CC BY
41
Dolzhikov Peter Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, dolpn@yandex. ua, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Civil Engineering,
Psuk Marina Urevna, postgraduate, marikapt@,rambler.ru, Luhansk People's Republic, Donbass State Technical University УДК 622.333
ПРОГНОЗ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТ
А.Н. Качурин, П.В. Васильев
Уточнены закономерности метановыделения из разрабатываемого угольного пласта и конвективно-турбулентной диффузии метана в подготовительных выработках при большой скорости подвигания подготовительного забоя. Установлено, что метановыделение с поверхности обнажения пласта в подготовительную выработку следует описывать уравнением фильтрации в частных производных гиперболического типа, учитывающим волновую составляющую фильтрационного движения. Доказано, что поля концентраций метана в воздухе подготовительных выработок стремятся к некоторому стационарному состоянию. Решена задача оценки динамики метановой опасности и динамического расчета количества воздуха, обеспечивающих безопасность проведения подготовительных выработок по аэрологическому фактору.
Ключевые слова: метан, подготовительная выработка, фильтрация, метано-обильность, метановая опасность, аэрологическая безопасность, угольный пласт, математическая модель.
Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны, предполагающему обеспечение высокого уровня промышленной безопасности в угольной отрасли. Планируется увеличение производительности труда в 5 раз к 2030 г. Основным угольным бассейном России является Кузбасс. Шахты Кузбасса высокогазообильные и, как показывает статистика взрывов мета-но-воздушной смеси (МВС), в угольных шахтах России до настоящего времени нет эффективной системы предотвращения этого вида аварий. Но в то же время широко внедряется технология «шахта - лава», при которой добыча из одной лавы может достигать 20.. .30 тыс. т в сутки.
При этом большими темпами увеличивается глубина разработки, что влечет за собой рост природной газоносности разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород, угрозу динамических проявлений горного и газового давления. В этих условиях директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метановой опасности шахт.
Особую актуальность эта проблема приобретает для подготовительных выработок, проводимых по разрабатываемому угольному пласту с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя, существенно увеличивающей газовыделение из отбитого угля. Важнейшими элементами системы обеспечения аэрологической безопасности являются достоверный прогноз динамики метановыделения в подготовительных выработках и адекватная оценка количества воздуха, необходимого для их проветривания.
Современные методы прогноза динамики газовыделений и расчета количества воздуха являются результатом исследований, выполненных научными школами России и зарубежными исследователями. Анализ их основных научных результатов показывает, что уточнение закономерностей метановыделения из разрабатываемого угольного пласта и конвективно-турбулентной диффузии метана в подготовительных выработках позволит существенно повысить безопасность подготовительных работ по аэрологическому фактору.
Высокая метанообильность шахт Кузбасса является причиной возникновения газового барьера для современных высокопроизводительных технологий проведения подготовительных выработок [1]. Например, сравнительный анализ аэрогазодинамического состояния шахт ОАО «Южкуз-бассуголь» показывает, что, во-первых, шахты характеризуются исключительно высокой газообильностью, во-вторых, возможностью возникновения аварийных загазирований горных выработок с появлением взрывоопасных концентраций метана [2 - 4]. При этом подготовительные участки могут находиться в состоянии аварийного загазирования от нескольких минут до десятков часов. Обобщение результатов теоретических исследований и натурных наблюдений позволило разработать модель формирования метановой опасности в подготовительной выработке (рис. 1) [5 - 10].
Теоретические исследования показали, что для прогнозирования процесса формирования метановой опасности в подготовительных выработках необходимо учитывать конечную скорость распространения давления метана в угольном пласте [11 - 15]. При этом закон сопротивления при фильтрационном движении метана в угольном пласте представляет собой функциональную связь газового потока с градиентом давления газа и локальной скоростью изменения газового потока для произвольно выбранной точки в рассматриваемой области угольного пласта [13].
А газовая проницаемость угольного пласта представляет собой обобщенную характеристику свойств метана, коллекторских свойств угольного и релаксации процесса фильтрационного движения метана, при этом численное значение газовой проницаемости пропорционально третьей степени эффективной пористости горного массива [4].
Таким образом, процессы фильтрации метана в угольном пласте описываются уравнением гиперболического типа. Применение уравнений параболического типа является физически обоснованным для длительных
периодов времени. Современные технологии и технические средства отработки угольных пластов обеспечивают увеличение производительности очистных участков на порядок. Разумеется, что это приводит к тому, что в несколько раз возрастает скорость подвигания подготовительных забоев.
Метановыделение с поверхности обнажения ра зрабатываемого угольного пласта
Атмосфера подготовительной выработки
ТТТТТТТ
Вентилятор местного проветривания
Вентиляционный трубопровод
Рис. 1. Модель формирования опасной ситуации в подготовительной выработке по газовому фактору: 1 - утечки воздуха; 2 - подача воздуха
в подготовительный забой
Проектная длина подготовительной выработки на 1 - 2 порядка превышает мощность разрабатываемого угольного пласта и размеры зоны естественного газового дренирования, поэтому физически обоснованно можно рассматривать одномерное полубесконечное пространство, что позволяет использовать граничные условия первого рода [14]. Тогда решение уравнения фильтрации, описывающее нестационарное поле давлений метана, будет иметь следующий вид:
2 2 Р - Ро 2 2 Рс - Р0
ехр
-0,5 2 {Хг X )-0,51 + 0,5 2 {Хг X у.и)-0,5 х
Г Л/ у.п.!
X
I
I (
т2 - 2\х-П) 05 ехр(-0,5т?-1)
х
2 (а-„ )0
XI
0,5
/ <г{
2 2. -1 \ т - 21гXу.п )
0,5
дт
г - 2
(гХ-.п )
(1)
2 2 0 5
где 11[0,5/гГ(т - 2 / хуп) ' ] - модифицированная функция Бесселя первого
порядка для аргумента, записанного в квадратных скобках; - 2(гГ /
Ху.п)0,5] - единичная функция Хевисайда; р - давление свободного метана в трещиновато-пористой структуре угля; 2 - пространственная координата;
2
1
t - время; tr - период релаксации процесса ламинарной фильтрации метана в угольном пласте; ху.п - пьезопроводность угольного пласта, зависящая от фильтрационных и сорбционных свойств угля; p0 , pc - давление свободного метана в угольном пласте и на поверхности обнажения пласта соответственно.
Из соотношения (1), следует аналитическая зависимость для расчета метановыделения с единичной площади поверхности обнажения угольного пласта
1уд.п = !удн ехР (-0,5Г /tr) 10 (0^ / ^), (2)
где 1удн - начальная скорость газовыделения, м3/(м2-мин); 10 (0^/tr) -
модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
В период проведения выработки дебит метана в подготовительную выработку 1по с элементарной поверхности обнажения угольного пласта
dS определяют как dIпо = nm}пVпзI},днexp(-0^/tr) 10(0,5t/^)dt, где п -
количество поверхностей обнажения угольного пласта, контактирующих с атмосферой подготовительной выработки; m}.п и Vп.з - мощность разрабатываемого угольного пласта и скорость подвигания подготовительного забоя соответственно [15]. Модифицированная функция Бесселя нулевого порядка может быть представлена в интегральном виде, тогда, вводя обо-
значение т = 0,5 ttr_1, и интегрируя это уравнение для различных интервалов времени, можно записать, что
1п.а(т) = 0,318 nmyJrVnJydM®1 (т) при т ^ Тпв, (3)
С* (тпв) = 0,318 nmyJrVnJydM®i (тп.в ), (4)
С(т) = СТ©2 (т-Тп.в) при Т > Ve , (5)
где Imoax - максимальное значение метановыделения; 1*па - дебит метана в
период обособленного проветривания выработки; тпв - безразмерный срок проведения подготовительной выработки;
% п
©1 (%) = Jexp(-Z)J[exp(Z cos 0) + exp(-Z cos 0)]d0dZ;
0 0
— r
© 2 (%) = 0,159exp [-(%-Тп.в)]:
<J{exP[(% - тп.в )cos 0] + exp[-(% - Тпв )c0s 0]}d0
П х|
0
Функции ©1(^) и ©2(£,) представляют собой безразмерные значения метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в соответствующие моменты времени, которые присваиваются переменной
Результаты вычислительных экспериментов, проведенных для возможных интервалов изменения исходных данных, отражающих условия
проведения подготовительных выработок в шахтах Кузбасса, позволили получить инженерные формулы для расчета этих функций.
Аппроксимации функций ©1(£) и ©2(£), представленных в табл. 1, 2, характеризуются значениями коэффициентов корреляции от 0,995 до 0,999.
Таблица 1
Аппроксимации зависимости ©1 = ©1(£)
Безразмерная длительность £ Теоретически обоснованная аппроксимирующая формула Коэффициент корреляции
£ е [0, 10] ©! (£) = 0,3787£3 - 2,4678£2+ +6,7909£ - 0,367 0,999
£ е [10, 100] ©1 (£) = 0,0003£3 - 0,0329£2+ +1,5865£ +1,177 0,995
Таблица 2
Аппроксимации зависимости ©2 = ©2(£)
Безразмерная длительность £ Теоретически обоснованная аппроксимирующая формула Коэффициент корреляции
£ е [0, 3] ©2 (£) = -0,0467£3 + 0,3314£2 --0,8283£ +0,9957 0,999
£ е [3, 10] ©2 (£) = -0,0003£3 + 0,0074£2 --0,0738£ +0,4012 0,998
£ е [10, 50] ©2 (£) = 5 • 10-5£2 - 0,0047£ + 0,1695 0,983
£ е [50, 100] ©2(£) = 2 •Ю-6£2 -0,0008£ + 0,090! 1,000
Погрешность аппроксимации не превышает 1 %. Из формул (4), (5) и (6) следует, что интенсивность метановыделения непосредственно связана со скоростью подвигания подготовительного забоя и проектной длиной подготовительной выработки.
Анализ этих зависимостей показывает, что в процессе проведения выработки метановыделение нарастает за счет увеличения площади поверхности газоотдачи. Газоотдающая поверхность вначале находится под
перепадом давления, приблизительно равного значению р02 - рс2. Затем происходит дегазация краевой части угольного пласта, контактирующей с атмосферой подготовительной выработки, в соответствии с закономерностью (6).
Сравнение результатов расчетов метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта с данными натурных наблюдений представлено табл. 3.
Данные табл. 3 наглядно свидетельствуют об удовлетворительной сходимости расчетных значений с фактической величиной газовыделения с поверхности обнажения угольного пласта.
Таблица 3
Результаты газовоздушных съемок при проведении подготовительных выработок по пл. II Внутреннему с квершлага 108, горизонт 40 м
Наименование выработки Длина выработки L, м Расход воздуха, м3/мин Метановыделение с обнаженных поверхностей угольного пласта, м3/мин От-клоне- ние, %
Фактическое Расчетное
Конвейерный штрек 7 160 0,17 0,174 2,4
7 180 0,18 0,179 - 0,6
40 200 0,20 0,232 16,0
96 180 0,18 0,175 - 2,8
II промежуточный штрек 25 170 0,17 0,168 - 1,2
65 165 0,16 0,167 4,4
95 160 0,16 0,170 6,2
105 160 0,16 0,158 - 1,2
Основной штрек 25 135 0,14 0,127 - 9,3
45 130 0,13 0,139 6,9
65 130 0,13 0,141 8,5
Относительные отклонения не превышают 16 % и в среднем составляют 4,3 %.
В подготовительном забое в процессе проведения подготовительных выработок, проводимых частично или полностью по углю, происходит разрушение угля исполнительными органами проходческих комбайнов. Отбитый уголь дробится на блоки, которые можно заменить эквивалентными сферами, радиус которых соответствует некоторой эффективной величине, определяемой гранулометрической кривой, представляющей собой закон распределения разрушенного угля по фракциям различного размера. Тогда можно ввести следующие допущения: кусок отбитого угля за-
меняется эквивалентной сферой, которая дегазируется в диффузионном режиме; движущей силой диффузионного переноса является градиент остаточной газоносности рассматриваемой угольной сферы [16].
Физически обоснованным является граничное условие, в соответствии с которым остаточная газоносность угольной сферы на ее внешней поверхности равна остаточной газоносности угля при атмосферном давлении. С учетом этого условия получена следующая зависимость [16]:
да 1 1 .- ^ -|
x (г , t ) =
(хз )Е(-1Г+ (ппг) 81п(ппг /R)ехрI -(пп /R) Щ I, (6)
И=1
где x - газоносность угля в произвольной точке г эквивалентной угольной сферы со средним радиусом R; Dу - коэффициент диффузии метана в отбитом угле; хз, - значения остаточной газоносности отбитого угля в забое и при атмосферном давлении соответственно.
Таким образом, с учетом зависимости (6) и закона А. Фика была получена следующая формула для расчета метановыделения из отбитого угля:
= 2,083 • 10-3 SчVn.з у у (Xз - хю) м3/мин , (7)
где Sч - площадь поперечного сечения подготовительной выработки в проходке; уу - плотность угля.
Газовые ситуации на подготовительных участках моделировались с помощью одномерного уравнения конвективно-турбулентной диффузии газовой примеси в воздухе [17]. При этом рассматривалась однородная и изотропная турбулентность.
Решение уравнения конвективно-турбулентной диффузии получено в следующем виде [18]:
C(,t) = /°Пв {I1 - ехР/^В)] + 0,5ехр/^В):
г
х|ехр((т/II ехр(-К\!Ь |ег!е(0,5К /V т -V Ьт | +
0
х
ехр(исрт/LПВ )|ехр(-К\[Ь )ег1с(0,5К/>/т -л/Ьт)-+ ехр (К^Ь) ейс (0,5К + йт, (8)
где С = с - сН; с - объемная концентрация метана в воздухе подготовительной выработки; сН - объемная концентрация метана на свежей струе, поступающей в подготовительную выработку; иср - средняя скорость движения воздуха по подготовительной выработке; LПВ - проектная длина подготовительной выработки; /пв , О ПВ - абсолютная газообильность и объем подготовительной выработки; К = I /; Ь = 0,25и^р / D + иср /LПВ.
Анализ результатов вычислительных экспериментов, выполненных с использованием зависимости (8), показывает, что, во-первых, поля концентраций метана в воздухе подготовительных участков стремятся к неко-
торому стационарному состоянию. Во-вторых, динамический расчет количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительных участков, целесообразно осуществлять, используя решения стационарного уравнения конвективно-турбулентной диффузии [1]. Следовательно, переходя к решению стационарной задачи газовой динамики подготовительных участков, вносятся определенный коэффициент запаса. При этом в любом случае анализ газовой ситуации для расчета количества воздуха должен быть ориентирован на максимальные концентрации метана, возникающие в шахтном воздухе.
Количество воздуха, протекающего по подготовительной выработке аПВ, при учете утечек воздуха из вентиляционного трубопровода можно записать в следующем виде [1]:
Qпв (х )=а
ВМП
1 + ехр
1
Ь
ПВ 0
^пв
I Л© ^
ехр
1
Ь
ПВ 0
д.
(9)
где аВМП - подача вентилятора местного проветривания; Ьпв - проектная длина подготовительной выработки.
Количество воздуха, подаваемого в подготовительный забой апз, определяют как произведение подачи вентилятора местного проветривания аВМП на коэффициент доставки воздуха п. При этом количество воздуха, протекающего по подготовительной выработке, увеличивается по мере приближения к ее устью [17 - 18]. Натурные наблюдения показывают, что, во-первых, продольной турбулентной диффузией метана в подготовительной выработке можно пренебречь и рассматривать только его конвективный перенос, во-вторых, коэффициент доставки воздуха убывает по линейной зависимости (коэффициент корреляции равен 0,987). Тогда уравнение стационарной одномерной конвективной диффузии можно записать в следующем виде:
1 - а(Ьтр -С)
йс й £
1 + аЬ
ПВ
Ь
пв у
аВМП С0 + 1 п.в аВМП (1 + аЬПВ )
- с
(10)
где Ьтр = ЬПВ - Ьпз; Ьтр - длина вентиляционного трубопровода; Ь
тр
ПВ
проектная длина подготовительной выработки; Ьпз - длина призабойной зоны; а - эмпирический коэффициент, характеризующий уменьшение коэффициента доставки воздуха с увеличением расстояния; - текущая координата; с - концентрация метана в произвольной точке подготовительной выработки; с0 - концентрация метана в свежей струе воздуха; 1п.в - ме-тановыделение в подготовительную выработку.
В соответствии с требованиями действующих Правил безопасности приняты условия с(0) = спз, с(Ьтр) = ПДК, где спз - концентрация метана в призабойном пространстве.
Это позволило получить формулу для расчета подачи ВМП, необходимой для проветривания подготовительной выработки с учетом конвективного переноса метана:
д =__
вмп (1 + аЬпв)[ПДК - сп з ехр(~Хг ЬХ2)] - с0 [ 1 - ехр(-Х11пХ2)] ' где ^=(1 + а1пв)Ипв\ >^=1/(1 -аЬтр).
Результаты численного моделирования показали, что учет процессов конвективного переноса газа позволяет уменьшить расчетное количество воздуха для подготовительных выработок минимум на 30...40 % , не повышая при этом уровня метановой опасности [1].
Сравнение результатов расчетов количества воздуха по действующей методике и динамическим методом представлено на рис. 2
2000-11—————г=-|—— — — — — ————
х 1800-----------------
I 1600------—---------
1 1400-----------Л------
£ 1200-5ч
■р "I1 "г ™Г "I1 ШГ щр "I1 "I1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Номер выработки
□Действ, методика 0Предл. методика
Рис. 2. Результаты расчета количества воздуха для подготовительных выработок шахт ОАО «ОУК - Южкузбассуголь». Шахта «Абашевская»: 1 - главный вентиляционный штрек пл. 15; 2 - западный конвейерный уклон пл. 15; 3 - основной конвейерный штрек пл.15; 4 - вентиляционный штрек 15-34; 5 - конвейерный штрек 15-34. Шахта «Алардинская»: 6 -разведочный конвейерный штрек 6-1-11; 7 - конвейерный штрек 6-1-21; 8 -разведочный вентиляционный штрек 6-1-11. Шахта «Юбилейная»: 9 - вентиляционный штрек 50-12; 10 - вентиляционный штрек 50-04 «бис»; 11 ~ вентиляционный штрек 50-04 «бис». Шахта «Кушеяковская»: 12 - конвейерный штрек 67-37; 13 - конвейерный штрек 67-38. Шахта «Есаульская»: 14 - минусовый штрек 26-31; 15 -конвейерный штрек 26-31. Шахта «Осинниковская»: 16 - промежуточный штрек Е-1 «бис»
Для обеспечения безопасности подготовительных выработок по аэрологическому фактору разработан новый способ определения метановой опасности подготовительных выработок [19]. Предлагаемый способ заключается в определении геометрических параметров подготовительной горной выработки, ее абсолютной газообильности и режима работы ВМП. Также определяют фильтрационные и диффузионные параметры переноса метана воздушной струей и концентрацию метана в призабойном пространстве подготовительной выработки, концентрацию метана в свежей струе воздуха и коэффициент турбулентной диффузии метана в воздухе. Определяют среднюю концентрацию метана на выходе из подготовительной выработки из соотношения
С ( ЬП.В ) = С0 + 1 п.в / исрЯП.В х
х( 1 - ехр
0,5иср/Dт
2 + иср / ^ П,
(12)
/ \ 0,333
где ир = кт /Бпв ((/Rmр) ; N - потребляемая мощность ВМП; Rmр - аэродинамическое сопротивление вентиляционного трубопровода; п - КПД ВМП; кут - коэффициент утечек воздуха из вентиляционного трубопровода; ЯПВ - площадь поперечного сечения подготовительной выработки.
Метановую опасность подготовительной выработки определяют, сравнивая среднюю по сечению концентрацию метана на выходе из подготовительной выработки с ПДК и нижним пределом взрывчатости метано-воздушной смеси: если эта концентрация меньше ПДК, то ситуация не опасная; если превышает ПДК, то ситуация опасная; если превышает нижний предел взрывчатости метановоздушной смеси, то ситуация чрезвычайно опасная.
Для автоматизации инженерных расчетов динамики метановыделе-ния в подготовительные выработки и определения количества воздуха динамическим методом разработан комплекс программных средств. Практическая апробация разработанной методики прогноза динамики метановы-деления в подготовительную выработку осуществлялась на 16 подготовительных участках 6 шахт объединенной угольной компании «Южкузбасс-уголь» и показала удовлетворительную сходимость результатов расчетов и натурных наблюдений.
Основные выводы и практические рекомендации выполненных исследований заключаются в следующем.
1. Анализ событий, формирующих опасную газовую ситуацию по фактору взрыва метано-воздушной смеси, показывает, что концентрация метана в воздухе является главной характеристикой метаноопасности. При этом прогнозная оценка безопасности подготовительной выработки по аэрологическому фактору основывается на определении средней концентра-
ции метана в исходящей струе с учетом геометрических параметров подготовительной горной выработки, ее абсолютной газообильности, режима работы вентилятора местного проветривания, фильтрационных свойств угольного пласта и параметров конвективно-турбулентного диффузионного переноса метана воздушной струей.
2. Установлено, что достоверный прогноз динамики метанообиль-ности подготовительной выработки основывается на адекватном законе сопротивления при фильтрации метана в угольном пласте, который отображает функциональную связь газового потока с градиентом давления газа и локальной скоростью изменения газового потока. Поэтому метановы-деление с поверхности обнажения пласта в подготовительную выработку следует описывать уравнением в частных производных гиперболического типа.
3. Поля концентраций метана в воздухе подготовительных выработок стремятся к некоторому стационарному состоянию, поэтому динамический расчет количества воздуха, необходимого для проветривания мета-нообильных подготовительных участков, при проектировании вентиляции целесообразно осуществлять, используя решения уравнения стационарной конвективно-турбулентной диффузии для граничных условий первого рода.
4. На основе анализа результатов математического моделирования доказано, что коэффициент доставки воздуха убывает по линейной зависимости (коэффициент корреляции равен 0,987), а учет процессов конвективного переноса газа позволяет уменьшить расчетное количество воздуха для подготовительных выработок минимум на 30...40 % , не повышая при этом уровня метановой опасности.
Список литературы
1. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин, В.И. Клишин, А.М. Борще-вич, А.Н. Качурин. Тула - Кемерово: Изд-во ТулГУ, 2013. 219 с.
2. Безопасность геотехнологий добычи угля по газовому фактору / Н.М. Качурин, А.М. Борщевич, О.Н. Качурина, А.А. Бухтияров // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 24 - 27.
3. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Вакунин Е.И. Газовыделение с поверхности обнажения метаноуглекислотоносных угольных пластов // Известия вузов. Горный журнал. 1994. № 2. С. 43 - 49.
4. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Generalized mathematical model for gases filtration in coal beds and enclosing strata / EURASIAN MINING. №2. 2015. P. 40 - 43.
5. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Качурин А.Н. Прогноз метановы-деления с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную
выработку при высокой скорости проходки / Горный журнал. 2014. №4. С. 70-73.
6. C. Ozgen Karacan, Felicia A. Ruiz, Michael Cote, Sally Phipps. Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. International Journal of Coal Geology. 86. 2011. P. 121-156.
7. Saghafi Abouna. Greenhouse gas emissions from shallow uncovered coal seams. International Journal of Mining Science and Technology. 24. 2014. P.341-344.
8. Sayeed A. Mohammad, Robert L. Robinson Jr., Khaled A. M. Gasem. Modeling gas-adsorption-induced swelling and permeability changes in coals. International Journal of Coal Geology. 121. 2014. P. 98-109.
9. Sawomir Kedzior, Maciej J. Kotarba, Zbigniew Pekata. Geology, spatial distribution of methane content and origin of coal bed gases in Upper Carboniferous (Upper Mississippian and Pennsylvanian) strata in the south-eastern part of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. International Journal of Coal Geology 105. 2013. P. 24-35.
10. Jaros aw Zawadzki, Piotr Fabijaeczyk, Henryk Badura. Estimation of methane content in coal mines using supplementary physical measurements and multivariable geostatistics. International Journal of Coal Geology 118. 2013. P. 33-44.
11. Kachurin N., Borschevich A., Kachurin A. Methane Emission into Production Face from Enclosing Strata / TEHNIKA. Belgrade. 2013. №2. P. 231 - 234.
12. Kachurin N., Kaledina N., Kachurin A. Methane emanation from coal seam side face by the high advance rate of development face / Underground Mining Engineering. Belgrade University. 2013. June. P. 6 - 9.
13. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подви-гания подготовительного забоя / Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 5. С. 8 - 11.
14. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта при высокой скорости проходки / Известия вузов. Горный журнал. 2013. № 3. С. 25-31.
15. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку / Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2011. С. 80 - 84.
16. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Н. Качурин, И.В. Сарычева // Обогащение руд. 2014. №6. С.16-19.
17. Математические модели аэрогазодинамики тоннелей при их строительстве / Н.М. Качурин, Р. А. Ковалев, О.В. Коновалов, А.Н. Качу-
рин // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Вып. 1. 2010. С 246 - 255.
18. Качурин Н.М., Коновалов О.В., Качурин А.Н. Аэрологическое обоснование и математические модели вентиляции тоннелей при их строительстве / Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 6 - 12.
19. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Качурин А.Н. Способ определения метановой опасности подготовительной выработки / Патент РФ №2515459 // Опубликовано: 10.05.2014. Бюл. №13.
Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, alexander.ka4urin22@gmail.com, Россия, Москва, Московский горный институт, НИТУ «МИСиС»,
Павел Валентинович Васильев, канд. техн. наук, генеральный директор, Sib EO@bk. ru, Россия, Кемеровская обл., Прокопьевск, ООО «СИБЭО»
FORECASTING METHANE EMISSION AND PROVIDING AEROLOGICAL SAFETY OF DEVELOPMENT WORKINGS IN METHANE DANGEROUS MINES
A.N. Kachurin, P.V. Vasiliev
Regularities of methane emission from mined coal bed and convective-turbulent diffusion of methane in development workings by large velocity of moving development face were refined. It's determined that methane emission from outcrop surface of coal bed into development working must be described by partial differential equation of hyperbolic type, which taking into account wave component of filtration flow. It's proved that fields of methane concentration in air of development workings converge to a stationary state. The problems of evaluating dynamics of methane danger and dynamical calculating quantity of air were solved. It's provided of aerological safety for sinking development workings.
Key words: methane, development working, filtration, methane emission, methane danger, aerological safety, coal bed, mathematical model.
Reference
1. Prognoz metanovoj opasnosti ugol'nyh shaht pri intensivnoj otrabotke ugol'nyh plastov / N.M. Kachurin, V.I. Klishin, A.M. Bor-shhevich, A.N. Kachurin // Tula - Kemerovo. Izdatel'stvo TulGU. 2013. 219 s.
2. Bezopasnost' geotehnologij dobychi uglja po gazovomu faktoru / N.M. Kachurin, A.M. Borshhevich, O.N. Kachurina, A.A. Buhtijarov // Bez-opasnost' zhiznedejatel'nosti. 2010. № 5. S. 24-27.
3. Sokolov Je.M., Kachurin N.M., Vakunin E.I. Gazovydelenie s poverhnosti obnaz-henija metanouglekislotonosnyh ugol'nyh plastov / Izvestija vuzov. Gornyj zhurnal. 1994. № 2. S. 43 - 49.
4. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Generalized mathe-matical model for gases filtration in coal beds and enclosing strata // EURA-SIAN MINING. 2015. №2. P. 40 - 43.
5. Kachurin N.M., Vorob'ev S.A., Kachurin A.N. Prognoz metano-vydelenija s po-verhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta v podgotovitel'-nuju vyrabotku pri vysokoj skorosti prohodki // Gornyj zhurnal. 2014. №4. S. 70-73.
6. Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with bene-fits to mining safety and to greenhouse gas reduction / C. Ozgen Karacan, Felicia A. Ruiz, Michael Cote, Sally Phipps // International Journal of Coal Geology. 2011. 86. P. 121 - 156.
7. Abouna Saghafi. Greenhouse gas emissions from shallow uncovered coal seams // International Journal of Mining Science and Technology. 2014. 24. P. 341 - 344.
8. Mohammad Sayeed A., Robinson Jr. Robert L., Gasem Khaled A.M. Modeling gas-adsorption-induced swelling and permeability changes in coals // International Journal of Coal Geology. 2014. 121. P. 98 - 109.
9. Kedzior Sawomir, Kotarba Maciej J., Pekata Zbigniew. Geology, spatial distribution of methane content and origin of coal bed gases in Upper Carboniferous (Upper Missis-sippian and Pennsylvanian) strata in the south-eastern part of the Upper Silesian Coal Basin // International Journal of Coal Geology. 2013. 105. P. 24 - 35.
10. Zawadzki Jaros aw, Fabijaeczyk Piotr, Badura Henryk. Estima-tion of methane content in coal mines using supplementary physical meas-urements and multivariable geosta-tistics // International Journal of Coal Geology. 2013. 118. P. 33 - 44.
11. Kachurin N., Borschevich A., Kachurin A. Methane Emission in-to Production Face from Enclosing Strata // TEHNIKA. Belgrade. 2013. №2. P. 231 - 234.
12. Kachurin N., Kaledina N., Kachurin A. Methane emanation from coal seam side face by the high advance rate of development face // Under-ground Mining Engineering. Belgrade University. 2013. June. P. 6 - 9.
13. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenie me-tana s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta pri vysokoj skorosti podviganija podgotovitel'nogo zaboja // Be-zopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2012. № 5. S. 8 - 11.
14. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenie me-tana s poverhnosti obnazhenija razrabatyvaemogo ugol'nogo plasta pri vysokoj skorosti prohodki // Izvestija vu-zov. Gornyj zhurnal. 2013. № 3. S. 25-31.
15. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenie me-tana s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta v podgotovitel'nuju vyrabotku / Izvestija Tul'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2011. Vyp. 1. S. 80 - 84.
16. Prognoz metanovydelenija v podgotovitel'nye i ochistnye zaboi ugol'nyh shaht / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, A.N. Kachurin, I.V. Sarycheva // Obogashhenie rud. 2014. №6. S. 16 - 19.
17. Matematicheskie modeli ajerogazodinamiki tonnelej pri ih stroitel'stve / N.M. Kachurin, R.A. Kovalev, O.V. Konovalov, A.N. Ka-churin // Izvestija Tul'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Estestven-nye nauki. 2010. Vyp. 1. S 246 - 255.
18. Kachurin N.M., Konovalov O.V., Kachurin A.N. Ajerologiche-skoe obosnovanie i matematicheskie modeli ventiljacii tonnelej pri ih stroitel'stve // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2010. № 5. S. 6 - 12.
19. Patent RF №2515459 Sposob opre-delenija metanovoj opasnosti podgotovitel'noj vyrabotki / N.M. Kachurin, A.M. Borshhevich, A.N. Kachurin // Opubl. 10.05.2014. Bjul. №13.
Kachurin Alexander Nickolaevich, candidate of technical sciences, scientific associate, alexander.ka4urin22@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow Mining Institute, National Research Technological University of "MISIS",
Vasiliev Pavel Valentinovich, candidate of technical sciences, general director, Sib lEOahk. ru, Russia, Prokopievsk, OPC "SIBEO"
