МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

КУЗЬМІН СЕРГІЙ ПАВЛОВИЧ

УДК 622.031.54-118:622.822.2:622.456

РОЗРОБКА СПОСОБУ ПОЖЕЖОБЕЗПЕЧНОГО
ВІДПРАЦЬОВУВАННЯ СВІТИ ЗБЛИЖЕНИХ
КРУТИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність 21.06.02 - “Пожежна безпека”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі боротьби з ендогенними пожежами Науково-дослідного інституту гірничорятувальної справи (НДІГС) Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк).

Науковий керівник - кандидат технічних наук Смоланов Сергій Миколайович, Державна воєнізована гірничорятувальна служба у вугільній промисловості Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк), начальник Центрального штабу.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Грядущий Борис Абрамович, Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім. М.М.Федорова Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк), директор;

кандидат технічних наук, с.н.с. Пушний Петро Іванович, ведучий
науковий співробітник Донецького експертно-технічного центру
Держнаглядохоронпраці (м. Донецьк).

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки, науково-дослідний центр проблем пожежогасіння та рятівних робіт (м. Київ)

Захист дисертації відбудеться 17 жовтня 2003 р. о 13 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.834.01 Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці МакНДІ за адресою:
86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий 16 вересня 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Д12.834.01
канд.тех.наук., с.н.с. Алаб'єв В.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За числом і завданими збитками ендогенні пожежі становлять найбільший відсоток у загальній аварійності на вугільних шахтах України. При цьому
50-60% самозаймань вугілля відбувається у вироблених просторах діючих очисних вибоїв.

Особливо висока ендогенна пожежна небезпека в Центральному районі Донбасу, де відпрацьовувається світа зближених крутих пластів. Викликано це значними аеродинамічними зв'язками через деформовані породи міжпластя. Наявність додаткових витоків повітря приводить до змін місця розташування пожежонебезпечних зон у вироблених просторах, збільшенню їхньої площі, а в деяких випадках поширенню ендогенних пожеж на вищележачі і нижчележачі пласти. Боротьба з такими аваріями дорого коштує, тому що найчастіше потрібно зведення великого обсягу ізоляційних споруд при відпрацьовуванні зближених пластів.

Таке становище справ визначає необхідність пошуку нових і уточнення області застосування існуючих способів попередження, локалізації і гасіння ендогенних пожеж.

У цьому зв'язку дослідження аеродинамічних зв'язків між пластами через деформовані породи міжпластя, визначення місця розташування пожежонебезпечних зон у вироблених просторах і розробка способу забезпечення пожежобезпечності при відпрацьовуванні світи зближених крутих пластів є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами НИР, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках галузевої програми № 1919202000 “Выполнение комплексной программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по повышению уровня противопожарной защиты шахт Украины” і викладена у звітах про
НДР № 1919202540 “Исследовать эндогенную пожароопасность при отработке сближенных крутых пластов с целью разработки методов и средств предупреждения самовозгорания угля” та № 1910012012 ГСТУ “Локальний прогноз ендогенної пожежонебезпеки в межах виїмкової дільниці вугільної шахти. Методи визначення”. (Державні реєстраційні номери відповідно UA1002745P і 0102U005130) – відповідальний виконавець.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розкриття особливостей формування пожежонебезпечних зон у вироблених просторах при розробці світи зближених крутих пластів і розробка способу пожежобезпечного їх відпрацьовування.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

виконати аналіз умов виникнення ендогенних пожеж при відпрацьовуванні світи зближених крутих пластів і виявити шляхи рішення проблеми забезпечення безпеки їх відпрацьовування;

дослідити аерологічні і термодинамічні параметри вироблених просторів;

виконати комплекс експериментальних і натурних досліджень з визначення повітропроникності порід міжпластя;

розробити метод визначення пожежонебезпечних зон у вироблених просторах при відпрацьовуванні світи зближених крутих пластів;

розробити спосіб пожежобезпечного відпрацьовування світи зближених крутих пластів.

Об'єкт досліджень – ендогенні пожежі на зближених крутих пластах Центрального району Донбасу.

Предмет досліджень – процеси формування пожежонебезпечних зон при розробці звиті зближених крутих пластів.

Методи досліджень. При виконанні дисертаційної роботи застосовувалися аналітичний і експериментальний методи – для дослідження зон тріщинуватості і деформованості порід междупластя при їх підробці і надрабці; методи математичного моделювання – для розрахунку загальних зон тріщинуватості і визначення пожежонебезпечних зон у вироблених просторах; методи фізичного моделювання – для дослідження повітряних потоків через обрушені породи вироблених просторів зближених пластів при різних схемах провітрювання; методи математичної статистики – для апроксимації експериментальних результатів, оцінки вірогідності отриманих функціональних залежностей; дослідно-промислова апробація - для перевірки отриманих шляхом розрахунку технологічних параметрів пожежонебезпечних відпрацьовування зближених крутих шарів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тім, що вперше теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено утворення ендогенних пожежонебезпечних зон на зближених крутих пластах у залежності від трещинуватості порід, литологического складу, потужності і кутів падіння розроблювальних пластів, що мають форму овоїдів, утворених двома напівеліпсами.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Удосконалена фізико-математична модель аеродинаміки вироблених просторів при розробці свити зближених крутих пластів, що враховує вплив повітропроникності деформованих порід міжпластів у залежності від їхнього складу й умов залягання.

2. Уперше розроблений метод визначення пожежонебезпечних зон у вироблених просторах зближених крутих пластів, що враховує взаємне розташування вугільних пластів, порядок їхнього відпрацьовування, розміри виємкових ділянок і схеми їхнього провітрювання.

3. Спосіб пожежобезпечного відпрацьовування звиті зближених крутих пластів, що полягає у встановленні аеродинамічного зв'язку, розрахунку кількості витоків повітря через породи міжпластя і визначення пожежонебезпечних зон у відпрацьованих ділянках зближених пластів.

4. Уперше запропоновано робити послідовне відпрацьовування вугільних пластів з відставанням на відстані не менш 400 м друг від друга при наявності непереборних аеродинамічних зв'язків через деформовані породи міжпластів.

Практичне значення отриманих результатів роботи складається з розробки і реалізації на шахтах Центрального району Донбасу способу безпечного відпрацьовування зближених крутих пластів, який полягає у визначенні для конкретних виїмкових дільниць місць розташування пожежонебезпечних зон у виробленому просторі і визначенні на цій основі спеціальних заходів з попередження ендогенних пожеж.

Результати роботи впроваджені на шахтах Центрального району Донбасу, що дозволило підвищити безпеку робіт і поліпшити умови праці, забезпечити стабільну, економічно ефективну роботу виїмкових дільниць, які відпрацьовують світи зближених крутих пластів. Річний економічний ефект у середньому на один очисний вибій склав
53 тис. грн.

Особистий внесок здобувача складається з постановки задач досліджень, аналізу ендогенної пожежонебезпеки шахт Центрального району Донбасу, з вивчення процесів тріщиноутворення в породах міжпластя, проведення теоретичних і експериментальних досліджень аерогазодинамічних процесів у вироблених просторах зближених крутих пластів при їх підробці і надробці, з розробки методу і програми розрахунку технологічних параметрів пожежобезпечного відпрацьовування зближених крутих пластів.

Особистий внесок дисертанта в роботах, які опубліковані у співавторстві, складається з проведення експериментальних і натурних досліджень на шахтах зон деформування порід міжпласть зближених пластів [1] і з постановки задачі моделювання процесів самозаймання вугілля [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародній науково-практичній конференції “Пути развития горноспасательного дела” (Донецьк: НИИГД, 1997), міжнародній науково-практичній конференції “Технологии и оборудование для добычи угля подземным способом” (Донецьк: Эксподонбасс, 2002), міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий” (Донецьк: НИИГД, 2002), науково-технічних радах ВО “Артемвугілля”, “Орджонікідзевугілля” і “Дзержинськвугілля” у 1995-2002рр. і секції “Попередження і ліквідація пожеж” вченої ради НДІГС у 2000-2002рр.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в шести друкованих працях, з них чотири - в наукових спеціальних виданнях, що входять до переліку ВАК України, і дві - в матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел зі 108 найменувань і двох додатків. Загальний обсяг дисертації 158 сторінок, з них основний текст 150 сторінок, малюнків 31, таблиць 37 (з них 3 на повних сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено обгрунтування теми дисертації, приведений зв’язок з науковими програмами і темами. Визначені мета, задача, об’єкт і предмет дослідження; показані новизна, теоретичне і практичне значення отриманих результатів. Містяться дані про апробацію і впровадження результатів дослідження, про опубліковані роботи і структуру дисертації.

У першому розділі проаналізовані умови виникнення ендогенних пожеж при відпрацьовуванні крутих пластів Центрального району Донбасу. Високий рівень ендогенної пожежонебезпеки, велика тривалість і труднощі гасіння пожеж, значні матеріальні витрати визначаються особливостями гірничо-геологічних умов цього району. При відпрацьовуванні вугільних пластів у цих умовах утворюються неминучі аеродинамічні зв'язки через деформовані породи міжпласть, що при наявності хімічно активного вугілля, яке залишається у вироблених просторах, приводить до пожеж.

Загальні закономірності самозаймання вугілля в промислових умовах детально вивчені і викладені в роботах Веселовського В.С., Маєвської В.М., Глузберга Ю.Й., Саранчука В.І., Бонецького В.О. Игішева В.Г., Зборщика М.П., Осокіна В.В. і Пашковського П.С. У цих роботах сформульовані основні фізичні умови самозаймання вугілля, подана теоретична інтерпретація механізму окиснення вугілля. Установлено, які одним з основних факторів, що сприяють розвитку процесу самозаймання вугілля у вироблених просторах, є надходження повітря до вугільних скупчень. Однак характер формування аеродинамічних зв'язків у породах міжпласть в умовах відпрацьовування зближених крутих пластів і утворення пожежонебезпечних зон у вироблених просторах вивчені недостатньо, що не дозволяє розробити ефективні пожежобезпечні параметри відпрацьовування цих пластів.

В другому розділі викладені результати натурних досліджень структури деформованого масиву порід міжпласть зближених крутих пластів.

Слід зазначити, що питанням деформування гірських масивів присвячена велика кількість теоретичних і експериментальних досліджень, однак вони мають кінцевою метою розробку способів охорони наземних споруд, підземних виробок, боротьби з газодинамічними явищами.

Нині розвивається новий напрямок у гірничій науці: фрактальність вугленосних формацій і фізичні процеси, які відбуваються в них. Фрактали – це фізичні чи геометричні структури, що складаються з частин, які подібні цілому.

А.Ф.Булат, В.В.Лукінов, В.В.Ріпка й інші автори на підставі експериментів з руйнування зразків порід і вугілля, з вивчення тріщинуватості вугільних пластів, з дослідження довжини і площ зміщувачів диз’юктивних порушень прийшли до висновку, що усі вони носять фрактальний характер. На цей час гіпотеза фрактальності деформованих масивів міжпласть розроблена лише як якісна. Кількісні залежності відсутні.

Проведені експериментальні дослідження на низці шахт Центрального району Донбасу з визначення залежності таких фізичних характеристик структури деформованих порід міжпластя, як зрушення і деформація вміщуючих порід, пористість, блочність і водопровідність від лінійної геометричної фрактальності порід і від часу (тривалості процесу).

Аналіз експериментальних результатів показав, що всі отримані дані апроксимуються функцією виду

(1)

де U - досліджувана фізична характеристика процесу в масиві порід міжпластя; l – лінійний розмір фрактальної структури, м; l0 – лінійний розмір базового фрактала, м; a, D – емпіричні коефіцієнти.

Як приклад у табл.1 приведені значення емпіричних коефіцієнтів, які обчислені для параметрів зрушення бічних порід шахт виробничого об'єднання “Артемвугілля”, а на мал. 1 представлені експериментальні дані із зрушення вміщуючих порід.

Таблиця 1

Результати визначення емпіричних коефіцієнтів а і D

Шахта, пласт | Підошва чи

покрівля | а | D“

Кочегарка”,

k22 Золотарка | Покрівля

Те ж саме

Підошва

Те ж саме_

“_ | 47,5

49,6

0,6698

0,2696

0,2291 | 0,47

0,44

1,1669

1,3210

1,3049

Ім. Ю.О. Гагаріна,

m3 Товстий | Покрівля | 47,8 | 0,46

Ім. М.І. Калініна,

k7 Олександрівський | Те ж саме_

“__

“_ | 1,7917

0,0819

0,0094 | 1,5363

1,2405

1,5129

Рис. 1. Зрушення вміщуючих порід на різній відстані від лави на шахтах:

1 – ім. Ю.О.Гагаріна, пласт m3 – покрівля; 2, 3 - “Кочегарка”, пласт k22 – покрівля; 4, 5, 6 - “Кочегарка”, пласт k22– підошва; 7, 8 – ім. М.І.Калініна, пласт k7 – підошва.

Аналізуючи результати представлені на мал.1, неважко бачити, що величини зсуву бічних порід у залежності від відстані до вибою лави задовільно укладаються на відрізки прямих ліній під різними кутами нахилу й описуються залежностями одного виду, що можна вважати підтвердженням фрактального характеру процесів деформації порід міжпластя при веденні очисних робіт.

З експериментальних даних випливає, що верхня межа зони водопровідних тріщин залежить від потужності пластів, що відпрацьовуються, і литологічного складу порід і досягає максимальної величини 70…77 м. Із зоною водопровідних тріщин практично збігається зона газопровідних тріщин, тобто вони становлять одну зону.

У третьому розділі приведені результати дослідження аеродинамічних і термодинамічних параметрів вироблених просторів у системі: надроблений пласт – міжпластя – підроблений пласт.

Для установлення факту повітропроникності міжпластя і розрахунку площі фільтрації повітряних потоків, необхідно визначити характер зрушення порід міжпластя внаслідок надробки і підробки. Величину зон зрушення порід можна охарактеризувати величиною еліпсів. Ізолінії зрушення будуються як частини еліпсів (мал.2).

Заштрихована на малюнку область між ізолініями зрушень свідчить про наявність аеродинамічного зв'язку між зонами деформації вищележачого і низчележачого пластів. Фільтрація повітря через деформоване міжпластя буде виключена, коли

Рис. 2. Еліпси зрушень у породах міжпластя при відпрацьовуванні зближених крутих пластів

І – частина дуги нижніх напівеліпсів; ІІ – частина дуги верхніх напівеліпсів; І, І -малі осі верхніх напівеліпсів; 2,2 – великі осі верхніх напівеліпсів.

відстань між пластами складе

(2)

де l – відстань між пластами по горизонталі, м; - кут залягання пластів, град; lн- відстань між надроблюваним пластом і дотичної до напівеліпса, м; lп - відстань між підроблювальним пластом і дотичної до напівеліпса.

Побудова ізоліній зрушення для кожного конкретного випадку вимагає попереднього розрахунку координат нижнього і верхнього напівеліпсів і графічних побудов зон деформації в породах міжпластя. Для виконання цієї роботи розроблена спеціальна програма для ПЭОМ.

Для кількісного визначення впливу повітропроникності порід міжпластя на розташування пожежонебезпечних зон у виробленому просторі необхідно розрахувати швидкість перетоку повітря на межі “деформоване міжпластя – вироблений простір”.

При складанні системи диференціальних рівнянь, які описують рух повітря в тріщинувато- пористому середовищу, вибираємо декартову систему координат (мал.3).

Рис. 3 Розрахункова схема для рішення задач фільтрації повітря в породах міжпластя

1- вироблений простір розглянутого вугільного пласта; 2 – нижчележачий пласт; 3 – область тріщинуватості пласта 2; 4 – область тріщинуватості пласта 1.

Рух повітря в міжпласті опишемо системою диференціальних рівнянь Ейлера у формі, яка запропонована Н.Є. Жуковським для пористих середовищ, доповнивши їх рівняннями суцільності і стану:

;

; (3)

; ,

де Vx, Vz – складові швидкості фільтрації повітря через тріщинуваті породи міжпластя, м/с; t – час, с; – щільність повітря, кг/м3; Р – тиск, Па; kф – коефіцієнт фільтрації, м/с;
g – прискорення вільного падіння, м/с2; - кут залягання пласта, град; m(z) – пористість, м3/м3; V – вектор швидкості м/с; RB – газова постійна для повітря, Дж/(кг К); Т – температура повітря, К.

Для одержання чисельного рішення систему рівнянь (3) необхідно доповнити початковими і граничними умовами

,

,

в області GCAEDF (4)

де – функція розподілу витоків повітря у виробленому просторі пласта 2 по осі DX, м/с; b – відстань між пластами 1 і 2, м; 0 – щільність повітря при температурі Т0 на пласті 2, кг/м3.

Граничні умови полягають у наступному: по контурах ACG і EDF рух повітря відсутній:

Vx=Vz=0, по відрізку GF: (5)

За формулами (3, 4 і 5) виконується розрахунок кількості витоків повітря у вироблений простір 2.

Перейдемо до розрахунку швидкостей фільтрації повітря в обрушених породах виробленого простору і температур вугілля, яке залишене у виробленому просторі. Математична модель, яка описує процес самонагрівання вугілля у виробленому просторі, може бути представлена системою диференціальних рівнянь. Для цієї мети використовуємо систему рівнянь (3), з деякими змінами яка доповнена рівнянням теплового балансу. Задача вирішується в площині ХОУ у двомірній постановці.

Система диференціальних рівнянь, яка описує

аеротермодинаміку виробленого простору, має наступний вигляд:

(6)

,

де – швидкість фільтрації повітря, м/с; – вектор швидкості повітря у виробленому просторі, м/с; Cy – питома теплоємність вугілля, Дж/(кгК); Н – щільність вугілля, кг/м3; Т – температура, К; Ср – питома теплоємність повітря, Дж/(кгК);
– коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК); k – коефіцієнт нестаціонарного теплообміну, Дж/(м2сК); h – потужність пласта, м; Тn – температура вміщуючих порід, К; qr - теплота реакції окислення вугілля, Дж/м3; U - питома швидкість сорбції кисню вугіллям, м3/(кгс); Ск – об'ємна частка кисню, %; Е – енергія активації процесу окислення, Дж/моль; Q1(x,y) – функція, яка описує нерівномірність втрат вугілля у виробленому просторі.

Початкові умови мають наступний вигляд:

(7)

Щільність повітря 0=0,955 кг/м3; Т0=300К. Компоненти швидкостей

рівні

, , (8)

де Vx(x,y), Vy(x,y) – поле швидкостей у виробленому просторі при відсутності аеродинамічного зв'язку зближених пластів 1 і 2 (мал. 3).

Граничні умови задаються вроздріб контуру, - відкаточний штрек, очисний вибій, вентиляційний штрек, - і залежать від схеми провітрювання дільниці. Наприклад, для прямоточної схеми провітрювання

відкаточний штрек:

лінія очисного вибою:

(9)

вентиляційний штрек:

де qут – кількість витоків повітря, які надходять у вироблений простір з оконтурювальних виробок, м3/с l - довжина провітрюваної області в глиб виробленого простору, м; - витоки повітря, які надходять з міжпластя, м3/с; L - довжина вибою, м.

Кінцевим підсумком чисельних розрахунків за алгоритмом (6)…(9) є поля швидкостей і температур у виробленому просторі для різних моментів часу. Для їх розрахунку створена програма алгоритмічною мовою “Паскаль”, що реалізована на ПЭОМ. Аналіз отриманої інформації дозволяє визначати пожежонебезпечні зони при різних варіантах втрат вугілля у виробленому просторі і різних технологічних варіантах відпрацьовування зближених крутих пластів.

У дисертації також запропонований спосіб визначення меж зони активного самонагрівання вугілля у виробленому просторі при розробці зближених пластів, що має важливе практичне значення при виборі і реалізації заходів щодо профілактики самозаймання вугілля.

У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень аеродинамічних параметрів виробленого простору при відпрацьовуванні зближених пластів. Метою проведення експериментальних досліджень є моделювання перерозподілу витоків повітря у виробленому просторі при наявності аеродинамічного зв'язку в деформованих породах міжпласть із сусідніми пластами у світі зближених. Для виконання поставленої задачі був розроблений і виготовлений лабораторний стенд (мал.4).

Рис. 4 Схема лабораторного стенда

1 – пористе середовище; 2 – модельні виробки; 3 – патрубки; 4 – вентилі; 5 – теплообмінник; 6 – компресор; 7 – прилад ТАИК-3М; 8 – датчик; 9 – штуцери; 10 – шланги.

Для проведення експериментів на лабораторному стенді вибрані критерії подібності і масштаби моделювання.

Геометрична подібність досягнута конфігурацією стенда, що є копією діючої виїмкової дільниці в основних її елементах (гірничі виробки, очисний вибій, вироблений простір) у масштабі 1=60.

Лабораторний стенд (мал. 4) являє собою металевий короб з пористим середовищем 1, яке моделює вироблений простір з виробками, що його оконтурюють, 2. Стенд забезпечує можливість моделювати будь-які кути нахилу вугільних пластів від 0 до 90. Патрубки 3 дозволяють моделювати різні схеми провітрювання виїмкових дільниць, які застосовують при відпрацьовуванні зближених крутих пластів. Переріз модельних виробок - 0,025 м2. Розміри центрального паралелепіпеда – 2,0х1,5х0,4м. Повітря в стенд нагнітається компресором 6 через теплообмінник 5 шлангом 10, який з'єднаним з патрубком 3 і штуцерами 9 у днищі стенда. Витрата повітря у модельних виробках виміряється приладом ТАИК-ЗМ 7. Величина витоків повітря у виробленому просторі розраховувалася з урахуванням масштабів моделювання. Пористе середовище 1, яке моделює обрушення породи виробленого простору, складається з часток щебеню розміром 1...3 см, укладені шарами від модельного вибою в глиб стенда відповідно до аеродинамічного опору, що збільшується. Додаткові витоки повітря, що надходять у стенд через штуцери в днищі, моделюють фільтрацію повітря зі зближених пластів через міжпластя.

На лабораторному стенді проведено дві групи експериментів:

- з дослідження розподілу витоків повітря у виробленому просторі при наявності аеродинамічного зв'язку через деформовані породи міжпластя;

- з дослідження фільтрації повітря через міжпластя.

Для проведення другої групи досліджень було прийняте значення масштабу моделювання 2=0,5.

Усього проведено 61 експеримент для прямоструминної на вироблений простір, прямоструминної з підсвіженням і зворотноструменної на цілик схем провітрювання виїмкової дільниці. Прососи повітря через днище стенда, які моделюють витоки повітря через міжпластя при наявності аеродинамічного зв'язку між пластами, складали 10-40% від загальної кількості витоків через вироблений простір. У свою чергу загальні витоки складали 20-30% від кількості повітря, що надходить на дільницю.

Аналіз результатів експериментальних досліджень дозволяє зробити наступні висновки.

При зворотноструменній схемі провітрювання збільшення прососів повітря через міжпластя знижує витоки повітря у вироблений простір з боку вибою. Виключення складають області сполучення відкаточного штреку з вибоєм. Збільшення кількості повітря, що надходить через міжпластя у вироблений простір, до 30 % від загальної кількості витоків приводить до збільшення ширини пожежонебезпечної зони в глиб виробленого простору на 10...15% При цьому ширина пожежонебезпечної зони в області виробленого простору, яка прилягає до вентиляційного штреку, збільшується на 20...30%

При прямоструменній схемі провітрювання, як і для зворотноструменної на цілик, збільшення прососів повітря з міжпластя веде до зменшення витоків з боку вибою, але в даному випадку цей процес спостерігається в середній частині вибою. Ширина пожежонебезпечної зони найбільше сильно (у 1,3...1,5 рази) збільшується в тій області виробленого простору, яка прилягає до вентиляційного штреку.

При прямоструменній з подсвіженням схемі провітрювання вплив прососів повітря через міжпластя аналогічно розглянутому для прямоструменної схеми провітрювання. Повітря, що надходить з підсвіженим струменем, додатково збільшує ширину пожежонебезпечної зони в області виробленого простору, який прилягає до вентиляційного штреку, на 5...15%.

Отримані на стенді результати перераховуються для натурних умов відповідно до масштабів моделювання і дають можливість перевіряти і коректувати варіанти розрахунків при чисельному моделюванні аеродинаміки вироблених просторів за алгоритмом, який включає формули (3...5), перетворені до скінчено-різницевої форми запису.

У цьому ж розділі представлені результати натурних досліджень тріщинуватості деформованих порід міжпласть (шахти ім. Ю.О.Гагаріна й ім. Ф.Е.Дзержинського), газовиділення з підроблених і надроблених вугільних пластів (шахти “Кочегарка”, ім. Ю.О.Гагаріна, “Червоний Жовтень”) і повітропроникності деформованих порід міжпластя зближених крутих пластів (шахти ім. Ю.О.Гагаріна, ім. В.І. Леніна, “Північна”).

Аналіз результатів натурних досліджень показав: після виїмки вугільного пласта структурні зміни в підробленій товщі виявляються на відстані 110...115 м від пласта. З відстані до пласта 70...80 м (у залежності від літологічного складу порід) у підробленому масиві розвиваються діагональні водо-, газо- повітропровідні тріщини. Вони безпосередньо зв'язані з виробленим простором і є каналами, якими газ з підробленых (надробленых) пластів дренується в діючі виробки. Цей ефект використовується для дегазації багатогазових пластів і супутників;

тріщинуватість розвивається на відстань до 10 м перед вибоєм лави, що видно по падінню вмісту метану в дегазаційних свердловинах. Після віддалення лави на 20 м від свердловини частка метану в газовій суміші в свердловині падає до 2%, тобто в міру росту деформації підробленої товщі міжпластя тріщинами, які утворилися, надходить повітря;

при виникненні ендогенної пожежі на одному із пластів світи пожежні гази через деформовані масиви порід міжпластя надходять у діючі виробки інших пластів. Тому при локалізації пожеж ізолюючі споруди зводяться не тільки на пласті, на якому виникла пожежа, але і на інших пластах світи;

через деформовані породи міжпласть зближених пластів пожежні гази можуть поширюватися по виробленому просторі суміжного пласта на відстань до 400 м.

У п'ятому розділі викладені основні положення способу пожежобезпечного відпрацьовування світи зближених крутих пластів.

Обсяг і зміст виконаних у цій роботі досліджень дозволяють представити розробку такого способу відпрацьовування світи зближених крутих пластів у вигляді блок-схеми (мал. 5).

Технологія безпечного відпрацьовування світи зближених пластів повинна розроблятися з урахуванням конкретних гірничо-геологічних умов залягання пластів (кут падіння, потужність пласта, літологічний склад вміщуючих порід, потужність порід міжпластя) і гірничо-технічних умов виїмки (глибина ведення гірничих робіт, висота поверху, система розробки, спосіб керування покрівлею, схема провітрювання, витрата повітря і величина депресії на ділянці, планована швидкість посування очисних вибоїв). Ці дані приймаються на підставі проектів і паспортів на відпрацьовування конкретних виїмкових дільниць.

На другому етапі відповідно до представленої блок-схеми визначається повітропроникність порід міжпласть при розробці зближених пластів. Будуються ізолінії зрушення і на ПЭОМ виконуються необхідні розрахунки. При наявності аеродинамічного зв'язку, який не можна усунути, виконується розрахунок кількості витоків повітря через деформовані породи міжпластя і визначаються розміри пожежонебезпечних зон на дільницях зближених пластів, які відпрацьовуються.

На заключному етапі, маючи інформацію про місце розташування пожежонебезпечних зон і про кількість і шляхи фільтрації повітря через породи міжпласть, визначається обсяг і якість заходів щодо скорочення витоків повітря через породи міжпластя. Вирішуються питання групування пластів, порядок їх відпрацьовування, при необхідності установлюється відстань, на яку повинно випереджати відпрацьовування одного пласта відносно іншого. Призначаються додаткові спеціальні заходи в пожежонебезпечних зонах з урахуванням втрат вугілля, яке залишається у вироблених просторах, і інкубаційного періоду його самозаймання.

Дослідно-промислова перевірка розробленого способу пожежобезпечного відпрацьовування зближених крутих пластів зроблена на шахті ім. В.І. Леніна при відпрацьовуванні пластів Алмазної світи l12 Кирпичевка, l3 Мазурка, lН4 Дев'ятка, а також на шахті ім. О.І.Гаєвого при відпрацьовуванні пластів Каменської світи kН3 Дерезівка і k15 Підп’яток. Реалізація в шахтних умовах розробленого способу забезпечила протягом 7 років пожежонебезпечне відпрацьовування зазначених пластів.

Річний економічний ефект від застосування розробленого способу на шахті ім. В.І.Леніна склав 124 тис.грн., а по шахті ім. О.І.Гаєвого - 58 тис.грн. (пласт kН3 Дерезівка) і 33 тис.грн. (k15 Підп’яток).

Підготовка вихідних

I даних

Визначення аеродина-

II мічного зв'язку через

породи міжпластя

Відсутність

III аеродинамічного зв'язку |

Наявність

IY аеродинамічного зв'язку | Наявність непереборної

Y аеродинамічного зв'язку

Проведення тради-

Ційных заходів

з попередження

самозаймання вугілля

на виїмкових дільницях

на кожному пласту |

Коректування порядку

відпрацьовування

виїмкових дільниць

на зближених

пластах у часі | Розрахунок кількості

витоків повітря через

міжпластя і визначення

пожежонебезпечних зон

на дільницях зближених

пластів, що відпрацьову-

ються

Проведення заходів із

скорочення витоків

повітря через

міжпластя | Проведення додаткових

спеціальних заходів у

пожежонебезпечних

зонах з урахуванням

втрат вугілля, що зали-

шається у вироблених

просторах, і инкубацій-

ного періоду його само-

займання

Рис. 5. Блок-схема розрахунку параметрів безпечного відпрацьовування світи зближених крутих пластів

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дані теоретичне узагальнення і рішення актуальної науково-технічної задачі, яка полягає в розкритті закономірностей деформації вміщуючих порід при відпрацьовуванні світи зближених крутих пластів і утворенні зон газо- водо- і повітропроникних тріщин. Проведено лабораторні і шахтні дослідження фільтрації повітря. Це дозволило розробити методику розрахунку пожежонебезпечних зон і вихідні дані для розробки технології пожежобезпечного відпрацьовування світи зближених крутих пластів.

Основні наукові і практичні результати роботи зводяться до наступного.

1. Виконано аналіз стану аеродинамічних параметрів деформованих порід міжпластя й ендогенної пожежної небезпеки світи зближених крутих пластів.

2. Показано, що структура вугленосних масивів, закономірності зрушення підроблених і надроблених масивів порід, утворення і поширення зони тріщин, утворення зони водо- і газопровідних тріщин, закономірності газовиділення і повітропроникності визначаються закономірностями основного процесу деформації масивів гірських порід при виїмці пластів вугілля і мають фрактальный характер.

3. Виявлено закономірності утворення тріщин у надроблювальних і підроблюваних масивах гірських порід. Закономірності щільності тріщинуватості і зони поширення тріщин вхрест простягання і по простяганню пластів залежать від літологічного складу порід, потужності розроблювальних пластів і мають фрактальный характер.

4. Зони газо- і повітропровідних тріщин вхрест простягання пласта мають форму овоїдов, які утворені двома напівеліпсами. Розміри і положення зони визначається літологічним складом порід, потужністю і кутом падіння пласта. По простяганню розміри зони обмежуються розмірами виїмкового поля і часом загасання зрушення порід.

5. При відпрацьовуванні світи зближених крутих пластів зони тріщинуватості окремих пластів можуть з'єднуватися, утворюючи загальну пожежонебезпечну зону.

Якщо зона тріщинуватості одного пласта поширюється до іншого пласта чи зони тріщинуватості двох зближених пластів, які відпрацьовуються, з’єднуються, утворюючи загальну тріщинувату зону, спостерігається перетік газу, повітря і пожежних газів.

6. Залежність зони тріщинуватості від літологічного складу порід, потужності і кута падіння пласта вимагає необхідністі визначення її параметрів у кожному конкретному випадку за вихідними даними.

7. Запропоновано математичну модель, яка описує процес самонагрівання вугілля при фільтрації повітря через деформовані породи міжпластя.

8. Зроблено лабораторні дослідження фільтрації повітря через деформований масив порід міжпластя при прямоструменній на вироблений простір, зворотноструменній на цілик і зворотноструменній на вироблений простір схемах провітрювання.

9. Визначено межі пожежонебезпечних зон у виробленому просторі зближених пластів на підставі перерахування за масштабами моделювання величин швидкостей фільтрації повітря, які отримані в експериментах на лабораторному стенді.

10. Розроблено спосіб безпечного відпрацьовування світи зближених крутих пластів, який полягає у встановленні аеродинамічного зв'язку через породи міжпластя, розрахунку кількості витоків повітря через міжпластя і визначення пожежонебезпечних зон у відпрацьованих дільницях зближених пластів, на підставі чого визначаються технологічні параметри кожної конкретної виїмкової дільниці. Зроблено дослідно-промислову перевірку даного способу в умовах шахт Центрального району Донбасу.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

АНОТАЦІЯ

Кузьмін С.П. Розробка способу безпечного відпрацьовування світи зближених крутих пластів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 -"Пожежна безпека" – Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, Макіївка, 2003.

У дисертації виконаний аналіз стану аеродинамічних параметрів деформованих порід міжпластя і ендогенної пожежної небезпеки світи зближених крутих пластів. Експериментально доведено, що структура вугленосних масивів, закономірності зрушення підроблених і надроблених масивів порід, утворення і поширення зони тріщин, утворення зони водо- і газопровідних тріщин, закономірності газовиділення і повітропроникності мають фрактальний характер. Досліджені аеротермодинамічні процеси у вироблених просторах при відробці світи зближених крутих пластів унаслідок утворення аеродинамічних зв'язків через деформовані породи міжпластя.

Унаслідок виконаних досліджень обгрунтовано технологію відпрацьовування вугільніх пластів; вибір технічних засобів і вентиляційних режимів; групування пластів і черговість їх відпрацьовування, що забезпечує пожежобезпечне видпрацьовування світи зближених крутих пластів.

Результати роботи впроваджені на шахтах Центрального району Донбасу, що забезпечує стабільну роботу виїмкових дільниць, поліпшує умови праці і техніко-економічні показники роботи шахт. Річний економічний ефект від впровадження результатів роботи в середньому для одного шахтопласта становить 53 тис. грн.

Ключові слова: пожежна безпека, шахта, зближені круті пласти, міжпластя, вироблений простір, тріщінуватість, фільтрація повітря, пожежонебезпечна зона..

ANNOTATION

Kuzymin S.P. Development of the method of safe mining the series of consteep seams. – Manuscript.

Thesis for a Candidate's of Technics degree on speciality 21.06.02 - "Fire Safety" – The State Scientific – Research Institute on Safety in Mines of Makeyevka, Ministry of Fuel and Power Engineering of Ukraine, Makeyevka, 2003.

The analysis of the state of aerodynamic parameters of the deformed rocks in the space between the seams and that one of the endogene fire hazard of the series of the contiguous steep seams are realized in the thesis. It is proved in an experimental way that structure of the coal-bearing massifs, conformities of movement of the un-derworked and overworked rock massifs, formation and spread of the fracture zone, formation of the zone of the water- and gas-conducting fractures, conformities of gas emission and air permeability have a fractal character. The aerothermodynamic pro-cesses in the goafs by mining the series of the contiguous steep seams owing to forof the aerodynamic couplings through the deformed rocks in the spaces bethe seams are investigated.

As a result of the realized investigations technology of mining the coal seams; selection of technical means and, ventilation conditions; grouping of the seams and order of priority of their mining what guarantees fire-safe mining the series of the contiguous steep seams are grounded.

The results of the work are introduced in the mines of the Central region of the Donbas what guarantees the stable operation of the panels, improves conditions of work and technical and economical indices of activities of the mines. The annual economical effect from introduction of the work results averages 53 thousand grivnyas for one mine seam.

Key words: fire safety, mine, contiguous steep seams, space between the seams, goaf, rock jointing, air filtration, fire-hazardous zone.

АННОТАЦИЯ

Кузьмин С.П. Разработка способа пожаробезопасной отработки свиты сближенных крутых пластов.- Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – “Пожарная безопасность” – Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности Министерства топлива и энергетики Украины, Макеевка, 2003.

В диссертационной работе осуществлено решение актуальной научно-технической задачи повышения безопасности очистных работ при отработке свиты сближенных крутых пластов в условиях Центрального района Донбасса.

Выполнен анализ состояния аэродинамических параметров деформированных при отработке угольных пластов пород междупластья и эндогенной пожарной опасности свиты сближенных крутых пластов.

Экспериментально доказано, что структура угленосных массивов, закономерности сдвижения подработанных и надработанных массивов пород, образования и распространения зоны трещин, образования зоны водо- и газопроводящих трещин, закономерности газовыделения и воздухопроницаемости определяются закономерностями основного процесса деформации массивов горных пород при выемке пластов угля и имеют фрактальный характер.

Исследованы аэротермодинамические процессы в выработанных пространствах при отработке свиты сближенных крутых пластов вследствие образования аэродинамических связей через деформированные породы междупластий.

Установлено, что при отработке сближенных пластов зоны трещиноватости отдельных пластов могут соединяться, образуя общую пожароопасную зону. Разработана математическая модель процесса развития самонагревания угля в воздухопроницаемой зоне деформированных пород междупластья с учетом фильтрации воздуха и предложен способ определения границ зоны активного самонагревания угля в выработанном пространстве при разработке сближенных крутых пластов.

В результате выполненных исследований обосновано технологию отработки угольных пластов; выбор технических средств и вентиляционных режимов; группирование пластов и очередность их отработки, что обеспечивает пожаробезопасную отработку свиты сближенных крутых пластов.

Дана технико-экономическая оценка эффективности использования предложенных решений и определены перспективы применения разработанного способа пожаробезопасной отработки свиты сближенных крутых пластов.

Результаты работы внедрены на шахтах Центрального района Донбасса, что обеспечивает стабильную работу выемочных участков, улучшает условия труда и технико-экономические показатели работы шахт. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы в среднем для одного шахтопласта составляет 53 тыс.грн.

Ключевые слова: пожарная безопасность, шахта, сближенные крутые пласты, междупластье, выработанное пространство, трещиноватость, фильтрация воздуха, пожароопасная зона.

Підписано до друку 10.09.2003. Формат 60x90 1/16
Друк офсетний. Умови, друк. арк. 1.
Тираж 100 прим. Замовлення №273

____________________________________________

НДІГС 83048, Донецьк, вул. Артема, 157