автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка методов и средств повышения эффективности дегазационных установок угольных шахт

а #

о^ " Па правах рукописи

/

МЛЛЛШКИНА Валентина Александровна

УДК 622.817.47

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИОННЫХ УСТАНОВОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный консультант докт. техн. наук, проф. КАРТАВЫЙ Н. Г.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. АЛЕКСЕЕВ В. В., докт. техн. наук, проф. КУЛЕШОВ А. А., докт. техн. наук, проф. СЕРГЕЕВ И. В.

Ведущее предприятие — институт «Ленгипрошахт».

Защита диссертации состоится « 3. » Я _ 1997 г_

в УД час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.04 Московского государственного горного университета по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разо-лан « . » . . . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, проф. ШЕШКО Е. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В Основных направлениях реструктуризации угольной промышленности России и перспективных планах развития угольной отрасли стран СНГ под-геркивается, что ликвидация в короткие сроки убыточных пахт, а также техническое перевооружение и реконструкция терспективных предприятий позволят увеличить их долю в эбщем объеме добычи угля до 70%. Дальнейший технический трогресс в угольной промышленности связан с освоением но-5ых месторождений и развитием действующих предприятий с безопасными условиями труда. В нынешних условиях углуб-1енне шахт, интенсификация производства п расширение до-Зычных работ должны непременно сопровождаться повыше-шем эффективности дегазационных установок.

Рост глубины разработки каменноугольных пластов и ин-енснфикация процессов выемки приводят к значительному ■величению метановыделения в горные выработки. В странах >НГ число сверхкатегорных шахт за последние 10 лет воз-юсло на 21%, при этом средняя газообильность выработок величилась до 40 м3 на тонну добываемого угля. Большинст-о газовых шахт приходится на Донецкий, Кузнецкий и Ка-агаиднискин угольный бассейны, что составляет около 63% т общего'числа. Метод вентиляции в таких условиях не обе-печивает нормальные условия работы, поэтому шахтный ме-ан извлекается с помощью дегазационных установок. Еже-эдно дегазационными установками в странах СНГ из уголь-ых шахт извлекается 2,3 млрд. м3 метана, в том числе в Рос-ии — 900 млн. м3.

Обеспечение безопасных условий труда шахтеров и увели-ение производственной мощности угольных шахт возможны ри непрерывной, эффективной и надежной работе дегазаци-нных установок.

Кроме того, метан является ценным химическим сырьем и ысококалорийным топливом. В современных условиях эконо-ического и социального развития стран СНГ необходимо :обен"но бережно и экономно использовать топливно-энерге-шеские ресурсы, что включает более полную утилизацию

вторичных энергоресурсов. В частности, последнее относится к газу метану, добываемому при ведении дегазационных работ в угольных шахтах.

Показатель использования шахтного метана находится в прямой зависимости от эффективности использования дегазационной установки, производительность которой существенно зависит от стабильности функционирования ее элементов.

Анализ результатов диагностики состояния дегазационных установок угольных шахт ПО Донецкуголь показывает, что повышение их эффективности сдерживается рядом отрицательных факторов, основными из которых являются наличие скоплений воды в пониженных местах подземного газопровода, а .также большие потери по концентрации метана при подаче каптируемой метановоздушной смеси от скважин на поверхность. Это приводит к увеличению затрат на обслуживание подземного газопровода, снижению возможности полезного использования шахтного метана, росту вредных выбросов в окружающую атмосферу.

Учитывая постоянный рост количества метановоздушной смеси, которую необходимо каптировать из угольных шахт дегазационными установками, разработка способов повышения их эффективности при одновременном снижении вредных выбросов в атмосферу, увеличении количества полезно используемого шахтного метана, уменьшении затрат по эксплуатации установок является актуальной научной проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.

Цель работы. Исследование и установление зависимости рациональных параметров и режимов работы дегазационной установки угольной шахты от условий эксплуатации ее оборудования, обоснование методов и средств, обеспечивающих максимальную эффективность установки в каждом рассматриваемом случае.

Идея работы. Применение комплексного анализа параметров и режимов работы дегазационной установки для обоснования направлений улучшения условий эксплуатации и совершенствования оборудования, что обеспечивает безостановочную подачу метановоздушной смеси от скважин на поверхность с минимальными потерями по концентрации метана и, как следствие, повышение эффективности дегазационных установок.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

метод оценки эффективности дегазационной установки, представляющий обобщенную оценку эффективности элементов ее технологической схемы, учитывающую изменение параметров и режимов работы установки в зависимости от состава каптируемой метановоздушной смеси;

показатель пропускной способности подземного дегазационного газопровода, оцениваемый интенсивностью теплообмена в нем, характеризуемого критерием Нуссельта, который необходимо определять с учетом изменяющегося состава неконденсирующейся части метановоздушной смеси;

математическая модель водоотделительного устройства, учитывающая одновременное охлаждение, изменение направления движения и объема метановоздушной смеси в его отсеках и позволяющая аналитически определять рациональные режимы работы дегазационной установки;

метод оценки герметичности подземного вакуумного дегазационного газопровода, представляющий сравнение показателя действительной герметичности, отражающего состояние, условия эксплуатации и конструктивные параметры соединений звеньев труб, с его нормативным значением, определяемым для каждого рассматриваемого участка вакуумного трубопровода;

обобщенная зависимость притечек воздуха в подземный вакуумный газопровод через неплотности фланцевых соединений от их конструктивных параметров, состояния и условий эксплуатации, позволяющая аналитически определять параметры каптируемой из угольных шахт метановоздушной смеси.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Результаты, полученные в работе и базирующиеся па применении разнообразных научных методов исследований, включают теоретические исследования с использованием основных законов гидромеханики и термодинамики, научное обобщение, экспериментальные исследования в промышленных условиях с использованием современных средств и методов контроля измеряемых величин. Точность экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляла 88...93%.

Внедренные в угольной промышленности основные разработки диссертационной работы дали положительные результаты.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: >

разработан метод оценки эффективности дегазационной установки с помощью обобщающего показателя, позволяющий на основе анализа информации о параметрах каптируемой метановоздушной смеси определить возможные направления достижения оптимальных в рассматриваемом случае режимов работы установки;

установлено критериальное описание процесса теплообмена в условиях подземных дегазационных газопроводов, учитывающее изменяющийся состав неконденсирующейся части

метановоздушной смеси и позволяющее определить возможные направления интенсификации теплообмена для обеспечения непрерывной подачи газовой смеси от скважин на поверхность;

разработана математическая модель водоотделительного устройства, учитывающая одновременное охлаждение, изменение направления движения и объема метановоздушной смеси в его отсеках и позволяющая аналитически определять оптимальные параметры подаваемой на поверхность метановоздушной смеси;

разработан метод оценки герметичности вакуумных газопроводов дегазационных установок, обеспечивающий с помощью действительного и нормативного показателей герметичности возможность аналитического определения направлений получения максимальной герметичности газопровода;

установлена зависимость притечек воздуха в подземный вакуумный дегазационный трубопровод от конструктивных параметров, состояния и условий эксплуатации фланцевых соединений, позволяющая обеспечить выбор для каждого участка газопровода оптимального типа прокладок;

установлены зависимости для аналитического расчета термодинамических параметров влажной метановоздушной смеси, каптируемой из угольных шахт дегазационными установками.

Научное значение работы состоит в разработке метода и показателей оценки эффективности дегазационных установок угольных шахт, позволяющих определить и обосновать направления ее повышения; в установлении критериального описания теплообмена в подземном дегазационном трубопроводе, основанном на научном обобщении результатов теоретических и промышленных экспериментальных исследований; разработке метода и показателей оценки герметичности дегазационных вакуумных газопроводов и рекомендаций по ее улучшению, что является вкладом в развитие теории дегазационных установок.

Практическая ценность работы состоит в разработке способов и средств,, использование которых позволяет повысить показатель эффективности дегазационных установок в 1,4... 1,8 раза, а также в разработке методики оценки эффективности дегазационных установок, позволяющей определять оптимальные режимы их работы и рекомендовать мероприятия по их достижению; создании способа и установки для подготовки к непрерывной подаче влажной метановоздушной смеси от скважин на поверхность; разработке методики оценки герметичности вакуумных дегазационных газопроводов и рекомендаций по ее улучшению; создании новых конструкций соединений звеньев труб вакуумных газопроводов.

Связь темы диссертации с государственными научными программами. Диссертация содержит исследования, .выполненные по плану основных научно-исследовательских работ Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации, и является составной частью исследований, выполняемых Московским государственным горным университетом по теме г/б ГМ-3-66И № ГР 01940000582 от 20.12.1994 г.

Реализация выводов и рекомендаций работы в промышленности. Результаты работы по повышению эффективности дегазационных установок угольных шахт внедрены и приняты к внедрению на предприятиях угольной промышленности стран СНГ: метод оценки эффективности дегазационных установок используется на угольных предприятиях производственных объединений Донецкуголь, Воркутауголь, Краснодонуголь; на шахте им. М. Горького ПО Донецкуголь прошли опытно-промышленные испытания и находятся в. эксплуатации четыре водоотделительные установки; проектно-конструкторским бюро ПО Донецкуголь в рабочем проекте «Дегазация пластов к7 и 1г3» для условий шахты им. М. Горького в технологическую схему включена водоотделительная установка конструкции автора; институтом Гипрошахт (С.-Петербург) при проектировании систем дегазации шахт Воргашорская и Воркутинская ПО «Воркутауголь» в технологическую схему включена водоотделительная установка конструкции автора; институту Днепрогипрошахт передана для включения в проекты новых участков дегазации угольных шахт конструкторская документация на водоотделительную установку конструкции автора; институтом Гипрошахт (г. С.-Петербург) рекомендации по расчету термодинамических параметров метановоздушной смеси, каптируемой из угольных шахт, включены в «Руководство по утилизации шахтного метана»; техническая документация на водоотделительные установки передана и принята к внедрению на шахтах ПО Донецкуголь: «Донбасс», «Кировская», им. А. Ф. Засядь-ко, им. А. А. Скочинского и др.

Внедрение на угольных шахтах результатов исследований позволило получить экономический эффект в сумме 532,8 тыс. руб. (в ценах 1988 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на отчетных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донецкого государственного технического университета (1980, 1982, 1986 и 1992); X научно-технической конференции молодых ученых ИПКОН РАН по проблемам разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых (Москва, 1980); III Республиканской (Украина) научно-

технической конференции «Молодые ученые — научно-техническому прогрессу в угольной промышленности» (Донецк, 1980); Украинской республиканской научно-технической конференции по вопросам развития стационарных установок угольных шахт (Донецк, 1988); Международном симпозиуме «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения» (Санкт-Петербург, 1992); Международной «Неделе горняка» (МГГУ, Москва, 1994); семинаре с международным участием ученых «Проблемы и перспективы развития горной техники» (МГГУ, Москва, 1994); Международном симпозиуме «Горная техника на пороге XXI века» (МГГУ, Москва, 1995); «Неделе горняка — 96» симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (МГГУ, Москва, 1996).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 научных работах, в том числе 3 монографиях, 4 авторских свидетельствах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, включает список использованных источников из 140 наименований, 42 рисунка, 6 таблиц и 4 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры горной механики и транспорта МГГУ за помощь при подготовке диссертации.

основное содержание работы

В настоящее время процесс дегазации стал неотъемлемой частью технологического процесса добычи угля при разработке газоносных угольных месторождений. Данные научных исследований и практические результаты подтверждают влияние эффективности дегазационных работ на все этапы технологического процесса подземной добычи угля. Одним из направлений дальнейшего развития работ по дегазации угольных шахт является повышение эффективности дегазационных установок за счет совершенствования способов и средств, увеличивающих их производительность и концентрацию метана в каптируемой метановоздушной смеси.

Вопросам развития теории и практики дегазации угольных шахт посвящены работы многих ученых, среди которых: А. Т. Айруни, Г. Д. Лидии, Л. А. Пучков, А. М. Морев, Ю. А. Цейтлин, О. И. Касимов, 10. В. Деев, И. В. Сергеев,

A. В. Рязанов, Н. О. Каледина, Е. Ф. Карпов, С. К. Кузнецов,

B. М. Иванов, Е. И. Преображенская, В. Г. Лаврик, А. А. Се-ливра, Р. А. Галазов, А. М. Дмитриев, В. В. Пудак, Д. Тис-дайл, Д. Бромилов и др. Анализ работ вышеперечисленных авторов показал, что, несмотря на большой объем исследова-

ний в области дегазации каменноугольных шахт, вопросу повышения эффективности дегазационных установок уделено недостаточное внимание. Из-за отсутствия метода оценки эффективности дегазационной установки, учитывающего изменение параметров и режимов работы установки в зависимости от состава каптируемой метановоздушной смеси, невозможно оперативно определять снижение показателен работы любого элемента ее технологической схемы и своевременно принять рекомендуемые меры.

Главным требованием к дегазационным установкам является обеспечение полной безопасности ведения подземных добычных работ, поэтому их эффективность должна быть весьма высокой, обеспечивающей непрерывность технологического цикла угольной шахты. Производительность дегазационных установок существенно зависит от пропускной способности подземного вакуумного газопровода, которая значительно снижается из-за скопления в его пониженных местах выносимой из скважин воды, пыли и образующегося конденсата. При этом уменьшается проходное сечение и увеличивается гидравлическое сопротивление трубопроводной сети, уменьшается разрежение на скважинах. Образование водяных пробок создает опасность отказа всей системы дегазации.

При подаче метановоздушной смеси от скважин на поверхность по подземным вакуумным дегазационным газопроводам имеют место большие потери по концентрации метана. Через неплотности соединений звеньев труб внутрь газопровода проникает воздух из окружающих горных выработок. В результате снижается эффективность работы дегазационной установки и процесса дегазации в целом, увеличиваются выбросы метана в окружающую среду.

В связи с этим возникает необходимость исследования зависимости параметров и режимов работы дегазационной установки от условий эксплуатации ее оборудования и состава каптируемой метановоздушной смеси, что позволит определить направление для достижения максимальной эффективности в каждом рассматриваемом случае.

Поэтому в соответствии с поставленной целью были определены и решены следующие задачи:

разработать общий метод оценки эффективности дегазационных установок, позволяющий установить факторы, влияющие на эффективность, и определить направления ее повышения;

обосновать направления повышения эффективности дегазационных установок н разработать способы и средства для их реализации;

исследовать параметры и режимы работы и установить зависимости для расчета дегазационных установок с водоотде-лительными устройствами;

установить зависимости для расчета притечек воздуха в вакуумный газопровод и разработать метод оценки герметичности подземных вакуумных дегазационных газопроводов.

Эффективность дегазационной установки угольной шахты можно оценить с помощью обобщающего показателя, включающего оценку эффективности основных элементов ее технологической схемы, учитывающего изменение параметров и режимов работы установки в зависимости от состава каптируемой метановоздушной смеси

Е = £с + Епг + Явис + Е„„ (1)

где Е, Ес, Епг, Епнс, Енг — показатели эффективности соответственно дегазационной установки, окважнн, подземного вакуумного газопровода, вакуум-насосной станции, наземного газопровода.

С помощью предложенного метода по результатам диагностики состояния и условий эксплуатации была проведена оценка эффективности дегазационных установок ПО Донецк-уголь (рис. I). Значимость составляющих показателя эффективности установки определяется в основном следующим порядком: вакуум-насосная станция, герметичность подземного газопровода, дегазационные скважины, пропускная способность подземного газопровода, наземный дегазационный газопровод. Так как эффективность использования вакуум-насосной станции определяется в основном наличием конденсата в подземном газопроводе и притечек воздуха через его неплотности, то, следовательно, общий показатель эффективности дегазационных установок зависит в большей степени от герметичности подземного вакуумного газопровода и наличия скоплений конденсата в его пониженных местах.

Для объективной оценки эффективности дегазационной установки необходимо сравнивать полученный действительный обобщающий показатель эффективности с его максимально возможным значением, определяемым для каждого конкретно рассматриваемого случая.

Максимально возможное значение показателя эффективности дегазационной установки для любого рассматриваемого случая

Е' = + Е ПТ ЕBUC иг* (2)

где Е',Е/, £пг, £biic, Е,',г—показатели максимально возможной эффективности соответственно дегазационной установки, скважин, подземного вакуумного газопровода, вакуум-насосной станции, наземного газопровода.

Сопоставляя значения показателей эффективности дегазационной установки действительного и максимального, можно сделать вывод не только о результативности работы, но и определить направления ее улучшения.

Анализ состояния и условий эксплуатации дегазационных установок угольных шахт ПО Донецкуголь, а также сопоставление значений действительных и максимальных показателей эффективности установок подтвердили необходимость исследований по повышению эффективности использования подземного вакуумного дегазационного трубопровода, которая зависит от пропускной способности и герметичности последнего.

При подаче ло подземному вакуумному дегазационному газопроводу от скважин па поверхность каптируемая метано-воздушиая смесь охлаждается, образуется конденсат, который с водой в виде капель и пылью, выносимыми потоком газа из скважин, создает в пониженных местах трассы водяные пробки. Возникает о-пасность в отказе работы всей дегазационной установки.

Температура метановоздушпой смеси у скважин в среднем составляет 303...308К, а на 'конечном участке подземного газопровода снижается до 290...293 К. В данном случае имеет место процесс вынужденного конвективного теплообмена, сопровождающийся конденсацией паров воды в условиях вакуума в присутствии смеси неконденсирующихся газов — воздуха и метана. Причем содержание воздуха и метана в смеси может изменяться от 0 до 100%.

Изучению закономерностей транспортирования газов н ■происходящего при этом процесса теплообмена посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых: С. С. Кута-теладзе, М. А. Мпхеева, М. В. Кирппчева, В. В. Алексеева, Д. А. Лабунцова, В. П. Исаченко, В. А. Оптовой, Л. Д. Бер-мана, А. А. Кулешова, А. А. Михалевпча, И. М. Михеевой, Ю. А. Цейтлина, Г. Шлихтинга, М. Девиена и многих других. Теплообмен в двухфазных смесях с малым содержанием неконденсирующихся газов (1...8%) исследовался В. А. Гудым-•чуком и В. А. Константиновым. Результатов исследовании процессов теплообмена в 'многокомпонентных газовых смесях в условиях, идентичных подземному вакуумному дегазационному газопроводу, в современной литературе нет.

Математическое описание процессов вынужденного конвективного теплообмена, состоящее из уравнений теплопроводности, движения, сплошности, теплоотдачи и условий однозначности, ¡может быть отнесено к процессу теплообмена в подземном дегазационном газопроводе. Условие подобия для процесса вынужденного конвективного теплообмена в подзем-лом вакуумном дегазационном газопроводе может быть представлено критериальной зависимостью

Ыи = ЦЯе, Рг) ;(3)

или

а,/ __ , /г>/ ^^р

~Г ~ * I. Т '

где Ыи, Яе, Рг — число соответственно Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля; а\ — коэффициент теплоотдачи влажной -метано-воздушной смеси, Вт/>м2К; I — характерный геометрический размер системы, м; ^ — коэффициент теплопроводности влажной метановоздушной смеси, Вт/м1<; и — характерная, обычно средняя скорость .метановоздушной смеси в начальном сечении газопровода, м/с; V — кинематическая вязкость 'метановоздушной смеси, м2/с; ¡д,— динамическая вязкость смеси, Па-с; Ср — удельная теплоемкость влажной метановоздушной смеси, Дж/кг- К.

Интенсивность вынужденного ¡конвективного теплообмена характеризуется, как известно, коэффициентом теплоотдачи. В рассматриваемом случае коэффициент теплоотдачи -метановоздушной смеси при известном поле температур может быть определен с помощью метода теплового баланса. Тепловой поток, передаваемый от метановоздушной смеси через поверхность нагрева в соответствии с законом Ньютона — Рихмана,

<2=^ таг, (5)

р

где <2 — тепловой поток, Вт; Д7—^разность между средними температурами поверхности теплообмена и окружающей среды, К; ^—-площадь .поверхности теплообмена, м2.

Считая коэффициент теплопередачи ¡постоянным по всей поверхности нагрева, зависимость (5) -можно представить в следующем виде:

= (6)

где М—средний температурный напор, К; К—коэффициент теплопередачи, Вт/.м2-К.

С другой стороны, тепловой поток, передаваемый через поверхность нагрева, в соответствии с уравнением Фурье — Кирхгофа можно определить

где р — плотность влажной 'метановоздушной смеси, «г/м3; (3, — объемный расход метановоздушной смеси, -м3/с; Т2, Т\ — температура метановоздушной смеси соответственно начальная и конечная, К-

Для оценки влияния .параметров влажной ¡метановоздушной смеси на интенсивность процесса теплообмена в подземном дегазационном трубопроводе из уравнения теплового баланса путем теоретического анализа получены зависимости для определения:

О 9

о

?

9 О

о

►Евнс

1

. ЛЕпс

п

>Ипр

>ЕС

1 2 3 - 6 7 ? э ю И 12 "I? I'- наименова

ние шахты

I. ,Диагра.\ка изменения показателя эффективности оегаз"--:-:он~-' установок шахт п.о. "Донецкуголь": I - им. М.Горького ;2 и«. А.5.3асяцько; 3 - "Кировская"; 4 - им.газ."Донбасс" ; 5 - да.?.'!.«.Кал^яка; 5 - "Заперевальная"; ? - "Глубокая" 8 - 60-лет.Сев.Украины; 9 - "Южно-Донбасская I"; 7с иг.:. А. А. Скочи не кого; ,11 - щ/у "Октябрьское"; 12 -ясная; 13 - ■::/;.' "Красная Звезда"

Рис. 2 . Графики завиеймости 0*= / { Ом, 0±)

коэффициента теплоотдачи влажной метановоздушной смеси

CP?Qi — Tf) Ъа2

а, ---, (о)

рЦ'ш2 — CoQ, (Тг — Ч\) (аст + оС1а2)

где Т2, Т1 — температура .метановоздушной смеси соответственно у скважин и у ствола, К;

удельной теплоемкости влажной метановоздушной смеси

С — ДмCp-"pR'Rd + (Р " ' а*Р ~ VP*)сPitted + 'iPfipdRtR* р aupRtRd + (р — auD — <?ps) RMRd + <?psRiRn

где RM> Ri, Rd — газовая постоянная соответственно метана, сухого воздуха, водяного пара, Дж/кг- К; р — абсолютное давление газовой смеси в газопроводе, Па; Сры. Cpd— удельная теплоемкость соответственно метана, сухого воздуха, водяного пара, Дж/кг-К; ф— относительная влажность метановоздушной смеси, дол. ед.; ps—парциальное давление сухого насыщенного ¡пара при заданной температуре, Па; ам —объемное содержание метана в метановоздушной смеси, дол. ед.;

плотности влажной метановоздушной смеси

= PRdRi + RdR» ~ VPs) + WsRiRa il0)

RMRtRdTi

С учетом специфики процесса теплообмена, имеющего место при транспортировании по подземному вакуумному дегазационному газопроводу метановоздушной смеси от скважин на поверхность, были установлены основные факторы, влияющие на его интенсивность: расход, температура, давление и состав смеси. Необходимость учета состава неконденсирующейся части метановоздушной смеси при определении коэффициента ее теплоотдачи подтверждена графическими зависимостями (рис. 2). Значение коэффициента теплоотдачи при конденсации паров воды из движущейся метановоздушной смеси в условиях эксплуатации дегазационных установок угольных шахт, определяемое без учета состава неконденсирующейся части смеси, оказывается заниженным на 30...45%.

С увеличением разрежения в подземных дегазационных газопроводах значение коэффициента теплоотдачи метановоздушной смеси уменьшается, что соответствует исследованиям процесса теплоотдачи в разреженных газах С. С. Кутателад-зе, М. Девиена, М. А. Михеева и других. Степень влияния величины разрежения на величину коэффициента теплоотдачи метановоздушной смеси в условиях эксплуатации дегазационных установок угольных шахт в литературе не описана и подлежит экспериментальному уточнению.

Значимость влияния температуры метановоздушной смеси на интенсивность теплоотдачи в дегазационных газопроводах растет с увеличением содержания метана в смеси. Последнее является существенным при росте глубины разработки каменноугольных пластов.

Число Нуссельта с учетом уравнений (3) и (4) определяется зависимостью

Ми = 1(ь, I, V, р, Ср, X), (М)

где V — скорость -метановоздушной смеси в дегазационном газопроводе, м/с. Величина скорости зависит от расхода смеси и диаметра трубопровода ¿тр; / — характерный геометрический размер системы — в рассматриваемом случае это диаметр труболровода йтр, м; ц — динамическая вязкость метановоздушной смеси, Па-с;

,, _ анМи + а,М, + (1 -аы —а,)Ма ]

+ "А (1 —аи — а,) М,

VI IV

где Мм, М[, Мл— молекулярная масса соответственно метана, сухого воздуха, водяного 'пара; рм, ца—динамическая вязкость соответственно метана, сухого воздуха, водяного пара, Ла-с; а/ —объемное содержание сухого воздуха в метановоздушной смеси, дол. ед.

Так как значения Мм, Мь Мй являются постоянными, то динамическая вязкость метановоздушной смеси зависит от ее состава, температуры и давления, то есть \х = Цам, р, Т). X— теплопроводность влажной метановоздушной смеси, Вт/м-'К.

Х = 3600№СКВ, (13)

где £ — ускорение свободного падения, м/с2; Су— теплоемкость влажной смеси при постоянном объеме, Дж/кг-К

Су = ёиСу м + £1СУ1 + gdCvd, (14)

где — массовые доли содержания в смеси соответ-

ственно метана, сухого воздуха и водяного пара, дол. ед.; Су „ Су1> —теплоемкость соответственно метана, сухого воздуха, водяного пара при постоянном объеме, Дж/кг-К;

(15)

Ц а1М1

дд'_5

В — коэффициент; В = -, гдеЛ' = С„/Ск;

4

Ср —теплоемкость смеси при достоянном давлении, Дж/кг-К

Ср = ё-лСр и + ё1 Ср1 -Г £йСрй (16)

или

СР = СУ + Я, (17)

где Срм, Ср1, Сра — теплоемкость соответственно .метана, сухого воздуха и водяного пара, Дж/кг-'К; Я — газовая постоянная .метановоздушной смеси, Дж/кг-К.

Таким образом, теплопроводность .метановоздушной смеси зависит от состава смеси и ее удельной теплоемкости

Х=/(ам, Ср). (18)

Удельная теплоемкость влажной метановоздушной смеси в соответствии с зависимостью (9)

Ср = /{р, аи, р3, о, Сри, Ср1, Сра), (19)

где СРм, СР1, С рй =/(р, Т); ср = 100% для каптируе-

мой из угольных шахт метановоздушной смеси.

Тогда удельная теплоемкость

Ср=/(Р, аи, Т). (20)

Следовательно,

#« = /((21, р, аи, 7). (21)

Диаметр трубопровода ¿¡тр относится в рассматриваемом случае к условиям однозначности.

Анализ особенностей процесса вакуумной конденсации паров воды в условиях эксплуатации подземных дегазационных газопроводов позволил сделать вывод, что образование водяных пробок в пониженных местах разветвленного газопровода наиболее целесообразно предотвратить следующим способом: охладить каптируемую метановоздушную смесь у скважин до температуры конечного участка подземного газопровода и отделить образовавшийся конденсат, воду в виде капель и механические примеси, выносимые из скважин.

Предлагаемый способ подготовки влажной метановоздушной смеси в условиях эксплуатации подземного вакуумного дегазационного газопровода можно осуществить, установив у скважин устройство, которое, кроме вышеперечисленных функций, обеспечивало бы своевременный отвод воды без постоянного специального обслуживания. Для этих целей в шахтных условиях наиболее экономично и технически выгодно использовать теплообменный аппарат, конструктивная схема которого позволяет интенсифицировать процесс теплообмена путем обеспечения оптимального скоростного режима движения метановоздушной смеси в межтрубном пространстве за счет выбора схемы расположения сегментных перегородок в аппарате и автоматического отвода образующегося конденсата.

Для уточнения степени влияния вышеупомянутых особенностей процесса теплообмена, имеющего место в подземных дегазационных газопроводах, и специфики предлагаемого способа подготовки влажной метаповоздушиой смеси к непрерывной подаче от скважин на поверхность, на величину коэффициента теплоотдачи при вакуумной конденсации паров воды в присутствии воздуха и метана автором были проведены экспериментальные исследования.

Из-за сложности моделирования исследуемого процесса в лабораторных условиях экспериментальные исследования проводились в шахтных условиях (шахта им. М. Горького ПО Донецкуголь). При этом использовались современные методы и средства измерения контролируемых величин, корреляционный и регрессионный анализ.

Число Нуссельта, характеризующее интенсивность процесса теплообмена, в рассматриваемом случае являлось искомой переменной. На опытно-промышленной экспериментальной установке были произведены измерения соответствующих контролируемых величин, которые изменялись в следующих пределах: объемный расход метановоздушной смеси (31 = 0,1... 0,48 м3/с; объемное содержание метана в смеси ан = 35...80%; объемный расход охлаждающей воды <22= (0,3...10,0) 10_3м3/с; абсолютное давление метановоздушной смеси в трубопроводе р = 85...ЮЗ к!Па; средний температурный напор Д/ = 3,6...5,0 К; разность температур метановоздушной смеси на входе и выходе из водоотделигельного устройства (Т2—Т,) =8,0...14,0 К. Количество измерений на одном уровне, необходимое для получения относительной погрешности еа,<10% и обеспечения доверительной вероятности 0,9—0,95, было не менее 5 и не более 9.

Конвективный теплообмен, имеющий место в вакуумном подземном дегазационном газопроводе для установившегося процесса, подчиняющегося уравнению Менделеева — Клапейрона, ка'к известно, описывается уравнениями: теплоотдачи, теплопроводности, движения и сплошности. В условия однозначности входят: геометрические свойства системы — трубки в теплообменнике расположены по концентрическим окружностям; процесс является стационарным; плотность, коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, коэффициент динамической вязкости — существенные физические свойства газовой смеси; условия на границах системы — скорость течения на стенках труб равна нулю (принимаем, что тепло у стенок труб (передается теплопроводностью через примыкающий к ним тонкий слой жидкости).

Для оценки правильности выбора скоростного режима транспортирования метановоздушной смеси в схеме экспериментальной установки (рис. 3) было произведено параллель-

ное подсоединение двух водоотделителей В1 и В2 с различным шагом установленных перегородок.

В водоотделителе В'1 сегментные перегородки были расположены с шагом 150 (А) —350 (Б) — 150 (В) —350 '(Г) -мм, что обеспечивало снижение скорости метановоздушной смеси в отсеках Б и Г конденсатосборнике до 3 м/с и менее. В отсеках А и В скорость смеси повышалась до 22...26 м/с.

В водоотделителе В2 сегментные перегородки были установлены равномерно, то есть с шагом 250 (А) —250 (Б) — 250 (В) —250 (Г) мм.

Эффективность работы каждой испытываемой водоотдели-тельной установки, а также правильность выбора скоростного режима движения метановоздушной смеси оценивались по количеству отводимой из конденсатосбориика воды.

Обработка полученной выборки экспериментальных данных на ЭВМ позволила установить зависимости для описания процесса теплообмена в подземных дегазационных сетях, представленные уравнениями регрессии

Максимальная погрешность аппроксимации опытных значений величин на всем исследуемом диапазоне для зависимостей (22) и (23) составляла не'более 10%.

Графическая иллюстрация результатов экспериментов представлена на рис. 4, где: 1 — кривая, соответствующая зависимости (22); 2—кривая, соответствующая зависимости (23); 3 и 4 — кривые, соответствующие зависимостям, полученным М. А. Михеевым для одиночной горизонтальной трубы и для пучка горизонтальных труб. Все кривые построены для одинаковых условий (р = 97,1 кПа; Ai = 4,l К; (Т2—7i) = 12K; Q2 = 7-10-3 м3/с) с той особенностью, что при построении графиков (22) и (23) (линии 1 и 2 на рис. 4) было учтено влияние изменяющегося состава неконденсирующейся части метановоздушной смеси (а5, ='38...74%).

Сравнивая полученные графические зависимости, можно сделать вывод, что .при расчете критерия Нуссельта и коэффициента теплоотдачи для метановоздушной смеси в условиях конденсации паров воды в вакууме необходимо обязательно учитывать изменение состава ее неконденсирующейся части.

Кроме того, при сравнении графических зависимостей 1 и 2 (рис. 4) для водоотделителей соответственно типа В1 и В2 приходим к выводу, что регулирование скорости -потока метановоздушной смеси размещением сегментных перегородок с шагом 150—350—150—350 мм ¡позволяет увеличить теп-лосъем поверхности теплообмена на 30...40%, в результате че-

iv«t = 0,008/?е1д6 яг1,84 ; Nu2 = 0,00GRel'uPr]'S4.

(22) (23)

го с учетом шахтных условий эксплуатации получить водоот-делительную установку с 'минимальными габаритами и максимальной эффективностью.

Кроме критериального описания процесса теплообмена е подземных вакуумных дегазационных газопроводах, для выполнения технических расчетов с учетом условий эксплуатации газопроводов получены зависимости для определения термодинамических параметров влажной метановоздушной смеси:

■коэффициент теплоотдачи

= 0,215дГ (Т2 - Гг)ш Д(24

Изменение состояния метановоздушной смеси при подаче ее от дегазационных скважин на -поверхность происходит в условиях небольших изменений по длине трубопровода температуры и давления. При атом физические свойства смеси (в рассматриваемом случае — метановоздушной) при дозвуковом течении в прямой длинной круглой трубе можно считать постоянными, и коэффициент теплоотдачи при этом будет определяться

а, = 8921д!'32а2л4; (25,

плотность влажной метановоздушной смеси

Р = 36,5<зан р Г , (26)

удельная теплоемкость влажной метановоздушной смеси

С,=Ц0,0170И'44 ттр°-ю. (27)

Анализ экспериментальных графиков зависимостей коэффициента теплоотдачи метановоздушной смеси от содержания в ней метана (рис. 5) показывает, что недооценка на практике влияния состава неконденсирующейся части метановоздушной смеси на величину коэффициента теплоотдачи приведет к уменьшению значения коэффициента теплопередачи, а следовательно, к увеличению площади поверхности теплообмена, что нежелательно в условиях подземной эксплуатации водо-отделительных установок на угольных шахтах.

Из проведенного анализа особенностей процесса вакуумной конденсации паров воды из движущейся но подземному дегазационному газопроводу метановоздушной смеси, а также предлагаемого способа ее подготовки к непрерывной подаче от скважин на поверхность следует, что водоотделитель-ная установка должна представлять собой многосекционный теплообменный аппарат, сепментные перегородки в котором установлены с определенным шагом (при этом отсеки имеют разный объем), что является его основной отличительной осо-

бенностыо. Кроме того, в нижней части аппарата должен быть предусмотрен конденсатосборник, снабженный автоматическим водоотводчнком.

С учетом перечисленных особенностей автором разработаны способ очистки газа, конструктивная схема водоотдели-тельпой установки и устройства для автоматического отвода воды из вакуумных систем. Предложенные технические решения признаны изобретениями.

Эффективность способа подготовки (очистки) метановоз-душной смеси к подаче на поверхность и работоспособность водоотделительной установки с автоматическим отводом воды подтверждены опытом проверки и длительного использования на шахтах Донбасса.

На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель подземной вакуумной газопроводной системы, оснащенной водоотделительными установками.

Условия монтажа и эксплуатации подземных вакуумных дегазационных газопроводов таковы, что имеют место при-течки воздуха из горных выработок через неплотности соединений звеньев груб внутрь трубопроводов. Уменьшается содержание метана в газовой смеси, подаваемой от дегазационных скважин на поверхность или к потребителю. Поэтому при ведении дегазационных работ на угольных шахтах необходимо постоянно следить за потерями давления и изменением расхода и состава (имеется в виду концентрация метана) мета новоздушной смеси.

Значительный вклад в решение проблемы оценки герметичности дегазационных трубопроводных систем внесли работы ученых А. М. Морева, 10. А. Цейтлина, 10. В. Деева, В. Г. Лаврика, А. Г. Боруменского и др., трудами которых были созданы предпосылки научного обоснования и реализации метода оценки герметичности вакуумных газопроводов и средств для ее улучшения. Однако в проведенных исследованиях отсутствуют сведения об оценке герметичности соединений звеньев труб в зависимости от их конструктивных параметров и условий эксплуатации.

Ученые кафедры горной механики Днепропетровской горной академии результатами выполненных экспериментальных исследований подтвердили необходимость учета притечек воздуха через неплотности соединений звеньев труб при расчете режимов работы дегазационных установок.

В результате проведенного проф. Ю. А. Цейтлиным теоретического анализа закономерностей течения метановоздушной смеси по негерметнчному дегазационному трубопроводу при ряде оговоренных допущений были получены уравнения, с помощью которых, задавшись значением конечного относительного давления смеси на участке, можно определить дли-

2

17

ну участка и концентрацию метана при известном параметр негерметичности. На основании эксперимента в работе приня то, что притечки воздуха через неплотности соединений про порциональны разрежению в соответствующих сечениях тру бопровода. I

Такой подход можно считать правильным только в тоь случае, если в значении величины показателя негерметично сти участка газопровода будет учтено влияние конструктив ных параметров соединений звеньев труб и условий эксплуа тации, так как последние могут быть различными при одина ковом разрежении в газопроводе.

Считаем, что в дегазационных трубопроводах при транс портировании метановоздушной смеси имеет место режиь движения, соответствующий квадратичной области, то ест] при росте расхода метановоздушной смеси по длине газопро вода будет увеличиваться число Рейнольдса, коэффициент ж> Дарси изменяться не будет (рассматривается участок с по стоянными диаметром трубы и шероховатостью ее внутренне! поверхности).

Доцентом Лаврик В. Г. и автором настоящей работы н; основе проведенного теоретического анализа с учетом приня тых допущений получены зависимости для определения изме нения массового расхода и давления метановоздушной смес! по длине подземного вакуумного газопровода, а также пред ложены следующие методы расчета дегазационных трубопро водов:

]. Метод расчета дегазационного газопровода с сосредоточенными негерметичностями

Давление и .массовый расход метановоздушной смеси в конечном (К-'м) сечении участка газопровода определяются путем их последовательного вычисления в конце 'первого, второго, ..., К-го звеньев труб или участков.

Связь между давлением в начале и конце /(-го звена устанавливается с помощью уравнения

ог — Ок-1---, (¿8,

где рк, рк-1 —давление метановоздушной смеси соответственно в конце к-го и (к—1)-го звеньев, Па; и —массовый расход метановоздушной смеси в конце (к—1)-го звена кг/с; /3 —длина звена трубы, м; —газовая постоянная метановоздушной смеси в конце {к — 1)-го звена, Дж/кг-К;

—внутренний диаметр трубопроводов, м; Т — температура метановоздушной смеси, К; К — коэффициент Дарси.

Массовый расход метановоздушной смеси

()тк = <}т[к-1) + Ъ(ра-рк)13, (29)

1С (¿тк—массовый расход метановоздушной смеси в конце -го звена, кг/с; Ь —показатель негерметичности трубопрово-а, приходящейся на единицу его длины, с; ря—давление удничной атмосферы, Па.

2. Метод расчета дегазационного газопровода с распределенной негерметичностыо

Если предположить, что на участке подземного дегазаци-1Иого трубопровода воздух окружающей атмосферы из гор-лх выработок проникает внутрь газопровода равномерно по :ей длине участка, то потеря давления йр н изменение мас-шого расхода с1С}т для участка длиной ёх, считая, что дви-енне воздуха в неплотностях (происходит при ламинарном жиме, можно определить

¿р ___ аЯ,„2ТЦП(1 + 0,81 ди/сц (ЗП)

р

с1<2т _ Ь (ра — р)р

(31)

;е а~-; р — абсолютное давление в газопроводе, Па;

т— массовый расход метановоздушной смеси, кг/с.

Метод расчета реализуется с помощью ЭВМ.

Все изложенные выше методы расчета негерметичных ва-/умных газопроводов можно использовать с достаточной чностью, если при определении задаваемого параметра не-рметичности «Ь» будет учтено влияние не только разреже-1я в трубопроводе, но и конструктивные параметры. фланце-.IX соединений, а также условия их эксплуатации.

При оценке состояния вакуумного дегазационного трубо-ювода параметр пегерметичности реального газопровода не-1ходимо сравнивать с нормативным. Однако в настоящее |&мя нет теоретических пли экспериментальных зависнмо-ей для определения действительного и нормативного пара-гтров негерметичности вакуумных газопроводов с фланцевы-I соединениями звеньев труб. Институтом МакНИИ предло-зно нормативным допустимым параметром' считать прирост ,схода воздуха в метановоздушной смеси не более 1... 5 м3/мин на 1 км длины газопровода. В таком виде этот па-метр не отражает специфики эксплуатации дегазационных убопроводов угольных шахт, так как не учитывает пара-:тры и состояние соединений звеньев труб каждого конкретно подземного дегазационного вакуумного газопровода.

Арматура, применяемая в настоящее время, для монтажа соединений звеньев труб дегазационных систем, является стандартной и ограничена «Руководством по дегазации угольных шахт».

Для участковых и магистральных трубопроводов дегазационных установок в основном применяются трубы, имеющие диаметр условного прохода 150, 200, 250 мм, для соединения ¡которых используют в большинстве случаев фланцевые соединения двух типов: со свободным фланцем на приварном кольце — ГОСТ 12822—90 и с приварным плоским фланцем ГОСТ 12820—90. Прокладки для уплотнения фланцевых соединений изготавливают из мягкой маслобензостойкой листовой резины.

В основу экспериментальных исследований положена теоретическая зависимость для определения массового расхода воздуха через неплотности фланцевого соединения, отличающаяся от формулы, полученной В. Г. Лавриком и А. И. Сковородкой тем, что в ней величина зазора 1г между прокладкой и буртом фланцевого соединения заменена значением дополнительного момента АМ, необходимого для окончательной затяжки соединения. Величина дополнительного момента зависит от разрежения в газопроводе, конструктивных параметров и состояния фланцевого соединения

Ы2т=№*-Р), Ш, С^/Дж], (32)

где ДМ — дополнительный момент затяжки соединений звеньев труб, Н-м; /)в„, — диаметр прокладки фланцевого соединения соответственно наружный и внутренний, м.

Начальный момент затягивания болтов фланцевого соединения, требуемый для доведения до соприкосновения гаек с плоскостью фланца, является одинаковым для конкретных условий эксплуатации и зависит от наличия смазки, вида покрытия и т. д.

Определить степень влияния каждого из факторов: разрежения в газопроводе, дополнительного момента затяжки и конструктивных параметров соединения на величину массовых притечек воздуха в ва'куумный газопровод — аналитическим путем в настоящее время не представляется возможным. Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях на опытно-промышленной установке, смонтированной на участке № 12 шахты им. М. Горького ПО' Донецк-уголь. При этом варьируемые параметры изменялись в следующих пределах: дополнительный момент затяж.ки фланцевых соединений ДА1 = 0...100 Н-м; разрежение в дегазационном трубопроводе (ро—р)=2,5...5,0 кПа; отношение наружного диаметра прокладки к внутреннему Ь„/£)„„ ='1,27; 1,33; 1,39. Количество измерений на одном уровне, необходимое для получения относительной погрешности ел<? <10% и для обеспе-

ения доверительной вероятности ОД..0,95, было не менее 5 и е более 9.

В ходе экспериментальных исследований использовались ри типа (то профилю) прокладок: плоские, У-образные и '-образные с /7-образными вырезами по периметру виутрен-его диаметра, конструктивная схема которых признана изо-ретением.

С использованием опытных данных по исследованию не-грмегичных фланцевых соединений на вакуумных дегазаци-нных трубопроводах установлены зависимости между вели-инами дополнительного .момента затяжки соединений и мас-эвых иритечек воздуха через неплотности одного соединения ля фиксированных значений дополнительного момента затя-шания соединений для различных значений разрежения в азопроводе и конструктивных размеров отличающихся по рофилю прокладок.

Анализ полученных результатов показывает, что законо-ерпость изменения величины значения дополнительного мо-ента для окончательного затягивания болтов фланцевого )едпнения с различными по профилю прокладками и разны-и конструктивными размерами при изменяющемся разреже-¡1и в трубопроводе одинакова и имеет линейный характер эис. 6). Максимальная относительная погрешность при этом вставляет не более 5%.

Как и в проведенных ранее опытах для фигурных, плоских

клиновидных прокладок, начальный момент затяжки оди-аков для данных эксплуатационных условий и не зависит от азрежения в газопроводе и конструктивных размеров лро-тадки. Значение величины имеющихся при этом притечек эздуха в газопровод пропорционально разрежению в нем.

¡В результате обобщения экспериментальных данных было мучено общее уравнение для определения 'массового расхо-з воздуха через неплотности одного соединения

ААр —0,1 ДА* Рн/Д„ _ ]Г)_2

(33)

ВВкЮт

(е А, В — коэффициенты, значения которых получены для тоских, фигурных, клиновидных, К-образных и V — /7-образ->1.х прокладок. Значения коэффициентов А и В приведены табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов А и В

Тип прокладки А, м3 В, м2/с

тоская 1,743 53,574

¡гурная 1,509 42,294

шновидная 1,21й 36,143

образная 1 ,озо 26,417

—/7-образная 0,638 13,970

Для объективной оценки герметичности системы подземных дегазационных газопроводов необходимо правильно определить показатель негерметичности и сравнить его с нормативным.

Действительный показатель, характеризующий фактическую негерметичность вакуумного газопровода, предлагается определять по формуле

С>а(ам1 — «ма)рв .

или

¿V

Ь д«=

{Р1 —Рз)аш1

(Д>.1 — ак2) Рв (рх—р,)аш1

(34)

(35)

где ¿д — параметр, характеризующий фактическую негерметичность, приходящуюся на единицу длины участка, при изменении на нем вакуума на один Паскаль, с; рв — плотность окружающего воздуха на участке, кг/м3; Амь объемное

содержание метана в транспортируемой метановоздушной смеси соответственно в начале и конце участка, дол. ед.; рь Р2 — давление в газопроводе соответственно в начале и конце участка, Па.

Нормативный показатель (параметр) негерметичности участка подземного вакуумного газопровода предлагается определять по зависимости

или

А\р-

1(Р, —Рг)

-0,1-Ш,, д/д„

(Р1-Р2)ЫОш/ д,

Ю-2

(36)

(37)

где Ьк — нормативное значение дополнительного момента затягивания болтов фланцевого соединения звеньев труб подземного дегазационного газопровода.

Максимальное рекомендуемое значение дополнительного нормативного момента затягивания болтов фланцевого соединения на дегазационном газопроводе АМ„ для различных профилей прокладок приведено в табл. 2.

Таблица 2 Нормативные значения дополнительного момента

Отношение 0„/0ч„ Тип прокладки

плоская фигурная клиновидная У-образ-ная V —л- образна;;

1 ,"Т 80 70 60 40 30

] ,33 70 60 50 35 25

] ,39 60 50 40 30 20

ю2

/с ■

¿р = 3,91 кПа (1,4 ,7) Ар = 4,45 кПа (2,5,8)

О 5 10 15 20 ¿/>/,Нм

Рис. б. Графики эксгтеоиментальшх зависимостей

/ (лиЛр , ) ДЛЯ \

V - П- - образных прокладок

о

о

6

о О

о о

6

о

о

<э'

о

6 .7

9 10 II 122

наименование шахты

Рис. Диаграмма изменения концентрации метана в каптируемой из угольных шахт п.о. "Докецкуголь" метановоздушной смеси ( перечень угольных ¡пахт ем. рис.2.1): О - действительное значение .концентрации метана ; О - расчетное

Систему дегазационных вакуумных подземных газопроводов можно считать герметичной, если отклонения действительного параметра негерметичности от нормативного не превышают 10... 12%. При 'больших значениях отклонений необходимо определить параметры действительной и нормативной негерметичности для всех участков, входящих в систему. Для участков с отклонениями параметра негерметичности более 12% нужно заменить профиль прокладки фланцевого соединения.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан метод оценки герметичности вакуумных подземных дегазационных газопроводов.

В соответствии с предложенным методом были определены значения реально достижимых параметров каптируемой из угольных ПО Донецкуголь метановоздушной смеси (рис. 7).

Изложенные выше исследования позволили разработать методику определения рациональных параметров и режимов работы дегазационной установки (в зависимости от условий эксплуатации ее оборудования), обеспечивающих безостановочную подачу метановоздушной смеси от скважин на поверхность с минимальными потерями по концентрации метана и, как следствие, повышение эффективности дегазационной установки в 1,4... 1,8 раза. Экономический эффект от внедрения разработок составил 532,8 тыс. руб. (в ценах 1988 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность теоретических и экспериментальных исследований, их научное обобщение, выполненные в диссертационной работе, является решением научной проблемы повышения эффективности дегазационных установок угольных шахт, что имеет важное народнохозяйственное значение в области развития теории и практики систем дегазации.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработан метод оценки эффективности дегазационной установки, представляющий обобщенную оценку эффективности элементов технологической схемы установки, учитывающую изменение параметров каптируемой метановоздушной смеси.

Основными факторами, влияющими на величину показателя эффективности дегазационной установки, являются наличие скоплений воды в подземных вакуумных дегазационных газопроводах и концентрация метана в каптируемой метановоздушной смеси. Поэтому главными направлениями повышения эффективности дегазационных установок являются

разработка методов и средств предотвращения образования скоплений воды и снижения притечек воздуха в подземный газопровод.

2. Установлен показатель пропускной способности подземного дегазационного газопровода, оцениваемый интенсивностью теплообмена в нем, характеризуемой критерием Нуссель-та, который определяется с учетом изменяющегося состава неконденсирующейся части метановоздушной смеси, позволяющей выявить возможные направления интенсификации теплообмена для обеспечения непрерывной подачи газовой смеси от скважин на поверхность.

Одновременное охлаждение на 15...20° С, изменение направления движения на 180° и скорости потока метановоздушной смеси от 10...15 до 22...26 м/с и от 22...26 до 2,5—3 м/с в водоотделительном устройстве, установленном у группы дегазационных скважин, позволяет повысить коэффициент теплоотдачи метановоздушной смеси в 1,4...1,9 раза при его минимальных габаритах и обеспечить работу дегазационной установки без технологических перерывов для удаления скоплений воды из пониженных мест газопровода.

Конструктивная схема водоотделительного устройства, автоматического водоотводчика и способ очистки газа защищены авторскими свидетельствами.

3. Установлена обобщенная зависимость притечек воздуха через неплотности фланцевых соединений звеньев труб подземного вакуумного дегазационного газопровода от их конструктивных параметров, состояния и условий эксплуатации, а также типа применяемых прокладок, позволяющая рассчитывать изменение содержания метана в транспортируемой на поверхность метановоздушной смеси в любой точке подземного дегазационного трубопровода.

Разработаны и защищены авторскими свидетельствами новые конструктивные схемы соединений звеньев подземного дегазационного трубопровода, а также разработаны рекомендации по их выбору, обеспечивающие транспортирование метановоздушной смеси на поверхность с минимальными потерями метана по концентрации.

4. Установлены зависимости для определения действительного и нормативного показателей герметичности для любого участка подземного вакуумного .дегазационного газопровода, позволяющие оценить состояние и дать рекомендации по техническому обслуживанию соединений звеньев труб на рассматриваемом участке.

5. Разработан метод оценки герметичности подземного вакуумного дегазационного газопровода, позволяющий аналитически определить направления получения максимальной герметичности газопровода.

Применение разработанных методов и средств позволило в 70% исследованных случаев получить повышение концентрации метана в каптируемой метановоздушной смеси до кондиционного уровня сжигания (45%).

6. Разработана математическая модель и алгоритм расчета подземного вакуумного дегазационного газопровода, позволяющая определить не только возможно достижимые в каждом рассматриваемом случае параметры каптируемой метановоздушной смеси, но и дать рекомендации по обеспечению возможного повышения эффективности дегазационной установки в' 1,4... 1,8 раза.

7. Разработанные на основе проведенных исследований методы, способы и средства повышения эффективности дегазационных установок угольных шахт прошли опытно-промы-лленные испытания, внедрены и приняты к внедрению на /гольных предприятиях производственных объединений Вор-<утауголь, Донецкуголь, Краснодонуголъ.

Внедрение на угольных шахтах результатов исследований юзволило получить экономический эффект в сумме 532,8 тыс. эуб. (в ценах 1988 г.), улучшить условия труда на подземных заботах, увеличить количество полезно используемого шахт-гого метана, снизить загрязнение вредными выбросами окру-каюшей среды.

Основные материалы диссертации изложены в следующих »публикованных работах:

il1. Лаврик В. Г., Малашкина В. Л., Левченко И. Ю. Сравнение дпух етодов расчета «егерметичного газопровода шахтной дегазационной ус-ановки с помощью ЭВМ. — Донецк, 1980. — б с. — Рукопись представло-а Донецк, политехи, ин-том. Деп. в 'УкрНИИНТИ, Киев, 1980, № 2238.

2. Расчет негерметичного газопровода шахтной дегазационной устаноп-и с помощью ЭВМ/Лаврик В. Г., Кирик В. В., Малашкина В. А., Заслав-[1к В. С. — В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых. Ки-э: Техника, 4981, вып. 58, с. 75—77.

3. Лаврик В. Г., Малашкина В. А., Харитонов С. К. Приближенные етоды расчета негерметичного вакуумного газопровода. — Донецк, 1981.—

;с. — Рукопись представлена Донецк, политехи, ин-том. Деп. в Укр-ИИНТИ, Киев, 1981, № 2588.

4. Газоподготовигтальная станция ГПС-1/Лаврнк В. Г., Малашки-1 В. А., Марков Н. А, Ким Н. Д. —Проспект для ВДНХ СССР. Донецк, )81i.

5. Лаврик В. Г., Малашкина В. А., Харитонов С. К. Исследование ме-|Дов 'контроля негерметичности дегазационного гаеопровода.-—Долецк, 182. — 5 с.— Рукопись 'представлена Донецк, политехи, ви-то'м. Деп. в ч-рНИИНТИ, Киев, 1982, № 3490.

6. Лаврик В. Г., Малашкина В. А., Гондурак И. П. Анализ способов китроля негерметичности дегазационных газопроводов. — Донецк, 1982.— I с. — Рукопись представлена Донецк, политехи, ин-том. Деп. в Укр-ИИНТИ, Киев, 1982, № 3928.

7. Малашкина В. А. Методика -расчета водоотделителя для шахтных дегазационных газопроводов. — Донецк, 1983.—5 с. — Рукопись представлена Донецк, политехи, ин-том. Дел. в УкрНИИНТИ, »Киев, 1983, № 50.

8. Малашкина В. А. Водоотделитель для повышения эффективности транспортирования метала, от дегазации. — Донецк, 11983. — 5 с. — Рукопись представлена Донецк, политехи, ин-том. Деп. в УкрНИИНТИ, Киев. 11983, № 1433.

9. Малашкина В. А., Коноз И. А. Повышение эффективности дегазационных работ в угольных шахтах. — Уголь Украины. Киев: Техника, 11984, № Ч|, с, 37.

1|1. А. с. адаазо СССР. Устройство для отвода жидкости из вакуумных газопроводов/В. Г. Гейер, В. А. Малашкина, Л. Н. Казыряцкий, В. И. Чепурненко, —Опубл. в Б. 11985, № 36.

■1.2. Малашкина В. А., Кирик В. 'В. Особенности .расчета тепловой изоляции наземных дегазационных трубопроводов. — Донецк, 1986. — 8 с. — Рукопись представлена Донецк, .политехи, ¡ин-том. Деп. в УкрНИИНТИ, Киев, 1986, № 1(364.

11,3. Малашкина В. А. Исследование теплообмена в системах дегазации угольных шахт. — Донецк, 4986.— 1.2 с. — Рукопись представлена: Донецк, политехи, ин-том. Деп. в УкрНИИНТИ, Киев, .1986, № 1865.

14. Малашкина В. А. Определение факторов, влияющих на герметичность вакуумных систем. — Донецк, (Щ87.— 13 с.— Рукопись представлена Донецк, политехи. ин-то;м. Деп. в УкрНИИНТИ, Киев, ;1987, № 21.36.

|1|5. Малашкина В. А., Чепурненко В. И. Обеспечение непрерывного транспортирования мега.новоздушной Смесш из угольных шахт потребителю. — Свердловск, изд-во Свердловского горного ин-та, сб. «Горное дело», 1087, 2 с.

;16. Малашкина В. А. Расчет водоотделителя для шахтных дегазационных систем с помощью ЭВМ. — Донецк, 1087.—6 с.— Рукопись представлена. Донецк, политехи, ин-том. Деп. в УкрНИИНТИ, ,К«ев, .1987, № 2704.

17. Малашкина В. А., Антоненко Г. А. Разработка рационального профиля прокладки для герметизации фланцев вакуумных газопроводов. — Донецк, 1988. — 1 с.— Рукопись представлена Донецк, политехи, ин-том. Деп. в ЦНИЭИугаль, Москва, 1088, сб. № 4443.

Ц|8. А. с. .161.0185 СССР. Соединение труб/В. А. ''Малашкина, А. Л. Кравченко. — Опубл. в Б. И„ 11990, № 44.

.1.9. Малашкина В. А., Малеев В. Б. Ремонт и эксплуатация стационарного оборудования шахт. — М.: Недра, 1.990,, 483 с.

20. Малашкина В. А. Средства и способы для повышения эффективности использования дегазационных установок угольных шахт. — В кн.: Нетрадиционные источники. углеводородного сырья и проблемы его освоения/Тез. докл. междунар. симпозиума. — Санкт-Петербург, 1092, 2 с.

21. Малашкина В. А. Средства и способы для повышения эффективности 'использования дегазационных установок ;угольных шахт.— В кн.: Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения/Доклад на междунар. симпозиуме. — Санкт-Петербург: ВНИГРИ, 1993,10 с.

22. Гидроподъем полезных ископаемых/Антонов Я. К., Козыряц-кий Л. Н., Малашкина В. А., Холмогоров А. П., Хуиис Я. Е. — М.: Недра, 1995, 175 с.

23. Малеев В. Б., Малашкина В. А. Водоотлив и дегазация угольных шахт. — М.: Недра, 1095, 210 с.

24. Малашкина В. А. Повышение эффективности 'Использования дегазационных установок угольных шахт. — В кн.: Горная техника на пороге XXI века/Доклад на междунар. симпозиуме. — Москва: МГГУ, 1996, 3 с.

25. Способ очистки газа. Московский госуд. горный ун-т, авт. .изобрет. В. А. Малашкина. — Решение о выдаче патента по заявке N° 96ШН76 от 26.08.1S96 г.