CC BY
79
© В.А. Малашкина, И.Х. Мамедова, 2011
В.А. Малашкина, И.Х. Мамедова
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕГАЗАЦИОННЫХ УСТАНОВОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Рассмотрена проблема оценки эффективности использования дегазационных установок угольных шахт. Рассмотрены существующие методы оценки эффективности и дан их анализ.
Ключевые слова: угольные пласты, вентиляция горных выработок, дегазационные мероприятия.
~П настоящее время на угольных шахтах России взрывы ме-
АДтана и пыли занимают четвертое место среди причин травматизма горнорабочих [1]. Это вызвано как снижением производственной дисциплины, так и ухудшением общего технического состояния угольных шахт. На современных глубинах разработки угольных пластов вентиляция горных выработок практически исчерпала себя как средство борьбы с шахтным метаном и не обеспечивает его содержание в атмосфере выработок в пределах допустимых норм [2]. Поэтому, с целью обеспечения установленных норм содержания метана в атмосфере горных выработок применяется дегазация разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород, не разгруженных от горного давления; спутников угольных пластов; выработанных пространств и породного массива.
Необходимость проведения дегазационных работ в угольных шахтах обусловлена следующими основными причинами:
• требованием уменьшения содержания метана в атмосфере горных выработок шахты для обеспечения более безопасных, благоприятных и комфортных условий на подземных работах, а также для снижения нагрузки на вентиляционную сеть и вентиляторы главного проветривания;
• невозможностью достижения высоких нагрузок на очистной забой из-за ограничений по газовому фактору, и, как следствие, снижение эффективности применения высокопроизводительного
добычного оборудования и в целом экономических показателей шахты;
• возможностью утилизации метана в шахтных котельных и локальных энергетических установках.
Дегазационные мероприятия необходимо проводить при превышении фактического или прогнозируемого метановыделения в выработках выемочного участка над допустимым метановыделени-ем по фактору вентиляции, т.е. если не выполняется условие [3]:
Jy^ < Л (1)
где Jуч - среднее метановыделение на участке, м3/мин; Jр - допустимое метановыделение участка по фактору вентиляции, м3/мин.
При использовании потребителем метана, каптируемого из угольных шахт дегазационными установками, необходимо обеспечить требуемый уровень концентрации метана в отсасываемой смеси, являющийся основным ее параметром. Вторым, не менее важным параметром извлекаемой метановоздушной смеси является дебит метана.
Суммарный дебит метана, извлекаемого на выемочных участках шахты, определяется по известной формуле [3]
Єо6щ=ХЄд1+Хе„1, (2)
¡=1 і=1
где Qо6щ - суммарный дебит метана, извлекаемого на выемочных участках средствами вентиляции и дегазации, м3/мин; Qд¡ - дебит метана, каптируемого из источника метановыделения с помощью дегазации м3/мин; Qв¡ - газовыделение в вентиляционную сеть 1 -
го участка, м3/мин; k - число дегазируемых участков; 1 - индекс дегазируемого участка.
Согласно данным Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук [4], средствами дегазации, применяемыми на шахтах России, извлекается от 20 до 30% общего объема выделяющегося метана. Вследствие недостаточной эффективности работы дегазационных установок на многих газообильных шахтах России метановыделение в горные выработки препятствует достижению больших нагрузок на очистные забои и является причиной взрывов метана и пылегазовых смесей.
Для эффективной дегазации шахт и возможности использования шахтного метана потребителем дегазационная установка должна обеспечивать поддержание заданных технологических условий:
• необходимое разрежение в устьях дегазационных скважин, обеспечивающее отсос расчетного количества метана;
• поддержание уровня концентрации метана в каптируемой смеси на выходе из дегазационной установки не менее 25 % - в качестве топлива для промышленных установок (котельных), не менее 50 % - при использовании метановоздушной смеси для бытовых нужд [3];
• поддержание величины давления в начале наземного трубопровода, определяемой техническими данными системы потребителя;
• стабильность параметров каптируемой метановоздушной смеси - величины дебита и концентрации метана в смеси, и бесперебойную работу дегазационной системы.
Это влечет за собой соответствующие требования к работе дегазационной установки. Сюда относятся: максимальная герметичность устьев дегазационных скважин и фланцевых соединений вакуумного подземного дегазационного трубопровода, обеспечивающая транспортирование метановоздушной смеси от скважин на поверхность или к потребителю с минимальными потерями по концентрации метана в смеси, минимальное гидравлическое сопротивление трубопроводной сети и своевременный отвод воды из пониженных мест газопроводов.
Для обеспечения эффективной работы дегазационной установки необходимо на этапе проектирования правильно определить конструктивные размеры и технические характеристики входящих в ее состав узлов и элементов согласно принятому способу дегазации, разработать технологию проведения дегазационных работ, а при эксплуатации системы - применять рациональные методы диагностики и контроля работы дегазационной установки. Однако эффективность работы эксплуатируемых дегазационных установок, конструктивные параметры и технические характеристики которых разработаны согласно приведенной в действующих «Методических рекомендациях о порядке дегазации угольных шахт ... » методики расчета [3], меньше проектной. Данная методика не учитывает
присутствие в составе каптируемой смеси паров воды, а также влияние гидро- и термодинамических особенностей транспортирования смеси на потери давления в подземном вакуумном газопроводе.
Диагностика работы дегазационной установки является одним из важных моментов в поддержании эффективного функционирования системы дегазации. От правильной оценки работы системы и принятия соответствующих мер зависит качество дегазации шахты в целом, а также обеспечение требуемой концентрации метана в смеси, позволяющей ее дальнейшую утилизацию. Величина концентрации метана в смеси, в свою очередь, является критерием оптимального функционирования системы [5, 6].
Большинство научных работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных исследованию дегазационных систем, посвящено диагностике функционирования ее отдельных элементов, и больше всего внимания уделяется диагностике работы дегазационных скважин. Часть исследовательских работ посвящено повышению эффективности средств дегазации, оптимизации параметров дегазации и улучшению контроля работы дегазационной системы [6]. Например, для подземного контроля параметров дегазационной системы предлагается определять техническое состояние отдельных ее элементов по их статическим характеристикам, а, оценивая динамические характеристики наиболее нестабильных элементов дегазационной системы (например скважины, пробуренные на сближенные пласты и в выработанные пространства), выявлять нарушения эффективности работы системы, такие как подсосы воздуха, разгерметизация отдельных участков трубопровода, попадание скважины в зону повышенной трещиноватости [7, 8]. Однако, с помощью предлагаемого метода невозможно определить общую эффективность работы дегазационной установки.
Известен также метод контроля состояния дегазационной сети, основанный на возникновении неустановившегося движения транспортируемой метановоздушной смеси при аварийных состояниях газопровода: повреждении газопровода (разгерметизации) с образованием отверстия разрыва; скоплении воды в пониженных местах газопровода [9, 10, 11]. Колебания величин вакуума и расхода метановоздушной смеси в таких случаях приводят к возникновению вибрации трубопровода. Автором метода получены зависимости для определения расстояния от датчиков контроля, уста-
новленных в дегазационном трубопроводе, до места повреждения, а также размеры повреждения. Данный метод не применим в случае постепенного роста величины удельных подсосов воздуха в вакуумный газопровод через фланцевые соединения в результате ослабления их затяжки или перекосов, а также в случае диагностики работы газопровода при отсутствии аварийных ситуаций.
В настоящее время на угольных шахтах РФ контроль эффективности дегазации источников метановыделения производится двумя основными способами [3, 12]:
• путем контроля величины дебита метана на скважинах и на входе в вакуум-насосную станцию, расчета фактических коэффициентов дегазации и сравнения их с проектными значениями;
• и используя вакуумно-газовую съемку.
При этом критерием эффективности применения дегазации является снижение метанообильности горных выработок до величины, меньшей ее безопасного значения. При сравнении фактических коэффициентов дегазации с проектными значениями, оценивается только степень дегазации источника метановыделения с помощью изолированного отвода метана и не определяется эффективность работы используемой при этом дегазационной установки. При высоком коэффициенте дегазации в целом по шахте каптируемая смесь может иметь низкую концентрацию метана на входе в ваку-ум-насосную станцию при значительных потерях разрежения в трубопроводной сети. Так, в январе 2003 года коэффициент дегазации по шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь» имел значение £д=0,64 при концентрации метана на входе в вакуум-насосную станцию ам= 33 % [5]
Вакуумно-газовая съемка в подземном дегазационном трубопроводе проводится при концентрации метана в отсасываемом газе ниже установленной нормы и в тех случаях, когда не обеспечивается расчетная эффективность дегазации [3]. При этом рассчитываются фактические подсосы воздуха в скважины и участки газопровода, потери давления по участкам трубопроводной сети и определяется резерв производительности системы.
Имеющиеся конструктивные параметры неразветвленного дегазационного трубопровода считаются рациональными (длины и диаметры участков трубопроводной сети) - если соблюдается условие [12]
- 34,95-10У
1 йр - Ут
де L¡ - значения длины отдельных участков газопроводной сети, согласно данным вакуумно-газовой съемки, м; й - диаметры отдельных участков трубопровода, принятые по данным вакуумногазовой съемки, м; р, Р0 - характеристические коэффициенты вакуум-насоса (/ 81 /, табл. 5); р - плотность газовой смеси, определяется по формуле ( 4 ) при концентрации метана в смеси, равной средней величине от объемной доли метана в начале и конце газопроводной сети, согласно данным вакуумно-газовой съемки, кг/м3; Р1 - давление у устьев скважин, рекомендуется принимать равным
Р^=90 кПа; Рн - давление во всасывающем патрубке вакуум-
насоса, рекомендуется принимать равным Рн =50 кПа.
Плотность газовоздушной смеси определяется зависимостью р- 5,37 -10-3(224 - с), (4)
где С - средняя концентрация метана в смеси, %.
Таким образом, при диагностике работы дегазационной установки, используя вакуумно-газовую съемку также, как и при расчете конструктивных параметров дегазационной установки по «Методическим рекомендациям...», не учитывается реальный состав каптируемой смеси, а также влияние изменения величины ее плотности и гидро- и термодинамических особенностей движения, имеющих место в процессе транспортирования смеси от скважин к вакуум-насосной станции. Такое исследование конструктивных параметров системы дегазации не применимо при разветвленной трубопроводной сети, что, как правило, имеет место при увеличении глубины и простирания шахтных полей. Кроме того, вакуумногазовая съемка не позволяет определить: когда и на каком участке трубопровода следует прокладывать параллельный участок для увеличения пропускной способности дегазационной системы.
Методика расчета конструктивных параметров дегазационных установок в соответствии «Методическими рекомендациями.» [3] также не дает возможности оценить эффективность работы дегазационной системы; пропускная способность трубопроводной сети определяется методом сравнения фактических потерь давления на
Р12 - Р0(2Рн-Р0)
(Р н-Рс)2
-1
(3)
участках трубопровода с расчетным значением. При теоретическом расчете не учитывается влияние возможных скоплений капельной жидкости, угольной и породной пыли и продуктов коррозии в пониженных местах трубопровода (из-за которых уменьшается гидравлическое сечение труб и, следовательно, увеличивается гидравлическое сопротивление системы), а также влияние изменения величины плотности смеси по длине подземного газопровода. Не определены условия, при которых следует производить расчет реконструкции вакуумного подземного дегазационного трубопровода. Также при расчете дегазационной системы не учитывается влажность метановоздушной смеси.
Коэффициент эффективности дегазации источников метано-выделения напрямую зависит от показателей работы дегазационной установки, на производительность которой влияет стабильность и эффективность функционирования ее элементов. Для оценки эффективности работы вакуумного подземного дегазационного трубопровода сотрудниками МакНИИ предложена зависимость
где рн , рк - абсолютное давление смеси соответственно в начале и конце участка трубопровода, атм; й - внутренний диаметр трубопровода, см; X - коэффициент гидравлического сопротивления
Т - средняя абсолютная температура метановоздушной смеси в трубопроводе, К; Ь - длина участка трубопровода, км.
При оценке эффективности использования вакуумного подземного дегазационного трубопровода по этому методу не учитывается изменение расхода каптируемой метановоздушной смеси при подаче от скважин на поверхность, происходящее в результате
[13]
Е - ^
Qр
(5)
где Qф , Qр - расход метановоздушной смеси в системе газопроводов соответственно фактический и расчетный, м3/мин. Расчетный расход газа определяется зависимостью
участка трубопровода из новых труб; А - относительный вес газа;
притечек воздуха из атмосферы горных выработок в трубопровод через неплотности фланцевых соединений.
Этот фактор был учтен проф. Малашкиной В.А. [14] при разработке способа оценки эффективности использования дегазационных установок угольной шахты. Для оценки эффективности работы дегазационной установки производится расчет обобщающего показателя, включающего оценку работы основных ее элементов Е - Е + Е + Е + Е (7)
^ с ~ ^ ПГ ~ ^ ВНС ~ ^ НГ ? V'/
где Ес, ЕПГ, ЕВНС и ЕНГ - показатели эффективности использования соответственно скважин, вакуумного подземного дегазационного трубопровода, вакуум-насосной станции и наземного напорного газопровода. Основное влияние на обобщающий показатель эффективности использования дегазационной установки Е оказывает эффективность использования вакуум-насосной станции и герметичность вакуумного подземного дегазационного трубопровода. Эффективность работы вакуум-насосной станции в основном определяется наличием конденсата в трубопроводе и притечками воздуха внутрь системы через неплотности соединений трубопровода.
Таким образом, обобщающий показатель эффективности использования дегазационной установки в большей степени зависит от эффективности эксплуатации вакуумного подземного дегазационного трубопровода. Для нахождения коэффициента эффективности использования вакуумного газопровода предложена зависимость
Епг - Епр + ЕПс , (8)
где Епр, Епс - показатели эффективности использования вакуумного газопровода, оцениваемые соответственно по его герметичности и пропускной способности. В свою очередь показатели эффективности использования определяются зависимостями
0 - О
ЕпР -^^ , (9)
О - О
Е -МРв ^д , (10)
пс Од
где 0С - объемный расход метановоздушной смеси на выходе из скважины, м3/с; 0д, 0 - объемный расход метановоздушной сме-
си в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе соответственно действительный (на входе в вакуум-насосную станцию) и расчетный, определяемый для условия максимальной пропускной способности трубопровода, т. е. при отсутствии в нем конденсата, м3/с.
При этом расчетный объемный расход метановоздушной смеси в вакуумном трубопроводе
г 4 КУк^
Орв - Од
1 -
V пО2 £ у
(11)
где К - число остановок дегазационной установки в сутки для слива конденсата из подземных трубопроводов; Vк - объем конденсата, сливаемого из подземного газопровода за одно обслуживание, м3; О - внутренний диаметр трубопровода, м; Ь - длина подземного вакуумного дегазационного трубопровода, м.
Рассчитанный по формулам (8-11) действительный коэффициент эффективности использования вакуумного трубопровода Епг сравнивается с его максимально возможным значением ЕпгЬ определяемым при условии отсутствия скоплений воды в трубопроводе и его максимально возможной герметичности.
Оценка пропускной способности подземного дегазационного трубопровода производится при сравнении показателей эффективности действительной пропускной способности и расчетной, величина которой получена при отсутствии скоплений воды в трубопроводе. Но при оценке эффективности использования дегазационной установки предложенным способом не предполагается определение интервалов величин показателей эффективности использования, в пределах которых работу дегазационной установки можно считать рациональной. В связи с этим расчетная величина обобщенного показателя не дает информации о соответствии или несоответствии работы дегазационной установки рациональным режимам.
Таким образом, приходим к выводу, что существующие методики расчета конструктивных параметров дегазационных установок и методы диагностики их работы не определяют области рациональных показателей эффективности их использования с учетом гидро- и термодинамических особенностей транспортирования смеси на работу всей дегазационной системы.
1. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело: Учеб. для вузов / К.З. Ушаков, Н.О. Каледина, Б.Ф. Кирин и др.; Под ред. К.З. Ушакова - М.: Изд-во Академии горных наук, 1999. - 487 с.
2. Правила безопасности в угольных шахтах: Утв. Госгортехнадзором России 30.12.94. Кн. 2: Инструкции к Правилам Безопасности в угольных шахтах. -М.: 1996. - 351 с.
3. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14. /А.Д.Рубан, В.С. Забурдяев и др.. - М.: Открытое акционерное общество «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007. - 256 с.
4. Добыча метана угольных пластов - перспективное направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений / К.Н. Трубецкой, А.В. Стариков, В.В. Гурьянов. // Уголь. - 2001. - № 6.
5. Вострикова Н.А. Контроль состояния дегазационных систем угольных шахт, обеспечивающий сохранение концентрации метана при транспортировании на поверхность // Экологическая безопасность и устойчивое развитие / Сб. тез. докл. V международной экологической конференции студентов и молодых ученых. Москва, МГГУ, 18-19 апреля 2001г. Т. 2. - Смоленск, Ойкумена, 2001. - С. 7
- 9.
6. Вострикова Н.А. Проблемы диагностики состояния дегазационных систем. - М.: МГГУ, ГИАБ. - 2001. - №10. - С. 122-123.
7. Львов В.В. Разработка метода и средств диагностического контроля параметров дегазационных скважин. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук - 05.26.01.
- Техника безопасности и противопожарная техника - М., 1983. - 273 с. Львов В.В. Физическая модель дегазационной скважины. - В сб.: Вопросы аэрологии в угольных шахтах. вып. 222. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1983. - 136 с.
8. Львов В.В. Физическая модель дегазационной скважины. - В сб.: Вопросы аэрологии в угольных шахтах. вып. 222. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1983. -136 с.
9. Левченко Е.М. Разработка метода и средств диагностического контроля дегазационной сети. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук 05.26.01 - Охрана труда и пожарная безопасность. - М., 1992. - 228 с.
10. Левченко Е.М. Физическая модель дегазационного участкового трубопровода // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология. - М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1988. - С. 127-134.
11. Левченко Е.М. О дистанционном контроле дегазационных трубопроводов // Повышение надежности и качества технологических процессов в угольной промышленности: Тезисы докл. Всесоюз. науч. - техн. конф. молодых ученых и специалистов уг. пром. с участием стран - членов СЭВ. - М., 1987. - С. 114-115.
12. Методика проведения вакуумно-газовой съемки в дегазационных газопроводах угольных шахт и рекомендации по использованию ее результатов для повышения эффективности дегазации. - Кемерово; 1989. - 23с. В надзаг.: Вос-тНИИ по безопасности работ в горн. пром-ти. ВостНИИ.
13. Варакин А.М., Инюшин Б.А., Беломар В.Н. Оценка эффективности работы дегазационных трубопроводов. // Борьба с газом, пылью и выбросами в угольных пластах / МакНИИ. - 1975. - Вып. II. - С.81-85.
14. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. 2-е изд. - М.: Изд-во МГГУ, 2007. - 190 с. Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------
Малашкина Валентина Александровна - доктор технических наук, профессор, Мамедова Илона Халидовна - аспирант,
кафедра «Аэрология и охрана труда» Московского государственного горного университета, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
