Способ определения допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору

Изобретение относится к горной промышленности. Техническим результатом является повышение объемов добычи угля, снижение газоопасности работ в очистных выработках и улучшение технико-экономических показателей работы шахт. Для этого выбирают газообильную выработку, подают в нее исходный расход воздуха, замеряют исходную абсолютную газообильность и выбирают способ добычи угля. Дополнительно определяют исходную относительную газообильность, определяют условия соотношения исходной и относительной газообильности. После этого устанавливают в выходном сечении очистной выработки максимальный расход воздуха и исходную интенсивность добычи угля. Затем увеличивают интенсивность добычи угля от исходной до допустимой, когда концентрация метана в исходящей струе очистного забоя достигнет допустимого предела. При этом одновременно замеряют абсолютную, относительную газообильность, их начальные значения и показатели степеней изменения. С учетом этого определяют допустимую нагрузку на очистную выработку по газовому фактору при начальной интенсивности добычи угля, переменных значениях абсолютной, относительной газообильности и показателей их изменения по формуле. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при определении объемов добычи угля, газоопасности шахт и экономической эффективности их работы.

Известен горностатистический способ определения допустимой нагрузки на очистную выработку действующих шахт по газовому фактору (Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. М.: Недра, 1975, с.63-68), который включает замер максимально допустимой скорости движения воздуха, замер минимальной площади сечения очистной выработки, принятие допустимой в ней концентрации метана, определение максимальной абсолютной газообильности, определение соответствующего ей коэффициента неравномерности газовыделения, определение относительной газообильности очистной выработки по газоносности угля и пород, определение допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору по формуле. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ не учитывает: начальную величину добычи угля; нелинейный характер влияния абсолютной и относительной газообильности на интенсивность добычи угля; коэффициент неравномерности газовыделения у относительной газообильности. Известен также способ определения допустимой нагрузки на очистную выработку для действующих шахт (Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989, с. 106-109) по среднесуточной добыче угля и коэффициенту возможного ее увеличения, который включает: замер среднего метановыделения в очистной выработке, замер максимального расхода воздуха, который может быть использован для разбавления выделяющегося в очистной выработке метана, замер возможного относительного изменения длины очистной выработки, учет схемы проветривания очистной выработки и определение допустимой нагрузки на очистную выработку по формуле. Принят за прототип. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ не учитывает: начальную величину интенсивности добычи угля; характер связи между исходной средней абсолютной газообильностью и интенсивностью добычи угля; относительную газообильность и коэффициент ее неравномерности; промежуточные величины интенсивности добычи угля между исходной и допустимой величиной.

Задачей изобретения является повышение объемов добычи угля, снижение газоопасности работ в очистных выработках и улучшение технико-экономических показателей работы шахт.

Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении точности определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистную выработку, а с ее учетом в более достоверной подаче необходимого расхода воздуха для создания комфортных условий труда, предотвращения загазирований шахтной атмосферы, возникновения взрывов метановоздушных смесей и гибели людей в шахтах. Указанный технический результат заявленного изобретения достигается тем, что определение допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору включает: выбор очистной выработки, замер ее длины фактической и расчетной, выбор способа добычи угля, выбор системы разработки, выбор схемы проветривания выемочного участка, выбор способа управления кровлей, замер вынимаемой мощности пласта, устройство пунктов замера параметров во входном и выходном сечении выработки, замер среднего исходного фактического метановыделения (абсолютной газообильности) в очистной выработке, замер исходной фактической добычи угля, замер концентрации метана в поступающем воздухе через входное сечение в очистную выработку, замер минимального сечения очистной выработки, определение максимально допустимой скорости движения воздуха в очистной выработке, определение максимально допустимой концентрации метана в исходящей струе, определение расхода воздуха, движущегося по части выработанного пространства, непосредственно прилегающего к призабойному пространству, определение максимального расхода воздуха, который может быть использован для разбавления метана, выделяющегося в очистной выработке, дополнительно определяют исходную относительную газообильность очистной выработки, определяют соответствующую ей интенсивность добычи угля, определяют отношение исходной абсолютной газообильности к исходной относительной газообильности. При условии, если исходная интенсивность добычи угля меньше единицы, то определяют допустимую абсолютную газообильность выработки в выходном сечении, устанавливают контрольные пункты замера параметров вентиляции на входящей, исходящей и отведенной струе участка. После этого устанавливают устройством изменения расхода воздуха максимальный расход в выходном сечении выработки, устанавливают устройством изменения добычи исходную интенсивность добычи угля. Затем увеличивают интенсивность добычи угля от исходной до максимально допустимой, когда концентрация метана в выходном сечении очистной выработки достигнет допустимого осредненного значения. Одновременно замеряют интенсивность добычи угля, расход воздуха, концентрацию метана в пунктах замера, определяют абсолютную газообильность от исходной до максимально допустимой величины, определяют соответствующую абсолютной газообильности относительную газообильность от исходной до минимальной величины. Затем определяют показатель степени изменения абсолютной газообильности, определяют соответствующую ей начальную абсолютную газообильность. Далее определяют показатель степени изменения относительной газообильности, определяют начальную относительную газообильность, определяют начальную интенсивность добычи угля. После этого определяют допустимую максимальную интенсивность добычи угля при переменных значениях абсолютной и относительной газообильности по формуле:

где a - интенсивность добычи угля, т/мин;

a₀ - начальная интенсивность добычи угля;

J - абсолютная газообильность, м³/мин;

q - относительная газообильность, м³/т,

n₁, n₂ - соответственно показатель степени изменения абсолютной газообильности, показатель степени изменения относительной газообильности.

Кроме того, особенность предложенного способа заключается в том, что устройствами изменения относительной газообильности устанавливают ее в выходном сечении на постоянном начальном уровне, а абсолютную газообильность увеличивают от исходного уровня до максимально допустимого, замеряют абсолютную газообильность, определяют показатель степени у абсолютной газообильности, затем определяют интенсивность добычи угля при переменной абсолютной газообильности и постоянной начальной относительной газообильности по формуле:

где n₃ - показатель степени изменения абсолютной газообильности, при постоянной начальной относительной и переменной абсолютной газообильности.

Кроме того, особенность предложенного способа заключается в том, что устройствами изменения абсолютной газообильности устанавливают ее в выходном сечении на постоянном начальном уровне, а относительную газообильность уменьшают от исходного до минимального уровня, замеряют относительную газообильность, определяют показатель степени у относительной газообильности, затем определяют интенсивность добычи угля при переменной относительной газообильности и постоянной начальной абсолютной газообильности по формуле:

где n₄ - показатель степени изменения относительной газообильности при постоянной начальной абсолютной газообильности и переменной относительной газообильности.

Кроме того, особенность предложенного способа заключается в том, что измеряют время добычи угля и общую добычу определяют по формуле:

А=∫a_i(t)dt,

где А - общая добыча угля;

а - интенсивность добычи угля;

t - время;

i - индексы интенсивностей добычи угля (i=1, 2, 3) соответствующие п.1, п.2, п.3 заявки.

Наличие причинно-следственной связи между начальной интенсивностью добычи угля и техническим результатом подтверждается тем, что начальная интенсивность добычи по газовому фактору определяется совокупным влиянием на нее начальной величины абсолютной и относительной газообильности с соответствующей у каждой из них физической размерности. Отсюда следует, что начальная интенсивность добычи угля, определяемая по газовому фактору с учетом абсолютной и относительной газообильности, не равна исходной интенсивности добычи угля, определяемой по техническому фактору с учетом производительности добычной техники. В известном способе не учитывается начальная интенсивность добычи угля по газовому фактору, а вместо нее принимается исходная величина интенсивности добычи. Поэтому начальная величина интенсивности добычи угля имеет причинно-следственную связь с техническим результатом. Наличие причинно-следственной связи между характером влияния абсолютной газообильности на интенсивность добычи угля подтверждается тем, что с увеличением интенсивности добычи абсолютная газообильность нелинейно возрастает. Это обусловливается тем, что скорость изменения абсолютной газообильности по добыче замедляется за счет снижения десорбции метана из добываемого угля. В известном способе принимается обратная связь между абсолютной газообильностью и добычей угля. Поэтому характер влияния абсолютной газообильности на интенсивность добычи угля имеет причинно-следственную связь с техническим результатом. Наличие причинно-следственной связи между относительной газообильностью, ее неравномерностью и интенсивностью добычи угля подтверждается тем, что с увеличением добычи угля относительная газообильность не линейно уменьшается за счет уменьшения скорости десорбции метана углем в противовес абсолютной газообильности, которая возрастает. Таким путем относительная и абсолютная газообильности формируют интенсивность добычи угля с учетом разных скоростей изменения обоих газообильностей по величине и по знаку. В известном способе относительная газообильность не учитывается. Следовательно, не учитывается и коэффициент ее неравномерности, соответствующий коэффициенту неравномерности абсолютной газообильности. Учет только одного коэффициента неравномерности абсолютного газовыделения снижает достоверность определения интенсивности добычи угля. Поэтому между относительной газообильностью, коэффициентом ее неравномерности и техническим результатом существует причинно-следственная связь. Наличие причинно-следственных связей между промежуточными величинами интенсивности добычи угля и техническим результатом подтверждается тем, что современные угольные комбайны по техническим возможностям способны добывать угля от 400 до 15000 т/сут (0.28-10 т/мин) и более. Но технические возможности комбайнов ограничиваются соотношением абсолютной, относительной газообильности и их начальными величинами, формирующими величину газового фактора. Показатели степеней у абсолютной и относительной газообильности и начальные их величины зависят от свойств газоносного пласта и способа добычи угля. При отработке высокогазоносных пластов величины показателей степеней и начальные величины газообильностей обеспечивают более быструю скорость наступления времени, ограничивающего добычу угля по газовому фактору. Поэтому знание величин показателей степеней у газообильностей с учетом их начальных значений позволяет прогнозировать интенсивность добычи угля включительно от исходной, любой промежуточной, допустимой и выше нее - до интересующего значения интенсивности добычи угля. Известный способ позволяет определять лишь предельно допустимое значение общей добычи угля. Поэтому между прогнозными промежуточными величинами интенсивности добычи угля по газовому фактору и техническим результатом существует причинно-следственная связь.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан очистной забой в плане, а на фиг.2 - в разрезе. Позиции на чертежах обозначают: очистная выработка - 1, ее длина - 2, механизированный комплекс - 3, система разработки - 4, схема проветривания выемочного участка - 5, способ управления кровлей, обрушение - 6, мощность пласта - 7, сечение выработки входное - 8 и выходное - 9, проветриваемое выработанное пространство - 10, призабойное пространство - 11, контрольные пункты замера на струях - 12, исходящей - 13, отведенной - 14, устройство изменения расхода воздуха - 15, устройство изменения интенсивности добычи угля - 16.

Предлагаемый способ заключается в том, что для определения допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору выбирают очистную выработку - 1, замеряют ее длину фактическую - 2 и расчетную, выбирают способ добычи угля - 3, выбирают систему разработки - 4, выбирают схему проветривания выемочного участка - 5, выбирают способ управления кровлей - 6, замеряют вынимаемую мощность пластов - 7, устраивают пункты замера параметров во входном - 8 и выходном - 9 сечении выработки, замеряют среднее исходное фактическое метановыделение (абсолютную газообильность) в очистной выработке, замеряют исходную фактическую добычу угля, замеряют концентрацию метана в поступающем через входное сечение воздухе в очистную выработку, замеряют минимальное сечение очистной выработки, определяют максимально допустимую скорость движения воздуха в очистной выработке, определяют максимально допустимую концентрацию метана в исходящей струе, определяют расход воздуха, движущегося по части выработанного пространства - 10, непосредственно прилегающего к призабойному пространству - 11, определяют максимальный расход воздуха, который может быть использован для разбавления метана, выделяющегося в очистной выработке, дополнительно определяют исходную относительную газообильность очистной выработки, определяют соответствующую ей интенсивность добычи угля, определяют отношение исходной абсолютной газообильности к исходной относительной газообильности. При условии, если исходная интенсивность добычи угля меньше единицы, то определяют допустимую абсолютную газообильность выработки в выходном сечении, устанавливают контрольные пункты замера параметров вентиляции на входящей - 12, исходящей - 13 и отведенной - 14 струе участка. После этого устанавливают устройством изменения расхода воздуха - 15 максимальный расход в выходном сечении выработки, устанавливают устройством изменения добычи - 16 исходную интенсивность добычи угля. Затем увеличивают интенсивность добычи угля от исходной до максимально допустимой, когда концентрация метана в выходном сечении очистной выработки достигнет допустимого осредненного значения. Одновременно замеряют интенсивность добычи угля, расход воздуха, концентрацию метана в пунктах замера, определяют абсолютную газообильность от исходной до максимально допустимой, определяют соответствующую абсолютной газообильности относительную газообильность от исходной до минимальной величины. Затем определяют показатель степени абсолютной газообильности, определяют соответствующую ей начальную абсолютную газообильность. Далее определяют показатель степени изменения относительной газообильности, определяют начальную относительную газообильность, определяют начальную интенсивность добычи угля и после этого определяют допустимую максимальную интенсивность добычи угля при переменных значениях абсолютной и относительной газообильности.

Замеры параметров в указанных пунктах производят следующими приборами и устройствами: механическими анемометрами АСО-3, МС-13, микроманометром ММН-1 с воздухомерной трубкой - замерялась скорость движения воздуха; интерферометрами ШИ-11, хроматографами при лабораторных анализах - замерялась концентрация метана; мерной трубкой - замерялась длина и площадь сечения выработок; устройством изменения расхода воздуха - регулировался расход воздуха, устройством изменения интенсивности добычи (комбайном) - регулировалась добыча угля и газообильность выработки.

Технический эффект, возникающий от совокупности существенных отличительных признаков, сводится к следующему: учет начальной величины интенсивности добычи угля позволяет определять теоретическую начальную величину интенсивности добычи угля. Теоретическая начальная интенсивность добычи угля от исходной фактической интенсивности добычи угля, для рассматриваемого примера (см. ниже), отличается в 57 раз (18,8/0,347). Для получения такой фактической интенсивности добычи, вполне сопоставимой с современными техническими возможностями выемочных комбайнов, которые могут добывать более 10 т/мин, необходимо, чтобы при фактической абсолютной газообильности J=4.4 м³/мин, относительная газообильность составляла q=0.0767 м³/т., но для этого нужна дегазация угля. Поэтому знание начальной величины интенсивности добычи угля позволяет повысить безопасность ведения работ. Учет характера связи между исходной абсолютной газообильностью и интенсивностью добычи угля, а также учет относительной газообильности и коэффициента ее неравномерности позволяет повысить допустимую нагрузку на очистную выработку по газовому фактору в 1,9 раза (1427/735 т) и таким путем улучшить технико-экономические показатели работы шахт. Реализованная возможность предложенного способа прогнозировать интенсивность добычи угля по газовому фактору позволяет автоматизировать систему управления газовыми параметрами среды и техническими параметрами добычной техники для получения требуемой добычи угля при условии безопасной и комфортной работы при добыче угля. В предложенном способе имеются параметры, содержащие пределы количественных значений, газовых факторов, которые нормируются правилами безопасности. Так в очистных выработках устанавливаются: соответственно минимальная и максимальная скорость движения воздуха (0,25-4 м/с); температура воздуха (18-26°С); концентрация метана соответственно во входящей и исходящей струе (0,5-1% до 1,3%); площадь сечения очистной выработки (1,4-8,2 м²). Фактические пределы указанных параметров в шахтах не редко превышают допустимые нормы. Предложенный способ позволяет определять не только допустимую нагрузку, но также промежуточные до нее и после нее величины.

Примером применения предлагаемого способа может служить определение допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору. Для осуществления способа: выбиралась очистная выработка - 1, замерялась ее длина фактическая - 2, l_оч.ф=180 м и расчетная - l_оч.р=180 м, выбирался тип 1КМ 97Д механизированного комплекса - 3, выбиралась столбовая система разработки - 4, выбиралась схема проветривания - 5 выемочного участка - прямоточная восходящая с подсвежением со стороны целика, выбирался способ управления кровлей - 6 полным обрушением с учетом ее устойчивости, замерялась вынимаемая мощность пласта - 7, устанавливались пункты замера параметров во входном - 8 и выходном - 9 сечении выработки, замерялось среднее исходное фактическое метановыделение (абсолютная газообильность) в очистной выработке J_исх=4.4 м³/мин, замерялась исходная фактическая добыча угля А_исх=500 т/сут, замерялась концентрация метана в поступающем воздухе через входное сечение в очистную выработку С₀=0,1%, замерялось минимальное сечение очистной выработки S_min=3,4 м², определялась максимально допустимая скорость движения воздуха в очистной выработке V_max=4 м/с, определялась максимально допустимая концентрация метана в исходящей струе С=1%, определялся коэффициент, учитывающий движение воздуха К_оз=1,2 по части выработанного пространства - 10, непосредственно прилегающей к призабойному пространству - 11, в соответствии со способом управления кровлей и устойчивостью пород кровли, определялся максимальный расход воздуха, который может быть использован для разбавления метана, выделяющегося в очистной выработке, Q_доп=60·S_оч.min·V_max(C-C₀)K_оз=880 м^з/мин. После этого дополнительно определялась исходная относительная газообильность очистной выработки q_исх=J·1440/A_исх=12,67 м³/т, определялась соответствующая ей интенсивность добычи угля, a_исх=500/1440=0,347 т/мин, определялось отношение исходной абсолютной газообильности к исходной относительной газообильности a_исх=J_исх/q_исх=0,347 т/мин. При условии, что исходная интенсивность добычи угля меньше единицы, определялась допустимая абсолютная газообильность выработки в выходном сечении J_доп=0,01·Q_доп·C=8,8 м³/мин. Затем устанавливались контрольные пункты замера параметров вентиляции на входящей - 12, исходящей - 13 и подсвежающей - 14 струе участка. После этого устанавливался устройством изменения расхода воздуха - 15 максимальный расход в выходном сечении выработки, устанавливалась устройством изменения добычи - 16, исходная интенсивность добычи угля. Затем увеличивалась интенсивность добычи угля от исходной до максимально допустимой, когда концентрация метана в выходном сечении очистной выработки достигала допустимого осредненного значения С=1%. Одновременно замерялась интенсивность добычи угля, расход воздуха, концентрация метана в пунктах замера, определялась текущая абсолютная газообильность от исходной до максимально допустимой J_meк=4,4; 6; 6,9; 8; 8,8 м³/мин величины, определялась соответствующая текущей абсолютной газообильности текущая относительная газообильность от исходной до минимальной q_meк=12,67; 10,81; 9,94; 9,21; 8,8 м³/т величины. Затем определялся показатель степени изменения относительной газообильности n₁=-1,88 и соответствующая ему начальная абсолютная газообильность J₀=519,6, далее определялся показатель степени изменения абсолютной газообильности n₂=0,53 и соответствующая ему начальная относительная газообильность q₀=27,98. После этого определялась начальная возможная интенсивность добычи а₀=519,6/27,91=18,6 и определялась интенсивность добычи угля при переменных значениях абсолютной и относительной газообильности по формуле:

Кроме того, определялась зависимость изменения интенсивности добычи угля от времени и общая добыча угля определялась по формуле:

Рассчитанная по известному способу допустимая добыча угля составляет A_доп=735 т, т.е. она ниже в 1,9 раза, чем по предлагаемому способу.

Заявленный способ позволяет решать поставленную задачу и получить технико-экономический эффект, заключающийся: в повышении добычи угля, достоверной подаче расхода воздуха, создании комфортных условий труда, предотвращении взрывов метана и гибели людей в шахтах.

Изобретение может быть использовано с помощью известных в технике средств, например добычных комбайнов типа 1 KM 97Д, К-700, «Джой» и др.

1. Способ определения допустимой нагрузки на очистную выработку шахт, включающий выбор очистной выработки, замер ее длины - фактической и расчетной, выбор способа добычи угля, выбор системы разработки, выбор схемы проветривания выемочного участка, выбор способа управления кровлей, замер вынимаемой мощности пласта, устройство пунктов замера параметров во входном и выходном сечениях выработки, замер среднего исходного фактического метановыделения (абсолютной газообильности) в очистной выработке, замер исходной фактической добычи угля, замер концентрации метана в поступающем воздухе через входное сечение в очистную выработку, замер минимального сечения очистной выработки, определение максимально допустимой скорости движения воздуха в очистной выработке, определение максимально допустимой концентрации метана в исходящей струе, определение расхода воздуха, движущегося по части выработанного пространства, непосредственно прилегающей к призабойному пространству, определение максимального расхода воздуха, который может быть использован для разбавления метана, выделяющегося в очистной выработке, отличающийся тем, что дополнительно определяют исходную относительную газообильность очистной выработки, определяют соответствующую ей исходную интенсивность добычи угля, определяют отношение исходной абсолютной газообильности к исходной относительной газообильности, и при условии, если исходная интенсивность добычи угля меньше единицы, то определяют допустимую абсолютную газообильность выработки в выходном сечении, устанавливают контрольные пункты замера параметров вентиляции на входящей, исходящей и отведенной струях участка, после этого устанавливают устройством изменения расхода воздуха максимальный расход в выходном сечении выработки, устанавливают устройством изменения добычи исходную интенсивность добычи угля, затем увеличивают интенсивность добычи угля от исходной до максимально допустимой, когда концентрация метана в выходном сечении очистной выработки достигнет допустимого осредненного значения, одновременно замеряют интенсивность добычи, расход воздуха, определяют абсолютную газообильность от исходной до максимально допустимой величины, определяют соответствующую абсолютной газообильности относительную газообильность от исходной до минимальной величины, затем определяют показатель степени изменения абсолютной газообильности, определяют соответствующую ей начальную абсолютную газообильность, далее определяют показатель степени изменения относительной газообильности, определяют начальную относительную газообильность, определяют начальную интенсивность добычи угля, после этого определяют допустимую максимальную интенсивность добычи угля при переменных значениях абсолютной и относительной газообильности по формуле:

где а - интенсивность добычи угля, т/мин;

а₀ - начальная интенсивность добычи угля;

J - абсолютная газообильность, м³/мин;

q - относительная газообильность, м³/т;

n₁, n₂ - соответственно показатель степени изменения абсолютной газообильности, показатель степени изменения относительной газообильности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройствами изменения относительной газообильности в выходном сечении устанавливают ее на постоянном начальном уровне, а абсолютную газообильность увеличивают от исходного уровня до максимально допустимого, замеряют абсолютную газообильность, определяют показатель степени у абсолютной газообильности, затем определяют интенсивность добычи угля при переменной абсолютной газообильности и постоянной начальной относительной газообильности по формуле:

где n₃ - показатель степени изменения абсолютной газообильности при постоянной начальной относительной и переменной абсолютной газообильности;

q₀ - начальная относительная газообильность.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что устройствами изменения абсолютной газообильности устанавливают ее в выходном сечении на постоянном начальном уровне, а относительную газообильность уменьшают от исходного до минимального уровня, затем замеряют относительную газообильность, определяют показатель степени у относительной газообильности, затем определяют интенсивность добычи угля при переменной относительной газообильности и постоянной начальной абсолютной газообильности по формуле:

где n₄ - показатель степени изменения относительной газообильности при постоянной начальной абсолютной газообильности и переменной относительной газообильности;

J₀ - начальная абсолютная газообильность.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что измеряют время добычи угля и общую добычу определяют по формуле:

А=∫a_i(t)dt,

где, А - общая добыча угля;

а - интенсивность добычи угля;

t - время;

i - индексы интенсивности добычи угля (i=1, 2, 3), соответствующие пп.1-3 формулы.