CC BY
46
3. Сарычев В.И., Жуков С.С. Алгоритм обоснования параметров безопасной подработки земной поверхности и инженерных сооружений// Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования: Сб. тез. и статей Всерос. конф-ции, г. Новочеркасск, 26-28 октября 2011 г./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЛИК, 2011. С. 346-349.
V.I. Sarychev, S.S. Zhukov, S.I. Shestakov
MODELING PROCESS OF UNDERMINE CIVIC BUILDING BY UNDERGROUND MINING
Results of modeling deformations and shifting earth surface subject to undermine civic building were shown and dependences of convergences, slopes, curvatures, horizontal shifting and deformations by wall advance were gotten. Effective height for safeties undermine civic building values was evaluated.
Key words: modeling deformations and shifting earth surface, undermine, modeling, effective height, backfilling.
Получено 17.02.2012
УДК 622.411.3:0041(470,312)
Г.В. Стась, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, galina stas@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.А. Фатуев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой (Россия, Тула, ТулГУ),
И.И. Агеев, асп. ТулГУ, (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРОГНОЗ ГАЗООБМЕНА В АТМОСФЕРЕ ШАХТ ПОДМОСКОВНОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Приведены алгоритмы и комплекс программных средств для прогнозирования газообмена в атмосфере шахт не опасных по метану. Представлены усовершенствованные методики инвентаризации источников пылегазовых выбросов от угольных шахт Подмосковного бассейна. Данные методики отличаются тем, что учитывается поглощение кислорода угольным пластом, выделения углекислого газа и радона в шахтный воздух.
Ключевые слова: источники пылегазовых выбросов, кислород, углекислый газ, радон, шахтный воздух, алгоритм, угольный пласт.
Горное производство, являясь одним из основных видов хозяйственной деятельности человека, приводящей к изменению природы, выражает себя в неминуемом изъятии вещества и изменении физических и химических характеристик окружающей природной среды. В соответствии со стратегией развития топливно-энергетического комплекса России доля угля в общем производстве топливных ресурсов возрастает до 20 %. Сегодня в основных
угледобывающих регионах помимо закрытия нерентабельных и технологически опасных шахт ведется реконструкция действующего шахтного и карьерного фонда, строительство новых предприятий [1 - 3].
В этих условиях особую значимость и актуальность приобретает задача совершенствования методик инвентаризации источников пылегазовых выбросов от угольных шахт Подмосковного бассейна, на основе изучения закономерностей миграции радона, поглощения кислорода и выделения углекислого газа из угольных пластов, для повышения достоверности оценки воздействия горных предприятий на приземный слой атмосферы
[3].
Оценка выбросов радона в шахтную атмосферу из подземных вод по результатам исследований, полученных группой ученых Московской геологоразведочной академии под руководством проф. П.А. Игнатова и сотрудниками кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды под руководством профессора Н.М. Качурина показала, что на общем водосливе шахт содержание радона в воде, как правило, менее 100 Бк/м , а в подземных водах, поступающих в дренажную систему очистных и подготовительных участков концентрация радона изменяется от 1700 до 22000 Бк/м [2 - 3]. Следовательно, шахтные воды будут являться источником радоно-выделений в вентиляционные, воздушные потоки (табл. 1).
Таблица 1
Содержание радона в подземных и поверхностных водах
№ пробы
Место отбора пробы
Содержание Ил, Бк/м3
1 2
3
4
5
6 7
8 и 12
9
10 11
13
14
15
16
17
18
19
20 21 22
23
24
Общий водослив шахты Дубовской
Упинский водоносный горизонт шахты Дубовской, скважины водопонижения Алексинский водоносный горизонт шахты Дубовской из скважины водопонижения
Упинский водоносный горизонт шахты Рассошинской из скважины водопонижения
Водоприток из ствола шахты Рассошинской, примерно из Тульского горизонта
Общий шахтный слив шахты Рассошинской
Родник на восточной окраине г.Узловая у больницы машзавода
Родник на северной окраине г.Богородицка
Плотоновский родник г,Тула
Общий водослив шахты Западной
Упинский водоносный горизонт скважины водопонижения шахты Западной Упинский водоносный горизонт скважины водопонижения карьера г. Богородицка
Водосток из карьера г. Богородицка с рабочего горизонта уч.3 Позднедевонский водоносный горизонт из скважины питьевого водоснабжения в карьере г.Богородицка
Упинский водоносный горизонт скважины водопонижения шахты .№77 Родник в левом борту р.Дон западнее с.Куликово Водослив с рабочего уступа карьера Ушаковский Водослив с отработанного уступа карьера Ушаковский
Упинский водоносный горизонт скважина водопонижения шахты Подмосковной Пруд - отстойник общего слива шахты Подмосковной Общий водослив шахты Бельковская
Упинский водоносный горизонт скважина водопонижения шахты Бельковская Общий слив шахты Прогресс_
<100 9,0-103
2,Ы03
5,0-103 <100 11,0103 <100 54>103 4,86^03 2,07-103 1,73^03
<100 1,95^03 <100
2,55^03 9,06^03 1,28^03 <100 <100 <100 <100 22,4-103 <100
Расчет газовыделений в шахтные вентиляцнонные выбросы производится на основе закономерностей миграции радона, поглощения кислорода и выделения углекислого газа из угольных пластов [1,2].
Для автоматизации инженерно-технических расчетов газовыделений в шахтные вентиляционные выбросы разработаны программы на объектно-ориентированном языке Borland Delphy 8.0 Architect Edition.
Алгоритм расчета интенсивности радоновыделения в шахтные вентиляционные выбросы заключается в следующем:
1. Формируется информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: D - коэффициент эффективной диффузии радона в угольном пласте, м~/с; X - постоянная радиоактивного распада радона, 1/с; IRn - источник выделения радона в поры и трещины угольного пласта, Бк/м3-с; с^- равновесная концентрация радона в твердой фазе,
о 9
Бк/м ; S - площадь поверхности обнажения угольного пласта, LK - длина дренажного канала, м; SK - площадь поперечного сечения дренажного канала, м2; J^^0 - масса радона, выделяющегося в воздух из единицы объема воды в точке £ = 0, Бк/м3 с; Jr^ixl - масса радона, выделяющегося в воздух из единицы объема воды в точке C = Lk, Бк/м3 с.
2.Рассчитывается интенсивность радоновыделения из породо-
уголъного массива: I
Rn*
1 Rn
)1л
Бк/м с.
3.Рассчитывается радоновыделения из угольного пласта: I^I^-S , Бк/с.
А.Рассчитывается интенсивность радоновыделения из подземных
шахтных вод: Iе =(j
I Rn
с=0
J Rn
Бк/с.
£=4 ) • ' ^к >
5 .Рассчитывается интенсивность радоновыделения в шахтных вентиляционных выбросах: = + , Бк/с.
Щелчком курсора на знаке файла «Projectl.exe» вызывается форма программного модуля показанная на рис. 1. Затем вносятся в соответствующие окна исходные данные и нажимают «Расчет». Исходные данные и результаты расчета радоновыделения в шахтных вентиляционных выбросах представлены в табл. 2.
Таблица 2
№ п/п Наименование параметра Обо-значе-ние Единицы измерения Среднее значение параметра Среднее значение выброса загрязняющего вещества. Бк/с
1 Коэффициент эффективной диффузии кислорода в угольном пласте D м'/с 0.0002
2 Постоянная радиоактивного распада радона X 0.000002 59444
3 Источник выделения радона в поры и трещины угольного пласта IRn Бк/м3 с 0.04
№ п/п Наименование параметра Обо-значе-ние Единицы измерения Среднее значение параметра Среднее значение выброса загрязняющего вещества, Бк/с
4 Равновесная концентрация радона в твердой фазе С у С Кш* Бк/м3 200
5 Площадь поверхности обнажения угольного пласта Б м2 15000
6 Длина дренажного канала Ьк м 1000
7 Площадь поперечного сечения дренажного канала Бк м2 1
8 Масса радона, выделяющегося в воздух из единицы объема воды в точке £, = 0 Бк/м3-с 0,15
9 Масса радона, выделяющегося в воздух из единицы объема воды в точке £ = Ьк Бк/м3-с 0,106
Интенсивность радо но выделен ил в шахтные вентиляционные выбросы
Исходные данные
Коэффициент эффективной диффузии радона в угольном пласте - 0 10,0002 Постоянная радиоактивного распада радона 10,000002 Источник выделения радона в поры и трещины угольного пласта - 1гп |0,04 Равновесная концентрация радона в твердой Фазе ■ Сгп* 1200 П лощадь поверхности обнаженного угольного пласта - Б 1150000 Длина дренажного канала - 1_к [ТООО Площадь поперечного сечения дренажного канала - 5к ^
[0Л5
Масса радона, выделяющегося в воздух из единицы объема воды в точке Е = 0 ■ игпО Масса радона, выделяющегося в воздух из единицы объема воды в точке Е = 1000 - игп1000
10,106
Результат
Интенсивность радоновьщеления из породоугольного массива (с 1 м2) - 0,396 Бк/(м2 с) Разовый выброс радона из угольного пласта - 59400 Бк/с Интенсивность радоновыделения из подземных шахтных вед ■ 44 Б к/с И нгенсивность радоновыделения в шахтных вентиляционных выбросах - 59444 Бк/с
Расчет
Выход
Рис. 1. Форма программного модуля
Алгоритм расчета интенсивности поглощения кислорода и вы-делениуглекислого газа в шахтах заключается в следующем:
¡.Формируется информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: Св - средняя массовая концентрация кислорода в шахтном воздухе, мг/м ; рка - плотность кислорода при атмосферном давлении, кг/м ; руга - плотность углекислого газа при атмосферном давлении, кг/м3; Г - константа динамического равновесия процесса сорбции (константа Генри), м
6/кг2; Кс
- константа скорости взаимодействия кислорода с углем, 1/с; Б - коэффициент эффективной диффузии кислорода в угле, м/с; 5 - площадь поверхности обнажения угольного пласта, м2.
2. Рассчитывается интенсивность поглощения кислорода поверхностью обнажения угольного пласта: = 10 6 Св ГКсВ °'5, м3/м2 с.
3. Рассчитывается поглощение кислорода поверхностью обнажения угольного пласта: Мк =1031уд* • 5 • ркм. г/с; Ск = 31,536 Мк, т/год.
4. Рассчитывается выделение углекислого газа поверхностью обнажения угольного пласта: МУГ = 1031уд* • • ругм. 103 г/с; СУТ = 31,536 МУГ, т/год.
Щелчком курсора на знаке файла «Projectl.exe» вызывается форма программного модуля, показанная на рис. 2. Затем вносятся в соответствующие окна исходные данные и нажимают «Расчет».
■У Интенсивность помощенил кислорода и выделения углекислого газа в шахтах Исходные данные
Объемная концентрация кислорода на контакте вентиляционной [о~2
струи с поверхностью обнажения угольного пласта ■ Соб, дол.ед. 1 _
Плотность кислорода при атмосферном давлении • рк.,кг/мЗ 11,423
Плотность углекислого газа при атмосферном давлении - руг.а.,кг/мЗ |1,98 Константа динамического равновесия процесса сорбции - Г |1
Константа скорости взаимодействия кислорода с углем • Кс,1/с 10.00002 Коэффициент эффективной диффузии кислорода в угле - D,m2/c 10,00000066 Площадь поверхности обнажения угольного пласта • S,m2 |150000
Расчет
Интенсивность поглощения кислорода поверхностью обнажения угольного пласта - 0,0 Объем поглощенного кислорода составит - 4,9182 т/год 155,1005 г/с Объем выделения углекислого газа составит • 6,8434 т/год, 215,8109 г/с
< _
Расчет Выход
Рис. 2. Форма программного модуля
Исходные данные и результаты расчета интенсивности поглощения кислорода и выделения углекислого газа в шахтах представлены в табл. 3. Сравнение результатов вычислительных экспериментов с данными многочисленных натурных наблюдений показывает, что разработанные математические модели газообмена дают хорошую сходимость. Следует также отметить, что радоновый фактор для шахт Подмосковного угольного бассейна является в ряде случаев более значимым, чем, например, выделение углекислого газа. Наряду с выбросами загрязнителей в атмосферу на территории промплощадок угольных шахт, необходимо учитывать, поглощение кислорода разрабатываемым угольным пластом, а также расходование кислорода при технологических процессах на поверхностном технологическом комплексе.
Разработанные и апробированные комплекты программных средств для расчета пылегазовых выбросов от источников поверхностного технологического комплекса шахт Подмосковного бассейна позволяют автоматизировать процесс инвентаризации источников загрязнения атмосферы. Расчет газообмена шахты с приземным слоем атмосферы выполняется в соответствии с формой федерального государственного статистического наблюдения № 2-ТП (воздух) «Сведения об охране атмосферного воздуха». В данную форму наблюдения внесены сведения по пылегазовым выбросам не только надшахтных зданий, но и выбросы в атмосферу радона, углекислого газа, а также включено в инвентаризацию поглощение кислорода угольными пластами.
Таблица 3
Исходные данные и результаты расчета интенсивности поглощения кислорода и выделения углекислого газа в шахтах
№ Наименование Обо- Едини- Среднее Среднее
п/п параметра зна- цы значение значение
че- измере парамет- поглоще-
ние -ния ра ния и выделения газа т/год (г/с)
1. Средняя массовая концентрация мг/м3 поглоще-
кислорода в шахтном воздухе Св 270967 ние О2
2. Плотность кислорода при атмосферном давлении Рк.а. кг/м3 1,43 4,92 (0,156)
3. Плотность углекислого газа при атмосферном давлении руг.а. кг/м3 1,98
4. Константа динамического равновесия процесса сорбции Г 6, 2 м /кг 1 выделение СО2
5. Константа скорости взаимодействия кислорода с углем Кс м/с 2-10-6 6,84 (0,217)
6. Коэффициент эффективной диффузии кислорода в угле D м2/с 6-10-7
7. Площадь поверхности обнажения угольного пласта S 2 м 150000
Для автоматизации заполнения данной формы удобно пользоваться разработанными программами, написанными на объектно-ориентированном языке Borland Delphy 8.0 Architect Edition. Для этого необходимая расчетная величина любой из программ копируется с помощью буфера обмена рис. 3, а потом вставляется в соответствующую строку и столбец необходимого раздела формы 2-ТП «Воздух» (рис. 4).
Интенсивность поглощения кислорода и выделения углекислого газа в шахтах
Исходные данные
Объемная концентрация кислорода на контакте вентиляционной [д~2
струи с повернностью обнажения угольного пласта - Соб, дол.ед. 1 _
Плотность кислорода при атмосферном давлении ■ рк., кг/мЗ 11,423
Плотность углекислого газа при атмосферном давлении ■ руг.а.^кг/'мЗ 11 ,Э8
Константа динамического равновесия процесса сорбции ■ Г [1
Константа скорости взаимодействия кислорода с углем ■ Кс,1 /с 10,00002
Коэффициент эффективной диффузии кислорода в угле ■ 0,м2/с 10,00000066 Площадь поверхности обнажения угольного пласта - 5,м2 |150000
Расчет
Интенсивность поглощения кислорода поверхностью обнажения угольного пласта ■ 0,0 Объем поглощенного кислорода составит - 4,9182 т/год 155,1005 г/с Объем выделения углекислого газа составит - ё,843а1
Расчет
Отменить
Вырезать
Копировать
Вставить Удалить
Выделить все
(>]
Рис. 3. Форма программного модуля
Рис. 4. Раздел формы 2-ТП «Воздух»
Практическое использование усовершенствованной методики инвентаризации пылегазовых выбросов территориях угледобывающих районов рассмотрено на примере типовой угольной шахты Подмосковного бассейна. Оценивая в целом разработанные алгоритмы и комплекс программных средств, следует отметить, что системный подход к оценке техногенного воздействия на атмосферу является основой обеспечения безопасного состояния рудничной атмосферы и экологической безопасности, которые взаимосвязаны и решаются в едином комплексе обеспечения безопасности жизнедеятельности горного предприятия.
Список литературы
1. Соколов Э.М., Качурин Н.М. Углекислый газ в угольных шахтах. М. Недра. 1987. 142 с.
2. Аэрогазодинамика углекислотообильных шахт /Н.М. Качурин, Р.А. Ковалев, А.Л. Бобовников и др. // М. Изд. МГГУ. 2005. 302c.
3. Загрязнение атмосферы топливно-энергетическим комплексом при использовании углей Подмосковного бассейна / Н.М. Качурин, Поляков В.В., Ефимов В.И., Стась Г.В. // Москва -Тула. Изд. "Гриф и К". 2004. 243 с.
G. V. Stas, V.A. Fatuev, I.I. Ageev
FORECASTING INTERCHANGE OF GASES IN ATMOSPHERE OF THE MOSCOW COAL BASIN MINES
Algorithm and program system for forecasting interchange of gases in atmosphere of not dangerous by methane factor mines are demonstrated. Improved methods of powder-gas emission from the Moscow Coal Basin mines inventory are shown. Differences of these methods consist of taking into account of consuming oxygen by coal seam, emission into mining air of carbonic acid and radon.
Key words: sources of powder-gas emission, oxygen, carbonic acid, radon, mining air, algorithm, coal seam.
Получено 17.02.2012
УДК 331.4:622.271
Г.В. Стась, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, galina stas@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Сарычев, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ТРУДА ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ
Рассмотрена проблема безопасности условий труда при разработке полезных ископаемых открытым способом.
Ключевые слова: охрана труда, травматизм, карьер, горные работы, месторождения полезных ископаемых.
Проблема безопасности труда не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горнодобывающей промышленности. Анализируя данные по состоянию основных промышленно-произ-водственных фондов на предприятиях горнодобывающей промышленности России, можно констатировать тот факт, что коэффициент износа оборудования составляет 47,5 %. Высокая цена отказов, особенно катастрофи-
