ВЫБРОСЫ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ ПРИ

Экология
Riybov G.G., Doctor of Technical Sciences, Professor, galina_stas@mail.ru, Russia,
Tula, Tula State University,
Malikov A.A., Doctor of Science, Full Professor, Head of a Department ecology
@tsu. tula.ru , Russia, Tula City, Tula State University
УДК 550.2
ВЫБРОСЫ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ
ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, В.И. Сарычев, А.А. Маликов
Целью исследований являлось обобщение установленных ранее закономерностей и уточнение существующих закономерностей движения углекислого газа в породоугольном массиве и вентиляционных потоках для прогнозной оценки газовыделений и
их влияния на глобальные экологические процессы, связанные с круговоротом углерода
в биосфере и формированием климата. На основании выполненных экспериментальных
и теоретических исследований разработаны методологические положения управления
выделением углекислого газа в горные выработки угольных шахт.
Ключевые слова: углекислый газ, атмосфера, шахта, экологический процесс,
биосфера, математическая модель, вентиляция.
Общие положения и методологические принципы. Устойчивое
обеспечение потребностей России и стран центральной Европы во всех видах топлива и энергии будет по-прежнему осуществляться за счет их добычи и получения на собственных территориях. В балансе топливноэнергетического комплекса доля использования угля занимает важное место, это положение сохранится и в перспективе. Рост эффективности добычи угля намечено осуществить путем ускоренного роста производительности труда. Достижение этой цели возможно лишь на основе
внедрения высокоэффективных технологий нового уровня, что приведет к
существенному повышению газообильности добычных и подготовительных участков. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема обеспечения экологической безопасности горных работ по газовому
фактору.
Об общем состоянии экологической безопасности правомерно судить по наиболее опасным отраслям промышленности, к числу которых в
первую очередь следует отнести горнодобывающую. Рост количества
опасностей, обусловленных промышленной деятельностью, крупные аварии с многочисленными человеческими жертвами, серьезным материальным и экологическим ущербом, другими негативными последствиями
определяют необходимость прогнозирования и регулирования как уровня
35
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
технологической безопасности, так и уровня экологической безопасности.
Технологический процесс добычи угля сопровождается возникновением
состояний, которые принято называть авариями. Однако наряду с аварийными состояниями реализуются процессы газообмена горного массива с
тропосферой, который вносят определенный вклад в глобальные экологические эффекты.
Шестидесятые годы нашего столетия стали началом осознания серьезности экологических проблем, встающих перед человечеством. Сейчас
весьма популярны термины "экология", "окружающая среда", "охрана
окружающей среды", "экологическая безопасность" и т.п. Очевидно, что
развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а следовательно, и воздействия на природу, без использования природных ресурсов; люди преобразовывали и будут преобразовывать природу. Но попытки максимального использования природных
ресурсов, не подкрепленные достаточным знанием возможностей природы
- способности к воспроизводству ресурсов и саморегулированию, ведут к
серьезным экологическим последствиям [1]. Поэтому важнейшей проблемой стратегии регулирования качества окружающей природной среды является вопрос организации системы, позволяющей прогнозировать мощность источников и динамику факторов, оказывающих воздействия на
биосферу, и выделяющей наиболее подверженные этому воздействию элементы биосферы.
Весьма важно обосновать исходную позицию процесса исследования при рассмотрении столь сложных задач и выделить некий “фрейм”, то
есть подсистемный узел, связанный со всей системой в целом и оказывающий значимое влияние на поведение всей системы (в данном случае биосферы). Известно, что такой исходной позицией является парадигма. И
здесь уместно вспомнить, что большинство ученых прошлого считали, что
наукой управляет Мысль. Факту же, который служит феноменологической
основой теоретических обобщений и инструментом практической проверки моделей и умозаключений, отводилась важнейшее, но тем не менее второе место в системе теоретического Знания. В целом же в человеческой
деятельности нет приоритета мысли над практическими навыками. Нередко даже верные обобщения, если они не дают быстрой экономической отдачи в виде роста прибыли, принято игнорировать, рассматривая их как
занятие, оторванное от реальной жизни (как будто способность человека
мыслить - это только механизм для создания и улучшения условий его существования, появившийся в процессе эволюции биосферы). А. Эйнштейн
утверждал, что мысли эфемерны и приходят в голову слишком редко и это
объясняет, отчасти, огромную инерцию действий, которая наблюдалась
всегда и проявляется сейчас в экологии, хотя ценность мысли является для
подавляющего большинства очевидной. Давно известно, что зачастую зна-
36
Экология
ние еще не является пониманием, а понимание не всегда определяет мотивацию поступков [2].
В этом отношении весьма показательным является недостаточное
внимание к проблемам углекислотообильности горных предприятий в целом и угледобывающих предприятий в целом. Это прежде всего обусловлено тем, что в ряде случаев углекислый газ не представляет той технологической опасности, которую, например, представляет метан. Но с точки
зрения экологической безопасности углекислый газ является объектом
пристального внимания специалистов по физике атмосферы в течение
многих десятилетий. Вот почему, на наш взгляд, пришло время тщательного обобщения эмпирического материала по углекислотообильности горных
предприятий и созданию комплекса адекватных математических моделей
динамики выделений углекислого газа в атмосферу из различных техногенных источников, возникающих при разработке месторождений полезных ископаемых. Не лишним будет напомнить, что реально это под силу
только объединенной группе специалистов по газовой динамике угольных
шахт, рудников, угольных разрезов и карьеров. Сотрудничество этой группы со специалистами смежных областей знаний позволит решить одну из
первых проблему - проблему физического описания процесса и разработки
адекватных математических моделей.
Многовековой опыт Человечества свидетельствует о том, что Человек в силу своей биологической природы способен мыслить только упрощенными схемами наблюдаемых им явлений, которые мы и называем моделями. То есть - понимание приходит лишь через достаточно простые
образы реальности. Они могут использовать самые разнообразные языки, в
том числе языки математики, иероглифы, изображения и т.д. [3]. Но нам
кажется весьма убедительной ссылка величайшего мыслителя современности Российского академика Никиты Николаевича Моисеева на высказывание Нильса Бора, который говорил о том, что с помощью одного языка
нельзя описать действительно сложных явлений. И мы убеждены, что это
одно из основополагающих утверждений современного образа мышления.
Вот почему для информационной полноты описания процессов обмена углекислым газом между горным массивом и атмосферой нужны разные модели, разные языки описания и разные интерпретации. Только в том случае, когда человек располагает разнообразного типа информацией, он
получает то голографическое представление, которое и дает понимание.
Модель сложного процесса, протекающего с участием людей такого, как, например, функционирования биосферы, позволяет нам количественно оценить особенности этого процесса, только тогда, когда нам известно воздействие на него коллективов людей. Но эти действия результат сложнейших компромиссов. Значит интеллектуальные системы
необходимые для анализа возможного развития событий должны быть
синтезом того традиционного, что связывают с понятием о математиче37
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
ском моделировании процессов физической природы и принципов анализа
конфликтных ситуаций. И это прямым образом относится и к анализу техногенного газообмена между промышленными объектами и атмосферой.
Углекислый газ в атмосфере. По данным В.А. Костицина [4], в
атмосфере содержится (2...3)1012 т углекислого газа, в океане примерно
1014 т. Это очень малые количества по сравнению с массой углерода в земной коре, составляющей 1016 - 1017 т. Однако общая масса каменного угля и
других горючих минералов органического происхождения составляет
примерно 21013 т. Этот углерод в различные периоды времени находился в
атмосфере. Поступал он в атмосферу за счет вулканической деятельности
и других источников в течение многих веков, а затем извлекался из атмосферы многовековой деятельностью растений. Разумно предположить, что
этот углерод в результате техногенной деятельности может вновь превратиться в углекислый газ. Таким образом, антропогенная деятельность способна производить фундаментальные преобразования атмосферы и земной
коры. Углекислый газ, освобожденный живыми организмами, частично
поглощается океаном и частично возвращается в атмосферу, что приводит
к увеличению его парциального давления и, как следствие, к увеличению
интенсивности усвоения СО2 (интенсивность усвоения СО2 достигает максимума при концентрации около 10 %). Следовательно, растительный мир
можно рассматривать как автоматический регулятор, реагирующий на
каждое увеличение количества СО2 усилением его потребления.
Углекислый газ является одним из основных газовых компонентов,
влияющих на процессы поглощения и излучения тепла в атмосфере. Он,
кроме этого, энергично потребляется растениями на земной поверхности и
водорослями океана, строящими из него путем фотосинтеза живое вещество и доставляющие питание животному миру [5]. Поэтому эволюция
распределения СО2 в атмосфере имеет особый интерес.
Средняя концентрация СО2 в атмосфере, например в 1973 г., составляла 0.0324 %, а в 1890 г. эта величина была равна 0.0295 % [5]. Техногенные источники углекислотовыделений в атмосферу в 1890 г. давали
около 1.4109 т СО2 в год, а в 1971 г. - почти около 21010 т. В целом отмечена устойчивая тенденция к увеличению содержания углекислоты в атмосфере. Если принимать во внимание способность океана к поглощению
СО2 ,то получается, что сгорание всего запаса угля привело бы к увеличению содержания СО2 в атмосфере не более чем в трое. Но по некоторым
теоретическим оценкам, из-за накопления углекислого газа должно произойти повышение средней температуры воздуха приземного слоя на 3 0С
при удвоении концентрации СО2 .
В характере круговорота углерода в биосфере важную роль играют
структура и интенсивность процессов обмена углекислым газом между
биотой и средой ее обитания. То есть общее количество углерода, извлекаемого растениями из атмосферы, зависит от массы углекислого газа, про38
Экология
изводимого природными и техногенными источниками, и структуры обмена углекислым газом между глобальными составляющими биосферы. Такие массообменные процессы с достаточной степенью точности описываются динамическими компартментными моделями, связывающими
воедино производство, обмен и накопление углерода в макроскопических
биосферных элементах. Наиболее удачной математической моделью такого типа, на наш взгляд, является предложенная Н.Н. Моисеевым обобщенная форма нульмерной модели В.А. Костицина [4], в которой необходимо
добавить функцию, учитывающую интенсивность техногенных источников углекислотовыделений. Разумеется, в явном виде эти источники могут
выглядеть по-разному, но фреймовая структура модели функции источника должна сохраняться, тогда каждое фреймовое подмножество этого
функционального пространства будет представлять собой совокупность
моделей, отражающих влияние конкретного вида промышленности. Именно с этих позиций целесообразно рассматривать динамику выбросов углекислого газа в атмосферу горными предприятиями. Весьма показательным
примером в этом отношении являются угольные шахты, так как модели газовыделений для этих горных предприятий имеют наиболее общий вид, а
для остальных видов предприятий горной промышленности можно использовать частные случаи этих моделей [6].
Углекислотообильность угольных шахт. Углекислый газ является наиболее распространенным углеродсодержащим газом в земной коре.
Он содержится в магматических, метаморфических, осадочных породах и
подземных водах и является основным компонентом вулканических (более
87 %) и фумарольных (около 52 %) газов, а также газов термальных источников (до 95 %). Углекислый газ выделяется в рудничную атмосферу
шахт, разрабатывающих угли различной степени метаморфизма (от бурых
до антрацитов) . В ряде случаев на шахтах с высокой метанообильностью
выделения углекислого газа превалируют над выделениями метана.
В настоящее время углекислый газ фиксируется в рудничной атмосфере всех угольных бассейнов стран СНГ (республик бывшего СССР) и в
ряде случаев является основным фактором, по которому принимается количество воздуха. По интенсивности выделения углекислого газа принимается количество воздуха для шахт Подмосковного бассейна и антрацитовых шахт Восточного Донбасса. Около 48 % шахт Донбасса,
разрабатывающих угли различных стадий метаморфизма, и более 25 %
очистных и подготовительных участков шахт Кузбасса относятся к категории углекислотообильных. Количество воздуха для них рассчитывается по
углекислому газу. На крупных шахтах абсолютная углекислотообильность
достигает 12 м3/мин и более.
Особенностью выделения углекислого газа в рудничную атмосферу
является то, что он (в отличие от метана) может выделяться из многих источников (различных по своей физико-химической сущности). Поэтому
39
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
задача прогнозирования выделений углекислого газа и оценки газовой ситуации является достаточно сложной.
Г.Д. Лидиным и А.И. Кравцовым установлена вертикальная газовая
зональность в угольных бассейнах. Как правило, углекислый газ присутствует в трех верхних газовых зонах (зоны азотно-углекислых, углекислоазотных и метано-азотных газов). Его содержание либо с глубиной равномерно уменьшается, либо в зоне азотно-углекислых газов вначале нарастает, а затем уменьшается. В зоне метановых газов двуокись углерода встречается в виде примесей. Газовым зонам присущ определенный химический
состав подземных вод. Как отмечено А.И. Кравцовым, к зоне азотноуглекислых газов приурочены гидрокарбонатно-кальциевые воды, к зоне
углекисло-азотных газов - гидрокарбонатно-кальциевые и сульфатнонатриевые воды, к зоне азотно-метановых газов - гидрокарбонатнонатриевые воды, к зоне метановых газов - гидрокарбонатно-хлориднонатриевые воды. Подземные воды переносят растворенные газы, снижают
сорбционную способность углей и уменьшают их эффективную пористость и газопроницаемость, что отражается на газоносности углей.
Высокая углекислотообильность угольных шахт при низкой углекислотоносности углей, вмещающих пород и подземных вод в ряде бассейнов страны свидетельствует о выделении в рудничную атмосферу углекислого газа, образовавшегося в результате окисления углей, пород,
элементов крепи, жизнедеятельности бактерий. Углекислый газ, образовавшийся в горных выработках, условно может быть назван газом технологического происхождения. Так, отмечая низкую углекислотность угольных пластов при сравнительно высокой газообильности шахт, Г.Д. Лидин
сделал заключение о том, что основные количества углекислого газа имеют технологическое происхождение, т. е. являются результатом многочисленных процессов, связанных с реакциями окисления .
В связи с большим разнообразием форм образования углекислого
газа в земной коре довольно сложно определить его генезис. Значительные
количества углекислого газа образуются при углефикации органического
вещества на буроугольной стадии. По мнению А.И. Кравцова, углекислый
газ образуется в результате превращения растительного вещества при углеобразовании и при окислении угля атмосферным воздухом. Кроме того,
углекислый газ может привноситься циркулирующими растворами, а в ряде случаев он может быть глубинно-метаморфического происхождения.
Движение углекислого газа и газовоздушных смесей в трещиновато-пористых средах (в угольных пластах, вмещающих породах и выработанном пространстве) определяется их свойствами (структурой, размерами
пор и трещин, их распределением и ориентацией относительно потока),
свойствами газа, а также взаимодействием среды и газов. Слои угля разбиты системой трещин различного происхождения. Различают эндогенные
трещины, образовавшиеся при коллоидно-химических процессах, проте40
Экология
кавших в период метаморфизма, и экзогенные трещины, образовавшиеся
при тектонических процессах. Среди экзогенных выделяют трещины скалывания, образовавшиеся под действием сил сжатия и отрыва и возникшие
под действием сил растяжения. Закрытые трещины скалывания ухудшают
фильтрацию, а открытые трещины отрыва улучшают ее.
Ископаемые угли - хорошие естественные сорбенты по отношению
к углекислому газу. Поэтому движение газа в углях происходит одновременно по разным законам: в режимах фильтрации и диффузии. Фильтрация является преобладающей формой течения в трещинах и порах, размеры которых значительно больше средней длины свободного пробега
молекул. Движущей силой фильтрации является перепад давлений газа в
направлении движения. В порах, радиус которых меньше, чем средняя
длина свободного пробега молекулы, преимущественным становится соударение молекул со стенками канала, а не между собой. Здесь перенос
вещества осуществляется в основном за счет разности концентраций молекул. Таким образом, трещиновато-пористая структура углей образует
сложную гидравлическую систему с высокой сорбционной способностью.
Газ, находящийся в микроструктуре угля, движется в режиме диффузии, а
в макроструктуре - в режиме фильтрации.
Обострение проблемы взаимоотношений человечества с окружающей природной средой выделяет научные вопросы техногенных выбросов
углекислого газа в атмосферу в особую категорию вопросов глобальной
экологии. Это обусловлено, во-первых, тем, что углекислота является парниковым газом и, во-вторых, тем, что угольные шахты в подавляющем
большинстве представляют собой источники генерации углекислого газа в
результате процессов низкотемпературного окисления. Поэтому естественным продолжением задач газовой динамики рудничной атмосферы
стали задачи газообмена угольных шахт с тропосферой.
Выделение углекислого газа в вентиляционные струи шахт из
зон обрушенных выработанных пространств. В связи с небольшим избыточным давлением газа в выработанном пространстве газообильность
очистных и подготовительных участков зависит от колебаний статического воздуха в горных выработках. При трехстороннем примыкании выработанного пространства к очистным выработкам (вентиляционный штрек лава - конвейерный штрек) дебет углекислого газа в периоды уменьшения
атмосферного давления достигает 1,5 м3/мин. Уменьшение статического
напора воздуха создает избыточное давление газовой смеси, находящейся
в порах и пустотах обрушенных пород. В результате изотермического
расширения газовая смесь фильтруется к поверхности обнажения выработанного пространства, контактирующей с активными вентиляционными
струями. Уравнение, начальное и граничное условия, описывающее процесс формирования нестационарного поля давлений фильтрата в зоне обрушения, имеет вид
41
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
m 
(1)
 0 , p(0, x)  p0  const; p(t ,0)  f (t ),
k t
где p - давление газовой смеси в выработанном пространстве; m, k, ,  пористость и газовая проницаемость выработанного пространства, динамическая вязкость и плотность газовой смеси; t - время.
Решение задачи (1) для одномерного случая можно представить
следующим образом:
x t ()
2
2  x 
p ( x, t )  p0 erf 



 2 t  2  0 (t  )1,5
(2)
2


x
 exp 
 d,
 4(t  ) 
div(gradp) 
где p0 - начальное значение атмосферного давления газовой смеси в выработанном пространстве;  - пьезопроводность выработанного пространства; (t) - функция, характеризующая изменение атмосферного давления.
Тогда, используя полученный результат, абсолютное газовыделение
можно определить по формуле
t
ch0 Lk
()
(3)
I (t )  
d ,

(t ) 0 (t  )1,5
где h0, L - высота и длина поверхности обнажения выработанного пространства соответственно; c - концентрация углекислого газа в мертвом
воздухе.
Таким образом, для расчета газовыделения необходимо определить
аналитический вид функции (t), которая прямо пропорциональна величине р2 (0, t) . Изменения давления, имеющие практический интерес, удовлетворительно аппроксимируются линейными функциями. При этом процесс фильтрации целесообразно рассматривать, начиная с момента
времени t. Используя обобщенные функции, варианты граничных условий
можно представить выражением

 

(t )  p02  2 p0psignh  p 2 0 t  t p 


  
 2a Д p0  psign0 t  t p t  a Д t 2 ,
где sign h - знаковая функция;
1  р при h  0(h  hЂ );
signh  
 1  р при h  0(h  h p );
0 (t  t p ) - единичная функция Хевисайда;
1 р при t  t p ;
0 (t  t p )  
0  р при t  t p ;
42
(4)
Экология
p - перепад давления, возникающий в результате реверсирования вентилятора главного проветривания; h - депрессия на очистном участке после
изменения режима работы вентилятора главного проветривания; hД,hp - избыточное давление и разрежение воздуха в выработках при нагнетательном и всасывающем способах проветривания соответственно; tp - момент
времени, в который реверсируется вентилятор; aД - скорость изменения
атмосферного давления.
Выразив величины hД и hp через сопротивление выработок очистного участка и количество воздуха, получим


p  1  2 RQ2 ,
где   0,6 - коэффициент, учитывающий уменьшение количества воздуха
при реверсировании вентилятора главного проветривания (при остановке
вентилятора  = 0); R - аэродинамическое сопротивление выработок очистного участка; Q - количество воздуха.
Подставив выражение (4) в равенство (3) и вычислив интеграл, получим формулу для расчета дебета углекислого газа из выработанного
пространства:
mk
 s1t 0,50 (t  t p ) 
I (t )  ch0 L
p0
 s2t 0,5  s30 (t  t p )t 0,5  s4t1,5  1 (t ),
(5)
где s1  2 p0psignh  p 2 ; s2  4a Д p0 ; s3  4a Д psignh; s4  5,333a 2Д ;
 I (t )  р при I (t )  0;
I (t )  
 I (t )  р при I (t )  0.
Формула (5) позволяет рассчитывать газовыделение практически
для всех случаев изменения давления воздуха в горных выработках. Зависимость (5) легко адаптировать на газодинамическую ситуацию, возникающую при реверсировании вентилятора главного проветривания. При этом
расчет можно проводить как для отдельной выработки, примыкающей к
выработанному пространству, так и для крыла или шахты в целом. Сравнение расчетных данных с фактическими свидетельствует об удовлетворительной сходимости результатов. Вычислительные эксперименты и натурные наблюдения, например, показали, что выделения углекислого газа при
переходе на всасывающий способ проветривания на шахтах Подмосковного бассейна протекает интенсивно в первые часы и в дальнейшем уменьшается до уровня, существовавшего при нагнетательном проветривании.
Выделение газовой смеси с высоким содержанием углекислого газа
в тупиковую выработку, изолированную от выработанного пространства
перемычкой. В процессе выемки угля происходит погашение выемочных
штреков, которые после окончания очистных работ представляют собой
тупиковые выработки длиной 50…60 м, примыкающие к выработанному
43
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
пространству. Для уменьшения газового обмена между выработанным
пространством и сквозной вентиляционной струей сооружается газонепроницаемая изолирующая перемычка, отделяющая выработку от зоны обрушения пород. Однако на углекислотообильных шахтах происходит интенсивное выделение мертвого воздуха в эти выработки в периоды падения
атмосферного давления, так как газовая смесь фильтруется через уголь,
обтекая перемычку. Уравнение, описывающее нестационарную фильтрацию газовой смеси, имеет вид
2 p
p
(6)
,
2
2 
X
Y
где р - давление газовой смеси; X, Y,  - безразмерные значения пространственных координат в плоскости фильтрации и безразмерное значение
времени.
В реальных условиях при постоянном атмосферном давлении газовыделение отсутствует. Перепад давления, под которым находится изолирующая перемычка в периоды падения атмосферного давления, является
постоянным в течение достаточно длительного периода. Поэтому начальные и граничные условия выразятся в виде
1 р при X  0;
(7)
p X , Y ,0  p0  const; p( X ,0, )  
0  р при X  0.
Решение уравнения (6) для условий (7) имеет вид
 Y  1  Y 
p x, y,   p0erf 
  erf 

2  2 2 
(8)
 2  Y 2  d
Yx

  exp 
.

 2  Y 2
0
4



Поступления газовой смеси в тупиковую выработку описываются
уравнением
 0,5  p0  1 X 2 / 4 d 
2   0,5
,
(9)
I ( x, t )
 X 
 e
2
2
2

2


Lе h0k p1  p2
0



p

где р1 - давление газовой смеси. за перемычкой; p2 - то же, перед перемычкой.
Выражение (9) позволяет определить объемный дебит мертвого
воздуха на поверхности обнажения угольного целика с учетом тормозящего действия изолирующей перемычки. Расчеты изменения дебита на различных расстояниях от перемычки показали, что по мере увеличения расстояния от перемычки газовыделение быстро уменьшается.
44
Экология
p22
1

; p y 0  ; p 
2
p12  p22
p02  p22
p12  p22
;
p
1 1
 1 X   2 / 4  d

.
  p0    e
y y  0
2 2
 0
2
Так, на расстоянии 0,35 м газовыделение уменьшается в 4 раза по
сравнению с начальным значением. Эксперименты, проведенные в шахтных условиях, подтвердили полученные качественные и количественные
оценки. Установлено, что на определенном расстоянии газовыделение становится постоянным или же настолько малым, что его не удается зафиксировать. Если задана точность определения абсолютного газовыделения, то
с помощью выражения (9) можно определить это расстояние, что имеет
большую практическую ценность. Нанесение герметизирующих покрытий
на обнаженную поверхность, с которой непосредственно поступает газовая
смесь, позволит уменьшить дебит за счет увеличения кривизны и длины
линий тока.
Вычислительные эксперименты показывают, что при содержании
углeкислого газа, равном 10 %, газовыделение составит 0,05 м3/мин. Это
удовлетворительно совпадает с натурными наблюдениями. Зависимость
позволяет комплексно решать вопросы прогноза газовыделения в тупиковые выработки, примыкающие к выработанному пространству, и управления газовыделением в них с помощью герметизирующих покрытий. Они
также могут быть использованы и в других случаях, когда необходимо
рассчитать газовый поток, обтекающий изолирующую перемычку, установленную в горных выработках и находящуюся под перепадом давления.
Выделение углекислого газа с поверхности обнажения угольного пласта. При решении задачи определения интенсивности поглощения
кислорода и выделения углекислого газа поверхностью обнажения угольного пласта была принята следующая схема газообмена между вентиляционной струей и угольным пластом. Кислород воздуха за счет кнудсеновской диффузии проникает в угольный пласт и сорбируется углем.
Взаимодействие кислорода с углем приводит к образованию углекислого
газа, который выделяется в горную выработку в режиме молекулярной
диффузии при стабильном атмосферном давлении, или же фильтрации в
периоды снижения атмосферного давления. Такая схема процесса моделировалась одномерным уравнением молекулярной диффузии со стоком, характеризующим взаимодействие кислорода с углем. Решение этого уравнения для полубесконечного пространства при условиях Ск(x, 0) = 0, Ск(0,
t) = Св , где Ск , Св  концентрация кислорода в газовой смеси, находящейся
в порах угольного пласта и воздухе соответственно, позволило получить
зависимость изменения скорости поглощения кислорода во времени.
45
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
Анализ этой зависимости показал, что величина скорости поглощения кислорода стремится к асимптотическому значению Iуд.к, которое
определяется по формуле
Iуд.к = Cв Dк К о ,
(10)
где Dк, Ko - коэффициент кнудсеновской диффузии кислорода в угле и
окислительная активность угля.
Определение интенсивности выделения углекислого газа в вентиляционную струю, контактирующую с поверхностью обнажения угольного
пласта, осуществляют умножением величины, рассчитанной по формуле
(10), на суммарную площадь обнажения угольного пласта и эмпирическое
значение респираторного коэффициента.
Методические положения управления выделением углекислого
газа в шахтах. Вентиляция является одним из наиболее эффективных
средств борьбы с углекислым газом в шахтах. Однако динамизм газовыделений, обусловленных падением атмосферного давления, приводит к тому,
что в реальных условиях для обеспечения нормальных санитарногигиенических условий требуется рассчитывать количество воздуха по
максимально возможному газовыделению. Это вызывает уменьшение коэффициента использования воздуха и увеличение капитальных и эксплуатационных затрат на вентиляцию. Поэтому применяют различные способы
и средства управления углекислотовыделением, которые позволяют регулировать поступления газа в вентиляционные струи. Их можно условно
разделить на две группы: способы, локализующие углекислый газ в источниках его выделения, и способы, изолирующие источники его выделения.
К первой группе относятся такие способы, как поглощение углекислого газа щелочными растворами или твердыми адсорбентами, искусственное повышение давления воздуха в периоды падения атмосферного давления,
удаление газа из источника на поверхность, разбавление газа в источниках
его образования. Ко второй группе относятся такие способы, как покрытие
газоотдающих поверхностей слабо проницаемыми материалами (глина, бетон, гипс, некоторые виды пластмасс), сооружение газонепроницаемых перемычек, аккумуляция мертвого воздуха в гибких емкостях.
Выбор способов управления газовыделением определяется горногеологическими условиями и технологическими особенностями отработки
месторождений. При этом следует помнить, что задача поддержания требуемого состава воздуха в горных выработках углекислотообильных шахт
должна решаться с учетом возможного обескислороживания воздуха в результате выделения больших масс азота. Поглощение углекислого газа щелочными растворами и твердыми сорбентами резко снижает, а в определенных условиях и полностью исключает его выделение в выработки. Но
при этом не исключается разбавление кислорода мертвым воздухом. Создание искусственного противодавления, удаление газа из источника или
46
Экология
его разбавление в источнике свободны от этого недостатка, однако они более трудоемки.
Практика применения различных способов и средств изоляции источников углекислотовыделения показала, что в шахтных условиях достигнуть высокого уровня непроницаемости покрытий и перемычек не
удается. Дело в том, что изолирующие устройства контактируют непосредственно с угольными целиками и вмещающими породами, и в этих
местах, как правило, наблюдается повышенная концентрация напряжений,
разрушающая горный массив. В связи с этим дальнейшее совершенствование средств управления газовыделением идет по пути создания устройств
комбинированного воздействия на выделяющуюся газовую смесь. Э.М.
Соколовым, Н.Г. Рыжиковой, А.Ф. Симанкиным разработана конструкция
изолирующей перемычки, имеющей плоскость, смачиваемую щелочным
раствором со стороны выработанного пространства. М.Б. Суллой предложена оригинальная конструкция изолирующей перемычки, выполненной
из ткани с большой сорбционной емкостью по отношению к углекислому
газу. В настоящее время существует много высокоэффективных средств
борьбы с углекислым газом. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос научно обоснованного выбора этих средств в конкретных
условиях.
Цель, которую ставит перед собой инженер при решении этого вопроса, можно сформулировать следующим образом: обеспечить требуемый состав воздуха при минимально возможной подаче его в горные выработки. В данном случае требования технологической и экологической
безопасности совпадают. Для достижения этих целей необходимо владеть
методом динамического прогноза газовыделений и оценки газовой ситуации. В углекислотообильных шахтах экстремальные условия по газовому
фактору возникают при резких снижениях статического давления воздуха
в горных выработках. Именно для этих периодов следует уменьшить газовыделение настолько, чтобы не потребовалось дополнительного количества воздуха к тому, который подается для статического разбавления газовых вредностей и пыли.
Количественным показателем эффективности применяемых способов и средств управления газовыделением должен являться динамический
критерий, позволяющий оценить уменьшение возможного объема выделения газа за период падения статического давления воздуха в горных выработках. В качестве такого критерия принят следующий функционал:
t  n1
n2
n3
0 1
1
1
I.п.д [ I у.г (t )]   [ I з.к (t )   I н.к (t )   q (t )]dt ,
(11 )
где t’ - продолжительность периода падения статического давления воздуха в горных выработках; Iу.г (t) - количество углекислого газа, выделяющегося в единицу времени при данном способе управления газовыделением;
47
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
n1 - число источников газовыделения, не зависящих от состояния атмосферного давления; n2 - число источников, газовыделение из которых зависит от колебаний атмосферного давления; n3-число стоков (средств управления), уменьшающих газовыделение; Iз.к(t), Iн.к(t) - дебит газа из
источников соответственно не зависящих от колебаний атмосферного давления и зависящих от таких колебаний; q(t) - интенсивность уменьшения
газовыделения в результате применения тех или иных средств управления.
По физическому смыслу функционал Iп.д[Iу.г(t’)] представляет собой
общее количество газа, выделившегося за период t'. Поэтому оптимальное
управление в этом случае должно удовлетворять условию
(12)
I п.д [ I у.г (t )]  min .
Условие (12) достигается при ограничениях
n1
n2
1
1
 I з.к (t )  0 и
 I н.к (t )  0.
Эти ограничения означают, что газ движется от источника в горные
выработки.
Решать данную задачу оптимизации целесообразно методами вариационного исчисления. Следует отметить, что до настоящего времени общие методы решения динамических задач оптимального управления многосвязанными системами до конца не разработаны. В связи с этим
изложенный выше методический подход требует дополнительных исследований и дальнейшей доработки. Однако уже и в таком виде его можно
использовать для сравнительной оценки способов и средств в управлении
газовыделением. Для этого следует пользоваться следующими методическими положениями:
1. Рассчитывается количество воздуха по условию статического
разбавления выделяющихся вредностей.
2. Принимаются способ проветривания и схема вентиляции шахты,
а также очистных и подготовительных участков.
3. Решается линейная задача воздухораспределения для различных
этапов эксплуатации угольного месторождения.
4. Осуществляется динамический прогноз газовыделений по основным видам источников.
5. Для наиболее вероятных физических условий падения атмосферного давления оценивается газовая ситуация. При этом возможны два случая: расчетного количества воздуха достаточно, чтобы обеспечить требуемый правилами безопасности состав, и требуется подача дополнительного
количества воздуха. В первом случае обычная вентиляция является достаточным способом борьбы с углекислым газом, а во втором случае необходимо решать вопрос выбора способа и средств управления газовыделением.
48
Экология
6. Выбираются способ и средства управления газовыделением исходя из данных практики (главным критерием является экспертная оценка).
7. Рассчитывается объем газа, выделяющегося за время t’, и устанавливается уровень необходимого снижения этого объема.
8. Рассчитывается объем газа, выделяющегося за время t' для каждого выбранного способа управления газовыделением, и формируется подгруппа способов, обеспечивающих заданный уровень снижения объема газовыделения.
9. Технико-экономическим сравнением вариантов выбирается из
данной подгруппы наиболее экономичный способ управления газовыделением.
Следует отметить, что разработка новых видов технологии подземной угледобычи, предусматривающих увеличение производительности
труда в 2-3 раза по сравнению с традиционными способами, осложняет
практическое решение вопросов нормализации шахтной атмосферы. Уровень технологических требований к способам и средствам управления газовыделением возрастает на порядок. В этом направлении ведутся комплексные исследования целого ряда отраслевых научно-исследовательских
институтов и учебных институтов России.
Список литературы
1. Израэль Ю.А. Проблемы охраны природной среды и пути их решения. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 47 с.
2. Реймерс Н.Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и
гипотезы. М.: Россия Молодая, 1994. 365 с.
3. Моисеев Н.Н. Человек, Среда, Общество. М.: Наука, 1987. 243 с.
4. Костицын В.А. Эволюция атмосферы, биосферы и климата. М.:
Наука, 1984. 96 с.
5. Хригиан А.Х. Физика атмосферы.С.Пб. Гидрометеоиздат, 1978.
250 с.
6. Соколов Э.М., Качурин Н.М. Углекислый газ в угольных шахтах.
М.: Недра, 1987. 146 с.
Соколов Эдуард Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
49
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014 Вып. 3
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., galina_stas@mail.ru, Россия,
Тула, Тульский государственный университет
EMISSION OF CARBONIC ACID INTO ATMOSPHERE BY UNDERGROUND
COAL MINING
E.M. Socolov, N.M. Kachurin, V.I. Sarichev, A.A. Malikov
The goal of the researchers was generalizing established regularities and specifying
existed regularities of moving carbonic acid in rocks and ventilation jets for forecasting evaluating gas emission and their influence upon global environmental processes connecting with
carbon cycle in biosphere and forming climate. Methodical principals of management by
emitting carbonic acid into mining workings of coal mines were created with using done experimental and theoretical researchers.
Key words: carbonic acid, atmosphere, mine, environmental process, biosphere,
mathematical model, ventilation.
Socolov E.M., Doctor of Science, Full Professor, Chief of a Department, ecology
@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
Kachurin N.M., Doctor of Science, Full Professor, Chief of a Department, ecology
@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
Sarichev V.I., Doctor of Technical Science, Professor, ecology@tsu.tula.ru , Russia,
Tula, Tula State University,
Malikov A.A., Doctor of Science, Full Professor, Head of a Department ecology
@tsu. tula.ru , Russia, Tula, Tula State University
50