Определение параметров комплексного управления газовыделением на Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 5

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

^ © Е.Н. Козырева, 2001 'Чг^

УДК 622.411.33:553.17 - ч

Е.Н. Козырева

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО

УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ НА

Н

аблюдающийся в настоящий период рост добычи угля в Кузнецком угольном бассейне сопровождается выраженной тенденцией роста производительности выемочных участков, особенно при разработке пологих пластов комплексномеханизированными забоями. Однако отработка многих лав ведется с существенно ограниченной по газовому фактору производительностью. Эти обстоятельства заставляют признать, что наиболее распространенная в Кузбассе комбинированная схема проветривания комплексномеханизированного выемочного участка, основанная на разжижении меньшей части выделяющегося метана вентиляционной струей и оттеснении от забоя с последующим изолированным отводом большей составляющей газового баланса, требует своего совершенствования в направлении расширения комплексного управления газовыде-лением.

Практически до конца 70-х годов единственной технологией каптирования метана с целью его изолированного вывода на поверхность являлась дегазация угольных шахт. В дальнейшем

тана через выработанные пространства действующих выемочных участков средствами вентиляции. Обе технологии достаточно близки, т.к. в конечном итоге направлены на снижение поступления метана в действующие горные выработки.

В качестве показателя надежности управление аэрога-зодинамическими процессами в вентиляционной сети принято число загазирований горных выработок. Обработка статистических данных позволила выявить зависимость количества загазирований от общей эмиссии метана шахт Кузбасса (рис. 1).

Естественно предположить, что с ростом доли каптированного метана в общешахтной эмиссии вероятность газовой аварийности, например, за-газирований выработок, будет снижаться.

В 80-х годах проф. А.А. Мясниковым для рассматриваемых условий было предложено комплексное управление газовыделением на выемочном участке, дополняющее комбинированную схему третьим способом управления газовыми потоками - дегазацией разрабатываемого пласта и выработанного пространства. Однако научная проработка этого комплекса ограничилась уровнем технического предложения без количественного анализа горнотехнологических условий совместного и раздельного применения его основных способов. За прошедшие годы произошел существенный прогресс в части технологий дегазации угольных пластов и создании средств бурения скважин. Эффективное использование этого научно-технического потенциала для повышения производительности шахт и забоев требует разработки соответствующего метода определе-параметров комплексного управления газо-выделением на основе исследования зако-

Рис. 1. Зависимость количества загазиро-ваний N от годовой эмиссии метана Э на шахтах Кузбасса

номерностей аэрогазодинамических процессов на выемочных участках угольных шахт.

Кроме того, в 90-х годах международные экологические организации подняли

началось активное внедрение системы отвода ме-

вопрос об обязательности утилизации шахтного метана, как одного из "парнико-вых" газов. Так как метан является весьма ценным химическим и экологически чистым энергетическим сырьем, то локальные участки его попутной добычи (шахты) являются и энергопотребителями с вполне соответствующим потенциалом, что создает достаточные условия для рационального природопользования.

Комплексная система управления газовыделе-нием на выемочном участке включает три основных способа: проветривание, изолированный отвод метана средствами вентиляции, дегазация основных источников метановыделения (разра-баты-ваемый пласт, под- надрабатываемый массив горных пород). Учитывая, что практически все выемочные участки угольных шахт Кузбасса проветриваются с применением первых двух способов, необходимо установить границу их области применения, при достижении которой дальнейшее повышение производительности забоя становится невозможным и требует обязательного применения третьего способа - дегазации источников.

Общеизвестные отклонения фактических и расчетных, по нормативным документам, значений метанообильности выемочных участков обусловлены попыткой судить о газовыделении на конкретном участке выемочного столба по физическим показателям, осредненным для всей его площади. Устранение этого недостатка возможно с использованием пространственных информационно-аналитических моделей, разработанных ИУУ СО РАН в середине 90-х годов. Исследования выполнялись с использованием фактических данных горных работ лавы 1843 ОАО "Шахта "Комсомолец" (Кузбасс). Прогноз метанообиль-ности источников, выполненный с учетом производительности лавы на каждом интервале ее помесячного подвигания, приводит к отклонениям средних расчетных и фактических значений по выемочному участку 10 %, по разрабатываемому пласту 52 %. Отклонения по выемочному участку признаны удовлетворительными и дальнейшие исследования велись только по очистному забою. В качестве основных технологических параметров приняты: длина забоя, среднесуточная скорость подвигания с учетом количества рабочих дней в рассматриваемом календарном месяце. В результате получена зависимость для расчета относительной метанообильности разрабатываемо-

го пласта и отбитого угля

q. = Ех ■ q.,’ • ехр(Шт + pV), м3/т, (1)

где Е] = 0,7 - нормирующий множитель; qп,н -относительное метановыделение, рассчитываемое по нормативному методу; а = -0,0391 - коэффициент, уточняющий влияние времени ^ транспортирования угля, 1/мин; Р = -0,0255 коэффициент, уточняющий влияние скорости V подви-гания забоя, сут./м.

Рассматриваемая лава проветривалась по комбинированной схеме. Ее основной аэродинамической характеристикой является коэффициент возду-хораспределения Кр

Кр = , доли ед. (2)

Ук

где Ок , Ое - соответственно, расходы воздуха на устье конвейерного штрека и сопряжении лавы с вентиляционным штреком, м /мин.

Однако, экстраполяция его значений к нулю (рис. 2) занижает долю метанообильности очистного забоя 1оч при возвратноточной схеме проветривания, когда метанообильность очистного забоя равна метанообильности выемочного участка 1у.

Если рассматривать процесс на основе полного закона сохранения массы метановоздушной смеси, то в этой связи должна существовать критическая точка с координатами пересечения функции метанообильности очистного забоя и прямой метановыделения из разрабатываемого пласта 1п. В левой части относительно ординаты критической точки, имеем метанообильность забоя выше метановыделения из разрабатываемого пласта за счет притока метана из выработанного пространства. В правой части, газообмен обратный. С учетом этого введено понятие коэффициента газовоздухораспределения Кг

1Г Осм,к Осм,е /оч

Kг =------------— , доли ед, (3)

г О +1

*£см,к ' у

где Осмк, Осме - соответственно расходы метановоздушной смеси на устье конвейерного штрека и сопряжении лавы с вентиляционным, м3/мин; 1у — абсолютная метанообильность выемочного участка, м /мин;.

С его использованием проанализированы экспериментальные данные о аэрогазодинамике выемочного участка 1843 за весь период отработки лавы и получены выражения для определения абсолютной метанообильности очистного забоя, применение которых повышает точность расчетов в 1,5-2 раза по сравнению с нормативным методом

При 0,18 < Кг < 1:

1оч = Е1Е2Е3 ехР(ат + Р7 + ГКг) , м3/мин.

При 0 < КГ < 0,18:

1оч = Iу ■ ехр(-12,6427Кг), м3/мин , (4)

где Е2 =1,3879 и у=-1,3592 - аэродинамические коэффициенты; Е3 =1,4 - коэффициент запаса.

Уточнение параметров газовых потоков позволило перейти к оценке эффективности основных способов управления газовыделением на выемочном участке, область применения и необходимая эффективность которых, при прочих равных условиях, определяются направлением и интенсивностью аэрогазового обмена между призабойным объемом и выработанным пространст-

Рис. 2. Схема к расчету условий аэрогазового обмена в очистном забое

вом. Граница, с которой становится неизбежным применение дегазации, устанавливается следующим образом.

Эффективное проветривание на выемочном участке ограничено значениями предельно допускаемой скорости струи воздуха в забое и технически возможным для конкретной вентиляционной системы шахты расходом воздуха Оех на проветривание выемочного участка. При отводе метановоздушной смеси через выработанное пространство количество воздуха, проходящее вдоль линии забоя, уменьшается, причем, с ростом величины Кг все большая часть газа отводится через выработанное пространство, газовая нагрузка на призабойный объем соответственно снижается, что позволяет повышать производительность добычи угля. Однако возможности системы газо-отвода не беспредельны (Кг<1). Ее производительность ограничена техническими характеристиками газоотводящего вентилятора и аэродинамическим сопротивлением выработанного пространства. Следовательно, существует граница роста производительности забоя, на которой эти возможности, как и системы проветривания, исчерпываются. В этом случае следует применять способы дегазации с соответствующим коэффициентом эффективности. Если метановыделение из разрабатываемого пласта превышает метано-обильность очистного забоя, то к дегазации принимается разрабатываемый пласт, в противном случае, необходима дегазация выработанного пространства. Тогда максимально возможная производительность каптирования метана средствами дегазации определяется как разность между значением метанообильности очистного забоя и максимально допускаемой, по газовому фактору, метанобильностью выемочного участка.

Взаимосвязь основных параметров комплексной системы управления газовыделением на выемочном участке определяется выражением

С - с

Кф > 1 - -О (1 - Кг), (5)

100 ■ 1оч

где Кэф - коэффициент эффективности дегазации, доли ед; Ст - максимальное значение концентрации метана на выемочном участке,

%; С0 - концентрация метана на входе вентиляционной струи в выемочный участок, %; Оех

- расход воздуха, поступающий на выемоч-

ный участок, м3/мин.

Расчеты для рассматриваемой лавы 1843, выполненные для нагрузок до 10000 т/сут показали, что разработанный подход позволяет рассчитывать основные параметры комплексного управления газовыделением с приемлемой для практики конкретизацией эффективности слагающих ее способов. Необходимо отметить, что горные работы по лаве 1843 велись в зоне отработки вышележащего пласта, в условиях же работы лавы без предварительной отработки вышележащих пластов возрастет метанообильность выемочного участка, следовательно в этом случае возрастут и требования к комплексному управлению газовыделеним.

Для рассматриваемых условий возможны следующие технологические решения:

1). Для всех рассмотренных нагрузок при Кг=0,1 и Оех=500 м3/мин обязательно применение способов дегазации, либо увеличение значения Кг.

2). При А=7000 т/сут, Оех=500 м3/мин и Кг=0,2 метанообильность очистного забоя находится на границе с предельно допускаемым значением. И в связи с малым значением Кэф в этих условиях для обеспечения безаварийной

по газовому фактору работы забоя целесообразнее изыскать возможность увеличить количество подаваемого в лаву воздуха, либо снизить скорость подвигания очистного забоя, т.к. дальнейшее увеличение значения Кг не дает желаемого результата.

3). При А=10000 т/сут и Оех=500 м3/мин значение Кэф>0 даже при Кг=0,6. Следовательно, применение дегазации является обязательным. Причем ее требуемая эффективность и выбор источника при заданном расходе Оех зависят от величины Кг. Для рассматриваемых условий необходимо обеспечить:

• при Кг = 0,2:

- дегазацию разрабатываемого пласта с Кэф

> 25 % или

- дегазацию призабойной части выработанного пространства с Кэф > 50 %;

• при Кг = 0,4:

- дегазацию разрабатываемого пласта с Кэф

> 19 %.

Окончательный выбор источников, способов и схем их дегазации определяется инженернотехнической службой на шахте, исходя из технической возможности и опыта работ.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Козырееа Елена Николаеена - кандидат технических наук, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН, г. Кемерово.