CC BY
26
- © Е.П. Ютяев, Г.И. Коршунов,
В.М. Шик, A.C. Серегин, 2014
УДК 622:66-971
Е.П. Ютяев, Г.И. Коршунов, В.М. Шик, А.С. Серегин
УПРАВЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ СРЕДСТВАМИ ГОРНОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Масштабные аварии на шахтах Кузбасса, Воркутского месторождения, сопровождаются мощными взрывами метано-воздушной смеси (МВС), угольной пыли, воздушными ударными волнами и подземными пожарами. Причиной взрывов метана и угольной пыли на угольных шахтах Кузнецкого и Воркут-ского угольных бассейнов может стать адиабатическое сжатие метано-воздушной смеси в выработанном пространстве. Предполагается, что причиной взрывов метана и угольной пыли на угольных шахтах Кузнецкого и Воркутского угольных бассейнов может стать адиабатическое сжатие мета-но-воздушной смеси в выработанном пространстве. В статье рассмотрены способы управления кровлей для предотвращения подобных явлений. Ключевые слова: метан, адиабатическое сжатие метано-воздушной смеси, целик, выработанное пространство.
Масштабные аварии на шахтах Кузбасса, Воркутского месторождения, сопровождаются мощными взрывами метано-воздушной смеси (МВС), угольной пыли, воздушными ударными волнами и подземными пожарами. При расследовании причин аварий данного типа исходят обычно из двух посылок. Во-первых, в шахтах всегда происходит выделение взрывоопасного метана; во-вторых, существуют источники воспламенения. Если исключить из рассмотрения, человеческий фактор, под которым чаще всего подразумевается грубое нарушение Правил безопасности и Правил технической эксплуатации, то причины возгорания метановоздушной смеси следует искать в нарушениях фундаментальных физических закономерностей — законов сохранения энергии, предельного равновесия и термодинамики, проявляющихся при проходке горных выработок и отработке угольных пластов.
Начальный импульс термодинамическим процессам задается осадкой основной кровли. В случаях, когда в кровле пласта имеются мощные слои прочных пород, по мере отхода лавы от разрезной печи происходит их зависание над выработанным пространством.
При разработке пластов с массивными кровлями при первом разрушении основной кровли, защемленной по всему или по части периметра отработанной части пласта, образуются плиты, которые либо вытесняют метано-воздушную смесь через вспомогательные выработки, либо сжимают ее выработанном пространстве. Во втором случае существует опасность эндогенного взрыва.
Исходя из допущений, что процессы, происходящие в заполненном МВС выработанном пространстве, подчиняются законам термодинамики, предполагается, что физические явления, предшествующие взрывам, подобны процессам, происходящим в рабочих цилиндрах дизельного двигателя внутреннего сгорания.
При атмосферном давлении температура воспламенения МВС изменяется в зависимости от содержания метана. Пределы взрываемости зависят от давления, под котором находится газовая смесь. При увеличении давления газа в выработанном пространстве, например при осадках кровли, происходит увеличение пределов взрываемости температуры МВС. При адиабатическом сжатии воспламеняются МВС, содержащие от 2 до 75 % метана [1].
Основным несущим элементом крепления подготовительных выработок являются угольные целики. При проектировании целиков должна обеспечиваться надежная охрана выработок, предотвращение горных ударов, снижение вредного влияния на выработки сближенных пластов, уменьшение потерь угля в недрах.
Существует принципиальное различие в характере деформирования узких, с отношением ширины к высоте щ/й<5, и широких целиков с отношением ширины к высоте ш/Ь>5, которое заключается в том, что в центральной части «широких» целиков формируется упругое ядро, в котором уголь находится в условиях объемного сжатия, а прочность возрастает до величин опорного давления. В «узких» целиках центральная часть по мере увеличения опорного давления разрушается без образования упругого ядра. На рис. 2. показано развитие деформирования «узкого» ленточного целика по данным шахтного мониторинга [2].
До определенной величины внешних сил уголь в целике сохраняет свои структуру и свойства. Но затем начинается про-
цесс разрушения структурных связей, развитие вначале отдельных изолированных трещин, объединяющихся далее в сдвиги и разломы. Первоначально связные уголь или порода постепенно превращаются в дезинтегрированную массу, приближающуюся по механическим свойствам к бессвязной сыпучей среде. Потеря прочности пород при действии разрушающих напряжений протекает во времени, которое может измеряться от долей секунд и минут: землетрясения, горные удары, внезапные выбросы угля, солей, пород, взрывы, массовое разрушение (коллапс) целиков, разрушение хрупких пород при испытаниях на «мягких» прессах до периодов длительностью от суток и годов до миллионов лет (смещение контура выработок, сдвижение дневной поверхности, постепенное раздавливание целиков, складчатость и изгиб пластов).
Геомеханическая ситуация, складывающаяся в околоштрековом целике по мере образования выработанного пространства, оказывает в дальнейшем влияние на условия подготовки каскадного взрыва. Особая предрасположенность к нему складывается в тех случаях, когда в целике формируется не разрушаемое горным давлением упругое ядро.
Рис. 2. Результаты мониторинга напряжений в «узком» целике с относительными размерами w/h < 5. Условные обозначения: —> расстояние от зоны неупругих деформаций до крайнего датчика, • эпюра напряжений в целике № 323, + эпюра напряжений в целике № 324
Увеличение предельных пролетов способствует накоплению в зависающих слоях кровли потенциальной энергии упругих деформаций, а увеличение прочности — к уменьшению, при прочих равных условиях, способности массива к релаксации напряжений. Вследствие этого возрастает опасность динамических форм проявлений горного давления [3]. Отношение между величинами потенциальной энергии зависающих слоев кровли в наиболее критической ситуации, когда непосредственно перед первой посадкой пролет зависших слоев кровли приближается к длине лавы (выход лавы на «квадрат») при скоростях относительных деформаций е"=10-2с-1 и е'=10-7с-1 определяется условием:
í я" Л
а
5
V
Е_ Е' ,
где Е' и Е" - модули деформации при различных значениях скорости относительной деформации. Графики зависимости потенциальной энергии упругих деформаций, накапливаемой в зависающих слоях кровли при тех же значениях скорости деформации е'=10-7с-1 и е"=10-2с-1, как функции длины лавы, показаны на рис. 4.11. Из графиков видно, что при длине лав 150—200 м и более величина потенциальной энергии может достигать 106—108 Дж и более.
Экономическая ситуация в области добычи угля подземным способом выдвигает необходимость увеличения нагрузки на лаву до 10—15 тыс. т в сутки и более. При системах разработки с длинными очистными забоями для достижения такой производительности потребуется доведение скорости подвигания лав не менее, чем до 10—15 м в сутки в зависимости от мощности пласта. При таких скоростях влияние процессов ползучести не может быть существенным, если анализируется поведение прочных пород. Но при увеличении скорости подвигания очистных забоев до 10 - 15 м в сутки и более следует ожидать:
• существенного, до 20—25 %, увеличения пролетов слоев кровли, сложенных породами, склонными к зависаниям;
• более резкого проявления осадок кровли и связанной с этим динамичности нагружения поддерживающих и оградительных элементов крепей;
• горных ударов кровли и связанного с ними разрушения в динамическом режиме угольного забоя, кровли и почвы в лаве и в подготовительных выработках;
• увеличения опасности воспламенения МВС. Для предотвращения нагревания и воспламенения МВС технологическую подготовку выемочных участков следует осуществлять с учетом необходимости обеспечения сжатия газа в выработанном пространстве в изотропном режиме. С этой целью подготовку угольных пластов при системе разработки длинными столбами или панелями осуществляют по многоштрековой схеме, при которой не менее одного штрека, имеют сбойки с выработанным пространством, предназначенные для удаления из него газа, либо осуществляют откачку газа из выработанного пространства через скважины с целью снижения в нем содержания метана до уровня, не превышающего нижний предел взрываемости (менее 2 %). В горно-геологических условиях, при которых существует возможность резких осадок основной кровли (склонная к зависаниям на больших площадях основная кровля, отсутствие или недостаточная ее подбутов-ка), с целью обеспечения сжатия метановоздушной смеси в изотропном режиме возможно увеличение длины очистного забоя (до 300—400 метров) или периодическое искусственное разупрочнение склонных к зависаниям слоев кровли.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горная энциклопедия. Т. 3. М., 1987. 592 с
2. McDonnel J. P., Tadolini S. C, DiGrado P. E. Field Evaluation of Cable Bolts for Coal Mine Roof Support // Bureau of Mines Inform. Circular. Rep. of Investigations 9533. 1995
3. Коршунов Г.И., Логинов A.K., Шик Б.М. Многоштрековая подготовка угольных пластов. СПб.: Наука, 2007. 251 с.
4. Коршунов Г.И., Логинов A.K., Шик Б.М. Динамические формы проявлений горного давления. СПб.: Наука, 2009. 250 с. ir.'j=i
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ютяев Евгений Петрович — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУЭК-Кузбасс»,
Коршунов Геннадий Иванович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, bp@spmi.ru,
Серегин Александр Сергеевич — кандидат технических наук, ассистент кафедры, 89117006533@ya.ru,
Шик Бладимир Михайлович — доктор технических наук, профессор, shickvm@ya.ru,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
THE CONTROL OF THERMODYNAMIC SYSTEM BY USING THE MINING TECHNOLOGY
Utyaev E.P., Candidate of Technical Sciences, General Director of tor JSC «SUEK-Kuzbass», Korshunov G.I., Doctor of Technical Sciences, Professor,-WebUl Department, national University of mineral resources «Mining» bp@spmi.ru, Shik V.M., Doctor of Technical Sciences, Professor, shickvm@ya.ru, Seregin AS., Candidate of Technical Sciences, assistant, 89117006533@ya.ru, National University of mineral resources «Mining».
Large failure on mines of Kuzbas, vorkutskogo deposits, are accompanied by explosions of methane-air mixture (MVS), coal dust, air shock waves and underground fires. The reason of explosion of metane and a coal dust on Kuznetsk and coal mines of the Vorkuta coal basins can be adiabatic compression of a methane-air mixture in the developed space. It is supposed, that the reason of explosion of metane and a coal dust on Kuznetsk and coal mines of the Vorkuta coal basins can be adiabatic compression meta-but-air mixture in the developed space. The article considers the ways of control of the roof to prevent such phenomena.
Key words: methane, adiabatic compression of methane-air mixture, goaf
REFERENCES
1. Gornaja jenciklopedija (Mining encyclopedia). Vol. 3. Moscow, 1987. 592 p.
2. McDonnel J. P., Tadolini S. C., DiGrado P. E. Field Evaluation of Cable Bolts for Coal Mine Roof Support // Bureau of Mines Inform. Circular. Rep. of Investigations 9533. 1995.
3. Korshunov G. I., Loginov A. K., Shik V. M. Mnogoshtrekovaja podgotovka ugol'-nyh plastov (Mnohostrankovy preparation of coal layers). SPb.: Nauka, 2007. 251 p.
4. Korshunov G. I., Loginov A. K., Shik V. M. Dinamicheskie formy projavlenij gornogo davlenija (The dynamic forms of manifestation of rock pressure). SPb.: Nauka, 2009. 250 p.
