Динамика метаиовыделения в очистной забой при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной пачки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.272

ДИНАМИКА МЕТАИОВЫДЕЛЕНИЯ В ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ВЫПУСКОМ ПОДКРОВЕЛЬНОЙ ПАЧКИ

Н.М. Качурин, А.Ю. Ермаков, Д.Н. Шкуратский, А.Н. Качурин

Показано, что при выемке мощного угольного пласта на полную мощность одним забоем с выпуском подкровелъной пачки образуется четыре обнаженных поверхности, через которые происходит выделение метана. При этом формируется семь источников метановыделения в лаву. Динамика метановыделений на таких очистных участках характеризуется периодическими колебаниями дебита за счет рассредоточенного во времени проявления технологических и геомеханических воздействий на угольно-породный массив и включения в процесс газовыделения источников, сопутствующих этим воздействиям. Доказано, что при выемке могцного полого угольного пласта с выпуском подкровелъной пачки метановыделение из подкровелъной пачки нарушенной структуры будет формироваться по законам движения газа в трещнно-вато-пористых сорбнруюгцнх средах.

Ключевые слова: метановыделение, мощный угольный пласт, подкровельная пачка, фильтрация, вмегцаюгцне породы; газовая пронгщаемость, выпуск угля.

Анализ технологических схем разработки мощных пологих пластов с погашением и выпуском подкровельной и межслоевой угольной толщи показывает, что можно производить выемку угля с применением большого количества различных способов и средств, существующих и принципиально новых конструкций. При выемке мощного угольного пласта на полную мощность одним забоем с выпуском подкровельной пачки образуется четыре обнаженных поверхности, через которые происходит выделение метана (рис. 1).

При этом формируется семь источников метановыделения в лаву: 1\ - газовыделение с поверхности обнажения подсечного слоя (с поверхности груди забоя); /2 - газовыделение с поверхности обнажения подкровельной пачки ненарушенной структуры; /3 - газовыделение из подкровельной пачки нарушенной структуры; /4 - газовыделение из отбитого угля на приза-бойном конвейере; /5 - газовыделение из разрушенного угля на секциях механизированной крепи; 1(, - газовыделение из разрушенного угля на завальном конвейере; /7 - газовыделение вмещающих подработанных пород; /в - газовыделение из смежных угольных пластов.

Газовыделение с поверхности обнажения подсечного слоя (с поверхности груди забоя) определяют по формуле [1 - 3]:

% *

где 01(£,) = |ехр(-^)|[ехр(^ со80) + ехр(-<^ со80)]б/0 тис- безразмер-

0 о

ный срок отработки подсечного слоя на длину лавы; тп с - мощность подсечного слоя; tr - период релаксации процесса метановыделения; Уа 3 -скорость подвигания очистного забоя; 1удн - начальная скорость метановыделения; в, С, - переменные интегрирования; - время процесса выемки подсечного слоя.

1о 1% Ц

Рис.1. Схема поступления метана из различных источников при выемке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной пачки: 1- подсечный слой разрабатываемого угольного пласта; 2 - подкровельная пачка угля; 3 - смежный угольный пласт («пласт - спутник»); 4 - породы основной кровли; // - газовыделение с поверхности обнажения подсечного слоя (с поверхности груди забоя);

12 - газовыделение с поверхности обнажения подкровельной пачки ненарушенной структуры; 13 - газовыделение из подкровельной пачки нарушенной структуры; 14 - газовыделение из отбитого угля на призабойном конвейере; 15 - газовыделение из разрушенного угля на секциях механизированной крепи; 16 - газовыделение из разрушенного угля

на завальном конвейере; 17 - газовыделение из вмещающих подработанных пород; /,? - газовыделение из надработанных пород;

1ч - газовыделение из смежных пластов

Газовыделение с поверхности обнажения подкровельной пачки ненарушенной структуры определяют по сходной формуле [4]:

Ь^п,) = 0,637 Ъпп1}У0 31уд и&} (ти и), (2)

гДе ©ДО

0,3787х„ -2,4678х„ +6,7909х -0,367 при т >0,

? п.п ? п.п ? П.П ? лг п.п ?

0,0003х3„ -0,0329х2„ +1,5865х„ +1,177 при100>х„„ >10.

? п.п ? п.п ? п.п ? -Г Я.Я

1пп - безразмерная длительность существования обнажения подкровель-ной пачки ненарушенной структуры; Ъпп- ширина подкровельной пачки ненарушенной структуры.

Газовыделение из подкровельной пачки нарушенной структуры определяют по формуле:

'з(0 =

(х -хЛЪ / к

\ И СО / п.п оч

7л

'ехр[-р(г-т)]

2 у/К

71

г

I

ехр

ехр[-р(

х-"

Г

/т(*-т) -(^х)2] |ехр

¿/х -

X

(3)

л/Г^Т ехр(0,5р?)

где хи, - природная газоносность разрабатываемого угольного пласта и остаточная газоносность угля разрабатываемого угольного пласта при атмосферном давлении; 1оч - дина очистного забоя; г| = к/а; г| - коэффициент газообмена между угольными блоками и транспортными трещинами; а - параметр релаксации газоносности угольных блоков; (3 = к/г|; параметр, характеризующий сопротивление движению газа в угольных блоках и транспортных трещинах; К - константа скорости дегазации, к = рау1); к -коэффициент, характеризующий сопротивление миграции газа в веществе угля; В - коэффициент диффузионной миграции газа в угле; / - время; х -переменная интегрирования.

Для построения физической модели процесса метановыделения из отбитого угля в очистном забое рассмотрим типовую схему комбайновой выемки (рис. 2).

Уголь краевой части угольного пласта, имеющий среднюю газоносность Х2, разрушается исполнительным органом комбайна и грузится на скребковый конвейер. Газоносность транспортируемого угля убывает, так как часть газа уносится из угольного вещества диффузионными потоками, направленными в сторону газоотдающих поверхностей.

Схематично процесс изменения газоносности транспортируемого угля можно представить как дегазацию слоя угля перемещающегося со скоростью У2+У3 , где Уг , Уз - скорость подачи комбайна и скорость транспортирования угля на скребковом конвейере соответственно, по от-

ношению к некоторому началу отсчета вдоль оси координат 02,. С этой системой координат связана подвижная система координат 0'г|.

£ +

Рис. 2. Расчетная схема к выводу уравнения, описывающего динамику газоносности отбитого угля на конвейере

Считая, что ось 02, всегда направлена в сторону движения угля, и переходя к подвижной системе координат по формуле = ц + , получим, что для случая, имеющего практический интерес, можно записать, следующую зависимость [5-6]:

/4 = 0,304 Ак (х2 - х1)[ехр(-9,87Р1Ро1) - ехр(-9,87Ро2)], (4)

\-1

Я'

Ро2 = ЩК

-2 .

Я - сред-

где р, = Г, (Г, + Г,): Ро^^-л^ + ^з)"

ний радиус куска отбитого угля; Ак - производительность выемочного комбайна; х2 - газоносность угля в призабойной части угольного пласта; х1 - остаточная газоносность угля на призабойном конвейере; Р1 - коэффициент соотношения скоростей скребкового конвейера и подачи очистного комбайна; ^ ~ длительность выемочного цикла

Дебит метана в лаву из разрушенного угля на секциях механизированной крепи рассчитывают по формуле:

(5)

I -5 _ 15

1-ехр(-9,87 ¥оц к)

где I™ - максимальное значение дебит метана в подготовительную выработку из разрушенного угля на секциях механизированной крепи; ¥оц к -

диффузионный критерий Фурье, соответствующий длительности рабочего цикла очистного комбайна .

Максимальное значение дебита метана в подготовительную выработку из отбитого угля определяется по формуле [7]

¡5 = 0-3043 Б^т^уу (х, - х,)/Ж;'. (6)

где Sn,„ - площадь контакта разрушенной подкровельной пачки с ограждением механизированной крепи; тп п - мощность подкровельной пачки; Хз -газоносность угля в неразрушенной части очистного забоя; R3 — математическое ожидание радиуса кусков разрушенного угля подкровельной пачки.

Газовыделение из разрушенного угля на завальном конвейере вычисляют как [8]:

/6 = 0,304 Авып(х2 - ^[exp^SVpFoJ - exp(-9,87Fo2)], (7) где Авып - производительность выпуска разрушенного угля через разгрузочные отверстия в ограждающих элементах механизированных крепей.

Газовыделение из подработанных пород определяют по формуле [9-

10]:

/7 ={MPal)\kmk6f{P(s -рс){р0 ~(р0 - Л)[1-ехр(-С)]}/(С), (8) где / (Q - функция, учитывающая фильтрационные свойства подработанных пород; С, = Т1_1ф^; ф = кт (|ii/w0Pc) 1; т) = k^kj2; рс - коэффициент сжимаемости метана; / - характерный размер блока обрушенных подработанных пород; |ы - динамическая вязкость метана; то - пористость породных блоков; р0 - природное давление метана в породных блоках; рс - давление на контакте атмосферы очистного участка с выработанным пространством; ра - атмосферное давление; кт , кб, - газовая проницаемость трещин и породных блоков соответственно.

Газовыделение из надработанных пород определяют по формуле [11-12]:

i.-o.m^-tffib. (9)

где рн - природное давление метана в надрабатываемых породах; кн, тн -газовая проницаемость и пористость надрабатываемых пород соответственно; t - время.

Метановая опасность очистных участков угольных шахт во многом определяется динамикой газовыделения из подработанных смежных угольных пластов. Применение высокопроизводительных очистных механизированных комплексов и, как следствие, высокая концентрация горных работ предполагают управление кровлей разрабатываемого угольного пласта способом полного обрушения. Полное обрушение подработанных пород вызывает нарушение геомеханического равновесия газоносного горного массива и наблюдается всплеск абсолютной метанообильности после обрушения пород основной кровли. При этом следует отметить, что именно смежные угольные пласты, как правило, содержат основное количество метана вмещающих пород, природная целостность которых нарушается в

процессе выемки разрабатываемого угольного пласта. Суммарное поступление метана в выработанное пространство очистного участка включает газовыделение из подработанных и надработанных горных пород, и смежных угольных пластов. В этом процессе участвуют породы и смежные угольные пласты, затронутые процессом сдвижения горного массива. Расчетная схема метановыделения в выработанное пространство из подработанного смежного угольного пласта представлена на рис. 3.

Газовыделение из смежных угольных пластов определяют по формуле [11-12]

/>(0 = 0.564*"^"^-f,')TOtPHA25/T)dT, (Ю)

тмн t Vi

где Fof = Kt/H2; к - пьезопроводность обрушенных горных пород в выработанном пространстве; рсм - природное давление метана в подрабатываемом смежном угольном пласте; кпп - газовая проницаемость подрабатываемого смежного угольного пласта; Н - расстояние от почвы разрабатываемого угольного пласта до подрабатываемого смежного угольного пласта.

Рис. 3. Расчетная схема метановыделения в выработанное пространство из подработанного смежного угольного пласта: 1 - горные породы зоны обрушения; 2 - подработанный смежный угольный пласт; 3 - породы почвы разрабатываемого угольного пласта; 4 - фильтрационный поток метана из смежного угольного пласта

Обобщение результатов вычислительных экспериментов и натурных наблюдений [13-14] позволяет сделать следующие выводы

1. При выемке мощного угольного пласта на полную мощность одним забоем с выпуском подкровельной пачки метановыделение из подкро-вельной пачки нарушенной структуры будет формироваться по законам движения газа в трещиновато-пористых сорбирующих средах.

2. Динамика метановыделений на очистных участках характеризуется периодическими колебаниями дебита за счет рассредоточенного во времени проявления технологических и геомеханических воздействий на угольно-породный массив и включения в процесс газовыделения источников, сопутствующих этим воздействиям.

3. Если рассматривается трещиновато-пористая сорбирующая среда, то система уравнений баланса газа в транспортных трещинах и угольных блоках, отражающая закон сохранения массы в процессе миграции газа в веществе угля, должна учитывать удельное количество газа, поступающего из угольных блоков в трещины в единицу времени и газоносность угольных блоков.

4. Зона беспорядочного обрушения состоит из породных блоков произвольной формы, нерегулярно располагающихся в выработанном пространстве. Зона газового дренирования основной кровли отличается большими размерами блоков и менее развитой системой транспортных каналов. Характерной особенностью движения газа в такой среде является повышенная проницаемость трещин при содержании основных запасов газа в малопроницаемых породных блоках.

5. Суммарное поступление метана в выработанное пространство очистного участка включает газовыделение из подработанных и надрабо-танных горных пород, и смежных угольных пластов. В этом процессе участвуют породы и смежные угольные пласты, затронутые процессом сдвижения горного массива.

6. Анализ технологических схем разработки мощных пологих пластов с погашением и выпуском подкровельной и межслоевой угольной толщи показывает, что можно производить выемку угля с применением большого количества различных способов и средств, существующих и принципиально новых конструкций. При выемке мощного угольного пласта на полную мощность одним забоем с выпуском подкровельной пачки дополнительно образуется четыре обнаженных поверхности, через которые происходит выделение метана: подсечный слой разрабатываемого угольного пласта; подкровельная пачка угля; смежный угольный пласт («пласт - спутник»); породы основной кровли.

Список литературы

I. Качурин H. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н. Прогноз метано-выделення с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. №4. С. 70-73.

2. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / H. М. Качурин, С. А. Воробьев, А. Н. Качурин, И. В. Са-рычева// Обогащение руд. 2014. №6. С.16-19.

3. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подвига-ния подготовительного забоя // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 12. С. 8-11.

4. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А.А. Прогноз выделения метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта и нагрузка на лаву интенсивной выемке угля// Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 19-24.

5. Безопасность геотехнологий добычи угля по газовому фактору/

H.М. Качурин, А.М. Борщевич, О.Н. Качурина, А.А. Бухтияров // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 24-27.

6. Kachurin N., Borschevich A., Kachurin A. Methane Emission into Production Face from Enclosing Strata // TEHNIKA. Belgrade. 2013. №2. P. 231 -234.

7. Kachurin N., Kaledina N., Kachurin A. Methane émanation from coal seam side face by the high advance rate of development face // Underground Mining Engineering. Belgrade University. 2013. June. P. 6 - 9.

8. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин, В.И. Клишин, А.М. Борщевич, А.Н. Качурин // Тула - Кемерово. Издательство ТулГУ. 2013. 219 с.

9. Качурин Н.М. Выделение метана из подработанных и надрабо-танных пород в выработанное пространство очистного участка // Известия вузов. Горный журнал. 1987. № 2. С. 54-59.

10. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А.А. Метановыделе-ние в очистной забой из подработанных и надработанных пород // Известия Тульского государственного университета. Сер. Науки о Земле. Вып.

I. 2011. С. 62-68.

II. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А.А. Прогноз выделения метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта и нагрузка на лаву при интенсивной выемке угля // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 19-24.

12. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Борщевич А.М. Обеспечение безопасности технологии «шахта - лава» по газовому фактору при отработке

газоносных угольных пластов // Рудник будущего. Спец. выпуск. 2010. № 3. С. 81-87.

13. Безопасность геотехнологий добычи угля по газовому фактору / Н.М. Качурин, A.M. Борщевич, О.Н. Качурина, А.А. Бухтияров // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 24-27.

14. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Агеев И.И. Методические аспекты прогноза выделений углекислого газа в угольных шахтах // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 12. С. 14-20.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology®,tsu. tula, ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ермаков Анатолий Юрьевич, канд. техн. наук, директор, ecology®,tsu. tula.ru, Россия, Прокопьевск, Кемеровская обл., СИБНИуглеобогащения,

Шкуратский Дмитрий Николаевич, горный инженер, директор, ecology@ tsu.tula .ru, Россия, Пермь, НИИ «Галургия»,

Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, инж., ecology a,tsu. tula, ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DYNAMICS OF METHANE EMISSION INTO PRODUCTION FACE BY MINING THICK FLAT-LYING COAL SEAMS WITH FREE-FLOW OUTLET OF UPPER LAYER

N.M. Kachurin, A. Yu. Ermakov, D.N. Shkaratskyi, A.N. Kachurin

It's shown that four surfaces emerge by mining coal bed on total thickness by one face with free-flow outlet of upper layer and methane emits through the surfaces. Seven sources of methane emission into production face are formed in such a case. Dynamics of methane emission at such production faces is characterized by periodical fluctuations of methane flow rate at the expense of technological and geomechanical influencing rock-coal massif manifestations distributed in time and engaging the companion these acts sources into process of gas emission. It's proved that methane emission is formed by lows of moving gas in crumbling- porous sorbing mediums by mining coal bed on total thickness by one face with free-flow outlet of upper damaged structure layer.

Key words: methane emission, thick coal seam, upper layer, filtration, enclosing strata, gas permeability, free-flow outlet coal.

Kachurin Nikolai Michailovich, Doctor of Sciences, Full Professor, Head of a Chair, ecology'ajsu. tula, ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ermakov Anatolyi Yurievich, Candidate of Technical Science, Director, ecology®, tsu.tula.ru, Russia, Procopievsk, Kemerovo Region, SIBNIIugolobogaschenie,

Shkaratskyi Dimitryi Nikolaevich, Mining Engineer, Director, ecology®,tsu. tula, ru, Russia, Perm, Nil "Galurgiy",

Kachurin Alexander Nikolaevich, Candidate of Technical Science, Engineer, ecology ®,tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

Reference

1. Kachurin N. M., Vorob'ev S. A., Kachurin A. N. Prognoz metanovydelenija s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta v podgotovitel'nuju vyrabotku pri vysokoj skorosti prohodki // Gornyj zhurnal. 2014. №4. S. 70-73.

2. Prognoz metanovydelenija v podgotovitel'nye i ochistnye zaboi ugol'nyh shaht / N. M. Kachurin, S. A. Vorob'ev, A. N. Kachurin, I. V. Sarycheva // Obogashhenie rud. 2014. №6. S.16-19.

3. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenie metana s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta pri vysokoj skorosti podviganija podgotovitel'nogo zaboja // Be-zopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2012. № 12. S. 8-11.

4. Kachurin N.M., Borshhevich A.M., Buhtijarov A. A. Prognoz vydelenija metana s poverhnosti obnazhenija razrabatyvaemogo ugol'nogo plasta i nagruzka na lavu intensivnoj vyemke uglja// Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2010. № 5. S. 19-24.

5. Bezopasnost' geotehnologij dobychi uglja po gazovomu faktoru/ N.M. Kachurin, A.M. Borshhevich, O.N. Kachurina, A.A. Buhtijarov // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2010. № 5. S. 24-27.

6. Kachurin N., Borschevich A., Kachurin A. Methane Emission into Production Face from Enclosing Strata // TEHNIKA. Belgrade. 2013. №2. P. 231 - 234.

7. Kachurin N., Kaledina N., Kachurin A. Methane emanation from coal seam side face by the high advance rate of development face // Underground Mining Engineering. Belgrade University. 2013. June. P. 6 - 9.

8. Prognoz metanovoj opasnosti ugol'nyh shaht pri intensivnoj otrabotke ugol'nyh plastov / Kachurin N.M., Klishin V.I., Borshhevich A.M., Kachurin A.N. // Tula - Kemerovo. Izdatel'stvo TulGU. 2013. 219 s.

9. Kachurin N.M. Vydelenie metana iz podrabotannyh i nadrabo-tannyh porod v vyrabotannoe prostranstvo ochistnogo uchastka // Izvestija vuzov. Gornyj zhurnal. 1987. № 2. S. 54-59.

10. Kachurin N.M., Borshhevich A.M., Buhtijarov A.A. Metanovydelenie v ochist-noj zaboj iz podrabotannyh i nadrabotannyh porod // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Vyp. 1. 2011. S. 62-68.

11. Kachurin N.M., Borshhevich A.M., Buhtijarov A.A. Prognoz vydelenija metana s poverhnosti obnazhenija razrabatyvaemogo ugol'nogo plasta i nagruzka na lavu pri intensivnoj vyemke uglja // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2010. № 5. S. 19-24.

12. Kachurin N.M., Efimov V.I., Borshhevich A.M. Obespechenie bezopasnosti tehnologii «shahta - lava» po gazovomu faktoru pri otrabotke gazonosnyh ugol'nyh plastov // Rudnik budushhego. Spec, vypusk. 2010. № 3. S. 81-87.

13. Bezopasnost' geotehnologij dobychi uglja po gazovomu faktoru / N.M. Kachurin, A.M. Borshhevich, O.N. Kachurina, A.A. Buhtijarov // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2010. № 5. S. 24-27.

14. Sokolov Je.M., Kachurin N.M., Ageev I.I. Metodicheskie aspekty prognoza vydelenij uglekislogo gaza v ugol'nyh shahtah // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2012. № 12. S. 14-20.