CC BY
34
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97» МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 10 «АЭРОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»
О.В.Скопинцева, К.З.Ушаков
Московский государственный горный университет
РЕГУЛИРОВАНИЕ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ
СЕТЕЙ по фактору аэродинамического
СТАРЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Анализ состояния вентиляции шахт Донбасса показывает, что с учетом нормативного резерва воздуха всего лишь 26,2% шахт имеют достаточную обеспеченность воздухом. Но даже на таких шахтах, по результатам анализа депрессионных съемок, имеются объекты вентиляции, обеспеченные воздухом всего на 80 и даже на 60%.
Основными причинами ухудшения состояния вентиляции являются:
• огромные подземные утечки воздуха и подсосы на поверхности из-за большого числа вентиляционных сооружений на каждой шахте и низкого их качества. В среднем на каждой шахте имеется около 40 сооружений, из них 39,1% - глухих перемычек , 48,7% - дверей и шлюзов, 7,7% - кроссингов, 3,8 % - перекрытий гезенков и 0,7% - герметичных бункеров [1];
• старение шахтных вентиляционных сетей. Абсолютное большинство вентиляторных установок главного проветривания выбрано и запроектировано с более низкими параметрами, при расчете которых не учитывалось это старение. Поэтому фактические сопротивления ШВС оказались больше расчетных (проектных) в 1,35 -1,55 раза. Отсюда значительная часть вентиляторов работает без
резерва и даже в области неустойчивых режимов;
• сложность ШВС. Общее число ветвей сети колеблется в широких пределах, достигая 500. Главными факторами, определяющими объем сети, являются: производственная мощность шахты, число одновременно разрабатываемых пластов, количество очистных забоев и объектов проветривания вообще. Число последних колеблется от нескольких единиц до 70. Абсолютное большинство шахт (92%) имеют до 40 объектов проветривания, в том числе обособленно проветриваемых за счет общешахтной депрессии до 25. Около 70% всех шахт имеют до 8 очистных забоев. Поскольку ШВС является полностью производной принятого порядка ведения горных работ, определяемого, как правило, субъективно и строится без учета каких-либо вентиляционных требований, то получается сложной, неустойчивой и весьма разветвленной. Последнее обстоятельство является одной из причин низкой степени регулируемости ШВС. На шахтах, в которые в целом поступает достаточное количество воздуха, имеются объекты проветривания, обеспеченные воздухом всего на 80 и даже на 60%. В то же время в другие объ-
екты поступает более чем в 1,6 и даже в 2 раза больше воздуха, чем необходимо;
• несовершенство применяемых схем проветривания шахт. Почти на всех действующих шахтах применяются старые схемы проветривания с последовательным разбавлением вредностей по источникам поступления, отвечающие только требованиям неглубоких, малогазовых, с низкими нагрузками на лаву, шахт. Конструкции таких схем даже способствуют (в наиболее распространенном варианте возвратноточной схемы проветривания участка на массив угля) образованию местных скоплений метана высоких концентраций на газовых шахтах , усиленному нагреванию свежей струи за счет выделения тепла местными источниками и транспортируемой массой, увеличению запыленности воздушного потока на пути к забоям и т.д. И, главное, эти схемы ограничивают рост нагрузки на лаву и, следовательно, концентрацию работ, образуют весьма сложные ШВС с большим числом вентиляционных сооружений и т.д.;
• низкая степень надежности применявшихся ранее методов расчета параметров ШВС и ряда исходных данных при проектировании, особенно газовых и глубоких шахт.
Под аэродинамическим старением горных выработок будем понимать устойчивое увеличение удельного аэродинамического сопротивления выработки во времени. В настоящее время из-за старения протяженность выработок с неудовлетворительным состоянием на отдельных шахтах Донбасса достигает 37%, составляя в сред-
нем по бассейну 12%. Это явление может привести к значительным расстройствам вентиляции шахты.
С развитием горных работ процессы аэродинамического старения интенсифицируются, т.к. происходит увеличение смещений пород в выработках. Так например, при увеличении глубины работ с 500 до 1000 м интенсивность сближения кровли и почвы возрастает в 2 раза. Следует подчеркнуть, что с глубиной резко возрастает вес отрицательного воздействия старения на вентиляцию шахты вследствие увеличения суммарной протяженности выработок ШВС. Если для 60% шахт Украины протяженность выработок ШВС не превышает 50 км, то для глубоких шахт она, как правило, более 100 км.
Анализ литературных источников, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям аэродинамического сопротивления горных выработок, показывает, что на протяжении нескольких десятилетий основное внимание исследователей уделялось определению коэффициента аэродинамического сопротивления "альфа" различных выработок. По данным М. А. Патрушева и В. А. Емельянова старение выработок вызывает увеличение коэффициента "альфа" для выработок, закрепленных деревом, в среднем на 26%, для выработок, закрепленных металлом, - на 38%.
Изложенное выше определило следующие задачи исследований: получить зависимости аэродинамического сопротивления от времени для основных видов горных выработок; исследовать влияние на старение способов охраны, очистных работ, над-работки и подработки, видов транспорта.
В основу методики исследования аэродинамического старения выработок легли следующие положения:
• горно-геологические и горнотехнические условия выбранных шахт должны быть характерны для Донбасса;
• совокупность объектов наблюдений должна охватывать основные виды горных выработок, подверженных процессам аэродинамического старения;
• выборка с однотипными объектами должна быть репрезентативной, а полученные зависимости надежными.
Для наблюдения были выбраны шах-гы, разрабатывающие пласты полоюго падения, наиболее активно эксплуатируемые в Донецко-Макеевском районе Донбасса (1113, Ьь, 117, Ив, Ью, Ь, Ц, Ь, 1в, к«)- Мощности пластов находились в пределах 1,3 ± 0,2 м. Вмещающие породы отмеченных пластов относятся к неустойчивым. Глубина наблюдений была в пределах 1000 ± 150м.
В итоге в число наблюдений вошли восемь шахт: им. А.А.Скочинского,
им.М.И.Калинина, им. Челюскинцев. "Октябрьский рудник", "Трудовская" ПО "Донецкуголь", им.В.М.Ьажанова
ПСМакеевуголь", им. А.Г.Стаханова ПО "Красноармейскуголь", ’’Прогресс" ПО "Торезантрацит".
Горнотехнические особенности ведения работ на указанных шахтах,связанные с процессами аэродинамического старения выработок, следую-щие. Способы охраны выработок: целик-целик, целик-выработанное прос'1 ранство;
выработанное просгрансгво-выработанное пространство. Ряд выработок поддерживался в условиях предварительной отработки разгрузочных лав. Выработки крепились арочной трех-и пягизвенной крепью. Среди объектов наблюдений были как пластовые, тк и полевые выработки. В выработках применялся рельсовый и конвейерный транспорт.
Объектами наблюдений служили участки выработок длиной 200 м, пе имеющие разветвлений, не загроможденные транспортными средствами и другим оборудованием, с мало меняющимся попереч-
ным сечением. Все объекты наблюдений по горнотехническим условиям были разбиты на 13 групп. На каждом объекте производилось от 4 до 6 серий измерений. Для капитальных горизонтальных и наклонных выработок, динамика изменения сопротивления которых не столь высока, выполнялось 4 серии измерений из расчета одно измерение в 6 месяцев. Для участковых выработок, характерных высокими скоростями изменения сопротивлений, выполнялось 6 серий измерений из расчета одно измерение в 3 месяца.
В результате шахтных наблюдений был получен статистический материал по 500 объектам, общее количество наблюдений на которых составило 2000. К началу наблюдений каждый объект имел определенное время существования. Поэтому вся совокупность результатов наблюдений в каждой группе объектов относилась к достаточно большому временному диапазону. Так, для участковых выработок материал наблюдений охватывал период от 0 до 8 лет, для капитальных - от 1 до 25 лет.
По полученным данным для каждой группы выработок строился график зависимости математического ожидания удельного сопротивления r(t) выработок данной группы от времени их существования t. Окончательно изменение сопротивления выработок каждой группы было представлено в относительном виде r(t)=r(t)/ro, где Го-средневзвешенное значение проектных удельных сопротивлений выработок данной группы.
Аэродинамическое старение оказывает существенное влияние на сопротивление как участковых, так и капитальных горных выработок. Степень увеличения удельного сопротивления по сравнению с проектным может достигать для участковых выработок 8 раз, для капитальных - 4.
Генеральный характер изменения удельного сопротивления во времени одинаков для всех типов выработок и отличает-
ся монотонным увеличением сопротивления с уменьшающейся скоростью до некоторого предельного значения. Существенное искажение на него накладывают процессы ремонта, придавая зависимости гХ^ периодический характер. Особенно сильно влияние процессов ремонта в участковых выработках.
Основными факторами, определяющими характеристики протекания процесса старения выработок, являются (в порядке приоритета): характер проявления горного давления (расположение выработки
в зоне активного проявления горного давления или в зоне установившегося давления), способ охраны выработки (выработки полевые или пройденные по пласту, в массиве, в выработанном пространстве), организация ремонтных работ.
В табл.1 приведены основные статистические показатели старения исследованных групп выработок. Как видно из таблицы, наиболее активно деформируются участковые выработки, находящиеся в зоне активного проявления горного давления.
Таблица 1
Характеристики процесса аэродинамического старения горных выработок шахт
Донецко-Макеевского района
Номер группы Наименование выработок Способ проведения Способ охраны Время сушествов амия. годы Степень увеличения удельного сопротивления Гср/|*0 Степень увеличения удельного сопротивления гик)/Го
1 2 3 4 5 6 7
1 к Участковые откаточные штреки По пласту Целик-целик 3,75 1,82 1.2
'Г То же То же То же 5,0 1,6 1,67
2к То же То же Целик-выработанное простр 6,0 3,4 8,26
-Р То же То же То же 5,75 1,57 1,77
Зк Участковые вентиляционные штреки То же Целик-целик 4,25 2,27 4,33
4р То же То же Целик-выработанное простр. 4,75 2,3 4,24
5Р То же То же Выработанное простр.-выработан, простран. 9.25 3.0 8,5
6р Капитальные наклонные выработки Полевые Без разгрузочной лавы 20,5 2,2 2,66
7р То же По пласту Целик-целик 12,5 1.8 2,25
7к То же То же То же 13,0 2,53 3,12
8кр Капитальные горизонтальные выработки Полевые С разргрузочной лавой 8,5 1,5 2,23
8р То же То же Без разфузочной лавы 24,7 2.2 2.89
ЧР . .. То же По пласту Целик-целик 25,4 1,45 1.62
Примечание: к -конвейерный транспорт; р -рельсовый;
го - проектное значение удельного сопротивления; гср - среднее за весь срок службы удельное сопротивление;
Гср = ( Г-Г0)/1К .
Из исследуемых способов охраны выработок наиболее эффективно уменьшают процессы аэродинамического старения проведение выработок по породе. Среди капитальных выработок средняя за время их существования скорость увеличения удельного сопротивления полевых выработок примерно в 1,4 раза меньше таковой для пластовых со способом охраны «целик-целик». При проведении выработок по пласту наиболее эффективен способ охраны «целик-целик».
Выработки с конвейерным транспортом имеют в 2-2,5 раза более высокие показатели скорости роста удельного сопротивления, чем выработки с рельсовым транспортом. Данное различие можно объяснить различием в организации ремонтных работ в этих выработках, именно: более интенсивным ремонтом выработок с рельсовым транспортом, чем выработок с конвейерным транспортом.
Зависимости г[Ц удовлетворительно аппроксимируются полиномом третьей степени
Ш). = г(()/г0= ао+а/1+а2Г +а3Г, (1)
где ао, о/, а2,аз - числовые коэффициенты.
Полиномиальная аппроксимация была выполнена для относительного удельного аэродинамического сопротивления всех 13 групп выработок. Получены числовые значения коэффициентов уравнения (1).
Процессы аэродинамического старения приводят к отказам вентиляции. Становится очевидной необходимость учета влияния процессов старения на надежность функционирования шахтных вентиляционных систем (ШВС).
Говорить о реальной возможности повышения эффективности работы вентиляционной системы шахты или о повышении надежности шахтной вентиляционной сети можно лишь в перспективе, поскольку реализация сколько-нибудь значительных меропр71.чтий з этом направлении на действующей шахте в короткие сроки практически невозможна. Поэтому решение задачи повышения надежности ШВС тесно связано с программой развития шахты. Программа развития шахты, как правило, жестко задает топологию шахтной вентиляционной сети и технические средства вентиляции. Однако изменения здесь возможны и могут быть осуществлены оолге легко, чем непосредственно на действующей шахте.
Задача повышения надежности ШВС имеет весьма жесткие ограничения, налагаемые существующим состоянием шахты. Основные элементы топологии ШВС, в определенной степени - состояние выработок и вентиляционных сооружений, существующие в настоящее время, переносятся и на перспективу. Как правило, шахты не располагают достаточными возможностями для ремонта выработок и вентиляционных сооружений. Все это существенно ограничивает выбор мероприятий по повышению надежности ШВС.
Повышение надежности ШВС должно быть обязательно связано с учетом временной динамики аэродинамического сопротивления горных выработок. Как было ранее показано, фактические сопротивления выработок существенно изменяются во времени.
С 1990 года по 1992 год в ПО «Донецкуголь» на двух шахтах «Октябрьский рудник» и им.М.И.Калинина была выполнена научно-исследовательская работа на тему: «Анализ состояния, разработка мероприятий по повышению надежности вентиляции шахт». Суть работы заключалась в расчете вентиляции на пятилетний период с учетом программы разви-
тия шахты по зависимостям сопротивления от времени, установленным для основных типов выработок шахт Донецко-Макеевского района Донбасса.
Порядок расчета был следующим. Составлялась схема вентиляции шахты на пятилетний период. Для каждой выработки определялась ее классификационная группа (участковая, капитальная, полевая, пройденная по пласту и др.). Определялся возраст выработки на конец рассчитываемого периода. В качестве начальных удельных сопротивлений существующих выработок принимались их значения по данным последней депрессионной съемки; для проектируемых выработок они рассчитывались с учетом проектных сечений и типа крепи. Фактические удельные сопротивления выработок на пятилетний период определялись умножением начальных сопротивлений на коэффициенты их старения.
При конструировании ШВС шахты «Октябрьский рудник» было рассмотрено около 30 мероприятий по повышению надежности сети. Все мероприятия можно разделить на три основные группы: уменьшение аэродинамического сопротивления выработок; разделение областей вентиляции (уменьшение взаимного влияния главных вентиляторов); изменение топологии.
Уменьшение аэродинамического сопротивления рассматривалось применительно к выработкам с исходящими струями. Вследствие ограниченных возможностей шахты по выполнению соответствующих работ мероприятия этой группы имеют второстепенное значение .
Разделение областей вентиляции преследовало цель уменьшения или практическое исключение взаимного влияния вентиляторов. Предварительный качественный анализ ШВС позволил предположить наличие существенного взаимного влияния главных вентиляторов, отрицательно влияющего на распределение воздуха в шахте. В связи с этим возникла необходи-
мость рассмотрения мероприятий данной группы. Эти мероприятия в основном сводились к ослаблению связей между областями преимущественного влияния вентиляторов ВЦД-47У и ВЦД-40 на уровне вентиляционных горизонтов.
Изменение топологии включало в себя исключение некоторых первоначально предполагавшихся выработок, а также проведение вентиляционных скважин на исходящих струях и подключение к вентиляционной системе шахты «Октябрьский рудник» ствола шахты «Октябрьская».
Анализ выполненных компьютерных расчетов позволяет сделать следующие выводы. Вентиляция шахты при первоначально представленном варианте программы развития горных работ будет ненадежной. Ненадежность вентиляции проявляется в неадэкватности воздухораспределения по очистным забоям их потребностям в воздухе. По крайней мере, три лавы из тринадцати будут не обеспечены воздухом (средняя обеспеченность 0,76) . В то же время пять лав - намного переобеспечены воздухом (средняя обеспеченность 2,4).
Обращают на себя внимание также высокие депрессии главных вентиляторов, особенно ВЦД-40 (6160 Па), что является следствием, в частности, повышенной подачи воздуха в шахту. С этой целью была выполнена оценка мероприятий, связанных с изменением параметров отдельных элементов и топологии ШВС. Принятые меры по регулированию воздухораспределения позволяют достичь близкого к требуемому обеспечения воздухом очистных забоев шахты. Кроме того, была снижена депрессия ГВ ВЦД-40 путем перевода его на более низкую характеристику.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. М.А.Патрушев, Е.Я.Самойленко, В.Н.Ус. Совершенствование проветривания угольных шахт. Донецк, 1976.
©О.В.Скопинцева, К.З.Ушаков
