CC BY
25
С.П. Казаков
д-р техн. наук, проф., главный научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН
К.Х. Ли
инженер ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.457:661.92
текущий прогноз метановыделения выработки при современных темпах ПРОХОДКИ
Предложен экспериментально - аналитический метод дифференцированного текущего прогноза метановыделения в подготовительные выработки в ходе их проведения. Рассмотрены методы и алгоритмы идентификации параметров, определяющих метановыделение из пласта и из отбитого угля. Ключевые слова: ПРОВЕДЕНИЕ, ВЫРАБОТКИ, ПРОГНОЗ, МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ, ПЛАСТ, УГОЛЬ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ
Входе проведения подготовительных выработок метановыделение в них может измениться по следующим причинам:
• природным: вход в зону новой газоносности или газоотдачи отбитого угля; вход в зону подработки или надработки пласта и др.;
• технологическим: изменение
производительности проходческого комбайна или др.;
• организационным: решение
проводить выработку или быстрее, или приостановить ее проведение и др.
В любом из этих случаев необходимо корректировать параметры метановыделения и проветривания выработки в ходе ее проведения. Это основная задача текущего прогноза.
Корректировка параметров ме-тановыделения осуществляется на основе экспериментальноаналитического метода, суть которого заключается в следующем:
1. Прогноз метановыделения в выработку осуществляется поэтапно. Первоначальный прогноз дается на длину до 300 м. При этом используют данные о метановыделении в выработку-аналог, пройденную ранее по тому же пласту, или с помощью расчета по нормативному документу [1].
2. После проведения выработки на 100 - 150 м осуществляются замеры метановыделения из угольного массива и отбитого угля.
3. Периодический текущий прогноз метановыделения осуществляется на длину 600, 900 м и т.д.
Использование экспериментальноаналитического метода позволяет:
• на первоначальном этапе проведения - обеспечить повышение достоверности прогноза метановыделения за счет уточнения параметров начальной интенсивности метановыде-
ления из угольного массива и
условного времени дренирования пласта, метаноносности угля в глубине массива и в зоне выемки, влияния интенсивности отбойки на метановыделение из отбитого угля;
• на последующих этапах проведения - обеспечить повышение достоверности прогноза метановыделения за счет идентификации параметров метановыделения по фактическим данным;
• адаптировать текущие расчеты метановыделения в ходе проходки к условиям нестабильности природных и технологических параметров проведения выработки.
Впервые текущий прогноз метаноо-бильности подготовительных выработок начал использоваться в 60-х годах XX века и базировался на результатах исследований И.М. Пе-чука, А.А. Мясникова, В.Л.Божко, А.Ф. Клишканя. Было введено понятие «приведенное фактическое метановыделение в выработку»
(I ф, м3/мин), которое характеризовало среднее метановыделение из стенок выработки за месяц проходки. Расчет метановыделения в выработку при дальнейшем ее проведении осуществлялся по формуле:
иг
I = I
ст пр.с
*пр
, м3/мин.
■‘пр.ф
Метановыделение из отбитого угля корректировалось путем перерасчета природной метаноносности пласта по фактическим данным.
В настоящей работе методы текущего прогноза значительно усовершенствованы с учетом современного состояния изученности газодинамики подготовительных выработок.
Структура формулы, по которой рассчитывается метановыделение из стенок подготовительной выработки при проектировании вентиляции на шахтах Кузбасса, имеет следующий вид [1, 2]:
I = 2 т в и О„ К , м3/мин
ст ' пр 0 Т
(1)
где т - мощность пласта, м;
в - коэффициент, зависящий от отношения ЛИ /т, изменяется от 1,0 для пластов малой и средней мощности
до 0,3 для мощных пластов;
ипр - средняя скорость проведения выработки, м/сут;
О0 - начальная интенсивность метановыделения из угольного массива, м3/м2 мин;
КТ - коэффициент, учитывающий время проведения выработки.
В свою очередь, формула для расчета начальной интенсивности метановыделения О следующая:
Оо = а (хі - х/
(2)
а коэффициент КТ рассчитывается по формуле:
К = л/т
(3)
В этих формулах а - числовой коэффициент, зависящий от выхода летучих веществ; Х1 , хд - природная и остаточная метаноносность угля, м3/т; Т- время проведения выработки, сут; т* - условное время дренирования пласта, сут.
Предложенные формулы (1)-(3) существенно облегчают задачу идентификации закономерностей метановыделения в ходе проведения выработки, а именно идентификации требуют только параметры Од и т.
Для определения отличия их значений от проектных воспользуемся итерационным методом. Обозначим О0П и тП как проектные значения соответствующих параметров перед началом проходки. Из формулы (1) на начальном этапе проведения выработки (100-150 м) получим первое приближение фактических значений G и т :
^ _ ______ Ф_____________;
0 1 2 триф Уїф + тп - л/г^ ) ;
(к V
V ^01 у
(4)
где 1ф - фактическое метановыделение в выработку на начальном этапе.
При следующем приближении в формулы (4) вместо О0П и ТП подставляют О и т1 и получают О02 и т2. Алгоритм последующих итераций аналогичен. Их число, необходимое для обеспечения требуемой точности вычислений (5-10 %) , как показывает практика вычислений, не превышает 3-4. В результате получаем О0 и т .
В ходе последующего проведения выработки текущий прогноз значений G и т. при / - той длине выработки проводится по похожим формулам:
Для идентификации параметров Од. и т необходимы измерения или расчеты параметра 1ф - фактического метано-выделения в выработку с достаточной достоверностью.
Методика измерений заключается в следующем. После проведения выработки, например, на длину 100-150 м в исходящей струе замеряются концентрация метана Сисх и расход воздуха Qua. в период разгруженности конвейера Сисхо. Далее определяется метановыделение в выработку из массива по формуле:
Потом проводятся последующие расчеты по формулам (5).
Вторым источником метановыделения в выработку является отбитый уголь. В соответствии с нормативными документами [1, 2] прогноз метановыделения из этого источника проводится по формуле:
где хв - метаноносность угля в зоне выемки, м3/т;
у - техническая производительность комбайна, т/мин;
КТу - коэффициент, учитывающий время пребывания комбайна в призабойном пространстве или в выработке.
На рисунке 1 приведена зависимость отношения (хв — х0)/(х1 —х) = Ки от скорости проведения выработки [3]. Это соотношение в зависимости от скорости проходки описывается функцией:
0,115, при меньших и больших его значениях равен 0,075 [3].
Методика текущего прогноза метановыделения из отбитого угля также включает в себя замеры метановыделения и расчеты на отдельных этапах проведения выработки. После проведения выработки на длину 100-150 м в исходящей струе замеряются концентрация метана Сисх и расход воздуха Qucx в двух режимах:
(5)
(6)
(7)
Ки =1-0 і9 ГГ0’1 5>
(8)
Коэффициент КТУ следующим образом зависит от времени Ху, прошедшего после его отторжения от массива:
(9)
Коэффициент ау зависит от выхода летучих веществ. При выходе летучих веществ в диапазоне от 16 до 36 % он равен
• в период работы комбайна и загруженном конвейере с ;
исх,рк
• в период разгруженности конвейера Сисхуо.
Метановыделение в выработку из массива и метановыделение из отбитого угля рассчитываются по формулам:
^исх,о0исх 1 _ (Сисх ,рк ^мех, О 1&» (10)
п — ’ тг — ' '
100 0У 100
Наиболее важным параметром, подлежащим идентификации, является горнотехнический комплекс (хв — х)]. Он одновременно учитывает метаноносность угля в зоне выемки и фактическую интенсивность его отбойки. Разделить эти параметры не представляется возможным.
Для идентификации комплексного параметра вернемся к формуле (6). Имеем:
(хв -х0)/ =---------0у .--, м3/мин,
(11)
1 ~ау\\
где ик - скорость движения конвейера, м/мин.
Проведя несколько комплексов подобных измерений (4) - (5), при близких значениях Ь можно определить среднее значение 1Оу и его среднеквадратичное отклонение:
К=-
Тб -і V
\oyi оу /
п-1
(12)
Тогда величина / + 2ст не будет превышать более чем на 3 % уровень I т ^ [4]. Подставляя величину + 2ст
оу max •
ОУ
вместо I в формулу (11), можно с достоверностью не менее 97 % рассчитать метановыделение из отбитого угля в выработку любой протяженности.
Выводы
1. Предложена методология текущего прогноза метановыделения в подготовительные выработки и обоснован экспериментально-аналитический метод текущего прогноза, суть которого в следующем. Прогноз метановыделения в выработку осуществляется поэтапно. Первоначальный прогноз дается на длину до 300 м. При этом используют данные о метановыделении в выработку - аналог, пройденную ранее по тому же пласту, или по природной метаноносности. После проведения выработки на 100-150 м прогноз корректируется. Периодический текущий прогноз метановыделения осуществляется на длину 600, 900 м и т.д.
2. Использование экспериментально-аналитического метода текущего прогноза позволяет:
• на первоначальном этапе проведения - обеспечить повышение достоверности прогноза метановыделения за счет уточнения параметров начальной интенсивности метановыделения из угольного массива и условного времени дренирования пласта, метаноносности угля в глубине массива и в зоне выемки, влияния интенсивности отбойки на метановыделение из отбитого угля;
• на последующих этапах проведения - обеспечить повышение достоверности прогноза метановыделения за счет идентификации параметров метановыделения по фактическим данным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - Макеевка-Донбасс, 1989. - 320 с.
2 Руководство по проектированию и организации проветривания подготовительных выработок действующих угольных шахт. - М., 1984. - 25 с.
3 Казаков, С.П. Теория, методы и средства интенсификации проветривания подготовительных выработок угольных шахт: дис. ... д-ра техн. наук (05.15.11, 05.26.01); защищена 29.06.1989 / Казаков Сергей Павлович. - Кемерово, 1989. - 357 с.
4 Бронштейн, И.Н. Справочник по математике / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: Наука, 1984. - 544 с.
CURRENT FORECAST OF METHANE EMISSIONS INTO WORKINGS AT Казаков
MODERN RATES OF HEADING Сергей Павлович
S.P Kazakov, K. Kh. Li Ли Константин Хиунович e-mail: ncvostnii@yandex.ru
Experimental-analytical method for differential current forecast of methane
emissions into development workings during their construction is suggested.
Methods and algorithms for identification of parameters specifying methane
liberation from a coal seam and cut off coal are investigated.
Key words: CONSTRUCTION, WORKINGS, FORECAST, METHANE,
EMISSIONS, COAL, IDENTIFICATION
