НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

Смоланов Ігор Миколайович

УДК 622.416.3:622.457

ГАЗОВИДІЛЕННЯ З ВІДБИТОГО ВУГІЛЛЯ В ШАХТНИХ БУНКЕРАХ І РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ЇХ ПРОВІТРЮВАННЯ

Спеціальність 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України

(м. Донецьк)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Алєксєєв Анатолій Дмитрович,

директор Інституту фізики гірничих процесів НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Софійський Костянтин Костянтинович, завідувач відділом проблем технології підземної розробки вугільних родовищ Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Маркін Віктор Олексійович, завідувач відділом рудничної аерології Макіївського НДІ з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України (м. Макіївка)

Провідна установа:

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України

(м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться 30.10.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02. при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул.Р.Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул.Р.Люксембург, 72.

Автореферат розісланий 26.09.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук В.М.Ревва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широке впровадження конвейєрного транспорту в шахтах є одним зі шляхів досягнення ефективного використання виймальної техніки. Неодмінною умовою ритмічної роботи конвейєрного транспорту є будівництво акумулюючих бункерів.

Для обслуговування виїмкових дільниць споруджують бункери ємністю від 100 до 150 т і більше, для груп виїмкових дільниць – ємністю 300-500 т. Із вугілля, яке знаходиться в бункері, під час заповнення бункера і збереження вугілля виділяється метан, концентрація якого може стати вибухонебезпечною.

За останні роки у виробках з акумулюючими бункерами виникли два вибухи газу: на шахтах “Іловайська” ДХК “Жовтеньвугілля” та ім. О.О. Скочинського ДХК “Донвугілля”, які спричинили людські жертви. Як показав аналіз висновків експертних комісій з розслідування причин аварій, вибухонебезпечна концентрація метану в камері бункера на шахті “Іловайська” утворилась внаслідок зменшення витрати повітря у виробітках західного крила шахти, а отже, і у виробках, які прилягають до бункера, та виділення метану з вугілля, завантаженого у бункер. На шахті ім. О.О. Скочинського вибухонебезпечна суміш утворилась у застійній зоні, у незаповненій вугіллям частині бункера і над бункером через виділення метану з навантаженого вугілля.

У 60-70-ті роки двадцятого століття вченими різних країн були проведені експериментальні дослідження динаміки газовиділення з частинок вугілля різних фракцій. Результати цих досліджень добре узгоджуються із запропонованою ними теорією для початкової стадії метановиділення (від декількох годин до доби). Інтенсивність метановиділення поза цим часом хоч і знижується, але вона здатна продовжуватися протягом тижнів і місяців, що виходить за рамки існуючих сьогодні теорій.

Тому вивчення питань виділення метану та вуглеводневих газів з відторгнутого від масиву вугілля, їх накопичення у вільних об’ємах є актуальною задачею, вирішення якої забезпечить своєчасне вживання заходів для запобігання вибухів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов’язана з НДР: “Розробка методу визначення часу утворення небезпечної концентрації метану, який виділяється в замкнутих об’ємах” (№ ДР 010U003243) та “Дослідження сорбційних властивостей гірничих порід і вугілля при високому тиску” (№ ДР 010U002912), котрі виконувалися в Інституті фізики гірничих процесів НАН України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення закономірностей виділення метану з відбитого від масиву вугілля, утворення його вибухонебезпечних концентрацій у вільних об’ємах шахтних бункерів і розрахунок на їх основі параметрів провітрювання.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- виконати аналіз умов і обставин аварій, пов'язаних із загазованістю замкнених об’ємів і джерел метановиділення з відбитого вугілля;

- дослідити процеси виділення метану з відторгнутого від масиву вугілля під час його зберігання в накопичувальних бункерах;

- виконати теоретичні дослідження накопичення метану в замкнених об’ємах шахтних бункерів;

- провести експериментальні дослідження складу газів, які десорбуються із вугілля різної стадії метаморфізму, витікання метану із вугілля і його накопичення в шахтних акумулюючих бункерах;

- розробити метод розрахунку параметрів провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля;

- розробити керівний документ щодо прогнозу небезпеки вибуху вуглеводних газів у вільних об’ємах бункерів і сховищах вугілля.

Ідея роботи полягає у використанні під час прогнозу загазованості вільного об’єму шахтних бункерів метаном із відторгнутого від масиву вугілля, показника зміни швидкості газовиділення за часом та розробки на цій основі методу розрахунку параметрів їх провітрювання.

Об'єкт дослідження – накопичувальні вугільні бункери шахт та сховища відторгнутого від масиву вугілля.

Предмет дослідження – газодинамічні процеси в емностях з відбитим вугіллям.

Методи досліджень. У процесі виконання роботи використовувалися: комплексний метод аналізу умов і обставин виникнення аварій, пов'язаних із загазованістю замкнених об’ємів, які містять відбите вугілля; аналіз схем розміщення акумулюючих бункерів на шахтах України; теоретичні та експериментальні дослідження витікання метану із частин вугілля різних фракцій, газоносності та ступеню метаморфізму; теоретичні дослідження накопичення метану у вільних об’ємах із всієї маси відбитого вугілля різних фракцій; експериментальні дослідження динаміки метановиділення із маси вугілля в шахтних накопичувальних бункерах з різним проміжком часу від моменту відторгнення вугілля від пласта; математичне моделювання метанонакопичення у вільному об’ємі вугільної ємності з різною подачею повітря для провітрювання; промислову перевірку вмісту метану в шахтних бункерах під час їх провітрювання та прогноз загазованості при його скороченні.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Встановлено, що інтенсивність переходу метану від зв'язаного до вільного стану, яка визначає кінетику газовиділення, прямопропорційна коефіцієнту дифузії і обернено пропорційна фракційному складу вугілля. При цьому інтенсивність переходу знижується з часом відбивання вугілля від масиву і залежить від стадії метаморфізму.

2. Обгрунтовано метод розрахунку газовиділення з часток вугілля різних фракцій, який відрізняється тим, що враховує час після відбивання вугілля від масиву та знаходження його в бункері.

3. Встановлено, що максимум інтенсивності газовиділення, який визначає механізм накопичення метану в бункерах, залежить від тривалості завантаження вугілля після його відбиття від масиву.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблений метод розрахунку динаміки виділення метану із відторгнутих від масиву частинок вугілля, який відрізняється від інших врахуванням у теоретичній моделі й визначених експериментально величин інтенсивності переходу метану із зв'язаного стану у вільний.

2. Уперше розроблена модель динаміки вмісту метану в накопичувальному бункері вугілля, яка враховує його фракційний склад, газозбагачення пласта, інтенсивність завантаження бункера вугіллям та витрати повітря, яке надходить до бункера.

3. Вперше розроблені методики визначення параметрів провітрювання шахтних накопичувальних бункерів, за якими розраховуються необхідні витрати повітря, кількість метану при порушенні режиму провітрювання та час утворення вибухонебезпечної його концентрації.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджуються:

- коректністю поставлених завдань, застосуванням фундаментальних положень теорії масопередачі при розробці математичних моделей для дослідження витоку сорбованого метану із відторгнутого від масиву куска вугілля;

- відповідністю результатів розрахункових і експериментальних даних кінетики метановиділення з відбитих від масиву частин вугілля різних фракцій, газоносності та ступеня метаморфізму;

- збігом розрахункових і заміряних у шахтних умовах величин концентрації метану у вільній частині бункерів, заповнених вугіллям різних стадій метаморфізму.

Наукове значення одержаних результатів полягає у розробці аналітичних залежностей, які визначають інтенсивність переходу метану із зв'язаного стану у вільний, з урахуванням часу відторгнення вугілля від масиву, для розрахунку динаміки газовиділення з вугіля різних марок.

Практичне значення роботи. Розроблено та впроваджено на шахтах у вигляді галузевого стандарту спосіб прогнозу вмісту метану в бункерах і замкнених об’ємах при наявності та відсутності провітрювання, часу можливого накопичення метану до вибухонебезпечних концентрацій і розрахунку витрат повітря на провітрювання для запобігання та ліквідації загазованості.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблений спосіб прогнозу часу накопичення метану до вибухонебезпечних концентрацій у вугільних бункерах і закритих об’ємах реалізовано у галузевому стандарті України (ГСТУ 10.1-04675545-007-2003) “Провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля у нормальному режимі роботи та аварійних ситуаціях. Методи розрахунків”.

Особистий вклад здобувача. Основні результати досліджень, наведених у дисертаційній роботі, належать особисто автору, зокрема: ідея роботи, розроблені методи аналізу виділених із вугілля газів, математичні моделі та програми обчислювань на ЕОМ, систематизація результатів експериментів, розробка методу розрахунків загазованості вугільних накопичувальних бункерів і замкнутих об’ємів.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і схвалені на засіданнях Відділення фізико-технічних гірничих проблем Донецького фізико-технічного інституту ім.О.О.Галкіна НАН України (2001 р.) та Інституту фізики гірничих процесів НАНУ (2003 р.); на Міжнародній конференції з пожежної безпеки “Пожежна безпека – 2001” (м. Львів, 2001 р.); на II Міжнародній науково-практичній конференції “Метан у вугільних родовищах України” (м. Дніпропетровськ, 2001 р.); на Міжнародній конференції “Обробка дисперсних матеріалів і середовищ” (м. Одеса, 2002 р.); симпозиумі “Тиждень гірника-2002” (м. Москва, 2002 р.); 12 Міжнародній науковій конференції “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірничих породах і виробітках” (м. Сімферополь, 2002 р.); на Міжнародній науковій конференції “Вібротехнологія-2002” (м. Одеса, 2002 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 наукових працях, зорема: 8 - у спеціалізованих науково-технічних журналах і збірниках наукових праць, затверджених ВАК України і 2 - у збірниках наукових праць конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, висновку і додатків. Робота має 205 стор., включає перелік літературних джерел з 77 найменувань, 47 рисунків, 38 таблиць і 4 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан розкриття питання

У першому розділі подано аналіз стану вивчення актуальності завдання, умов та обставин аварій, пов'язаних із загазованістю накопичувальних шахтних бункерів і закритих сховищ вугілля та динаміки метановиділення з нього, яке приводить до утворення вибухонебезпечних концентрацій метану.

Проблема вивчення накопичення метану у вугіллі та його виділення розглядалася в значній кількості праць А.Т. Айруні, А.Д. Алексєєва, А.И. Боброва, В.Л. Божка, О.А. Гершуна, Б.А. Грядущого, І.Л. Еттінгера, Ф.С. Клєбанова, К.А. Корепанова, Ю.С. Кричевского, С.В. Кузнєцова, А.М. Морева, А.А. М’ясникова, А.Е. Петросяна, І.М. Печука, П.Я. Полубаринової-Кочиної, Ю.С. Премислера, В.І. Саранчука, Л.А. Склярова, О.О. Скочинського, В.В. Ходоса, А.С. Цирульникова, А.Н. Щербаня, М.Ф. Яновської та інш.

Як показав аналіз праць, відбите від масиву вугілля здатне довгий час зберігати і виділяти сорбований метан, що і було при недостатньому провітрюванні сховищ причиною його накопичення до вибухонебезпечних концентрацій, які спричиняли аварії. Установлено, що швидкість виділення метану з відбитого вугілля залежить від його фазового стану, газоносності, крупності, ступеню метаморфізму, петрографічного складу, об’єму закритих пор, ступеню порушеності та температури. Однак задача визначення швидкості газовиділення з відбитого вугілля теоретично не вирішена. Існуючі фізико-математичні моделі процесу газовиділення характеризують лише якісні сторони явища. Застосовувані в інженерній практиці методи розрахунку газовиділення із відбитого вугілля базуються на емпіричних залежностях, які враховують газоносність вугілля в зоні добування та його фракційність. Залежність інтенсивності газовиділення з відбитого вугілля від часу визначена експериментально для обмеженого відрізку часу після відторгнення, коли вугілля ще перебуває у гірничих виробках.

Розділ 2. Теоретичні дослідження виділення метану з відторгнутого від масиву вугілля

У цьому розділі досліджуються теоретичні основи витоку метану з відторгнутого від масиву вугілля.

Існуючі моделі метановиділення з відбитого вугілля для опису динаміки процесу використовують рівняння дифузії, аналогічне широко відомому рівнянню теплопровідності, яке дає позитивні результати для незначного періоду часу з моменту відділення вугілля від пласта (100-200 хвилин). Далі рішення рівняння надто швидко наближається до нуля, у той час як виділення метану (особливо з закритих пор шляхом твердотільної дифузії), яке залежить, окрім усього іншого, від розміру частинок, може продовжуватися тривалий час (тижні, місяці).

У зв'язку з цим, у роботі запропоновано фізичну модель і математично сформулювано задачу метановиділення, яка враховує, окрім процесів дифузії метану із вугілля, також інтенсивність його переходу зі зв'язаного стану у вільний, що залежить від часу, або залишкового метановмісту в вугіллі, а також від коефіцієнта масовіддачі.

Фізична модель процесу надається таким чином. Частинки вугілля різних фракцій об’ємом i (рис. 1), які містяться у бункері об’ємом V (рис. 2), з моменту їх завантаження виділяють метан та інші вуглеводневі гази, котрі змішуються з повітрям у незаповненому вугіллям об’ємі V2, де V2 = V – V1. З самого початку метан перебуває у зв'язаному стані з концентрацією S0. З часом він переходить у вільний стан з концентрацією С0 і дифузійним механізмом десорбується з поверхні i кожної i-тої частини з коефіцієнтом масовіддачі . З самого початку частка метану в об’ємі V2 дорівнює 0. Концентрація метану в частинках вугілля (газоносність) задана.

Рис. 1. Модель частини вугілля Рис. 2. Схема бункера

Математична модель такого процесу витікає з рішення задачі Коші для системи двох звичайних нелінійних диференціальних рівнянь першого порядку відносно середніх значень и

, (1)

де k2=;

F(C, S)– швидкість десорбції, моль/(м3 /с);

С0 – концентрація газу поза зовні вугілля, моль/м3.

Задача (1) описує динаміку концентрацій і для часток довільної форми . Найбільш прийнятим для практики є частки у вигляді пластини, циліндра або кулі. У цих випадках у системі (1) необхідно припустити відповідно =R2, =2R; =4R3/3; =4R2, де h- половина товщини пластини; R- радіус циліндра або кулі.

Далі ми обмежимося лінійними постановками задачі (1).

Рішаючи (1) для описання потоку метану з одиниці площі поверхні куска вугілля t>0, одержимо вираз:

(2)

де - швидкість переходу метану із зв'язаного у вільний стан.

Тоді формула для розрахунку загальної кількості метану Q*, який виділяється з моменту часу t зі сферичної частини вугілля радіусу R (=4R3/3, =4R2, k2==3/R) з газоносністю Q при , після відповідних перетворень має вигляд:

(3)

де D – коефіцієнт дифузії.

(4)

Враховуючи, що величини за інших однакових умов залежать тільки від типу вугілля, то, використовуючи експерименти з двома фракціями вугілля R1 і R2, одержимо залежність для визначення коефіцієнта дифузії:

, (5)

де Q*1, Q*2 – газовиділення з фракцій вугілля R1 і R2 відповідно.

Отримані залежності опису динаміки виділення метану з відбитих часток вугілля і визначення параметрів і D були використані для дослідження питання метанонакопичення у вільному просторі бункерів.

Розділ 3. Розрахунок накопичення метану в замкнутих об’ємах

У третьому розділі досліджуються процеси накопичення метану з відторгнутого від масиву вугілля різних фракцій у незаповненому вугіллям просторі бункера.

Вивчено схеми провітрювання виїмкових дільниць з панельним і погоризонтальним способами підготовки шахтного поля для шахт ДХК “Макіїввугілля” і “Донвугілля”, а також шахти “Іловайська” ДХК “Жовтеньвугілля”, на якій відбувся вибух метану в конвейєрній виробці з акумулюючим бункером. При панельному способі підготовки шахтного поля – це схема провітрювання виїмкової дільниці при відпрацюванні похиленого поля, а при погоризонтальному – схема провітрювання при відпрацюванні пласта лавами по стрімкості.

Установлено, що схеми улаштування акумулюючих бункерів найрізноманітніші, а їх вмістимість коливається від 10 до 470 т вугілля. Провітрювання бункерів вугілля здійснюється через шар вугілля, або через труби, прокладені через усю висоту бункера.

Виходячи з найбільш типових схем розташування і провітрювання бункерів, розроблено фізичну модель накопичення метану у вільному від вугілля просторі бункера з частин вугілля різних фракцій. Сформульовано адекватну модель процесу у вигляді:

V2 g(t)-[g(t)+Q(t)]C,

де g – витрата метану, що надходить зі скупчення вугілля у вільний обсяг бункера м3/с;

t – час з моменту завантаження вугілля в бункер, с.

Q(t) – витрата повітря, що провітрює бункер, м3/с;

C – концентрація метану у вільному обсязі бункера, %.

Вихідна умова С(0)=0.

За відсутності провітрювання бункера і при середньовиваженому радіусі часток вугілля для опису динаміки концентрацій метану С у вільному від вугілля об’ємі V2 одержане спрощене рівняння

,

де Q0 – витрата повітря, що надходить у бункер;

t – час з моменту завантаження вугілля в бункер.

Розділ 4. Експериментальні дослідження виділення газів

з відторгнутого від масиву вугілля

У четвертому розділі наведено розроблену методику аналізу продуктів десорбції та деструкції із вугілля різних стадій метаморфізму для короткочасного та довгострокого зберіганням у шахтних бункерах або інших об’ємах.

Наведено результати дослідження кінетики утворення газоподібних речовин із вугілля фракцій 2,5-20,0 мм при їх нагріванні до 2500С. На основі дослідження вугілля з різним виходом летких, із п'яти шахт Донбасу показано, що основними складовими частинами виділених із вугілля газів є метан, етан, водень і діоксид вуглецю. Вміст інших гомологів метану на порядок нижчий, ніж СН4.

Виконано експериментальні дослідження з вивчення витоку метану з відторгнутого від масиву вугілля марок ОС, Ж, Г фракцій від 0,00005 до 0,0375 м при температурах 250С і 400С із природною газоносністю від 12 до 30 м3/т. Характерні криві динаміки метановиділення для трьох фракцій вугілля подано на рис.3, за результатами спостережень за вугіллям марки ОС пл.l3 “Мазурка” шахти “Північна”.

Рис. 3. Динаміка метановиділення із часток радіусів R вугілля пл.l3 “Мазурка” шахти “Північна” при температурі 250 С:

1 – R =0,0075 м; 2 – R = 0,00375 м; 3 – R = 0,00187 м.

Обробка результатів досліджень з використанням теоретичних залежностей (3-5) дала можливість визначити коефіцієнт дифузії метану, який дорівнював 3,510-10 м2/с і величин інтенсивності переходу метану у вільний стан, залежні від часу з початку відторгнення вугілля від масиву (рис.4), або залишкового складу у вугіллі метану (рис.5).

Рис. 4. Залежність інтенсивності десорбції метану від часу для різних величин часток радіусів R вугілля пласта l3 “Мазурка” шахти “Північна” при температурі 250 С для :

1 – R =0,0075 м; 2 – R = 0,00375 м; 3 – R = 0,00187 м.

Рис. 5. Залежність інтенсивності десорбції метану від його залишкового вмісту Q* із різних часток радіусів R вугілля пласта l3 “Мазурка” шахти “Північна” від залишкового вмісту метану Q* при температурі 250С:

1 – R =0,0075 м; 2 – R = 0,00375 м; 3 – R = 0,00187 м.

Аналогічні результати були одержані на шахтах “Лівенська”, ім.А.Ф.Засядька, “Південно-Донбаська №3”, “Бутовка Донецька”, “Чайкіно”.

Узагальнене рівняння визначення інтенсивності переходу метану у вільний стан для різного вугілля одержано у виді

.

Для встановлення адекватності розробленої математичної моделі натурному об'єкту виконані експериментальні дослідження накопичення метану в бункерах і надбункерних просторах на 11 шахтах ДХК “Макіїввугілля”, “Донвугілля”, “Жовтеньвугілля”. Усього виконано 15 експериментів у бункерах ємністю від 10 до 400 т, які обслуговують виїмкові дільниці, середньодобове навантаження яких становить від 214 т до 2400 т з природною газоносністю вугілля від 12 м3/т до 25 м3/т. Провітрювання бункерів і надбункерних просторів під час експериментів було як задовільненим (при витратах повітря 160-720 м3/хв.), так і незадовільним (при витратах 80 м3/хв. і менше), що у двох випадках спричинило вибух метану.

Розділ 5. Методи розрахунку провітрювання шахтних накопичувальних

бункерів вугілля

У п'ятому розділі викладено методики розрахунків провітрювання шахтних накопичувальних бункерів для вугілля, які мають практичне значення:

- розрахунок нормативних витрат повітря для провітрювання бункерів;

- розрахунок вмісту метану за умов скорочення провітрювання нижче норми;

- розрахунок часу загазованості бункерів до вибухонебезпечної концентрації метану за умови припинення провітрювання.

Розрахунки грунтуються на:

- визначенні середніх розмірів часток вугілля за даними ситового аналізу шахти;

- використанні залежностей для розрахунку витрат повітря через шар вугілля у бункері при різних депресіях, товщинах шару, поперечних перерізах бункера;

- використанні одержаних у роботі залежностей метановиділення із часток вугілля різних фракцій, природної газоносності, проникливості;

- обліку часу транспортування вугілля до бункера, швидкості заповнення вугіллям бункера, часу перебування вугілля в бункері.

На підставі поданих у дисертації матеріалів було розроблено галузевий стандарт (ГСТУ 10.1-04675545-007-2003) “Провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля у нормальному режимі роботи та аварійних ситуаціях. Методи розрахунків”. Застосування розробленого стандарту у підрозділах ДВГРС може забезпечити безаварійну експлуатацію шахтних бункерів, що виключає витрати на відновлення у випадку вибухів метаноповітряної суміші та вугільного пилу. Очікуваний економічний ефект від його впровадження складає від 500 тис. грн. до 3 млн. грн., залежно від умов конкретного підприємства.

Приклад розрахунку.

Розрахувати нормативні витрати повітря для провітрювання бункера з наступними вихідними даними: ємність бункера G = 260 т; площа поперечного перерізу F = 20 м2; висота шару вугілля в бункері Н = 10 м; природна газоносність вугілля А = 24 м3/т; коефіцієнт дифузії метану D = 5*10-10 м2/c; середнє значення коефіцієнта дифузії метану D0 = 10-9 м2/c; депресія через шар вугілля h = 100 Па.

Порядок розрахунку:

1. Використовуючи таблицю 1, шукаємо середній радіус часток вугілля за формулою:

Таблиця 1

Фракційний склад вугілля

Номер фракції, i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

Частка фракції, mi | 0,06 | 0,10 | 0,25 | 0,10 | 0,08 | 0,12 | 0,29

Радіус фракції 103Ri, м | 30-20 | 20-10 | 10-6 | 5-3 | 4-2 | 3-1 | 1

2. За допомогою таблиці 2, знайдемо питому максимальну концентрацію метану в надбункерному просторі

Таблиця 2

Залежність питомої максимальної концентрації метану від радіуса часток

Радіус частиц R, м | 0,005 | 0,01 | 0,015 | 0,02

Питома концентрація fm, % | 0,214 | 0,088 | 0,046 | 0,027

3. Визначаємо нормативну витрату повітря для провітрювання бункера

м3/с.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій подано рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає у встановленні закономірностей витоку газів із вугілля різного фракційного складу і ступеня метаморфізму, дослідженні накопичення метану у вільному просторі шахтних накопичувальних бункерів і на підставі цього, розрахунку необхідних витрат повітря для їх провітрювання та часу накопичення метану до вибухонебезпечних концентрацій при аварійному зупиненні провітрювання.

Основні наукові результати і висновки, одержані при виконанні роботи, полягають у наступному:

1. Аналіз умов збереження вугілля в шахтних накопичувальних бункерах та інших закритих сховищах свідчить про те, що відторгнуте від пласта вугілля, що впродовж довгого часу виділяє метан, який може стати причиною вибуху. Відсутність надійних методів розрахунку динаміки газовиділення з часток відбитого вугілля різних фракцій і ступеня метаморфізму унеможливлює здійснення розрахунків метанонакопичення в бункерах за нормального та аварійного режимів провітрювання.

2. Зроблено аналіз схем розташування акумулюючих вугільних бункерів на шахтах України. Показано, що умови провітрювання бункерів визначаються станом вентиляційних мереж. Провітрювання здійснюється через шар вугілля, або труби, прокладені через усю висоту бункера. На підставі досліджень розроблено фізичну модель процесу накопичення метану з відбитого вугілля різних фракцій в незаповненій частині бункера.

3. Розроблено математичну модель опису метановиділення з відторгнутого від масиву вугілля, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує інтенсивність переходу метану із зв'язаного стану до вільного. Знайдено аналітичне рішення задачі та вирази, які дозволяють на основі кривих динаміки метановиділення із вугілля розраховувати коефіцієнти внутрішньої дифузії та інтенсивності переходу метану у вільний стан.

4. Сформульовано математична модель динаміки вмісту метану в накопичувальному бункері вугілля з урахуванням його фракційного складу, газозбагаченості пласта, інтенсивності завантаження бункера вугіллям, витрати повітря, що надходить до бункера. Одержані й проаналізовані аналітичні рішення, які дають можливість розраховувати необхідні для провітрювання витрати повітря, кількість метану при порушенні провітрювання і під час утворення вибухонебезпечної концентрації метану.

5. Вивчена кінетика утворення газоподібних речовин із вугілля під час його нагрівання. Показано, що основними речовинами у виділених газах при температурі до 45°С є метан, а при більш високих температурах - водень, етан, оксид і диоксид вуглецю, які повинні враховуватися під час довгострокового зберігання вугілля у погано провітрюваних приміщеннях в умовах його самонагрівання.

6. Проведені лабораторні дослідження витікання метану із часток вугілля фракцій від 0,05 до 37,5 мм різного ступеня метаморфізму. Одержано аналітичні залежності для визначення інтенсивності переходу зв'язаного метану у вільний стан як функції часу, або залишкового складу метану в вугіллі, які дають можливість з використанням теоретичних залежностей розраховувати газовиділення з вугілля.

7. На підставі експериментальних досліджень у промислових умовах на 11 шахтах ДХК "Макіїввугілля", "Донвугілля" та "Жовтеньвугілля" з’ясовано, що одержані залежності адекватно описують розглянутий процес і на їх основі розроблені нормативні документи для розрахунків: витрати повітря під час провітрювання бункерів; вмісту метану під час скорочення провітрювання нижче нормативного і часу загазування бункерів до вибухонебезпечної концентрації метану при припиненні провітрювання.

8. Розроблено галузевий стандарт (ГСТУ 10.1-04675545-007-2003) “Провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля у нормальному режимі роботи та аварійних ситуаціях. Методи розрахунків”. Очікуваний економічний ефект від його впровадження складе від 500 тис. грн. до 3 млн. грн., залежно від умов конкретного підприємства.

Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних роботах:

1. Алексеев А. Д., Ульянова Е.В., Коврига Н.Н., Смоланов И.Н. Исследование фазового состояния метана в углях // Физико-технические проблемы горного производства: Донецк.- 2001.-Вып. 3. - С. 3-8.

2. Алексеев А.Д., Ульянова Е.В., Коврига Н.Н., Смоланов И.Н. Взаимодействие метана с угольным веществом // матер. XI Межд. науч. школы “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках”.- Симферополь. - 2001.- С. 6-8.

3. А.Д. Алексеев, И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко Время образования опасной концентрации метана, выделившегося из угля в замкнутом объеме.// Обработка дисперсных материалов и сред: Международный периодический сборник научных трудов. – Одесса. - 2002. - Вып. 2.- С. 197-200.

4. Греков С.П., Березовский А.А., Кошовский Б.И., Смоланов И.Н. Метановыделение из частиц угля в закрытых объемах. // Горноспасательное дело. – Донецк. - 2002. - С. 56-65.

5. Греков С.П., Кошовский Б.И., Ильин В.М., Смоланов И.Н. Истечение метана из частиц угля // Горноспасательное дело. – Донецк. - 2002. - С. 74-88.

6. Смоланов И.Н., Шевченко Л.В. Исследование динамики метановыделения из угля, отторгнутого от массива. // Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк. - 2002.- Вып. 5.- С. 74-78.

7. А.Д. Алексеев, С.Н. Смоланов, Е.В. Ульянова, Н.Н. Коврига, И.Н. Смоланов. Определение фазового состояния метана по спектрам ЯМР // Геотехническая механика. – Днепропетровск. – 2002. – Вып. 32. – С. 61-67.

8. Смоланов И.Н., Шевченко Л.В. Исследование процесса метанонакопления в бункерах при хранении угля. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М: МГТУ.- 2002.- № 6.- С. 60-62.

9. Греков С.П., Смоланов И.Н. Газовыделение из отторгнутого от массива угля и опасность скопления взрывоопасных концентраций метана в шахтных накопительных бункерах и замкнутых объемах // Уголь Украины. - 2003. - № 1 - С. 52-54.

10. Березовский Н.А., Греков С.П., Смоланов И.Н. Математическая модель выделения метана из отторгнутого от массива куска угля // Доповіді НАН України: Сер. Математика. 2003.- № 1. – С. 12-17.

11. Смоланов И.Н., Шевченко Л.В. Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах // Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк. - 2003.- Вып. 6 – С. 173-179.

12. Проветривание шахтных накопительных бункеров угля в нормальном режиме работы и в аварийных ситуациях: ОСТУ 10.1-04675545-007-2003/ Пашковский П.С., Греков С.П., Смоланов И.Н. и др.; Утв. приказом № 363 от 11.07.03. – 20 с.

Особистий вклад автора у роботи, опубліковані у співавторстві:

[2, 4] – здійснена постанова задачі;

[3, 5, 6] – проведення експериментальних досліджень та обробка отриманих результатів;

[10] – розроблено математичну модель метановиділення з відторгнутого від масиву вугілля;

[9, 11, 12] – розроблені методики визначення параметрів провітрювання шахтних накопичувальних бункерів та подано аналіз результатів випробування нового методу в шахтних умовах.

АНОТАЦІЯ

Смоланов І.М. Газовиділення з відбитого вугілля в шахтних бункерах і розрахунок параметрів їх провітрювання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва” - Інститут фізики гірничих процесів НАН України, м. Донецьк, 2003.

У дисертаційній роботі запропоновано методику і подано ідентифікацію речовин, що виділяються з вугілля під час нормальної і підвищеній температури при тривалому збереженні вугілля.

Запропоновано систему рівнянь і аналітичне развязання задачі метановиділення з часток відірваного від масиву вугілля різних фракцій та часу відбійки, що відрізняються від відомих тим, що враховують інтенсивність переходу метану зі зв'язаного у вільний стан.

Методом математичного моделювання процесу знайдені залежності для визначення коефіцієнтів внутрішньої дифузії і порівняння для опису динаміки переходу метану зі зв'язаного у вільний стан.

Розроблено математичну модель метанонакопичення у вугільних бункерах при різній інтенсивності їхнього завантаження вугіллям, години відторгнення вугілля від масиву, ємності бункера, інтенсивності провітрювання. Оброблено більш 10 натурних експериментів по метанонакопиченню в бункерах шахт ДХК “Макіїввугілля”, “Донвугілля”, “Жовтеньвугілля”. Показано можливість запропонованої теорії визначення концентрації метану в надбункерному просторі для практичних розрахунків.

Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволили розробити методики провітрювання бункерів у нормальному й аварійному режимах. Комплекс виконаних досліджень дозволив розробити галузевий стандарт на розрахунки провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля.

Ключові слова: газовиділення, дифузія, концентрація метану, адсорбція, масовіддача, газоносність.

АННОТАЦИЯ

Смоланов И.Н. Газовыделение из отбитого угля в шахтных бункерах и расчет параметров их проветривания. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства” - Институт физики горных процессов НАН Украины, г. Донецк, 2003.

В диссертационной работе предложена методика и дана идентификация продуктов, выделяющихся из углей при нормальной и повышенной температурах, возможной при длительном хранении углей.

Предложена система уравнений и дано аналитическое решение задачи метановыделения из частиц отторгнутого от массива угля различных фракций и времени отбойки, отличающиеся тем, что учитывается интенсивность перехода метана из связанного в свободное состояние.

Выполнены экспериментальные исследования с углями различных степеней углефикации по изучению метановыделения из частиц фракций 0,1-3,5 мм при 250 С и 40 - 450 С. Методом математического моделирования процесса найдены зависимости для определения коэффициентов внутренней диффузии и выражения для описания динамики перехода метана из связанного в свободное состояние.

На основе выполненного анализа схем расположения в шахтных вентиляционных сетях угольных накопительных бункеров и условий их проветривания разработана математическая модель метанонакопления в угольных бункерах при различной интенсивности их загрузки углем, времени отторжения угля от массива, емкости бункера, интенсивности проветривания. Обработано более 10 натурных экспериментов по метанонакоплению в бункерах шахт ГХК “Макеевуголь”, “Донуголь”, “Октябрьуголь”. Показана возможность предложенной теории определения концентрации метана в надбункерном пространстве для практических расчетов.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования метановыделения из частиц отторгнутого от массива угля и его накопления в свободном пространстве угольных бункеров позволили разработать методики проветривания бункеров в нормальном и аварийном режиме, включающие расчеты:

- нормативного расхода воздуха для проветривания;

- содержания метана в бункере при сохраненном проветривании;

- времени загазирования бункеров до взрывоопасных концентраций метана при остановке проветривания.

Комплекс выполненных исследований позволил разработать отраслевой стандарт на расчеты проветривания шахтных накопительных бункеров угля.

Ключевые слова: газовыделение, диффузия, концентрация метана, адсорбция, массоотдача, газоносность.

SUMMARY

Smolanov I.N. Gas emission from a broken coal in mine bin and derivation of ventilation parameters. – Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.11. – Physical Processes in Mining. – Institute for Physics of Mining Processes, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 2003.

A determination technique is proposed and analysis results are presented for products emitted from coals at room or elevated temperatures arising during long-term coal storage.

Equations system is proposed and an analytical solution is derived for the problem of methane emission from various broken coal fractions in dependence of storage time. The problem formulation and solution are new in that the methane transition rate from bonded to free gas condition was first taken into consideration.

A theoretical model of methane accumulation in coal bins at different coal loading rates, coal breakdown times, bins capacity, and ventilation rates is constructed based on analysis of coal bins allocation diagrams and ventilation regimes in mine vent systems. Over ten in-field experiments on methane accumulation in coal bins was processed at mines of National Holding Companies "Makeyevugol", "Donugol", and "Oktyabrugol". It was shown that the developed theory can be applied for practical calculations of over-bin methane concentrations.

The branch standard for ventilation mode of mine coal collecting bins was developed on the base of obtained data.

Key words: gas emission, diffusion, methane concentration, adsorption, mass transfer, gas content.