д.т.н. Акимбеков А.К., к.т.н. Емелин П.В.

Карагандинский государственный технический институт,

Республика Казахстан, г. Караганда.

        Экспериментальные исследования процесса фильтрации  воздуха в выработанном пространстве очистных выработок.

 

         Целью данной работы являлось проведения апробации разработанного нами расчетного метода и на его основе специализированного пакета программ по распределению фильтрационных полей в выработанном пространстве решения. Объектами исследования были выбраны выработанные пространства добычных участков шахт Карагандинского угольного бассейна.

         Для решения этой задачи, на основе экспериментальных и теорети­ческих исследо­ваний [1-4], нами была разработана  детерминированная модель квазианалога аэрогазодинамики выработаного пространства  добычного участка, являющаяся основой разработанного алгоритма расчета аэродинамических сопротивлений и распределения утечек воздуха в выработаном  пространстве.  

         На ос­новании имеющихся горногеологических, технологических параметров производится ввод исходной информации (программный модуль vvoddan.exe) и построение модели в виде прямоугольной сеточной области состоящей из узлов и элементов (ветвей), по­крывающей все выработанное пространство. Универсальность разработанной модели допускает ее применение как к одиночным выемочным столбам, пол­ностью отработанным и изолированным или находящимся в стадии отра­ботки, так и смежным столбам, имеющих аэродинамическую связь между собой.

         В соответствии со схемой отработки рассматриваемого выемочного участка кодирование и привязка сетки, расчет аэродинамики выработаного пространства производится программным модулем Form_seti.exe автоматически, учитывая различные варианты схемы проветривания (прямоточная с подсвежением и без подсвежения, возвратноточная, с различными точками подвода поступающего и отвода исходящего воздуха и тому подобные).        

         Программной реализацией алгоритма по расчету фильтрационных утечек воздуха через выработаное  пространство добычного участка и скоростей фильтрации является разработанный модуль Utechki.exe, позволяющий с достаточной точностью (погрешностью порядка 10-6 Па) и высокой скоростью производить требуемый расчет.

         О характере распределения утечек воздуха в выработанном пространстве можно судить по результатам, полученным при проведении депрессионных съемок в примыкающих к выработанному пространству горных выработок, а также путем непосредственных замеров величины скорости фильтрации в шпурах, пробуренных в стенках специально подготовленных для этих целей камерах, оставляемых в выработанных пространствах добычных участков [1, 2,5].

         В разные годы на шахтах Карагандинского угольного бассейна по данному направлению исследований производились работы (работниками депрессионной службы, ВГСЧ, НИЦГРК) по измерению величины расходов  воздуха в поддерживаемых выработках добычных участков. На основании собранной информации нами был произведен сравнительный анализ по 15 объектам проветривания (на различных этапах их отработки) результатов практических расчетов с замеренными значениями расходов  воздуха полученных при натурных экспериментах. Результаты данного анализа представлены в сводной таблице 1.

         Для наглядности приведем несколько результатов расчета, позволяющих подтвердить адекватность использования построенных квазимоделей для практических расчетов по распределению утечек воздуха в выработанных пространствах добычных участков.

         В качестве примера рассмотрим выработанное пространство добычного участка лавы  45 К10-з шахты  им. Костенко Карагандинского угольного бассейна. На данном объекте работниками депрессионной службы проводились натурные измерения расходов воздуха в 3 серии [6].

          

Таблица 1 – Результаты сравнения расчетов и натурных измерений

Шахта

Наименование объекта

Отклонения

замеренных от расчетных

расходов воздуха, %

Средняя 

Максимальная

Саранская

53-К10-в

5

8

 

52-К7-з

3

6

Сокурская

51-К10-з

4

6

 

53-К7-в

5

9

 

56-К7-в

5

8

им. Костенко

45-К10-з

3

8

 

41-К1-з

6

10

им. Ленина

21-Д6-в

4

7

Стахановская

25-К10-ю

7

9

50 лет СССР

14-К7-8-з

5

8

 

37-К12-1в

5

7

 

13-К7-8-з

4

9

 

31-К13-з

7

10

Майкудукская

72-К4-в

3

6

Тентекская

223-Т1-с

4

6

        

         При выполнении каждой серии замеров фиксировались количество воздуха, поступающего в лаву, и расход воздуха подаваемый на подсвежении (таблицы 2). При определении расходов воздуха на каждом участке расчетной схемы измерялись площади его поперечного сечения, средняя скорость движения воздушного потока, а также потери напора на всех участках данной схемы.  На рисунке 1 показаны места размещения замерных станций.

Подпись: Конвейерный штрек 45К10-з

         Рисунок. 1- Схема проветривания и места размещения замерных

станций добычного участка лавы 45-К10-з шахты им. Костенко.

        

         Для построения расчетной схемы, моделирования аэродинамики выработанного пространства и проведения расчета фильтрационных утечек воздуха на основании предоставленной информации техническими службами шахты были приняты следующие исходные данные, которые сведены в таблице 2. 

         Таблица 2 – Исходные данные для проведения расчетов 

Наименование параметра,

единица измерения

Количественная величина

1

2

Протяженность отработанной части выемочного столба, м;

Общая  мощность пласта, м;

Вынимаемая мощность пласта, м;

Длина лавы, м;

dy   - шаг сетки по длине столба, м        

 dx  - шаг сетки по длине лавы, м  

Индекс пласта;

dsr   - средний эквивалентный диаметр кусков обрушенного массива в выработанном пространстве, м

Признак обрушения пород кровли

alfa    - угол падения пласта, град 

Скорость подвигания лавы, м/сутки;

Схема проветривания участка;

 

Сопротивление конвейерного штрека кмюрг.

Сопротивление лавы, кмюрг.

Сопротивление вентиляционного штрека кмюрг.

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

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

1 серия

Расход воздуха на поступающей струе, м3/с;

Расход воздуха на подсвежении  м3/с;

Расход воздуха на исходящей, м3/с;

2 серия

Расход воздуха на поступающей струе, м3/с;

Расход воздуха на подсвежении  м3/с;

Расход воздуха на исходящей, м3/с;

3 серия

Расход воздуха на поступающей струе, м3/с;

Расход воздуха на подсвежении  м3/с;

Расход воздуха на исходящей, м3/с;

250

2,7

2,5

200

50

25

К10

0,1

средней

обрушаемости

15

2

прямоточная с подсвежением

0,08

0,054

0,004

125

0

 

15.0

10.8

25.8

 

15.7

12.0

27.7

 

13.3

10.8

24.1

        

         Проведенный сравнительный анализ значений замеренных расходов воздуха с их расчетными величинами по каждому из рассмотренных участков показывает хорошую сходимость результатов. Максимальное отклонение составляет около 8%, при среднем значении равном 3%, что может служить показателем, подтверждающим правомерность использования разработанных квазисетевой математической модели, алгоритмов расчета и программных модулей, при проведении инженерных расчетов полей фильтрационных утечек в выработанных пространствах добычных участков. Результаты анализа представлены в таблице 3.

         Таблица 3 - Сравнительные данные замеров и расчетов по лаве  45-К10-з шахты  им. Костенко

Серия

наблюдений

Номер

участка

Замеренный

расход, м3/с

Расчетный

расход, м3/с

Отклонение

%

1

2

4

5

6

1

1

15.00

15.00

0

 

2

14.25

13.64

4.2

 

3

13.30

13.49

1.4

 

4

12.35

13.11

6.1

 

5

12.09

12.51

3.4

 

6

10.45

10.45

0

 

7

21.25

21.25

0

 

8

22.89

23.72

3.6

 

9

23.15

25.08

8.3

 

10

24.10

25.55

6.0

 

11

25.05

25.70

2.5

 

12

25.80

25.80

0

2

1

15.70

15.70

0

 

2

15.20

14.20

6.5

 

3

14.40

14.04

2.5

 

4

13.44

13.65

1.6

 

5

13.16

13.04

0.9

 

6

11.52

10.94

5.0

 

7

23.52

22.94

2.5

 

8

25.16

25.46

1.1

 

9

25.44

26.94

5.8

 

10

26.40

27.44

4.0

 

11

27.20

27.60

1.4

 

12

27.70

27.70

0

3

1

13.30

13.30

0

 

2

12.60

12.00

4.7

 

3

11.90

11.87

0.2

 

4

11.10

11.57

4.2

 

5

10.40

11.08

6.5

 

6

9.60

9.34

2.7

 

7

20.40

20.14

1.3

 

8

21.20

22.27

5.0

 

9

21.90

23.48

7.2

 

10

22.70

23.89

5.2

 

11

23.40

24.02

2.6

 

12

24.10

24.10

0

 

        

         Выводы:    

         1. Сравнительный анализ показал достаточную для инженерных расчетов сходимость результатов расчетов фильтрационных утечек на модели с данными непосредственных натурных измерений.

         2. Точность произведенного расчета позволит нам более корректно описать процессы тепломассопереноса, происходящие в выработанных пространствах, основной движущей силой которых и является распределенное поле фильтрационных утечек как источник доставки кислорода к местам возможных очагов самонагревания, выноса тепла и разбавления концентрации такого взрывоопасного газа, как метан.

Литература:

1.     Исследовать аэродинамику выработанного пространства при бесцеликовой выемке угля и разработать «Рекомендации по снижению эндогенной пожароопасности за счет схем и способов  проветривания»: отчет о НИР/ Восточный  отдел    ВНИИГД, 1990.- 144 с.

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

3.     Гращенков Н.Ф., Глузберг Е.И., Шалаев В.С. Исследование утечек воздуха через выработанное  пространство//  Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. М., 1984,  N3.  - С. 75-78.

4.     Мясников А.А., Маевская В.М., Белавенцев Л.П. и др. Аэродинамический режим выработанных пространств при  разработке угольных пластов длинными столбами по  простиранию - М.:  ЦНИЭИ  -Уголь, 1972. 34 с.

5.     Разработать  «Рекомендации по пожаробезопасной отработке мощных пластов угля, склонного к самовозгоранию при прямоточной схеме проветривания»: отчет о НИР -  Восточный  отдел  ВНИИГД 1992.- 123 с.

6.     Акимбеков А.К., Левицкий Ж.Г., Спатаев Н.Д., Удодов Д.Б. Аэродинамика выработанного пространства лавы при прямоточной схеме проветривания. Труды КарГТУ. №2, Караганда, 1997. С. 162-164.