Обоснование методики аэрологической оценки метаноопасности при проведении подготовительных выработок на шахтах Вьетнама

1.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ – ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Нгуен Минь Фьен
«ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ
МЕТАНООПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ
ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ВЬЕТНАМА»
Научная специальность: 25.00.20 « Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика ».
Научный руководитель: к.т.н.,доцент В.В. Смирняков
Санкт-Петербург
7/2016

2.

Актуальность темы:
Во Вьетнаме с 2015 года планируется более широко осуществлять
подземную (шахтную) добычу угля на больших глубинах. При этом
существенно затрудняются условия ведения подземных горных
работ в связи с повышением газоносности пластов и усложнением
шахтных вентиляционных сетей. Вместе с тем для повышения
добычи необходимо внедрение новых высокопроизводительных
выемочных комплексов, что связано с увеличением объема
подготовительных работ. В этих условиях важнейшими элементами
обеспечения аэрологической безопасности являются достоверный
прогноз мест скопления метана в общем объеме подготовительных
выработок и адекватная оценка количества воздуха, необходимого
для их проветривания по газовому фактору.
2

3. Актуальность темы:

-159.12
-155.02
V18
B27
-163.66
-145.9
L4
-160.24
L6
-161.3
B26
-161.0
K5
-164.9
K6
-164.9
K7
-165.0
L8
-163.1
L9
-163.2
B25
-157.3
B24
-153.6
L11
-161.57
K12
-166.9
L14
-159.1
B22
-143.9
X1
L17
-157.4
L 18
-153.555
L19
-153.25
Z1
V11
-74.2
S4
-134.2
B20
134.9
L20
-151
S6
-131.6
K17
-150.36
V10
S9
-129.9
-58.1
L5
-127.348'
S10
-129.1
L6
-125.847'
B16
-125.1
L7
-123.297'
V8
-45.84
K 19
-147.44
S11
-127.8
K18
-146.83
S12
-126.5
B15
-122.2
L8
-122.817'
S13
-125.6
L9
-119.925'
O1
S14
-123.43
T1
S15
-121.58
S16
-119.89
X5
-111.406'
S17
-119.6
B12
-111.8
S18
-119.14
X6
-107.134'
B11
-107.1
X7
-106.214'
X8
-102.324'
B10
-104.6
B8
-98.35
V5
B7
-96.33
S21
-116.76
X9
-100.272'
H7
-95.4
B2
-96.7
F10
-96.2
H8
-95.4
H9
-95.4
S22
-116.28
X10
-95.876'
H10
-95.3
H6
-95.6
S24
-114.79
V4
14.2
B6
-95.9
H5
-95.7
H4
-95.8
H11
-94.8
H12
-94.8
V2
26.08
+30.24
Вз рывы мета на и пож а ры в ша х та х Вьетна ма
19
C1
S4
C4
C3
13
C2
11
C1
Количество
7
1
8
6
1
1 1
1 1
1
2
4
1
P12
T2
T1
Год
P10
C1
P8
§ Q
P6
P9
P7
P5
Аварии, инциденты
+
25.18
+
25.04
G1
1
1993 1995 1996 1997 1999 2002 2006 2008 2012
P14
T4
1
Смертельный травматизм
+
26.51
3

4.

Цель работы:
Нормализация условий горных работ по газовому
фактору при проведении подготовительных выработок на
основе
результатов
оценки
аэрогазодинамической
обстановки, выполненной с учетом наличия мест
потенциально возможных скоплений взрывоопасных газов.
Идея работы
Комплексный
дифференцированный
учет
закономерностей формирования газовой обстановки и
факторов, влияющих на образование зон повышенной
концентрации взрывоопасных газов в пространстве
тупиковых выработок для своевременного их контроля и
управления параметрами проветривания подготовительных
выработок.
4

5.

Научная новизна
1) Установлено, что при расчете проветривания
тупиковых
подготовительных
выработок
при
их
проведении необходимо учитывать дополнительную
депрессию вентилятора местного проветривания на
преодоление аэродинамических сопротивлений в местах
сопряжений выработок, при этом наибольшее влияние на
величину их аэродинамического сопротивления оказывают
форма сечения, соотношение расходов в выработках и угол
сопряжения.
2) Установлены закономерности образования зон
повышенной концентрации взрывоопасных газов в
комплексе тупиковых выработок с учетом интенсивности
источников газовыделения от характера распределения
утечек по длине трубопровода.
5

6.

Основные задачи исследований:
Анализ взаимосвязи непосредственных, способствующих и
сопутствующих причин взрывов газа в угольных шахтах Вьетнама и
России;
Разработка методики исследования и дифференцирования различных
факторов, влияющих на формирование газовой обстановки и
динамику газовыделений в комплексе тупиковых и сквозных
подготовительных выработок;
Изучение механизмов формирования местных скоплений метана в
комплексе тупиковых подготовительных выработок как основной
непосредственной причины аварийных ситуаций;
Изучение факторов, влияющих на пути и динамику миграции газа из
массива в рабочую зону и до мест возможных взрывов газа в
зависимости от горно-геологических и горно-технических условий;
Разработка методики и проведение производственных наблюдений
для изучения динамики газовой обстановки в комплексе тупиковых
подготовительных выработок;
Научное обоснование и разработка проектных методов расчета и
контроля вентиляции тупиковых выработок по газовому фактору.
6

7. Первое защищаемое положение

Аэрологическая безопасность подготовительной
выработки основывается на результатах оценки
аэрогазодинамической обстановки, выполненной с
учетом интенсивности источников газовыделения и
распределения количества воздуха по длине
выработки, наибольшее влияние на которое
оказывает характер утечек по длине трубопровода.
7

8. Первое защищаемое положение

Выбор мест расположения точек наблюдений
8

9. Первое защищаемое положение

Обработка результатов наблюдений
9

10. Первое защищаемое положение

10

11. Первое защищаемое положение

Характерные зависимости распределения относительного расхода
вдоль безразмерной длины выработки для выработок различной длины
и диаметра трубопровода (длина звена 20 м, QЗ ≤ 5 м3/с)
1 - dтр. = 0,6 м; 2 - dтр. = 0,8 м; 3 - dтр. = 1,0 м; 4 11
- dтр. = 1,2 м.

12. Первое защищаемое положение

12

13. Первое защищаемое положение

13

14. Первое защищаемое положение

Аналитическая оценка изменения концентрации метана по длине
подготовительных тупиковых выработок
а = 0,025
а = 0,024
а = 0,023
а = 0,022
0.045
Концентрация метана C(x)
0.040
скорость проведения выработки 5м/сут
скорость проведения выработки 6м/сут
скорость проведения выработки 7м/сут
скорость проведения выработки 8м/сут
0.040
Концентрация метана C(x)
0.035
0.035
0.030
0.030
0.025
0.025
0.020
0.020
0.015
0.015
0.010
0.010
0.005
0.005
0.000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
0.000
0
100
200
300
Длина выработки, L
400
500
600
700
800
900
1000
Длина выработки, L
количества воздуха, подаваемого в забой = 3м3/с
L = 200м
L = 600м
L = 1000м
0.060
Концентрация
метана C(x)
0.055
0.050
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
100
300
500
700
900
1100
1300
1500
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Длина выработки, L
количества воздуха, подаваемого в забой = 4м3/с
L = 1500м
количества воздуха, подаваемого в забой = 5м3/с
0.040
количества
воздуха, подаваемого в забой = 6м3/с
Концентрация метана
C(x)
0.035
0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
0
100
200
300
400
500
600
Длина выработки, L
1414
700
800
900
1000

15.

Второе защищаемое положение
При расчете тупиковых выработок большой длины и
сложной
конфигурации,
наличии
сопряжений
протяженной части и устья тупиковой выработки с
другими выработками, проветриваемыми за счет
общешахтной
депрессии,
необходимо
учитывать
дополнительную депрессию в работе вентилятора
местного проветривания на преодоление местных
сопротивлений, горнотехническими условиями.
15

16.

Второе защищаемое положение
Рисунок 2. Схема к расчету
местного
сопротивления
сопряжения при φ ≤ 900
16

17.

Второе защищаемое положение
1) прямой проход струи
2) проход струи с поворотом
Результаты расчета коэффициентов местного
сопротивления для прямого прохода струи (φ
= 1350)
Результаты расчета коэффициентов местного
сопротивления для прохода струи с
поворотом (φ = 135017
)

18.

Третье защищаемое положение
Мониторинг взрывоопасных концентраций метана необходимо
проводить с помощью математического моделирования не только в
призабойном пространстве, но и в протяженной части тупиковых
подготовительных выработок в области формирования застойных
зон, образованных изменениями конфигурации и площади сечения,
сопряжениями выработок, наличием оборудования.
18

19.

Третье защищаемое положение
Интерфейс программы FlowVision
19

20.

Третье защищаемое положение
Рисунок 7- - Поля скоростей для
выработки арочной формы с
примыканием тупика арочной формы
Рисунок 8 - Распределение скоростей
потока в тупиковой выработке
20

21.

Третье защищаемое положение
Рисунок 9 -Распределение скоростей
потока и полей концентрации метана в
тупиковой выработке
Рисунок 10 - Распределение скоростей
потока и полей концентрации метана в
нише
21

22.

Основные результаты выполненных исследований
1. 1Обобщение и сравнительный анализ аэрогазодинамического состояния
шахт Вьетнама показали, что большинство шахт характеризуются высокой
газообильностью, что является сдерживающим фактором для внедрения
высокопроизводительных проходческих комплексов, которые в подобных
условиях
не
обеспечивают
необходимые
темпы
проведения
подготовительных выработок. Следствием такой ситуации является
возможность возникновения аварийных загазирований выемочных участков
и появление взрывоопасных концентраций метана в подготовительных
горных выработках.
2. Предпосылки к возникновению аварий, причины которых связаны с
особенностями аэрогазодинамических процессов при проветривании,
устраняются только при своевременном обнаружении взрывоопасных
скоплений метана не только в призабойном пространстве, но и в остальной
рабочей зоне тупиковых подготовительных выработок в областях,
образованных
изменениями
конфигурации
и
площади
сечения,
сопряжениями выработок, наличием оборудования. Для этого необходима
разработка
методики
оценки
аэрологической
безопасности
в
подготовительных выработках, пройденных по газоносным угольным
пластам, на основании результатов которой должен осуществляться контроль
областей застойных зон с повышенной концентрацией горючих 22
газов.

23.

Основные результаты выполненных исследований
3. Основными факторами, влияющими на формирование газовой обстановки в
атмосфере подготовительной выработки, являются: предельная метаноносность
угольных пластов; характер развития газовой зональности; скорости фильтрации
и десорбции метана в угольном пласте, подработанных и надработанных
вмещающих породах; скорости диффузии и десорбции метана в отбитом угле,
транспортируемом по её длине; совместное действие конвективного переноса и
молекулярной диффузии.
4. Проведенные аналитические и натурные исследования аэрогазовой
обстановки, формирующейся в подготовительных выработках угольных шахт, а
также обобщение результатов работ ученых в этой области, показали, что утечки
воздуха являются фактором, существенно влияющим на процесс проветривания
подготовительных выработок.
5. Проведенные натурные наблюдения и вычислительные эксперименты
позволили установить необходимость уточнения методики расчета количества
воздуха, поступающего в подготовительную выработку в виде утечек из
вентиляционного трубопровода, величина которых зависит от многих факторов.
Полученная зависимость для расчета количества воздуха, протекающего по
выработке или в трубопроводе с учетом распределенных по его длине утечек
имеет качественное совпадение с результатами натурных наблюдений.
23

24.

Основные результаты выполненных исследований
6. Получена формула, позволяющая рассчитать максимально допустимую
скорость проведения выработки по газовому фактору, ограничивающаяся
установленной величиной газовыделения, которая может быть принята для
каждой выработки с учетом её особенностей.
7. В основе разработанного метода аэрологической оценки метаноопасности
подготовительной выработки лежит зависимость изменения концентрации
метана для случая распределенных утечек из вентиляционного трубопровода
между забоем и устьем выработки, имеющая максимум, где необходимо
применять дополнительные меры контроля. Смещению точки с повышенной
концентрацией в сторону устья выработки способствуют следующие факторы:
уменьшение утечек из трубопровода, повышение скорости проведения
выработки; увеличение протяженности выработки, увеличение количества
воздуха, подаваемого в забой.
8. Установлено, что максимальную величину не учитываемого при обычном
расчете общего сопротивления работе вентилятора имеют аэродинамические
сопротивления сопряжений выработок с переменным расходом воздуха, при
этом наибольшее влияние на их величину оказывают форма сечения,
соотношение расходов в выработках и угол сопряжения.
24

25.

Основные результаты выполненных исследований
9. В качестве наиболее рационального решения, направленного на повышение
эффективности проветривания, предложено совершенствование методики расчета
проветривания подготовительной выработки, заключающееся в учете общего
аэродинамического сопротивления работе вентилятора местного проветривания, в
составе которого необходимо учитывать дополнительные местные сопротивления
участков выработки.
10. Целочисленное моделирование программным комплексом FLowVision движения
газовоздушных потоков позволяет оценить изменение концентрации метана в зонах
местных скоплений. Для моделирования натурных условий решающее значение имеет
соблюдение геометрического подобия, при этом расположение оборудования в тупиках
и нишах и изменение формы примыканий влияют на аэродинамическую картину
потоков и способствуют появлению местных скоплений метана повышенной
концентрации.
25

26.

Спасибо за внимание!
Ха Лонг залив
26