книги / Рудничная аэрология

Примером переходного процесса является процесс с (t) в про­ межутке времени от t± до t2 (см. рис. 136). В момент tx комбайн начал работу по добыче в сравнительно дегазированной до этого зоне пласта, в момент t2 он стал работать в зоне относительно постоянной газоносности пласта. В результате этого газовыделение увеличилось от некоторой небольшой постоянной начальной величины до большей, тоже постоянной величины; аналогично изменилось и содержание газа: произошел «переход» газодинами­ ческого процесса с уровня сг на уровень с2.

В рудничной вентиляции особое значение имеют переходные газодинамические процессы, вызываемые изменением дебита воз­ духа в выработках. При этом содержание газа в выработке может изменяться в 4—5 раз. Продолжительность такого переходного процесса, т. е. время, в течение которого содержание газа изме­ няется от первоначального значения до конечного, изменяется от нескольких минут до нескольких суток.

Переходный газодинамический процесс, вызываемый измене­ нием расхода воздуха, может быть монотонным или экстремаль­ ным. Монотонный характер процесс имеет при плавном (на 20— 25%) изменении расхода воздуха. Последние исследования МГИ показали, что процесс бывает монотонным и при очень больших возмущениях расхода воздуха. В промежуточной области воз­ мущений резкое изменение расхода воздуха приводит к экстре­ мальному процессу, подобно изображенному на рис. 133.

На рис. 137 приведена запись такого процесса в шахте при резком увеличении расхода воздуха Q. Как видно из рисунка, содержание газа с в первые моменты после увеличения расхода воздуха резко нарастает от начального значения 0,9% до макси­ мального 1,3%, а затем начинает снижаться до конечной вели­ чины.

Если переходный процесс вызван только изменением расхода воздуха Ç, а интенсивность газовыделения I постоянна, то началь­ ное (до возмущения Q) содержание газа будет

I

а конечное (после окончания переходного процесса)

/

с* ~ ~ о 7 ’

где Qx и Q2 — расход воздуха соответственно до и после возму­ щения.

Значение содержания с в произвольный момент времени t между началом и концом процесса может быть найдено решением дифференциального уравнения

где Q (it) — функция расхода воздуха; alt а21 a3 — коэффициенты, учитывающие условия протекания процесса.

При значительном (более 20—25%) и резком увеличении рас­ хода воздуха процесс развивается так, как показано на рис. 133 ■сплошной линией, т. е. по схеме сг — стах — с2; при таком же уменьшении воздуха процесс идет по схеме сг — cmin — сг (штри­ ховая линия на рис. 133).

На характер переходного процесса, вызываемого изменением дебита воздуха, оказывает влияние ряд факторов.

При увеличении глубины возмущения в зависимости от расхода воздуха (отношения начального дебита к конечному или наоборот) увеличивается степень экстремальности процесса, т. е. отношения

^maxA'l ИЛИ C-i]cm in>

Чем больше объем резервуаров газа вблизи путей движения воздуха (в выработанном пространстве, в пустотах за крепью,

вслоевых скоплениях в выработках и т. п.), тем больше «всплеск» содержания газа при увеличении Q. Это объясняется тем, что чем больше объем резервуара газа, тем больше газа вовлекается

вдвижение и выносится в выработку при увеличении Q и, как следствие, тем больше увеличивается содержание газа с.

Переходные процессы часто возникают при наличии больших выработанных пространств, заполненных газом. При этом боль­ шое значение имеют фильтрационные свойства последних (воздухо­ проницаемость, режим движения воздуха, величина утечек).

Рассмотрим характер протекания переходного процесса на

пространство ÇyTl, депрессия участка/^ = RQh, где R __ сопро­ тивление выработок А В , ВС, CD.

Допустим, что дебит воздуха в выработках увеличился до ÇB2,

очистного забоя и примыкающего к ним выработанного простран­ ства. Основными местами газовыделения на добычном участке обычно являются очистной забой, вентиляционный штрек и вы­ работанное пространство.

Газовая динамика очистного забоя определяется газодинами­ ческими процессами, связанными с выделением метана с обнажен­ ной поверхности забоя, из выработанного пространства и из от­ битого угля. Эти процессы рассмотрены в § 9 и 82.

Газовыделение с обнаженной поверхности остановленного за­ боя почти равномерно по его длине. При добыче, когда время обнажения отдельных участков забоя разное, газовыделение более интенсивно на свежеобнаженных участках (например, за комбайном, в месте, где были проведены взрывные работы). В этих местах содержание метана в воздухе может заметно возрастать.

Характер и интенсивность газовыделения из выработанного пространства в рабочее пространство лавы в значительной степени зависит от схемы вентиляции участка. При сплошной системе разработки и П-образной схеме вентиляции (см. рис. 109, а) газ из выработанного пространства поступает в рабочее простран­ ство лавы лишь в нижней ее части, в которой утечки направлены из выработанного пространства в лаву. Поскольку нижние части

• выработанного пространства обычно бедны метаном, это газо­ выделение невелико. В верхней части лавы, как видно из рис. 109, а, часть газа из лавы уносится в выработанное про­ странство. При столбовой системе разработки и П-образной схеме вентиляции (см. рис. 109, б) утечками выносится весь газ из вы­ работанного пространства в верхнюю часть лавы, вследствие чего там наблюдается резкий рост содержания метана. При столбовой

странства в призабойное, определяется методом И. М. Печука. Согласно данному методу строят кривую распределения содержа­ ния метана в поперечном сечении рабочего пространства лавы. Доля газовыделения из выработанного пространства определяется как отношение расстояния от границы выработанного простран­ ства до точки минимума кривой к ширине рабочего пространства. Если через рассматриваемое сечение проходит / 0 (в м3/мин) метана,

Отсутствие минимума у кривой содержания указывает на то, что газ из выработанного пространства в лаву не выделяется.

Газовыделение из отбитого угля в очистном забое происходит лишь ниже места его отбойки.

Совокупное влияние описанных процессов вызывает рост со­ держания метана по длине очистного забоя в направлении от откаточного до вентиляционного штрека. Он происходит почти линейно, если в рабочее пространство лавы не поступает газ из выработанного пространства. При поступлении метана из выра­ ботанного пространства в верхнюю часть лавы темп роста содер­ жания (а также и дебита) метана увеличивается (рис. 139).

Такое увеличение тем больше, чем больше газа выносится в лаву из выработанного пространства. В результате возможны ситуации,, когда содержание метана в верхней части лавы при­ ближается к предельно допустимому или даже превосходит его.

Ширина рабочего пространства,м

Ряс. 138. Схема к определению газовыделения из выработанного простран­ ства в рабочее пространство лавы

Рис. 139. Изменение содержания метана по длине лавы:

1 — при отсутствии газовыделения из^выработанного “пространства в рабочее простран­ ство лавы; 2 — при выделении метана из выработанного пространства в верхнюю часть лавы

Это положение часто наблюдается при сплошных системах раз­ работки и возвратноточных схемах вентиляции участков (рис. Ю9, б). При этих схемах содержание метана вдоль лавы сл увеличивается экспоненциально:

где х — отношение расстояния от начала лавы до рассматрива­ емого ее сечения к длине лавы; а, Ъ и d — экспериментальные коэффициенты.

Если очистная выемка производится комбайном, то в месте его работы происходит выделение дополнительного количества газа, что вызвано дроблением угля и обнажением новых поверх­ ностей. Выделяющийся газ распространяется воздушной струей вдоль лавы. В связи с процессами рассеивания содержания этого газа в воздухе ск быстро уменьшается по мере удаления от ком­ байна:

где с0 содержание метана над комбайном; Ъх — эксперимен­ тальный коэффициент, в среднем равный 0,32; х — расстояние от комбайна вдоль лавы по направлению движения воздуха.

По высоте лавы содержание метана изменяется незначительно. Газовая динамика вентиляционного штрека определяется схе­ мами вентиляции участка. Если штрек расположен в целике (см. рис. 109, б, в), то содержание газа вдоль штрека либо постоянно, либо немного возрастает к устью (если имеет место газовыделение со стенок штрека). При контакте штрека с выработанным пространством участка (см. рис. 109, а) и при газовыделении

I*

I

!

Рис. 140. Газовыделение из выработанного пространства в вентиляционный штрек лавы

Рис. 141. Газовыделение из выработанного пространства в вентиляционные штреки на шахтах Донецко-Макеевского района Донбасса:

1 — 5-я вападная лава шахты «Кировская»; 2 — 10-я восточная лава шахты «Кировская»; 3 — 6-я западная лава шахты Ns 29; 4 — 5-я вападная лава шахты № 29

в последнее газ из выработанного пространства в значительной степени выносится утечками воздуха на вентиляционный штрек. Газовыделение в выработанное пространство из сближенных пластов наиболее интенсивно в примыкающих к лаве участках последнего, где наиболее интенсивны и утечки воздуха. В резуль­ тате при П-образных схемах вентиляции с вентиляционным штре­ ком в выработанном пространстве газовыделение из выработанного пространства в штрек наиболее интенсивно у лавы и затухает обычно на расстоянии 100—300 м от нее (рис. 140). В результате общее количество метана, проходящее по штреку, у лавы быстро нарастает, затем темп нарастания уменьшается и на расстоянии 100—300 м от лавы это количество становится постоянным (рис. 141).

Содержание метана в поперечном сечении вентиляционного штрека увеличивается в направлении к его гаэоотдающим поверх­ ностям: стенкам штрека, примыкающим к выработанному про-

странству или к газоотдающим поверхностям угольного пласта. Распределение содержания с в поперечном сечении штрека в этом случае описывается экспоненциальной кривой типа (XIV.38) (см. рис. 119).

В некоторых случаях в подкровельном пространстве вентиля­ ционного штрека возможно образование слоевых скоплений ме­ тана; тогда распределение содержания метана в поперечном сече­ нии штрека становится более сложным (см. рис. 123, б).

Газовая динамика выработанного пространства добычного участка зависит от характера и интенсивности источников газовыделения в него, схемы примыкания выработанного пространства

Рис. 142. Схема движения метана в выработанном пространстве добычного участка:

I — зона активного движения утечек; II — застойная зона; сплошные стрелки — пути движения метана; пунктирные — утечек

к воздухопроводящим выработкам участка и утечек воздуха через выработанное пространство. Пути движения метана в выработан­ ном пространстве в основном определяются утечками воздуха и, как правило, совпадают по направлению с последними.

В выработанном пространстве можно выделить зону, активно проветриваемую утечками воздуха, и застойную зону (рис. 142). В активной зоне метан интенсивно разбавляется утечками воздуха, поэтому содержание его здесь относительно невелико (обычно не более 5—10%). Застойной зоны утечки воздуха не достигают. В ней происходит накопление газовой смеси с высоким содержа­ нием метана, поступающего из сближенных пластов, и его мед­ ленное (под действием объемов газа, притекающих из сближенных пластов) движение в направлении к активной зоне.

Наличие больших объемов газовой смеси с высоким содержа­ нием метана в застойной зоне может привести к внезапному его выделению в окружающие выработки при резком падении баро­ метрического давления в шахте, остановке главного вентилятора, работавшего на нагнетание (при этом давление воздуха в шахте также падает), резком увеличении расхода воздуха на участке. В последнем случае имеет место переходный газодинамический процесс (см. § 82). При этом увеличиваются утечки воздуха через

выработанное пространство, граница активной зоны перемещается вверх и более или менее значительная часть газовой смеси с высо­ ким содержанием метана в застойной зоне захватывается утечками воздуха и выносится в вентиляционный штрек, в результате дебит газа в последнем увеличивается.

По простиранию газовыделение в выработанное пространство из сближенных пластов и пород уменьшается по море удаления от лавы. Это объясняется их частичной дегазацией, уплотнением обрушенных пород, восстановлением горного давления и, как след­ ствие, ресорбцией оставшегося свободного газа в сближенных пластах и породах, а также закрытием газопроводящих трещин в кровле. В результате газовыделение из выработанного простран­ ства по длине вентиляционного штрека по мере удаления от лавы уменьшается (см. рис. 140).

§ 84. УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ

Управлением метановыделением называется проведение меро­ приятий по перераспределению метановыделения в шахте или изменению его величины. Целью управления является облегчение, вентиляции отдельных участков и шахты в целом.

Рис. 143. Схемы вентиляции добычных участков

В настоящее время управление метановыделением произ­ водится путем изменения схем вентиляции, изменения аэродина­ мического сопротивления выработок, применения соответству­ ющего порядка отработки пластов в свите и систем разработки, специальным проветриванием выработанного пространства и де­ газацией.

Изменение схем вентиляции участка вызывает перераспреде­ ление метановыделения в участковые выработки. Так, вентиляция по схеме рис. 143, а способствует выносу метана из выработанного

пространства на вентиляционный штрек, при этом в нижней части лавы некоторое количество метана из выработанного пространства поступает в призабойное.

При вентиляции участка по схеме рис. 143, б основное коли­ чество метана выносится из выработанного пространства на вен­ тиляционный штрек, в призабойное пространство поступает минимальное количество метана.

При вентиляции по схеме рис. 143, в метан из выработанного пространства поступает в верхнюю часть лавы, вызывая там резкое повышение его содержания в воздухе (см. § 83). При этом выра­ ботанное пространство почти не проветривается, вследствие чего в нем образуется большое скопление метана, что создает опасность внезапных выделений его в призабойное пространство при резком падении барометрического давления, массовых обрушениях кро­ вли и т. п.

При вентиляции по схеме рис. 143, г почти весь метан вы­ носится из выработанного пространства в призабойное. По срав­ нению со схемой рис. 143, а газовыделение в призабойное про­ странство из выработанного в этом случае может быть больше до 3 раз.

Отмеченные особенности влияния схем вентиляции на пере­ распределение метановыделения на участке должны учитываться при их выборе, особенно в условиях высоких нагрузок на забой, когда привнос в призабойное пространство лавы даже небольших дополнительных количеств метана может заметно ограничить нагрузку на забой.

В последнее время широкое распространение получили столбо­ вые системы разработки с вентиляцией по схемам рис. 143, в и г . Чтобы избежать повышения содержания метана в верхней части лавы, параллельно вентиляционному штреку проводят дренажный просек, соединяемый с вентиляционным штреком сбойками (рис. 144). При этом часть метана из выработанного пространства через сбойки поступает на дренажный просек, минуя лаву. Эффект усиливается, если на просеке создать меньшее давление, чем на вентиляционном штреке.

Изменение аэродинамического сопротивления выработок по­ зволяет при существующих схемах вентиляции добиться благо­ приятного перераспределения газовыделения на участке. Послед­ нее достигается изменением депрессии между выработками в ре­ зультате изменения их сопротивления и, как следствие, измене­ нием направления и величины утечек воздуха через выработанное пространство и газовыделения из последнего. Например, если при вентиляции по схеме рис. 143, а увеличить сопротивление вен­ тиляционного штрека, то расчетом утечек воздуха в выработанном пространстве по графоаналитическому методу или электрическим моделированием (см.. § 75) можно показать, что линии тока утечек (следовательно, и движения метана) отклонятся от лавы тем больше, чем больше будет увеличено сопротивление вентиляционного

штрека. При достаточно большом сопротивлении вентиля­ ционного штрека можно добиться такого положения, когда метан из выработанного пространства не будет поступать в лаву (рис. 145).

В общем случае направление линий тока в выработанном пространстве зависит от соотношения удельных аэродинамических сопротивлений оконтуривающих выработанное пространство выра­ боток. Соответствующим выбором этих сопротивлений можно достичь желаемого перераспределения газовыделения из вырабо­ танного пространства на участке.

Рис. 145. Лини истока утечек воздуха в выработаншш пространстве при большом сопротивлении вентиляппонного штрека

Порядок отработки пластов в свите определяет количество газа, поступающее в выработанное пространство разрабатываемого пласта. При одновременной отработке сближенных пластов газовыделение по пластам распределяется наиболее равномерно при их минимальном взаимном опережении. В случае значительного опережения одного из пластов газообильность проведенных по нему выработок может превышать газообильность выработок вынимаемых в последнюю очередь пластов в 4—5 раз, а газовыделение из выработанных пространств может достигать 70—90% общего газовыделения по участку.

Отмеченные особенности объясняются различной разгрузкой пластов от горного давления, различной степенью десорбции содержащегося в пластах газа и различной нарушенностью (газо­ проницаемостью) междупластья при различном порядке отработки пластов. Так, при отработке вначале только одного пласта в свите неразрабатываемые смежные пласты частично разрушаются от горного давления, породы междупластья нарушаются, что увели­ чивает их газопроницаемость, в результате десорбируемый вслед­ ствие снижения давления на этих пластах метан может выделяться