Аэрология

г
1

— . —

Рис. 17.3. График зависимости интенсивности выделения ме­тана / в вентиляционный штрек от расстояния до ла­вы /_л (для одной из шахт Донбасса)
О ZOO UO0 1_л,м
ления от комбайна концентрация метана быстро уменьшается и определяется по формуле
с = с_кехр(—ЫО, (17.3)
где с_к — концентрация метана над комбайном; &i = 0,32— эмпи­рический коэффициент; / к расстояние от комбайна вдоль лавы по направлению движения воздуха, м.
По высоте лавы концентрация метана изменяется незначи­тельно.
17.2. Газоперенос в вентиляционных штреках
Газовая динамика вентиляционных штреков определяется схе­мами вентиляции. Если штрек расположен в целике, то концен­трация газа вдоль штрека либо постоянна, либо немного возрас­тает к устью (при наличии газовыделения с поверхностей штрека). В случае контакта штрека с газоотдающим выработан­ным пространством газ из выработанного пространства в значи­тельной степени выносится утечками воздуха на вентиляционный штрек. С учетом динамики этого вида газовыделения при U-об-разных схемах вентиляции с вентиляционным штреком в выра­ботанном пространстве общее количество метана, проходящее по штреку, у лавы быстро увеличивается. Затем темп увеличения уменьшается и на расстоянии 100—300 м от лавы это количество метана становится постоянным (рис. 17.3).
Концентрация метана в поперечном сечении вентиляционного штрека увеличивается в направлении к газоотдающим его по­верхностям (поверхности, примыкающие к выработанному про­странству или к газоотдающим поверхностям угольного пласта). Распределение концентрации в поперечном сечении штрека в этом случае описывается экспоненциальной зависимостью, аналогич­ной выражению (15.46). В некоторых случаях у кровли венти­ляционного штрека возможны слоевые скопления метана. Тогда распределение концентрации метана в поперечном сечении штрека становится более сложным.
17.3. Газоперенос в выработанном пространстве
Газовая динамика выработанного пространства зависит от ха­рактера и интенсивности источников газовыделения в него, схемы примыкания выработанного пространства к воздухопроводящим
238

Рис. 17.4. Схема движения метана в выработанном пространстве:
/ — зона, активно проветриваемая утечками воздуха; II — застойная зона; сплошными
стрелками показано движение метана, а штриховыми — движение утечек воздуха
выработкам участка и от утечек воздуха через выработанное пространство. Пути движения метана в выработанном 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. 17.4). В активной 'зоне метан интенсивно разбавляется утечками воздуха и его концен­трация относительно невелика (не более 10%). Застойной зоны утечки воздуха не достигают. В ней происходит накопление га­зовой смеси с высокой концентрацией метана, поступающего из пластов-спутников, а затем медленное его движение в направле­нии к активной зоне (под действием притекающего из сближен­ных пластов метана). Наличие большого количества газовой смеси с высокой концентрацией метана в застойной зоне может привести к внезапному его выделению в окружающие выработки в случае резкого уменьшения атмосферного давления в шахте, остановки главного вентилятора, работавшего на нагнетание (при этом давление воздуха в шахте также уменьшается), и резкого увеличения расхода воздуха на участке. В последнем случае имеет место переходный газодинамический процесс. При этом увеличиваются утечки воздуха через выработанное пространство, граница активной зоны перемещается вверх и значительная часть газовой смеси с высокой концентрацией метана в застойной зоне захватывается утечками воздуха и выносится в вентиляционный штрек. В результате дебит газа в последнем увеличивается.
Газовыделение в выработанное пространство из сближенных пластов и пород по простиранию уменьшается по мере удаления от лавы. Это объясняется их частичной дегазацией, уплотнением обрушенных пород, восстановлением горного давления и ресорб-цией оставшегося свободного газа в сближенных пластах и поро­дах, а также закрытием газопроводящих трещин в кровле. В ре­зультате газовыделение из выработанного пространства по длине вентиляционного штрека по мере удаления от лавы уменьшается.
В выработанном пространстве шахт Подмосковного бассейна происходят процессы переноса углекислого газа, который выде-
239

ляется вследствие окисления углей и древесины, дегазации пород, оставленного в выработанном пространстве угля и подземных вод. Исследования динамики переноса углекислого газа в этих усло­виях, выполненные Э. М. Соколовым, показывают, что в приле­гающих к лавам участках выработанного пространства на рас­стоянии до 40 м от лавы концентрация углекислого газа невелика (^2%) вследствие активного проветривания выработанного про­странства утечками воздуха. На более удаленных от лавы участ­ках выработанного пространства интенсивность утечек воздуха уменьшается, а концентрация углекислого газа увеличивается (на расстоянии 60 м от лавы она достигает 6 %).
17.4. Переходные газодинамические процессы
Переходный газодинамический процесс вызывается переходом условий, определяющих его течение, из одного стационарного со­стояния в другое. Изменение этих условий носит название воз­мущения. Целенаправленное возмущение называется регулиро­ванием. Глубиной возмущения называется степень изменения ус­ловий, а продолжительностью возмущения — период, в течение которого происходит изменение этих условий. Примером пере­ходного процесса является процесс изменения концентрации газа в промежутке времени от U до t₂ (см. рис. 15.13). В мо­мент t_x комбайн начал выемку угля в сравнительно дегазирован­ной 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 постоянной величины. Анало­гично изменилась и концентрация газа — произошел переход га­зодинамического процесса (концентрация изменилась с уровня Ci до уровня с₂).
В результате переходных газодинамических процессов, вызы­ваемых изменением дебита воздуха в выработках, концентра­ция газа может изменяться в 4—5 раз. Продолжительность такого переходного процесса (периода, в течение которого кон­центрация газа изменяется от первоначального значения до ко­нечного) изменяется от нескольких минут до нескольких суток. Переходный газодинамический процесс, вызываемый изменением расхода воздуха, может быть монотонным или экстре­мальным. Монотонный процесс возможен при плавном и не­глубоком (на 20—25 %) изменении расхода воздуха. Исследо­вания МГИ показали, что процесс бывает монотонным и при очень больших возмущениях расхода воздуха. В промежуточ­ной области возмущений резкое изменение расхода воздуха при­водит к экстремальному процессу (см. рис. 15.12). На рис. 17.5 приведена запись переходного процесса при резком увеличении расхода воздуха показывающая, что концентрация газа в первый момент после резкого увеличения расхода воздуха резко увеличи­вается от начального значения 0,9 до максимального 1,3 %,, 240