автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Управление газовыделением из выработанных пространств угольных шахт

РГ8 ОД - НОН 19.95

На правах рукописи КАЛЕДИНА Нина Олеговна

УДК 622.4.012.2.001.5

/

УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ ИЗ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.26.01 — «Охрана труда и пожарная безопасность»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1995

Диссертационная работа выполнена я Московском государственном горном университете. .

докт. техн. наук, чл.-'корр. РАН, проф. ПУЧКОВ Л. А.

докт. техн. наук, акад. АГН, ¡прс<ф. АЙРУНИ А. Т.

докт. техн. наук, засл. деятель uavK.ii к техники РФ, проф. КОЛМАКОВ В. А.

докт. техн. наук, акад. АГН, проф. СЕРГЕЕВ И. В. Ведущее предприятие — АООТ «Лешшскуголь». Защита диссертации состоится 1 декабря 1995 г.

в /. час. на заседании диссертационного совета Д-053. ¡2.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП. Москва, В-49, Ленинский лроапект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться -в библиотеке Московского государственного горного университета.

Научный консультант

Официальные олпоненты:

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. ¡КУЗНЕЦОВ Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время технический прогресс определяют высокопроизводительные, экологически чистые технологии, обеспечивающие комплексное использование природных ресурсов при минимальном уровне загрязнения окружающей среды. Современные угольные шахты, характеризующиеся высокими нагрузками на очистные забои, значительной газообильностью выработок, повышением температуры горных пород и возрастанием вероятности реализации динамических явлений, с увеличением глубины ведения горных работ, представляют собой довольно мощные источники загрязнения атмосферы тепловыделениями, пылью и газообразными примесями.

В шахтных выбросах из вентиляционных и дегазационных систем в значительных количествах присутствует метан. Прирост массы метана в атмосфере Земли, резко возросший за последние десятилетия, усиливает парниковый эффект, прогнозируемые последствия которого неблагоприятны для планеты. При этом метан сам по себе является ценным сырьем.

Утилизация шахтного метана затрудняется отсутствием надежных способов поддержания стабильных дебитов И концентрации газа в извлекаемой дегазацией газовоздушной смеси. В связи с этим повышение эффективности дегазации как одного из средств управления газовыделением в шахтах и разработка способов, обеспечивающих стабильную концентрацию метана при высоких дебитах газа, является актуальной проблемой. Решение этой проблемы позволит превратить газовые шахты в предприятия по совместной добыче угля и газа.

С другой стороны, в связи с объективным ухудшением горногеологических условий добычи угля остро стоит задача повышения эффективности проветривания шахт с целью обеспечения безопасных и безвредных условий труда шахтеров. Эта задача решается двумя путями: повышением интенсивности проветривания за счет увеличения расхода подаваемого в забои воздуха и путем управления газовыделением средствами как вентиляции, так и дегазации. Увеличение подачи воздуха приводит к высокой запыленности исходящей струи воздуха, увеличению выбросов метана и тепла в земную атмосферу. Поэтому более предпочтительными с точки зрения экологии являются способы управления газовыделением средствами дегазации, т.к. вентиляционные средства, не способствуют снижению вредных выбросов, не позволяют организованно отводить вредности и утилизировать их.

В ряду основных источников газа в пределах выемочных участков особое место занимают выработанные пространства. Для современных газовых шахт характерна высокая доля газовыделснчя из выработанных пространств в их газовом балансе даже при наличиг I егазации пластов-спутников. Поэтому дегазация этого источника дает наибольший эффект по снижению газообильности горных выработок. При этом эффективность его дегазации

(дебит и концентрация метана в дегазационной сети) сущестпгшю зависит от интенсивности фильтрации воздуха в обрушенных породах. Хроме того, выработанное пространство представляет собой наибольшую опасность и по самовозгоранию угля. Причем как с точки зрения попарной опасности, так и по газовыделению режим фильтрации утечек воздуха в нем играет важнейшую роль.

Таким образом, режим проветривания выечочных участков, а значит и шахты в целом, в значительной степени определяет эффективность функционирования шахты как сложной самоорганизующейся системы. Однако на настоящий момент нет методологии, обеспечивающей системный подход к вза-имосогласованшо процессов вентиляции и дегазации, рассматривающей одновременно проблемы безопасности и экологии. Учитывая, что основой,'позволяющей обеспечить единый подход к решению указанной проблемы, является аэрогазодинамика выработанных пространств, поставленная задача исследований представляется актуальной.

Целью работы является установление закономерностей аэрогазодинамики выработанных пространств, использование которых позволяет повысить эффективность и безопасность подземных горных работ по добыче угля при одновременном снижении загрязнения атмосферы шахтным метаном.

Идея работы заключается в том, что обеспечение безопасности ведения работ по выемке угля при одновременном извлечении кондиционного метана, промышленное использование которого обеспечит снижение выбросов вредных газов в атмосферу Земли, достигается за счет поддержания в шахте оптимальных режимов' проветривания и рационального соотношения средств управления газовыделением вентиляционными и дегазационными методами.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Для шахтной системы в целом и отдельных ее элементов существует диапазон экологически оптимальных аэрогазодинамических режимов, обеспечивающих безопасные параметры рудничной атмосферы и высокую эффективность дегазации, позволяющую утилизировать метан, извлекаемый дегазационной системой. .

2. Критерий оптимальности } "<аплеиия метаном в шахтах определяется как минимум загазирований горн,выработок при максимальном отводе метана в дегазационную систему, что обеспечивает возможность минимизации выделения его в атмосфгру.

3. Оптимизация аэрогазового ] о: с ;ма шахты заключается в согласовании газовых потоков в в.-'ппчяиионных и дегазационных сетях и осуществляется последователь,'¡'.? по уровняй технологической иерархии от выемочных участков до пи ьи основе критерия, отражающего приоритет целей извлечения ; исиоаьзоы,ч!1Я шахтного метана в процессе обеспечения безопасности ряоот по газовому фактору.

4. Диапазон экологически оптимальных режимов вентилящт шахт в значительной степени определяется протеканием аэрогазодинамических процессов в выработанных пространствах действующих выемочных участков, достоьерное описание которых осуществляется на основе установленных закономерностей распределения утечек и концентраций метана п объеме выработанного пространства в зависимости от режима проветривания.

5. Режим проветривания, определяющий распределение метана в системе "горные выработки - выработанные пространства - дегазационные скважины", характеризуется интегральным критерием Рейнольдса, который может быть определен по данным мониторинга атмосферы на базе установленных закономерностей фильтрации утечек через зону обрушения.

6. Использование установленных закономерностей влияния аэродинамического режима на параметры дегазации выработанных пространств позволяет повысить эффективность дегазации и обеспечить целенаправленное управление газовыми потоками в йентпляционно-дегазационной системе шахты.

Научная иошшш выполненной работы заключается а следующем:

- разработана иерархическая модель вентиляционной схемы угольной шахты как совокупности потоков газов, поступающих в шахту и выдаваемых на поверхность;

- сформулирована задача оптимизации управления газовыделением, отражающая приоритет целей ресурсосбережения при соблюдении ограничений, налагаемых требованиями безопасности; •

- обоснован критерий оптимальности, позволяющий обеспечить согласование элементов дегазационной и вентиляционной систем по уровням иерархии технологической системы шахты, единый методнческ, .! подход к решению задач мониторинга газовоздушных потоков в той и яр} I ой системе, а также единую стратегию управления газовыдеяением сг, ;сгвами вентиляции и дегазации;

- разработан метод определения экологически-оптимальных режимов проветривания высокогазообильных шахт и выбора соотношения средств аэро- и газодинамического управления газовыделением на каждом уровне иерархии и по шахте в целом на основе расчета интегральных параметров аэрогазодинамики выработанных пространств;

- разработан метод преобразования сетевой вентиляционной схемы в иерархическую в соответствии с технологической стратификацией шахты, обеспечивающую системный многоуровневый анализ газовоздушных потоков с целью их оптимизации;

- на основе анализа распределения интенсивности фильтрационного потока утечек в выработанном пространстве для наиболее распространенных вариантов схем вентиляции выемочных учэс.ков (1-М-Н-вт, 1-В-Н-вт, 1-В-Н-пт, 2-М-Н-к) разработана методика определения интегральных параметров аэродинамики по данным мониторинга атмосферы.

Методы исследования. В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ опыта дегазации и вентиляционных способов управления газовыделением через выработанные пространства, теоретическое обобщение, физическое и математическое моделирование аэрогазодинамических процессов в выработанном пространстве, шахтные наблюдения и эксперименты.

Обоснованность и достоверность научных наложений, выводов к рекомендаций подтверждается:

- корректным использованием методов теория фильтрации газов в пористых средах, газовой динамики шахт, теории иерархических систем, теории подобия, математического моделирования;

- результатами физического моделирования аэрогазодинамических процессов в выработанных пространствах для условий трех схем вентиляции и интенсивности газовыделения от 4,6 до 26,0 м3/мин в диапазоне режимов проветривания выработанного пространства по интегральному критерию Ле*=0,03-2,4;.

- достаточным объемом натурных измерении: более 5000 параметров в вентиляционных и дегазационных системах на 28 выемочных участках;

- удовлетворительной сходимостью результатов расчетов по установленным зависимостям с результатами натурных измерений (расхождение не превышает 20%).

Научное значение работы заключается в систематизации и обобщении результатов исследований в области аэрогазодинамики выработанных пространств и разработке на этой основе методологии экологически-оптимального управления газовыделением в угольных шахтах.

Практическую ценность имеют:

- алгоритмы комбинированного управления вентиляцией и дегазацией, учитывающие взаимосвязь этих процессов;

- разработка требований к функциональной структуре автоматизированной системы управления пров ггриванием и дегазацией шахт;

- усовершенствование методики расчета интегральных аэродинамических параметров выработанных аросгранств для основных типов схем проветривания выемочных участ;,ов, позволяющей включать выработанные пространства в сетевые расчеты ас гиляцин шахт как элементы с надежно заданными характеристиками;

- методика расчета оптимальных режимов проветривания выемочных участков при наличии дегазации выработанных пространств, обеспечивающих безопасность работ по газовому фактору и одновременно стабильно высокие дебиты и концентрации метана в отсасываемой смеси, что позволяет утилизировать извлекаемый метан;

- методика сравнительно!; оценки экономической эффективности и выбора методов и средств управления газовыделением в любых их сочетаниях для различных технологических систем шахт.

Реализация. Разработанные на основе выполненных исследований методики расчета интегральных аэродинамических параметров выемочного участка и определения оптимальных режимов стационарных и нестационарных газодинамических процессов использовались в качестве основы алгоритма комплексного безопасного управления в автоматизированной системе оперативного управления проветриванием, реализованной на шахте "Коммунист" (Донбасс), а также при расчете параметров переходных газодинамических процессов при разгазировании для условий экспериментального участка, проектируемого для отработки в инертной метановой среде, на шахте "Комсомолец" (Кузбасс); в создании комплексной системы управления газовыделением шахт высокой газообильности в рамках межправительственного российско-американского сотрудничества (Development of safe technology for mining high gas-content coal and other mineral resources); иерархический метод оптимизации режимов проветривания и методика преобразования шахтных технологических схем в иерархические использованы при разработке системы экологического мониторинга горного предприятия. По-лученные-результаты внедрены также в учебном процессе в МГГУ.

Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения работы докладывались и были одобрены на Всесоюзной конференции "Экономические параметры горных предприятий будущего" (Москва, 1976 г.); Всесоюзной научно-практической конференции "Электро- и пожаробезопас-ность эксплуатации электроустановок" (Душанбе, 1990 г.); региональной научно-практической конференции "Горная наука - Кузбассу" (Новокузнецк, 1990 г.); Всесоюзной конференции "Проблемы охрана труда" (г.Рубежное, 1986 г.); на международной научно-практической конференции "Экологические проблемы горного производства" (Москва, 1993 г.); н4 Зсероссий-ском форуме "Геоинформациошше технологии. Управление. Природопользование. Бизнес." (Москва, 1994 г.); на международных научно-практических семинарах "Ресурсосберегающие технологии горного производства" (Москва, 1994 г.) и "Экологические^проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (Москва, 1995 г.); на НТС Гипроуглеавтома-тизацнн (1975-1977 гг.), НТС АО "Ленинскуголь" (1994 г.), на научном семинаре кафедры АОТ МГГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, в том числе две монографии и одно авторское свидетельство.

Объем диссертации. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение, список литературы. Общий объем диссертации составляет 322 страницы, в том числе 269 страниц основного текста, 88 рисунков, 23 таблицы. Список литературы содержит 193 наименования.

Основное содержание раСяги

По современным представлениям, метан в угольных шахтах обуславливает не только производственную, но и экологическую опасность: этот газ относится к числу "парниковых", причем тепловой эффект его за J00 лет в 22 раза превышает эффект аналогичного действий равного количества СО г, несмотря на то, что срок жизни метана в атмосфере is !2 раз короче, чем для СОг (соответственно 10 и 100 лет). Но именно корошш срок жизни метана в атмосфере позволяет эффективно снизить его содержание при ограничении общей эмиссии этого газа. Мировой баланс метана складывается из природного (30 %) и антропогенных (70 %) источников. Тот факт, что концентрация метана в атмосфере за последние 200 лет удвоилась, юворит о преобладающей роли антропогенных источников в современных условиях образова-метана.

Антропогенные источники укрупненно подразделяются на 8 групп: животноводство (23 %), рисоводство (20 %), нефтегазовая промышленность (12 %), сжигание биомассы (12 %), бытовые и промышленные стоки (J1 %), добыча и использование угля (8,5 %), захоронение отходов (свалки) (8 %) н прочие источники (5,5 %). Наиболее крупные страны-загрязнители - Китай, СНГ (СССР), США, Индия и Бразилия (46 % мирового баланса). Во всех этих странах значительный удельный вес дает угольный цикл: в Китае - 26 %, СНГ -11,5 %, США - 18,5 %. И если ограничить эмиссию метана в сельскохозяйственном производстве практически невозможно, то для газо- и нефтепромыслов, для угледобычи и теплоэнергетики эта задача технически осуществима.

В угольном цикле максимальный вклад дает подземная добыча - около 86 %. Основное количеств газа выбрасывается из шахт в атмосферу с вентиляционной струей, но üi) многих странах с развитой угольной промышленностью до 0,3 общей "M.i.aví составляет метан из дегазационных систем, который в той или иной зелени утилизируется.

С увеличением глубины t" сгают общая метанообильность шахт и доля выработанных прострлпс:ч в их газовом балансе. Рост метанообиль-ности вследствие интенсифнкац!;:« уг ледобычи привел к разработке и внедрению различных методов укравчоапя г азовыделением как средств повышения безопасности подземных работ. Существующие методы можно подразделить на два направления: предоп.,р ;.,аюг.ше газовыделение и предотвращающие опасности, связанные с запиип.овати".. выработок. Наиболее распространенными являются аэродинамические* (разбавление метана) и дегазация. Причем традиционно основным назначением этих методов является "борьба с метаном", т.е. экологический аспект проблемы выделения метана не учитывается.

Прогрессивные схемы вентиляции связаны с управлением газовыделением через выработанные пространства и приводят к увеличению доли этого

источника в газовом балансе участков, а также к возрастанию общих расходов воздуха. Все это увеличивает эмиссию метана в земную атмосферу. Дегазационные способы обеспечивают организованный отвод метана, позволяющий использовать каптируемый газ и тем самым снизить выброс метана в атмосферу. Однако при отсутствии утилизации дегазационные способы также увеличивают общую эмиссию метана.

Высокие коэффициенты дегазации участков достигаются только при схемах, включающих детзацию выработанных пространств. При современных нагрузках газообильность выемочных участков столь высока, что одна дегазация зачастую не обеспечивает требуемой безопасности работ, и наибольшее распространение на высокопроизводительных газообильных шахтах получили комбинированные методы управления, сочетающие новые схемы вентиляции с дегазацией выработанных пространств.

Эффективность дегазации выработанных пространств и параметры отсасываемой смеси существенно зависят от аэродинамического режима участка, т.е. от интенсивности утечек: увеличение выноса метана вентиляционной струей снижает дебит и концентрацию газа в дегазационной системе, и Наоборот, с уменьшением доли газа, выносимого вентиляционным потоком, возрастает эффективность дегазации.

Поскольку с точки зрения снижения экологической вредности горного производства требуется утилизация метана, то необходимо определить область режимов проветривания, при которых обеспечивались бы кондиционные параметры отсасываемой газовоздушной смеси и одновременно безопасные концентрации метана в горных выработках.

Кроме того, выработанные пространства представляют собой наибольшую опасность н по самовозгоранию, причем важнейшую 1 эль в этом процессе также играет режим фильтрации утечек, поскольку скорость фильтрации определяет условия температурного режима в зоне обрушения. С другой стороны, повышенное газовыделение снижает концентрацию кислорода Ог, необходимого для окисления угля. Поэтому существует определенное противоречие между мерами борьбы с газом и с эндогенными пожарами. Для газообильных шахт, как правило, режим проветривания определяется по газовому фактору, а снижение пожароопасное™ достигается специальными мероприятиями.

В этом плане важнейшее значение приобретает газовый мониторинг выработанных пространств, обеспечивающий контроль не только метана, но и оксида (СО), и диоксида (СОг) углерода, а также температурного режима, характеризующих протекание окислительных процессов. Поскольку любые аварии, связанные с нарушениями проветривания шахты (пожары, газодинамические проявления), приводят к дополнительному выбросу в атмосферу Земли значительных объемов вредных и ядовитых газов, то цели мониторинга шахтной атмосферы совпадают с целями экологического мониторинга, а именно: оценка и прогноз выделения вредностей для выбора обоснованных

управляющих воздействий, повышающих как производственную, так и экологическую безопасность.

Таким образом, газовый режим, в значительной степени определяющий эффективность функционирования шахты как сложной самоорганизующейся системы, существенно зависит от режима проветривания выемочных участков. В настоящее время нет методологии, обеспечивающей системный подход к взаимосогласованию процессов вентиляции и дегазации, рассматривающей одновременно проблемы безопасности труда и экологии. Поставленные в настоящей работе задачи исследований направлены на решение этой проблемы.

Процессы распространения метана в шахтных воздушных потоках широко исследовались для решения ряда важнейших практических проблем рудничной вентиляция. Так, основы теории диффузии примесей в шахтных вентиляционных потоках, разработанные В.Н.Ворониным, стали основой для создания методов расчета воздуха, необходимого для проветривания очистных и подготовительных забоев; целью многочисленных исследований стало решение проблемы слоевых скоплений метана, которой занимались в нашей стране А.И.Бобров, А.М.Кириченко, В.Г.Клочков, Н.М.Кошелев, А.Л.Сурков, Л.А.Пучков, А.М.Устинов, К.З.Ушаков, М.А.Фролов и др.; в Англии - Т.Х.Эллисон, Д.С.Тернер, Е.Дж.Рейн, П.Бэк.ке и С.Дж.Лич. В общем комплексе задач рудничной аэрологии диффузионные процессы в зыра-ботанных пространствах представляют собой наибольшую трудность. Решению этих задач посвящены труды Ф.А.Абрамова, А.'Т.Айруни, В.А.Бойко, А.А.Волкова, Б.Е.Грецингера, Ф.С.Клебанова, В.А.Колмакова, И.М.Ме-стера, А.А.Мясникова, М.А.Патрушева, Л.А.Пучкова, В.А.Святного, И.В. Сергеева, Б.Г.Тарасова, Р.Б.Тяна, Н.И.Устинова, К.З.Ушакова, Л.П.Фельдмана, Г. А.ЦЬйелева и др.

Газовыделение из выработанного пространства в горные выработки представляет собой чрезвычайно сложный процесс диффузии активного газа в фильтрационном потоке утечек воздуха через анизотропную крупиокуско-ватую пористую среду. Этот процесс определяется множеством разнородных факторов. Упрощенно этот процесс может быть оцисан системой уравнении:

d;v(pv)=0 (1)

p?t + p(vv)V + F. V2 = -gradP-Н v + MV>V •; (2) d(ecMp)

- 4 VpcMv = VepDVcM ; (3)

, <7l

...........P=RTpi^ , (4)

...... U'« И. J

где Р - давление. Па; V - вектор скорости, м/с; р - плотность воздуха, кг/(м с); ц - вязкость воздуха, кг/(Н с); к - проницаемость пористой среды, м2; I - характерный геометрический размер потока, м; 1 - время, с.

Дэк- в упрощенном виде данная система не имеет аналитического решения, а применение численных методов позволяет лишь исследовать определенные закономерности, но не дает приемлемой для практики точности решений ввиду сложности описания специфических особенностей выработанных пространств, основные из которых следующие.

Граничные условия приведенной системы уравнений определяются схемой взаиморасположения выработанного пространства и оконтуривающих его выработок. Применяемые в настоящее время схемы проветривания весьма разнообразны, поэтому потоки утечек могут иметь очень сложную пространственную конфигурацию. Потоки воздуха в выработках, примыкающих к выработанному пространству, характеризуются переменным расходом вследствие наличия утечек или притечек воздуха.

Источники поступления газа в выработанное пространство (невыиимаемые пачки и иелики угля, разгруженные сближенные пласты и вмещающие породы) локализуются в его объеме неравномерно, и интенсивность их изменяется по мере отработки выемочного столба.

И, наконец, выработанное пространство само по себе как фильтрующая среда не является статичным континуумом, а представляет собой сложную структуру, основные характеристики которой постоянно меняются во времени и пространстве по мере подвигаиия очистного забоя. Интенсивность этих изменений зависит от горно-геологических и технологических факторов.

Таким образом, каждый участок определяется индивидуал чыми аэро-гззодинамическими параметрами, но при наличии явно выраженных общих закономерностей. Ввиду сложности точного описания исследуемых процессов было разработано множество упрощенных моделей как в нашей стране, так и за рубежом: это статистические модели Ф.А.Абрамова, Р.Б.Тяна, А.А.Волкова и др.; модели О.И.Касимова и Р.Э.Капиева, основанные на эмпирических зависимостях; модель И.М.Местера, полученная методами теории автоматического управления. Общий их недостаток - необходимость предварительного экспериментального определения параметров моделей для. каждого конкретного участка.

Целый ряд моделей предложен на основе фундаментальных физических исследований процессов диффузии, определяющих критериев подобия, фильтрационных характеристик выработанного пространства, выполненных К.З.Ушаковым, М.А.Патрушевым и др. Реализация таких моделей осуществлялась итерационными методами. Их недостаток состоит в том, что в уравнения, описывающие диффузионные процессы в выработанном пространстве, входят константы, трудноопределимые на практике. Следствие этого - низкая точность результатов расчетов.

Поскольку практически трудно адекватно отразить всю сложность процессов взаимодействия между подрабатываемым горным массивом, газовыми и воздушными потоками, то целесообразно перейти о г сложных многопараметрических моделей к динамическим моделям интегрального характера. Для этого необходимо выделение наиболее существенных взаимосвязей между основными факторами и параметрам«!. Факторы, слабо влияющие на протекание описываемых процессов, как правило, зависят от основных параметров и могут быть учтены в макромодели через интегральные характеристики. Это упрощает описание сложных явлений без потери необходимой точности, сокращает объем анализируемой информации и облегчает процесс принятия управляющих решений.

Экспериментальное изучение распределения воздуха, метана и других газов в объеме выработанного пространства в натурных условиях весьма затруднительно ввиду труднодоступпости объекта исследования, большого числа случайных возмущающих воздействий в шахтных условиях и низкой .точности шахтных измерений. Поэтому в исследовании аэрогазодинамики выработанных пространств широкое распространение получили методы физического моделирования. Так, А.Ф.Милетич и Ф.С.Клебанов эффективно использовали электрическое моделирование с целью изучения качественной картины фильтрации. Недостаток большинства работ по электромоделированию - ограничение рамками потенциальных течений, удовлетворяющих уравнению Лапласа.

В связи с этим при изучении механизма выноса газа из зоны обрушения наиболее целесообразным представляется аэродинамическое моделирование, позволяющее получить основные закономерности фильтрации и распределения газа в выработанном пространстве. Эти закономерности могут быть использованы для построения достаточно простых математических моделей, отражающих основные физнч.ские явления с приемлемой для практики точностью в постоянно меняющихся условиях ведения горных работ.

Физическое моделирование применялось рядом исследователей для решения различных задач аэрогазодшшмики выемочных участков (Р.Э.Капиев, П.И.Мустель, В.А.Чирков, Дж.Янг и М.МакФер^он (Англия) и др.). Наиболее полное комплексное исследование аэрогазодинамики выработанных пространств на физической модели было проведено в МГИ под руководством Л.А.Пучкова при участии автора. Исследовались как стационарные, так и нестационарные газодинамические процессы для разных типов схем вентиляции, как при дегазации выработанного пространства, так и при отсутствии ее.

При физическом моделировании необходимо соблюдать подобие исследуемых процессов. Критерии подобия определяются из уравнений, описывающих движение метановоздушной смеси в выработанном пространстве, с помощью методов теории размерностей:

а) условие Рейнольдся

(6)

в) условие Пекле

' Ре = -— = сопб1 ; О

г) условие Струхаля ( критерий гомохронности )

(7)

Н0 =-= СОП51 ,

(8)

где Т - характерный период времени; О - коэффициент диффузии.

Одновременное выполнение всех условии подобия невозможно, но анализ соотношения соответствующих сил в реальных условиях, имеющих место в шахтах,.позволяет сделать вывод о необходимости соблюдения одного основного критерия - числа РеГшольдса. Условие Эйлера при этом выполняется автоматически; проявление сил плавучести (число Пекле) ощутимо лишь при очень слабых режимах проветривания, когда преобладающее значение имеет молекулярная диффузия. Коэффициент диффузии является комплексным параметром, который зависит от скорости фильтрации и аэродинамических характеристик проницаемости к и макрошероховатости 1. Поэтому при равенстве чисел РеГшольдса и подобии распределения к(х) и 1(х) в модели обеспечивается подобие коэффициентов диффузии.

Дополнительно к последнему условию при моделировании необходимо соблюдать геометрическое подобие и идентичные граничные условия поступления метана о выработанное пространство.

Полученные при Моделировании результаты сопоставимы с натурными данными, что подтверждает достаточность принятых критериев подобия.

При решении инженерных задач гидравлики использование уравнений движения в дифференциальной или тензорной форме нерационально, их заменяют интегральным выражением закона сохранения энергии, называемым законом сопротивления, отражающим влияние основных сил, действующих в движущемся потоке.

Анализ уравнений турбулентной фильтрации показал, что в этих уравнениях в диапазоне реальных режимов движения воздуха через обрушенные породы при решении задач фильтрации необходимо в равной мере учитывать действие как вязкостных, так и инерционных сил. Для оценки режима фильтрации, по аналогии с движением воздуха в трубах, принято число Рей-нольдса, отражающее соотношение сил ингрцин и вязкости. Для пористых сред в выражении числа Рейнольдса в качестве характерного размера приня-

то отношение к/1 (к - проницаемость, комплексно отражающая свойства пористой среды, влияющие на силы трения; 1 - макрошероховатость, определяющая способность среды к турбулизации потока, т.е. свойства, влияющие на развитие сил инерции). Поскольку к и 1 изменяются по мере удаления от лавы, то в пределах одного участка можно встретить разные режимы фильтрации. Поэтому применительно к фильтрационным движениям в выработанных пространствах нельзя ограничиваться рамками одного ламинарного или турбулентного режима: описания распределения давлений и скоростей в них должны базироваться на универсальном законе сопротивления, учитывающем потери энергии и на трение, и на преодоление сил инерции.

Наиболее целесообразным для описания движения воздуха в обрушенных породах представляется двучленный закон сопротивления

где Ь - депрессия; Я' и Я" - соответственно линейная и квадратичная составляющие ' аэродинамического сопротивления выработанного пространства; Ч^ВП

- утечки через выработанное пространство; Ь - длина пути фильтрации; Б - площадь фильтрации.

В данном выражении .первый (линейный) член правой части отражает действие сил вязкости, второй (квадратичный) - сил инерции. Вид коэффициентов Я' и И" и их связь с характеристиками пористой среды также получены из уравнений турбулентной фильтрации Е.М.Минского. В этих формулах ц/к и р/1 - аналоги удельного аэродинамического сопротивления г(х), численно равного сопротивлению объема пористой среды площадью 1 м2 и длиной 1 м.

Известно, что с достаточной степенью точности изменение параметров к и 1 по длине'выработанного пространства х можно описать эмпирическими зависимостями, включающими коэффициенты, не зависящие от режима проветривания, учитывающие характер обрушения массива:

к = Ь-х_с; 1 = , (10)

где Ь, (1 - коэффициенты, учитывающие тип вмещающих пород; с - коэффициент, учитывающий скорость подвигания очистнйго забоя.

С помощью математического моделирования исследовалось влияние основных горно-геологических и горнотехнических факторов на'величину Я' и Я". Правомерность применек»: пр» [веденной формулы закона сопротивления подтверждена также многочисленными экспериментальными исследованиями на рудниках и шахтах СНГ (СССР). Практическое решение задачи определения аэродинамических сопротивлений на данной основе позволяет включить их в расчет вен¡¡икциаг-ых сетей как элементы с надежно заданными параметрами.

Выше' отмечалось, что для решения диффузионных задач необходима оценка интенсивности фильтрационных потоков утечек комплексным инте-

тральным параметром, учитывающим все факторы, определяющие специфику аэродинамики выработанных пространств. Очевидно, что таким критерием можно считать среднеицтегральное число Рейнольдса, т.е. такое значение его, положение которого в объеме выработанного пространства является точкой приложения условных сил фиктивного потока утечек.

Если микрочисло Рейнольдса отражает влияние на режим фильтрации структуры обрушенного массива, т.е. размеров и шероховатости частиц, формирующих пористую среду, и размеров поровых каналов, то интегральное число Рейнольдса учитывает также влияние геометрических размеров выработанного пространства'и конфигурации потока утечек (определяемой схемой проветривания).

Исходя из физического смысла линейной и квадратичной составляющих аэродинамических сопротивлений, интегральное число Рейнольдса Ле* можно выразить через их отношение и величину уте.чек

.. (11)

Исследования скоростной структуры фильтрационных воздушных потоков в выработанном пространстве и получение описания полей чисел Рейнольдса для основных типов схем проветривания подтверждают правомерность применения данного критерия для комплексной оценки эффективности проветривания выработанного пространства.

Таким образом, на основе экспериментально установленных физических закономерностей разработана методика определения интегральных параметров аэродинамики выработанных пространств по результатам газовоздушного мониторинга.

Исследование стационарных газодинамических процессов на первом этапе проводилось на плоской модели участка выработанного пространства, параллельного очистному забою. В результате этих работ было установлено, что метан скапливается в узкой зоне вблизи выхода потока утечек на вентиляционный штрек. Полученная качественная картина распределения метана в выработанном пространстве подтвердила, что основным фактором, определяющим поле концентраций, является скорость фильтрации.

Второй этап исследований проводился с участием автора и имел своей целью получение количественных зависимостей распределения метана в объеме выработанного пространства от режима фильтрации. Результаты моделирования показали, что формирование поля концентраций определяется, главным образом, интенсивностью режима фильтрации, пространственной структурой потока утечек (т.е. схемой проветривания) и интенсивностью источника газовыделения.

Для любого типа схем имеет место зона повышенных концентраций газа, локализация которой зависит от распределения источника газовыделения по длине выработанного пространства, определяемого характером сдвижений, и схемы вентиляции и не зависит от интенсивности газовыделения. Кон-

центрация газа увеличивается по высоте и в направлении к вентиляционному штреку с возрастающим градиентом. По длине выработанного пространства положение коллектора метана не меняется с изменением режима при воз-вратноточных схемах проветривания и оттесняется в глубь выработанного пространства с усилением проветривания при прямоточных схемах с выдачей исходящей струи на выработанное пространство. Для всех режимов проветривания распределение концентраций по длине выработанного пространства характеризуется сложной зависимостью экстремального характера: вначале происходит рост концентрации с увеличением х, а затем, после достижения максимального значения, наблюдается период относительной стабилизации и спад концентраций. В области спада наблюдается выравнивание содержания газа по всем трем координатам.

Исследование влияния интенсивности источника показало, что увеличение газовыделения, при прочих равных условиях, приводит к возрастанию концентраций, а характер кривых распределения не меняется. Т.е. результаты моделирования подтверждают, что диффузионным процессам свойственна прямо пропорциональная зависимость концентрации от интенсивности потока.

Сравнение значений концентраций и их распределения при различных схемах подтверждает известное положение о том, что наибольшее количество газа выносится воздухом из выработанного пространства при схеме 1 -В-Н-вт (сплошная система разработки), наименьшее - при схеме 1-М-Н-ит (столбовая система разработки). Так, в моделируемых условиях при сплошной системе в диапазоне чисел Рейнольдса от 0,14 до 0,04 скопления свободного метана составили от 540 до 4540 м3; при столбовой - в диапазоне Ле=0,16-0,09 - от 6820 до 38670 м3 ; прямоточная схема занимает промежуточное положение. Поэтому самой благоприятной, с точки зрения дегазации, является возвратно-точная схема при столбовой системе разработки. С точки зрения вентиляции, это наиболее неблагоприятная схима, вследствие концентрированного выноса метана утечками на сопряжение вентиляционного штрека с лавой, способствующего образованию здесь м; лных скоплений. Кроме того, область максимальных концентраций находится в непосредственной близости от лавы, что создает опасность загазирозаний при изменении режима проветривания или газовыделения. Наиболее рациональной, с точки зрения управления проветриванием, является прямсъоччая схема проветривания с выдачей исходящей струи на выработанное пространство.

Исследование динамик!/зон высоких концентраций газа в зависимости от режима вентиляции показало, чту при любых схемах проветривания уменьшение дебита воздуха приводит х смещению изогаз в направлении к лаве и откаточному штреку, увеличение расхода воздуха вызывает перемещение изогаз к вентиляционному штреку и в глубь выработанного пространства, т.е. происходит увеличение или снижение концентрации метана по всей площади призабойнсто и выработанного пространств. Область, в кото-

рой скапливается основное количество метана, характеризующаяся высокими концентрациями газа, является основным источником поступления его в выработай участка: при попадании дегазационной скважины в эту область снижается концентрация метана в исходящей струе участка. По этому признаку данная зона была определена как зона высоких концентраций (ЗВК). Длина ЗВК при возвратноточных схемах проветривания не зависит от режима проветривания (Re*) и составляет для схемы 1-М-Н-вт около 150 м (что соответствует данным шахтных замеров продуктивности вертикальных дегазационных скважин, пробуренных с поверхности); для сплошной системы разработки (схема 1-В-Н-вт) ЗВК даже при слабых режимах вентиляции отсутствует, что также подтверждается опытом дегазационных работ в Донбассе: без изоляции выработанного пространства дегазация его неэффективна. При прямоточной схеме проветривания (1-В-Н-пт) ЗВК не только смещается по длине выработанного пространства, но и меняется ее длина: с усилением проветривания она снижается от 150 до 100-120м,'т'к. начало зоны смещается в глубь обрушения более интенсивно, чем ее конец. Получено эмпирическое описание зависимости изменения расстояния от лавы до точки с максимальными значениями концентраций.

Изменение концентраций метана в зависимости от интегрального числа Рейнольдса Re* списывается экспоненциальными функциями (для всех исследованных схем проветривания): а) схема 1-М-Н-вт

1

I,

•Re -10 +1

Re -102 + 1

-exp

^■S„.x0(Re-J

б) схема 1 -В-Н-вт

1

•Re'102 + 1

Г = JU_

m" Re'102 + 1

■exp

S- x0(Re-J

в) схема 1 -В-Н-пт I

•Re'10 +1

у • IVC ' IU f 1 .-

(12)

(13)

(14)

где ко, !0, Бо - параметры, соответствующие х = х0; к", Г, Б* - параметры, соответствующие х = X'*, 1| - интенсивность источника газовыделения, при которой коэффициент перед экспонентой обращается в единицу, м3/мин; I - интенсивность источника газовыделения, мУмин.

Таким образом, вследствие неравномерности поступления газа и распределения утечек по длине выработанного пространства распределение г аза в его объеме даже при стационарном режиме проветривания крайне нерав-

номерно. При любых режимах и схемах вентиляции ЗВК располагаются в области выхода потока утечек у вентиляционного штрека на расстоянии около 0,251, в верхней части зоны обрушения (на высоте примерно 0,8Мап).

Полученные результаты представляют собой надежную базу решения задач нестационарной диффузии для определения рациональных методов управления газовыделением с учетом характера переходных процессов.

Основной характерной особенностью переходных газодинамических процессов на выемочных участках является резкое возрастание - "всплеск" -концентрации метана в исходящей струе при увеличении расхода воздуха в лаве. Как отмечалось выше, изучению переходных процессов уделялось много внимания как отечественными, так и зарубежными исследователями, результатом чего явилась разработка различных методов и алгоритмов автоматического регулирования проветривания выемочных участков, но большинство из них не вышли за рамки использования эмпирических соотношений между различными определяющими факторами. Физическое моделирование нестационарных процессов позволило установить основные физические закономерности данного явления и создать на этой основе алгоритмы безопасного оперативного управления газовыделением путем изменения аэродинамического режима, исключающие возникновение "всплесков".

Анализ зависимостей переходных процессов СО) показывает, что "всплеск" концентрации отражает типичный диффузионный процесс распространения метана от локального во времени источника. Поскольку "всплески" наблюдаются в исходящих струях участков, а не в очистных забоях, то источником этим является метан, скопившийся в выработанном пространстве. Увеличение расхода воздуха в лаве приводит к увеличению интенсивно проветриваемого объема выработанного пространства и выносу дополнительного количества метана в горные выработки. Таким образом, увеличение расхода воздуха приводит к появлению дополнительного источника газовыделения. Интенсивность основных источников при этом изменяется лишь в тех случаях, когда в зону беспорядочного обрушения попадают достаточно мощные газоносные угольные пропластки или пласты-спутники, а также когда перепад давления, определяющий поступление метана в выработанное пространство, соизмерим с изменением давления в вентиляционной струе.

Изменение концентрации метана в период переходного процесса, как установлено.ранее, может быть описано зависимостью

где 1,„ и Г»п - соответственно, интенсивность основного и дополнительного источников метановыделеьля из выработанного пространства; У2 - ско-

(15)

рость фильтрации после изменения режима проветривания; тв - вынимаемая мощность пласта; у - координата.

Ранее на основе результатов моделирования было установлено, что интенсивность дополнительного источника возрастает по мере расширения области интенсивного проветривания выработанного пространства с увеличением Ие*, затем, когда расширение этой области ограничивается, темп нарастания Г.п замедляется и, начиная с Яе*2=0,54, интенсивность дополнительного источника становится постоянной. Предельный уровень Гвп практически равен объему выработанного пространства, заполненного свободным метаном. Такой способ количественной оценки заполненности выработанного пространства целесообразен для решения задач оптимального использования комбинированных методов управления газовыделением средствами вентиляции и дегазации.

Исследования, проведенные на газообильных шахтах в Донбассе и Кузбассе, подтвердили достоверность полученных результатов и адекватность предложенной механической модели физической сущности рассматриваемого явления. Таким образом, из зависимости С(1) следует, что снижение концентрации метана в период переходного процесса может быть достигнуто путем увеличения начального режима фильтрации Яе*| (снижением интенсивности условного источника Г.п) и путем увеличения интенсивности нового режима Яе*2 (за счет повышения коэффициента диффузии). Возможна реализация и таких комбинаций Яе*| и 11е*2, при которых повышения концентрации газа при увеличении расхода воздуха на выемочном участке не будет.

Это положение является основой принципа безопасного регулирования вентиляции, который заключается в том, что переход от одноп ровня расхода воздуха <3| к другому С>2 (С3|>(32) осуществляется через промежуточный уровень, называемый безопасным, Ре. Этот уровень определяется минимальным расходом, при переходе на который "всплески" концентрации отсутствуют. Такое регулирование было названо безопасным, поскольку позволяет оперативно и без превышений допустимых концентраций в выработках обеспечить переход к более интенсивному режиму проветривания для ликвидации загазирований, вызванных быстрым возрастанием интенсивности основного источника газовыделения (например, при обрушениях основной кровли, при интенсивной работе выемочной машины, при внезапных падениях атмосферного давления и т.п.).

На основе результатов физического и математического моделирования нестационарных газодинамических процессов, были разработаны модели и алгоритмы оперативного регулирования вентиляции, не учитывающие, однако, взаимосвязи вентиляционных режимов с процессами, определяющими эффективность дегазации выработанного пространства.

Взаимодействие этих процессов также изучалось на базе результатов физического моделирования.

Выше было показано, что объем свободного метана, величина концентрации газа и положение ЗВК полностью определяются интенсивностью источников газовыделения, схемой проветривания участков и интегральным критерием Рейнольдса Re*, который, в свою очередь, зависит от расхода воздуха, подаваемого в очистной забой, и сопротивления выработанного пространства. Закономерности газовой динамики выработанных пространств показывают, что с увеличением расхода воздуха в лаве концентрация метана в дегазационных скважинах должна падать. Это подтверждается шахтными данными. На отдельных участках при уьсличении расхода воздуха в лаве в 1,5 раза наблюдалось снижение дебита газа в дегазационной системе на 25 %, что привело к увеличению концентрации газа в исходящей струе с 0,8 до 1,] %.

Исследование факторов, влияющих на дегазацию выработанных пространств, показало, что основными являются решш и схема проветривания. Интенсивность источника газовыделения влияет на эффективность дегазации незначительно, только в стадии разворота горных работ - при длине выработанного пространства до 150 м. При дальнейшем увеличении длины отработанной части выемочного столба эффективность ее зависит от аэродинамических факторов и места расположения скважин: при попадании их в ЗВК, которые формируются утечками, коэффициенты дегазации достигают 90 % от газообильности выработанного пространства. Изменение режима движения утечек от ламинарного к турбулентному приводит к интенсивному спаду дебита метана. Получено количественное выражение э гой зависимости:

1Д =I0.exp^xu-S()-Re*tj , (16)

где 1Д - дебит метана в дегазационной системе.

Увеличение Re* влияет на продуктивность дегазационных скважин аналогично его влиянию на распределение концентрации газав выработанном пространстве, но максимальные концентрации в скважинах значительно ниже. Так, для схемы 1-М-Н-вг отношение " равно 1,16, для 1-В-Н-

вт - 2,16, для 1-В-Н-пт - 1,60.

Исследование влияния разрежения на параметры дегазации позволило установить, что с увеличением Re* градиент изменения концентрации Ся в зависимости от вакуума В падает. При прочих равных условиях с ростом вакуума концентрация газа в отсйсмааемой.смеси уменьшается практически линейно, а дебит его возрастает с уменьшающимся темпом. Зависимости, описывающие СД(В) и 1Д(В), имею i следующий вид:

1д = (ЗсмСд; с,=с0ехр, .fi); QCh, = а + рв , (17)

где QCM - дебит газовоздушной смеси в дегазационной системе; а, а и Р - эмпирические коэффициенты.

Оптимальное значение разрежения не зависит от режима проиетршш-Ш1я, а определяется глубиной разработки и сопротивлением дегазируемою объема выработанного пространства. Для условии модели наибольшая эффективность дегазации достигалась при В= 120-80 мм вод.ст. При этом большее значение вакуума соответствовало меньшему расстоянию от скважины до лавы.

Аналогичные результаты были получены в МакНИИ в ходе шахтных экспериментов. Работами В.А.Колмакова н Кузбассе так;:;е подтверждается факт, что независимо от величины разрежения изменение дебита газа подлине выработанного пространства соответствует распределению концентраций

Анализируя изложенные выше результаты, можно заключить, что основные факторы, влияющие на эффективность дегазации выработанных пространств - величина утечек, скорость подвигання очистного забоя, схема проветривания, - учитываются в совокупности аэродинамическим критерием Яе*. С другой стороны, наблюдается н обратное влияние дегазационных скважин на распределение утечек и концентраций газов в объеме выработанного пространства, а также на величину газопыделення. Однако, в целом, как показывают результаты моделирования и шахтные наблюдения, проведенные ВостНИИ, применение дегазации ппкуумирочанными скважинами и даже группами скважин значительного изменения в распределение концентраций газа в объеме выработанного пространства неяноент.

Существенное влияние на аэрогазодинампку выработанных пространств оказывает дегазация фланговыми скважинами большого диаметра с газоотсасмвакицнми вентиляторами. Такая схема широко применяется в Ленинском районе Кузбасса при бесцелихоиой отработке высокогазоносных пологих пластов средней мощности. Работа газоотсасывающего вентилятора производительностью 300 мЧмнн изменяет не только величину утечек, но и направление их движения, а также расход воздуха на участке и узловую депрессию. Соответственно меняется поле концентраций метана в системе "горные выработки - выработанное пространство", поскольку локализация скоплений метана в зоне обрушения определяется полем скоростей фильтрации.

Опытом отработки участков с дегазацией выработанных пространств установлено, что эффективность вентиляции по мере отработки выемочного столба изменяется: с увеличением длины отработанной части эффектлвность средств вентипяцми при прочих равных условиях уменьшается, а эффективность дегазации соответственно возрастает, что объясняется уменьшением доли газа, выносимого из выработанного пространства потоком утечек.

Очевидно, при отсутствии утечек эффективность дегазации будет наибольшей. Но при этом в лазе и на участке концентрация метана может превысить допустимые пределы. При интенсивных режимах проветривания, хотя в лаву и подается достаточное количество воздуха, в целом по участку.газовая обстановка может быть неблагоприятной вследствие низкой степени

дегазации. Следовательно, должен существовать диапазон оптимальных режимов проветривания, обеспечивающих высокую эффективность дегазации и благоприятную газовую ситуацию на участке. Это обуславливает необходимость решения проблемы совместного управления вентиляцией и дегазацией выработанных пространств. Исследования указанной взаимосвязи и получение описывающих ее количественных зависимостей делают возможным решение этой задачи.

На основании проведенных лабораторных исследований установлено, что для выемочных участков существует некоторый диапазон режимов проветривания, наиболее рациональных, с точки зрения совместной работы вентиляции и дегазации выработанных пространств, обеспечивающих нормальную газовую обстановку на участке и высокую эффективность дегазации. Для условий модели рациональные режимы соответствовали области IIе' = =0.06-0,07 для прямоточной схемы проветривания и Яе* ~ 0,17-0,18 - для воз-вратноточной с выдачей исходящей струи на массив. При этих значениях концентрация метана в исходящей струе участка не превышает допустимую, а концентрация газа в скважине - выше верхнего предела взрывчатости метана.

Анализ данных, полученных из материалов шахтной отчетности и фондов ВостНИИ, подтверждает существование в реальных условиях оптимальных с точки зрения как вентиляции, так и дегазации режимов проветривания.

Таким образом, установлено, что при прочих равных условиях эффективность дегазации выработанных пространств повышается при снижении интенсивности проветривания участка. Следовательно, оптимальным с точки зрения максимальной эффективности как дегазации, так и вентиляции выемочного участка будет наименее интенсивный из режимов проветривания, при котором обеспечивается содержание метана в исходящей струе, не превышающее допустимых норм.

Это условие можно записать следующим образом:

0,01(2,4 (це* )= 1д + \ю -10 схр^-А Ке,с) , (18)

где 1л- газовыделение из пласта, м3/мин; 1т - газовыделение из выработанного пространства с учетом каптируемого метана, м'/мин; (¿уч - количество воздуха, подаваемого в лаву, м3/мин.

Такое уравнение может быть решено графически или приближенными методами.

Следует отметить, что значения Ь и 1.п не являются постоянными для одного и того же участка, они изменяются по мере отработки выемочного столба и даже в течение смены (в зависимости от графика работы выемочной машины). Каждая составляющая газового баланса участка имеегг свою характерную ритмику изменения, соответствующую условиям отработки конкретного участка. Это связано с пространственно-временной стратифициро-ванностыо горнотехнологических процессов. Поэтому однозначно опреде-

лить оптимальный режим проветривания участка на весь период его отработки нельзя, он должен рассчитываться по данным оперативного контроля параметров шахтной атмосферы.

Диапазон оптимальных режимов в добычные смены можно определить, исходя из разницы газопыделения в очистном забое в нерабочую смену (1Ло> и при максимальной производительности выемочной машины (I.»пи). Подставляя соответствующие значения в выражение (18), можно построить графики правой и левой частей указанного равенства для расчетных условии п определить требуемый диапазон Яе\ как показано на рис.1.

Использование полученных выше зависимостей для выбора оптимального с точки зрения дегазации аэродинамического режима иллюстрируется рис.2, на котором взаимосвязь параметров вентиляции и дегазации представляется в виде номограммы.

Графики в верхней полуплоскости представляют собой эмпирические кривые, связывающие кд и (3Уч с числом Яе\ полученные на основе вышеизложенной теории по данным мониторинга шахтной атмосферы. В осях к., -1, осуществляется переход от значений коэффициента дегазации к значениям доли газовыделения, поступающей в горные выработки, при этом газоо-бильносгь пласта Ь принимается не зависящей от Яе\ Прямая 0.ж,(1,) в осях (2уч - 1« отражает ограничение по концентрации метана в вентиляционной струе (согласно ПБ принято СДоп=1,0 %).

При высокой скорости подвигания очистного забоя вследствие высокой проницаемости выработанного пространства условие (18) может соблюдаться только при интенсивных режимах проветрнвания, соответствующих низкой эффективности дегазации (при малых углах наклона прямой <3Уч(Яе"). В таких случаях достижение требуемых параметров отсасываемой газовоздушной смеси может быть обеспечено созданием искусственной пожаро-взрывобезопасной метановой среды в пределах выемочного участка, изолированного от общешахтной вентиляционной сети.

В основе разработанных к настоящему моменту алгоритмов управления шахтными дегазационными системами лежит принцип максимизации суммарного дебита метана путем оптимального распределения вакуума по скважинам и участковым трубопроводам. Из вышеизложенного следует, что этот алгоритм необходимо дополнить методами аэродинамического воздействия на газовыделение из выработанного пространства. В работе предлагается алгоритм комбинированного управления дегазацией, который может быть включен в общешахтную систему управления вентиляцией и дегазацией. В настоящее время в структуре АСУ ТП шахт эти подсистемы рассматриваются как автономно функционирующие, что отражает существующий подход к организации проветривания и дегазации, не учитывающий их взаимной связи.

Производственный опыт и многочисленные научные исследования убедительно доказывают необходимость взаимосогласования управления газо-

Рис.1. Схемам определению диапазона оптимальных режимов вентиляции участка в добычные смены: - интегральное число Реннольдса;

- расход воздуха на участке; - абсолютное газовыделение из выработанного пространства; Эл - абсолютное газовыдсление из пласта; Од - количество метана, удалаяемого дегазацией; Зуч -абсолютное гязовыделенпе участка (с учётом дегазации); -

газовыцелекде в нерабочие смены; т0 ;"е* ПРИ макси"

мальной производительности выемочной машины

/?е"{Ог

Рис.2. Схема к выбору оптимального резллка проветривания выемочного участка: /?е" - интегральное число Рейнольдса; и к^- соответственно максимальный и минимальный коэффициенты дегазации;

^"}уЧ. - расход воздуха на участке; - газовыделеиие в вентиляционную сеть участка; - абсолютное газовыделение участха (с учётом дегазации); О3оп - минимально допустимое по газовому фак--тору значение расхода воздуха (по ПБ)

выделением аэро- и газодинамическими методами и четкого разделения их функций. Так. оперативное управление газовой ситуацией на участке (при обрушениях основной кровли, интенсивной работе выемочной машины и других процессах, сопровождающихся высокой скоростью возрастания концентрации метана) должно осуществляться только средствами вентиляции, путем увеличения расхода воздуха в соответствии с алгоритмами безопасного регулирования, т.к. дегазационные системы более инерционны. Низкоинтенсивные. рациональные с точки зрения дегазации, режимы проветривания должны иметь место при плавном регулировании. При низкочастотных колебаниях концентраций метана дегазационные методы могут конкурировать с аэродинамическими и в случаях равной безопасности являются более предпочтительными.

Стратегия управления режимом проветривания шахт должна учитывать не только газовую опасность, поскольку вентиляционный режим шахт в целом определяемся совокупностью разнородных фактороз, отражающих характерные, индивидуальные для каждого объекта особенности технологии и организации ведения работ. Так, при разработке высокогазоносных пластов, склонных к самовозгоранию, наряду с газовым фактором важнейшей задачей является предотвращение возможностей возникновения эндогенных пожаров. Поскольку изменение режима проветривания технически наиболее легко осуществимо, широкое применение в этом плане получил аэродинамический метод, суть которого состоит в ограничении поступления воздуха в зоны с потенциальными источниками самовозгорания пожаробезопасными режимами. Выше отмечалось также значение экологического аспекта управления газовыделением. Таким образом, оптимальный режим проветривания шахты в целом необходимо выбирать с учетом всей совокупности лимитирующих факторов.

Деятельность столь сложного объекта, как шахта, характеризуется комплексом функциональных критериев эффективности при ограничениях как материального, так и социального характера. Оптимальное решение в . таких условиях определяется путем ранжирования критериев в текущей ситуации или сведения их к единому главному, функциональному критерию.

Основные функциональные требования, предъявляемые к системам вентиляции и дегазации, укрупненно можно сьести к следующим:

- поддержание на рабочих местах физико-химических параметров воздуха, обеспечивающих нормальное функционирование человеческого организма;

- предотвращение формирования взрывоопасных параметров в атмосфере шахты;

- обеспечение минимального загрязнения земной атмосферы вредными примесями, выделяющимися в шахте;

- обеспечение минимально возможных затрат на функционирование системы.

Эти требования и характеризуют в целом критерии оптимальности проветривания шахт: безвредность и безопасность шахтной атмосферы, эко-логнчность и экономичность проветривания. Кроме того, критерии огми-малыюсти должны предусматривать необходимость использования шахтного метана, а также возможность развития новых технологии его утилизации.

Шахта как сложная диссипатнпная система, функционирование которой может быть представлено в виде совокупности разнородных потеков веществ и энергии, поступающих в шахту и выдаваемых на поверхность, имеет иерархическую структуру, включающую (в порядке возрастания уровня иерархии) выемочный участок, панель (этаж), пласт, блок, крыло шахтного поля, горизонт н шахту в целом. Вентиляционно-деппацио/шая система обеспечивает в этой структуре управляемое движение газовых и воздушных потоков, параметры которых и характеризуют функциональную эффективность данной системы.

В качестве первого (нижнего) уровня иерархии целесообразно рассматривать выемочный участок, исходя из следующих соображений:

- выемочный участок включает в себя все основные источники выделения метана;

- ритмика газовыделения из каждого источника зависит от режима работы выемочного оборудования;

- наиболее опасная ситуация по газу, как правило, складывается в исходящей вентшгационной струе участка;

- выемочный участок представляет собой целостную структуру, комплексно реагирующую на изменение режима проветривания, так как изменение газовой обстановки при этом определяется в общем случае соотношением аэродинамических параметров выработанного пространства, примыкающих к нему горных выработок и дегазационной сети.

Выше показано, что для каждого выемочного участка существует такой режим вентиляции, который при условии поддержания допустимых концентраций метана в выработках обеспечивает максимально возможную эфф<о<-тивность дегазации и одновременно - минимальное выделение газа из выработанного пространства в рудничную вентиляционную сегь. Данный режим будет наиболее безопасным для условий конкретного выемочного участка. Если при этом газ, извлекаемый дегазационной системой, будет утилизироваться, а не выбрасываться » земную атмосферу, то этот режим обеспечит и максимальную экологичность проветривания. Кроме того, такой режим будет энергетически оптимален, так как он соответствует минимальному расходу воздуха на участке, обеспечивающему эффективное проветривание. Очевидно, такой режим вентиляции можно считать оптимальным для данного участка по приведенной выше системе критериев.

Выемочный участок - важнейший, но не единственны^ объект проветривания В шахте. Для большинства остальных'требуется стабильное поддержание расчетных расходов воздуха. Значит, для достижения оптимального

режима вентиляции шахты о целом необходимо иметь систему критериев оптимальности, соответствующую иерархии шахтной вентиляционной сети. Причем для каждого уровня иерархии критерии могут быть различными, но взаимосогласован ны ми.

Что касается критериев эффективности вентиляции и дегазации шахт, то традиционно для оценки функционирования этих систем как на действующих шахтах, так и при проектировании, применяются различные показатели. Прячем какой-либо общий показатель, количественно оценивающий степень совершенства системы вентиляции, отсутствует. Для систем дегазации основным показателем оценки ее эффективности являс/ся коэффициент дегазации kj, представляющий собой отношение потока метана, удаляемого дегазационной системой, к общему газовыделсшпо на участке. Данный критерий является, по существу, комплексным с точки зрения управления мста-новыделешгем, поскольку отражает долю как вентиляции, так и дегазации в удалении шахтного метана. Но поскольку энергетическая ценность газовоздушной смеси в дегазационных трубопроводах значительно выше, чем в исходящих вентиляционных струях за счет более высоких концентраций метана, то более правомерным критерием оценки эффективности совместного функционирования шахтной вентиляции н дегазгщш Представляется отношение потоков, удаляемых тем и другим способом:

К

Fj- — -* fíiax - (19)

'в

Этот критерий более показателей,- так как выражает соотношение потоков разного энергетического качества, яри ттом отражается приоритетность потока более высокого качества, т.е. потока, способного совершить полезную работу. Данный показатель-лгтко MctóeT быть определен для любого элемента шахты на каждой уровне технологической иерархии по данным мониторинга атмосферы.

Предлагаемый критерий otírííüsjíín&ctn позволяет также Производить сравнительную оценку различных способов управления газоныделеннем по относительному изменению функции F5. Полагая, что при увеличении коэффициента дегазации соответственно снижается газообильность выработок, можно выразись относительное изменение данной функции через'изменение интенсивностей газовых потоков:

= . (20)

F, 1 I

МИ*

Это дает возможность сравнивать как дегазационные, так и аэродинамические способы воздействия.

Предлагаемый критерий,'таким образом, является универсальным, отвечает требованиям экологичности и экономичности.

Требования безопасности и безвредности проиорпнания шахт являю I-ся, с одной стороны, менее общими (т.е. требованиями менее высокого ранга), а с другой стороны, более жесткими, поскольку они регламемшрумнея Правилами безопасности относительно тазового режима и аэродинамической пожароопасное™ шахт. Поэтому эш требования должны приниматься в качестве ограничений п задаче определения ошималмых параметров проветривания шахт на базе нелепой функции Р>.

Применительно к управлению газовыделением в угольных шахтах требуется динамическое регулирование гакжых потоков в вентиляционных и дегазационных сетях таким образом, чтобы обеспечить оптимальные соотношения в меняющихся условиях функционирования объекта. Ввиду сложности описания его детерминистскими методами и недостаточности стохастических описаний, обусловленной их ретроспективным характером, наиболее целесообразным представляется базирование управления на эмпирически установленных закономерностях, которые дают возможность прогнозировать состояние объекта в зависимости от основных интегральных параметров, достаточно легко и надежно определяемых в шахтных условиях.

Проведенные исследования позволяют описать основные закономерности процессов газовой динамики выработанных пространств п зависимости от интегрального аэродинамического критерия - числа Реннольдса Яе\ При этом определение Г1е' базируется на измерении расходов (скоростей движения) воздуха/а констант, характеризующих объемы газовыделения, - на измерении концентрации газа, - в определенных точках сети. Таким образом, имея систему аэрогазового мониторинга в шахте, с помощью разработанной теории можно с достаточной точностью прогнозировать динамику шахтных газовых потоков.

В общем случае на шахте могут применяться различные методы (способы) дегазации и интенсификации проветривания. Каждый из этих методов (способов) имеет свой объект приложения, который, в свою очередь, пространственно привязан к определенному уровню технологической иер\р-хии шахты. Поэтому наиболее приемлемым, в силу своей гибкости, представляется поуровневый, или иерархический, метод оптимизации аэрогазодинамических режимов по критерию Р3.

Иерархическое представление процесса вентиляции, обеспечивающее многоуровневое рассмотрение шахты в целом, позволяет, во-первых, детализировать анализ исследуемого процесса и, во-вторых, агрегировать результаты анализа, "поднимаясь" от нижних уровней к верхним. В этом случае критерии безопасности аэродинамических режимов естественным образом включаются в критерий экологичности, поскольку на верхних уровнях иерархии агрегируется оценка всех исходящих газовоздушных потоков: любые аварии в шахте, связанные с нарушением газового режима (загазирование, взрывы метана и угольной пыли, пожары), приводят к выбросу в атмосферу Земли огромных количеств вредных газов.

Таким образом, целевая .|.ункния. представляющая собой интегральный критерий эффективности управления газовыдсленисм Р,, для всех уровней иерархии будет иметь один и тот же вид:

^ =/' = =>тах . (21)

)

где | - индекс уровня иерархии^ - индекс объекта (звена) ¡-го уровня иерархии.

Системы ограничений по уровням будут отличаться, поскольку каждый из них имеет свои лимитирующие факторы, определяемые функциональными признаками объектов данного уровня.

Для объектов первого уровня - выемочных участков - ограничения формируются потребностью в кислороде для дыхания людей, динамикой газовыделения, ограничениями ПБ на скорость движения воздуха и эндогенной пожароопасностью.

Второй уровень технологической иерархии шахт включает в себя подготовительные выработки, находящиеся в проходке, наклонные выработки, обслуживающие панель (этаж), и старые выработанные пространства, к ним примыкающие. Поэтому здесь система ограничений сохраняется той же, за исключением условия обеспечения эндогенной пожаробезопасности.

Для уровня шахты может быть добавлено ограничение по общешахт-' ной депрессии (при проектировании новых шахт или расчете вариантов реконструкции).

Каждому уровню, таким образом, соответствует набор своих характеристик аэрогазового режима. При этом в пределах уровня взаимосвязи между параметрами отражаются первым и вторым законами сетей (законами сохранения массы и энергии). Смежные уровни увязываются между собой ме-журовневыми функциями, отражающими закономерности формирования потоков газов от источников их выделения до поверхности. Эти функции можно представить в виде

¡11

где 1у - интенсивность потока газа от ¿-го объекта ¡-го уровня; ку - коэффициент передачи интенсивности потока >го объекта с ¡-го уровня иерархии на (1+1У-Й.

Использование межуровневых функций позволяет оценить газовые балансы отдельных звеньев технологической иерархии в абсолютных единицах, а коэффициентов передачи интенсивностей потоков - в относительных, дающих возможность оценить долевое участие объектов каждого уровня в общем газовыделении. Чем выше значение ку. тем большая доля газа передается от источника на поверхность, и чем ближе это значение к нулю, тем меньше выбросы примеси в атмосферу. Поскольку эти показатели отражают

величину загрязнения атмосферы Земли выделяющимися н maxie газами, го эти коэффициенты названы коэффициентами жологической чистоты (ЮЧ), что подчеркивает значение природоохранных аспекюн упрощения гачовы-делением.

С помощью КЭЧ может быть выражено относительное долевое участие каждого звена технологической иерархии уч в общем газовыделенни:

ri-Jj = kiki-ljki-ij^r----:j- • (23)

'hI.J

Таким образом, предлагаемый метод отражает основные соотношения газовых потоков как внутри каждого иерархического уровня технологической схемы шахты, так и межуровневые связи, и может быть использован для анализа и оптимизации режимов совместной работы вентиляционной и дегазационной систем.

Кроме того, иерархический метод, предполагающий преобразование реальной вентиляционной схемы в иерархическую, позволяет уже на этой предварительной стадии анализа газовоздушных потоков выявить несовершенство самой схемы вентиляции. На иерархической схеме наглядно выявляются нарушения упорядоченности ее структуры, то есть порядка передачи потоков от нижних уровней иерархии к верхним. Физически такие нарушения соответствуют дополнительно сохраняемым промежуточным выработкам, повышающим общее аэродинамическое сопротивление шахтной сети и ее депрессию.

Алгоритм предлагаемого метода в пределах каждого уровня иерархии, начиная с первого, включает одни и те же операции:

- определяются интенсивности газовых потоков по каждому объекту ¡-го уровня путем непосредственных замеров или на основании прогноза;

- осуществляется оптимизация потоков по интегральному критерию F>, для объектов, на которых применяется дегазация или имеется необходимость и возможность ее применения; о

- проверяется соответствие полученных расходов ограничениям, имеющим место на данном уровне иерархии;

- в случае превышения допустимых значений лимитирующих факторов производятся соответственные изменения исходных условий (расходов воздуха, технологических параметров, технических решений).

Формирование потоков интенсивностей Ii; на каждом из вышележащих уровней осуществляется в соответствии с иерархической схемой вентиляци-онно-дегазацнонной сети, т. е. с пространственной увязкой газовых потоков.

Оптимизация потоков для объектов первого уровня производится на базе интегральных аэродинамических параметров выработанных пространств. Для последующих уровней, если здесь присутствуют объекты дегазации, газовые потоки оптимизируются на основе анализа коэффициентов

экологическом чистоты: макс,, ни труется коэффициент дегазации объектов, имеющих наибольшие значения Ц.

Значения у определяются для последнего уровня иерархии и служат оценкой "вклада" каждого уровня в суммарные выбросы газа на поверхность, на основании которой определяются приоритетные направления дея-тс'лыюпи по защите атмосферы.

В конечном итоге область применения и целесообразность использования того или иного метода управления газовыделеннем определяются экономическими критериями. Однако любые мероприятия, связанные с повышением производственной и экологической безопасности, являются затратными по своей сути, т.е. не дают прямого сиюминутного эффекта. Хотя эта область деятельности и имеет огромное значение как для здоровья людей, занятых на производстве, так и для выживания человечества в целом, несовершенство законодательства нашей страны в данной сфере способствует тому, что ощутимой экономической выгоды для предприятий затраты на безопасность жизнедеятельности не дают. Тем не менее сравнительную экономическую эффективность мер по улучшению состояния производственной и природной среды можно оценить по так называемому косвенному эффекту, т,е. возможному ущербу, который мог бы быть нанесен производству вследствие простоев, аварий, заболеваний, штрафных санкций и т.п.

Предлагаемый в данной работе иерархический метод оптимизации аэродинамических режимов позволяет оценивать сочетание различных способов и средств управления газовыдслением в любых комбинациях при известной их фактической или технической эффективности по интегральному критерию И, путем последовательного поуровневого сравнения экономичности технически равноценных вариантов. При этом рассмотрение уровней производится от высшего (общешахтного) к низшему (выемочные участки).

Основные источники экономической эффективности при управлении газовыделением, обеспечивающем повышение эффективности-проветривания шахт за счет увеличения доли дегазации, складываются из следующих составляющих:

- снижение экономического ущерба, связанного с ликвидацией последствий взрывов метана;

- уменьш ->тие затрат на проветривание за счет снижения расходов воздуха вследствие увеличения объемов газа, отводимого дегазацией;

- уменьшение объемов горно-капитальных и подготовительных работ за счет уменьшения сечений выработок, определяемых по фактору вентиляции, и их суммарной протяженности (по сравнению со схемами вентиляции с обособленным разбавлением метана но источникам его поступления);

- снижение платежей за выбросы в атмосферу в случае утилизации шахтного метана.

В последнем случае может быть получена также прямая прибыль за счет полезного использования каптируемого метана.

Кроме перечисленных источников, замена других видов топлива шахтным метаном при его промышленной использовании приводит к снижению выбросов вредных газов в атмосферу предприятиями-потребителями.

Итак, экономическая эффективность экологически безопасного управления газовыделением в шахтах определяется экономией капитальных затрат Эк, эксплуатационных расходов Э,, снижением затрат на экологию Э,, и дополнительной прибылью, получаемой в результате утилизации метана из дегазационных систем Пу,:

Э = Э„ + Э, + Эя + Г1у, . (24)

Экономия капитальных затрат обусловлена уменьшением сечений гор-но-капитальиых выработок вследствие снижения требуемых расходов, а также отсутствием дополнительных выработок, обеспечивающих обособленное разбавление метана на выемочных участках. Снижение расходов и повышение концентрации метана в исходящих струях до нормативов, доп>скаемых по ПБ, возможно только при внедрении системы надежно! о контроля параметров атмосферы; в этом случае возможно повышение допустимых концентраций метана, что способствует получению дополнительного экономического эффекта за счет использования резервов вентиляции.

Эксплуатационные затраты на вентиляцию и дегазацию включают условно-постоянные затраты и переменные (зависящие от сбъема метана, удаляемого соответствующей системой). С ростом доли газа, удаляемого вентиляцией, условно-постоянные удельные затраты на I м1. нетана по этой статье уменьшаются, а переменные (глазным образом, стоимость электроэнергии) - растут. При этом удельные условно-постоянные расходы на дегазацию возрастают, а переменные - уменьшаются.

При повышении эффективности дегазации выработанных пространств за счет снижения расходов воздуха затраты на дегазацию в целом ¡¡г меняются, т.е. удельные переменные и условно-постоянные расходы снижаются.

Переменные затраты на удаление 1 м3 метана вентиляцией растут значительно' быстрее, т.к. рост доли мегана, удаляемого вентиляцией, связан с увеличением расхода воздуха, а затраты электроэнергии на проветривание пропорциональны третьей степени расхода воздуха.

Дебит дегазационных скважин от вакуума зависит в меньшей степени. Поэтому экономический оптимум также сдвигается в сторону увеличения доли метана, отводимого дегазацией.

В общем случае экономия по эксплуатационным затратам вследствие снижения расходов воздуха может быть выражена через изменение потоков газа, отводимых вентиляцией и дегазацией (соответственно Ц/1в и 1д/1д ).

Эффект от снижения затрат на экологию имеет место только при утилизации метана, отводимого дегазацией, и складывается из налоговых льгот Сл и уменьшения платы за выбросы метана См, определяемых действующим законодательством, а также из экономии затрат на восстановление природной среды С».

Последняя составляют -: общей экономической эффективности Пут пропорциональна объему каптируемого метана, который также может быть выражен через изменение дебита метана в дегазационной системе 1д/1д •

Соотношение потоков газа в вентиляционной и дегазационной системах можно выразить через интегральный критерий оптимальности управления газовыделением

Г 2И Г, 2Р

I, 1Я

Следовательно, через интегральный критерий Р,, зная зависимости изменения стоимостных параметров вентиляции и дегазаци;; для конкретных условии, можно определить экономическую эффективность сравниваемых методов управления газовыделением в любых их сочетаниях.

Анализ затрат на проветривание и управление газовыделением в угольных шахтах позволяет заключить, что оптимальные с точки зрения экологии вентиляционно-дегазациоиные режимы, обеспечивающие возможность промышленного использования шахтного метана, являются и наиболее экономичными.

Заключение

В диссертации, являющейся квалификационной научной работой, на основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы разработки методов экологически-оптимального управления газовыделением из выработанных пространств в вентнляциоино-дегазаци-онные системы угольных шахт, имеющей важное народно-хозяйственое значение.

Основные научные и практические результаты сводятся к следующему.

1. Установлено влияние условий проветривания выемочного участка на формирование полей концентраций в объеме выработанного пространства при стационарных режимах фильтрации утечек воздуха. Показано, что в объеме выработанного пространства можно выделить область, в которой сконцентрировано основное количество газа - ЗВК. Положение этой области не зависит от "¿-личины газовыделения и определяется конфигурацией и интенсивностью потока утечек, т.е. схемок и режимом проветривания. Получены зависимости, определяющие максимальные концентрации метана в функции от интегрального числа Рейнольдса IIе* и коэффициентов, определяемых схемами вентиляции.

2. Установлено влияние аэродинамического режима на дегазацию выработанного пространства, получены зависимости, определяющие количественно газовый дебит скважин в функции от интегрального числа Рейнольдса Яе* для основных типов схем вентиляции участков. Исследование закономерностей изменения концентраций и дебатов метана з дегазационных сква-

жииах показало, что зависимость дебита газа от разрежения носит экстремальный характер, причем оптимальное значение вакуума определяется аэродинамическими свойствами выработанного пространства и глубиной разработки, но практически не зависит от режима проветривания.

3. Установлено, что для каждого выемочного участка существует диапазон рациональных режимов совместной работы вентиляции и дегазации выработанных пространств. Разработана методика определения наилучших аэродинамических режимов с точки зрения эффективности дегазации. Показано, что диапазон этих режимов определяется характером распределения воздуха в выработанном пространстве (схемой проветривания) и скоростью подвигания очистного забоя.

4. Обобщены и систематизированы результаты исследований влияния режима проветривания на характер протекания переходных газодинамических процессов выработанных пространств и на этой основе дополнена методика расчета безопасных режимов регулирования при изменениях требуемых расходов воздуха и при разгазировашш участков с газообильными выработанными пространствами.

5. Обоснован интегральный критерий оценки эффективности управления газовыделением в угольных шахтах (Ро), учитывающий требования безопасности и экологнчности, предъявляемые к вентиляционно-дегазацнон-ным системам шахт. Предложенный критерий учитывает предпочтительность организованного отвода шахтного метана, обеспечивающего возможность его промышленного использования.

6. Разработаны поуровневые модели оптимального режима проветривания высокогазообильных шахт с целевой функцией, выражаемой критерием (Ъ), максимизация которого отражает приоритет целей ресурсосбережения, а в качестве ограничений приняты нормативные требования по газовой и эндогенной пожароопасностн вентиляционных режимов. Представление венгиляционно-дегазационной системы в виде иерархической структуры формирования газозых потоков в соответствии с технологической стратификацией шахты обеспечивает данной модели необходимую гибкость и возможность сравнительной оценки различных способов управления газовыделением в любых их сочетаниях.

7. Практическое применение оптимальных режимов позволит обеспечить стабильно высокие концентрации и дебиты газа в дегазационной системе; позволяющие утилизировать извлекаемый метан при одновременном повышении безопасности и производительности горных работ. При отсутствии утилизации меггана природоохранное назначение оптимальных режимов не реализуется, более того, дегазация выработанных пространств и сближенных пластов увеличивает приток метана (суммарную газообильность участка) и, соответственно объем выбросов его в атмосферу. с

8. Разработана методик,, оценки экономической эффсктлшости способов управления газовыделением. Доказано, что оптимальные по критерию Р, аэрогазодинамические режимы являются экономичными.

9. Полученные результаты были приняты к использованию с качестве составных частей в системе автоматизированного управления проветриванием, разработанной МГИ и ГУА, в проекте отработки участка б инертной метановой среде, б системе экологического мониторинга угольной шахты и в межправительственном российско-американском проекте комплексной системы управления газовыделением высокогазообильных шахт.

Содержание работы опубликовано б 30 трудах, из них наиболее значимые следующие:

1. Пучков Л.А., Каледина И.О. Оценка интегральны?, аэродинамических параметров, выработанных пространств по данным контроля количества воздуха в выработках. - В сб.: Вентиляция шахт ¡> рудников. Вып.З -Л.: ЛГИ, 1976.С.Г5-16.

2. Каледина И.О. О влиянии режима проветривши;:, на эффективность дегазации выработанного пространства. - В сб.: Нау'ШЫе основы создания высокопроизводительных комллексно-мехнизнроваНШх и автоматизированных шахт. Научные труды МГИ. Вып.10. - М., 1977,105-107.

3. Пучков Л.А., Каледина И.О. Влияние режима проветривания на распределение метана в выработанной пространстве. - Известия вузов, Горный журнал, 1980,№ 10, с. 46-49.

4. Каледина Н.О. - Влияние взаимосвязи вентиляции и дегазации наработанного пространства на эффективность управления газовЫДеЛециеМ в угольных шахтах. - Управление газовыделением в шахтах. МейзузойсмШ сборник научных трудов.- Кемерово: КузПИ, 1992, с.44-48.

5. Каледина Н.О. Защита атмосферы И управление газ©выделением в угольных шахтах. - Экологические проблемы горного производства. Тексты докладов научно-технической конференции 1-5 февраля 1993г.- М.: МГГУ, с. 116-122.

6. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств (разд. 3.4; 3.5; 4.3; 5.2; 5.3; 5.4). - М.: МГГУ, 1993, 266 с.

7. Каледина Н.О. Повышение эффективности дегазации на базе мониторинга метано в угольной шахте. - Неделя горняка.'Научно-практический семинар "Ресурсосберегающие технологии горного производства" (тезисы докладов).- М.: МГГУ, 1994, с. 199-200.

8. Пучков Л.А., Аюров В.Д., Каледина Н.О. Теоретическое обоснование приоритетных направлений природоохранной деятельности на угольных шахтах. - Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып.2. - М.: МГГУ, 1994, с.8-10.

9. Аюров В.Д., Каледина Н.О. Иерархические модели системы экологи ческого мониторинга угольной шахты. : Горный информационно-анали тический бюллетень. Вып. 3. - М.: МГГУ, 1994, с.б-7.

10. Каледина И.О. Иерархический метод анализа экологичноеiи схем проветривания шахт. - В сб.: Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов (доклады второй научно-технической конференции, Москва, 30 января- 3 февраля 1995 г.).-М.: МГГУ, с.239-243.

11. Каледина Н.О. Оптимизация аэрогазодинамических режимов угольных шахт. - Горный информационно-аналитический бюллетень. Вкп.4. - М.: МГГУ, 1995, с.37-39.

12. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. - М: МГГУ, 1995, 312 с.

13. Пучков Л.А., Аюров В.Д., Каледина Н.О. Способ газового мониторинга активных выработанных пространств (изобретение). - Положит, решение о выдаче патента РФ от 25.01.1995 по заявке № 93-027071/03.

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

15. Каледина Н.О. Иерархический анализ схемы проветривания шахты.- Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып.5. - М.: МГГУ, 1995, с. 31-33.