихся на системном походе к обеспечению взрывобезопасности при принятии технических решений.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках НИР ОАО «СУ-ЭК» «Обеспечение скоростной проходки комбайнами избирательного действия и непрерывной выемки», кафедральной госбюджетной научно-исследовательской темы «Разработка теоретических основ и способов обеспечения технологической и экологической безопасности и охраны труда на опасных производственных объектах", а также научного направления «Ресурсосберегающие, экологически чистые и безопасные технологии поиска, разведки и добычи полезных ископаемых» ЮРГТУ (НПИ). По результатам конкурса «Лучший инновационный проект в области техники и технологии» в ШИ(ф)ЮРГТУ (НПИ) награждена дипломом за 1 место и именным Сертификатом.

Цель работы заключается в разработке научно обоснованных методических положений проектирования нагнетательной схемы вентиляции, обеспечивающей безопасность работ и эффективность применения высокопроизводительных комбайнов в тупиковых забоях в условиях повышенной газообильности.

Идея работы заключается в комплексном системном учёте факторов, влияющих на эффективность вентиляции комбайновых забоев выработок в условиях повышенной газообильности, включая физико-химические изменения, которые происходят в метанопылевоздушных смесях, барометрическое давление и плотность воздуха в вентиляционных потоках, потери динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления в исходящем потоке.

Методы исследований: комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической литературы; аналитические расчёты с применением фундаментальных физических и химических законов; шахтные обследования; физическое моделирование и математическую обработку данных.

Защищаемые научные положения:

1. Расход воздуха для проветривания тупикового забоя зависит от показателя пылеобразующей способности исполнительного органа комбайна, значение которого определяется суммарной длиной борозд, оставляемых кернами всех резцов рабочего органа на плоскости забоя за 1 минуту работы комбайна, и параметрами твердосплавного керна.

2. При увеличении барометрического давления и плотности шахтного воздуха в вентиляционных потоках увеличивается молярная концентрация метана и снижается нижний предел взрывоопасное™ метановоздушной смеси.

3. Риск возгорания и взрыва метановоздушной смеси и тонкодисперсной угольной пыли, отложившейся на нагревающихся поверхностях, повышается из-за увеличения разности скоростей в турбулентных потоках и ламинарном слое, а также молярной концентрации метана.

4. Эффективность и безопасность при работе высокопроизводительных комбайнов на угольных пластах, опасных по метану и пыли, зависит от учёта потерь динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления в исходящем потоке от забоя за пределы выработки при обосновании схемы вентиляции.

Достоверность и новизна полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением фундаментальных газовых и химических законов, научно обоснованным моделированием изменения физических параметров перемещаемых вентилятором потоков воздуха в вентиляционной сети, применением сертифицированных измерительных приборов, хорошей сходимостью результатов натурных и экспериментальных замеров. Результаты моделирования подтверждают теоретические закономерности.

Научная новизна диссертационного исследования заключается:

- в установлении зависимости расхода воздуха для разбавления витающих фракций горючей угольной пыли размером до 50 мкм от скорости воздушного потока для выноса её за пределы тепловых источников;

- в установлении нижнего концентрационного предела взрываемости метана в зависимости от повышения молярной концентрации и удельной плотности метановоздушной смеси на локальных участках призабойного пространства;

- в установлении влияния молярной концентрации метана и температуры в ламинарном слое на контакте с вероятным источником нагревания на риск возгорания метана и отложившейся угольной пыли;

- в установлении влияния потерь динамического давления воздуха в вентиляционных трубах и статического давления при перемещении исходящего потока воздуха в тупиковой выработке на определение параметров схемы вентиляции.

Научное значение работы заключается в развитии научно-методической базы и принципов проектирования схем вентиляции подготовительных выработок и решении на их основе актуальной научно-технической задачи повышения эффективности и снижения риска взрывоопасности метанопылевоздушных смесей в подземных выработках угледобывающей отрасли.

Практическая значимость научных исследований состоит в следующем:

• Разработаны новые методические положения проектирования схем вентиляции, позволяющие:

- учитывать тип применяемого проходческого комбайна при определении расхода воздуха по пылевому фактору с учётом снижения концентрации взрывоопасных фракций угольной пыли размером до 50 мкм и выноса её за пределы призабойного пространства;

- учитывать изменения физико-химических характеристик метановоздушных потоков;

- обеспечить повышение точности при проектировании схемы вентиляции

комбайнового забоя выработки;

- повысить темпы проведения и безопасность работ в призабойном пространстве выработок, проходимых в условиях повышенной газообильности.

Реализация работы. Результаты научных исследований и разработанные рекомендации были использованы в ОАО «СУЭК» при выполнении темы «Обеспечение скоростной проходки комбайнами избирательного действия и непрерывной выемки». Разработан проект схемы вентиляции конвейерного ствола «Юг» по угольному пласту 52 на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс», обеспечивающий снижение риска взрыва метана в 2 раза. Основные положения расчёта вошли в учебное пособие «Основы аэрогазодинамики в горных выработках» (7,5 п.л.) для студентов специальностей «Горное дело» и «Безопасность технологических процессов и производств» в Шахтинском институте (филиале) ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова.

Теоретические и практические разработки, изложенные в диссертации, рекомендуется использовать при проектировании вентиляции подготовительных выработок на метаноносных пластах угля в Кузбассе, в проектных институтах и в учебном процессе вузов России при подготовке специалистов по направлению «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ 2010, 2011, 2012 и 2013 гг.), в горном отделе ОАО «СУЭК», на научно-практических конференциях ЮРГТУ(НПИ) в 2007 - 2013 гг., на конкурсе «Лучший инновационный проект в области техники и технологии» ШИ(ф) ЮРГТУ(НПИ) (диплом за 1 место и именной Сертификат).

Публикации. Соискатель имеет 35 опубликованных печатных работ. Из них 24 по теме диссертации, в том числе 11 статей в журналах, включённых ВАК Минобрнауки РФ в список реферируемых: «Уголь», «Горная промышленность», «Горный информационно-аналитический бюллетень».

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технологические основы повышения риска взрывоопасности метановоздушных смесей и угольной пыли при работе проходческого комбайна.

Перспективы совершенствования подготовительных работ на угольных шахтах связаны с рационализацией технологических схем подготовки выемочных столбов. Выполнение этой задачи связано со значительным увеличения скорости подвигания и увеличением площади поперечного сечения подготовительных забоев. Это задача экономическая. Однако выполнение этой задачи приводит к увеличению интенсивности разрушения угольных пластов и повышенному образованию взрывоопасных смесей пыли и метана с шахтным воздухом.

Производственный потенциал угольной промышленности России включает более 100 шахт, которые разрабатывают угольные пласты подземным способом. Горно-геологические условия разрабатываемых угольных пластов усложняются. Абсолютное большинство шахт работает в опасных условиях, что обуславливает повышенный риск труда [1]. При проведении подготовительных выработок по метаноносным пластам методы вентиляционного обеспечения должны соответствовать интенсивности разрушения угольного массива, чтобы обеспечивать безопасную концентрацию выделяющихся горючих веществ. За последние полвека произошли существенные изменения в технологии проведения и параметров подготовительных выработок.

На первом этапе при буровзрывной отбойке ручная погрузка отбитой горной массы была заменена погрузочными машинами. С 1958 г. начался этап внедрения проходческих комбайнов серии ПК (ПК-3, ПК-7, ПК-9, 4ПУ и др.). С 1988 г. применяют комбайны типа ГПК, которые заменяют высокопроизводительными комбайнами типа КП-21, ЗОМВЗ, П-110, КСП-22, КСП-33, СМ-130К, ЮУ-СМ30, БОЗСО, ВиСУЯШ.

Источником пыли является пласт угля, а инструментом образования пыли - рабочий инструмент проходческого комбайна. Угольная пыль образуется в забое при разрушении массива пласта рабочим органом проходческого комбайна. Опасность образования взрывоопасной угольной пыли и выделяющегося метана в шахтную атмосферу является результатом выполнения основных технологических процессов при работе комбайна (рис. 1.1).

Технологический процесс - 1. Разрушение массива угля, погрузка комбайном —Образование пыли, —выделение метана

2. Приведение забоя в рабочее состояние, крепление —Выделение метана

3. Обустройство выра�