Ермолаев, Алексей Михайлович Обоснование способов и средств эффективного проветривания тупиковых выработок угольных шахт :

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение... 7

Глава 1. Состояние изученности проблемы, цель и задачи исследования... 16

1.1. Актуальные проблемы разработки угольных пластов при комплексно-механизированной технологии очистной добычи ... 16

1.2. Метановыделение в подготовительные выработки... 27

1.2.1. Природная метаноносность угольных пластов... 27

1.2.2.Методы определения газоносности угольных пластов и пород... 34

1 2.3. Факторы, влияющие на газовыделение в подготовительные выработки.. 40

1.3. Актуальные аспекты проблемы проветривания подготовительных тупиковых выработок... 47

1.4. Анализ загазирований подготовительных выработок на шахтах Кузбасса. 52

1.5. Влияние утечек воздуха из става вентиляционных труб на надежность проветривания тупиковой подготовительной выработки... 63

1.6. Экологические аспекты рассматриваемой темы... 68

Выводы, цель и задачи исследований... 80

Глава 2. Основные критерии и принципы создания устройств по количественной оценке утечек воздуха из става вентиляционных труб при нагнетательном проветривании... 83

2.1. Анализ существующих способов оценки утечек воздуха из става вентиляционных труб. Достоинства и недостатки... 83

2.2. Выбор и обоснование основных функциональных критериев оценки утечек воздуха из става вентиляционных труб... 86

2.3. Описание конструкции устройства для прямого непосредственного количественного определения и оценки утечек воздуха на линейном участке става вентиляционных труб ... 87

2.4. Конструктивные изменения в стенде для количественной оценки утечек

из соединений вентиляционных труб... 89

2.5. Достоинства разработанного устройства для прямого непосредственного количественного определения и оценки утечек воздуха из става вентиляционных труб... 91

3

Глава 3. Аэрогазодинамика в тупиковой подготовительной выработке... 93

3.1. Аэрогазодинамика выработки, подводящей вентиляционный поток к тупиковой выработке и отводящей от нее... 93

3.2. Аэродинамика тупиковой подготовительной выработки... 96

3.3. Газодинамика тупиковой выработки... 98

3.4. Аэрогазодинамика системы «Вентилятор и став вентиляционных труб»... 101

3.5. Программа расчетов аэродинамических параметров системы «Вентилятор и став гибких шахтных вентиляционных труб в подготовительном тупиковом забое»... 104

3.6. Результаты расчетов параметров става вентиляционных труб, работающих с вентилятором ВМ-бм... 107

3.7. Аэрогазодинамика системы «Став гибких шахтных вентиляционных труб и подготовительной тупиковой выработки»... 108

3.8. Неприспособленность аэродинамики става вентиляционных труб к потребностям аэродинамики подготовительной выработки... 112

Глава 4. Слоевые и местные скопления метана в тупиковых подготовительных выработках... 116

4.1. Слоевые скопления газов... 116

4.2. Технические и организационные средства, применяемые для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана... 120

4.3. Опыт борьбы со слоевыми скоплениями метана при проходке подготовительных выработок... 126

4.3.1. Из опыта борьбы со слоевыми скоплениями средствами вентиляции... 126

4.3.2. Результаты применения ограждающей дегазации... 131

4.4. Условия и механизм возникновения слоевых скоплений метана в подготовительной выработке... 132

4.5. Условия неизбежного (гарантированного) возникновения слоевого или местного скопления метана по длине подготовительной тупиковой выработ- 137 ки

4.6. Влияние утечек воздуха из става вентиляционных труб на возникновение и предупреждение слоевых и местных скоплений метана в тупиковой подготовительной выработке... 140

4.7. Расчет необходимых величин утечек воздуха из става вентиляционных труб для предупреждения создания условий слоевого и местного скопления

метана по длине тупиковой подготовительной выработки... 142

Глава 5. Конструкции соединений вентиляционных труб... 146

5.1. Обзор конструкций соединений гибких шахтных вентиляционных труб... 146

5.2. Обоснование и принципы создания новых конструкций соединений вентиляционных труб, повышающих надежность проветривания тупиковой вы- 152 работки...

5.3. Новые конструкции соединений вентиляционных труб... 154

5.3.1. Конструкция соединений СВТ-1... 155

5.3.2. Конструкция соединений СВТ-2... 156

5.3.3. Конструкция соединений с распорным устройством РУ-1... 157

5.4. Конструкции соединений ГШВТ с элементами средств отвода свежего воздуха из става для борьбы со слоевыми скоплениями метана у кровли выработки... 161

5.4.1. Конструкция соединений СБМ-1... 163

5.4.2. Конструкция соединений вентиляционных труб СБМ-2... 165

5.4.3.Конструкция соединений вентиляционных труб СБМ-3 166

5.5. Перспективы дальнейшего совершенствования соединений гибких шахтных вентиляционных труб... 167

5.6. Ремонт и восстановление работоспособности става вентиляционных

труб... 169

Глава 6. Лабораторные исследования... 175

6.1. Подобие и моделирование газодинамических процессов... 175
Введение

6.2. Актуальность и необходимость проведения лабораторных исследований. 177

6.3. Методика лабораторных испытаний стыковых соединений вентиляционных труб на надежность и результаты испытаний... 185

5

6.4. Методика и результаты лабораторных испытаний соединений вентиляционных труб на герметичность... 187

6.5. Опытно- промышленные испытания соединений вентиляционных труб типа СВТ-1 и СВТ-2... 189

6.6. Сведения об изготовлении и распространении соединений вентиляционных труб типа СВТ-2 на шахтах Кузбасса... 191

6.7. Методика проведения лабораторных исследований средств отвода свежего воздуха из става вентиляционных труб... 192

6.8. Некоторые результаты лабораторных исследований... 194

Глава 7. Аэродинамика става вентиляционных труб, оборудованных соединениями нового типа... 204

7.1. Аэродинамика става вентиляционных труб с соединениями типа СВТ-1

и СВТ-2... 204

7.2. Аэродинамика става вентиляционных труб, оборудованных соединениями с элементами отвода свежего воздуха из става для борьбы с местными и

слоевыми скоплениями метана у кровли выработки... 209

Глава 8. Математические модели расчета потребного количества воздуха

для вымывания слоевых и местных скоплений метана... 213

8.1. Теоретические основы и современные представления об условиях вымы-ва, аккумуляции, консервации вредностей горного производства воздушным потоком... 213

8.2. Некоторые новые аспекты теории вымывания слоевых и местных скоплений метана у кровли подготовительных выработок с применением элементов отвода свежего воздуха из вентиляционного става... 223

8.3. Математические модели расчета потребного количества воздуха для продвижения слоевого скопления на выход... 231

8.3.1. Прогноз метановыделения в подготовительные выработки в шахтах с высоконагруженными забоями... 231

8.3.2. Математическая модель потребного количества воздуха для продвижения слоевого скопления метана на выход в выработках, проводимых по углю

с равномерным газовыделением при гидроотжиме... 235

6

8.3.3. Методика расчета потребного количества воздуха для продвижения слоевого скопления метана на выход в выработках, проводимых по углю с геологическими нарушениями и обильным или суфлярным выделением метана ... 240

8.3.4. Математическая модель расчета потребного количества воздуха для продвижения слоевого скопления метана на выход в квершлагах... 243

8.4. Математическая модель расчета потребного количества воздуха для удаления метана по всей выработке... 246

8.5. Математическая обработка результатов экспериментальных наблюдений. 248 Глава 9. Оценка эффективности вымыва метана из слоевых и местных скоплений с помощью отвода свежего воздуха из става вентиляционных труб... 270

9.1. Социально - экономическая эффективность решения экологических проблем по защите воздушного бассейна от выбросов... 270

9.2. Взвешивание осевшей пыли в подготовительных выработках при использовании средств отвода свежего воздуха из вентиляционного става для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана... 271

9.3. Оценка эффективности вымыва метана из слоевых и местных скоплений

с помощью отвода свежего воздуха из става вентиляционных труб... 274

9.4. Методика определения экономической целесообразности применения средств отвода свежего воздуха из вентиляционного става для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана при проходке тупиковых подготовительных выработок... 281

Заключение... 286

Список литературы... 288

Приложения I... 313

Приложения II... 315

Приложения III... 316

7 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В связи с принятым в передовых угледобывающих странах (США, Австралия, Германия, ЮАР и др.) направлением на сверхконцентрацию горных работ, когда вся многотысячная суточная добыча шахты обеспечивается одной (максимум двумя) комплексно-механизированной лавой, и неизбежным заимствованием подобной технологии угольной промышленностью РФ возникает острейшая необходимость ускоренной и безопасной подготовки таких суперлав одиночными тупиковыми подготовительными выработками при максимально возможных размерах выемочных участков, чтобы прежде всего свести к минимуму простои в добыче из-за частого перемонтажа добычного комплекса из одной лавы в другую. Ускоренную проходку таких выработок тормозит высокая газообильность забоя и местные скопления метана на протяжении выработки. Существующие конструкции соединений гибких вентиляционных труб имеют большие утечки и не обеспечивают подачу необходимого количества воздуха в забой в экстремальных условиях. Попытки рационального использования общешахтной депрессии, создаваемой главными вентиляторами, путем сокращения длины тупика, в котором метан разбавляется свежим воздухом вентилятором местного проветривания, за счет проходки парных выработок со сбойками, вентиляционных печей, делящих участок на блоки, значительно удорожают подготовку участка к выемке и создают дополнительные опасные условия при переходе лав через такие печи. Регламентируемые Правилами безопасности способы и средства устранения местных скоплений метана были разработаны применительно к тонким пластам и для выработок небольшой протяженности. Для пластов средней мощности и мощных, когда метан выделяется в выработку по всему ее периметру, и для скоростной проходки длинных одиночных выработок они должны быть усовершенствованы. Соответственно должны быть дополнительно научно обоснованы и скоррек-

8

тированы и методы расчета параметров проветривания длинных тупиковых подготовительных выработок.

Актуальность исследований в данном направлении подтверждают следующие практические данные:

- слоевые и местные скопления метана являются очагами, начиная с которых происходят опасные для шахтеров вспышки и взрывы метана, а затем и угольной пыли, и служат каналами распространения горения метана на большие расстояния;

- по числу аварий и жертв от взрывов метана и угольной пыли угольная промышленность РФ в 20 раз опережает США;

- на долю подготовительных выработок приходится в 1,5-2,5 раза больше воспламенений метана, чем на очистных (в 2001 г. из 5 взрывов на шахтах Кузбасса 4 произошли в подготовительных выработках).

Расчет расхода воздуха для таких выработок осуществляется из условия разжижения метана до допустимых концентраций. Однако, как показывает практика, такой расход воздуха не гарантирует, что не будет образований местных и слоевых скоплений метана в выработке по ее длине. Это обусловлено как сложной структурой аэрогазодинамики вентиляционной струи в выработке и аэродинамики вентиляционного става, так и тем, что плотности воздуха и метана почти в 2 раза отличаются друг от друга. Слоевые скопления метана образуются у кровли выработки даже при достаточно высокой скорости движения воздушного потока и в местах, подчас необъяснимых без анализа аэрогазодинамики системы «став вентиляционных труб - тупиковая подготовительная выработка». Поэтому разработка методов расчета параметров аэрогазодинамики выработки и става вентиляционных труб по всей длине тупиковой выработки и создание средств эффективного проветривания забоя и предотвращения местных скоплений метана на ее протяжении является актуальной научной проблемой.

Диссертационная работа выполнена в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» в соответствии с тематическими плана-

ми научно-исследовательских работ ВостНИИ, отраслевыми программами НТГА (Научно-техническая горная ассоциация) и хоздоговорами с угольными объединениями «Ленинскуголь» и «Северокузбассуголь», а также с отдельными шахтами: «Первомайская», .«Березовская», «Октябрьская», «Рас-падская» и им. 7 Ноября.

Целью работы является обоснование способов и средств эффективного проветривания тупиковых выработок угольных шахт, обеспечивающих доставку требуемого количества воздуха в забой протяженных выработок и ликвидацию скоплений метана по длине выработки.

Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей газодинамики тупиковых выработок и системы «вентилятор - став вентиляционных труб» для обосновании технических и технологических решений эффективного проветривания протяженных подготовительных выработок при скоростной проходке.

Задачи исследований:

- оценить утечки воздуха на линейном участке става вентиляционных труб и в их соединениях;

- изучить аэродинамику выработки, подводящей вентиляционный поток к тупиковой выработке и отводящей от нее;

- исследовать газодинамику тупиковых выработок;

- разработать методику расчетов аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб»;

- выявить условия и наиболее вероятные места слоевых и местных скоплений метана по длине тупиковой выработки;

- разработать технические решения по повышению надежности и герметичности става вентиляционных труб;

- обосновать и разработать конструкции соединений гибких шахтных вентиляционных труб с элементами средств отвода свежего воздуха из става для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана у кровли подготовительной выработки.

10

Методы исследований. Для решения поставленных задач применены комплекс лабораторных и шахтных исследований с обобщением их результатов методами математической статистики и корреляционного анализа. Проведены опытно-промышленные испытания разработанных средств и устройств.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- утечки воздуха через ткань, швы и стыковые соединения линейно зависят от давления в системе «вентилятор - став вентиляционных труб», а величина их вблизи вентилятора наибольшая и по мере подвигания к забою убывает;

- аэродинамика выработки, подводящей вентиляционный поток к тупиковой выработке, начиная от диффузора вентилятора, характеризуется скачкообразным падением, как дебита, так и скорости потока, достигающим 70 %, а аэродинамика выработки, отводящей вентиляционный поток от тупиковой выработки, характеризуется значительным увеличением дебита за счет газовыделения в тупиковой выработке, что увеличивает скорость воздуха до величин, превышающих допустимые нормы на 30 %;

- газодинамика тупиковых выработок по их длине характеризуется тремя типами газовыделения - с равномерными нарастающими к тупику, с нарастающими к тупику и волнообразными всплесками на отдельных участках за счет выделения из нарушений, с периодически появляющимися волнообразными участками в квершлагах при пересечении пластов угля, тектонических нарушений и зон влияния подработки;

- методика расчета аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб» учитывает циклически изменяющиеся параметры утечек через ткань, швы и стыковые соединения, скачкообразно изменяющиеся давления в конце отдельного отрезка трубы и в начале следующего, а также требуемое количество воздуха, подаваемого в забой;

- слоевые и местные скопления метана по длине тупиковой выработки возникают в тех случаях, когда исходящая из забоя вентиляционная струя до

11

предела насыщена метаном (1 %) и по длине проветриваемой выработки имеются дополнительные источники газовыделения, которые не разжижаются до допустимых пределов утечками из става вентиляционных труб, причем в квершлагах слоевые скопления приурочены к местам тектонических разломов, пересечения пластов и к зонам влияния подработки;

- надежное (до полного исключения разрывов) и герметичное (со снижением утечек до нуля) соединение отдельных отрезков труб обеспечивают разработанные конструкции соединений типа СВТ-1 и СВТ-2, включающие съемные жесткие зажимные элементы с зажимными коническими поверхностями, охватывающими концы соединяемых гибких труб, которые снабжены стяжными болтами, позволяющими продольное перемещение относительно друг друга;

- полное вымывание слоевых и местных скоплений метана по длине тупиковой выработки обеспечивает разработанное соединение гибких шахтных вентиляционных труб, которое снабжено пропущенным через один из зажимных элементов воздухозаборным устройством, состоящим из заборника и взвихривателя с возможностью углового и поперечного перемещения относительно зажимных элементов и устанавливаемых в ставе вентиляционных труб с интервалами через 4-5 м по всей длине очага слоевого скопления.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении влияния давления в системе «вентилятор - став вентиляционных труб» на утечки воздуха через ткань, швы и стыковые соединения по всей длине тупиковых выработок;

- в выявлении характера падения дебита и скорости воздушного потока у диффузора ВМП в подводящей выработке и изменения дебита и скорости на исходящей струе из тупика;

- в типизации характера газовыделения в тупиковых выработках;

- в учете циклически изменяющихся аэродинамических параметров в методе инженерного расчета системы «вентилятор - став вентиляционных труб» по всей длине тупиковых выработок;

12

- в определении условий и вероятных мест слоевого скопления метана по длине тупиковых выработок в зависимости от аэродинамики системы «вентилятор - став вентиляционных труб» и газовыделения;

- в разработке технических и технологических решений по повышению надежности и герметичности стыковых соединений вентиляционных труб;

- в обосновании и разработке технических решений и математических моделей расчета объема воздуха, отводимого из става вентиляционных труб для вымывания слоевых и местных скоплений метана по длине тупиковых выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием при проведении лабораторных и натурных исследований современных широко апробированных методов и аппаратуры;

- сопоставимостью результатов натурных замеров на 5 шахтах в 8 выработках и лабораторных исследований (расхождение до 15 %);

- сопоставимостью данных, полученных различными инструментальными и расчетными методами (расхождение до 10 %);

- положительной практикой применения соединений на 5 шахтах Кузбасса.

Личный вклад автора заключается:

- в теоретическом обосновании методического подхода к решению задач количественной оценки утечек воздуха через ткань, швы и стыковые соединения гибких шахтных вентиляционных труб и разработке конструкции стенда для определения утечек;

- в установлении закономерностей изменения дебита и скорости воздушного потока в выработке, подводящей к тупиковой выработке и отводящей от нее;

- в установлении и типизации закономерностей выделения метана по длине тупиковых выработок;

13

- в разработке инженерной методики и программного обеспечения расчета аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб»;

- в установлении закономерностей изменения аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб» по длине выработки;

- в установлении закономерности распределения концентрации метана в слоевом скоплении тупиковой выработки;

- в установлении зависимости изменения относительной концентрации пыли в выработке в местах отвода свежего воздуха из става вентиляционных труб для удаления слоевых и местных скоплений метана от времени;

- в обосновании и разработке технических и технологических решений эффективного проветривания протяженных выработок;

- в установлении зависимости давления в системе трубопровода от диаметра и площади окна диафрагмы;

- в установлении зависимости объема воздуха, истекающего из форсунки, от площади окна диафрагмы и давления в ставе вентиляционных труб.

Научное значение диссертации состоит в установлении закономерностей изменения аэрогазодинамических параметров системы «вентилятор -став вентиляционных труб», подводящей, отводящей и тупиковой выработок, обосновании способов и средств эффективного проветривания и борьбы со слоевыми скоплениями метана по длине протяженных выработок при скоростной проходке.

Практическая ценность работы:

- разработаны технические и технологические решения по ликвидации утечек из става гибких шахтных вентиляционных труб и борьбы со слоевыми скоплениями метана, позволяющие целенаправленно и эффективно управлять аэрогазодинамикой тупиковых протяженных выработок при обильном газовыделении и скоростной проходке;

14

- результаты работы позволяют изменить традиционный подход к оценке утечек воздуха из става вентиляционных труб, основанный на новом качественном и количественном уровнях установления истинных утечек, которые имеют важное значение для прогнозирования изменений воздушных параметров в системе;

- разработан и создан стенд для количественной оценки утечек воздуха из става вентиляционных труб;

- разработаны, созданы и внедрены новые соединения вентиляционных труб, повышающие надежность и герметичность вентиляционного става, применение которых увеличивает длину выработки, проветриваемой одним вентилятором, работающим в оптимальном режиме, в 3,84 раза;

- разработаны новые соединения вентиляционных труб с элементами средств отвода свежего воздуха из става для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана у кровли тупиковой выработки.

Реализация работы. Научные принципы и выводы, полученные в результате исследований, использованы при разработке технических заданий на изготовление:

- стенда по определению утечек воздуха на линейном участке вентиляционной трубы и стенда для определения утечек через соединения;

-соединений типаСВТ-1, СВТ-2;

- оснастки для изготовления соединений СВТ-2 методом штамповки;

- соединений типа СБМ-1, СБМ-2, СБМ-3.

Технические задания утверждены руководством ВостНИИ, использованы на опытно-экспериментальном заводе по изготовлению средств безопасности. Соединения прошли опытно-промышленные испытания на шахтах «Березовская», «Первомайская», «Октябрьская» «Распадская» и им. 7 Ноября.

Практические рекомендации включены в информационную брошюру, которая с 2000 по 2003 гг. претерпела 4 издания и издана общим тиражом в 28400 экземпляров и распространенна на 30 шахтах Кузбасса.

15

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на IV Международной научно-практической конференции по безопасности жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (21-23 сентября 2000 г., Кемерово); на Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России». Новые подходы к развитию угольной промышленности (18-21 сентября 2001 г., Кемерово); на Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России». Новые подходы к развитию угольной промышленности (10-13 сентября 2002 г., Кемерово); на технических совещаниях при технических директорах производственных объединений «Ленинскуголь» и «Северокузбассуголь»; на технических совещаниях при главных инженерах шахт «Березовская», «Первомайская», «Октябрьская», им. 7 Ноября и «Распадская»; на XXXXVIII научно-технической конференции ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (14-20 апреля 2003 г.); на расширенном заседании лаборатории «Исследования аэрогазодинамических процессов при авариях» Рос-НИИГД (25 апреля 2003 г., Кемерово); на Международной научно- практической конференции «Энергетическая безопасность России». Новые подходы к развитию угольной промышленности. (16-19 сентября 2003 г., Кемерово).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, включая 3 монографии, 3 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения, отражающие основное содержание диссертации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, трех приложений, изложена на 320 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 222 наименований.

Автор выражает глубокую признательность научному консультанту доктору техн. наук, профессору B.C. Лудзишу, благодарит докторов техн. наук, профессоров П.В. Егорова, В.Н. Пузырева, доктора техн.наук А.С. Голика за ценные указания при оформлении.

16

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Актуальные проблемы разработки угольных пластов при комплексно-механизированной технологии очистной добычи

По статистическим данным в 1999 г 97 % подземной добычи было извлечено из комплексно-механизированных очистных забоев. В связи с массовым внедрением в практику подземной угледобычи механизированных комплексов произошли коренные изменения в параметрах систем разработки, проявившиеся в том, что размеры выемочных полей по направлению выемки увеличились в 2-3 раза и более.

Размер выемочного поля при индивидуальных крепях составлял 350-500 м и редко превышал 600 м.

Монтаж и демонтаж механизированных комплексов - трудоемкий и дорогостоящий процесс. Стоимость монтажа и демонтажа в отдельных случаях увеличивает себестоимость очистных работ на 30-36 %. С точки зрения снижения влияния монтажно-демонтажных работ на себестоимость угля размер выемочного поля должен быть максимально возможным. В связи с этим на многих шахтах этот параметр (размер выемочного поля) системы разработки увеличился, как правило, в два раза и более: вместо двусторонних уклонных и бремсберговых полей стали применяться односторонние. В результате в настоящее время 22 % выемочных полей имеют длину до 500 м, 50 % - от 500 до 700 м и 28 % - свыше 700 м, отдельные выемочные поля имеют размеры до 1200-1450 и более м [1].

В свою очередь стремление увеличить размер выемочного поля вступает в противоречие и ограничивается проблемами проветривания тупиковых подготовительных выработок при их проведении. С увеличением длины выемочного поля увеличивается длина тупиковой части выработки, проветриваемая вентиляторами местного проветривания (ВМП). Серийно выпускае-

Список литературы