ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Актуальность

Угольная промышленность Украины приобретает все больший вес в обеспечении энергетической безопасности государства. Конкурентоспособность угледобывающих предприятий обеспечивается, прежде всего, за счет повышения эффективности добычи угля и увеличе¬ния нагрузки на очистные забои. Однако эта задача существенно усложняется из–за ограничений по газовому фактору, которые неуклонно обостряются с ростом глубины разработки и повышением газоносности угольных месторождений.

Среди наиболее эффективных технологий снижения газообильности углепородного массива занимает особе место дегазация угольных пластов и их спутников подземными дегазационными скважинами, пробуренными из выработок, поддерживаемых позади лавы. В процессе активизации сдвижений подрабатываемой толщи стволы дегазационных скважин интенсивно деформируются и разрушаются, особенно в окрестности подготовительной выработки, а эффективность дегазации резко падает. В связи с этим совершенствование параметров подземных дегазационных скважин, эксплуатируемых позади действующей лавы, является актуальной для угольной промышленности Украины задачей.

Цель

Повышение эффективности дегазации путем совершенствования параметров подземных дегазационных скважин, эксплуатируемых позади действующего очистного забоя.

Задачи исследований

Определить условия деформации канала дегазационной скважины в окрестности, интенсивно деформируемой подготовительной выработки.

Объект исследования

Процесс деформации дегазационных скважин.

Предмет исследований

Дегазационные скважины.

Методы исследований

В работе будут использовано компьютерное моделирование процессов в горном массиве, а также результаты экспериментальных исследований в горных выработках.

Научные положения

Установление расслоений, которые увеличивают проницаемость массива вокруг устья скважины по экспоненте по мере приближения к контуру выработки и уменьшают эффективность работы скважин из–за увеличения подсосов воздуха через устья; срезов, величина которых находится в логарифмической зависимости от смещения кровли выработки и которые снижают эффективность работы скважины.

Практическое значение

Будут разработаны и усовершенствованы меры и средства по снижению деформации дегазационных скважин, а также мeтодика определения степени деформации канала скважины при сдвижении горных пород.

1. Обзорная информация

1.1. Обзор исследований по теме в ДонНТУ

Институт горного дела и геологии Донецкого национального технического университета является одной из ведущих научных организаций, которая занимается вопросами совершенствования параметров подземных дегазационных скважин.

1.2. Обзор исследований по теме в Украине

На территории Украины исследованиями параметров подземных дегазационных скважин занимается кафедра маркшейдерского дела Днепропетровского Национального Горного Университета.

1.3. Обзор исследований по теме в мире

    Вопросами дегазации занимаются многие институты Российской Федерации:
  1. Санкт–Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова;
  2. Южно–Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт);
  3. Московский государственный горный университет.

2. Основное содержание работы

В условиях рыночной экономики получение высокой рентабельности угольных шахт выходит на первое место. Обеспечение рентабельности добычи угля может быть достигнуто только за счет повышения нагрузки на очистные забои. Однако интенсификация добычи угля неизбежно приводит к увеличению интенсивности газовыделения в рабочее пространство действующего очистного забоя, что повышает вероятность взрыва газовоздушной смеси. При этом возможности разбавления газовоздушной смеси до безопасного уровня с помощью традиционных средств вентиляции давно исчерпаны. Именно поэтому послед¬нее десятилетие особое внимание уделяется совершенствованию систем дегазации [1,2].

Несмотря на существенный прогресс в этой области эффективность дегазации не всегда достаточна для безопасного ведения очистных работ, о чем свидетельствуют происходящие крупные аварии на угольных шахтах Украины и СНГ, причиной которых являются взрывы газовоздушной смеси. Характерно, что такие аварии происходят примерно с одинаковой частотой независимо от того, какие схемы проветривания применяются. Существенным резервом повышения эффективности дегазации является каптирование газа из неконтролируемых подготовительных выработок, которые примыкают к действующим очистным забоям [2]. Дело в том, что почти при всех схемах дегазации максимальное количество свободного газа накапливается в выработанном пространстве действующей лавы со стороны ранее отработанного участка. Как правило, в вентиляционных выработках, примыкающих к указанному участку, уже имеются дегазационные системы. В связи с этим весьма целесообразно использовать эти системы для дополнительного улавливания и отвода метана из неконтролируемых выемочных выработок, участки которых изолируются и фактически на протяжении 50–300 м и более еще имеют остаточное сечение порядка 2–5 м2. Такое сечение вполне достаточно для сохранения целостности дегазационного трубопровода. В связи с этим целесообразно расположить трубопровод в таком месте неконтролируемого сечения выработки, которое исчезнет в самую последнюю очередь. В этом случае появляется возможность уловить и отвести дополнительно 30–40% взрывоопасного газа и повысить за счет этого безопасность очистных работ. Таким образом, исследование распределения долговечности «живого» сечения выработки по площади ее первоначального сечения является актуальным.

Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследований, включающий физическое и математическое моделирование запредельных деформаций сечения подготовительной выработки, а также результаты натурных шахтных наблюдений, в процессе которых измерялись габариты се¬чения выработки и производилась их фотофиксация. Всего было проанализиро¬вано шесть математических и 8 физических моделей, а также 25 подготови¬тельных выработок на 6 угольных шахтах Донбасса и нескольких шахтах зару¬бежья. При этом использовались собственные результаты исследований, а так¬же ранее опубликованные данные других авторов. Это позволило собрать базу данных, на основе которых построена представительная выборка. Анализ данной выборки приводится ниже. Неконтролируемый участок подготовительной выработки (шахты им. Засядько и Красноармейская–Западная №1) попадает в несколько геомеханиче¬ских зон, которые характеризуются разной интенсивностью проявления горно¬го давления (рис.1). Для обеспечения возможности сопоставления результатов нескольких экспериментов графики деформации построены в безразмерных величинах площади сечения, при этом площадь сечения выработки напротив окна лавы принята за единицу. После прохода окна лавы участок выработки изолируется и попадает в зону активных сдвижений (участок 1), где интенсивность конвергенции на контуре максимальна а их скорость составляет от 5 до 50 мм/сути более. Длина зоны активных проявлений составляет 1–2 месячных подвигания лавы и в зависимости от скорости подвигания изменяется в пределах 30–250 м. Именно на этом участке происходит раскрытие трещин и расслоение окружающих выработку пород, что приводит к интенсивному газовыделению. Поэтому сохранение остаточного сечения неконтролируемого участка выработки на данном участке является весьма актуальным.

На участке 2 происходит затухание сдвижений на контуре выработки. Несмотря на затухающий характер деформаций сечения выработки и вмещающих ее пород, газовыделение продолжается, причем в пределах второго участка остается возможность каптировать от 30 до 100% газа от того количества, которое улавливается на участке 1. В пределах участка 3 скорость смещений на контуре неконтролируемой выработки падает до минимума. В зависимости от состоя¬ния выработки напротив окна лавы, способа ее охраны и несущей способности.

Неконтрольований ділянка підготовчої виробки (шахти ім. Засядька та Червоноармійська–Західна № 1) потрапляє в кілька геомеханічних зон, які характеризуються різною інтенсивністю прояви гірничого тиску (рис.1). Для забезпечення можливості зіставлення результатів декількох експериментів графіки деформації побудовані в безрозмірних величинах площі перетину, при цьому площа перетину вироблення навпроти вікна лави прийнята за одиницю. Після проходу вікна лави ділянка вироблення изолируется і потрапляє в зону активних зрушень (ділянка 1), де інтенсивність конвергенції на контурі максимальна а їх швидкість становить від 5 до 50 мм / добу і більше. Довжина зони активних проявів становить 1–2 місячних посування лави і залежно від швидкості посування змінюється в МЕЖАХлах 30–250 м. Саме на цій ділянці відбувається розкриття тріщин і расшарування оточуючих вироблення порід, що призводить до інтенсивного газовіподілу. Тому збереження залишкового перетину неконтрольованого ділянки виробітку на даній ділянці є досить актуальним. На ділянці 2 відбувається загасання зрушень на контурі виробки. Незважаючи на затухаючий характер деформацій перерізу виробки і вміщають її порід, газовиділення триває, причому в межах другої ділянки залишається можливість каптованого від 30 до 100% газу від тієї кількості, яка уловлюється на ділянці 1. У межах ділянки 3 швидкість зміщень на контурі неконтрольованої вироблення падає до мінімуму. Залежно від стану вироблення навпроти вікна лави, способу її охорони та несучої здатності.

Изменение остаточного сечения выработки позади движущегося очистного забоя

Рис. 1. Изменение остаточного сечения выработки позади движущегося очистного забоя

В целом характер затухания смещений на контуре неконтролируемого участка выработки описывается экспонентой. В процессе сдвижений породы вокруг неконтролируемой подготовительной выработки расслаиваются и обра¬зуют техногенные складки в кровле и почве (рис. 2). Такой характер сдвижений типичен для пологого падения. Сечение неконтролируемой выработки уменьшается, в основном, в вертикальном направлении, хотя сближение боковых стенок также имеют место. Обычно величина боковых смещений в 2–5 раз меньше, чем сближения кровли и почвы. Форма остаточного сечения неконтролируемой выработки в процессе деформирования меняется, причем напротив окна лавы она может приобретать выраженную несимметрию.

Характер необратимых сдвижений пород вокруг подготовительной выработки по данным физического моделирования

Рис. 2. Характер необратимых сдвижений пород вокруг подготовительной выработки по данным физического моделирования

Вместе с тем величина асимметрии падает с уменьшением остаточного се¬чения. В тех случаях, когда асимметрия сечения выражена, ее величина умень¬шается по экспоненте и изменяется в пределах от 56% до 15% в конце жизнен¬ного цикла неконтролируемой выработки. На рис. 3 приведен график сглажи¬вания асимметрии остаточного сечения, выраженной в виде дисбаланса правой и левой части сечения в процентах. Видно, что в конце жизненного цикла неконтролируемого сечения подготовительной выработки асимметрия сечения становится меньшей погрешности измерений, которая не превышает 15%.

На основании этого правые и левые части сечений использованы отдельно для увеличения статистической выборки. На рис. 4 приведены эксперименталь¬ные данные [3], подтверждающие правомерность такого подхода. На снимках видно, что с уменьшением площади остаточного сечения неконтролируемой выработки до 3–4 м его асимметрия становится пренебрежимо малой. Вместе с тем указанная величина площади.

Изменение асимметрии сечения неконтролируемого участка выработки с удалением лавы

Рис. 3. Изменение асимметрии сечения неконтролируемого участка выработки с удалением лавы

Для нахождения распределения вероятности сохранения дегазационного трубопровода по площади неконтролируемого сечения выработки была использована следующая методика. Вышеописанным методом было обеспечено представительное количество данных для обработки результатов измерений.

Для обеспечения возможности объединения результатов, полученных разными методами (физическим, математическим моделированием и натурны¬ми экспериментами), размеры всех сечений были нормированы. Для этого вы¬сота неконтролируемого сечения выработки и его ширина принимались за единицу, а координаты точек контура сечения определялись в пределах от 0 до 1. Для количественной оценки участков площади поперечного сечения использовалась бальная оценка. В качестве исходного сечения выработки при¬нималось ее сечение напротив окна лавы. Участкам сечения, которые исчезали в первой геомеханической зоне (то есть в зоне активных сдвижений позади действующей лавы – см. рис. 1), назначалась оценка в пределах 33 балов.

Участкам неконтролируемого сечения, которые исчезли в пределах второй геомеханической зоны, назначалась оценка в интервале от 33 до 66 балов. Участки, которые исчезли в третьей зоне, оценивались в пределах от 67 до 100 балов. При этом участки сечения, которые демонстрировали самую высокую долговечность присваивалась оценка в 100 балов. Поскольку исходное сечение разбивалось на участки с шагом 0,1 первоначальной ширины или высоты сечения, после обработки исходных данных по вышеуказанной методике образовалось около 300 данных по площади неконтролируемого сечения выработки. При этом наборы данных сохранялись в формате «координаты х, у, оценка в баллах». Эти наборы обрабатывались кригинг методом в пакете SURFER, который обеспечивает возможность анализа вариограмм. Это гарантировало корректное усреднение исходных данных и повысило достоверность результатов их обработки.

Все результаты приводились к стандартным условиям, при которых прочность пород кровли и почвы выработки одинакова. За счет этого обеспечива¬лась сопоставимость результатов обработки по всем данным исходной выбор¬ки, приведение которых реализовалось с помощью отраслевой методики для расчета смещений на контуре подготовительных выработок [4].

На рис. 4 показано распределение бальной оценки участков неконтролируемого сечения. Эти оценки можно трактовать в терминах вероятности сохра¬нения участка сечения неконтролируемой выработки. Чем больше бальная оценка участка, тем выше вероятность его сохранения. Полученное распреде¬ление хорошо согласуется с геомеханикой смещений пород на контуре выра¬ботки. Так наименее долговечны участки сечения, которые расположены со стороны почвы. Эти участки исчезают из–за пучения пород почвы. Низкую ве¬роятность сохранения имеют также участки сечения, примыкающие к кровле выработки и ее боковым стенкам. Максимальной долговечностью обладают участки неконтролируемого сечения, которые расположены на вертикальном расстоянии от почвы, равном 0,5 – 0,7 исходной высоты сечения выработки напротив окна лавы и смещенные от вертикальной оси симметрии сечения на 0,1–0,4 полуширины указанного сечения.

Распределение вероятности сохранения трубопровода дегазационного трубопровода по сечению неконтролируемой выработки

Рис. 4. Распределение вероятности сохранения трубопровода дегазационного трубопровода по сечению неконтролируемой выработки

На основании полученных результатов проанализируем существующие схемы размещения дегазационного трубопровода или газоотсоса в неконтроли¬руемых выработках (рис. 6). Позицией 1 обозначено месторасположение газо¬отсоса, которое практикуется при дегазации неконтролируемого участка вы¬емочных выработок. При этом к трубе А прикрепляется отросток Б, который часто называют свечой. Отросток необходим для улавливания метана у сводо¬вой части неконтролируемой выработки, поскольку метан легче воздуха и скапливается в верхней части сечения. Из сопоставления рисунков 5 и 6 становит¬ся ясно, что вероятность сохранения такого трубопровода минимальна. Уже в пределах первой геомеханической зоны происходит зажатие системы с последующим сломом свечи и/или трубопровода. Вероятность сохранения такой системы не превышает 20–30%. Это означает, что она выйдет из строя уже на первых десятках метров позади удаляющейся лавы, а большая часть метана не будет каптирована, что снижает эффективность дегазации неконтролируемого участка выемочной выработки и повышает вероятность взрыва у сопряжения с вентиляционным штреком.

Возможные варианты расположения дегазационного трубопровода

Рис. 5. Возможные варианты расположения дегазационного трубопровода

Часто трубопровод оставляют на почве выработки в позиции 3. Вероят¬ность защемления такого трубопровода между породами почвы и стенками выработки высока, а вероятность его сохранения не превышает 20%. Несколько выше вероятность сохранения трубопровода в позиции 4, когда его прикрепляют в стойке рамной крепи у боковой стенки выработки. Однако вероятность сохранения такого трубопровода не превышает 35–40%.

Из анализа распределения на рис. 5 становится понятно, что максимальная вероятность сохранения дегазационного трубопровода в том случае, если он будет размещаться в позиции 5. При этом конструкция газоотсоса упрощается, поскольку не нужны свечи. Достаточно перфорировать сам трубопровод. Кроме того, такое решение снизит аэродинамическое сопротивления трубопровода. По мере оседания пород кровли трубопровод будет опускаться и в конеч¬ном счете занимать позицию, в которой вероятность его сохранения макси¬мальна.

На первый взгляд в эту позицию трубопровод может переместиться, если его расположить на почве. Однако в процессе пучения пород почвы высока вероятность сползания трубопровода в опасное положение 3, поскольку пучение происходит в виде обратного свода. Главным же недостатком позиции 1, как уже указывалось, является необходимость прикрепления свечей.

Рис. 6 – Изменение остаточного сечения дегазационной скважины позади движущегося очистного забоя
(анимация: объем — 52 КБ; количество кадров — 4; количество повторений – 7)

На основании выполненных исследований обоснована рациональная схема расположения дегазационного трубопровода, позволяющая повысить эффективность дегазации за счет максимальной вероятности сохранения Целостности трубопровода и увеличении его долговечности.

Список источников

  1. Брюханов А. М. Розслідування та запобігання аварій на вугільних шахтах / [А. М. Брюханов, В. І. Бережинський, К. К. Бусигін та ін]; під. заг. ред. А. М. Брюханова. - Ч. П. - Донецьк: Донбас, 2004.-632 с.
  2. Дегазация угольных шахт. Требования к способам и схемы дегазации. - Киев: Минуглепром Украины, 2004. - 162 с.
  3. Борзых А. Ф. Содержание, ремонт и ликвидация выработок угольных шахт / [А. Ф. Борзых, Ю. Е. Зюков, С. Н. Княжев] - Алчевск: ДонГТУ, 2004.- 614 с.
  4. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. - [изд. четвертое, доп.] - Л.: ВНИМИ, 1986. - 222 с.