Обґрунтування експлуатаційних параметрів газотранспортних систем для попутного видобування метану вугільних родовищ

Abstract

Дисертацію присвячено виявленню особливостей взаємодії елементів транспортно-технологічної системи «шахтовий газопровід – гірнича виробка» (ШГ – ГВ) з метою здійснення оперативного контролю технічного стану дегазаційних газопроводів, визначення їхньої пропускної здатності й упровадження інноваційних технічних методів і засобів для підвищення експлуатаційних показників системи в реальних умовах шахтового середовища. У роботі розглянуто результати визначення стану дегазаційних систем вугільних шахт України, наведено проектних рішень, пов’язаних з дегазацією та умовами транспортування метаноповітряних сумішей (МПС). Проведено аналіз математичних і комп’ютерних моделей визначення особливостей руху МПС у шахтових дегазаційних трубопроводах, методів і способів зниження в них гідравлічного опору та підвищення пропускної здатності наявних дегазаційних системи. Аналіз газового стану середовища вугільних шахт України показує, що дегазаційні системи використовують тільки на 14 підприємствах. При цьому на дегазацію припадає 15 % від сумарного обсягу утилізованого метану. На 8 вугільних шахтах концентрація метану в МПС, яка відводиться системами дегазації, станове менше 25 %. Враховуючи, що дегазація суттєво впливає на газовий стан шахтового середовища, особливої актуальності набуває оптимізація процесів дегазації на основі регулярного моніторингу. У роботі проведено експертні оцінювання наявних методів діагностики технічного стану шахтових дегазаційних трубопроводів прокладених у пластових підземних виробках з нестійкими бічними породами й підошвами, схильними до здимання. За результатами планових маркшейдерських вимірювань та обстежень технічного стану пластових підготовчих виробок було встановлено потенційно небезпечні зони деформацій гірського масиву та визначено показники зміни положення у просторі, змонтованих там дільничних дегазаційних газопроводів. Аби дослідити режими роботи дегазаційного газопроводу в подібних умовах експлуатації, було розроблено комп'ютерну модель взаємодії елементів транспортно-технологічної системи «ШГ – ГВ». Результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів деформації шахтових дегазаційних газопроводів дають змогу прогнозувати зміни їхнього положення в просторі під час інтенсифікації підземної розробки газовугільних пластів. За результатами діагностики технічного стану шахтових газопроводів встановлено, що деформації гірського масиву й просторові зміни траси газопроводу в профілі та в плані зумовлюють утворення зон скупчення води, механічних відкладень вугільного і породного пилу в місцях їх прогину,а також спричиняють корозію внутрішніх стінок металевих труб. Неконтрольовані утворення подібних зон та порушення цілісності фланцевих з’єднань сталевих труб провокують надходження рудникового повітря в дегазаційну систему з атмосфери гірничих виробок, що знижує якісні характеристики каптованої МПС, зменшує пропускну здатність й ефективність роботи усієї шахтової дегазаційної системи (ШДС). У фундаментальних дослідженнях представників зарубіжних і вітчизняних наукових шкіл було встановлено, що для ефективної роботи дегазаційних систем з найменшими втратами за рахунок розрідження, створюваною вакуум-насосами, у мережі дегазаційних трубопроводів має бути мінімальний гідравлічний опір, забезпечено якісну герметизацію фланцевих з'єднань між ланками труб, а проектний профіль траси відповідати ухилам виробки. У зв'язку з цим до основних завдань дисертаційного дослідження віднесено встановлення першопричин, що зумовлюють розвиток типових і нетипових ушкоджень газопроводів в умовах шахтового середовища які викликають внутрішню корозію труб й утворення в середині них гідратів, суттєво впливає на експлуатаційні показники дегазаційної системи. Характер поширення в трубопроводі негативних чинників визначали за результатами моделювання умов взаємодії елементів транспортно- технологічної системи «ШГ – ГВ» з використанням програмного комплексу SolidWorks. Шляхом моделювання особливостей руху МПС у підземних дегазаційних трубопроводах складної конфігурації було обґрунтовано нові способи зниження гідравлічного опору переміщення цих потоків через дегазаційні трубопроводи та підвищення пропускної здатності транспортно- технологічної системи в специфічних умовах розробки газоносних вугільних пластів. Комплексне оцінювання технічного стану шахтових дегазаційних мереж показало, що традиційні методи їхнього контролю не завжди здатні виявити порушення герметичності стикових з’єднань дегазаційних труб та врахувати нестаціонарний характер руху газової суміші, особливо, коли гідратоутворення відбувається на ділянках мережі. За цих причин у вітчизняній практиці проектування та експлуатації ШДС малодослідженою залишається проблема визначення ділянок дегазаційної мережі, у якій має місце втрата прохідного перетину в трубах внаслідок там твердих і рідких компонентів. Спостерігаючи характерні ушкодження дегазаційних газопроводів, виконували їхню перевірку під час експлуатації в реальних умовах шахтового середовища. Розроблену програму й методику досліджень уперше в практиці експлуатації ШДС було впроваджено у виробничий процес ШУ «Покровське». Результати експериментальних досліджень технічного стану ШГ на діючих підприємствах дали змогу сформувати банк даних для розробки методів підтримання робочих характеристик цього об’єкта. У запропонованій методиці технічного обслуговування ШДС, де враховано ступінь цілісності трубопроводу, взято до уваги результати експертного оцінювання типових ушкоджень дегазаційної мережі. З огляду на категорію складності усунення таких ушкоджень їх було поділено на легкі (L), середні (M) і важкі (V). І тут критеріями оцінювання слугували параметри тривалості усунення кожної відмови та кількість залучених до цього працівників. Відомості про категорію складності усунення ушкоджень були основою розробки технічних рішень спрямованих на поліпшення методики обслуговування ШДС та ліквідації ушкоджень трубопроводів шахтових умовах. За результатами впровадження інноваційних технічних рішень було сформовано вихідні вимоги до застосування їх як невід'ємного функціонального елемента шахтових дегазаційних систем для підтримання функцій, контролю та реновації викривлених і деформованих у процесі експлуатації ділянок газопроводу. Також було розроблено методику визначення витрат на транспортування МПС із застосування полімерного газопроводу. При цьому завдяки перевагам дегазаційних мереж, виготовлених із композитних матеріалів, з’явились потенційні резерви поліпшення експлуатаційних параметрів газотранспортної системи. Так у цих мережах поліпшено зниження опору руху МПС, поліпшення якісних показників каптованого газу через значне зменшення в системі кількості стикових з’єднань та зникнення необхідності споруджувати об’єкти електрохімзахисту труб від корозії. Результати проведених розрахунків показали, що композитні трубопроводи в 1,5 рази економічно вигідніші, мають індекс їхньої ефективності на 40 % перевищує цей показник сталевих систем. Використання методики розрахунку витрат підтверджує доцільність більш широкого застосування композитних трубопроводів у системах дегазації вугільних шахт з ефектом підвищення якості переміщуваної МПС. У роботі подано математичну модель процесу руху МПС та гідратоутворення в дільничному дегазаційному трубопроводі. У цій моделі було враховано дію припливів повітря, твердих механічних домішок на параметри газової суміші та коефіцієнтів на величину гідравлічного опору. Особливістю математичної моделі дослідження реакції гідратоутворення в ШДС є те, що процес формування газових кристалогідратів розглянуто як рух вологонасиченої МПС в дегазаційному вакуумному трубопроводі, коли враховано внутрішній і зовнішній радіус труб. При цьому взято до уваги, що деформація гірського масиву зумовлює зміну профілю траси газопроводу, внаслідок чого порушується його герметичність. На базі проведених експериментальних досліджень і теоретичних міркувань було обґрунтовано параметри ефективного транспортування газової суміші через дільничні дегазаційні трубопроводи. Встановлено, що підчас утворення в ньому скупчень рідини відбувається аномальне збільшення абсолютної шорсткості внутрішньої поверхні труб. При цьому спостерігається періодичне зниження величин розрідження і витрати газової суміші до настання мінімальних значень. У цих обставинах для удосконалення наявних газотранспортних систем виявилось застосування у таких об’єктах труб, виготовлених із композитних матеріалів.

The thesis is devoted to determining the peculiarities of interaction between the elements of a transportation and technological system “mine gas pipeline – mine working” (MGP – MW) for the operating control of a technical state of degassing pipelines, identification of their capacity, and implementation of innovative technical solutions for improving the performance indices of the system in real mining conditions. The research considers a state of degassing systems at coal mines of Ukraine and represents the indices of design solutions for degassing and conditions for methane-air mixture transportation. Mathematical and computer models for determining the motion features of methane-air mixtures in the mine degassing pipelines along with the ways of reducing their hydraulic resistance and increasing the capacity of currently operating degassing systems were analyzed. Analysis of the state of degassing systems at the Ukrainian coal mines shows that the degassing systems are used only at 14 mines. In this context, degassing accounts for 15% of the total volume of the recovered methane. At 8 coal mines, methane concentration in the methane-air mixture removed by the degassing systems is less than 25%. Taking into consideration the fact that degassing controls the gas state of a mine, a problem concerning optimization of the degassing processes on the basis of constant monitoring is rather topical. Expert evaluation of the available approaches to the diagnostics of a technical state of mine degassing pipelines, constructed in the in-seam underground mine workings with unstable wall rocks and floors prone to heaving, was performed. The results of planned survey measurements and examinations of technical conditions of the in-seam workings helped identify the potentially hazardous zones of rock mass deformation and indices of changes in spatial location and sectional degassing pipelines mounted there. To specify the modes of degassing pipeline operations in such operating conditions, a computer model of interaction of the elements of the “MGP – MW” transportation and technological system was developed. The results of theoretical and experimental studies of the deformation mechanism of mine degassing pipelines made it possible to predict possible changes in their spatial location in terms of intensified processes of underground mining of gas and coal seams. While diagnosing a technical state of mine pipelines, it is defined that rock mass deformations and spatial changes in the gas pipeline route in profile and plan cause formation of the zones of water accumulation, mechanical sediments of coal and rock dust within the areas of their bending, and corrosion of the internal walls of metal pipes. Uncontrolled formations of such zones and distortion of flange joints of steel pipes provoke suctions of mine air from the mine working atmosphere into the degassing system; that reduces qualitative characteristics of the captured methane-air mixture, capacity, and overall operating efficiency of a mine degassing system (MDS). Fundamental studies of the foreign and national scientific schools point out that effective operation of degassing systems with the minimum possible losses in dilution generated by vacuum pumps require a degassing pipeline to have minimum hydraulic resistance of a pipeline networks, proper sealing of flange joints of pipe links, and design profile of the route with its corresponding slopes. Due to that, the main tasks of the thesis research includes the ones dealing with determination of the primary causes stipulating the development of standard and non-standard gas pipeline damages in terms of mine environment and resulting in the internal pipe corrosion of pipelines and hydrating that effect considerably the performance indices of a degassing system. The nature of propagation of negative factors was determined by the results of modelling the conditions of interaction of the elements of “MGP – MW” transportation and technological system involving the SolidWorks software solution. Modelling of the peculiarities of methane-air mixture (MAM) motion in the underground degassing pipelines of complex configuration helps substantiate innovative approaches to the reduction of hydraulic resistance of MAM motion along the degassing pipes and increase in the capacity of a transportation and technological system in the specific conditions of gas-bearing coal seam mining. Integrated assessment of a technical state of mine degassing networks has shown that traditional methods of their control do not consider completely the seal failure in flange joints of degassing pipes and nonstandard nature of the gas mixture motion, especially in case of hydrating within the network sections. Those are the reasons why a problem of determining the degassing network sites, where loss of passage section is originating due to sedimentation of solid and liquid components, is not analyzed enough in our domestic experience of MDS design and operation. The identified characteristic damages of degassing pipelines were tested during their operation in real mining conditions. For the first time in the practice of MDS operation, the developed programme and methodology of mine studies has been implemented into production in terms of “Pokrovske” Colliery Group. The experimental studies of the MGP technical state in terms of “Pokrovske” Colliery Group have allowed forming the database to make proper decisions for maintaining the degassing pipelines. A system of technical maintenance of MGP and determination of its damage degree based on the expert estimation of typical failures of degassing pipelines classified by the categories of their elimination as light (L), medium (M), and severe (V) has been proposed. The time of elimination of each failure and the amount of the workers involved in the process were taken as the criteria for evaluating the failure complexity. The classified typical failures of degassing pipelines according to the categories of their elimination complexity helped propose a complex of technical solutions as for improving a system of MDS servicing and failure elimination in the mine conditions. According to the results of implementation of the innovative technical solutions, the initial conditions were developed concerning their use as the integral functional element of mine degassing systems to support, control, and renovate the pipeline sections curved and deformed during the operation. The developed methodology of determining losses for MAM transportation along a polymer gas pipeline takes into account the features of degassing networks made from composite materials and allows identifying potential reserves for the increase of operating parameters of a gas transportation system at the expense of reduced resistance of MAM motion and quantitative indices of the captured gas by considerable reduction of joints and absence of necessity to construct special systems for anticorrosion electrochemical protection of pipes. It is confirmed that composite pipelines are by 1.5 times economically expedient; their efficiency index is by 40% higher compared with the steel systems. The proposed calculation methodology makes it possible to widen an application range of composite pipelines in the systems of coal mine degassing and improve the MAM quality. A mathematical model of the process of MAM motion and hydrating in the sectional degassing pipeline was represented. The proposed mathematical model considers the effect of influx of water and solid mechanical admixtures on the parameters of gas mixture and coefficients of hydraulic resistances. The feature of the mathematical model for analyzing a hydrating process in MDS is that the process of gas crystalline hydrate formation is studied as a motion of moisture-saturated methane-air mixture in a degassing vacuum pipeline with the internal and external radii. During the rock mass deformation, a profile of gas pipeline route experiences certain changes along with its sealing failure. Basing on the performed experimental and theoretical studies, the parameters of effective transportation of gas mixture along the sectional degassing pipelines were substantiated. It was determined that moisture accumulation results in abnormal growth of absolute roughness of the internal pipeline surface. In this context, one can observe periodical decrease of a value of gas mixture dilution and loss down to its minimum values. In this case, application of composite pipes as the sectional gas pipelines is rather prospective for improving the currently operating gas transportation systems.