CC BY
58
---------------------------------- © В.А. Малашкина, 2007
УДК 622.41 В.А. Малашкина
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
П настоящее время на угольных шахтах России взрывы метана 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, на шахтах Кузбасса в особенности, вентиляция горных выработок сверхкатегорных и шахт III категории по газу практически исчерпала себя как средство борьбы с газом и не обеспечивает содержание метана в атмосфере выработок в пределах допустимых норм [2, 3, 4]. 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:
• 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 очис-тной забой из-за ограничений по газовому фактору, и, как следствие, снижение эффективности применения высокопроизводи-тельного добычного оборудования и в целом экономических показателей шахты;
• возможностью утилизации метана в шахтных котельных и локальных энергетических установках.
Дегазационные работы необходимо проводить при превышении фактического или прогнозируемого метановыделения выработок вы-
емочного участка над допустимым метановыделением по фактору вентиляции, то есть если не выполняется условие [5]:
/ч ^ / (1)
где /уч - среднее метановыделение на участке, м3/мин; /р - 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 основной ее характеристикой. Второй, не менее важной характеристикой извлекаемой метановоздушной смеси является дебит метана.
Суммарный дебит метана, извлекаемого на выемочных участках шахты, определяется по известной формуле [6]
k k
Qобщ =^д,+^в,, (2)
і=1 і=1
где Qобщ - 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; Q - газовыделение в вентиляционную сеть і -го участка, м3/мин; к - число дегазируемых участков; і - индекс дегазируемого участка.
Согласно данным Института проблем комплексного освое-ния недр Российской академии наук [7], средствами дегазации, применяемыми на шахтах России, извлекается от 20 до 30 % об-его объема выделяющегося метана. Вследствие недостаточой эффективности работы дегазационных установок на многих га-ообильных шахтах России метановыделение в горные выработки препятствует достижению больших нагрузок на очистные забои и является причиной взрывов метана и пылегазовых смесей.
Анализируя основные показатели угледобывающих шахт России можно сделать вывод, что даже при достижении доста-точно высокого коэффициент дегазации, на систему вентиляции приходится большая нагрузка.
Какое место в газовом балансе шахты занимает дегазация можно проследить на примере шахты «Северная» ОАО «Воркутауголь».Так
в декабре 2001 года 64 % суммарного дебита метана, выводимого из шахты, было каптировано при помощи дегазационной установки, а наибольший коэффициент дегазации (кд = 0,93) был достигнут на двух выемочных участках - № 9 и № 10. Через год на участке № 10 было увеличено количество дегазационных скважин с 5 до 11 шт., при этом коэффициент дегазации снизился до 0,78, а дебит метана, удаляемого средствами вентиляции, увеличился более чем на 5,0 м3/мин. Отсюда следует, что эксплуатируемая дегазационная установка не смогла обеспечить отвод возросшего дебита метана.
Как известно, дегазационная установка предназначена для сбора, отвода и безопасного транспортирования метановоз-душной смеси из угольных шахт на поверхность или к пот-ре-бителю. Дегазационная установка в общем случае состоит из: дегазационных скважин, водоотделителей, вакуумного подземного дегазационного трубопровода, вакуум-насосной станции, нагнетательного газопровода и потребителя метановоздушной смеси.
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 [8];
• 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 подсосами воздуха, минималь-
ное гидравлическое сопротивление трубопроводной сети и эффективный отвод воды.
Для обеспечения эффективной работы дегазационной уста-новки необходимо на этапе проектирования правильно опреде-лить конструктивные размеры и технические характеристики входящих в ее состав узлов и элементов согласно принятому спо-собу 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 действующем «Руководстве по дегазации угольных шахт» методики расчета [5], меньше проектной. Данная методика не учитывает присутствие в составе каптируемой смеси паров воды, а также влияние гидродинамических особенностей транспортируемой смеси на потери давления в вакуумном газопроводе.
Диагностирование 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 ути-лизацию. Величина концентрации метана в смеси, в свою очередь, является критерием оптимального функционирования системы [8, 9].
В настоящее время 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 вакуум-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 %.
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 [5]. 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
где Li - значения длины отдельных участков газопроводной сети, согласно данным вакуумно-газовой съемки, м; di - диаметры отдельных участков трубопровода, принятые по данным вакуумно-газовой съемки, м; р, Р0- характеристические коэффициенты вакуум-насоса ([10], табл. 5); у - 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 Р1 = 90 кПа; Рн - давление во всасывающем патрубке вакуум-насоса, рекомендуется принимать равным Рн = 50 кПа.
Плотность газовоздушной смеси определяется зависимостью
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 «Руководству...», не учитывается реальный состав каптируемой смеси, а также влияние изменения величины ее плотности и гидродинамических особенностей движения, имеющих место в процессе движения 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, вакуум-
[10]
(3)
у = 5,37 • 10-3(224 - с),
(4)
но-газовая 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 «Руководством по дегазации угольных шахт» [10] также не дает возможности оценить эффективность работы дегазационной системы; пропускная способность трубопроводной сети определяется методом сравнения фактических потерь давления на 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 мета-новыделения 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 Qф, Q - расход метановоздушной смеси в системе газопроводов
где рн, рк - абсолютное давление смеси соответственно в начале и конце участка трубопровода, атм; d - внутренний диаметр трубопровода, см; X - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопровода из новых труб; А - относительный вес газа; Т - средняя
(5)
соответственно фактический и расчетный, м3/мин. Расчетный расход газа определяется зависимостью
(6)
абсолютная температура метановоздушной смеси в трубопроводе, К; L - 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 притечек воздуха из атмосферы горных выработок в трубопровод через неплотности фланцевых соединений.
Этот фактор был учтен автором [12] при разработке способа оценки эффективности использования дегазационных установок угольной шахты. Для оценки эффективности работы дегаза-ционной установки производится расчет обобщающего показателя, включающего оценку работы основных ее элементов Е = Е + Е + Е + Е (7)
1^с т 1^пг т ^внс -г 1^нг , у/;
где Ес, ЕПГ, Евнс и Енг - показатели эффективности использо-
вания соответственно скважин, вакуумного подземного дегаза-циионного трубопровода, вакуум-насосной станции и наземного напорного газопровода. Основное влияние на обобщающий показатель эффективности использования дегазациионной 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 пред-ложена зависимость
Едг = 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
Qдz. а
Qд
а - а
Епс = ^-^, (10)
где - объемный расход метановоздушной смеси на выходе из
скважины, м3/с; ад, арв- объемный расход метановоздушной смеси 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
( 4КУ ^
а I1 - ПВ!) ■ (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; В -внутренний диаметр трубопровода, м; L - длина подземного вакуумного дегазационного трубопровода, м.
Рассчитанный по формулам (8-11) действительный коэффициент эффективности использования вакуумного тру-бопровода 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. При оценке эффективности использования дегазационной установки предложенным способом необходимо обязательно определять области рациональных режимов движения влажной метановоздушной смеси от дегазационных скважин к вакуум-насосной станции по дегазационному трубопроводу, учитывающие влияние гидродинамических особенностей движения смеси на работу дегазационной системы. --------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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: РД 05-94-95; Утв. Госгортехнадзором России 30.12.94. - М., 1995. - 244 с.
3. Правила безопасности в угольных шахтах: Утв. Госгортехнадзором России 30.12.94. Кн. 2: Инструкции к Правилам Безопасности в угольных шахтах. -М.: 1996. - 351 с.
4. Правила безопасности в угольных шахтах. - Самара, Самарский Дом печати, 1995. - 242 с.
5. Руководство по дегазации угольных, / АН СССР, Ин-т горного дела им А. А. Скочинского. - Люберцы, 1990. - 192 с.
6. Руководство по дегазации угольных шахт / АН СССР, Ин-т горного дела им А.А. Скочинского, - Люберцы, 1985. - 434 с.
7. Добыча метана угольных пластов - перспективное направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений / К.Н. Трубецкой, А.В. Стариков, В.В. Гурьянов. // Уголь. - 2001. - № 6.
8. 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.
9. Вострикова Н.А. Проблемы диагностики состояния дегазационных систем. - М.: МГГУ, ГИАБ. - 2001. - №10. - С. 122-123.
10. 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.
11. 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.
12. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ, 2000. - 190 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Малашкина В.А. - доктор технических наук, профессор кафедры АОТ, Московский государственный горный университет.
