Газовыделение из отрабатываемого пласта с учётом геомеханических процессов во вмещающем массиве Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.В. Шинкевич, 2013

УЛК 622.272.6 М.В. Шинкевич

ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ ОТРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА С УЧЁТОМ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВМЕЩАЮЩЕМ МАССИВЕ*

Обоснован метод расчета динамики притока метана из отрабатываемого пласта при его отработке длинным очистным забоем, учитывающий нелинейность геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород с целью повышения эффективности управления газовыделением.

Ключевые слова: углеметановый пласт, очистной забой, массив горных пород, сдвижения, метановыделение, управление газовыделением.

Из классической геомеханики следует, что движение очистного забоя приводит к периодическому изменению размеров зависающих консолей подрабатываемых слоев пород, участвующих в формировании опорного давления. Формирование консолей сопровождается поднятием слоев пород над пластом впереди зоны максимальных напряжений. Известен принцип «волны Вебера» (1920 г.), согласно которому с удалением от разрабатываемого пласта амплитуда волны снижается, а ее период увеличивается. Натурными исследованиями Ж.М. Канлыбаевой (1960 г.) инструментально доказано, что даже в слабых породах (аргиллиты) при глубине залегания отрабатываемого пласта около 100 м и длине очистного забоя 100 м поднятие нижней части кровли достигает 3 см на расстоянии 10-15 м от плоскости забоя. И. Л. Черняком и В.Е. Зайденваргом (1994 г.) аналитически показано, что с ростом прочности пород кровли и глубины разработки этот эффект возрастает, при этом происходит «топтание» пласта горным давлением. Немецкими учеными [1] аналитически и экспериментально доказано, что распределение горного давления на

*Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.

секции механизированной крепи очистного забоя имеет волнообразный характер, но без идентификации соответствующей модели.

Сложность суждения о геомеханических процессах при ведении горных работ в массиве объемом в сотни миллионов кубических метров (длина очистного забоя до 300 м, длина выемочного столба до 3 км, глубина залегания до 700 м) можно снизить, используя разрабатываемый в ИУ СО РАН подход [2, 3]. Его сущность заключается в неразрывности связи изменений газокинетических характеристик массива с геомеханическими процессами. Следовательно, для оценки параметров геомеханических процессов по динамике выделения метана в зону ведения горных работ достаточно учесть, что углеметановое месторождение - массив горных пород, в котором размещены пластины-индикаторы, стремящиеся реализовать свой газовый потенциал соответственно разгрузке от горного давления. При этом, непрерывно действующая электронная система рудничного мониторинга обеспечивает контроль аэрогазодинамического процесса по распределенной системе датчиков, имеющих инерционность 10-20 с. Уже первый (2000 г.) анализ электронных баз данных этих систем на высокопроизводительном выемочном участке позволил увидеть волнообразность изменений метанообильности по длине выемочного столба с периодом, несоизмеримо большим шага обрушения.

Аналогичные исследования динамики метанообильности, но уже подготовительных выработок, показали [4,5], что развитие иерархии структур в приконтурной части выработки соответствует каноническому [6] параметру (^2)п, где п - уровень структурной иерархии.

Для соблюдения единства причинно-следственных связей в газогеомеханических процессах, как при проведении подготовительных выработок (радиальная разгрузка), так при движении длинного очистного забоя (вертикальная разгрузка), целесообразно иметь единый показатель Ф=^2. Для радиальной разгрузки - Фп; для вертикальной разгрузки - Ф2п.

Несмотря на весьма представительный объем горноэкспериментальных исследований геомеханических процессов методами рудничной аэрогазодинамики, их результаты все-таки несколько косвенные, поскольку включают еще один явно нелинейный процесс - изменение состояний углеметановых пла-

стов с формированием неустойчивых газовых потоков в направлении зоны контроля. По этой причине эти исследования были дополнены наблюдениями изменений давления в стойках секций механизированной крепи. Измерения давления проводились практически ежесуточно в ремонтную смену и явились ярким подтверждением волнообразности изменения горного давления при движении очистного забоя.

Горно-экспериментальные наблюдения за давлением жидкости в стойках механизированной крепи проводились при отработке лавы 3-32 на шахте «Алардинская» и лавы 351 шахты «Чертинская-Коксовая» (рис. 1 и 2). Для удобства анализа значения давлений интерпретированы через мощность слоя пород, вес которого соответствует реакции крепи.

Условия лавы 3-32 шахты «Алардинская»: глубина горных работ - 650 м, вынимаемая мощность пласта - 4,5 м, газоносность - 25 м3/т, длина очистного забоя - 200 м, скорость под-вигания около 3 м/сут, кровля труднообрушаемая, шаг обрушения основной кровли около 24 м.

Условия лавы 351 шахты «Чертинская-Коксовая»: глубина горных работ - 370 м, вынимаемая мощность пласта - 3 м, газоносность - 22 м3/т, длина очистного забоя - 180 м, скорость подвигания около 2 м/сут, кровля средней обрушаемости, шаг обрушения основной кровли около 5 м.

Количественная оценка результатов выявила периодичность изменения давления, кратную длине очистного забоя [7].

Расширение базы горнотехнологических данных разрабатываемых участков месторождений с различной стратиграфией и последовательностью отработки пластов в свите позволило выявить, что волнообразность является совокупностью вложенных относительно внешней кривой периодических функций, параметры которых кратны двум [8, 9].

Тогда, массив горных пород в области развивающихся геомеханических процессов можно представить в виде совокупности геомеханических слоев, мощности которых равны высотам формирующихся в них сводов (рис. 3). Обобщая результаты исследований газогеомеханических процессов при движении забоев, можно констатировать, что повышение разрешающей способности методов контроля уточняет закономерности процессов и раскрывает новые подробности деформационно-волновой природы реакции геосреды на изменение

I), IV!

Рис. 1. Своды давления на секции механизированной крепи при отработке пласта с труднообрушаемой кровлей (шахта «Алардинская»)

Рис. 2. Своды давления на секции механизированной крепи при отработке пласта с кровлей средней обрушаемости (шахта «Чертин-ская-Коксовая»)

внешних условий. А так же указывает на единство причинно-следственных связей в нелинейных техногенных процессах при движении длинного очистного забоя.

Рис. 3. Вертикальная схема геомеханической структуризации вмещающего массива: Ц - длина выработки; Ьп - мощность геомеханических слоев (высота сводов)

Рис. 4. Метановыделение из отрабатываемого пласта при фактической скорости подвигания очистного забоя (шахта «Чертинская-Коксовая»)

Поскольку динамика метанообильности выемочного участка, являясь следствием геомеханических процессов, отражает реакцию угольного пласта на технологическое воздействие, то появляется возможность количественно оценить изменения величины горного давления. А дополняя эту оценку зависимостью газосодержания пласта от нормальных напряжений [8, 10], можно определять выделение из него газа (рис. 4). При оперативном отслеживании метанообильности очистного забоя, решая обратную задачу, можно уточнять технологические

решения по обеспечению ритмичности подвигания. На рис. 4 представлена структура газовыделения из пласта, включающая: переток метана из приконтурной части пласта в выработанное пространство через породы кровли, метановыделение через поверхность забоя, метановыделение из отбитого и транспортируемого угля, суммарная величина.

Формирование свода сдвижений по длине лавы вызывает частичную разгрузку пласта впереди забоя примерно на половину ее длины [11, 12]. С учетом этого эффекта разработан способ дегазации отрабатываемого газоносного угольного пласта [13].

Из сравнения фактических и расчетных данных по разработанному и нормативному методам (рис.5) видно, что разработанный метод обеспечивает большую точность прогноза.

Существенные изменения по длине выемочного столба допускаемой среднесуточной производительности участка требуют приведение в соответствие и допускаемой рабочей скорости комбайна (рис. 6).

Рис. 5. Сравнение метановыделения расчетного, фактического и по нормативному методу (шахта «Чертинская-Коксовая»)

Представленные результаты исследований показывают преимущества научной основы управления газовыделением при работе высокопроизводительного очистного забоя с оценкой ожидаемых ситуаций на любом интервале длинного выемочного столба. Заложенная в эту основу интеграция методов механики горных пород и рудничной аэрогазодинамики

vK, м/мин ^—допускаемая

5

4

3

2

1

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 LB,M

Рис. 6. График допускаемой по газовому фактору рабочей скорости комбайна при переменной по длине выемочного столба среднесуточной производительности участка

позволяет увязать и развить известные особенности процессов разгрузки и сдвижений массива горных пород, кинетику выделения метана из основных источников и физико-химические характеристики углеметановых геоматериалов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ройтер М. Волнообразное распределение горного давления вдоль забоя лавы / М. Ройтер, В. Курфюст, К. Майрховер, Ю. Векслер. // ФТПРПИ. - 2009, - № 2. - С. 38-44.

2. Полевщиков Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., - 2001. - № 5. - С. 121-127.

3. Полевщиков Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., 2002. - №11. - С. 117-120.

4. Полевщиков Г.Я. Газогеомеханические процессы при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. -№ 2. - С. 36-45.

5. Полевщиков, Г.Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г.Я. Полев-щиков, М.С. Плаксин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. -№ 5. - С. 3-7.

6. Опарин В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум, В.Н.

™ »средняя

—

л

Рева, Б.П. Батдиев, Э.А. Троп, А.И. Чанышев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2008. - 278 с.

7. Полевщиков Г.Я. Фрактальная особенность структуризации массива горнык пород в изменениях давления на призабойную часть отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, А.В. Радченко, Е.В. Леонтьева, А.А. Черепов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал.- Кемерово, - 2013. - № 1. - С. 16-23.

8. Полевщиков Г.Я. Влияние периодичности процессов сдвижений пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Материалы XVIII Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках». Симферополь: Таврич. нац. Ун-т. - 2008. - С.276-279.

9. Полевщиков Г.Я. Волновые геомеханические процессы в динамике метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды научной конференции с участием иностранных ученых (06 - 10 июля 2009; Новосибирск). - Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН. - 2010. - С.311-317.

10. Малышев Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни -М.: ИАГН, 2000. - 516 с.

11. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 176 с.

12. Шинкевич М.В. Расчеты параметров метановыделения при отработке пласта высокопроизводительным выемочным участком с учетом геомеханического процесса впереди очистного забоя / М.В. Шинкевич // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово, 2010. - № 1. - С. 35-39.

13. Пат. №2392442 Российская Федерация, d,E21F7/00 Способ дегазации отрабатываемого угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич; Заявл. 27.10.2008; опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Шинкевич Максим Валериевич - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории газодинамики угольных месторождений, gas [email protected]

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.