Разработка метода оценки метаноопасности шахт по комплексной метанообильности
На правах рукописи
Колмакова Мария Владимировна
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ МЕТАНООПАСНОСТИ ШАХТ
ПО КОМПЛЕКСНОЙ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ
Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»
(горная отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Кемерово 2008 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Колмаков Владислав Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беспятов Геннадий Александрович кандидат технических наук, доцент Денискин Николай Федорович
Ведущая организация: Филиал ОАО «СУЭК – Кузбасс» в г. Ленинске-Кузнецком
Защита состоится 4 июня 2008 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет», Кемерово, 650026, ул. Весенняя, 28, факс 8-384-21-36-16-87.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».
Автореферат разослан _ 2008 года
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Ю. В. Лесин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Увеличение интенсивности добычи угля сопровождается ростом метанообильности (газообильнос ти), повышением метаноопасности и ухудшением технико-экономических условий работы шахт.
Под газоопасностью понимается повышенное загазирование рудничной атмосферы, которая при определенных условиях создает удушливую или взрывчатую метановоздушную газовую смесь и приводит к тяжелым социальным и экономическим последствиям. Газоопасность характеризуется абсолютной, относительной газообильнос тью и концентрацией газа в рудничной атмосфере.
Существенный вклад в разработку вопросов, связанных с метаноопасностью, внесли многие ученые и специалисты академических, отраслевых, учебных и проектных институтов. Исследованию вопроса, связанного с метаноопасностью, путем деления шахт на категории, в начале на три, позднее на четыре и пять, посвящены фундаментальные труды А. А. Скочинского, М. М. Протодьяконова, Г. Д. Лидина, В. Б. Комарова, Д. Ф. Борисова и др.
В нас тоящее время в нашей стране и в ряде зарубежных стран газоопасность шахт оценивают по величине категории, т.е. по количеству метана, выделяющегося на тонну суточной добычи угля. Например, в СНГ все шахты делятся по метаноопасности и углекислотоопасности на 5 категорий: четыре с интервалом в 5 м /т и опасные по внезапным выбросам угля и газа;
по водороду– на 4 категории с интервалом 7 м /т. В КНР шахты по метаноопаснос ти делятся на три категории: две с интервалом в 10 м /т и опасные по внезапным выбросам. В Бельгии – на слабогазовые, газовые и подверженные внезапным выбросам. Во Франции и США – на явно, слабо газовые и опасные по выбросам. Кроме того, почти во всех случаях регламентируется допус тимая концентрация газа в отдельных выработках.
Анализ показывает, что в нашей стране в качестве критерия оценки газоопасности шахт принята относительная газообильнос ть. Такая оценка газоопасности была приемлема при низкой относительной газообильности от 5 до 15 м /т, однако за более чем 60 лет практически все шахты Российской Федерации перешли в верхнюю категорию и стали превышать ее в 10 раз и более.
Одновременно возросла нагрузка на один очистной забой с 500 т/сут до т/сут, и в перспективе намечается довести ее до 30000 т/сут. Рост добычи угля повлек за собой соответс твующее увеличение относительной газообильнос ти шахт до 150 м /т. Ес тественно, что существующая оценка газоопасности шахт нуждается в замене.
В связи с этим тема исследования в направлении разработки метода оценки газоопасности шахт, чему посвящена нас тоящая работа, является актуальной и важной.
Цель работы состоит в разработке метода оценки метаноопасности шахт по комплексной газообильности на основе установленных зависимостей изменения абсолютной и относительной газообильности от интенсивности добычи угля.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей абсолютной и относительной газообильности с изменением добычи угля для выявления оптимального комплексного критерия оценки и управления газоопасностью шахт.
Задачи исследования:
-установить взаимосвязь абсолютной и относительной метанообильнос ти, формирующую критерий оптимальности управления метаноопасностью шахт, на основе комплексной метанообильнос ти;
-установить влияние газоотсасывающих вентиляторов на комплексную метанообильнос ть добычных объектов;
-предложить способ определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору на основе комплексной газообильности;
-разработать способ расчета расхода воздуха для вентиляции шахт по комплексной газообильности;
-обосновать методику оценки газоопасности шахт на основе комплексной газообильности.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий: изучение состояния проблемы;
постановку цели и задач исследования;
анализ экспериментального материала;
обработку фактических данных методами математической с татис тики и теории корреляции;
математическое моделирование аэрологических процессов, связанных с интенсивностью добычи угля;
обобщение и выводы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-в системе группы шахт, отдельной шахты и ее объектов существует критерий оптимальности управления метаноопасностью, который определяется, как минимум, относительной и, максимум, абсолютной допустимой метанообильнос тью, что исключает загазирование атмосферы и обеспечивает максимальную по газу интенсивность добычи угля;
-применение газоотсасывающих вентиляторов для каптажа метана из выработанных пространств приводит к возрастанию газоопасности добычных объектов ввиду несоответствия между увеличением добычи и газообильнос тью;
-допустимая нагрузка на очистной забой по газовому фактору зависит от комплексной газообильности, начальной величины интенсивности добычи угля и предельной концентрации метана, коэффициентов эффективности вентиляции и дегазации;
-расход воздуха, рассчитанный по комплексной газообильности, изменяется в зависимости от интенсивности добычи угля по степенной закономерности, что повышает достоверность его определения и газовую безопасность работ;
-разработанная методика оценки метаноопасности по комплексной метанообильнос ти позволяет повысить газобезопасность и улучшить технико экономические показатели работы шахт.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
-представительным объемом экспериментальных данных на шахтах;
-корректным использованием методов математической статистики и теории корреляции;
-использованием достоверных данных при обработке материалов газообильности;
-достаточной для практических целей сходимостью теоретических и расчетных результатов.
Научная новизна работы заключается в обосновании необходимости изменения существующей оценки газоопасности шахт по комплексной газообильности и разработке на ее основе способов оптимального управления добычей, расходом воздуха, дегазацией, себестоимостью угля и газоопасностью шахт.
Личный вклад автора состоит:
-в формулировке задач и обосновании методов исследования;
-в установлении закономернос тей комплексной газообильности шахт;
-в выявлении и формулировке критериев оценки газоопасности шахт;
-в разработке способов оптимального управления газоопасностью;
-в разработке методики оценки газоопасности шахт по комплексной метанообильнос ти.
Практическая ценность работы заключается:
-в разработке способа определения допус тимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору;
-в усовершенствовании методики расчета расхода воздуха;
-в методике оценки газоопасности шахт по комплексной газообильности;
-в оценке эффективнос ти вентиляции и дегазации шахт.
Реализация работы. Результаты исследований и оценки газоопасности шахт по комплексной газообильности прошли экспериментальную проверку на некоторых шахтах Кузбасса, что подтверждается актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на VI Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельнос ти предприятий в угольных регионах», Кемерово, КузГТУ, 2005 г., 2007 г.;
на Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», Новокузнецк, 2005 г.;
на научной конференции кафедры аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ, Кемерово, 2005 г., 2007 г.;
на Международной научно практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», Кемерово, КузГТУ, 2006 г., 2007 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, получено положительное решение на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список литературы. Общий объем диссертации составляет страниц, в том числе 21 рисунок, 32 таблицы, список литературы из источников.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ Во введении дана общая характерис тика работы, обоснована ее актуальнос ть, сформулированы защищаемые научные положения, приведены результаты апробации.
В первой главе «Состояние изученности вопроса газоопасности шахт» дана оценка современных методов оценки газоопасности шахт, сделан анализ газовых балансов основных бассейнов страны, рассмотрены методы прогноза газообильности шахт, поставлена цель и определены задачи ее достижения.
Теоретические и практические вопросы вентиляции и дегазации шахт получили развитие в трудах отечественных и зарубежных академических, отраслевых, учебных и проектных инс титутов: ИГД им. А. А. Скочинского, ИПКОН РАН, ИУ и Углехимии СО РАН, ВостНИИ, МакНИИ, МГГУ, ЛГУ, КарТУ, СибГМА, КузГТУ, ТГГУ, ИркГТУ, СГТУ, ЧГТУ, ТПУ, ДонУГИ, Донгипрошахт, ИГГМ АН Украины и др.
Исследованию газовыделения в горные выработки и разработке мер борьбы с газом посвящены работы многих ученых, например А. Т. Айруни, С. М. Авраменко, А. С. Бурчакова, А. И. Боброва, Г. А. Беспятова, С. П. Брабандера, В. Н. Вылегжанина, Н. Ф. Денискина, А. М. Еремеева, В. С. Забурдяева, С. С. Золотых, В. А. Колмакова, Н. О. Калединой, Ф. С. Клебанова, В. С. Лудзиша, Г. Д. Лидина, Н. Г. Матвиенко, В. П. Мазикина, А. А. Мясникова, Ю. Н. Малышева, В. И. Мурашева, И. Д. Мащенко, Н. В. Ножкина, С. Н. Осипова, Л. А. Пучкова, А. Э. Петросяна, В. Н. Пузырева, М. А. Патрушева, Г. Я. Полевщикова, Е. И. Преображенской, А. Ф. Павлова, А. В. Ремезова, И. В. Сергеева, Э. М. Соколова, В. Н. Сатарова, М. К. Сироша, С. М. Тимошенко, Б. Г. Тарасова, К. З. Ушакова, О. И. Чернова, Л. А. Шевченко, Ю. А. Шевелева, С. А. Ярунина и др.
Во второй главе «Методика проведения исследований и выбор объектов исследования» дано обоснование выбранных методов исследования, оценена достоверность статистических замеров и выбраны объекты исследования.
В третьей главе «Исследование газоопасности шахт по комплексной метанообильнос ти» сделан анализ фактической метанообильности шахт Кузбасса, рассмотрены факторы влияющие на метаноопасность шахт, приведены результаты исследований зависимостей комплексной метанообильнос ти от абсолютной, относительной метанообильнос ти и интенсивности добычи угля: по всем шахтам Кузбасса, в том числе по Ленинскому району, отдельной шахты в целом и ее объектам (шахтопласту, крылу, выемочному участку и очис тной выработке). Изучено влияние газоотсасывающих поверхностных вентиляторов на метанообильнос ть: шахт Ленинского района, отдельной шахты и ее объектов.
В четвертой главе «Реализация метода оценки метаноопасности шахт по комплексной метанообильности» разработана математическая модель оценки комплексной метанообильности шахт. Рассмотрены технические возможности выемочных комбайнов в метаноопасных очистных выработках и на основе комплексной метанообильности разработан новый способ определения допустимой нагрузки на газоопасный очистной забой. Для условий превышения допустимой комплексной метанообильнос ти при добыче угля изучены облас ти применения дегазации угольного пласта и удаления газа вентиляцией. Изучены условия изменения расхода воздуха по комплексной метанообильности. Изучены технико-экономические результаты от внедрения метода оценки метано опасности шахт по комплексной метанообильности.
В заключении описаны результаты работы, которые показали, что формирование газобезопасных условий труда в шахтах обусловлено влиянием комплексной метанообильности. На основе комплексной метанообильнос ти разработан способ определения нагрузки на забой;
оценено влияние на безопасность работ газоотсасывающих вентиляторов, дегазации и вентиляции;
разработан способ расчета расхода воздуха по комплексной метанообильности и дана технико-экономическая оценка предложенного метода.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. В системе группы шахт, отдельной шахты и ее объектов существует критерий оптимальности управления метаноопасностью, который определяется, как минимум, относительной и, максимум, абсолютной допустимой метанообильностью, обеспечивающий минимизацию загазирований выработок и максимальную интенсивность добычи угля. Для обоснования предложенного метода оценки газоопасности шахт проведены исследования зависимостей изменения относительной и абсолютной газообильности от добычи угля. Проведенные исследования показали, что относительная газообильность в зависимости от интенсивности добычи угля изменяется по степенной зависимости (рис. 1):
q = b / аm, (1) где q – относительная газообильность, м3 /т;
а – интенсивность добычи угля, т/мин;
b, m – эмпирические коэффициенты.
Абсолютная газообильнос ть в зависимости от интенсивности добычи угля изменяется по логарифмической зависимости (рис. 1):
J = c + dLn(a), (2) где J – абсолютная газообильность, м3 /мин;
c, d – эмпирические коэффициенты.
Из формул (1), (2) видно, что интенсивность добычи угля определяется обоими видами газообильнос ти и каждая из них имеет свою скорость, характер изменения, и только в комплексе они определяют интенсивнос ть добычи угля и газоопасность объекта.
В результате исследований ус тановлена закономерность изменения комплексной газообильности в зависимости от интенсивнос ти добычи угля:
Jn a =, (3) q m a где Jn /qm – комплексная газообильность, м3(n-m) тm/минn ;
а – интенсивность добычи угля, т/мин;
а0 – начальная метанообильность, ( a0 = J 0 / q 0 );
n, m – показатели скорости изменения абсолютной и относительной газообильности;
J0, q0 – начальные значения абсолютной и относительной метанообильнос ти.
Комплексная метанообильность это количество выделяющегося газа, которое обеспечивает оптимальную нагрузку на добычной объект и газобезопасные условия проветривания, для добычных и недобычных объектов.
Исследования показали, что полученные закономерности (1), (2), (3) справедливы для добычных и недобычных объектов (очистного учас тка, шахтопласта, горизонта, шахты в целом, группы шахт).
В качестве примера на рис. 1 показан общий характер изменения фактических и регламентированных параметров комплексной метанообильнос ти газоопасных объектов.
Рис. 1. Зависимости комплексной газообильности (I) и скорости изменения абсолютной (J) и относительной (q) газообильности от интенсивности (а) добычи угля: 1, 2, 3 – соответс твенно фактическая газообильность абсолютная, относительная и оптимальная комплексная;
n, m, а0 – соответственно фактические показатели скорости изменения абсолютной, относительной и начальной метанообильностей;
4, 5 – соответс твенно регламентированная абсолютная и относительная метанообильнос ть;
n = 1, m = –1, а0 = 1 – соответс твенно регламентированные параметры метанообильностей..
Например, для очистного забоя в зависимости (3) фактические эмпирические коэффициенты равны: n = 0,67, m = 1,24, а0 = 1,43.
Из рис. 1 и формул (1) – (3) видно, что газоопасность добычных объектов нелинейно зависит от комплексной газообильности. Оптимальная ее величина определяется точкой пересечения кривых абсолютной и относительной газообильности.
Формула (3) является математической моделью рассмотренных в работе процессов оценки метаноопасности шахт по комплексной метанообильнос ти.
Условия использования комплексной метанообильности для прогноза метанообильнос ти и интенсивности добычи угля в добычных и недобычных объектах должны основываться на имеющихся экспериментальных или рассчетных данных.
2. Применение газоотсасывающих вентиляторов (ВГ) для каптажа (отвода) метана из выработанных пространств приводит к увеличению комплексной метанообильности добычных объектов, но не пропорционально увеличению добычи угля, ввиду неучета структуры газового баланса. Для обоснования данного научного положения проведены исследования влияния каптажа на метанообильнос ть следующих объектов: некоторых шахт Кузбасса, всех шахт Ленинского района, шахты «Комсомолец» в целом и ее объектов (шахтоплас та Толмачевского, его крыла, выемочного участка и очистной выработки).
Установлено, что ВГ как средство борьбы с метаном изменяет характер зависимости абсолютной и относительной метанообильности от добычи угля по системе добычных объектов (в пространстве) с логарифмической на степенную и увеличивает метанообильность выработок во времени.
Проведенные исследования показали, что применение каптажа метана приводит к увеличению оптимальной комплексной метанообильности шахт Кузбасса. Так по шахтам Ленинского района она возрастает в среднем в 2,5 раза.
Аналогично влияет каптаж метана на изменение абсолютной, относительной и комплексной метанообильности по шахте в целом и ее объектам. В табл. приведены средние за четыре года фактические данные изменения абсолютной, относительной и комплексной метанообильности и добычи угля по объектам шахты.
Таблица Меры борьбы Шахта в Шахтопласт Крыло пласта Участок с метаном целом J/q J/q J/q J/q Вентиляцией 37,7/13,7 15,3/10,6 7,7/5,3 1,6/1, (1) Вентиляцией и 92,20/35,8 69,0/30,2 45,1/20,4 16,5/9, каптажем (2) Отношение 2,4/2,6 4,5/2,8 5,9/3,8 10,3/8, J/q, (2)/(1) Добыча угля, 4017/3974 2261/3290 2002/3183 1843/ А, (2)/(1) Отношение А, 0,98 1,45 1,59 1, (2)/(1) Примечание: J – абсолютная метанообильность, м3 /мин;
q – относительная метанообильнос ть, м3 /т;
А – суточная добыча угля, т.
Из табл. 1 видно, что каптаж метана газоотсасывающими вентиляторами увеличивает абсолютную метанообильность объектов шахты в 2,6-8,3 раза, при одинаковой добыче угля в целом по шахте и выемочному участку.
3. Допустимая нагрузка на добычной объект по газовому фактору определяется оптимальной величиной комплексной газообильности и начальной интенсивностью добычи угля. Для обоснования способа определения допустимой нагрузки на добычной объект по газовому фактору проведены исследования, которые показали, что допустимая нагрузка на объект рассчитывается с учетом формулы (3) в виде:
Jn a = a0 m (4) q В Ленинском районе Кузбасса значения параметров, входящих в формулу (4), для очистных учас тков равны а0 =18,6;
n = 0,53;
m = 1,9 при коэффициентах детерминации равных R2 = 0,8 – 0,95.
Исследования показали, что зависимость (4) справедлива для указанных ранее добычных объектов.
В соответствии с формулой (4) разработан способ определения допустимой нагрузки на добычной объект по комплексной газообильности. Сущнос ть способа состоит в определении допус тимого оптимального значения комплексной газообильности, обеспечивающей поддержание газобезопасных условий при максимально допустимой нагрузке на объект.
В качес тве примера на рис. 2 показан характер фактического изменения текущих величин параметров, определяющих допустимую нагрузку на очистной забой.
Рис. 2.
Зависимость газообильности: абсолютной (J), относительной (q) и допустимой комплексной (I) от интенсивнос ти добычи угля:
1, 2 – соответственно фактическая абсолютная, относительная газообильность;
3, 4 – соответс твенно предельная абсолютная и относительная газообильность;
5, 6 – соответственно область интенсивности добычи угля до и после оптимальной точки комплексной газообильности;
7 – точка допустимой комплексной метанообильнос ти Из формулы (4) и рис. 2 видно, что с увеличением интенсивности добычи угля выше допустимого предела характер и величины кривых комплексной газообильности меняются. Фактическая абсолютная газообильность с тановится выше допустимой и повышает газоопасность объекта при соответс твующей фактической относительной газообильности. Для увеличения интенсивности добычи угля выше допустимого предела необходимо снижать абсолютную газообильность до допустимого предела или уменьшать относительную газообильность до предельного уровня. В целях упрощения обоснования данного научного положения коэффициент неравномернос ти газовыделения учитывается при расчете расхода воздуха.
Исследования показали, что определение интенсивности добычи угля по предложенному способу позволяет определять нагрузки на очис тную выработку при любой величине комплексной метанообильнос ти. Достоинс тво предложенного способа состоит в том, что он позволяет управлять комплексной газообильностью объекта для получения требуемой ее величины, обеспечивающей необходимую добычу и газобезопасность шахт. Для управления комплексной метанообильностью необходимо оценить возможности вентиляции и дегазации добычных объектов.
Установлено, что комплексная газообильность позволяет оценивать эффективность методов вентиляции атмосферы выработок и дегазации горных пород через коэффициенты превышения допус тимых пределов абсолютной и относительной газообильности и коэффициенты необходимого снижения обоих газообильностей. Для обоснования данного положения проведены исследования по установлению зависимости допус тимой нагрузки на очистной забой от комплексной метанообильности. Это обусловлено возникшими противоречиями между техникой, способной добывать большие объемы угля, и ограничивающим ее возможности газовым фактором. Опыт работы и научные исследования показывают, что при добыче угля газовыделение в призабойное пространство происходит из разрабатываемого угольного пласта и из выработанного прос транс тва. Поэтому возникает необходимость дегазировать угольный плас т или вентиляционный поток путем воздействия на абсолютную или относительную газообильность. В соответс твии с формулой комплексной газообильности (4) выражение комплексного коэффициента превышения абсолютной или относительной газообильности примет вид:
I d i I ф i K э i, (5) I d i где, K э i – коэффициенты превышения фактической метанообильности над допустимой;
d, ф – индексы допустимой и фактической газообильности;
I d, I ф – соответственно допустимая и фактическая газообильнос ть;
i – индекс вида газообильности, i = 1,2;
при i = 1 – имеем абсолютную газообильность, а при i = 2 – относительную.
На рис. 2 видно, что увеличение интенсивности добычи угля в 6 раз приводит к увеличению абсолютной газообильности более чем в 3 раза при снижении относительной газообильности выработки в 2 раза.
Установлено, что в зависимости от интенсивности добычи угля коэффициенты превышения абсолютной газообильнос ти выработки средствами вентиляции или уменьшения относительной газообильности выработки средствами дегазации разрабатываемого пласта изменяются по логарифмической зависимости K э i = K 0 ln a + C, (6) где K э i – коэффициенты превышения газообильнос тей;
К 0, С – эмпирические коэффициенты;
a – интенсивность добычи угля;
i – индекс вида газообильности (i = 1, 2) (рис. 3).
Для исследуемых условий, приведенных на рис. 2: при i = 1 – для абсолютной газообильности равны К0-J = 0,27, С = 0,194, R2 = 0,98;
при i = 2 – для относительной газообильнос ти К0-q = 0,27, С = 0,19, R2 = 0,99 (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость коэффициентов превышения газообильнос ти и коэффициентов необходимого снижения газообильностей, обеспечивающих допустимую нагрузку на объект добычи угля: 1 – коэффициенты превышения газообильности: абсолютной (КJ), относительной (Кq );
2 – коэффициенты необходимого снижения каждой газообильнос ти (1-КJ,q );
3, 4 – области изменения коэффициентов Установлено, что в зависимости от интенсивности добычи угля коэффициенты необходимого снижения газообильнос ти вентиляцией или дегазацией изменяются по степенной зависимости 1 K э i = K0 a n1, (7) где K 0, n 1 – эмпирические коэффициенты.
Для исследуемых условий, приведенных на рис. 3, величины эмпирических коэффициентов равны: K 0 = 1,01, n1 = 0,654, R 2 = 0,98.
С учетом формулы (7) определено соотношение технически возможной интенсивности добычи угля и допустимой по газовому фактору в виде:
J0 J n (1 K эi ), aт (8) q0 q m где a т – технически возможная интенсивность добычи угля, т/мин.
4. Расход воздуха, рассчитанный по комплексной газообильности и интенсивности добычи угля, повышает достоверность его определения и газовую безопасность работ. Для обоснования данного научного положения проведена оценка эффективности современных методов по абсолютной и относительной газообильнос ти. Первые из них не учитывают добычу угля, а вторые не учитывают характер зависимости относительной газообильнос ти от добычи угля. Для ус транения этих недостатков разработан метод расчета расхода воздуха по комплексной газообильности. С учетом выражения (3) получена формула расчета расхода газовоздушной смеси для вентиляции различных объектов:
Jn 100 а 0 m q К Qк = (9) н C C где, Qк – расход воздуха, м3 /мин;
Кн– коэффициент неравномерности газовыделения;
С, С 0 – соответственно концентрация метана допустимая и во входящей струе, %.
По формуле (9) предс тавляется возможным определять расход воздуха: для проветривания проектируемых и дейс твующих добычных объектов по относительной газообильнос ти и интенсивности добычи угля;
для проветривания добычных объектов по абсолютной газообильности и интенсивности добычи угля;
для проветривания недобычных объектов, в которые газ поступает вместе с вентиляционной струей или выделяется без добычи угля.
Для сравнения с предложенной формулой (9) расчета расхода воздуха по комплексной газообильности приведена регламентированная руководством формула для расчета расхода воздуха с учетом абсолютной газообильнос ти 100 j QJ = Кн, (10) C C где QJ – расход воздуха, м3 /мин.
Из сравнения видно, что формула (10) не учитывает нелинейный характер изменения газообильности, который фактически изменяет расход воздуха в три раза и более.
Неучет этих важных факторов в регламентированной формуле (10) снижает достоверность определения требуемого расхода воздуха для создания безопасных условий работ в шахтах (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость максимального расхода воздуха (Qк) от добычи угля (а) при расчете соответс твенно: 1, 2 – по предложенной (9) и регламентированной (10) формуле;
3, 4, 5 – области соотношения расходов воздуха В соответс твии с формулой (9) и следующими из нее вариантами все проветриваемые объекты по способу расчета подаваемого в них воздуха предлагается разделить на два вида: добычные выработки (лавы, камеры и др.) и недобычные выработки (оконтуривающие, выемочные столбы, отводящие газовоздушные смеси, на завал, поддерживаемые и др.) На основании проведенных исследований составлена методика, которая позволяет оценивать метаноопасность каждого добычного и недобычного объекта шахты (выработки, выемочного участка, крыла, шахтоплас та, горизонта, шахты в целом и группы шахт) по оптимальной у объекта комплексной газообильности.
Данная методика включает в себя следующие этапы.
- Определение относительной и абсолютной метанообильности объектов шахты по регламентированному «Руководству по проектированию вентиляции угольных шахт» и составление газового баланса объекта.
- Разделение объектов на добычные: выработки, в которых производится добыча угля, и на недобычные – газообильные выработки, в которых уголь не добывается.
- Для добычных объектов определяется комплексная метанообильность по формуле (4);
оценивается эффективнос ть методов «дегазации выработок»
(вентиляции) и «дегазации горных пород» через допустимые коэффициенты эффективности по формулам (5), (6), (7);
рассчитывается расход воздуха по формуле (9) и следующим из нее вариантам с учетом интенсивности добычи угля и допустимой концентрации метана в объекте добычи угля.
- Для недобычных объектов определяется вариант формулы (9), по которой рассчитывается расход воздуха, исключающий превышение концентрации метана выше допустимого предела.
- Для сравнительной оценки метаноопасности однотипных объектов рекомендуется классифицировать их с учетом горно-геологических и горнотехнических факторов.
- Методикой предлагается оценивать газовую опасность каждого объекта шахты по комплексной метанообильнос ти путем деления их на два вида:
добычные и недобычные.
Внедрение данной методики позволит существенно повысить безопасность горных работ и улучшить технико-экономические показатели работ угольных предприятий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предс тавленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой дано решение актуальной задачи – разработан метод оценки метаноопасности по комплексной метанообильности, имеющий важное народно – хозяйственное значение для создания безопасных условий труда в шахтах. Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации диссертационной работы сводятся к следующему:
1. Показано, что в нашей стране и в зарубежных угледобывающих с транах применяются различные критерии оценки газоопасности шахт, которые не предотвращают взрывы газа и гибель людей;
обосновано, что исследования по оценке и борьбе с метаном в шахтах необходимо продолжать.
2. Установлено, что относительная газообильность, в зависимости от интенсивности добычи угля, изменяется по гиперболической зависимости n-го порядка, а абсолютная соответственно – по логарифмической зависимости;
определены скорости и характер изменения обоих видов газообильностей, что позволило прийти к выводу, что при добыче угля газоопасность угледобывающих объектов (забоев, выработок, участков, шахтоплас тов, крыльев, горизонтов, шахт в целом и группы шахт) следует оценивать по комплексной газообильнос ти;
доказано, что оценка газоопасности шахт по комплексной газообильности более достоверна, чем в отдельности – по относительной и абсолютной газообильности.
3. Установлено, что применение газоотсасывающих вентиляторов для каптажа (отвода) метана из выработанных пространств приводит к увеличению комплексной метанообильности добычных объектов не пропорционально увеличению добычи угля, ввиду неучета структуры газового баланса.
4. Обоснована зависимость допустимой нагрузки на очистной забой от комплексной метанообильности с учетом ее начальной величины и предельной концентрации метана;
установлено, что определение интенсивности добычи угля с учетом комплексной газообильности позволяет повысить достовернос ть определения нагрузки на очистную выработку.
5. Оценено влияние дегазации угольного пласта на комплексную газообильность, определяющую изменение интенсивнос ти добычи угля;
получена зависимость между необходимыми коэффициентами эффективности дегазации, вентиляции и интенсивностью добычи угля, позволяющая оптимизировать ее величину для создания безопасных условий работы в шахтах.
6. Доказано, что по комплексной газообильности можно определять расход воздуха для создания газобезопасных условий работ в добычных и недобычных объектах действующих и проектируемых шахт;
ус тановлено, что расчет расхода воздуха по комплексной газообильности позволяет повысить достовернос ть определения расхода воздуха в 3 раза и более в диапазоне достигнутых к настоящему времени уровней интенсивности добычи угля.
7. Разработанная методика оценки метаноопасности шахт по комплексной газообильности позволяет повысить эффективность и безопасность работ в шахтах.
8. Внедрение методики позволяет увеличить нагрузку на очистную выработку и получить экономический эффект по одной очистной выработке в сумме 78 000 руб./сут при суточной добычи угля 12 000 т или 6,5 руб./т.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Колмакова, М. В. Оценка приемлемого риска // Успехи современного естествознания – Москва – 2005. № 8. – С. 38–39.
2. Колмакова, М. В. Технико-экономическая оценка управления газо опасностью шахт // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : сб. науч. тр. IV междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово, 2005. – С.
215 –216.
3. Колмакова, М. В. Взаимосвязь затрат на безопасность и социально экономических последствий // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : сб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф.
– Новокузнецк, 2005. – С. 228–229.
4. Колмакова, М. В. Методы формирования себестоимости угля в газоопасных угольных шахтах // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири : сб. науч.
тр. XI междунар. науч.-практ. конф. – Кемерово, 2006. – С. 352–353.
5. Колмакова, М. В. Оценка влияния газоопасности на себестоимос ть угля // Совершенствование разработки мес торождений полезных ископаемых подземным способом : сб. науч. тр. / Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2006. – С. 43–45.
6. Колмакова, М. В. Факторы, определяющие эффективность способов обеспечения газобезопасности шахт // сб. науч. тр. 51 науч.-практ. конф.
/ Кузбас. гос. техн. ун-та. – Кемерово, 2006. – С. 58–60.
7. Колмакова, М. В. Технические возможности добычных комбайнов в газообильных шахтах: сб. науч. тр. 52 научн.-практ. конф. / Кузбас. гос. техн. ун та. / Кемерово, 2007. – С. 71–74.
8. Положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ определения допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору»
/ М. В. Колмакова, А. В. Колмаков, В. А. Колмаков по заявке № 2007102179 / (002326) ;
заявл. 19.01.2007.
9. Колмакова, М. В. Оценка интенсивности добычи угля комбайнами в газоопасных очистных забоях // Вес тн. Томск. гос. ун-та, № 303, Науки о земле. – Томск, 2007. – С. 224–226.
10. Колмакова, М. В. Оценка взаимосвязи дегазации и вентиляции шахт / М. В.
Колмакова, В. А. Колмаков // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : сб. науч. тр. VII междунар. науч.-практ. конф.
– Кемерово, 2007 – С. 190–192.
Подписано в печать 25.04.2008. Формат 60х84/16.
Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Тираж 100 экз. Заказ Кузбасский государственный технический университет 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ГУ Кузбасского государственного технического университета 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.