Введение к работе
Актуальность работы. Устойчивое обеспечение потребностей страны во всех видах минеральных ресурсов, топлива и энергии будет по-прежнему осуществляться за счет увеличения добычи полезных ископаемых. В настоящее время активно развивается добыча нерудного сырья подземным способом. Ведется проектирование и строительство новых рудников Верхнекамского месторождения калийных руд, рудника месторождения Сатимола в Казахстане, Декханабадского завода калийных удобрений в Узбекистане. Освоение Гремячинского месторождения – это первый за последние 20 лет реализуемый проект освоения нового калийного месторождения на территории СНГ и в Европе. ОАО «МХК «Еврохим» также рассматривает вопрос о разработке ещё одного калийного месторождения – Палласовского (Эльтонского), также расположенного в Волгоградской области.
Наращивается добыча гипса. Большая часть всех запасов гипса (75%) сосредоточена в 9-ти крупнейших месторождениях с запасами более 100 млн. тонн каждое – Новомосковское, Павловское, Скуратовское, Болоховское, Плетневское, Баскунчакское, Лазинское, Порецкое и Оболенское. В настоящее время объем добычи гипса в России достиг примерно 6 млн. т. В год, что составляет 5-6% мировой добычи.
Высокие темпы развития добычи нерудного сырья подземным способом предъявляют особые требования к обеспечению эффективного и безопасного горного производства, важнейшим фактором которого являются газовые факторы и климатические параметры рудничного воздуха. В условиях перехода к рыночной экономики, а особенно в условиях реальных рыночных отношений, достоверность прогноза безопасности горных работ по газовому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью горных работ по газовому фактору приводит к крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт и рудников. С другой стороны, системный подход к данной проблеме может уменьшить вероятность возникновения аварий, а достоверный прогноз газовыделений может существенно снизить расчетное количество воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков, что уменьшает эксплуатационные затраты на вентиляцию шахт при сохранении высокого уровня безопасности горных работ.
Российскими учеными разработаны научные основы фильтрационно-диффузионных методов прогноза газовыделений и газовых ситуаций в горных выработках, основанные на использовании фундаментальных законов термодинамики и физической химии, что существенно повысило достоверность прогноза.
Следовательно, совершенствование и развитие системного подхода к прогнозу и управлению опасными газовыми ситуациями на предприятиях минерально-сырьевого комплекса является чрезвычайно важным. Таким образом, исследование аэрогазодинамических процессов в выемочных камерах при добыче гипса и калийной руды является актуальной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей аэрогазодинамических процессов в горных выработках и выемочных камерах при подземной добыче гипса и калийной руды для совершенствования методики прогнозирования газовых ситуаций при нормальных и аварийных режимах вентиляции, что повысит эффективность практической реализации автоматизированных систем управления вентиляцией рудников.
Идея работы заключается в том, что совершенствование методики прогнозирования газовых ситуаций при нормальных и аварийных режимах вентиляции для повышения эффективности практической реализации автоматизированных систем управления вентиляцией рудников основывается на адекватных математических моделях прогнозирования газовых ситуаций с учетом процессов диффузионного переноса газовых примесей в рудничной атмосфере и релаксации давления в вентиляционных сетях, обусловленных аварийными режимами вентиляции.
Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем.
-
Динамика газовыделения в очистные камеры калийных рудников, удовлетворительно описывается решениями линеаризованных уравнений параболического типа с источником, учитывающим динамику десорбции газа, при этом прогноз газовыделений с поверхности обнажения калийного пласта следует осуществлять для времени, соответствующего длительности выемочных работ в очистной камере.
-
После окончания выемочных работ в камере ее абсолютная газообильность будет постоянно снижаться до практически нулевых значений по параболическому закону, что необходимо учитывать при расчете обособленного проветривания отработанных выемочных камер.
-
Взаимодействие кислорода с веществом полезного ископаемого в горном массиве представляет собой многостадийную, гетерогенную реакцию, а перенос кислорода к реагирующим поверхностям вещества полезного ископаемого посредством фольмеровской и кнудсеновской диффузии провоцирует их взаимодействие, при этом процессы низкотемпературного окисления могут приводить к выделению токсичных газов в рудничную атмосферу.
-
Количество воздуха, необходимое для проветривания рабочей зоны очистной камеры рудника по токсичному газу, целесообразно определять используя теоретическую кратность воздухообмена, зависящую от геометрических параметров очистной камеры и параметров, характеризующих интенсивность газовыделения.
Новизна теоретических положений:
- получены аналитические закономерности газовыделений из разрабатываемого калийного пласта в очистные камеры рудников, отличающиеся тем, что динамика газовыделений описывается с учетом процесса десорбции газов;
- предложены математические модели для прогноза газовых ситуаций в очистных камерах и горных выработках, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на основе установленных закономерностей динамики газовыделений, входящих в уравнение конвективно-турбулентной диффузии в виде источников;
- обоснована расчетная зависимость для определения воздухообмена по фактору выделения газообразных продуктов возможных химических реакций в веществе полезного ископаемого в горном массиве, контактирующего с воздухом.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- корректной постановкой задач исследования, применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной математики;
- удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонение не превышает 20 %) и большим объемом вычислительных экспериментов;
- значительным объемом шахтных наблюдений, а также результатами анализа плановых замеров.
Практическая значимость работы заключается в том, что установленные закономерности газовыделения повышают достоверность прогноза газообильности очистных камер калийных и гипсовых рудников и дают возможность предварительного анализа газовых ситуаций, которые могут возникать при различных технологических решениях и, таким образом, позволяют оценить уровень их безопасности по газовому фактору. Разработанные математические модели для прогноза газовыделений и газовых ситуаций в рудниках существенно облегчают решение задач газовой динамики шахт за счет обеспечения диалогового режима работы пользователя с ЭВМ, что повышает эффективность САПР вентиляции.
Реализация работы. Основные выводы и рекомендации работы по прогнозированию аэрогазодинамических процессов в выемочных камерах калийных и гипсовых рудников использованы ОАО «KNAUF ГИПС Новомосковск», а также ООО «ЗУМК – Инжиниринг» на Декханабадском заводе калийных удобрений в Узбекистане. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий, а так же использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2010 – 2012 гг.); технических советах ООО «ЗУМК – Инжиниринг» (г. Пермь 2011 – 2012 гг.); Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 гг.); Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2011 г.); 3-й Международная конференция по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 6-й и 7-й Международной научно-практической конференции «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование» (г. Пермь, 2010 – 2011 гг.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей, 1 положительное решение о выдаче патента.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 189 страницах машинописного текста, состоит из 4 разделов, содержит 9 таблиц, 49 рисунков, список литературы из 208 наименований.
Автор диссертации выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.
Похожие диссертации на Прогноз аэрогазодинамических процессов в выемочных камерах при добыче гипса и калийной руды
