CC BY
11
| М.С. Плаксин // M.S. Plaksin plaksin@bk.ru
старший 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
chief researcher Institute of Coal of the Russian Academy of Sciences the Siberian Branch Coal Chemis-try Federal Research Center. Russia, 650065, Kemerovo, Leningradski Avenue, 10.
УДК 622.831.322
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИОННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА
МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК RESEARCH OF THE DEGASSING MEASURES' EFFICIENCY INFLUENCE ON THE DEVEL-OPMENT OPENINGS' METHANE INFLOW
Газовый фактор является основным препятствием повышения темпов отработки угольных пластов средней и высокой газоносности. В качестве методов противодействия газовой опасности применяются мероприятия по дегазации подготавливаемого к отработке участка пласта для снижения его газового потенциала. В статье представлен подход к количественной оценке влияния степени дегазации пласта на его газокинетические характеристики. С этой целью в статье приведён сравнительный анализ метанообильности двух подготовительных выработок, рассчитанных по показаниям системы аппаратуры газового контроля шахт. При этом одна выработка проводится в условиях отсутствия предварительной дегазации, другая же, наоборот, в условиях «значительной» дегазации, а метанообильность выработок отличается более чем в 5 раз. В статье отмечается, что прогноз влияния дегазационного эффекта на газообильность выработок с применением методов интерполяции осложнен неточностью вследствие наложения нелинейных газогеомеханических процессов в приконтурной части пласта в условиях меняющегося напряженно деформированного состояния.
The gas factor is the main obstacle to increasing the rate of medium and high gas containing coal seams' development. As methods of counteracting the gas hazard, degassing measures are taken to the seam section being prepared for development to reduce its gas potential. The article presents an approach to the quantitative assessment of the seam degassing degree influence on its gas-kinetic characteristics. For this purpose, the article presents a comparative analysis of the methane inflow of two development openings, calculated according to the readings of the mine gas control equipment system. In this case, one development is headed in the absence of preliminary degassing, while the other, on the contrary, in conditions of "significant" degassing, and the methane inflow of these openings differs by more than 5 times. The article notes that the forecast of the degassing effect influence on the gas inflow of openings using interpolation methods is complicated by inaccuracy due to the imposition of nonlinear gas-geomechanical processes in the contour part of the seam under conditions of a changing stress-strain state.
Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ, ГАЗОНОСНОСТЬ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ
Key words: COAL SEAM, DEVELOPMENT OPENINGS, GAS CONTENT, METHANE INFLOW, GAS DYNAMIC HAZ-ARD
Внедрение современных передовых технологий в подземную горнодобывающую промышленность открывает возможность для значительного повы-
шения темпов отработки угольных пластов, но лишь с технической стороны вопроса, главным сдерживающим отработку пласта фактором остается газовый.
При ведении горных работ контроль концентрации метана с целью недопущения его взрывоопасных значений в атмосфере горных выработок осуществляется системой аппаратуры газового контроля (АГК) [1], при этом контроль носит исключительно качественный характер «да-нет», не отражая тенденции изменения газовой опасности. Тогда как современные системы АГК, сохраняя информацию о газовой реакции угольного пласта на технологическое воздействие в цифровом виде, предоставляют широкую возможность для ее систематического анализа, в том числе с применением математического моделирования. Использование полученной с датчиков информации практически не развивается, хотя она представляет интерес для прогноза как газовой, так и газодинамической опасности в части обоснования принятия опережающих технологических решений по предотвращению опасных ситуаций.
На основе анализа фактических данных, полученных в период проведения подготовительных выработок, имеется возможность оценивать эффективность дегазации приконтурной части пласта, выявлять ситуации входа забоев в зоны геологической нарушенности, уточнять ожидаемую метанообильность в соседних подготовительных выработках по типу метода «выработка-аналог».
Исследования в направлении взаимосвязи газогеомеханических процессов ведутся не первое десятилетие, еще полвека назад в работах Чернова О.И. показана связь интенсивности газовыделения с давлением газа в пласте [2]. В настоящее время подготовлены и прошли промышленные испытания методы прогноза газодинамической опасности по метанообильности подготовительной выработки Хейфеца А.Г. (Каз-НИИБГП) [3], Славолюбова В.В. (ВостНИИ) [4], Полевщикова Г.Я. (ИУУ СО РАН) [5], как правило, направленные на выявление зон геологиче-
ской нарушенности в призабойной части пласта.
Типовая схема аэрогазового контроля по длине тупиковой выработки [1] состоит из 3-х датчиков замера концентрации метана: датчик у забоя, датчик в 20-ти м от забоя и датчик на исходящей струе. На рисунке 1 отражена схема расположения датчиков регистрации концентрации метана по длине подготовительной выработки, цветовым фоном схематично отражена активность газоистощения пласта в приконтурной его части по мере подвигания выработки, где красный цвет отражает высокую газокинетическую активность угля, а зеленый цвет - «фоновое» метановыделение.
Для выполнения сравнительного анализа эффективности дегазационных мероприятий использовались фактические данные с систем АГК, полученные при проведении двух подготовительных выработок. Основные данные по выработкам представлены в таблице 1. Выработка 1 проводилась по пласту 5 Чертинского месторождения, выработка 2 - по пласту 4, однако вследствие близости расположения пластов (принадлежность одному месторождению) и анализируемых выработок можно предположить близкие коллекторские свойства угольных пластов в зоне проведения выработок. Уникальным условием является то, что пласт 4 в зоне проведения выработки 2 уже более 20 лет как подработан пластом 5, а выполненные замеры газоносности [6, 7] указывают, что степень дегазации пласта 4 составляет порядка 40-50 % (табл.1).
Общепринято [8], что интенсивное газовыделение из пласта через свежеобнаженную поверхность снижается до фонового за 5 суток при условии отсутствия факторов, провоцирующих «дополнительную» механическую разгрузку массива, следовательно, зону активного газовыделения через поверхность угольного пласта можно принять для условий шахт Кузбасса от 20 до 50 м от забоя выработки. Поэтому оценку
Рисунок 1. Схема расположения датчиков метана по длине подготовительной выработки Figure 1 - Methane sensors' layout along the development opening
Таблица 1. Основные сравнительные данные по выработкам Чертинского месторождения
Table 1 - Main comparative data on the Chertinskoye field openings
Показатель, размерность Выработка 1, пласт 5 Выработка 2, пласт 4
Геологоразведочная газоносность, м3/т 27,1 22,7
Степень дегазации, % не более 8 40-50
Технологическая газоносность, м3/т около 25 11-12
Средний темп подвигания, м/сут 3,5 5,2
Мощность отрабатываемого пласта, м 2 1,4
Коэффициент крепости 1,3 1,4
Средняя абсолютная метанообильность выработки, м3/мин 2,48 0,38
влияния дегазационного эффекта на газокинетические характеристики пласта оптимальнее выполнять на основании усредненных показаний всех трех датчиков метана.
Расчет среднесуточной метанообильности выработки
I
(с,
ср .cyr.j ^ср.сут./.вх) Qcp.cyr.J
cp.cyT.J
100
, м3/мин,
(1)
где Ссрут. - среднесуточная концентрация по показаниям трех датчиков метана, расположенных в пределах выработки, %; Сс х- среднесуточная концентрация по показаниям датчика, установленного перед ВМП, за пределами выработки, %; Qср - среднесуточный расход воздуха, м3/мин;у - номер суток.
На рисунке 2 представлены графики изменения метанообильности анализируемых выработок, метанообильность выработки 1 значительно превышает метанообильность выработки 2. Столь значительное расхождение газокинетической реакции угольного пласта при проведении выработок 1 и 2, в первую очередь, связано со снижением общей газоносности, но не менее важно учитывать состояния метана в угольном пласте с учетом продолжительной частичной разгрузки.
В итоге имеем две выработки с двумя «противоположными» условиями проведения: выработка 1 проводится по высокогазоносному недегазированному участку пласта в условиях высокой метанообильности, выработка 2 - по чрезмерно дегазированному участку при невысокой метанообильности. С практической стороны вопроса востребована задача по оценке метано-обильности проектируемой (условной) выработки 3, планируемой к проведению по пласту 4 или 5, для различных величин его предварительной дегазации, например, на 20-25 %. Величина 2025 % представлена как средняя от двух анализируемых выработок, степень дегазации в 40-50 % недостижима в краткосрочной перспективе даже с использованием современных методов дегазации, включая гидроразрыв [9].
Изменения метанообильности выработок 1 и 2 в зависимости от темпов подвигания представлены на рисунке 3, выработка 3 спрогнозирована. На рисунке 3 по оси ординат отложено значение метанообильности, по оси абсцисс - усредненная скорость подвигания забоя выработки за последние 5 суток [8]. Но такой подход «прямой» интерполяции малопригоден. Ток метана в выработку зависит как от параметров
Рисунок 2. Графики метанообильности анализируемых выработок Figure 2 - Graphs of methane inflow of the analyzed openings
механической разгрузки, так и от фильтрацион-но-диффузионных характеристик пласта. Механическую разгрузку можно оценить на основании алгоритма ВостНИИ для расчета параметров зоны механической разгрузки, основанном на эмпирических зависимостях [10]. С оценкой фильтрационно-диффузионных характеристик пласта возникают неопределенности, особенно с учетом необходимости их количественной оценки в условиях меняющихся механических напряжений вследствие технологического воздействия.
Надежный прогноз метанообильности очень сложно осуществить. В первую очередь, необходимо знать формирующиеся условия для реализации тока метана с учетом нелинейности газогеомеханических процессов в призабойной зоне пласта, в частности, величину давления газа по линии от забоя выработки, что мало осуществимо без экспериментальных замеров, выполняемых в оперативном режиме, кроме того, прогноз значительно усложнится необходимостью учета «состояний» метана в пласте.
Метан в угольных пластах в естественных условиях содержится в трех «состояниях» [11]
Х=Хт+Хс +Хв , (2)
где хт - метан в составе углегазового раствора (абсорбированный), м3/т; хс - адсорбированный метан, м3/т ; хв - свободный метан, м3/т.
Реализация метана из пласта вследствие технологического воздействия происходит неравномерно. Скорость реализации метана по «состояниям» из угля при механической разгрузке от природных напряжений отличается существенно, от реализации метана свободной фазы
в фильтрационном режиме (течение Пуазейля) до диффузионного потока «абсорбированного» метана (кнудсеновская диффузия).
Общепринято, что снижение газоносности пласта происходит пропорционально снижению напряжений в массиве. В случае дегазационных мероприятий, напряжения снижаются незначительно, но формируется постоянный малый ток метана в сторону обнаженной поверхности, подпитываемый за счет абсорбированного метана.
На рисунке 4 представлены графики изменения газокинетической реакции разрушенного угля вследствие разной степени его дегазации. При этом чем выше значение природной газоносности, тем выше характер изменения кривой в начальный момент времени. Уменьшение интенсивности кривой на рисунке 4 вызвано снижением давления свободного газа в макропорах, порах и микротрещинах, т.к. в случае выполнения дегазационных мероприятий метан стремится к новому динамическому равновесному состоянию из-за снижения механических напряжений. В статье 12] также говорится о сложности прогноза и учета объемов выделения метана свободного состояния с момента разрушения угля вследствие высокой скорости газоистощения в начальный момент.
В качестве газокинетической характеристики, отражающей фильтрационно-диффузи-онные свойства в приконтурной части угольного пласта, можно использовать угловой коэффициент уравнений линий тренда по фактическим данным (рис.3), учет же влияния изменения технологических параметров на метанообильность определяется алгоритмом для расчета механи-
J, mj/M 2,75
ин • _ - у=. },14х + 1,49
• - - • •
• * • _ _ „ _ — — — "* - — —
' А А A i А -А-- у = иДРи?4к + U.441 -i-
0,25
0 2 4 6 Уп, м/сут 10
А Выработка 2. фактическая метанообильность • выработка 1. фактическая метанообильность
— — Граница газодинамичесой и газокинетичесной опасности
— — Выработка 3. прогнозная
Рисунок 3. Зависимость метанообильности анализируемых выработок от их скорости подвигания Figure 3 - Dependence of methane inflow in the analyzed openings on their advance speed
Рисунок 4. Интенсивность изменения газовыделения из образца угля средней газоносности с момента снятия природных напряжений: 1 - при отсутствии предварительной дегазации; 2 - при
дегазации - 30 %; 3 - при дегазации - 45 % Figure 4 - The intensity of the change in gas emission from a medium gas content coal sample after the removal of natural stresses: 1 - in the absence of preliminary degassing; 2 - with - 30% degassing; 3 - with - 45% degassing
ческой разгрузки [10]. При этом использование в подходе фактических данных при оценке ме-танообильности и данных замеров газоносности позволяет предположить высокую надежность результата по оценке влияния дегазационного эффекта на газообильность выработок.
Вывод
Представленный подход к оценке дегазационного эффекта на основании анализа фактических данных систем АГК обладает высокой надежностью, при этом сложность выполнения аналогичной оценки исключительно на теоретических данных определяется сложностью прогнозирования нелинейности газогеомехани-ческих процессов в процессе технологического воздействия на пласт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические рекомендации о порядке проведении аэрогазового контроля в угольных шахтах (РД-15-06-2006). Серия 05. Выпуск 13 / Колл.авт. - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2007.
2. Чернов, О.И. Прогноз опасных по внезапным выбросам участков пластов в угольных шахтах / О.И. Чернов // В кн.: Вопросы безопасности угольных шахтах. Труды ВостНИИ. - М., Углетехиздат, 1959. Т.1. С. 88-106.
3. Фоминых, Е.И. Оценка состояния призабойной части выбросоопасного пласта с помощью АКМ на шахтах Карагандинского бассейна / Е.И. Фоминых, А.В. Антонов, Р.Р. Ходжаев, А.Г. Хейфец, Г.И. Новиков, С.В. Гарусев // Эндогенные пожары в угольных шахтах: Науч. тр. ВостНИИ. - Кемерово, 1991. - С. 93-100.
4. Рудаков, В.А. Метод автоматизированного прогноза выбросоопасных зон угольных пластов в крутопадающих подготовительных выработках / В.А. Рудаков, В.И. Крючков, В.В. Славолюбов и др.// Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. II Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 1998. - С 53-54.
5. Полевщиков, Г.Я. Адаптивный автоматизированный прогноз газопоявлений на выемочном участке / Г.Я. По-левщиков, В.Т. Преслер, А.В. Гарнага // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Тезисы докладов международной научно-практической конференции. - Кемерово,1997. - С.112-116.
6. Козырева Е.Н. Необходимость применения пластовой дегазации по уточненной газоносности пласта (на примере лавы № 449 Шахты «Чертинская-Коксовая») / Е.Н Козырева, М.В. Шинке-вич, С.Р. Смирнов, В.Ф. Исам-бетов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово, 2018, № 1. - С. 14 - 19.
7. Козырева, Е.Н. Некоторые особенности управления метанообильностью высокопроизводительного выемочного участка / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, Н.Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. - № 9. - С. 322-325.
8. Тарасов, Б. Г. Газовый барьер угольных шахт / Б. Г. Тарасов, В. А Колмаков. - М., Недра, 1978. - 200 с.
9. Клишин, В.И. Разупрочнение угольного пласта в качестве метода интенсификации выделения метана / В.И. Клишин, Д.И. Кокоулин, Б. Кубанычбек, К.М. Дурнин // Уголь. - 2010. - № 4. - С. 40 - 42.
10. 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.
11. Алексеев, А.Д. Распад твердых углегазовых растворов / А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни, И.Т. Зверев и др. // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. - 1994. - №3. - С. 65-75.
12. Junqian Li, Shuangfang Lu, Pengfei Zhang, Jianchao Cai, Wenbiao Li, Siyuan Wang, Wenjun Feng Estimation of gas-in-place content in coal and shale reservoirs: A process analysis method and its preliminary application // Fuel Volume 259, 1 January 2020, 116266 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116266
REFERENCES
1. The team of authorsro (2007). Metodicheskiye rekomendatsii o poryadke provedenii aer-ogazovogo kontrolya v ugol'nykh shakhtakh (RD-15-06-2006) [Methodical recommendations on the procedure for conducting air-gas control in coal mines (RD-15-06-2006)]. - Federal State Unitary Enterprise "Scientific and Technical Center for Safety in Industry of Gosgortekhnadzor of Rus-sia",series 05, issue 13 [in Russian].
2. Chernov, O.I. (1959). Prognoz opasnykh po vnezapnym vybrosam uchastkov plastov v ugol'nykh shakhtakh [Forecast of hazardous by sudden outbursts seam sections in coal mines]. Coal mine safety issues. Proceedings of VostNII. Moscow: Ugletekhizdat, vol. 1. Pp88-106 [in Rus-sian].
3. Fominykh, Ye.I., Antonov, a.V., Khodzhaev, R.R., Kheifets, A.G., Novikov, G.I., & Garusev, S.V. (1991). Otsenka sos-
toyaniya prizaboynoy chasti vybrosoopasnogo plasta s pomoshch'yu AKM na shakhtakh Karagandinskogo basseyna [Outburst dangerous seam face area condition assessment with AKM in the mines of the Karaganda basin]. Endogenous fires in coal mines: Scientific works of VostNII. - Kemerovo [in Russian].
4. Rudakov, V.A., Kriuchkov, V.I., Slavoliubov, V.V et al. (1998). Metod avtomatizirovannogo progno-za vybrosoopasnykh zon ugol'nykh plastov v krutopadayushchikh podgotovitel'nykh vyrabot-kakh [Coal seam steep development working outburst hazardous zones' automated forecasting method]. Proceedings from: Coal region enter-prise life safety: II Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya - II International Sci-entific and Practical Conference. (pp.53-54). Ke-merovo: GU KuzGTU [in Russian].
5. Polevshchikov, G.Ya., Presler, V.T., & Garnaga, A.V. (1997). Adaptivnyy avtomatizirovannyy prognoz gazoproyavleniy na vyyemochnom uchastke [Adaptive automated forecast of gas manifestations at an extraction section]. Proceedings from: Natural and intellectual resources of Siberia: Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konfer-entsiya - International Sci-entific and Practical Conference. (pp. 112-116). Kemerovo [in Russian].
6. Kozyreva, Ye.N., Shinkevich, M.V., Smirnov, S.R., & Isambetov, V.F. (2018). Neobkhodimost' primeneniya plastovoy degazatsii po utochnen-noy gazonosnosti plasta (na primere lavy № 449 Shakhty «Chertinskaya-Koksovaya») [The need to use seam degassing based on the updated gas content of the seam (for example, longwall No. 449 of the Chertinskaya-Koksovaya Mine)]. Vest-nik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 14-19 [in Russian].
7. Kozyreva, Ye.N., Shinkevich, M.V., & Nazarov, N.Yu. (2011). Nekotoryye osobennosti upravleni-ya metanoobil'nost'yu vysokoproizvoditel'nogo vyyemochnogo uchastka [Some of the features of methane inflow control at a high-performance extraction mine section]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Ana-lytical Bulletin, 9, 322-325 [in Russian].
8. Tarasov, B.G., & Kolmakov, V.A. (1978). Gazovyy bar'yer ugol'nykh shakht [Coal mine gas barrier]. Moscow: Nedra [in Russian].
9. Klishin, V.I., Kokoulin, D.I., Kubanychbek, B., & Durnin, K.M. (2010). Razuprochneniye ugol'nogo plasta v kachestve metoda intensifikatsii vydele-niya metana [Softening of a coal seam as a method for methane emission intensifying]. Ugol - Coal, 4, 40-42 [in Russian].
10. Murashev, V.I. (1980). Razrabotka nauchnykh osnov bezopasnogo vedeniya gornykh rabot v ugol'nykh shakhtakh na osnove issledovaniya geomekhanicheskikh protsessov [Development of scientific foundations for safe coal extraction in mines based on the geomechanical processes' study]. Extended abstract of Doctor's thesis. Moscow [in Russian].
11. Alekseev, A.D., Airuni, A.T., Zverev, I.T., et al. (1994). Raspad tverdykh uglegazovykh rastvorov [Decomposition of solid coal-gas solutions]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh - Physicotechnical problems of mining, 3, 65-75 [in Russian].
12. Junqian Li, Shuangfang Lu, Pengfei Zhang, Jianchao Cai, Wenbiao Li, Siyuan Wang, Wenjun Feng Estimation of gas-in-place content in coal and shale reservoirs: A process analysis method and its preliminary application // Fuel Volume 259, 1 January 2020, 116266 https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116266 [in English].
/ / \
\
\ X / /
СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА БАЗЕ ВСТРОЕННОЙ ЦИФРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ ОУЗТОАЗ
- ^нв TV" If ' I m£ J ТСЕги
ИЗСТ01 ®
1 ®
11 и
Т
и
Стационарный датчик ИЗСТ-01 для контроля рабочей зоны
Стационарный датчик ИЗСТ-мини для
контроля пылящих грузов в полувагонах
Г
Переносной прибор контроля запыленности ПКА-01
\\ \ \ W
Система контроля пылеотложения, запыленности и дисперсного состава СКИП
ООО "Горный-ЦОТ" indsafe.ru
24
научно-технический журнал №2-2021
ВЕСТН
