МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Пугач Іван Іванович

УДК 622.831.325.3

вдосконалення МЕТОДіВ Розрахунку ПАРАМЕТРіВ

ДЕГАЗАЦії зБЛИЖЕНиХ ПЛАСТіВ, що підробляються

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Кременчуцький Микола Феофанович,

професор кафедри аерології та охорони праці

Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офiцiйнi опоненти:

доктор технічних наук, доцент

Подкопаєв Сергій Вікторович,

Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри управління виробництвом;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Клець Анатолій Павлович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

НАН України (м. Дніпропетровськ),

старший науковий співробітник відділу геології вугільних родовищ на великих глибинах.

Провідна установа – Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, відділ рудникової аерології (м. Макіївка).

Захист дисертації відбудеться "17" лютого 2006 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бiблiотецi Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий "13" січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук, доцент А.А. Колб

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вугільні родовища характеризуються наявністю великої кількості небезпечних і шкідливих виробничих чинників, що призводить до високого рівня аварійності в галузі. У зв'язку з цим існуючі способи і системи розробки вугільних пластів, технологічні процеси та устаткування повинні відповідати підвищеним вимогам за факторами безпеки та надійності. При цьому особлива увага приділяється газовим шахтам, де виділення великих обсягів метану і його вибухи неодноразово ставали причиною великих аварій і трагічної загибелі шахтарів.

Інтенсифікація видобутку вугілля та зростання глибини розробки пластів призводить до збільшення газовості шахт, появи локальних скупчень метану в гірничих виробках. Газовий фактор в цих умовах є визначальним при вирішенні задач підвищення навантаження на очисний вибій, досягнення високих техніко-економічних показників роботи та забезпечення безпечних умов роботи виїмкових дільниць. Світовий досвід свідчить, що найбільш ефективним заходом щодо зниження виділення метану в гірничі виробки шахт є дегазація вугільних пластів.

В останні роки дегазація розглядається з точки зору утилізації метану як цінної енергетичної сировини. Для утилізації метану необхідно забезпечити стабільний дебіт і високі концентрації газу у метаноповітряній суміші (МПС). Нині ефективність роботи існуючих дегазаційних систем на багатьох шахтах недостатня для реалізації програми промислового використання метану. Крім цього, необхідні значні кошти для придбання великої кількості спеціалізованої техніки.

На сьогодні на шахтах Донбасу найчастіше застосовуються способи дегазації дільниць, засновані на каптажі метану через підземні дегазаційні свердловини, пробурені на зближені пласти, що підробляються, з підготовчих виробок. До недоліків даного способу дегазації відносяться: велика довжина трубопроводів, відносно невисокий дебіт метану у зв'язку з низьким розрідженням на устях свердловин, значні підсмоктування повітря в свердловини, що зумовлені порушенням герметичності обсадки їхніх усть при підробці гірничими роботами.

Таким чином, дослідження роботи дегазаційної системи та наукове обґрунтування параметрів функціонування дегазаційної мережі є актуальним питанням для вдосконалення технологічних параметрів каптажу шахтного метану, забезпечення безпеки гірничих робіт і підвищення кондиції газової суміші, що видобувається.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до "Комплексної програми дегазації вугільних пластів" за напрямком 21 - "Розробка і впровадження комп'ютерної технології для підвищення ефективності контролю за шахтними вентиляційними системами з урахуванням впровадження комплексної дегазації" у рамках науково-дослідних робіт національної програми "Українське вугілля. Програма розвитку вугільної промисловості на 2001-2010 роки", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України № 1205 від 19 вересня 2001 р.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності дегазації зближених пластів, що підробляються, шляхом обґрунтування методів розрахунку та оптимізації основних параметрів дегазаційних систем.

Для досягнення поставленої мети необхідно:–

виконати аналіз і виявити недоліки існуючих методів розрахунку та оптимізації параметрів дегазації вугільних пластів, що підробляються, визначити ступінь охоплення ними всіх існуючих гірничо-геологічних умов;–

розробити методи визначення топологічних параметрів дегазаційних свердловин при дегазації зближених пластів, що підробляються, з використанням апарату аналітичної геометрії та запропонувати методику і програму розрахунку параметрів дегазації для різних гірничотехнічних умов на електронно-обчислювальній машині (ЕОМ);–

провести натурні дослідження систем дегазації з визначенням динаміки величини витрат метану, що надходить у дегазаційну мережу, і встановити на їх базі кореляційні залежності параметрів, скласти рівняння регресії, обґрунтувати адекватність отриманих залежностей;–

розробити математичну модель дегазаційної системи, що включає всі дегазаційні ділянки шахти, систему газопроводу з урахуванням змінних параметрів за довжиною газопроводу та режиму роботи вакуум-насосної станції (ВНС);–

намітити перспективні напрямки підвищення ефективності дегазації та встановлення раціональних значень рівнів дегазації та вентиляції при їхньому спільному використанні для забезпечення максимального навантаження на очисний вибій.

Об’єктом дослідження є процес дегазації зближених вугільних пластів, що підробляються.

Предметом досліджень є показники роботи системи дегазації суміжних зближених вугільних пластів, що визначають її ефективність.

Методи дослідження. Для досягнення поставлених задач у роботі використані аналіз і узагальнення існуючих літературних джерел щодо методів розрахунку параметрів дегазації зближених пластів, що підробляються, – при виборі та обґрунтуванні напрямків досліджень; експериментальні дослідження в шахтних умовах – для обґрунтування розроблених методів розрахунку та оптимізації дегазаційних систем; методи математичної статистики – при обробці експериментальних результатів; методи математичного моделювання – для розробки моделі дегазаційної системи.

Ідея роботи полягає у підвищенні ефективності та забезпечення стабільної роботи системи дегазації вугільних пластів, що досягається за рахунок обґрунтування топологічних параметрів дегазаційних свердловин за координатами вибою свердловини та вибору необхідних параметрів дегазації шляхом рішення системи рівнянь, яка описує роботу дегазаційної мережі.

Основні наукові положення та результати, їх новизна.

Наукові положення.

1. Питомі втрати тиску метаноповітряної суміші при незмінному діаметрі окремих ділянок дегазаційного газопроводу не є постійною величиною, а змінюються за рахунок зміни щільності суміші внаслідок підсмоктувань повітря.

2. Інтенсивне метановиділення в свердловину, пробурену з підготовчої виробки на зближені пласти, що підробляються, розпочинається при наближенні лінії очисного вибою до устя свердловини на відстань, яка дорівнює потужності міжпластя, і досягає максимального значення при знаходженні лави від устя свердловини на 0,5 відстані до зближеного пласта.

Наукові результати.

1. Встановлено залежності розрідження в устях свердловин, концентрації метану в суміші та витрати МПС від відстані устя свердловини до лінії очисного вибою; дебіту газоповітряної суміші від розрідження в усті свердловини, від витрат метану, від відстані устя свердловини до лави; дебіту метану від розрідження в свердловині. За отриманими результатами складені рівняння парних і множинних регресій.

2. Виконано обґрунтування топологічних параметрів дегазаційних свердловин при дегазації зближених пластів, що підробляються, на базі математичного апарату аналітичної геометрії. Розроблено методику розрахунку для визначення параметрів закладення свердловин, що буряться з виробок виїмкової ділянки при дегазації зближених пластів, що підробляються.

3. Розроблено методи визначення дебітів МПС, метану та розрідження на устях свердловин одночасно на всіх виїмкових дільницях шахти з урахуванням продуктивності працюючих вакуум-насосів.

4. Запропоновано модель балансу МПС та сумарного масового дебіту метану на виїмковій ділянці з урахуванням концентрації метану в газопроводі. При розрахунку зміни тиску МПС за довжиною газопроводу використано диференціальне рівняння, до складу якого входять масові витрати МПС, що дозволяє врахувати зміни витрат та щільності МПС за довжиною газопроводу при підсмоктуванні повітря в трубопровід.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень та результатів: підтверджуються застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих наближень, достатнім обсягом виконаних експериментів, досить високою відповідністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень і застосуванням апробованих положень теорії рудничної аеродинаміки, погодженістю розробленого математичного опису з фізичними уявленнями про газодинамічні процеси в гірничих виробках і дегазаційних мережах. Шахтна апробація встановлених залежностей підтверджує відповідність отриманих результатів і висновків.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони дозволили розробити інженерні методики визначення дебіту МПС, метану та розрідження на устях свердловин одночасно на всіх виїмкових дільницях шахти з урахуванням продуктивності працюючих вакуум-насосів; методики розрахунку топологічних параметрів дегазаційних свердловин при дегазації зближених пластів, що підробляються. Використання запропонованих методик дозволить вчасно коректувати параметри дегазації пластів, приймати відповідні заходи щодо усунення недоліків у роботі системи, а також забезпечувати стабільність роботи дегазаційної системи при змінних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах у процесі експлуатації виїмкових дільниць.

Результати дисертаційної роботи впроваджені при відпрацюванні пластів СВ8, СН8 и СВ10 шахти “Західно-Донбаська” ВАТ “Павлоградвугілля”.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно зроблений огляд стану питання підвищення ефективності дегазації вугільних пластів, що підробляються, сформульовані мета, ідея і задачі досліджень, наукові положення та їх новизна, висновки і рекомендації. Теоретичні та експериментальні дослідження, а також аналіз отриманих результатів виконані за безпосередньої участі здобувача.

Особистий внесок дисертанта у роботи, опубліковані у співавторстві полягає: [3, 14] - у постановці мети, задач дослідження, аналізі причин низької ефективності схем дегазації вугільних пластів і виробленого простору, у розробці методу визначення топологічних параметрів дегазаційних свердловин, в аналітичному обґрунтуванні розрахунку параметрів дегазаційних свердловин з урахуванням гірничо-геологічних умов; [9] - у розробці графічного визначення режиму спільної роботи вакуум-насоса та вентилятора головного провітрювання (ВГП); [11] - у використанні методу лінійного програмування при розробці методики вибору рівнів дегазації та вентиляції при заданому навантаженні на очисний вибій; [7, ] - у дослідженні динаміки дебіту метану з дегазаційних свердловин та у проведенні обстеження дегазаційної системи об’єкту дослідження, в обробці експериментальних даних і встановленні залежності параметрів дегазації від гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов; [1, , , , 12] - у постановці задач, складанні та рішенні систем рівнянь, що описують роботу дегазаційної системи.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на міжнародних наукових конференціях: "Проблеми природокористування, стійкого розвитку й техногенної безпеки регіонів" (Дніпропетровськ, 2003), "Форум гірників" (Дніпропетровськ, 2003), “Проблеми аерології гірничодобувних підприємств" (Дніпропетровськ, 2004), а також на науково-методичних семінарах кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету (Дніпропетровськ, 2004, 2005).

Публікації. На підставі отриманих результатів здобувачем опубліковано 14 друкованих праць, у т.ч.: статей у виданнях, затверджених ВАК України – 11, матеріалів конференцій – 3.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку літературних джерел з 101 найменування на 10 сторінках, 5 додатків на 15 сторінках. Загальний обсяг дисертації – 160 сторінок, з них основний текст – 135 сторінок, малюнків – 25 (з них 3 на 3 повних сторінках), таблиць – 17.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета і завдачи досліджень, наведені основні наукові положення та результати, що винесені на захист, а також відомості про практичне значення результатів роботи, їх апробацію і публікацію матеріалів дослідження.

У першому розділі проаналізовано існуючі методи розрахунку та оптимізації параметрів дегазаційних систем, топологічних параметрів дегазаційних свердловин; наведений аналіз літературних джерел, які характеризують сучасний рівень у цій області знань, і встановлене наступне:

- більшість дегазаційних систем шахт морально та технічно застаріли, стали малоефективними при експлуатації. По газопроводу нерідко транспортуються вибухонебезпечні метаноповітряні суміші. Існує тенденція зниження середньої концентрації метану, що каптується вакуум-насосними установками;

- найбільш істотними причинами низької ефективності дегазації підземними свердловинами є: відносно невисока продуктивність за метаном у зв'язку з низьким розрідженням на устях свердловин, велика довжина трубопроводів, значні підсмоктування повітря в свердловини, що зумовлені порушенням герметичності обсадки їхніх усть або підробкою гірничими роботами;

- відомі способи боротьби з підсмоктуваннями повітря запобігають їх лише в гирловій частині свердловин. У випадку наявності аеродинамічного зв'язку свердловин з виробленим простором, ліквідувати підсмоктування практично неможливо. Причиною наявності аеродинамічного зв'язку свердловин з виробленим простором у багатьох випадках є неправильно підібрані параметри закладення свердловин;

- згідно з "Керівництвом з дегазації вугільних шахт" параметри закладення дегазаційних свердловин встановлюються дослідним шляхом на основі даних про фактичну ефективність дегазації в конкретних гірничо-геологічних умовах розробки вугільних пластів. Для попередніх розрахунків рекомендуються розрахункові формули для різних варіантів схем дегазації. Пропоновані формули у випадку дегазаційних свердловин, пробурених попереду очисного вибою, не враховують всіх гірничо-геологічних умов у межах вугільного басейну;

- недоліком математичних моделей по визначенню кількості одночасно діючих на виїмковій ділянці дегазаційних свердловин і відстані між ними, при яких забезпечується квазістаціонарний режим дегазації, є велика трудомісткість робіт при проведенні розрахунків.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі розроблено метод визначення топологічних параметрів дегазаційних свердловин при дегазації зближених пластів, що підробляються, з використанням апарату аналітичної геометрії для різних варіантів схем дегазації для свердловин, що пробурені назустріч очисному вибою: із виробок, що погашають, із виробок, що підтримують, із флангових виробок. Розроблено графічне зображення розрахункової схеми для визначення параметрів дегазаційної свердловини, що надалі використано для розробки розрахункових формул. За результатами методики складено програму розрахунку топологічних параметрів дегазаційних свердловин на ЕОМ.

Положення свердловини визначається трьома параметрами: lc - довжиною свердловини, м; в - кутом між свердловиною та горизонтальною площиною, град; ц - кутом між проекцією свердловин на горизонтальну площину та перпендикуляром до осі виробки в тій же площині, град.

Для ефективної дегазації свердловини повинні перетинати пласт, який дегазується, у зоні розвантаження від гірничого тиску товщі порід, що підробляються. Дегазаційна свердловина до моменту відключення від дегазаційної мережі не повинна перетинати зону безладного обвалення гірничих порід. Це означає, що свердловина не повинна проходити через лінію перетинання двох площин: площини, що обмежує зону безладного обвалення гірничих порід, і площини розвантаження гірничих порід, що проходить під кутом ш від лінії вибою (рис. 1). Свердловина повинна перетинати пласт, що дегазується, на лінії максимального газовиділення (ymax) зі зближеного пласту в дегазаційну свердловину, що паралельна виробці, з якої буряться свердловини. У такий спосіб пряма, що містить координати свердловини, буде проходити через початок координат, пряму перетинання площин А та В і через пряму, що лежить на відстані ymax паралельно осі штреку.

Топологічні параметри дегазаційної свердловини визначаються в момент відключення її від дегазаційної мережі та знаходження устя свердловини на відстані lотк від лінії очисного вибою.

За початок координат приймається точка відключення дегазаційної свердловини від дегазаційної мережі. Координатна площина XOY розташована горизонтально, вісь OZ спрямована вертикально нагору. За початок координат приймається устя свердловини. Таким чином, маємо радіус-вектор точки, що збігає з координатами вибою свердловини. Прямокутними координатами цього вектора будуть алгебраїчні проекції вектора на осі координат.

Рис. 1. Розрахункова схема для визначення параметрів дегазаційних свердловин при відпрацюванні пласта лавами по простяганню

Довжину дегазаційної свердловини визначаємо з виразу

. (1)

Кут між свердловиною і горизонтальною площиною визначається за формулою:

. (2)

Кут між проекцією свердловини на горизонтальну площину і перпендикуляром до осі виробки у тій же площині

. (3)

Координати вибою свердловини (xk, yk, zk) визначені для різних варіантів схем дегазації (табл. 1). Для визначення топологічних параметрів свердловин при різних схемах дегазації була складена програма розрахунку на ЕОМ.

У процесі експлуатації положення свердловини може уточнюватися. Так, якщо точка перетинання свердловини з верхньою границею зони безладного обвалення розміщається від площини розвантаження гірничих порід убік виробленого простору, то параметри свердловини потрібно змінити шляхом збільшення параметрів в або lотк.

Таблиця 1

Координати вибоїв свердловин |

xk, м | yk, м | zk, м

Позаду очисного вибою із виробки, що погашається

за простяганням

за падінням (підняттям)

Позаду очисного вибою із виробки, що підтримується

за простяганням

за падінням (підняттям)

Із флангової виробки

горизонтальна

похила

; ; **.

***Верхній знак (плюс або мінус) приймається при бурінні свердловин в сторону падіння пласта, нижній – в сторону підняття.

У третьому розділі представлено опис експериментальних досліджень параметрів дегазації вугільних пластів, що підробляються. Об'єктом проведення натурних спостережень була шахта "Західно-Донбаська" ВАТ "Павлоградвугілля". Наведено коротку характеристику пластів, що розробляються, і зближених пластів, дегазаційної системи шахти, схеми дегазації виїмкової ділянки, методика експериментальних досліджень, що передбачає вимір параметрів газоповітряної суміші в дегазаційних свердловинах, пробурених на вугільні пласти, що підробляються, для встановлення залежностей між ними та гірничотехнічними параметрами. Наведено порядок виконання роботи та обробки результатів натурних спостережень. Описано характер зміни витрат метану при посуванні вибою лави до устя свердловини.

Проведено дослідження дегазаційної системи на дільниці 857 лави пласта C8Н горизонту 480 м шахти "Західно-Донбаська" при дегазації зближених пологих пластів, що підробляються, свердловинами, які пробурені з виробки виїмкової ділянки, що погашається слідом за посуванням очисного вибою. При цьому здійснювалися натурні виміри основних параметрів дегазаційної системи: відстані між лінією очисного вибою та устям свердловини, концентрації метану в газоповітряній суміші, температури МПС і рудникового повітря в місці проведення спостережень, розрідження в устях свердловин, перепаду тиску на діафрагмах, атмосферного тиску в гірничій виробці. Відповідно до отриманих результатів визначені витрати метану, дебіт МПС. Виміри здійснювалися на двох свердловинах, які розташовані на різних відстанях від лави в різний час в межах продуктивної ділянки для каптажу метану.

Після обробки вихідних даних встановлені наступні залежності:–

розрідження в усті свердловини P, концентрації метану c і витрати МПС Q від відстані устя дегазаційної свердловини до лави L:

, (4)

, (5)

; (6)–

витрат МПС і метану від розрідження на усті свердловини:

, (7)

; (8)–

витрат МПС і дебіту метану, що каптується дегазаційною свердловиною, в залежності від відстані устя свердловини до лави і розрідження в ній:

, (9)

. (10)

Значення коефіцієнтів кореляції і надійності після обробки експериментальних спостережень наведені в табл. 2. Залежності мають тісний кореляційний зв’язок. Значення коефіцієнтів кореляції для залежностей (9, ):

I = f(L, P) – R = 0,968; Q = f(L, P) – R = 0,999.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів кореляції

№ п/п | Вид

залежності | Коефіцієнт

кореляції, r | Надійність коефіцієнта

кореляції, м

1 | P=f(L) | rPL = 0,66 | 8,6

2 | c=f(L) | rCl = 0,36 | 3,1

3 | Q=f(L) | rQL = 0,51 | 5,2

4 | I=f(L) | rIL = 0,46 | 4,3

5 | Q=f(I) | rQI = 0,43 | 4,3

6 | I=f(P) | rIP = 0,88 | 25,0

7 | Q=f(P) | rQP = 0,74 | 11,9

Рис. . Графік залежності розрідження в усті дегазаційної свердловини від відстані між її устям і лавою | Рис 3. Графік залежності концентрації метану у свердловині від відстані між устям свердловини і лавою

Рис. . Графік залежності дебіту метану від відстані між устям свердловини і лавою | Рис. . Графік залежності дебіту МПС від розрідження в усті дегазаційної свердловини

Залежності дебіту метану та витрати МПС від розрідження в свердловині і її віддалення від лави були використані при визначенні необхідної кількості свердловин і відстані між ними для досягнення заданого рівня дегазації зближених пластів, що підробляються, при забезпеченні необхідної концентрації метану в дегазаційному трубопроводі. Експонентну залежність дебіту метану та лінійну залежність витрати МПС від розрідження доцільно використовувати для визначення необхідної величини розрідження на усті свердловини при розподілі метаноповітряної суміші в мережі дегазаційної системи.

У четвертому розділі на основі отриманих у попередньому розділі залежностей розроблено метод визначення параметрів дегазації одночасно на всіх дільницях шахти шляхом складання та рішення систем алгебраїчних рівнянь з урахуванням режиму роботи вакуум-насоса та параметрів руху МПС на окремих ділянках газопроводу, а також складання та рішення диференційних рівнянь.

Дегазаційна мережа, що складається із двох виїмкових дільниць, на яких впроваджується дегазація, описується системою із двох рівнянь у вигляді:

(11)

де Pв1 і Pв2 – тиск повітря у виробках, з яких буряться свердловини відповідно на першій і другій дільницях, гПа; ; Hi – відстань від поверхні до i-ї виробки, м; Pб – барометричний тиск повітря на поверхні, гПа;
P1 і P2 – розрідження в устях останніх від лави за напрямком руху МПС свердловин відповідно на першій і другій дільницях, гПа; L1, …, L5 – довжини ділянок газопроводу, м; А і В – коефіцієнти емпіричної формули, що описує характеристику вакуум-насосу; ?Pi,j – втрати тиску на подолання аеродинамічного опору на окремих ділянках газопроводу.

При вирішенні системи рівнянь (11) визначаються розрідження на устях свердловин P1 і P2, що дозволяє визначити витрати метаноповітряної суміші відповідно на дільницях №1 і №2 – Q1, Q2 і витрати метану, що каптується на цих дільницях I1 і I2 за попередньо отриманими рівняннями регресії у вигляді

, (12)

, (13)

де Qj, Ij – витрати відповідно МПС і метану, що каптується на усті свердловини j-ї виїмкової дільниці, м3/с; a1,j, a2,j, b1,j, b2,j – коефіцієнти регресії.

Баланс МПС на продуктивній ділянці газопроводу між точками підключення дегазаційних свердловин до газопроводу та відключення від нього записується у вигляді диференціального рівняння

, (14)

де dс – елементарна концентрація метану в газопроводі, мг/м3; dl – елементарна довжина газопроводу, м; Imi – сумарна маса метану, що надійшов на i-ту ділянку газопроводу, мг/хв; Qi – сумарні витрати МПС, що надійшли на i-ту ділянку газопроводу, м3/хв; n – кількість свердловин, що одночасно працюють.

Рішення рівняння (14) дозволяє визначити масову концентрацію метану в точці підключення останньої свердловини від сполучення виробки з лавою. Для підвищення концентрації метану в газопроводі пропонується збільшення коефіцієнту дегазації до величини

, (15)

де скд – задана (припустима) величина концентрації метану в газопроводі, мг/м3; Im0 – абсолютна маса виділення метану зі зближених пластів на виїмковій ділянці, мг/хв.

Для визначення квазістаціонарного режиму дегазації на виїмковій ділянці рекомендується мінімізувати функцію кривизни плоскої лінії, що описує витрати метану.

Розроблено метод визначення відстані між свердловинами за зміною концентрації метану за довжиною газопроводу. Під час руху МПС по газопроводу внаслідок підсмоктування повітря, змінюється концентрація метану, густина суміші, обсяг і швидкість руху за довжиною газопроводу. У цих умовах розрахунок депресії рекомендується вести за масовими витратами.

При використанні рівняння Клапейрона-Менделєєва тиск у кінцевій точці ділянки газопроводу визначається за формулою

, (16)

де Рн, Рк – тиск МПС відповідно в початковому і кінцевому перерізах ділянки газопроводу довжиною L, гПа; – безрозмірний коефіцієнт тертя, що враховує ступінь шорсткості стінок газопроводу; M – масова витрата газоповітряної суміші, кг/с; Д – діаметр газопроводу, м.

Для визначення масових витрат МВС на двох виїмкових дільницях та оптимальних діаметрів ділянки газопроводу дегазаційна мережа описується системою рівнянь

;

, (17)

де M1 і М2 – масові витрати МПС на дільницях № 1 і № 2, кг/с; Мi – підсмоктування повітря на i-й ділянці, кг/с; nn – кількість вакуум-насосів, що працюють паралельно; Рн1 і Рн2 – тиск МПС в початкових точках ділянок №1 і №2, гПа;  – щільність повітря, кг/м3.

При рішенні системи рівнянь (17) визначаються масові витрати метану, що каптується на дільницях №1 і №2 – M1 і М2. Система рівнянь (17) також використовується для визначення оптимальних діаметрів ділянок газопроводів. Критерієм оптимальності є мінімальні вартості труб та електроенергії, що витрачається на просування МПС по газопроводу.

, (18)

де Mj – масові витрати МПС, що надходять у газопровід на j-й виїмковій ділянці, кг/с (j=1, ); k – кількість ділянок газопроводу, що розташовані раніше даного; СЭ – вартість 1 кВт·ч електроенергії, що споживається, грн; ti – тривалість безремонтної роботи газопроводу на i-й ділянці, років.

У п’ятому розділі розглянуто перспективні напрямки підвищення ефективності системи “вентиляція-дегазація” в процесі видалення метану із шахти. Розглянуто вплив способу провітрювання шахти на ефективність дегазації із застосуванням свердловин, що пробурені з поверхні. На підставі аналізу формул з визначення відносного метановиділення з різних джерел було встановлено, що при збільшенні тиску у виробці при переході від усмоктувального способу провітрювання до нагнітального надходження метану у виробки зменшується. При зупинці ВГП метан з виробленого простору буде надходити по дегазаційній свердловині на поверхню.

Доцільність застосування нагнітального способу провітрювання при використанні дегазаційних свердловин, що пробурені з поверхні, можна довести шляхом розгляду спільної роботи вентилятора головного провітрювання та вакуум-насосу. Критерієм ефективності дегазації є збільшення витрат МПС, що надходить по дегазаційній свердловині, яка пробурена з поверхні. Використовуючи метод еквівалентних перетворень були отримані дві схеми вентиляційної системи: при нагнітальному й усмоктувальному способі провітрювання шахти. При усмоктувальному способі провітрювання напрям роботи ВГП і ВНС протилежні й для створення потоку метаноповітряної суміші в дегазаційній свердловині за зазначеним напрямком ВНС повинна перебороти опір, що створюється наведеним ВГП. При нагнітальному способі провітрювання шахти ВГП і ВНС працюють послідовно.

При бурінні свердловин з поверхні можна розширити галузь використання нагнітального способу провітрювання на газових шахтах, що рекомендується застосовувати при метановості не більше 10 м3/хв.

Необхідний рівень дегазації шахти визначається можливим рівнем вентиляції. Для обґрунтування рівнів дегазації та вентиляції при їх одночасній роботі у дисертації використовується метод конфліктних ситуацій. Для розрахунку модель конфліктних ситуацій застосовують метод лінійного програмування. Для встановлення спільного рівня дегазації та вентиляції використовується розрахунок максимально припустимого навантаження на очисної вибій за газовим фактором, що приймається як випадкове число у фіксованих межах. Завдання лінійного програмування вирішується симплекс-методом.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі, яка є закінченою науково-дослідною роботою, поставлена і вирішена актуальна науково-прикладна задача підвищення ефективності та забезпечення стабільної роботи системи дегазації вугільних пластів, що полягає в розробці нових та вдосконаленні існуючих методик визначення основних параметрів дегазаційної системи: топологічних параметрів дегазаційних свердловин, дебіту метану та МПС з урахуванням розрідження, що визначається на усті свердловин. Запропоновані у дисертації рішення дозволять вчасно корегувати параметри дегазації пластів, приймати відповідні заходи щодо усунення недоліків у роботі системи, а також забезпечувати стабільність роботи дегазаційної системи при змінних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах у процесі експлуатації виїмкових дільниць.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації роботи полягають у такому:

1. Виконано аналіз існуючих методів розрахунку та оптимізації параметрів дегазації вугільних пластів, що підробляються. Виявлено недостатній ступінь охоплення ними всіх існуючих гірничо-геологічних умов. Встановлено причини низької ефективності сучасних дегазаційних систем. Вказано на необхідність вдосконалювання методів визначення топологічних параметрів дегазаційних свердловин та основних параметрів дегазаційної системи.

2. Запропоновано аналітичне обґрунтування розрахунку параметрів дегазаційних свердловин з урахуванням гірничо-геологічних умов. При цьому встановлено, що для ефективної дегазації необхідно щоб: свердловини перетинали пласт, що дегазується, у зоні розвантаження від гірничого тиску товщі порід; при закладенні свердловин враховувався кут розвантаження (ш) товщі порід, що підробляється; свердловина до моменту відключення від дегазаційної мережі не перетинала зону безладного обвалення гірничих порід; свердловини перетинали пласт, що дегазується, на лінії максимального газовиділення (ymax) зі зближеного пласту в дегазаційну свердловину, паралельно виробці, з якої вона буряться.

Розроблено методики визначення топологічних параметрів дегазаційних свердловин за координатами вибою свердловини, складена програма розрахунку на ЕОМ, що дозволяє оперативно визначати параметри свердловин у змінних гірничо-геологічних умовах виїмкових ділянок.

3. На основі натурних спостережень отримано залежності розрідження в усті свердловин, концентрації метану в суміші та витрати МПС від відстані устя свердловини до лінії очисного вибою; дебіту газоповітряної суміші від розрідження в усті свердловини, від витрат метану, від відстані устя свердловини до лави; дебіту метану від розрідження в свердловині і її відстані від лави; витрат метаноповітряної суміші від дебіту метану та розрідження в усті свердловини.

Отримані залежності дебіту метану та витрати МПС від розрідження в свердловині і її відстані від лави були використані при визначенні необхідної кількості свердловин і відстані між ними для досягнення заданого рівня дегазації зближених пластів, при забезпеченні необхідної концентрації метану в дегазаційному трубопроводі. Експонентна залежність дебіту метану та лінійна залежність витрат МПС від розрідження використана для визначення необхідної величини розрідження на усті свердловини при розподілі МПС в мережі дегазаційної системи.

4. Розроблено метод розрахунку дегазаційної системи, що описується системою рівнянь, при рішенні якої визначаються: дебіт МПС на виїмкових дільницях дегазаційної системи при відомих значеннях витрат метану; витрати метану з урахуванням підсмоктувань повітря в свердловини; розрідження на устях свердловин на всіх виїмкових дільницях, що входять у дегазаційну систему, з використанням залежностей дебіту МПС і метану, що отримані у результаті натурних спостережень; відстань між свердловинами з урахуванням зміни концентрації метану за довжиною трубопроводу.

Розроблено метод визначення оптимальних діаметрів ділянок газопроводу, що входять у дегазаційну систему, на базі вартості труб і витрат електроенергії на просування МПС по газопроводу з урахуванням нового методу визначення депресії ділянки трубопроводу великої довжини.

Метод розрахунку розподілу метаноповітряної суміші в мережі дегазаційної системи необхідний при виборі її раціональних параметрів при проектуванні, а також при обґрунтуванні заходів щодо підвищення ефективності дегазації.

5. Результати роботи відображені в “Рекомендаціях з підвищення ефективності дегазації вугільних пластів, що підробляються, при відпрацюванні пластів СВ8, СН8 та СВ10 шахти “Західно-Донбаська” ВАТ “Павлоградвугілля”.

6. При дегазації вугільних пластів свердловинами, пробуреними з поверхні, запропоноване обґрунтування, яке дозволяє розширити область ефективного застосування нагнітального способу провітрювання на газових шахтах, що використовується в теперішній час при метановості не вище 10 м3/хв. На базі рівняння Бернуллі та за результатами рішення чисельного прикладу показане збільшення витрат МПС по дегазаційній свердловині, пробуреній з поверхні при нагнітальному способі провітрювання шахти.

При виборі рівнів дегазації та вентиляції за умови заданого навантаження на очисний вибій пропонується використовувати метод конфліктних ситуацій.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах:

1. Кременчуцкий Н.Ф., Пугач И.И. Расчет распределения метановоздушной смеси в сети дегазационной системы // Науковий вісник НГА України. – 2002. – № 5. – С. 86-88.

2. Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Обоснование уровней дегазации на выемочных участках шахты // Сб. научных тр. НГА Украины. – 2002. – № 15. т.1 – С. 204-210.

3. Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Определение параметров дегазации подрабатываемых угольных пластов // Сб. научных тр. НГУ. – 2003. – № 16. том 1 – С. 137-140.

4. Голинько В.И., Кременчуцкий Н.Ф., Пугач И.И. Обоснование способа вентиляции шахты для повышения эффективности дегазации скважинами, пробуренными с поверхности // Науковий вісник НГУ. – 2003. – № 2. – С. 81-83.

5. Пугач И.И. Обоснование топологических параметров скважин с помощью аппарата аналитической геометрии // Науковий вісник НГУ. – 2003. – № 10. – С. 73–77.

6. Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Обоснование параметров дегазации на призабойном участке газопровода / Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2004. – Вип. 48 – С. 185-192.

7. Пугач И.И. Обоснование параметров дегазации при регулировании воздухораспределения шахтной вентиляционной сети / Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2004. – Вип. 49 – С. 61-67.

8. Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Обоснование уровней дегазации и вентиляции при использовании теории игр // Науковий вісник НГУ. – 2004. – № 1. – С. 70–72.

9. Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Определение параметров дегазационной системы с учетом изменения их величины по длине газопровода // Науковий вісник НГУ. – 2004. – № 12. – С. 52–54.

10. Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Пути повышения эффективности дегазации сближенных подрабатываемых пластов / Сборник научных трудов НГУ – 2004. –№ 19, том 3 – С. –204.

11. Пугач И.И., Пугач С.И., Муха О.А. Методика определения параметров дегазационных скважин, пробуренных на подрабатываемые пласты // Науковий вісник НГУ. – 2005. – № 7. – С. 82–84.

12. Муха О.А., Пугач И.И. Обоснование топологических параметров скважин с помощью аппарата аналитической геометрии // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов. Материалы Второй Международной научно-практической конференции; г. Днепропетровск, 2003. – С. 208-210.

13. Пугач И.И. Определение параметров скважин при дегазации подрабатываемых пластов на выемочных участках шахты // Сб. научых тр. НГУ. Тр. межн. науч.-техн. конф. “Форум гірників” – 2003. – №17, том 2. – С. 382-384.

14. Голинько В.И., Кременчуцкий Н.Ф., Муха О.А., Пугач И.И. Методы расчета параметров дегазации подрабатываемых сближенных пластов / Сб. научных тр. НГУ. Доклад на междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий” – 2004. –№ 19, том 3 – С. –69.

АНОТАЦIЯ

Пугач І.І. Вдосконалення методів розрахунку параметрів дегазації зближених пластів, що підробляються. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 – “Охорона праці”, Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності та забезпеченню стабільної роботи системи дегазації вугільних пластів, що підробляються, за рахунок обґрунтування: топологічних параметрів дегазаційних свердловин за координатами вибою свердловини, вибору необхідних параметрів дегазації шляхом рішення системи рівнянь, що описують роботу дегазаційної мережі. Розроблено методику визначення топологічних параметрів дегазаційних свердловин за координатами вибою свердловини. Розроблено методи розрахунку дебіту МПС на виїмкових дільницях дегазаційної системи; витрати метану, що каптується на виїмкових дільницях з урахуванням підсмоктувань повітря в свердловини; розрідження на устях свердловин на всіх виїмкових дільницях, що входять у дегазаційну систему, з використанням залежностей витрат МПС і метану, що отримані у результаті натурних спостережень; відстані між свердловинами з урахуванням зміни концентрації метану за довжиною трубопроводу. При дегазації вугільних пластів свердловинами, які пробурені з поверхні, дається обґрунтування, що дозволяє розширити галузь застосування нагнітального способу провітрювання на газових шахтах.

Ключові слова: дегазаційні свердловини, дебіт метану, метаноповітряна суміш, вугільні пласти, що підробляються, дегазаційна мережа.

АННОТАЦИЯ

Пугач И.И. Совершенствование методов расчета параметров дегазации подрабатываемых сближенных пластов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – “Охрана труда”, Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

В диссертационной работе осуществлено решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности и обеспечения стабильной работы системы дегазации подрабатываемых угольных пластов за счет обоснования: топологических параметров дегазационных скважин по координатам забоя скважины, выбора необходимых параметров дегазации путем решения системы уравнений, описывающих работу дегазационной сети.

Произведен анализ существующих методов расчета и оптимизации параметров дегазации подрабатываемых угольных пластов. Выявлена недостаточная степень охвата ими всех существующих горно-геологических условий. Установлены причины низкой эффективности современных дегазационных систем. Указано на необходимость совершенствования методов определения топологических параметров дегазационных скважин и основных параметров дегазационной системы.

Предложено аналитическое обоснование расчета параметров дегазационных скважин с учетом горно-геологических условий. Разработана методика определения топологических параметров дегазационных скважин по координатам забоя скважины. По результатам методики составлена программа расчета на ЭВМ, позволяющая оперативно определять параметры скважин в меняющихся горно-геологических условиях выемочных участков.

Разработаны методики расчета дебита МВС на выемочных участках, входящих в дегазационную систему, при известных значениях расхода каптируемого метана; расхода каптируемого на выемочных участках метана с учетом подсосов воздуха в скважины; разрежения на устьях скважин на всех выемочных участках, входящих в дегазационную систему, с использованием зависимостей дебитов МВС и метана, полученных в результате натурных наблюдений; расстояния между скважинами с учетом изменения концентрации метана по длине трубопровода.

При дегазации угольных пластов скважинами, пробуренными с поверхности, дано обоснование, позволяющее расширить область применения нагнетательного способа проветривания на газовых шахтах, рекомендуемого к применению в настоящее время при метанообильности не выше 10 м3/мин.

При выборе уровней дегазации и вентиляции при заданной нагрузке на очистной забой предложено использование метода конфликтных ситуаций.

Результаты работы отражены в “Рекомендациях по повышению эффективности дегазации подрабатываемых угольных пластов при отработке пластов СВ8, СН8 и СВ10 шахты “Западно-Донбасская” ОАО “Павлоградуголь”.

Ключевые слова: дегазационные скважины, дебит метана, метановоздушная смесь, подрабатываемые угольные пласты, дегазационная сеть.

ABSTRACT

PugachThe Improving Methods of Estimation for the Parameters of Degassing for the Worked-out Close Seams. – Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree in technical sciences, specialization 05.26.01 – Labour Defense, the National Mining University, Dnipropetrovs’k, 2006.

The present thesis deals with the solution of the topical scientific task of increasing both the efficiency and the provision with the stability in exploiting the degassing system for the worked-out close seams due to the validation of the topological parameters of degassing bore according to the well bottom’s position data and the choice of the necessary degassing parameters by means of solving the combined equations that describe the degassing network exploiting. The analysis of the existing estimating and optimizing parameters of the degassing methods for the worked-out seams was made. The methods of the definition of the topological parameters for the degassing bores according to the well bottom’s position data were elaborated. The methods of methane-air mixture low rate estimating on the hollow sites of degassing system together with the known wastes of the drawn-out methane values, the methods of estimating the wastes of the drawn-out methane values together with the air inflows