Геомеханическое обоснование заложения полевой выработки для обеспечения эффективной дегазации пласта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

А___________

--------------------------------- © И.В. Баклашов, К.С. Коликов,

Л.Р. Бокарев, 2007

УДК 622.411.33:533.17

И.В. Баклашов, К.С. Коликов, Л.Р. Бокарев

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЗАЛОЖЕНИЯ ПОЛЕВОЙ ВЫРАБОТКИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ДЕГАЗАЦИИ ПЛАСТА

~П условиях постоянного углубления горных работ и, как X-# следствия, ухудшения горно-геологических условий все большую актуальность приобретает необходимость обеспечения безопасных и высоких темпов проведения подготовительных выработок. Увеличение доли газоносных и выбросоопасных угольных пластов сопровождается снижением эффективности локальных способов. В этих условиях дополнительные перспективы приобре-

тает пластовая подготовка, обеспечивающая возможность дегазации угольных пластов до ведения подготовительных работ. При реализации данной технологии важнейшим параметром является расстояние между полевой (разгружающей) выработкой и угольным пластом. В зоне пластических деформаций угольного массива вблизи его обнажения горной выработкой вследствие перехода от трехосного сжатия к двухосному происходят деформации угольного массива, сопровождающиеся его растрескиванием, разрыхлением и расширением. Пористость и трещиноватость угольного массива в зоне пластических деформаций увеличивается на 10-15 % по отношению к природным. При этом резко увеличивается газопроницаемость массива, что активизирует процесс десорбции метана из угля. Остаточное давление газа в пласте в зоне пластических деформаций снижается до 0,1-0,2 МПа. Зона опорного горного давления, располагающаяся за пределами зоны пластических деформаций, характеризуется, по данным исследований ИПКОН РАН, максимальным уплотнением пласта и уменьшением пористости на 10-30 % по сравнению с природной, вследствие чего газопроницаемость угольного массива около пластовой выработки уменьшается в глубь массива от максимальной Л 0 на поверхности обнажения пласта в выработке до природной Л пр на границе влияния выработки.

Закономерность распространения газопроницаемости Л в угольном массиве, прилегающем к выработке, описывается уравнением

где Л пр - природная газопроницаемость угольного пласта; Л 0 - газопроницаемость пласта на поверхности обнажения; х - расстояние (во времени) вглубь массива от поверхности обнажения; хр _ максимальное расстояние, на котором ощущается влияние выработки.

Распределение давления метана описывается формулой

( V

Л = Лпр + (Л0 - Лпр) 1 ; (0 < х < хр),

(1)

(2)

х

р

где Р, - природное давление метана, МПа; Р0 - давление на поверхности обнажения, МПа; и - динамическая вязкость газа; р - плот-

С р, дР

ность газа; С =----ЛР—.

1 иР, дх

Известными экспериментальными исследованиями ИПКОН РАН, что влияние подготовительной выработки распространяется до глубины 20-25 м от поверхности обнажения пласта.

Таким образом, в первом приближении, радиус влияния породной выработки на разгрузку вышележащего угольного пласта можно принять равным 25 м. На рисунке приведена технологическая схема подготовки выбросоопасных пластов, основанная на извлечении метана газодренажными скважинами, пробуренными из разгружающих полевых выработок.

Расстояние от кровли полевой выработки до почвы пласта, обеспечивающее максимальную разгрузку угольного массива в контуре проведения пластовой выработки (Н) определено с учетом геомеханики и прочностных характеристик пород. Начальное поле напряжений в углевмещающем породном массиве, сложенном осадочными породами с горизонтальным напластованием или близким к горизонтальному напластованию, можно оценить по формуле

= Л = -и- (3)

ау и-1

где ах,ае - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие начальных напряжений в породном массиве; Л - коэффициент бокового распора; и - коэффициент Пуассона углевмещающих горных пород.

Принимаем напряжения сжатия отрицательными, растяжения положительными, вертикальную составляющую начального поля напряжений равной ау = —ук , где у - объёмный вес перекрывающих угольный пласт горных пород, который можно принять рав-_ ... _ МПа

ным у = 0,025------, к - глубина горных работ, заданная равной к

м

= 300 м.

Коэффициент Пуассона углевмещающих горных пород обычно находится в интервале 0,25 < и < 0,5 . Тогда коэффициент боко-

вого распора будет в интервале 0,3 < Л< 1, Т.е. горизонтальная составляющая начального поля напряжений будет в интервале -0, Зук <гх < -ук .

Прочностные характеристики углевмещающих пород в почве угольного пласта принимаем по их минимальным значениям: прочность образца на сжатие <гсж = ЗОМПа, на растяжение гр = ЗМПа, условие прочности Мора в компонентах главных напряжений (г1 )г3) с прямолинейной огибающей предельных

кругов Мора, если совместить оси у и х соответственно с продольной и поперечной осями образца:

гсж 1 + sin£0 2 K0cosS0

-г3 +-сж- г=г или -г3 +-------0 г =---0----0 (4)

3 1 сж 31*c'1i*c'

гр 1 - sin д0 1 - sin д0

где Ко - коэффициент сцепления по испытаниям породного образца; S0 - кажущийся угол внутреннего трения по испытания породного образца.

Технологическая схема дегазации пласта газодренажными скважинами, пробуренными из разгружающей породной выработки: 1 - угольный пласт; 2 - породный массив; 3 - породная выработка; 4 - зона влияния породной выработки; 5 -контур проведения выработки по углю; 6- газодренажные скважины; 7 - вакуум-провод

2 К0 сс^о стсж = V / или К0 =

1 - 81И с>„

^сж (!- 5Іп^о)

, 30 = ЯГС8ІИ

V

(5)

&с

Для принятых значений исж = 30МПа и сж = 10, находим

°р

прочностные характеристики образца

50 = 550;8ш£0 = 0,82 ;сс8^0 = 0,574 ; К0 = 4,71МПа

В породном массиве действуют начальные напряжения ау = —Yh, ах = —Яyh, с учётом которых прочностные характеристики породного массива будут связаны с прочностными характеристиками образцов следующим образом:

1 -Я 1+ Я

к = К

2сс8 &

(6)

откуда по ранее вычисленным прочностным характеристикам образцов и Yh=7,5МПа находим К = (16,6 -1,18Я) МПа или

К = 2,21 -0,16Я,& = 550.

Если учитывать длительную прочность углевмещающих пород асжх = 0,6асж = 18МПа, будем иметь К = (14,7-1,18X) МПа или К

Yh

= 1,96 - 0,16Я,& = 55°.

Дополнительное поле напряжений от проведения выработки по породному массиву ниже угольного пласта проанализируем по вертикальной оси симметрии поперечного сечения выработки, которая совпадает с вертикальной осью у принятой системы координат. Рассмотрим задачу для протяжённой горизонтальной выработки в постановке плоской деформации. Начало системы координат х, у совместим с центром поперечного сечения выработки. Дополнительное поле напряжений в вышележащем породном массиве определим от воздействия "снимаемой" с контура выработки нагрузки, равной начальному полю напряжений (3). В этом случае

максимальное напряжённое состояние следует ожидать по оси у, т.е. при х = 0.

В качестве геометрического размера выработки будем рассматривать приведённый диаметр её поперечного сечения

Г 2

V = 2.1—, где Г - площадь поперечного сечения выработки (м ). У л

Координату у представим в виде:

V + 2 Я

У = -

(7)

где Н - размер породного целика по оси у между кровлей породной выработки и почвой пластовой, который в дальнейшем будем рассматривать, как текущую координату. С учётом принятых обозначе-

V.» V.» * *

ний распределение дополнительных напряжений ух,уу в породном целике по оси у записывается следующем образом:

у* = -0,5

(1 + Я(

У = 0,5

(5 - 3Я)

)2 -3(1 -Я)

- 3(1 -Я)

(8)

■ук,Я* = Нг

В таблице приведены значения безразмерных дополнительных

напряжении

в зависимости от текущей безразмерной

ук, / у к

координаты И/В для предельных значений коэффициента бокового распора X = 0.3 и X = 1 начального поля напряжений.

Поле напряжений от проведения выработки по угольному пласту следует рассматривать, как дополнительное поле напряжений в породном массиве от воздействия "снимаемой" с контура пластовой выработки нагрузки, численно равной начальному полю напряжений в массиве с учётом его искажения дополнительными напряжениями от предварительного проведения нижележащей выработки по породному массиву, которые определены выражениями (8) или числовыми значениями в таблице.

Поскольку наиболее вероятной областью массива, в которой следует ожидать начало разрушения пластовой выработки, является её почва, на оси симметрии у, запишем компоненты напряжений на

контуре выработки именно в этой области, полагая геометрический размер пластовой выработки В, т.е. такой же,

Значения

/ , у/ , в зависимости от И/О

ук, / ук

И/О X = 0.3 X = 1

К/ /Ук </ / Yк, с/ /Ук </ /у^

0,0 1,000 0,400 1,000 -1,000

0,05 0,976 0,180 0,826 -0,826

0,10 0,917 0,060 0,694 -0,694

0,2 0,772 -0,060 0,510 -0,510

0,8 0,640 -0,090 0,390 -0,390

0,9 0,540 -0,010 0,310 -0,310

1,0 0,446 -0,010 0,250 -0,250

1,25 0,301 -0,080 0,160 -0,160

1,5 0,213 -0,060 0,110 -0,110

2,0 0,124 -0,036 0,0625 -0,0625

2,5 0,080 -0,026 0,040 -0,040

3,0 0,057 -0,017 0,028 -0,028

4,0 0,032 -0,010 0,016 -0,016

5,0 0,020 -0,006 0,010 0,010

как геометрический размер выработки по породному массиву. Используя метод суперпозиции для оценки напряжённого состояния, определим компоненты напряжений в рассматриваемой области почвы пластовой выработки с координатами х =о, у = (В+2Н)/Р следующим образом:

* *

У + С К у + Ку,

где ох = -(2Х -1) ук, оу = ук или о/ук = -(2 X -1), о/ ук_= 1, (9)

а*, а* - определяются выражениями (8) или числовыми значениями

из таблицы; X - коэффициент бокового распора для начального поля напряжений.

Условие прочности горных пород в рассматриваемой области представим в виде условия прочности Мора (4) с учётом прочностных свойств (6)

Или, принимая ранее вычисленные прочностные свойства углевмещающих пород из условия их длительной прочности (5)

Определим предельные размеры породного целика Н из условия его длительной прочности (11) в почве пластовой выработки, рассматривая вертикальную составляющую начального поля напряжений - -ук = -0,025 • 300 = -7,5МПа и коэффициент бокового распора Л = 0.3 и Л = 1.0.

а а

Подставляя и — по формулам (9) при Л =0.3 и Л =1.0 и

численные значения а*х,а*у из таблицы, определим предельные размеры породного целика Н, при которых неравенство (11) соблюдается с небольшим превышением правой его части над левой. В конечном итоге находим:

для Л = 0.3 при И/0=1,5 получим неравенство 1.87 < 1.91;

для Л = 1.0 при И/0=4,0 получим неравенство 1.74 < 1.80.

Если массив с коэффициентом бокового распора Л = 0.3 рассматривать как предельно "жёсткий" породный массив, а породный массив с коэффициентом бокового распора Л = 1.0 - как предельно "мягкий" породный массив, можно сделать следующие выводы:

- в предельно "жёстком" породном массиве размер породного целика Н "с запасом" должен быть не менее 2Б, где Б - приведенный диаметр выработки в породном целике, при этом разгрузка угольного пласта от опорного давления составит не более 20 %;

- в предельно "мягком" породном массиве размер породного целика Н должен быть не менее 40, при этом разгрузка угольного пласта от опорного давления составит не более 1,5 %;

- в породных массивах, находящихся в середине этого интервала, размер породного целика Н должен быть не менее 30, при

[1,585 (ау +а ) - 0,157 ( + а )] < 1,96 - 0,16Л

а„ + а

(11)

этом разгрузка угольного пласта от опорного давления составит не более 5 %.

— Коротко об авторах -----------------------------------------

Баклашов И.В., Коликов К.С. - Московский государственный горный университет,

Бокарев Л.Р. - УД АО «Миттал Стил Темиртау».

© м.а. Перзадаев, К.С. ииша

С.К. Баймухаметов, А.И. Полчин, Д.Ж. Мухамеджанов, 2007

УДК 622.815

М.А. Перзадаев, К. С. Кашапов, С.К. Баймухаметов,

А.И. Полчин, Д.Ж. Мухамеджанов

РАЗРАБОТКА И ПОДБОР НАИБОЛЕЕ БЕЗОПАСНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ ПРИ ОТРАБОТКЕ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА 32 К10-Ю НА ШАХТЕ «АБАЙСКАЯ» УГОЛЬНОГО ДЕПАРТАМЕНТА АО «МИТТАЛ СТИЛ ТЕМИРТАУ»

Основное направление технической политики развития шахтного фонда подземной добычи угля идет по пути концентрации производства за счет применения современных высокопроизводительных механизированных комплексов с производительностью более 5000 т в сутки (2000 т и более в смену).

Поддержание стабильно высокой нагрузки на очистной забой не возможно без применения различных способов управления ме-тановыделением.

Угольные пласты Карагандинского бассейна отличаются высокой метаноносностью, которая увеличивается с глубиной. Поэтому при их отработке выделяется в шахтную атмосферу значительное количество газа метана, что создает дополнительную опасность и ухудшение условий труда. В целях обеспечения безопасности работ и соблюдения допустимого уровня содержания метана в исходящей струе выемочного участка наряду с вентиляцией применяется комплексная дегазация.