Введение к работе
Актуальность тем ы. Загазованность горных выработок,
чзанная с интенсификацией горных работ, увеличением глубины разра-
гки, является одним из важнейших сдерживающих факторов, оказывающих
ияние как на темпы проходческих работ, так и добычу угля подземным
особом. Как показал анализ, загазованность очистных и подготовитель-
х выработок стала причиной многих крупных, имевших тяжелые последс-
ия, аварий. В газовом балансе угольных шахт Карагандинского бассейна
іля метановыделения в подготовительные выработки, характеризуемых,
к наиболее опасные с точки зрения загазирования, достигает 50 % и
)лее. Этот фактор практически определяет статистику развития опасных
ітуаций при проведении горно-проходческих работ. Загазирование очист-
іх выработок происходит как при возвратноточной, так и прямоточной
эдготовительных, так и в очистных выработках главным источником газо-
вделения является стенка выработки, причем газ выделяется как из раз-
абатываемого пласта, так и пластов-спутников.
Дальнейшее совершенствование способов и средств проветривания держивается технологическими параметрами выработок и поэтому не поз-шяет полностью решить проблему борьбы с газом в угольной шахте. При-юняемые способы дегазации пластов и пород эффективны при длительных ;роках каптажа метана из пористого массива, что не отвечает современ-[ым требованиям технологии и механизации горных работ. Совершенствова-ше существующих способов дегазации угольных пластов и пород происходит за счет развития физико-химического, гидровзрывного, других спосо-5ов воздействия на массив. Применение методов направленного гидрорасчленения угольных пластов, соляно-кислотной обработки, гидровзрывания требует значительных материальных затрат и времени.
В связи с этим разработка научных основ борьбы с газом в угольной шахте за счет снижения метановыделения с обнаженных угольных стенок и газосодержащих пород в выработки представляет собой актуальную научную проблему, решение которой позволит повысить безопасность горных работ. Целью работы является разработка теоретических основ управления метановьщелением в горные выработки угольных шахт на базе метода статистико-детерминированных квазианалогов.
Основная идея работы состоит в том,что снижение газо-
проницаемости прилегающего к горной выработке массива обеспечиваете путем обоснования рациональных параметров физико-химического, гидроди намического и технологического способов воздействия на фильтрационны и прочностные свойства угля и горных пород.
В диссертации дано теоретическое обоснование способов борьбы < загазованностью горных выработок на основе исследования процессов ди намики жидкостей и газов в угольных и породных массивах.
Основные задачи исследований:
обосновать применение метода статистико-детерминированных квазиа налогов для решения задач фильтрации жидкостей и газов через проницаемые горные породы;
разработать математическую модель заполнения пустот в пористы средах при пропитке, учитывающей вязкие свойства жидкости и структур массива;
исследовать динамику жидкостей и газов в зоне обработки угольног< пласта и на этой основе разработать модель проницаемости пористой среды, позволяющей оценивать параметры гидропроницаемости и остаточної газопроницаемости краевой части угольного пласта;
установить общие закономерности динамики жидкости в неоднородно] анизотропной среде при нагнетании через шпуры и длинные скважины;
.. - исследовать кинетику отверждения составов в массиве, влияние физико-химической обработки на газопроницаемость и пористость среды;
определить эффективные параметры гидродинамического, взрывногс воздействия на угольный пласт, установить влияние увлажнения массив; на характер взрывного деформирования пласта;
исследовать влияние физико-химической и гидродинамической обработки краевой части угольного пласта на динамику метановыделения с обнаженной угольной стенки;
разработать модель проницаемости выработанного пространства длі решения задачи управления процессом метановыделения в выработки выемочного участка. Обосновать технологические параметры изоляции и поддержания выработки в выработанном пространстве лавы для максимапьногс снижения фильтрации метано-воздушной смеси через обрушенный угле-породный массив.
Методы исследовани й.Для решения поставленных задач в работе были использованы:
- анализ и обобщение литературных источников в области техники безе
пасности в горной промышленности, шахтной аэрогазодинамики, прикладної
теории систем;
методы математического моделирования инженерных процессов и систем;
методы многомерного статистического анализа и рационального планирования экспериментов;
лабораторные и натурные эксперименты.
Основные научные положения работы:
при увлажнении, физико-химической обработке угольных пластов и пород водными растворами синтетических смол, на процесс пропитки превалирующее влияние оказывают параметры проницаемости и пористости среды, функция распределения пустот в массиве по размерам, а также свойства нагнетаемой жидкости. Эффективность объёмного заполнения пустот жидкостью при пропитке зависит от режима фильтрации и имеет вид степенной функции от величины зияния трещин и пор;
в зоне пропитки горного массива жидкостью значения газопроницаемости и гидропроницаемости пористой среды связаны между собой линейно. При наличии экзогенной трещинноватости между параметрами проницаемости и пористости угля и пород существует зависимость, выражаемая сложной степенной функцией. Остаточная газопроницаемость массива, прилегающего к горной выработке, зависит от эффективности заполнения пустот продуктами отверждения, а также упрочняющих свойств нагнетаемого состава;
конфигурация и параметры зоны физико-химической обработки угольного пласта, прилегающего к горной выработке, определяются на основе статистико-детерминированной модели процесса нагнетания жидкости в массив через скважину, из условия квазилинейности потока и с учетом неоднородности среды.
на процесс взрывного уплотнения угля вокруг горной выработки сказывают влияние качество увлажнения пласта и прочностные свойства массива. Эффективность гидродинамического способа борьбы с газом в горной выработке возрастает с увеличением ширины зоны увлажнения по экспоненциальной кривой;
квазисетезая модель фильтрации метано-воздушной смеси через обрушенный породный массив позволяет установить влияние технологических параметров крепления и поддержания выработок на аэрогазовую ситуацию в очистных забоях при прямоточных схемах проветривания.
Достоверность научных положений подтверждается:
- эффективностью разработанных аналитических моделей при решении
- б -
поставленных задач;
высокой сходимостью результатов теоретических и эксперимент исследований. Отклонения результатов аналитических расчетов от : риментальных данных не превышали 10 %;
представительностью статистических данных, полученных в рез1 те проведения лабораторных и шахтных экспериментов. По эмпири1 уравнениям, приведенным в работе, корреляционные показатели пре: 0,6 , что свидетельствует о надежности и достоверности полученн зультатов;
эффективностью полученных технических решений по борьбе С Зі ванностью очистных и подготовительных выработок на основе упраї процессами газовой динамики во вмещающих породах и угольных плас1
Научная новизна работы заключается в с. щем:
разработаны теоретические основы управления метановьщелеї горные выработки на базе метода статистико-детерминированных ква; логов;
доказано, что квазисетевая модель пористой среды обеспе' адекватное отображение процессов фильтрации жидкостей и газов;
- разработаны математические модели проницаемости горных поі
' процесса заполнения пустот в твердом массиве жидкостью при пропи'
разработана модель многокомпонентной твердеющей композиции, печивающей максимальное снижение газопроницаемости обработанной ного массива;
экспериментально доказана возможность применения энергии і для уплотнения и снижения газопроницаемости угольного пласта і горной выработки;
установлено, что интенсивность метановыделения с обна? угольной стенки в горную выработку зависит не только от шириш пониженной проницаемости, качества обработки пласта, но и упроч? свойств твердеющего состава;
доказано, что аэрогазовый режим выемочного участка при пряі ной схеме проветривания зависит от проницаемости выработанного г ранства и аэродинамических параметров поддерживаемой выработки.
Практическая ценность работы заклх ся в том, что результаты исследований позволяют:
- обосновать способы и рациональные параметры воздействия на
вую часть угольного пласта и породного массива с целью снижения
іроницаемости стенок выработок;
решить проблему оперативного управления метановыделением в пластовые подготовительные выработки, управления аэрогазовым режимом выемочного участка;
увеличить темпы проходки, нагрузку на очистной забой, повысить Эезопасность работ за счет снижения вероятности загазирования очистных и подготовительных выработок.
Применение твердеющих составов для изоляции горных выработок не требует значительных материальных затрат, а гидродинамическое, взрывное уплотнение угля можно эффективно использовать при вскрытии мощных, газоносных пластов.
Личный вклад автора состоит в:
адаптации метода статистико-детерминированных квазианалогов для решения задач шахтной азрогазодинамики и гидродинамики;
разработке квазисетевых моделей проницаемости угольного пласта и выработанного пространства лавы, на основе которых решены задачи динамики жидкостей и газов в неоднородных, анизотропных и газссодержащих средах;
обосновании параметров физико-химического и гидродинамического способов воздействия' на фильтрационные и прочностные свойства прилегающего к выработке массива с целью снижения газопроницаемости и повышения устойчивости угольных стенок;
разработке твердеющих составов для обработки пористых сред, обеспечивающих максимальную эффективность снижения газовыделения в выработки;
проведении промышленных испытаний технологических схем физико-химической и гидродинамической обработки углей и пород, крепления поддерживаемых горных выработок.
Реализация результатов работы. Опытно-промышленные, промышленные испытания и внедрение результатов исследований осуществлено на шахтах Карагандинского бассейна. Основные результаты диссертационной работы вошли в " Рекомендации по выбору параметров обработки угольного массива твердеющими растворами для снижения газовыделения в подготовительные выработки ", 1983 г., утвержденные ПО " Карагандауголь " для шахт Карагандинского бассейна," Рекомендации по выбору аэродинамических параметров выемочного участка при проектировании вентиляции ", 1989 г., утвержденные ВостНШ ( г. Кемерово ), и разработанные по заказу ПО " Карагандауголь ", использованы институтом
" Карагандагилрошахт " при составлении проектной и технической д ментации для шахт Карагандинского бассейна, а также при составл проектов вскрытия и подготовки выемочных участков, паспортов креші очистных и подготовительных выработок на шахтах " Актасская " и " і хановская " ПО " Каратандауголь ".
Апробация работы. Основные материалы диссертац ной работы докладывались на Всесоюзной научной конференции" Геомех ческие проблемы высокопроизводительной разработки тонких и ере, мощности угольных пластов на глубоких горизонтах"( г. Донецк, 19) Всесоюзной научной конференции вузов с участием НИИ " Основные нал; ления создания способов управления состоянием угленосной толщи, те; ки и технологии горных работ на шахтах будущего" ( г.Москва,19! республиканской научной конференции " Повышение безопасности рабо' совершенствование проветривания на горнодобывающих предприятиях захстана" ( г.Караганда,1982), IV Всесоюзной межвузовской конфере; " Проблемы охраны труда" ( г.Каунас,1982), научно-технической ш ренции молодых ученых и специалистов угольной промышленности " Сої шенствование технологии, механизации и организации производства добыче угля" ( г.Москва,1983), Всесоюзного научно-технического сю зиума " Физико-технические проблемы управления воздухообменом в го; і выработках больших объемов" ( г.Ленинград,1983), всесоюзной нау конференции " проблемы разработки мощных пологих и наклонных плас подземным способом", (_ г.Караганда,1984), Всесоюзной научно-техниче< конференции " Управление газовыделением и дегазация угольных шах1: г.Макеевка, 1985), региональной научно-практической конференции " лодые ученые и специалисты - ускорению научно-технического прогрес ( г.Караганда, 1985), I региональной научно- технической конфереї " Состояние и пути снижения уровня загрязнения окружающей и произве твенной среды"( г. Караганда,1985), научно-практическом семинар " Опыт снижения уровня загрязнения окружающей среды в регионе" ( г. раганда.1987), территориальной научно-технической конференции " Щ лемы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом' г.Караганда,1987), технических советах ПО " Карагандауголь'", нау^ конференциях КарПТИ.
Объем диссертации. Диссертация состоит из вве ния, 8 глав, заключения, изложенных на 288 страницах машинописе текста, содержит 50 рисунков, 36 таблиц, список использованных исі ников из 140 наименований и приложений на 27 страницах.
Диссертационная работа выполнена на основе исследований, проведенных в Карагандинском политехническом институте и КазНИИБГП ( ранее Карагандинское отделение ВостНИИ j под руководством и при участии автора в 1979-1993 ГГ.
