Общие положения и развитие знаний в области рудничной газодинамики

Рудничная аэрогазодинамика - наука о процессах аэрогазодинамики при освоении георесурсов в недрах.
Под аэрогазодинамическими процессами понимают процессы выделения газов из горных пород в результате извлечения георесурсов, распространения газов в воздушных потоках и взаимодействия газовоздушных потоков с окружающей средой. К ним относятся:
- образование и миграция газов в земной коре;
- выделение их из разгруженного горного массива;
- перенос газообразных примесей как от природных (из вмещающих пород), так и искусственных источников выделения (газы, выделяющиеся при взрывных работах, при работе дизельного оборудования и др.) в вентиляционных сетях, включающих горные выработки, зоны обрушений (выработанные пространства) и горный массив;
- процессы поступления и рассеивания рудничных газов в атмосфере Земли.
Из вышесказанного следует, что рудничные аэрогазодинамические процессы весьма разнообразны. Однако этим процессам присущи единая физико-механическая основа и общие специфические условия их протекания:
- наличие как точечных, так и линейных неравномерно распределенных источников газовыделения;
- нестационарность в пространстве и времени источников газовыделения и характеристик вентиляционной сети;
- большая протяженность, высокая и неравномерная шероховатость воздуховодов (горных выработок), высокая вероятность их значительной обводненности;
- протекание процессов в сложных сетях, включающих пористые среды больших объемов с высокой анизотропией фильтрационных параметров (выработанные пространства, газопроницаемые породы).
Эта специфика позволяет выделить процессы рудничной аэрогазодинамики как особую группу сложных процессов, не имеющих аналогов в смежных отраслях науки.
Выделение горючих и взрывоопасных газов в рудниках и шахтах и меры защиты от них с давних пор являлись предметом пристального внимания горняков, причем уже в конце XIX века проводились серьезные научные исследования рудничной атмосферы. Развитие рудничной аэрогазодинамики в России началось в 30-х годах прошлого века. Это было связано в первую очередь с интенсификацией добычи полезных ископаемых, сопровождающейся увеличением объемов буровзрывных работ и необходимостью эффективного удаления газов от ВВ. Особую роль в становлении новой науки сыграло развитие подземной угледобычи на метанообильных месторождениях Донбасса, Кузбасса и Караганды. Специфика аэрогазовых процессов в угольных шахтах проявляется в еще большей степени, поэтому задачи изучения и управления ими приобретают более сложный характер.
В начальной стадии изучение газодинамических процессов было в основном направлено на решение задач, связанных с газоносностью пластов и газообильных шахт. Интенсивность и закономерности выделения метана в горные выработки определяются в первую очередь его природой, генезисом, формами взаимосвязи с углем - именно эти вопросы решались наиболее интенсивно на первом этапе развития газовой динамики и угольных шахт. В решение этих задач большой вклад внесли советские ученые Г.Д. Лидин, В.В. Ходот, И.Л. Эттингер.
Первым этапом изучения процессов распространения примесей вентиляционными потоками было установление характера силового взаимодействия движущегося воздушного потока с ограничивающими поверхностями или встречающимися на его пути различными предметами. В рудничной аэрологии эта задача сводилась к изучению взаимодействия воздуха со стенками горных выработок, силовых проявлений в воздушном потоке на участках местных сопротивлений, взаимодействия воздуха с дроблеными горными породами при его фильтрации через выработанные пространства, бункеры, рудоспуски, и, наконец, взаимодействия потока с различного рода предметами, находящимися в выработках.
Наиболее глубоко изучались вопросы взаимодействия потоков со стенками горных выработок, связанные с установлением закона сопротивления, определением сопротивлений трения и исследованием влияния на них специфических горных факторов. Большой вклад в эти исследования внесли советские ученые, по существу создавшие основы рудничной вентиляции: Ф.А. Абрамов, B.Н. Воронин, В.Б. Комаров, А.И. Ксенофонтова, Н.И. Мустель, А.А. Скочинский. Эти исследования создали надежную основу расчета основных параметров движения воздуха в горных выработках. В настоящее время такие расчеты проводятся с высокой точностью на стадии проектирования и при практической организации вентиляции.
Дальнейшие работы в 50-60-е годы прошлого века были направлены на исследование закономерностей выделения метана в горные выработки. Исследовались, в частности, вопросы интенсивности газовыделения из различных источников, его неравномерности и методы расчета и управления процессами газовыделения.
Особую область аэрогазодинамических явлений в угольных шахтах занимают процессы диффузии метана в воздушных потоках. Практическая значимость таких процессов в значительной степени усилилась в связи с проблемой местных скоплений метана и в особенности так называемых слоевых скоплений. Местные скопления метана есть не что иное, как проявление своеобразных диффузионных процессов, характеризуемых наличием высоких градиентов концентрации. Изучение процесса диффузии метана в горной выработке интенсивно проводилось в Англии и в России с использованием теории турбулентной диффузии для анализа процесса. Выполненные работы позволили установить закономерности изменения основных характеристик турбулентности, разработать методы расчета распределения концентрации метана в горных выработках и необходимого количества воздуха, обеспечивающего достижение безопасных концентраций газа.
Изучение аэрогазодинамических процессов было интенсивно продолжено в связи с постановкой в 60-х годах задачи автоматизации управления вентиляцией газовых шахт и необходимостью повышения степени представления и описания физического характера процессов до уровня, соответствующего возможности автоматического управления ими. Важнейшую роль в решении этой задачи играет надежный контроль параметров шахтной атмосферы, что потребовало создания соответствующих датчиков и систем контроля, базирующихся на объективном знании закономерностей рудничной аэрогазодинамики. Автоматические датчики скорости воздуха и концентрации метана появились вначале как технические средства исследовательского характера, в дальнейшем были разработаны системы телеконтроля параметров атмосферы, пригодные для систематического практического использования.
С внедрением механизированных комплексов и увеличением объема горных работ в 60-х годах возникла проблема «газового барьера», вызвавшая развитие нового направления - управления газовыделением в угольных шахтах. Одним из основных факторов, определявших режим управления вентиляцией шахт, являются переходные газодинамические процессы, имеющие место при регулировании количества воздуха на выемочных участках шахт. Поэтому в рамках проблемы автоматического управления вентиляцией в 70-е годы исследование переходных процессов занимает основное место, причем существенную роль здесь играют процессы аэрогазодинамики систем горные выработки-выработанное пространство. Изучением этих сложных процессов, относящихся к классу турбулентных пространственных течений через крупнокусковатую пористую среду, занимались А.М. Карпов, Ф.С. Клебанов, А.А. Колмаков, А.Ф. Милетич, А.А. Мясников, И.М. Печук, Л.A. Пучков, К.З. Ушаков и др.
Одновременно с исследованиями аэродинамических методов управления выделением метана ведутся интенсивные исследования и разработка новых методов дегазации угольных месторождений, в том числе с изменением природной газопроницаемости массива горных пород путем их физико-химической обработки, с использованием микробиологического воздействия.
Развитием методов и средств управления газовыделением из основных источников аэродинамическими и газодинамическими методами, разработкой моделей и алгоритмов автоматического управления вентиляцией и дегазацией, созданием АСУ вентиляции и дегазации с целью повышения безопасности ведения горных работ характеризуются 80-е годы прошлого века.
С развитием эффективных способов дегазации угленосной толщи проблема управления газовыделением в 90-х годах приобретает важный экологический аспект, связанный с необходимостью создания систем экологического мониторинга рудничных газов и утилизации шахтного метана в целях снижения загрязнения земной атмосферы вредными газами, выделяющимися при добыче полезных ископаемых.

---