Повышение пылегазовой безопасности выработок добычных участков угольных шахт на основе пенопородных ленточных аэродинамических сопротивлений

На правах рукописи

СМИРНОВ Юрий Дмитриевич

ПОВЫШЕНИЕ ПЫЛЕГАЗОВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫРАБОТОК ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ НА ОСНОВЕ ПЕНОПОРОДНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в горной промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Шувалов Юрий Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ковалев Олег Владимирович

кандидат технических наук, доцент

Митрофанова Татьяна Николаевна

Ведущая организация: ОАО “Гипрошахт”

Защита диссертации состоится 10 апреля 2009 г., в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 5 марта 2009 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э. И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пожары и взрывы газа и пыли на угольных шахтах являются одной из частых (60 %) и наиболее тяжёлых аварий (до 80 % общих затрат на ликвидацию аварий) со средней продолжительностью их ликвидации 600 часов и существенным травматизмом. Наиболее опасными объектами по возгораниям и взрывам являются очистные забои и сближенное с ними выработанное пространство, где за последние 30 лет происходило более 45 % вспышек (взрывов) газа и угольной пыли.

Большой вклад в исследование повышения пылегазовой безопасности угольных шахт внесли ученые России, в их числе: Ф. А. Абрамов, А. Т. Айруни, Ю. Н. Бессонов, В. Н. Бобровников, Н. О. Каледина, Б. Ф. Кирин, Ф. С. Клебанов, О. В. Ковалёв, В. А. Колмаков, П. А. Лысенков, А. А. Мясников, М. А. Патрушев, Л. А. Пучков, И. В. Сергеев, М. М. Сметанин, Б. Г. Тарасов, К. З. Ушаков, Ю. В. Шувалов и др.

Современные методы, технические средства и организационные мероприятия по подавлению и связыванию угольной пыли, системы дегазации, вентиляции и управления воздушными потоками не обеспечивают существенное снижение риска возникновения пожаров и взрывов пыли и газа в выработках добычных участков, которые остаются наиболее опасными для угольных шахт. Поэтому разработка новых способов является актуальной и своевременной, особенно, принимая во внимание взрывы последних лет, произошедшие на шахтах России.

Цель работы – повышение безопасности труда горнорабочих шахт на основе новых способов управления пылегазовым режимом выработанных пространств с использованием пенопородных ленточных аэродинамических сопротивлений.

Основная идея работы. Управление пылегазовым режимом выработанных пространств и горных выработок добычных участков угольных шахт следует осуществлять путем создания дополнительных аэродинамических сопротивлений в обрушенном массиве с использованием твердеющих пен длительной устойчивости.

Основные задачи работы:

• анализ эффективности существующих способов управления пылевым режимом на угольных шахтах;
• классификация основных средств и способов пылеподавления, применяемых при подземной разработке;
• исследование процессов пенообразования и основных свойств пен;
• разработка новых способов управления пылегазовым режимом выемочных участков угольных шахт;
• разработка безопасных для применения долгоживущих твердеющих пен с целью использования их в выработанном пространстве.

Научная новизна работы.

1. Установлена зависимость пылевыделения и пылепереноса от расстояния в выработанных пространствах шахт, с максимумом пылевыделения в очистном забое (свх) и экспоненциальным снижением содержания пыли (c) при движении аэрозолей с утечками воздуха в выработанном пространстве: , позволяющие количественно определить миграцию пыли в воздушном потоке.

2. Экспериментальным путем, варьируя составы и процентные содержания компонентов, обоснованы рецептуры безопасных, твердеющих пен различной устойчивости, обеспечивающие заданное аэродинамическое сопротивление движению утечек воздуха и пыли в выработанном пространстве.

Основные защищаемые положения:

1. Выработанное пространство, примыкающее к очистному забою, является наиболее взрывоопасным объектом в связи с интенсивной фильтрацией утечек воздуха (до 40-60 % общего объема в лаве), выносом и отложением угольной пыли (до 250-500 г/м3), наличием природных и техногенных источников инициирования взрывов, и его целесообразно защищать путем управления пылегазовым режимом с использованием ленточных аэродинамических сопротивлений движению аэрозолей на основе пенопородных полос с различным временем устойчивости пен (патент № 2007135961 «Способ защиты выработанного пространства от взрывов пыли и газа»).
2. В качестве надежного средства управления пылегазовым режимом выработанных пространств и выработок добычных участков угольных шахт рекомендуется твердеющая пена, полученная смешением в водном растворе пенообразователя «Сульфанол» (3-5 %), стабилизатора - смолы карбамидоформальдегидной с пониженным содержанием формальдегида (24-27 %) и отвердителя в виде сульфокислоты технической (11-16 %), кратностью до 40 и устойчивостью до трех месяцев (патент № 2334110 «Состав для защиты выработанного пространства и профилактики эндогенных пожаров»).
3. Безопасность и эффективность ведения работ обеспечивается использованием аэродинамических сопротивлений ленточного типа в выработанном пространстве у очистного забоя и вентиляционного штрека, позволяющим уменьшить объемы фильтрации газа и вынос пыли из выработанного пространства от 60 до 80 %.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего системный анализ проблемы на основе исследований российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; теоретические, лабораторные и натурные методы изучения условий пылеподавления, управления пылегазовым режимом и условий получения твердеющих пен. Для математической обработки данных использовались современные стандартные компьютерные программы пакета MS-Office и программа моделирования «modeflow».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом аналитических, лабораторных и экспериментальных исследований получения различных видов пен, удовлетворительной сходимостью результатов расчетов, справкой об использовании результатов научно-исследовательской работы ОАО “Воркутауголь”, актом экспертизы научно-исследовательской работы институтом «ПечорНИИпроект», а также протокола испытания опытной пеногенерирующий системы в СПГГИ (ТУ).

Практическая значимость работы: разработаны рецептуры твердеющих пен, технологическая схема пылеподавления в выработанном пространстве угольных шахт, схема комплексного пылеподавления на угольных шахтах.

Личный вклад автора работы заключается в разработке методики исследований, участии в проведении основной части экспериментальных исследований, в разработке рецептур приготовления и составов пенопородных аэродинамических сопротивлений, экономическом расчете эффективности применения технологии управления пылевым режимом выработанного пространства угольных шахт.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 международных, российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: Ежегодная научная конференция молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2006 – 2008 гг.), «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2007 – 2008 гг.), Научно-практическая конференция в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2006 г.), LVII Международный форум горняков и металлургов (Фрайберг, Германия. 2007 г.), Международная выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург. 2007 г.), Международная выставка “ВейстТек 2007” (г. Москва), II Международной выставки и конгресса «Перспективные технологии для реального сектора экономики» (г. Москва, ВВЦ), 57 Всемирного Салона инноваций, научных исследований и новых технологий «Иннова - Энерджи 2008 (Брюссель - Эврика 2008), где научные разработки были отмечены сертификатами, дипломами, золотыми и серебряными медалями.

Реализация результатов работы. Справка об использовании результатов научно-исследовательской работы ОАО “Воркутауголь” (г. Воркута, Россия), акт экспертизы научно-исследовательской работы института «ПечорНИИпроект» (г. Воркута, Россия), протокол испытания опытной пеногенерирующий системы в СПГГИ (ТУ) (г. Санкт-Петербург, Россия).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных трудов, в их число входят 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях Российской Федерации, 2 зарубежные публикации, соавторство в 2-х монографиях, 6 статей и тезисов в сборниках материалов по итогам международных и всероссийских конференций, а также 1 статья в научно-популярном журнале. Получено 3 патента на изобретение по теме диссертации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 197 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 43 таблицы, 6 приложений и список литературы из 101 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, профессору, доктору технических наук Ю.В. Шувалову за идеи, которые послужили основой проведения исследований, внимание, помощь и поддержку, оказываемые в процессе выполнения работы, доценту кафедры «Общая и физическая химия» Т. Е. Литвиновой, доценту кафедры «Общая и техническая физика» Н. Н. Смирновой, доктору химических наук И. Д. Устинову за помощь на различных этапах написания диссертационной работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выработанное пространство, примыкающее к очистному забою, является наиболее взрывоопасным объектом в связи с интенсивной фильтрацией утечек воздуха (до 40-60 % общего объема в лаве), выносом и отложением угольной пыли (до 250-500 г/м3), наличием природных и техногенных источников инициирования взрывов, и его целесообразно защищать путем управления пылегазовым режимом с использованием ленточных аэродинамических сопротивлений движению аэрозолей на основе пенопородных полос с различным временем устойчивости пен.

Аварии, происходящие на угольных шахтах, преимущественно связаны с пожарами, взрывами метана и пыли (около 60 %), обрушениями (25-30 %), газодинамическими явлениями (5-7 %) и другими причинами. Наиболее опасными объектами по возгораниям и взрывам являются очистные забои и сближенное к ним выработанное пространство, в которых за последние 30 лет происходило более 45 % вспышек (взрывов) газа и угольной пыли. Крепкие породы кровли обрушаются в выработанном пространстве большими глыбами, между которыми остаются каналы для проникновения воздуха и пыли, где происходит накопление пыли и газа до взрывоопасных концентраций.

Основными причинами скоплений метана и угольной пыли до взрывоопасных концентраций являются: интенсивное газовыделение и пылеобразование, неудовлетворительное проветривание выработок и проведение пылевзрывозащитных мероприятий, слоевые скопления метана, значительные пылеотложения; наличие непроветриваемых выработок в зоне ведения горных работ; организационные упущения со стороны инженерно-технических работников; недостаточная эффективность традиционных методов борьбы с газом и пылью.

Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в основных выработках добычного участка еще не является гарантией безопасности ведения работ. Неравномерность газовыделения как во времени, так и по площади поверхности контакта пород с воздухом делает характер формирования газового режима выработок не закономерным и требует значительных резервов производительности систем безопасности (вентиляторов, распределительных устройств и пр.) при надежном и стабильном контроле ситуации. Диапазон стабильных изменений концентрации газа в сечении достигает 0,3-0,4 %, а эпизодические “всплески” могут превышать допустимые пределы и вызывать воспламенения газа, переходящие во взрывы газа и пыли.

По данным исследований, для всех схем проветривания выемочных участков характерны закономерности изменения содержания кислорода и метана в выработанном пространстве, имеющие вид экспонент с плавным снижением первого и повышением второго на расстоянии до 150-200 м от забоя.

При наличии утечек воздуха из лавы в выработанное пространство значительно сокращается поступление пыли в выработки с исходящей струей. Само выработанное пространство, особенно в нижней части лавы, является своеобразным “осаждающим фильтром” и накопителем пыли - взрывоопасного материала. Время действия выработанного пространства как “осадительного фильтра” может изменяться от нескольких суток (на уровне контакта со свежей струей) до десятков суток (на уровне контакта с исходящей из лавы струей воздуха). Участок активного пылеосаждения такого “фильтра” определяется, в основном, его геометрией (пористость) и скоростью движения утечек воздуха.

Пылеотложение для призабойного выработанного пространства реально сопоставимо с участками сопряжений лав с вентиляционными выработками и ориентировочно может быть оценено величиной не менее 300-400 г/м3сут. Зона утечек аэрогелей в выработанном пространстве распространяется от единиц до десятков метров по длине лавы, что создает благоприятные условия для формирования взрывоопасного “стратиграфического” разреза пылеотложений от крупных фракций на контакте с породой до мелких - на контакте с утечками воздуха.

Исследования процессов переноса массы аэрозольного вещества (с учётом воздуха) в выработанное пространство позволили разработать математическую модель и получить аналитическую зависимость:

, (1)

где свх – концентрация частиц на входе (х = 0), г/м3;

х – расстояние от лавы в выработанном пространстве, м.

Зависимость свидетельствует об экспоненциальном снижении концентрации частиц в воздухе до 10-15 % от начальной на расстоянии до 10 м. Пылевой аэрогель с крупностью частиц до 30 мкм имеет возможность не только заполнять выработанное пространство с обрушенными породами, но и мигрировать далее с утечками воздуха, создавая пожаровзрывоопасное состояние всего объёма зоны фильтрации.

Для изоляции выработанного пространства, а также пространства между крепью и стенками выработки на кафедре «БП и РГП» предложено использование аэродинамических сопротивлений, состоящих из твердеющей негорючей и практически газонепроницаемой пены.

Предлагаемая схема может быть реализована при разработке угольных пластов длинными очистными забоями с управлением горным давлением полным обрушением пород кровли за крепью при прямоточном проветривании выемочного участка по воздухоподающему штреку 1, очистному забою 2, вентиляционному штреку 3. При этом прохождение воздуха через зону повышенного метановыделения в выработанном пространстве 4 блокируется пенными полосами 5, 6 у очистного забоя 2 и вентиляционного штрека 3 соответственно.

Рисунок 1 - Схема пеногенерирующего способа регулирования

пылегазового режима добычного участка угольной шахты.

Пенные полосы 5 у очистного забоя 2 формируются периодически на расстоянии Lшаг между ними, причем это расстояние равно половине длины зоны обрушения основной кровли F. А ширина пенных полос Lп может достигать мощности отрабатываемого пласта. Устойчивость 1 пенных полос у очистного забоя равна отношению удвоенного значения фактической длины зоны обрушения основной кровли F к скорости подвигания очистного забоя V:

, (сут), (2)

где длина зоны обрушения основной кровли F варьируется 25…30 м, а скорость подвигания очистного забоя V не превышает 3 м/сут, поэтому устойчивость пенных полос у очистного забоя варьируется от 15...20 суток.

Пенные полосы 6 у вентиляционного штрека 3 формируют постоянно по мере продвижения очистного забоя. Ширина пенных полос Lз определяется экспериментально. Устойчивость 2 пенных полос у вентиляционного штрека равна десятикратному отношению удвоенного значения фактической длины зоны обрушения основной кровли F к скорости подвигания очистного забоя V:

, (сут), (3)

где длина зоны обрушения основной кровли F изменяется в пределах 25…30 м, а скорость подвигания очистного забоя V не превышает 3 м/сут, поэтому устойчивость пенных полос у вентиляционного штрека варьируется от 150...200 суток.

Формирование аэродинамических сопротивлений на основе пенных полос с различной устойчивостью у очистного забоя и вентиляционного штрека в выработанном пространстве приводит к практически полной изоляции выработанного пространства от опасных по взрыву газа и пыли, перемещению утечек воздуха к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана, и повышению безопасности угольной шахты.

По итогам исследований получен патент на изобретение № 2007135961 «Способ защиты выработанного пространства от взрывов пыли и газа».