МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ

Державний Макіївський науково-дослідний

інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості

(МакНДІ)

Грядущий Володимир Борисович

УДК 622.411.33 - 622.817

РОЗРОБКА СПОСОБУ ПІДВИЩЕння ВИБУХОБЕЗПЕКИ

НА СПОЛУЧЕННЯХ ЛАВ З ВЕНТИЛЯЦІЙНИМИ ВИРОБкаМИ

ПРИ СТОВПОВІЙ СИСТЕМІ Відпрацювання

Спеціальність 05.26.01 – «Охорона праці»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Державному підприємстві “Донецький науково-дослідний вугільний інститут” (ДП “ДОНВУГІ”)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Алєксєєв Анатолій Дмитрович, Інститут фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк), директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Колесов Орест Андрійович, ДП “Донецький експертно-технічний центр” Державного комітету України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду, начальник відділу нормативних документів (м. Донецьк).

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Лебедєв Валентин Гнатович, Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи та пожежної безпеки “Респіратор” Міністерства вугільної промисловості України (м. Донецьк), завідувач відділом аварійних вентиляційних режимів.

Захист відбудеться « 11 » липня 2008 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України за адресою: 86108, м. Макіївка, вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України за адресою: 86108, м. Макіївка, вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий « 09 » червня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.834.01,

д.т.н., с.н.с. Ю.В.Кудінов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На цей час прогресивною системою розробки вугільних шарів є стовпова, при якій різко спрощується технологічний процес видобутку вугілля за рахунок поділу в часі й у просторі очисних і підготовчих робіт. Стовпова система розробки дозволяє повною мірою використовувати технічні можливості високопродуктивної виїмкової техніки, знижує собівартість вугілля.

Стовпова система розробки на шахтах України застосовується приблизно у 55% від загальної кількості лав, що відпрацьовуються, з яких видобувається більше ніж 74% загального видобутку вугілля. Середнє навантаження на очисний вибій при стовповій системі розробки приблизно у 3,6 разу, а продуктивність праці у 2 і більше разів вище, ніж при суцільній, яка є другою за поширенням (31% лав).

У зв'язку з цим одним з основних напрямків розвитку вугільної промисловості передбачено розширення області й обсягів застосування стовпової системи розробки з упровадженням механізованих комплексів високої продуктивності (до 3-5 тис. тонн вугілля на добу).

Майже 90% усіх лав, які відпрацьовують за стовповою системою розробки з погашенням (або самопогашенням) вентиляційних виробок услід за посуванням очисних вибоїв, провітрюють за зворотноструминною схемою провітрювання. До серйозних недоліків, що впливають на безпеку ведення гірничих робіт при застосуванні цієї системи, належать: обмеження пропускної здатності робочого простору лави й дільниці за повітрям (вимога п. 3.1.3. “Правил безпеки...” про обмеження швидкості руху повітря у лаві 4 м/с,); низька ефективність дегазації; ускладнення газової обстановки на сполученні лави й у тупику погашення вентиляційної виробки, нижчі значення порівняно із суцільною системою витоків повітря, що обумовлюють високі концентрації метану й зосереджений винос його на невеликих ділянках вентиляційної виробки і т.д.

У разі застосування стовпової системи розробки з погашенням вентиляційної виробки ускладнюється газовий режим виїмкових дільниць; у зв'язку з цим не тільки обмежується їх продуктивність за видобутком вугілля, але й підвищується ймовірність загазування виробок, утворення місцевих скупчень метану головним чином у тупиковій частині вентиляційних виробок, що найчастіше призводить до серйозних аварій і людських жертв. Недостатня швидкість руху повітря в тупику вентиляційної виробки і низька інтенсивність перемішування струменів призводять до нерівномірного розподілу вмісту метану в різних точках перерізу тупикової виробки. Місцеві та шарові скупчення метану часто поширюються (особливо у разі зниження витрати повітря на дільницях) на сполучення лави з вентиляційною виробкою і далі по ній на відстань до 10-50 м (біля протилежної від лави стінки виробки).

В останні роки з причин, пов'язаних з місцевими скупченнями метану на сполученнях очисних вибоїв з вентиляційними виробками й у тупиках погашення, сталися аварії на шахтах № 222 ш/у ім. 1 травня, ім. 60-річчя Радянської України, ім. Д.Ф. Мельникова, “Голубовська”, “Вінницька”, “Чайкіно”, ім. О.Ф.Засядька, “Краснолиманська”, “Південнодонбаська № 1” та ін.

Отже, розробка нового більш досконалого й ефективного способу підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками при стовповій системі відпрацювання є важливим й актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень ДП “ДонВУГІ”, проведених у рамках “Програми підвищення безпеки праці на вугледобувних та шахтобудівних підприємствах”, (НДР № 2210202040 “Розробити технологію запобігання спалахам метану в тупиках виробок” № ДР 0102U006549,
НДР № 22150506000 “Розробити СОУ “Погашення виробок вугільних шахт. Керівництво” № ДР 0105U007558 і № 2220600245 “Розробити спосіб дегазації тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається, за допомогою вентилятор-ежекторної установки”. У зазначених роботах автор брав участь як науковий керівник.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка способу підвищення вибухобезпеки на сполученні лав з вентиляційними виробками при стовповій системі відпрацювання, заснованого на ефекті низьконапірної ежекції.

Задачі, розв'язувані для досягнення поставленої мети:

- дослідити умови утворення місцевих скупчень метану в тупиках погашення і на сполученнях вентиляційних виробок з очисними вибоями, існуючих способів і засобів запобігання загазуванням, спалахам і вибухам метану в тупиках вентиляційних виробок;

- дослідити аеродинаміку тупикової частини вентиляційної виробки;

- розробити новий спосіб підвищення вибухобезпеки на сполученнях очисних і вентиляційних виробок при стовповій системі розробки рахунок застосування вентилятор-ежекторної установки;

- визначити вплив роботи вентилятор-ежекторної установки на аеродинамічні параметри провітрювання виїмкових дільниць.

Об’єкт дослідження - процес масоперенесення метаноповітряної суміші в тупиковій частині вентиляційної виробки, що погашається, при стовповій системі розробки з видачею вихідного вентиляційного струменя на масив вугілля.

Предмет дослідження - спосіб підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками при стовповій системі розробки і зворотноструминній схемі провітрювання.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод досліджень, що містить: аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень у сфері боротьби з місцевими скупченнями метану на сполученні лав з вентиляційними виробками й у тупиках погашення, теоретичні дослідження з застосуванням чисельних методів аналізу аеродинамічних процесів, чисельні методи розв’язання систем рівнянь математичної фізики, математичне моделювання процесів розподілу потоків суміші метану і повітря в площинах поперечного та поздовжнього перерізів тупикової частини вентиляційної виробки, розроблення і розрахунки потрібних параметрів нового способу і визначення сфери його застосування, лабораторні випробування експериментального зразка вентилятор-ежекторної установки, дослідження з побудовою моделі процесу впливу розробленого способу на аеродинамічні показники виїмкових дільниць.

Ідеєю роботи є обґрунтування процесів і кількісна оцінка масоперенесення на сполученні лави з вентиляційною виробкою і в тупику її погашення при стовповій системі відпрацювання і зворотноструминній схемі провітрювання за допомогою вентилятор-ежекторних установок із гнучким трубопроводом.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Подальшого розвитку дістали уявлення про механізм надходження метану та витоків повітря, що проходять по виробленому простору, у тупикову частину вентиляційної виробки, що погашається, і формування в ній газової обстановки в результаті ранжирування потоків за концентрацією метану.

2. Вперше обґрунтовано можливість і ефективність використання низьконапірної ежекції, забезпечуваної вентилятором місцевого провітрювання, розроблення вентилятор-ежекторної установки і застосування її для дегазації тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається.

3. Удосконалено математичну модель взаємодії газових потоків у тупикових частинах вентиляційних виробок, які погашаються, що дозволяє визначати умови утворення небезпечних метаноповітряних сумішей у цих частинах виробок і на їх сполученні з очисними вибоями.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено експериментальний зразок вентилятор-ежекторної установки (ВЕУ) для відведення і розведення метаноповітряної суміші (МПС) з тупика погашення вентиляційної виробки при стовповій системі розробки з видачею вихідного вентиляційного струменя на масив вугілля.

2. Визначено параметри низьконапірної ежекторної установки, її аеродинамічна характеристика, а також закономірності впливу вентилятор-ежекторної установки на аеродинамічні параметри провітрювання виїмкової дільниці.

3. На основі низьконапірної ежекції розроблено новий спосіб підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками при стовповій системі розробки.

4. Розроблено методику визначення нормативного об’єму подачі свіжого повітря на виїмкову дільницю й оперативне зниження концентрації метану у вихідному струмені дільниці.

5. Розроблено програму розрахунку на ПЕОМ параметрів метаноповітряного режиму в будь-якій точці зони сполучення лави з вентиляційною виробкою залежно від гірничотехнічних умов.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується прийнятими фізичними передумовами, що базуються на фундаментальних законах аерогазодинаміки, застосуванням методів імітаційного моделювання, проведенням натурних досліджень, адекватністю імітаційних моделей реальним процесам, позитивними результатами заводських випробувань експериментального зразка вентилятор-ежекторної установки.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно поставлено мету, визначено задачі досліджень, ідею роботи, сформульовано основні наукові положення, висновки, виконано постановку натурних експериментів, отримано аналітичні залежності значень раціональних параметрів вентилятор-ежекторної установки, розроблено її експериментальний зразок, а також програмне забезпечення “Газовий режим тупика” для прогнозу формування та розташування недопустимого за концентрацією газового середовища у тупиках і на сполученні лави з вентиляційною виробкою.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Дисертаційна робота в цілому й окремі її положення доповідалися й отримали позитивну оцінку і схвалення на: III Міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” (м. Дніпропетровськ – 2004 р.); науково-практичній конференції “Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі” (МакНДІ - м. Макіївка, 8-9 грудня 2004 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” (м. Дніпропетровськ – 2006 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології й устаткування для видобутку вугілля підземним способом” (Донецьк, 2006 р.); на Вченій раді Донецького Наукового центру Національної Академії наук України (2 квітня 2007 р.); на семінарі лабораторії дослідження й удосконалювання вентиляції і дегазації шахт (08.04.2007 р.); на Вченій раді ДП “ДонНВУГІ” (12.07.2007 р.); на Вченій раді НДІГС “Респіратор” (05.05.2007 р.); на семінарі лабораторії вентиляції МакНДІ (09.06.2007 р.); на міжлабораторному науково-технічному семінарі лабораторій дослідження та вдосконалювання вентиляції і дегазації шахт, очисних робіт, проведення та підтримання гірничих виробок шахт ДП “ДонВУГІ” (15.02.2008 р.); на розширеному засіданні науково-технічної ради відділу рудникової аерології МакНДІ (14.03.2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано самостійно й у співавторстві дев’ять друкованих праць, з них п’ять у виданнях, що входять до переліку ВАК України, одна - тези доповідей конференцій, одержано свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 23634 “Спосіб дегазації тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається, за допомогою вентилятор-ежекторної установки”.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків, що включають акт заводських аеродинамічних випробувань дослідного зразка газовідсмоктувального ежектора Э-06-13ЭУ, програмне забезпечення “Газовий режим тупика”, списку використаних джерел із 112 найменувань. Повний обсяг дисертації містить 159 сторінок, у тому числі 125 сторінок машинописного тексту основної частини, 50 рисунків, 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконано аналіз існуючих способів і засобів запобігання загазуванню, спалахам і вибухам метану в тупикових вентиляційних виробках і їх ефективність.

Вагомий внесок під час вирішення питань управління газовим режимом дегазації виробленого простору при розробці вугільних родовищ внесли багато видатних учених, серед яких слід зазначити Лідіна Г.Д., Айруні А.Т., Карпова О.М., Гершуна О.С., Агафонова О.В., Боброва А.І., Попова І.Н., Шейка В.М., Клейнера А.А., Сенченка І.С., Яковлєва В.С., Дмитрієва В.А., Касімова О.І., Пака В.С., Карнауха М.В., Алєксєєва А.Д., Брюханова О.М. і інших учених. За кордоном аналогічні дослідження проводили Ванде Лойзе, І. Кнуттель, А. Грушка та інші.

Формування місцевих і шарових скупчень метану в тупику погашення вентиляційного штреку визначається значною мірою швидкістю руху повітря в лаві, величиною привибійної зони й витоками повітря через вироблений простір.

Основним джерелом газовиділення у разі утворення місцевих скупчень метану на сполученні лави з вентиляційною виробкою і в тупику її погашення є газовиділення з виробленого простору діючої, а в окремих випадках і сусідньої відпрацьованої лав.

Метан з виробленого простору надходить у тупик погашення вентиляційної виробки, а за наявності біля вентиляційної виробки ізолятора (чурбакової стінки, бутокострів тощо) – і у верхню частину лави.

Концентрація метану в тупику погашення залежить від газовиділення з виробленого простору лави, величини витоків повітря через нього, перерізу виробки і може досягати вибухонебезпечних значень.

Раніше проведеними дослідженнями встановлено, що концентрація метану у виробленому просторі по мірі віддалення від очисного вибою поступово зростає, досягаючи максимуму на відстані більше 50 м.

Чинні нормативні документи не завжди забезпечують безпечне відпрацьовування пластів вугілля при зворотноструминних схемах провітрювання з видачею вихідного струменя на масив вугілля і вимагають їх удосконалювання.

Таким чином, при стовповій системі розробки і зворотноструминній схемі провітрювання найбільш імовірним місцем утворення місцевих і шарових скупчень метану є тупики погашення вентиляційних виробок, а основним джерелом надходження метану в них - газовиділення з виробленого простору.

Існуючі способи відведення метану з тупика погашення вентиляційної виробки мають ряд істотних недоліків, що пов'язано з необхідністю відведення метану за межі виїмкової дільниці, або видалення його у вентиляційну виробку без попереднього розведення.

Одним з ефективних шляхів усунення зазначених недоліків є розробка нового безпечного способу відведення метану з тупика погашення вентиляційної виробки при стовповій системі розробки і зворотноструминній схемі провітрювання. Для вирішення поставленої задачі треба було: дослідити умови утворення місцевих скупчень метану в тупиках погашення і на сполученнях вентиляційних виробок з очисними вибоями й існуючі способи та засоби запобігання загазуванням, спалахам і вибухам метану в тупиках вентиляційних виробок; дослідити аерогазодинаміку тупикової частини вентиляційної виробки чисельними методами розв’язання систем рівнянь математичної фізики; визначити вплив вентилятор-ежекторної установки на аеродинамічні параметри виїмкових дільниць; розробити програмні комплекси і технічні рішення для розрахунку та проектування розроблених засобів дегазації.

Виконаний аналіз робіт інших авторів дозволив сформулювати мету роботи і задачі дослідження.

В другому розділі розглядається математична модель розподілу потоків суміші метану та повітря у виробленому просторі й у площинах поздовжнього і поперечного перерізу тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається.

Конвективно-дифузійне перенесення газового середовища в довільному об’ємі тупикового простору розглядається в проекціях u і v (у м/c) вектора швидкості газового потоку на площину вертикального поздовжнього перерізу тупика (рис. 1.). Просторові координати x і z (у м) відлічуються від завалу тупика – у горизонтальному напрямку, і ґрунту тупика – у вертикальному напрямку.

Рис. 1. Схема надходження витоків повітря з виробленого простору в тупик і на сполучення лави з вентиляційною виробкою.

Умовно прийнято, що всі витоки, від завалу тупика до сполучення з лавою, проходять через площину , яка має фіктивний одиничний поперечний розмір (ширина тупика може складати 4,5 м).

Розподіл газових потоків у тупиковому просторі моделюється на підставі узагальненого диференціального рівняння конвективно-дифузійного перенесення газового середовища:

, (1)

де і - (2)

сумарні конвективно-дифузійні потоки субстанції (кількості руху, маси), розмірність яких залежить від виду фізичної змінної (ФЗ);

Ц – фізична змінна (ФЗ): швидкість газового потоку u або v (у м/с); об'ємний вміст (концентрація) метану в газовій суміші C (у частках одиниці);

– густина газового середовища, кг/м3;

u і v – горизонтальна і вертикальна складові швидкості потоку газового середовища, відповідно, м/с; –

показник інтенсивності дифузійного перенесення субстанції по горизонтальних шарах і вертикальних перерізах площини; –

джерело тяги або маси.

Рівняння руху газового середовища по шарах і перерізах потоку виходять при або ; – кінематичної в'язкості газового середовища, :

; (3)

. (4)

У рівняннях (3) і (4) є різницею між динамічним тиском у потоці: , Па; і втратами тиску, обумовленими в'язкістю газової суміші (силами тертя): , , , ; – динамічна в'язкість середовища, .

Джерелами тяги (праві частини рівнянь) є: градієнти тиску , (у Н/м3); і гравітаційні сили (природна конвекція), що діють на одиницю об'єму газового середовища, hе, (у Н/м3), у напрямках координатних осей. Природна тяга обумовлена різницею густини чистого повітря і густини його суміші з метаном.

Вироблений простір, лава і навколишня вентиляційна мережа шахти, що примикають до тупика, а також наявність і продуктивність дегазаційного трубопроводу моделювалися умовними вітками вентиляторів із твердою характеристикою (джерелами тяги з заданими витратами) відповідно до схеми вентиляційних з'єднань, наданої на рис. 2.

Рис. 2. Схема вентиляційних з'єднань сполучення лави з вентиляційною виробкою

Припливи газового середовища з виробленого простору через завал тупика моделювалися віткою 1-4, а через бік тупика, по його довжині, – віткою 1-6. Лава зображається віткою 1-3. По ній потік вентиляції надходить до умовного вікна лави, що примикає до поздовжнього перерізу тупика, і далі, змішуючись з витоками через захисну перемичку – на вентиляційний штрек (вітка 5-0).

Необхідна продуктивність дегазаційного трубопроводу і вентилятора місцевого провітрювання (при їх наявності в устаткуванні сполучення) забезпечувалися вентиляційними параметрами віток 2-0 і 1-2.

Наявність захисної перемички імітувалася відповідним аеродинамічним опором поперечного перерізу тупика, у якому її розташовано. При цьому враховувалося, що перемичка проникна тільки по периметру.

Таким чином, отримана система рівнянь із граничними умовами і заданими дебітом метану у виробленому просторі, характеристиками вентиляторів провітрювання, продуктивністю дегазаційного трубопроводу являють собою математичне формулювання задачі вентиляції тупика у разі наявності в повітрі метанової домішки. Для проведення подальших досліджень ця модель замінялася дискретним аналогом у такий спосіб:

. (5)

При побудові дискретних аналогів диференціальних рівнянь використовувався метод контрольного об’єму, запропонований С. Патанкаром.

Розроблена дискретна імітаційна модель використовувалася надалі при теоретичних дослідженнях закономірностей формування вибухонебезпечних об’ємів газового середовища в тупику погашення.

Відповідно до наданої дискретної аналогової моделі конвективно-дифузійного масоперенесення і прийнятою схемою вентиляційних з'єднань виїмкової дільниці, тупиковий простір представляється сітковою областю (сіткою) , як показано на рис. 3.

Така сітка дозволяє робити моделювання розподілу потоків у тупику, вікні лави і частини вентиляційного штреку на відстані не менше 25м від завалу.

Рис. 3. Розрахункова сіткова область об'єкта досліджень

Задача закономірності розподілу концентрації метану в поперечних перерізах тупика залежно від припливів метану і повітря вирішувалася шляхом математичного моделювання фільтраційних потоків метаноповітряної суміші у виробленому просторі в площині довільного поперечного перерізу тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається, у двовимірній постановці. Одна просторова координата x, м, відраховувалася від відкатного штреку уздовж лави, інша – z, м, – від підошви розроблюваного пласта у вертикальному напрямку.

Тиск (депресія вентилятора) на межах розрахункового перерізу і потужність джерел метановиділення вважаються відомими. Одержана система рівнянь для даного випадку вирішувалася чисельним Simplex-методом.

Аналіз результатів розрахунків показав, що при реальних величинах депресії виїмкової дільниці, витоків повітря і дебіту метану, газове середовище виробленого простору на підході до бічної поверхні тупикової частини виробки під впливом гравітаційних сил розшаровується. Відбувається стратифікація витоків по висоті. На рис. 4 зображено один з варіантів розрахунків концентрації в перерізі тупика, віддаленому на 3 м від лінії вибою лави, при витоках повітря 300 і газовиділенні 4 … 10, довжині лави 250 м. Максимальна концентрація метану становить 3,5 %. На підставі отриманого розподілу концентрації метану було висунуто гіпотезу про струминне витікання витоків повітря в поперечний переріз тупика.

Рис. 4. Залежність концентрації метану в поперечному перерізі тупика від відстані до підошви та газовиділення

Крім того, витоки можуть бути класифіковані як компактні струмені, тому що до моменту зіткнення з протилежним боком тупика або з його ґрунтом концентрація метану в них практично не змінюється, а, отже, траєкторії збігаються з ізолініями концентрацій.

На рис. 5 представлено варіант моделювання газового режиму в поперечному перерізі тупикової виробки у разі витікання струменя в горизонтальному напрямку (витоки повітря 300; метановиділення 5 ). Перевірку зробленого припущення виконано за результатами експериментальних досліджень фактичного розподілу концентрації метану в тупиковій частині вентиляційної виробки, що погашається, 81 західної лави пласта шахти ім. 60-річчя України ВО “Лисичанськвугілля”, що відпрацьовує пласт потужністю 0,9 м при куті падіння 170.

Рис. 5. Розподіл концентрації метану в поперечному перерізі тупика у 2 м від лави

Система розробки пласта - стовпова, схема провітрювання зворотноструминна. Витрата повітря на виїмковій дільниці 640 , багатогазовість лави у разі навантаження 640 складає 6,0 , у тому числі з виробленого простору - 4,0 .

Таким чином, у результаті проведених досліджень встановлено, що при існуючих на шахтах режимах провітрювання виїмкових дільниць і реальному газовиділенні витоки повітря з виробленого простору біля межі з бічною поверхнею тупикової частини виробки, що погашається, розшаровуються за рівнем концентрації метану і надходять у тупик у вигляді струминного витікання з параболічною траєкторією.

Результати цих досліджень використовувалися у разі завдання розподілу припливів газової суміші через завал і бік тупика, що межує з виробленим простором, у ході моделювання розподілу газових потоків і концентрації метану в поздовжньому перерізі тупика.

У третьому розділі обґрунтовуються параметри способу підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками при стовповій системі розробки. Він базується на дегазації тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається.

До вимог для розробки такого способу дегазації належать такі:

- можливість відмовлення від твердого металевого трубопроводу для ізольованого відведення метану і заміна його самою вентиляційною виробкою;

- забезпечення подачі додаткової витрати свіжого повітря у вентиляційну виробку по гнучкому вентиляційному трубопроводу;

- відведення метаноповітряної суміші з тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається, і її викидання, після попереднього розведення до припустимої концентрації, у вентиляційну виробку.

Ці умови можуть бути виконані за допомогою застосування вентилятор-ежекторної установки, до складу якої входять вентилятор місцевого провітрювання, ежектор і трубопроводи, що з’єднують їх.

Технологічну схему дегазації тупикової частини вентиляційної виробки надано на рис. 6.

Рис. 6. Схема дегазації тупикової частини вентиляційної виробки за допомогою ежектора:

1 - вентилятор місцевого провітрювання (діючий і резервний); 2 - гнучкий нагнітальний трубопровід; 3 - ежектор; 4 - усмоктувальний гофрований трубопровід; 5 - короткий трубопровід, що відводить - змішувальна камера; 6 – захисна перемичка; 7 - ізолювальна перемичка з дверима.

Ежектор являє собою струминний апарат, у якому повний тиск ежектованого потоку збільшується під дією струменя більш високонапірного (ежектувального) потоку. Передача енергії від одного потоку до іншого відбувається в результаті їх турбулентного змішування.

Експериментальний зразок ежектора, призначеного для ізольованого відведення метану з тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається, був випробуваний на аеродинамічному стенді НДІГМ ім. М.М. Федорова.

Схему вимірювального стенда надану на рис. 7.

Визначення аеродинамічних параметрів ежектора здійснювалося при діаметрі нагнітального трубопроводу і змішувальної камери 0,6 м. Діаметр усмоктувального металевого трубопроводу складав 0,416 м. Розміри вимірювальних ділянок трубопроводів відповідали вимогам ГОСТ 10921- 64 на проведення аеродинамічних випробувань.

Вимір параметрів атмосферного повітря проводився за допомогою стандартних приладів: барометра БАММ-1, термометра МВ-4М.

Витрата повітря в усмоктувальному трубопроводі вимірялася стандартним колектором діаметром 416 мм.

Рис. 7. Схема аеродинамічного стенда:

1 - вентилятор ВМ-6; 6 - шиберний пристрій;

2 - ежектор; 7 - колектор О 416 мм;

3 - нагнітальний трубопровід; 8 - мікроманометр ММН-250;

4 - усмоктувальний трубопровід; 9 - трубка повітромірна.

5 - змішувальна камера;

Швидкість повітря в трубопроводах визначалася повітромірними трубками. Величини динамічних і статичних тисків - мікроманометрами ММН-250. Усі прилади пройшли держперевірку (свідоцтво про перевірку стану вимірювальної техніки від 09.09.2005 № 1784).

Акустичні випробування ежектора здійснювалися шумовимірювальним комплектом фірми “Брюль і К’єр”, що складається з імпульсного шумоміра, мікрофона і набору октавних фільтрів.

За результатами визначення аеродинамічних параметрів ежектора побудовано його аеродинамічні характеристики, наведені на рис.8.

Рис. 8. Аеродинамічна характеристика ежектора у разі геометричного коефіцієнта ежекції 0,4 залежно від витрати подаваного в нього повітря

Виконаний обсяг заводських стендових випробувань дозволяє здійснювати проектування, як самого ежектора, так і вентилятор-ежекторної установки, до складу якої він входить.

На базі математичної моделі процесів газообміну в тупиковій частині вентиляційної виробки, що погашається, розроблено програму “Газовий режим тупика”, яку призначено для контролю за формуванням місцевих скупчень метану в тупиковій частині вентиляційної виробки і на її сполученні з очисним вибоєм залежно від таких факторів: дебіту витоків повітря і метану у виробленому просторі; витрати повітря і газовиділення в лаві; геометричних розмірів тупикової частини вентиляційної виробки, її обладнання, тобто: наявності і місця установки захисної перемички (перемички), трубопроводу відведення газу (трубопроводу) і його продуктивності. Зазначену програму реалізовано у вигляді додатка Windows “PGRejim.exe”.

До програмного забезпечення розроблено “Керівництво користувача,” у якому надано структуру і призначення основних програмних блоків розв’язання задач конвективно-дифузійного (вентиляційного) перенесення газів у тупику з урахуванням гравітації.

Сфера застосування програмного забезпечення:

- виїмкові дільниці шахт;

- стовпова система розробки;

- відпрацювування пластів комплексно механізованими лавами;

- зворотноструминна схема провітрювання дільниці;

- погашення вентиляційних виробок після проходження очисного вибою, з вільним тупиковим простором завдовжки до 6 м.

У розділі 4 досліджено вплив роботи вентилятор-ежекторної установки на аеродинамічні параметри провітрювання виїмкових дільниць.

Фактична величина зниження витрати повітря в лаві при встановленні вентилятора місцевого провітрювання визначалася розрахунком на ПЕОМ. При цьому повністю враховувалися параметри ВГП, виробок мережі шахти за межами дільниці й усередині її, розподіл депресії по маршруту між свіжими і вихідними струменями, параметри трубопроводу і вентилятора місцевого провітрювання, фактичний стан виробок і вентиляційних споруджень, витоки повітря через вироблений простір і трубопровід.

Величина витоків повітря в трубопроводі визначається відповідно до “Керівництва з проектування вентиляції вугільних шахт”.

У цілому, під час розроблення розрахункової схеми моделі, як правило, не робиться яких-небудь істотних спрощень, пов'язаних з утратою точності відображення стану мережі і провітрювання при роботі ВЕУ.

Зміна аеродинамічних параметрів провітрювання виїмкових дільниць у разі використання вентилятор-ежекторної установки виконано на прикладі умов шахти “Краснолиманська”.

Для оцінки ступеня впливу роботи вентилятор-ежекторної установки (ВЕУ) на витрату повітря в лаві на ЕОМ здійснено розрахунки повітророзподілу по виробках виїмкової дільниці 1 північної лави пл. l3. Дільниця розташовується в мережі вентилятора ВЦД-47у і провітрюється за зворотноструминною схемою з послідовним розведенням шкідливостей по джерелах їх надходження в рудникову атмосферу. Система розробки - стовпова з погашенням вентиляційного штреку слідом за посуванням лави.

Для дослідження ступеня впливу витоків повітря у повітроподавальному трубопроводі ВЕУ на аеродинамічні параметри провітрювання виїмкової дільниці були проведені на ЕОМ додаткові розрахунки повітророзподілу по виробках при збільшенні витоків (рис. 9).

Аналогічні дослідження проведено на шахті ім. О.Г. Стаханова, які показали, що ВЕУ може виконувати функції відведення метаноповітряної суміші з тупика погашення вентиляційної виробки, а в період витягування кріплення - провітрювати даний тупик.

Виведено залежність для визначення мінімальної кількості повітря, яке слід подавати на виїмкову дільницю для розведення метану до припустимої концентрації (1%) з урахуванням газовідсмоктування з тупика погашення за допомогою вентилятор-ежекторної установки. Витрата повітря на виїмковій дільниці не повинна бути менше ніж:

Рис. 9. Зміна витрати повітря на дільниці 1 північної лави пл. l3
ш. “Краснолиманська” при роботі ВЕУ:

1 - струмінь, що надходить на дільницю; 2 - струмінь, що виходить з дільниці; 3 - очисний вибій; 4 - струмінь, що надходить з тупика погашення:

а - у разі kеж = 0,3, в – у разі kеж = 0,36, с – у разі kеж = 0,5; 5 - витоки повітря через вироблений простір.

Надані залежності дозволяють попередньо визначити мінімально необхідну витрату повітря для провітрювання очисного вибою і виїмкової дільниці в цілому з урахуванням взаємовпливу загальношахтних засобів провітрювання і місцевих джерел тяги на виїмковій дільниці для забезпечення нормального аерогазового режиму на дільниці, а також правильно вибрати необхідні параметри вентилятор-ежекторної установки. Результати теоретичних і експериментальних досліджень включено до пропозицій для розроблюваного галузевого нормативного документа - СОУ “Проектування вентиляції вугільних шахт”.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій на підставі аналізу умов утворення місцевих скупчень метану на сполученні лави з вентиляційною виробкою і у тупику її погашення надано рішення актуального науково-технічного завдання забезпечення безпеки робіт при прогресивній стовповій системі відпрацювання і зворотноструминній схемі провітрювання, найширше застосовуваної на шахтах України. Робота базується на основі аналізу шахтних досліджень, розрахунків і теоретичних розробок.

Результати досліджень дозволили зробити такі висновки та рекомендації:

1. Подальшого розвитку дістали уявлення про механізм надходження метану та витоків повітря, що проходять по виробленому простору, у тупикову частину вентиляційної виробки, що погашається, і формування в ній газової обстановки в результаті ранжирування потоків за концентрацією метану.

2. Визначені закономірності формування полів концентрації метану в тупику погашення залежно від газовиділення з виробленого простору, кількості повітря і швидкості його руху.

3. Існуючі способи підвищення вибухобезпеки лав на сполученні з вентиляційними виробками мають ряд недоліків, що часто є причиною загазування виробок, спалахів і вибухів метану.

4. Удосконалено математичну модель процесів масопереносу в тупику погашення вентиляційної виробки на сполученні з очисним вибоєм і програмне забезпечення, яке реалізує цю модель, що дозволяє визначати можливість формування, розміри вибухонебезпечного об’єму газового середовища в тупику погашення, у вікні лави і у вентиляційному штреку залежно від конструкції сполучення лави з тупиком, зміни довжини тупика в процесі технологічного циклу, розташування і величини аеродинамічного опору захисної перемички, продуктивності і розташування дегазаційного трубопроводу.

5. Вперше обґрунтовано можливість і ефективність використання низьконапірної ежекції, забезпечуваної вентилятором місцевого провітрювання, розроблення вентилятор-ежекторної установки і застосування її для дегазації тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається.

6. На основі моделювання розподілу газових потоків і концентрації метану в об’ємі тупикової виробки, результатів експериментальних робіт і шахтних спостережень розроблено ефективні параметри способу підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками у разі стовпової системи розробки за допомогою вентилятор-ежекторної установки.

7. Розроблено і випробувано експериментальний зразок ежектора, що про-йшов успішні випробування на аеродинамічному стенді в лабораторії шахтних вен-тиляторних установок ВАТ НДІГМ ім. М.М. Федорова.

8. Визначено область і умови застосування вентилятор-ежекторної уста-новки для підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками.

9. Розроблено принципову схему і методику розрахунку на ПЕОМ впливу роботи вентилятор-ежекторної установки на аеродинамічні параметри провітрю-вання виїмкових дільниць. На прикладі двох діючих шахт (ВК “Шахта “Краснолиманська” і шахта ім. О.Г. Стаханова) показано, що величина коефіцієнта ежекції і витоків повітря через стики нагнітального трубопроводу не роблять істотного впливу на витрату повітря в лаві. При цьому експериментально визначено мінімально необхідну витрату повітря для провітрювання лави у разі використання вентилятор-ежекторної установки.

10. Результати теоретичних і експериментальних досліджень буде використано під час розроблення “Технологічних схем дегазації тупикової частини вентиляційних виробок, які погашаються”.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грядущий В. Б. Анализ методов и средств дегазации угольных шахт и пути их совершенствования / В.Б. Грядущий // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок : Зб. наукових праць НДІГМ ім. М.М. Федорова : Вип. 99. – Донецьк, 2004. - С. 244-258.

2. Грядущий Б. А. Корреляционно-статический метод построения дегазационных систем метанообильных шахт / Б. А. Грядущий, В. Б. Грядущий, Н. А. Алиев, А. Е. Исаев // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах : Сб. научных трудов. – Макеевка, 2005. - С. 149-156.

3. Грядущий В. Б. Существующие средства и способы предотвращения вспышек метана в тупиках погашаемых вентиляционных выработок и их эффективность / В. Б. Грядущий // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок : Зб. наукових праць НДІГМ ім. М.М. Федорова : Донецьк, 2005. - С. 206-212.

4. Грядущий В. Б. Предотвращение взрывов и вспышек метана в тупиках погашения вентиляционных выработок / В. Б. Грядущий, Е. Я. Самойленко // Уголь Украины. - 2006. - № 3. - С. 36-38.

5. Грядущий В. Б. Исследование газового режима тупиковой части погашаемой вентиляционной выработки при работе газоотсасывающего трубопровода / В. Б. Грядущий, А. В. Ревякин // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок : Зб. наукових праць НДІГМ ім. М.М. Федорова : Вип. 100. – Донецьк, 2006. - С. 95-102.

6. Грядущий В. Б. Исследования влияния работы вентилятор-эжекторной установки (ВЭУ) на аэродинамические параметры проветривания выемочных участков / В. Б. Грядущий, Н. В. Карнаух, Е. Я. Самойленко // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок : Зб. наукових праць НДІГМ ім. М.М. Федорова : Вип. 100. – Донецьк, 2006. - С.84-95.

7. Грядущий В.Б., Золотухін І.Є. Науковий твір "Спосіб дегазації тупикової частини вентиляційної виробки, що погашається, за допомогою вентилятор-ежекторної установки" / Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 23634 від 01.02.08.

8. Грядущий В. Б. Применение турбулизаторов воздуха для борьбы с местными скоплениями метана и улучшения климатических условий в горных выработках / В. Б. Грядущий, П. П. Шведик, Н. В. Карнаух, Е. Я. Самойленко // Проблемы разработки угольных месторождений Украины : Работы ДонУГИ. – Донецк : ООО "Алан", 2005. - С. 79-85.

9. Грядущий В. Б. Дегазация тупиковой части вентиляционной выработки при помощи вентилятор-эжекторной установки / В. Б. Грядущий // Современные технологии и оборудование для добычи угля подземным способом. : междунар. конф. : тезисы докладов. - Донецк : ООО "Вега-Принт", 2006. - С. 52-53.

Особистий внесок автора у роботи, опубліковані у співавторстві:

[2] - огляд, постановка задач, збір даних і аналіз результатів, розробка кореляційно-статистичного методу оцінки дегазаційних систем;

[4] - постановка задачі, збір і аналіз даних стосовно загазування виробок, спа-лахів і вибухів метану, їх причин та заходів запобігання;

[5] - розробка математичної моделі процесів масоперенесення у тупику по-гашення вентиляційної виробки та на її сполученні з очисним вибоєм;

[6] - постановка задачі, розробка математичної моделі підключення вентилятор-ежекторної установки (ВЕУ) до вентиляційної мережі шахти, ви-значення впливу її роботи на аеродинамічні параметри виїмкової дільниці залежно від подачі ВМП, витоків повітря через трубопровід, коефіцієнта ежекції;

[7] - запропонована аеродинамічна схема, визначені геометричні розмі-ри ежектора, потрібного для роботи в складі вентилятор-ежекторної устано-вки, участь у заводських стендових випробуваннях;

[8] - аналіз газових умов у тупику вентиляційної виробки, яка погашається, і способів їх нормалізації.

АНОТАЦІЯ

Грядущий В.Б. Розробка способу підвищення вибухобезпеки на сполученнях лав з вентиляційними виробками при стовповій системі відпрацювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01. – “Охорона праці”. - Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, Макіївка, 2008.

Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової проблеми керування газовим режимом на сполученнях очисних вибоїв з вентиляційними виробками при стовповій системі розробки.

Виконано аналіз існуючих способів і засобів запобігання загазуванню, спалахам і вибухам метану в тупиковій частині вентиляційної виробки, що погашається, і на її сполученні з лавою, визначено їх ефективність. Показано, що формування місцевих і шарових скупчень метану в тупику погашення вентиляційної виробки і на її сполученні з лавою визначається швидкостями руху повітря, величиною витоків повітря через вироблений простір і газовиділенням у ньому.

Показано, що формування місцевих і шарових скупчень метану в тупику погашення вентиляційної виробки і на її сполученні з лавою визначається швидкостями руху повітря в тупику і його довжиною, величиною витоків повітря через вироблений простір і газовиділенням у ньому.

Розроблена дискретна імітаційна модель для дослідження закономірностей формування вибухонебезпечних об’ємів газового середовища, розподілу концентрації метану по перерізу та довжині тупикової частини вентиляційної виробки і на її сполученні з очисним вибоєм.

Установлено, що витоки повітря з виробленого простору біля межі з бічною поверхнею тупикової частини виробки, що погашається, розшаровуються за рівнем концентрації метану і зосереджено надходять у тупик, що погашається, у вигляді струминного витікання з параболічною траєкторією. Вперше розроблено програму “Газовий режим тупика” і керівництво користувача.

Обґрунтовано спосіб дегазації тупикової частини вентиляційної виробки за рахунок низьконапірної ежекції, розроблено і випробувано експериментальний зразок вентилятор-ежекторної установки (ВЕУ), визначено його раціональні аеродинамічні параметри та сфера застосування.

Розроблено математичну модель включення вентилятор-ежекторної установки у вентиляційну мережу шахти для розрахунків на ПЕОМ повітророзподілу по виробках без втрати точності.

Установлено вплив роботи та продуктивності вентилятор-ежекторної установки, витоків повітря крізь нещільності в трубопроводі і коефіцієнта ежекції на аеродинамічні параметри виїмкових дільниць і очисних вибоїв.

Виведено залежність для визначення мінімальної кількості повітря, яку слід