Аэрогазодинамика выработок и выработанного пространства шахт Воркуты Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

Ю.В. Шувалов, проф., д.т.н., А.П. Веселов, В.В. Соболев, И.А. Павлов

СПГГИ

Аэрогазодинамика выработок и выработанного пространства шахт Воркуты

Реструктуризация угольной промышленности России [1], её современное состояние, обеспечение конкурентности и стабильности работы ОАО «Воркутауголь» требуют значительного увеличения нагрузки на очистной забой (до 3-5 тыс. т. в сутки). Достижение этой цели возможно имеющимися средствами при их частичной модернизации, но не обеспечивается по фактору вентиляции из-за сложного газового режима выработок добычных участков.

Анализ материалов исследований природной метаноносности Хг угольных пластов Воркутского месторождения [2] свидетельствует о гиперболической зависимости ее от глубины Н при нелинейном росте газового давления:

Хг и А - В/(Н+С), где А, В, С - эмпирические коэффициенты (А = 30-45, В = 1400018000, 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 м3/(т.с.б.м.) с ростом ступени метаноносности от 10-15 до 70-90 м. Относительная газо-обильность добычных участков по пластам «Мощный» и «Четвертый» на глубине ведения работ 300 м составляла 9-10 м3/т, на глубине 800-1000 м - до 60-90 м3/т и более.

Применяемая на шахтах схема дегазации по контуру выработанного пространства и прямоточная схема проветривания очистных забоев при бесцеликовом способе поддержания вентиляционных выработок, в настоящее время не обеспечивают требуемого увеличения производительности и безопасности ведения работ. Практи-

чески исчерпаны возможности воздухообеспечения добычных участков (2-3 тыс.м3) , а частые (8 крупных аварий за период 19881995 гг.) случаи возгораний и взрывов газа (пыли) в вентиляционных выработках вблизи очистных забоев, безусловно, требуют поиска новых путей управления аэ-рогазодинамическими процессами.

Прямоточные схемы проветривания очистных забоев с бесцели-ковым 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 Дqл, а их дебит Ql и Qз составляет не более 70-85% от начального ^0). Утечки воздуха в основной, срединной части лавы достаточно стабильны по градиенту и существенно меньше по удельному значению, хотя их суммарная величина Q2 достаточно

велика (до 50-60% от поступления) и зависит от длины лавы Так, для пласта «Четвертый»:

Q1 = 0,22 + 0^о + 0,055Qп

Q2 = -8,6 + 0,06Lл + 0,7Ql где Qп - количество воздуха в под-свежающей 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 угольного 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 «М0ДFL0W» 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).

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.

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 Дqг (рис.2). Сочетание воздушного и газового потоков характеризуется закономерным ростом удельных газовыделений на расстоянии 4080 м от забоя (0,2 м3/(мин-м)) и дальнейшим относительно пологим снижением на расстоянии до 300-500 м. Фазовое отставание максимума удельных газовыделе

ний Дqг от максимума удельных утечек Дq способствует еще более значительному сдвигу максимума концентрации газа в утечках (до 100м и более). Зависимость расстояния максимума концентрации газа в утечках Lmax от длины отработанной части выемочного столба для различных пластов является нелинейной и может быть рассчитана по эмпирической зависимости:

Ьтах = (а/2Ь)0,111 где а и Ь - эмпирические коэффициенты (а изменяется от 15,0 до 4,2; Ь - от 1,1109 до 1,6-109).

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

Свп = Суч + С вп■lo4L3/(а + Ь^9)

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 Х от начала фильтрующей зоны, где С = Свх, представленной в форме обтекаемых аэрозолем

сферических отдельностей, 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.

Возможное сочетание техногенных и природных источников 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.

Анализ применяемых и потенциально возможных способов управления газопылевым режимом выработок и выработанного пространства добычных участков позволяет рассматривать в качестве перспективных: дегазацию над-рабатываемых 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 осушения нисходящих скважин, достигнута дегазация надрабаты-ваемой толщи более 30% с капта-жом метана на одну скважину 1,01,5 м3/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 «Воркутинская»). Низкая эффективность работы системы по газу в 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 выра-

Аэродинамика выработанного

ботками-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.

пространства при шунтировании сопротивления у конвейерного штрека дополнительной ограждающей стенкой или полосой долгоживущей пены, создаваемой из-ливом 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 сопротивления по нормали к потоку до 100% (рис.3).

Увеличение протяженности зоны повышенного сопротивления вдоль лавы и штрека обеспечивает снижение утечек воздуха на 2040%, а также изменение характера их поступления из лавы в вырабо-

танное 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 м2 с между-штрековым 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яновский А.Б. Реструктуризация угольной промышленности. Горный вестник, №2, 1996.

2. Ганневский С.П.,Сурайкина Т.Ю. Исследования газовыделе-ния из угольных пластов на шахтах Воркуты. Безопасность труда в промыщленности, №5, 1996

3. Шувалов Ю.В., Соболев В.В., Глобин А.Н., Веселов А.П. Аэрогазодинамика выработанных пространств. Записки СПГГИ, СПб; Изд. СПГГИ, т.1, 1995.

© Ю.В. Шувалов, А.П. Веселов, В.В. Соболев, И.А. Павлов