CC BY
16
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ III. TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
| М.В. Шинкевич // M.V. Shinkevich max-valerich@rambler.ru
канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ИУ ФИЦ УУХ СО РАН. Россия, 650065 г Кемерово, пр Ленинградский, 10
candidate of technical sciences, senior researcher, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry Institute of Coal, 10 Leningradsky Prospect, Kemerovo, 650065, Russian Federation
| Р.И. Родин // R.I. Rodin rodinri@mail.ru
научный сотрудник, Институт угля Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИУ ФИЦ УУХ СО РАН); Россия, 650065, г. Кемерово, проспект Ленинградский, 10 Researcher, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry Institute of Coal, 10 Leningradsky Prospect, Kemerovo, 650065, Russian Federation
УДК УДК 622.817.4
ГАЗОНОСНОСТЬ ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ РАБОТЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА
GAS CONTENT OF A COAL SEAM FACE AREA DURING THE HIGHPERFORMANCE EXTRACTION SECTION OPERATION
В статье предлагается определять газоносность пласта в зависимости от нормальных напряжений. Приводятся расчетные данные напряжений в краевой части угольного пласта, отрабатываемого длинным очистным забоем, а также представлены соответствующие значения газоносности призабойной части пласта, что подтверждается отбором проб угля в лаве и их обработкой. Показано, что при движении длинного очистного забоя газоносность отбиваемой полосы угля ниже газоносности пласта в нетронутом горными работами массиве. Снижение напряжений в пласте вызывает его дегазацию. Причем, снижение напряжений начинается на расстоянии равном половине длины лавы, что определено по схеме структуризации подработанного массива горных пород. За счет этого газоносность в отбиваемой полосе угля ниже природной, указанной на планах горных работ, на 10-30 %. Величина снижения газоносности зависит от геолого-технологических условий отработки.
The article proposes to determine the seam gas content depending on normal stresses. Estimated stresses in the edge of the coal seam, which is worked out by long extraction face, as well as the corresponding values of the gas content of the seam face area, which is confirmed by the coal samples' selection in the longwall and their processing. It is shown that during the advance movement of a long working face, the gas content of the beaten coal strip is lower than the gas content of the seam in rock massif untouched by mining operations. The decrease in stress in the seam causes its degassing. Moreover, stress reduction begins at a distance equal to half of the longwall length, which is determined by the structured pattern of the undermined rock mass. Due to this, the gas content in the crushed coal strip is lower than natural, indicated on mining plans by 10-30%. The magnitude of the reduction in gas content depends on the geological and technological conditions of mining.
Ключевые слова: ГАЗОНОСНОСТЬ, ПРОГНОЗ, ГЕОМЕХАНИКА, СДВИЖЕНИЯ, ОСТАТОЧНАЯ ГАЗОНОСНОСТЬ УГЛЯ
Key words: GAS CONTENT, FORECAST, GEOMECHANICS, DISPLACEMENTS, RESIDUAL COAL GAS CONTENT
Введение
В последние десятилетия объёмы добычи угля вышли на новый уровень.
Зачастую выемочные участки работают с нагрузкой 25 тыс. тонн в сутки и более. В таких условиях основным источником метановы-деления становится отбиваемый и транспортируемый уголь. Если метан выработанного пространства может быть изолированно выведен на поверхность средствами вентиляции и дегазации, то газ отрабатываемого пласта реализуется непосредственно в забое и транспортных выработках. Его весьма трудно извлечь из пласта способами предварительной дегазации. Эти горнотехнологические особенности предъявляют повышенные требования к методам оценки газокинетических характеристик пласта угля с учетом изменений его свойств и состояний впереди движущегося очистного забоя. Адекватный прогноз газовыделения необходим для дальнейшего принятия точных решений по управлению выделениями газа, что невозможно без комплексной оценки состояния пласта, учитывающей связи газокинетических характеристик с геомеханическими процессами. Изучением всего многообразия процессов, возникающих в массиве при добыче угля, обеспечением безопасности труда на шахтах, занимаются многие ученые как в России, так и за рубежом.
Цели и задачи. Известно, что при скорости подвигания забоя лавы более 6 м/сут практически во всех горно-технологических условиях точка максимума опорного давления расположена почти у плоскости забоя [13]. В таком случае у пласта угля почти полностью отсутствует зона дренирования, где напряжения в пласте менее природной, и метановыделение через плоскость забоя не происходит. При отбойке угля весь содержавшийся в нем газ выделяется в призабой-ное пространство и на конвейерный штрек при транспортировке угля. Поэтому при прогнозе метанообильности выемочного участка важно знать газоносность отбиваемой выемочной машиной полосы угля на текущий момент.
Методы. Из анализа литературных источников выявлено, что при отработке угольных пластов длинными очистными забоями с полным обрушением кровли геомеханический процесс связан не только с величиной отхода от монтажной камеры, но и с длиной лавы [14]. Известно о поднятии пород кровли впереди забоя лавы до 3 см [5]. При этом горным опытом и научными исследованиями установлено [16], что при подходе очистного забоя к пластовой скважине на расстояние, близкое половине длины забоя, де-
бит метана из скважины увеличивается. Без разгрузки пласта от горного давления этот эффект невозможен [17]. Известен и эффект перетока части метана из пласта в выработанное пространство, минуя призабойный объем. Можно сделать вывод, что за зоной опорного давления в пласте угля происходит разгрузка пласта от статического горного давления и формирование значительного давления газа. Это объясняется консольным изгибом слоев кровли при движении длинного очистного забоя, при условии отработки выемочного столба с полным обрушением. Для расчетов использовалось численное моделирование газогеомеханических процессов на основании уточненных эмпирических зависимостей [18].
Результаты
В качестве экспериментального участка выбран выемочный участок 23-1-4 бис пласта 23 ООО «Шахта им. С.Д. Тихова». Глубина ведения горных работ в выемочном участке 23-1-4 бис - 120-224 м от дневной поверхности. Угольный пласт 23 относительно выдержанный, вынимаемая мощность пласта - 1,62 м. Природная газоносность - 10-17,5 м3/т с.б.м. Основная кровля пласта сложена песчаником мелкозернистым,
Рисунок 1. Напряжения в угольном пласте 1-природные напряжения в нетронутом горными работами массиве, 2 - напряжения в отбиваемой полосе угля.
Figure 1 - stresses in the coal seam in an rock massif untouched by mining operations, 1- natural stresses, 2 -stresses in the crushed coal strip
f. [ fl V 2Z-
- --, _ г"
I
- - -1
14
Mi
1«
(K
ЧФ
MO
Рисунок 2. Газоносность пласта. 1-природная, указанная на плане горных работ, 2 - расчетная
газоносность угля в отбиваемой полосе Figure 2 - the seam gas content. 1 - natural, indicated on the mining plan, 2 - estimated coal gas content in the crushed strip
Рисунок 3. Выемочный участок 23-1 -4бис на плане горных работ: • - место отбора проб угля Figure 3 - Extraction section 23-1 -4bis on the mining plan: • - place of coal sampling
крепостью / = 6-7, и алевролитом крупнозернистым, крепостью до / = 7. Мощность основной кровли - до 15,0 м, в основном отнесена к среднеобрушаемой. Первичный шаг обрушения основной кровли - через 78 м подвигания лавы от монтажной камеры. Последующие шаги обрушения - через 31 м подвигания лавы.
С учетом вышеизложенных рассуждений рассчитаем величину действующих напряжений в краевой части пласта угля (рис.1). Видим, что действующие напряжения за точкой максимума опорного давления, а затем и в призабойной части на момент подхода забоя ниже геостатических. При таком снижении напряжений определим газоносность отбиваемой полосы угля (рис.2). Этот эффект и вызывает переток метана через породы кровли и увеличение дебита дегазационных скважин.
Для проверки предложенных зависимостей определения газоносности угля определим газосодержание краевой части пласта по спосо-
бу измерения газокинетических характеристик газоносных углей 19]. Пробы угля отбирались с лавного конвейера в 2 м от добычного комбайна и на расстоянии 550 м от монтажной камеры. Время герметизации проб изменялось от 7 минут до 23 минут. Отбор проб производился на сопряжении очистного забоя 23-1-4бис с конвейерным штреком 23-1-4 (рис.3). Место отбойки угля комбайном 20-25 в метрах от конвейерного штрека 23-1-4. Отбор проб выполнялся во вторую смену при отбойке угля, ширина стружки 0,8 м. Природная газоносность разрабатываемого пласта по плану горных работ в этом месте составляет 12 м3/т.
Природную газоносность пласта Хпрр определяют согласно газового баланса
где X - газоносность пробы на момент
герм 1
герметизации за вычетом остаточной газоносности, м3/т с.б.м.;
14
-11
12 '
у -10,4146-® R1 - 0.6631
&
...........
1 Гч............ 8 9 10
6 5 «
4
2
10
1S 20 25 1| мнн
Рисунок 4. Остаточная газоносность проб угля 1-10 - номера колб с пробами угля, 11- природная газоносность пласта угля Figure 4 - Residual gas content of coal samples 1-10 - numbers of flasks with coal samples, 11- natural coal seam gas content
56
Хо г - остаточная газоносность угля при атмосферном давлении, м3/т с.б.м.; Qуn - удельный объем метана, упущенного до момента герметизации пробы, м3/т с.б.м.
Газоносность пробы на момент герметизации определяют по замеренному при выпусках газа полному объему метана 2
Х,„„„ =
-, м3/т с.б.м.
1C.6.J
*-герм
где Q - объем метана при выпусках газа, м3; шсбм - сухая беззольная масса пробы угля, т.
Упущенный газ рассчитывается формуле (4)
(2)
по
Qyn — Хпр.О -
+ Х0\ мУт
(4)
На рис. 4 представлен результат аппроксимации данных проб по двум фракциям (С = 5-10 мм, С меньше 3 мм). Из графика видно, что значение газоносности в пробах угля составляет 10,4 м3/т с.б.м. Таким образом, это значение газоносности в отбиваемой полосе угля можно брать при расчете метановыделения на выемочном участке из пласта угля.
Заключение
Из изложенного можно сказать, что при работе высокопроизводительного выемочного
участка газосодержание угольного пласта в его призабойной части ниже природной газоносности, что обусловлено опережающей разгрузкой пласта за зоной опорного давления. Поскольку при высоких скоростях подвигания очистного забоя метановыделение на выемочный участок состоит преимущественно за счет выделения метана из отбитого и транспортируемого угля, необходимо учитывать эффект разгрузки и снижения газоносности отрабатываемого пласта при расчетах метанообильности. Это позволит более адекватно прогнозировать метанообильность, повысить производительность выемочного участка, обоснованно принимать решения по газоуправлению, исключить превышение предельно допустимых концентраций метана, вспышки и взрывы метановоздушной смеси.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Кемеровской области в рамках научного проекта № 18-45-420001 р_а
The study was carried out with the financial support of the Russian Federal Property Fund and the Kemerovo Region in the framework of the scientific project No. 18-45-420001 р_а
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шадрин А.В., Клишин В.И. Совершенствование методов автоматизированного прогноза опасности проявления динамических явлений в процессе разупрочнения кровли и профилактической гидрообработки угольных пластов // Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. — 2017. — № 3. — С. 31 - 35.
2. Черданцев Н. В., Шадрин А. В. Расчет траектории движения одиночной трещины, расположенной в массиве горных пород, нагруженной давлением жидкости // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2017. — № 4. — С. 18 - 26.
3. 3. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н. М. Качу-рин, В. И. Клишин, А. М. Борщевич, А. Н. Качурин. Тула — Кемерово. — ТулГУ, 2013. — 220 с.
4. 4. Portola, Vyacheslav Alekseevich. Indirect Negative Influence of Coal Mine Motor Vehicles on the Environment [Electronic resource] / V. A. Portola, E. S. Torosyan, A. S. Kuznetsova // Applied Mechanics and Materials : Scientific Journal. — 2015. — Vol. 770: Urgent Problems of Up-to-Date Mechanical Engineering. — [P. 690-694]
5. 5. Shadrin, Y. Diyuk. Geophysical criterion of pre-outburst coal outsqueezing from the face space into the working // International Journal of Mining Science and Technology. https://doi.org/10.1016/j.IJMST.2018.11.001
6. 6. Полевщиков, Г.Я. Газокинетические особенности распада углеметана на конвейерном штреке выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, М.С. Плаксин // Горный информационно -аналитический бюллетень. - 2011, № 8. - С. 21 -28.
7. 7. Козырева Е. Н., Шинкевич М. В., Родин Р. И. Газокинетические следствия нелинейных геомеханических процессов в массиве горных пород на шахтах Кузбасса / В сборнике: Нелинейные геомеханико-геодинамиче-ские процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах 2-я Российско-Китайская научная конференция. Отв. редактор: д.ф-м.н. А.И.Чанышев. — 2012. — С. 267 - 272.
8. 8. Kormin A.N. Seismological survey of the coal fields based on the applying of the low-power sources of oscillation / Tailakov O.V., Sokolov S.V., Makeev M.P., Kormin A.N. // E3S Web of Conferences Electronic edition, 2018, №01029, pp. 1-5 (DOI: 10.1051/e3sconf/20184101029).
9. 9. Kormin A.N. Determination of geological conditions of gassy coal seams on the basis of seismic acoustic profiling in underground mine workings / Zastrelov D.N., Kormin A.N., Saltymakov E.A., Sokolov S.V., Taylakov
O.V. // International Scientific Conference «Knowledge-based technologies in development and utilization of mineral resources», 5-8 June 2018, Novokuznetsk, Russian Federation, Volume 206, № 012046, pp. 1-6 (D0I:10.1088/1755-1315/206/1/012046).
10. 10. Water distribution characteristic and effect on methane adsorption capacity in shale clay / Li J., Li X., Wu K., Shi J., Yang L., Feng D., Zhang T., Yu P., Wang X., Li Y. // International Journal of Coal Geology. 2016. Т. 159. С. 135-154.
11. 11. Methane contents and coal-rank variability in the upper silesian coal basin, Poland / Kedzior S. // International Journal of Coal Geology. 2015. Т. 139. № 1. С. 152-164.
12. 12. Numerical modelling of microseismicity associated with longwall coal mining / Cao W., Shi J.-Q., Si G., Durucan S., Korre A. // International Journal of Coal Geology. 2018. Т. 193. С. 30- 45
13. 13. Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханических процессов: Автореферат дис. докт.техн.наук. - М., 1980. - 36 с.
14. 14. Шинкевич, М.В. Газовыделение из отрабатываемого пласта с учётом геомеомеханических процессов во вмещаюем массиве [текст]/ М.В. Шинкевич // Горный информационно -аналитический бюллетень. - 2013, Отд. вып. № 6. - С. 278 -285
15. 15. Канлыбаева, Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыбаева. - Изд-во "Наука", 1968. - 108 с.
16. 16. Забурдяев, В. С. Обоснование способов и параметров извлечения метана при высокоинтенсивной отработке газоносных угольных пластов [Текст] : дис. ... докт. техн. наук / Забурдяев Виктор Семёнович. - М., 2007. - 350 с.
17. 17. Малышев, Ю.Н. Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000. - 519 с
18. 18. Шинкевич, М.В. Моделирование техногенной структуризации вмещающего массива горных пород при ведении очистных работ / М.В. Шинкевич, Е.В. Леонтьева // Вестник КузГТУ. - Кемерово, 2015 - № 3. - С. 23 - 31
19. 19. Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н., Рябцев А.А., Родин Р.И., Непеина Е.С., Цуран Е.М. / Оценка влияния напряжений на газоносность приконтурной части пласта // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2016. № 1. С. 16-24.
REFERENCES
1. Shadrin, A.V., & Klishin, V.I. (2017). Sovershenstvovanie metodov avtomatizirovannogo prognoza opasnosti proiavlenia dinamicheskikh yavleni v processe razuprochnenia krovli i profilakticheskoi gidroobrabotki ugolnykh plastov [Improving the methods for dynamic phenomena danger automated prediction in the roof softening process and preventive hydrotreatment of coal seams]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 3,31-35 [in Russian].
2. Cherdantsev, N.V., & Shadrin, A.V. (2017). Raschet traektorii dvizhenia odinochnoi treshchiny, raspolozhennoi v massive gornykh porod, nagruzhennoi davleniem zhidkosti [Trajectory calculation of a single crack located in a rock mass, loaded with fluid pressure]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti -Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 4, 18-26 [in Russian].
3. Kachurin, N.M., Klishin, V.I., Borshchevich, A.M., & Kachurin, A.N. (2013). Prognoz metanovoi opasnosti ugolnykh shakht pri intensivnoi otrabotke ugolnykh plastov [Forecast of coal mines' methane hazard during intensive mining of coal seams].Tula-Kemerovo: TulGU [in Russian].
4. Portola, Vyacheslav Alekseevich. Indirect Negative Influence of Coal Mine Motor Vehicles on the Environment [Electronic resource] / V. A. Portola, E. S. Torosyan, A. S. Kuznetsova // Applied Mechanics and Materials : Scientific Journal. — 2015. — Vol. 770: Urgent Problems of Up-to-Date Mechanical Engineering. — [P. 690-694]
5. Shadrin, Y. Diyuk. Geophysical criterion of pre-outburst coal pressing out from the face area into the working // International Journal of Mining Science and Technology. https://doi.org/10.1016/j.IJMST.2018.11.001
6. Polevshchikov, G.Ya., Shinkevich, M.V., & Plaksin, M.S. (2011). Gazokineticheskie osobennosti raspada uglemetana na konveiernom shtreke vyemochnogo uchastka [Gas-kinetic features of coal-methane decomposition at the conveyor gallery of the extraction section]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, 8, 21-28 [in Russian].
7. Kozyreva, Ye.N., Shinkevich, M.V., & Rodin, R.I. (2012). Gazokineticheskie sledstvia nelineinykh geomekhanicheskikh protsessov v massive gornykh porod na shakhtakh Kuzbassa [Gas-kinetic consequences of nonlinear geomechanical processes in a rock mass at the mines of Kuzbass]. From collection: Nonlinear
geomechanical-geodynamic processes in the development of mineral deposits at great depths. 2nd Russian-Chinese Scientific Conference, 267-272 [in Russian].
8. Kormin A.N. Seismological survey of the coal fields based on the applying of the low-power sources of oscillation / Tailakov O.V., Sokolov S.V., Makeev M.P., Kormin A.N. // E3S Web of Conferences Electronic edition, 2018, №01029, pp. 1-5 (DOI: 10.1051/e3sconf/20184101029).
9. Kormin A.N. Determination of geological conditions of gassy coal seams on the basis of seismic acoustic profiling in underground mine workings / Zastrelov D.N., Kormin A.N., Saltymakov E.A., Sokolov S.V., Taylakov O.V. // International Scientific Conference «Knowledge-based technologies in development and utilization of mineral resources», 5-8 June 2018, Novokuznetsk, Russian Federation, Volume 206, № 012046, pp. 1-6 (D0I:10.1088/1755-1315/206/1/012046).
10. Water distribution characteristic and effect on methane adsorption capacity in shale clay / Li J., Li X., Wu K., Shi J., Yang L., Feng D., Zhang T., Yu P., Wang X., Li Y. // International Journal of Coal Geology. 2016. T. 159. C. 135154.
11. Methane contents and coal-rank variability in the upper silesian coal basin, Poland / Kedzior S. // International Journal of Coal Geology. 2015. T. 139. № 1. C. 152-164.
12. Numerical modelling of microseismicity associated with longwall coal mining / Cao W., Shi J.-Q., Si G., Durucan S., Korre A. // International Journal of Coal Geology. 2018. T. 193. C. 30- 45
13. Murashev, V.I. (1980). Razrabotka nauchnykh osnov bezopasnogo vedeniia gornykh rabot v ugolnykh shakhtakh na osnove issledovaniia geomekhanicheskikh protsessov [Safe mining in coal mines scientific basis development based on geomechanical process studies]. Extended abstract of Doctor's thesis. Moscow [in Russian].
14. Shinkevich, M.V. (2013). Gazovydelenie iz otrabatyvaemogo plasta s uchyotom geomeomekhanicheskikh protsessov vo vmeshchayushchem massive [Gas emission from the seam under development, taking into account geomeomechanical processes in the bearing massif]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, 6, 278-285 [in Russian].
15. Kanlybaeva, Zh.M. (1968). Zakonomernosti sdvizhenia porod v massive [Patterns of rock movement in the massif]. Nauka [in Russian].
16. Zaburdiaev, V.S. (2007). Obosnovanie sposobov i parametrov izvlechenia metana pri vysokointensivnoi otrabotke gazonosnykh ugolnykh plastov [Substantiation of methane extraction methods and parameters during high-intensity mining of gas-bearing coal seams].Doctor's thesis, Moscow [in Russian].
17. Malyshev, Yu.N., Trubetskoy, K.N., & Airuni, A.T. (2000). Fundamentalno-prikladnye metody reshenia problemy ugolnykh plastov [Fundamental and applied methods for solving the problem of coal seams]. Moscow: IAGN [in Russian]
18. Shinkevich, M.V., Leontieva, Ye.V. (2015). Modelirovanie tekhnogennoi strukturizatsii vmeshchayushchego massiva gornykh porod pri vedenii ochistnykh rabot [Modeling of the bearing rock massif technogenic structuring during the coal extraction works]. Vestnik KuzGTU - KuzGTU Herald, 3, 23-31 [in Russian].
19. Polevshchikov, G.Ya., Kozyreva, Ye.N., Riabtsev, A.A., Rodin, P.I., Nepeina, Ye.S., & Tsuran, Ye.M. (2016). Otsenka vliania napriazhenii na gazonosnost prikonturnoi chasti plasta [Assessment of the stresses' effect on the seam contour part gas content]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 16-24 [in Russian].
59
