Научные направления современной рудничной аэрогазодинамики

Основные научные направления современной рудничной аэрогазодинамики:
1) разработка теории генезиса и форм взаимосвязи газов с горными породами, создание методов оценки газоемкости и газоносности горных пород;
2) разработка математических моделей и решение задач выделения газов при вскрытии газоносных структур, разрушении горных пород, проведении подготовительных и очистных горных работ;
3) разработка теории, методов расчета, технологических схем и технологических средств вентиляции систем горных выработок и выработанных пространств;
4) создание методов и средств газового мониторинга в процессе инженерной деятельности человека в земной коре, обеспечение газовой защиты людей и горных работ, управление процессами выделения, распределения и удаления вредных газов из горных выработок;
5) разработка теории и методов заблаговременной дегазации, добычи и утилизации газов месторождений твердых полезных ископаемых;
6) разработка теории, методов расчета, средств предупреждения и защиты от эндогенных пожаров.
Эти направления тесно взаимосвязаны. Рассмотрим кратко содержание каждого из них.
1. Генезис месторождений определяет газоносность пород и состав газов, в них содержащихся.
Результаты исследований по первому направлению обеспечивают возможность прогнозирования потенциальных запасов газа в месторождениях, эффективности дегазации пластов, оценки газовой опасности шахт и рудников.
2. Исследования закономерностей выделения газов в горные выработки представляют собой второе направление в рудничной аэрогазодинамике.
Источниками газовыделения в шахтах, как отмечалось выше, являются горные породы, работающее оборудование и взрывные работы. Две последние группы источников можно рассматривать как точечные, интенсивность которых определяется преимущественно техническими параметрами и не представляет собой сложности для описания и расчета. Газоносные породы представляют собой распределенные источники с изменяющейся во времени интенсивностью. Адекватное математическое описание их представляет существенное научное и практическое значение.
Применительно к метану различают три вида выделения газа с обнаженных поверхностей: обыкновенное, суфлярное и внезапное (внезапный выброс).
Обыкновенное выделение метана происходит через мелкие трещины и поры на поверхности угольного массива. Оно пропорционально газоносности, газопроницаемости и газовому давлению. Интенсивность его зависит также от характера производственных процессов, изменяющих условия дегазации массива.
К суфлярным относят выделение метана из крупных, видимых трещин и пустот в горном массиве, которые могут быть как природного, так и эксплуатационного происхождения. Опасность суфляров обусловлена их неожиданностью, а также тем, что они способствуют образованию слоевых скоплений метана в выработках.
Внезапные выбросы возникают под действием горного давления, энергии газа, заключенного в угле или породе, и при изменении прочностных параметров угольных пластов и пород в процессе ведения горных работ. При внезапном выбросе за короткий промежуток времени в выработку выделяется огромное количество газа (до 50 тыс. м3) и выбрасывается значительное количество угольной (или породной) мелочи (до 15 тыс. т). Внезапные выбросы обычно происходят при вскрытии опасных пластов и пересечении зон геологических нарушений; они приурочены к участкам пласта или пачкам угля, имеющим пониженную прочность и слабый контакт с вмещающими породами.
Исследование механизма и закономерностей развития этих явлений является основой для разработки мер защиты от них.
Газовыделение из выработанных пространств имеет место в выработках, оконтуривающих зону обрушения. В выработанные пространства метан поступает из угольных пластов и пропластков, невынимаемых целиков и пачек, попадающих в зону обрушения, а также из сближенных пластов в разгруженной части массива - из подработанной и надработанной толщ пород. Фильтрация газа из выше- и нижележащих слоев осуществляется под действием разности давлений газа в невынимаемых пластах и в выработанном пространстве.
Газовыделение в горные выработки из горных пород зависит от ряда горногеологических и горно-технических факторов. Важнейшими из них являются: газоносность пород, фильтрационные свойства массива и обрушенных пород, а также интенсивность выемки полезного ископаемого (скорость подвигания очистных и подготовительных забоев). Все источники газовыделения условно подразделяются на три группы: обнаженные поверхности горных пород (пластов), отбитая горная масса и выработанные пространства. Интенсивность первых двух источников выделения газа непосредственно зависит от технологии выемки и темпов подвигания забоев, т.е. эти источники практически не связаны с аэродинамикой участка. Третий источник - выработанные пространства - является наиболее сложным для формализованного описания, так как процесс выделения метана в данном случае в значительной степени определяется утечками воздуха через обрушенные породы. Условия поступления метана в область фильтрационного потока утечек также достаточно сложны, и взаимодействие потока утечек с процессами десорбции метана из вмещающего массива при его разгрузке практически не изучено. Прогноз газовыделения затрудняется тем, что источники его многочисленны и различны как по интенсивности, так и по своей локализации в пространстве.
Установлено, что метановыделение из вмещающего массива в выработанные пространства тесно связано с процессами сдвижения пород в ходе очистной выемки. Наиболее интенсивно газоотдача происходит в зоне частичной разгрузки от горного давления, которая перемещается вслед за лавой. Так же перемещается и зона интенсивного проветривания обрушенных пород. Взаимоналожение этих зон приводит к определенному квазистационарному распределению метана в выработанном пространстве. Вблизи очистного забоя концентрации минимально низкие, по мере удаления в глубь выработанного пространства они возрастают, достигая максимума примерно на границе зоны интенсивного проветривания, и затем снижаются и стабилизируются на некотором уровне в зоне уплотнения обрушенных пород. Для ряда схем проветривания (с двусторонним примыканием выработок к выработанному пространству) положение зоны высоких концентраций зависит от интенсивности фильтрационного потока утечек.
Математические модели процессов газовыделения являются теоретической базой для решения вопросов, связанных с расчетом и проектированием вентиляции и дегазации шахт и рудников, управлением проветриванием.
3. Основное назначение систем вентиляции - обеспечение подачи необходимого объема воздуха для разбавления до безопасных концентраций вредных газов, выделяющихся в горные выработки. Расчет параметров вентиляционных систем шахт и рудников базируется на закономерностях рудничной аэродинамики и закономерностях распространения газообразных примесей в вентиляционных сетях.
Рудничная аэродинамика рассматривает процессы движения воздуха в горных выработках как случай отсутствия заметных эффектов сжатия. Соответственно этому основные законы аэромеханики (уравнение аэростатики, закон Паскаля, закон Архимеда, законы сохранения массы и энергии) применительно к условиям горных выработок отражают специфику шахтных вентиляционных потоков.
В горных выработках имеют место потоки разных типов: ограниченные (с твердыми границами), полуограниченные и свободные струи. Знание законов движения ограниченных потоков требуется для организации вентиляции протяженных выработок, а законов движения свободных струй - для организации вентиляции камер, тупиковых забоев и т.п.
Важнейшее практическое значение имеет изучение условий формирования и разрушения местных, особенно слоевых, скоплений метана. В связи с этим исследуются и разрабатываются разнообразные способы изменения структуры воздушного потока и соответственно распределения концентраций метана в сечении выработки (искусственное увеличение шероховатости кровли, применение турбулизирующих трубопроводов, пульсирующее проветривание и т.п.).
Формирование аэродинамических параметров является достаточно сложной задачей, так как требует глубокого воздействия на структуру потока. Эта задача приобретает особое значение при создании систем автоматического управления вентиляцией газовых шахт, поскольку основная информация о состоянии объекта управления передается датчиками измерения скорости воздуха и концентрации метана в различных пунктах вентиляционной сети. При этом в местах измерения данных параметров необходимо локальное изменение структуры потока, обеспечивающее распределение характеристик турбулентности таким образом, чтобы точечные измерения отражали бы средние значения параметров.
Важным вопросом проектирования вентиляции шахт, а также автоматического управления проветриванием являются расчеты распределения воздуха в вентиляционной сети. Эти расчеты, требующие применения итерационных методов, достаточно трудоемки. На первых стадиях изучения этих процессов были разработаны и широко применялись методы электромоделирования, использующие электроаналогии. С появлением современных быстродействующих ЭВМ аналоговые модели были вытеснены цифровыми, которые в настоящее время широко используются в практике проектирования вентиляции и САУП. Следует отметить, что инженерное развитие методов и средств расчета сетей привело к их отрыву от базы этих расчетов - надежного определения параметров аэрогазодинамических процессов, в частности, параметров аэродинамики выработанных пространств, что существенно сказывается на точности и достоверности расчетов.
Важнейшей задачей для выемочного участка, т.е. в основных местах потребления свежего воздуха, является расчет распределения воздуха в системе горные выработки-выработанные пространства. Анализ уравнений турбулентной фильтрации показал, что в этих уравнениях в диапазоне реальных режимов движения воздуха через обрушенные породы необходимо в равной мере учитывать действие как вязкостных, так и инерционных сил. Поэтому описания распределения давлений и скоростей в утечках должны базироваться на универсальном законе сопротивления, учитывающем потери энергии на трение и преодоление сил инерции.
4. Обеспечение безопасности горных работ по газовому фактору может достигаться двумя путями - повышением интенсивности проветривания за счет увеличения расходов подаваемого воздуха и путем управления газовыделением. Необходим также надежный контроль газовыделения в горные выработки, и в первую очередь из выработанных пространств - естественных резервуаров метана, активно реагирующих на изменение аэрогазодинамических параметров сети. Для достижения действенного контроля параметров шахтной атмосферы требуется создание системы газового мониторинга, базирующейся на объективном знании закономерностей рудничной аэрогазодинамики. Выбор мест размещения датчиков, частота их опроса, алгоритмы сглаживания - все эти элементы системы контроля должны основываться на глубоком понимании газодинамических процессов в шахте.
Наиболее важным вопросом в системе мониторинга метана является вопрос о надежности отражения реальных газодинамических процессов по локальным во времени и пространстве показаниям датчиков концентрации метана и скорости воздуха. На настоящее время можно считать решенными вопросы расположения датчиков в вентиляционной сети - размещение пунктов замера определяется распределением газового баланса шахты в целом и отдельных выработок, а также структурой сети.
В перспективе газовый мониторинг выемочных участков и шахты в целом должен включать контроль не только метана, но и других вредных газов, выделяющихся при ведении горных работ и попадающих атмосферу с исходящей вентиляционной струей. В этом случае газовый мониторинг как отдельная подсистема органически войдет в систему экологического мониторинга шахты. Основные задачи экологического мониторинга шахтных газов - выявление источников загрязнения атмосферы вредными и ядовитыми газами, а также определение закономерностей их выделения во взаимосвязи с технологическими и геологическими факторами, что позволит обеспечить обоснованное прогнозирование выбросов. Поскольку любые аварийные газодинамические явления приводят к дополнительному выбросу в атмосферу Земли значительных объемов вредных и ядовитых газов, выбор методов и способов управления газовыделением в шахтах должен проводиться с учетом возможных экологических последствий.
Существующие методы управления газовыделением в шахтах по объекту воздействия подразделяются на газодинамические, аэродинамические и комбинированные.
Суть газодинамических методов заключается в изменении газообильности выработок при воздействии на давление и режим движения газа, сопротивление массива. К ним относятся: порядок отработки пластов в свите, выемочных столбов и слоев (при отработке мощных пластов), система разработки и способ управления кровлей и все способы дегазации массива и выработанных пространств.
Суть аэродинамических методов состоит в изменении концентрации газа в выработках путем изменения количества воздуха, а также скорости, направления его движения. К ним относятся: увеличение расхода воздуха (в общей струе или в местах скопления газа), скорости его движения, изменение направления движения утечек через выработанное пространство.
Комбинированные способы включают в себя газодинамическое и аэродинамическое воздействия.
На сегодня вопросы защиты атмосферы стоят очень остро, что требует пересмотра вопросов управления газовыделением. С точки зрения экологии целью этих мероприятий должен быть организованный отвод метана, обеспечивающий обязательное последующее использование его в промышленности или для бытовых нужд, при соблюдении допустимых концентраций газа в вентиляционной сети шахты. Иными словами, необходимо определять рациональное соотношение вентиляции и дегазации с точки зрения минимальных выбросов в окружающую среду.
В решении задач этого направления выработанным пространствам отводится важнейшая роль. С одной стороны, преобладание доли выработанного пространства в газовом балансе выемочных участков высокогазообильных шахт повышает роль дегазации этого источника, с другой стороны, высокая проницаемость зон обрушения при современных темпах подвигания забоев позволяет использовать их для перераспределения метановыделения в пространстве путем изменения направления движения утечек и обособленного разбавления потоков газа, выделяющегося из различных источников за счет применения соответствующих схем проветривания выемочных участков.
Задача повышения экологической безопасности угольных шахт связана с изучением взаимодействия процессов вентиляции и дегазации и определением аэродинамических режимов, обеспечивающих добычу кондиционного метана, пригодного для утилизации. В случае применения любого способа дегазации выработанного пространства дегазационная система включается в единую аэродинамическую сеть дегазационные скважины (выработки, перфорированные трубы)—выработанное пространство-горные выработки. При этом концентрации метана как в скважинах, так и в выработках участка будут зависеть от газовой ситуации в выработанном пространстве.
Повышение эффективности как аэродинамических, так и газодинамических методов управления газовыделением базируется на исследованиях аэрогазодинамики выработанных пространств, поэтому развитие исследований аэрогазодинамики выработанных пространств необходимо для решения в комплексе задач безопасности, попутной добычи метана и охраны окружающей среды при ведении горных работ.
5. На современных глубинах отработки высокогазоносных месторождений угля возможности вентиляции как средства борьбы с метаном исчерпаны. В настоящее время дегазация угольных пластов и вмещающих пород является неотъемлемой частью технологии угледобычи для большинства шахт в России и за рубежом (удельный вес газовых шахт в нашей стране превышает 80 %). За рубежом на участках с дегазацией добывается более 36 % всей подземной добычи угля, в странах СНГ - более 60 %.
Дегазация - принудительное извлечение газа из угленосной толщи инженерными средствами и удаление его, минуя атмосферу горных выработок, с целью создания безопасных и здоровых условий труда и повышения на этой основе экономических показателей работы, а также получения газа. Объектами дегазации являются все источники газовыделения в горные выработки: разрабатываемые пласты; вмещающие породы, включая сближенные пласты; выработанные пространства действующих и ранее отработанных лав.
Для обеспечения высокой производительности очистных забоев, соответствующей техническим возможностям современного выемочного оборудования (5000-8000 т/сут), необходимо снижение газоносности пластов до 8 м3/т. В условиях достигнутых глубин разработки для этого требуется обеспечивать эффективность дегазации на участках не менее 80-90 %, а в целом по шахте -не менее 50-60 %. В условиях комплексно-механизированных лав при погашении вентиляционных выработок за очистным забоем эффективность способов и средств дегазации неразгруженных пластов не превышает 35 %. При использовании дополнительно дегазации выработанного пространства с применением газоотсасывающих установок достигается эффективность 35-90 %. Хотя доля пластовой дегазации в решении задачи снижения средней газообильности участка сравнительно невелика, главное значение этого способа заключается в снижении концентрации метана в периоды пиковых возрастаний ее при работе добычных машин и для снижения выбросоопасности пластов.
Эффективность дегазации пластов зависит главным образом от газоотдачи пластов и времени дегазации. Опыт дегазации сближенных пластов свидетельствует о том, что основное количество метана (75-80 %) извлекается в зонах, разгруженных от горного давления в результате под- или надработки дегазируемого пласта.
В условиях постоянно увеличивающейся глубины отработки пластов эффективность их дегазации снижается. Эта тенденция характерна для всех угледобывающих бассейнов. Для эффективного снижения газовыделения из угольных пластов необходимо ощутимо уменьшишь их газоносность, что требует значительных сроков дегазации (до 1-5 лет) или поиска путей активного воздействия на угленосную толщу для увеличения газопроницаемости пластов, т.е. заблаговременной подготовки месторождения к отработке.
Метод воздействия на угольный массив с целью повышения его проницаемости получил название направленного гидрорасчленения пласта. Он заключается в том, что в дегазируемый пласт через скважину, пробуренную с поверхности, нагнетают воду для создания полости заданной ориентации. Затем нагнетанием рабочего агента производят раскрытие систем естественной трещиноватости, присущих пластам. Для сохранения раскрытых трещин вместе с рабочим агентом вносят крепящий материал. В качестве рабочего агента могут использоваться азот, кислород, углекислый газ, воздух, вода, соляная кислота и ряд других веществ.
В сложных горно-геологических условиях этот способ может применяться с другими активными воздействиями на толщу - пневмогидровоздействием, пневмооттеснением, гидроимпульсным воздействием.
Заблаговременная дегазация угленосной толщи может являться основой для создания эффективных способов добычи метана из угольных пластов как в период подготовки месторождения к выемке, так и в период эксплуатации - при сохранении скважин в разгруженном горными работами массиве их можно использовать для дегазации выработанных пространств.
6. Под эндогенной пожарной опасностью понимается опасность, обусловленная самовозгоранием угля в результате его окисления кислородом воздуха. Самонагревание в скоплениях угля происходит отдельными, сравнительно небольшими очагами. Одновременно происходит рассеивание тепла вследствие теплоотдачи от более нагретых участков к менее нагретым. Причем интенсивность генерации тепла и теплоотдачи возрастает с повышением температуры. Следовательно, дальнейшее развитие очагов самовозгорания зависит от соотношения скоростей изменения тепловыделения и теплоотдачи - если темпы роста генерации тепла превышают темпы рассеивания, то происходит самовозгорание. Протекание процессов окисления углистого вещества в зоне обрушения характеризуется изменением содержания оксида и диоксида углерода (CO и СО2), что используется для оценки эндогенной пожароопасности.
Описание этих процессов осложняется тем, что в реальных условиях по мере самонагревания изменяется концентрация кислорода в газовой среде на контакте с углистым веществом, а также меняется механизм окисления, что ведет к скачкообразному изменению константы скорости сорбции кислорода. Механизм теплоотдачи с ростом температуры пород также изменяется: возрастает роль конвективного переноса и излучения. Кроме того, на динамику температуры влияет влажность угля (обводненность пород).
Таким образом, условия самовозгорания в шахтах определяются целым рядом факторов. Поэтому современная теория самовозгорания материалов рассматривает самонагревание и самовозгорание как сложные явления, в которых кроме химического процесса окисления решающее значение имеют физические процессы массопереноса и теплоотдачи. Характер и интенсивность этих процессов в шахте складываются под влиянием всего комплекса горно-геологических и горнотехнических условий, воздействие которых определяет доступ кислорода (т.е. условия, обеспечивающие генерацию тепла) и отвода тепла, выделяющегося при окислении. Наиболее сильное влияние на эндогенную пожароопасность оказывают следующие факторы: природная склонность угля к самовозгоранию (химические свойства угля), угол падения и вынимаемая мощность пласта, наличие тектонических нарушений, физико-механические свойства вмещающих пород (прочность, слеживаемость, проницаемость), способ вскрытия и подготовки пласта, система разработки, способ и схема проветривания, депрессия шахты и участка.
Статистика эндогенных пожаров в угольных шахтах показывает, что свыше 60 % из них происходит в выработанных пространствах. Совершенно очевидно, что вопросы управления вентиляцией в условиях разработки пластов, опасных по самовозгоранию, не могут решаться без учета фактора пожароопасности. Пожароопасность выработанных пространств должна не только оцениваться в конкретном виде, но и, учитывая возможности регулирования параметров при оперативном управлении вентиляцией, уменьшаться с целью повышения общей безопасности работ.
Решающее влияние на развитие процесса самовозгорания угля на выемочных участках шахт оказывают утечки воздуха через выработанное пространство. Величина утечек определяет скорости фильтрации воздуха, т.е. условия доступа кислорода, а также распределение концентраций метана, вынос газов и тепла из выработанного пространства в прилегающие выработки. В этом плане существует определенное противоречие между мерами борьбы с газовой опасностью и самовозгоранием. Так, наиболее распространенной мерой борьбы с метаном средствами вентиляции является разбавление его путем увеличения расхода воздуха. Поэтому общий рост газообильности шахт приводит к необходимости увеличения общешахтных расходов воздуха и депрессий, что, в свою очередь, увеличивает утечки через выработанные пространства. Эндогенная пожароопасность угольных шахт так же, как и газовая, обусловлена природной способностью углей окисляться кислородом воздуха. Основными мерами профилактики и борьбы с самовозгоранием являются различные способы изоляции очагов, снижения доступа кислорода в зоны обрушения, т.е. все меры по снижению утечек воздуха через выработанные пространства.
Особенностью самонагревания угля в выработанном пространстве действующих забоев является постоянное изменение условий температурно-газового режима во времени и пространстве. В зоне обрушения на определенном расстоянии от очистного забоя уголь и вмещающие породы оказываются в определенной степени изолированными в тепловом и аэродинамическом отношении от окружающей среды, причем при изменении условий проветривания это равновесие может нарушаться. По мере подвигания очистного забоя и слеживания обрушенных пород зоны с соответствующими условиями перемещаются в пространстве. Поэтому одним из важнейших факторов, влияющих на процесс самовозгорания угля в выработанном пространстве, является скорость подвигания очистного забоя.
Применение различных способов управления газовыделением из выработанного пространства приводит к изменению условий его проветривания и, следовательно, влияет на эндогенную пожароопасность. Оценка пожароопасности того или иного способа управления газовыделением является весьма актуальной для газообильных шахт, так как большинство газообильных пластов склонно к самовозгоранию.
В процессе развития горных работ динамика пожароопасных зон определяется совокупностью горнотехнических (скорость подвигания очистного забоя, система разработки и схема вентиляции) и аэродинамических факторов (расход воздуха на участке, проницаемость выработанного пространства, структура скоростного поля потока утечек).
Возможность количественной оценки аэродинамических условий пожароопасности выработанных пространств приобретает особую важность с точки зрения комплексной профилактики газовой и пожарной опасности. Для газообильных шахт, как правило, режим проветривания определяется по газовому фактору, а снижение пожароопасности обеспечивается специальными мероприятиями. Наличие методов комплексной оценки влияния обоих факторов позволяло бы поддерживать максимально пожаробезопасные аэродинамические режимы.

---