Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение интенсивности добычи угля сопровождается ростом метанообильности (газообильности), повышением метаноопасности и ухудшением технико-экономических условий работы шахт. Под газоопасностью понимается повышенное загазирование рудничной атмосферы, которая при определенных условиях создает удушливую или взрывчатую метановоздушную газовую смесь и приводит к тяжелым социальным и экономическим последствиям. Газоопасность характеризуется абсолютной, относительной газообильностью и концентрацией газа в рудничной атмосфере.
Существенный вклад в разработку вопросов, связанных с метаноопасностью, внесли многие ученые и специалисты академических, отраслевых, учебных и проектных институтов. Исследованию вопроса, связанного с метаноопасностью, путем деления шахт на категории, в начале на три, позднее на четыре и пять, посвящены фундаментальные труды А. А. Скочинского, М. М. Протодьяконова, Г. Д. Лидина, В. Б. Комарова, Д. Ф. Борисова и др.
В настоящее время в нашей стране и в ряде зарубежных стран газоопасность шахт оценивают по величине категории, т.е. по количеству метана, выделяющегося на тонну суточной добычи угля. Например, в СНГ все шахты делятся по метаноопасности и углекислотоопасности на 5 категорий: четыре с интервалом в 5 м3/т и опасные по внезапным выбросам угля и газа; по водороду– на 4 категории с интервалом 7 м3/т. В КНР шахты по метаноопасности делятся на три категории: две с интервалом в 10 м3/т и опасные по внезапным выбросам. В Бельгии – на слабогазовые, газовые и подверженные внезапным выбросам. Во Франции и США – на явно, слабо газовые и опасные по выбросам. Кроме того, почти во всех случаях регламентируется допустимая концентрация газа в отдельных выработках.
Анализ показывает, что в нашей стране в качестве критерия оценки газоопасности шахт принята относительная газообильность. Такая оценка газоопасности была приемлема при низкой относительной газообильности от 5 до 15 м3/т, однако за более чем 60 лет практически все шахты Российской Федерации перешли в верхнюю категорию и стали превышать ее в 10 раз и более. Одновременно возросла нагрузка на один очистной забой с 500 т/сут до 10000 т/сут, и в перспективе намечается довести ее до 30000 т/сут. Рост добычи угля повлек за собой соответствующее увеличение относительной газообильности шахт до 150 м3/т. Естественно, что существующая оценка газоопасности шахт нуждается в замене.
В связи с этим тема исследования в направлении разработки метода оценки газоопасности шахт, чему посвящена настоящая работа, является актуальной и важной.
Цель работы состоит в разработке метода оценки метаноопасности шахт по комплексной газообильности на основе установленных зависимостей изменения абсолютной и относительной газообильности от интенсивности добычи угля.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей абсолютной и относительной газообильности с изменением добычи угля для выявления оптимального комплексного критерия оценки и управления газоопасностью шахт.
Задачи исследования:
-установить взаимосвязь абсолютной и относительной метанообильности, формирующую критерий оптимальности управления метаноопасностью шахт, на основе комплексной метанообильности;
-установить влияние газоотсасывающих вентиляторов на комплексную метанообильность добычных объектов;
-предложить способ определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору на основе комплексной газообильности;
-разработать способ расчета расхода воздуха для вентиляции шахт по комплексной газообильности;
-обосновать методику оценки газоопасности шахт на основе комплексной газообильности.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий: изучение состояния проблемы; постановку цели и задач исследования; анализ экспериментального материала; обработку фактических данных методами математической статистики и теории корреляции; математическое моделирование аэрологических процессов, связанных с интенсивностью добычи угля; обобщение и выводы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-в системе группы шахт, отдельной шахты и ее объектов существует критерий оптимальности управления метаноопасностью, который определяется, как минимум, относительной и, максимум, абсолютной допустимой метанообильностью, что исключает загазирование атмосферы и обеспечивает максимальную по газу интенсивность добычи угля;
-применение газоотсасывающих вентиляторов для каптажа метана из выработанных пространств приводит к возрастанию газоопасности добычных объектов ввиду несоответствия между увеличением добычи и газообильностью;
-допустимая нагрузка на очистной забой по газовому фактору зависит от комплексной газообильности, начальной величины интенсивности добычи угля и предельной концентрации метана, коэффициентов эффективности вентиляции и дегазации;
-расход воздуха, рассчитанный по комплексной газообильности, изменяется в зависимости от интенсивности добычи угля по степенной закономерности, что повышает достоверность его определения и газовую безопасность работ;
-разработанная методика оценки метаноопасности по комплексной метанообильности позволяет повысить газобезопасность и улучшить технико-экономические показатели работы шахт.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
-представительным объемом экспериментальных данных на шахтах;
-корректным использованием методов математической статистики и теории корреляции;
-использованием достоверных данных при обработке материалов газообильности;
-достаточной для практических целей сходимостью теоретических и расчетных результатов.
Научная новизна работы заключается в обосновании необходимости изменения существующей оценки газоопасности шахт по комплексной газообильности и разработке на ее основе способов оптимального управления добычей, расходом воздуха, дегазацией, себестоимостью угля и газоопасностью шахт.
Личный вклад автора состоит:
-в формулировке задач и обосновании методов исследования;
-в установлении закономерностей комплексной газообильности шахт;
-в выявлении и формулировке критериев оценки газоопасности шахт;
-в разработке способов оптимального управления газоопасностью;
-в разработке методики оценки газоопасности шахт по комплексной метанообильности.
Практическая ценность работы заключается:
-в разработке способа определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору;
-в усовершенствовании методики расчета расхода воздуха;
-в методике оценки газоопасности шахт по комплексной газообильности;
-в оценке эффективности вентиляции и дегазации шахт.
Реализация работы. Результаты исследований и оценки газоопасности шахт по комплексной газообильности прошли экспериментальную проверку на некоторых шахтах Кузбасса, что подтверждается актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на VI Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах», Кемерово, КузГТУ, 2005 г., 2007 г.; на Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», Новокузнецк, 2005 г.; на научной конференции кафедры аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ, Кемерово, 2005 г., 2007 г.; на Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», Кемерово, КузГТУ, 2006 г., 2007 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, получено положительное решение на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список литературы. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, в том числе 21 рисунок, 32 таблицы, список литературы из 87 источников.
