Фильтрационно-диффузионные процессы в угольных пластах, вмещающих породах и выработанных пространствах при подземной добыче угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.4

ФИЛЬТРАЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ, ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДАХ И ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

Г.В. Стась, А.Н. Качурин, Д.Н. Шкуратский, В.П. Стась

Динамику газовыделения из разрабатываемого угольного пласта целесообразно моделировать решениями дифференциальных уравнений параболического и гиперболического типов. Характерной особенностью фильтрационного течения газа в зоне беспорядочного обрушения в выработанном пространстве является повышенная проницаемость трещин при содержании основных запасов газа в малопроницаемых породных блоках. Угольные пласты, вмещающие породы и подземные воды являются источниками выделения радона в горные выработки шахт.

Ключевые слова: газ, метан, радон, кислород, фильтрация, диффузия, угольный пласт, вмещающие породы, выработанное пространство, подготовительная выработка, очистной участок.

Угольная промышленность России планирует наращивать объемы производства. Предприятия по добыче минерального и энергетического сырья позволяют решать комплексные проблемы развития экономики страны. Российская Федерация по объему угледобычи занимает шестое место в мире [1]. Подземная угледобыча в стране составляет около 30 %. По последним экспертным оценкам, в ближайшие десятилетия спрос на уголь будет увеличиваться как внутри России, так и на глобальных рынках. В соответствии с принятой Программой угольная отрасль должна быть готова удовлетворить этот спрос, а также существенно расширить свои позиции на перспективных международных рынках. Целевые индикаторы Программы предусматривают рост производительности труда к 2030 г. в 5 раз, повышение рентабельности от 8 до 25 % и повышение уровня промышленной безопасности в 2 - 3 раза [2 - 3]. При этом научной базой промышленной безопасности по газовым факторам является теория фильтрационно-диффузионного переноса газов в угольных пластах, вмещающих породах и выработанных пространствах при подземной добыче угля. Такой подход предполагает, что физические принципы прогнозирования газовыделения должны быть едиными независимо от того, какие полезные ископаемые, добывают подземным способом, и от того, какие газовые примеси выделяются в рудничную атмосферу или из нее поглощаются [4 - 5].

Однако до настоящего времени единый подход на основе фундаментальных законов движения газов в пористых сорбирующих средах и диффузионного переноса газовых примесей в турбулентных воздушных потоках не используется в полном объеме. Нередко встречаются эмпири-

ческие подходы, которые не отражают причин газообмена, а отражают только связь с некоторыми технологическими параметрами выемочных работ. Это приводит к возникновению газового барьера для высокопроизводительных технологий подземной добычи полезных ископаемых. Поэтому по-прежнему актуальна проблема установления новых и уточнение существующих закономерностей фильтрационно-диффузионного движения газов в горных массивах и низкотемпературного окисления полезного ископаемого.

Анализ аварийности угольных шахт России позволил провести системный анализ эффективности для существующих технологий снижения риска взрывов метано-воздушной смеси. Таким образом, важнейшей подсистемой технологии снижения риска и локализации последствий взрывов метано-воздушной смеси является компьютерная технология оценки динамики концентрации метана в воздухе. Оценка надежности технологии аэрологической защиты показывает, что по своим характеристикам система защиты от взрывов метано-воздушной смеси в угольных шахтах России не изменилась и остается на уровне угольной промышленности СССР. А эффективность системы защиты от поражающих факторов снизилась по сравнению с угольной промышленностью СССР в 5 раз.

Схема принятия решений по снижению риска аварийных ситуаций на предприятиях горнодобывающей промышленности по газовому фактору и концептуальная структура интегрального риска представлены на рис. 1. Концептуальная структура интегрального риска может быть представлена следующей формулой: R = Стоимость потерьхР {Стоимость потерь/Авария} х[1 - P(t)]= Ущерб х [1 - P(t)], где R - интегральный риск; P -вероятность рассматриваемого события.

Следовательно, R = Cnt х р [СП1 / A} х р (t) = у х [1 - P(t)], где Ri -интегральный риск возникновения аварии i-го вида; Cni - стоимость потерь при возникновении аварии Ai ; yi - ущерб от аварии i-го вида.

Практика показывает, что загазирование выработок в шахтах Кузбасса происходит довольно часто, и создаются ситуации, опасные по газовому фактору. Это подтверждается результатами многочисленных шахтных наблюдений.

На углекислотообильных шахтах также возникают опасные газовые ситуации, обусловленные выделением «мертвого» воздуха. Установлено, что в горных выработках временной ряд динамики концентрации углекислого газа идет в противофазе с временными рядами концентрации кислорода и ходом статического давления воздуха.

Особое внимание в последнее время привлекает радоновая опасность угольных шахт и различных рудников. Влияние скопления урана, радия и радона на территории Подмосковного угольного бассейна на состав воздуха в шахтах было зафиксировано совместными исследованиями Тульского государственного университета и Московского государственно-

го геологоразведочного университета. Анализ обобщенных результатов изучения радиационной обстановки на рудниках и угольных шахтах показывает: прогноз выделения радона является обязательным условием аэрологической безопасности. Это подтверждается и данными по шахтам Кузбасса. Но единого методического подхода к прогнозу выделения радона не было. При выполнении исследований проектных решений по проветриванию рудника № 6 Приаргунского производственного горно-химического объединения были выявлены грубые ошибки в методике прогноза выделения радона. Поэтому расчетное количество воздуха превышало бы реальную потребность в 15 - 20 раз [6].

База данных и знаний

Автоматизированный технологический комплекс

Факторы возникновения

аварийных

ситуаций

Количественные параметры и характеристики влияющих факторов

Причинно-следственные связи и условия возникновения аварийных ситуаций

Уровни допустимых рисков (технического, экономического, экологического, социального и др.)

Параметры и характеристики технологического процесса

Структурное описание и модуль системы

Нормативно-

справочная

информация

1

Г

Экспертные системы поддержки принятия решений

Субъект (лица, принимающие решения)

Система управления технологическими процессами и объектами

Технологические процессы и объекты

Системы автоматического контроля, диагностики и защиты

Оценка степени риска и принятие решений для профилактики аварийных воздействий

Рис. 1. Схема принятия решений по снижению риска аварийных ситуаций на предприятиях горнодобывающей промышленности

по газовому фактору

И в то же время можно с полной уверенностью утверждать, что аэрогазодинамические и теплофизические процессы подземной добычи различных полезных ископаемых подчиняются единым физическим принципам и могут описываться одинаковыми уравнениями. Подробное изучение проблемы метановой опасности и обобщение результатов натурных наблюдений позволили разработать модели формирования метановой опасности, обусловленной процессами фильтрационно-диффузионного переноса метана, а также определить физические процессы, влияющие на динамику метановыделения и аэрологическую безопасность подготовительных выработок [7 - 9].

Аэрогазодинамическая структурная схема очистного участка угольной шахты показана на рис. 2. В итоге были разработаны расчетные схемы выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта на подготовительных и очистных участках угольных шахт. При большой скорости подвигания подготовительного забоя динамика поля давлений метана в угольном пласте описывается уравнением гиперболического типа и граничными условиями первого рода. Решение этого уравнения позволяет рассчитать газовыделение с поверхности обнажения угольного пласта на очистных и подготовительных участках.

Рис. 2. Аэрогазодинамическая структурная схема очистного

участка угольной шахты

Метановыделение в подготовительную выработку

1п.о(Х) = 0,318 Пту^п.з1удн®1(Т) при Т ^ Тпв; (!)

С(т) = /ЩТ©2(т-ти.в) при Т > тпв; (2)

С 00 = °,318 ПШул1гУп,/уд.н®1 (тп.в ); (3)

метановыделение в подготовительный забой

/п.з (тт ) = 0,318 Ш^Уп.^уд© (т„ ), (4)

метановыделение в очистной забой

С* (То.з ) = 0,637 П Шу^Уо.з/уд,©1 (то, ), (5)

+ 1

где ©1 (т) = | ехр (-£) Дехр(£ Со.Э) + ехр(-<; Со.Э)] dedZ;

о о

©2(т) = 0,159 ехр[-(Т-Тп.в)]:

П

<|{ехр [(т - тп.б) Со.э] + ехр [-(т - тп.в) Со.э]} d э,

~ 2 \ ~ / ^ |_ \ ~ п.в / ] ^

П

0

/по - абсолютное метановыделение с поверхности обнажения угольного

*

пласта в подготовительную выработку в период ее проведения; Iпо - абсолютное метановыделение с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку в период ее обособленного проветривания;

гшах тшах г

Iпо , Iо з - максимальные значения абсолютного метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку и очистной забой соответственно; /пз - абсолютное метановыделение с поверхности подготовительного забоя; ©1 (т) , ©2 (т) - безразмерные значения метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в соответствующие моменты времени, которые присваиваются переменной т; т -безразмерное время, характеризующее длительность соответствующих технологических процессов; тп в, то з - безразмерное время проведения подготовительной выработки на проектную длину и формирования обнажения угольного пласта в очистном забое соответственно; Тт - безразмерное время формирования обнажения угольного пласта в подготовительном забое; п - количество поверхностей обнажения угольного пласта, контактирующих с шахтной атмосферой; шп - мощность разрабатываемого угольного пласта; - период релаксации процесса метановыделения; Уп з, Уоз - скорость подвигания подготовительного и очистного забоя соответственно; /удн, /удз - начальная скорость метановыделения с поверхности

обнажения угольного пласта в подготовительной выработке и в очистном забое соответственно.

Результаты вычислительных экспериментов позволили установить вид функций безразмерного метановыделения (табл. 1). Аппроксимации

функций безразмерного метановыделения можно использовать для инженерных расчетов динамики метановыделения с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта.

Разработаны математические модели газовыделения из отбитого угля на очистных и подготовительных участках. Максимальное значение объема метана, выделившегося в подготовительную выработку из отбитого

угля, будет определяться по формуле Г^у = 2,083 • 10-3 8чУпзуу (хз -хх), где Sч - площадь поперечного сечения выработки вчерне; уу - плотность угля; хз, хда - газоносность угля в забое и отбитого угля при атмосферном давлении. Метановыделение из отбитого угля в очистной забой определяется следующей зависимостью:

Г

х<

ехр

-9,87-^

Я2

оУ

г

в.ц

0,304у т Ъул (х - х )

' ' у у.п з П \ з <х> /

X

^ + VП у

ехр

(6)

где У П

Ъз, уп - скорость скребкового конвейера, ширина захвата и скорость подачи очистного комбайна соответственно; Э, Я - коэффициент диффузии метана в отбитом угле и средний радиус куска отбитого угля; гвц, 1оч - длина выемочного цикла и длина лавы соответственно.

Таблица 1

Аппроксимации функций безразмерного метановыделения

Интервал безразмерного периода времени т Теоретически обоснованная аппроксимирующая формула

т е [0, 10] 01 (т) = 0,3787т3 - 2,4678т2 +6,7909т - 0,367

т е [10, 100] 01 (т) = 0,0003т3 - 0,0329т2+1,5865т +1,177

т е [0, 3] 02 (т) = -0,0467т3 + 0,3314т2 - 0,8283т + 0,9957

т е [3, 10] 02 (т) = -0,0003т3 + 0,0074т2 - 0,0738т + 0,4012

т е [10, 50] 02(т) = 5•Ю-5т2 -0,0047т + 0,1695

т е [50, 100] 02(т) = 2•Ю-6т2 -0,0008т + 0,0908

Метановыделение в очистной забой из подработанных вмещающих пород целесообразно определять с учетом газообмена породных блоков с транспортными трещинами:

I* = 2Гг (г) , (7)

Я акъК (р2 - Р2)'

где /г К )= (р2 - р2) ехр (-0,5Р г) 10 (0,5Р г);

Р = хп-1; п = К%12,

ра , а - атмосферное давление и параметр пористо-трещиноватой среды выработанного пространства очистного забоя соответственно; кь , кс - газовая проницаемость породных блоков и зоны обрушения соответственно; р0 - плотность газа при начальном давлении в породных блоках р0; ц, I -динамическая вязкость газа и характерный размер породных блоков; Р1 -давление газовой смеси в выработанном пространстве очистного забоя на уровне почвы разрабатываемого угольного пласта; Ь1 - шаг обрушения основной кровли.

Метановыделение в очистной забой из надработанных вмещающих пород определяется по формуле, являющейся следствием решения одномерного уравнения фильтрации метана,

/нл = 0,282р-1 (Рн2 - рс2, (8)

где рн , рс - давление свободного метана в породах почвы разрабатываемого угольного пласта в начальный момент времени и на поверхности обнажения пород соответственно; кн, шн - проницаемость и пористость надработанных пород соответственно.

Газовыделение из горных массивов и выработанных пространств, содержащих свободный газ и несорбированные газовые смеси, описывается линеаризованным уравнением фильтрации параболического типа [10]. Эта математическая модель является базовой для прогноза экстренного газовыделения, вызванного уменьшением статического давления воздуха в горных выработках, то есть при падении атмосферного давления и при реверсировании вентилятора главного проветривания. Процесс газообмена угольного пласта с шахтной атмосферой на негазовых шахтах обусловлен поглощением кислорода и выделением углекислого газа. Процесс протекает в режиме кнудсеновской диффузии. Дебит углекислого газа из выработанного пространства определяется в соответствии с законом Дарси по формуле

^ь-т^м ^тХ-ТГ^, (9)

где свп - концентрация углекислого газа в газовой смеси выработанного пространства; Н0, Ь - высота и длина поверхности контакта выработанного пространства с вентиляционной струей; ф( /) - функция, описывающая закон уменьшения статического давления воздуха в шахте.

Скорость поглощения кислорода поверхностью обнажения уголь-

ного пласта имеет вид Iyd к = cgD0'5

где Dh

(nt )-0'5 exp(-K0t) + K00'5erf 7K/

- коэффициент кнудсеновской диффузии кислорода в угле; K0 - константа скорости низкотемпературного окисления угля; св - концентрация кислорода в рудничном воздухе.

В практических расчетах целесообразно использовать предельную

величину IKx = lim Iуд , которая определяется по формуле 1Км = с JDKK0 .

tv . *

Скорость выделения углекислого газа, обусловленная процессом низкотемпературного окисления угля, рассчитывается по формуле Iyуд = IKxKp' где Kp - респираторный коэффициент.

Специфической особенностью механизма радиоактивной загрязненности рудничной атмосферы является непрерывное поступление радона в воздушную струю по мере прохождения ее по горным выработкам к рабочим местам. Для угольных шахт радиационная обстановка связана с поступлением в воздушную среду радона и его дочерних продуктов распада из отработанных участков.

Эквивалентная равновесная объемная активность (ЭРОА) радона неурановых рудников и угольных шахт может изменяться в диапазоне от менее 10 до 48000 Бк/м . На территории Подмосковного буроугольного бассейна известны скопления урана, радия и радона. Повышенные содержания искусственных радионуклидов и естественных радиоактивных элементов в ряде мест определяют активность источников излучения, превышающую предельно допустимые значения. Угольные месторождения Подмосковного бассейна отличает то, что зольный остаток этих углей содержит в значительных количествах урановые примеси, следовательно, в процессе разработки образуемые поверхности обнажения угольных пластов будут являться источниками радоновыделений в шахтную вентиляционную сеть. Установлено, что абсолютное радоновыделение из надрабаты-ваемого уранового месторождения определяется следующей закономерностью:

С = JimSyM exp(-h^XR^)' (10)

где jRn - интенсивность образования радона в надрабатываемом урановом месторождении; SyM - площадь угольного месторождения; h - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки; XRn - константа скорости естественного радиоактивного распада радона; DRn - коэффициент диффузии радона в горных породах.

Абсолютное выделение радона из разрабатываемого угольного пласта определяется по формуле

Iy! = JR,iSПО\1X Rn 1 DRn ' (11)

где АПВ

НАЧ

где JRn - интенсивность образования радона в разрабатываемом угольном пласте; БпО - площадь поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта.

Выделения радона из подземных вод проявляется как дегазация подземных вод, текущих по дренажным каналам шахты. В этом случае целесообразно рассматривать одномерную стационарную миграцию радона в горные выработки с поверхности водного потока. Выделения радона с поверхности подземных вод в дренажных каналах можно описать следующей зависимостью:

С = <В1НАЧ бпв {1 - ехр[-(^й + Коб )Ьи-1 ]}, (12)

начальное значение удельной активности подземных вод по

радону; бпв - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом объекте; Коб - коэффициент поверхностной газоотдачи по радону; Ь,

и - длина дренажного канала и средняя скорость течения воды соответственно.

Таким образом, обобщая полученные научные результаты, можно сделать следующие выводы:

1. Динамика газовыделения из разрабатываемого угольного пласта адекватно моделируется решениями дифференциальных уравнений параболического и гиперболического типов, а полиноминальная аппроксимация безразмерных значений выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта обеспечивает значение корреляционного отношения, близкое к единице, для периодов времени, соответствующих технологическим периодам проведения подготовительных выработок.

2. Характерной особенностью фильтрационного течения газа в зоне беспорядочного обрушения в выработанном пространстве является повышенная проницаемость трещин при содержании основных запасов газа в малопроницаемых породных блоках. Метановыделение из подработанных вмещающих пород в выработанное пространство следует моделировать с учетом газообмена породных блоков с транспортными трещинами, применяя смешанную производную третьего порядка в уравнениях фильтрации.

3. Угольные пласты Подмосковного угольного бассейна и их вмещающие породы могут содержать уран в высоких концентрациях, а подземные воды могут содержать большое количество растворенного радона, поэтому и угольные пласты, и вмещающие породы, и подземные воды являются источниками выделения радона в горные выработки шахт. Для геологических условий юго-западной части Подмосковного угольного бассейна наибольшее количество воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков соответствует радоновому фактору.

Список литературы

1. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подвига-ния подготовительного забоя // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2013. № 3. С. 25-31.

2. Динамика метановыделения в очистной забой при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной пачки / Н.М. Качурин, А.Ю. Ермаков, Д.Н. Шкуратский, А.Н. Качурин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 4. С. 170 - 179.

3. 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. 248 с.

4. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Generalized mathematical model for gases filtration in coal beds and enclosing strata // Eurasian Mini-nig, 2015. №2. P. 40-43.

5. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Н. Качурин, И.В. Сары-чева // Обогащение руд, 2014. № 6 (354). С. 16-19.

6. Прогноз радоновой опасности и расчет количества воздуха для проветривания очистных участков по радоновому фактору / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, Г.В. Стась, А.Н. Качурин // Уголь. 2018. №1. С. 40 - 43.

7. Закон сопротивления и обобщенная математическая модель фильтрации газов в угольных пластах и вмещающих породах / М.В. Гря-зев, Н.М. Качурин, Г.В. Стась, А.Н. Качурин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 3. С. 170 - 179.

8. Качурин А.Н. Феноменологический закон сопротивления и математическое описание фильтрации газов в горном массиве // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 1. С. 248 - 256.

9. Качурин Н.М. Перенос газа в породоугольном массиве // Известия вузов. Горный журнал, 1991. № 1. С. 43 - 47.

10. Прогноз газовых ситуаций в угольных шахтах в периоды падения атмосферного давления / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, О.А. Афанасьев, Д.Н. Шкуратский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 165-172.

Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., galina stas'amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, инж., ecology_ tsu_tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шкуратский Дмитрий Николаевич, генеральный директор, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,

Стась Виктор Павлович, асп., ecology@,tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

FILTRA TION-DIFFUSIONPROCESSES IN COAL BEDS, ROCKS AND GOBS BY UNDERGROUND COAL MINING

G. V. Stas, A.N. Kachurin, D.N. Shkuratckyi, V.P. Stas

It is reasonable to simulate the dynamics of gas emission from the coal seam being developed by solutions of differential equations of parabolic and hyperbolic types. A characteristic feature of the filtration flow of gas in the zone of indiscriminate collapse in the developed space is the increased permeability of cracks when the main gas reserves are contained in low-permeable rock blocks. Coal beds containing rocks and groundwater are sources of radon release into mine workings.

Key words: gas, methane, radon, oxygen, filtration, diffusion, coal bed, rocks, gob, development working, production face.

Stas Galina Viktorovna, Candidate of Technical Science, Docent, galina stasa, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kachurin Alexander Nikolaevich, Candidate of Technical Science, Engineer, ecolo-gy_ [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Shkuratckyi Dimitryi Nikolaevich, General Director, ecology@,tsu. tula.ru, Russia, Perm, Company «Galurgiy»,

Stas Viktor Pavlovich, Post Graduate Student, ecology@,tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University

Reference

1. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenie meta-na s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta pri vysokoj skorosti podviganija podgotovitel'nogo zaboja // Izvestija vysshih uchebnyh zave-denij. Gornyj zhurnal. 2013. № 3. S. 25-31.

2. Dinamika metanovydelenija v ochistnoj zaboj pri otrabotke moshhnyh pologih ugol'nyh plastov s vypuskom podkrovel'noj pachki / N.M. Kachurin, A.Ju. Ermakov, D.N. Shkuratskij, A.N. Kachurin // Izve-stija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2017. Vyp. 4. S. 170 - 179.

3. 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. Izd-vo TulGU. 2013. 248 s.

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 Mininig, 2015. №2. P. 40-43.

5. Prognoz metanovydelenija v podgotovitel'nye i ochistnye za-boi ugol'nyh shaht / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, A.N. Kachurin, I.V. Sarycheva // Obogashhenie rud, 2014. № 6 (354). S. 16-19.

6. Prognoz radonovoj opasnosti i raschet kolichestva vozduha dlja provetrivanija ochistnyh uchastkov po radonovomu faktoru / N.M. Kachu-rin, V.I. Efimov, G.V. Stas', A.N. Kachurin // Ugol'. 2018. №1. S. 40 - 43.

7. Zakon soprotivlenija i obobshhennaja matematicheskaja model' fil'tracii gazov v ugol'nyh plastah i vmeshhajushhih porodah / M.V. Grjazev, N.M. Kachurin, G.V. Stas', A.N. Kachurin // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2018. Vyp. 3. S. 170 - 179.

8. Kachurin A.N. Fenomenologicheskij zakon soprotivlenija i ma-tematicheskoe opisanie fil'tracii gazov v gornom massive // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2018. Vyp. 1. S. 248 - 256.

9. Kachurin N.M. Perenos gaza v porodougol'nom massive // Iz-vestija vuzov. Gornyj zhurnal, 1991. № 1. S. 43 - 47.

10. Prognoz gazovyh situacij v ugol'nyh shahtah v periody pa-denija atmosfernogo davlenija / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, O.A. Afanas'ev, D.N. Shkuratskij // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2014. Vyp. 1. S. 165-172.

УДК 622.4

АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ

ВЫРАБОТКАХ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Г.В. Стась, А.Н. Качурин, В.И. Голик, В.П. Стась

Аэрогазодинамические процессы в рудничной атмосфере являются следствием технологических воздействий на угольные, гипсовые и калийные пласты, на рудные тела и вмещающие породы и проявляются в форме фильтрационного течения, диффузионной миграции и конвективно-турбулентного переноса, которые описываются дифференциальными уравнениями параболического и гиперболического типов. Параметры математических моделей отражают физико-химические свойства вещества горных массивов и газов, влияющих на состав воздуха. Моделирование состояния аэрологической безопасности в угольных шахтах и рудниках позволяет осуществлять ситуационный анализ прогнозных оценок нестационарных и установившихся полей концентраций газовых компонент рудничной атмосферы. Взрывобезопасное и безвредное состояние рудничной атмосферы обеспечивается количеством воздуха, определяемым на основе решений дифференциальных уравнений, учитывающих стационарный конвективно-диффузионный перенос рассматриваемых примесей.

Ключевые слова: газ, метан, радон, кислород, конвективно-турбулентная диффузия, математическая модель, вентилятор местного проветривания, подготовительная выработка, очистной участок.

Аэрологическая безопасность основывается на нормативных значениях тепловлажностных параметров рудничной атмосферы и ее состава и характеризуется взрывобезопасностью шахтного воздуха и эффективностью управления распределением воздуха в вентиляционных сетях. Следо-