Газовиділення з відбитого вугілля в шахтних бункерах і розрахунок параметрів їх провітрювання - Автореферат

Із вугілля, яке знаходиться в бункері, під час заповнення бункера і збереження вугілля виділяється метан, концентрація якого може стати вибухонебезпечною. Як показав аналіз висновків експертних комісій з розслідування причин аварій, вибухонебезпечна концентрація метану в камері бункера на шахті “Іловайська” утворилась внаслідок зменшення витрати повітря у виробітках західного крила шахти, а отже, і у виробках, які прилягають до бункера, та виділення метану з вугілля, завантаженого у бункер. Скочинського вибухонебезпечна суміш утворилась у застійній зоні, у незаповненій вугіллям частині бункера і над бункером через виділення метану з навантаженого вугілля. Дисертація повязана з НДР: “Розробка методу визначення часу утворення небезпечної концентрації метану, який виділяється в замкнутих обємах” (№ ДР 010U003243) та “Дослідження сорбційних властивостей гірничих порід і вугілля при високому тиску” (№ ДР 010U002912), котрі виконувалися в Інституті фізики гірничих процесів НАН України. Ідея роботи полягає у використанні під час прогнозу загазованості вільного обєму шахтних бункерів метаном із відторгнутого від масиву вугілля, показника зміни швидкості газовиділення за часом та розробки на цій основі методу розрахунку параметрів їх провітрювання.У першому розділі подано аналіз стану вивчення актуальності завдання, умов та обставин аварій, повязаних із загазованістю накопичувальних шахтних бункерів і закритих сховищ вугілля та динаміки метанового виділення з нього, яке приводить до утворення вибухонебезпечних концентрацій метану. Залежність інтенсивності газовиділення з відбитого вугілля від часу визначена експериментально для обмеженого відрізку часу після відторгнення, коли вугілля ще перебуває у гірничих виробках. Існуючі моделі метанового виділення з відбитого вугілля для опису динаміки процесу використовують рівняння дифузії, аналогічне широко відомому рівнянню теплопровідності, яке дає позитивні результати для незначного періоду часу з моменту відділення вугілля від пласта (100-200 хвилин). У звязку з цим, у роботі запропоновано фізичну модель і математично сформулювало задачу метанового виділення, яка враховує, окрім процесів дифузії метану із вугілля, також інтенсивність його переходу зі звязаного стану у вільний, що залежить від часу, або залишкового метанового вмісту в вугіллі, а також від коефіцієнта масовіддачі. Частинки вугілля різних фракцій обємом Wi, які містяться у бункері обємом V, з моменту їх завантаження виділяють метан та інші вуглеводневі гази, котрі змішуються з повітрям у незаповненому вугіллям обємі V2, де: V2 = V - V1Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій подано рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає у встановленні закономірностей витоку газів із вугілля різного фракційного складу і ступеня метаморфізму, дослідженні накопичення метану у вільному просторі шахтних накопичувальних бункерів і на підставі цього, розрахунку необхідних витрат повітря для їх провітрювання та часу накопичення метану до вибухонебезпечних концентрацій при аварійному зупиненні провітрювання. Знайдено аналітичне рішення задачі та вирази, які дозволяють на основі кривих динаміки метанового виділення із вугілля розраховувати коефіцієнти внутрішньої дифузії та інтенсивності переходу метану у вільний стан. Сформульовано математична модель динаміки вмісту метану в накопичувальному бункері вугілля з урахуванням його фракційного складу, газового збагачення пласта, інтенсивності завантаження бункера вугіллям, витрати повітря, що надходить до бункера. Показано, що основними речовинами у виділених газах при температурі до 45°С є метан, а при більш високих температурах - водень, етан, оксид і диоксид вуглецю, які повинні враховуватися під час довгострокового зберігання вугілля у погано провітрюваних приміщеннях в умовах його самонагрівання. Одержано аналітичні залежності для визначення інтенсивності переходу звязаного метану у вільний стан як функції часу, або залишкового складу метану в вугіллі, які дають можливість з використанням теоретичних залежностей розраховувати газовиділення з вугілля.

. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій подано рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає у встановленні закономірностей витоку газів із вугілля різного фракційного складу і ступеня метаморфізму, дослідженні накопичення метану у вільному просторі шахтних накопичувальних бункерів і на підставі цього, розрахунку необхідних витрат повітря для їх провітрювання та часу накопичення метану до вибухонебезпечних концентрацій при аварійному зупиненні провітрювання.

Основні наукові результати і висновки, одержані при виконанні роботи, полягають у наступному: 1. Аналіз умов збереження вугілля в шахтних накопичувальних бункерах та інших закритих сховищах свідчить про те, що відторгнуте від пласта вугілля, що впродовж довгого часу виділяє метан, який може стати причиною вибуху. Відсутність надійних методів розрахунку динаміки газовиділення з часток відбитого вугілля різних фракцій і ступеня метаморфізму унеможливлює здійснення розрахунків метанового накопичення в бункерах за нормального та аварійного режимів провітрювання.

2. Зроблено аналіз схем розташування вугільних бункерів на шахтах України. Показано, що умови провітрювання бункерів визначаються станом вентиляційних мереж. Провітрювання здійснюється через шар вугілля, або труби, прокладені через усю висоту бункера. На підставі досліджень розроблено фізичну модель процесу накопичення метану з відбитого вугілля різних фракцій в незаповненій частині бункера.

3. Розроблено математичну модель опису метанового виділення з відторгнутого від масиву вугілля, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує інтенсивність переходу метану із звязаного стану до вільного. Знайдено аналітичне рішення задачі та вирази, які дозволяють на основі кривих динаміки метанового виділення із вугілля розраховувати коефіцієнти внутрішньої дифузії та інтенсивності переходу метану у вільний стан.

4. Сформульовано математична модель динаміки вмісту метану в накопичувальному бункері вугілля з урахуванням його фракційного складу, газового збагачення пласта, інтенсивності завантаження бункера вугіллям, витрати повітря, що надходить до бункера. Одержані й проаналізовані аналітичні рішення, які дають можливість розраховувати необхідні для провітрювання витрати повітря, кількість метану при порушенні провітрювання і під час утворення вибухонебезпечної концентрації метану.

5. Вивчена кінетика утворення газоподібних речовин із вугілля під час його нагрівання. Показано, що основними речовинами у виділених газах при температурі до 45°С є метан, а при більш високих температурах - водень, етан, оксид і диоксид вуглецю, які повинні враховуватися під час довгострокового зберігання вугілля у погано провітрюваних приміщеннях в умовах його самонагрівання.

6. Проведені лабораторні дослідження витікання метану із часток вугілля фракцій від 0,05 до 37,5 мм., різного ступеня метаморфізму. Одержано аналітичні залежності для визначення інтенсивності переходу звязаного метану у вільний стан як функції часу, або залишкового складу метану в вугіллі, які дають можливість з використанням теоретичних залежностей розраховувати газовиділення з вугілля.

7. На підставі експериментальних досліджень у промислових умовах на 11 шахтах ДХК "Макіїввугілля", "Донвугілля" та "Жовтеньвугілля" зясовано, що одержані залежності адекватно описують розглянутий процес і на їх основі розроблені нормативні документи для розрахунків: - витрати повітря під час провітрювання бункерів;

- вмісту метану під час скорочення провітрювання нижче нормативного і часу загазування бункерів до вибухонебезпечної концентрації метану при припиненні провітрювання. вугілля метан шахтний

8. Розроблено галузевий стандарт (ГСТУ 10.1-04675545-007-2003) “Провітрювання шахтних накопичувальних бункерів вугілля у нормальному режимі роботи та аварійних ситуаціях. Методи розрахунків”. Очікуваний економічний ефект від його впровадження складе від 500 тис. грн. до 3 млн. грн., залежно від умов конкретного підприємства.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ

1. Алексеев А.Д., Ульянова Е.В., Коврига Н.Н., Смоланов И.Н. Исследование фазового состояния метана в углях // Физикотехнические проблемы горного производства: Донецк.- 2001. Вып. 3. С. 3-8.

2. Алексеев А.Д., Ульянова Е.В., Коврига Н.Н., Смоланов И.Н. Взаимодействие метана с угольным веществом // матер. XI Межд. науч. школы “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках”. - Симферополь. - 2001. С. 6-8.

3. А.Д. Алексеев, И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко Время образования опасной концентрации метана, выделившегося из угля в замкнутом объеме. // Обработка дисперсных материалов и сред: Международный периодический сборник научных трудов. - Одесса. - 2002. Вып. 2. С. 197-200.

4. Греков С.П., Березовский А.А., Кошовский Б.И., Смоланов И.Н. Метанового выделение из частиц угля в закрытых объемах. // Горноспасательное дело. - Донецк. - 2002. С. 56-65.

5. Греков С.П., Кошовский Б.И., Ильин В.М., Смоланов И.Н. Истечение метана из частиц угля // Горноспасательное дело. - Донецк. - 2002. С. 74-88.

6. Смоланов И.Н., Шевченко Л.В. Исследование динамики метанового выделения из угля, отторгнутого от массива. // Физикотехнические проблемы горного производства. - Донецк. - 2002. Вып. 5. С. 74-78.

7. А.Д. Алексеев, С.Н. Смоланов, Е.В. Ульянова, Н.Н. Коврига, И.Н. Смоланов. Определение фазового состояния метана по спектрам ЯМР // Геотехническая механика. - Днепропетровск. - 2002. - Вып. 32. - С. 61-67.

8. Смоланов И.Н., Шевченко Л.В. Исследование процесса метанонакопления в бункерах при хранении угля. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: МГТУ.- 2002. № 6. С. 60-62.

9. Греков С.П., Смоланов И.Н. Газовыделение из отторгнутого от массива угля и опасность скопления взрывоопасных концентраций метана в шахтных накопительных бункерах и замкнутых объемах // Уголь Украины. - 2003. № 1. С. 52-54.

10. Березовский Н.А., Греков С.П., Смоланов И.Н. Математическая модель выделения метана из отторгнутого от массива куска угля // Доповіді НАН України: Сер. Математика. 2003. № 1. С. 12-17.

11. Смоланов И.Н., Шевченко Л.В. Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах // Физикотехнические проблемы горного производства. - Донецк. - 2003. Вып. 6. С. 173-179.

12. Проветривание шахтных накопительных бункеров угля в нормальном режиме работы и в аварийных ситуациях: ОСТУ 10.1-04675545-007-2003 / Пашковский П.С., Греков С.П., Смоланов И.Н. и др., утв. приказом № 363 от 11.07.03. С. 20.

Размещено на .ru