CC BY
43
УДК 697.94 Л.А. Лысов
ПОСТАНОВКА ПРОЕКТНОЙ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ВНУТРИГОРОДСКОГО АВТОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ
~П статье рассматривается и анализируется подготовка ре-
■М-М шения задачи расчета воздухораспределения при проектировании вентиляционной системы Лефортовского тоннеля третьего транспортного кольца г. Москвы. В ходе проектирования решения по устройству системы вентиляции неоднократно менялись и окончательно принятый вариант тоннеля оказался значительно проще рассматриваемого первоначального, что определило невостребованность выполненных исследований и результатов расчетов. Однако приобретенный в ходе их проведения опыт и полученные результаты могут быть полезными для решения аналогичных задач при проектировании других тоннельных вентиляционных систем и иных сложных подземных сооружений.
Охарактеризуем основные исходные условия, определившие решения по постановке задачи проектных расчетов на ЭВМ.
Рассматриваемый первоначальный вариант проекта систем вентиляции тоннеля предусматривал одновременное функционирование 2-х тоннелей, левого и правого, каждый из которых проветривается независимо от другого и включает следующие независимые системы вентиляции, устраиваемые симметрично с обоих концов тоннеля (точки А и В): закрытого способа работ; открытого способа работ; дымоудаления. Несмотря на независимость устройства перечисленных вентиляционных систем для каждого из тоннелей они фактически взаимосвязаны работой на общий транспортный отсек тоннеля. Транспортные отсеки обоих тоннелей также частично взаимосвязаны эвакуационными сбойками для перехода людей из одного тоннеля в другой в чрезвычайных ситуациях. Отличительной чертой указанных отдельных систем является их симметричность и топологическая упорядоченность.
В качестве основных факторов, влияющих на проектное воздухораспределение (т.е. рассматриваемое при проектировании), принимается поршневой эффект движущихся по тоннелю транспортных средств, ветровой напор на портальные сооружения, естественная тяга, вызванная различием метеопараметров приточного, отсасываемого, наружного воздуха, наличием уклонов и съездов, а также утечки воздуха (в воздуховодах, регуляторах, вентиляционных установках).
В соответствии с требованиями проектной организации назначением вентиляции тоннелей принимается обеспечение безопасности и комфортности воздушной среды транспортного отсека тоннеля для всех возможных условий его эксплуатации. Безопасность достигается выполнением гигиенических нормативов к воздуху атмосферы тоннеля. Комфортность достигается дополнительным по сравнению с гигиеническими нормативами снижением концентрации и уровня вредностей (газ, пыль, сажа, тепловыделения, шум). Только при полном выполнении гигиенических нормативов и обеспечении желаемого уровня комфортности возможен поиск решений, снижающих затраты на сооружение системы и ее эксплуатацию (капитальных и эксплуатационных, прежде всего затрат электроэнергии).
При проектировании допустимо рассматривать только ква-зистационарный (стационарный в среднем) вентиляционный процесс. Переходные вентиляционные процессы условно считаются происходящими достаточно быстро и в проектных расчетах не учитываются.
Множество возможных состояний вентиляции тоннеля при его эксплуатации характеризуется несколькими вариантами необходимого проектного воздухораспределения. Целью численного моделирования воздухораспределения является проверка возможности вентиляционной системы обеспечить заданные проектные воздухораспределения или достаточно близкие к ним с учетом влияния на воздухораспределение возмущающих и управляющих воздействий.
Анализ вышеперечисленных и других исходных данных определил следующие обстоятельства, требующие учета при постановке задачи расчета воздухораспределения в тоннеле и ее решении на ЭВМ.
Для расчетов воздухораспределения в системе вентиляции тоннеля может использоваться методика решения аналогичной задачи в шахтных вентиляционных сетях (ШВС) [1]. При этом необходимо учесть ряд характерных отличий тоннельной системы вентиляции от шахтной. К числу наиболее существенных могут быть отнесены следующие. Идеология проектирования ШВС предусматривает условное выделение из множества состояний ШВС, соответствующих различным этапам ведения горных работ, наиболее трудного по обеспечению эффективного проветривания, и выполнение расчета воздухораспределения именно для этого этапа. Считается, что если достаточно эффективная вентиляция для рассчитываемого этапа достижима, то она тем более достижима и для остальных состояний воздухораспреде-ления, которые на этом основании не проверяются расчетом.
Применительно к проектированию тоннельной вентиляции этот принцип постановки расчетов воздухораспре-деления также может использоваться. Однако применительно к особенностям тоннеля выделение из множества его возможных состояний наиболее трудных по условиям обеспечения эффективной вентиляции является в отличие от ШВС достаточно сложной и неоднозначной задачей. Априорное их определение затрудняется значительной протяженностью тоннеля и различным состоянием вентиляции на отдельных его участках, возможного нехарактерного сочетания отдельных возмущающих воздействий, взаимного влияния отдельных вентиляционных систем в условиях аварийных ситуаций, дающих сложнопредсказуемый совместный эффект. По опыту зарубежной практики проветривания тоннелей [2] в отличие от ШВС в качестве наиболее трудноосуществимых считаются вентиляционные режимы, связанные с пожарами в тоннелях.
Расчет воздухораспределения в тоннеле требует предварительного составления расчетной схемы, которая по аналогии с ШВС может быть представлена ориентированным графом, каждая ветвь которого отражает путь движения и вентиляционный поток между двумя ближайшими точками деления или слияния потоков, определяемыми схемой соединения вентиляционных воздуховодов. Сложность решения этой задачи определяется значительной топологической размерностью расчетной схемы тоннеля, существенно превышающей размерность ШВС. Если
размерность графа средней ШВС составляет обычно около 1000 ветвей, размерность расчетной схемы рассматриваемого тоннеля оказалось более 14000 ветвей. Поэтому применение «ручной» кодировки расчетной схемы, практикуемой применительно к ШВС, для составления расчетной схемы тоннеля непригодно.
При выполнении расчетов учитываются возможности средств управления вентиляционными потоками, позволяющими компенсировать влияние на необходимое воздухораспределение возмущающих факторов и максимально приблизить результирующее воздухораспределение к желаемому. Для выполнения такого расчета может использоваться ранее разработанная методика [1], предполагающая воздействие на воздухораспределение изменением рабочей аэродинамической характеристики вентиляторов и отрицательное регулирование с помощью регуляторов расхода воздуха, расположенных на приточных и всасывающих отверстиях транспортного отсека тоннеля.
Воздухораспределение определяется путем численного решения в ходе итерационного цикла последовательных приближений системы уравнений, составленных на основе известных законов [3] для всех узлов и независимых контуров графа расчетной схемы сети. Влияние возмущающих воздействий учитывается путем расчета характеризующих эти возмущения депрессий, которые одновременно являются параметрами, характеризующими отдельные ветви расчетной схемы. Выполнение многофакторных многовариантных расчетов может основываться на подходах имитационного моделирования, что определяет общую задачу численного моделирования.
Переменные во времени выделения вредностей, другие влияющие условия и характеризующие их параметры могут условно отражаться ограниченным количеством возможных значений, прежде всего теми, которые соответствуют их экстремальной величине.
Влиянием местных сопротивлений на воздухораспределение так же, как и для ШВС, допустимо пренебречь.
Задача расчета выделения вредностей в атмосферу тоннеля считается решенной, а в качестве характеризующих ее решение параметров принимаются данные о необходимом воздухорас-пределении, которые определяются значениями расходов воздуха во всех ветвях расчетной схемы сети. Заданное проектное
воздухораспределение аккумулирует в себе требования отдельных задач воздухораспределения (обеспечение нормального газового состава воздуха, температурного режима и запыленности, ликвидации задымления при пожаре и др.), которые таким образом заменяются одной обобщенной задачей обеспечения проектного воздухораспределения.
Постановка проектной задачи численного моделирования воздухораспределения предполагает, что основные конструктивные параметры тоннеля, такие как его форма, ориентация, протяженность, устройство выделенных вентиляционных подсистем, назначение и режим их использования и др. не допускают возможности изменения. Возможно изменение лишь таких относительно малозначительных конструктивных параметров, как число вентиляционных отверстий приточного воздуха в одном отсеке, расстояние между ними, площадь сечения и других параметров отверстий, определяющих их аэродинамическое сопротивление, при соответствующем обосновании таких изменений результатами численного моделирования воздухораспреде-ления.
Указанные обстоятельства позволили заключить следующее.
Рассматриваемый тоннель является уникально сложным объектом проектирования и расчетов, требующим поэтому особого подхода и разработки для численного моделирования воз-духораспределения специального программного обеспечения.
Разработка расчетной схемы вентиляционной сети, включая формирование данных о топологии и аэродинамических характеристиках элементов, может производиться программным путем.
Идеология проектирования вентиляции тоннелей допускает использование принципов проектных расчетов ШВС, требующих в этом случае учета особенностей функционирования тоннеля при выборе требуемых расчетных вариантов воздухорас-пределения.
Общей задачей численного моделирования воздухораспре-деления в тоннеле является следующая: оценить достижимость заданного проектного воздухораспределения с учетом действия на состояние вентиляции всего комплекса факторов - проектных решений по его устройству, параметрам воздуховодов и оборудования, возмущающих воздействий и др.
Разработка специального программного обеспечения для численного моделирования воздухораспределения на ЭВМ, включающая составной частью построение расчетной схемы вентиляции тоннеля, потребовала специального анализа и обоснования методики решения общей задачи. Полученные при этом результаты сводятся к следующим.
Рассматривая проектирование с позиций системного анализа как сложную организационно-техническую человеко-машинную систему в качестве основных выделен ряд декомпозиционных подсистем проектирования, влияющих на окончательно принимаемые проектные решения. Ниже характеризуются две из выделенных подсистем: методика проектирования, принятая в проектной организации; методы и методики проектных расчетов, включающие и постановку соответствующих задач.
Методика проектирования, опирающаяся на традиционный подход, как уже отмечалось, заключается в концентрации внимания и усилий проектировщиков на обеспечении достаточно эффективной вентиляции прежде всего наиболее труд-нопроветриваемого участка (участков) тоннеля для наиболее сложных условий его функционирования (наибольшая транспортная нагрузка или аварийные ситуации, неблагоприятные сочетания возмущающих воздействий и т.д.). При этом предполагается, что обеспечение эффективного проветривания остальных участков для других условий достижимо и специального рассмотрения их при проектировании не требуется. Необходимые вентиляционные режимы обеспечиваются соответствующими службами при эксплуатации действующего тоннеля.
Этот традиционный прием постановки и решения проектных задач имеет отдельные недостатки, заключающиеся в следующем. Априорное, основанное лишь на опыте и интуиции проектировщика выделение наиболее труднопроветриваемого участка может представлять значительные трудности вследствие сложности проектируемой системы вентиляции, значительной взаимосвязанности отдельных ее участков, влияния возмущающих факторов и других причин. С ростом сложности проектируемого объекта увеличивается вероятность пропуска наиболее трудных по обеспечению необходимой вентиляции режимов. Прием, компенсирующий эти обстоятельства, заключается в увеличении количества рассматриваемых и оцениваемых расчетами вариан-
тов возможных условий функционирования тоннеля. По этой причине для разработки программного обеспечения проектных расчетов ставятся требования реализации многовариантных расчетов с управлением в каждом комбинациями влияющих на функционирование тоннеля условий.
В подсистеме методов и методик проектных расчетов в качестве основного требования к результатам расчетов принята их достоверность, рассматриваемая как соответствие расчетных значений параметров их величинам на действующем объекте в период его функционирования. Для повышения достоверности результатов расчетов предварительно выполнен анализ источников недостоверности проектных расчетов и обоснование способов их снижения. Принимается, что результирующая погрешность проектных расчетов А в обобщенном виде может быть представлена выражением А=Аид+Арз+Асп+Ап где отдельные составляющие отражают следующие погрешности: Аид - исходных данных; Арз - расчетных зависимостей (линеаризация, представление несколькими членами разложения в ряд и т.д.); Асп -случайных причин (округления, ошибки при написании, задании величин и т.д.); Ап - некорректности положений, применяемых при постановке и решении проектных задач, т.е. отражающая неадекватность отображения проектируемого объекта в расчетах вследствие несовершенства положений научных методов и дополняющих их приемов, предположений, обоснований условного и умозрительного характера, используемых при постановке задач.
Оценивая снижение Ап наиболее доступным и значительным из всех Аi а потому перспективным для сокращения общей величины А выделены основные упрощающие положения обычной (традиционной) постановки задач проектных расчетов. Эти положения приведены в графе 2 таблицы совместно с краткой характеристикой основных причин, ограничивающих или сдерживающих возможности совершенствования этих положений в направлении повышения адекватности математической модели (графа 3), рациональным содержанием положе-ний, принятым для разработки программного обеспечения (графа 4) и оценкой (в баллах, максимум 10), отражающей эвристическую умозрительную оценку величины и значимости погрешности, сопрово-
ждающей обычную (числитель, графа 1) и предложенную в качестве рациональной (знаменатель, графа 3) постановку проектных задач. В таблице отражены только те из выделенных и прошедших анализ положений постановки и решения проектных задач (всего выделялось 20) которые претерпели изменения при их подготовке к разработке программного обеспечения расчетов.
Приведенные в таблице (графа 3) положения образуют постановку задачи численного моделирования воздухораспределе-ния в системе вентиляции тоннеля. На их основе разработано специальное программное обеспечение для ЭВМ, позволяющее решать рассматриваемую задачу. Опробование программного обеспечения показало его работоспособность, подтвердило обоснованность, взаимную совместимость и согласованность принятых положений постановки и решения задачи, возможности и перспективность их дальнейшего совершенствования.
Принятая совокупность положений, которая в силу их взаимосвязанности может считаться системой, являясь достаточно новой для специалистов предметной области - проектировщиков вентиляции, вместе с тем является достаточно простой и понятной, приемлемой для существующей методики и организации проектирования тоннельной вентиляции. Вместе с тем для окончательного вывода о достаточном совершенстве предложенной постановки задачи необходимо дальнейшее практическое применение разработанного программного обеспечения, анализ и использование полученных с его помощью результатов.
Необходимо также отметить, что отдельным направлением совершенствования проектирования тоннельной вентиляции
Содержание (формулировка) положения Основные причины, сдерживающие совершенствование Рациональное содержание Оценка (в баллах)
1 2 3 4
Приближенный учет сетевого характера системы тоннельной вентиляции, т.е. представление ее эквивалентной упрощенной схемой замещения Топологическая сложность и большая размерность вентиляционной сети тоннеля, упрощенная характеристика картины утечек воздуха в системе, пренебрежение влиянием местных сопротивлений на воздухораспределение Представление вентиляционной системы графом достоверно отражающим все воздуховоды вентиляционной сети тоннеля и упрощенным учетом путей и величин сопротивления утечек воздуха 9/4
Пренебрежение влиянием метеопараметров воздуха на земной поверхности Отсутствие достоверных данных об атмосферном давлении воздуха в местах расположения порталов и других выходах воздуховодов вентиляционной системы тоннеля на земную поверхность Ориентировочный расчет составляющих депрессий естественных тяг, возникающих между различными выходами вентиляционных потоков на земную поверхность 2/1
Пренебрежение влиянием метеопараметров (температура, влажность) воздушных потоков в воздуховодах тоннеля Сложность тепловых расчетов, их зависимость от воздухораспреде-ления, трудность совмещения тепловых и вентиляционных расчетов из-за большой размерности возникающей при этом общей задачи Упрощенный учет влияния метеопараметров вентиляционного воздуха за счет определения и использования при расчетах воз-духораспределения экстремальных значений депрессий естественной тяги основного вентиляционного направления (транспортного отсека тоннеля) 2/1
Продолжение таблицы
1 2 3 4
Пренебрежение действием ветрового напора на воздушный поток в сечениях порталов Приближенность учета обтекания ветровым потоком портальных сооружений в известных расчетных зависимостях Ориентировочная оценка ветрового напора по известным формулам и ее учет в виде сосредоточенной эквивалентной депрессии в ветвях расчетной схемы, отражающих порталы 2/1
Представление поршневогоо эффекта движущихся траснс-портных средств в виде сосредоточенной депрессии, рассчитываемой по известным зависимостям Соответственно своей природе поршневая депрессия является распределенной по длине транспортного отсека тоннеля и переменной по величине Представление поршневого эффекта депрессией, равномерно распределенной по длине транспортного отсека тоннеля и расчетом ее общей величины по известным зависимостям 4/2
Замена множества возможных вариантов воздухораспреде-ления одним условным, наиболее трудным для осуществления Сложность картины функционирования тоннеля, характеризуемая различным сочетанием возмущающих воздействий и их различным влиянием на отдельные участки вентиляционной сети Расчет воздухораспределения для нескольких (по возможности больше) вариантов состояния, характеризуемых различным сочетанием возмущающих воздействий, контроль состояния каждого воздухораспределения по всем участкам транспортного отсека тоннеля 5/3
может и должно быть изменение исходной постановки задачи -переход от решения задачи воздухораспределения к совместному решению задач выделения вредностей в тоннеле и их распространению по транспортному отсеку и воздуховодам вентиляционной системы соответственно образующемуся воздухораспре-делению с определением в итоге санитарно-гигиенических параметров состояния воздушной среды в необходимых (контролируемых) точках тоннеля, т.е. решению в конечном итоге не только задачи определения воздухораспределения, а более полной и важной задачи определения состояния тоннельной атмосферы, зависящей от воздухораспределения.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лысов Л.А. Разработка и опыт применения методики проектных расчетов вентиляции железорудных шахт на ЭВМ. Вентиляция шахт и рудников. Комфортность и безопасность атмосферы. Межвузовский сборник научных трудов Л 1988 с. 80-84.
2. Aerodinamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, 1991.
3. Абрамов Ф.А., Тян Р.Б., Потемкин В.Я. Расчет вентиляционных сетей шахт и рудников. М.: Недра, 1978. 232 с.
Коротко об авторах ----------------------------------
Лысов Л.А. — Московский государственный горный университет.
--------------------------------- © В.Н. Бобровников, Ю.М. Погудин,
И.Е. Плиско, И.П. Бочаров,
2005
УДК 622.272:622.411.33
В.Н. Бобровников, Ю.М. Погудин, И.Е. Плиско,
И.П. Бочаров
ОСОБЕННОСТИ ГАЗОВОГО РЕЖИМА УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ В УСЛОВИЯХ ЕЕ ПОДРАБОТКИ ДРУГОЙ ШАХТОЙ
езопасность работ и нормальный газовый режим горных выработок в шахте зависит главным образом от того, насколько точно определена метанообильность пластов и ожидаемые объемы газовыделения по источникам выделения и объектам проветривания. Методические положения по расчету вентиляционных параметров Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт учитывают наиболее характерные условия месторождений и не учитывают частные случаи, которые невозможно предусмотреть на стадии разведки и проектирования шахты.
Своеобразная с точки зрения достоверности прогнозируемых величин газовыделения картина получилась по южному крылу пласта J4 шахты «Аяч-Яга» ОАО «Воркутауголь», где горные работы во времени и пространстве совпадают с горными работами шахты «Северная». Фактические объемы газовыделения как на проходческих, так и на выемочных работах по южному крылу оказались больше, чем прогнозируемые.
Шахта «Аяч-Яга» ведет отработку пластов J4 и Н4 Интинской подсвиты, залегающей по вертикали на 400 м выше пластов рудницкой подсвиты, разрабатываемых шахтой «Северная». Пласт Н4 подрабатывается пластом J4 и все дальнейшие рассуждения относятся к пласту J4. К началу 90-х годов горные работы по пласту J4 были сосредоточены на южном крыле шахты во втором, третьем и четвертом выемочных блоках. Во времени и пространстве проводимые в этих блоках работы совпадали с горными работами по пластам Четвертому и Тройному шахты «Северная».
Такое совпадение привело к резкому увеличению газовыделения как на проходческих, так и на выемочных работах шахты «Аяч-Яга». Особенно резкое увеличение (до 2-3 раз) произошло при ведении на-
резных, а затем и очистных работ в четвертом выемочном блоке. Были выполнены исследования по определению основных факторов, влияющих на повышенный уровень газовыделения в горные выработки южного крыла шахты «Аяч-Яга». Рассматривались два фактора -природный и технологический.
К природным факторам относятся изменения петрографического состава пластов, наличие крупных и большого числа мелкоамплитудных нарушений, изменение газоносности, влажности, зольности и других физико-химических характеристик угольных пластов. На стадии геологической разведки месторождения, а в последующем и при ведении горных работ на южном крыле шахты не было отмечено ни крупных, ни мелких нарушений в строении угленосной толщи. По данным геологов Воркуты (к.т.н. А.В. Подмарков и др.) резкое изменение петрографического состава углей, газоносности и других показателей очень редко встречается даже в пределах одного месторождения, и уж тем более не меняются такие показатели в пределах одного выемочного блока.
Анализ данных отдела технического контроля шахты «Аяч-Яга» по влажности, зольности, выходу летучих и мощности пласта J4 показывает, что абсолютные значения указанных показателей колеблются в пределах нескольких процентов. Поэтому следует полагать, что и по пластам стратиграфического разреза в пределах радиуса разгрузки угленосной толщи физико-химические характеристики пластов существенно не отличаются от данных, которые даются геологами. А это означает, что природная метаноносность пластов также не может резко отличаться от той закономерности, которая была получена на стадии разведки месторождения.
К технологическим факторам, оказывающим преобладающее влияние на газовый режим выработок шахты «Аяч-Яга», относятся разрыв во времени между выемкой пластов на шахтах и взаимное расположение выемочных столбов в пространстве. В отдельности эти два момента на оказывают сколь-либо существенного влияния на га-зовыделение в выработки пласта J4 . Именно незначительный разрыв между горными работами по пластам Четвертому, Тройному и J4 меняет интенсивность и абсолютные объемы газовыделения в выработках пласта J4.
Исследованиями за характером изменения газового давления в смежных пластах было доказано, что зона разгрузки массива при очистной выемке пласта имеет форму свода. Основаниями огибающей
свода являются краевые части пласта, а высота свода равняется предельному значению радиуса разгрузки Мр [1]. В теории механики горных пород [2] утверждается, что подрабатываемый массив после выемки пласта подвергается деформациям различного характера до дневной поверхности [2, 3, 4]. В зоне сдвижения угленосной толщи можно выделить несколько зон, качественно отличающихся характером деформации.
В пределах радиуса разгрузки Мр метан из подрабатываемых или надрабатываемых смежных пластов выделяется в выработки разрабатываемого пласта. Расстояние между пластом J4 (по разведочным скважинам ПК 3120 и ПК 3097) и разрабатываемыми пластами шахты «Северная» в среднем составляет: - между пластами J4 и Четвертым -390 м; - между пластами J4 и Тройным - 370 м. Радиус разгрузки Мр для подрабатываемого пластом Четвертым массива (на существующих глубинах ведения горных работ) составляет 170-190 м, для пласта Тройного - 300-320 м, то есть между зоной разгрузки после выемки пласта Тройного и пластом J4 остается 50-70 м массива, не имеющего аэродинамической связи между пластами. Но этот факт можно поставить и под сомнение, т.е. в этой небольшой «пробке» может иметься какая-то система трещин, по которым метан из спутников выделяется в выработанное пространство пластов. Это утверждается и авторами работы [2], которые считают, что в массиве со слоистым строением, к которым относятся и угольные месторождения, аэродинамическая связь существует между всеми зонами. Наблюдения за газовым режимом выемочных участков проводились в действующих лавах 524ю, 624-ю и 244-ю. Для анализа были приняты также данные участка ВТБ по лавам 224-ю, 424-ю, 134-ю, 234-ю и 144-ю. Замерные станции располагались таким образом, чтобы можно было составить полный газовый баланс по выемочным участкам, учитывался также метан, извлекаемый дегазацией.
Фактическая относительная величина газовыделения сравнивалась с расчетной, подсчитанной по природной метаноносности пластов
X = 38,5------65!^, (1)
Н +184
где Х - природная метаноносность пластов, м3/т сухой беззольной массы; Н - глубина ведения очистных работ от границы метановой
зоны, м. По полю шахты «Аяч-Яга» абсолютная отметка границы метановых газов равна +75 м.
Для сравнения принималось отношение фактической газообиль-ности и расчетной. По выемочному столбу 524-ю отношение фактической газообильности qф к расчетной qp меняется в пределах от 0,8 до 1,43, а в среднем примерно равно 1,0, т.е. с учетом точности замеров фактическое газовыделение совпадает с расчетными величинами. Разница во времени между началом отработки лавы 524-ю и пласта Четвертого составляла 7 лет и увеличилось к концу выемки столба до 14 лет. Газовыделение по участку нарастало в течение 5-ти месяцев до максимального уровня и держалось с небольшими колебаниями на уровне расчетного. Работа лавы 524-ю началась через один год после выемки столба 712-с пласта Тройного и по мере прохода линии очистного забоя над выемочными столбами 612-с, 512-с и т.д. разница во времени между началом выемки пластов J4 и Тройного увеличилась с одного года до одиннадцати лет. Выемка пласта Тройного не изменила объем выделяющегося метана по участку лавы 524-ю, и такое положение характерно для всех рассмотренных лав шахты «Аяч-Яга».
В начальный период лава 144-ю подрабатывалась лавой 912-с пласта Четвертого и разница во времени между работой лав в первом квартале 1994 г. составляла 1-2 месяца. Это привело к тому, что газо-обильность участка с 59 м3/т увеличилась до 70-75 м3/т, а в отдельные моменты доходила до 100 м /т. После перехода линии очистного забоя лавы 144-ю в створ над лавой 812-с разница во времени увеличилась с мая 1994 г. до 5 лет, газообильность при этом постепенно снизилась с 75 м3/т до 35-37 м3/т и держалась на этом уровне до конца отработки столба. В конце 1994 г. лава 144-ю вторично подрабатывалась лавой 712-с пласта Тройного и хотя разница между выемкой этих лав была всего 1-2 года, это не повлияло на общее газовыделение по выемочному столбу 144-ю. По результатам обработки данных об изменении газообильности выемочных участков получено эмпирическое уравнение, которое учитывает время подготовки пласта J4 qoж = 2,^ехр(-0,123 • Тп + 0,0046• Т2п), (2)
где qoж - прогнозируемая газообильность выемочного участка с учетом времени подработки, м3/т; qр - расчетная газообильность участка по природной метаноносности пласта, м3/т; Тп - разница во времени между выемкой пласта J4 и Четвертого, лет.
Таким образом, выемочные участки четвертого выемочного блока пласта J4 (лавы 144-ю и 244-ю) имеют повышенное в 1,5 - 2,8 раза
газовыделение по сравнению с прогнозируемым по природной мета-ноносности пластов. По выемочным столбам второго и третьего блоков фактическое метановыделение совпадает с прогнозируемым. Относительная погрешность между фактическим и расчетным объемами газовыделения в этих блоках в среднем не превышает 13 %. Основное влияние на газовыделение в лавах четвертого блока оказывает подработка пласта J4 пластом Четвертым с разрывом во времени между очистными работами по этим пластам менее 5-7 лет. При большей разнице во времени фактическое газовыделение на выемочных участках не превышает расчетные величины. Вторичная подработка пласта J4 пластом Тройным в исследованных условиях практически не оказывает какого-либо влияния на уровень газовыделения по выемочным участкам даже при небольшом (1-3 года) разрыве во времени между очистными работами по этим пластам.
Для улучшения газовой обстановки на выемочных участках пласта J4 разрыв во времени между очистными работами по пластам J4 и Четвертому должен быть не менее 7-8 лет. При меньшей разнице прогнозируемая величина газовыделения должна корректироваться по фактору времени.
При подготовке статьи использованы данные горных инженеров
А.С. Пантелеева и Т.Ю. Сурайкиной, которым авторы выражают благодарность.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, МакНИИ, 1989. 319 с.
2. Турчанинов И.А. и др. Основы механики горных пород/ И.А. Турчанинов, М.А. Иогрис, Э.В. Каспарьян. - Ленинград, Недра, 1989. 488 с.
3. Якоби О. Практика управления горным давлением. - М.: Недра, 1987.
566 с.
4. Кратч Г. Сдвижение горных нород и защита подрабатываемых сооружений. - М.: Недра, 1987. 494 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Бобровников В.Н. - доктор технических наук,
Погудин Ю.М. - кандидат технических наук,
Плиско И.Е. - горный інженер,
филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт»,
Бочаров И.П. - горный инженер, ОАО "Воркутауголь".
_________________________________ © В.А. Зуев, Л.М. Гусельников,
А.Н. Осипов, 2005
УДК 622.272:622.817.9:661.184.35
В.А. Зуев, Л.М. Гусельников, А.Н. Осипов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ ДЕГАЗАЦИИ НАДРАБАТЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
уществующие в настоящее время в угольной отрасли способы дегазации высокогазоносных угольных пластов зачастую не обеспечивают необходимую по технико-эконо-мическим условиям скорость подвигания подготовительных забоев. Применяемые в ОАО "Воркутауголь" контурные и фланговые технологические схемы дегазации разработаны в основном для дегазации подрабатываемых пластов-спутников. Длина и диаметр дегазационных скважин составляют в среднем соответственно 60-120 м и 76-112 мм, начальная скорость газовыделения из скважин колеблется в диапазоне от 6 до 10 м3/мин, эффективность дегазации подрабатываемых пластов-спутников на выемочных участках достигает 80-90 %, а продолжительность работы скважин составляет в среднем 4-6 месяцев. Активный каптаж метана обычно прекращается с расстояния 400-500 м за лавой.
В настоящее время в ОАО "Воркутауголь" угольные пласты полого-наклонного залегания Четвертый, Тройной, Мощный и Пятый отрабатывают пятью шахтами. Горные работы ведут по бесцеликовой технологии при обратном порядке отработки выемочных столбов на глубине 800-1040 м.
Дегазационные скважины бурят из поддерживаемых выработок в 60-150 м за очистными забоями, на участке разгрузки пластов-спутников, т.е. в зоне, в которой обычно происходят аварии, связанные с загазированием и взрывами метана, и протяженность которой достигает 250 м от забоя. Бурение скважин в указанной зоне осуществляют в период, когда разгрузка пластов-спутников уже произошла, и часть метана, перейдя в свободное состояние, смешалась с вентиляционной струей. Нередко при бурении происходит заклинивание бурового снаряда.
Применяемые схемы дегазации надрабатываемой углепородной толщи еще недостаточно совершенны. Объем их бурения в 2-3 раза ниже по сравнению с восстающими скважинами, пробуренными в подрабатываемый массив. Начальное газовыделение из скважин не
превышает 2,3-2,8 м3/мин, составляя в среднем 0,8-1,2 м3/мин, а про-должи-тельность их работы - соответственно не более 3-4 месяцев. Скважины на отдельных участках выемочных столбов затапливаются инфильтрационными водами почвы пластов (шахта «Северная», «Воркутинская»), что снижает их дебит в среднем на 20-50 %. Отсутствие или запаздывание дегазирующего влияния нисходящих скважин в зоне разгрузки надрабатываемых пластов-спутников является нередко причиной формирования за очистным забоем на границе с выработанным пространством местных и слоевых скоплений метана. Последнее происходит, как правило, в периоды разгрузки указанных пластов-спутников.
С целью проверки возможности повышения эффективности дегазации надрабатываемых пластов-спутников с помощью нисходящих скважин [1] на шахте «Северная», «Воркутинская» ОАО "Воркутауголь" были проведены шахтные исследования. Исследования проводили при отработке пласта Четвертого лавами, подвигаемыми по падению и простиранию. В качестве критериев эффективности работы дегазационных скважин были приняты: устойчивый характер их дебита, продолжительность каптажа, а также их влияние на ликвидацию местных и слоевых скоплений метана в зоне разгрузки за очистным забоем на границе с выработанным пространством.
Породная толща, располагающаяся ниже пласта Четвертого (пц) до пласта Пятого (п7) представлена чередующимися слоями песчаника, аргиллита и алевролита. В условиях шахты «Северная» надраба-тываемые пласты-спутники пю, п9 и п7 расположены от пласта пц на расстоянии 6-6,5, 15-16 и 30-35 м соответственно. Ожидаемая относительная газообильность указанных выше надрабатываемых пластов-спутников, пласта Четвертого, а также подрабатываемых пластов-спутников (Тройного, ть т2) применительно к лаве 912-ю пласта Четвертого составляет соответственно 18, 5 и 42 м3/т.
Скважины бурили впереди опорной зоны лавы 912-ю из ниш, оформляемых заблаговременно с конвейерного бремсберга 102-ю со стороны неотработанного угольного массива. Расстояние между смежными нишами, которые подготавливали под буровой станок СБГ-1м, составляло 140-220 м. Расстояние 1р между нишами определяли из условия, согласно которому величина 1р должна быть не менее максимального шага разгрузки надрабатываемых пластов-спутников. Впереди лавы было подготовлено шесть ниш (вблизи пикетов №№ 75, 89, 106, 120, 138, 160). Из каждой ниши было пробурено от трех до
пяти нисходящих скважин, три-четыре их которых - до пласта-спутника П10, а одну-две - соответственно до пластов-спутников п9 и
П7.
Схема расположения скважин дегазации относительно границы выработанного пространства и пластов-спутников П10, п9, п7 представлена на рис. 1. Углы разворота скважин изменяли от 6 до 90о, углы подъема - от 6 до -65о, длину скважин - от 40 до 120 м. При этом скважины бурили навстречу забою лавы, параллельно забою и в направлении его подвигания. Глубина обсадки скважин составляла в среднем 10 м. Из вентиляционного магистрального штрека 112-ю в выработанное пространство по падению на нижние спутники пю, п9 были пробурены также фланговые скважины №№ 727 и 727”. Контроль за дегазационным режимом работы скважин выполняли ИТР участка ВТБ шахты с помощью шахтного интерферометра ШИ-100 и и-образного вакуумметра. Замеры выполняли ежесуточно, начиная с 50 м, и дважды в сутки с 15 м впереди забоя лавы.
Как видно из графиков рис. 2, для всех вариантов расположения скважин в зоне разгрузки за очистным забоем характерно наличие нескольких максимумов газовыделений. Волновой характер изменения дебита метана можно объяснить цикличным характером разгрузки углепородного массива в вертикальном направлении. Общим для всех вариантов является то, что газовыделение начинается впереди лавы, при этом начальный дебит метана не превышает 1,4-1,5 м3/мин. По мере приближения лавы к забою скважины (по первому варианту), к оси скважины (по второму варианту) и к ее устью (по третьему варианту) начальное газовыделение снижается до минимума, а после перехода забоем лавы соответственно забоя, оси и устья скважины газовыделение начинает возрастать до величины первого максимума.
Обработка результатов газовыделений, по дебитам скважин №№ 772, 802, 820 и 833, пробуренных параллельно забою лавы до пластов-спутников П10 и п7, позволила установить, что газовыделение из пласта-спутника П10 начинается в 20-30 м впереди лавы (рис. 2, б) и заканчивается через 3,5-5,0 месяцев работы скважин. Дебит метана имеет несколько максимумов, приуроченных к зонам разгрузки пластов-
При разработке параметров схемы дегазации участвовал зам. начальника участка ВТБ горный инженер Жуков Н.С.
ь<— I
I-!
Рис. 1. Схема расположения (а) и определения параметров заложения дегазационных скважин относительно границ выработанного пространства (б) на одном из участков выемочного столба 912ю пласта Четвертого
П
П
п
П
спутников пю, П9 и П7, при концентрации метана, изменяющейся от 100 до 45 %.
Анализ графиков показывает, что процесс развития и затухания газовыделения в зоне влияния поддерживаемой выработки наилучшим образом отражают графики рис. 2, а, в, т.е. по первому и третьему вариантам расположения скважин. Согласно показателям работы скважин, для второго и третьего вариантов характерны более высокие величины дебита и концентрации метана, а также продолжительности их каптажа по сравнению с первым вариантом. Причина невысоких показателей дегазации первого варианта (по 13 скважинам №№ 799, 801, 817 и др.) состоит в том, что скважины после перехода их устьев забоем лавы оказывались в 50 % случаев срезанными в результате влияния опорного давления и упругого восстановления пород почвы. Вышедшими из строя оказывались скважины, предназначенные для дегазации ближайшего от разрабатываемого пласта Четвертого пласта-спутника п10.
Анализ графиков рис. 2, а свидетельствуют также о том, что для первого и третьего вариантов расположения скважин максимальная интенсивность газовыделения приурочена к участку, часть которого длинной до 30 м примыкает к очистному забою со стороны зоны опорного давления, а другая его часть 1р длиной до 120-130 м примы-
Продолжительность каптажа, мес. Расстояние от забоя скважины до лавы, м
Продолжительность каптажа, i
Расстояние о
и скважины до лавы, м
Расстояние от устья скважины до лавы, м
0 1 2 3 4 5 R
- дебит скважин
- концентрация метана
Рис. 2. Изменение дебита и концентрации метана по скважинам, пробуренным навстречу (а, да пласта-спутника п10), параллельно забою (б, до пласта-спутника п7), в направлении его подвигания (в, до пласта-спутника п9) и зависимость между количеством случаев повышенной концентрации метана и расстоянием между скважинами, выраженным в радиусах влияния их вакуума (г)
N
кает к забою со стороны выработанного пространства и является активной частью зоны разгрузки надрабатываемых пластов-спутников n10, n9, и n7. Последующий участок, характеризующийся уплотнением пород в выработанном пространстве и затуханием процесса газовыде-ления, прослеживается до 350-450 м за очистным забоем.
Заложение встречных забою скважин при пересечении их стволами пласта-спутника n10 в точках, разделяющих границу выработанного пространства лавы 912-ю на отрезки, равные двукратному радиусу влияния 2R вакуума скважин, позволило создать условия для предотвращения образования местных и слоевых скоплений метана.
Как показал анализ, повышенная концентрация метана до 1,5-1,7 и более процентов на границе с выработанным пространством за очистным забоем до проведения шахтных исследований проявлялась практически постоянно. После того, как забой лавы вошел в зону влияния экспериментальных сква-жин, количество случаев повышенной концентрации метана за очистным забоем на границе с выработанным пространством стало снижаться. За период наблюдений зафиксировано 173 случая повышенной концентрации метана, причем
по месяцам с января по сентябрь они проявлялись в следующей последовательности: 73, 55, 0, 0, 15, 8, 0, 10, 6. Случаи появления повышенной концентрации метана стали отмечаться от забоя на расстоянии не ближе 75 м по сравнению с "базовым", равным 30 м, до проведения испытаний. Проявление таких случаев обуславливалось, по видимому, ослабевающим на отдельных участках или участке влиянием вакуума взаимодействующих (пересекающихся) скважин вследствие неоправданно завышенного расстояния между их устьями. В марте, апреле и августе отсутствие случаев повышенной концентрации метана объясняется тем, что нижнее сопряжение лавы, как по падению, так и по простиранию постоянно находилось в зоне влияния вакуума дегазационных скважин. В этот период работало от 4 до 7 скважин, расстояние между которыми вдоль границы выработанного пространства изменялось на участке подвигания от 15 до 27 м, а в мае, июне, июле, т.е. за участком подвигания - от 20 до 53 м.
На рис. 2, г показан график зависимости между количеством случаев повышенной концентрации метана и расстоянием между скважинами вдоль границы выработанного пространства, выраженного в радиусах влияния вакуума скважин. Под радиусом R понимается минимальное расстояние, определяемое опытным путем, при котором на границе с выработанным пространством существенно сказывается влияние вакуума скважин. Как видно из графика рис. 2, г, с уменьшением расстояния между скважинами с 5 до 3 радиусов R влияния их вакуума количество случаев повышенной концентрации метана N сокращается в 4-5 раз. При дальнейшем сокращении расстояния между скважинами до 2-1 R количество случаев N стремится к минимальному их уровню.
Веерообразное расположение встречных забою нисходящих дегазационных скважин способствует существенному отсосу и снижению концентрации метана и под зоной подрывки поддерживаемой выработки. Последняя характеризуется резким увеличением высоты и соответственно площади поперечного сечения по сравнению с этими же параметрами в смежной зоне, со стороны забоя. Повышенная площадь поперечного сечения в зоне подрывки поддерживаемой выработки снижает динамическое давление воздуха в ней, что усиливает приток метана в эту зону из зоны разгрузки, согласно эффекту выравнивания динамического давления воздуха между зоной подрывки и примыкающей к ней со стороны забоя смежной зоны.
Таким образом, наиболее технологичным и результативным вариантом расположения нисходящих скважин является комплексный, при котором часть скважин ориентирована навстречу лаве, а другая часть параллельно забою, а также в направлении его подвигания.
Расчеты показывают, что по условию равномерности распределения вакуума дегазационных скважин между смежными нишами вдоль границы выработанного пространства расстояние между смежными нишами должно быть не более 90-100 м, а общая длина четырех-пяти скважин, закладываемых из ниши, должна составлять в условиях шахты "Северная" 260-410 м. Данная схема позволяет исключить отрицательное влияние фактора отставания буровых работ от очистного забоя.
Согласно статистическому анализу, количество скважин, которые были пробурены в подрабатываемую и надрабатываемую толщу, по мере подвигания лавы 912-ю ежемесячно увеличивалось. Так, в течение года количество ежемесячно действующих скважин возросло с 14 до 23, из них - с 3 до 6 - в надрабатываемую толщу.
Дебит метана, каптируемого нисходящими скважинами, увеличился с 2,1 до 4,9 м3/мин. Дополнительное его увеличение за счет нисходящих скважин на участке длиной 150-160 м, примыкающего к очистному забою со стороны выработанного пространства, изменялось в диапазоне от 1,4 до 3,6 м3/мин.
Величина ежемесячного дополнительного дебита, каптируемого нисходящими скважинами, каждый раз свидетельствовало о том, на какую величину становился меньше дебит метана, приходящийся на вентиляцию на выемочном участке. С учетом изложенного, эффективность снижения газообильности выемочного участка за счет дегазации в зоне разгрузки надрабатываемой толщи определится из выражения Кэф. = JAh/Ju, где JAh. и Jn - соответственно дополнительный дебит метана из надрабатываемой толщи, каптируемый в зоне разгрузки, и дебит метана, приходящийся на вентиляцию, м3/мин.
Согласно расчетам, эффективность снижения газобильности лавы 912-ю в течение года за счет дополнительного извлечения метана из надрабатываемой толщи увеличилась с 15,4 до 33,8 % в месяц. Продуктивность работы скважин, под которой понимается дополнительный дебит метана, каптируемый скважинами, может также существенно изменяться и зависеть от многих факторов. Однако, при прочих равных условиях при продолжительности работы скважин до 12 месяцев (на примере скважины №771, пробуренной навстречу лаве 912-
ю) продуктивность работы скважин повышается на 25-30 %, а при работе скважин сразу за очистным забоем на участке подвигания, соответствующему, по крайней мере, длине активной части зоны разгрузки надрабатываемой толщи, достигает 100 % (рис. 2).
Инструментальные замеры показали, что дебит метана приходящийся на дегазацию выемочного участка в течение года уве-личился с 28,6 до 40,9 м3/мин, а на вентиляцию - соответственно с 7,4 до 15,3 м3/мин. При этом Кдег. по участку увеличился с 0,71 до 0,82.
Таким образом, проверка в шахтных условиях комплексной схемы дегазации надрабатываемых пластов-спутников выявила возможность ее применения в сходных горно-геологических условиях, в т.ч. в ситуациях, связанных с парной подготовкой выемочных столбов. В последнем случае бурение скважин представляется целесообразным непосредственно из сбоечных печей, пройденных на расстоянии друг от друга 60-90 м. Применение встречных забою нисходящих скважин, наряду с параллельными забою и в направлении его подвигания скважин позволит повысить в 1,2-1,35 раза продуктивность их работы и до 30-50 % степень дегазации надрабатываемой толщи, не превышающей в настоящее время 10-15 %. Скважины должны быть относительно забоя лавы встречными и перекрывать друг друга на стыках участков между нишами (сбоечными печами) на величину радиуса влияния вакуума скважин.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент №2086773, МКИ Е 21 F 7/00 Способ дегазации надрабатываемого нласта-спутника/ Гусельников Л.М., Зуев В.А., Осипов А.Н., Белозеров В.А., Жуков Н.С., Лосев Н.С./ Бюл. №22, 10.08.97.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Зуев В.А. - кандидат технических наук, филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутин-ский горный институт»,
Гусельников Л.М. - горный инженер, институт «Печорниипроект»,
Осипов А.Н. - горный инженер, Печорское межрегиональное управление но технологическому и экологическому надзору.
