к.т.н. Емелин П.В. ^*, Искаков К. З. ^**

^*Карагандинский государственный технический институт, Республика Казахстан, г. Караганда.

^**Управление по чрезвычайным ситуациям г. Караганда Республика Казахстан, г. Караганда.

Экспериментальные исследования процесса тепломассопереноса в выработанном пространстве очистных выработок.

С целью практического подтверждения правомерности использования разработанных и предлагаемых нами математической модели и численного метода [1], описывающих процессы тепломассопереноса в выработанных пространствах добычных участков, были выполнены следующие этапы работы:

- разработан алгоритм и на его основе программный модуль, позволяющий производить расчет температуры, как в отдельной элементарной ячейке модели, так и температурного поля во всем объеме выработанного пространства, с учетом множества факторов, участвующих в формировании процесса самонагревания;

- сформирована структурная схема, демонстрирующая всю последовательность выполняемых действий (начиная со сбора и подготовки исходной информации, заканчивая выводом результатов расчета для анализа и принятия решения), необходимых для достижения поставленной цели;

- проведена серия практических расчетов с целью подтверждения правомерности и достоверности получаемых результатов решений при моделировании процессов тепломассопереноса в выработанном пространстве очистных выработок.

Рассмотрим более подробно каждый из выше описанных этапов.

Основой алгоритма и программного модуля является численное решение уравнения теплового баланса в рассмотрении единичной ячейке сформированной сеточной области, покрывающей выработанное пространство. Размеры ячейки задаются на предварительных шагах расчета в качестве исходных данных.

При проведении расчета в алгоритме учитываются как параметры, являющиеся постоянными величинами для данного угольного пласта (теплопроводность, плотность угля и так далее), так и горногеологические, физико-химические особенности вмещающих пород и скоплений угля для каждой элементарной ячейки. К таковым относятся пористость вмещающих пород, константа скорости сорбции кислорода углем, коэффициент потерь угля и так далее.

При расчете температурного поля нами используется пошаговый метод, в котором при определении температур в ячейках в качестве начальных используются значения температур, полученных на предыдущем шаге расчета. За шаг расчета принимается промежуток времени, за который длина отработанной части столба увеличивается на длину одной ячейки.

Расчет температур по ячейкам ведется с учетом направлений линий токов газовоздушной смеси, проходящей через все выработанное пространство таким образом, что в первую очередь температура рассчитывается в тех ячейках, в которых известно значение количества кислорода, участвующего в процессе низкотемпературного окисления. То есть первой ячейкой, в которой будет произведен расчет, является ячейка, связанная с воздухопадающей выработкой.

Таким образом, разработанный алгоритм и на его основе программный модуль отличается гибкостью и мобильностью, позволяет учитывать при расчете различные особенности, как отдельных сегментов сформированной сеточной модели, так и специфику ведения очистных работ на участке.

На втором этапе нами была сформирована структурная схема процедуры расчета температурного поля выработанного пространства. На рисунке 1 показана схема взаимодействия и выполнения операций по этой процедуры.

Рассмотрим подробнее внутреннюю структуру и порядок выполняемых операций процесса по расчету температурного поля выработанного пространства.

На первом шаге (блок 1) производится ввод требуемой исходной информации для начала счета, к которой относятся: горногеологические, технологические параметры отработки выемочного участка, газовые, физико-химические свойства вынимаемого пласта угля, параметры для моделирования аэродинамики выработаного пространства. Ввод осуществяется посредствам запуска программного модуля Vvoddan.exe, осуществляющего формирование файла исходных данных в формате, удобном для дальнейшей работы. Перечень исходных данных приведен в таблице 1.

Рисунок 1 - Структурная схема расчета температурного поля

в выработанном пространстве

Таблица 1 - Исходные данные для проведения расчета

Горногеологические параметры

nmax - число отработанных столбов

Lst - длина столба, м

∆y - шаг сетки по длине столба, м

Llv - длина лавы, м

∆x - шаг сетки по длине лавы, м

Lot - длина отработанной части, м

ml - мощность пласта, м

alfa - угол падения пласта, град

Prd - признак обрушения пород кровли

V - скорость подвигания, м/сут

ind_pl - индекс пласта

Pu - коэффициент потерь(при выемке),доли

Признак обрушения пород кровли

Индекс пласта выбирается из списка

dsr - cр.экв.диаметр кусков обрушенного массива, м

Параметры проветривания

Pvzt - схема проветривания

Qvx - кол-во воздуха на поступающей, м³/с

Qprodsv - кол-во воздуха на посвежение, м³/с

Qlav - кол-во воздуха в лаве, м³/с

Qizl - утечки воздуха ч/з изолирующие перемычки, м³/с

Qvix - кол-во воздуха на исходящей, м³/с

Rvent - сопротивление вентиляционного штрека, кмюрг

Rkonv - сопротивление конвейерного штрека, кмюрг

Rlav - сопротивление лавы, кмюрг

Rmont - сопротивление монтажной камеры, кмюрг

Схема проветривания

Продолжение таблицы 1

Газовые параметры

Xpl - газоносность пласта, м3/кг

Kdeg - коэффициент дегазации, доли

C_post - концентрация СН4 на поступающей, %

C_podsv - концентрация СН4 на подсвежении, %

C_lav - концентрация СН4 в лаве, %

C_isx - концентрация СН4 на исходящей, %

Физико-химические параметры

U₀ - константа скорости сорбции кислорода углем

E - температурный коэффициент скорости сорбции

Прочие параметры

tnk[1,1] - время от начала отработки 1-го столба, сут

tnk[1,2] - время от окончания отработки 1-го столба, сут

Т₀ - начальная температура угля

На основании сформированного массива исходных данных (блок 2), разработанным нами «Комплексом программ по оптимизации распределения потоков воздуха в ШВС» производится ряд подготовительных расчетов: формирование аэродинамической модели выработанного пространства и расчет распределения фильтрационных утечек воздуха, проходящих через выработанное пространство.

Ключевым является блок 3, в котором на основании решения уравнения теплового баланса производится расчет температурного поля на i-том шаге счета. Температура по ячейкам рассчитывается с учетом множества переменных величин (количество газовоздушной смеси поступающей в ячейку, концентраций кислорода и метана в этой смеси, массы угля в ячейке, сорбционных свойств угля, тепла, выделившегося в результате реакции окисления, десорбции метана, рассеянного во вмещающие породы и поглощенного массой угля) и постоянных (удельная теплота реакции поглощения кислорода углем, константа скорости сорбции кислорода углем при начальной температуре, удельная теплоемкость угля и так далее).

Как указывалось ранее, в основе разработанного алгоритма используется пошаговый метод, позволяющий учитывать результаты расчета температурного поля, полученные на предыдущем этапе счета, являющегося временным шагом итерации. Расчет температурного поля производится последовательно по каждой ячейке сформированной модели, порядок которого определяется направлениями линий токов газовоздушной смеси.

Блоки 2- 6 работают по циклической структуре до тех пор, пока длина просчитанного участка не достигнет длины отработанного столба, при этом на каждом шаге счета длина участка увеличивается на длину одного ряда ячеек расчетной схемы сеточной области. Промежуточные результаты температурного поля записываются во временный массив и являются начальными температурами для следующего этапа счета.

По завершению расчета окончательный результат – распределение температур в выработанном пространстве - записывается в итоговый массив (блок 7) в удобном формате в виде таблицы для дальнейшего анализа (блок 8) сложившейся ситуации и разработки мероприятий по снижению пожароопасности на участке, если в этом имеется необходимость.

На третьем этапе экспериментальных исследований для достижения поставленной цели в качестве объекта исследования была рассмотрена поэтапная отработка добычного участка лавы 52-К12-в шахты «Саранская» Карагандинского угольного бассейна. Промышленная апробация разработанной математической модели и программного продукта производилась на базе Научно-инженерного центра горноспасателей Республики Казахстан (НИЦГРК).

Для оценки пожаробезопасности при внесении корректировок в технологические режимы отработки выемочного участка руководство шахты неоднократно обращалось с официальными письмами в НИЦГРК с просьбой произвести прогнозные расчеты температурных полей, на основе которых провести анализ ситуаций и выдать рекомендации, необходимые для дальнейшей работы в безопасных условиях.

В соответствии с письмом №2/4-1062 от 13.05.2005 года, руководство шахты «Саранская» обратилось с просьбой оценить пожаробезопасность отработки выемочного участка с различными схемами проветривания. Для решения поставленной задачи на основании предоставленных техническими службами шахты исходных данных, (таблица 1) были выполнены варианты расчетов температурных полей.

Расчеты показали следующие результаты. При отработке выемочного участка с возвратноточной схемой проветривания и имеющимися технологическими потерями угля, не превышающими проектные значения 0,5 метров, максимальная расчетная температура в выработанном пространстве составляет 23⁰С. При отработке выемочного участка с прямоточной схемой проветривания при тех же технологических потерях угля максимальная расчетная температура в выработанном пространстве останется на том же уровне, то есть в приделах 23 ⁰С.

Выполненные расчеты позволили сделать вывод о том, что обе схемы проветривания в рамках предоставленных исходных данных имеют одинаковую степень пожароопасности. Температурный фон в выработанном пространстве незначительный, что позволил провести отработку добычного участка в пожаробезопасных условиях.

Руководство шахты «Саранская» обращалось с просьбой (письмо №3/2-129 от 14.02.2006 года) определить возможности пожаробезопасной отработки лавы 52-К12-в при снижении вынимаемой мощности на двух нижних секциях крепи с 4,7 до 4,2 метром, что привело к сверхнормативным пожароопасным потерям угля мощностью до 1.35 м.

Согласно пункту 1.5 «Инструкции по предупреждению и тушению эндогенных пожаров на шахтах Карагандинского бассейна» [2] при разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, не допускаются потери обрушаемого угля мощностью, превышающие пожароопасные значения. Для пласта К12 шахты «Саранская» потери угля не должны превышать 0,76 метра.

На основании предоставленных техническими службами шахты исходных данных прогнозный расчет температурного поля, выполненный с учетом сверхнормативных потерь, показал, что температура вдоль конвейерного штрека 52-К12-в составит 27,8 ⁰С, то есть возрастет почти на 5 ⁰С по сравнению с общим температурным фоном в выработанном пространстве.

В случае снижения скорости подвигания линии очистного забоя до 40 метров в месяц температура вдоль конвейерного штрека 52-К12-в при сверхнормативных потерях 1.35 м может возрасти до 35.9 ⁰С. Значение критической температуры, определенное по пробе угля из лавы 52-К12-в, равно 75.3 ⁰С.

Поскольку значение расчетной температуры меньше критической величины, то с точки зрения эндогенной пожароопасности было вынесено решение, правильность которого было подтверждено практикой ведения добычных работ, о возможности дальнейшей отработки лавы 52-К12-в с сверхнормативными потерями 1,35 метра вдоль конвейерного штрека 52-К12-в при условии строгого контроля за содержанием индикаторных газов на участке и разработке мер по снижению химической активности сверхнормативных потерь угля.

Выводы:

1. Таким образом, разработанная математическая модель и проводимые на ее основе расчеты позволяют отслеживать и проводить контроль за процессами тепломассопереноса, происходящими в выработанном пространстве.

2. Полученные результаты и проведенный на их основе анализ оптимизируют процесс выбора того или иного технологического режима, позволяют разработать дополнительные рекомендации и мероприятия с целью обеспечения пожаробезопасности при ведении добычных работ.

Литература:

1. Емелин П.В. Исследования процессов фильтрации газов и самонагревания угля в выработанных пространствах добычных участков угольных шахт. Диссертационная работа - Караганда. 1998.

2. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров на шахтах Карагандинского бассейна. - Караганда, 1998. 49с.