Аэродинамический способ торможения окислительных процессов в выработанных пространствах угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.К. Лукин, Ю.М. Говорухин, 2013

УДК 622.411.33

М.К. Лукин, Ю.М. Говорухин

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Затронута проблема окислительных процессов, которые могут возникнуть среди обрушенных и разрыхленных пород. Подземные эндогенные пожары - сложный вид аварий. С процессами самовозгорания потерь угля в выработанном пространстве связан ряд крупных техногенных аварий. Для прогноза зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» разработан метод оценки параметров воздухораспределения в выработанном пространстве пологих пластов средней мощности Кузбасса.

Ключевые слова: угольная шахта, аэродинамические режимы, программный комплекс «Геомеханика», окислительный процесс.

Сложенные из обрушенных и разрыхленных пород кровли, выработанные пространства представляют собой среды с высокой аэродинамической проницаемостью, которая, по сравнению с нетронутым массивом, больше на 2 - 4 порядка. Величина проницаемости зависит как от горно-геологических, так и горнотехнических факторов [1]. Аэродинамические сопротивления определяют направления и объёмы неконтролируемых потоков воздуха в обрушенной породной среде, содержащей значительное количество угля в виде потерь. При определённых условиях и свойствах угля могут начаться окислительные процессы и в дальнейшем произойти самовозгорание. Подземные эндогенные пожары - сложный вид аварий. Они же являются источниками воспламенения метановоздушной смеси, что приводит к взрывам, как в самом выработанном пространстве, так и в примыкающих к нему горных выработках. Последнее сопряжено с тяжкими последствиями.

С процессами самовозгорания потерь угля в выработанном пространстве связан ряд крупных техногенных аварий, произошедших на шахтах Кузбасса. В январе 2010 года на ОАО «Шахта «Распадская» ОАО «Рас-падская угольная компания» в выработанном пространстве произошло самовозгорание угля, что явилось причиной взрыва метановоздушной смеси с разрушением вентиляционных сооружений. В 2006 году в филиале «Шахта «Кушеяковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» в результате попадания молнии в дегазационную установку и распространения пламени в выработанное пространство в нём произошёл взрыв метана и самовозгорание угля [2, 3].

Для прогноза зон с опасными аэродинамическими режимами системы «уголь-воздух» разработан метод оценки параметров воздухораспреде-ления в выработанном пространстве пологих пластов средней мощности шахт Кузбасса. Он может быть использован на практике для сравнения и принятия технологических решений,

\\

270

240-

ГЗ

Ц ь 210-

ri

X >, 180-

О

и о 150

г

о ? ! 20-

и

■в г 90-

я

с 60

в.

а 30

П--

I I

40

—I-]-,-r----|-1-r--,—

80 120 160 200 240 280 320 360 400

840

820 П

К 00 $ о

7 НО О

и

760 л

740 3

5

720 5*

700 i—

680 и 47+

660 5

-S-

640

620 О

600

Длина выработанного пространства, м Рис. 1. Изолинии коэффициента проницаемости пород в выработанном пространстве условного выемочного участка (0,3 м от почвы пласта): 1 - очистной забой; 2 - пространство за секциями механизированной крепи; 3 - сохранённая часть вентиляционного штрека; 4 - погашенная часть конвейерного штрека; 5 - монтажная камера; 6 -направление подвигания очистного забоя

% Л.

§

' л 8

50 100 150 200 250 300 350 400

0.0054 0.005 0.0046 0.0042 0.0038 0.0034 0.003 0.0026 ^0.0022 — 0.0018 — 0.0014 0.001 0.0006 0.0002

и S

И «

с. н .0

Ь CJ G Р. О Ifi

и

Длина выработанного пространства, м Рис. 2. Изолинии скорости фильтрации воздуха в выработанном пространстве для комбинированной схемы проветривания при одноштрековой подготовке выемочного столба: 1 - очистной забой; 2 - пространство за секциями механизированной крепи; 3 - сохранённая часть вентиляционного штрека; 4 - погашенная часть конвейерного штрека; 5 - монтажная камера; 6 - направление подвигания очистного забоя; 7 - область выработанного пространства с большими потерями угля (рисунок 3 а)

Длина выработанного пространства,

Рис. 3. Изолинии скорости фильтрации воздуха в выработанном пространстве для комбинированной схемы проветривания при многоштрековой подготовке выемочного столба: 1 - очистной забой; 2 - пространство за секциями механизированной крепи; 3 - монтажная камера; 4 - фланговая газодренажная выработка; 5 - сохранённая часть вентиляционного штрека; 6 - параллельный штрек; 7 - погашенная часть конвейерного штрека; 8 - направление подвигания очистного забоя; 9 - область выработанного пространства с большими потерями угля (рис. 3, б)

50

7.1

1 1 о о с о 00

о Р Ъ о о

% о о Г—1 с: о о

ОО о

г [ т Цйй «

Л/

0 50 100

100

50

г'У

о I

I I

о §

о'

Н=2.1

# «а1

Щ

I

О'

о

50

100

Рис. 4. Изолинии скорости фильтрации (м/с) в области выработанного пространства с большими потерями угля (дизъюнктивное нарушение) для комбинированной схемы проветривания: а - при одноштрековой подготовке; б - при многоштрековой подготовке

позволяющих снизить скорости фильтрации в обрушенной среде на участках с большими потерями угля и, таким образом, исключить опасные зоны.

Для реализации данного метода использованы:

— программный комплекс «Геомеханика» [4—6] для описания геомеханических процессов в углепородном массиве по мере отработки выемочного столба. Разработан программный модуль «Аэродинамика» на выхо-

де из которого получены коэффициенты проницаемости и макрошероховатости;

— офисная программа ОрепО! fice.org Са1с для расчёта скорости фильтрации воздуха в выработанном пространстве.

На рис. 1 приведены полученные в комплексе «Геомеханика» изолинии коэффициента проницаемости уплотнённых горных пород в выработанном пространстве условного выемочного участка. Расстояние между изолиниями отражает динамику подвига-ния очистного забоя в течение отработки выемочного столба.

Одним из факторов, обуславливающих развитие процессов окисления угля в выработанных пространствах, является доступ воздуха к местам концентрированных потерь. По данным исследований, проведённых в МГГУ [1], пожароопасные скорости фильтрации находятся в пределах

1 • 10-5 - 1 -10-3 м/с. По данным НЦ ВостНИИ [7, 8], пожароопасными являются утечки воздуха от 0,1 до 0,9 м3/(мин-м2), при этом наиболее благоприятные условия процесса окисления создаются при притоке воздуха от 0,3

до 0,6 м3/(мин-м2). Пожароопасные значения фильтрационных скоростей зависят от ряда факторов и должны определяться с учётом конкретных горно-геологических условий.

В OpenOffice.org Са1с рассчитаны значения скоростей фильтрации в выработанном пространстве для комбинированной схемы проветривания условного выемочного участка:

- при одноштрековой подготовке выемочного столба (рис. 2, 4, а);

- при многоштрековой подготовке выемочного столба (рис. 3, 4, б).

Как видно из рис. 2—4, скорости фильтрации в выработанном пространстве в области концентрированных потерь угля (дизъюнктивное нарушение) могут быть снижены при использовании различных горнотехнических решений. Таким образом, применение разработанного метода оценки параметров воздухораспре-деления при проектировании выемочных участков на пологих пластах позволяет прогнозировать фильтрационные потоки в обрушенной породной среде в целях снижения скорости окислительных процессов.

1. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств / Л.А. Пучков. — М.: МГГУ, 1993. — 266 с.

2. Акт технического расследования причин аварии, произошедшей 20 июля 2006 года в филиале «шахта «Кушеяковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».

3. Вишняков М.А. Разработка методики прогноза параметров метановыделения при неравномерном движении очистного забоя угольных шахт Кузбасса / М.А. Вишняков, В.В. Мячин // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов, под общей ред. В.Н. Фрянова. -

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Новокузнецк: Сиб. гос. индустр. ун-т, 2010. - С. 379 — 388

4. Программа подготовки данных для проведения расчётов геомеханических параметров угольных шахт методом конечных элементов / В.Н. Фрянов, Ю.А. Степанов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2000610937; Заявка № 2000610798 от 24.06.2000. Зарегистр. 21.09.2000. -М: Роспатент, 2000.

5. Имитационное моделирование работы механизированной крепи КМ138И в очистном забое угольной шахты / А.В. Степанов,

В.Н. Фрянов, Ю.А. Степанов / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2000610940. - М: Роспатент, 2000.

6. Программа расчёта геомеханических параметров для исследования взаимодействия секции механизированной крепи с углепородным массивом / А.В. Степанов, В.Н. Фрянов, Ю.А. Степанов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001610645; Заявка № 2001610402 от 02.04.2001. За-

регистр. 31.05.2001. — М: Роспатент, 2001.

7. Аэродинамический режим выработанных пространств при разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию / А.А. Мясников [и др.]. - М.: ЦНИЭИ Уголь, 1972. - 18 с.

8. Линденау НИ. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах / Н.И. Линденау, В.М. Ма-евская, В.Ф. Крылов. — М.: Недра, 1977. — 320 с. ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Лукин Михаил Константинович— аспирант, [email protected], Московский государственный горный университет, Говорухин Юрий Михайлович— старший преподаватель, Сибирский государственный индустриальный университет, [email protected]

А

ГОРНАЯ КНИГА -

Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород

Ю.О. Кузьмин, B.C. Жуков 2012 год 264 с.

ISBN: 978-5-98672-327-3

UDK: 551.24: 551.243:550.342: 553:.98:622.1:622.83

Обосновано существование нового класса современных геодинамических процессов в зонах разломов — параметрически индуцированных суперинтенсивных деформаций (СД) земной поверхности. Показано, что наличие СД-процессов в платформенных, асейсмичных регионах диктует необходимость перехода от понятия «активный разлом» к понятию «опасный разлом» и радикальной коррекции нормативов, регламентирующих эколого-промышленную безопасность. Впервые проведено лабораторное моделирование деформационных процессов в условиях искусственно созданного «геодинамического полигона» на образцах горных пород. Получена уникальная информация о динамике физических свойств горных пород в условиях длительно действующих (порядка 1 года) квазистатических нагрузок. Осуществлены эксперименты, имитирующие процесс разработки месторождений нефти или газа.

1

L

г1

S

htTVt-f

—

Ы ожимшш

¡2 тщшлмим,

и влтлшш

ФИЧИЧКСКИХ

спопгт

imrwx 1имчи1