Исследование и разработка систем контроля и управления термодинамическими и аэрологическими процессами в рудничной атмосфере и массивах горных пород при строительстве и эксплуатации горных предприятий в сложных горнотехнических условиях

РЕФЕРАТ Отчет содержит 218 страниц, 84 рисунка, 24 таблицы, 5 разделов, 218 использованных источников. Ключевые слова: ствол, тупиковая выработка, конвекция, устойчивость, микроклиматические условия, конденсация, геотермическая ступень, термометрия, ледопородное ограждение, контрольно-термические скважины, газоносность пород, дегазация, давление свободных газов, миграция водных растворов. Объектом исследования являются вентиляционные сети шахт и рудников, окружающий их породный массив. Цель работы – определение закономерностей протекания аэрологических и термодинамических процессов в рудничной атмосфере и породном массиве применительно к разработке способов нормализации рудничного микроклимата, осуществлению контроля за состоянием ледопородного ограждения во время проходки шахтных стволов, прогнозированию и профилактике возникновения аварийных ситуаций. Методология проведения работ – экспериментальные и аналитические исследования газоносности горных пород, динамики аэро-, газо- и термодинамических процессов в системе горных выработок и породном массиве. Результаты работы - Определены закономерности конвективного движения воздуха в вентиляционных стволах после отключения или реверсирования главной вентиляторной установки. Определены значения критического параметра Рэлея и критического градиента температур, характеризующих переход к неустойчивому течению воздуха в вертикальной горной выработке. - Проанализированы особенности проветривания тупикового забоя после проведения буровзрывных работ, рассчитана интенсивность выноса вредных примесей с течением времени в зависимости от параметров горной выработки и схемы проветривания. Получена зависимость коэффициента эффективности проветривания от расстояния от конца трубопровода до забоя. - Разработаны алгоритмы расчета устойчивости воздушных потоков в системе горных выработок, позволяющие за счет использования методов математической статистики и принципа субмоделирования существенно снизить вычислительную трудоемкость решаемых задач. - Проведено математическое моделирование адвективного движения встречных потоков воздуха в горизонтальной выработке с продольным градиентом температуры. Получены аналитические формулы для расчета размера адвективного вихря и скорости движения воздуха в нем как функции времени и температуры горения в очаге пожара. Установлено, что дальность продвижения горячей струи воздуха слабо зависит от температуры горения и в течение суток увеличивается незначительно. Разработана методика, позволяющая давать количественную оценку размеров и продолжительности пожара, скорости движения воздуха в горизонтальной горной выработке после отключения источника тяги. - Разработан диффузионный алгоритма расчета переноса примесей по горным выработкам, позволяющий определять их концентрацию при малых скоростях движения воздуха в штатном и аварийном режимах проветривания. - Получены решения задач обеспечения требуемым количеством воздуха рабочих зон комбайновых комплексов, задействованных на проходке межстволовой сбойки, и выбора схемы проветривания в начальный период ведения работ после соединения стволов. - На основании проведённых модельных исследований способа проветривания тупиковых забоев от пыли подачей воздуха нагнетанием, сделаны выводы о неэффективности этого способа и необходимости использования всасывающего способа проветривания для нормализации пылевой обстановки в забое. - Проведён анализ факторов, определяющих потери депрессии на проветривание горных выработок. Сделана аналитическая оценка потерь энергии на проветривание выработки с источником выделения тепла по фактору увеличения скорости движения воздуха в результате его теплового расширения, которое с увеличением скорости приводит к заметному росту падения депрессии при высоких перепадах температур, свойственных аварийным режимам проветривания, связанных с рудничными пожарами. Численно установлено также наличие резкого роста аэродинамического сопротивления выработки, более чем в 2 раза, в узком интервале низких перепадов температур, связано с неустойчивостью границы раздела между двумя потоками воздуха разной скорости. - Построена математическая модель стационарного газораспределения в рециркуляционном контуре, содержащего рабочие зоны с источниками газовыделением и без них с требованием обеспечения минимально допустимой скорости воздуха. Показано, что при рециркуляционном проветривании рабочие зоны без газовыделения идентичны внутренним утечкам воздуха, а количество воздуха, подаваемое на их проветривание, может быть эффективно использовано для повышения эффективности применения рециркуляции. - По результаты численного моделирования установлено, что потенциал нагнетательного способа проветривания тупиковых выработок ограничен, и увеличение количества подаваемого на проветривание воздуха не позволяет существенно улучшить пылевую обстановку. Всасывающий же способ проветривания позволяет решить эту проблему, что позволяет сделать вывод о эффективности его применения. - Разработаны двумерная термодинамическая и деформационная модели шахтного ствола, позволяющая рассчитать напряженно-деформированное состояние бетонной крепи и породного массива по фактору температуры, учитывающая кондуктивный теплоперенос в крепи и массиве пород, теплообмен крепи с воздухом в стволе, теплообмен крепи и породного массива с атмосферным воздухом, сезонные колебания атмосферной температуры и вариацию температуры при реверсировании воздуха в стволе. - Проведён анализ действующей нормативно-методической базы в области регламентирования микроклиматических условий. Разработаны система нормирования микроклиматических условий в горных выработках глубоких рудников, и методика обеспечения безопасных условий труда горнорабочих в условиях нагревающего микроклимата. - Проведён анализ экспериментальных данных по образованию и движению капельной влаги в вентиляционных стволах различных рудников. Отмечено, что эффект водяной пробки наблюдается в ограниченном диапазоне скоростей движения воздуха от 7 до 12 м/с, но в некоторых случаях эффект отсутствует даже несмотря на наличие густого тумана и обильной конденсации влаги на поверхности крепи и армировки ствола. Доказано, что выделение влаги из воздуха не может являться причиной возникновения эффекта «водяной пробки», а причиной являются водопритоки в ствол с интенсивностью, на порядок превышающей конденсацию. - Разработан новый подход к определению относительной газообильности, учитывающий влияние различных факторов технологического процесса добычи полезного ископаемого в подземных горных выработках. - Разработан способ оценки условий труда рабочих при ведении горных работ на глубоких горизонтах рудников, предусматривающий изучение как физиологических параметров рабочих различных профессий, так и окружающих их микроклиматических параметров рудничной атмосферы. С учетом полученных экспериментальных данных для исследуемых профессий подземных рабочих определены соответствующие классы условий труда, которые могут быть использованы для разработки мероприятий по снижению влияния нагревающего микроклимата на здоровье рабочих. - Разработана теплофизическая модель замораживаемого при строительстве слоистого массива горных пород и происходящих в нём процессов переноса тепла и влаги. - По результатам прогнозного моделирования состояния ЛПО на основании показаний оптоволоконных датчиков установлено, что увеличением расхода или температуры подаваемого в ствол воздуха можно своевременно подготовить закрепное пространство к выполнению тампонажных работ путём размораживания породы на необходимом расстоянии от её контакта с бетоном. - Определены количественные показатели газоносности соляных пород по свободным газам и газодинамические характеристики пласта калийно-магниевых солей в условиях Гремячинского месторождения калийных солей. Результаты исследований использованы в нормативных и методических документах, регламентирующих безопасное ведение горных работ на пластах, опасных по газодинамическим явлениям. - Проведены исследования в области разработки способов дегазации при вскрытии и пересечении шахтными стволами I и II калийных горизонтов и вмещающих пород на Нежинском участке Старобинского месторождения калийных солей. По результатам этих исследований разработаны рекомендации по управлению газодинамическими процессами и потенциальной опасностью проявления газодинамических явлений при вскрытии и пересечении шахтными стволами калийных горизонтов и вмещающих пород. - По результатам проведённых исследований газоносности, начальной скорости газовыделения и давления газа в массиве пород на всем протяжении выработок Краснослободского рудника 2РУ ПАО «Беларуськалий» сделан вывод о том, что глинисто-карбонатные породы между II и III калийными горизонтами не являются опасными по газодинамическим явлениям. - Из результатов оценки возможности реализации газодинамических явлений при отработке калийных пластов Верхнекамского и Старобинского месторождений калийных солей следует вывод о том, что внезапные обрушения кровли, сопровождающиеся газовыделением, в виде одностадийных и многостадийных разрушений возможны в камерах разворота автотранспорта, что свидетельствует о необходимости проведения профилактических работ по дегазации пород кровли. - Результаты количественной оценки показателей газоносности, газодинамических характеристик массива горных пород, оценки возможности развития газодинамических явлений в различных горнотехнических условиях ведения горных работ и мероприятия по их предотвращению использованы в документах, регламентирующих безопасное ведение горных работ, и внедрены на рудниках БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий» на Верхнекамском месторождении калийных солей и 3 РУ Старобинского месторождения калийных солей.