CC BY
57
Список литературы
1. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рябов Г.Г. Геоэкологические принципы использования вторичных ресурсов. Москва - Тула: Издательство «Гриф и К0», 2000. 360 с.
2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие. Ростов н/Д: Феникс, 2007. 368 с.
3. ГОСТ 25137-82* (СТ СЭВ 5445-85)"Материалы нерудные строительные, щебень и песок плотные из отходов промышленности, заполнители для бетона пористые. Классификация" (утв. постановлением Госстроя СССР от 31 декабря 1981 г. N 291).
N.M. Kachurin, G.V. Stas, D.Y. Titov, A.Y. Titov
PROVIDING NORMATIVE AIR CONDITIONS OF ROOMS DECORATING BUILDING MATERIALS WITH USING MINING ENTERPRISES WASTES
Dependences of emission toxic gases into different rooms as result of building materials low-temperature oxidation were substantiated.
Key words: building materials, mining enterprises wastes, emission toxic gases, calculating quantity of air.
Получено 20.04.11
УДК 622.411.33
H.M. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
(4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.М. Борщевич, ген. директор (ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»),
А.А. Бухтияров, асп., ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ В ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ ИЗ ПОДРАБОТАННЫХ И НАДРАБОТАННЫХ ПОРОД
Обосновано, что движение газа в подработанной толще следует рассматривать с позиции фильтрационного переноса в трещиновато-пористой среде. Наличие трещин технологического происхождения, даже при их незначительном объеме в пустотах твердого скелета, может оказывать определяющее влияние на интенсивность газовыделения. Для надработанных пород математическое описание процесса можно получить как частный случай математической модели газовыделения из подработанных пород.
Ключевые слова: вмещающие породы, газоносность, трещиновато-пористой среда, метан, математическаямодель.
Физическая модель движения газа в подработанных и надработанных породах в соответствии с полученной информацией о структуре нарушенного массива должна формироваться на основании физических по-
ложений фильтрационного массопереноса для случая малого значения масштаба корреляции процесса. Это связано с тем, что вмещающие породы, как правило, имеют слабо выраженные сорбционные свойства и процесс релаксации давления свободного газа определяется интенсивностью диссипации его энергии, обусловленной сопротивлением трения. Движение газа в подработанной толще следует рассматривать с позиций фильтрационного переноса в трещиновато-пористой среде. Наличие трещин технологического происхождения, даже при их незначительном объеме в пустотах твердого скелета, может оказывать определяющее влияние на интенсивность газовыделения. Подработанная толща представляет собой куски породы, имеющие пористость и проницаемость, близкие к их значениям, существовавшим до подработки. Газовая проводимость системы трещин во много раз больше породных блоков. Поэтому в пористых блоках находится газ, который выделяется в трещины, являющиеся транспортными каналами.
Зона беспорядочного обрушения состоит из породных блоков произвольной формы, нерегулярно располагающихся в выработанном пространстве. Зона газового дренирования основной кровли отличается большими размерами блоков и менее развитой системой транспортных каналов. Характерной особенностью движения газа в такой среде является повышенная проницаемость трещин при содержании основных запасов газа в малопроницаемых породных блоках. В начальный момент процесса давление в трещинах падает до значения р, а в блоках равно природному давлению р0. При этом возникает перепад давления между газом, находящимся в трещинах, и газом в блоках, что приводит к возникновению локальных градиентов давления в блоках (р0 - р1)1^1, где L -характерный размер блока. Они существенно превышают градиент давления в трещинах. Этим обусловлены фильтрационные потоки газа из блоков в трещины.
Система уравнений баланса газа в транспортных трещинах и блоках имеет следующий вид [1-2]:
^(щр) + рУ) - Q = О,
я Г (1)
—(т°р) + Q = ° дг
где р - плотность газа; V - вектор скорости фильтрации; Q - удельный дебит газа, поступающего из породных блоков в транспортные трещины; т0, т 1 - пористость породных блоков и трещиноватость вмещающих пород соответственно; г - время.
Используя закон Дарси (в силу малости масштаба корреляции процесса фильтрации) и зависимость удельного дебита Q от перепада давлений между блоками и трещинами, полученную Г.И. Баренблаттом [1], систему (1) можно свести к уравнению:
■^тг . (3)
dp d X d 2 p Л д2 p
V — / —^т = Ф/ —т, (2)
dt 'dtfi dxf ^ dx?
_i _i ?
где (f> = km(fim0ß) ; 77 = k6 kml ; p - давление газа в трещинах; xi - пространственные координаты; km , kß, - газовая проницаемость трещин и породных блоков соответственно; ß - коэффициент сжимаемости метана; l - среднее значение характерного размера породных блоков.
Движение метана в подработанной толще можно принять одномерным, то есть xj = z , где z - аппликата декартовой системы координат с началом отсчета, расположенным на почве разрабатываемого угольного пласта. Тогда уравнение (2) примет вид:
dp d3 p d2 p
Л-----= Р'
dt dt dz dz2
Выделение метана из подработанных пород описывается уравнением (3) при следующих условиях: p(z,0) = p0 = const;
p(+0,t) = p0 - (p0 - pc) exp(-ri~ltyt); lim p(z,t)=const.
z^0
Следует отметить, что проницаемость km в общем случае является переменной величиной, зависящей от координаты z . Для того, чтобы воспользоваться уравнением (3) будем считать, что подработанные породы являются трещиновато-пористой средой с общим сопротивлением равным суммарному сопротивлению зон беспорядочного обрушения и газового дренирования основной кровли. В этом случае km можно рассматривать как эффективную проницаемость такой среды. Следовательно, можно записать,
km = kl _ (kl _ k2 )H2 (2H1 + H2 ) , (4)
где kj , k2 - газовая проницаемость зон беспорядочного обрушения и газового дренирования основной кровли соответственно; Hj , H2 - мощность зон беспорядочного обрушения и газового дренирования основной кровли соответственно.
Тогда удельную массу газа, поступающего в выработанное пространство в единицу времени можно определить по формуле [3]:
p¥\z=0 = Раk (p0 ~ pclp(+0>t Г — u(0,s)exp(st)dt, (5)
2nupa dz
r 1 a
где i - мнимая единица; pa - плотность метана при атмосферном давлении pa; s - комплексный параметр; и - изображение по Лапласу функции
[p(z,t)-po]/(po-pc);
u(0,s) = ^(^ + @s)~l exp{-z[s(s + ц)~1 ]0,5}. (6)
Вычисляя производную от функции (6) и подставляя в формулу (5) получим объем метана, выделившегося в единицу времени с единичной площади подработанных пород (¡п.п) :
1 П.П = (MPj) l(kmk6 f’5(Po - Pc)(Po - (Ро - Pc)[1 - exp(<)]}f( £) > (7)
ь
где/(С,) = ехр()|ехр(0,5т)10(0,5т)йх; £ =ц~ху1; 10(0,5т) - модифи-
0
цированная функция Бесселя нулевого порядка.
Для надработанных пород математическое описание процесса можно получить как частный случай уравнения (3) при ц^0. Уравнение (3) в этом случае примет следующий вид:
др2
dt
2 2
= /С
(8)
где кн - пьезопроводность надработанных пород.
Движение метана в надработанных породах описывается уравнением (8) при следующих условиях: p(z,0) = рн = const, р(0,t) = pc = const,
где рн - начальное давление газа в породах почвы угольного пласта. Решение этой краевой задачи известно
( \ T
p(z,t) = ‘ 2/2 2 \ р„ -(р„ - pc j 1 - erf z 12VKHt \
о,5
(9)
тогда дифференцируя эту зависимость и учитывая, что фильтрация газа идет по закону Дарси, получим метановыделение из надработанных пород
1н.п - 0,282рн1 (р2 р2 )^
К m
¡uJ3t
(10)
где кн, тн - проницаемость и пористость надработанных пород соответственно.
Вычислительные эксперименты показали, что дебит метана с единицы площади подработанных пород достигает максимального значения при «1 . В дальнейшем наблюдается его снижение и начиная со значений = 4... 10 газовый поток существенно во времени не изменяется. Вид
кривой свидетельствует о том, что трещиновато-пористая среда обладает определенной инерционностью и газодинамический процесс в такой среде имеет экстремальные параметры, что хорошо согласуется с качественной картиной, наблюдаемой в реальных условиях.
Удельное газовыделение из надработанных пород имеет вид монотонно убывающей кривой, которая начиная с ^1* = 4 изменяется не существенно, так при ^ = 8 газовыделение уменьшается на 20...25%. Общими для газовыделения из вмещающих пород являются два периода - это период резкого увеличения метановыделения сразу после обрушения и период
сравнительно стабильного во времени дебита метана на достаточно продолжительном временном интервале.
Метан, выделяющийся из подработанных и надработанных пород, выносится утечками воздуха из проветриваемой части зоны беспорядочного обрушения. Средняя концентрация метана в этой зоне приближенно описывается следующим уравнением:
где Сеп - концентрация метана в газовой смеси, поступающей из выработанного пространства; Qym - средние утечки воздуха через проветриваемую часть зоны обрушения объемом; Iпор - среднесуточное метановыделение из
пород выработанное пространство.
Из уравнения (11) следует, что
Показатель степени в зависимости (12) возрастает с увеличением времени I, соответственно увеличивается и концентрация метана Свп,
стремясь к асимптотическому значению, Сеп = 1ПО!@~м , поэтому для достаточно больших периодов времени абсолютное газовыделение можно определить по формуле: 1пор = 1пор п + 1пор н, где 1„орм - среднесуточное газовыделение из подработанных и надработанных пород. В этой формуле суммируются среднесуточные значения метановыделения из подработанных и надработанных пород, которые определятся по формулам, являющимся следствием закономерностей (7) и (10),
где 12 - шаг обрушения пород основной кровли, м; упорп ,Упорн - плотность
ность подработанных и надработанных пород, кпп ,кнп - газовая проницае-
0
Функция Л(С*) табулирована. Относительная метанообильность может быть определена по следующим формулам:
(11)
(12)
(13)
(14)
подработанных и надработанных пород, т/м3; хнп,хпп - природная газонос-
мость подработанных и надработанных пород, м2; £2* = 4,87 • 1018 кбт 1;
£
/2(Сг) = | ехР(-0^)!о(~0,5т№т- ехр(-£).
д/юр11 = 6 • 10-3 Хп-12((15)
(16)
V т у
ОЧ в! у
гДе Чпорп ’Япорн - относительное метановыделение из подработанных и над-
работанных пород соответственно, м3/т.
Методика расчета может быть проиллюстрирована на примере прогноза метановыделения из вмещающих пород на очистном участке коренной западной лавы шахты «Суходольская-Восточная». Исходные данные
т
для расчета: тв = 1,4м; ‘1 =1,5м; ‘2 = 20м; у ~Упар,н = 2,67—;
м
т
уу = 1,4—; ‘ =210м; т « 0,08; Н = 727м; \&р 1, 1 «14МПа;
У МТ
мъ мъ
х„„ = 08—; хнп = 0,57—. Газовая проницаемость зон беспорядочного
' т ' т
обрушения и газового дренирования пород основной кровли
1 *7 О _ 1 о л
к, = 1,8 • 10_1/м2; к2 = 7 • 10"18 м . Эффективная проницаемость подработан-
1 *7 О 1 О О _
ных и надработанных пород кпп = 1,5 • 10 " м ; кнп = 2,3 • 10 м . Рассчитываем величину параметра , £2* = 14 и находим /2 (14) = 4 . Определяем абсолютное газовыделение из подработанных и надработанных пород
3 3
1^1-^ /Л ГГ г М тл
Iпорп = 1,21—, IпорН = 0,76— . Рассчитываем относительное газовыделе-т т
33
_ _ м м
ние Я = 7,9—, Ч„ор„ = 4,9— . Следовательно, расчетные значения
т т
абсолютного и относительного газовыделения из вмещающих пород будут
3 3
равны 1,97 м /мин и 12,8 м /т. По результатам газовых съемок абсолютная
33
и относительная газообильность составляла 2,1 м /мин и 13,7 м /т, то есть отклонение от расчетных величин не превышает 10 %. Таким образом, предлагаемая методика позволяет проводить инженерные прогнозы газо-обильности с учетом влияния газоносных вмещающих пород. Это представляет исключительный практический интерес для отработки глубоких горизонтов, на которых газоносность вмещающих пород существенно возрастает.
Список литературы
1. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. М.: Недра, 1972. 288 с.
2. Качурин Н.М. Прогноз метановыделения из вмещающих пород на очистных участках // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: сб.ст. / ТулПИ. Тула, 1986. С.87-92.
3. Качурин Н.М. Выделение метана из подработанных и надработанных пород в выработанное пространство очистного участка // Известия вузов. Горный журнал. 1987. № 2. С. 54-59.
N.M. Kachurin, A.M. Borschevich, A.A. Buhtiyrov
METHANE EMISSION INTO PRODUCTION FACE FROM UNDERMINE AND SEAM FLOOR ROCKS
It’s substantiated than gas motion through undermine rocks have to be considered from positions of filtration motion in cracked-porous environment. Presence of technological origin cracks can have main influence to intensity of gas emission even by insignificant interstice in rocks. Mathematical description process of gas emission from seam floor rocks is special case of gas emission from undermine rocks mathematical model.
Key words: enclosing strata, gas content, cracked-porous environment, methane, mathematical model.
20.04.11
УДК 502.3:622.41
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
(4872) 35-20-41, есо1оgy@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
М.С. Комиссаров, канд. техн. наук, зав. кафедрой (Россия, Тула, ТГПУ им. Л.Н. Толстого)
О.С. Королева, асп. (Россия, Тула, ТулГУ)
РАССЕЯНИЕ ПЫЛЕГАЗОВЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОТ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
Представлены математические модели диффузии газовых примесей в приземном слое атмосферы от точечных источников пылегазовых выбросов, расположенных на промплощадках горнодобывающих предприятий. Приведены результаты вычислительных экспериментов. Показано, что сравнение результатов вычислительных экспериментов данными натурных наблюдений свидетельствует об адекватности предложенных математических моделей прогнозирования распространения загрязнителей в атмосфере.
Ключевые слова: атмосфера, пылегазовая примесь, диффузия, математическая модель, горнодобывающее предприятие.
Загрязнение воздуха приземного слоя атмосферы при добыче и переработке твердых полезных ископаемых происходит в результате пылегазовых выбросов, являющихся следствием различных технологических процессов. При этом аэрологическая модель предприятия минеральносырьевого комплекса, как при открытом, так и при подземном способе раз-
