ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

НІКОЛАЄВ Євген Борисович

УДК 622.807

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗВОЛОЖЕННЯ ПЛАСТА

ПІД ЧАС ВИБУХОВОЇ ВІДБІЙКИ ВУГІЛЛЯ ДЛЯ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ПИЛОГАЗОУТВОРЕННЯ

05.26.01 – “Охорона праці”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті

(ДонНТУ) Міністерства освіти та науки України, м. Донецьк

Науковий керівник: кандидат технічних наук Артамонов Володимир Миколайович, Донецький національний технічний університет, професор кафедри “Природоохоронна діяльність”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. Медведєв Едуард Миколайович, Макіївський економіко-гуманітарний інститут, завідувач кафедри охорони праці, екології та безпеки життєдіяльності.

кандидат технічних наук, с.н.с. Скляров Леонтій Іванович, Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, завідувач відділу сертифікації, стандартизації і метрології.

Провідне підприємство: Донецький науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи та пожежної безпеки (НДІГС) , відділ боротьби з ендогенними пожежами

Захист дисертації відбудеться “ 3 ” вересня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерство палива та енергетики України за адресою.: 86108, Україна, м. Макіївка Донецька обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України за адресою: 86108, Україна, м. Макіївка, Донецька обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий “ 23 ” липня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.834.01 ,

кандидат технічних наук В. Р. Алаб’єв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Інтенсифікація праці гірників в умовах складної пилогазової обстановки на робочих місцях приводить до збільшення числа професійних захворювань. Щодо захворювань пневмоконіозом та пиловим бронхітом вугільна галузь знаходиться на одному з перших місць в Україні (65% від загального числа профзахворювань), при цьому найбільше число профпатологій реєструється в Донецькій області (42%).

Найбільш інтенсивним джерелом утворення пилу, що супроводжується виділенням отруйних газів, є руйнування вугілля вибуховим способом, обсяг застосування якого на шахтах Донецько-Макіївського району Донбасу складає – при проведенні гірничих виробок до 70%, а в очисних вибоях до 33%. Пил, що утвориться при вибуховому руйнуванні вугілля, є високодисперсним, у результаті цього найбільш пневмоконізонебезпечним. Різко виражена агресивна дія такого пилу на органи дихання людини підсилюється адсорбцією на його поверхні отрутних газоподібних продуктів вибуху, що підвищує його фіброгенну активність і приводить до інтенсивного розвитку пневмоконіозів у гірників.

Зрошення і вентиляції, як основних способів усунення шкідливих продуктів вибухових робіт, виявляється недостатньо для зниження пилогазовиділень до необхідних норм. Тому заходи щодо боротьби з пилом і газами під час вибухової відбійки вугілля повинні бути спрямовані також і на локалізацію пилу в масиві вугілля до вибуху, нейтралізацію вибухових газів у процесі їх утворення за рахунок попередньої гідрообробки вугільного пласта водними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР). Ефективність зниження пилогазоутворення при гідровпливі залежить від якості зволоження і багато в чому визначається його основними параметрами.

Попередження пилогазоутворення гідровпливом в комплексі із застосовуваними способами і засобами зниження пилогазовиділень під час вибухової відбійки вугілля дозволить створити на робочих місцях локальні зони з рівнем запиленості і загазованості повітря, що не перевищує попередньо-допустимі концентрації (ПДК).

Тому вивчення закономірностей процесу зволоження вугільного пласта в зоні впливу очисної та підготовчої виробок, що приводить до зниження пилогазоутворення під час вибухової відбійки вугілля, є актуальною задачею, розв’язок якої має велике практичне і соціальне значення в галузі охорони праці в гірничій промисловості.

Зв'язок теми дисертації з планом основних робіт університету.

Одним із пріоритетних наукових напрямків Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) протягом ряду років є розробка технології попереднього зволоження вугільних пластів для підвищення безпеки ведення гірничих робіт. Дослідження, виконані в цій дисертаційній роботі, проводилися в рамках держбюджетної теми № Н-6-99 “Дослідження екологічних і аерологічних аспектів проблеми і розробка рекомендацій із захисту навколишнього середовища при реструктуризації вугільної промисловості на територіях пріоритетного розвитку Донецького і Макіївського району Донбасу”. Роль автора в цих дослідженнях полягає в удосконалюванні способу зменшення виділень шкідливих продуктів вибуху в шахтну атмосферу за рахунок поетапної гідрообробки вугільного пласта на ділянках, де ведуться вибухові роботи щодо вугілля.

Метою роботи є розкриття закономірностей і особливостей формування у вугільному пласті попередньо зволоженої зони, встановленні параметрів зволоження для попередження пилогазоутворення під час вибухової відбійки вугілля.

Для досягнення поставленої мети в роботі визначені наступні задачі:

1. Вивчити стан проблеми і проаналізувати причини пилогазоутворення під час вибухової відбійки вугілля;

2. Оцінити існуючі способи і засоби попередження проявів пилогазового фактору при вибуховій відбійці вугілля за їх ефективністю та розробити шляхи їх удосконалювання;

3. Досліджувати механізм зволоження вугільного пласта і формування в ньому попередньо зволоженої зони, підготовленої для проведення вибухових робіт; встановити залежності впливу зволоження на деформаційні характеристики вугілля і процеси пилогазоутворення під час вибухової відбійки вугілля й обґрунтувати можливості керування цими процесами.

4. Встановити параметри зволоження і розробити технологічні схеми формування у вугільному пласті попередньо зволоженої зони для попередження пилогазоутворення під час вибухової відбійки вугілля.

Об'єктом дослідження є способи і засоби зниження пилогазоутворення під час вибухової відбійки вугілля.

Предметом дослідження є процес попередження пилогазоутворення під час ведення вибухових робіт щодо вугіллю шляхом попереднього зволоження пласта.

Методи досліджень. Аналітичні методи і методи, що базуються на експериментальних дослідженнях із застосуванням ЕОМ, аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень з проблеми, теорія планування експерименту, математико-статистична обробка результатів експериментальних і лабораторних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. На захист виносяться наступні наукові положення:

1. Запропоновано новий підхід до побудови фізико-механічної моделі формування у вугільному пласті попередньо зволоженої зони, основна відмінність якого полягає в урахуванні змін властивостей масиву, які характеризують його міцність, зволоженням і відповідного корегування параметрів зволоження, що дозволяє знизити пилоутворюючу здатність пласта, зменшити адсорбційну здатність пилу і рекомендувати коефіцієнт зміни пилоутворення під час вибухової відбійки вугілля, з урахуванням зміни вологості пласта.

2. Встановлені закономірності та отримані нові аналітико-експериментальні залежності зміни деформаційних характеристик вугілля (модуля пружності E, Па, модуля зрушення G, Па та коефіцієнта Пуассона ) від ступеня його зволоження при застосуванні ефективної добавки ПАР, що дозволило встановити зв'язки між площею поверхні руйнування, що утворюється, розміром пилових часток та питомою енергією руйнування при виробництві вибухових робіт у зволоженій та незволоженій зонах пласта.

3. Довжина зволожуючих свердловин lскв та глибина їх герметизації lг визначаються з урахуванням зміни напруженого стану вугільного масиву в зонах впливу очисних та підготовчих робіт, що при поетапному нагнітанні в них водяних розчинів ПАР забезпечує збільшення вологості вугілля в масиві з 3 до 6,5 % та при незмінних параметрах вибуху знижує вихід пилових часток розміром меншим ніж 1 мм у 3 рази, зменшує газовиділення з відбитого вугілля до припустимих меж.

Обґрунтування і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується використанням основних положень теорії зволоження вугільних пластів, фундаментальних досліджень механізму вибухового руйнування гірничих порід (вугілля) і процесів пилогазоутворення; застосуванням апробованих методів досліджень, представницьких масивів інформації, отриманих у процесі лабораторних і шахтних експериментів; задовільною збіжністю розрахункових та експериментальних даних.

Наукове значення роботи полягає в тому, що вперше теоретично обґрунтовані й експериментально підтверджені закономірності формування попередньо зволоженої зони пласта його поетапною гідрообробкою, з урахуванням властивостей вугільного пласту, які змінюються, чим забезпечується зниження пилогазоутворення при вибуховій відбійці вугілля.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці ефективного способу попередження пилогазоутворення під час вибухових робіт, обґрунтуванні раціональних параметрів поетапного зволоження та розширенні галузі застосування попереднього зволоження.

Результати виконаних досліджень прийняті МакНДІ для використання при складанні “Посібника з проектування обезпилюючих заходів на вугільних шахтах”; використані ДП “Донецьквугілля” при складанні “Рекомендацій із застосування на шахтах ДП “Донецьквугілля” способу поетапного гідровпливу вугільного пласта для попередження пилогазоутворення під час виробництва вибухових робіт і підвищення безпеки робіт”. Запропонований спосіб впроваджений у 7 західній лаві пласта k6 рекомендований до застосування на пластах l8, і h6 шахти “Лідіївка” ДП “Донецьквугілля”.

Результати дисертації використані Гірничим інститутом ДонНТУ при складанні навчального посібника “Охорона праці у вугільній галузі” для студентів гірничих спеціальностей вищих навчальних закладів, та застосовуються автором у навчальному процесі при підготовці студентів цих спеціальностей.

Особистий внесок автора складається в постановці задач дослідження, формуванні нового підходу до побудови фізико-механічної моделі зволоження вугільного пласта і процесу зміни його властивостей в зонах ведення БВР, статистичній обробці результатів експериментальних, натурних і лабораторних досліджень, у постановці задач і проведенні шахтних досліджень в умовах шахти “Лідіївка” ДП “Донецьквугілля”. Шахтні дослідження і впровадження результатів дисертації в практику здійснювалися при особистій участі автора.

Апробація роботи. Основні положення роботи обговорювалися і були схвалені на науково-практичних конференціях випускників гірничого факультету ДонДТУ (1999р., 2000р.), доповідалися на міжнародних конференціях у МДГУ (Москва, “Тиждень гірника” - 2001р., 2002р., 2003р.), у НГУ (Дніпропетровськ, 2002р., 2004р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Вугілля-Mining Technologies 2003” (Алчевськ), на розширених засіданнях кафедри “Охорона праці та аерологія” ДонНТУ (2002р.), на розширеній науково-технічній раді МакНДІ (Макіївка, 2003р.).

Публікації. Основний зміст роботи в цілому та її окремих частинах опубліковані в 9 наукових працях, з них 5 – у провідних спеціальних виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 глав та висновку, містить 28 рисунків, 17 таблиць, перелік посилань на літературні джерела з 138 найменувань і 8 додатків. Робота викладена на 109 сторінках, загальний обсяг роботи – на 162 стор.

Автор висловлює глибоку подяку науковому керівнику канд. техн. наук, професору В.М. Артамонову, докт. техн. наук, професору Ю.Ф. Булгакову і канд. техн. наук, доц. І.М.Кузик за цінні поради в процесі виконання досліджень та під час роботи над дисертацією, а також канд. техн. наук И.К.Дьоміну за допомогу в організації та проведенні шахтних експериментів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі дисертації виконаний аналіз причин і механізму пилогазоутворення при вибуховій відбійці вугілля, вивченості питання попередження проявів їхнього шкідливого впливу на гірників, сформульовані загальні і конкретизовані приватні задачі, розв’язуванню яких присвячена дисертація.

Питанням підвищення безпеки вибухових робіт, очищенню шахтної атмосфери від шкідливих продуктів вибухових робіт присвячені роботи МакНДІ, ІГС їм О.О.Скочинского, СхідНДІ, НДІ профілактики пневмоконіозов, МДГУ, ФТІ, ДПІ-ДонНТУ. Результати цих досліджень складають наукові основи в галузі боротьби зі шкідливими газами і пилом. Більшість із них присвячені розробці технологій, що забезпечують мінімальний вихід пилу й отруйних газів, за рахунок поліпшення якості вибухових речовин (ВР) і засобів висадження (ЗВ), удосконалювання параметрів БВР, засобів і способів пилоподавлення.

У цих роботах було встановлено, що при рівних умовах висадження вихід пилу є тим меншим, чим більша вологість вугілля і менша його міцність. Однак, механізм руйнування вугілля з позицій найменшого пилоутворення шляхом зміни властивостей середовища, в якій відбувається висадження, використовувався недостатньо. Таким чином, недооцінювалась можливість зниження виходу респирабельного пилу, що утворюється під час вибухової відбійки вугілля за рахунок зменшення пилоутворюючої здатності пласта гідровпливом.

Застосування попереднього зволоження вугільного масиву сприяє зміні властивостей, які характеризують міцність вугілля, що поряд з енергетичними параметрами руйнування значно впливає на кількість пилу, який утворюється, розмір його часток і здатність до адсорбування вибухових газів.

Удосконалюванню способів і засобів боротьби зі шкідливими газами і вугільним пилом та розробці параметрів попереднього зволоження вугільних пластів присвятили свої широкі теоретичні й експериментальні дослідження О.С.Бурчаков, Ф.С.Клебанов, Б.І.Медвєдєв, І.Г.Іщук, Г.С.Забурдяєв, Г.С.Гродель, В.П.Журавльов, Н.В.Ножкін, О.І.Чернов, О.Г.Латишев, Е.М.Медвєдєв, В.М.Артамонов, О.Д Алексєєв, Г.П.Старіков, Є.І.Піталенко і багато інших вчених. Аналіз виконаних ними робіт показав, що найбільша ефективність пилогазоподавлення досягається при комплексному застосуванні гідровисадження та попереднього зволоження.

За результатами проведеного у першого розділі аналізу сформульовані задачі дослідження, розв’язок яких дозволяє досягти мети дисертації.

Другий розділ присвячений теоретичному обґрунтуванню впливу зволоження на пилоутворюючу здатність вугільного пласта та формування в ньому попередньо зволоженої зони зі зміненими міцнісними властивостями вугілля для попередження проявів шкідливого впливу отруйних газів і пилу, що утворяться при вибуховій відбійці вугілля. Складність системи “зволожуюча рідина – газ – вугілля”, різноманіття факторів, що впливають, і взаємозалежність деяких із них, а також відсутність адекватної фізичної моделі обумовлюють неможливість точного аналітичного опису цієї системи.

Загальним недоліком розглянутих груп методів для визначення основних параметрів гідровпливу є уявлення про незмінність протікання процесів зволоження як у масиві, так і в зоні впливу гірничих робіт. При їх веденні у вугільному пласті утворяться зони різного напруженого стану і перемінної водопроникності. Найбільш несприятливими для зволоження вважаються зони пласта, які примикають до гірничих виробок. Ці зони характеризуються перерозподілом напруг, де змінюється режим фільтрації. Параметри зволоження розраховуються в залежності від фізико-механічних властивостей і структурних особливостей вугільного масиву, уточнюються при експериментальному нагнітанні і повинні корегуватися при істотній зміні властивостей вугільного пласта в процесі зволоження.

Дослідженнями, проведеними в ДПІ-ДонНТУ, встановлено, що процес гідровпливу на вугільний пласт варто розглядати як динамічний, у результаті якого змінюються властивості пласта, що впливають на вихідні параметри. Найбільш істотна відмінність параметрів зволоження, що пропонуються, полягає в тім, що враховуються зміни розмірів і розташування свердловин залежно від формування і переміщення зони максимуму опорного тиску, у свою чергу обумовленого спрямованою зміною фізико-механічних властивостей вугілля; процес вологонасичення вугілля розглядається в часі і включає поетапний гідровплив на масив. На практиці такі параметри, як довжина свердловин lсв , м, глибина герметизації lг , м, довжина фільтруючої частини lф , м, відстань між свердловинами а, м, для кожного вугільного пласта встановлюються з урахуванням його властивостей і технології ведення робіт, але в період ведення робіт приймаються постійними і не корегуються, що знижує ефективність і рівномірність зволоження.

На підставі уявлень про процес проникнення водяних розчинів ПАВ-ПС у масив вугілля і перерозподілу гірничого тиску залежно від зміни характеристик, що характеризують міцність вугілля, пропонується фізико-механічна модель зволоження вугільного масиву, що безпосередньо прилягає до вибою в зоні проведення вибухових робіт, яка містить у собі наступні положення:

1. Масив, що зволожується, розглядається як неоднорідне пористе газонасичене тіло, піддане впливу як очисної, так і підготовчої виробки.

2. При проведенні зволоження враховуються зміни властивостей вугілля, які характеризують його міцність і здійснюється коректування параметрів зволоження: довжини свердловин lсв, м, глибини герметизації свердловини lг, м, мінімальної відстані від очисного вибою до зони впливу першої свердловини Lmin, м, що вплине на обсяг рідини Qсв, м3, і тривалість нагнічування tн годин, і дозволить якісно обробити частину пласта, що прилягає до підготовчої виробки.

Сутність моделі поетапного гідровпливу на вугільний пласт розчинами ПАР, що пропонується, представлена на рис.1.

Рис. 1. Спосіб поетапного зволоження вугільного пласта

У результаті зволоження формуються наступні зони зволоження:

Зона – зона, що безпосередньо прилягає до підготовчої виробки. Водяний розчин ПАР, попадає в неї по максимально відкритих тріщинах, ефект змочування поверхні цих тріщин максимальний, як і дія ефекту адсорбційного зниження поверхневої міцності, за рахунок клинового ефекту.

Зона - зона максимального стиску пласта і мінімального проникнення водяного розчину ПАР, але достатнього для зволоження вугілля, при зміні властивостей, які характеризують його міцність, ця зона переміщується у масиві.

Зона - зона об'ємного всебічного стиску вугільного пласта і поширення водяного розчину ПАР при додатковому використанні гірничого тиску, що переміщується.

Проведення робіт з гідровпливу на вугільний пласт здійснюється завчасно на відстані від очисного вибою Lmin= 25…100м, тобто в зоні, де відбувається перерозподіл гірничого тиску і відповідно розташована границя зони непружних деформацій, що супроводжуються інтенсивною появою тріщин і найбільш проникна для розчину ПАВ, що нагнічується.

Мінімальна відстань від очисного вибою до першої свердловини складає:

Lmin = 6m + rф + 5rоч , (1)

де m – потужність пласта, м; rф – радіус фільтрації рідини від нагнічувальної свердловини, м; rоч – переміщення очисного вибою за добу, м.

З огляду на те, що свердловини, які закладаються, знаходяться в зонах впливу підготовчої виробки та очисного вибою, який переміщується, необхідно встановити глибину частини свердловини, що потребує герметизації (lг) з урахуванням цього впливу. Виходячи з положення, що глибина герметизації повинна перевищувати розмір зони максимуму опорного тиску з боку підготовчої виробки (на рис. 1 – зона ), на першому етапі нагнічування необхідне дотримання умови:

lг1 = 6m = lоп1 , (2)

де lоп1– відстань між підготовчою виробкою та максимумом опорного тиску на першому етапі нагнічування, м; визначається за максимальним виходом штибу при бурінні свердловини.

Довжина свердловини на першому етапі нагнічування приймається:

lскв1 = lг1 + lф1 , (3)

де lф1 - довжина фільтруючої частини свердловини, м.

Перша група свердловин працює протягом часу t1 , до досягнення приросту вологості, який забезпечує зміну міцності вугілля і переміщення максимуму опорного тиску в глибину масиву, що вимагає переходу на другу групу свердловин (після відключення першої). При цьому для глибини герметизації свердловини на другому етапі повинна дотримуватися умова:

lг2 = (lг1 +Дlг) = lоп2 , (4)

де Дlг = lоп2 – lоп1 – збільшення глибини герметизації свердловини, м;

lп.у2 , lп.у1 – відстані між підготовчими виробками та максимумом опорного тиску на 2-му і 1-му етапах нагнічування, м; визначається з урахуванням досягнутого внаслідок зволоження вугілля та зниження його міцності на цих етапах.

Довжина свердловини на другому етапі нагнічування дорівнює:

lскв2 = lг2 + lф2 . (5)

Протягом часу t2 відбувається приріст вологості і зміна межі міцності, що приводить до переміщення зони максимуму опорного тиску і необхідності переходу на наступний етап зволоження.

При гідрообробці пласта через свердловини, пробурені з транспортної та вентиляційної виробок, цей процес варто продовжувати доти їх довжина не стане дорівнювати:

lсквmax = 0,5lл , (6)

де lл – довжина лави, м;

При гідрообробці пласта через свердловини, пробурені з одного вироблення:

lсквmax = lл - lп.у1 . (7)

На підставі поданої фізико-механічної моделі процесу проникнення водяних розчинів ПАР в масив вугілля варто переглянути уявлення про механізм руйнування вугілля в зволоженій зоні вугільного масиву.

Дослідженням механізму руйнування гірських порід (вугілля) присвячені роботи І.С.Покровського, Б.І.Кутузова, Л.А.Шрейнера, Л.І.Барона, Ю.Г.Коняшина М.Р.Шевцова, В.О.Боровикова та інших вчених. Практично всі дослідники сходяться в тому, що руйнування гірських порід є результат утворення і розвитку тріщин при додаванні енергії, яка перевищує міцнісні властивості порід.

У дослідженнях МакНДІ з руйнування вугілля під впливом різних навантажень встановлено, що енергоємність руйнування залежить як від характеру прикладання навантажень, так і від фізико-механічних властивостей пласта. Зміна цих властивостей приводить до відповідної зміни енергетичних показників руйнування. Встановлено наявність функціональної залежності питомого пилоутворення Р, кг/т, від питомої енергії руйнування Hw , Дж/кг, що пропорційна утвореної площі поверхні руйнування Sпов , м2, і залежить від розмірів часток вугілля di . У цьому випадку, Hw визначається залежністю:

. (8)

Площа поверхні пилових часток Sпов , що утворюються при руйнуванні вугілля, – один з основних показників величини сорбування отруйних газів, що потім виділяються в атмосферу виробок. Чим більша поверхня, тим більша кількість газів, яка сорбується.

На основі ідеальної фізико-механічної моделі руйнування вугілля отримана залежність зміни площі поверхні руйнування від часток вугілля розміром меншим ніж 1 мм , що описується рівнянням:

Sпов i = 40,815 d –1,0675 r = 0,98, (9)

де d – розмір часток зруйнованого вугілля, мм.

З урахуванням реальних умов руйнування, площа поверхні пилу визначиться з виразу:

Sпов = 0,01k Sпов i Ri , (10)

де Ri – вихід фракцій з розміром часток di , %. k – коефіцієнт, що враховує неідеальну форму часток пилу; для вугільного пилу k =1,75 .

Використовуючи залежність (10), можна прогнозувати зміну площі поверхні зруйнованого вугілля з урахуванням зміни його властивостей як у лабораторних, так і натурних умовах.

Поряд з енергетичними параметрами руйнування на вихід пилу значно впливають міцнісні властивості і структурні особливості вугільного масиву:

, (11)

де – енергетичний параметр вибуху,

– параметр, що характеризує властивості пласта,

де бВ – ККД вибуху; G – маса заряду, кг; Q – питома теплота вибуху, Дж/кг; Е – модуль пружності вугілля, Па; КТ – механічний еквівалент теплоти; ? – межа міцності вугілля на зрушення, Па; ? – коефіцієнт Пуассона; dП – діаметр часток пилу (середній), м; КФ – коефіцієнт, що враховує форму часток пилу, КФ = 20...26; Sпов – площа поверхні пилу, м2.

Параметри, що входять у формулу (11), можна умовно розділити на перемінні параметри, що характеризують властивості пласта, у якому відбувається висадження (у нашому випадку, це вугільний пласт, що знаходиться в зоні ПГТ (підвищеного гірничого тиску)) – Рпл і постійні енергетичні параметри вибуху – Рвиб :

до (Рпл1 , Рвиб1) і після (Рпл2 , Рвиб2) зволоження.

Тоді коефіцієнт зміни пилоутворення під час вибухової відбійки вугілля зі зміною вологості пласта:

, (12)

де – величина, що не змінюється, – змінна величина.

Якщо відносини характеристик пласта до і після зволоження у формулі (12) позначити через , , , ,

де E1, E2 – модулі пружності, МПа, ?1,ф2 – модулі зрушення, МПа, ?1, м2 – коефіцієнти Пуассона, Sпов1 , Sпов2 – площі поверхонь пилу вугільного пласта – до і після зволоження, то коефіцієнт зміни пилоутворення при веденні вибухових робіт за рахунок зміни фізико-механічних властивостей вугільного пласта під впливом зволоження, у загальному виді описується рівнянням:

kЗМ = kЕ · kф · kм· ks . (13)

Додання вхідним коефіцієнтам у вираження (13) фізичного змісту в залежності від вологості пласта, що змінюється, дозволить визначати кількість пилу, який утвориться, і прогнозувати запиленість повітря під час вибухової відбійки вугілля:

Рв2= kЗМ · Рв1 . (14)

Запропонована модель поетапного гідровпливу вугільного пласта в зоні ведення вибухових робіт, одержані залежності (10) та (14) дозволяють сформулювати перше наукове положення і є основою для подальших досліджень процесів пилогазоутворення.

У третьому розділі викладені результати лабораторних досліджень впливу вологості на деформаційні характеристики вугілля, встановлення ефективної добавки ПАР, здатності до руйнування зразків вугілля різного ступеня вологості і визначення їх гранулометричного складу.

Для випробувань було обране вугілля пласта k6 шахти “Лідіївка” ДП “Донецьквугілля”, з міцністю f=1,5 і опірністю різанню 320 кг/см, з підготовкою ниш вибуховим способом. Такий вибір дозволяє надалі поширювати отримані результати на вугілля з меншою міцністю й енергоємністю руйнування.

У результаті зіставлення характеристик різних ПАР і можливостей їх придбання з основними вимогами, що ставляться до них, для використання при зволоженні пласта k6 прийнятий синтанол. Дослідження велися відповідно до методики проведення лабораторних досліджень зміни фізико-механічних та колекторських властивостей зволоженого вугілля при його руйнуванні.

На лабораторній установці, у водяних розчинах синтанолу з мінливої в межах від 0 до 1%, концентрацією, під тиском від 4 до 6 МПа, було оброблено 60 зразків вугілля неправильної форми (масою 0,2…0,4кг, діаметром 0,035…0,08м, висотою 0,1...0,15м, із природною вологістю 3% ), узятих з ниш 7 західної лави пласта k6. Необхідне і достатнє для одержання надійних результатів випробувань число зразків отримане з використанням теорії планування експерименту.

Після встановлення наведеної вологості W,% вироблялася якісна оцінка вологості вугілля: шляхом неруйнуючого впливу на вугілля ультразвуковою установкою УК-10П з голчастими п’єзодатчиками визначалися деформаційні характеристики (модуль пружності E, Па, модуль зрушення G, Па, коефіцієнт Пуассона ) вугілля з різним ступенем зволоження.

По зміні часу проходження пружних хвиль через зразки вугілля до і після гідрообробки робився висновок про зміну його властивостей в результаті зволоження. При цьому рівняння регресії мали наступний вигляд:

= 0,0002W2 - 0,0004W + 0,4224 r = 0,72, (15)

G = 10076W2 – 204939W + 106 r = 0,78, (16)

E = 18798W2 – 405607W + 306 r = 0,85. (17)

У результаті статистичної обробки фактичних даних лабораторних випробувань зразків встановлені кількісні параметри впливу вологості на деформаційні характеристики вугілля пласта k6 та його зруйнованість.

Застосування добавок ПАР до води значно поліпшують змочуваність вугілля: вологість зразків після їх обробки водою збільшилася на 0,7…2 % , а - з додаванням до води синтанолу - на 8…10 % Найбільш рівномірне зволоження досягається при його концентрації у воді – 0,7%. Зі збільшенням вологості зразків вугілля з 3 до 10% зменшуються значення модуля пружності E – з 3,1 до 0,5 МПа, модуля зрушення G – з 1,2 до 0,15 МПа , збільшується значення коефіцієнта Пуассона – з 0,36 до 0,45.

У разі випробувань зразків вугілля на ударне руйнування робота, витрачена на руйнування вугілля, знижується з 70 до 10 МДж/м3, при цьому збільшується вихід фракцій розміром 100…70мм із 12 до 42 % і зменшується вихід дрібних фракцій (розміром меншим, ніж 3мм) з 7 до 4,3 % .

Проведеними лабораторними дослідженнями встановлено, що здатність до руйнування вугілля після гідрообробки водяними розчинами ПАР значно нижча, ніж у сухого вугілля, а характер руйнування більш пластичний без тендітного здрібнювання. Залежності (15)...(17) дозволяють сформулювати друге наукове положення.

Четвертий розділ присвячений шахтним дослідженням параметрів поетапного зволоження пласта для попередження пилогазоутворення при вибуховій відбійці вугілля на основі гідрообробки ділянки пласта 7 західної лави з боку нижньої ніші.

Застосування поетапного зволоження з перемінною довжиною свердловин сприяє рівномірному зволоженню пласта по всій довжині лави, з додатковим ефектом приросту вологості при переміщенні зони максимуму опорного тиску (автонагнічування). Основні параметри поетапного зволоження вугільного пласта k6 7 західної лави шахти “Лідіївка” подані в таблиці 1.

Таблиця1

Параметри поетапного зволоження пласта k6 7 західної лави шахти “Лідіївка”

№п/п | Найменування параметра | Позначення | Одиниці виміру | Кількісні показники

1 | Ефективна добавка ПАР | Сэф | % | 0,75

2 | Тиск нагнічування min | Рmin | МПа | 3,35

3 | Тиск нагнічування max | Рmax | МПа | 8

4 | Питома витрата рідини | q | м?/т | 0,086

5 | Тривалість нагнічування

за етапами: I етап

II етап |

tнI

tнII |

година |

47

65

6 | Обсяг рідини, що нагнітається

за етапами: I етап

II етап |

QсквI

QсквII |

м? |

5,07

7,04

7 | Темп нагнічування | qт | л/хв | 30

8 | Відстань між свердловинами | r | м | 15

9 | Довжина свердловин за етапами:

I етап

II етап |

lI

lII |

м |

8

12

10 | Глибина герметизації за етапами:

I етап

II етап |

lгI

lгII |

м |

3,5

7

Визначення вологості і встановлення деформаційних характеристик зразків вугілля, відібраних зі зволоженої та незволоженої зон пласта, підтвердили результати лабораторних досліджень:

- збільшення вологості вугілля після гідрообробки пласта від 3 до 6,5 %;

- зменшення модуля пружності Е с 3,44 до 0,72 МПа та модуля зрушення G з 1,24 до 0,25 МПа; збільшення коефіцієнта Пуассона з 0,38 до 0,47.

Для встановлення захоплення отруйних газів зруйнованим вибухом вугіллям і характеру наступного газовиділення з нього, проводився відбір проб відбитого вугілля (через 30 хв. після вибуху) з незволоженої зони (ділянка пласта верхньої ніші) і зі зволоженої зони (ділянка пласта нижньої ніші). У перші 6 годин після вибуху виділення СО з відбитого вугілля незволоженої зони перевищувало ПДК у 8,8 разів, з відбитого вугілля зволоженої зони – у 2,9 разу; виділення СН4 з відбитого вугілля: незволоженої зони – у 4,9 разу; зволоженої зони – у 1,8 разу (рис. 2 і рис. 3).

Рис.2. Залежність зміни виділення СО з відбитого вибухом вугілля із зволоженої та незволоженої зони пласта в часі

Рис.3. Залежність зміни виділення СН4 з відбитого вибухом вугілля із зволоженої та незволоженої зони пласта в часі

Встановлена залежність виділення СО та СН4 (%) з відбитого вибухом вугілля різного ступеня вологості для умов вугільного пласта k6 шахти “Лідіївка” ДП “Донецьквугілля” у часі описується наступними виразами:

- відбите вугілля незволоженої зони:

CCO = –3·10 –9ф2 – 8·10 –5ф + 0,0152 r =0,75 , (18)

CCH4 = 0,0003ф2 – 0,0735ф + 4,8079; r =0,79; (19)

- відбите вугілля зволоженої зони:

CCO = 2·10 –7ф2 – 5·10 –5ф + 0,0051 r =0,78, (20)

CCH4 = 0,0001ф2 – 0,0256ф + 1,6783 r =0,81, (21)

де – час після вибуху, ч.

Наступне після вибуху зрошення відбитого вугілля водяним розчином ПАР привело до того, що концентрація СО не перевищувала ПДК .

Дослідження гранулометричного складу зруйнованого вугілля із зволоженої зони пласта у порівнянні з незволоженою зоною показали збільшення виходу великих фракцій (> 30 мм) з 38,2 до 60% і зменшення виходу дрібних фракцій (< 1 мм) з 39,05% до 23,25%, що приводить до відповідної зміни площі поверхні руйнування вугілля. При цьому найбільша площа поверхні характерна для часток розміром 0,1 мм та менш (рис. 4).

Рис. 4. Вихід фракцій зруйнованого вибухом вугілля із зволоженої та незволоженої зони кінцевих ділянок 7 західної лави пласта k6 шахти “Лідіївка” ДП “Донецьквугілля”

Зміни площі поверхні зруйнованого вугілля для фракцій розміром меншим ніж 1мм, при різному ступені зволоження вугілля мають степеневу залежність та описуються рівняннями:

- для вугілля із незволоженої зони:

Sпов 1 = 1,832 d – 0,922 r = 0,92; (22)

- для вугілля зі зволоженої зони:

Sпов 2 = 1,774d – 0,723 r = 0,88. (23)

При аналізі гранулометричного складу для виходу фракцій розміром від 30 до 1мм сумарна площа зруйнованого вугілля склала:

- для незволоженого вугілля – 11,5 м2;

- для зволоженого вугілля – 8,86 м2 .

Відповідно до (22) і (23) визначені площі поверхні пилу з розміром часток меншим ніж 1 мм (рис. 5):

Рис.5. Зміна площі поверхні зруйнованого вугілля в залежності від ступеня зволоження для часток розміром меншим ніж 1мм

- для незволоженого вугілля – 195,19 м2;

- для зволоженого вугілля – 96,34 м2.

Застосування попереднього зволоження пласта в зоні ведення вибухових робіт знижує загальну площу поверхні зруйнованого вугілля в 2 рази, в основному за рахунок зменшення площі поверхні дрібних фракцій, що приводить до зниження сорбування отруйних газів, і, відповідно, виділення їх в атмосферу в часі.

Питома енергія руйнування вугілля Hw після зволоження пласта знижується з 17,37 до 8,96 Дж/кг.

Згідно (13), для приросту вологості пласта ?W від 0 до 3,5 %, що відповідають зміні деформаційних характеристик пласта та поверхонь руйнування вугілля, які утворюються, розрахований коефіцієнт зміни пилоутворення при веденні вибухових робіт на ділянках пласта з різним ступенем зволоження має вигляд:

kЗМ = - 0,1805 ДW+ 0,9725 r = 0,98. (24)

У результаті попереднього поетапного зволоження кількість пилу, що утвориться при вибуховій відбійці вугілля в ніші, зменшується в 3 рази, перевищення ПДК СО і СН4 з відбитого вугілля не спостерігається. Результати шахтних досліджень дали можливість знайти залежності (18)...(24) та сформулювати третє наукове положення.

У п'ятому розділі обґрунтовані основні параметри поетапного зволоження і розроблена технологія їх вибору на основі аналізу вихідних даних про стан вугільного масиву і порід, що вміщують, з урахуванням динаміки гірського тиску з наступним коректуванням за ПДК пилу і газів, що утворюються під час вибухової відбійки вугілля. Для попередження пилогазоутворення при виробництві вибухових робіт в очисних вибоях лав і в підготовчих вибоях проведених виробок пропонуються технологічні схеми поетапного зволоження вугільного пласта за допомогою насосної установки.

При очисних роботах нагнічування рідини в пласт проводиться через свердловини, пробурені з транспортної і вентиляційної виробок; при проведенні підготовчої виробки - через свердловини, пробурені з паралельної виробки перпендикулярно її осі і свердловину, пробурену уздовж осі підготовчої виробки.

Використання енергії опорного тиску, що рухається від очисного (підготовчого) вибою для активізації зволоження дозволяє збільшити відстань між свердловинами, що знижує витрати на реалізацію цього способу.

Застосування способу забезпечує:

1. Зменшення пилоутворення і газовиділення при веденні вибухових робіт до ПДК.

2. Зменшення коефіцієнта міцності вугілля за рахунок зниження його деформаційних властивостей.

3. Зниження енергоємності відбійки вугілля в разі зменшення міцності вугілля за рахунок його зволоження.

4. Підвищення темпу проведення виробки, за рахунок проведення її по зволоженій зоні пласта.

5. Розширення галузі застосування попереднього зволоження.

ВИСНОВКИ

У дисертації подані узагальнення і розв’язки науково-технічної задачі, що полягає у встановленні особливостей формування зволожених зон у вугільному масиві для попередження пилогазоутворення і підвищення безпеки вибухових робіт.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1.

2.

3.

4.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Артамонов В.Н., Николаев Е.Б Разработка параметров гидровоздействия в зонах ведения БВР с целью повышения их эффективности // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ. – 1999. – № 2. – с.44-47.

2. Медведев Б.И.,Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Совершенствование технологии ведения БВР в зонах гидровоздействия // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ. – 2000. – № 2. – С.3-7.

3. Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Предварительное увлажнение как комплексный метод повышения эффективности и безопасности горных работ // Геотехнологии на рубеже XXI века – Донецк:ДУНПГО. – 2001. – т 1.– с 124-129.

4. Артамонов В.Н., Николаев Е.Б., Румежак О.Н., О возможностях управления состоянием рудничной атмосферы в зонах ведения буровзрывных работ // Проблемы экологии. – Донецк: ДонНТУ. – 2002. – № 1. – С. 85-89.

5. Гребенкин С.С. АртамоновВ.Н. Кузык И.Н., Николаев Е.Б. Технологическая схема поэтапного увлажнения в очистных забоях на пологих угольных пластах для снижения пылегазовыделения // Вісті Гірничого інституту. – Донецьк: ДонНТУ. – 2003. – № 2. – С. 55-59.

6. Артамонов В.Н, Кузык И.Н., Мартынова Е.А., Николаев Е.Б., О возможности управления условиями труда в очистных и подготовительных забоях в зонах ведения гидровоздействия. // Горный информационно-аналитический бюллетень