CC BY
41
После определения поперечных и продольных сил, изгибающего момента, углов поворота сечения, горизонтального и вертикального перемещения происходит вывод результатов расчета.
Список литературы
1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1985. 360 с.
2. Копылов А.Б., Харламов А.Е. Прогнозирование взаимодействия механизированных крепей с массивом горных пород; ТулГУ Тула, 2004. 9с.
3. Попов В.Л. Исследование конструктивных особенностей механизированных крепей и проявлений горного давления при их взаимодействия с боковыми породами // Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. Тула: ТулПИ. 1973. С. 180-234.
4. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. М.: Недра, 1984. 304 с.
5. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. М.: Недра, 1987. 566 с.
A.E. Harlamov, O. V. Konovalov, I.M. Kaverin
CREATING ALGORITHM OF CALCULATING MODE OF DEFORMATION POWERED SUPPORTS BY MINING COAL DEPOSITS
Calculating algorithm of calculating powered supports with forecasting their mode of deformation and taking into account mining and geological conditions during mining coal and backfilling open areas was created.
Key words: algorithm, powered support, calculating method, modeling.
Получено 17.02.2012
УДК 622.44
Л.Э Шейнкман, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, eПard@yandex. щ
(Россия, Тула, ТулГУ),
В.Л. Рыбак, докт. техн. наук, ген. директор
(Россия, Москва, «ХК «СДС-Уголь»),
Р.А. Ковалев, д-р техн. наук, проф., декан (4872) 35-22-74
(Россия, Тула, ТулГУ)
ОПАСНЫЕ ГАЗОВЫЕ СИТУАЦИИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Приведены результаты обобщения теоретических принципов прогноза газовыделений на различных шахтах России. Обоснованы методические положения про-
гнозирования опасных ситуаций в горных выработках по газовому фактору. Показано, что основой ситуационного анализа являются принципы математического моделирования, задач сетевой газовой динамики шахт. Показаны полученные результаты, и особо учитываются их практическое применение.
Ключевые слова: метан, газовыделение, шахта, технологический процесс, турбулентная диффузия, конвективная диффузия, математическая модель.
Анализ результатов прогноза метановыделений на очистных участках показал, что при выемочном цикле метановыделение нарастает за счет увеличения площади свежеобнаженной газоотдающей поверхности, которая находится под перепадом давления приблизительно равным значению р02 - рс2, где р0 - начальное пластовое давление метана; рс - давление на контуре стока. В процессе холостого перегона комбайна происходит газовое истощение краевой части пласта и кривая дебита метана с единичной площади описывается, как правило, гиперболической зависимостью. В подготовительной выработке газовыделение нарастает по мере увеличения длины, и после проведения выработки ее газообильность уменьшается во времени, также по гиперболической зависимости. Сравнение средних интегральных значений дебита метана с данными газовоздушных съемок свидетельствует об их удовлетворительной сходимости (относительные отклонения не превышают 20%).
Для расчета метановыделения из структурных отдельностей разрушенного угля, образующихся при подработке смежных угольных пластов, а также в процессе выемки разрабатываемого пласта использовано решение уравнения (1), полученное в сферических координатах с учетом того, что в законе сопротивления можно считать показатель режима фильтрации п = 1, а период релаксации 1;г« 0 [1]:
где р - давление свободного газа; в - временной масштаб корреляции процесса фильтрации газа; В^(О) - начальное значение корреляционного тензора поля скорости фильтрации; G(xi,t) - функция источника (стока); К -коэффициент пропорциональный отношению вероятности сорбции молекулы газа в окрестности некоторой точки фазового пространства к вероятности появления молекулы газа в окрестности данной точки.
Это решение использовано для математического описания процессов метановыделения из подработанных и надработанных смежных угольных пластов, а также метановыделения из отбитого угля.
Газовыделение из отбитого угля рассматривалось как процесс релаксации, обусловленной внешними воздействиями на угольный пласт, приводящими к резкому увеличению площади газоотдающих поверхно-
д р2 д t
(1)
стей. В этом случае термодинамическая система «уголь-газ» осуществляет переход к новому более устойчивому состоянию, а рост энтропии системы сопровождается внутренним и внешним энергомассообменом. Интенсивность дегазации отбитого угля однозначно связана с предыдущими этапами эволюции системы «уголь-газ» от начального состояния, характеризующегося природной газоносностью угля, до промежуточного состояния, характеризующегося газоносностью призабойной части угольного пласта. Пространственно-временной характер внешних воздействий определяется технологией выемки угля, видом очистного механизма и графиком организации работ в лаве.
Движение метана в подработанной толще рассмотрено 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 структурные отдельности, имеющие пористость и проницаемость, близкие к их значениям, существовавшим до подработки. Газовая проводимость системы трещин во много раз больше, чем у породоугольных блоков. Поэтому в пористых блоках находится газ, который выделяется в трещины, являющиеся транспортными каналами.
Общим для газовыделения из вмещающих пород являются два периода - это период резкого увеличения дебита газа сразу после обрушения и период сравнительно стабильного метановыделения на достаточно продолжительном временном интервале. Метановыделение из смежных угольных пластов связано с процессом дегазации всей породоугольной толщи, подверженной воздействию очистных работ, и происходит менее динамично и более растянуто во времени по сравнению с дегазацией вмещающих пород. Это объясняется тем, что сорбционная емкость угля на 1 -2 порядка выше, чем у пород. Метановыделение из выработанных пространств очистных участков рассмотрено как одновременное проявление процессов газовыделения из подработанных пород и смежных угольных пластов в зону беспорядочного обрушения, из которой метан выносится утечками воздуха. Из решения уравнения конвективного выноса метана из аэродинамически активной зоны обрушения получена зависимость для расчета дебита метана, который дает удовлетворительную сходимость с данными шахтных наблюдений при возвратноточной и комбинированной схемах вентиляции очистных участков.
Применительно к условиям углекислотообильных шахт использованы те же закономерности, что и для метанообильных шахт.
Практическим применением разработанных теоретических предложений прогноза динамики газовыделений, отражающих взаимосвязь скорости газовыделения с параметрами основных и вспомогательных технологических процессов, и методических положений по определению
кинетических параметров движения газов в массиве является определение в явном виде функции источника в уравнении конвективно-турбулентной диффузии при прогнозе газовых ситуаций. При этом газовая ситуация определена как сочетание условий, влияющих на газообильность горных выработок и интенсивность газопереноса воздушными потоками, и, таким образом, создающих обстановку характеризующуюся различными уровнями опасности для человека. Предложена классификация газовых ситуаций по месту их возникновения, по вероятности взрыва, по пригодности атмосферы горной выработки для дыхания. В качестве главного классификационного признака, определяющего уровень опасности по газовому фактору, использовано максимальное значение нестационарного поля концентрации выделяющихся газов.
На этой основе разработаны математические модели для прогноза газовых ситуаций на очистных участках и в подготовительных выработках метанообильных и углекислотообильных шахт. Особенности прогноза газовых ситуаций на очистных участках заключается в том, что очистные участки по существу являются фрагментами общей вентиляционной сети с распределенными источниками газовыделения, поэтому моделирование средней в сечении выработки концентрации сводится к решению задачи сетевой газодинамики. Очевидно, очистой участок можно рассматривать как вентиляционную сеть, имеющую А ветвей и А узлов. Считая, что процессы переноса в каждой ветви происходят за счет одномерной конвективной диффузии можно описывать поле концентраций в ветвях следующим уравнением [2]:
<9сх дсх l£(t)
dt х <91 Vx ' w
л
где X е А ; i, j g Д; с^ - концентрация метана в ветви с номером А,; 1м -абсолютная газообильность ветви с номером X ; щ , - скорость воздуха и объем выработки; 1 - пространственная координата; i , j - смежные узлы, соединяющиеся с ветвью X .
Начальные и граничные условия для уравнения (2) имеют вид:
• внешние узлы
Сх ( 1, 0) = Со = const; СЦО,t) = Q(t); X' eAf;
• внутренние узлы С>+(1ъ t) = Cj(t); VeCAfnV);
XXu\c\(i =EVxCxU
\+ x X-
X-GiAfnAp,
где Ai+(Ai') - множество входящих (исходящих) ветвей, смежных с узлом i; Aj+(Aj") - то же для ветвей, смежных с узлом]; l>v - площадь поперечного сечения и длина ветви с номером X.
Из уравнения (2) при данных начальных и граничных условий получена зависимость для расчета концентрации в любом внутреннем узле.
Применительно к условиям углекислотообильных шахт задача прогноза газовых ситуаций на очистных участках сводится к определению динамики концентрации углекислого газа на исходящей струе в периоды снижения давления воздуха.
Решение уравнения (2) для граничного условия первого рода позволило получить соотношения для расчета концентрации углекислого газа в исходящих струях.
Прогноз и оценка газовых ситуаций в подготовительных выработках основывались на решениях следующего уравнения:
где С - концентрация газа в воздухе подготовительной выработки; <и> -средняя скорость движения воздуха в подготовительной выработке; Dт.х, Dx.у - коэффициенты продольной и поперечной турбулентной диффузии; Щ) - функция источника газовыделения; Упв - объем подготовительной выработки.
Для расчета динамики средней в сечении концентрации как метана, так и углекислого газа получено решение уравнения (3) при Dx.у = 0 и граничных условиях первого рода. При этом результаты шахтных наблюдений подтверждают адекватность математической модели. Установлено, что в конечном итоге на газовую ситуацию в подготовительной выработке оказывает влияние совокупность кинетических коэффициентов, характеризующих фильтрационные свойства массива, интенсивность переноса газа и уровень внешнего воздействия. Вычисления показывают, что концентрация газа обратно пропорциональна отношению характеристик нестационарной фильтрации и диффузии. С другой стороны, увеличение соотношения, характеризующего изменение граничных условий к коэффициенту продольной турбулентной диффузии, приводит к увеличению средней концентрации газа.
Прогноз газовой ситуации в призабойном пространстве подготовительной выработки осуществляется методом интегральной газовой динамики, дающим удовлетворительную сходимость с результатами шахтных наблюдений.
При оценке возможности слоевых скоплений метана в подготовительных выработках использовались результаты численного решения уравнения (3), где было принято Отх« 0 при следующих начальном и граничном условиях:
С(х, у, 0) = С0; ОД у, ^ = Ок(у, ф,
дс
ду
Dm' Ъ
— JK
y=lij DM
y=0 M
lim С Ф oo,
x—>oo
где jK, jn - газовые потоки, обусловленные метановыделением из пород кровли и почвы, соответственно; CK(y,t) - граничный профиль концентрации метана; DM - коэффициент молекулярной диффузии метана в воздухе.
По результатам расчета поля концентраций метана в продольном сечении выработки рассчитывалось поле значений локального числа Ричардсона Ri , которое сравнивалось с его критической величиной (RiKp « 0,2) и, таким образом, оценивалась потенциальная опасность выработки по фактору слоевого скопления метана.
Для оценки вероятности слоевых скоплений углекислого газа использованы результаты физического моделирования, что обусловлено сложностью решения уравнения (3) для мульдообразных участков, где необходимо учитывать отрыв воздушного потока от почвы выработки [3]. В процессе исследований было установлено, что слоевые скопления углекислого газа возникают, главным образом, на мульдообразных участках выработок при средней скорости воздуха менее 0,15 м/с, а устойчивое перемешивание, ликвидирующее скопление газа, имеет место при скорости более 0,37 м/с. Следовательно, оценка газовой ситуации по фактору слоевого скопления углекислого газа может быть сведена к определению скорости воздуха в мульдообразных участках выработок, которая должна быть более 0,4 м/с.
Для прогноза газовых ситуаций в метанообильных шахтах разработан комплекс программных средств. Назначение математического обеспечения прогноза газовых ситуаций - это сделать возможным вычислительный эксперимент, моделирующий протекание газодинамического процесса при различных технологических решениях. Вычислительный эксперимент, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации шахты, позволит получить необходимый объем информации для принятия решения. Имитируя различные технологические условия можно решать как прямую, так и обратную задачи исследования операций, оптимизируя технологический процесс по газовому фактору.
Математическое моделирование процессов газовыделения и формирования газовых ситуаций, выполненное для шахт Кузнецкого, Донецкого, Челябинского и Подмосковного бассейнов, показало, что физические основы прогноза динамики этих процессов едины как для метанообильных, так и для углекислотообильных шахт, но виды внешних воздействий, приводящие к увеличению скорости газовыделения, различны. Адекватность математических моделей подтверждена длительными газовоздушными съемками на нескольких десятках очистных участках шахт Кузбасса и Донбасса, а также на 11 шахтах Подмосковного бассейна.
Относительные отклонения прогнозируемых уровней газовыделения и газового состава воздуха не превышали 20 %. Промышленная аппо-бация методологии прогноза газовыделений и газовых ситуаций свидетельствует о том, что детерминированные составляющие газовыделений и поля концентраций газовых примесей в рудничном воздухе имеют достаточно жесткую связь с эффективностью применяемых способов управления газовыделением и технологическими параметрами очистных и подготовительных работ. Поэтому результаты вычислительных экспериментов были использованы для экспертной оценки оптимальности технологических решений и эффективности средств управления газовыделением на ряде шахт Кузнецкого, Донецкого и Подмосковного бассейнов. При этом оптимальное технологическое решение по газовому фактору должно обеспечивать выполнение следующих условий:
Г(Т) 1 <1т-»тт,
I
шах
С = тш С РТДГГ
Ег^гг
(4)
где 1с(1) тах - газовыделение из ьго источника; ^х - время существования технологического объекта; совокупность горно-геологических факторов; Рт -совокупность технологических факторов.
Адаптация результатов математического моделирования к конкретным горно-геологическим и технологическим условиям позволила установить, что скорость подвигания подготовительных забоев углекислото-обильных шахт при скорости газовыделения (1,2...2,8) 10 м/с не должна превышать 15 м/сут. Для тупиковых выработок, изолированных от выработанного пространства, предложена перемычка, снабженная аккумулирующей емкостью, способы вентиляции этих выработок и уменьшения перепадов давления на изолирующих перемычках. Эти технические решения исключают возникновение опасных газовых ситуаций в тупиковых выработках и уменьшают газообильность шахт в целом. Для реконструируемых шахт Подмосковного бассейна были разработаны рациональные схемы вентиляции. Применительно к условиям отработки метаноносных угольных пластов предложен способ дегазации, отличающийся тем, что с целью повышения скорости газоотдачи в скважины помещают перфорированные трубопроводы диаметром не более 70 % от диаметра скважины. Это позволило увеличить срок службы дегазационных скважин и сократить их количество. Таким образом, математическое моделирование аэрогазодинамических процессов с учетом условий (4) может использоваться для получения новых технических решений по управлению газовыделением в шахтах. В целом внедрение основных научных и практических результатов комплексных исследований показало, что их практическое использование по-
вышает качество инженерных решений, позволяет избегать возникновения опасных газовых ситуаций, точнее рассчитать количество воздуха и повысить безопасность горных работ.
Основные выводы по выполненным исследованиям заключаются в следующем.
1. Изменение газообильности и газовых ситуаций в угольных шахтах является нестационарным случайным процессом, представляющим собой суперпозицию распределенных во времени элементарных случайных процессов, связанных с планограммой технологических операций, периодом обрушения основной кровли и колебаниями статического давления воздуха в горных выработках.
2. Установлены закономерности, удовлетворительно моделирующие динамику метановыделений на очистных и подготовительных участках, полученные из решений линеаризованных уравнений гиперболического и параболического типов. Удовлетворительная сходимость наблюдается при расчете газовыделений из угольных пластов для значений фильтрационного критерия Фурье не более 0,1 и начальных давлений от 1 до 5 МПа, а при расчете газовыделения из пород предельные значения критерия Фурье составляют 0,1...0,5. Закономерности метановыделений проявляются следующим образом:
метановыделение с поверхности обнажения угольного пласта пропорционально произведению начальной скорости газовыделения на экспоненту с отрицательным показателем и модифицированную функцию Бесселя нулевого порядка, имеющих аргумент, прямо пропорциональный времени процесса и обратно пропорциональный удвоенному периоду релаксации;
динамика остаточной метаноносности отбитого угля описывается гиперболическим уравнением со стоком, учитывающим гранулометрический состав угля, скорость подачи комбайна и транспортирования угля, его фильтрационные и диффузионные свойства;
метановыделение из подработанных вымещающих пород и выработанное пространство возрастает, если произведение времени работы транспортных машин на пьезопроводность, отнесенное к показателю газообмена с породными блоками, меньше 1, а затем наблюдается снижение дебита и при значениях этого комплекса, равных 4.10 газовый поток остается практически постоянным;
метановыделение из смежных угольных пластов связано с процессом дегазации всей породной толщи, подверженной воздействию очистных пород, и происходит менее динамично и более растянуто во времени и по сравнению с дегазацией вмещающих пород.
3. Разработаны методические положения, позволяющие при прогнозе газовыделений использовать существующую базу данных и технические средства, снижающие трудоемкость и повышающие достоверность иссле-
дований при определении пластовых давлений метана и газовых смесей, изучении сорбционных свойств угля и его окислительной активности. Проведены исследования для условий Донецкого, Кузнецкого, Челябинского и Подмосковного бассейнов и дополнена существующая база данных по физико-химическим свойствам породоугольных массивов.
4. Разработаны методические положения прогноза газовых ситуаций в горных выработках с учетом закономерностей динамики газовыделений, позволяющие получить информацию о протекании газодинамических процессов, провести, на этой основе, критический анализ газовых ситуаций при различных технологических решениях и обосновать вариант, оптимальный по газовому фактору. Автоматизация вычислений осуществляется с помощью пакетов прикладных программ.
5. Результаты внедрения и промышленной апробации свидетельствуют об удовлетворительной адекватности математических моделей и возможности их использования для разработки эффективных технических решений по управлению газовыделением.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Мохначук И.И., Ковалев Р.А. Метановыделение с поверхности обнажения угольного пласта / Mining and Environmental protection// Vrdnik, 23-25.6.2003. C. 123 - 126.
2. Качурин Н.М., Мохначук И.И. Метановыделение из отбитого угля / Mining and Environmental protection// Vrdnik, 23-25.6.2003. C. 153 -159.
3. Аэрогазодинамика углекислотообильных шахт / Н.М. Качурин, Р.А. Ковалев, А.Л. Бобовников и др. // М. Изд-во МГГУ. 2005. 302c.
4. Качурин Н.М. Прогноз метановыделения из вмещающих пород на очистных участках// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: сб. ст./ ТулПИ, 1986. С. 87-92.
5. Качурин Н.М. Выбор закона сопротивления движения газа в угольных пластах и зонах обрушения при проектировании вентиляции угольных шахт// Проблемы охраны труда: сб. ст. / Зарубежное, 1986. С.78-79.
6. Качурин Н.М. Выделение метана из подработанных и надрабо-танных пород в выработанное пространство очистного участка// Изв. вузов. Горный журнал. 1987. №2. С.54-59.
L.E. Shainkman, V.L. Ribac, R.A. Kovalev
DANGEROUS GAS SITUATIONS IN THE MINE TUNNELS
Results of generalizing theoretical principals for forecasting gas emissions in the Russian mines are shown. Methodical principals of forecasting dangerous situations in the mine tunnels on gas factor are proven. It's shown, that the base of situation analyze are principals
of mathematical modeling for problems of mining ventilation network gas dynamic. The finding results are shown and special account is taken of their practical implication.
Key words: methane, gas emission, mine, technological process, turbulent diffusion, convective diffusion, mathematical model.
Получено 17.02.2012
УДК 331.4:622.271
Л.Э. Шейнкман, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, eliard@yandex. ru
(Россия, Тула, ТулГУ),
В.Л. Рыбак, докт. техн. наук, ген. директор
(Россия, Москва, «ХК «СДС-Уголь»),
Р.А. Ковалев, д-р техн. наук, проф., декан (4872) 35-22-74,
(Россия, Тула, ТулГУ)
РИСК АВАРИЙ НА ШАХТАХ, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ ГАЗОВЫМ ФАКТОРОМ
Проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекают на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ. Предложена методика оценки риска аварий по газовому фактору на основе теории надежности технических систем.
Ключевые слова: авария, техническая система, надежность, вероятность, шахта, газовый фактор, безопасность, риск.
Проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. И Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекают на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ. Комплексное изучение проблемы аварийной опасности угольных шахт было организовано по инициативе академика А.А. Скочинского, В.Б. Комарова, А.И. Ксенофонтовой и в значительной мере разработано в научном плане в Московском государственном горном университете К.З. Ушаковым, Б.Ф. Кириным, Н.В. Ножкиным и др. Закономерности безопасной эксплуатации шахтных вентиляционных систем и работы вентиляторов главного проветривания (ВГП) на шахтные вентиляционные сети (ШВС) для разработки эффективных средств по снижению
