автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Научное обоснование комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах

На правах рукописи

СКОПИНЦЕВА Ольга Васильевна

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВОЙ И ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТЕЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (в горной промышленности)

1 2 ш.р 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005013954

Москва 201

/ у

005013954

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Аэрология и охрана труда»

Научный консультант КОЛИКОВ Константин Сергеевич,

доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

горный университет»,

заместитель заведующего кафедрой ИЗОС

Официальные оппоненты: КУДРЯШОВ Валерий Викторович

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник УРАН ИПКОН РАН;

ТЕРЕНТЬЕВ Борис Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры ПРПМ;

КАЧУРИН Николай Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой

геотехнологий и СПС

Ведущая организация:

ФГУП «ННЦ ГП - Институт горного дела им. A.A. Скочинского» (МО, г. Люберцы)

Защита диссертации состоится*^ШР7А 2012г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.128.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан ¿/У-^2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

КОРОЛЕВА

Валентина

Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсификация производственных процессов при подземной добыче угля в условиях постоянного увеличения глубины горных работ сопровождается учащением проявлений природных опасностей в шахтах, среди которых особое место по катастрофичности последствий занимают газовая и пылевая опасности, внезапные выбросы угля и газа. Масштабные катастрофы в угольных шахтах за последние годы в результате взрывов метановоздушных смесей показали несовершенство существующей концепции обеспечения взрывобезопасности горных работ на высокогазоносных угольных пластах и потребовали фундаментальных исследований для ее усовершенствования.

В решении проблемы борьбы с взрывами метана и угольной пыли на больших глубинах выбросоопасных пластов остаются неопределенными механизмы газодинамических явлений, генерации углеводородов угольным веществом, образования и самовоспламенения взрывоопасной среды в горных выработках. Отсутствуют исследования динамики стратифицированных по плотности воздушных потоков, определяющей их диффузионные свойства и процессы выноса вредных примесей. Не учитываются динамические условия движения воздуха и переноса многокомпонентных пылегазовых смесей в горных выработках, осложняющиеся процессами аэродинамического старения выработок. Вследствие этого эффективность вентиляционных потоков часто оказывается недостаточной. Общеизвестны случаи образования опасных слоевых скоплений метана в выработках при среднем удовлетворительном состоянии их вентиляции. В результате несовершенства действующей системы обеспечения взрывобезопасности шахт в Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случаев вспышек и взрывов газа и пыли.

В связи с вышеизложенным проблема повышения безопасности горных работ путем комплексного управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях за счет снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива и отбитого угля на основе разработки технологических решений по термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, являются актуальными, имеющими важное народнохозяйственное значение.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование комплексного метода пылегазоподавления при разработке высокогазонос-

ных угольных пластов, опасных по взрывам пыли, путем активного воздействия на угленосный массив газонаполненных растворов ПАВ, обеспечивающего повышение безопасности угледобычи при внедрении высокопроизводительной горной техники в шахтах.

Идея работы заключается в возможности изменения сорбционных характеристик угольного пласта за счет использования механизма замещения газа в сорбционном объеме угля и снижения пылеобразующей способности за счет повышения смачиваемости и равномерности увлажнения при термовлажност-ной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Опасность высокогазообильных угольных шахт по взрывам газа и пыли должна оцениваться по всему спектру горючих примесей: метану, тяжелым углеводородам и угольной пыли, одновременно присутствующих в горных выработках.

2. С возрастанием метаноносности угольного пласта и глубины разработки увеличивается содержание тяжелых углеводородов в угле, что повышает взрывопожароопасность угольной пыли. Количество сорбированных пылью тяжелых углеводородов нелинейно зависит от фракционного состава пыли.

3. Термовлажностная химреагентная обработка угольного пласта обеспечивает управление газовыделением на основе использования установленных закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость - газ с углем. Нелинейные зависимости десорбции углеводородов свидетельствуют о блокирование газов при низких и высоких концентрациях смачивателя.

4. Взаимодействие флюидов системы жидкость - газ с углем при нагнетании в угольный пласт нагретых дисперсионно-подвижных газонаполненных поверхностно-активных сред с высокими смачивающе-связывающими свойствами обеспечивает перестройку пористо-трещиноватой структуры и связывание пыли за счет термодинамических и поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз: уголь, жидкость, газ.

5. Газонаполнение растворов поверхностно-активных веществ инертными газами способствует образованию воздушно-механической пены на поверхности трещин при разрушении предварительно увлажненного угольного пласта, что позволяет повысить эффективность связывания пыли при добыче угля.

6. Рациональные параметры воздействия: концентрация смачивателя, удельный расход и температура жидкости, давление газонаполненного раство-

ра, концентрация газа в растворе ПАВ определяются на основе установленных зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ и времени контакта угля с раствором.

7. При управлении пылегазовыделением в очистном забое необходимо учитывать наличие динамически активных газов, формирующих стратифицированные по плотности воздушные потоки, и особенности старения горных выработок, приводящие к росту их аэродинамических сопротивлений.

8. Комплексный метод пылегазоподавления, базирующийся на использовании закономерностей аэрогазодинамических процессов в горных выработках и термодинамических, сорбционных и диффузионных процессов в трещиновато-пористой среде, позволяет существенно снизить уровень запыленности и загазованности воздуха, что способствует повышению безопасности работ при использовании высокопроизводительной горной техники.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

представительным объемом лабораторных и натурных измерений при исследовании динамики запыленности и загазованности воздуха в очистных забоях и вентиляционных штреках выемочных участков шахт (более 22000 измерений);

удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований сорбционных и прочностных характеристик угля с результатами лабораторных и натурных экспериментов по снижению загазованности и запыленности воздуха, а также полученными другими авторами (расхождение не превышает 15 - 20%);

высокими значениями показателей тесноты статистической связи в полученных уравнениях регрессии - зависимости пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ (коэффициент корреляции не ниже 0,8);

положительными результатами шахтных испытаний термовлажностной химреагентной обработки угольного массива на шахтах «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».

Научная новизна работы заключается в следующем:

установлены закономерности взаимодействия флюидов системы жидкость — газ с углем при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, определены оптимальные кон-

центрации раствора смачивателя, установлены зависимости десорбции углеводородов;

выявлен механизм тепловлагообменных процессов, протекающих в угольном массиве при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, главная роль в котором принадлежит диффузионному переносу газов и жидкостей, движущей силой которого является разность концентраций смачивателя и инертного газа, а также температурный градиент;

научно обоснована повышенная взрывопожароопасность угольной пыли в зависимости от фракционного состава пыли и сорбированных ею тяжелых углеводородов, имеющих меньшую по сравнению с метаном температуру воспламенения и большую теплоту сгорания;

установлены рациональные параметры термовлажностной обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ: концентрация смачивателя, удельный расход и температура жидкости, давление газонаполненных растворов, концентрация газа в растворе ПАВ, время смачивания, прирост влаги в массиве, стойкость и кратность воздушно-механической пены;

обоснована методика обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, применение которых позволит повысить смачиваемость угля и равномерность распределения нагнетаемой газонаполненной рабочей жидкости в угольном пласте с целью снижения пылевой и газовой опасностей угольных шахт.

Научное значение работы заключается в обосновании технических и технологических решений по комплексному управлению пылегазоподавлением при разработке высокогазоносных угольных пластов, опасных по взрывам пыли, на основе установленных закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость - газ с углем при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, что позволяет повысить безопасность разработки угольного месторождения. Практическое значение работы:

разработана и согласована в Ростехнадзоре методика промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (ВХТО) угольного массива;

разработана методика промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ;

даны научно обоснованные рекомендации по применению технологии комплексного пылегазоподавления в очистных забоях высокогазообильных выемочных участков угольных шахт, разрабатывающих пласты, опасные по взрывам пыли;

разработана технологическая документация для обработки высокогазоносных угольных пластов газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ в условиях Ленинского района Кузбасса.

Реализация результатов работы. На основе выполненных исследований разработана и согласована в Ростехнадзоре методика промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (ВХТО) угольного массива (2005 г.); разработана и утверждена методика промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ (2011 г.). Результаты научных исследований и рекомендации были использованы: при шахтных испытаниях обеспыливающей химреагентной обработки угольного массива на шахтах «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» (2005 г.); в принятой к реализации Технологической части проекта предварительной дегазации пласта «Бол-дыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 24-55 на поле шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденного в установленном порядке (2011 г.); при испытаниях технологии обеспыливания горных выработок на полигоне ОБР ВГСЧ России (г. Новомосковск, 2011 г.).

Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения работы докладывались на III республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Донецк: ВНИИГД, 1982 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции (Москва, МГИ, 1988 г.), на 23-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по горной безопасности (Вашингтон, 1989 г.); на 2-й международной конференции «Безопасность и экология горных территорий» (Владикавказ, 1995 г.); при чтении лекций в Пекинском технологическом университете (1995 г.); на научных симпозиумах «Неделя горняка» (1999-2011 гг.); на совместных научных семинарах кафедр АОТ и БЖГО, АОТ и ИЗОС (МГГУ, 2009-2011 гг.); на 17-й Международной конференции «ENGINEERING MECHANICS 2011», Svratka, Chech Republic, 912 May, 2011; на 2-й Международной конференции «Second IJAS conferenceat

Cambridge, Massachusetts, proud home of Harvard university. Science and Technology» (May 29 - Jun 2, 2011 ; Кембридж).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 42 научные работы, основными из которых являются 28, в том числе 19 статей, опубликованных в научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит список литературы из 193 наименований, 62 рисунка, 32 таблицы и 3 приложения.

Автор выражает благодарность советнику ректора д.т.н., проф.

A.П. Дмитриеву, научному консультанту д.т.н. К.С. Коликову, сотрудникам кафедр «Аэрология и охрана труда», «Инженерная защита окружающей среды», «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона», «Химия» МГГУ: зав. каф., д.т.н., проф. И.О. Калединой, зав. каф., д.т.н., проф. C.B. Сластунову; зав. каф., д.э.н., проф. В.А. Умнову, д.т.н., проф. Т.А. Харламовой; сотрудникам кафедры «Защита окружающей среды и БЖД» Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе: зав. каф., д.т.н., проф. Н.В. Демину, д.г.-м.н., проф.

B.C. Лебедеву; д.т.н., проф. C.B. Иляхину; сотрудникам кафедры «Экологическая химия и технология» Дагестанского государственного университета: зав. каф., д.т.н., проф. З.М. Алиеву; инженерно-техническим работникам шахты «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» и шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» за содействие и методическую помощь при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

За последние годы на высокопроизводительных шахтах России происходили катастрофические взрывы метана и угольной пыли, сопровождавшиеся экзогенными пожарами: шахта им. Шевякова (Кузбасс, 1992 г.), «Воркутин-ская» (Печорский бассейн, 1995 г.), «Баренцбург» (о. Шпицберген, 1996 г.), «Зыряновская» (Кузбасс, 1997 г.), «Центральная»| (Печорский бассейн, 1998 г.), «Юбилейная» (Кузбасс, 2007 г.), «Ульяновская» (Кузбасс, 2007 г.), «Распад-ская» (Кузбасс, 2010 г.) и др. При этом аварии носили комплексный характер, т.е. в них реализовывалось несколько опасных факторов: газ, пыль и пожар, тогда как в системе профилактики взрывов основной акцент сделан на метан.

На угольных шахтах России очистные забои, оборудованные современной выемочной техникой, способны по технической характеристике добывать

10-15 тыс. т угля в сутки и более. Однако обильное метановыделение из отрабатываемых высокогазоносных пластов угля и высокая запыленность выработок сдерживают возможности угледобывающей техники, что существенно влияет на рентабельность подземной угледобычи.

Дегазация угольных пластов и управление газовыделением, имеющие целыо предотвратить опасность загазирования выработок, повышают эндогенную пожароопасность и увеличивают пылеобразующуго способность угля и запыленность воздуха в шахтах. Предварительное физико-механическое воздействие на пласт при дегазации приводит, как правило, к повышению склонности угля к самовозгоранию, а использование способов управления газовыделением с помощью дренажных штреков и отсоса метановоздушной смеси из выработанного пространства - к усилению проветривания выработанного пространства и интенсификации окислительных процессов, являющихся причиной самовозгорания угля. Следовательно, профилактические меры различных опасных явлений должны быть комплексными.

Исходя из анализа общего состояния данных проблем, теоретических и экспериментальных исследований в указанных областях и в соответствии с поставленной в диссертации целыо осуществлялось решение ряда задач, основными из которых являются:

- анализ состояния проблемы борьбы с пылегазовоздушными смесями в угольных шахтах; исследование состава и количества углеводородных газов угольных пластов и угольной пыли как показателей газовой и пылевой опасностей угольных шахт;

- установление причин и механизма образования пылегазоопасных зон на выемочных участках угольных шахт на основе анализа структуры газового и пылевого балансов призабойного пространства лавы при существующих технологических схемах проветривания выемочных участков;

- выявление закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость - газ с углем при термовлажностной обработке угольного массива газонаполненными растворами ПАВ для разработки комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей выемочного участка;

- разработка комплексного метода пылегазоподавления при добыче угля, технологии и методики расчета рациональных параметров комплексного пылегазоподавления при разработке высокогазоносных угольных пластов;

- разработка рекомендаций по практической реализации комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах.

Основоположником научной школы рудничной аэрологии является выдающийся ученый - академик А. А. Скочинский. В области исследования ос-редненного движения воздуха в горных выработках можно считать решенными вопросы аэродинамического сопротивления (работы Ф.А. Абрамова, В.Н. Воронина, Л.Д. Ворониной, В.Б. Комарова, А.И. Ксенофонтовой, П.И. Мустеля и др.). Процессы диффузии газов в выработках и выработанных пространствах исследовались Ф.А. Абрамовым, А.И. Бобровым, В.А. Бойко,

B.Н. Ворониным, Н.О. Калединой, А.И. Ксенофонтовой И.И. Медведевым, И.М. Местером, JI.A. Пучковым, В.В. Скобуновым, Р.Б. Тяном, Н.И. Устиновым, A.C. Цырюльниковым, П. Бэкке и др.

Теория и практика исследования фильтрационных движений в шахтах получили достаточно большое развитие в работах Н.М. Качурина, Ф.С. Клебанова, А.Ф. Милетича, М.А. Патрушева, И.М. Печука, К.З. Ушакова и др. Решением проблем слоевых скоплений метана занимались А. И. Бобров, A.JT. Сурков, К.З.Ушаков, М.А.Фролов, С.Дж. Лич, Д.С. Тернер, T. X. Эллисон и др.

Современные представления о газодинамических процессах в угленосной толще обоснованы и развиты в трудах А.Т. Айруни,

C.К. Баймухаметова, Ю.Ф. Васючкова, A.B. Джигрина, B.C. Забурдяева, Г.Д. Лидина, К.С. Коликова, В.Н. Королевой, В.А. Малашкиной, Н.Г. Матвиенко, В.И. Мурашова, В.Н. Пузырева, А.Д. Рубана, К.Н. Трубецкого, Н.В. Ножкина, И.В. Сергеева, C.B. Сластунова, Б.Д. Терентьева, В.В. Ходота, И.Л. Эттингера, С.А. Ярунина и др.

Решением проблем борьбы с пылью в угольных шахтах занимались ученые: A.C. Бурчаков, В.Н. Воронин, Л.Д. Воронина, Н.Ф. Гращенков, Г.С. Гродель, В.И. Дремов, С.Ю. Ерохин, В.П. Журавлев, Г.С. Забурдяев, И.Г. Ищук, Б.Ф. Кирин, В.В. Кудряшов, Л.Я. Лихачев, М.И. Нецепляев, Е.И. Онтин, Г.Е. Панов, А.Е. Пережилов, П.М. Петрухин, С.Н. Подображин, Г.А. Поздняков, В.В. Ткачев, A.A. Трубицын, A.B. Трубицын, Н.В. Трубицына, М.И. Феськов, М.А. Фролов, М.К. Шуринова, В. Кортней, Л. Манделл, Р. Сальман, В.Дж. Томас и др.

В Российской Федерации из 105 действующих угольных шахт 82 отнесены к метанообильным, в их числе 50 шахт III категории, сверхкатегорных и

опасных по внезапным выбросам угля и газа. В 2009 г. с применением дегазации работали около 20% шахт.

Уровень запыленности практически по всем угольным шахтам значительно превышает предельно допустимые концентрации, а применяемые способы и средства пылеподавления малоэффективны и не являются составной частью технологических процессов, в связи с чем пылевая опасность остается крайне высокой. Проводимый в настоящее время на шахтах контроль запыленности рудничной атмосферы и пылевзрывоопасности горных выработок также не обеспечивает необходимой надежности.

В угольных шахтах увеличение пылеобразования связано дополнительно с тем, что: все применяемые системы разработки предполагают обнажение угольного пласта на всей площади отработки; угольная пыль обладает высокой витаемостыо и низкой смачиваемостью; интенсивное проветривание вызывает захват большого количества пыли турбулентным воздушным потоком; рост энерговооруженности при механическом отделении и дроблении горных пород (угля) непосредственно в активно проветриваемом рабочем пространстве горных выработок приводит к непрерывному интенсивному запылению атмосферы горных выработок на всем их протяжении.

Комплексное обеспыливание воздуха в очистных и проходческих забоях угольных шахт предусматривает предупреждение пылеобразования и подавление выделившейся в процессе работы комбайна пыли. К первым относятся совершенствование горных машин по пылевому фактору и профилактическая обработка угольного массива нагнетанием в пласт жидкостей. Ко вторым - обеспыливающее проветривание, различные способы орошения и пылеулавливание.

Одним из наиболее распространенных на угольных шахтах России методов предупреждения пылеобразования является профилактическая обработка угольных пластов жидкостями. В настоящее время разработаны, испытаны и внедрены различные технологические схемы и средства нагнетания жидкости. Однако существующие технологические схемы и оборудование не обеспечивают требуемой эффективности увлажнения.

Причинами образования взрывоопасной метановоздушной среды являются высокая природная газоносность и, следовательно, высокое пластовое давление, что при поверхности обнажения угленосной толщи во всей сети горных выработок, измеряемой десятками квадратных километров, предопределяет значительное газовыделение, несмотря на низкую газопроницаемость уголь-

ных пластов и вмещающих пород. На глубинах 700 -1000 м природная газоносность угольных пластов достигает 25-30 м3/т. Пиковое газовыделение, фиксируемое при определении категорийности шахт, достигает 120 - 160 м3 на 1 т добычи.

В угольных шахтах воспламенение метано- и пылевоздушной смеси происходит в основном от теплового импульса, создаваемого взрывными работами, электрическим током и фрикционным искрением. Для предупреждения фрикционного искрения пока не найдены надежные технические решения. Самовозгорание также не всегда может быть предсказано и выявлено с необходимой точностью. Все другие источники теплового импульса технически устранимы. Их наличие во многих случаях является результатом нарушений технологической дисциплины персоналом.

Анализ статистических данных за последние годы в целом показывает что в Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случаев вспышек газа и пыли, в том числе взрывов, количество погибших человек составляет в среднем 30 чел/год. Средний ущерб от аварий по вспышкам газа и пыли, в том числе взрывам, составляет 405200 тыс. руб/год.

Распределение взрывов метанопылевоздушных смесей по местам происшествий следующее: в очистных забоях - 20% случаев; в подготовительных - 51,4%; в прочих действующих выработках - 14,2%; в выработанных пространствах - 11,4%; в подземных скважинах - 2,8% .

Таким образом, рассмотрение причин образования взрывоопасной среды в горных выработках показывает, что мероприятия пылегазового режима должны быть направлены на изменение свойств и состояния продуктивной толщи, особенно разрабатываемого пласта или залежи, с целью уменьшения отрицательных их проявлений, т.е. подготовку месторождения к безопасной разработке; а также на проведение технических мероприятий в шахте по пылегазопо-давлению.

Основные технологические процессы по добыче угля подземным способом связаны с образованием большого количества пыли. Пылеобразующая способность угля зависит от его вещественного состава, степени метаморфизма, влажности, крепости, наличия минеральных включений и степени перемятости (в зоне геологических нарушений), что влияет на запыленность воздуха в очистных и проходческих забоях при разработке угольных пластов. При увеличении крепости угля возрастают удельные энергозатраты на его разрушение, что

ведет к дополнительному переизмельчению угля и выделению тонкой пыли. При выемке угля комбайнами с увеличением коэффициента крепости с 0,6 до

1.4 запыленность воздуха увеличивается, например в Кузбассе, в 3 раза. С повышением содержания различного вида влаги значительно уменьшается склонность угля к пылеобразованию. С увеличением естественной влажности угля с

1.5 до 8% запыленность воздуха снижается в Кузбассе в 9 раз. По данным каталога шахтопластов Кузнецкого, Донецкого, Подмосковного бассейнов построен график зависимости пластовой влажности угля и удельного пылевыделения от выхода летучих веществ (рис. 1).

ос

Марка угля к ж

д

800

"Ё 700

1 600

ш

Д. 500

2 400 £

с 300

ш о

х 200 -0

|юо

■ Удельное пылевыделение;

I

• влажность угля.

-4-

менее 12 12

39 более 41

30 25

5? 20 оГ

Е

>>

15 £

о о

Ю 1

со с ш

5 0

15 20 30 36

Выход летучих веществ, % .

Рис. 1. Изменения удельного пылевыделения и влажности угля в ряду метаморфизма Кузнецкого, Донецкого, Подмосковного бассейнов

Из полученных данных следует, что на участке средней стадии метаморфизма (ОС, К, Ж, Г) уровень удельного пылевыделения остается весьма высоким. При переходе к длиннопламенным (Д) и бурым (Б) углям (низкая стадия метаморфизма) удельное пылевыделение резко падает.

Изучение опыта применения предварительного увлажнения угля в массиве позволило установить, что основными причинами недостаточной эффективности метода являются: низкая смачиваемость угля, а также неравномерность распределения нагнетаемой жидкости в пласте.

Для связывания пыли в массиве и, следовательно, снижения пылеобра-зования необходимо повысить смачиваемость угля за счет введения в воду

ПАВ, подать в массив достаточное количество воды на тонну угля, повысить равномерность увлажнения массива за счет переноса влаги от магистральных трещин к периферии. Последнее достигается за счет капиллярного впитывания жидкости в узкие трещины и поры, перемещения влаги в направлении температурного градиента и градиента концентрации смачивателя. Однако, если эффективность взаимодействия жидкости с углём будет высокой, а пласт будет увлажнен неравномерно, то остаточная запыленность воздуха будет оставаться высокой.

Исследования процесса увлажнения угольного пласта как способа пыле-подавления показали, что удельный расход жидкости является основным параметром. Из анализа литературных источников следует, что при малых удельных расходах жидкости д (от 0 до 5 л/т) кратность снижения запыленности воздуха относительно слабо растет с их увеличением. Затем идет интенсивное возрастание и, начиная с д = 30 л/т, изменение концентрации пыли с ростом удельного расхода замедляется, приближаясь к некоторой постоянной величине. Обычно эту величину принимают за остаточную запыленность воздуха, которая обусловлена неравномерностью увлажнения массива угля, даже при очень больших удельных расходах жидкости и разрушении кусков угля, куда вода не могла проникнуть. Таким образом, рациональный удельный расход жидкости лежит в пределах 25 -35 л/т.

Внутри влажного материала под действием температурного градиента влага перемещается от нагретой части к холодной. Перемещение влаги в материале под действием температурного градиента может происходить как в виде жидкости, так и в виде пара. Наиболее интенсивно процессы термовлагопере-носа протекают, когда поры не полностью заполнены влагой и в достаточной мере развита поверхность раздела жидкость - газ. Если жидкость, находящаяся в капилляре, на концах имеет разную температуру, то поверхностное натяжение на холодной стороне больше, чем на теплой. Соответственно давление на холодной стороне будет меньше, и жидкость будет перемещаться к холодному концу капилляра.

В работах проф. В.В. Кудряшова показано, что эффективность метода резко возрастает с повышением температуры жидкости (раствора) до 20 °С, а затем при температуре 30 °С и выше рост эффективности замедляется. Повышение температуры с +10 °С до +20-К30 °С позволило повысить эффективность термовлажностной химреагентной обработки угля в 2-2,5 раза.

Вязкость жидкости очень сильно зависит от температуры. Вязкость воды например, уменьшается в 2 раза при нагреве с 10 до 40 °С. Отсюда скорость и равномерность пропитки массива возрастут с повышением температуры жидкости.

Чтобы увеличить отрицательное давление над вогнутой поверхностью, перемещающей жидкость в трещинах, а также, чтобы увеличить скорость движения воды в трещинах - скорость пропитки угольного пласта, необходимо уменьшить поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело - жидкость <уГ/К . Уменьшить ат можно введением смачивающих добавок - поверхностно-активных веществ (ПАВ). Использование ПАВ необходимо потому, что уголь по природе - вещество, плохо смачиваемое водой, особенно в области средней стадии метаморфизма. Добавление смачивателя к воде повышает эффективность увлажнения до 1,5 раз и снижает коэффициент крепости угля в 1,8 раз.

Для повышения равномерности и эффективности увлажнения угольного массива предлагается использовать для нагнетания в массив газонаполненные растворы поверхностно-активных веществ. В процессе предварительного увлажнения угольных пластов нарушается равновесное состояние в системе уголь - метан. Фактическое замещение метана жидкостью зависит от скорости движения жидкости по порам и трещинам.

Вытеснение (замещение) метана жидкостью в поровом и трещинном объеме возможно при следующих видах переноса жидкости в угле: вязком течении за счет градиентов внешних и капиллярных давлений в порах и трещинах; растекания по стенкам пор и трещин за счет физико-химических сил взаимодействия жидкости с углем; объемной (нормальной) диффузии молекул жидкости в газовой смеси с метаном в поровом пространстве угля под действием градиента концентраций или температур; молекулярной (кнудсеновской) диффузии; поверхностной диффузии молекул воды или другой жидкости по стенкам капилляров и трещин; капиллярной конденсации в микропорах.

В процессе вязкого течения происходит «поршневое» вытеснение метана из трещин. Скорость течения определяется геометрическими размерами канала, градиентом давлений и вязкостью жидкости. Взаимодействие жидкости с углем в данном случае несущественно. В остальных видах переноса скорость процес-

са определяется в значительной степени взаимодействием поверхности угля с нагнетаемой жидкостью.

Под воздействием давления жидкости свободный газ вытесняется из крупных трещин и пор в более мелкие, где газ находится в сорбированном и в свободном состоянии.

В каждый момент времени функция распределения давления (Р) в жидкости будет удовлетворять уравнению фильтрации капельной жидкости

тк ЯгаЧ Р{х,у,г, 0] = £ (*£) + ± + ± (к%) = 0, (1)

где К(х, у, г) - проницаемость.

Интенсификация выделения газа из сорбционного объема угля с использованием механизма замещения термодинамически возможна при обработке пласта такими веществами, которые являются более термодинамически стабильными по отношению к данному газу. В соответствии с термодинамической закономерностью, установленной проф. Ю.Ф. Васючковым, вещества по заместительной способности располагаются в ряд:

Не-Ме-Нг-Аг-Кг-Рг-^-Ш-Ог -воздух-03-СН4. (2)

Чем больше термодинамическая стабильность, тем больше сорбция вещества при одних и тех же условиях. Газы, способные замещать метан, находятся левее его в ряду (2).

Увлажнение угольного массива газонаполненными растворами сопровождается совместным движением двух фаз по капиллярам. По структуре смеси режим течения в капилляре можно определить как пузырьковый режим, который имеет место при малых газосодержаниях потока и характеризуется движением газа в виде отдельных, малых по сравнению с радиусом капилляра, пузырей.

Законы движения газонаполненных растворов сложнее законов движения однородных жидкостей в трубах и изучены хуже. Если при движении однофазного потока приходится иметь дело с одним опытным коэффициентом трения, то при движении двухфазного потока газонаполненных растворов ПАВ приходится прибегать к нескольким опытным характеристикам потока, которые в свою очередь зависят от разнообразных условий движения.

Рассмотрим простую линейную систему движения газонаполненного раствора. При продвижении фронта воды в пласте примем поршневое вытесне-

ние газа водой. В области, занятой водой и газом, течение описывается уравнением Лапласа, которое в рассматриваемом случае линейного течения имеет вид

где Р - давление на границе раздела газ - вода.

Градиент давления определяется параметрами:

дР =

дх I ' ™

где Р3- давление на забое скважины, МПа; Рп,- пластовое давление на границе контура питания, МПа; /. - длина трещины, м.

На перемещающейся границе при х=1. будет соблюдаться динамическое условие

_т£ = = Л- (Ё£.\ /5^

м цгаз \дх)х=ь ц8ода \дх)х=1 где А- протяженность трещины, заполненной газом, м; К — проницаемость пористой среды, м2; /у - вязкость текучего, Па-с; т— фильтрующий объём пор, м3.

Закачиваемый в пласт под высоким давлением газонаполненный раствор ПАВ, перемещаясь по трещинам и макропорам, будет увеличивать их гидропроводимость, вытеснять и блокировать находящийся в них свободный метан. После прекращения закачки газонаполненного раствора ПАВ и снятия давления с поверхности скважин блокированные жидкостью метан и инертный газ оказываются под воздействием капиллярных сил. Капиллярная пропитка является функцией давления, которая для одного капилляра определяется формулой Лапласа

Рк = ^С05в, (6)

'к

где Рк - капиллярное давление, Н/м2; а - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; гк — радиус капилляра, м; в — краевой угол смачивания, град.

Для проникновения смачивающей жидкости в микропористую структуру угля необходимо, чтобы капиллярное давление превышало пластовое. При этом возможны две схемы движения жидкости:

1) жидкость из фильтрующего объема проникает в «тупиковую» или «открытую» пору постоянного сечения;

2) жидкость попадает в «открытую» пору переменного сечения.

При первой схеме газ сжимается жидкостью до давления поверхностного натяжения в газовый пузырек, а при второй — передвигается по поре в сторо-

ну уменьшения ее сечения. Уменьшение радиуса поры на границе раздела фаз вызывает уменьшение радиуса кривизны и создание добавочного давления поверхностного натяжения, направленного в сторону уменьшения радиуса поры.

Величина добавочного давления поверхностного натяжения, способствующего вытеснению газа из поры, рассчитывается по формуле

^ = (7)

где /?/, я!г - радиусы кривизны на границе раздела фаз газ - жидкость, м; Рк1 -давление поверхностного натяжения жидкости со стороны большего сечения поры, Па; - давление поверхностного натяжения жидкости со стороны меньшего сечения поры, Па. Действительно, в случае уменьшения радиуса поры нижеприведенное выражение будет больше нуля:

и, следовательно, избыток давления поверхностного натяжения вытесняет газ в сторону меньшего сечения поры. При равенстве

= Я'2 => АРК = 0, (9)

которое соответствует положению газового пузырька в цилиндрической поре постоянного диаметра, добавочное давление ДРк=0 и газовый пузырек блокируется в поре жидкостью.

Диффузионный перенос, характерный как для газов, так и для компонентов жидких растворов, является преобладающим в процессах увлажнения угля при термовлажностной обработке газонаполненными растворами ПАВ, при этом движущей силой является разность концентраций смачивателя и инертного газа, а также температурный градиент.

Динамика влагонасыщения угля, поверхностного натяжения и вязкости рабочей жидкости, пылеобразующей способности угля, десорбции сорбированных газов при термовлажностной химреагентной обработке угля изучалась на основе лабораторных исследований. В качестве рабочих жидкостей для увлажнения образцов угля в режиме капиллярного насыщения использовали воду и водные растворы смачивателей «Неолас» и ДБ. Исследовалось влияние температуры рабочей жидкости на процессы влагонасыщения угля. При этом сравнивались значения влагосодержания угля при обработке его чистой водой и растворами смачивателя «Неолас» разных концентраций (0,15%, 0,5%, 1,0%, 3%) и при разных температурах (20 °С, 40 °С, 60 °С).

Исследования показали, что кинетика адсорбционного и капиллярного насыщения для одних и тех же углей пластов К-1, Е-5 различна при разной температуре раствора смачивателя. Максимальное влагонасыщение исследуемых образцов угля наблюдалось при температуре 40 "С. При этом значение коэффициента влагонасыщения составило 4,1%, что в 1,5 раза больше значения этого же коэффициента при температуре 20 °С и в 1,6 раза больше, чем при температуре 60 °С.

Кроме этого, были проведены измерения поверхностного натяжения рабочей жидкости с различной концентрацией смачивателя «Неолас» методом отрыва капель. Наибольший эффект снижения поверхностного натяжения наблюдался на интервале концентраций 0,05-Ю,2% (почти 2,1 раза по сравнению с поверхностным натяжением воды).

Исследовалась кинематическая вязкость чистой воды и рабочего раствора со следующими концентрациями смачивателя «Неолас»,%: 0,05; 0,15; 0,2; 0,3; 0,5; 0,7; 1,0 при температурах этих растворов 20 °С и 40 °С. Коэффициент кинематической вязкости водного раствора «Неоласа» с концентрациями от 0,05 до 1,0% при температуре 20 °С находился в пределах 0,788+1,033 мм2/с; при температуре 40 °С - 0,788+0,833 мм2/с. Наибольшее снижение коэффициента кинематической вязкости наблюдалось для чистой воды при нагревании от 20 до 40 °С и составило почти 20%.

Для определения оптимальной концентрации смачивателя в рабочей жидкости при увлажнении угля был выполнен хроматографический анализ не-увлажненных образцов угля пласта Е-5 (марка Ж, угольный пласт кольчугин-ской серии пермского возраста, Кузбасс) и образцов угля этого же пласта, обработанных химреагентньтм способом при температурах 25 и 60 °С.

Графические характеристики процесса десорбции газов из угля, обработанного при температуре 25 °С (рис. 2) имеют вид параболы с оптимальной концентрацией раствора смачивателя, равной 0,5+0,6%, при которой остаточная газоносность для всех трех исследуемых газов является минимальной по сравнению с чистой водой и концентрацией смачивателя 1%. Следовательно, для чистой воды и 1%-ной концентрации смачивателя наблюдается блокирование углеводородных газов рабочей жидкостью, в результате чего остаточная газоносность угля повышается по отношению к необработанному углю.

Представленные на рис. 2 графики десорбции углеводородов относительно их количества в необработанном образце угля аппроксимируются следующими зависимостями соответственно для метана, этана, пропана:

у- = 4,989 • С2 - 4,757 • С + 1,812; (10)

у = 3,544 • С2 - 3,531 ■ С + 1,306; (11)

у = 3,605 • С2 — 3,453 • С + 1,166, (12)

где I - количество десорбированного газа из угля, увлажнённого раствором смачивателя, см3/кг; 10 - количество десорбированного газа из необработанного угля, см3/кг; С - концентрация смачивателя,%.

Концентрация смачивателя "Неолас" - С, % Рис. 2. Десорбция газов угля, увлажненного при температуре 25 °С

На рис. 3 приведены аналогичные графики для угля, обработанного при температуре 60 °С. Результаты существенно отличаются тем, что при температуре обработки 60 °С для всех концентраций смачивателя остаточная газоносность угля почти для всех углеводородных газов уменьшилась по сравнению с необработанным углем.

Графики отношений удельных объемов десорбированного газа из угля после термовлажностной химреагентной обработки при температуре 60 °С и до

обработки, представленные на рис. 3, хорошо аппроксимируются полиномом четвертой степени соответственно для метана, этана, пропана:

- = -18,26 • С4 + 33,806 • С3 - 19,133 • С2 + 3,838 • С + 0,55 (13)

'о

- = -12,495 • С4 + 22,408 • С3 - 11,785 • С2 + 1,972 • С + 0,6;(14)

'о

- = -6 505 • С4 4-10,529 • С3 - 4,0499 • С2 + 0,126 • С + 0,6. (15)

'о

Из приведенных результатов можно сделать вывод, что для смачивания угля лучше всего выбирать концентрации смачивателя от 0,15 до 0,5% при температуре обработки до 25 °С.

Рис. 3. Десорбция газов угля, увлажненного при температуре 60 °С Для оценки пылеобразующей способности угольных пластов необходимо знать закономерности образования гранулометрического состава разрушенного угля. За критерий оценки эффективности различных жидкостей в режиме капиллярного насыщения угля был принят выход тонкодисперсной пыли при постоянной энергоемкости процессов разрушения. Навески угля подвергали толчению в копре методом сбрасывания груза, затем просеивали через сита с целью определения гранулометрического состава продуктов разрушения. Из анализа полученных данных следует, что выход пыли размером менее 0,07 мм в

образце угля, обработанном раствором с концентрацией смачивателя 0,2%, уменьшился в 2,19 раз по сравнению с образцом, обработанным чистой водой, и уменьшился в 1,96 раза по сравнению с образцом, обработанным раствором с концентрацией 0,05%. При этом выход пылевых фракций размером 0,07-Ю,25 мм уменьшился в 1,88 раза.

Рассчитанные значения пылеобразующей способности угля (р)пщ увлажнении чистой водой и раствором смачивателя (рис. 4) с концентрациями,%: 0,05; 0,2; 0,5; 0,7; 1,0 хорошо аппроксимируются полиномом третьей степени р(С) = Ю-5 • С3 + 0,0014 • С2 - 0,012 • С + 0,0378. (16)

к °.°3

>, 0,028

й 0,026

1 . °-024

о Ц 0,022

о * 0,02

К ш"

га о 0,018

2 Ь. 0,016

о. 0,014

ю

0 0,012

1 0,01 -1-.---1-1-1

с 0 0,05 0,2 0,5 0,7 1

Концентрация смачивателя в растворе, С, %

Рис. 4. Зависимость пылеобразуюущей способности угля от концентрации смачивателя

Таким образом, пылеобразующая способность угля имеет минимальное значение в интервале концентраций смачивателя 0,2 - 0,3%, после чего с ростом концентрации смачивателя пылеобразующая способность угля увеличивается.

Вспененная жидкость обладает меньшей вязкостью и большей проникающей способностью в мельчайшие поры и трещины, что повышает равномерность и качество увлажнения угля. В лабораторных условиях с использованием автоклава исследовались процессы увлажнения угля газонаполненными растворами ПАВ. Исследовался уголь пласта Е-5, марки Ж; масса кусков угля составляла около 40 г. Объем автоклава - 1000 мл, объем раствора смачивателя -100 мл. Увлажнение производили при следующих давлениях азота, МПа: 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0. Концентрации смачивателя составляли,%: 0; 0,5,1,0.

По рассчитанным коэффициентам влагонасыщения были построены графики зависимости коэффициента влагонасыщения от давления азота (рис.5). Графики представлены линейной зависимостью, которая может быть аппроксимирована уравнением:

к„ = к-Р+Ь, (17)

где Р - давление азота, МПа; ¿-коэффициент пропорциональности, Ь - константа.

ш

2 л

0 го

1

2 га с; ш

I

ш

з: ^

-В-

-во о

0,25 0,5 0,75

Давление азота, МПа

1,0

Рис. 5. Зависимость коэффициента влагонасыщения угля от давления азота

Максимальное приращение влажности составляет 6,38%, при концентрации смачивателя 0,5% и давлении азота 1,0 МПа. Рассчитаны значения коэффициентов влагонасыщения кК в зависимости от давления азота. Анализ расчетных данных показывает, что рекомендуемыми параметрами при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ являются концентрации ПАВ 0,2^0,5% и давления азота 1,0^-2,0 МПа. Коэффициент пропорциональности к , позволяющий определять необходимое давление азота для получения требуемого прироста влажности угля, для чистой воды равен 1,4; ¿=1,6; для концентрации смачивателя 0,5% ¿=3,18; £|=3,2; для концентрации смачивателя 1,0% ¿=0,98; 6=1,12.

Установлено, что увлажнение угля газонаполненными растворами ПАВ с концентрацией смачивателя 0,5% по сравнению с концентрацией 1% увели-

чивает сорбционную способность угля в отношении ПАВ в среднем на 4%, что равносильно увеличению давления азота с 0 до 1,0 МПа.

Эффективность обеспыливающей обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ обусловлена снижением пылеобразующей способности угля и повышением эффективности пылеулавливания при отбойке угля за счет воздушно-механической пены, формируемой как в микротрещинах угольного массива, так и при его отбойке на поверхности отбитого угля. Благодаря применению технологии обработки угля газонаполненными растворами ПАВ (ОГНР) происходит равномерная пропитка угольного пласта.

Пылеобразующая способность угля, обработанного газонаполненными растворами чистой воды и с концентрацией смачивателя 0,5% при давлениях, МПа: 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 (рис. 6), хорошо аппроксимируется линейными функциями

р(р)с=0% = -°'001 •р + °<03°; (18) р(Р)с=о,5% = —0,002 • Р + 0,014. (19)

Рис. 6. Зависимость пылеобразующей способности угля от давления газа

Безопасность работ на газовых шахтах существенным образом зависит от концентрации метана в рудничной атмосфере, которая строго нормируется Правилами безопасности. Присутствие в рудничной атмосфере гомологов метана создает повышенную опасность, так как эти газы образуют взрывчатые смеси с воздухом при более низких концентрациях, чем метан, и, кроме того, являются высокотоксичными веществами. Пределы взрываемости в смеси с воздухом составляют, например, для этана 3,2-2,5%, для пропана 2,4-9,5% и для

бутана 1,9-8,4%. Однако в Правилах безопасности угольных шахт до настоящего времени не установлены значения предельно-допустимых концентраций в воздухе для гомологов метана.

Минимальное содержание в смеси (%) нескольких близких по составу горючих компонентов (например, метана, этана, водорода и др.), при котором смесь взрывается, определяется по формуле Ле Шателье. Расчеты, выполненные по этой формуле показывают, что наличие бутана в рудничном воздухе от 10 до 20%, может снизить концентрационный предел взрываемости газовоздушной смеси от 4,2 до 3,7%.

Тяжелые углеводороды наряду с метаном входят в состав газов угленосных отложений. В процессе углефикации генерируется огромное количество газов, преимущественно углеводородов. Как известно, ископаемые угли относятся к своеобразному классу природных сорбентов, которые получили название «молекулярных сит». Для них характерна пористая структура с преобладанием главным образом микропор диаметром 1,0-1,5 нм. Поэтому скорость свободной десорбции из угля последовательно снижается от СН4 к его гомологам, т.к. диаметр молекул в ряде СН4-С5Н12 возрастает от 0,42 до 0,8 нм.

Изучению физико-химического состояния природной системы уголь-метан и формам связи метана с углем посвящены работы А.Т. Айруни, Ю.Ф. Васючкова, Г.Д. Лидина, A.A. Скочинского, Г.Н. Фейта, И.Л. Этгингера и др. Ими выделяются следующие формы связи метана с углем: свободная, сорбированная, растворенная и газокристаллическая.

Обычно в свободных газах угольных пластов содержание тяжелых углеводородов (УВ) не превышает 1-5%. В литературе приводятся сведения, что свободные газы угольных пластов могут содержать повышенные количества тяжелых УВ. Так, в угленосных толщах Пенсильвании (США) метан содержит примесь до 10% этана. Е. С. Розанцев и Н. П. Таран приводят данные о высоком содержании тяжелых УВ (десятки %) в угольных газах, отобранных с выбросо-опасных участков.

При вскрытии угольных пластов и снижении давления происходит последовательное выделение углеводородов из углей в соответствии с их сорбци-онными свойствами. Метан, как наиболее подвижный компонент, опережает другие, более тяжелые УВ, которые начинают выделяться после истечения из

пласта основной доли метана. Этим можно объяснить, что в свободно выделяемых из углей газах наблюдаются низкие концентрации тяжелых УВ, которые остаются в угле как трудно выделяемые.

Значительное количество работ (Ю.Ф. Васючков, Г.Д. Лидин, Н.В. Ножкин, В.В. Ходот, Н.В. Шульман, И.Л. Этгингер, М.Ф. Яновская и др.) опубликовано по сорбции УВ в связи с определением метаноемкости углей и гидровоздействием на угольные пласты. Однако основное внимание уделяется метану и данные по тяжелым УВ практически не приводятся. В ряде опубликованных работ (Ф.А. Алексеев, B.C. Лебедев, Е.С. Розанцев, И.С. Старобинец, Н.П. Таран и др.) приводятся данные о повышенных и высоких концентрациях тяжелых УВ в сорбированных газах углей: до 40-60% в газах, выделенных из угля нагреванием до 80 °С.

Исследования состава и количества сорбированных углеводородов угольных пластов и пыли были выполнены для угольных пластов шахты «Осинниковская» (Кузбасс), (уголь марки Ж): Е-1, Е-5, К-1, К-5, угольная пыль пласта Е-5. Результаты исследований сорбированных углеводородов, извлеченных из углей и угольной пыли, представлены в табл. 1 и на рис. 7. Содержание предельных УВ от метана до гексана в газах, выделенных из углей и угольной пыли, составляло 13,4-29,1 см3/кг угля, пыли. Четко видно обогащение сорбированных углеводородов тяжелыми углеводородами, причем в основном преобладают пропан (С3Н8) и бутан (С4Ню).

Известно, что у тяжелых УВ температура воспламенения, концентрационные параметры взрываемости ниже, а теплотворная способность выше, чем у метана. Проф. Лебедевым B.C. была выдвинута гипотеза, что выделяемые из угля тяжелые углеводороды в процессе угледобычи могут играть роль «пускового» фактора в развитии процессов возгорания и взрывов в угольных шахтах. Произведены расчеты теплоты сгорания углеводородов, извлеченных из 1кг угля и угольной пыли. Наибольшее количество тепла выделяется при сгорании бутана. В табл.1 приведены расчетные значения теплоты сгорания сорбированных углеводородов, извлеченных из 1 кг углей и угольной пыли. Наибольшая теплота сгорания установлена у тяжелых углеводородов, извлеченных из пласта Е-1 (3049,5 Дж/кг угля). Несколько ниже теплота сгорания у тяжелых углеводородов, извлеченных из угольной пыли (2549,3 Дж/кг пыли). Если принять

средние значения количеств тяжелых УВ (5 см /кг угля или пыли), выделяемых из углей и угольной пыли, то средняя теплота их сгорания будет равна 575 Дж, теплота сгорания того же количества метана составляет 199 Дж. 12

Уголь, Е-5;

Уголь, К-5;

»Угольная пыль.

СН4

С2Н6 С2Н4 СЗН8 СЗН6 С4Н10 С4Н8 С5Н12 С6Н14

Рис. 7. Количество выделяемых углеводородов из угля и угольной пыли (200 °С)

Работами И.Л. Эттингера установлено, что в углях от I типа нарушенно-сти к V фильтрующий объем пор увеличивается более чем в 2 раза. При этом объем субмакропор возрастает более чем в 6 раз, а объем переходных пор остается стабильным и от степени нарушенности не зависит. В силу образования субмакропор возможно увеличение сорбционной способности у препарированных углей по отношению к высшим углеводородам, как к газам с большим размером молекул, чем метан.

Результаты опытов Е.С. Розанцева и Н.П. Таран показали, что при тектонической препарации углей возрастает их сорбционная активность по отношению к тяжелым углеводородам. Перемятые угли поглощают в 1,7 раза больше тяжелых углеводородов, чем крепкие ненарушенные угли. Сорбционная емкость углей по отношению к тяжелым углеводородам увеличивается по мере уменьшения крепости. По данным этих авторов, с возрастанием выбросоопас-ности пласта и частоты проявления внезапных выбросов повышается и содержание в угле тяжелых углеводородов (до 1,8 м3/т горючей массы). Пласты, практически невыбросоопасные, содержат тяжелых углеводородов до 0,001 м3/т г.м.; при содержании более 0,01 м3/т г.м. - пласты опасны, а при содержании от

h

0,004 до 0,01 м3/т г.м. угольные пласты являются переходными от опасных к неопасным.

Таблица 1

Основные свойства, количество и состав сорбированных углеводородов, извлеченных из угля и угольной пыли методом термодегазации

Вещество, параметры Углеводороды 1 I*» ! )

сн„ C2HS C2H„ с,н» CjH6 с,н,„ с,н» С5н,2 С6н,„

Эффективный диаметр молекулы, им 0,414 0,537 0,495 0,632 0,599 0,707 0,674 0,780 0,839

Относительная молекулярная масса 16,043 30,070 28,054 44,097 42,081 58,124 56,100 72,147 86,173

Плотность, кг/нор.м3 0,715 1,357 1,260 2,019 1,915 2,703 2,668 3,172 3,638 1

Пределы взрывасмости, об.% 5,0- 3,2- 2,4- 1,9- 1,4- 1,25-

14,0 12,5 9,5 8,4 7,8 6,9

Количество адсорбированного та из угля пласта ЕМ, см3/кг; содержание в газовой смеси, об.% 3,9 13,4 1,25 4,3 0,71 2,4 6,59 22,7 0,7 2,4 9,4 32,4 Отс. 4,95 17,0 1,55 5,3 29,1 1 1

Количество адсорбированного газа из угля пласта Е-5, см3/кг; содержание в газовой смеси, об.% 2,25 14,3 0,59 3,7 0,29 1,8 7,03 44,6 0,45 2,9 4,66 29,5 Отс. 0,21 1,3 0,29 1,8 15,8

Количество адсорбированного газа из угля пласта К-5, см /кг; содержание в газовой смеси, об.% 1,13 8,5 0,37 2,8 0,25 1,9 2,94 22,0 Отс. 4,87 36,5 0,85 6,4 2,49 18,7 0,45 3,4 13,4 1

Количество адсорбированного газа из угольной пыли пласта Е-5, см /кг; 1,31 6,7 0,29 1,5 0,21 1,1 1,45 7,4 0,11 0,6 9,74 50,0 0,09 0,5 3,96 20,3 2,31 11,9 19,5

содержание в газовой смеси, об.%

Температура самовоспламенения, °С 595 515 435 470 405 286 233 1

Удельная теплота сгорания, МДж/нор.м3 39,8 70,3 101,2 133,4 169,3 187,4 1

Теплота сгорания ГСУВ, извлеченных из 1 кг угля (пыли); из угля, пласт Е-1, Дж/кг из угля, пласт Е-5, Дж/кг из угля, пласт К-5, Дж/кг из угольной пыли, Дж/кг 155,2 89,6 45 52,1 87,9 41,5 26 20,4 666,9 711.4 297.5 146,7 1254,0 621,6 649,7 1299,3 838,1 35,6 421,6 670,4 290,5 54,3 84,3 432,9 3292,6 | 1554.0 1524.1 2621,8

Примечание: 2*'- сумма предельных углеводородов.

Исследования фракционного состава угольной пыли показали, что количество десорбируемых углеводородов нелинейно зависит от фракционного состава угольной пыли (рис. 8, 9). При термодегазации при 150 °С наибольшее количество тяжелых углеводородов выделяется из пыли, размером частиц менее 0,07 мм, преимущественно бутана и пропана.

Функциональные зависимости десорбции пропана и бутана при 150 °С имеют вид:

I,

пропан

= -20,86 • /3 + 29,38 ■ /2 - 8,879 • / + 0,994; (20) 1бутап = -49,96 ■ /3 + 79,08 ■ /2 - 31,73 • / + 4,941, (21)

где I„ропан. Iбутан - количество десорбированного пропана и бутана соответственно, см3/кг;/— размер частиц угольной пыли, мм.

£ ю,ооо

0

§ 9,000

го

g 8,000

§" , 7,000 ю fe

О'J MOO 5,000

1 4'000

ю 2 3'000 >s 2,000

СН4;

IC2H6;

ВСЗН8;

С4Н10

i С5Н12;

С6Н14.

0,07-0,1 0,1-0,25 0,25-0,5 1-0,5

Размер частиц угольной пыли по фракциям, f, мм

Рис. 8. Количество выделяемых углеводородов из угольной пыли при температуре 250 °С

При 200 °С наименьшее количество тяжелых углеводородов десорбиру-ется из пыли, фракционного состава менее 0,1 мм.

Функциональные зависимости десорбции пропана и бутана при 200 °С имеют вид:

I,

пропан

= -16,58 ■ /3 + 13,76 ■ /2 + 4,345 • f + 0,521;

'бутан = 20,71 • /3 - 30,56 • /2 + 9,618 ■ / + 4,499.

(22) (23)

При 250 °С наибольшее количество тяжелых углеводородов десорбиру-ется из пыли, размером частиц 0,1-0,25 мм (рис. 8).

Функциональные зависимости десорбции пропана и бутана при 250 °С имеют вид:

пропан

= 4,251 ■ /3 - 18,88 • /2 + 18,26 • / + 0,438;

(24)

\6утан = 102,5 • /3 - 163,7 • /2 + 64,92 • / + 1,753. (25) Следует отметить, что в пределах отдельной фракции пыли зависимость десорбции углеводородов от температуры носит линейный характер. Как показано на рис. 7, больше всего из угольной пыли десорбируется бутана, а из данных рис. 8 следует, что в основном бутан десорбируется пылью фракции 0,10,25 мм.

(О П Л

10,000 Ё 9,000 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0,000

S

:ф

й

0 >s 3

1 _ J О

I*

о

о ф

d

О i_

X in"

2 2 со о

-0,07-0,1;

-0,1-0,25;

0,25-0,5;

150

200

250

Температура дегазации, °С

Рис. 9. Количество выделяемого бутана из различных фракций угольной пыли в зависимости от температуры

По данным литературных источников, при увеличении скорости вентиляционной струи с 0,4-0,6 до 1,6-2,1 м/с запыленность воздуха уменьшается, достигая минимума при скорости струи 1,5-2,5 м/с за счет разбавления и выноса пыли. При увеличении скорости вентиляционной струи с 1,8-2,5 до 4-5 м/с запыленность воздуха снова увеличивается, что обусловлено замедлением процесса седиментации и взметыванием ранее осевшей пыли. С увеличением скорости комбайна при выемке угля с 3-4 до 7-8 т/мин оптимальная скорость вентиляционной струи увеличивается. Это обусловлено тем, что с повышением объема разрушаемого угля увеличивается выход газа и пыли в атмосферу при-забойного пространства. При увеличении выхода пыли за счет возрастания отбитого угля увеличивается роль фактора выноса пыли, что приводит к смещению оптимума скоростей воздушного потока.

Анализ пылегазовой обстановки производился по натурным измерениям в шахте «Осинниковская» на выемочном участке, отрабатывающем пласт Е-5. Шахта отнесена к опасной по взрывам угольной пыли, опасной по выбросам угля и газа, опасной по горным ударам. Абсолютное газовыделение - 112,8 м3/мин; относительное газовыделение - 55,1 м3/т. Горизонт отработки -160 м, глубина отработки - 550 м от поверхности. На шахте отрабатываются 15 угольных пластов марки «Ж», мощность которых колеблется в пределах от 0,8 до 3,2 м, влажность угля - от 1,8 до 3,4%, зольность - от 5,2 до 27,2%. Все пласты относятся к опасным по пыли. Выход летучих веществ изменяется от 29,5 до

36,2%, нижний предел взрывчатости угольной пыли составляет от 30 до 45 г/м3, удельное пылевыделение - от 295 до 1300 г/т.

Технически достижимый уровень (ТДУ) запыленности воздуха на вентиляционном штреке в 10 м от лавы составляет около 220 мг/м3, пылеотложе-ние в этом месте доходит до 390 г/м3-сут, что также превышает допустимый уровень. Отдельные значения запыленности воздуха могут доходить до 340 мг/м3, а в лаве в 10 м от комбайна - от 369 до 1070 мг/м3. Норма осланцевания выработки составляет 86%. Для поддержания уровня пылеотложения во взры-вобезопасном состоянии необходимо четырехкратное осланцевание выработки в смену, что технологически невыполнимо.

С другой стороны, газовая динамика лавы определяется процессами выделения метана с обнаженной поверхности горного массива, из отбитого угля и выработанного пространства. При выемке угля, когда продолжительность обнажения отдельных участков забоя различна, газовыделение более интенсивно из свежеобнаженных поверхностей (за комбайном). В таких местах содержание метана в воздухе может заметно возрастать.

В диссертационной работе были выполнены исследования по анализу состава шахтного воздуха в нерабочее время (ремонтную смену) в лаве, отрабатывающей пласт Е-5. Были взяты пробы воздуха по длине лавы. Во всех пробах в концентрациях ниже 0,0001% (порядка 10"4) было зафиксировано присутствие этана. В верхней части лавы в таких же концентрациях (ниже 0,0001%) присутствовал пропан. Повышение температуры угля при резании увеличивает выход этана и других углеводородов, что повышает вероятность воспламенения газа и пыли.

Наличие в воздухе динамически активных газов может приводить к стратификации воздушных потоков, опасность которых в горных выработках определяется появлением интегральных объемных сил, которые могут существенно изменять среднее скоростное поле потока (особенно у поверхности выработок, где наиболее часто происходит образование слоев газа повышенной концентрации); тяжелые углеводороды будут концентрироваться у почвы выработки, создавая повышенную опасность взрыва пылегазовоздушной смеси в этой части выработки.

В диссертационной работе установлено, что аэродинамическое старение выработок, приводит к росту аэродинамического сопротивления участковых выработок от 4 до 8 раз, изменяет депрессию между выработками, в результате

чего изменяются направление и величина утечек воздуха через выработанное пространство и газовыделение из него. Это приводит к отказам вентиляции из-за нарушений пылегазового режима. По статистическим данным число аварий, приходящихся на одно загазирование, имеет порядок 2-10'3.

Комплексный способ может быть использован для воздействия на угольный пласт с целью снижения его пылеобразующей способности и газовыделения, а также повышения эффективности пылеулавливания при отбойке угля. Способ включает бурение скважин, их герметизацию, растворение в воде газа, например азота, с концентрацией от 0,3 до 1%, добавление в водогазона-полненный раствор (пенообразователя) поверхностно-активного вещества, например «Неоласа», с концентрацией от 0,05 до 5% в объеме удельного расхода жидкости при предварительном увлажнении угольных пластов (от 10 до 30 л/т) и нагнетание в скважину полученной рабочей жидкости под давлением от 1,5 МПа до 30 МПа.

После насыщения в течение 24 - 96 ч массив разрушают, например рабочим органом комбайна, и орошают водой (по типу форсунки), после чего высвобожденный газ и метан взаимодействуют с пенообразователем и образуют воздушно-механическую пену, которая изолирует отбитый уголь в объеме разрушенной горной массы, снижая пылегазовыделения в атмосферу горной выработки. Повышение интенсивности выемки угля приводит к возрастанию доли газовыделения из отбитого угля. Использование газонаполненных растворов ПАВ позволяет блокировать выделение газа и пыли как из обнаженной поверхности разрабатываемого пласта, так и из отбитого угля.

На основе полученных результатов разработаны методика обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, включающая использование рациональных параметров увлажнения, и «Технологическая часть промышленных испытаний пылесвязывающего действия обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ», которая вошла в «Технологическую часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» (шахта им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»)». Технологическая схема обработки угольного пласта газонаполненными растворами ПАВ представлена на рис. 10. Основные параметры воздействия газонаполненными растворами ПАВ на угольный пласт для снижения его пылеобразующей способности представлены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры увлажнения пласта газонаполненными растворами ПАВ

№ п/п Наименование параметров Обозначение Значение Ед. изм.

1 Длина скважины !скч. 111 м

2 Длина лавы ¡лавы 242 м

3 Глубина герметизации скважины ¡герм. 10 м

4 Расстояние между скважинами ¿с 20 м

5 Количество раствора, закачиваемое в скважину О» 201 м^

6 Время нагнетания раствора в скважину т 60,93 ч

7 Количество инертного газа, необходимое для обработки ~)ш.газа 5820 7,28 л кг

8 Количество баллонов с инертным газом N 0,97 шт.

9 Количество смачивателя, необходимое на одну скважину Оси. 603 л

10 Концентрация смачивателя Ссм. 0,3 %

Рис. 10. Технологическая схема обработки пласта «Болдыревский» газонаполненными растворами ПАВ (шахта им. С.М. Кирова)

1 - скважина; 2 - герметизатор; 3 - шланг гибкий, высоконапорный; 4 - фильтр штрековый; 5 - переходник; 6 - клапан редукционный; 7 - дозатор-смачиватель; 8 - вентиль; 9 - пожар-но-оросительньш трубопровод; 10 - смеситель взрывобезопасного исполнения; 11 - расходомер; 12 - реле давления; 13 - установка для нагнетания раствора УНР-02; 14 - азотная установка мембранного типа взрывобезопасного исполнения; 15- воздухозаборник

На основании разработанных рекомендаций по снижению пылеобра-зующей способности пластов от концентрации смачивателя в скважины подавался водный раствор смачивателя «Неолас» с концентрацией 0,2%. Раствор закачивался насосом УНР-02 под давлением 20 МПа (темп нагнетания раствора -35 л/мин). Количество воды, закачиваемое в скважину, составило 1,67 м3, продолжительность времени нагнетания жидкости в скважину - 0,8 ч.

Во время проведения отбойки части пласта, обработанной раствором с рекомендуемой концентрацией смачивателя при температуре раствора 20 °С, проводились замеры концентрации пыли в воздухе. Технически достижимый уровень (ТДУ) запыленности воздуха в проходке составлял 185,8 мг/м3. Фактическая запыленность воздуха с использованием традиционных параметров увлажнения находилась в пределах 260-К300 мг/м3. При увеличении концентрации смачивателя «Неолас» в растворе с 0,05 до 0,5% уровень запыленности воздуха снизился до 135,4 мг/м3.

При проведении гидрорасчленения, которое является базовым воздействием заблаговременной дегазации угольных пластов, происходит значительное повышение влажности, приводящее к снижению прочности угля. В результате этого снижается пылеобразование при ведении горных работ. Снижение запыленности при бурении, креплении и перегрузке достигало 80-90%. При ведении горных работ через 4-7 лет после гидрорасчленения существенного повышения влажности и снижения запыленности не обнаружено. Причиной этого является то, что в процессе освоения скважин и дегазации угля происходит восстановление его прочности как в результате осушения пласта, так и в результате дегазации угля. Таким образом, заблаговременная дегазация угольных пластов может приводить и к увеличению пылеобразующей способности угля и запыленности воздуха в угольных шахтах.

Для снижения пылеобразующей способности угля рекомендуется после завершения дегазационной подготовки и непосредственно перед проведением горных работ производить повторное увлажнение пласта. Для повышения эффективности этого процесса в рабочую жидкость добавляются поверхностно-активные вещества, например, «Неолас», СП-01, «Эльфор». Концентрация ПАВ должна составлять - 0,2-4),5%. Объем закачки рабочей жидкости зависит от степени освоенности скважин, но не превышает 400-500 м3 при обработке 200250 тыс. т запасов угля.

Экономический ущерб от аварий А, связанных со вспышками метана и угольной пыли, в том числе взрывами, можно определить через средний ущерб от одной аварии а и число аварий Na. Последнее связано вероятностно с числом отказов вентиляции из-за нарушений пылегазового режима Nom:

Na=bNom (26)

где b - число аварий, приходящихся на одно загазирование очистного забоя N3 из-за нарушения вентиляции и требований пылегазового режима NB. Тогда

A=aNa=abNom (27)

Величины a и b могут быть определены на основе ретроспективного анализа статистических данных по возникновению взрывов метана и угольной пыли или по факторам их формирования.

В диссертационной работе показано, что связь Na. с Nom более устойчива, чем связь Na. с NB. Поэтому для газовых шахт в качестве статистической оценки отказов вентиляции целесообразно использовать число аварийных зага-зований очистных забоев N3, а в качестве вероятности аварий показатель Ь;:

b,= Na /N3. (28)

По статистическим данным этот показатель имеет порядок 2-10"3 аварий на одно загазирование. Для шахт негазовых оценка отказов производится по общему числу остановок очистных забоев по причинам нарушения вентиляции и пылевого режима, а из рассматриваемых видов аварий остаются лишь взрывы пыли.

Экономический ущерб от аварий может быть оценен по формуле (29). Считая коэффициенты a и b постоянными, экономическую эффективность мероприятий по фактору затрат, связанных с авариями, можно выразить:

JA=ab(Nom., - Nom.z) (29)

где Nom.i Nom2 - число отказов вентиляции соответственно до и после термо-влажностной обработки угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ.

Общая экономическая эффективность мероприятий определяется разностью капитальных затрат и эксплуатационных расходов на осуществление мероприятий по обработке угольного массива и снижения ущерба от взрывов пы-легазовоздушных смесей в угольных шахтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены актуальные для угольной отрасли научно обоснованные технические и технологические решения по повышению безопасности горных работ на основе комплексного управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях путем снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива при термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие отрасли.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Масштабные катастрофы в угольных шахтах за последние годы в результате взрывов метановоздушных смесей показали несовершенство существующей концепции обеспечения взрывобезопасности горных работ на высокогазоносных угольных пластах. Рудничная атмосфера высокогазообильных шахт должна квалифицироваться как смесь «воздух - метан - гомологи метана -угольная пыль». Присутствие в рудничной атмосфере тяжелых углеводородов создает повышенную опасность, так как эти газы образуют взрывчатые смеси с воздухом при более низких концентрациях, чем метан. Проблема разработки комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей угольных шахт является актуальной.

2. Основное количество сорбированных углеводородов выделяется из угля при термической дегазации в интервале температур 200-250 °С. При дальнейшем повышении температуры их «выход» снижается, что позволяет говорить о практически полном извлечении сорбированных углеводородов (с числом атомов углерода от 2 до 6, Сг-Св) при температуре воздействия на уголь в интервале 200-250 °С. Содержание предельных углеводородов от метана до гексана в газах, выделенных из углей средней стадии метаморфизма и угольной пыли, составило 13,4-29,1 см3/кг угля, пыли. Определено обогащение десорби-рованных углеводородов тяжелыми углеводородами, причем в основном преобладает пропан (С3Н8) и бутан (С4Ню). Упомянутые условия имеют место при резании угля и при его самовозгорании.

3. Угольная пыль содержит больше углеводородов С4-С6 по сравнению с углеводородами, выделенными из углей - С3-С4. Содержание предельных угле-

водородов от пропана до гсксана в сумме углеводородов, извлеченных из углей при термодегазации с температурой 250 °С, варьирует в пределах 80-87%, в угольной пыли доля извлеченных предельных углеводородов от пропана до гексана достигает 91%. Количество десорбированного пылью пропана и бутана в зависимости от фракционного состава пыли описывается полиномом третьей степени. Наибольшее количество бутана десорбируется угольной пылью фрак-ци 0,1 -0,25 мм.

4. На основании хроматографического анализа сорбированных углеводородных газов, выделенных из угля, обработанного термовлажностным хим-реагентным способом, установлены закономерности взаимодействий флюидов системы жидкость - газ с углем, обусловленные возрастанием энергии дисперсионного взаимодействия молекул гомологов метана с молекулами поверхностно-активных веществ при объемном заполнении микропор угля. Экспериментально доказано, что диффузионный перенос является преобладающим в процессах переноса молекул воды и ПАВ в сорбционный объем угля. На скорость диффузии молекул ПАВ оказывают влияние размер молекул и концентрация раствора ПАВ.

5. Зависимости остаточной газоносности угля (обработанного при температуре 25 °С) от концентрации смачивателя имеют вид параболы с оптимальной концентрацией раствора смачивателя, равной 0,5-Ю,6%, при которой остаточная газоносность для метана, этана и пропана является минимальной по сравнению с чистой водой и концентрацией смачивателя 1%. Таким образом, для чистой воды и 1%-ной концентрации смачивателя наблюдается блокирование углеводородных газов рабочей жидкостью, в результате чего остаточная газоносность угля повышается по отношению к необработанному углю. При температуре 60 °С для всех концентраций смачивателя от 0 до 1% остаточная газоносность угля для всех углеводородных газов уменьшилась по сравнению с необработанным углем, что свидетельствует о том, что блокирования газа в угле при данной температуре обработки не происходит. Коэффициент кинематической вязкости раствора смачивателя при повышении температуры раствора от 25 до 60 °С снижается на 30 - 40%.

6. На основании экспериментальных исследований установлено, что оптимальные, с точки зрения снижения пылеобразующей способности углей средней стадии метаморфизма, концентрации ПАВ составляют 0,2-0,5%. Выход пыли размером менее 70 мкм при разрушении угля, обработанного раствором

смачивателя с концентрацией 0,2%, уменьшается в 2-3 раза по сравнению с углем, обработанным чистой водой, и уменьшается - в 1,5-2 раза по сравнению с углем, обработанным смачивателем с концентрацией 0,05%.

7. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ с использованием механизма замещения газа в сорбциоином объеме угля при обработке пласта такими веществами, которые являются более термодинамически стабильными по отношению к данному газу. Установлено, что коэффициент влагонасыщения угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ зависит от концентрации смачивателя и инертного газа, давления газонаполненного раствора, времени увлажнения, обусловливающих величину поверхностного натяжения жидкости и ее вязкость.

8. На основе лабораторных исследований установлено, что максимальное влагосодержание угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ наблюдается при концентрациях смачивателя от 0,2 до 0,5% в первые сутки увлажнения, при этом коэффициент влагонасыщения достигает 6,0-6,38%. Снижение пылеобразующей способности угля при обработке газонаполненными растворами ПАВ нелинейно зависит от концентрации смачивателя и линейно -от давления газонаполненного раствора.

9. Экспериментально апробирован газонаполненный раствор ПАВ, состоящий из растворенного в воде пенообразователя (поверхностно-активного вещества), с концентрацией от 0,05 до 5% в объеме удельного расхода жидкости при предварительном увлажнении угольных пластов (от 10 до 30 л/т), в котором растворяются газы, например, диоксид углерода (С02) или азот (N2) с концентрацией от 0,3 до 1%. Высвобожденный при разрушении угля газ (СО2 и N2) взаимодействует с пенообразователем и образует воздушно-механическую пену, которая изолирует отбитый уголь, снижая пылегазовыделение как из отбитого угля, так и с обнаженной поверхности разрабатываемого пласта.

10. Рациональные параметры обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ получены на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ и составляют: концентрация смачивателя 0,2-0,5%, концентрация азота 1,93-3,0%, давление газонаполненного раствора ПАВ 2,0-3,0 МПА.

11. Получены зависимости изменения удельного аэродинамического сопротивления выработок во времени для различных способов их охраны. Установлено, что аэродинамическое старение выработок приводит к росту удельного аэродинамического сопротивления участковых выработок от 4 до 8 раз, изменяет депрессию между выработками, в результате чего изменяются направление и величина утечек воздуха через выработанное пространство и газовыделение из него. Это приводит к отказам вентиляции из-за нарушений газового режима. По статистическим данным число аварий, приходящихся на одно зага-зирование, имеет порядок 2-10"3.

12. Разработана методика обработки газонаполненными растворами ПАВ угольного массива как основного источника пылеобразования и газовыделения при ведении горных работ с использованием оптимальных концентраций смачивателя и рациональных значений давления инертного газа, позволяющих повысить пылевзрывобезопасность шахт за счет снижения запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения и снижения газовыделений в горных выработках.

13. Научно обоснован комплексный метод снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах путем управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях за счет снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива и отбитого угля на основе разработки технологических решений по изменению их газоотдачи при термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ. Для снижения пылеобразующей способности угля в зонах заблаговременной дегазации рекомендуется после завершения дегазационной подготовки и непосредственно перед проведением горных работ производить повторное увлажнение пласта с концентрацией смачивателя 0,2-0,5%. Объем закачки рабочей жидкости зависит от степени освоенности скважин и ориентировочно составляет 400-500 м3 при обработке 200-250 тыс. т запасов угля.

Результаты исследований отражены в следующих публикациях автора:

1. Ушаков К.З., Скопипцева О.В. О влиянии аэродинамического старения горных выработок на надежность шахтных вентиляционных сетей / Изв. вузов. Горный журнал. - 1989. -№ 6. - С. 55-58.

2. Ушаков КЗ., Ушаков В.К., Скопинцева О.В. Надежность шахтных вентиляционных систем // Труды 23-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по горной безопасности. - Вашингтон. -1989. -С. 373-383.

3. Скопинцева О.В. Аэродинамическое старение горных выработок как фактор, определяющий надежность шахтных вентиляционных сетей / КНР. -Пекин: Пекинский технологический горный университет. -1995. - 79 с.

4. Ушаков КЗ., Скопинцева О.В. Регулирование шахтных вентиляционных сетей по фактору аэродинамического старения горных выработок / Современные проблемы шахтного метана: Сб. научных трудов к 70-летию проф. Н.В. Ножкина. - М., МГГУ. -1999. - С. 216-224.

5. Скопинцева О.В. Повышение надежности шахтной вентиляционной системы с учетом перспективы ее развития. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. -1992. -№1. - С.2-6.

6. Скопинцева О.В. О расчетном количестве воздуха при определении депрессии в воздухопроводах с переменным расходом воздуха / Проблемы аэрологии горных предприятий. - Сб. научных трудов, посвященный 90-летию со дня рожд. проф. А.И. Ксенофонтовой. - М.:МГГУ. -1993. - С.22-26.

7. Скопинцева О.В. Разработка системы контроля, диагностики состояния шахтных вентиляционных систем, метода оценки и повышения их надежности. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - №5. -С. 152-156.

8. Булгаков Ю.Б., Кузык КН., Артамонов В.Н., Скопинцева О.В. Управление охраной труда на предприятиях с повышенной опасностью. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - №5. - С. 203-206.

9. Скопинцева О.В., Витько А.Д., Копылов КН. Исследование аэродинамических параметров пылеподавляющих жалюзийных решеток методом лабораторного моделирования. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - Тем. пр. «Метан». - С. 138-142.

10. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Гашенко А.О., Савинский H.A. Научные основы влагохимреагентной тепловой обеспыливающей обработки угольного массива и горной массы. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 210-218.

11. Скопинцева О.В. Рейнольдса число. / Российская угольная энциклопедия. - Москва-Санкт-Петербург: Изд-во ВСЕГЕИ.-2007. -Т.З. - С. 39.

12. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Влияние температуры раствора смачивателя «Неолас» на влагоемкость угля. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 231-234.

13. Прокопович А.Ю., Скопинцева О.В., Савельев Д.И. Влияние температуры и концентрации смачивателя «Неолас» на снижение поверхностного натяжения жидкости. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. -2007. -№12. -С. 44-46.

14. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Соловьёв Ю.В. Влияние хим-реагентной обработки угля на его пылеобразующую способность. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 185-194.

15. Прокопович А.Ю., Скопинцева О.В., Соловьёв Ю.В. Гранулометрический состав продуктов разрушения увлажненного угля в режиме капиллярного насыщения. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008.

- Тем. пр. «Аэрология». - С. 195-202.

16. Скопинцева О.В., Лесникова Е.Б., Прокопович А.Ю. Исследование влияния смачивателя «Неолас» на содержание активных кислых групп в угле. -М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 203-205.

17. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Соловьев Ю.В. Исследование пылеобразующей способности углей при увлажнении их рабочей жидкостью в режиме капиллярного насыщения. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №9. - С. 68-70.

18. Лебедев B.C., Телешева С.Ю., Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Исследование сорбции углеводородов при увлажнении угля. - Горный журнал.

- 2009. - № 2. - С.70-71.

19. Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Пылеподавление пеной на горных предприятиях. - М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология». - 2009. - № OB 13. - С.221-227.

20. Скопинцева О. В. Исследование взаимодействий в системе «уголь-»жидкость - газ»» при увлажнении угольного массива. - М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология». - 2009. -№ OB 13. - С.212 - 221.

21. Лебедев B.C., Иванов Д.В., Скопинцева О.В., Савельев Д.И. Оценка роли глубокосорбированных углеводородов угольных пластов в возникновении

пожароопасных ситуаций в угольных шахтах. - Известия вузов. Геология и разведка. - М., 2010. - №2. - С.86-88.

22. Скопинцева О.В. Научное обоснование комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей выемочных участков угольных шахт. -М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология, метан, безопасность»,- 2011. -№ ОВ7. - С. 315-325.

23. Скопинцева О.В., Иляхин C.B. Научное обоснование и разработка комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах. - М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология, метан, безопасность»,-2011. -№ ОВ7. - С. 326-330.

24. Скопинцева О.В., Иляхин C.B., Савельев Д.И., Прокопович А.Ю. Обеспыливающая обработка угольного массива газонаполненными растворами ПАВ. - М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология, метан, безопасность».- 2011. -№ ОВ7. - С. 367-370.

25. Скопинцева О.В., Савельев Д.И. Повышение пылевзрывобезопасно-сти выемочных участков угольных шахт с учетом газового фактора. - М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология, метан, безопасность». - 2011. -№ ОВ13. - С. 371-376.

26. Skopintseva О. V. The sorption of hydrocarbons in the conditions of coal moistening. -17lh International Conference Engineering Mechanics 9-12 May 2011. - Svratka, Czech Republic. - P. 543-544.

27. Skopintseva О. V., Savelyev D.I. Study of sorption of hydrocarbons in the conditions of coal wetting. - International Journal of Multidisciplinary Thought. -USA. -201 l.-SSN: 2156-6992. - Vol. l.-No5.-P. 139-143.

28. Коликов К. С., Скопинцева О. В. Исследование области применения комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах. Деп. Рук. №865/02-12 от 19 декабря 2011г. (13 стр.) // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2012. - №2.

Подписано в.печать 22.12.11. Формат 60x90/16

Объем 2 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 1141

Отпечатано в отделе печати МГГУ. Москва, Ленинский проспект, д. 6

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ БОРЬБЫ С

ВЗРЫВАМИ ПЫЛЕМЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В

УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ статистических данных по взрывам пылеметано-воздушных смесей в угольных шахтах Российской Федерации

1.2. Условия возникновения взрывов метана и угольной пыли в шахтах

1.3. Пылевая и газовая опасности в угольных шахтах. Влияние предварительной дегазации пластов на пылеобразование

1.4. Несовершенство нормативно-технических документов при расчете параметров проветривания

1.5. Характеристика современного уровня развития способов и средств борьбы с взрывами газа и угольной пыли в шахтах 43 Выводы, цель и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЯ, ЗАПЫЛЕННОСТИ И

ЗАГАЗОВАННОСТИ ВОЗДУХА В ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ

2.1. Источники пылеобразования и газовыделения в угольных шахтах

2.2. Процессы накопления угольной пыли и переход её во взвешенное состояние

2.3. Хроматографический анализ состава и количества углеводородных газов угольных пластов и угольной пыли как показателей газовой и пылевой опасностей в угольных шахтах

2.4. Причины и механизм образования пылегазоопасных зон в выемочных участках при существующих схемах их проветривания 87 Выводы

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК КАК ФАКТОРА, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕГО НАДЕЖНОСТЬ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ

3.1. Анализ состояния вентиляционных систем шахт

3.2. Методика исследования аэродинамического старения горных выработок

3.3. Результаты исследования аэродинамического старения горных выработок

3.4. Критерий оценки влияния аэродинамического старения выработок на надежность шахтных вентиляционных систем

3.5. Графики профилактического ремонта элементов шахтных вентиляционных сетей 122 Выводы

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФЛЮИДОВ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ-ГАЗ С УГЛЕМ ПРИ ТЕРМОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ ГАЗОНАПОЛНЕННЫМИ РАСТВОРАМИ ПАВ

4.1. Сущность процесса предварительного увлажнения угольных пластов

4.2. Теоретические исследования механизма переноса газов и компонентов растворов в угольном массиве

4.3. Основные законы течения жидкостей в угольном массиве. Капиллярная пропитка

4.4. Основные закономерности процесса нагнетания в пласт газонаполненных растворов ПАВ 4.5. Взаимодействие нагнетаемой рабочей жидкости с угольным массивом 189 Выводы

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕР-МОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЯ ГАЗОНАПОЛНЕННЫМИ РАСТВОРАМИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

5.1. Общие положения

5.2. Исследование кинетики влагонасыщения угля при термо-влажностной обработке газонаполненными растворами ПАВ

5.3. Исследование поверхностного натяжения рабочей жидкости после увлажнения газонаполненными растворами ПАВ

5.4. Исследование влияния концентрации смачивателя на десорбцию углеводородов из угля при термовлажностной обработке газонаполненными растворами ПАВ

5.5. Оценка влияния температуры, концентрации смачивателя и давления инертного газа при увлажнении угля на его пылеобразующую способность

5.6. Испытания технологии обеспыливания с помощью темпе-ратурно-активированной воды (TAB) 234 Выводы

6. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО КОМПЛЕКСНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ПЫ-ЛЕГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ В ОЧИСТНЫХ И ПРОХОДЧЕСКИХ ЗАБОЯХ ШАХТ

6.1. Управление пылегазовыделением в очистном забое с учетом стратификации воздушных потоков и особенностей старения горных выработок

6.2. Комплексный метод снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах 6.3. Разработка методики промышленных испытаний обеспыливающей термовлажностной химреагентной обработки (ТВХО) угольного массива

64. Разработка методики обработки угольного пласта газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ (ОГНР)

6.5. Выбор объекта и условия проведения промышленных испытаний ОГНР на шахте им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»

6.6. Технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов

6.7. Оценка эффективности обработки и освоения скважин заблаговременной дегазационной подготовки на полях шахт им. В.И. Ленина и «Казахстанская»

Выводы

Интенсификация производственных процессов при подземной добыче угля в условиях постоянного увеличения глубины горных работ сопровождается учащением проявлений природных опасностей в шахтах, среди которых особое место по катастрофичности последствий занимают газовая и пылевая опасности, внезапные выбросы угля и газа. Масштабные катастрофы в угольных шахтах за последние годы в результате взрывов метановоздушных смесей показали несовершенство существующей концепции обеспечения взрывобезопасно-сти горных работ на высокогазоносных угольных пластах и потребовали фундаментальных исследований для ее усовершенствования.

В решении проблемы борьбы с взрывами метана и угольной пыли на больших глубинах выбросоопасных пластов остаются неопределенными механизмы газодинамических явлений, генерации углеводородов угольным веществом, образования и самовоспламенения взрывоопасной среды в горных выработках. Отсутствуют исследования динамики стратифицированных по плотности воздушных потоков, определяющей их диффузионные свойства и процессы выноса вредных примесей. Не учитываются динамические условия движения воздуха и переноса многокомпонентных пылегазовых смесей в горных выработках, осложняющиеся процессами аэродинамического старения выработок. Вследствие этого эффективность вентиляционных потоков часто оказывается недостаточной. Общеизвестны случаи образования опасных слоевых скоплений метана в выработках при среднем удовлетворительном состоянии их вентиляции. В результате несовершенства действующей системы обеспечения взрыво-безопасности шахт в Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случаев вспышек и взрывов газа и пыли.

В связи с вышеизложенным проблема повышения безопасности горных работ путем комплексного управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях за счет снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива и отбитого угля на основе разработки технологических решений по термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, являются актуальными, имеющими важное народнохозяйственное значение.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование комплексного метода пылегазоподавления при разработке высокогазоносных угольных пластов, опасных по взрывам пыли, путем активного воздействия на угленосный массив газонаполненных растворов ПАВ, обеспечивающего повышение безопасности угледобычи при внедрении высокопроизводительной горной техники в шахтах.

Идея работы заключается в возможности изменения сорбционных характеристик угольного пласта за счет использования механизма замещения газа в сорбционном объеме угля и снижения пылеобразующей способности за счет повышения смачиваемости и равномерности увлажнения при термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Опасность высокогазообильных угольных шахт по взрывам газа и пыли должна оцениваться по всему спектру горючих примесей: метану, тяжелым углеводородам и угольной пыли, одновременно присутствующих в горных выработках.

2. С возрастанием метаноносности угольного пласта и глубины разработки увеличивается содержание тяжелых углеводородов в угле, что повышает взрывопожароопасность угольной пыли. Количество сорбированных пылью тяжелых углеводородов, нелинейно зависит от фракционного состава пыли.

3. Термовлажностная химреагентная обработка угольного пласта обеспечивает управление газовыделением на основе использования установленных закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость-газ с углем. Нелинейные зависимости десорбции углеводородов свидетельствуют о блокирование газов при низких и высоких концентрациях смачивателя.

4. Взаимодействие флюидов системы жидкость-газ с углем при нагнетании в угольный пласт нагретых дисперсионно-подвижных газонаполненных поверхностно-активных сред с высокими смачивающе-связывающими свойствами, обеспечивает перестройку пористо-трещиноватой структуры и связывание пыли за счет термодинамических и поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз: уголь, жидкость, газ.

5. Газонаполнение растворов поверхностно-активных веществ инертными газами способствует образованию воздушно-механической пены на поверхности трещин при разрушении предварительно увлажненного угольного пласта, что позволяет повысить эффективность связывания пыли при добыче угля.

6. Рациональные параметры воздействия: концентрация смачивателя, удельный расход и температура жидкости, давление газонаполненного раствора, концентрация газа в растворе ПАВ определяются на основе установленных зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ и времени контакта угля с раствором.

7. При управлении пылегазовыделением в очистном забое необходимо учитывать наличие динамически активных газов, формирующих стратифицированные по плотности воздушные потоки, и особенности старения горных выработок, приводящие к росту их аэродинамических сопротивлений.

8. Комплексный метод пылегазоподавления, базирующийся на использовании закономерностей аэрогазодинамических процессов в горных выработках и термодинамических, сорбционных и диффузионных процессов в трещиновато-пористой среде, позволяет существенно снизить уровень запыленности и загазованности воздуха, что способствует повышению безопасности работ при использовании высокопроизводительной горной техники.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: представительным объемом лабораторных и натурных измерений при исследовании динамики запыленности и загазованности воздуха в очистных забоях и вентиляционных штреках выемочных участков шахт (более 22000 измерений);

I« / удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований сорбционных и прочностных характеристик угля с результатами лабораторных и натурных экспериментов по снижению загазованности и запыленности воздуха, а также полученными другими авторами (расхождение не превышает 15-20 %); высокими значениями показателей тесноты статистической связи в полученных уравнениях регрессии - зависимости пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ (коэффициент корреляции не ниже 0,8); положительными результатами шахтных испытаний термовлажностной химреагентной обработки угольного массива на шахтах «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».

Научная новизна работы заключается в следующем: установлены закономерности взаимодействия флюидов системы жидкость-газ с углем при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, определены оптимальные концентрации раствора смачивателя, установлены зависимости десорбции углеводородов; выявлен механизм тепловлагообменных процессов, протекающих в угольном массиве при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, главная роль в котором принадлежит диффузионному переносу газов и жидкостей, движущей силой которого является разность концентраций смачивателя и инертного газа, а также температурный градиент; научно обоснована повышенная взрывопожароопасность угольной пыли в зависимости от фракционного состава пыли и сорбированных ею высших углеводородов, имеющих меньшую по сравнению с метаном температуру воспламенения и большую теплоту сгорания; установлены рациональные параметры термовлажностной обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ: концентрация смачивателя, удельный расход и температура жидкости, давление газонаполненных растворов, концентрация газа в растворе ПАВ, время смачивания, прирост влаги в массиве, стойкость и кратность воздушно-механической пены; обоснована методика обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, применение которых позволит повысить смачиваемость угля и равномерность распределения нагнетаемой газонаполненной рабочей жидкости в угольном пласте с целью снижения пылевой и газовой опасностей угольных шахт.

Научное значение работы заключается в обосновании технических и технологических решений по комплексному управлению пылегазоподавлением при разработке высокогазоносных угольных пластов, опасных по взрывам пы ли, на основе установленных закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость-газ с углем при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, что позволяет повысить безопасность разработки угольного месторождения. Практическое значение работы: разработана и согласована в Ростехнадзоре методика промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (ВХТО) угольного массива; разработана методика промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ; даны научно обоснованные рекомендации по применению технологии комплексного пылегазоподавления в очистных забоях высокогазообильных выемочных участков угольных шахт, разрабатывающих пласты, опасные по взрывам пыли; разработана технологическая документация для обработки высокогазоносных угольных пластов газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ в условиях Ленинского района Кузбасса.

Реализация результатов работы. На основе выполненных исследований разработана и согласована в Ростехнадзоре методика промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (ВХТО) угольного массива (2005 г.); разработана и утверждена методика промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ (2011 г.). Результаты научных исследований и рекомендации были использованы: при шахтных испытаниях обеспыливающей химреагентной обработки угольного массива на шахтах «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» (2005 г.); в принятой к реализации Технологической части проекта предварительной дегазации пласта «Бол-дыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 24-55 на поле шахты им. С. М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденного в установленном порядке (2011 г.); при испытаниях технологии обеспыливания горных выработок на полигоне ОБР ВГСЧ России (г. Новомосковск, 2011 г.).

Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения работы докладывались на III республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Донецк: ВНИИГД, 1982 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции (Москва, МГИ, 1988 г.), на 23-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по горной безопасности (Вашингтон, 1989 г.); на 2-й международной конференции «Безопасность и экология горных территорий» (Владикавказ, 1995 г.); при чтении лекций в Пекинском технологическом университете (1995 г.); на научных симпозиумах «Неделя горняка» (1999-2011 гг.); на совместных научных семинарах кафедр АОТ и БЖГО, АОТ и ИЗОС (МГГУ, 2009-2011 гг.); на 17-й Международной конференции «ENGINEERING MECHANICS 2011», Svratka, Chech Republic, 912 May, 2011; на 2-й Международной конференции «Second IJAS conferenceat Cambridge, Massachusetts, proud home of Harvard university. Science and Technology» (May 29- Jun 2, 2011). - Кембридж, 2011.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 42 научные работы, основными из которых являются 28, в том числе 19 статей, опубликованных в научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит список литературы из 193 наименований, 62 рисунка, 32 таблицы и 3 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены актуальные для угольной отрасли научно обоснованные технические и технологические решения по повышению безопасности горных работ на основе комплексного управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях путем снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива при термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие отрасли.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Масштабные катастрофы в угольных шахтах за последние годы в результате взрывов метановоздушных смесей показали несовершенство существующей концепции обеспечения взрывобезопасности горных работ на высокогазоносных угольных пластах. Рудничная атмосфера высокогазообильных шахт должна квалифицироваться как смесь «воздух - метан - гомологи метана -угольная пыль». Присутствие в рудничной атмосфере тяжелых углеводородов создает повышенную опасность, так как эти газы образуют взрывчатые смеси с воздухом при более низких концентрациях, чем метан. Проблема разработки комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей угольных шахт является актуальной.

2. Основное количество сорбированных углеводородов выделяется из угля при термической дегазации в интервале температур 200-250 °С. При дальнейшем повышении температуры их «выход» снижается, что позволяет говорить о практически полном извлечении сорбированных углеводородов (с числом атомов углерода от 2 до 6, Сг-Сб) при температуре воздействия на уголь в интервале 200-250 °С. Содержание предельных углеводородов от метана до гексана в газах, выделенных из углей средней стадии метаморфизма и угольной пыли, составило 13,4-29,1 см3/кг угля, пыли. Определено обогащение десорбированных углеводородов тяжелыми углеводородами, причем в основном преобладает пропан (С3Н8) и бутан (С4Ню). Упомянутые условия имеют место при резании угля и при его самовозгорании.

3. Угольная пыль содержит больше углеводородов С4-Сб по сравнению с углеводородами, выделенными из углей - С3-С4. Содержание предельных углеводородов от пропана до гексана в сумме углеводородов, извлеченных из углей при термодегазации с температурой 250 °С, варьирует в пределах 80-87%, в угольной пыли доля извлеченных предельных углеводородов от пропана до гексана достигает 91%. Количество десорбированного пылью пропана и бутана в зависимости от фракционного состава пыли описывается полиномом третьей степени. Наибольшее количество бутана десорбируется угольной пылью фрак-ци 0,1 - 0,25 мм.

4. На основании хроматографического анализа сорбированных углеводородных газов, выделенных из угля, обработанного термовлажностным хим-реагентным способом, установлены закономерности взаимодействий флюидов системы жидкость-газ с углем, обусловленные возрастанием энергии дисперсионного взаимодействия молекул гомологов метана с молекулами поверхностно-активных веществ при объемном заполнении микропор угля. Экспериментально доказано, что диффузионный перенос является преобладающим в процессах переноса молекул воды и ПАВ в сорбционный объем угля. На скорость диффузии молекул ПАВ оказывают влияние размер молекул и концентрация раствора ПАВ.

5. Зависимости остаточной газоносности угля (обработанного при температуре 25 °С) от концентрации смачивателя имеют вид параболы с оптимальной концентрацией раствора смачивателя, равной 0,5-5-0,6%, при которой остаточная газоносность для метана, этана и пропана является минимальной по сравнению с чистой водой и концентрацией смачивателя 1%. Таким образом, для чистой воды и 1%-ной концентрации смачивателя наблюдается блокирование углеводородных газов рабочей жидкостью, в результате чего остаточная газоносность угля повышается по отношению к необработанному углю. При тем

325 пературе 60 °С для всех концентраций смачивателя от 0 до 1% остаточная газоносность угля для всех углеводородных газов уменьшилась по сравнению с необработанным углем, что свидетельствует о том, что блокирования газа в угле при данной температуре обработки не происходит. Коэффициент кинематической вязкости раствора смачивателя при повышении температуры раствора от 25 до 60 °С снижается на 30 - 40 %.

6. На основании экспериментальных исследований установлено, что оптимальные, с точки зрения снижения пылеобразующей способности углей средней стадии метаморфизма, концентрации ПАВ составляют 0,2-0,5%. Выход пыли размером менее 70 мкм при разрушении угля, обработанного раствором смачивателя с концентрацией 0,2%, уменьшается в 2-3 раза по сравнению с углем, обработанным чистой водой, и уменьшается - в 1,5-2 раза по сравнению с углем, обработанным смачивателем с концентрацией 0,05%.

7. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ с использованием механизма замещения газа в сорбционном объеме угля при обработке пласта такими веществами, которые являются более термодинамически стабильными по отношению к данному газу. Установлено, что коэффициент влагонасыщения угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ зависит от концентрации смачивателя и инертного газа, давления газожидкостной смеси, времени увлажнения, обусловливающих величину поверхностного натяжения жидкости и ее вязкость.

8. На основе лабораторных исследований установлено, что максимальное влагосодержание угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ наблюдается при концентрациях смачивателя от 0,2 до 0,5% в первые сутки увлажнения, при этом коэффициент влагонасыщения достигает 6,0+6,38%. Снижение пылеобразующей способности угля при обработке газонаполненными растворами ПАВ нелинейно зависит от концентрации смачивателя и линейно -от давления газонаполненного раствора.

9. Экспериментально апробирован газонаполненный раствор ПАВ, состоящий из растворенного в воде пенообразователя (поверхностно-активного вещества), с концентрацией от 0,05 до 5% в объеме удельного расхода жидкости при предварительном увлажнении угольных пластов (от 10 до 30 л/т), в котором растворяются газы, например, диоксид углерода (СО2) или азот (N2) с концентрацией от 0,3 до 1 %. Высвобожденный при разрушении угля газ (СО2 и N2) взаимодействует с пенообразователем и образует воздушно-механическую пену, которая изолирует отбитый уголь, снижая пылегазовыделение как из отбитого угля, так и с обнаженной поверхности разрабатываемого пласта.

10. Рациональные параметры обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ получены на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ и составляют: концентрация смачивателя 0,2+0,5%, концентрация азота 1,93+3,0%, давление газонаполненного раствора ПАВ 2,0+3,0 МПА.

11. Получены зависимости изменения удельного аэродинамического сопротивления выработок во времени для различных способов их охраны. Установлено, что аэродинамическое старение выработок приводит к росту удельного аэродинамического сопротивления участковых выработок от 4 до 8 раз, изменяет депрессию между выработками, в результате чего изменяются направление и величина утечек воздуха через выработанное пространство и газовыделение из него. Это приводит к отказам вентиляции из-за нарушений газового режима. По статистическим данным число аварий, приходящихся на одно зага-зирование, имеет порядок 2-1 О*3.

12. Разработана методика обработки газонаполненными растворами ПАВ угольного массива как основного источника пылеобразования и газовыделения при ведении горных работ с использованием оптимальных концентраций смачивателя и рациональных значений давления инертного газа, позволяющих повысить пылевзрывобезопасность шахт за счет снижения запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения и снижения газовыделений в горных выработках.

13. Научно обоснован комплексный метод снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах путем управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях за счет снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива и отбитого угля на основе разработки технологических решений по изменению их газоотдачи при термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ. Для снижения пылеобразующей способности угля в зонах заблаговременной дегазации рекомендуется после завершения дегазационной подготовки и непосредственно перед проведением горных работ производить повторное увлажнение пласта с концентрацией смачивателя 0,2-0,5 %. Объем закачки рабочей жидкости зависит от степени освоенности скважин и л ориентировочно составляет 400-500 м при обработке 200-250 тыс. т запасов угля.

1. Адамсон Н.К. Физико-химия поверхностей. — М.: Госгортехиздат. -1947. 552 с.

2. Айруни А. Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. -М.: Недра. 1981. - 335 с.

3. Айруни А.Т., Смирнов О.В. Взрывы газопылевоздушных смесей в угольных шахтах. Липецк: Липецкое изд-во. - 2000. - 208 с.

4. Алексеев Ф.А., Войтов Г.И., Лебедев B.C., Несмелова Э.Н. Метан. -М.: Недра. 1978.-310 с.

5. Аварийность и противоаварийная защита предприятий угольной промышленности. Ежемесячный информационный бюллетень ФГУП ЦШ ВГСЧ. - М. - 2010. № 1-12.

6. Аналитические методы исследования и математическое моделирование горных процессов. Под ред. Ржевского В.В. М.: Госгортехиздат. - 1963. - 126 с.

7. Армбрустер Л. Измерения и оценка концентрации пыли в различных странах. Глюкауф (Gluckauf). - 1994. - № 2. - С. 19-23.

8. Баймухаметов С. К. Разработка способов управления вентиляцией и газовыделением в шахтах для обеспечения безопасных условий интенсивной добычи угля. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. - М.: МГИ. - 1990.

9. Белин В.А., Кирин Б.Ф., Белин A.B. Пылеобразование при взрывной проходке горных выработок. М.: Взрывное дело. - 2001. - № 93/50.- С.173-175.

10. Берлин А.Л. Выбор рациональных параметров пенного способа гид-рообемпыливания на основе исследования его механизма. Автореф. дис. канд. техн. наук. - Караганда. - 1990. - 24 с.

11. Биличенко E.H. Расчет функциональной надежности вентиляционных систем шахт. В кн.: Вентиляция и газодинамические явления в шахтах. -Новосибирск. - 1981. - С. 70-72.

12. Бобин В.А. Теория трасформации природной наноструктурной системы «уголь-метан». М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Метан». - 2008. - № OB 4. - С. 100-107.

13. Булгаков Ю.Б., Кузык И.Н., Артамонов В.Н., Скопинцева О.В. Управление охраной труда на предприятиях с повышенной опасностью М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. - № 5. - С. 203-206.

14. Бурчаков A.C. Научные основы обеспыливания атмосферы в очистных и подготовительных забоях шахт. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук.- Рукописный фонд МИРГЭМ. 1963.

15. Бурчаков A.C., Москаленко Э.М. Динамика аэрозолей в горных выработках. М.: Наука. - 1965.

16. Бурчаков A.C., Пержилов А.Е. Законы распределения пылевых аэрозолей в очистных забоях при предварительной обработке массива. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1992. - №1. - С. 98105.

17. Быков A.M., Лихачев Л.Я., Онтин E.H., Петров И.П. Способы борьбы с пылью на угольных шахтах. М.: Недра. - 1968.

18. Ван Кревелен Д.В., Шуер Ж. Наука об угле. Госгортехиздат. 1960.- 523 с.

19. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. М.: Недра. - 1986. - 255 с.

20. Воронков Г.Я. Роль сорбции в процессах взаимодействия жидких сред с углем. М.: 1983. Научн. сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. - Вып. №215.-С. 14.

21. Воронов Е.Т. Борьба с пылью при разведке месторождений в условиях вечной мерзлоты. М.: Недра. - 1977. - 93 с.

22. Временное руководство по заблаговременной подготовке шахтных полей к эффективной разработке скважинами с поверхности с пневмогидровоз-действием на свиту угольных пластов. М.: МГИ. -1991. - 91с.

23. Гельфанд Ф.М., Журавлев В.П., Поелуев А.Е., Рыжих Л.И. Новые способы борьбы с пылью в угольных шахтах. М.: Недра. - 1975. - 288 с.

24. Глузберг В.Е. Исследование физических механизмов пылеподавле-ния диспергированной жидкостью и совершенствование параметров и средств орошения для борьбы с пылью при работе горных комбайнов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. - КПТИ. - 1975.

25. Гончаров Б.А., Журавлев В.П., Петрухш П.М и др. Предварительное увлажнение угольных пластов. М.: Недра. - 1974. - 208 с.

26. ГОСТ 22667-82 (СТ СЭВ 3359-81). Газы природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания. М.: Изд-во Стандартов. - 1982. - 20 с.

27. ГОСТ 12.1.011-78 (СТ СЭВ 2775-80). Смеси взрывоопасные, классификация и методы испытаний. М.: Изд-во Стандартов. - 1978. - 4 с.

28. Гращенков Н.Ф. Обеспыливание воздуха в глухих забоях угольных шахт. Сб.: Безопасность труда в промышленности. - 1960. - № 1.

29. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы, туманы // Пер. с англ. Фукса H.A. - Изд-во «Химия». - Ленинградское отделение. - 1969. - 428 с.

30. Гродель Г. С. Предварительное увлажнение и орошение как способы борьбы с пылью в очистных забоях шахт Центрального района Донбасса. -Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Макеевка-Донбасс. - 1962.

31. Гродель Г.С., Червинский М.С., Смолякова С.И. Борьба с пылеобра-зованием в угольных шахтах. Раздел 1 / Совершенствование способов борьбы с пылью в очистных забоях. - МакНИИ. - 1955.

32. Джигрин A.B., Горлов А.Ю., Подображин С.Н. Локализация взрывов метана и угольной пыли автоматическими системами. Безопасность труда в промышленности. - М. - 2006. - № 8. - С.24-29.

33. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах. М.: Недра. - 1983. - 312 с.

34. Дремов В.И. Обоснование и выбор комплекса противопылевых мероприятий в угольных шахтах для снижения риска заболевания шахтеров пнев-мокониозом. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. - М. - 2000.

35. Дубинин М.М., Астахов В.В. Развитие представлений об объемном заполнении микропор при адсорбции газов и паров микропористыми адсорбентами. М.: Изв. АН СССР. - Сер. хим. - 1971. - № 1. - С. 5-12.

36. Думанский A.B. Учение о коллоидах. М.: Госхимиздат. - 1948.414с.

37. Дьяков В.В., Голузин H.H. К расчету обеспыливающего проветривания механизированных лав. Изв. вузов. Горный журнал. - 1966. - № 4.

38. Ерохин С.Ю., Говша В.А., Дремов В.И. Аэродинамическая очистка потоков запыленного воздуха. В сб.: «Проблемы охраны производственной иокружающей среды». Волгоград: Госкомитет по охране окружающей среды Волгограда. - 1997.

39. Ерохин С.Ю., Дремов В.И. Способ аэрогидродинамического обеспыливания очистного забоя. Каталог научно-технических разработок. М.: МГГУ. - 1999.

40. Журавлев В.П. Совершенствование гидрообеспыливания очистных и подготовительных забоев (на примере Карагандинского бассейна). Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. - М. - 1974.

41. Журавлев В.П., Ищук КГ. и др. Пылеподавление путем нагнетания растворов и эмульсий в угольные пласты. М.: ЦНИЭИуголь. - 1973. - 72 с.

42. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия. - 1976. - 423 с.

43. Зимон АД. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия. - 1974.412 с.

44. Ильяшов М.А. Влияние производительности и скорости подвигания забоя на газовый баланс выемочного участка. Горный журнал. - М. - 2010. -№7.-С. 100-102.

45. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. М.: ИГД им. A.A. Ско-чинского. - 1989.

46. Ищук КГ. Нагнетание воды в пласт как средство ослабления угольного массива. М.: ИГД. - 1962. - С. 62.

47. Ищук КГ., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспыливания горных предприятий. -М.: Недра. 1991.

48. Инструкция по борьбе с пылью и пылевзрывозащите к Правилам безопасности в угольных шахтах. М. - 1999. - 108 с.

49. Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2010.

50. Каледина Н.О. Управление газовыделением из выработанных пространств угольных шахт. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук. - М.: МГГУ. - 1995.-33 с.

51. Каледина И.О., Кутузов Б.Н., Мельник В.В., Горинов С.А. О мерах радикального повышения взрывобезопасности при современных технологиях подземной добычи угля. Горный журнал. - М. - 2010. - № 7. - С. 98-100.

52. Качурин Н.М. Прогноз газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахтах. Дисс. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук. - Тула: ТулПИ. - 1991. -415 с.

53. Качурин Н.М. Физическая модель и математическое описание процесса газовыделения из угля при очистных работах на больших глубинах // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. ст. / ТулПИ. Тула. - 1984. - С. 48-53.

54. Качурин Н.М. Прогноз метановыделения из вмещающих пород на очистных участках // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. ст. / ТулПИ. Тула. - 1986. - С. 87-92.

55. Качурин Н.М. Выбор закона сопротивления движения газа в угольных пластах и зонах обрушения при проектировании вентиляции шахт // Проблемы охраны труда: Сб. ст. / Рубежное. 1986. - С. 78-79.

56. Качурин Н.М. Математическое описание термодинамической системы уголь-газ на основе обобщенного закона сопротивления фильтрации газа // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. ст. / ТулПИ. Тула. - 1988. - С. 5-10.

57. Кирин Б.Ф. Исследование некоторых физико-химических методов осаждения тонкодисперсных аэрозолей в лавах и подготовительных забоях угольных шахт. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - М. - 1964.

58. Кирин Б.Ф. Теоретические и экспериментальные исследования физико-химических методов борьбы с пылью в шахтах. Дисс. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук. - М.: МГИ. - 1974.

59. Кирин Б.Ф. О возможной эффективности осаждения частиц пыли из потока аэрозоля / Научные труды МИРГЭМ. 1964. - № 50.

60. Кирин Б.Ф., Журавлев В.П., Рыжих И.И. Борьба с пылевыделением в шахтах. М.: Недра. - 1983. - 213 с.

61. Клебанов Ф.С. Аэродинамические методы управления метановыде-лением в угольных шахтах. М.: ИГД им. A.A. Скочинского. — 1974. - 31 с.

62. Клебанов Ф.С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях. М.: Наука. - 1974. - 136 с.

63. Клебанов Ф.С. Воздух в шахте. М. - 1995. - 600 с.

64. Ковалев Ю.М. Движение жидкости и газа в угольном пласте с учетом диффузионного процесса десорбции газа. Известия вузов. Горный журнал. - 1974. - № 6. - С. 77-82.

65. Коликов КС. Технология подготовки шахтного метана к эффективному использованию при подземной разработке угольных пластов. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М.: МГИ. - 1988. - 144 с.

66. Коликов КС., Горбунов С.М., Николаев К.А., Шипулин A.A. Заблаговременное снижение выбросоопасности угольных пластов путем активных воздействий через скважины с поверхности. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1999. - № 1. - С. 69-74.

67. Коликов КС., Скопинцева О.В. Исследование области применения комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах. Деп. Рук. №865/02-12 от 19 декабря 2011г. (13 стр.) // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. - №2.

68. Красюк H.H. Технологические решения по повышению эффективности отработки свит пологих высокогазоносных угольных пластов. — М.: Препринт. ИАЦ МГИ. - 1992. - 89 с.

69. Крешков А.П., Ярославцев A.A. Курс аналитической химии. Количественный анализ. Под ред. А.П. Крешкова. - М.: Химия. - 1987. - 312 с.

70. Ксенофонтова А.И., Бурчаков A.C., Панов Г.Е. Снижение запыленности воздуха путем нагнетания воды в угольный пласт, орошения и вентиляции. Уголь. - М. - 1961. - № 6.

71. Ксенофонтова А.И., Бурчаков A.C. Теория и практика борьба с пылью в угольных шахтах. М.: Недра. - 1965. - 232 с.

72. Кудряшов В. В. Влияние смачиваемости угля на эффективность связывания пыли при пропитке горной массы водой. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. - №7. - С. 74 - 76.

73. Кудряшов В.В. Научные основы гидрообеспыливания шахт Севера. М.: Наука. - 1984. - 264 с.

74. Кудряшов В.В. Условия повышения пылесмачивающего и пылесвя-зывающего действия добавок ПАВ при гидрообеспыливании горных работ вугольных шахтах и карьерах. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - Тем. пр. «Метан». - 2005. - С. 157 - 165.

75. Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К., Воронина Ю.В., Большаков В.А. Смачивание пыли и контроль запылённости воздуха в шахтах. -М.: Наука. 1979. - 196 с.

76. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. М.: Академия наук СССР. - 1991. - 136 с.

77. Кутателадзе С.С., Старикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия. - 1976.

78. Лайгна К.Ю., Блюм М.Ф., Виирлайд А.Х. Турбулентная диффузия в стратифицированных потоках подземных выработок // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1988. - № 1. - С. 96-98.

79. Лебедев B.C., Телешева С.Ю., Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Исследование сорбции углеводородов при увлажнении угля. Горный журнал. -2009.-№2.-С. 70-71.

80. Лебедев B.C., Иванов Д.В., Скопинцева О.В., Савельев Д.И. Оценка роли глубокосорбированных углеводородов угольных пластов в возникновении пожароопасных ситуаций в угольных шахтах. Известия вузов. Геология и разведка. - М. - 2010. - №2. - С.86-88.

81. Левин Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей. -М.: Изд-во АН СССР. 1961. - 433 с.

82. Лидин Г Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР. М., J1. -Изд-во ИГД АН СССР. - 1949.

83. Лидин Г Д. Газовыделение в угольных шахтах и меры борьбы с ним. М.: Углетехиздат. - 1952. - 54 с.

84. Лидин Г Д., Эттингер И.Л., Шулъман Н.В. О возможности теоретического расчета потенциальной метаноносности угольных пластов на больших глубинах. Уголь. - 1973. - С. 13-15.

85. Лихачев Л.Я. Исследование влияния геологических и горнотехнических факторов на пылеобразование и комплекса обеспыливающих мероприятий в угольных забоях подготовительных выработок шахт Кузбасса. Дисс. на со-иск. уч. степ. канд. техн. наук. - М. - 1964.

86. Лихачев Л.Я., Белоногое И.П. Изыскание способов уменьшения расхода воды на пылеподавление / Тез. докл. ИГД им. A.A. Скочинского. - 1971.

87. Лихачев Л.Я., Белоногое И.П., Трубицын A.B. Борьба с пылью при работе проходческих комбайнов. Сб.: Вопросы безопасности в угольных шахтах. - Тр. ВостНИИ. - Т. IX. - 1969.

88. Лихачев Л.Я., Трубицын A.B., Горбунов М.М. Исследование параметров орошения при работе горных комбайнов. / Вопросы безопасности в угольных шахтах. Тр. ВостНИИ. - Т. IX. - 1969.

89. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Издательство Академии горных наук. - 2000. - 519 с.

90. Мамаев В.И., Ибраев Ж.А., Лигай В.А. и др. Предупреждение взрывов пылеметановоздушных смесей. -М.: Недра. 1990. - 159 с.

91. Методика определения экономической эффективности использования в угольной промышленности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. -М.: ЦНИЭИуголь. 1979. - 121 с.

92. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). М.: ОАО «Научно-технический центр по безопасности в промышленности». - 2006. - 256.

93. Нецепляев М.И. Исследование пылеобразования и пылеотложения и разработка средств борьбы с пылью в выработках с конвейерной доставкой. -Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: МГИ. - 1966.

94. Нецепляев М.И, Любимова А.И., Петрухин П.М. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. М. - Недра. - 1992.

95. Ножкин ИВ. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра. 1979. - 271с.

96. Ножкин Н.В., Прежилов А.Е., Давиденко В.А. Снижение пылеобразования угля путём гидрорасчленения угольных пластов. М.: ЦНИЭИуголь. -1979.

97. Никитина С.А., Константинов В.В., Закиева С.Х., Таубман А.Б. Смачивающая способность поверхностно-активных веществ и скорость адсорбции их из водных растворов. Прикладная химия. - 1961. - Т. 34. - № 2. — С. 2658-2664.

98. Онтин Е.И. Совершенствование способов обеспыливания производственных процессов на угольных шахтах. В кн.: Вопросы рудничной вентиляции. - М.: Недра. - 1964. - С. 68-74.

99. Охрана труда: Учебник для вузов. К.З. Ушаков, Б.Ф. Кирин, Н.В. Ножкин и др. Под ред. К.З.Ушакова. М.:Недра. - 1986. - 624 с.

100. Панов Г.Е. Гидродинамическое воздействие на угольные и породные массивы в связи с решением некоторых вопросов безопасности горных разработок. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. - Ухта. - 1969.

101. Пат. 1548463, РФ. Способ дегазации угольного пласта / Н.В. Ножкин, C.B. Сластунов, В.М. Карпов. 1989. - Бюл. № 91.

102. Пат. 2159333, РФ. Способ дегазации угольного пласта / JI.A. Пучков, C.B. Сластунов, Г.Н Фейт. 2000. - Бюл. № 32.

103. Патрушев М.А., Самойленко Е.Я., Ус В.Н. Совершенствование проветривания угольных шахт. М.: ЦНИЭИуголь. - 1986. - 58 с.

104. Патрушев М.А., Карнаух Н.В., Лепнхов А.Г. Повышение надежности проветривания шахт. К.: Техника. - 1990. - 168 с.

105. Пержилов А.Е., Диколенко Е.Я., Харьковский B.C., Давиденко В.А. Способы заблаговременного снижения пылеобразования угольных пластов. -М.: Недра. 1995.

106. Петрухин П.М. Увлажнение угольного массива при помощи длинных скважин. Сб. работ МакНИИ: Вопросы безопасности в горном деле.- Т. 4. - 1952.

107. Поелуев А.П., Журавлев В.П. Влияние орошения на дисперсный состав пыли, образующейся при работе добычных комбайнов. Научн. труды КНИУИ. - 1964. - Вып. 16. - С. 19-21.

108. Положение по дегазации угольных шахт. М.: ИПКОН РАН. -2006.-214 с.

109. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). М.: Госгортехнадзор России. - 2004.

110. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. М.: ИЛ. - 1949.

111. Подображин С.Н., Забурдяев Г.С., Викулова И.К. Результаты определения физико-химических свойств поверхностно-активных веществ, применяемых для борьбы с пылью на угольных шахтах. Научн. сообщения ИГД им. A.A. Скочинского. - 1978. - № 170. - С. 44-49.

112. Пучков JI.A., Сластунов C.B. Каледина И.О. и др. Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг. М.: МГГУ. - 2006.

113. Пучков Л.А., Каледина И.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. М.: МГТУ. - 1995. - 312.

114. Пучков Л.А., Аюров В.Д. Синергетическая концепция управления горнотехнологическими процессами в угольных шахтах. М.: МГИ. -991. -47с.

115. Ребиндер ПА. Поверхностно-активные вещества. М.: Знание. -1961.-45 с.

116. Ребиндер П.А, Серб-Сербина Н.И., Кордюкова С.А. Повышение пылеулавливающей способности воды. В кн.: Борьба с силикозом. - М.: Изд-во АН СССР. - 1953. - Т. 1. - С. 57-68.

117. Ребиндер П.А. Избранные труды. Т.1, 2. - М.: Наука. - 1978-1979.

118. Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков A.C., Ножкин Н.В. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. Под общей ред. Ржевского В.В. М.: Недра. -1984.-327с.

119. Розанцев Е.С., Таран Н.П. Исследование состава углеводородных газов угольных пластов Кузбасса с целью возможного прогнозирования их вы-бросоопасности // Повышение безопасности труда при добыче угля». Кемерово: ВостНИИ. - 1990. - С. 88-95.

120. Роменский Л.П. Пена как средство борьбы с пылью. Киев: Наукова Думка. - 1976. - 246 с.

121. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С. и др. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование. М.: ИНКОН РАН. -2006.-312 с.

122. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С. и др. Обоснование параметров совместной технологии дегазации и увлажнения высокогазоносных угольных пластов. Уголь. - М. - 2007. - № 6. - С. 52-55.

123. Руденко К.Г., Калмыков A.B. Обеспыливание и пылеулавливание при обработке полезных ископаемых. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Недра. -1987.-352 с.

124. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. М.: Недра. -1979.-208 с.

125. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс. - 1989. - 320 с.

126. Руководство по проектированию и организации проветривания подготовительных выработок действующих угольных шахт. М. - 1985.

127. Руководство по дегазации угольных шахт. М. - 1990. - 186 с.

128. Рудничная вентиляция: Справочник / Н.Ф. Гращенков, А.Э. Петро-сян, М.А. Фролов и др.; Под ред. К.З. Ушакова. М.: Недра. - 1988. - 440с.

129. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. М.: ВШ.1973.

130. Саранчук В.И., Качан В.Н., Рекун В.В. Физико-химичекие основы гидрообеспыливания и предупреждения взрывов угольной пыли. Киев: Наукова Думка. - 1984. - 216 с.

131. Середняков П.Я., Ищук И.Г., Забурдяев Г.С. Борьба с пылью на зарубежных шахтах. М.: ЦНИЭИУголь. - 1974.

132. Савинскш П. А. Оценка влияния сорбции ПАВ углем на его прочность при предварительном увлажнении. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М. - 2008.

133. Скочинский A.A., Ходот В.В., Гмошинский В.Г. и др. Метан в угольных шахтах. М.: Углетехиздат. - 1958. - 256 с.

134. Скочинский A.A., Лидии Г Д. К прогнозу метанообильности шахт Донбасса на глубоких горизонтах // Известия АН СССР. 1941. - № 1. - С. 7681.

135. Скочинский A.A. Некоторые проблемные вопросы в области газа, пыли и вентиляции шахт Донбасса. Уголь. - 1945. - № 6. - С. 5-8.

136. Скопинцева О.В. Аэродинамическое старение горных выработок как фактор, определяющий надежность шахтных вентиляционных сетей. Авто-реф. дисс. на соиск. степ. канд. техн. наук. - М.: МГИ. - 1989.

137. Скопинцева О.В. Аэродинамическое старение горных выработок как фактор, определяющий надежность шахтных вентиляционных сетей. Пекин: Пекинский технологический горный университет. - 1995. - 79 с.

138. Скопинцева О.В. Повышение надежности шахтной вентиляционной системы с учетом перспективы ее развития М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. 1992. - № 1. - С. 2-6.

139. Скопинцева О.В. Разработка системы контроля, диагностики состояния шахтных вентиляционных систем, метода оценки и повышения их надежности. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 5.-С. 152-156.

140. Скопинцева О.В., Витъко А.Д., Копылов КН. Исследование аэродинамических параметров пылеподавляющих жалюзийных решеток методом лабораторного моделирования. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - Тем. пр. «Метан». - С. 138-142.

141. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Влияние температуры раствора смачивателя «Неолас» на влагоемкость угля. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 231-234.

142. Скопинцева О.В. Рейнольдса число. / Российская угольная энциклопедия. Москва-Санкт-Петербург: Изд-во ВСЕГЕИ. - 2007. -Т.З.- С.39.

143. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Савельев Д.И. Влияние температуры и концентрации смачивателя «Неолас» на снижение поверхностного натяжения жидкости. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. -2007. - № 12. - С. 44-46.

144. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Соловьёв Ю.В. Влияние хим-реагентной обработки угля на его пылеобразующую способность. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - Тем. пр. Аэрология». - С. 185-194.

145. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Соловьев Ю.В. Исследование пылеобразующей способности углей при увлажнении их рабочей жидкостью в режиме капиллярного насыщения. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №9. - С. 68-70.

146. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Соловьёв Ю.В. Гранулометрический состав продуктов разрушения увлажненного угля в режиме капиллярного насыщения. -М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 195-202.

147. Скопинцева О.В., Лесникова Е.Б., Прокопович А.Ю. Исследование влияния смачивателя «Неолас» на содержание активных кислых групп в угле. -М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. - Тем. пр. «Аэрология». - С. 203-205.

148. Скопинцева О. В. Исследование взаимодействий в системе «уголь-жидкость-газ» при увлажнении угольного массива. М.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология». - 2009. - № ОВ 13.-С. 212 221.

149. Скопинцева О.В., Иляхин C.B., Савельев Д.И., Прокопович А.Ю. Обеспыливающая обработка угольного массива газонаполненными растворами

150. ПАВ. M.: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: «Аэрология, метан, безопасность». - 2011. - № ОВ7. - С. 367-370.

151. Скочинский A.A., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. М.: УГЛЕТЕХИЗДАТ. - 1959. - 230 с.

152. Сластунов C.B. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. -М.: МГГУ. 1996. - 441 с.

153. Снеткова И.М. Технология производства и топливно-энергетическая характеристика альтернативного жидкого топлива. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 1. - С. 154-156.

154. Снеткова И.М. Некоторые аспекты проблем соотношений добычи и использования мировых энергетических ресурсов. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 1. - С. 147-153.

155. Современные проблемы шахтного метана. Сборник научных трудов к 70-летию Ножкина Н.В. МГГУ. - 1999.

156. Справочник по рудничной вентиляции под ред. Ушакова К.З. М.: Недра. - 1977.

157. Старобшец И.С., Федорова Г. С., Тихомирова Е.С., Ломейко H.H. Экранирующая и проводящая роль угленосных отложений при миграции углеводородных газов. Геология нефти и газа. - 1983. - № 7. - С.25-31.

158. Сулла МБ., Соколов Э.М., Горб В.Ю. Изучение поглощения азота углями // Поглощение инертных газов в горных выработках: Сб. ст. / Приокское книжное издательство. Тула-Донецк. 1969. - С. 68-77.

159. Сулла МБ., Соколов Э.М., Горб В.Ю. Растворимость азота в воде // Поглощение инертных газов в горных выработках: Сб. ст. / Приокское книжное издательство. Тула-Донецк. 1969. - С. 96-99.

160. Сулла МБ., Соколов Э.М., Горб В.Ю. Методика изучения поглощения углекислого газа углями // Поглощение инертных газов в горных выработках: Сб. ст. / Приокское книжное издательство. Тула-Донецк. 1969. - С. 99102.

161. Теплотехника: Учеб. для вузов/ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред. В.Н. Луканина. -М.: Высш. шк. 2006. - 617 с.

162. Терентъев Б.Д., Костин В.А. Исследование влияния кинетики смачивания на пылеобразование в очистном забое. Научные труды. - Сб. № 73. -М.: МГИ. - 1969.

163. Терентъев БД., Ножкин Н.В., Савенко Л.В., Леонов М.Д., Конарев В.В., Севастьянов Б.С. Опыт гидрорасчленения угольного пласта на глубоком горизонте. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1973.-№8.

164. Терентъев БД., Буханцов А.И. Исследование крепости антрацитов в зонах гидрорасчленения угольного пласта. Научные труды. - Сб. № 106. -Вып. IX. - М.: МГИ. - 1976.

165. Трубицын A.B., Прозоров А.Н. Предупреждение взрывов угольной пыли / Обзорная информация. М.: ЦНИЭИуголь. - Вып. 4.

166. Устинов H.H., Пак B.C. Метанообильность выработок глубоких шахт // Рудничная аэрология и безопасность труда в шахтах. Научн. сообщения ИГД. Им. A.A. Скочинского: Сб. ст. - М. - 1972. - № 94. - С. 31-39.

167. Ушаков К. 3. Газовая динамика шахт. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Издательство Московского государственного горного университета. — 2004. -481 с.

168. Ушаков К.З., Бурчаков A.C., Пучков Л.А., Медведев И.А. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра. -1987.-421 с.

169. Ушаков К.З., Ушаков В.К., Скопинцева О.В. Надежность шахтных вентиляционных систем // Труды 23-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по горной безопасности. Вашингтон. -1989. -С. 373-383.

170. Ушаков КЗ., Скопинцева О.В. О влиянии аэродинамического старения горных выработок на надежность шахтных вентиляционных сетей. Известия вузов. Горный журнал. - 1989. - № 6. - С. 55-58.

171. Ушаков КЗ., Скопинцева О.В. Регулирование шахтных вентиляционных сетей по фактору аэродинамического старения горных выработок / Современные проблемы шахтного метана: Сб. научных трудов к 70-летию проф. Н.В. Ножкина. -М.: МГГУ. 1999. - С. 216-224.

172. Ушаков КЗ., Сребный М.А., Косарев В.Д., Скопинцева О.В. Теория и практика пульсирующей вентиляции газообильных горных выработок М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. 1997. - №3. - С. 129-135.

173. Федеральный горный и промышленный надзор России: Разрешение № РРС.04-9189 на применение смачивателя жидкости «Неолас». -М. 2003 .-7с.

174. Феськов М.И. Комбинированный способ борьбы с витающей пылью в лаве. Уголь. - 1978. - № 10. - С.22-24.

175. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебник для вузов. М.: ООО ТИД «Альянс». - 2004. -464 с.

176. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М.: АН СССР. - 1955. - 351 с.

177. Храмцов В.И., Рычковский В.M., Старков С.П., Зелендинов P.A. Проблемы осуществления борьбы с пылью и пылевого режима на угольных шахтах (учебно-методическое пособие). Кемерово. - 2005. - 70.

178. Чернов О.И. Развитие метода комплексной борьбы с угольной пылью, горными ударами, газовыделением, внезапными выбросами угля и газа, эндогенными пожарами в угольных шахтах / Нагнетание воды в угольные пласты. М.: Недра. - 1965. - С. 7-64.

179. Чигрин В.Д. Состояние шахтного фонда и выполнение требований ПБ на перспективных шахтах / Безопасность труда в промышленности. 1995. -№ 5. - С.8-10.

180. Ярунин CA., Диколенко Е.Я., Пережилов А.Е., Лукаш A.C. Технология гидродинамического воздействия на газовыбросоопасный углепородный массив через скважины с профилем пространственного типа. М.: ПолиМЕдиа. - 1996.-430 с.

181. Challenor W., Hotenkiss A. High pressure water infusion in coal seams. -«Colliery Guardian». 1967. - № 5013.

182. Korte R. Staubbekämpfung in abbaubeterieben durch tieftranken des kohlenstosses. «Glukauf». - 1970. - No.4/6.

183. Puchkov L.A., Ayurov V.D., Kaledina N.O. Coal mine pollution flows monitoring. -4-th international symposium on mine planning and equipment selection. Calgary. Alberta. - Canada. - October-November. - 1995.

184. Hetzer. Fextilhilfsmittel tabellen. 2 Aprl. - Springer. - Berlin. - 1938. -P. 2389-2393.

185. Skopintseva O.V. The sorption of hydrocarbons in the conditions of coal moistening. -17th International Conference Engineering Mechanics 9-12 May 2011. Svratka. - Czech Republic. - P. 543-544.

186. Skopintseva O. V., Savelyev D.I. Study of sorption of hydrocarbons in the conditions of coal wetting. International Journal of Multidisciplinary Thought. -USA.-2011.-SSN: 2156-6992.- Vol. l.-No5.-P. 139-143.

187. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

188. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ1. УТВЕРЖДАЮ: УТВЕРЖДАЮ:

189. Проректор МГГУ Зам. директора ИПКОН РАН,по научной работе, д.т.н. проф., д.т.н.

190. C.B. Сластунов С.Д. Викторов2005 г. 2005 г.

191. МЕТОДИКА промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (ВХТО) угольного массива

192. СОГЛАСОВАНО: Начальник отдела по надзору в угольной промышленности Управления горного надзора Ростехнадзора, к.т.н.1. С.Н. Подображин 2005 г.1. Москва 2005

193. Настоящая методика является результатом исследований, проводимых в Институте проблем комплексного освоения недр (ИПКОН) РАН и Московском государственном горном университете (МГГУ) по проблемам борьбы с пылью в угольных шахтах.

194. Методика составлена проф. Б. Ф. Кириным (МГГУ), доц. О. В. Скопин-цевой (МГГУ), асп. А. Ю. Прокоповичем (МГГУ), асп. А. О. Гашенко (ИПКОН РАН), асп. П. А. Савинским (ИПКОН РАН).

195. Методика одобрена кафедрой Аэрологии и охраны труда МГГУ, утверждена в ИПКОН РАН и МГГУ, согласована в Ростехнадзоре.

196. ШАХТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЫЛИВАЮЩЕЙ ВЛАГОХИМРЕАГЕНТНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО МАССИВА.355

197. Выбор объекта и условий проведения экспериментальных исследований на филиале «Шахта «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».355

198. Технология обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки угольного массива и методика проведения экспериментов.357

199. Оборудование для обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки угольного массива.362

200. Контрольно-измерительная аппаратура. 362

201. Обработка результатов измерений. 363

202. Меры безопасности при проведении промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки угольного массива.3631. ВВЕДЕНИЕ

203. Повышение безопасности ведения подземных горных работ предполагает разработку мероприятий для борьбы с запылённостью шахтной атмосферы, проведение мероприятий по пылевзрывозащите и контроль за состоянием шахтной атмосферы.

204. Увеличением добычи угля в 2006г. приведёт к росту интенсивности пы-левыделения. Это в значительной степени усугубит и без того сложное положение по пылевому фактору в шахтах.