CC BY
17
А.С. Ярош // A.S.Yaroch rosniigdbuh@mail.ru
канд. техн. наук, академик МАНЭБ, генеральный директор ООО "НИИ Горного Дела", 650002, Россия, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1 candidate of technical sciences, academician of MANEB, general director of LLC "Research Institute of Mining", 650002, Russia, Kemerovo, Sosnovy Boulevard, 1
А.С. Голик // A.S.Golik
доктор техн. наук, профессор, академик АГН, МАНЭБ, президент Регионального Сибирского отделения МАНЭБ doctor of technical sciences, professor, academician of AGN, MANEB, President Of the regional Siberian branch of MANEB
доктор техн. наук, профессор, академик АГН, МАНЭБ, президент Регионального Сибирского отделения МАНЭБ doctor of technical sciences, professor, academician of AGN, MANEB, President Of the regional Siberian branch of MANEB
УДК 346:622.33
ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТИ ШАХТНЫХ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПЕРЕМЫЧЕК MINE INSULATING BARRIERS' AIR PERMEABILITY OPERATIONAL CONTROL
В статье обоснована необходимость разработки и внедрения на угольных шахтах способа оперативного контроля аэродинамического состояния находящихся в эксплуатации изоляционных перемычек. Применяющимися в настоящее время способами выполнение требований действующих нормативов [1, 2, 3] по организации указанного мониторинга вызывает значительные трудности. Проведение непосредственных замеров весьма трудоемко, и выполнять их нужно в больших объемах, так как количество подлежащих обследованию перемычек исчисляется по каждой шахте несколькими десятками, а во многих случаях сотнями. Поэтому обеспечение требуемой периодичности контроля аэродинамического состояния изоляционных перемычек в угольных шахтах вызывает организационные и технические проблемы.
Авторами разработан и предлагается способ оперативной оценки степени герметичности изоляционных сооружений, основанный на выявленной корреляционной связи ихвоздухопроницаемости, депрессии и воздействующего аэродинамического напора. С использованием разработанной методики представляется возможным производить оценку аэродинамического состояния обследуемой перемычки только по данным замеров депрессии и воздействующего на перемычку аэродинамического напора. Проведение замеров указанных параметров никакой трудности не представляет и требует малых затрат времени.
Способ рекомендуется применять для оценки состояния перемычек, изолирующих выработанные пространства, имеющие связь с земной поверхностью, отработанными выемочными полями, сближенными пластами, горизонтами, а также не полностью погашенными выработками. The article substantiates the need for the development and implementation of a method for operational control of the insulating barrier aerodynamic state in operation at coal mines. With the currently used methods, the fulfillment of the current standard requirements [1, 2, 3] for the organization of this monitoring causes significant difficulties. Carrying out direct measurements is very laborious and they need to be performed in large volumes, since the number of barriers to be inspected is calculated for each mine by several tens, and in many cases by hundreds. Therefore, ensuring the required frequency of monitoring the aerodynamic state of insulating barriers in coal mines causes organizational and technical problems.
The authors have developed and proposed a method for the rapid assessment of the insulating structures' tightness degree, based on the revealed correlation between their air permeability, depression and the impacting aerodynamic pressure. With the use of the developed technique, it is possible to assess the aerodynamic state of the investigated barrier only from the data of the depression and the aerodynamic pressure measure-
ments acting on the barrier. Carrying out measurements of these parameters is not difficult and requires little time.
The method is recommended to be used to assess the condition of the barriers that isolate worked-out spaces that have a connection with the earth's surface, worked-out extraction fields, adjacent seams, levels, as well as not completely extracted workings.
Ключевые слова: ИЗОЛЯЦИОННАЯ ПЕРЕМЫЧКА, ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТЬ, АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАПОР, ДЕПРЕССИЯ, ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА, КОЛИЧЕСТВО ВОЗДУХА, ГОРНЫЙ МАССИВ, ДЕФОРМИРОВАННЫЙ СЛОЙ.
Key words: INSULATING BARRIER, AIR PERMEABILITY, AERODYNAMIC PRESSURE, DEPRESSION, MINE WORKING, AIR VOLUME, ROCK MASSIF, DEFORMED LAYER
Из возникающих на угольных шахтах аварий наиболее опасными и тяжелыми по последствиям являются взрывы метанопылевоздушных смесей и подземные пожары. Определяющим фактором по их предотвращению является организация надежного и эффективного проветривания горных выработок с рациональным распределением воздуха и аэродинамических напоров по элементам шахтной сети. При решении этой задачи одним из основных является вопрос обеспечения качественной изоляции выработанных пространств от действующих горных выработок и поддержание ее в таком состоянии на протяжении всего времени эксплуатации каждого угледобывающего предприятия. По созданию средств изоляции с высокой степенью герметичности к настоящему моменту выполнено множество научно-исследовательских работ, и в целом достигнуты положительные результаты. Предложены более совершенные конструкции изолирующих сооружений, разработаны новые составы материалов для их возведения и осуществления дополнительной обработки (покрытия) с целью повышения аэродинамических показателей, усовершенствована технология производства изоляционных работ и др. Все это позволило вывести на более высокий качественный уровень выполнение требований действующих нормативов по изоляции отработанных выемочных столбов, полей и блоков. Однако в процессе эксплуатации под воздействием горного давления, характерных для шахт неблагоприятных тепло-физических параметров рудничной атмосферы, агрессивных гидравлических и газообразных сред происходят негативные изменения состояния изолирующих сооружений и ухудшение их герметичности. В этой связи для обеспечения требуемого по условиям взрыво- и пожаробезо-пасности состава газовой среды в изолированных объемах выработанных пространств необходимо проводить систематический контроль аэродинамических параметров, находящихся в эксплуатации всех изолирующих технических
средств. Контроль за герметичностью перемычек, рубашек и арок работниками шахты начинается сразу же после их возведения и осуществляется на протяжении всего срока службы. Согласно требованиям действующих нормативов [1,2] еженедельно должен выполняться визуальный осмотр каждого сооружения и не реже одного раза в месяц проверка качества изоляции отработанных участков путем проведения непосредственных замеров аэродинамических параметров изоляционных перемычек. Между тем на современных шахтах их количество достигает нескольких сотен, вследствие чего выполнение такого объема замеров, каждый из которых требует больших затрат времени, на практике представляет весьма сложную задачу.
Согласно [4] количество воздуха, проходящее через какой-либо объект, определяется по формуле
ц = (1)
где ц - количество пропускаемого через объект воздуха, м3/с;
п - показатель, характеризующий режим движения воздуха через рассматриваемый объект; Ah - разность аэродинамических давлений в плоскостях входа воздушного потока непосредственно в объект и выхода из него, даПа; R - аэродинамическое сопротивление объекта, даПа с/м3.
До настоящего времени у исследователей нет однозначного мнения о режиме «просасыва-ния» воздуха через изоляционные перемычки.
Одни авторы считают, что движение проходящих через них воздушных масс осуществляется в режиме, близком к турбулентному (п стремится к 2), другие - к ламинарному (п снижается до 1). Учитывая, что прососы воздуха имеют место не только непосредственно сквозь тело перемычки, но и по ее периметру, в том числе по контакту с вмещающими породами и прилегающему массиву, есть основание утверждать, что вернее всего результирующий показатель режима движения воздуха находится в интервале 1 <п<2.
Это обстоятельство весьма усложняет процесс осуществления целевых замеров по установлению фактических аэродинамических параметров изолирующих перемычек.
Для получения достоверных результатов требуется в каждом конкретном случае произвести целый комплекс сложных по организации, трудоемких измерений, требующих специфического технического оснащения и больших затрат времени.
Учитывая указанные обстоятельства исследователями, работающими в этой области, предлагались различные упрощенные методы определения прососов воздуха через перемычки. В частности, рекомендовались способы, основанные на косвенных измерениях скорости воздушного потока, в том числе использование дымовых трубок, аэрозолей, акустических средств, возведение специальных временных перегородок и т.д.
Однако все эти способы сложны в реализации и не обеспечивают необходимую точность и надежность замеров.
Это приводит к тому, что зачастую даже при явно неудовлетворительном состоянии изолирующих сооружений по результатам проведенных замеров можно получить вполне приемлемые аэродинамические показатели. На практике это является недопустимым, так как неверная оценка качества изоляции отработанных пространств создает реальные предпосылки к возникновению очагов самовозгорания угля и формированию зон с взрывоопасной атмосферой. Имеет место настоятельная необходимость в разработке метода, обеспечивающего при надлежащей оперативности высокую степень достоверности и надежности получаемых данных. Методический подход для решения этой задачи авторами реализован по следующему алгоритму:
- проведены целевые комплексные экспериментальные исследования большого числа различных типов изоляционных перемычек,
на основании которых получены достоверные данные по всем параметрам, характеризующим герметичность перемычек: прососы воздуха через тело перемычки, утечки по ее периметру в месте контакта с окружающим массивом, фильтрация в деформированном слое угля и породы, значения аэродинамического напора перед и за перемычкой, перепад давления.;
- установлен критерий, с использованием которого предоставляется возможность осуществления интегральной оценки состояния изоляционного сооружения, послуживший основой разработанных методических положений по оперативной оценке воздухопроницаемости изолирующих перемычек в угольных шахтах.
В общей сложности в шахтах основных каменноугольных месторождений Российской Федерации было обследовано 2047 перемычек, в том числе: бетонных - 629, брусчатых - 259, кирпичных - 557, шлакоблочных - 294, чураковых -308.
Исследования включали определение расхода воздуха, проходящего мимо перемычки (по контакту с горным массивом и деформированному его слою), утечек воздуха непосредственно через тело перемычки, перепада давления и действующих напоров перед и за исследуемой перемычкой.
На основании статистической обработки полученного массива экспериментальных данных были определены оптимальные (или средние меньшие) значения воздухопроницаемости для различных типов перемычек (табл. 1) и установлена корреляционная связь между воздухопроницаемостью, вентиляционным давлением перед перемычкой и воздействующей на нее депрессией.
Для каждого типа перемычек по установленным значениям критерия воздухопроницаемости стало возможным построить графики функциональных зависимостей между вентиляционными давлениями перед перемычками (Н) и воздействующими на них депрессиями (Л^,
Таблица 1. Оптимальные (или средние меньшие) значения воздухопроницаемости для различных типов перемычек
Table 1. Optimal (or average lower) values of air permeability for different types of lintels
Тип перемычки Средние меньшие значения воздухопроницаемости, м3/с м2даПа
Брусчатая 0,00022
Бетонная 0,000736
Кирпичная 0,000978
Шлакоблочная 0,00112
Чураковая 0,00139
Ali даПа 16
>
о
20
40
60
80
100
120
Н. даПа
Рисунок 1 Функциональная зависимость между действующим напором (Н) и депрессией (Ah) для различных типов перемычек 1- брусчатая, 2- бетонная, 3 - кирпичная, 4 - шлакоблочная, 5- чураковая Figure: 1 Functional relationship between effective pressure (H) and depression (Ah) for different types of barriers 1-Beam, 2 - concrete. 3- brick, 4- cinder block, 5 - timber block
рис.1.
С использованием представленных графиков по замеренным вентиляционным напорам и перепадам давления можно оценивать аэродинамические качества изоляционных перемычек. Если точка пересечения Я и Ah располагается выше кривой для данного типа перемычки, то ее воздухопроницаемость соответствует допустимому значению, если ниже - не соответствует, и надо принимать меры по повышению ее герметичности.
Предлагаемый способ контроля рекомен-
дуется использовать для оценки состояния перемычек, изолирующих выработанные пространства, имеющие связь с земной поверхностью, отработанными выемочными полями, сближенными пластами, горизонтами, а также не полностью погашенными выработками. Его не следует применять в случаях, когда в выработке сооружены несколько изоляционных барьеров, так как замеры, осуществленные при обследовании крайней (доступной) перемычки не могут характеризовать качество изоляции в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах (в редакции на 01.01.2020). Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 19.11.2013г. №550.
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по изоляции неиспользуемых горных выработок и выработанных пространств в угольных шахтах». утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 28.11.2014г. №530. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по предупреждению эндогенных пожаров и безопасному ведению горных работ на склонных к самовозгоранию пластах угля» (в редакции на 01.02.2020). Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 06.11.2012г. №635.
Воронин В.Н. Основы рудничной аэро - газодинамики. Углетехиздат, Москва-Ленинград, 1951. REFERENCES
Federal'nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Pravila bezopasnosti v ugol'nykh shakhtakh (v redaktsii na 01.01.2020) [Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules in coal mines (as amended on 01.01.2020)]. Approved by the order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated November 19, 2013. No. 550. [in Russian].
Federal'nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Instruktsiya po izolyatsii neispol'zuyemykh gornykh vyrabotok i vyrabotannykh prostranstv v ugol'nykh shakhtakh» [Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the isolation of unused mine workings and worked-out spaces in coal mines"]. Approved by the order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated November 28, 2014. No. 530 [in Russian].
Federal'nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Instruktsiya po preduprezhdeniyu endogennykh pozharov i bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na sklonnykh k samovozgoraniyu plastakh uglya» (v redaktsii na 01.02.2020) [Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the prevention of endogenous fires and the safe conduct of mining operations in coal seams prone to spontaneous combustion" (as amended on 02/01/2020)]. Approved by the order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated 06.11.2012. No. 635 [in Russian].
Voronin, V.N. (1951). Osnovy rudnichnoy aero - gazodinamiki [Fundamentals of Mining Aero - Gas Dynamics]. Moscow-Leningrad: Ugletekhizdat [in Russian].
