автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование закономерностей изменения содержания кислорода в очистных выработках угольных шахт

На правах рукописи

Огурецкий Владимир Владимирович

Исследование закономерностей изменения содержания кислорода в очистных выработках угольных шахт

Специальность: 05.26.01 - «Охрана труда»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в угольной промышленное™ ВостНИИ (НЦ ВостНИИ) и ООО «Сибирское научно-производственное объединение «Горноспасатель»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Ли Хи Ун

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ищук Игорь Григорьевич кандидат технических наук, с.н.с. Зубарева Вера Андреевна

Ведущее предприятие - ОАО «Компания «Кузбассуголь»

Защита состоится « 7 » декабря 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 222.007.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ (НЦ ВостНИИ) по адресу:

650002, г. Кемерово, ул. Институтская,3. Факс (384-2) 64-44-12. E-mail: vostnii@kemnet.ru http:// www.vostnii.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ ВостНИИ.

Автореферат разослан ¿4 » t-g-2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Важнейшей проблемой стратегии управления качеством охраны труда при подземных горных работах является организация эффективного комплексного и экономически рационального использования вентиляционных систем. Подход, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов проектирования вентиляции угольных шахт, является перспективным направлением аэрологии горных предприятий в России и за рубежом.

Действующее «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» предусматривает расчет количества воздуха, необходимого для проветривания горных выработок, из условия статического разжижения газа. При этом прогноз газообильности основан на эмпирических формулах, удовлетворительно описывающих средний газовый фон, но не учитывающих динамики экстренных газовыделений вследствие колебаний статического давления воздуха в шахте. Поэтому особую актуальность в современных условиях приобретает проблема научного обоснования метода прогноза газообильности и расчета количества воздуха для совершенствования системы вентиляции газообильных шахт, обеспечивающей безопасные условия труда и способствующей сохранению жизни и здоровья горнорабочих.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование закономерностей процесса тепло-газопереноса в горных выработках для определения обескислороживания воздуха в рудничной атмосфере угольных шахт.

Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработке и выработанном пространстве для разработки, на этой основе способа установления оптимальных параметров проветривания действующей очистной выработки.

Задачи исследований:

1. Изучить физико-химические условия развития окислительных процессов угля и установить закономерности изменения состава рудничного воздуха в действующих выработках угольных шахт.

2. Разработать математическую модель поглощения кислорода вентиляционной струей в действующей очистной выработке в зависимости от окислительных процессов на обнаженных поверхностях угольных пластов, в отбитом угле и в выработанном пространстве.

3. Разработать метод расчета концентрации кислорода в вентиляционной струе в зависимости от степени развития окислительных процессов в выработанном пространстве, на обнаженных поверхностях угольного пласта и в отбитом угле.

Методы исследований. Основными методами являются:

- аналитические и экспериментальные исследования физических условий процессов самонагревания угля;

- статистические с последующей обработкой ииформации на персональных компьютерах;

- физическое моделирование и изучение окислительных процессов в натурных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие происходящих в горных выработках окислительных процессов в зависимости от теплофизических характеристик угля и вмещающих пород, величины утечки воздуха и его влажности предопределяет содержание кислорода в рудничной атмосфере.

2. Концентрация кислорода в очистной выработке изменяется не линейно, с меньшей интенсивностью в поступающей струе и с большей в районе вентиляционного штрека, и характеризует состояние равновесия между его убылью на окислительные процессы в очистной выработке и выработанном пространстве.

3. Расчет концентрации кислорода в горной выработке производится последовательно за определением полей давления, температуры и скоростей фильтрации в проветриваемой зоне выработанного пространства и решением краевой задачи сохранения массы.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждаются:

- необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных, экспериментальных и шахтных исследований;

- удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;

- положительными результатами экспериментальных исследований разработанного способа локации в натурных условиях и внедрением рекомендаций на шахтах Кузбасса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выбранная система дифференциальных уравнений при данных граничных условиях позволяет описывать процессы движения воздуха, массо-обмена вдоль очистной выработки, фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка;

- доказана сходимость методов численного решения системы дифференциальных уравнений;

- разработан алгоритм расчета газового состава в вентиляционной струе очистной выработки, позволяющий определять безопасные параметры ее проветривания.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке математической модели формирования газового состава рудничного воздуха в очистной выработке в зависимости от степени развития окислительных процессов;

- в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма реализации системы уравнений, алгоритма решения системы уравнений движения воздуха, теплопроводности и баланса кислорода;

- в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;

- в разработке способа определения оптимальных концентраций кислорода в действующей очистной выработке для шахт Кузбасса.

Практическая ценность работы:

Полученные соискателем результаты позволяют:

- определять газовый состав рудничного воздуха в очистной выработке в зависимости от степени развития окислительных процессов;

- оперативно рассчитывать поля скоростей, температур и концентрации кислорода;

- оперативно разрабатывать численные алгоритмы реализации системы уравнений и устанавливать на основе их оптимальные условия движения воздуха, теплопроводности и баланса кислорода в конкретных угольных шахтах;

- разработать способ определения оптимальных безопасных параметров проветривания действующих очистных выработок для шахт Кузбасса.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при составлении целого ряда инструкций по охране труда и ликвидации горноспасателями аварийных ситуаций в шахтах (г. Кемерово, СНПО «Горноспасатель», ОВГСО, 2004-2006 гг.), а также при разработке устройств и агрегатов для горноспасательных работ (г. Кемерово, СНПО «Горноспасатель», 2005-2006 гг.).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 2005), РосНИИГД (г. Кемерово, 2006), Кемеровского регионального института повышения квалификации Минпромэнерго РФ (г. Кемерово, 2006), ОВГСЧ (гг. Кемерово, Прокопьевск, Новокузнецк, 2005, 2006).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 ста- ' тей и один патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 89 страницах текста, включая 9 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников из 26 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе изложено состояние вопроса и обоснование выбранного направления работы.

Основные положения теории газовыделения, расчета необходимого количества воздуха для проветривания очистных и подготовительных выработок, прогноза газообильности и окисления углей изложены в трудах ученых ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского, Московского государственного горного университета, Тульского государственного политехнического университета, Санкт-Петербургского государственного горного университета, Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ, Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела.

Важнейшей проблемой стратегии управления качеством охраны труда при подземных горных работах является организация эффективного комплексного и экономически рационального использования вентиляционных систем. Подход, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов проектирования вентиляции угольных шахт, является перспективным направлением аэрологии горных предприятий в России и за рубежом.

До настоящего времени загазирование горных выработок остается одной из причин несчастных случаев, которые часто заканчиваются для горняков летальным исходом. Несмотря на сокращение за последние три десятилетия числа угледобывающих предприятий, процент этого вида аварий остается

достаточно стабильным (5,4 % в 70-е годы, 14,0 % в 80-е годы, 8,3 % в 90-е

I

годы, 7,6 % после 2000 года).

Анализ фактической аварийности на угольных шахтах Кузбасса показывает, что газовыделение в подготовительные выработки в период падения атмосферного давления является одной из основных причин несчастных случаев со смертельным исходом при нарушении состава рудничной атмосферы.

Действующее «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» предусматривает расчет количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительных выработок, из условия статического разжижения углекислого газа. При этом прогноз углекислотообильности основан на эмпирических формулах, удовлетворительно описывающих средний газовый фон, но не учитывающих динамики экстренных газовыделений вследствие колебаний статического давления воздуха в шахте.

Поэтому особую актуальность в современных условиях приобретает проблема научного обоснования метода прогноза газообильности и расчета количества воздуха для совершенствования системы вентиляции углекислр-тообильных шахт, обеспечивающей безопасные условия труда и способствующей сохранению жизни и здоровья работающих в подземных горных выработках.

Актуальность проблемы возрастает в связи с необходимостью решения вопросов вентиляции очистных участков и подготовительных выработок на стадии проектирования, так как ошибки при проектировании могут привести к снижению уровня безопасности труда, ограничению нагрузки на забой, увеличению затрат труда и средств на реконструкцию систем вентиляции на практике.

Исходя из вышеизложенного, нами приняты следующие направления исследований:

Анализ существующих теоретических моделей, описывающих газообмен между поверхностью обнажения угольного пласта, выработанным про-

странством и рудничным воздухом на добычных участках для различных технологических условий.

Разработка математической модели изменения концентрации кислорода в атмосфере очистной выработки с учетом окислительных процессов на поверхности обнажения как в очистной выработке, так и в выработанном пространстве для усовершенствования методики расчета необходимого количества воздуха для проветривания горных выработок.

Проведение экспериментальных исследований динамики концентрации кислорода в очистной выработке и в примыкающем к ней выработанном пространстве для оценки адекватности теоретической модели.

Апробация в реальных условиях способа определения газового состава в очистных выработках для угольных шахт Кузбасса.

Во втором разделе изложены аналитические исследования процесса самонагревания в пористой среде выработанного пространства.

При подземной разработке угольных пластов поглощение кислорода углем может являться фактором, по которому следует принимать расчетное количество воздуха для проветривания очистных и подготовительных забоев. Однако в Правилах безопасности и других действующих нормативных документах нет соответствующих методических указаний и рекомендаций для прогноза интенсивности поглощения кислорода в шахтах. Подобные рекомендации должны основываться на адекватности физической модели взаимодействия кислорода с поверхностями обнажения угольных пластов, на поверхности и в порах кусков угля, оставленного в выработанном пространстве в потерях. Для правильного расчета количества воздуха в очистной выработке необходимо учитывать аэродинамику выработки, направление и величину воздушных потоков при сопряжении с выработанным пространством, вышележащими и нижележащими горизонтами шахты.

Для построения математической модели газообмена в очистной выработке необходимо сделать ряд упрощающих предположений. Прежде всего,

будем пренебрегать силами вязкости, возникающими при взаимодействии молекул газа. Движущийся поток рудничного воздуха будем рассматривать однородным по сечению, обладающим единой средней скоростью движения.

Обозначим через С молярную концентрацию кислорода в долях единицы. Для движущегося кислорода в потоке воздуха в этом случае справедливо уравнение сохранения массы:

<Эс 0(х) дс д2с т/ \ дт Б дх дх

где £?(*)- количество воздуха, проходящего по сечению выработки, м*/с; Б - площадь сечения выработки, м2; р - молярная плотность кислорода, моль/м3; й - коэффициент диффузии кислорода в воздухе, мг/с; /(с, x)j - массовый расход кислорода на окисление в выработке /в и выработанном пространстве /1П, кг/м* -с.

Закон сохранения энергии для воздушного потока в очистной выработке, как известно, имеет вид:

где Р - барометрическое давление воздуха в очистной выработке, Па;

6 - коэффициент неравномерности потока по сечению;

П - периметр выработки, м\

Л - коэффициент аэродинамического сопротивления выработки, нс/л/ .

В условиях горной выработки, когда рост температуры не происходит из-за интенсивного теплообмена с вентиляционной струей, долю адсорбированного и вступившего в химическую реакцию кислорода на единице поверхности и в единицу времени можно определить из формул:

1„=1удУ^ехр(~Х)+^Лег/У1)}-, (3)

1уд=с0бо$гиЛ;

(4)

(5)

Соб - сРо2 5

)

т

где р0г - плотность кислорода, кг/мг;

(6)

Г - постоянная Генри для изотермы сорбции кислорода углем; ис - константа скорости сорбции, м3/кгс; т - пористость скопления.

Так как очистная выработка примыкает к выработанному пространству, то для замыкания системы уравнений (1)-(6) необходимо описать процессы фильтрации шахтного воздуха в пористой среде выработанного пространства и окисления угля, оставленного в потерях.

Движение шахтного воздуха в пористой среде выработанного пространства при подземной разработке пластов угля - весьма сложный процесс, который обусловлен множеством факторов (прежде всего таких, как воздействие депрессии участка, неоднородностей температуры, окислительных процессов на поверхности угольных масс, десорбции газов, влажности и т.д.). Определяющее влияние на топологию фильтрационных утечек оказывают также аэродинамические связи с поверхностью, сближенными пластами, ранее отработанными горизонтами вследствие воздействия общешахтной депрессии.

При моделировании будем предполагать, что:

- режим фильтрации установившийся;

- область фильтрации рассматривается как сплошная среда, наделенная фильтрационными свойствами, источниками метана и двуокиси углерода и стоками концентрации кислорода;

- проницаемость скопления постоянная во времени и зависящая только от расстояния выбранной точки выработанного пространства до линии очистного забоя;

- при скоростях фильтрации, заведомо меньших скорости звука, поведение фильтрующегося воздуха мало отличается от поведения идеального газа;

- газовый объем при условии, что каждая молекула кислорода, расходуемая на окисление, замещается молекулой двуокиси углерода, является постоянным.

В силу высказанных предположений процесс плоской фильтрации в выработанном пространстве может быть описан системой уравнений Эйлера

- Жуковского и однородным уравнением неразрывности:

/

еМ

к 1

у

V; (7)

Лу(К)=0, (8)

где V = УХТ + Уу]- вектор скорости фильтрации, м/с;

Р - давление воздуха в каждой точке пористой среды, Па; р - плотность фильтрующегося воздуха, кг/м'; к - коэффициент проницаемости, м1; I - масштаб макрошероховатости, м; /ч - коэффициент динамической вязкости, нс/м1. Условия сопряжения задач (1) - (6) и (7) — (8) имеют вид:

Р» 1Г1-=^1г1 + - (9)

Уравнение неразрывности для горных выработок имеет вид: где д - утечки через ограждения механизированной крепи:

я = нги, (11)

где У„- проекция скорости фильтрации V на перпендикулярное направление к границе;

// - вынимаемая мощность, м.

Для описания процессов самонагревания применим теплофизическую модель этого явления. Обрушенные породы кровли и потери угля будем рассматривать как сплошную среду, наделенную теплофизическими и фильтрационными свойствами, источниками тепла и стоками концентрации кислорода. Химизм окислительных процессов и сорбция кислорода на поверхности угля учтены в модели в виде полуэмпирических, усредненных соотношений:

ссРс{1 - Д»А{ви«/Г,Х1 -Я) =

= дсуРу (1 - ПрУ^ - а,(Ге - Т,)-к'р.<1Ы [уг{Х,Т,У ];

с.р.П^-П,Л0МггаЛТ,)+с.ршс1ы{г,у)= (12)

Л- £> Пса^гаа с)+= -и„Сру{\-ЛУ%т

• (13)

Рн{Тв)=Р0ехр{-11ЯТХ (14)

где Ту - температура угля, "К;

Тв - термодинамическая температура воздуха, °К;

С- концентрация кислорода в фильтрующемся воздухе (в долях единицы);

Су,С„ - соответственно теплоемкость твердой среды и воздуха, Дж]кг °К;

Лу,Лв - теплопроводность соответственно твердой среды и воздуха, Вт/ м °К;

ау-коэффициент объемной теплоотдачи, Дж/мгс

и0- константа скорости сорбции кислорода углем, м1/кг с-,

Е - температурный коэффициент константы скорости сорбции кислорода углем, м*/кгс 0 К;

ру,рв- плотность соответственно твердой среды и воздуха, кг/ мъ ; - барометрическое давление воздуха, Па;

Р„ - давление насыщенных паров, Па;

Ь - удельная теплота парообразования, Дж/моль;

Л - универсальная газовая постоянная, Дж/моль "К;

С„- теплоемкость водяных паров, Дж/кг "К;

К*- отношение молекулярного веса воды к молекулярному весу воздуха (*•' = 0,622);

V - вектор скорости фильтрации, м/с;

¿3 - коэффициент диффузии кислорода, м*/с;

П - пористость скопления;

П! - просветность скопления;

Т0 - начальная температура комплекса «твердая среда — воздух», °К.

Начальные условия для системы уравнений (12) примем в виде:

о=7-0. (15)

Распределение кислорода в выработанном пространстве в первоначальный момент времени определяем из условия, что его содержание в фильтрующемся воздухе устанавливается под влиянием диффузии кислорода из очистных выработок. Это распределение можно найти из решения одномерного уравнения:

<а2С Ру(1~Лро с1у2 П

с граничными условиями:

Д-ГГ- у „ "С = 0 (16)

с = С0 =0,

(17)

где Ь2 - величина проветриваемой зоны.

Искомым решением является функция:

Оу.т-0 )~С„ Iе ^^ -I, 08)

Ру{\-пра

где Д= ЯД ' °9)

Считаем, что на начальной стадии самонагревания на стороне примыкания выработанного пространства к ранее отработанному столбу, целику, а также вне зоны проветривания температура мало отличается от температуры окружающих пород:

Ту V, = Г0; Тв \г, = Г0; С\Г[ = С^.г = 0)\г_. (20)

Аналогично на стороне примыкания к очистным выработкам граничные условия представлены в виде:

Ту\Г^Тв\Гг=Тй- (21)

С\Г1=С„ (22)

где Св -решение краевой задачи (1).

Условия сопряжения для задач (1) и (12), очевидно, можно представить в виде:

=СГ„. (23)

Таким образом, для определения концентрации кислорода в очистной выработке последовательно находим поле давлений и скоростей фильтрации воздуха, поля температур и концентрации кислорода в расчетной области выработанного пространства, а затем, решая краевую задачу (1), окончательно определяем концентрацию кислорода в выработке.

В третьем разделе изложены методы расчета составляющих скоростей фильтрации, температурного поля твердой фазы и фильтрующегося воздуха, а также содержание кислорода в выработанном пространстве я в очистной выработке.

Применение непрерывных методов решения задач математической физики во многом ограничивается как видом самих уравнений, так и геометрией областей решений (сфера, параллелепипед, цилиндр). Для решения краевых задач в наиболее общей постановке вместе с развитием вычислительной техники, начиная с середины 50-х годов, все чаще начали применять численные методы.

Идея этого подхода состоит в том, что решение задачи ищется на дискретном множестве точек области изменения пространственных переменных. Для этого делают замену непрерывных производных их конечно-разностными аналогами, тем самым исходную дифференциальную задачу приводят к системе линейных алгебраических уравнений. Эта система, естественно, приближает (аппроксимирует) исходную дифференциальную задачу с некоторой погрешностью (порядком аппроксимации), напрямую зависящей от величины расстояния между точками пространственных координат (шага сетки). Следующий этап заключается в том, что необходимо построить численный алгоритм решения полученной системы уравнений. Трудность заключается в реализации многомерных задач. В настоящее время особую популярность получил метод конечных элементов. Однако, несмотря на то, что решение разностного уравнения в этом случае можно получить за одну итерацию, применение этого метода требует значительного объема оперативной памяти компьютера, что не всегда доступно. Избежать подобной загрузки памяти можно, применив для решения многомерных стационарных задач итерационные методы, а для нестационарных — схемы расщепления.

Для реализации задачи фильтрации (7) - (8) применен итерационный попеременно-треугольный метод. Для этого исходную стационарную задачу

заменим на нестационарную. Итерационную матрицу этой Нестационарной задачи построим, исходя из условия сходимости итераций к искомому решению:

(О + пуг^Й^п*;

Первое приближение находится из выражения:

д>м = <Рк-тк+1Ц'к, (25)

где О - диагональная матрица 0<р = <1{х)гр, а <1{х) - некоторая положительная функция. Ее вид определяется условием сходимости:

(24)

о=1

¿и

К. 9~х° + 2Ь

К

<р

т

К а Ж

-9

(26)

(27)

V ~ у

Итерационные параметры г, а> обеспечивают наиболее быструю сходимость.

Проблема построения аппроксимирующих выражений для нестационарных задач содержит два направления аппроксимации со вторым порядком по пространственным переменным и по времени:

„т+] т < _т+1 , м \ .

(28)

Для определения термодинамических параметров процесса окисления угля в выработанном пространстве применен метод расщепления по пространственным координатам. Алгоритм этого метода состоит в том, что каждый временной интервал разбивается еще на три подынтервала, в пределах которых определяется решение по каждому из пространственных координат:

I интервале Т — ! }

81

на интервале ? = {?„; Си }

=о

д1

(30)

«<6)=> = ^('„Л а=1ДЗ.

Каждое из полученных уравнений одномерно и может быть решено с помощью метода прогонки.

Теоретическая модель и ее численное решение требуют экспериментального исследования процесса самонагревания в шахтных условиях для решения вопроса их адекватности.

В четвертом разделе приведены экспериментальные исследования температурно-газового режима в шахтных условиях.

Для экспериментальной проверки теоретических исследований динамики изменения содержания кислорода в очистной выработке были проведены экспериментальные исследования температурного газового режима на шахтах «Комсомолец» и им. Ленина ОАО «Междуреченская угольная компания». На шахте «Комсомолец» для контроля за окислительными процесса-

ми в выработанном пространстве лавы №22 были заложены 6 наблюдательных станций со стороны конвейерного и вентиляционного штреков (рис 1 .)■

2 Вост. вентиляционный штрек

2 Вост. конвейерный штрек

Рис. 1. Схема установки наблюдательных станций в лаве № 22 шахты «Комсомолец»

Каждая станция представляла собой цепочку металлических труб диаметром 3/4 и длиной 2 м, соединенных между собой гибким соединением. Внутри этих труб через каждые 15 м помещались температурные датчики и диффузоры воздухоотборных шлангов, которые, в свою очередь, герметизировались с обеих сторон.

Закладка наблюдательных станций была начата за 70 м до остановки лавы. Замер температуры и отбор проб газа производится 2-3 раза в неделю в ремонтную смену при подвигании лавы, а затем с такой же периодичностью при полной остановке лавы на свежей и исходящей струях (в 10-15 м от забоя лавы), через каждые 10 м по длине лавы и в пунктах замера наблюдательных станций.

Замеры количества воздуха, проходящего по лаве, осуществлялись службой вентиляции шахт и сотрудниками НЦ ВостНИИ. Скорость вентиляционной струи на участке определялась при помощи крыльчатых анемометров.

Количество проходящего воздуха на момент проведения экспериментальных работ составило 530-590 мэ/мин на конвейерном штреке и примерно на 10-20 м3/мин больше на вентиляционном штреке. Связано это, вероятно, с наличием аэродинамической связи с ранее отработанным столбом. Концентрация метана в поступающей струе составляла в основном 0,1 %, а в исходящей струе в среднем за два месяца 0,2- 0,6 %.

. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что концентрация кислорода в очистной выработке изменяется не линейно, с меньшей интенсивностью на поступающей струе и с большей в районе вентиляционного штрека. Содержание кислорода в воздушной струе, очевидно, характеризует состояние равновесия между его убылью на окислительные процессы в выработке и выработанном пространстве. Кроме того, интенсивность убыли кислорода в выработке находится в прямой зависимости от развития окислительных процессов в выработанном пространстве (рис. 2).

Температура угля в выработанном пространстве с увеличением расстояния от линии обрушения растет. Причем темпы ее роста неодинаковы и зависят от пространственных координат точки замера.

Вдоль первой и второй станций на расстоянии 15 м от конвейерного штрека температура угля поднималась медленно и прирост ее составил около 3°С. Вдоль линии, отстоящей от вентиляционного штрека на расстоянии 15м, темпы роста температуры были выше, и на глубине 17,5 м величина ее составила 33°С, что на 10°С выше, чем на глубине 2 м.

Рис. 2. Динамика изменения концентрации кислорода в очистной выработке (Ь — длина лавы, м)

По результатам численных расчетов была получена аналогичная картина распределения температуры и концентрации кислорода. Погрешность составила 10 —15%. По результатам анализа статей теплового баланса выработанное пространство можно условно разделить на три зоны: выветривания, аккумуляции тепла и затухания. Зона выветривания располагается в пределах 15-20 м от линии обрушения. Основное влияние на интенсивность окисления оказывает конвективный вынос тепла утечками воздуха. Содержание кислорода здесь значительно, но процессы окисления угля не активизированы из-за того, что массив постоянно охлаждается. Далее на расстоянии от 20 до 35м от линии обрушения располагается зона аккумуляции тепла. Скорость движения воздуха в этой зоне составляет от 0,0006 до 0,0002 м/с. Конвективный вынос тепла уже недостаточен для охлаждения угля. Окислительный процесс активизируется с ростом температуры, содержание кислорода падает. При этом утечки воздуха формируют достаточно ограниченную область с повышенной температурой. Эта область располагается примерно в 22 м от конвейерного штрека. И, наконец, на расстоянии более 35 м от линии обру-

шения формируется зона затухания. Она характеризуется низким содержанием кислорода, фильтрационные потоки практически отсутствуют.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан комплекс программ «Воздух» в среде Delphi, позволяющий определять оптимальный режим проветривания с учетом закономерностей изменения состава рудничного воздуха.

Заключение

Диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по формированию газового состава в рудничной атмосфере, имеющей существенное значение для обеспечения безопасных и комфортных условий труда горняков.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Изучены физико-химические условия развития окислительных процессов и установлены закономерности изменения состава рудничного воздуха в действующих выработках угольных шахт.

2. Установлено, что определяющими факторами в развитии окислительного процесса являются теплофизические характеристики угля и вмещающих пород, величина утечки воздуха и его влажность.

3. Доказано, что расчет концентрации кислорода в горной выработке должен производиться последовательно за определением полей давления, полей температуры и скоростей фильтрации в проветриваемой зоне выработанного пространства и решением краевой задачи сохранения массы.

4. Установлено, что применение на практике разработанного алгоритма расчета газового состава в атмосфере очистного забоя в значительной мере облегчает определение безопасных параметров проветривания горных выработок.

5. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что концентрация кислорода в очистной выработке изменяется не линейно, с

меньшей интенсивностью на поступающей струе и с большей в районе вентиляционного штрека. Содержание кислорода в воздушной струе характеризует состояние равновесия между его убылью на окислительные процессы в очистной выработке и выработанном пространстве.

6. Разработал способ оценки обескислороживания рудничного воздуха для определения оптимального режима проветривания, основанный на математическом моделировании окислительных процессов на обнаженных поверхностях угольного пласта в горных выработках с учетом влияния фильтрационных утечек воздуха в примыкающее к очистному забою выработанное пространство и наличия в нем очагов активного самовозгорания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Огурецкий, В.В. Теоретические исследования кинетики окисления углей в пористой среде выработанного пространства /Ли Хи Ун, A.M. Рыков, Ю.М. Филатов, В.В. Огурецкий // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ: НТЖ. - Кемерово.- 2006-1,- С. 50-54.

2. Огурецкий, В.В. Исследование закономерностей изменения содержания кислорода в очистной выработке /Ли Хи Ун, A.M. Рыков, Ю.М. Филатов, В.В. Огурецкий//Совершенствование разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом/ Кузбассвузиздат. - Кемерово, 2006. -С .43-46.

3. Огурецкий, В.В. Исследование закономерностей изменения газового состава в очистной выработке /Ли Хи Ун, А.М. Рыков, Ю.М. Филатов, В.В. Огурецкий// Совершенствование разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом/ Кузбассвузиздат. - Кемерово, 2006. -С.65-70.

4. Огурецкий, В.В, Закономерности выделения индикаторных пожарных газов при нагревании углей/ Л.П. Белавенцев, А.Я. Каминский, Ли Хи Ун, В.В. Огурецкий// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности: НТЖ. - Кемерово. -2006-2. - С.21-35.

5. Огурецкий, В.В. О проблемах повышения эффективности проветривания угольных шахт/Ли Хи Ун, А.М. Рыков, В.В. Огурецкий// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности: НТЖ. - Кемерово. -2006-2,- С.94-95.

6. Огурецкий, В.В. О щитовой крепи для очистных забоев на крутых и крутонаклонных пластах угля/ Ли Хи Ун, Ю.М. Филатов, В.В. Огурецкий// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности: НТЖ. - Кемерово. -2006-2.- С.91-93.

7. Огурецкий, В.В. Проблема отвода газа, выделяющегося при транспортировке угля конвейером/ Ли Хи Ун, Ю.М. Филатов, В.В. Огурецкий, Ю.А. Федченко// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности: НТЖ,- Кемерово. -2006-2.- С.35-38.

8. Огурецкий, В.В. Математическая модель изменения концентрации кислорода в очистной выработке/Ли Хи Ун, A.M. Рыков, В.В. Огурецкий// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности: НТЖ. - Кемерово. -2006-2.- С.38-41.

9. Огурецкий, В.В. Математическое моделирование фильтрационных процессов в выработанном пространстве при щитовой отработке кругопа-дающих пластов/ Ли Хи Ун, A.M. Рыков, Ю.М. Филатов, В.В. Колыхалов, В.В. Огурецкий //Безопасность труда на угольных предприятиях: сб. трудов/ НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2005. -С. 40-47.

10. Огурецкий, В.В. Патент РФ на полезную модель №50645. Сушильный агрегат/ A.C. Голик, В.А. Огурецкий, В.В. Огурецкий; Опубл. Б. №2, 2006.

11. Огурецкий, В.В. Исследование качества воздуха в очистных выработках угольных шахт / А.М. Рыков, Ю.М. Филатов, В.В. Огурецкий// Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс-2006»: XI Международная научно-практическая конференция. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2006.

Подписано в печать 03.11.06. Тираж 100 экз. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ № 5 2006 г. Кемерово. Ротапринт НЦВостШШ, ул. Институтская, 3.

ВВЕДЕНИЕ 3.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННО- 8. ГО НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ.

1.1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИКИ ИЗ- 10. МЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В РУДЩЧНОЙ АТМОСФЕРЕ.

ВЫВОДЫ 22.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНО- 24. СТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКЕ

2.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО 26. СОСТАВА В ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКЕ

2.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛБТРАЦИ- 31. ОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

2.3. МАТЕМАТИЧЕСКА МОДЕЛЬ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРО- 35. ЦЕССОВ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

ВЫВОДЫ 38.

3. ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИ- 39. ЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

3.1. ПРИВЕДЕНИЕ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ К БЕЗРАЗМЕР- 40. НОМУ ВИДУ.

3.2. РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ ЗАДАЧИ ФИЛЬТРАЦИИ 43.

3.3. ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗНОСТНОГО АНАЛОГА 48. ЗАДАЧИ ФИЛЬТРАЦИИ.

3.4 ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧИ 60.

ОКИСЛЕНИЯ КГЛЯ.

ВЫВОДЫ 68.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРА- 68. ТУРНО-ГАЗОВОГО РЕЖИМА В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.

4.1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 68. ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1.1. ЗАКЛАДКА НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ В ВЫРАБО- 69. ТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

4.1.2. ЗАМЕР ТЕМПЕРАТУРЫ И ОТБОР ГАЗА. 70.

4.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРА- 74. ТУРНО-ГАЗВОГО РЕЖИМА В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЛАВ.

ВЫВОДЫ 86.

5. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТ- 87. РОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКИ ДЛЯ ШАХТ КУЗБАСА.

Актуальность работы. Важнейшей проблемой стратегии управления качеством охраны труда при подземных горных работах является организация эффективного комплексного и экономически рационального использования вентиляционных систем. Подход, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов проектирования вентиляции угольных шахт, является перспективным направлением аэрологии горных предприятий в России и за рубежом.

Действующее руководство по проектированию вентиляции угольных шахт предусматривает расчет количества воздуха, необходимого для проветривания горных выработок, из условия статического разжижения газа. При этом прогноз газообильности основан на эмпирических формулах, удовлетворительно описывающих средний газовый фон, но не учитывающих динамики экстренных газовыделений вследствие колебаний статического давления воздуха в шахте.

Поэтому особую актуальность в современных условиях приобретает проблема научного обоснования метода прогноза газообильности и расчета количества воздуха для совершенствования системы вентиляции газообильных шахт, обеспечивающей безопасные условия труда и способствующей сохранению жизни и здоровья работающих в подземных горных выработках.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование установления закономерностей процесса тепло-газопереноса в горных выработках для определения обескислороживания воздуха в рудниковой атмосфере угольных шахт.

Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработке и выработанном пространстве для разработки способа определения оптимальных параметров проветривания действующей очистной выработки.

Задачи исследований:

1. Изучить физико-химические условия развития окислительных процессов угля с целью установления закономерности изменения состава рудничного воздуха в действующих выработках угольных шахт.

2. Разработать математическую модель поглощения кислорода вентиляционной струей в действующей очистной выработке в зависимости от окислительных процессов на обнаженных поверхностях угольных пластов, отбитого угля и в выработанном пространстве.

3. Разработать метод расчета концентрации кислорода в вентиляционной струе в зависимости от степени развития окислительных процессов в выработанном пространстве, на отработанных поверхностях угольного пласта и отбитого угля.

Методы исследований. Основными методами являются: аналитические и экспериментальные исследования физических условий процессов самонагревания угля; использование современных измерительных средств с последующей обработкой информации на персональных компьютерах; физическое моделирование и изучение процессов в натурных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие происходящих в горных выработках окислительных процессов в зависимости от теплофизических характеристик угля и вмещающих пород, величины утечки воздуха и его влажности, предопределяет содержание кислорода в рудничной атмосфере.

2. Расчет концентрации кислорода в горной выработке производится последовательно за определением полей давления, температуры и скоростей фильтрации в проветриваемой зоне выработанного пространства и решением краевой задачи сохранения массы.

3. Алгоритм расчета газового состава в рудничной атмосфере предопределяет безопасность параметров проветривания горных выработок.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

1. Необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;

2. Удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;

3. Положительными результатами экспериментальных исследований разработанного способа расчета концентрации кислорода в натурных условиях и внедрением рекомендаций на шахтах Кузбасса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- реализована система дифференциальных уравнений, описывающих процессы движения воздуха, массообмена вдоль очистной выработки, фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка;

- доказана сходимость методов численного решения системы дифференциальных уравнений;

- разработан алгоритм расчета газового состава в вентиляционной струе очистной выработки, позволяющий определить безопасные параметры ее проветривания.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке математической модели формирования газорого состава рудничного воздуха в очистной выработке в зависимости от степени развития окислительных процессов;

- в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма реализации системы уравнений, алгоритма решения системы уравнений движения воздуха, теплопроводности и баланса кислорода;

- в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;

- в разработке способа определения оптимальных параметров проветривания действующей очистной выработки для шахт Кузбасса.

Практическая ценность работы:

Полученные соискателем результаты позволяют:

- определять газовый состав рудничного воздуха в очистной выработке в зависимости от степени развития окислительных процессов;

- разработать и оперативно исследовать программы для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода;

- разработать численные алгоритмы реализации системы уравнений, их решения для движения воздуха, теплопроводности и баланса кислорода;

- разработать способ определения оптимальных безопасных параметров проветривания действующей очистной выработки для шахт Кузбасса.

Реализация работы:

Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при составлении целого ряда инструкций по охране труда и ликвидации горноспасателям аварийных ситуаций в шахтах (г. Кемерово, СНПО «Горноспасатель», ОВГСО, 2004-2006), а также при разработке устройств и агрегатов для горноспасательных работ (г. Кемерово СНПО «Горноспасатель» 2005-206)

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседании ученого совета НЦ ВостНИИ (г. Кемерово,

2005), РосНИИГД (г. Кемерово, 2005, 2006), Кемеровского регионального института повышения квалификации Минтопэнерго РФ (г. Кемерово,

2006), ОВГСН (г.г. Кемерово, Прокопьевск, Новокузнецк, 2005, 2006).

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 11 статей, в том числе 1 патент на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 92 страницах текста, включая 9 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников из 27 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Математическая модель баланса кислорода в очистной выработке, в основном, адекватно отражает реальность;

2. Полученную погрешность можно объяснить тем, что при расчетах применялись коэффициенты, отражающие физико-химические свойства угля и вмещающих пород, рассчитанные в среднем для пласта, без учета возможных аномалий в конкретных условиях.

3. Для практического применения разработанного комплекса программ необходимо провести дополнительные исследования физико-химических свойств угля и вмещающих пород, а также аэродинамики выработанного пространства при бесцеликовой системе разработки.

5. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКИ ДЛЯ ШАХТ КУЗБАССА.

При подземной разработке угольных пластов, в особенности пластов склонных к самовозгоранию, поглощение кислорода на окисление может являться опасным с точки зрения пригодности для дыхания рудничной атмосферы. Определение оптимального количества воздуха для проветривания очистных и подготовительных забоев в этом случае достаточно затруднительно, поскольку в настоящее время отсутствуют надежные инструментальные методы определения количества поглощенного кислорода. Положение осложняет наличие фильтрационных утечек из горных выработок в ранее отработанное пространство и очаги активного самонагревания в них.

Предлагаемый способ оценки обескислороживания рудничного воздуха для определения оптимального режима проветривания основан на математическом моделировании окислительных процессов на обнаженных поверхностях выработок с учетом влияния фильтрационных утечек воздуха в примыкающее выработанное пространство и наличия в нем очагов активного самонагревания.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исt следований для реализации этой математической модели в конкретных условиях угольных шахт был разработан комплекс программ «ВОЗДУХ» в среде Delphi. Перечень исходной информации для проведения расчетов представлен в таблице 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научной квалификационной работой , в которой содержится решение задачи по математическому моделированию формирования газового состава в рудничной атмосфере, имеющей существенное значение для обеспечения безопасных и комфортных условий труда горняков.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Изучены физико-химические условия развития окислительных процессов и установлены закономерности изменения состава рудничного воздуха в действующих выработках угольных шахт.

2. Установлено, что определяющими факторами в развитии окислительного процесса являются теплофизические характеристики угля и вмещающих пород, величина утечки воздуха и его влажность.

3. Установлено, что расчет концентрации кислорода в горной выработке должен производиться последовательно за определением полей давления, полей температуры и скоростей фильтрации в проветриваемой зоне выработанного пространства и решения краевой задачи сохранения массы.

4. Установлено, что применение на практике разработанного алгоритма расчета газового состава в атмосфере очистного забоя в значительной мере облегчает определение безопасных параметров проветривания горных выработок.

5. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что концентрация кислорода в очистной выработке изменяется не линейно, а с меньшей интенсивностью на поступающей струе и с большей в районе вентиляционного штрека. Содержание кислорода в воздушной струе характеризует состояние равновесия между его убылью на окислительные процессы в очистной выработке и выработанном пространстве.

6. Разработан способ оценки обескислороживания рудничного воздуха для определения оптимального режима проветривания, основанный на математическом моделировании окислительных процессов на обнаженных поверхностях угольного пласта в горных выработках с учетов влияния фильтрационных утечек воздуха в примыкающее к очистному забою выработанное пространство и наличия в нем очагов активного самонагревания

1. ЛинденауН.И., Маевская В.М. Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах.- М.: Недра, 1977г. 320 с.

2. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах.- М.: Недра, 1987г. 177с.

3. Веселовский B.C., Виноградова Л.П. Орлеанская Г.Л. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров.-М.: Наука, 1975г. 157с.

4. Методическое руководство по прогнозу самовозгорания угольных пластов в зависимости от их газоносности: Утв. Нач. ВУ ВГСЧ Г.Г.Соболевым 02.04.76г.- М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1976. -30с.

5. Терехова С.Е. Оценка пожароопасности газоносных углей // Вентиляция, борьба с газом и пылью в угольных шахтах: Научн. Сообщения / ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1985по - вып. 236. -с. 99-102.

6. Глузберг Е.И. Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров. М.: Недра, 1986г. 161с.

7. Руденко К.П. Классификация шахт по степени эндогенной пожароопасности. Горный журнал, №5 1969, с 64-69.

8. Хорохольский В.Т., Шульга Ю.Н. Математическая модель эндогенной пожароопасности выемочного поля: сб. научн. трудов. Горноспасательное дело / ВНИИГД. Донецк, 1973. - с. 3 -10.

9. Сикора Ф.Ф. Теоретико вероятностная оценка пожароопасности угольных скоплений. Горный журнал. №12, 1978г. - с. 52 -55.

10. Чучалов А.В. О некоторых факторах, влияющих на пожароопас-ность горных работ на шахтах Челябинского бассейна. Уголь, 1966, сю 64-67.

11. Захаров Е.И., Колотушкин В.В. Оценка эндогенной пожароопасности шахт Подмосковного бассейна. Безопасность труда в промышленности, 1975г. с. 32.

12. Исследовать возможность локации эндогенных пожаров в отработанной части пластов угля : отчет НИР (заключ.)/ ВО ВНИИГД; Руководитель В.Н. Вылегжанин. № ГР 1904520000. Прокопьевск, 1978. - 160с.

13. Разработать методы прогноза эндогенной пожароопасности выемочных полей в различных горно-геологических и горнотехнических условиях : Отчет НИР./ ВостНИИ; Руководитель А.А. Мясников и др. № ГР 760799472; шифр 1616010000-082. -Кемерово, 1975.-71с.92