Динамика метана в выработанных пространствах угольных шахт

М Г ГУ 

MINING 
SCIENCES 

L . A . P u c h k o v 
N . O . K a l e d i n a 

METHANE 
DYNAMICS 
IN 
COAL 
MINE 
GOB AREA 

A 

PUBLISHING HOUSE OF MOSCOW STATE MINING UNIVERSITY 

MOSCOW • 1995 

ГОРНЫЕ 
НАУКИ 

Л . А . П у ч к о в 

Н . О . К а л е д и н а 

ДИНАМИКА 
МЕТАНА 
В ВЫРАБОТАННЫХ 
ПРОСТРАНСТВАХ 
УГОЛЬНЫХ 
ШАХТ 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

МОСКВА • 1995 

L.A.Puchkov, N.O.Kaledina. Methane dynamics in coal 
mine gob area.—M.:MSMU, 313 p. 

The results of theoretical and experimental investigations 
of coal mine job area air and methan gasdynamics are 
introduced. 

The correlation between methan distribution in «mining 
working — job area* system and aerodynamic regim is 
described. The mathimatical model of gas transient processes is 
developed on the base of simplified mechanic model. The 
phisical basis of ventilation control complex safety method are 
stated. The correlation between aerodynamic process and gob 
areadegasing is established and the method of determination of 
rational aerodynamic regim range for maximum degasing 
efficiency is proposed. Obtained results may be used while 
projecting coal mine ventilation, degasing and ventilation 
control systems. 

This book can be applied in research and design institutes, 
by mining engineers, in the work of mine safety service as well 
as by mining institutes teachers, post-graduaters and students. 

УДК 622.4.012.2.001.5 

Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах угольных шахт.—М.:Издательство Московского государственного горного университета, 
1995,313 с. 

Обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований аэрогазовой динамики выработанных пространств угольных шахт. 

Описаны закономерности распределения метана в системе «горные выработки — выработанное пространство» 
в условиях изменения аэродинамических режимов. Предложено описание переходных газодинамических процессов на базе упрощенной механической модели. Изложены 
физические основы комплексного безопасного метода управления проветриванием на выемочном участке. Установлены зависимости, описывающие взаимосвязь процессов вентиляции и дегазации выработанных пространств, 
приведена методика определения оптимального диапазона 
режимов проветривания участка при наличии дегазации. 
Полученные результаты могут быть использованы в расчетах вентиляции и дегазации угольных шахт и при проектировании систем автоматического управления проветриванием. 

Для работников НИИ, проектных институтов, угольных шахт, ВГСЧ, а также преподавателей, аспирантов и 
студентов горных вузов. 

ISBN 5-7418-0016-5 
©Авторов 

ВВЕДЕНИЕ 

В практике подземной добычи угля вопросу создания 
безопасных по газовому фактору условий труда придается 
едва ли не самое важное значение. В условиях высоких 
нагрузок на очистные забои, усугубляющихся ростом газоносности пластов и вмещающих пород по мере углубления горных работ, проблема управления газовыделением 
средствами вентиляции и дегазации приобретает все большую остроту, так как именно эти процессы в значительной 
степени определяют газовый режим и безопасность горных 
работ. Указанная проблема включает в себя целый ряд 
частных научных и практических задач, решение которых 
позволило бы на новом уровне дать описание аэрогазодинамических процессов, как определяющих необходимость 
управления вентиляцией, так и являющихся следствием 
изменения режима проветривания. Конечной целью исследовательских работ в рамках указанного научного направления является создание и практическое освоение систем 
замкнутого автоматическго управления вентиляцией 
шахт. 

Исследования, проводимые Московским государственным горным университетом в этом направлении, имели 
своей целью разработку физических основ оперативного 
управления вентиляцией как наиболее практически значимой формы управления аэрогазодинамическим режимом 
шахт. Под оперативным в данном случае понимается такой 
уровень управления, при котором обеспечивается стабилизация газового режима средствами вентиляции в выработках выемочных участков и подготовительных выработках, 
нарушаемого не только возмущениями, связанными с существенным изменением геологических условий и горно
7 

технических параметров, но и более высокочастотными 
возмущениями, связанными с интенсивной работой выемочных машин, нарушениями в системе дегазации, обрушениями пород и т.п. 

В качестве основных задач, требующих решения для 
достижения указанной цели, можно выделить следующие: 

• 
аэродинамическое описание процессов распределения воздуха в системе «горные выработки — выработанные пространства»; 

• 
статистическое описание динамики концентрации 
метана на выемочных участках при стационарных 
аэродинамических режимах; 

• 
разработка методов описания газодинамических 
процессов, являющихся следствием изменения 
аэрогазодинамического режима; 

• 
разработка методов оперативного и безопасного 
управления вентиляцией; 

• 
разработка алгоритмов автоматического регулирования газодинамическими процессами; 

• 
определение структуры и разработка комплекса 
средств автоматического управления вентиляцией; 

• 
разработка и промышленные испытания системы 
автоматического управления вентиляцией; 

• 
разработка методологии проектирования вентиляции в условиях автоматического оперативного управления. 

Основными объектами оперативного управления вентиляцией являются шахты, в которых газообильность выемочных участков ограничивает концентрацию горных работ и производительность добычи угля. К таковым относятся шахты, сверхкатегорные по метану, разрабатывающие пласты тонкие и средней мощности. Общее количество 

8 

ВВЕДЕНИЕ 

таких шахт в странах СНГ составляет в настоящее время 
около 290 (или 59 %). Средняя относительная газообильность по бассейнам изменяется от 8,8 до 25,9 м

3/т, абсолютная газообильность характеризуется при этом величинами от 1580 до 12100 тыс. м

3/сут. 

Главными источниками газовыделения в указанных 
шахтах являются выемочные участки, газовый баланс которых определяется двумя основными источниками — разрабатываемым пластом и выработанным пространством. С 
точки зрения управления газовыделением наибольшую 
трудность представляют выработанные пространства, являющиеся активной составляющей частью аэрогазодинамической системы на более, чем 80 % выемочных участков 
газовых шахт. Поэтому значительную весомость в разработке и внедрении методов и систем автоматического управления вентиляцией представляет решение проблемы 
аэродинамики выработанного пространства, а затем — 
аэрогазодинамики системы «горные выработки — выработанные пространства». 

Решение этой проблемы осуществлено на основе использования теории турбулентной фильтрации для описания движения воздуха в выработанном пространстве, что 
позволило определить коэффициенты сопротивления, не 
зависящие от режима фильтрации воздуха в выработанном 
пространстве. Это обеспечивает надежную базу для аэродинамических расчетов выработанного пространства. Результаты проведенных исследований аэродинамики, представленные в работе [1], являются базой, на основе которой возможно решение широкого комплекса задач, связанных с вентиляцией газовых шахт. 

Для обоснования требуемой оперативности управления вентиляцией и разработки методов оперативного ана
9 

лиза информации о состоянии рудничной атмосферы установлены статистические закономерности динамики концентрации метана на выемочных участках. Исследование 
динамики загазирований показывает, что наиболее весомыми по степени их суммарного влияния на простои участка являются загазирования длительностью около 30 минут. Это предъявляет высокие требования к оперативности 
управления вентиляцией и соответствующим методам регулирования. 

На основе проведенных исследований был разработан 
комплексный безопасный метод регулирования, предполагающий отработку как низкочастотных колебаний, так и 
мощных всплесков концентрации метана. Полученные результаты послужили основой для разработки алгоритмов 
замкнутого автоматического управления вентиляцией по 
фактору концентрации метана. Использование разработанных методов и алгоритмов позволяет осуществлять оперативное управление вентиляцией, обеспечивающее, в отличие от предложенных ранее методов, ликвидацию основных загазований, вызывающих нарушение нормального газового режима участка. 

Дальнейшие работы в развитии оперативного управления вентиляцией газовых шахт были направлены на отработку алгоритмов, доработку комплекса технических 
средств системы управления и производственные испытания системы. 

Весьма важным аспектом окончательного решения 
проблемы является создание методов проектирования вентиляции газовых шахт при использовании автоматического управления этим процессом. Такой подход определяется 
необходимостью правильного определения резерва венти
10 

ВВЕДЕНИЕ 

ляции как в сети, так и на главном вентиляторе и пересмотра некоторых ограничений на параметры вентиляции. 

В условиях динамических вентиляционных режимов 
возникает проблема, связанная с дегазацией выработанных пространств. При отработке высокогазоносных свит 
угольных пластов на практике чаще встречаются комбинированные схемы управления газовыделением — совместно 
вентиляцией и дегазацией, особенно, если доля газовыделения из выработанного ространства составляет 60% и 
более. В этих случаях при дегазации выработанных пространств или сближенных пластов дегазационная система 
оказывается эародинамически связанной с системой вентиляции через зону обрушения. При этом образуется единая сеть «дегазационные скважины — выработанные пространства — горные выработки», а распределение концентраций метана в этой сети в значительной степени зависит 
от режимов вентиляции и дегазации, что подтверждается 
шахтными наблюдениями. 

Исследование взаимного влияния вентиляции и дегазации выработанных пространств позволили определить 
рациональные режимы проветривания, обеспечивающие 
максимальную эффективность дегазации и нормальную 
газовую ситуацию в горных выработках. Применение таких режимов открывает возможности для промышленной 
утилизации метана, что особенно важно для промышленных угледобывающих регионов с неудовлетворительным 
состоянием среды обитания. 

В книге обобщены результаты работ, проведенных в 
Московском государственном горном университете по указанным направлениям с привлечением материалов исследований и опыта практического применения способов управления газовыделением из выработанных пространств 

11