2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.18454/pmi.2017.1.99 pmi-9400 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/9400 Геоэкология и безопасность жизнедеятельности Geoecology and occupational health and safety Mathematical models of gas-dynamic and thermophysical processes in underground coal mining at different stages of mine development Математические модели аэрогазодинамических и теплофизических процессов при подземной добыче угля на различных стадиях отработки месторождений Gryazev M. V. Грязев М. В. Gryazev M. V. ecology_tsu_tula@mail.ru Тульский государственный университет (Тула, Россия) Tula State University (Tula, Russia) Kachurin N. M. Качурин Н. М. Kachurin N. M. ecology_tsu_tula@mail.ru Тульский государственный университет (Тула, Россия) Tula State University (Tula, Russia) Vorobev S. A. Воробьев С. А. Vorobev S. A. ecology_tsu_tula@mail.ru Тульский государственный университет (Тула, Россия) Tula State University (Tula, Russia) 22 02 2017 2017 223 99 108 02 09 2016 08 11 2016 22 02 2017 © 2017 М. В. Грязев, Н. М. Качурин, С. А. Воробьев © 2017 M. V. Gryazev, N. M. Kachurin, S. A. Vorobev 2017 М. В. Грязев, Н. М. Качурин, С. А. Воробьев M. V. Gryazev, N. M. Kachurin, S. A. Vorobev Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/9400

Установлены новые и уточнены существующие закономерности фильтрационно-диффузионного движения газов в угольных пластах и вмещающих породах, самонагревания угля и переноса газовых примесей вентиляционными струями в действующих угольных шахтах. Обоснованы математические модели аэрогазодинамических и теплофизических процессов на подработанных территориях после ликвидации шахт. Представлены математические модели для подачи на очистные и подготовительные участки аэрогазодинамически обоснованного количества воздуха и разработки геотехнологических решений, обеспечивающих аэрологическую безопасность на всех этапах существования угольных шахт. Показано, что применение высокопроизводительной техники на очистных и подготовительных участках требует уточнения уравнений фильтрации, используемых при оценке метановой опасности шахт. Обоснована математическая модель поля давлений свободного метана в краевой части угольного пласта, которая основывается на одномерном уравнении гиперболического типа и учитывает конечную скорость распространения давления в пласте. Уточнены закономерности газообмена выработанных пространств метанообильных и углекислотообильных шахт с земной поверхностью для обеспечения экологической безопасности подработанных территорий.

New trends have been traced and the existing ones refined regarding filtration and diffusive motion of gases in coal beds and surrounding rock, spontaneous heating of coal and transport of gas traces by ventilation currents in operating coal mines. Mathematical models of gas-dynamic and thermophysical processes inside underworked territories after mine abandonment have been justified. Mathematical models are given for feasible air feeding of production and development areas, as well as for the development of geotechnical solutions to ensure gas-dynamic safety at every stage of coal mine operation. It is demonstrated that the use of high-performance equipment in the production and development areas requires more precise filtration equations used when assessing coal mine methane hazard. A mathematical model of pressure field of non-associated methane in the edge area of the coal seam has been justified. The model is based on one-dimensional hyperbolic equation and takes into consideration final rate of pressure distribution in the seam. Trends in gas exchange between mined-out spaces of high methane- and CO2-concentration mines with the earth surface have been refined in order to ensure environmental safety of underworked territories.

 Ключевые слова математическая модель аэрогазодинамический процесс угольный пласт горные породы выработанные пространства метан кислород углекислый газ геотехнология Keywords mathematical model gas-dynamic process coal seam mineral rocks mined-out spaces methane oxygen carbon dioxide geotechnology Аппроксимация аэродинамических характеристик проходческих вентиляторов для автоматизации вентиляционных расчетов / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, А.Д.Левин, П.В.Васильев // Горный журнал. 2015. № 12. С. 76-79. Воробьев С.А. Аэрогазодинамические процессы при подземной разработке полезных ископаемых / С.А.Воробьев, А.Ю.Ермаков, Д.Н.Шкуратский. Тула: Изд-во ТулГУ. 2016. 248 с. Воробьев С.А. Зарубежный опыт исследования проблем комплексного освоения угольных месторождений подземным способом / С.А.Воробьев, Н.М.Качурин // Горный журнал. 2016. № 5. С. 78-85. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов и прогноз динамики газовыделения из выработанного пространства / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, О.А.Афанасьев, Д.Н.Шкуратский // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». 2014. Вып. 1. С. 165-172. Качурин Н.М. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России / Н.М.Качурин, В.И.Ефимов, С.А.Воробьев // Горный журнал. 2014. № 9. С. 138-142. Качурин Н.М. Оценка геоэкологических последствий подземной добычи полезных ископаемых / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, В.В.Факторович // Proceedings of the VI International Geomechanics Conference 24-28 June 2014. Varna, Bulgaria. P. 323-331. Качурин Н.М. Прогноз метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, А.Н.Качурин // Горный журнал. 2014. № 4. С. 70-73. Качурин Н.М. Теоретические положения и прогнозы воздействия на окружающую среду подземной добычи полезных ископаемых / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, В.В.Факторович // Известия ТулГУ. Сер. «Науки о Земле». 2013. Вып. 3. С. 3-18. Математические модели метановыделения в подготовительные и очистные забои из отбитого угля / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, А.Н.Качурин, И.В.Сарычева // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». 2014. Вып. 1. С. 158-165. Математическое моделирование предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М.Качурин, В.И.Ефимов, С.А.Воробьев, Л.Л.Рыбак // Известия ТулГУ. Сер. «Науки о Земле». 2014. Вып. 4. С. 10-16. Оценка предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М.Качурин, Л.Л.Рыбак, В.И.Ефимов, С.А.Воробьев // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 3. С. 36-39. Породные отвалы ликвидированных шахт Подмосковного бассейна как источник выбросов пыли в атмосферу / Н.М.Качурин, Н.Д.Левкин, С.А.Воробьев, Я.В.Чистяков // Экология и промышленность России. 2016. № 5. С. 44-48. Прогноз газовых ситуаций в угольных шахтах в периоды падения атмосферного давления / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, О.А.Афанасьев, Д.Н.Шкуратский // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». 2014. Вып. 1. С. 152-158. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, А.Н.Качурин, И.В.Сарычева // Обогащение руд. 2014. № 6. С. 16-19. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. М.: Недра, 1975. 237 с. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М.Качурин, С.А.Воробьев, Я.В.Чистяков, Л.Л.Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. № 4. С. 54-58. Kachurin N.M. Evaluating polluting atmosphere by mining enterprises and optimizing prophylactic measures resources / N.M.Kachurin, S.A.Vorobev, S.M.Bogdanov // 5th International symposium «Mining and environmental protection» 10-13 June 2015. Vrdnik, Serbia. P. 135-140. Kachurin N.M. Generalized mathematical model for gases filtration in coal beds and enclosing strata / N.M.Kachurin, S.A.Vorob'ev, P.V. Vasil'ev // Eurasian Mining. 2015. N 2. P. 33-44.