Обоснование методики аэрологической оценки метаноопасности при проведении подготовительных выработок на шахтах Вьетнама тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат наук Нгуен Минь Фьен

• Нгуен Минь Фьен
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Минь Фьен

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ УЧАСТКОВ ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТАХ ВЬЕТНАМА

1.1 Современное состояние и перспективы развития угольной промышленности Вьетнама

1.2 Сравнительные статистические данные по аварийности в результате взрывов метана на угольных шахтах Вьетнама и России

1.3 Основные технологические схемы добычи и проветривания выработок выемочных участков

1.3.1 Технологические схемы выемочных участков

1.3.2 Основные схемы проветривания шахт

1.3.3 Схемы вентиляции выемочных участков

1.3.4 Схемы и способы вентиляции тупиковых выработок

1.4 Аэрогазодинамические характеристики выработок шахт Вьетнама

1.5 Выводы, цель и задачи исследований

ГЛАВА 2 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОВОЙ ОБСТАНОВКИ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ

2.1 Метаноносность и метановыделение угольных пластов

2.2 Аэродинамика воздушных потоков в подготовительных выработках

2.3 Источники выделения метана в атмосферу подготовительных выработок

2.4 Выводы

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ МЕТАНООПАСНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

3.1 Методика экспериментальных исследований распределения воздуха по длине подготовительной тупиковой выработки

3.2 Результаты экспериментальных исследований

3.3 Аналитическое описание движения воздуха по длине подготовительной выработки

3.4 Аналитическая оценка изменения концентрации метана по длине подготовительных тупиковых выработок

3.5 Выводы

ГЛАВА 4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТУПИКОВЫХ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОЙ ДЛИНЫ И СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

4.1 Особенности проветривания протяженных тупиковых выработок сложной конфигурации

4.2 Аналитические исследования аэродинамических сопротивлений мест сложной конфигурации тупиковых выработок

4.3 Выводы

ГЛАВА 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ ГАЗООБИЛЬНЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

5.1 Обоснование выбора средств и методов моделирования

5.2 Моделирование распределения воздушных потоков в подготовительных выработках

5.3 Моделирование распределения газовых примесей в подготовительных выработках

5.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

144

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование методики аэрологической оценки метаноопасности при проведении подготовительных выработок на шахтах Вьетнама»

ВВЕДЕНИЕ

Во Вьетнаме с 2015 по 2050 годы в основном будет реализован переход от открытой добычи угля к добыче подземной, так как в настоящее время запасы угля, пригодные к добыче открытым способом, в значительной степени исчерпаны. Через несколько лет планируется более широко осуществлять подземную (шахтную) добычу угля, при этом участки подземной добычи могут располагаться на больших глубинах в зависимости от залегания угольных пластов, а также в зонах расположения рек, озёр и различных поверхностных объектов (промышленные и жилые здания и другие). При этом существенно затрудняются условия ведения подземных горных работ в связи с ростом горного давления в выработках, повышением газоносности пластов, усложнением шахтных вентиляционных сетей. Возникает необходимость разработки дополнительных мероприятий по борьбе с газовым фактором (метаном), приводящим к загазованиям участков выработок. Вместе с тем для повышения добычи необходимо внедрение новых высокопроизводительных выемочных комплексов, что связано с увеличением объема подготовительных работ.

Эти обстоятельства существенно осложняет требования к обеспечению необходимого уровня безопасности подземных горных работ в угольной промышленности Вьетнама. При этом ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не обеспечивает существенного снижения реальной метановой опасности шахт. В этих условиях важнейшими элементами обеспечения аэрологической безопасности являются достоверный прогноз мест скопления метана в общем объеме подготовительных выработках и адекватная оценка количества воздуха, необходимого для их проветривания по газовому фактору.

Актуальность работы. Взрывы метана являются наиболее тяжелой и сложной по последствиям аварией. По своей локализации они чаще всего происходят в подготовительных и нарезных выработках угольных шахт Вьетнама,

а по тяжести последствий наиболее опасными являются взрывы метановоздушной смеси в пределах выемочных участков.

Увеличение объемов проходимых выработок и усложнение вентиляционных сетей ведет к повышению вероятности появления рециркуляционных контуров, способствующих появлению взрывоопасных скоплений метана в рабочих зонах выработок. В свою очередь это приводит к ужесточению требований к сбалансированному распределению и управлению воздушными массами между элементами вентиляционных сетей. При этом необходим своевременный контроль содержания взрывоопасных скоплений метана в предварительно определенных местах.

Во Вьетнаме исследование вопросов повышения безопасности угольных шахт по газовому фактору, некоторые ученых занимались такие исследователи, как: Динь Хунг, Чан Суан Ха, Ле Ван Тхао, однако для решения задач темы необходимо изучение опыта России, где на основе фундаментальных исследований разработаны современные инженерные методы прогноза газовыделений и созданы автоматизированные системы контроля для условий отработки газоносных пластов. Эти результаты являются итогом комплексных исследований, выполненных МакНИИ, ВостНИИ, ИГД им. А.А. Скочинского, МГИ, ТулГУ и др. Большой вклад в решение проблемы внесли такие ученые России, как Ф.А. Абрамов, П.И. Воронин, К.К. Бусыгин, Ю.Ф. Васючков, В.Б. Комаров, А.И. Ксенофонтова, В.А. Колмаков, А.Е. Красноштейн, Ф.С. Клебанов, А.Д. Кизряков, О.И. Касимов, С.П. Казаков, Н.М. Качурин, А.Д. Климанов, К.Ю. Лайгна, И.И. Медведев, А.А. Мясников, Н.В. Ножкин, А.Э. Петросян, В.С. Пак, Л.А. Пучков, И.В. Сергеев, Э.М. Соколов, М.Б. Сулла, Н.И. Устинов, К.3. Ушаков и др. Методики прогноза газовыделений и расчета требуемых количеств воздуха по газовому фактору изложена в нормативных документах, основным из которых является «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт».

Однако практика ведения работ в условиях множества взаимно влияющих друг на друга факторов показала, что в изменяющихся горно-геологических условиях, необходимо постоянно уточнять существующие методы расчета количества воздуха для горных выработок.

В связи с этим наиболее рациональным методом обеспечения безопасности ведения горных работ является заблаговременная оценка аэрогазодинамической обстановки, выполненная с учетом наличия мест в пространстве выработки потенциально возможных скоплений взрывоопасных газов, для повышения эффективности управления параметрами проветривания подготовительных выработок. Это позволило сформулировать идею работы.

Идея работы. Комплексный дифференцированный учет закономерностей формирования газовой обстановки и факторов, влияющих на образование зон повышенной концентрации взрывоопасных газов в пространстве тупиковых выработок для своевременного их контроля и управления параметрами проветривания подготовительных выработок.

Научная новизна работы:

1) Установлено, что при расчете проветривания тупиковых подготовительных выработок при их проведении необходимо учитывать дополнительную депрессию вентилятора местного проветривания на преодоление аэродинамических сопротивлений в местах сопряжений выработок, при этом наибольшее влияние на величину их аэродинамического сопротивления оказывают форма сечения, соотношение расходов в выработках и угол сопряжения.

2) Установлены закономерности образования зон повышенной концентрации взрывоопасных газов в комплексе тупиковых выработок с учетом интенсивности источников газовыделения от характера распределения утечек по длине трубопровода.

Защищаемые научные положения:

1) Аэрологическая безопасность подготовительной выработки основывается на результатах оценки аэрогазодинамической обстановки, выполненной с учетом интенсивности источников газовыделения и распределения количества воздуха по длине выработки, наибольшее влияние на которое оказывает характер утечек по длине трубопровода.

2) При расчете тупиковых выработок большой длины и сложной конфигурации, наличии сопряжений протяженной части и устья тупиковой выработки с другими выработками, проветриваемыми за счет общешахтной депрессии, необходимо учитывать дополнительную депрессию в работе вентилятора местного проветривания на преодоление местных сопротивлений, создаваемых горнотехническими условиями.

3) Мониторинг взрывоопасных концентраций метана необходимо проводить с помощью математического моделирования не только в призабойном пространстве, но и в протяженной части тупиковых подготовительных выработок в области формирования застойных зон, образованных изменениями конфигурации и площади сечения, сопряжениями выработок, наличием оборудования.

Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- адекватностью применяемых методов численного моделирования и статистических исследований;

- хорошей сходимостью натурных данных с результатами аналитических исследований и моделирования;

- значительным объемом шахтных наблюдений, а также результатами анализа плановых замеров (проанализированы данные по 35 подготовительным участкам шахт Вьетнама).

Научное значение диссертационной работы состоит в обосновании методики оценки возможности формирования газовых скоплений в пределах всего

объема подготовительных выработок при их проведении и эксплуатации по газоносным угольным пластам с учетом закономерностей формирования газовой обстановки при изменениях конфигурации, площади сечения, влиянии сопряжений выработок.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики оценки аэрологической безопасности в подготовительных выработках, пройденных по газоносным угольным пластам, на основании которой предложен принцип контроля областей застойных зон с повышенной концентрацией горючих газов.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы работы и рекомендации по обеспечению аэрологической безопасности, а также разработанная методика будут использованы на угольных шахтах Вьетнама при проектировании вентиляции тупиковых выработок и обосновании расчета расхода воздуха в подготовительных выработках выемочных участков.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технических советах Национального минерально-сырьевого университета «Горный», 2013-2016 г., Международной научно-практической конференции «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование», 2014 г., Международной научно-практической конференция «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в ХХ1 веке», 2015 г.

Личный вклад автора: анализ литературных источников и научно-технической документации, постановка цели и задач работы, разработка методов и способов исследований, проведение лабораторных экспериментов, обобщение полученных результатов, формулирование выводов и рекомендацией.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьти, 3 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 154 страницах

машинописного текста, состоит из 5 разделов, содержит 10 таблиц, 55 рисунков и список литературы из 93 наименований.

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю кандидату технических наук, доценту В.В. Смирнякову; коллективу кафедры Безопасности производств Национального минерально-сырьевого университета «Горный», коллегам Горного научно-технологического института (IMSAT) и Корпорации VINACOMIN во Вьетнаме за внимание, содействие и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ УЧАСТКОВ ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТАХ

ВЬЕТНАМА

1.1 Современное состояние и перспективы развития угольной

промышленности Вьетнама

Уголь - энергетическое сырьё, занимающее стратегическое место в экономике Вьетнама. В последнем десятилетии угольная промышленность Вьетнама развивалась весьма быстро: с 12,7 до 47,5 млн. тонн/год, т.е. в среднем по 14,9% в год в период с 2000 по 2010 год.

Уголь во Вьетнаме является основным видом энергетического сырья. В настоящее время потребность Вьетнама в угле составляет не менее 60 млн.т в год.

Основными потребителями угля являются ТЭЦ и металлургическая промышленность. Фактические объемы добычи в 2012 г. составили, по данным корпорации УШАСОМШ, 40,4 млн.т. Из них 14,3 млн.т экспортированы за рубеж. Это стало возможно только при максимально полной реализации имеющегося потенциала угольных месторождений и действующих шахт (рисунок 1.1 и 1.2).

К 2020 г предполагается довести добычу угля до 75 ^ 80 млн.т в год, в том числе около 80% добыть подземным способом. Наибольшее промышленное значение имеет каменноугольный бассейн Куанг Нинь, расположенный на северо-востоке страны, с запасами углей более 4,1 млрд.т (по данным корпорации VINACOMIN).

По плану развития угольной промышленности Вьетнама в период от 2006 до 2025 года рост добычи антрацитового угля должен ежегодно составлять: 7,7 % в 2011 ^ 2015гг и 4,6% в 2016 ^ 2025гг. Добыча угля подземным способом (из шахт) должна возрасти с 44% до 90% [59, 60].

Рисунок 1.1- Месторождения угля во Вьетнаме

Рисунок 1.2 - Угольные бассейны Вьетнама [18, 21, 47]

График развития угледобывающей промышленности Вьетнама в период с 2006 до 2025 приведен на рисунке 1.3 [59, 60].

Рисунок 1.3 - План развития добычи угля во Вьетнаме в период 2006 - 2025 гг. По результатам оценки общие запасы угля месторождений полезных ископаемых Вьетнама, составляют 5 905 245 000 тонн, в том числе запасы угля бассейна Куангнинь составляют 70 % от общих запасов (рисунок 1.4.) [19].

Рисунок 1.4 - Распределение запасов угля по бассейнам

В настоящее время Минерально-угольная промышленная корпорация "УШАСОМШ" является лидирующей организацией по управлению, добыче, обогащению полезных ископаемых во Вьетнаме. УШАСОМШ управляет деятельностью в общей сложности 57 угольных шахт, в том числе 29 шахт, ведущих разработку открытым способом и 28 шахт, ведущих разработку подземным способом. Доли добычи открытым способом составляют 45 % и подземным способом 55 % от общего количества добываемого угля.

В настоящее время в связи с ухудшениями условий ведения горных работ и падением мировых цен на уголь, корпорация УШАСОМШ уменьшила добычу и сосредоточила внимание на повышение безопасности работы в горнодобывающей промышленности и защиты окружающей среды для обеспечения долгосрочного устойчивого развития отрасли (рисунок 1.5).

50.0 45.0 40.0 35.0

н 30.0

К

§ 25.0

Ц 20.0

о

Ч

15.0 10.0 5.0 0.0

■ Суммарная добыча. Млн Т ■ Шахты, Млн. Т ■ Открытые , Млн. Т

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Рисунок 1.5 - добычи угля во Вьетнаме по годам в период 1995 - 2014

1.2 Сравнительные статистические данные по аварийности в результате взрывов метана на угольных шахтах Вьетнама и России.

Проблемы обеспечения безопасности горных работ приобретают особую значимость при их ведении в условиях выделения в атмосферу выработок горючих газов, которое наблюдается в большинстве эксплуатирующихся в настоящее время угольных месторождениях Вьетнама и России. Во Вьетнаме опасны по взрывам газа свыше 40 % угольных шахт [46, 62-66]. В России опасными по взрывам газа являются свыше 86 % угольных шахт, в том числе более 50 % угольных шахт относятся к сверхкатегорийным по метану и опасными по внезапным выбросам [12, 32, 55].

В результате анализа материалов расследования аварийных ситуаций и статистических исследований, проводимыми на шахтах России, установлено, что наиболее опасными по локализации взрывов метана являются очистные и подготовительные забои, где происходит непосредственное разрушение угольного пласта и формирование поверхностей обнажения, а также выработки, контактирующие с основным источником метановыделения, которым является выработанное пространство (таблица 1.1). При этом смертельный травматизм от подобных аварий в последние годы не имеет тенденции к снижению (рисунок 1.6).

Как показал анализ материалов расследований на шахтах Вьетнама, взрывы метана являются сложной многофакторной аварией, при этом по частоте проявления и тяжести последствий наиболее опасными являются взрывы метановоздушной смеси в подготовительных выработках выемочных участков (таблица 1.2).

Таблица 1.1 - Аварии на шахтах России

Дата Шахта Причина взрыва и место аварии Погибло, чел

1 декабря 1992 Шевякова Неисправность электрооборудования, лава и прилегающие выработки 25

4 сентября 1995 Первомайская Внезапный выброс, тупик путевого уклона 15

22 августа 1997 Шахта № 12 Внезапный выброс, квершлаг 5

2 декабря 1997 Зыряновская Искрение раздавленного самоспасателя, лава и прилегающие выработки 67

21 марта 2000 Комсомолец Неисправность электрооборудования, лава и прилегающие выработки 12

16 июня 2003 Зиминка Взрывные работы, участок КП 12

10 января 2004 Сибирская Неисправность электрооборудования, лава и прилегающие выработки 6

10 апреля 2004 Тайжина Повреждение электрооборудования, лава, выработанное пространство и прилегающие выработки 47

28 октября 2004 Листвяжная Неисправность электрооборудования, лава и прилегающие выработки 13

9 февраля 2005 Есаульская Открытый огонь в сбойке, скопление метана в зоне обрушения 25

19 марта 2007 Ульяновская Повреждение электрооборудования при обрушении пород, скопление метана в зоне обрушения и прилегающих выработках после посадки кровли 110

24 мая 2007 Юбилейная Повреждение электрооборудования, лава 39

Продолженние таблицы 1.1

8, 9 мая 2010 Распадская Точно не установлены 91

20 января 2013 Шахта № 7 Неисправность электрооборудования, забой конвейерного штрека. 8

11 февраля 2013 Воркутинская Выделение метана из угольного бункера, рельсовый уклон участка. 19

Рисунок 1.6 - Динамика количества взрывов метановоздушной смеси (МВС) и

последствия аварий в шахтах России

Как свидетельствует статистика взрывов газа и пыли в течение последних двух десятилетий, Вьетнам в сложившихся условиях занял промежуточную позицию между развивающимися и развитыми странами. В среднем на шахтах Вьетнама раз в несколько лет происходит групповой несчастный случай с

многочисленными человеческими жертвами, вызванный взрывом метана [72]. По своей локализации они чаще всего происходят в забоях подготовительных и нарезных выработок (таблица 1.2), смертельный травматизм от подобных аварий в последние годы также не имеет тенденции к снижению (рисунок 1.7).

Таблица 1.2 - Аварии на шахтах Вьетнама

Дата Шахта Причина взрыва и место аварии Погибло, чел

3 августа 1993 Тан лап Причина воспламенения и взрыва - нарушение ПБ 7

5 сентября 1995 190 Причина появления взрывоопасной концентрации - нарушение проветривания забоя выработки 6

3 ноября 1996 Бинь минь Причина появления взрывоопасной концентрации - нарушение проветривания забоя выработки Причина воспламенения и взрыва - нарушение ПБ 3

10 мая 1997 Кам фа Причина появления взрывоопасной концентрации - нарушение проветривания забоя выработки Причина воспламенения и взрыва - нарушение ПБ 1

11 января 1999 Мао хе Забой монтажного штрека (выемочный восстающий). Причина появления взрывоопасной концентрации -отсутствие проветривания забоя выработки в выходные дни. Причина воспламенения и взрыва - нарушение ПБ - курение. Способствующая причина - отсутствие датчика метана в выработке. 19

Продолженние таблицы 1.2

22 декабря 2002 Суои лай Забой выемочного восстающего Причина появления взрывоопасной концентрации - нарушение проветривания забоя выработки Причина воспламенения и взрыва - нарушение ПБ Способствующая причина - отсутствие датчика метана в выработке 7

22 декабря 2002 909 Подготовительная выработка Причина появления взрывоопасной концентрации -нарушение проветривания забоя выработки Причина воспламенения и взрыва - техническая неисправность транспортного средства (короткое замыкание в двигателе электровоза) Способствующая причина - отсутствие датчика метана в забое выработки 6

8 апреля 2003 Бо ха Причина воспламенения и взрыва - нарушение ПБ - курение 4

6 марта 2006 Тхонг нхать Забой проходимого восстающего Причина появления взрывоопасной концентрации -нарушение проветривания забоя выработки Причина воспламенения и взрыва - нарушение требований безопасной эксплуатации электрооборудования (электрическое искрение контакторов пускателя, при открытой крышке и отсутствии электромеханической блокировки с приводом разъединителя) Способствующая причина - отсутствие датчика метана в забое выработки 8

Продолженние таблицы 1.2

8 декабря 2008 Хе чам Сбойка воздухоподающей выработки с подготовительной в месте установки ВМП Причина появления взрывоопасной концентрации - несвоевременное проветривания забоя выработки после выброса; Причина воспламенения и взрыва - нарушение требований безопасной эксплуатации электрооборудования Способствующая причина - отсутствие датчика метана в выработке в месте взрыва. 11

1 июля 2012 86 Забой перепускного восстающего Причина появления взрывоопасной концентрации -нарушение проветривания забоя выработки Причина воспламенения и взрыва - нарушение требований безопасной эксплуатации электрооборудования (электрическое искрение на контактах контактора магнитного пускателя под напряжением с открытой крышкой аппаратного отделения) Способствующая причина - отсутствие датчика метана в забое выработки 4

20 18 16 14 12

с в

е 10

в-

§ 8 о &й

6 4 2 0

1993

1995

1996

1997

1999

2002

I Аварии ■ Смертельный травматизм

2006

11

1

2008

2012

Год

Рисунок 1.7 - Динамика количества взрывов метановоздушной смеси (МВС) и

последствия аварий в шахтах Вьетнама

Характерные общие причины аварий в горных выработках, прямо или косвенно приведшие к нарушению режима их проветривания, приведенные в материалах расследований, можно представить в виде следующего перечня [44, 89]:

1) Неконтролируемое перераспределение воздуха между выработками.

2) Повышение добычи без соответствующего увеличения подаваемого в забои воздуха.

3) Изменение горно-геологических условий.

4) Неудовлетворительное управление кровлей.

5) Неудовлетворительная изоляция выработанного пространства.

6) Нарушение проветривания тупиковых забоев.

7) Низкие скорости движения воздуха по выработке.

8

7

4

1

8) Интенсивное выделение метана в процессе после производства взрывных

работ из отбитого угля, обнаженного массива, забоя и бортов выработки.

9) Внезапные выбросы угля и газа, суфлярные выделения метана.

10) Неправильное разгазирование ранее заперемыченных выработок.

11) Плановые остановки главных и вспомогательных вентиляторов.

12) Ограничение подачи воздуха в шахту или в выработку.

13) Применение несовершенных схем вскрытия, подготовки, систем

разработки.

14) Отсутствие на шахтах дегазации или её неэффективность.

15) Неудовлетворительное состояние главных вентиляторов и

вентиляционной сети.

16) Инженерные ошибки в расчетах и замерах воздуха.

17) Неправильно выбранный режим проветривания при ликвидации аварий.

18) Тепловая депрессия, в том числе возникающая при пожарах.

19) Неудовлетворительный контроль за проветриванием горных выработок.

20) Наличие больших утечек воздуха в зоны обрушения и обратно.

21) Природные и связанные с ними факторы.

Анализируя данный перечень, можно отметить, что по крайней мере 15 причин (свыше 71 %) прямо или косвенно оказывает влияние на безопасность по газовому фактору тупиковых подготовительных выработок.

Эти данные позволяют получить представление о характере причин нарушений, но не отражают их количественного соотношения и структуры взаимосвязей между ними. Часто в одной общей формулировке причины скрыто несколько различных по природе факторов. Для установления всех обстоятельств, вероятных виновников, а также характера развития аварии, такой классификации

недостаточно. Подобная информация также непригодна для статистической обработки.

Для получения достоверных результатов исследования причин аварий, позволяющих разработать конкретные меры, направленные на повышение безопасности горных работ по газовому фактору, необходимо комплексное выполнение не только статистического, но и детального технического анализа.

Статистические методы анализа основаны на изучении количественных показателей данных документов об авариях на предприятиях и в организациях. Это позволяет группировать случаи аварий по определенным признакам, в том числе и по причинам. Чаще всего при оценке аварийной ситуации, связанной с взрывами пыли и газа, применяется простейший статистический метод, целью которого является получение данных по распределению частот и вероятностей возникновения аварий по отдельным группам (кластерам) в пространстве шахты и по времени [44, 89].

Технические методы анализа проводится с целью установления взаимосвязи причин и технических факторов, приведших к аварии. В результате устанавливаются качественная картина развития событий и определяются количественные показатели определяющих факторов. Техническое расследование имеет целью установить с максимально возможной достоверностью причины аварии, наметить меры по устранению ее последствий и восстановлению работоспособности потерпевшего аварию объекта, определить материальный ущерб, разработать необходимые мероприятия и предложения для предупреждения аналогичных аварий на данном и других родственных объектах и предприятиях. Техническое расследование причин аварии производится специальной комиссией в составе и порядке, определяемыми нормативными документами.

Статистические методы по оценке распределения частот возникновения аварий на шахтах Вьетнама позволили получить следующие данные [44, 89].

Изучение динамики изменения количества взрывов газа и пыли в угольных шахтах за период с 1993 по 2015 годы показало, что за указанный период произошло 11 взрывов, некоторые с многочисленными человеческими жертвами. Максимальное количество в год составило 2 взрыва (2002 год). Все зафиксированные взрывы произошли на 45 % шахт от общего числа. При этом на 30 % шахт от общего количества произошло более 80 % взрывов. Пострадало 163 человека, в том числе 76 человека получили смертельные травмы

Результаты топографического анализа мест, где произошли взрывы газа показали, что наибольшее количество взрывов - в среднем более 85 % произошли в подготовительных выработках.

Наиболее полные и достоверные сведения о местах, обстоятельствах, путях развития и характере аварий, также позволяющие выявить максимально полное количество нарушений, могут быть получены при их расследовании, в ходе которого применяются методы технического анализа и экспертных оценок. Основная задача, которая ставится при изучении обстоятельств подобных аварий -выявление причин и источников: во-первых, появления взрывоопасных концентрация газов и пыли в горных выработках, во-вторых, их воспламенения и взрыва. С этой целью для систематизации всех причин, приведших к авариям, принято их кластерное деление по основным факторам, присущим горному производству - природным, техническим, организационным.

Расследование аварийных ситуаций на угольных шахтах Вьетнама, приведших к взрывам метановоздушных смесей, показало, что большинство из них произошло в протяженных тупиковых выработках. Основной причиной появления взрывоопасной концентрации в подготовительных выработках можно считать нарушение проветривания всего объема выработки. При этом причиной загазирования в месте взрыва стали местные скопления газа, выделяющегося из угольного пласта, по которому проходилась выработка. Источником

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Минь Фьен, 2016 год

источника

В диффузионном пограничном слое от действия точечного источника распределение концентрации газа описывается кривой, близкой к кривой Гаусса, кривые во всех сечениях факела подобны (рисунок. 2.8).

Диффузионные процессы способствуют равномерному распределению вредных газов в атмосфере горных выработок и предупреждению их опасных скоплений. В неподвижном воздухе имеет место собственно молекулярная диффузия (в непроветриваемых выработках и выработанном пространстве, при нарушении вентиляции); в ламинарном воздушном потоке она совмещается с конвективным переносом. Интенсивность молекулярной диффузии в шахтах обычно ниже скорости газовыделения в выработке, что при отсутствии других видов газопереноса (кроме молекулярного) приводит к образованию скоплений газов у мест их выделения. Коэффициент молекулярной диффузии Б т зависит от свойств диффундирующих газов и не зависит от направления диффузии. Для диффузии метана в воздухе Бт=0,196 см2/с.

А

Перенос вещества при турбулентной (вихревой) диффузии осуществляется в результате хаотического движения вихрей различного размера. Интенсивность этого вида диффузии в шахтах в сотни раз больше молекулярной. Турбулентная диффузия всегда проявляется совместно с молекулярной, а в проветриваемых выработках также и с конвективным переносом. Турбулентная диффузия -основной фактор выравнивания концентрации выделяющегося газа в поперечном сечении выработки. Высокая её интенсивность - необходимое условие создания безопасных аэрологических условий в шахтах; обеспечивается турбулентным режимом движения воздуха в выработках, ограничением минимальной скорости его движения. Интенсивность турбулентной диффузии может снижаться при выделении в выработку активных газов, в результате чего возможно образование слоевых местных скоплений газов у кровли и почвы. Коэффициент турбулентной диффузии зависит от направления диффузии, интенсивности турбулентности, числа Ричардсона. Значения коэффициента поперечной диффузии Бт изменяются в пределах от нескольких единиц до 100 см2/с.

Конвективный перенос - процесс распространения воздушным потоком в атмосфере горных выработок и выработанных пространствах газа, пыли и других примесей. Происходит в направлении основного движения воздуха и всегда сопровождается диффузионным переносом: молекулярным при ламинарном режиме движения и молекулярным и турбулентным при турбулентном режиме. При нормальной вентиляции горного предприятия диффузионный перенос обеспечивает насыщение воздушного потока примесями, в то время как конвективный перенос осуществляет их вынос из выработок и выработанного пространства шахт [14, 68]. Интенсивность конвективного переноса определяется скоростью воздушного потока и концентрацией в нём переносимого вещества. Величина интенсивности характеризуется конвективным потоком вещества:

J = си (2.2)

где с - концентрация вещества в воздушном потоке, доли единицы; и - скорость воздушного потока.

Необходимая для предупреждения накопления вредных примесей в шахтах интенсивность конвективного переноса обеспечивается нормированием минимальной величины скорости воздуха в выработках.

Результаты исследований состава воздуха, проведенных в виде газовоздушных съемок, показывают, что газовая обстановка в атмосфере подготовительной выработки, которая количественно в целом может быть оценена величиной концентрации в рабочей зоне, зависит от соотношения общей величины газовыделения и количества воздуха, подаваемого в выработку. При этом общая величина газовыделения в тупиковых подготовительных выработках может быть представлена как сумма газовыделений из различных источников с переменной во времени интенсивностью [74]. Количество воздуха складывается из объема, непосредственно подаваемого в призабойное пространство и величины утечек в трубопроводе (рисунок 2.9).

Газовыделение с поверхности выработки

I и и и 1Ш1

•4 — — Состав атмосферы выработки

Утечки из трубопровода

==

Газовыделение из точечных источников

(суфляры, тектонару шения)

Í Количество воздуха, поступающее в забои

£

Газовыделение из отбитого угля

(неподвижного и транспортируемо го)

а

в

т

с

з и н а р

е т

и с

н о

е р

л п

е д о г

ы о

в н

о «

аз Г о б а з и р п

Подача вентилятора

Рисунок 2.9 - Модель формирования газовой обстановки в атмосфере подготовительной выработки

Газовыделение из призабойного пространства и поверхности выработки может быть представлено в сумме как выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта с меняющейся во времени интенсивностью. Газовыделение из отбитого угля, помимо меняющейся во времени интенсивностью, характеризуется перемещением местоположения источника в пространстве выработки при его транспортировке. Газовыделение из точечных источников обычно происходит в виде суфлярных выделений из крупных пустот и трещин, может быть приурочено к зонам тектонических нарушений или локализовываться в районе перемычек с выработанным пространством.

Анализ материалов экспериментальных данных, полученных А.Т. Айруни, А.А. Мясниковым, А.Э. Петросяным, В. А. Колмаковым, А.Д. Кизряковым и др. [2-11, 28, 33-35, 40-43, 56-58, 74] показывает, что интенсивность газовыделения каждого источником во времени характеризуется определенной зависимостью, в которую входит величина начального газовыделения и эмпирические коэффициенты, зависящие от условий газоотдачи. Результаты некоторых исследований в виде основных математических моделей, описывающих процессы фильтрационно-диффузионного переноса в угольных пластах и вмещающих породах, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Характеристики аэрогазодинамических процессов в подготовительных выработках.

№

Вид

аэрогазодинамич еского процесса

Зависимости, описывающие аэрогазодинамический процесс

Начальные и граничные условия

Вид и максимальная

доля источника в газовом балансе выработки, %

Десорбция и фильтрация по порам и трещинам

1) Давление свободного метана в трещиновато-пористой структуре пласта

' ^г ^ Ху.п.

at

at2

ax

где Ъ - период релаксации процесса ламинарной фильтрации метана в пласте; %у.п. -пьезопроводность угля;

x - пространственная координата

2) Газовыделение с поверхности пласта

I(t) = V

I(t) = Ifl

-at

b

л/Г

где 1о - начальное газовыделение; а,Ь - эмпирические коэффициенты

p(x, 0) = p0 = const;

a / at[p(x,0)] = 0;

p(0,t) = Pc; limp ^да

Выделение с

поверхности

обнажения

угольного

пласта:

- призабойное пространство 20-30 %

- протяженная часть

выработки 30-40 %

1

1) Изменение x(r, 0) = x3 = const;

газоносности во x(R,t) = xR(t),

времени ах (а2х + 2 ах ^ ^ " Э [аг2 + Г 5Г )' где R - радиус эквивалентной сферы;

где х - природная x3 - газоносность Выделение из

газоносность; неразрушенного неподвижных

2 Дегазация неподвижных кусков отбитого угля DЭ - эффективный коэффициент диффузии 2) Газовыделение из неподвижного отбитого угля вд=^ где IoR - начальное газовыделение поверхностью сферы; к - эмпирический коэффициент массива; x(R,t) - остаточная газоносность на поверхности куска (сферы) кусков отбитого угля 60-70 %

1) Изменение xo&0) = 0;

газоносности во xo(0,t) = x3.

времени где x3 -

3 Дегазация транспортируе Зх0 + v ЙХ0 _ I а + Vт _ Iд' где х0 - газоносность угля на конвейере; Ут- газоносность краевой части угольного пласта. Выделение из транспортируе мых кусков

мых кусков отбитого угля скорость транспортирования угля;1д-интенсивность дегазации отбитого угля; ^ - ось подвижной системы координат отбитого угля 60-70 %

4 Фильтрационно е течение газовой смеси по каналу переменного сечения Суфлярное газовыделение, локальное газовыделение из трещин и пустот 1(Г) = Аг^ где 10 - начальное газовыделение; А, к - эмпирические коэффициенты Выделение из точечных источников 5-10 %

5 Фильтрация по порам и трещинам 1) Фильтрация газовой смеси д 2р др др дХ2 ' дУ2 ~ дт где р - давление газовой смеси; X, У, т -безразмерные значения пространственных координат в плоскости фильтрации и безразмерное значение времени. 2) Общий объем, поступающей газовой смеси в тупиковую выработку 1(х,Г) = " а5 N бЩР! - Р2 8 - площадь поверхности перемычки; N - количество перемычек; р(Х,У,0) = р0 = ооп^ Гр при X ^ 0 р(Х,0,т) = Г р х 0 [0 при X ^ 0 Выделение через трещины в перемычках и прилегающих породах из зоны обрушения 5-10 %

к - газовая проницаемость, газовой смеси; ^ - динамическая вязкость газовой смеси; р1, Р2 - давление газовой смеси за и перед перемычкой

Доля в общем балансе, определяемая тем или иным источником, зависит как от интенсивности источника в текущий момент времени, а также от времени, прошедшего с момента начала процесса газовыделения. При этом выделить долевое участие источников в газовом балансе более точно возможно только по результатам натурных наблюдений [74].

Одновременно с приведенными выше процессами осуществляется конвективно-диффузионный перенос метана в пространстве подготовительной выработки, который в общем виде может быть представлен в виде математической модели, описывающей динамику изменения концентрации метана по длине выработки [74]:

dC д , „,ч _ д2C , ч

aVuC)^аГ^* (")

где C - концентрация;

и - средняя скорость воздуха;

Ii - интенсивность газовыделения из i-го источника.

При этом должны выполняться следующие начальные и граничные условия:

C(x,0) = C0 = const; C(0,t) = CH = const; limC(x,t) ф да.

Таким образом, проведенные исследования и анализ работ ученых в этой области позволяют сделать вывод, что общее газовыделение в подготовительных выработках может быть представлено как суммарная величина отдельных процессов выделения газа из разноплановых источников с различным периодом действия. Воздействиями, изменяющими интенсивность действия источников газовыделения, могут быть как внешние технологические операции по проведению выработки, так и внутренние горно-геологические факторы [2, 26-28, 40].

2.4 Выводы

Основными факторами, влияющими на формирование газовой обстановки в атмосфере подготовительной выработки, являются:

1. Предельная метаноносность угольных пластов, по которым проводится выработка, а также различный характер развития газовой зональности в угольных бассейнах. Соотношение газов по глубине позволяет выделить две зоны: верхняя зона газового выветривания, характеризующаяся в основном газами атмосферного происхождения и незначительным содержанием метана и метановая зона, в которой преобладает метан. В выработке, пройденной по газоносному угольному пласту в метановой зоне, необходимо применение специальных мероприятий газового режима.

2. Скорости фильтрации и десорбции метана в угольном пласте, подработанных и надработанных вмещающих породах, а также смежных угольных пластах, обусловленные нарушением равновесия системы «метан - уголь». С увеличением скорости повышается опасность загазирования выработки в отдельные периоды технологического цикла в в первую очередь в призабойном пространстве.

3. Скорости диффузии и десорбции метана в отбитом угле, находящемся в пространстве выработке и транспортируемом по её длине. С увеличением скорости

повышается опасность загазирования выработки в отдельные периоды технологического цикла в её протяженной части от призабойной зоны до устья.

4. Эффективность вентиляции, направленной на перемешивание воздуха в забое с вредными примесями, быстрое снижение их концентрации и удаление из забоя. Примесь разжижается и выносится из призабойной зоны в результате совместного действием конвективного переноса и молекулярной диффузии, что обуславливает деятельность и снижает время проветривания выработок.

5. Процесс конвективно-турбулентной диффузия метана во всем объеме воздушной среды, заполняющей пространство подготовительной выработки.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ

МЕТАНООПАСНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

3.1 Методика экспериментальных исследований распределения воздуха по длине подготовительной тупиковой выработки

Для уточнения закономерностей утечек воздуха и распределения расхода по длине выработки в натурных условиях, а также для определения фактического аэродинамического сопротивления вентиляционных трубопроводов проводились обследования и анализировались результаты наблюдений в выработках шахт Вьетнама, Кузбасса, Воркуты, а также в протяженных выработках Санкт-Петербургского метрополитена в период их проведения [45, 72, 83, 88]. Целью замеров была оценка динамики утечек из трубопроводов различного аэродинамического сопротивления в пространство подготовительной выработки и приращения количества воздуха в обратном направлении по длине выработки. Эксперименты выполнялись в условиях проходимых подготовительных выработок. Замеры производились с помощью прибора контроля параметров воздушной среды: метеометра МЭС-200А, анемометров АСО-3 и МС-13, психрометра, барометра.

Методика съемок заключается в следующем: 1. Выбор объектов наблюдений

Объектами наблюдений были выбраны следующие точки:

1) точка в конце вентиляционного трубопровода;

2) точка в выработке на расстоянии 4-6 гидравлических диаметров выработки

от конца трубопровода по ходу вентиляционной струи;

3) точки по всей длине сквозной части выработки с интервалом, выбираемым исходя из параметров выработки и вентиляционного трубопровода;

4) точки в выработке перед и после сопряжений с другими выработками;

5) точка в выработке перед устьем;

6) точка в выработке перед вентилятором местного проветривания;

7) точка в выработке на исходящей струе из тупиковой выработки по ходу вентиляционной струи.

При проведении измерений необходимо наличие следующих условий:

1. При наблюдениях замеры необходимо проводить при одинаковых режимах работы вентилятора местного проветривания.

2. При наблюдениях в непосредственной близости от изменений конфигурации выработки (изменение площади сечения, формы, повороты) и оборудования, точки должны отстоять от них на такое расстояние, при котором исключается влияние местных сопротивлений на структуру вентиляционной струи.

3. Точка в призабойной части располагается в вентиляционном трубопроводе в сечении его выхода в призабойное пространство выработки.

4. Точки в выработке, проветриваемой за счет общешахтной депрессии располагаются перед вентилятором местного проветривания и от устья на расстоянии не менее 4-6 гидравлических диаметров выработки.

2. Определение вида воздушной съемки

По длине выработки проводилась обычная (продольная) съемка. При обычной съемке определялись скорость, температура, влажность и давление воздуха. Обычная (продольная) съемка проводилась в периоды проходческих работ в точках, в которых влияние на параметры воздуха окружающих факторов было минимальным. Продольная съемка проводится в сечениях на незагроможденных и прямолинейных участках.

Поперечная съемка производится точечным методом в пределах площади сечения выработки. При этом определяются скорости воздушного потока в нескольких точках каждого сечения. Замеры проводится в сечениях по возможности максимально аэродинамически совершенной формы (трапецевидная, арочная, квадратная, круглая) где определение площади сечения не представляет сложностей.

3. Выбор мест расположения точек наблюдений

Замерные пункты (точки наблюдений) выбираются с таким расчетом, чтобы возможно более точно определить скорость воздушного потока и площадь сечения выработки.

При обычной воздушной съемке точки наблюдений располагались согласно схеме (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Расположение точек наблюдений в подготовительной выработке при продольной съемке

1 - точка в конце вентиляционного трубопровода;

2 - точка в начале сквозной части выработки;

3,4 - точки по всей длине сквозной части выработки;

5 - точка в выработке перед сопряжением с устьем;

6 - точка в выработке перед вентилятором местного проветривания;

7 - точка в выработке на исходящей струе.

При поперечной воздушной съемке точки наблюдений располагаются в

поперечном сечении выработки в следующих местах (рисунок 3.2).

1) В центре поперечного сечения.

2) На равных расстояниях между центром и стенкой выработки по ее высоте и ширине;

3) У стенки выработки.

При любых видах воздушной съемки основные требования к местам расположения точек наблюдений следующие: 1) прямолинейность выработки;

2) незагроможденность выработки;

3) отсутствие влияния внешних факторов (транспорт, люди, оборудование, изменение конфигурации выработки).

Рисунок 3.2 - Расположение точек наблюдений в подготовительной выработке при поперечной съемке с учетом габаритов оборудования

1 - точка в центре выработки;

2 - точки на равных расстояниях между центром и стенкой выработки;

3 - точки у стенки выработки.

При наличии в выработке факторов, влияющих на распределение воздуха в сечении выработки, выбирались дополнительные точки для оценки степени

и

и

искажения поля скоростей. 4. Порядок и объем наблюдений

Наблюдения при обычной воздушной съемке включали в себя: замер максимальной, средней и в характерных точках скорости воздуха в местах наблюдений; замер площади сечения выработки; определение количества воздуха и приведение его к нормальным условиям. Все измерения скорости воздуха проводились методом «в сечении». Поэтому для определения истинной скорости с целью устранения погрешности, вызванной присутствием замерщика в сечении выработки, полученные результаты корректировались по формуле:

(ишах ; иср ; ит )ист _ (ишах; иср ; ит )зам к (3.1)

где: к - коэффициент, учитывающий поправку на способ замера; для способа «в сечении» к=(£-0,4)/£; £ - площадь поперечного сечения выработки в свету, м2;

Во всех последующих формулах приводятся истинные значения скорости потока воздуха.

Замер средней скорости воздуха производился методом обвода или точечным способом в поперечном сечении выработки. В последнем случае определялся коэффициент поля скорости К по формуле:

К = «т / иср (3.2)

где: От - скорость движения воздуха в точке, м/с;

Оср - средняя скорость движения воздуха в сечении, м/с.

Замер максимальной скорости воздуха производился прибором МЭС в центре поперечного сечения выработки.

В этом случае определялся коэффициент поля скорости К/ по формуле:

К' = ит /иср (3.3)

где: Омах - максимальная скорость движения воздуха в сечении, м/с. Средняя скорость воздуха по сечению определялась по формуле:

К' = ишах / ¥

(3.4)

где: у - коэффициент соотношения скоростей, для турбулентного режима у = 1,23.

Величины площадей поперечного сечения выработки в свету Б в определялись с помощью замера и рассчитывались с помощью известных формул или были получены из технической документации.

Измеренное количество воздуха определяется по известной формуле [14, 68]:

Наблюдения при поперечной воздушной съемке проводятся по той же методике в различных поперечных сечениях (точки 1-3, рисунок 3.2). В каждой из указанных точек наблюдения проводились по площади поперечного сечения выработки. Точки замеров скоростей воздушного потока, изображенные на рис. 3.2, выбирались из следующих соображений: в точке 1 определялась максимальная скорость потока воздуха; в точках 2 и 3 проводились замеры для построения эпюры скоростей потока.

В пункте поперечной воздушной съемки также замерялись расстояния от стенки тоннеля до точек замера, температура воздуха и влажность. В каждом сечении определяется также средняя и максимальная скорости воздуха. По результатам продольных съемок устанавливаются зависимости количества воздуха, проходящего по выработке от различных факторов, в том числе утечек воздуха из трубопровода.

По результатам поперечных съемок устанавливается характер распределения скоростей воздуха по различным сечениям выработки, на основании чего строятся профили скоростей воздушного потока по сечению, а также динамика изменения скорости воздушного потока и расхода в отдельных точках.

Дополнительно при наблюдениях оценивались характеристики выработки и вентиляционного трубопровода: длина общая, площадь поперечного сечения, наличие поворотов и местных сопротивлений, тип крепи, длина звена, состояние,

(3.5)

степень натяжения, характер утечек по длине. 5. Обработка результатов наблюдений

Приведение к нормальным условиям количества воздуха Q изм осуществляется по формуле [14, 68]:

В

б = 2,846^^^ , м3/с ( 3.6 )

где: В - атмосферное давление воздуха в месте замер, кПа; ? - температура воздуха в месте замера, оС.

Для расчета по формуле (3.6) в месте замера скорости одновременно измерялись давление и температура воздуха.

В целом общее аэродинамическое сопротивление всего участка тупиковой выработки определится по формуле [14, 68]:

Я = км( IЯр + 1 ДМс ) , Нс2/м8 (3.7)

где ХЯтр - сумма сопротивлений трения отдельных участков и отдельных эквивалентных сопротивлений выработок;

ХЯмс - сумма отдельных местных сопротивлений;

км - коэффициент, учитывающий влияние неучтенных местных сопротивлений, к=1,1.

Аэродинамическое сопротивление трения каждого участка рассчитывается по формуле [14, 68]:

Ятр = а , Нс2/м8 (3.8)

где а - коэффициент аэродинамического сопротивления трения стенок выработок,

Нс2/м4;

£ - принятая к расчёту площадь поперечного сечения участка выработки, м2; Р - принятый к расчёту периметр поперечного сечения выработки, м;

Ь - принятая к расчёту длина выработки, м.

Местные сопротивления вычисляются по формуле [14, 68]:

п я Р

Кмс = , Нс2/м8 (3.9)

мс

где £ - коэффициенты соответствующих местных сопротивлений; р - плотность воздуха, кг/м3;

^мс - принятая к расчёту площадь выработки у местного сопротивления, м2. Коэффициент местного сопротивления внезапных расширений потока определялся по формуле [14, 68]:

а

5 р =5 р.гл.= (1 + Щ ) (3.10)

где £ р.гл. - коэффициенты местных сопротивлений расширения для гладких стенок.

Коэффициент местного сопротивления внезапных сужений потока определялся по формуле [14, 68]:

_ а

5 с "5 с.гл.(1 + о,0Гэ) (3.11)

где £ с.гл. - коэффициенты местных сопротивлений сужения для гладких стенок.

Коэффициент местного сопротивления поворотов определялся по формуле [14, 68]:

5 и = [(5 п.гл. ^28,54а) ~~ ] X (3.12)

где £ п.гл. - коэффициенты местных сопротивлений поворотов для гладких стенок; Ь - ширина выработок в районе местного сопротивления, м; Н - высота выработок в районе местного сопротивления, м; X - коэффициент, учитывающий угол поворота струи.

Табличные значения коэффициентов сопротивления трения и отдельных местных сопротивлений (плавных сужений и расширений), определялось из нормативно-технической литературы [14, 68]. Расчетные величины площадей поперечного сечения, периметров и длин участков сети приняты по данным технической документации объектов.

Сопротивление участков выработок сложных форм сечений и местных сопротивлений, а также наличие дополнительных сопротивлений от оборудования и технологических объектов определялись эмпирическим путем.

6. Расчет аэродинамических характеристик трубопроводов

Длина трубопровода в тупиковой части выработки

Ьтр = Ь - 1з , м (3.13)

где Ь - длина тупиковой части выработки;

1з - отставание трубопровода от поверхности забоя, м. Коэффициент утечек воздуха в трубопроводе

- для гибких трубопроводов диаметром до 0,5 м

ктр, =1 + '10-64,<2з (3.14)

где - диаметр трубопровода, м

Qз - количество воздуха, поступающего в забой выработки, м3/с.

- для гибких трубопроводов диаметром свыше 0,5 м кр.г принимается по справочным данным в зависимости от ^тр. , Qз и Ьтр., а также длины звена.

- для жестких трубопроводов [14, 68, 70]

1 Ьтр I 2

ктр.ж = (~ кут.^тр. - V Яр.ж + 1) (3.15)

где &ут.ст. - коэффициент удельной стыковой воздухопроницаемости, принимается в зависимости от качества сборки трубопроводов;

/зв. - длина звена трубопровода, м;

Ятр. - аэродинамическое сопротивление трубопровода, нс2/м8 При использовании комбинированного трубопровода [14, 68, 70]

^тр.к = ^тр.г ^тр.ж (3.16)

Аэродинамическое сопротивление трубопровода

- для гибких трубопроводов [14, 68, 70]

Ярг = Г(Ьтр. + 20^тр.^1 + 10^р.П2), нс2/м8 (3.17)

где г - удельное аэродинамическое сопротивление 1 метра гибкого вентиляционного трубопровода, нс2/м8;

П1 и П2 - количество поворотов на 900 и 450 соответственно.

- для жестких трубопроводов [14, 68, 70]

Яф.ж = 1,2Ятр. +ЕК , нс2/м8 (3.18)

где - 1,2 - коэффициент, учитывающий нелинейность трубопровода и стыков;

Ятр. - аэродинамическое сопротивление прямолинейного участка трубопровода, нс2/м8, определяется по формуле, приведенной ниже; Ям - аэродинамическое сопротивление фасонных частей трубопровода, нс2/м8.

_ 6,5аЬтр.

^тр . = —Т5 , нс2/м8 (3.19)

а тр.

где а - коэффициент аэродинамического сопротивления трения, нс2/м4.

3.2 Результаты экспериментальных исследований

Результаты изучения воздухораспределения в подготовительных выработках в графической форме представлены после обработки в виде зависимостей изменения относительного количества воздуха по длине выработки (рис. 3.3 и 3.4).

Q(х)/ Qз

4

1

0,5 0

1)

L< 1000м

L< 600м L< 200м

\

N

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Относительная длина выработки

Q(х)/ Qз

4

L< 1500м L< 1000м L< 600м L< 200м

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Относительная длина выработки

Q(х)/ Qз

3

Q(х)/ Qз

3

3)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Относительная длина выработки

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Относительная длина выработки

3,5

3

2,5

2

,5

0

0,1

2,5

2

1,5

0,5

Рисунок 3.3 - Характерные зависимости распределения относительного расхода вдоль безразмерной длины выработки для выработок различной длины и диаметра трубопровода (длина звена 20 м, Оз< 5 м3/с) 1 - с1тр. = 0,6 м; 2 - с1тр. = 0,8 м; 3 - с1тр. = 1,0 м; 4 - с1тр. = 1,2 м.

Рисунок 3.4 - Характерные зависимости распределения относительного расхода вдоль безразмерной длины выработки для выработок различной длины и диаметра трубопровода (длина звена 20 м, Qз > 5 м3/с)

Наилучшие по сходимости между собой результаты были получены в ремонтные смены, в рабочие отмечалось более неравномерное распределение воздуха и больший разброс показателей замеров. Для наглядности и удобства обработки результатов выработки были разбиты на группы в зависимости от длины и количества воздуха, поступающего в забой. В связи со значительной величиной диапазона изменения количества поступающего в забой воздуха и различиях в длинах выработок результаты представлялись в относительных величинах.

Анализ результатов наблюдений при продольных съемках показал, что распределение массы воздушного потока в различных сечениях по длине выработок крайне неравномерно, что объясняется разным сопротивлением отдельных участков трубопровода, примыкающего к зонам утечек в стыках.

Величина относительного расхода, по своей сути представляющая собой коэффициент утечек трубопровода, определенный для конкретной длины выработки, а также остальных её параметров. При уменьшении длины звена,

изменения подачи вентилятора необходимо умножать на поправочный коэффициенты, определяемые эмпирическим путем. При этом отклонение от результатов, приведенных на рисунках 3.3 и 3.4, для выработок малой длины не превышало 20%, а для выработок большой длины составляло 70% и более.

В процессе наблюдений также отмечалось неравномерное распределение утечек по длине трубопровода при разных величинах количества воздуха, поступающего в забой, что могло быть вызвано изменением сопротивления става по его длине. В связи с этим при исследованиях оценивалось изменение аэродинамического сопротивления трубопровода при увеличении диаметра за счет избыточного давления, создаваемого вентилятором при нагнетательном способе проветривания.

Из теории аэродинамики известно, что распределение статического давления при нагнетательном способе имеет вид линейной зависимости [14, 68]. Максимальная величина давления соответствует началу трубопровода у вентилятора местного проветривания, минимальная величина давления отмечается в конце трубопровода у выхода в призабойное пространство. Наглядно характер этого явления представлен на рисунке 3.5, где показан внешний вид става трубопровода большой длины одного диаметра в начале и конце.

Рисунок 3.5 - Характерный вид начала и конца става трубопровода большой

длины

На рисунке видно, что степень натяжения материала гибкого трубопровода в начале става намного выше, чем в конце. Соответственно, при этом наблюдалось различие в величинах фактического диаметра по длине трубопровода и отличие от параметров, принимаемых при расчете его аэродинамического сопротивления. При больших утечках по длине трубопровода наблюдалась еще худшая картина, показанная на рисунке 3.6. В забой при этом поступало количество воздуха, значительно отличающегося от расчетного в меньшую сторону, что объяснялось не только величиной утечек, но и значительным возрастанием аэродинамического сопротивления конечной части воздуховода при значительном уменьшении его диаметра относительно начальной части. Это объясняется характером известной зависимости, по которой рассчитывается величина аэродинамического сопротивления трубопровода, которая обратно пропорциональна диаметру трубопровода в пятой степени. Для установления количественных показателей этого фактора были проведены производственные наблюдения и аналитические исследования.

Рисунок 3.6 - Характерный вид конца става трубопровода большой длины

при значительных утечках

Результаты замеров диаметров отдельных трубопроводов типа МУ большой длины в начале и конце става, а также результатов сравнительных расчетов аэродинамического сопротивления приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты сравнительных расчетов аэродинамического сопротивления вентиляционного трубопровода.

Штатный диаметр трубопровода, м Фактическая длина трубопровода, м Замеренный диаметр трубопровода, м Безразмерное удельное аэродинамическое сопротивление трубопровода

в начале в конце в начале в конце

0,6 320-540 0,62 0,6 1/0,091613= 10,9 (-15 %) 1/0,07776= 12,86

0,8 490-760 0,83 0,805 1/0,3939= 2,53 (-14 %) 1/0,33805= 2,96

1,0 300-602 1,04 1,0 1/1,21= 0,82 (-18 %) 1/1= 1

1,2 650-963 1,25 1,21 1/3,05175= 0,33 (-14 %) 1/2,59= 0,38

Из таблицы видно, что удельное сопротивление начального участка на 14-18 % меньше удельного сопротивления конечного участка только за счет увеличения диаметра за счет растяжения материала трубопровода.

Анализ результатов наблюдений при поперечных съемках позволяет сделать вывод, что скорость движения воздуха по ширине сечения выработки снижается от центра выработки к стенкам с различной интенсивностью, что определяется

местоположением сечения по длине выработки и также имеет выраженную зависимость от величины утечек из трубопровода по длине выработки.

Таким образом, проведенные исследования показали, что утечки по длине вентиляционного трубопровода имеют различную величину, зависящую от многих факторов. Аналитическое их определение в ряде случаев дает результаты, значительно отличающиеся от данных натурных наблюдений. Это подтверждается исследованиями других ученых. Так, эксперименты показали, что среди 120 обследованных трубопроводов для условий угольных шахт общей длиной около 50 км только 3,4 % имеют утечки воздуха в пределах величин, принятых существующими нормативными и справочными изданиями, а в остальных случаях они больше [45, 72, 74].

Поэтому для лучшей сходимости результатов натурных исследований и аналитических зависимостей необходимо их уточнение с учетом дополнительных факторов, влияющих на динамику утечек в нагнетательном трубопроводе и соответственно на распределение расхода и скорости воздуха по длине подготовительной выработки.

Проведенный анализ результатов натурных исследований показал, что величина утечек по длине трубопровода и изменение количества воздуха по длине подготовительной выработки, наиболее хорошо описывается уравнением вида у=1+а(1-х)и.

Полученные основные точки пересечения этой функции с осями координат служат для вывода расчетных уравнений. Для аппроксимации связи использован метод наименьших квадратов, заключающийся в том, что линия регрессии должна удовлетворять условию минимума суммы квадратов расстояний до каждой точки корреляционного поля. В данном случае в уравнении величина у (количество утечек) представляет собой расчетное значение функции, определенное при

помощи уравнения выбранной криволинейной связи по фактическим значениям величины х (расстояние по трубопроводу от устья в сторону забоя).

Для решения задачи по установлению зависимости, наиболее близко описывающей распределение утечек по длине трубопровода, выбран метод наименьших квадратов, т.к. каждый из признаков (значения функции и результаты производственных замеров) имеет числовое выражение, при котором нет открытых вариант. Построены ряды из парных сопоставляемых признаков, обозначаемые через "у" - значения функции и "х" - результаты производственных замеров (рис. 3.3 и 3.4).

Расчеты выполняются в следующей последовательности: 1) Определяются средние величины Му в ряду вариант "у" и Мх в ряду вариант "х" по формулам:

Му = ^у ; Мх =^х (3.20)

п п

2) Находится отклонение (йу и йХ) каждой варианты от величины вычисленной средней в ряду"у" и в ряду "х":

йу = у - Му ; йх = У - Мх (3.21)

3) Находится произведение отклонений йхйу и их суммарная величина Ъйхйу.

4) Каждое отклонение йх и йу возводится в квадрат и суммируется по ряду "х" и по ряду "у".

5) Определяются произведение (£йх2 Ъйу2) и из этого произведения извлекается квадратный корень.

6) Полученные величины подставляются в формулу расчета коэффициента корреляции между признаками:

ух

у1(2 й2у) (3.22)

7) По полученной величине значения корреляционного отношения оценивалась теснота связи между рассматриваемыми признаками.

Результаты аппроксимации представлены в виде зависимости:

^ = 1 + (^ - 1X1 --Х-)" (3.23)

где ктр - коэффициент утечек воздуха в пределах расчетной длины Ьтр трубопровода. Значения коэффициентов утечек в пределах длины тупиковой выработки,

показателя степени в зависимости, полученные для различных диаметров

трубопроводов типа МУ, а также результаты сравнительных расчетов тесноты

связи между значениями функции и данными замеров в виде коэффициентов

парной корреляции приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Результаты сравнительных расчетов аэродинамического сопротивления вентиляционного трубопровода.

Диаметр трубопровода, йчр м Длина трубопровода Ьтр, м Значения переменных в расчетной формуле Значения корреляционного отношения Яух

п ктр

0,6 200 2,7 1,35 0,85

600 3,2 2,7 0,86

1000 4,5 3,9 0,84

0,8 200 2,3 1,2 0,89

600 3,0 1,7 0,87

1000 3,5 2,4 0,91

1500 3,8 3,7 0,91

1,0 200 1,1 1,15 0,92

600 1,2 1,35 0,93

1000 1,7 1,9 0,90

1500 2,7 2,7 0,91

1,2 200 1,1 1,1 0,92

600 1,3 1,25 0,93

1000 1,9 1,8 0,94

1500 2,9 2,5 0,90

Для промежуточных значений длины выработки и диаметров трубопровода данные могут быть интерполированы.

Во всех рассматриваемых случаях значения корреляционного отношения находятся в пределах Яух = 0,84 - 0,94, что свидетельствует о достаточно высокой тесноте связи между рассматриваемыми признаками.

3.3 Аналитическое описание движения воздуха по длине подготовительной

выработки

При расчете с учетом вышеприведенных факторов, влияющих на распределение утечек по длине трубопровода и соответственно на изменение количества воздуха по длине подготовительной выработки необходимо в качестве результирующей величины учитывать изменение коэффициента утечек воздуха по длине трубопровода в пределах длины тупиковой выработки за вычетом расстояния отставания трубопровода от плоскости забоя. Характер такого изменения зависит от многих факторов, которые представлены в явной или неявной форме в выражении (3.22).

Дифференциальное уравнение для депрессии трубопровода общей длиной х из т звеньев длиной /зв можно записать в следующем виде:

^тр = гт/зв£ ^(х)йХ (3.24)

где г - удельное аэродинамическое сопротивление 1 метра трубопровода;

т - количество звеньев трубопровода;

/зв - длина звена трубопровода;

Qтр - количество воздуха в трубопроводе.

С учетом того, что расчетная длина может быть определена как х=т/зв, количество воздуха в трубопроводе может определится на основе дифференциального уравнения, которое имеет вид:

dQ б

тр тр

¿тр (X)Ьтр (3-25)

где ¿тр (х) - коэффициент утечек воздуха в пределах расчетной длины х трубопровода;

Ьтр - длина трубопровода в тупиковой выработке.

Схемы к расчету вентиляционного трубопровода представлены на рисунках 3.7 и 3.8.

Я]

выр

Я

ут

/-1 1 1 1 1 1 Яут 1 1 1 1 1 к Яут 1 к Яут к

Яз

Я

тр

Рисунок 3.7 - Схема расчета аэродинамического сопротивления путей утечек

из трубопровода

Рисунок 3.7 представляет расчетную схему, на которой показаны как параллельное аэродинамическое соединение пути движения воздуха по трубопроводу и выработке и пути утечек через неплотности в стыках звеньев.

а

п

Овен'

J

Овс

выр

О(х)

П'т (х

д(х + !з

Отр(х )

■4х

а

Пут (.Г + /зв)

Ото(х+!з

I ¿тр

Оз