Адаптивный прогноз метанообильности очистного забоя Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Рт 1 Раи т. юже 1ие : геологоразведочных : : СКйаЖйЙ: : На : ^:

Г’рномктде.о^юрклафкиездр!;]"» :

... «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»

^ Г.Я. Полевщиков, Е.Н. КозыреваТ^!) 2000 ■ '

УДК 622.807.2

Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева

АДАПТИВНЫЙ ПРОГНОЗ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

И

звестно, что основными причинами изменения метано-обильности очистного забоя являются:

• неравномерность свойств горного массива даже на ограниченных участках месторождения;

• непостоянство технологических параметров отработки.

По этим причинам проектирование проветривания горных выработок на действующих шахтах выполняется преимущественно с позиций аналогов. В результате практически не используется значительная область знаний о прямых закономерностях влияния физических свойств массива в его конкретном объеме на кинетику газовыделения. Этот вид прогноза, по геологоразведочным данным, параметров газопроявлений вызывает серьезные возражения со стороны производственников по причине значительных отклонений от факта. Исследованиями установлено, что отклонения обусловлены заложенной в основу нормативнометодических документов попыткой судить о газовыделе-нии на конкретном участке лавы по физическим показателям, осредненным для всего выемочного столба значительной площади. В начале 90-х годов Институтом угля и угле-химии СО РАН разработано методико-программное обеспечение расчетов по устранению этой неточности, реализующее пространственное представление исходной и расчетной информации, включая метанообильность очистных и подготовительных забоев [1, 2]. Его промышленная апробация более чем на 30 выемочных участках показала вполне удовлетворительную сходимость.

Однако заложенное в нормативные документы стремление к широкомасштабному осреднению имеет место и при проектировании по аналогам. Подобный подход был оправдан, когда площади выемочных столбов составляли менее 0,1 км2, производительность лав лишь стремилась к 1000 т/сут. В настоящее время, отрабатываемая лавой площадь столба превышает 0,2 км2, а производительность 8000 т/сут. В связи с этим активизировалось влияние на динамику газовыделения второго из вышеуказанных факторов. Стало настоятельно необходимо основывать расчеты не на средней по длине выемочного столба скорости отработки, а на ее интервальных значениях за определенные периоды подвига-ния.

Комплексное применение двух широко апробированных горной практикой методов прогноза способствует более точной оценке свойств и состояний массива в зонах техно-

логических возмущений, обеспечивает идентификацию моделей процессов в конкретных условиях с высокой их адаптивной способностью к динамическим режимам. Причем, вторая составляющая достаточно просто регулируется за счет изменения протяженности опорного интервала подвигания забоя.

Исследования выполнялись по фактическим данным горных работ ОАО "Шахта "Комсомолец" на уклонном поле 184 в пределах и непосредственной окрестности контуров лав 1843 и 1845, где расположено 15 геологоразведочных скважин участвующих в расчетах, отмеченные треугольниками основаниями вверх (рис. 1).

В работе использованы действующие нормативные документы по проектированию вентиляции шахт и снижению газообильности выемочных участков [3,4]. Подготовка исходных данных и расчеты выполнены с применением следующих разработок ИУУ СО РАН:

• методика и программа подготовки пластовых геологоразведочных данных по геологоразведочным скважинам;

• методика и программа картирования и трассирования горногеологических данных в рамках шахтоучастка;

• методика и программа планирования метанодобычи и автоматизированного пространственного прогноза метано-выделения в очистном забое с учетом неоднородности свойств горного массива и технологических параметров в пределах шахтоучастков.

1. Горнотехнологические данные

При сопоставлении планов горных работ по пластам Бреевскому и Толмачевскому установлено, что пласт Бреев-ский над лавой 1843 отработан, но проектируемую по нижележащему пласту Толмачевскому лаву 1845 влияние отработки практически не затрагивает. Проектируемая среднесуточная нагрузка лавы 1845 (3000 т/сут) в 2 раза выше чем в лаве-аналоге (1425 т/сут) при 4-х кратных колебаниях значений последней за месячные периоды в процессе отработки столба 1843. Длина лавы 1845 в 1,57 раза больше, чем лавы-аналога (140 м). Среднее значение фактической абсолютной метанообильности выемочного участка 1843 составило 8,8 м3/мин, из них очистного забоя 1,2 м3/мин.

2. Влияние свойств массива в пределах уклонного поля 184 на метановыделение

По геологоразведочным данным 15 скважин (рис. 1) установлено, что основные характеристики изменяются в пределах +10 % от их средних значений (глубина, мощности междупластий, мощность пласта, газоносность, влажность, выход летучих, угол падения). Использование пространственных моделей природных свойств массива для каждого интервала месячного подвигания лавы-аналога более точно выявляет соответствие между колебаниями расчетных и фактических значений (рис. 2). Среднее рассогласование результатов составляет 9 %, 7 % и 48 % по выемочному участку, выработанному пространству и разрабатываемому пласту, соответственно.

ЧтфНр

tj-, мн

Вполне удовлетворительная сходимость прогноза и факта метанообильности выемочного участка по средним для выемочного столба показателям указывает на достаточно высокую надежность идентификации моделей газокинетических процессов по геологоразведочным данным, если учтена пространственная изменчивость свойств массива и параметров технологии. Однако из рисунка 2 видно, что по длине столба величина рассогласования все же остается весьма значительной, т.к. отклонения колеблются в пределах от -70% до +212 %.

Полученные результаты позволяют заключить следующее:

• остаточные изменения метанообильности выемочного участка 1843 и ее составляющих при поинтервальном пространственном прогнозе не связаны с колебаниями значений горногеологических данных, а определяются непостоянством технологических параметров;

• высокая сходимость величин средних по выемочному столбу фактических метанообильностей выемочного участка и выработанного пространства с их расчетными значениями обеспе-

чивает возможность использования нормативного метода прогноза для исследования особенностей аэрогазодинамики участка путем нормирования контролируемых показателей относительно соответствующих данных поинтервального пространственного прогноза по геологоразведочной информации.

Отметим, что при дальнейшем анализе в качестве основных технологических параметров принимаются:

• длина очистного забоя;

• среднесуточная скорость подвигания с учетом количества рабочих дней в рассматриваемом календарном месяце;

• вентиляционный режим.

3. Влияние производительности лавы и газокинетических свойств пласта

Основная часть известных публикаций и нормативных документов предлагает в расчетах абсолютного метановы-деления из отбитого угля и разрабатываемого пласта использовать линейную функцию

Рис. 2. Абсолютное метановыделение I при отработке лавы 1843

где А - суточная производительность лавы, т/сут; qп н - относительное метановыделение из отбитого угля.

Однако выше показано существенное несовпадение расчетных и фактических значений для этого источника. Исходя из основных физических законов газовой кинетики, можно выделить две основные причины отклонений:

• существенно большая по сравнению с принимаемой в расчетах q п остаточная газоносность отбитого угля на выходе его за пределы выемочного участка;

• нелинейность связи 1Р (А);

Величина остаточной газоносности отбитого угля в свою очередь зависит от:

• пластовой газоносности;

• начальной скорости газовыделения;

• темпа снижения скорости газовыделения;

• времени нахождения угля в пределах выемочного участка.

Интегральное влияние трех последних определяет величину метановыделения из отбитого угля.

Приток метана через поверхность очистного забоя зависит, дополнительно к трем первым из перечисленных для отбитого угля параметрами, и от напряженно-деформированного состояния призабойной части пласта, определяющего ее фильтрационные свойства и долю эмиссионных запасов метана относительно пластовой газоносности. Четвертый параметр, время, для данного источника соответствует продолжительности существования данной единицы поверхности забоя.

На рис. 3 представлены результаты расчетов и фактические данные для выемочного участка 1843. Эта связь при формальном подходе заставляет дополнить общепринятую зависимость поправочной функцией

с\ £г'\н _0.039Нт /л\

= 0,627 • е 1 , доли ед. (2)

Рмс. 3. Зависимость отношения фактической qn ф м

прогнозной qn р метанообильности пласта от времени

tT пребывания отбитого угля на выемочном участке

Из физических соображений следует, что константа перед экспонентой отражает погрешность в определении начальной (t=0) скорости газовыделения из отбиваемого угля. Причины этой погрешности рассмотрим ниже, а пока запишем

qn , t = qn, н • exp( atr) (3)

где qn t - относительная метанообильность разрабатываемого пласта, уточненная по фактору времени транспортирования угля за пределы выемочного участка, м3/т; О = -0,0391 - коэффициент, уточняющий влияние времени транспортирования угля, 1/с.

Вторым влияющим технологическим фактором является скорость подвигания забоя. Точность нормативной оценки этого параметра можно оценить аналогичным образом, т.е. проанализировав наличие остаточной связи по совокупности данных

^ = ¥1-оч,,)- (4)

qn,t,i

На рис. 4 представлены результаты и приведен график аппроксимирующей функции

qnV,i = qn,t,i • exp(РКч) (5)

где qn V i - относительная метанообильность разрабатываемого пласта, уточненная по факторам времени транспортирования угля за пределы выемочного участка и скорости

подвигания забоя, м3/т; ( = -0, 0255 коэффициент, уточняющий влияние скорости подвигания забоя, с/м.

Здесь, как и в (2), константа в аппроксимирующей функции исключена.

Последним из ранее отмеченных влияющих факторов, является выход летучих, как характеристика потенциальной способности угля к газоотдаче. Поскольку установлено, что свойства пласта в пределах рассматриваемого поля практически постоянны, то остаточные, после (5) отклонения фактических и расчетных данных по этому источнику обусловлены неточностью оценки газокинетических свойств по выходу летучих. Величина поправки определяется как nn

е1 = S qn$,i /S qn,V,i (6)

i=1 i=1

где Є 1= 0,7 - коэффициент, уточняющий связь выхода летучих и склонности угля к газоотдаче.

Таким образом, уточненная зависимость для расчета относительной метанообильности разрабатываемого пласта имеет вид

qn = qn,н • е1 • exp(atT +№оч), м3/т. (7)

Имея уточненную формулу, можно проверить справед-

Рис. 4. Зависимость отношения фактической qпф и прогнозной по геологоразведочным данным цп {г- с

уточненным влиянием времени транспортирования угля в пределах выемочного участка относительных ме-танообильностей от скорости подвигания очистного забоя Vоч,i

ливость допущения [1] о линейности связи абсолютной ме-танообильности и производительности забоя (1). На рис. 5 показаны данные

= ф(А) (8)

1 п, р,1

На основании этих данных можно утверждать о линейности зависимости (1) по А, а ссылка в начале этого подраздела на распространенное противоположное является следствием погрешностей при расчетах qп , выявленных выше в (3), (5) и (6) и обобщенных в формуле (7).

4. Влияние газовоздухораспределенмя на выемочном участке на данные о метановыделенмм в очистном забое

При правильно организованной системе контроля мета-нообильности выемочного участка его газовый баланс при любом воздухораспределении остается неизменным. Но характеристики отдельного источника могут существенно меняться. Прежде всего, это характерно для той части газового баланса, которую относят к метанообильности очистного забоя. Принимая точность измерений параметров всех источников притока метана равной, следует учитывать, что на измеряемое значение метанообильности очистного забоя существенно влияют процессы метанообмена в зоне выработанного пространства, непосредственно прилегающей к призабойному объему. Физическое разделение этих источников практически невозможно. Единственный путь - анализ фактических данных на основе общих законов аэрогазодинамики.

Одной из основных характеристик аэрогазодинамиче-ских процессов на выемочном участке в известных методах принимается [4] основанный на законе сохранения массы воздуха коэффициент воздухораспределения

(2к— Qe

Kp =-

Q,к

(9)

где Qк, Qe - соответственно расходы воздуха на сопряжениях лавы с конвейерным и вентиляционным штреками.

Здесь числитель характеризует количество воздуха, отводимое специальным вентилятором через выработанное пространство. Если доля этого объема достаточно велика по сравнению с метанообильностью выработанного пространства, то оценки дают вполне приемлемую сходимость. Однако при Кр ^ 0 точность резко снижается вплоть до искажения физической сущности аэрогазодинамической модели. Для устранения этого недостатка следует перейти к закону сохранения масс как воздуха, так и метана на выемочном участке. Тогда по аналогии с (9) имеем

Qсм,к ~ Qсм,в ^1 у

Kz =-

Q

(10)

Рис. 5.. ВЙг{йчй1й,ияотф[аШ0ни1скф!акт1п>ф)гкой рап’чфт1ной

qп р I относительной метанообильности очистного забоя прогнозной 1 п р 1 по геологоразведочным данным аб-при различных значениях коэффициента газовоздухо-ралЮредыЬйияаКообильностей при различной производительности очистного забоя А с поправками, уточняющими влияние времени транспортирования угля в

Рр£делафШеЩШеэ «учшеч^кврш Л&с№ЮШЙ

мегарообильности очистного забоя:

1 - факт; 2 - нормативный прогноз по геологоразведочным данным; 3 - расчет с уточнением влияния горнотехнических условий; 4 - расчет (13) с учетом аэрогазодинамики участка

где К г - коэффициент газовоздухораспределения;

Qсм к, Qсм в - соответственно расходы метановоздушной

смеси на устье конвейерного штрека и сопряжении лавы с вентиляционным; 1у - абсолютная метанообильность выемочного участка.

При Кр = 0 выражение (10) отражает случай чисто возвратноточной схемы проветривания, широко применявшейся ранее в низкопроизводительных забоях. Признаком этих схем является

1оч = 1у , (11)

где 1оч - метанообильность очистного забоя при 0 < Кр < 1.

На действующем выемочном участке фактическая мета-нообильность складывается из величин

1у = 1оЧ + 1'в , (12)

где 1оч - приток метана, относимый к очистному забою; 1'в -метановыделение в выработанное пространство с учетом реальных газоперетоков между призабойным пространством и прилегающей к нему части выработанного пространства.

Для любого выемочного участка всегда имеет место некоторая точка Кр в вентиляционном режиме, в котором

возникает разделение потоков 1р и 1'в.

В приближенной модели процесса координаты

КГ 1 /(Ясм к +1 у); 1 р /1 у)> но при полном рассмотрении плоской задачи, срыв части потока Qсм к в направлении Qсм произойдет несколько раньше под влиянием аэродинамического сопротивления по длине лавы и скоростного напора потока по конвейерному штреку. Поскольку наибольший интерес представляет оценка реальных ситуаций, то определять координаты критической точки необходимо по экспериментальным данным лавы-аналога. Однако значения параметров 1оч ф зависит и от других факторов, а

Iу ф по своей физической сути вообще не зависит от особенностей схемы проветривания. Следовательно, для поиска координат критической точки необходимо прежде всего устранить влияние этой особенности, например, путем нормирования значений 1оч ф и Iу ф относительно соответствующих функций. Иными словами, поиск прямой зависимости 1оч /1у = ф(Кр ) возможен только при прочих равных условиях. Это требование обеспечено в рассматриваемом примере эмпирической формулой (7). На ее основании и с учетом (1) построим график qп ф i / qп р ,■ = ф(Кр )

(рис. 6) и найдем аппроксимирующую функцию.

А ■ qn

I

-Є2Є1 exp(<хіт +РУ + уКг) , м /мин (1З)

0ч,к

где Е2=1,3879 и у=-1,3592 - аэродинамические коэффициенты.

Критическое значение (1очк = 1р) коэффициента га-

зовоздухораспределения равно Кг =0,24.

При Кг < 0,24 метанообильность очистного забоя 1843 увеличивается за счет дополнительного к метановыделению из разрабатываемого пласта притока газа из выработанного пространства. При Кг > 0,24 становится меньше метано-выделения из разрабатываемого пласта в связи с перетоком метана из призабойного объема через выработанное пространство к газоотводящему вентилятору.

На рис. 7 представлены результаты этапов идентификации и адаптации математической модели к условиям рассматриваемого выемочного поля, свидетельствующие о вполне удовлетворительной сходимости расчетных и фактических данных, достигаемой при применении адаптивного прогноза метанообильности очистного забоя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматизация прогноза и непрерывного контроля газопроявлений при проектировании и эксплуатации угольных шахт / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Труды научно-технической конференции "Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности" - Кемерово, 1998.-С.53-60.

2. Возможный подход к совершенст-

вованию методов оценки газодинамического состояния призабойной части пласта / В.А. Рудаков, Е.Н. Козырева // Труды международной научно-практической конференции "Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию" - Кемерово, 1999. Т 2. - С.196-200.

3. Руководство по проектированию

вентиляции угольных шахт. Макеевка -Донбасс, 1989, - 319 с.

4. Временные рекомендации по снижению газообильности выемочных участков шахт Кузбасса поверхностными газоотсасывающими вентиляторами, установленными на устьях вентиляционных скважин. Кемерово, 1986, - 30 с.

/-----------------------------------------------------------------------------7

Полевщиков Г.Я. - доктор технических наук, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН.

Козырева Е.Н. — аспирант, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН.