ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Введення

Актуальність

Вугільна промисловість України набуває все більшої ваги у забезпеченні енергетичної безпеки держави. Конкурентоспроможність вугледобувних підприємств забезпечується, насамперед, за рахунок підвищення ефективності видобутку вугілля і збільшення навантаження на очисні вибої. Однак це завдання істотно ускладнюється через обмеження за газовим фактором, які неухильно загострюються із зростанням глибини розробки і підвищенням газоносності вугільних родовищ.

Серед найбільш ефективних технологій зниження багатогазовості углепородного масиву займає особливе місце дегазація вугільних пластів і їх супутників підземними дегазаційними свердловинами, пробуреними з Вирабок, підтримуваних позаду лави. У процесі активізації зрушень підробляється товщі стовбури дегазаційних свердловин інтенсивно деформуються і руйнуються, особливо в околиці підготовчої виробки, а ефективність дегазації різко падає. У зв'язку з цим вдосконалення параметрів підземних дегазаційних свердловин, експлуатованих позаду діючої лави, є актуальною для вугільної промисловості України завданням.

Мета

Підвищення ефективності дегазації шляхом вдосконалення параметрів підземних дегазаційних свердловин, експлуатіруемих позаду чинного очисного вибою.

Завдання досліджень

Визначити умови деформації каналу дегазаційної свердловини в околиці, інтенсивно деформируемой підготовчої виробки.

Об'єкт дослідження

Процес деформації дегазаційних свердловин.

Предмет досліджень

Дегазувань свердловини.

Методи досліджень

У роботі будуть використано комп'ютерне моделювання процесів в гірському масиві, а також результати експериментальних досліджень в гірських виробках.

Наукові положення

Встановлення розшарувань, які збільшують проникність масиву навколо гирла свердловини по експоненті в міру наближення до контуру вироблення і зменшают ефективність роботи свердловин через збільшення підсосів повітря через гирла; зрізів, величина яких знаходиться в логарифмічній залежності від зміщення покрівлі виробки і які знижують ефективність роботи свердловини.

Практичне значення

Будуть розроблені і вдосконалені заходи і засоби щодо зниження деформації дегазаційних свердловин, а також методика визначення ступеня деформації каналу свердловини при зрушенні гірських порід.

1. Оглядова інформація

1.1. Обзор досліджень по темі в ДонНТУ

Інститут гірництва та геології Донецького національного технічного університету є однією з провідних наукових організацій, яка займається питаннями вдосконалення параметрів підземних дегазаційних свердловин.

1.2. Обзор досліджень по темі в Україні

На території України дослідженнями параметрів підземних дегазаційних свердловин займається кафедра маркшейдерської справи Дніпропетровського Національного Гірського Університету.

1.3. Обзор досліджень по темі в світі

    Питаннями дегазації займаються багато інститутів Російської Федерації:
  1. Санкт–Петербурзький державний гірничий інститут імені Г.В. Плеханова;
  2. Південно–Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут);
  3. Московський державний гірничий університет.

2. Основний зміст роботи

В умовах ринкової економіки отримання високої рентабельності вугільних шахт виходить на перше місце. Забезпечення рентабельності видобутку вугілля може бути досягнуто тільки за рахунок підвищення навантаження на очисні вибої. Проте інтенсифікація видобутку вугілля неминуче призводить до збільшення інтенсивності газовиділення в робочий простір чинного очисного вибою, що підвищує ймовірність вибуху газоповітряної суміші. При цьому можливості розбавлення газоповітряної суміші до безпечного рівня за допомогою традиційних засобів вентиляції давно вичерпані. Саме тому останнє десятиліття особлива увага приділяється вдосконаленню систем дегазації [1,2].

Незважаючи на суттєвий прогрес у цій галузі ефективність дегазації не завжди достатня для безпечного ведення очисних робіт, про що свідетельствуют відбуваються великі аварії на вугільних шахтах України та СНД, причиною яких є вибухи газоповітряної суміші. Характерно, що такі аварії відбуваються приблизно з однаковою частотою незалежно від того, які схеми провітрювання застосовуються. Істотним резервом по–височини ефективності дегазації є каптірованіе газу з неконтрольоруемих підготовчих виробок, які примикають до діючих очисних вибоїв [2]. Справа в тому, що майже при всіх схемах дегазації максимальне кількість вільного газу накопичується у виробленому просторі діючої лави з боку раніше відпрацьованого ділянки.

Як правило, у вентиляційних виробках, що примикають до зазначеного ділянці, вже є дегазаційні системи. У зв'язку з цим вельми доцільно використовувати ці системи для додаткового уловлювання та відведення метану з неконтрольованих виїмкових виробок, ділянки яких ізолюються і фактично протягом 50–300 м і більше ще мають залишкове перетин близько 2–5 м2. Такий перетин цілком достатньо для збереження цілісності дегазаційного трубопроводу. У зв'язку з цим доцільно розташувати трубопровід в такому місці неконтрольованого перетину вироблення, яке зникне в саму останню чергу. У цьому випадку з'являється можливість вловити і відвести додатково 30–40% вибухонебезпечного газу і підвищити за рахунок цього безпеку очисних робіт. Таким чином, дослідження розподілу довговічності «живого» перерізу виробки за площею її первісного перетину є актуальним.

Для вирішення поставленого завдання використовувався комплексний метод испроходження, що включає фізичне і математичне моделювання забороняє cлушних деформацій перерізу підготовчої виробки, а також результати натурних шахтних спостережень, у процесі яких вимірювалися габарити сечення вироблення і вироблялася їх фотофіксація. Всього було проаналізувати вано шість математичних і 8 фізичних моделей, а також 25 підготуватитільних виробок на 6 вугільних шахтах Донбасу і декількох шахтах зарубежья. При цьому використовувалися власні результати досліджень, а також раніше опубліковані дані інших авторів. Це дозволило зібрати базу даних, на основі яких побудована представницька вибірка. Аналіз данної вибірки наводиться нижче.

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.

Зміна залишкового перетину вироблення позаду рухомого очисного вибою

Рис. 1. Зміна залишкового перетину вироблення позаду рухомого очисного вибою

У цілому характер загасання зміщень на контурі неконтрольованого ділянки вироблення описується експонентою. У процесі зрушень породи навколо неконтрольованої підготовчої виробки розшаровуються і утворюють техногенні складки в покрівлі та грунті (рис. 2). Такий характер зрушень типовий для пологого падіння. Перетин неконтрольованої вироблення зменшується, в основному, у вертикальному напрямку, хоча зближення бічних стінок також мають місце. Зазвичай величина бічних зсувів в 2–5 разів менше, ніж зближення крівлі і грунту. Форма залишкового перетину неконтрольованої вироблення в процесі деформування змінюється, причому навпроти вікна лави вона може набувати виражену несиметрію.

Характер необратимых сдвижений пород вокруг подготовительной выработки по данным физического моделирования

Рис. 1. Характер необратимых сдвижений пород вокруг подготовительной выработки по данным физического моделирования

На підставі цього праві і ліві частини перерізів використані окремо для збільшення статистичної вибірки. На рис. 4 наведені експериментальні дані [3], що підтверджують правомірність такого підходу. На знімках видно, що зі зменшенням площі залишкового перетину неконтрольованої вироблення до 3–4 м його асиметрія стає нехтує малою. Разом з тим зазначена величина площі.

Зміна асиметрії перерізу неконтрольованого ділянки виробки з видаленням лави

Рис 3. Зміна асиметрії перерізу неконтрольованого ділянки виробки з видаленням лави

Для забезпечення можливості об'єднання результатів, отриманих різними методами (фізичним, математичним моделюванням і натурними експериментами), розміри всіх перерізів були унормовані. Для цього висота неконтрольованого перетину вироблення і його ширина приймалися за одиницю, а координати точок контуру перетину визначалися в межах від 0 до 1. Для кількісної оцінки ділянок площі поперечного перерізу використовувалася бальна оцінка. В якості вихідного перерізу виробки приймалося її перетин навпроти вікна лави. Ділянкам перетину, які зникали в першій геомеханической зоні (тобто в зоні активних зрушень позаду діючої лави – див. рис. 1), призначалася оцінка в межах 33 балів.

Ділянкам неконтрольованого перетину, які зникли в межах другої геомеханической зони, призначалася оцінка в інтервалі від 33 до 66 балів. Участки, які зникли в третій зоні, оцінювалися в межах від 67 до 100 балов. При цьому ділянки перетину, які демонстрували найвищу долговечность присвоювалась оцінка в 100 балів. Оскільки вихідне перетин розбивалося на ділянки з кроком 0,1 первісної ширини або висоти січіня, після обробки вихідних даних за вищевказаною методикою освітньої близько 300 даних за площею неконтрольованого перетину виробки. При цьому набори даних зберігалися у форматі «координати х, у, оцінка в балах». Ці набори оброблялися крігінг методом у пакеті SURFER, которий забезпечує можливість аналізу варіограмм. Це гарантувало коректно усереднення вихідних даних і підвищило вірогідність результатів їх обробки.

Всі результати наводилися до стандартних умов, при яких іншість порід крівлі і грунту вироблення однакова. За рахунок цього забезпечувалалась порівнянність результатів обробки за всіма даними вихідної вибірки, приведення яких реалізувалося за допомогою галузевої методики для розрахунку зсувів на контурі підготовчих виробок [4].

На рис. 4 показано розподіл бальної оцінки ділянок неконтрольованого перетину. Ці оцінки можна трактувати в термінах ймовірності збереження ділянки перетину неконтрольованої виробітку. Чим більше бальна оцінка ділянки, тим вище ймовірність його збереження. Отриманий розподіл добре узгоджується з геомеханіки зсувів порід на контурі виробки. Так найменш довговічні ділянки перетину, які розташовані з боку грунту. Ці ділянки зникають через пученія порід грунту. Низьку ймовірність збереження мають також ділянки перетину, що примикають до покрівлі виробки і її бічних стінок. Максимальної довговічністю володіють ділянки неконтрольованого перетину, які розташовані на вертикальному відстані від грунту, рівному 0,5 – 0,7 вихідної висоти перерізу виробки напроти вікна лави і зміщені від вертикальної осі симетрії перерізу на 0,1–0,4 полушіріни зазначеного перерізу.

Розподіл ймовірності збереження трубопроводу дегазаційного трубопроводу по перетину неконтрольованої вироблення

Рис. 4. Розподіл ймовірності збереження трубопроводу дегазаційного трубопроводу по перетину неконтрольованої вироблення

На підставі отриманих результатів проаналізуємо існуючі схеми розміщення дегазаційного трубопроводу або газоотсоса в неконтрольованих виробках (рис. 6). Позицією 1 позначено місця розташування газоотсоса, яке практикується при дегазації неконтрольованого ділянки виїмкових виробок. При цьому до труби А прикріплюється відросток Б, який часто називають свічкою. Відросток необхідний для уловлювання метану біля сводовой частини неконтрольованої вироблення, оскільки метан легший за повітря і накопичується у верхній частині перерізу. З зіставлення малюнків 5 і 6 стає ясно, що ймовірність збереження такого трубопроводу мінімальна. Вже в межах першої геомеханической зони відбувається затискання системи з подальшим зламом свічки і / або трубопроводу. Ймовірність збереження такої системи не перевищує 20–30%. Це означає, що вона вийде з ладу вже на первих десятках метрів позаду віддалюваною лави, а більша частина метану не буде каптованого, що знижує ефективність дегазації неконтрольованого ділянки виємочной вироблення і підвищує ймовірність вибуху біля сполучення з вентиляційним штреком.

Рис. 5. Можливі варіанти розташування дегазаційного трубопроводу

Часто трубопровід залишають на грунті виробки в позиції 3. Ймовірність защемлення такого трубопроводу між породами грунту і стінками вироблення висока, а ймовірність його збереження не перевищує 20%. Дещо вище ймовірність збереження трубопроводу в позиції 4, коли його прикріпленають в стійці рамного кріплення біля бокової стінки виробки. Однак імовірність созберігання такого трубопроводу не перевищує 35–40%.

З аналізу розподілу на рис. 5 стає зрозуміло, що максимальна ймовірність збереження дегазаційного трубопроводу в тому випадку, якщо він буде розміщуватися в позиції 5. При цьому конструкція газоотсоса спрощується, оскільки не потрібні свічки. Досить перфорувати сам трубопровід. Крім того, таке рішення знизить аеродинамічний опору трубопроводу.

У міру осідання порід покрівлі трубопровід буде опускатися і в конеч ¬ ном рахунку займати позицію, в якій ймовірність його збереження максимальна.

На перший погляд в цю позицію трубопровід може переміститися, якщо його розташувати на грунті. Однак у процесі пученія порід грунту висока імовірність сповзання трубопроводу в небезпечне становище 3, оскільки пучение відбувається у вигляді зворотного зводу. Головним же недоліком позиції 1, як вже зазначалося, є необхідність прикріплення свічок.

Рис. 6 – Зміна залишкового перетину дегазаційної свердловини позаду рухомого очисного вибою
(анімація: об'єм – 52 КБ; кількість кадрів – 4; кількість повторень – 7)

На підставі виконаних досліджень обгрунтовано раціональна схема розташування дегазаційного трубопроводу, що дозволяє підвищити ефективність дегазації за рахунок максимальної ймовірності збереження Цілісності трубопроводу і збільшенні його довговічності.

Перелік посилань

  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. Дегазація вугільних шахт. Вимоги до способів та схеми дегазації. - Київ: Мінвуглепром України, 2004. - 162 с
  3. Борзих А. Ф. Зміст, ремонт і ліквідація виробок вугільних шахт / [А. Ф. Борзих, Ю. Є. Зюков, С. Н. Княжев] - Алчевськ: ДонДТУ, 2004. - 614 с.
  4. Указанія по раціональному розташуванню, охороні і підтримці гірських виробок на вугільних шахтах СРСР. - [Вид. четверте, доп.] - Л.: Слухаючи, 1986. - 222 с.