автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Управление аэрогазодинамическими процессами в выработанном пространстве и обеспечение взрывобезопасности выработок добычных участков шахт Воркутского месторождения

На правах рукописи

\

ВЕСЕЛОВ Александр Петрович

УПРАВЛЕНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ВЫРАБОТОК ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность: 05.26.01 - «Охрана труда»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

1998

Работа выполнена в открытом акционерном объединении по добыче угля «Воркутауголь» Мшистерства топлива и энергетики Российской Федерации

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

ШУВАЛОВ Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

КОВАЛЕВ Олег Владимирович

доктор технических наук ДЕНИСОВ Валерий Николаевич

Ведущее предприятие: ВНИМИ

Защита диссертации состоится " 22 " июня 1998 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д.063.15.11 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, д.2, ауд. 1206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «_»____1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.063.15.11 к.т.н., доцент

А.Н.Маковский

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Переход России к новым экономическим отношениям и связанная с этим реструктуризация угольной промышленности привели к ликвидации большинства нерентабельных шахт, потребовали повышения производительности и эффективности добычи угля на перспективных предприятиях.

Перед ОАО «Воркутауголь» на период с 1995 по 2000 год были поставлены задачи сокращения численности работающих на 37%, при одновременном увеличении производительности на 92%, снижения затрат на 25% при снижении уровня государственной поддержки на 82%.

Высокие темпы добычи и концентрация производства на единичных добычных участках с достижением уровня мировых показателей (до 3000 т/сут. на забой) тормозятся не только техническими возможностями шахт (изношенность оборудования, пропускная способность линий и др.), но также недостаточностью количества воздуха для проветривания добычных участков и разбавления метана до безопасных концентраций.

Особое значение имеет этот фактор для условий добычных участков шахт Воркуты, где разработка ведется на глубинах около 1000 м с метанообильностыо до 50-100 м7т. Принятая и хорошо зарекомендовавшая себя ранее прямоточная схема проветривания очистных забоев при бесцеликовом способе поддержания и повторном использовании вентиляционных выработок, в настоящее время не обеспечивает высокой производительности и безопасности ведения работ. Практически исчерпаны возможности воздухообеспечения добычных участков (2-3 тыс. м"7мин), а частые случаи возгораний и взрывов газа (пыли) в вентиляционных выработках, вблизи очистных

забоев, безусловно, требуют поиска новых путей управления аэро газодинамическим и процессам и.

Решением данной проблемы занимались такие видные ученые как А.А.Скочинский, В.Б.Комаров. Н.И.Линденау,

A.И.Ксенофонтова, А.С.Бурчаков, Н.В.Ножкин, JI.A.Пучков, Ф.С.Клебанов, Б.Ф.Кирин, Н.В.Воронин, И.Г.Ищук,

B.С.Сергеев, А.А.Мясников, С.П.Старков, М.И.Недепляев, А.Т.Айруни и многие другие, список которых приведен в литературном обзоре.

В условиях шахт Воркуты плодотворно работали над данной проблемой Ю.И.Калимов, Д.Е.Разварин, В.И.Фомичев, Ю.Н.Бессонов, Э.М.Шейман, А.С.Пантелеев и др.

Их исследования послужили фундаментом для данной работы и автор с глубокой благодарностью отдает должное их вкладу в науку и производство.

Целью диссертационной работы является повышение по-жаро-взрывобезопасности горных выработок и выработанного пространства добычных участков шахт на основе изучения закономерностей процессов аэрогазодинамики выработок.

Идея работы заключается в снижении удельного расхода воздуха на добычном участке, исключении взрывоопасных концентраций метановоздушной смеси в атмосфере вентиляционных выработок путем рационального управления утечками воздуха и профилактики пожаро-взрывоопасности выработанного пространства.

Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Изучение условий формирования и способов управления газовым режимом добычных участков.

2. Обоснование физической модели для изучения процессов аэро-газодинамики выработанных пространств добычных

участков наиболее сложных шахто-пластов (пласт «Четвертый»),

3. Разработка методики прогноза аэро-газодинамических параметров атмосферы горных выработок добычных участков.

4. Оценка и исследование пожаро-взрывоопасности горных выработок и выработанного пространства добычных участков.

5. Выбор и обоснование рациональных способов профилактики взрывов газа и пыли в выработках и выработанном пространстве добычных участков шахт Воркуты.

Методы исследований, использованные при решении поставленных задач, включают критический анализ и оценку литературных данных, аналитические решения задач аэромеханики и термодинамики, лабораторное моделирование процессов аэро- и термодинамики, натурные наблюдения и вывод эмпирических зависимостей на основе статистической обработки данных.

Научная новизна результатов исследований состоит в установлении закономерностей движения утечек воздуха из очистного забоя в выработанное пространство, формирования в нем опасных концентраций пыле-газовоздушных смесей, поступающих, в соответствии с установленным логнормальным законом, в вентиляционные выработки добычного участка.

Основные защищаемые научные положенияА обосновывающие научную новизну работы.

1. Переход шахт к разработке глубоких горизонтов с использованием прямоточных схем проветривания очистных забоев и бесцеликовом способе поддержания вентиляционных выработок ведет к формированию напряженной и взрывоопасной газовой обстановки в технологически активных участках горных выработок.

2. Режим движения утечек воздуха из очистного забоя характеризуется различной интенсивностью в концевых и срединном участках, стратификацией по мощности обрушенных пород и логарифмическим законом движения по простиранию с близким к закону распределения Гаусса поступлением утечек в вентиляционную выработку.

3. В объеме фильтрации утечек воздуха через выработанное пространство формируется, на расстоянии от забоя 30-150 м пожаро-взрывоопасная зона за счет накопления пылевого аэрогеля и аэрозоля, а также концентрации метана, поступающего из под- и надработанной толщи углевмещающих пород.

4. Перспективными направлениями управления пылегазо-вым режимом выработанного пространства являются аэродинамические методы шунтирования сопротивления с использованием околоштрековых целиков и устойчивых пен, а также физико-химическое воздействие на взрывоопасную среду па-роконденсатом.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается хорошей сходимостью, в пределах 10-15%, с многочисленными данными натурных замеров и депрессионных съемок (более 1 ООО замеров) на шахтах ОАО «Воркутауголь». а также проверкой рекомендаций внедрением на ряде из них и сравнением с данными других исследователей.

Практическая значимость работы заключается в: разработке методики и способа моделирования аэродинамики выработанного пространства; создании методики прогноза утечек воздуха в выработанное пространство и расчета количества воздуха для обеспечения безопасности участковых выработок; разработке новых способов управления взрывобезопасностью выработанного пространства; оценке эффективности и выборе рациональных способов управления аэродинамикой выработанного пространства.

Реализация результатов работы осуществлена институтом ПечорНИИпроект и шахтами ОАО «Воркутауголь» при проектировании разработки новых выемочных столбов на шахтах «Воркутинская», «Комсомольская» и др. Ряд положений работы использован в учебном процессе СПГГИ(ТУ) при чтении курса «Безопасность жизнедеятельности» и «Аэродинамика шахт».

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в постановке задач и разработке методик исследований, организации сбора информации по аэро-газодинамике шахт Воркутского месторождения, предложению способов управления аэродинамикой выработанных пространств, участия в выполнении лабораторных и шахтных исследований по аэро-газодинамике и оценке эффективности способов управления ими, разработке методических положений по выбору параметров способов управления газовыделением, поддержания вентиляционных выработок и технологии работ при разработке глубоких горизонтов.

Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельные предложения были доложены и обсуждены на заседаниях технико-экономического совета ПО «Воркута-уголь», на Коми республиканских семинарах в г. Сыктывкаре (1991, 1992 гг.), на международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (Санкт-Петербург, 1993 г.), на Международном симпозиуме «Горное дело в Арктике» (Санкт-Петербург, 1994 г.), Международном симпозиуме «Топливно-энергетические ресурсы России, и других стран СНГ» (Санкт-Петербург, 1995 г.), V Международном горно-геологическом форуме {Санкт-Петербург, 1997 г.) и др.

Публикации^ Основные положения диссертации и резуль-аты исследований отражены в 7 статьях, авторском свидетельстве на изобретение, и бассейновой инструкции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения; изложена на 275 страницах машинописного текста; включает 50 рисунков, 40 таблиц и список литературы из 151 наименования.

В первой главе оценены горнотехнические условия и особенности разработки пластов шахт Воркутского месторождения с учетом газового фактора. Во второй главе сформулированы принципы создания геомеханмческой и аэродинамической моделей, уточнены аэродинамические характеристики выработок и выработанного пространства. В третьей главе изложены теоретические основы и результаты исследований азро-пылединамики выработанных пространств. В четвертой главе приведены методические положения расчета параметров газовыделения в вентиляционные выработки на основе обработки данных натурных наблюдений. В пятой главе оценена эффективность применения способов и средств управления аэрогазодинамическими процессами на добычных участках шахт.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях.

1. Переход шахт к разработке глубоких горизонтов с использованием прямоточных схем проветривания очистных забоев и бесцеликовом способе поддержания вентиляционных выработок ведет к формированию напряженной и взрывоопасной газовой обстановки в технологически активных участках горных выработок.

Открытое акционерное общество «Воркутауголь» объединяло 12 шахт, разрабатывавших Воркутское и Хальмерюское месторождения Печорского угольного бассейна на территории Республики Коми. Воркутское месторождение, запасы которо-

го составляют 11,5% от общих по бассейну включает наиболее стабильные по площади и мощности сближенные пласты «Мощный» (3,8-4,2 м). «Тройной» (2,5-2,7 м), «Четвертый» (1,4-1,7 м), «Пятый» (0,9-1,1 м) с расстоянием междупластья 18-35 м. Разрабатываются два, реже три пласта, из которых один мощный, второй - защитный (пласт «Четвертый»).

На шахтах применяются столбовые системы разработки (длина столба до 2000 м) с повторным использованием конвейерной выработки и ее бесцеликовым поддержанием, прямоточной схемой проветривания и выдачей исходящей струи в сторону выработанного пространства. Все очистные забои шахт оборудованы механизированными комплексами типа ОКП-70, КМТ и др. Длина лав от 105 до 200 и более метров, суточная добыча от 600 до 2000 тонн. Количество подаваемого в лавы воздуха зависит от нагрузки, газовьщеления и составляет 900-1300 м3/мин с практическим равным подсвежением исходящей из лавы струи на конвейерном штреке.

Современное состояние угольной отрасли, обеспечение конкурентоспособности и стабильности работы ОАО «Ворку-тауголь» требуют значительного увеличения нагрузки на очистной забой (до 3-5 тыс. т в сутки). Анализ передового опыта работы добычных участков шахт («Центральная», «Воркутинская», «Северная») и работы Ю.Р.Лобеса, Л.И. Краснера позволяют утверждать, что достижение этой цели возможно имеющимися техническими средствами при их частичной модернизации, но не обеспечивается по фактору вентиляции из-за сложного газового режима выработок добытых участков.

Анализ материалов исследований природной метанонос-ности Хг угольных пластов свидетельствует о гиперболической зависимости ее от глубины Н при нелинейном росте газового давления.

Xr»A-B/(H+C), где А, В, С - эмпирические коэффициенты (А = 30-45. В = 14000-18000, С =420-450).

Основная масса газа угольных пластов находится в связанном состоянии (до 90%), в углесодержащих породах - в свободном. Величина Хг изменяется по глубине (300-1000 м) от 3-4 до 20-30 м7(т.с.б.м.) с ростом ступени метаноносности от 10-15 до 70-90 м.

Прогноз ожидаемой газообильностн qr шахт Воркуты позволяет охарактеризовать ее изменение до глубины 600-700 м линейными зависимостями вида

qr« а Н - в.

Для шахты «Воркутинская» а = 0,1, в = 4,2; «Северная» - а -0,07, в = 6,15; «Комсомольская» - а = 0,08, в = 3,0 и т.д.

Помимо глубины на величину удельной газообильности очистных забоев и добычного участка в целом оказывает влияние площадь выемки (длина отработанной части столба и число столбов в шахтном поле). Относительная газообильность добычных участков по пластам «Мощный» и «Четвертый» на глубине ведения работ 300 м составляла 9-10 м7т, на глубине 800-1000 м - до 60-90 м3/т и более.

Применяемая на шахтах схема дегазации обеспечивает отвод 50-80 м3/мин газа в пределах выемочного участка. Эффективная работа скважин начинается после отхода лавы на 100150 м от куста.

Сложность дегазации неразгруженных пластов («Четвертый») и отставание дегазационных скважин от очистного забоя на 100-150 м, интенсивные утечки воздуха из лавы через выработанное пространство, нерегулируемый газовый режим с интенсивным газовыделением при вторичных осадках кровли и колебаниях барометрического давления формируют взрывоопасные ситуа-

ции непосредственно в забое и прилегающем к нему участке вентиляционной (конвейерной) выработки (табл.1). За последние 7 лет (1988-1995 гг.) на шахтах Воркуты произошло 8 крупных аварий, связанных с взрывами и возгоранием метана вблизи очистного забоя и непосредственно в нем.

Анализ ситуации свидетельствует о том, что решение проблемы возможно на основе научно обоснованных способов управления утечками воздуха и газовыделением в выработках добычных участков.

Таблица 1.

Взрывы и загорания метана при разработке пласта

"Т етвертый" за 1980-92 гг.

Дата Шахта, Глуби- Расход. м3/мнн Причина

аварии столб на. м воздуха газа(д егаз.) аварии

17.08.88 "Северная" 712-С 670 2720 52.9 (25.7) Разрушение комбайном электроаппаратуры

27.04.89 "Ворку- тинская" 322-С 695 2480 58.6 (37,4) БВР

27.05.90 "Ворку- тицекая" 522-Ю >700 2290 50.4 (25.8) БВР

14.06.90 "Северная" 812-С 655 2160 36.2 (35,1) Подрывка почвы

2.12.91 "Комсомольская" 112-Ю 773 загазирование лавы Разрушение , веитсооруже-ний

3.03.92 "Комсомольская" 212-Ю 794 1725 8,8 (2,8) Фрикционное трение в выработанном пространстве

4.04.92 "Ворку- тинская" 432-Ю 681 1350 36,6 (23,6) Электрокабель

2. Режим движения утечек воздуха из очистною забоя характеризуется различной интенсивностью в концевых и срединном участках, стратификацией по мощности обрушенных пород и логарифмическом законом движения по простиранию с близким к закону распределения Гаусса поступлением утечек в вентиляционную выработку.

Прямоточные схемы проветривания очистных забоев с бесцеликовым способом поддержания вентиляционной выработки характеризуются значительными (до 70%) утечками воздуха, неравномерно распределенными по длине лав. Исследованиями установлены три зоны, из которых две: в верхней (15-20 м) и нижней (15-30 м) частях лавы имеют высокий уровень удельных утечек Дцл, а их дебит и СЬ составляет не более 70-85% от начального (<30). Утечки воздуха в основной, срединной части лавы достаточно стабильны по градиенту и существенно меньше по удельному значению, хотя их суммарная величина О2 достаточно велика (до 50-60% от поступления) и зависит от длины лавы Цп. Так, для пласта «Четвертый»: О, = 0,22 + 0,50о + 0,055С>„ р2 = -8,6 + 0,06ЬЯ + 0,7(3, где <3„ - количество воздуха в подсвежающей струе на вентиляционной выработке.

Оценка геомеханических характеристик подрабатываемой толщи пород и процессов деформации слоев позволила обосновать геомеханическую модель для прогноза фильтрационных характеристик выработанного пространства в пределах отработанной площади угольною пласта («Четвертый» и др.) с учетом литологического состава пород, мощности разрабатываемого пласта и фактора времени (расстояния от забоя по простиранию и от почвы пласта по мощности зоны обрушения и деформаций).

Изучение аэродинамических процессов в выработанном пространстве производилось по исходным параметрам для пласта «Четвертый» на трехмерной аналитической модели, реализованной с помощью программы «МОДЕРЬОХУ» конечно-разностным методом на прямоугольной сетке (16 блоков по длине лавы, 26 - по простиранию, 9 - по мощности над почвой). Исследовалось 5 вариантов задач с различным характером распределения проницаемости вплоть до экстремально высоких и низких значений (рис.1).

Рис. 1. Результаты моделирования динамики удельных утечек воздуха в очистной и вентиляционной выработках (кривые 1-5 варианты задач, 3 - базовый вариант).

Результаты моделирования базового варианта, соответствующего натуре, свидетельствуют о подобии полученных при натурных исследованиях закономерностях распределения утечек как по длине лавы, так и по вентиляционной выработке.

3. В объеме фильтрации утечек воздуха через выработанное пространство формируется на расстоянии от забоя 30-150 м пожаро-взрывоопасная зона за счет накопления пылевого аэрогеля и аэрозоля, а также концентрации метана, поступающего из под- и надработанной толщи угле-вмещающих пород.

Изучение газодинамики выработанного пространства путем натурных измерений концентрации газа, поступающего из лавы с утечками воздуха и выходящего в вентиляционную выработку (замеры в выработанном пространстве на расстоянии 1,5-2,0 м от ограждающей крепи) позволили установить закономерности изменения концентрации газа Ссн4 в утечках и его удельного значения Аяг (рис.2). Сочетание воздушного и газового потоков характеризуется закономерным ростом удельных газовыделений на расстоянии 40-80 м от забоя (0,2 м3/(мин-м)) и дальнейшим относительно пологим снижением на расстоянии до 300-500 м.

Фазовое отставание максимума удельных газовыделений Дqr от максимума удельных утечек Ац способствует еще более значительному сдвигу максимума концентрации газа в утечках (до 100 м и более). Зависимость расстояния максимума концентрации газа в утечках Ьтах от длины отработанной части выемочного столба для различных пластов является нелинейной и может быть рассчитана по эмпирической зависимости:

ь^Са/гь)0-"1

где а и Ь - эмпирические коэффициенты (а изменяется от 15,0 до 4,2; Ь-от 1,1-109до 1,6-109).

Рис.2. Изменения-удельных газовыделений, —х~ утечек,

- - - средних значений концентрации метана в выработаном пространстве по длине выработки, поддерживаемой за лавой (3-6-№№лав).

Концентрация метана в газовоздушном потоке из выработанного пространства Свп рассчитывается в зависимости от расстояния до забоя Ь, фактической или проектной концентрации в исходящей струе на добычном участке Суч и средней концентрации метана в газовоздушном потоке Свп (определяется, исходя из расчетного газовыделения и суммарных утечек воздуха).

Свп = Суч + С вп ю4Ь3/(а + ЬЬ9) Наличие максимума концентрации метана в выработанном пространстве сочетается с интенсивным осаждением пыли из аэрозольного облака, формирующегося в лаве (запыленность до 30-200 мг/м3 при размере частиц 15-200 мкм).

Динамика изменения концентрации пыли С в функции расстояния X от начала фильтрующей зоны, где С = Свх, представленной в форме обтекаемых аэрозолем сферических от-дельностей, определена на основе аналитического решения задачи выражением:

С = Свхехр(-0,04х2) Расчеты свидетельствуют о практически линейном снижении С до 10-15% от Свх уже на расстоянии до 10 м (размер частиц до 20-30 мкм) и отложении аэрогелей угольной пыли до 250-500 г на 1 м3 пород в зоне обрушения.

Ранее проведенные Г.Л.Стадниковым исследования пластов и угленосных пород Печорского бассейна, свидетельствуют о наличии в разрезе отдельных пластов прослойков угля и пород, склонных к самовозгоранию. Изучение в лабораторных условиях активности окислительных процессов от состава углей, скорости движения воздуха, температуры и влагосодер-жания подтвердили установленные В.М. Маевской закономерности интенсификации процесса самовозгорания при удельных утечках 0,4-1,0 м3/(мин м), времени контакта 500-700 час и позволили оценить профилактическое влияние на его ход влагосодержания воздуха. При влагосодержании воздуха 40-50 г/кг достигнуто снижение тепловыделений на 70-80%.

Возможное сочетание техногенных и природных источ-» ников возникновения взрыва (газопылевая смесь опасных концентраций с повышенной температурой среды) создает реальную угрозу безопасности ведения работ как- в» самих выработках добычного участка, так и в выработанном пространстве.

4. Перспективными направлениями управления пыле-, газовым режимом выработанного пространства являются аэродинамические методы шунтирования сопротивления с использованием околоштрековых целиков и устойчивых

пен, а также физико-химическое воздействие на взрывоопасную среду парокондснсатом.

Анализ применяемых и потенциально возможных способов управления газопылевым режимом выработок и выработанного пространства добычных участков позволяет рассматривать в качестве перспективных: дегазацию надрабатывае-мых пород и разрабатываемого пласта («Четвертый»), изолированный отвод газа, а также наиболее простые аэродинамические способы в комбинации с физико-техническим воздействием пароконденсатом на источники опасности.

Уже в настоящее время, без опушения нисходящих скважин, достигнута дегазация надрабатываемой толщи более 30% с каптажом метана на одну скважину 1,0-1,5 м /мин.

Способы изолированного отвода газа с утечками из выработанного пространства экспериментально осуществлены путем отсоса газа вентилятором ВМЦГ-7, установленным на фланге отрабатываемого поля (шахты «Аяч-Яга» и «Воркутин-ская»).

Низкая эффективность работы системы по газу и зоне влияния (300-500 м) не позволяет использовать ее в подобном варианте. Более эффективным является комбинированный вариант использования газоотсоса с аккумулированием утечек воздуха специально оформленными выработками-коллекторами. Испытания двух вариантов выработок-коллекторов проведены на шахте «Воркутинская». где для изолированного отвода утечек были использованы продольные части вентиляционного штрека, отгороженные со стороны выработанного пространства органной крепью, со стороны выработки - чураковой стенкой или блочной стенкой. По выработке-коллектору подавалась небольшая часть воздуха (до 160 м3/мин). С помощью коллекторов удалось обеспечить снижение утечек воздуха на 15-20%, концентрации газа у изолирующей поверхности до

1,2%, при ее значении в самой выработке 0,5-0,9% и отсутствии слоевых скоплений.

Аэродинамика выработанного пространства при шунтировании сопротивления у конвейерного штрека дополнительной ограждающей стенкой или полосой долгоживущей пены, создаваемой изливом вдоль штрека или лавы (новый способ), изучались на разработанной математической модели. Исследовались пять вариантов расположения полосы-шунта размером 10x10 м, 10x40 м, 10x120 м, 40x10 м, 120x10 м с изменением удельного аэродинамического сопротивления по нормали к потоку до 100% (рас.З).

Рис.3. Удельные утечка воздуха в зависимости от направления и размера полосы сопротивления в выработанном пространстве. 1 - базовый вариант; 2 - 10x10 м; 3 - 40x40 м; 4 -10x120 м; 5-40x10 м; 6- 120x10 м;

Увеличение протяженности зоны повышенного сопротивления вдоль лавы и штрека обеспечивает снижение утечек воздуха на 20-40%, а также изменение характера их поступления из лавы в выработанное пространство и из него в вентиляционную выработку.

Развитием способа управления аэрогазодинамическим режимом выработок добычного участка является изменение существующей схемы подготовки участков и поддержания выработок путем возвращения к парным штрекам сечением около 10-13 \Г с междуштрековым целиком шириной 6 м и сбойками через 50 м.

Рекомендуемые схемы изолированного отвода метана: а) по погашаемой выработке и одной из сбоек; б) по поддерживаемой выработке на фланговую; в) по поддерживаемой выработке до монтажной камеры, обеспечивают учет специфических условий шахт Воркуты.

Технико-экономическая оценка вариантов, в сравнении с существующей схемой, свидетельствуют о возможности увеличения нагрузки на лаву до 2100 т/сут. при снижении себестоимости добычи угля по участку на 27% и получении экономического эффекта более 5 млрд. рублей.

Заключение

Выполненный комплекс теоретических научных исследований, практических разработок и натурных экспериментов позволил научно обосновать и решить актуальную научную и практическую задачу повышения взрывобезопасности и эффективности ведения горных работ в выработках добычных участков угольных шахт Воркуты на основе рациональных способов управления утечками воздуха и газовыделением из

выработанного пространства при прямоточных схемах проветривания и бесцеликовом способе поддержания вентиляционных выработок.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Высокая газоносность угольных пластов Воркутского месторождения (25-30 м'/т) и относительная метанообиль-ность шахт (60-100 м7т) при разработке глубоких горизонтов, даже при интенсивной дегазации подрабатываемой толщи пород (60-70%) и проветривании очистных забоев (1000-1500 м7мин) не обеспечивают необходимой взрывобезопасности и требуемых принципами реструктуризации нагрузок и технико-экономических показателей, в связи с недостаточной точностью прогноза и неравномерностью газовыделения из выработанного пространства в горные выработки добычных участков.

2. Обоснованная теоретическими и натурными исследованиями геомеханическая модель нарушенного массива горных пород в выработанном пространстве дает возможность количественно оценить фильтрационные характеристики подработанного массива с выделением в разрезе максимума проницаемости в призабойной зоне на уровне почвы вынутого пласта (тысячи и сотни Дарси) с закономерным экспоненциальным снижением ее по высоте (десятки Дарси в зоне блочного обрушения, сотые - в зоне трещинного расслоения) и удалении от забоя по простиранию пласта (до единиц Дарси на расстоянии 300 м).

3. Доказано сравнительным анализом, что существующие аналитические методики прогноза движения утечек воздуха через выработанное пространство являются полуэмпирическими и не позволяют получить удовлетворительную сходимость и моделировать процессы аэродинамики без привлече-

ния натурных данных и постановки шахтных экспериментов, а разработанная аналоговая модель с использованием оригинальной программы «МООЕПХ)\\Л> обеспечивает, на основе вариантных расчетов, создание базовой модели, адекватной натуре с получением результатов, хорошо коррелирующих (отклонение 10-15%) с данными шахтных съемок.

4. Установлено, на основе моделирования и шахтных наблюдений, что изменение количества воздуха по длине очистной и вентиляционной выработок имеет экспоненциальный характер с различными градиентами на торцевых участках (15-30 м) и в средней части лавы; аппроксимацией коэффициента эффективности ее проветривания, близкой к линейной (Кэ = а + вЬл"') и значительным снижением градиента в примыкающем к лаве участке вентиляционного штрека (100-150 м).

5. Выявлены, на основе шахтных наблюдений, закономерности газовыделения в выработанное пространство и вентиляционные выработки добычных участков от напряженно-деформированного состояния массива, установлено наличие максимума концентраций газа в утечках воздуха на расстоянии 30-150 м от забоя с периодическими «всплесками» при обрушениях основной кровли и отставанием максимума удельных газовыделений (0,2 м7м-мин) от максимума удельных утечек (310 м3/м-мин)) на 30-60 м, при наличии максимума средних концентраций метана в выработанном пространстве на расстоянии 100-160 м от забоя.

6. Доказано данными анализа источников, лабораторными экспериментами и аналитическими решениями, что выработанное пространство, примыкающее к очистному забою на расстоянии 50-150 м, является наиболее пожаро-взрывоопас-ным в связи с значительным пылеосаждением (250-500 г/м3), высокой концентрацией метана в утечках воздуха (9-15%) и

возможностью самовозгорания прослойков угля и пород (пласт «Тройной» по данным Г.Л.Стадникова).

7. Рекомендуется, на основе изучения опыта работы угольных шахт и натурных исследований, комплексное управление газодинамическими процессами в выработанном пространстве добычных участков, активной дегазацией над- и подрабатываемых пород, изменением способа поддержания вентиляционных выработок оставлением ленточных целиков угля (50x5 м), отводом газовоздушной струи по изолированным каналам и участкам выработок, аэродинамическими, техническими и физико-химическими способами,

8. Предложен и рекомендуется для эффективного управления утечками в выработанном пространстве новый способ шунтирования сопротивления путем запенивания долгоживу-щими (до 10 суток) пенами приконтурных (10 м) к очистному забою и вентиляционному штреку зон обрушенных пород, обеспечивающий снижение на 20-30% объема утечек и их равномерное распределение по очистной и вентиляционной выработкам.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Конденсационное увлажнение и предотвращение взрывов пыли//Горный журнал. № 1, 1994 (соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н., Белозеров В.А.).

2. Конденсационное увлажнение аэрозолей угольной пыли. Записки СПГГИ(ТУ), т. 139, Спб: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1994, (соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н., Белозеров В.А.).

3. Аэрогазодинамика выработанных пространств. Записки СПГГИ(ТУ), т. 1, (142). СПб: Изд. СПТТИ, 1995 (соавторы: Шувалов Ю.В., Соболев В.В., Глобин А.Н.).

4. Утилизация метана на шахтах Воркуты. Безопасность труда в промышленности. 1996, №8 (соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н.).

5. Проблемы использования шахтного метана Воркутского месторождения. В книге «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства». (Материалы 1-й Международной конференции). Тула, государственный университет 1996. (соавторы В.Н.Бобровников, Ю.М.Колесников, С.П.Ганшевский).

6. Проблемы использования шахтного метана Воркутского угольного месторождения. В сборнике «Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование». Издание метанового центра. №2, июнь (выпуск 6), Кемерово. 1996. (соавторы: В.Н.Бобровников, Ю.М.Колесников, С.П.Ганшевский).

7. Печорский бассейн. Общие сведения и организация угледобычи. Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ), 1996. (соавторы: Г.И.Коршунов, О.И.Казанин, Ю.Н.Приходько).

РИЦ СПГГИ. 07.05.98. з. 186. т. 100 экз. 199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2