автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка схем и методов расчета вентиляции шахт пильного камня в условиях выделения углекислого газа (на примере шахт Молдавской ССР)

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИИ . Э

1.1. Исходные положения

1.2. Анализ литературных источников . о.

1.3 о Постановка задач исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ОБСТАНОВКИ

В ШАХТАХ ПИЛШОГО КАМНЯ.'.

2.1. Исследование изменений состава шахтной атмосферы

2.2. Лабораторные исследования процесса поглощения кислорода и выделения углекислого газа

2.3. Влияние атмосферного давления на процесс газовыделения

2.4. Газошй баланс и неравномерность выделения углекислого газа.

2.5. Исследование закономерностей изменения удельного газовыделения.

Вывода.

3. ПРОГНОЗ УГЛЕКИСЛОТООБИЛЪНОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА. ВОЗДУХА ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ ПИЛЬНОГО КАМНЯ.

3.1. Прогноз углекислотообильности горных наработок

3.2. Влияние выработанного пространства на газовую обстановку.

3.3. Углекислотообилъность шахт пильного камня

3.4. Методика расчета расхода воздуха.

305. Методы улучшения газовой обстановки

Вывода.

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ ВЕНТИЛЯЩИ ШАХТ ПИЛЬНОГО КАМНЯ И УЛУЧШЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ о.

4.1. Совершенствование схем вентиляции.

4.2. Снижение углекислотообильности горных выработок при переходе на новую схему вентиляции

403. Рекомендации по дальнейшему совершенствованию схем вентиляции шахт пильного.камня

4.4. Выбор рационального сечения транспортных штреков

4.5. Секционная схема проветривания транспортных выработок.

Вывода.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ВЕНТИЛЯЩИ.

5.1. Определение оптимального расстояния между вентиляционными сбойками.

502. Оптимальное расстояние между панельными воздухоподающей и вентиляционной выработками

5.3. Определение оптимальной длины панельных воздухоподающих выработок

5.4. Определение оптимального числа воздухоподаицих выработок.

5.5. Оптимальная ширина вентиляционных (транспортных) выработок

Выводы

ХХУ1 съезд К Ш С в "Основных направлениях экономического и соодального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г." наметил увеличение объема выпуска продукции для промышленности строительных материалов на 17-19 процентов* Предусмотрено ускоренное развитие производства изделий,обеспечивающих снижение металлоемкости, стоимости строительства и повышение теплозащиты зданий* Всем этим требованиям отвечают здания, построенные из пильного известняка, являющегося традиционным строительным материалом во многих районах нашей страны, в том числе и в Молдавской ССР. Здания из пильного известняка отличаются архитектурной выразительностью и хорошими теплоизоляционными свойствами» В настоящее время из общего производства пильного камня в стране, составляющего около 12 млн*м^ в год, почти 20>б добывается подземным способом. В последние годы наблюдается тенденция к увеличению подземной добычи пильного камня, В Молдавской ССР подземным способом добывается свыше I шт^иг пильного камня в год.Дальнейшее развитие подземной добычи пильного камня связано с увеличением глубины отработки, повышением концентрации и интенсификации очистных работ, что усложняет процесс вентиляции шахт. Увеличение интенсивности выделения углекислого газа из массива известняка щ ш наличии газового фона, создаваемого работой двигателей внутреннего сгорания (ДВС) приводит, в экстремальных условиях, к загазированию горных выработок.Предупреждение загазирования затрудняется, в связи с недостаточной изученностью процесса газовыделения, отсутствием метсьдики расчета расхода воздуха по газовому фактору, несовершенством схем вентиляции.В связи с вышеуказанным, разработка эффективных схем и методов расчета вентиляши шахт пильного камня в условиях выделения углекислого газа является актуальной задачей и имеет большое социальное значение. Данная задача также актуальна и для объектов народного хозяйства, расположенных в горных выработках шахт пильного камня.Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной проблемой M3.05.0I "Разработать и внедрить комплексную механизированную технологию добычи пильного камня, включающую эффективные системы разработки и схемы вентиляции", утвераденной Министерством промышленности строительных материалов СССР, и является итогом научных исследований автора, выполненных в период с 1976 по 1983 гг.Цель работы - повышение безопасности и улучшение санитарно-гигиенических условий труда в шахтах пильного камня на основе изучения закономерностей газовыделений в горные выработки и использование их для разработки методов управления газовыделением, расчета необходимого расхода воздуха, а также создания новых, более совершенных схем вентиляции шахт.Идея работы заключается в учете специфики газовыделений в выработки шахт пильного камня при разработке схем и методов расчета вентиляции шахт.Научная задача - разработка методов совершенствования вентиляции, обеспечивающих высокую эффективность удаления вредностей из горных выработок и рациональное воздухораспределение.Основные научные положения и их новизна: впервые установлены закономерности изменения состава атмосферы шахт пильного камня в условиях выделения углекислого газа из массива и работы ДВС; математическое описание процесса газоотдачи массива известняка, отличающееся згчетом горно-геологических, горнотехнических и метеорологических условий шахт пильного камня, позволившее обосновать методы улучшения газовой обстановки; методики прогноза газовыделений и расчета расхода воздуха по газовому фактору, устанавливающие потребность в воздухе горных выработок и шахты в целом; новая схема вентиляции шахт пильного камня, отличающаяся от существующих уменьшением утечек воздуха в 8-10 раз за счет сокращения вентиляционных сооружений, улучшенными аэродинамическими характеристиками вентиляционной сети и рациональным воздухораспределением; методы управления газовыделением, отличающиеся от существующих применением двухрежимной вентиляции, периодическим проветриванием участков выработанного пространства, расположенных вблизи действующих выработок и посекционным проветриванием транспортных штреков, позволяющие обеспечить нормативный состав воздуха рабочей зоны в наиболее неблагоприятных условиях; методика оптимизации параметров вентиляции, отличающаяся от существующих учечсхА специфики шахт пильного камня, позволяющая установить оптимальные параметры технологии и вентиляции.Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием научных основ классической аэрогазодинамики, применением совреме1шых методов математического анализа; представительностью натурных и лабораторных наблюдений и экспериментов, обеспечивающих с вероятностью 0,95 отклонение результатов не более 10^; соответствием результатов численного эксперимента при теоретических исследованиях данным натурных наблюдений (расхождение результатов не более 2(3^); апробацией научных положений работы в шахтах пильного камня, Значение работы состоит в тс»!, что разработанные методики прогноза газовыделений, расчета расхода воздуха, способы управления газовыделением, схемы вентиляции шахт пильного камня в условиях выделений углекислого газа позволяют осуществить рациональное воздухораспределение, улучшить санитарногигиенические условия труда, повысить безопасность ведения горных работ, снизить затраты на вентиляцию.Реализация работы. Результаты диссертационной работы вошли в утвержденные МШМ МССР и согласованные с Госгортехнадзором МССР "Правила технической эксплуатации шахт пильного камня", "Методические указания по расчету вентиляции шахт пильного камня", "Методические указания по проектированию прогрессивной технологии добычи пильного камня", СНиП П-95 "Объекты, размещаемые в горных выработках" и внедрены в Кишиневской, Окницкой шахтах (МССР) и в Чечельникском комбинате строительных материалов (УССР). Экономический эффект от внедрения результатов и рекомендаций диссертационной работы составляет 94 тыс.руб. в год.Апробация работы* Основные положения и диссертационная работа в целом докладывались на Ш Всесоюзной межвузовской конференции "Проблемы охраны труда" (Кишинев, 1978), Республиканском совещании "Проблемы разработки и использования природного стенового камня" (Кишинев, 1984), научно-технических совеTax Министерства промышленности строительных материалов МССР (Кишинев, 1977, 1979), научно-технических советах института "МолдНИИстромпроект" (Кишинев, 1977, 1979, 1983), на заседаниях кафедры рудничной вентиляции и охраны труда Д Ш (Днепропетровск, I979-I983).Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 8 работ, получено авторское свидетельство.Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук Н.Ф.Кременчуцкому, зав.кафедрой рудничной вентиляции Д Ш профессору, доктору технических наук ВоА.Бойко за постоянное внимание и помощь, советы и поддержку. Автор искренне признателен сотрудникам института "МолдНИИстромпроект" кандидату технических наук Ф.П.Спивакову, В.Г.Дроботе, сотрудникам кафедры рудничной вентиляции Д Ш , работникагл Криковского объединения шахт, а также всем, кто способствовал выполнению работы. I. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖШИЯ, АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАЛАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ I.I, Исходные положения В Молдавской ССР ежегодно добывается свыше одного миллиона кубических метров пильного камня. Вся его добыча сосредоточена в центральной и северной частях республики и ведется подземным способом.Геологическая характеристика месторождений пильных известняков дана в трудах Института геологии АН МССР, Молдавского Управления геологии. Молдавского отделения НИИСМИ и освещена в следующих работах [18, 21, 26, 32, 61]. Геологическое строение Молдавии характеризуют два этажа: докембрийский складчатый фундамент, сложенный кристаллическими породами архея и протерозоя, и этаж осадочных пород. В осадочной толще выделяются следующие ярусы: неогеновый, палеогеново-верхнемеловый, нижнемеловый, юрский, триасовый, палеозойский.Разрабатываемые пильные разности известняков являются составной частью карбонатных пород неогенового возраста.Изучению физико-механических свойств известняков посвящены работы В.И.Уткина, Ф.П.Спивакова, А.В.Комышева и др., выполненные в УкрНИИСМИ, МолдНИИСМИ. ОИСИ [40, 98, 108].Известняки неогена широко распространены в северной и центральной части территории МССР, но разработка их ведется преимущественно в районах неглубокого залегания. Известняки залегают горизонтально в виде пластов мопщостью от 20 до 100 м, а мощность пачки пильных известняков варьирует от 4 до 20 м* Над пластом известняка залегают песчано-глинистне отложения и лессовидные суглинки* Глинистые породы, являясь хорошим водоупором, препятствуют проникновению в горные выработки поверхностных вод.Максимальное накопление карбонатных осадков на территораш республики происходило в нижнем и среднем сармате, а также в понте. В процессе осадконакопления склоновые водостоки покрывали карбонатные отложения глинистыми осадками, содержащими растительные остатки, что привело к образованию на некоторых месторождениях органических включений известняка [20, 30, 67].Институтом геологии АН МССР установлен следующий петрографический состав органических включений: фюзен - 9-11^, витрен - 71-73^, минеральных примесей (СаО, МдО) - 6-10^. Наличие органических включений в известняке характеризуется содержанием углерода, изменяющегося в пределах от II до 13^ (табл. I.I).Органические включения известняка, обнаруженные на Кишиневском, Криковском и Окницком месторождениях, характеризуются относительно глубоким залеганием и, как правило, находятся в верхней части пласта [20, 30, 39, 67]. Они активно взаимоII действуют с кислородом воздуха, что приводит к изменению состава атмосфера шахт пильного камня.Схемы вентиляции шахт пильного камня практически однотипные, характеризуются большим количеством вентиляционных перемычек с малой герметичностью. Поэтому утечки достигают 50-70^, что часто приводит к работе вентиляторов местного проветривания (ВШ1), установленных в конце воздухоподащей выработки, в режиме рециркуляции.Проветривание очистных выработок осуществляется с помощью Ш П , подающих свежий воздух с воздухоподающей выработки I по ставу вентиляционных труб диаметром 500 мм (рис. I.I). Вентиляционные трубы пересекают транспортные штреки 2, по которым движутся автомобили. Высота транспортных штреков меньше, чем суммарные размеры автомобиля и става вентиляционных труб.Поэтовду вентиляционные трубы вынужденно деформируют, что увеличивает их аэродинамическое сопротивление и приводит к существенному уменьшению подачи воздуха. Из-за недостаточной подачи свежего воздуха в очистные выработки во время резкого падения атмосферного давления, содержание кислорода в шахтной атмосфере уменьшается до 15-18^ [22]. Это создает аварийные ситуации и требует вывода рабочих из тупиковых очистных выработок на сквозную струю. Положение усугубляется тем, что очистные камеры неэффективно проветриваются по их длине.Растекание исходящей струи шахты по выработанному пространству приводит к тому, что по главным транспортным выработкам проходит от 20 до 40^ воздуха, поступающего в шахту.Недостаточная подача воздуха на главные транспортные выработки способствует загазированию их атмосферы при работе ДВС. Таким образом, для повышения эффективности работы вентиляции шахт пильного камня необходимо провести комплекс исследований по изучению основных закономерностей газовыделения и разработке инженерно-технических мероприятий для создания нормативных параметров шахтной атмосферы и снижения затрат на вентиляционные сооружения и электроэнергию.Для выбора основных направлений исследований нами произведен анализ литературшх материалов, изложенный в следующем параграфе о 1,2. Анализ литературных источников Анализ литературных источников проводился по следующим основным направлениям: источники и закономерности выделения углекислого газа в шахтную атмосферу; метода прогноза ожидаемого газовыделения и определения потребного расхода воздуха; способы борьбы с газовыделением в горные выработки; выбор эффективных схем вентиляции; оптимизация параметров схем вентиляции.Изучению источников и закономерностей газовыделения для его прогнозирования и расчета расхода воздуха посвящены работы А.А.Скочинского, А.Т.Айруни, Г.Д.Лидина, К.З.Ушакова, Годовые затраты на вентиляцию шахт пильного камня Шахш и участки Статьи затрат, руб.АД.Скочинский в своих работах [93, 94] по изучению закономерностей выделения углекислого газа отметил: не существует прямой пропорциональности между производительностью шахты и количеством выделяющегося в ней углекислого газа; главным резервуаром питания шахты углекислым газом являются старые выработанные пространства; барометрическое давление существенно влияет на газовыделение из старых выработок; газовыделение зависит только от колебаний барометрического давления; при падении барометрического давления увеличивается выделение углекислого газа, подъем давления уменьшает газовыделение; барометрическое давление влияет на выделение углекислого газа из толщ угля и боковых пород лишь в тех случаях, когда эти породы рихлые или трещиноватые.На существенное влияние выработанного пространства и колебаний атмосферного давления на выделение углекислого газа указывается в целом ряде работ и другими авторами [6, 19, 60, 89, 90]. ГоД.Лидин, А.А^Лясников, обобщая данные целого ряда исследований, пришли к выводу, что основным источником углекислотовыделения на многих угольных шахтах являются окислительные процессы [53, 54, 60]. Причем на больших глубинах они протекают при вскратии угольного пласта, а на небольших глубинах (зона углекислоазотных газов) окислительные процессы происходят за счет свободного газообмена между угольным пластом и атмосферой. При этом углекислый газ накапливается в результате окисления угля кислородом воздуха, а азот (как более инертный газ) сорбируется из воздуха без образования каких-либо соединений [54].Ученые некоторых исследовательских организаций (МакНШ, Тульский политехнический институт, и др.) считают основным источником газовыделения - выделение углекислого газа из разрабатываемого пласта в готовом виде [60].Противоречивость мнений об основном источнике выделения углекислого газа в шахтную атмосферу, по-видимому, объясняется значительным влиянием горно-геологических условий на процесс газовыделения.Следует отметить, что при разработке бурых углей, близких по химическому составу к органическим включениям известняков, основным источником образования углекислого газа являются окислительные процессы. Выделение углекислого газа может происходить не только за счет окисления пласта угля, но и в результате окисления органических веществ, рассеянных во вмещающих породах [III]. Работы ряда авторов показали, что углекислый газ может образовываться и за счет химического разрушения горных пород [95]. Вопросы окисления руд отражены в работах [15, 56]. Проведенные исследования показали, что количество поглощенного кислорода больше, чем выделенного углекислого газа, а общие закономерности выделения углекислого газа и поглощения кислорода воздуха одинаковы, и что без подтока свежих порций воздуха кислород может быть полностью выведен из состава газообразной фазы. Потеря кислорода может происходить не только за счет окисления руд, но и вмещающих пород. По данным Н.Г.Ильчук, скорость поглощения кислорода ангидритш - 0,18 мл/м^«ч, а мергелем - 0,82 мл/м^»ч [33].Большая заслуга в изучении процессов низкотемпературного окисления принадлежит В.С.Веселовскому и его школе, В соответствии с их исследованиями [79, 107] установлены следупцие основные закономерности окисления углей: скорость сорбции кислорода управляется не химической реакцией, а притоком кислорода; скорость сорбции кислорода пропорциональна его концентрации в газовой среде; со временем при постоянной концентрации кислорода и постоянной температуре, скорость сорбции кислорода уменьшается по степенной зависимости; в процессе реакции низкотемпературного окисления количество сорбированного кислорода больше количества выделившегося углекислого газа.По химической активности угля можно выделить три группы: высокоактивные (бурые угли), умеренноактивные (каменные угли) и малоактивные (большинство антрацитов).Поскольку органические включения известняка близки по своему составу к бурым углям, то вышеперечисленные закономерности использованы нами в данной работе.Источником выделения углекислого газа является и оборудование с две, в выхлопных газах которого присутствует двуокись углерода. Be концентрация составляет 10-12^ [39]. В шахтах пильного камня широко применяются ДВС и данный источник газовыделения оказывает влияние на состав шахтной атмосферы.Источником выделения углекислого газа являются также и шахтные воды [72, 83, 88, 100]. В карбонатных толщах неогена известно несколько водоносных горизонтов - тортонский,нижнесарматский, среднесарматский• Химический состав и минерализация подземных вод варьируют на территории республики, но в целом воды являются нейтральными и слабоминерализованными, Значение рН находится в пределах 7-8, минерализация не превышает 1000 мг/л« Содержание свободного углекислого газа в подземных водах изменяется от 2,3 до 18,0 мг/л [21, 39]. Водоносный горизонт залегает ниже подошвы выработок на 5-50 м и поэтому водоприток в выработки отсутствует, в связи с чем данный источник газовыделения нами не принят во внимание. Выделение углекислого газа также происходит при разложении крепежного леса и проведении взрывных работ [8]. В связи с тем, что в шахтах пильного камня Молдавской ССР не производятся взрывные работы и практически не применяется деревянная крепь, данный источник выделения углекислого газа не влияет на общий баланс газовыделения, поэтому нет необходимости его рассматривать подробнее.Таким образом, основными источниками выделения углекислого газа в выработки шахт пильного камня могут быть окислительные процессы и оборудование с ДВС. Следует отметить, что процесс газовыделения при добыче пильных известняков до настоящего времени не исследовался, В связи с увеличением глубины отработки увеличилась интенсивность выделения углекислого газа и, как следствие, ухудшается состав шахтной атмосферы. Поэтому возникла необходимость разработки методов прогноза газовыделениЁ и определения расхода воздуха по газовому фактору.В настоящее время для основных угольных и рудных бассейнов страны разработаны методы; прогноза углекислотообильности с учетом неравномерности газовыделения, схем проветривания, горно-геологических и горнотехнических условий; борьбы с газовыделением [4, 19, 52, 53, 56] • Из этих работ видно,что разработка и внедрение улучшенных схем вентиляции является основным методом борьбы с газовыделением. Дополнительными уменьшение химической активности разрабатываемого пласта,изоляция источников газовыделения, автоматическое поддержание постоянного давления в шахте и дегазация углекислотоносных пластов.Для уменьшения химической активности пласта практикуется покрытие его поверхности пленками (латекс, жидкое стекло с добавками и т.д.), предотвращавдими контакт угля с кислородом воздуха [70]. Этот способ не всегда обеспечивает герметичность покрытия и характеризуется высокой стоимостью (до 2,2 руб/м^). Для уменьшения углекислотообильности шахт широко применяется изоляция выработанного пространства с помощью целиков угля и перемычек. Однако установлено, что при незначительном падении барометрического давления неразрушенные целики угля шириной до 70 м проницаемы для газа [48].Нашел частичное применение и способ выравнивания давления в вентиляционной системе с целью компенсашш изменения барометрического давления [112]. Однако стабилизировать давление в выработках довольно сложно, так как при резком падении атмосферного давления необходимо, чтобы вентилятор обеспечивал дополнительное давление в пределах 4000-6000 Па, тогда как практически можно компенсировать только 15-20^ этой величины [48]. Возможно также применение дегазации углекислотоносных пластов [60], хотя эффективность этого процесса щ и менительно к пластам, склонным к окислению, изучена недостаточно.Таким образом, все дополнительные методы борьбы с выделением углекислого газа имеют ограниченные возможности и могут применяться только в комплексе с вентиляцией горных выработок при соответствующем обосновании, а при незначительных объемах газовыделения нет необходимости в применении дополнительных методов борьбы с газовыделением.Поэтому основными мероприятиями по борьбе с выделением углекислого газа в шахтах пильного камня, которые характе^шзуются невысокой интенсивностью газовыделения являются: определение необходимого количества воздуха и совершенствование схем вентиляции с целью рационального воздухораспределения» Совершенствование схем вентиляции шахт пильного камня занимались Киевский и Кишиневский политехнические институты, Молдавское отделение ГосНИИСШ и ряд других научно-исследовательских организаций, основные результаты исследований которых изложены в работах [27, 38, 99, 113, 114].Кишиневский политехнический институт предложил схему проветривания, при которой отсутствует деформация вентиляционных труб (рис. 1.2)• Для этого параллельно главным воздухоподающим выработкам I на расстоянии 60 м друг от друга проходят опережающие транспортные штреки 2, перпендикулярно которм располагаются очистные камеры 3. С каждого опережающего транспортного штрека одновременно отрабатываются две камеры.Подача свежего воздуха и въезд технологического транспорта осуществляются с разных сторон штрека 2.Основным недостатком данной схемы проветривания является необходимость в вынужденной деформации вентиляционных труб на пересечении с транспортным штреком 4, что приводит к существенному уменьшению подачи воздуха в очистные выработки при отработке первого слоя.Для увеличения подачи воздуха в очистные выработки сотрудники Криковского производственного объединения шахт предложили подачу воздуха осуществлять по опережающим горизонтальным скважинам [64]. Для этого между участковыми транспортным штреком I и воздухоподающим 2 пробуриваются скважины 3, через которые проветриваются очистные выработки 4 (рис. I.4i.К достоинствам данной схемы проветривания можно отнести небольшое аэродинамическое сопротивление горизонтальных скважин по сравнению с деформированными над транспортными выработками вентиляпионными трубопроводами, что позволяет подавать в выработку необходимое количество воздуха.Однако, данная схема характеризуется значительными зат1)атами на бурение воздухоподающих скважин, сложностью расИ t Рис. 1.4. Проветривание очистных выработок через горизонтальные вентиляционные скважины Рис. 1.5. Проветривание очистных выработок за счет общешахтной депрессии пределения воздуха и может применяться только при небольшой ширине панели (60-70 м), и имеет ограниченную область применения.Снижает затраты на вентиляцию применение схемы проветривания тупиковых выработок без местных побудителей тяги [37J.По этой схеме свежая струя воздуха, поступающая с участковой воздухоподающей выработки I, последовательно проветривает за счет общешахтной депрессии забои камнерезных машин (рис,1«5). По мере удаления горных работ, подача воздуха осуществляется постоянным переносом перемычек 2, что позволяет проветривать тупики длиной до 10 м за счет диффузии. Недостатком данной схемы проветривания является крайне ограниченная область применения, так как в настоящее время размеры опорных целиков обычно превышают 10 м.Таким образом, анализ всех разработанных схем вентиляции показывает, что все они в той или иной мере не удовлетворяют специфике шахт пильного камня.Рекомендации по расчету необходимого количества воздуха для условий шахт пильного камня содержатся в работах [27, 38, И З , 114]. Наиболее подробно методика расчета расхода воздуха изложена в работе [27], где рекомендован расчет по источникам его потребления. В расчетах учитывалось разжижение выхлопных газов ДВС, количество людей, обеспечение минимальной скорости движения струи воздуха. Расход воздуха по фактору газовыделения из массива не рассчитывался, что приводило к загазированию выработок во время резких падений атмосферного давления. Это потребовало разработки методики расчета расхода воздуха по фактору углекислотовыделения для условий шахт пильного камня.В настоящее время расчет расхода воздуха по фактору газовыделения из массива ведется статическим и динамическим методами о К достоинствам статического метода можно отнести простоту вычислений. Однако данный метод не учитывает аэродинамических свойств воздушных потоков и не позволяет с большой точностью рассчитывать количество воздуха. Этот недостаток устраняется при применении динамического метода расчета, который характеризуется сложностью вычислений и предполагает П1нменение Э Ш [43, I05J • Поэтому дяя шахт с небольшим газовыделением рекомендуется статический метод расчета расхода воздуха [10, 106]. К таким шахтам относятся и шахты пильного камня.Одним из путей повышения эффективности вентиляции шахт является оптимизация ее параметров. Вопросами оптимизации вентиляционных сетей занимались Л»Д.Шевяков, Ф.А.Абрамов, В.А .Бойко, Н#Ф.Кременчуцкий, К.И.Татомир, и др. В работах [2, 9, 102, 103, Н О ] выведены формулы для определения оптимальных сечений и депрессий выработок дяя различных видов вентиляционных сетей в зависимости от расхода воздуха, аэродинамического сопротивления и формы поперечного сечения выработок, общей депрессии цепи и затрат на проведение и поддержание горных выработок. Однако в шахтах пильного камня затраты на проходку и поддержание горных выработок обычно отсутствуют. Поэтому требуется уточнение критериев и расчетных формул, определяющих оптимальные параметр! вентиляции шахт пильного камня.Таким образом, исследование вопросов, связанных с определением ожидаемого газовыделения в горные выработки, разработкой метода расчета расхода воздуха, совершенствованием и оптимизацией схем вентиляции является актуальной задачей ддя шахт пильного камня.1,3. Постановка задач исследований Анализ практики работы шахт пильного камня показал, что решение проблемы повышения эффективности вентиляции шахт заключается в разработке методик прогноза газовыделений, расчета расхода воздуха, отражающих специфику шахт пильного камня и обосновании способов борьбы с загазированием горных выработок при минимальных затратах на вентиляцию.Фундаментальные научные труды советских ученых А,А.Скочинского, В.Б.Комарова, Ф. А .Абрамова, А.ТЛйруни, В Д.Бойко, В.С.ВеселоБСКОго, Б.Е.Грецингера, Ф.С.Клебанова, Н.Ф,Крвменчуцкого, Г.Д.Лидина, Н.Г .Матвиенко, Я.Д.Паршина и других явились базой для решения вопросов повышения эффективности вентиляции шахт пильного камня, характеризующихся небольшой глубиной отработки (50-100 м), значительной пористостью и газопроницаемостью массива известняка, сложной газовой обстановкой во время резких падений барометрического давления.Для условий шахт пильного камня причины и закономерности газовыделений не изучались. Отсутствие методики расчета расхода воздуха по газовому фактору и неэффективная работа вентиляции шахт приводило в экстремальных условиях к загазированию горных выработок.Учитывая вышеизложенное, в диссертационной работе поставлены следующие задачи: исследовать причины и закономерности изменения состава шахтной атмосферы; установить зависимость интенсивности газовыделений от горно-геологических, горнотехнических и метеорологических условий; разработать методику прогноза газовыделения и расчета необходимого расхода воздуха; обосновать технические и организационные мероприятия по улучшению газовой обстановки в шахтах; разработать эффективную схему вентиляции, обеспечивающую рациональное воздухораспределение, снижение утечек воздуха и затрат на проветривание шахт пильного камня.2 . ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ОБСТАНОВКИ В ШАХТАХ ПИДШОГО КАМНЯ 2«1, Исследование изменений состава шахтной атмосферы Изменение состава воздуха и неблагоприятные условия труда горнорабочих в шахтах пильного камня связаны с выделением (при падении барометрического давления) из массива в горные выработки углекислого газа, азота, что сопровождается уменьшением концентрации кислорода в шахтной атмосфере. Для определения динамики изменения состава шахтной атмосферы нами проведены наблюдения в 6-ти шахтах, где было отобрано и изучено свыше 700 проб шахтного воздуха и 410 проб газа, взятых из скважин и шпуров (11.1 - П.8).Пробы шахтного воздуха отбирались на свежей и исходящей струях, в очистных камерах и выработанном пространстве. Анализ состава шахтной атмосферы производился шахтными интерферометрами ШИ-6, ШИ-Ю и в лабораторных условиях. Пробы воздуха отбирались при работающей вентиляции шахт и при ее аварийных остановках.Для изучения состава выделяющегося из массива газа, были пробурены и оборудованы для наблюдений шпуры и скважины в кровле, подошве и стенах выработок. В шпуры глубиной от I до 8 м вставлялись латунные трубки диаметром 5 мм, внутренний конец которых перфорировался мелкими отверстиями на расстоянии 30 см, а на внешний конец одевались резиновые шланги для отбора проб воздуха. Шпуры тампонировались глиной на всю длину, исключая перфорированный участок трубки у забоя шпура. Перед отбором производилось просасывание газа по трубке. Одновременно с отбором проб фиксировалось атмосферное давление.В результате проведенных наблюдений было установлено,что в трех шахтах (Кишиневской, Криковской, Окницкой) наблюдалось газовыделение из массива в горные выработки. Химические анализы проб, взятых в этих шахтах из скважин и шпуров показывают, что содержание углекислого газа в них колеблется от О до 1%, кислорода от 20,9 до 0%, азота от 78 до 93%. При падении атмосферного давления концентрация углекислого газа в выработках обычно равна 0,2-0,3^, и содержание кислорода уменьшается до 19-19,5^, Однако при недостаточной подаче воздуха в выработки во время резкого падения атмосферного давления,превышающего 10 мПа/с, концентрация кислорода снижается до опасных значений для жизни людей (П.Х).Из IIQI видно, что наиболее низкие значения концентрации кислорода наблюдаются в призабойной зоне очистных выработок.Причем падение концентрации кислорода лроисходат быстрее, чем повышение концентрации углекислого газа. Для установления связи между концентрацией углекислого газа и содержанием кислорода нами были проанализированы пробы шахтного воздуха, взятые в Кишиневской, Криковской и Окницкой шахтах (П.2). Обработка результатов измерений методом наименьших квадратов позволила установить, что эта связь с достаточной точностью описывается уравнением С^^ = а-Ь Су^ , (2.1) где д^-г- содержание кислорода в шахтной атмосфере при газовыделении из массива, %; Си,- - концентрация углекислого газа, %; а - эмпирический коэффициент, численно равный концентрации кислорода в свежей струе воздуха, поступающей в выработку, %; b - коэффициент, характеризующий отношение убыли кислорода в шахтной атмосфере к росту кондентраоди углекислого газа. Данная зависимость для Кишиневской шахты представлена на рис.2.1*, для других шахт диапазон применения выражения (2.1) и значения коэффищентов а и 6 приведены в табл.2.1.Таблица 2.I Параметр!, характеризующие изменение состава шахтной атмосферы Шахты Число замеров нвоб-;фак-ходи-|тичесмое J кое {Пределы из• менения кон[центрации, ^ Or С(^ а^ }Коэффици-{енты кор-{реляции, } определен|НЫв с ДОСIтоверностью 0,95 Кишиневская 102 236 20,90,03- 20,9 з;о 3.7 -0,971+ 0,07 Криковская (Пашканский участок) 79 104 20,916,0 0,03- 20,9 1,6 3.2 -0,917+ 0,03" Окницкая 74 (2.1; 81 20,^ 16,0 0,03- 20,9 1.4 3,1 -0,907+ 0,04 "• ^см.уравнение Из данных таблицы видно, что установленная зависимость между содержанием кислорода и концентрацией углекислого газа в шахтной атмосфере имеет сильную корреляционную связь, что позволяет использовать ее при расчете необходимого расхода воздуха.Наблюдения за газами в шпурах и скважинах показали, что состав их непостоянный и зависит от изменений атмосферного Зависимость между содержанием кислорода и концентрацией углекислого газа в шахтной атмосфере представлена на рис.2.1 сплошной линией, результаты наблюдений автора предоставлены точками. о ^5 i <5 2. 2,5 Cy_r;/o Рис, 2,I. Зависимость между содержанием кислорода и углекислого газа в шахтной атмосфере Рис. 2,2. Соотношение между конпентрациями кислорода и углекислого газа в массиве известняка давления. При увеличении атмосферного давления состав газов в шпурах и скважинах близок к составу воздуха в горных выработках» При падении атмосферного давления из шпуров выделяется смесь газов, состоящая из углекислого газа, азота, кислорода. С течением времени после начала газовыделения концентрация углекислого газа увеличивается, а содержание кислорода снижается до нуля.Обработка результатов измерений состава газа в шпурах (П.З) показала, что содержание кислорода в массиве в зависимости от концентрации углекислого газа также описывается уравнением (2.1). Данная зависимость для Кишиневской шахты приведена на рис.2.2* Для других шахт диапазон применения уравнения (2.1) для определения ооотношения между содержанием кислорода и углекислого газа в массиве и значения коэффициентов, характеризующих эту 3£1Висимость, приведены в табл. 2.2.При сравнении данных, приведенных в табл. 2,1 и табл.2.2 видно, что параметры а',а и 6, 6 характеризующие связь между содержанием кислорода и углекислого газа в шахтной атмосфере и в массиве, близки по своим значениям. Следовательно, состав шахтной атмосферы при неработающем оборудовании с ДВС изменяется только за счет газовыделения из массива.В результате проведенных нами исследований установлено, что существенное влияние на содержание углекислого газа в шахтной атмосфере оказывает работа оборудования с ДВС [39].Концентрация углекислого газа в выхлопных газах ДВС, эксплу* Зависимость меаду содержанием кислорода и углекислого газа в пробах, взятых из шпуров и скважин представлена на рис.2.2 сплошной линией, результаты наблюдений автора представлены точками.В результате натурных наблюдений нами установлено, что наибольшее загазирование атмосферы шахт пильного камня происходит при одновременном газовыделении из массива и работе ДВС. Нами выведена зависимость меаду содержанием кислорода и концентрацией углекислого газа в шахтной атмосфере при совместном действии этих источников газовыделения.Из данных таблицы видно, что объемы поглощения кислорода в 3,2-4,5 раза превышают количество выделившегося углекислого газа. Этим подтверждается известное положение о тш, что низкотемпературное окисление coпpoвoJ!U^aeтcя сорбцией кислорода и только часть поглощенного кислорода идет на образование продуктов окисления, а другая его часть сорбируется органическими включениями [60, 107j.Зависимость коэффициентов bj, Ь2 , ^^,с/2 ^ температуры и влажности не исследовалась, так как во всех шахтах пильного камня эти параметры одинаковы и не изменяются в течение года [50].Из данных таблицы видно, что численные значения коэффициента 6 рассчитанные по формуле (2.14) практически не отличаются от данных, полученных в результате натурных наблюдений, что позволяет применить выражение (2.14) для прогноза состава атмосферы выработок в зависимости от их длины и времени обнажения.Таблица 2,4 Зависимость коэффициента Ь от длины выработок Шахты ! 1 Средние значеДяина • ния Ь выра- , ^2™*122п!;:.!формула Разность, % Кишиневская 3,2 10 3.7 3,5 5,4 50 3.7 3,6 2,7 100 3.7 3.7 0,0 150 3.7 3.7 0,0 200 3,7 3.7 0,0 Криковская (Пашканский участок) 2,8 10 3,2 3,2 3,1 3,2 3,1 0,0 100 3,2 3,2 0.0 150 3,2 3,2 0,0 200 3,2 3,2 0,0 Окницкая 2,7 10 3.1 3,0 3,2 50 3,1 3,0 3,2 100 3,1 3,1 0,0 150 3,1 3,1 0,0 200 3,1 3,1 0,0 2.3* Влияние атмосферного давления на процесс газовыделения Джя определения влияния колебаний атмосферного давления на газовую обстановку нами бшш проведены натурные наблюдения в шести шахтах пильного камня. Замеры дебита углекислого газа производились в характерных точках шахт с одновременной фиксацией изменений атмосферного давления и количества работающего оборудования с ДВС. Результаты наблюдений показали, что в трех шахтах (Кишиневской, Криковской, Окницкой), где в пластах известняка встречались органические включения, при падении атмосферного давления дебит углекислого газа увеличивался. В трех остальных шахтах (Мало-Милештской, Григориопольской, Калининской) дебит углекислого газа не зависил от изменений атмосферного давления и был связан только с работой оборудования с ДВС. Обработка результатов измерений (П.4) показала, что для Кишиневской, Криковской и Окницкой шахт, зависимость мелЕду скоростью изменения атмосферного давления и дебитом углекислого газа можно представить в виде ду^кд'^^ (2.15) где Dn - дебит углекислого газа в исходящей струе шахты,MVC; /с - коэффициент, численно равный количеству углекислого газа поступившего в шахту и выделившегося в шахтную атмосферу за счет работы оборудования с ДВС, M V C ; Д - коэффициент, характеризующий связь между интенсивностью выделения углекислого газа из массива и скоростью падения атмосферного давления; vr^ - скорость изменения атмосферного давления, мПа/с Диапазон применения уравнения (2.15) и значения эмпирических коэффициентов К и А для шахт пильного камня приведены в табл.2 «б.Из данных таблицы видно, что между углекислотообильностью шахт и скоростью изменения атмосферного давления существует сильная корреляционная связь.Показательная функция (2.15), описывакхцая данную корреТаблица 2.5 Показатели, характеризующие связь между изменением атмосферного давления и углекислотообильностью шахты Шахты Количество замеров необходимое фактическое г Диапазон j измерений , м^/с i мПа/с К А {Корреля{Ционное \отношение, J определен-|нов с ве{роятнос-|Тью 0,95 Кишиневская 132 163 Окницкая 98 100 Кщковская (Пашканский 118 участок) 0,010,09 0.010,18 0,010,12 -25-10 0,018 0,94 0,846 -25-10 0,047 0,94 0,797 -25-10 0,030 0,95 0,783 ляционную зависимость, установленную для условий Кишиневской шахты, представлена на рис, 2«б» Из рисунка видно, что во всем диапазоне изменений скоростей падения атмосферного давления (значения t/g отрицательны) дебит углекислого газа в исходящей струе шахты увеличивается. При возрастании атмосферного давления и его стабилизации (значения г^ подожительны и равны нулю) дебит углекислого газа незначителен и практически остается на одном уровне. Это объясняется тем, что при увеличении атмосферного давления прекращается газовыделение из массива известняка, а наличие углекислого газа в шахтной атмосфере связано только с работой ДВС. Усредненные результаты наблюдений за режимом газовыделения по ряда' скважин Кишиневской шахты, выполненные в период за 1975-1978 гг., приведены в табл. 2*7« Из данных таблицы видно, что абсолютная величина атмосферного давления не оказывает влияния на интенсивность газовыделения. При одинаковом атмосферном давлении наблюдалось газовыделение из скваяин и поступление воздуха из выработки в скваюшу» в зависимости от того» падает давление или возрастает. В последнем случае перед величиной интенсивности газовыделения из скважины стоит знак минус. В результате натурных наблюдений установлено, что газовыделение из сквашш наблюдается при падении атмосферного давления ( г^< 0), при увеличении атмосферного давления ( 2^> 0) воздух из выработки заходит в массив известняка, а при г^ = О наблвдается режим равновесия.Таким образом, процесс образования и выделения углекислого газа можно представить следующим образом. При повышении атмосферного давления воздух из горных выработок проникает в пористый массив известняка. При стабилизации атмосферного давления наступает режим равновесия между выработками и массивом. Л&внай режим характеризуется отсутствием перемещения газовоздушной смеси в массиве известняка. Воздух, проникший в массив, контактирует с органическими включениями. В результате реакции низкотемпературного окисления воздух теряет кислород и обогащается углекислым газом. При падении атмосферного давления в горных выработках по отношению к массиву наблюдается разряжение и газовоздушная смесь фильтруется в шахтную атмосферу, что приводит к изменению ее состава.Данные таблицы свидетельствуют о том, что газовыделенже из массива преимущественно происходит в зоне ведения очистных работ.Необходимое число замеров для определения среднего дебита углекислого газа рассчитывалось на основе известных положений математической статистики и определялось по методу малой выборки по формуле [57, 65]: П = ^в t\ (2.21) где Kg - коэффициент вариации; р - величина допустимой ошибки, %; t - нормированное отклонение, при 95^ной вероятности и величине допустимой ошибки р • Обработка результатов измерений позволила определить коэффициенты неравномерности газовыделения шахт пильного камня, где наблюдается газовыделение из массива (табл. 2.10).Дебит углекислого газа нами опхюделен по форлулв где qg - объем выхлопных газов при работе одного автомобиля, MVc; Суд - концентрация углекислого газа в продуктах выхлопа, %; А'/у - количество оборудования с ДВС, находщвгося в шахте; KQ - коэффициент одновременности работы ДВС. Отсюда Рассчитанные по формулам (2.24) и (2.26) значения коэффициентов неравномерности газовыделения приведены в табл. 2.II.Из таблицы видно, что расчетные значения коэффициентов неравномерности газовыделения незначительно отличаются от фактических, определенных на основе данных газовых съемок, что позволяет в дальнейшем использовать выражения (2.24) и (2.26) при определении потребного расхода воздуха.2.8), были установлены замерные щиты. Они устанавливались по дошне выработок группами через 30-40 м. В кадцую группу входило 3-4 щита, прикрепленных к кровле, стенкам и почве выработок. Это позволило определить изменение интенсивности выделения углекислого газа по длине и периметру выработок. Щиты представляли собой металлические или пластмассовые емкости I, которые устанавливались в вырубленные канавки и герметизировались цементным раствором 2 (рис. 2.9). Перед началом замеров щиты продувались воздухом через патрубки 3, 4, 5. Одновременно с продувкой и с последующей его изоляцией, рядом со щитом отбиралась проба воздуха, по данным анализа которой устанавливался состав воздуха под щитом в первоначальный момент. Через 15-20 мин из под щита при помощи двухпатрубкового ручного насоса 7 брались пробы газа в бюретку 6.В ы в о д ы Проведены натурные наблюдения и лабораторные исследования, позволившие установить основные закономерности газовыделений в горные выработки шахт пильного камня. Для изучения состава шахтной атмосферы, в том числе и в экстремальных условиях, было отобрано и проанализировано 700 проб воздуха и 410 проб газовоздушных смесей, взятых в скважинах и шпурах* Доказано, что изменение состава атмосферы горных выработок происходит, в основном, за счет газовыделения из массива известняка и работы ЛВС* Определены газовые балансы шахт пильного камня* Установлено, что при резких падениях атмосферного давления, содерасание кислорода уменьшается до 10^ в п^изабойной зоне действущих выработок и до 0-1,5^ в массиве известняка, а концентрация углекислого газа, увеличивается соответственно до 3 и 7Jg.Проведено исследование зависимости абсолютной газообильности шахт от скорости изменения барометрического давления* Установлено, что наибольшая углекислотообильность шахт равна 0,09-0,18 м / с и соответствует максимальной скорости падения атмосферного давления -20 — 2 5 мПа/с. При увеличении атмосферного давления или его стабилизации, дебит углекислого гааа равен 0,018-0,047 м^/с и связан с работой ДВС. На базе натурных наблюдений и лаборатохннх экспериментов установлены зависимости: мелщу содержанием кислорода и углекислого газа в массиве, а также в атмосфере горных выработок (вследствие окислительных процессов и работы ДВС); между временем протекания окислительных процессов и интенсивностью поглощения кислорода и выделения углекислого газа* Получено совпадение данных натур|нх наблюдений с результатами лабораторных экспериментов (отклонение не превышает 10^}• Предложены формулы для определения предельного содержания углекислого газа в шахтнсй атмосфере, исходя из допустимого содержания кислорода (20^), учтены газообменные процессы в массиве и работа ДВС. Установлена зависимость критической скорости падения ба^ рометрического давления (при которой происходит нарушение нормируемого состава шахтной атмосферы) от расхода воздуха и интенсивности газовыделения из массива и от работы ДВС, Сопоставлены максимально возможные критические скорости падения атмосферного давления с реальными дебитами воздуха в шахтах.Определены газовые балансы шахт. Предложены формулы для определения коэффициентов неравномерности газовыделения о учетом газообменных процессов в массиве, количества работающего оборудования с ДВС и скорости падения атмосферного давления.Отклонение результатов расчета от данных натур1ых наблюдений не превышает 5^.Полученные на базе натурных наблюдений и лабораторных исследований зависимости и предложенные нами форлулы в дальнейшем используются при прогнозировании ожидаемого газовыделения в горные выработки.Таблица 3.2 Зависимость начальной концентрации углекислого газа в выделениях из массива от характера залегания органических включений {Отношение мощ-i Содержание }ности органи- ; углерода в {ческих включе-' ^- " }ний к расстоя{нию до выра|бОТКИ,/77^/2 I Месторождения Начальная концентрация 002»' % органических включениях, Кишиневское 6.7 5,0 II 6,4 3,8 12 6,0 4.2 II 5,5 3,2 12 Пашканское 4.8 1,8 14 4,5 1.7 12 4,2 1.7 12 4.1 1,6 II Окницкое 4,3 1,2 13 4.1 1,1 14 3,9 1.3 13 3,8 0,9 14 Обработка результатов измерений (П.6) методом множественной корреляции согласно [65, 82] показала, что начальная концентрация углекислого газа описывается выражением ГПо м где C'J - начальная концентрация углекислого газа в газовыделениях, %\ ^Q " мощность пачки известняка, обогащенного органикой, м; £ - расстояние от органических включений до выработки, м; V\/ - ссдержание углерода в массиве с органическими включениями, %• Коэффициент множественной корреляции выражения (3.7), определенный с вероятностью 0,95 равен 0,921, а коэффициент детерминации равен 0,97 (0,93 + 0,04), что позволяет использовать данное выражение для прогнозирования начальной концентрации углекислого газа в газовоздушной смеси, выделяющейся в горные выработки.Для определения закономерностей изменения AP^/AZ нами были проведены натурные наблюдения* С этой целью в стенах, кровле и почве выработок бурились шпурл длиной I - 8 м, куда вставлялись латунные трубки, на концах которых имелись перфорированные отверстия. Затем шпуры заполнялись глиной до пехь форированной части трубки. На выходящий в выработку конец трубки надевался резиновый шланг, который подсоединялся к микроманометру* Одновременно с за^гЮрамн фиксировалась скорость изменения атмосферного давления.Использовав выражение (2*28), можно подсчитать сколько газа выделяется в выработку с кровли ^к ' Чо. j е-""'C/L,, (3.14) о где I - пролет выработки, м; ^^^ - начальная интенсивность газовцделения с кровли выработки, vfi/ir»C; L - дшша выработки, м.Совпадение расчетных величин и между собой, и с данными натурных наблюдений позволяет пр1менить выражения (З.П) и (3.I7) для прогнозирования ожидаемого газовыделения в действующие годные выработки. В выражение (3,11) входят величины, определяемые на стадии геолого-разведочных работ, что позволяет его использовать и при проектировании вентиляции шахт пильного камня.3.2. Влияние выработанного пространсова на газовую обстановку Для изучения влияния выработанного пространства на газовую обстановку нами были проведены натурные наблюдения на Кишиневской, Криковской и Окницкой шахтах. Установлено, что состав атмосфер! неизолированного выработанного пространства незначительно отличается от состава исходящей из забоев струи воздуха. Это объясняется двумя щнчинами: интенсивность газовыделения значительно уменьшается во времени; между выработанным пространством и действующими выработками существует аэродинамическая связь и исходящая из забоев струя воздуха постоянно проветривает выработанное пространство, что препятствует накоплению в нем углекислого газа.Выделение углекислого газа из массива в очистные выработки происходит на расстоянии до 200 м от их забоев (см, табл.При изоляции выработанного пространства, в связи с переходом на разработанную нами схему вентиляции (глава 4), аэродинамическая связь между очистными выработками и выработанным пространством уменьшается за счет его изоляции вентиляционными перемычками. Это приводит к постоянному накоплению в выработанном пространстве углекислого газа и изменению характера его выделения в пригегающие выработки. Натурные наблюдения показали, что при падении атмосферного давления газовоздушная смесь из выработанного пространства поступает в действуицие горные выработки, где состав атмосферы зависит от дебита газовоздушной смеси и ее состава.Для обеспечения нормативных параметров атмосферы действующих выработок, определим допустимую концентрацию кислорода и углекислого газа в выработанном пространстве в зависимости от его размеров и времени образования, степени изоляции и расхода воздуха по действующим выработкам, расположенным вблизи выработанного пространства.Для прогнозирования ожидаемого состава атмосферы вы1)аботок, расположенных вблизи выработанного пространства, определим дебит газовоздушной смеси из выработанного пространства.Пустотность выработанного пространства шахт пильного камня нами определена по формуле где СУц - ширина цели1{а, м; 6ц - длина целика, и; t - ширина камер, м; 5ц - площадь целика, м^.Зависимость пустотноети выработанного пространства шахт пильного камня от площади опорных целиков и ширины очистных камер показана на рис, 3.7.Б результате наблюдений нами установлено, что углекислотообильность выемочных участков слагается из: газовыделения из массива в очистные и подготовительные выработки участка; дебита углекислого газа из выработанного пространства; углекислого газа, образовавшегося при работе ДВС. Ожидаемое газовыделение в пределах выемочного участка с изолированным перемычками выработанным пространством равно j;,-/r„[f J,, t j/,,. i ^ /V, {H,-Kor)\ , (3.38) где J^ - ожидаемая углекислотообильность выемочного участка с изолированным выработанным пространством, м/с; ^^йп " средний дебит углекислого газа из изолированного выработанного пространства, м^/с.3.4. Методика расчета расхода воздуха Расчет потребного расхода воздуха для проветривания выработок шахт пильного камня нами производился по всем необходимым факторам, а именно: по количеству людей, пыли, минимальной скорости движения струи воздуха, разжижению токсических примесей выхлопных газов ДВС, выделению газовоздушной смеси из массива известняка и поступлению углекислого газа в шахтную атмосферу за счет работы ДВС. Расчет по первым четырем факторам производился по общепринятой методике [28, 34, 86], В связи с тем, что выработки шахт пильного камня характеризуются небольшой интенсивностью газовыделения из массива, то дяя определения расхода воздузса по газовому фактору нами

Основные выводы и практические рекомендации сводятся к следующему:

I. Установлено, что на глубинах свыше 50 - 60 м, в экстремальных условиях, в призабойных зонах выработок шахт пильного камня содержание кислорода снижается до 10%, а концентрация углекислого газа повышается до 3 - 3,5$, что создает опасность для жизни рабочих.

2о Доказано, что изменение состава шахтной атмосферы связано с процессом низкотемпературного окисления органических включений известняка кислородом воздуха, фильтрация которого в пористом массиве известняка происходит за счет колебаний атмосферного давления»

3. Исследована зависимость абсолютной углекислотообиль-ности шахт от изменений атмосферного давления. При падении атмосферного давления дебит углекислого газа достигает 0,090,18 м^/с. При постоянном атмосферном давлении или его увеличении дебит углекислого газа обусловлен работой ДВС и составляет 0,02 - 0,05 м3/с.

4, Определены газовые балансы шахт и коэффициенты неравномерности газовыделений. Установлено, что наиболее интенсивно газовыделение происходит в очистных выработках (53 - 70$ общего дебита углекислого газа) и в транспортных выработках (36-26$). Получены эмпирические и аналитические зависимости для определения коэффициентов неравномерности газовыделений с учетом газообменных процессов в массиве, количества работающих ДВС и скорости падения атмосферного давления.

5. Установлена аналитическая зависимость интенсивности газовыделения от скорости падения атмосферного давления, состава и расположения органических включений, газопроницаемости массива известняка. Изучено влияние выработанного пространства на газовую обстановку в зависимости от степени его изоляции, размеров, времени образования, скорости падения атмосферного давления, средней длины очистных выработок.

6. Натурные наблюдения подтвердили правильность установленных теоретических зависимостей (расхождение результатов с вероятностью 0,95 не более 20$), что позволило разработать методику прогноза газовыделений и расчета расхода воздуха, обосновать требования к схемам вентиляции шахт пильного камня.

7. Разработана и внедрена новая схема вентиляции, позволяющая обеспечить расход воздуха в местах потребления согласно разработанной методике, улучшить газовую обстановку в шахтах, снизить почти на 30$ затраты на вентиляцию шахт пильного камня.

8. Разработаны и внедрены методы управления газовыделением, включающие двухрежимное проветривание шахт (нормальное и усиленное при скорости падения атмосферного давления больше (17-21)*10~3 Па/с\ периодическое проветривание (через 5060 суток) выработанного пространства вблизи очистных выработок, посекционное проветривание транспортных выработок,

9. Разработана, с учетом специфики шахт пильного камня, методика оптимизации параметров вентиляции, позволяющая определить оптимальные сечения и количество воздухоподающих и вентиляционных выработок, расстояния между вентиляционными сбойками (21 - 29 м}длины панельных воздухоподавдих выработок (600 - 800 м), расстояния между панельными воздухоподаю-щими и вентиляционными выработками (140 - 160 м),

10о Результаты диссертационной работы вошли в утвержденные МПСМ МССР и согласованные с Госгортехнадзором МССР"Пра-вила технической эксплуатации шахт пильного камня", "Методические указания по расчету вентиляции шахт пильного камня", "Методические указания по проектированию прогрессивной технологии добычи пильного камня", СНиП 11-95 "Объекты, размещаемые в горных выработках", использованы в проектных разработках института "МолдЛИИстромпроект" и внедрены в Кишиневской, Окнипкой (МССР), Дмитрашковской, Десчанской шахтах (УССР) и объектах народного хозяйства, расположенных в горных выработках. Это позволило гарантированно обеспечить нормативные параметры шахтной атмосферы при снижении затрат на вентиляцию. Фактический годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 94 тыс. руб.

II. Положительные результаты апробации диссертационной работы позволяют ее рекомендовать к внедрению на всех шахтах пильного камня, отрабатывающих мощные пласты известняка на глубинах свыше 50 - 60 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной даботе решена актуальная задача повышения эффективности вентиляции шахт пильного камня в условиях выделений углекислого газа путем разработки методов прогноза газовыделений, расчета расхода воздуха, создания и внедрения новых высокоэффективных схем проветривания, обеспечивающих рациональное воздухораспределение, нормативные условия труда при снижении затрат на вентиляцию шахт.

1.А. Рудничная аэрогазодинамика» М.: Недра, 1972, 271 с.

2. Абрамов Ф.А., Хоменко Н.П. Совместное аналитическое определение оптимальных значений депрессии шахт и сечений сетей горных выработок. Изв. вузов. Горный журнал, 1970, № 6, с.60-65.

3. Айруни А.Т. Основы предварительной дегазации угольных пластов на больших глубинах. М.: Наука, 1970, 77 с.

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

5. Айруни А.Т., Бессонов Ю.Н. Экономическая эффективность борьбы с рудничными газами методами вентиляции и дегазации. М.: изд. ИФЗ, 1971, 55 с.

6. Айруни А.Т., Эттингер И.Л. Газы угольных пластов, М.: Знание, 1966, 48 с.

7. A.c. 787674 (СССР). Способ проветривания тупиковых добычных камер (Ф.П.Спиваков, В.Г.Дроботя, В.А.Горский), -Опубл. в Б.И., 1980, Jfc 46.

8. Бодягин М.Н. Рудничная вентиляция. М., Недра, 1967, 318 с.

9. Бойко В.А., Кременчуцкий Н.Ф. Основы расчета вентиляции шахт. М.: Недра, 1978, 279 с.

10. Бурчаков A.C., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология. М., Недра, 1971, 373 с.

11. Быков Л.Н. О некоторых закономерностях в области газообильности шахт Подмосковного бассейна и использованиеих душ практики. В сб.: Вопросы рудничной вентиляции Mci 1964, с.18-21.

12. Вепров B.C. Определение количества воздуха для разбавления выхлопных газов транспортного оборудования с ДВС в подземных выработках. В сб.: Вентиляция шахт и рудников. Л.: 1974, вып.1, с.46-53.

13. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1966, 870 с.

14. Галанин К.П. Разработка и применение пильных известняковв Молдавской ССР.-Кишинев: Картя Мслдовеняскэ, 1959, 247с.

15. Газообильность каменноугольных щахт /К.А.Ефремов, Г.П.Дубов, А.И.Дьячков и др. М.: Недра, 1974, 206 с.

16. Геологическое заключение о результатах геолого-разведочных работ на Окнищом месторождении в 1974-1975 гг. (отчет), ГРП МПСМ МССР /Гальперин С.С. Кишинев, 1975, 215 с.

17. Геология СССР, Молдавская ССР /Под ред. П.В.Полева -М.: Недра, 1969, т.45, 456 с.

18. Горский В.А., Дроботя В.Г., Спиваков Ф«П. Исследование основных закономерностей газовыделения из массива в атмосферу шахт пильного камня Молдавской ССР. В кн.: Проблемы охраны труда: Тез. докл. Ш Всесоюзн.межвуз.конф., Кишинев, 1978, с.247-248.

19. Горский В.А., Спиваков Ф.П., Дроботя В.Г. Снижение затрат на проветривание шахт пильного камня. В сб.: Промышленность нерудных и неметаллорудных материалов. М., 1979, вып.9, с.22-24.

20. Горский В.А. Определение расхода воздуха для проветривания шахт пильного камня по фактору газовыделения из массива известняка. Кишинев: МолдНИИНТИ. Серия строительство, 1982, № 181, 4 с.

21. Дроботя В.Г. Совершенствование технологии разработки и проветривания при подземнсй добыче пильных известняков в Молдавской ССР: Дне. . канд.техн.наук. Днепропетровск, 1973, 158 с.

22. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом. -М.: Недра, 1972, 224 с.

23. Зажигаев Л.С., Кишьян A.A., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М.: Атомиздат, 1978, 231 с.

24. Заключение о геологическом строении Криковского месторождения (отчет). ГРП МПСМ МССР, /К.Л.Томский. Кишинев, 1974, 218 с.

25. Закс Л. Статистическое оценивание. М.: Статистика, 1976с 598 с.

26. Изучение закономерности распространения горных пород, используемых в промышленности строительных материалов МССР (отчет), Институт геологии и полезных ископаемых / рук. канд.техн.наук Ф.ДоСпиваков. Кишинев, 1966, 303 е., ил.

27. Ильчук Н.Г. Изучение изменения состава рудничной атмосферы при разработке месторождений аульфидных руд Норильского района: Автореф.дис. канд. техн .наук» М., 1973, 24 с.

28. Инструкция по безопасному применению самоходного (нерельсового) оборудования в подземных рудниках. М.: Недра, 1973, 32 с.

29. ИсмайылшР.Т. Выделение углекислого газа в горных выработках колчеданно-полиметаллических месторождений Азербайджана. В сб0: Охрана и оздоровление воздушной среды в шахтах. М., Наука, 1978, с.82-90.

30. Исследование рассеивания выхлопных газов в подземных выработках /К.З.Ушаков, Л»А.Пучков, В.С»Орехов и др. В кн.: Совершенствование проветривания шахт. Новочеркасск, изд. НПИ, 1972, с.57-59.

31. Исследование и совершенствование системы разработки на Окницкой шахте на базе высокоэффективных систем проветривания (отчет), roc.per.Jfc 78029169, МоллДОстромпроект /Ф.П.Спиваков, В.АоГорский. Кишинев, 1978, 112 е., илв

32. Исследование и изыскание рациональных схем проветривания подземных разработок пильного известняка (отчет), Киевский политехнический институт, /рук.А.И.Сельцов. Киев, 1971, 128 е., ил.

33. Исследование основных вопросов выделения вредных примесей в шахтную атмосферу и разработка инженерно-технических мероприятий по борьбе с ними (отчет), МолдНИИстромпроект, /ФЛ.Спиваков, В.А.Горский. Кишинев, 1976, 195 е., ил.

34. Исследования долговечности, теплофизических и физико-меIханических свойств пильных известняков Молдавской ССР (отчет), ГосНИИСМИ /Б.М.Родин. Киев, 1968 , 247 е.,ил.

35. К вопросу о метаморфизме воздуха в сульфидных рудниках /ГоД.Лидин, Н.Г.Ильчук, А.А.Пихлак и др. В сб.: Управление газовыделением и пылеподавление в шахтах. М., Наука, 1972, с.75-84.

36. Килькеев ШЛ. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания рудников. Л.: ЛГИ, 1967 , 69 с.

37. Колманов В.А. Динамический метод расчета количества воздуха по диффузионному потоку. В кно: Вопросы рудничной аэрологии. Тр. КузШ, вып.4, Кемерово, 1976, с.201-204.

38. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968, 720 с.

39. Ксенофонтова А.И., Карпухин В,Д., Харев A.A. Вентиляционное сопротивление горных выработок. М.: Углетехиздат, 1950, 263 с.

40. Ладыженский И.Л. Исследование термовлажностного взаимодействия подземных сооружений с геологической средой: Дис. . канд.техн.наук, М.: 1979, 173 с.

41. Лаосе Г.Ф. Климат Молдавской ССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 125 с.

42. Левин Е.М. Прогноз углекислотообильности шахт Донбасса. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело, 1968, & 3, с,16-18.

43. Ли,дин Г«Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР. -М.: Изд-во АН СССР, 1949, т.1, 268 с.54о Лидин Г.Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР. -М.: Наука, 1966, т.6, 269 с.

44. Ли Хи Уно Исследования выделения углекислого газа в шахтах восточных районов страны: Автореф. дис. . канд.техн. наук. Кемерово, 1972, 24 с.

45. Матвиенко И.Г. Прогноз газопроявлений при разработке рудных месторождений. М.: Наука, 1976, 80 с.

46. Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. М.: Недра, 1970, 206 с.

47. Медведев И»И., Полянина Г.Д., Газовыделения на калийных рудниках. М.: Недра, 1974, 163 с.

48. Мустель П.И. Рудничная аэрология. М.: Недра, 1970, 215 с.

49. Мясников A.A., Мащенко И.Д., Крикунов Г.Н. Прогноз угле-кислотообильности угольных шахт. М.: Недра, 1974, 198с.

50. Негадаев-Никонов К.Н. Четвертичные отложения Молдавской ССР. Кишинев:, Картя Молдовеняскэ, 1969, 91 с.

51. Ножкин Н.В. Физика особых горно-геологических явлений. -М.: изд.МГИ, Toi, 1972, 129 с.

52. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М.: Недра, 1979, 271 с.

53. Оптимизация разработки месторождений пильных известняков Молдавии с учетом комплексного использования природных ресурсов и подземных выработок (отчет), НПИ /рук. докт. техн.наук Шестаков. Новочеркасск, 1978, - 64 е., ил.

54. Основы математической статистики и ее применение / И„Мари-неску, Ч.Мойнягу и др. М.: Статистика, 1970, 223 с.

55. Отчет о доразведке щахтного поля Григориопольского месторождения пильных известняков (отчет), ГРП МДСМ МССР,

56. С.С.Гальперин. Кишинев, 1976, 418 с.

57. Отчет о доразведке шахтного поля Кишиневской шахты (отчет), ГРП МПСМ МССР, /К.ПоТомский. Кишинев, 1975, 385 с.

58. Подогрев шахтного воздуха за счет теплообмена с горным массивом/ И.Л.Ладыженский, Ф.П.Спиваков, В»А.Горский и др. Кишинев: МолдНИИНТИ. Серия строительство, 1981,25, 4 с.

59. Предварительный прогноз углекислотообильности шахт Восточного Донбасса /ЛоН.Быков, Е,M.Левин, Э.М.Соколов и др. В сб. Проектирование и строительство угольных предприятий. М., ЦНИЭИуголь, 1966, & 7, с.18-25.

60. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров /В.С.Веселов-ский, Л.П.Виноградова, Г.Л»Орлеанская и др. М.: Наука, 1975, 158 с.

61. Проект реконструкции Окницкой шахты пильного известняка (ТРПХ объект № 797, МолдНИИстромпроект. Кишинев, 1978, 128 с.

62. Проект реконструкции Бычковского участка Григориопольской шахты (ТРП), объект № 911, МолдНИИстромпроект. Кишинев, 1979, 114 с.

63. Регулирование теплового режима шахт по добыче известнякового камня /И.Л.Ладыженский, Ф.П.Спиваков, В.А.Горский и др. В сб.: Промышленность нерудных и неметаллорудных материалов. М.: ВНИИЭСМ, 1981, вып. 9, с. 20-22.

64. Результаты воздушно-депрессионной съемки участков Калининской шахты (отчет), МолдНИИстромпроект /Ф.П.Спиваков, ВоА.Горский. Кишинев, 1981, 12 с.

65. Результаты воздушно-депрессионной съемки Окницкой шахты пильного камня (отчет), МолдНИИстромпроект /Ф.П.Спиваков, В.А.Горский. Кишинев, 1980, II с.

66. Результаты воздушно-депрессионной съемки Резинского участка Криковской шахты (отчет), МолдНИИстромпроект (Ф0П. Спиваков, В.А.Горский. Кишинев, 1981, II с.

67. Руководство по применению метода выравнивания давления для предупреждения и тушения эндогенных пожаров в условиях Кузбасса. Кемерово: изд-во ВостНИИ, 1966, 26 с.

68. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. М.: Высшая школа, 1973, 286 с.

69. Сивый ВоВ. Метод множественной корреляции в анализе и планировании угольных предприятий. Киев: Техника, 1964, 222 с.

70. Симанкин А.Ф. Исследование газонасыщенности подземных вод и факторов, влияющих на процесс газовыделений из них (на примере шахт Подмосковного бассейна и восточной части Донбасса; Автореф.дис. . канд.техн.наук. Тула, 1972,23 с.

71. Состояние и пути совершенствования добычи пильных известняков в Молдавской ССР /И.И.Демченко, Ф.П.Спиваков, В.Г. Дроботя и др. Кишинев, МолдНИИНТИ, 1974, 47 с.

72. Состояние и пути совершенствования подземной добычи пильных известняков (обзор) /И.И.Демченко, Ф.П.Спиваков, В.Г. Дроботя и др. М.: ВНИИЭСМ, 1977, 54 с.

73. Справочник по рудничной вентиляции. Под редакцией проф. К.З.Ушакова. М.: Недра, 1977, 327 с.

74. Справочник по климату СССР. Атмосферное давление. Вып.II. Киев, 1973, 83 с.

75. Сулла М.Б., Соколов Э.М., Харламов В.А. Поглощение С0£ водой. В сб.: Поглощение инертных газов в горных выработках. Тула - Донецк, 1969, с.82-89.

76. Сулла М.Б. Влияние колебаний барометрического давления на газовыделение в шахтах Подмосковного бассейна. В сб.: Технология и экономика угледобычи. М., ЩИИТЭИугля,1962, № II, с.48-51.

77. Сулла М.Б. Влияние барометрического давления на выделение углекислого газа. В сб.: Технология и экономика угледобычи. М., ЦНИИТЭИугля, 1963, В 12, с.36-44.

78. Сулла М.Б. Окисление углей Подмосковного бассейна кислородом воздуха как источник ухудшения рудничной атмосферы. Изв. вузов. Горный журнал, 1965, № 8, с.14-19.

79. Сырьевые ресурсы естественных строительных материалов районов концентрированного капитального строительства Молдавской ССР (отчет), Институт геологии и полезных ископаемых АН МССР / А.И.Симонов. Кишинев, 1962, 260 е., ил.

80. Скочинский A.A., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. М.: Углетехиздат, 1949, 442 с.

81. Совершенствование проветривания шахт пильного камня /Ф.П.Спиваков, В.Г.Дроботя, В.А.Горский и др. Кишинев, МолдНИИНТИ. Серия строительство, 1980, № 221, 4 с.

82. Совершенствование методов разведки месторождений пильных известняков / Ф.П.Спиваков, НоА.Ваташский, И.Н.Герман и др. Кишинев: Молдреклама, 1967, 167 с.

83. Совершенствование систем разработки месторождений пильных известняков (отчет), ГосНИИСМИ, Молдавское отделение,рук. канд.техн.наук Ф.П.Спиваков. Кишинев, 1972, 171с., ил.

84. Соколов Э.М. Исследование газовыделений на участках с механизированными передвижными крепями и комплексами в Подмосковном бассейне и подсчет количества воздуха для этих участков: Автореф.дис. . канд.техн.наук. Л., 1963,26 с.

85. Соколов Э.М., Сулла М.Б., Харламов В.Н. Вода как источник появления С02 в шахтах. Уголь, 1970, № I, с.12-14.

86. Татомир К.И. Расчет оптимальных сечений горных выработок шахт. Киев, Наукова думка, 1971, 240 с.103о Татомир К.И. Основы теории оптимального проектирования шахт. Киев; Наукова думка, 1975, 296 с.

87. Требин Г.Ф. Фильтрация жидкостей и газов в пористых средах. М.: Гостоптехиздат, 1959, 282 с.

88. Ушаков К.З. Аэромеханика вентиляционных потоков в горных выработках. М.: Недра, 1975, 167 с.

89. Ушаков К.З., Бурчаков A.C., Медведев И.И. Рудничная аэрология. М., Недра, 1978, 439 с.

90. Физические основы самовозгорания угля и руд /В.С.Веселов-ский, Л.П.Виноградова,Г.П.Орл&анская и др. М., Наука, 1972, 147 с.

91. Харев A.A. Местные сопротивления шахтных вентиляционных сетей. М.: Углетехиздат, 1954, 247 с.

92. Хоменко Н.П. Оптимизация сечений выработок вентиляционных сетей шахт. М.: Недра, 1977, 183 с.

93. Цинцадзе Ю.Д. Газовый фактор Ткибули-Шаорского каменноугольного месторождения; Автореф.дис. . канд.техн.наук. Тбилиси, 1962, 24 с.

94. Цыбулько В.И. Исследование влияния колебаний атмосферного давления на газовый режим шахт и разработка способов и средств борьбы с ними: Дис. . канд.техн.наук. Днепропетровск, 1968, 223 с.

95. ИЗ. Шайдоров A.A., Дроботя В.Г. Вентиляция шахт пильногокамня и системы разработки. Кишинев; Картя Молдовеняска, 1970, 97 с.

96. Шайдоров A.A. Проветривание шахт пильного камня. М.: Недра, 1975, 197 с.