CC BY
29
УДК 622.272.6
Е.Н. Козырева (кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН)
М.В. Шинкевич (кандидат технических наук, младший научный сотрудник Института угля СО РАН)
Особенности газогеомеханических процессов на выемочном участке шахты
Изложены основные положения метода расчета притока метана на выемочный участок и эффективности дегазационных систем, учитывающих изменения геомеханической обстановки во вмещающем массиве при отработке пласта длинным очистным забоем.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН № 60 и грантов РФФИ №№ 10-05-90001-Бел_а, 10-05-98009-р_сибирь_а.
Ключевые слова: УГЛЕМЕТАНОВЫЙ ПЛАСТ, ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, ВМЕЩАЮЩИЙ МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД, СДВИЖЕНИЯ, МЕТАНОВЫДЕ-ЛЕНИЕ, ДЕГАЗАЦИЯ
Наблюдающийся в настоящее время рост добычи угля в значительной мере обеспечивается соответствующим ростом производительности выемочных участков, особенно при разработке пологих пластов комплексно-механизированными забоями. Однако отработка многих лав ведется с существенно ограниченной по газовому фактору производительностью. Причем нередко эти ограничения приходится вводить в оперативном режиме уже в процессе отработки выемочного столба, что нарушает планы развития горных работ и повышает негативное влияние «человеческого фактора» на газовую обстановку в выработках. Основной причиной недостаточной надежности проектирования технологических и газовых режимов работы современных выемочных участков является пренебрежение динамикой газогеомеханических процессов, которая при относительно малых скоростях подвигания и длинах очистных забоев была не велика. В результате резкого увеличения длины очистных забоев и выемочных столбов, применения бесцеликовой отработки пласта произошел ряд изменений:
- повысилась область изменений состояния вмещающего массива с соответствующим ростом абсолютной метанообильности участка;
- снизилась эффективность пробуренных в выработанное пространство дегазационных скважин, хотя их продуктивность сохранилась;
- снизилась эффективность систем управления газовыделением на выемочном участке средствами вентиляции (нагнетательно-всасывающий способ проветривания с фланговым отводом смеси из выработанного пространства).
В результате исследований особенностей метанообильности высокопроизводительных выемочных участков, отрабатывающих пологие пласты, ранее был установлен волнообразный характер ее изменения по длине выемочного столба с периодами до многих сотен метров (газокинетический паттерн массива газоносных горных пород) [1], обусловленный ранее не учитываемыми особенностями сдвижений вмещающих пород [2].
Анализ метанообильности выемочных участков позволил обосновать уточняющую традиционные представления механическую модель развития зоны разгрузки от горного давления и сдвижений вмещающего массива горных пород (геомеханический паттерн) как следствий самоорганизации геосреды при изменении внешних условий [1,3] (одноосная разгрузка материала, находящегося в объемно-напряженном состоянии). Обязательным следствием этого условия разгрузки является образование сводов-полусфер (параболоидов) с площадью боковой поверхности, соответствующей упругой энергии среды в формирующемся объеме. Состояние среды за контуром сводов остается неизменным [4, 5].
Требование минимизации энергетических затрат, всегда соблюдаемое природой, приводит к развитию блочно-структурной иерархии вмещающего массива. В начале имеем свод над монтажной камерой, затем свод первичного обрушения кровли, который при малой скорости подвига-ния очистного забоя (1 м/сут) и с учетом интеграционных особенностей процесса сводообразова-ния включает четное количество сводов, эквивалентных предыдущим, с кратностью параметров:
по высоте сводов 2 [6], а по направлению движения забоя л/2 [7] и т. д. вплоть до отхода очистного забоя от монтажной камеры на расстояние, равное половине его длины. Затем эти показатели действуют на снижение параметров сводобразования, определяющего газоистощение пластов в пределах этого геомеханического слоя и его давление на призабойную крепь. Дальнейшее подви-гание забоя формирует соответствующую систему на следующем шаге сдвижений, равном длине очистного забоя, но динамика газоистощения пластов, залегающих выше свода лавы, уже определяется сводообразованием более высокого уровня иерархии. Процесс развивается вплоть до дневной поверхности, если длина очистного забоя близка глубине залегания пласта или его отработка ведется по бесцеликовой схеме. Достижению дневной поверхности способствует и развитие углов сдвижений, определяющих контуры свода по линии очистного забоя.
Установлено, что взаимодействие последовательности сводов в геомеханическом слое каждой иерархии позволяет аппроксимировать интегральный контур зоны разгрузки массива от горного давления в слое синусоидальной функцией, а общую картину этого развития в массиве по оси отрабатываемого выемочного столба представить пакетом этих функций с кратностью параметров, равной двум. Параметры верхней (основной) гармоники в этой модели определяются глубиной залегания отрабатываемого пласта и углом полных сдвижений. Отметим, что величина этого угла, согласно горно-технологическим данным, изменяется от 450 (непосредственно у поверхности обнажения массива) до 500 (Кузбасс) и 600 (Донбасс) - средние значения по глубине залегания пласта.
При углах 450 имеем соответствие с параметрами самоорганизации среды в виде полусфер, а увеличение угла для следующих уровней иерархии является следствием того, что по оси свода (линейные деформации) реализуется энергия объемных упругих деформаций в явно выраженных границах боковой поверхности. Эта особенность и обуславливает переход от полусферы к параболоиду [4,5].
Динамика выделения газа (газокинетический паттерн) из источников каждого геомеханиче-ского слоя по периодичности изменений соответствует периодичности разгрузки, а доля реализации его газового потенциала на выемочный участок (амплитуда) при скорости подвигания забоя
1 м/сут обратно пропорциональна удаленности залегания от отрабатываемого пласта. Расчетный график газопритока из отдельного слоя может иметь вид периодических импульсов, которые сглаживаются под влиянием разгрузки в слое следующего уровня иерархии.
Процесс формирования свода сдвижений, соответствующего длине лавы, обуславливает изменения горного давления впереди забоя примерно наполовину его длины [8]. Этот эффект сопровождается увеличением дебита пластовых скважин предварительной дегазации при подходе к ним очистного забоя и определяет параметры перетока метана из отрабатываемого пласта через породы кровли в выработанное пространство.
На основании указанных результатов и с использованием представлений о существовании части метана в пласте в составе твердого раствора [9] разработан метод прогноза выделения газа из вмещающего массива и отрабатываемого пласта, учитывающий динамику газогеомеханических процессов при движении очистного забоя:
1 Согласно глубине ведения горных работ и углу полных сдвижений определяются параметры геомеханического паттерна массива горных пород в пределах выемочного участка, включающие динамику развития сводов полных сдвижений. При построении вложенных сводов их количество ориентируется на протяженность минимального из них, равную шагу первичного обрушения основной кровли.
На рисунке 1 приведен пример геомеханического паттерна по длине выемочного столба Ьв по пласту Надбайкаимскому (верхняя пачка) шахты «Заречная» Ленинского месторождения Кузбасса. Здесь к - расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до дневной поверхности. Для условий этого участка шаг первичного обрушения основной кровли равен 37 м и, соответственно, рассчитаны четыре слоя. В зонах нижнего из них расположены рабочие пласты и пласты-спутники, дающие основной газоприток из подработки.
И, м 300 ■
250
200
150
100
50
дневная
\
\ / у / --'41
! (\ \ \К || -
0*
0
Тонкий Тонкий 1 Инский 3
Инский 2
Полысаевский 2
Полысаевский 1 Спутник
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600 Ьв, м
Рисунок 1 - Схема формирования зон разгрузки от горного давления во вмещающем массиве горных пород при отработке выемочного столба (!-!У - геомеханические слои)
Таким образом, получаем контуры развивающихся сводов полных сдвижений подрабатываемого массива в пределах выемочного участка при отработке столба с принципиально важным
для управления газовыделением уточнением: реализация газовых потенциалов источников протекает в виде иерархии вложенных полуволн, параметры которых по амплитуде кратны 2, а по периодичности 42.
Формирование зон разгрузки начинается вслед за линией очистного забоя от отрабатываемого пласта к дневной поверхности, то есть от I к IV слою.
В рассматриваемом примере (рисунок 1) в зоне первого слоя не оказалось пластов.
В зоне второго расположен наиболее близкий к отрабатываемому пласт Спутник, дающий основной газоприток на участок.
Достижение фронтом разгрузки третьего слоя приводит к притоку метана на участок только из находящихся в ее зоне пропластков, так как пласты Полысаевский-1 и Полысаевский-2 ранее отработаны.
А полуволна четвертого слоя достигает дневной поверхности, однако не приносит большую метановую нагрузку, так как верхняя граница угленосной свиты расположена достаточно далеко от отрабатываемого пласта.
2 Объединяя эти результаты, получим значения реализации газового потенциала подработки с учетом как удаленности пластов-спутников от отрабатываемого пласта, так и волнообразного геомеханического процесса при скорости подвигания очистного забоя У=1 м/сут (рисунок 2).
Япод, м3/т
Гармоники: ^^^^"ТТТ ■ ■ ■ т ^^^^»т+ТТТ
Рисунок 2 - Динамика притока метана в выработанное пространство из подрабатываемых газоносных пластов дпод при движении очистного забоя по пласту Надбайкаимскому (верхняя пачка)
Разработанный метод позволяет адаптировать установленные особенности процессов в подрабатываемом массиве с учетом изменчивости его свойств и состояний и тем самым предвидеть развитие динамки метанообильности выработанного пространства. Например, ближайший пласт Спутник даст максимум выделения газа из подработки с шагом около 40 м. Более удаленные источники имеют больший шаг, но относительно меньшую амплитуду.
3 Газоприток на действующий выемочный участок из пластов надработки экспоненциально увеличивается по мере отхода забоя от монтажной камеры, а абсолютная величина газопритока определяется изменениями углегазоносности надрабатываемого массива. Для рассматриваемых условий график газопритока представлен на рисунке 3.
3/
Янад, М /Т
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ьв, м
Рисунок 3 - Расчетное относительное метановыделение из массива, надрабатываемого пластом Надбайкаимским (верхняя пачка)
Как видно из рисунка 2, имеем небольшой газовый потенциал в подрабатываемом массиве, так как основные рабочие пласты ранее отработаны. Однако основной газоприток на действующие выемочные участки возможен из пластов надработки (рисунок 3), в зону которой попадают пласты Надбайкаимский (нижняя пачка), Байкаимский и Меренковский.
4 Третьим источником метана является отрабатываемый пласт. Динамика этого источника учитывает особенности процесса сдвижений массива горных пород и основные положения научного открытия российскими учеными твердых углегазовых растворов. На рисунках 4 и 5 представлены структура газоносности X отрабатываемого пласта (рисунок 4) и метановыделение I из него при отработке выемочного столба Ьв (рисунок 5) по пласту 5 Чертинского месторождения Кузбасса. Отметим, что на напряженно-деформированное состояние краевой части пласта значительно влияет скорость подвигания очистного забоя.
X, м /т 25 ■
•расчетная газоносность природная газоносность
20
15
10
5
п в сорбированном состоянии
ХХХООСО <XXO<XX3X< М^СІХСХХСЮОФССЧ мм
Х>04ХССССОСЯО<ХХХХХХ, ><х>о<а>ссос<хжхжжххх> ЇХХХХХХОС<*х>«ххх тм
иII1 11111 11 м ||_|и її і с 1111 |Д
200
400
600
800
1000 Ьв, м 1200
0
Рисунок 4 - Структура газоносности по выемочному столбу
I, м3/мин
Рисунок 5 - Структура метановыделения из отрабатываемого пласта при скорости подвигания
очистного забоя ¥=5 м/сут
Сравнение фактических и расчетных данных метановыделения из отбитого и транспортируемого угля с данными, рассчитанными по нормативу, показано на рисунке 6.
Видно, что предложенный метод обеспечивает более высокую точность прогноза. Превышения фактических данных над расчетными значениями в конце отработки столба обусловлены снижением коэффициента распределения воздуха и, соответственно, большего фактического поступлению метана из выработанного пространства на вентиляционный штрек.
I, м3/мин 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Рисунок 6 - Сравнение метановыделения из отрабатываемого пласта: расчетного, фактического
и по нормативному методу
5 Напомним, что приведенные выше расчеты характеризуют метанообильность выработанного пространства цвр (в том числе его основных источников: под- и надрабатываемый массивы) при скорости подвигания забоя ¥=1 м/сут. Для реальной скорости подвигания забоя необходимо ввести в расчеты соответствующие поправки. Зависимости метановыделения от скорости подвигания забоя получены из анализа фактических данных ранее отработанных лав-аналогов.
С учетом этого технологического фактора прогноз относительной метанообильности выра-
ботанного пространства чв,ож и отрабатываемого пласта чпл,ож для проектируемого выемочного участка выполняется по формулам:
Чв,ож = Чв,р ■ а\У Ь м3/т; (1)
Чпл,ож = Чпл,р ' атУ м3/т, (2)
где аI, ЬI, а2, Ь2 - эмпирические коэффициенты;
Чпл,р - расчетное метановыделение из угольного пласта, м /т.
6 Прогнозируемое значение относительной метанообильности выемочного участка:
Чуч,ож = Чпл,ож + Чв,ож м3/т. (3)
Результаты расчетов значений абсолютной метанообильности выемочного участка при планируемой скорости подвигания очистного забоя 10 м/сут представлены на рисунке 7. Приведен пример для выемочного участка пласта Надбайкаимского (верхняя пачка).
I, м /мин ^^^^“исходящая
Рисунок 7 - Прогноз абсолютной метанообильности выемочного участка при планируемой скорости подвигания очистного забоя 10 м/сут
7 Расчеты показали, что для рассматриваемого выемочного участка существуют два доминирующих источника метановыделения и только средствами вентиляции и газоотсоса невозможно обеспечить содержание метана в воздухе в пределах установленных норм. Поэтому для снижения метанообильности выработанного пространства и отрабатываемого пласта необходимо предусматривать систему подземной дегазации. Так как имеются два основных источника метановыделения, то необходимо применять комплексную дегазацию. Условием эффективности комплексной дегазации является адаптация ее параметров (плотности бурения скважин, производительности дегазационных систем) по длине выемочного столба графикам притока метана из соответствующих источников (рисунок 7).
Таким образом, предложен метод прогноза и комплексного управления метанообильно-стью высокопроизводительного выемочного участка, учитывающий процессы сдвижений и разгрузки углевмещающего массива. Метод апробирован на шахтах Кузбасса и адаптирован к современным электронным системам аэрогазового контроля в горных выработках.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Полевщиков, Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород/ Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. -№11. - С. 117-120.
2 Якоби, О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем./ О. Якоби. - М.: Недра, 1987. - 566 с.
3 Айзаксон, Э. Давление горных пород в шахтах/ Э. Айзаксон. - М.: Госгортехиздат, 1961.
- 176 с.
4 Шемякин, Е.И. О свободном разрушении свободных тел / Е.И. Шемякин // Доклады Академии наук. - 1988. -Т. 300. - №5. - С. 1090-1094.
5 Шемякин, Е.И. О свободном разрушении свободных тел / Е.И. Шемякин // Доклады Академии наук. - 1991. -Т. 316. - №5. - С. 1371-1373.
6 Шинкевич, М.В. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / М.В. Шинкевич, Н.В. Рябков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 3. - С. 356 - 359.
7 Опарин, В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум, В.Н. Рева, Б.П. Батдиев, Э.А. Троп, А.И. Чаны-шев. - Новосибирск: СО РАН. - 2008. -278 с.
8 Пат. №2392442 С1 РФ, Е21Р 7/00. Способ дегазации отрабатываемого угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич; заявл. 27.10.08; опубл. 20.06.10, Бюл. № 17; приоритет 27.10.08.
9 Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: АГН, 2000. - 519 с.
PECULIAR FEATURES OF GAS-GEOMECHANICAL PROCESSES AT A MINE COAL EXTRACTION SECTION
Ye.N. Kozyreva, M.V. Shinkevich
Main concepts of methane inflow at the extraction section and degassing systems efficiency calculation method are described which take into consideration changes of geomechanical situation in the bearing massif when coal is extracted with longwall method.
The work is fulfilled with financial support of an integration project SB RASc No. 60 and grants RFFI No.No. 10-05-90001-Bel_a, 10-05-98009-r-sibir_a.
Key words: COAL METHANE SEAM, GOB, EXTRACTION SECTION, MINE ROCK BEARING MASSIF, SHIFTING, METHANE EMISSION, DEGASSING
Козырева Елена Николаевна E-mail: Gas coal@icc.kemsc.ru Шинкевич Максим Валериевич E-mail: Gas coal@icc.kemsc.ru
