Актуальность работы. Важнейшей проблемой стратегии управления качеством охраны труда при подземных горных работах является организация эффективного комплексного и экономически рационального использования вентиляционных систем. Подход, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов проектирования вентиляции угольных шахт, является перспективным направлением аэрологии горных предприятий в России и за рубежом.
Действующее руководство по проектированию вентиляции угольных шахт предусматривает расчет количества воздуха, необходимого для проветривания горных выработок, из условия статического разжижения газа. При этом прогноз газообильности основан на эмпирических формулах, удовлетворительно описывающих средний газовый фон, но не учитывающих динамики экстренных газовыделений вследствие колебаний статического давления воздуха в шахте.
Поэтому особую актуальность в современных условиях приобретает проблема научного обоснования метода прогноза газообильности и расчета количества воздуха для совершенствования системы вентиляции газообильных шахт, обеспечивающей безопасные условия труда и способствующей сохранению жизни и здоровья работающих в подземных горных выработках.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование установления закономерностей процесса тепло-газопереноса в горных выработках для определения обескислороживания воздуха в рудниковой атмосфере угольных шахт.
Идея работы заключается в использовании закономерностей процессов тепло-газопереноса в выработке и выработанном пространстве для разработки способа определения оптимальных параметров проветривания действующей очистной выработки.
Задачи исследований:
1. Изучить физико-химические условия развития окислительных процессов угля с целью установления закономерности изменения состава рудничного воздуха в действующих выработках угольных шахт.
2. Разработать математическую модель поглощения кислорода вентиляционной струей в действующей очистной выработке в зависимости от окислительных процессов на обнаженных поверхностях угольных пластов, отбитого угля и в выработанном пространстве.
3. Разработать метод расчета концентрации кислорода в вентиляционной струе в зависимости от степени развития окислительных процессов в выработанном пространстве, на отработанных поверхностях угольного пласта и отбитого угля.
Методы исследований. Основными методами являются: аналитические и экспериментальные исследования физических условий процессов самонагревания угляиспользование современных измерительных средств с последующей обработкой информации на персональных компьютерахфизическое моделирование и изучение процессов в натурных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Развитие происходящих в горных выработках окислительных процессов в зависимости от теплофизических характеристик угля и вмещающих пород, величины утечки воздуха и его влажности, предопределяет содержание кислорода в рудничной атмосфере.
2. Расчет концентрации кислорода в горной выработке производится последовательно за определением полей давления, температуры и скоростей фильтрации в проветриваемой зоне выработанного пространства и решением краевой задачи сохранения массы.
3. Алгоритм расчета газового состава в рудничной атмосфере предопределяет безопасность параметров проветривания горных выработок.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
1. Необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторных экспериментальных и шахтных исследований;
2. Удовлетворительной сходимостью (85%) результатов теоретических, лабораторных и шахтных исследований;
3. Положительными результатами экспериментальных исследований разработанного способа расчета концентрации кислорода в натурных условиях и внедрением рекомендаций на шахтах Кузбасса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— реализована система дифференциальных уравнений, описывающих процессы движения воздуха, массообмена вдоль очистной выработки, фильтрации утечек воздуха в пористой среде, теплового баланса среды, фильтрующегося воздуха и баланса кислорода для выработанного пространства действующего выемочного участка;
— доказана сходимость методов численного решения системы дифференциальных уравнений;
— разработан алгоритм расчета газового состава в вентиляционной струе очистной выработки, позволяющий определить безопасные параметры ее проветривания.
Личный вклад автора состоит:
— в разработке математической модели формирования газорого состава рудничного воздуха в очистной выработке в зависимости от степени развития окислительных процессов;
— в разработке программ для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода, численного алгоритма реализации системы уравнений, алгоритма решения системы уравнений движения воздуха, теплопроводности и баланса кислорода;
— в проведении натурных исследований и последующей обработке полученных результатов;
— в разработке способа определения оптимальных параметров проветривания действующей очистной выработки для шахт Кузбасса.
Практическая ценность работы:
Полученные соискателем результаты позволяют:
— определять газовый состав рудничного воздуха в очистной выработке в зависимости от степени развития окислительных процессов;
— разработать и оперативно исследовать программы для расчета полей скоростей, температур и концентрации кислорода;
— разработать численные алгоритмы реализации системы уравнений, их решения для движения воздуха, теплопроводности и баланса кислорода;
— разработать способ определения оптимальных безопасных параметров проветривания действующей очистной выработки для шахт Кузбасса.
Реализация работы:
Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при составлении целого ряда инструкций по охране труда и ликвидации горноспасателям аварийных ситуаций в шахтах (г. Кемерово, СНПО «Горноспасатель», ОВГСО, 2004;2006), а также при разработке устройств и агрегатов для горноспасательных работ (г. Кемерово СНПО «Горноспасатель» 2005;206).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседании ученого совета НЦ ВостНИИ (г. Кемерово,.
2005), РосНИИГД (г. Кемерово, 2005, 2006), Кемеровского регионального института повышения квалификации Минтопэнерго РФ (г. Кемерово,.
2006), ОВГСН (г.г. Кемерово, Прокопьевск, Новокузнецк, 2005, 2006).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 11 статей, в том числе 1 патент на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 92 страницах текста, включая 9 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников из 27 наименований.
ВЫВОДЫ.
1. Математическая модель баланса кислорода в очистной выработке, в основном, адекватно отражает реальность;
2. Полученную погрешность можно объяснить тем, что при расчетах применялись коэффициенты, отражающие физико-химические свойства угля и вмещающих пород, рассчитанные в среднем для пласта, без учета возможных аномалий в конкретных условиях.
3. Для практического применения разработанного комплекса программ необходимо провести дополнительные исследования физико-химических свойств угля и вмещающих пород, а также аэродинамики выработанного пространства при бесцеликовой системе разработки.
5. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКИ ДЛЯ ШАХТ КУЗБАССА.
При подземной разработке угольных пластов, в особенности пластов склонных к самовозгоранию, поглощение кислорода на окисление может являться опасным с точки зрения пригодности для дыхания рудничной атмосферы. Определение оптимального количества воздуха для проветривания очистных и подготовительных забоев в этом случае достаточно затруднительно, поскольку в настоящее время отсутствуют надежные инструментальные методы определения количества поглощенного кислорода. Положение осложняет наличие фильтрационных утечек из горных выработок в ранее отработанное пространство и очаги активного самонагревания в них.
Предлагаемый способ оценки обескислороживания рудничного воздуха для определения оптимального режима проветривания основан на математическом моделировании окислительных процессов на обнаженных поверхностях выработок с учетом влияния фильтрационных утечек воздуха в примыкающее выработанное пространство и наличия в нем очагов активного самонагревания.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исt следований для реализации этой математической модели в конкретных условиях угольных шахт был разработан комплекс программ «ВОЗДУХ» в среде Delphi. Перечень исходной информации для проведения расчетов представлен в таблице 5.1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по математическому моделированию формирования газового состава в рудничной атмосфере, имеющей существенное значение для обеспечения безопасных и комфортных условий труда горняков.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Изучены физико-химические условия развития окислительных процессов и установлены закономерности изменения состава рудничного воздуха в действующих выработках угольных шахт.
2. Установлено, что определяющими факторами в развитии окислительного процесса являются теплофизические характеристики угля и вмещающих пород, величина утечки воздуха и его влажность.
3. Установлено, что расчет концентрации кислорода в горной выработке должен производиться последовательно за определением полей давления, полей температуры и скоростей фильтрации в проветриваемой зоне выработанного пространства и решения краевой задачи сохранения массы.
4. Установлено, что применение на практике разработанного алгоритма расчета газового состава в атмосфере очистного забоя в значительной мере облегчает определение безопасных параметров проветривания горных выработок.
5. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что концентрация кислорода в очистной выработке изменяется не линейно, а с меньшей интенсивностью на поступающей струе и с большей в районе вентиляционного штрека. Содержание кислорода в воздушной струе характеризует состояние равновесия между его убылью на окислительные процессы в очистной выработке и выработанном пространстве.
6. Разработан способ оценки обескислороживания рудничного воздуха для определения оптимального режима проветривания, основанный на математическом моделировании окислительных процессов на обнаженных поверхностях угольного пласта в горных выработках с учетов влияния фильтрационных утечек воздуха в примыкающее к очистному забою выработанное пространство и наличия в нем очагов активного самонагревания.
