Выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.411.33

Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

(4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

Н.О. Каледина, канд. техн. наук, зав. кафедрой (Россия, Москва, МГГУ),

А.Н. Качурин, асп. (Россия, Москва, МГГУ)

ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА С ПОВЕРХНОСТИ ОБНАЖЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В ПОДГОТОВИТЕЛЬНУЮ ВЫРАБОТКУ

Представлены результаты теоретического анализа и обоснования базовой закономерности для прогноза выделения метана с поверхности угольного пласта в подготовительные выработки. Обоснована физическая модель и представлено математическое описание для прогноза выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подвигания подготовительного забоя, а также приведенырезультаты вычислительных экспериментов.

Ключевые слова: подготовительная выработка, метан, фильтрация, угольный пласт, газовыделение, математическаямодель, прогноз.

Современные технологии и технические средства отработки угольных пластов обеспечивают увеличение производительности очистных участков на порядок. Разумеется, что это приводит к тому, что в несколько раз возрастает скорость подвигания подготовительных забоев. Поэтому требуется уточнить существующие теоретические зависимости метановыделе-ния с поверхности обнажения угольного пласта. Рассматривая угольные пласты, которые отрабатывают по технологии «шахта - лава», процесс фильтрационного движения метана считать ламинарным и одномерным

[1]. Расчетная схема выделения метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта в подготовительную выработку для таких условий представлена на рис. 1.

¡1

г |Ш

щ Недегазированный угольный пласт

Подготовительный

забой

Фильтрационный поток метана, поступающего Ось

с поверхности обнажения угольного пласта подготовительной

в подготовительную выработку выработки

Рис. 1. Расчетная схема выделения метана в подготовительную выработку с поверхности обнаженияугольного пласта

Учитывая высокую скорость подвигания подготовительного забоя, необходимо использовать уравнение фильтрации гиперболического типа

[2], поэтому математическое описание поля давлений свободного метана в

краевой части угольного пласта имеет следующий вид:

,2 л2 2 ~|2 2

др2 + г а2 р2

д2 р'

Ху .п ^_2

(1)

дг г дг2 "ум д2

где р - давление свободного метана в трещиновато-пористой структуре угля: 2, у - пространственная координата; г - время; гг - период релаксации

процесса ламинарной фильтрации метана в угольном пласте; %ум - пьезопроводность угольного пласта, зависящая от фильтрационных и сорбционных свойств угля.

Проектная длина подготовительной выработки на 1 - 2 порядка превышает мощность разрабатываемого угольного пласта и размеры зоны естественного газового дренирования, поэтому, физически обосновано, можно рассматривать одномерное полубесконечное пространство, что позволяет записать начальные и граничные условия в следующем виде:

д

р( 2,0) = р0=свтг, —р( 2,0) = 0, дг р(0,г) = рс = сотг, ¡¡ш р фю,

(2)

где р0 , рс - давление свободного метана в угольном пласте и на контакте поверхности обнажения пласта с атмосферой подготовительной выработки соответственно.

Решение уравнения (1) для условий (2) имеет следующий вид [3]:

2 2 р - ро

р.

рО

= {ехр[-0,52(ггху.п) 0,5] + 0,52(ггХу.п) 05

X

-0,5

X

х/,

г Л* у.п ,

где ст0

/ >2 - 22(гх;\,)

)0’5 ]аг}

/ -1 \0’5

0 при г <2 ^ ггху,п) ,

I -^0’5

1 при г > 2 ^ ггху,п) •

ехр (~0,5тгг11 г -2 (гг х;\)

X

\ 0,5

(3)

Массовая скорость фильтрации метана определяется из уравнения баланса массы газа [3]:

ру =

2 ра

¡(к > шар

К

ехр

/„

Г у

0,5

Ху.

у.п

(4)

где ра - плотность метана при атмосферном давлении ра; ц - динамическая

г

вязкость метана; (С}, т - средние значения газовой проницаемости и пористости угля соответственно; ар - параметр линеаризации, определяемый

по формуле ар = (рс - Ро) /«РсРо1.

Из соотношения (4), следует аналитическая зависимость для расчета метановыделения с единичной площади поверхности обнажения угольного пласта (1удп) [4]:

I

уд.п 1уд.н еХр

( 0.5ґ} І0 ( 0.5і^

, С О К ,

(5)

г У чту 3// 2

где 1удн - начальная скорость газовыделения, м /(м -мин).

При больших значениях аргумента для модифицированной функции Бесселя справедливо асимптотическое разложение:

Іа (0,5ї/їг) &ЄХр(о0,5ї/їгїг/(лЛ), поэтому для больших периодов времени,

которые превышают длительность проведения подготовительной выработки, зависимость (5) примет следующий вид:

I

уд.п

0.564Іу^І^.

(6)

Дебит метана в подготовительную выработку 1пв с элементарной поверхности обнажения угольного пласта dS, учитывая зависимость (5), можно определить как

Л1п.е = п1уд.пЛ = ту.п К.з1 уд.н еер(-°5/г ) 1а (0,5/tr )Л , ГДе П - КОЛИЧеСТво поверхностей обнажения угольного пласта, контактирующих с атмосферой подготовительной выработки; тум и ¥„.3 - мощность разрабатываемого угольного пласта и скорость подвигания подготовительного забоя соответственно.

Тогда, представляя модифицированную функцию Бесселя в интегральном виде, метановыделение в подготовительную выработку со всей поверхности обнажения угольного пласта можно определить по формуле:

t/2tr

0,318птуЛУп'31уд,н | ехр(-г):

1 п.в

X

х<

|[ехр(т Cosв) + ехр(-т Cosв)\dв

0

0.564пт уп Ьпв 1 удн

dт при і < Т

пв>

(7)

при Г>ТПВ.

где Тпв, Ьпв - значения проектной длительности проведения подготовительной выработки и ее проектная длина.

Формула (7) справедлива для всего периода времени существования

0

подготовительной выработки. Верхний предел внешнего интеграла представляет собой безразмерное время, прошедшее с начала проведения под-

где 1пв - безразмерное значение метановыделения в подготовительную выработку с поверхности обнажения угольного пласта в период проведе-

готовительную выработку с поверхности обнажения угольного пласта в период обособленного проветривания выработки, имеющей проектную длину Ьпв.

Вычислительный эксперимент проводился с использованием зависимости соотношения (7). Результаты вычислительного эксперимента показали, что в инженерных расчетах могут применяться следующие формулы:

Аппроксимации, заданные соотношением (8), характеризуются значениями коэффициентов корреляции от 0,92 до 0,94. Погрешность аппроксимации не превышает 3 %. Из формул (8) - (9) следует, что интенсивность метановыделения непосредственно связана со скоростью подвигания подготовительного забоя и проектной длиной подготовительной выработки. Анализ этих зависимостей показывает, что в процессе проведения выработки метановыделение нарастает за счет увеличения площади газоотдающей поверхности. Газоотдающая поверхность вначале находится под

2 2

перепадом давления приблизительно равным значению р0 - рс . Затем происходит дегазация краевой части угольного пласта, контактирующей с атмосферой подготовительной выработки, по гиперболическому закону. Установленные теоретические закономерности позволяют, во-первых, повысить достоверность прогноза абсолютной метанообильности подготовительных выработок при высоких скоростях подвигания подготовительного забоя и, во-вторых, оценить прогнозное значение эффективности системы дегазации.

готовительной выработки тив. Введем следующие обозначения:

*

ния выработки; Іпв(тпв) - безразмерное значение метановыделения в под-

при ттв <0ПВ

3.73 І68 при 0 <тпв < 3.

4.571 +1.143 тпв при 3 <тпв < 10.

10 + 0.5 тпв при 10 <тпв < 50.

25 + 0.26 твц при 50 <тпв < 100

(8)

при ттв >0ПВ

11 (*п.в ) = (0ПВ +?п.в ) 0’5.

(9)

Список литературы

1. Аэрогазодинамика углекислотообильных шахт/ Н.М. Качурин [и др.] // М.: Изд-во МГГУ. 2005. 345 с.

2. Качурин Н.М. Перенос газа в породоугольном массиве / Известия ВУЗов. Горный журнал. 1991. № 1. С. 43-47.

3. Лыков А.В. Тепло-массообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978.

480 с.

4. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А.А. Прогноз выделения метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта и нагрузка на лаву при интенсивной выемке угля. Безопасность жизнедеятельности. 2010. №5. С. 19-24.

N.M. Kachurin, N.O. Kaledina, A.N. Kachurin

METHANE EMANATION FROM COAL SEAM SIDE FACE INTO DEVELOPMENT WORKING

The results of theoretical analysis and foundation on basic regularity for forecasting methane emanation from coal seam side face into development workings were represented. The physical model of the process was based and mathematical description for forecasting methane emanation from coal seam side face by the high advance rate of development face was shown and results of calculation experiments were shown too.

Key words: development gallery, methane, filtration, coal seam, gas emanation, mathematical model, forecasting.

Получено 20.04.11

УДК 622.807:004.032.26

Э.В. Рощупкин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-37-60, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГНОЗА ВЫДЕЛЕНИЯ ПЫЛИ С ПОВЕРХНОСТИ ТЕРРИКОНА

Предложено использовать нейронные сети для формирования прогноза выделения пыли с поверхности отвала шахтной породы в зависимости от времени суток, периода года.

Ключевые слова: прогноз, пост наблюдения, временной ряд, мониторинг, моделирование, нейронная сеть, обучение, ошибка.

При построении карты рассевания вредных веществ в атмосфере с помощью системы экологического мониторинга, необходимо иметь информацию о выбрасываемом компоненте, которую получают с датчика, реагирующего на измеряемый компонент [1]. Измерение вредного вещества пыли осуществляется с помощью специального прибора - пылемера. На