Управление газовыделением и выбор рациональных аэродинамических параметров выработок выемочных участков при разработке мощных и средней мощности угольных пластов

Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 23 сентября I98I г. 939 «О мерах по ускорению технического перевооружения шахт Министерства угольной промышленности СССР** предусмотрено обеспечение прироста объема добычи угля и улучшение условий труда и техники безопасности. В Карагандинвком бассейне к 1985 г. добыча угля достигнет 50 млн. т в год, из них коксующихся углей будет добываться около 30 млн. т в год. Одним из факторов, сдерживающих дальнейший рост подземной добычи угля в Караганде, является высокая газообильность шахт. Из 26 шахт бассейна 25 отнесены к сверхкатегорийным. В бассейне проводится значительная работа по реконструкции вентиляции, разрабатываются и реализуются дорогостоящие мероприятия по обеспечению шахт потребным количеством воздуха. В настоящее время все шахты расчетным количеством воздуха обеспечены, однако, имеются отдельные случаи превышения допустимых концентраций метана в исходящих струях выемочных участков. Одной из причин этого является то, что неравномерность газоввделения в очистные забои значительно превышает величины, принятые нормативными доку1ЮНтами. Особенно возросла неравномерность газоввделения с внедрением в производство бесцеликовой технологии выемки угля на мощных и средней мощности пластах. Низкая устойчивость проветривания связана с изменением аэродинамических сопротивлений выемочного участка под воздействием опорного горного давления и резкими колебаниями барометрического давления в осенне-зимний период. Все это сведетельствует о том, что для обеспечения устойчивохю проветривания и снижения неравномерности газовцделения в очистные забои вентияяциошогю сеть необходимо проектировать с учетом пропускной способности внработокподвервенянх влиянию горного давления и особенностей газовой динамики выработанного пространства* Таким образом, управление гаэовцделением при отработке мощных и средней мощности пластов с учетом особенностей изменения аэродинамических параметров выемочного участка является актуальной научной зедачей, решение которой обеспечивает повшение безопасности труда горыорабочих. Цель работыУстановление закономерностей формирования га зовцдедения и изменения аэродинамических сопротивлений выработок для управления тазовцделением выемочных участков при отработке мощных и средней мощности угольных пластов, обеспвчиваацих повышение безопасности горнорабочих. Идея работы заключается в управлении газовцделением из выработанного пространства изменением узловых депрессий на сопряжении очистного забоя с вентиляционной в||работкой цутем рационального подбора аэродинамических сопротивлений воздухоподавцих и воздухоотводящих выработок с учетом колебаний барометрического давления. Основные научные поломения. разработанные соискателем и новизна: установлено, что аэродинамическое сопротивление выработок выемочного участка, подверкенннх влиянию очистных работ, возрастает по экспоненциальной зависимости с уменьшением расстояние! до линии очистного забоя. Степень изменения аэродинамического сопротивления определеяется составом вмещавщих пород, способом охраны выработок и видом крепидоказано, что дополнительное газовщделение из выработаниого пространства при шдкении барометрического давления зависит не только от роста скорости и длительности его паденияно и от объема газовоадушйой смеси в выработанном пространстве прояица* емости и пустотности обрушеяншс породустановлено, что повшешшй коаффициент неравномерности газовцделения из внемочного участка 1фи бесцеликовнх схемах подготовки обусловлен не только изменением газовчделения из В1фаботанного пространства за счет колебаний барометрического давлении, но и газовцделением за счет депрессииусоздаваемой вентилятором главного проветривания на сопряжении очистного забоя с вентиляционной выработкой. Управление газовцделением внемочного учистка в указанных условиях обеспечивается выбором рационадьтог сечений в||работох участка и мест установки регуляторов расэюда возда Достоветяоеть научных полояений. выводов и рекомендапий работы обоснована: корректным использованием методов иняеиерно-логического анализа, математического моделирования аерогазодинамических процессов, математической статистики и теории вероятностивыбором представительных объектов исследования и представительностью наблвдений, количество которых определено в соответствии с требованиями теории рационального планирования експериментов 200 определений газового баланса и более 500 измерений аеродннамических характеристик на 17 выемочных участKia) — удовлетворительной сходимостью результатов натурных опытов и теоретических расчетов (расхощдение не более 1С%) — практикой производственной деятельности производственного объединения **Карагандауголь* по управлению газовцделением в атмосферу внемочного участка. Значение работа» Научное значение работы заклпчаетея в установлении закономерности формирования газоввделения и изменений аеродинамических сопротивлений выработок выемочных участковпозводявщих обосновать принципы управления газовццелениен в условиях применения прогрессивных бесцеликовых схем отработки мощных и средней мощности пологих уголыик пластов. Практическое значение заклпчаетея в разработке принципов управления газоведелеинем, включапцях рекомендации по расчету максимального газоввделения и выбору аэродинамических параметров выработок выемочного участка, позволящих обеспечить устойчивое проветривание участка за весь период его функционирования. Разработана методика исследований газовой динамики очистных забоев с применением условий «заторможенного** воздушного потока на участке, позволяхщая перейти от многофакторных связей исследуемых параметров к однофакторной связи газовцделения и депрессии. Реализаиия результатов диссеапии. Принципы управления газоввщелением и выбора рациональных аэродинамических параметров выработок выемочных участков в условиях применения бесцеликовых схем отработки мощных и средой мощности пологих угольных пластов включены в разработанные автором „Рекомецдации по расчету максимального газовцделения и определению рециональншс аэродинамических параметров выработок выемочного участка** „утверщденнне ВостНИИ. Внедрение данных рекомендаций на шахтах **Карагацдинская**, им. Костенко, им.50-детия Октябрьской революции,**Со10грсхая* д/о *Карагацддуголь** позволило значительно повысить надежность проветривания и безопасность, ведения горных работ. I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР I.I. Современное состояние вопроса об аэродинамическом сопротивлении выработок Аэродинамическое сопротивление штрекообразных горных выработок и шахтных стволов изучено достаточно подробно. Большие работы в этом направлении проведены под руководством акад. А. А. Скочинского профессорами В. Б. Комаровым, А.И.Ксенофонтовой“ В. Н. Ворониным, Ф. А. Абрамовым и рядом других исследователей I, Z, J* Работы перечисленных авторов посвящены определению коэффициентов аэродинамического сопротивления только что про1енных вьфаботок и не учитывают динамики этих коэффициентов во времени. Работы последних лет посвящены уточнению коэффициентов аэродинамического сопротивления горных выработок применительно к новым ввдам крепи 3 J. В процессе эксплуатации под действием горного давления первоначальные размеры выработок изменяются, увеличивается шероховатость, выработки загромождаются оборудованием, породой. Определению поправочных коэффициентов, учитывающих старение горных выработок посвящены работы fV, /s, /s, /7, /а J, ДРУгие реА.А.Дзвдзигури JT, П. И. Мустель С J аэродинамического сопротивления 70 первоначального значения Ji оС о комецдуют вводить поправочные коэффициенты на величину коэффициента в зависимости от условий проведения данной выработки. Причем поправка колеблется от 15 до Исследования А. М. Карпова, Ы. А. Патрушева и В. А. Емельянова проведенные в условиях Донецкого бассейна, показывают, что фактические сопротивления в некоторых случаях в 1,2−4,5 раза превышают проектные. В работах /“ /Z /Р ента J исследованы изменения коэффициоС во времени для условий Карагавдинского бассейна, вне Анализ результатов депрессионных съемок показывает, что доля депрессии выработок выемочных участков достигает 40 общей депрессии маршрута от клетевого ствола до вентилятора. Больше других подвержено изменениям, лимитирующим пропускную способность выемочного участка по воздуху, сопротивление вентиляционного штрека. Фактические значения аэродинамического сопротивления вентиляционных штреков, полученные на шахтах Карагацдинского бассейна сотрудниками кафедры рудничной аэрологии и охраны трупа Карагацдинского политехнического института, отличаются от проектных в 2,5−5,0 раз С* J» Изменение аэродинамического сопротивления выработок в зоне влияния очистных работ тесно связано с величиной смещения (конвергенции) боков и кровли-почвы вьфаботок. В работе С J отмечается, что зона опорного давления в зависимости от углов падения и мопрости пластов, свойств вмещащих пород, а также длины лавы колеблется в пределах 80-f 135 м. Измерения, проведенные на шахтах им. Костенко и им.50-летия Октябрьской революции по пласту KJ2*показывают, что заметная конвергенция выработок начинается примерно в 80 м от линии очистного забоя верхнего слоя и 125 м от линии очистного забоя нижнего слоя. Установлено, что конвергенция выработок описывается экспонентой веда зоны влияния очистных работ, исге (I.I) ft При обратном порядке отработки и полном обрушении кровли входа в лаву при Sot//fa/rp да из лавы при Sp/Su/rp О"6−1,1 равен 10,0, а 0,5−1,5 равен 14,0, где ff/x, А выхоЗцтр щадь поперечного сечения соответствующего штрека. Однако все эти данные получены для условий шахт Донбасса и аналогичных бассейнов, где разрабатываются тонкие и малой мощности пласты. Для условий Карагандинского бассейна они не пригодны. Аэродинамическое сопротивление механизированных крепей типа КМ-87, КМ-97, ОМКТ изучается с бО-х годов, то есть с начала их внедрения. Определению удельных сопротивлений лав, оборудованных механизированными крепями, в зависимости от вынимаемой мощности пласта посвящено много работ, в том числе l3a, Jf, 3?, 33j34tj3S, 3Sj, Исследования, результаты которых описаны в перечисленных работах, проводились для очистных забоев, оборудованных комплексами КМ-87, КМ-97 при вынимаемой мощности пласта от 0,9 до 1,4 м. Определению зависимости аэродинамического сопротивления выработок от мощности пласта посвящены также работы ученых из ФРГ Г J* В условиях Карагандинского бассейна коэффициент аэродинами"ческого сопротивления CJ оС для очистных забоев, оборудованных комплексагш ОМКТ, КМ-97, КМ-ЮО, определялся сотрудниками КНИУИ и кафедры рудничной аэрологии Карагандинского политехниCJ* Общий анализ литературных источников показывает, что аэродинамическое сопротивление элементов вентиляционной сети выемочного участка для условий мощных и средней мощности пластов изучено недостаточно. В частности, не установлен характер изменения во времени величин аэродинамического сопротивления выработок в зонах опорного давления очистных работ при возвратноточной схеме проветривания, отсутствуют обоснованные данные для указанных ческого института.

Выводы.

I.B производственных условиях шахт экспериментально доказана зависимость газовьщеления из очистного забоя от величины узловой депрессии сопряжения с вентиляционным штреком.

2"На основе теоретических исследований и эмпирических данных установлена прямолинейная зависимость газовццеления в горные выработки от статического давления. Эта зависимость справедлива для пластов с низкой газопроницаемостью угля (например, пласт Kjq).Для пластов с высокой газопроницаемостью угля (например, пласт Kj?> эта зависимость может иметь иной характер.

3.Разработана методика экспериментальных исследований газовой динамики очистного забоя, позволяющая перейти от сложной многофакторной связи исследуемых параметров к более простой од-нофакторной зависимости. Необходимым условием для получения прямой связи между объемом газовццеления в очистном забое и величиной депрессии является наличие предварительно «заторможенного» воздушного потока на участке.

4.Для условий пласта Kjq Карагандинского бассейна получены эмпирические формулы для расчета газовццеления из очистного забоя в зависимости от величины барометрического давления на сопряжении лавы с вентиляционным штреком, а также при совместном влиянии двух факторов: и суточной производительности лавы. Контрольные расчеты в очистных забоях по пласту Kjq подтвердили достаточную точность полученных формул.

5.Результаты проведенных Исследований дают возможность sss предложить ряд рекомендаций по совершенствованию проектирования ч вентиляции шахт с целью снижения величины депрессии в очистных забоях, например, за счет сокращения длины и увеличения площади поперечного сечения выработок с поступающей струей воздуха и исключения установки в этих выработках регулирующих вентиляционных устройств.

6. Установлено, что неравномерность газоввделения в горные выработки, обусловленная колебаниями атмосферного давления, значительно превышает нормативные значения, определяемые по технологическим и горногеологическим факторам.

7. В результате аналитических исследований установлен вид функциональной зависимости приращения газоввделения от тенденции перепадов атмосферного давления.

8. В результате натурных наблюдений в шахте установлены численные значения параметров функциональной зависимости приращения газоввделения от тенденции перепадов атмосферного давленияполученные полуэмпирические формулы позволяют прогнозировать колебания газоввделения, вызванные изменением атмосферного давления, в зависимости от атмосферного давления и его тенденции, геометрии выработки и времени.

9. Колебания атмосферного давления существенно влияют на газоввделение в пределах выемочного участка. В том случае, когда вентиляционные выработки пройдены вприсечку к ранее отработанным полям, изменение атмосферного давления может привести к увеличению или уменьшению газоввделения на 40−60%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссетрационной работе дано новое решение актуальной для угольной промьшленности научной задачи управления газовыделением при отработке мощных и средней мощности угольных пластов с учетом особенностей изменения аэродинамических параметров выемочного участка, обеспечивающих повышение безопасности труда горнорабочих.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем :

1. Установлена закономерность изменения аэродинамического сопротивления выработок выемочного участка, подверженных влиянию очистных работ, в зависимости от расстояния до линии очистного забоя. Для всех типов участковых выработок предложены эмпирические зависимости изменения аэродинамического сопротивления вьфаботок от расстояния до очистного забоя и времени их существования, что позволяет выбрать сечение выработок, обеспечивающих устойчивое проветривание участка.

2. Разработана методика экспериментальных исследований газовой динамики очистных забоев, позволяющих перейти от сложных многофакторных связей исследуемых параметров к однофакторной с применением условий «заторможенного** воздушного потока на участке.

3. Установлена закономерность изменения газовцделения из выработанного пространства от барометрического давления с учетом скорости и длительности падения давления, а также с учетом физических свойств горных пород и технологических факторов.

Установлено, что повышенный коэффициент неравномерности газовыделения из выемочного участка при бесцеликовых схемах подготовки обусловлен не только дополнительным газовыделением из выработанного пространства за счет изменения барометрического давления" но и газоввделением за счет узловой депрессии сопряжения очистного забоя с вентиляционной вцработкой.

4. Определены особенности влияния колебания атмосферного давления на газовыделение в пределах выемочных участков и подготовительных выработок, проходимых по ранее отработанным участкам. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден объем газовцделения из выработанного пространства при изменении барометрического давления. Установлено, что изменения атмосферного давления могут привести к увеличению или уменьшению газовыделения в пределах участка на 40−6056, а при проведении подготовительных забоев по обрушенным 'породам выработанного пространства до 5−8 раз.

5. Обоснованы принципы управления газоввделением из выработанного пространства и разработаны рекомендации по расчету максимального газовцделения и выбору аэродинамических параметров выработок выемочных участков. Сущность рекомендации заключается в том, что для уменьшения газоввделения из выемочного участка необходимо обеспечить минимальное аэродинамическое сопротивление выработок, подводящих воздух к лаве. Поэтому, при отрицательном регулировании количества воздуха, подаваемого на участок, дросселирующие устройства следует устанавливать только на вентиляционном горизонте.

Для снижения газоввделения из выработанного пространства предпочтительна нагнетательная схема проветривания.

6. Принципы управления газоввделением и выбора рациональных аэродинамических параметров выработок выемочных участков в условиях применения бесцеликовых схем отработки мощных и средней мощности п ологих угольных пластов вошли в «Рекомендации по расчету максимального газовьщеления и по определению рациональных параметров выработок выемочного участка при разработке мощных пологих пластов Карагандинского бассейна» .

Рекомендации внедрены на шахтах «Карагандинская», им. Кос-тенко, им.50-летия Октябрьской Революции," Сокурская" ПО «Кара-гаццауголь», что позволило подучить значительный социальный эффект за счет повышения надежности проветривания и безопасности ведения горных работ.