CC BY
22
------------------------------ © А.М. Чеховских, Ю.Н. Бобнев,
К.С. Коликов, 2006
УДК 622.86
А.М. Чеховских, Ю.Н. Бобнев, К.С. Коликов
К ВОПРОСУ ВЫБОРА БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ УГЛЕЙ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ
Отсутствие научно-обоснованных методов расчета температурного режима выработанных пространств добычных участков, учитывающих особенности окислительных процессов, связанных с наличием аномально высоких потерь угля и другими горнотехническими и технологическими факторами, существенно снижает эндогенную пожаробезопасность выемочных работ лав с высокой нагрузкой.
Исследования процессов самонагревания угля в выработанных пространствах позволили установить связь температурного режима в угольных скоплениях в выработанном пространстве с режимами и параметрами вентиляции участка и управления газовыделением, физико-химическими свойствами угля, технологическими и горно-геологическими параметрами отработки пласта.
Разработан универсальный метод расчета температурного поля в выработанном пространстве, позволяющий для каждой конкретной лавы, с учетом вышеуказанных параметров, производить определение значений температуры в любой момент времени на любой стадии отработки выемочного столба.
Для вычислений по сложным зависимостям и исследований взаимного влияния процессов газоотдачи, фильтрации, сорбции, конвективного теплообмена, теплопередачи и теп-лонакопления разработаны взаимоувязанные программы для ПЭВМ по расчету фильтрационных, концентрационных и температурных полей в выработанном пространстве.
Необходимость разработки методических основ расчета и обоснования безопасных технологических параметров ра-
боты лав с высокой нагрузкой продиктованы следующими обстоятельствами:
- в последние годы в связи с конъюнктурой рынка сбыта угля, потребностями на энергетических и металлургических предприятиях Республики Казахстан практически все шахты или отдельные выемочные участки работают в нестабильном режиме. Неравномерная нагрузка на лавы по экономическим, технологическим и энергетическим условиям приводит к, так называемой, переменной производительности лав. В зависимости от конкретных условий, заданий на добычу угля и тому подобное, скорость подвигания лавы может изменяться в достаточно широких пределах, а зачастую лава останавливается на срок до нескольких месяцев.
Кроме того, наблюдается тенденция к технологии добычи угля по принципу "шахта-лава" с нагрузкой на лаву до 10000 тонн в сутки. Неравномерность потребности в угле, как следствие, приводит к неравномерности подвигания линии очистного забоя вплоть до ее остановки. Как правило, эти лавы оснащаются высокопроизводительными и дорогостоящими очистными комплексами и другим участковым оборудованием. Поэтому важнейшим становится вопрос обеспечения безопасности горных работ в таких сложных условиях, особенно для шахт, отнесенных к сверхкатегорийным по газу и внезапным выбросам и разрабатывающих пожароопасные пласты.
Действующие в настоящее время нормативные и инструктивные документы запрещают снижение скорости подвигания очистных забоев до полного окончания работ в лаве, а временно остановленные горные выработки, в том числе и очистные забои, должны быть изолированы.
Опыт работы шахт УД АО "Миттал Стил Темиртау" в течение ряда последних лет показал, что даже в условиях отработки высокогазоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, учитывая конкретные горногеологические и горнотехнические условия, опираясь на научнообоснованные методы можно обеспечить пожаровзрывобезопасную работу высокопроизводительных выемочных участков.
Для соблюдения требований ПБ по газовой обстановке на добычном участке можно применять разнообразные способы и режимы управления газовыделением из выработанного пространства, отрабатываемого пласта и пластов спутников и предотвратить при этом процессы самонагревания и самовозгорания угля.
Из всех параметров, учитываемых в теоретической модели, управляемыми являются технологические, вентиляционные и временные. Именно целенаправленное управление этими факторами, основанное на расчетах, позволяет определить такие технологические параметры отработки участка, которые обеспечат пожаровзрывобезопасность добычи угля. Решение этой многовариантной сложной задачи заключается в выборе сочетания наиболее важных параметров (режим проветривания, скорость подвигания, временная остановка лавы, управление газовыделением) в той или иной степени продиктованных конкретными горногелогическими, горнотехническими , организационными и экономическими причинами.
Известно, что основным фактором, определяющим возникновение и развитие эндогенного пожара является наличие положительного теплового баланса в угольном скоплении.
Условиями появления избытка тепла являются наличие достаточной горючей массы, то есть больших потерь угля, интенсивной фильтрации выработанного пространства, обеспечивающей доставку окислителя (кислорода) к углю и высокая сорбционная способность угля.
Формирование очага самонагревания и переход его в очаг пожара происходит в три стадии - низкотемпературного окисления (от начальной температуры до критической) самовозгорания и активного горения.
Нагревание угля до критической температуры является необходимым и достаточным условием возникновения очага пожара.
Физико-химические свойства угля характеризуются обобщающими показателями - константой скорости сорбции кислорода, температурным коэффициентом константы скорости сорбции и критической температурой.
Значения этих показателей зависят от структуры угля, его химического состава, дробимости и определяются путем лабораторного анализа проб угля с каждого участка и расчетами по специальной программе.
Доставка кислорода утечками воздуха к очагу самонагревания обуславливается схемой проветривания, интенсивностью вентиляционной струи в горных выработках оконтури-вающих выработанное пространство и аэродинамическими характеристиками выработанного пространства, зависящими от характера обрушения горных пород, протяженности лавы и столба.
Программы по расчету фильтрационного поля в выработанных пространствах и их аэродинамических характеристиках являются базовыми программами для расчета концентрационных и температурных полей.
Интенсивность окислительных процессов зависит от концентрации кислорода в фильтрационном потоке, которая в свою очередь зависит от интенсивности метановыделения из обрушенного угля и вмещающего массива в выработанное пространство. Расчет концентрационных полей метана и кислорода в выработанном пространстве является необходимым звеном в алгоритме расчета температурного поля и производится по специальной программе.
При расчете температурного поля в выработанном пространстве, позволяющем определить местоположение очага самонагревания и температуру в каждом элементарном объеме выработанного пространства используется целый комплекс программ.
Разработанный пакет программ позволяет формировать базу исходных данных, вести расчет фильтрационных, концентрационных и температурных полей в выработанном пространстве и таким образом производить оценку ситуации и степень пожароопасности участка.
База данных может формироваться как заданием проектных значений параметров проветривания и отработки, так и фактически имеющих место параметров для конкретного участка.
База данных, наряду с результатами расчета, формирует карту прогноза пожаробезопасности участка. Задавая
значения параметров на разных стадиях отработки столба можно производить прогноз пожаробезопасности участка с различными схемами проветривания, скоростями подвигания и дебитом воздуха на протяжении всего периода отработки, демонтажа и изоляции участка.
Для формализации задачи прогноза распределения фильтрационных потоков, расчетов температурного и концентрационного полей в выработанном пространстве методикой предусматривается построение расчетной схемы выемочного участка.
Расчетная схема - это графическое представление выработанного пространства в плоскости в виде сеточной области с элементарными ячейками. Она является аэродинамической моделью выработанного пространства для решения задач фильтрации методами распределения потоков в сетях.
Сетка ориентируется в плоскости в координатах ХОУ. Ось Х направлена вдоль очистного забоя (лавы), ось У - от лавы вглубь выработанного пространства. Начало координат, как правило, устанавливается на сопряжении воздухоподающей выработки с лавой.
По плану горных работ определяются геометрические размеры отрабатываемого столба: длина лавы, длина всего выемочного столба и длина отработанной части; конфигурация выработанного пространства; координаты скважин, пробуренных с поверхности; места газоотвода (дренажа); координаты мест подачи и отвода воздуха.
Расчетная схема вычерчивается (в масштабе или схематично) для нанесения узловых точек, указания технологических объектов и отражения на ней полученных результатов по определению фильтрационных потоков, концентрации газов и температуры. На рисунке приведена расчетная схема для условного выемочного участка с возвратноточной схемой проветривания.
Разбиение по оси Х (вдоль линии очистного забоя) производится с шагом dX, выбранным в соответствии со следующими условиями: узловые точки должны быть по возможности точнее приближены к координатам привязки тех-
нологических объектов в выработанном пространстве (скважины, изолированный газоотвод и т.п.).
Разбиение по оси У (от лавы вглубь выработанного пространства) производится с постоянным шагом. Начальное значение dУ выбирается исходя из геологических, горногеологических и других условий (например, шаг обрушения кровли, шаг передвижки секций крепи, характеристика пород кровли и т.п.).
На расчетной схеме расставляются номера узлов и ячеек по следующему правилу:
- узел 1 привязывается к точке сопряжения лавы с воздухоподводящей выработкой;
- последующие узлы нумеруются вдоль линии очистного забоя в сторону воздухоотводящей выработки;
- ячейки нумеруются, начиная с 1, с первого слоя по ходу нумерации.
Монтажная камера
46 33 47 34 48 35 49 36 50 37 51 38 52 39 53 54 40
37 25 38 26 39 27 40 28 41 29 4Т 30 43 31 \А 45 32
17 1 О 18 ■” 19 Верт. 71 Л Л I 20 скважі 32 21 на 33 22 34 23 Зб’Зб 24
1“ 9 10 - £лЗ 10 11 *1 ч 11 ] - - р—— Оега* 12 1 ^ ті 13 1 Л 14 1 *ч 15 1 (у. ІЬ 1 г іб 1 П 1 о
і і 2 2 3 3 4 4 , 5 5 6 6 1 7 8 8 9
Очистной забой
<1х
()пост направление подвигания лавы (^исх
Условная расчетная схема выработанного пространства 368
Порядок нумерации узлов и ячеек показан на рисунке.
Для моделирования аэродинамики выработанного пространства и расчета фильтрационных утечек и температурного поля необходимы следующие исходные данные:
протяженность отработанной части выемочного пласта,
м;
длина лавы, м;
общая и вынимаемая мощность пласта, м; индекс пласта;
скорость подвигания лавы, м/сут; схема проветривания участка; расход воздуха на подступающей струе, м3/с; расход воздуха на подсвежении (если схема прямоточная с подсвежением), м3/с;
расход воздуха в лаве, м3/с; расход воздуха на исходящей, м3/с;
расход воздуха по дополнительным технологическим объектам (ВМЦГ, скважины и т.п.), м3/с;
утечки воздуха через изолирующие перемычки (если они определены предварительными расчетами РВС), м3/с;
сопротивление прилегающих выработок, лавы, изолирующих перемычек, поддерживаемых выработок, кмюрг; константа скорости сорбции кислорода углем, м3/с-кг; температурный коэффициент нарастания константы скорости сорбции, м3/с-кг-град.
Исходные данные по горнотехническим и технологическим параметрам должны быть согласованы с соответствующими службами шахты (техотдел, маркбюро, участок и т.д.). Ввод исходной информации для формирования базы данных и выполнения последующих расчетов производится специальной программой в диалоговом режиме по запросам, сгруппированным по отдельным параметрам. Оперируя расчетной схемой и полученными результатами прогнозных расчетов, составляется прогнозная карта пожароопасности выемочного участка.
Карта прогноза должна содержать следующие разделы:
1. Наименование шахты, участка, пласта;
2. Базу данных, характеризующих данный участок и включающую проектные или фактические значения парамет-
ров, определяющих аэродинамические, технологические, горнотехнические, физико-химические особенности угля выемочного столба;
3. Схему участка с указанием схемы и режима проветривания;
4. Результаты расчетов концентрационных, фильтрационных полей (при необходимости) и температурного поля в виде таблиц;
5. Анализ расчетных данных и заключение (выводы) о пожаробезопасности ситуации в выработанном пространстве, соответствующей значениям параметров заданным в базе данных;
6. Анализ концентрационного поля метана в выработанном пространстве в зоне самонагревания угля для определения взрывоопасности.
При пожароопасной ситуации в выработанном пространстве производится уточнение параметров путем корректировки их в базе данных.
Корректировка производится до тех пор пока не будут получены сочетания параметров, которое обеспечивает пожаробезопасность участка.
Совокупность вышеуказанных материалов представляют собой карту прогноза пожаробезопасности участка.
Очевидно, что вводя в базу данных значения времени с момента начала отработки столба, соответствующие той или иной стадии его отработки, получаем прогноз ситуации на любой стадии в течение всего периода отработки участка и демонтажа лавы. Изменяя задаваемую скорость подвигания очистных работ и анализируя ситуацию в выработанном пространстве, на базе расчетов можно определить допустимо минимальные значения скорости, при которой ситуация останется пожаробезопасной.
|— Коротко об авторах--------------------------------------
Чеховских А. М., Бобнев Ю.Н. - УД АО «Миттал Стил Темиртау», Коликов Константин Сергеевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
