CC BY
3
Symposium on Ground Support in Mining and Underground Construction. Australian Centre for Geomechanics. Perth. 2019. p. 445 - 458.
10. Kirienko Yu.A. Substantiation of the design of the coupling support of a mine shaft passed in salts // GIAB. Mining information and analytical bulletin. 2022. Issue. 6. pp. 20-34.
11. Kudasheva M.I., Kaloshina S.V. Comparison of the Mora-Coulomb model and the hardening soil model in the Plaxis software package // Sb. nauch.tr. IX vsros. youth conference. graduate students, young scientists and students "Modern technologies in construction. theory and practice". Perm National Research Polytechnic University, Perm, 2017. Issue No. 9. Part II. pp. 9-17.
12. Feasibility study of the integrated development of the Komsomolsky mine (Komsomolskaya sh.). Stage 2. Geomechanical modeling. Report. SRK Consulting (Russia) Ltd. Project number RU00549 March .2017. 106 p.
13. Ermolovich E.A., Yatsynyak S.D., Sinitsa I.V. Geomechanical inspection of the air-falling shaft of the Taimyrsky mine // Proceedings of the Tula State University. Earth sciences. 2022. Issue 4. pp. 419 - 435.
14. Leontiev A.V. Analysis of natural stresses based on the results of measurements in mines in northern Eurasia // FTPRPI. 2001. No. 1. pp. 31 - 40.
УДК 622.333:622.817.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ НАДРАБОТКИ ПЛАСТА НА МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ
Е. В. Федоров, С. Б. Кулибаба
На основе исследования шахтных наблюдений при подземной разработке угольных пластов определен характер изменения параметров метановыделения в очистной забой и в выработанное пространство разрабатываемого пласта при переходе лавы в ранее надработанный участок горного массива. Проведен анализ геомеханической ситуации в рассматриваемых условиях, позволивший объяснить наблюдаемые особенности изменения этих параметров.
Ключевые слова: очистной забой, выработанное пространство, предварительная надработка пласта, изменение параметров метановыделения.
Одним из основных сдерживающих факторов угледобычи в современных условиях является выделяющийся в горные выработки метан. Увеличение глубины ведения горных работ сопровождается ростом газоносности и выбросоопасности разрабатываемых угольных пластов. Исследованиями в Кузбассе установлено, что такой рост вызывает снижение нагрузки на очистные забои по наиболее газовой группе шахт более, чем в 2,5 раза [1 - 3]. В таких условиях вопросы прогнозирования метанообиль-ности горных выработок шахт, оценки геомеханического состояния угле-породного массива и снижения метановыделения в горные выработки являются весьма актуальными [4 - 7].
Шахта им. С. М. Кирова АО «СУЭК-Кузбасс», разрабатывающая пласты Болдыревский и Поленовский, относится к сверхкатегорийной по метану - газоносность угольных пластов на достигнутых глубинах превышает 20 м3/т. Отработка запасов угля вышележащего пласта Болдыревский ведется с опережением в плане на четыре выемочных столба (1300 м) относительно пласта Поленовский. Очередность выемки пластов угля предопределяет интенсивность метановыделения на выемочных участках и де-биты каптируемого метана. Сравнительные показатели метанообильности выемочных участков пластов свидетельствуют о том, что при практически одинаковых параметрах метановыделения в очистное пространство (/оч), метановыделение в выработанное пространство (/вп) у нижележащего пласта Поленовский в 2,5-3 раза ниже, чем у ранее отработанного в условиях нетронутого массива пласта Болдыревский. Основная причина этого - ведение очистных работ по пласту Поленовский в зоне его опережающей надработки вышележащим пластом [8]. В соответствии с [9] основным источником метановыделения в выработанное пространство выемочного участка является уголь под- и надрабатываемых сближенных пластов. Такими сближенными пластами при выемке пласта Болдыревского являются в кровле - Брусницынский (мощность т = 1,5 м, междупластье М = 33 м), Майеровский (т = 1,3 м, М = 40 м), Серебрениковский (т = 1,6 м, М = 93 м), а в почве - Промежуточный (т = 1,6 м, М = 9 м) и Поленовский (т=1,7 м, М = 39 м).
Для исследования влияния фактора опережающей надработки сближенного пласта на метанообильность выемочного участка был рассмотрен случай отработки лавы 25-97-1 пласта Поленовский в условиях как без предварительной надработки, так и с ее наличием. На рис. 1 представлено взаимное расположение в плане выемочных столбов пласта По-леновский в рассматриваемом районе, а в таблице - средние фактические показатели метановыделения в очистное и выработанное пространство и концентрация метана в метановоздушной смеси.
Представленные на рис. 1 смежные выемочные участки I и II пласта Поленовский отрабатывались в разных условиях: первый - без предварительной надработки, а второй - в условиях предварительной надработки лавой 24-57-1 пласта Болдыревский.
Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что параметры ме-тановыделения в очистное и выработанное пространство существенно различаются для участков, расположенных в зоне надработки и вне ее.
Рис. 1. Схема расположения выемочных участков пласта Поленовский
Фактические параметры метановыделения выемочных участков
пласта Поленовский
Наименование Лава 25-101 Лава 25-97-1 Лава 25-97 Лава 25-98
участок I участок II
Метановыделение в очистное пространство Лоч, м3/мин 6,18 10,14 8,07 7,98 7,2
Концентрация метана в исходящей струе С, % 0,44 0,60 0,54 0,46 0,49
Метановыделение в выработанное пространство Ли, м3/мин 38,8 35,8 53,7 55,9 75,8
Концентрация метана, каптируемого из выработанного пространства С, % 4,48 5,67 8,12 4,72 4,47
Средняя величина метановыделения в очистное пространство Лоч (при прочих равных условиях - суточной производительности, объеме воздуха на проветривание) в зоне без опережающей надработки более чем на 20 % превышает соответствующую величину на надработанном участке
(см. таблицу). Основной причиной этого, очевидно, является частичная дегазация пласта в зоне разгрузки углепородного массива в результате его надработки вышележащим пластом [10]. Выполненные экспериментальные измерения «условно» природной газоносности пласта [11] показывают, что на ненадработанном участке ее величина составляет 9,5 м3/т сухой беззольной массы, тогда как на участке с надработкой всего 6,1 м3/т при одинаковых схемах и параметрах текущей и предварительной дегазации пласта.
Ниже рассмотрен характер изменения метановыделения в очистное пространство и концентрации метана в исходящей струе. Нами анализировалось изменение указанных показателей в зависимости от расстояния Ь в плане между очистным забоем отрабатываемой лавы 25-97-1 пласта Поле-новский и вертикальным створом границы ранее отработанного участка лавы 24-57-1 вышележащего пласта Болдыревский (при подходе очистного забоя к створу значения Ь отрицательны, при отходе - положительны, в момент прохода очистного забоя под этим створом Ь0 = 0).
На рис. 2 показан график изменения метановыделения в очистное пространство до и после пересечения лавой 25-97-1 пласта Поленов-ский вертикального створа границы выработанного пространства лавы 2457-1 пласта Болдыревский. Из графика следует, что небольшой рост метановыделения в очистное пространство Лч в ненадработанном массиве после входа очистного забоя в зону предварительной надработки сменился на существенное снижение, которое при отходе лавы на 300 м достигло 27...33 %.
•• J 04, • — — м /мин. 12
• 1 • • ф • • • • • « • • • • • V' • Л
8 V ♦ • •
4
■300 -200 -100 0 100 200 Ь, м
Рис. 2. График изменения метановыделения в очистное пространство при переходе лавы 25-97-1 пласта Поленовский границы между ненадработанным и надработанным участками массива
Анализ метановыделения в выработанное пространство JBn (см. таблицу) показал, что в ненадработанном углепородном массиве его величина на 50 % ниже, чем в надработанном. Основная причина - более интенсивная газоотдача углепородного массива в результате его разгрузки от горного давления опережающей надработкой, раскрытия природных (тектонических, кливажных) трещин и образования новых (эксплуатационных) трещин, резко увеличивающих проницаемость массива [10].
Необходимо отметить, что дегазация выработанного пространства лавы 25-97-1 осуществлялась по трем основным схемам: с помощью газо-отсасывающих трубопроводов, заведенных за изолирующие перемычки, с помощью скважин, пробуренных из пластовых выработок в купол обрушения пласта, и скважин, пробуренных с земной поверхности над куполом обрушения пласта. На долю последней схемы приходится до 60... 70 % всего каптируемого из выработанного пространства метана. При этом ме-тановыделение в дегазационные скважины с земной поверхности (в отличие от первых двух схем дегазации) не зависит от возрастающего объема выработанного пространства поскольку в работе находится одно и то же количество указанных скважин, переключаемых по мере подвигания очистного забоя.
На рис. 3 представлен график изменения показателей суммарного метановыделения в выработанное пространство, а также метановыделения в скважины, пробуренные с земной поверхности, до и после пересечения лавой 25-97-1 пласта Поленовский вертикального створа границы выработанного пространства лавы 24-57-1 пласта Болдыревский (в момент прохода очистного забоя под створом L = 0 м).
Как следует из графика, отработка пласта ведет к резкому росту ме-тановыделения в выработанное пространство по мере увеличения его объема до тех пор, пока очистной забой не входит в зону надработанного уг-лепородного массива. Сразу после пересечения створа при L = 0 м метановыделение и суммарное, и в скважины с поверхности начинает снижаться, хотя, как упоминалось ранее, средняя его величина остается выше, чем в ненадработанном массиве.
На рис. 4 представлен график изменения концентрации метана, каптируемого при дегазации выработанного пространства лавы 25-97-1.
Характер изменения концентрации каптируемого метана при дегазации выработанного пространства аналогичен предыдущему графику: рост в ненадработанном массиве и снижение в зоне надработки. При этом, в силу вышеуказанных причин, величина концентрации метана в скважинах, пробуренных с земной поверхности, имеет большие значения, а ее снижение происходит более интенсивно, чем концентрация метана, каптируемого всеми тремя схемами дегазации, на которые оказывает влияние растущий объем выработанного пространства.
вп? мУмин.
/ЛЛ / и и \Г Л 80 лл А / \ V V / -1 \ " \ У V \г
/ г А\(\ 1 1 V 60 у Л ' Ча/ \Л /Л Ч
Л КГ ' 1 /1 Г 1 1 * 1 I 40 V \Л," У А Л- ч
1Г 1/ ' т Г Л/ Г\ Г 20
■300 -200 -100 0 100 200 300 400
- - ,/„„ суммарное; ------- ,/ЕП в скважины с поверхности
Рис. 3. График изменения метановыделения в выработанное пространство при переходе лавы 25-97-1 пласта Поленовский границы между ненадработанным и надработанным участками массива
4лД » \ С, %
т '50-\ \ \ лл д
I 1 1 40 '\| 1 1 4 'А П
30 V
) 1 к 20
1 1 / „ А/ иц^ 10"^
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 Цм
- - С в суммарной газовоздушной смеси
из выработанного пространства
----------- С в газовоздушной смеси из скважин
с поверхности
Рис. 4. График изменения концентрации каптируемого в выработанном пространство метана при переходе лавы 25-97-1 пласта Поленовский границы между ненадработанным и надработанным участками
массива
На рис. 5 показано взаимное расположение в плане выемочного участка лавы 25-97-1 пласта Поленовский относительно выработанного пространства лавы 24-57-1 пласта Болдыревский на вертикальном разрезе.
Рис. 5. Взаимное расположение выемочного участка лавы 25-97-1 пласта Поленовский и выработанного пространства лавы 24-57-1 пласта Болдыревский на вертикальном разрезе
Рассмотрим изменение напряженно-деформируемого состояния (НДС) горных пород, находящихся в междупластье нижнего и верхнего пластов на рассматриваемом участке массива (рис. 5).
В процессе отработки пласта впереди очистного забоя движется зона опорного давления, в которой происходит нагрузка и уплотнение горных пород за счет дополнительного давления зависающих над опорной частью пласта слоев.
Основными параметрами проявления зоны опорного давления в горном массиве являются ее размеры, конфигурация, концентрация напряжений в ее пределах. Аналитические исследования пока не могут дать надежной количественной оценки параметров опорного давления, что является следствием существенного различия в составе и физико-механических свойствах слоев горных пород реального горного массива и многообразии геологических и горнотехнических условий. Кроме того, горные породы вокруг выработки претерпевают не только упругие и пластические деформации, но и деформации разрушения, что во многом за-
трудняет применение математического аппарата. Поэтому в практике горного дела для определения параметров зоны опорного давления широко распространились экспериментально-аналитические методы с комплексным использованием теоретических положений и эмпирических коэффициентов [12].
При горизонтальном залегании пласта условные размер зоны опорного давления на вертикальном разрезе в первом приближении принимается равными как в плоскости пласта, так и вертикальном направлении в породы его кровли и почвы [13]. Различные исследователи предлагали вычислять этот размер, используя разные параметры: глубину и значение граничного угла сдвижения; глубину и мощность разрабатываемого пласта; глубину, мощность разрабатываемого пласта и прочность пород непосредственной кровли пласта и др. Полученные результаты базировались на данных экспериментов, проводимых в условиях Кизеловского, Донецкого, Кузнецкого и других бассейнов. В рассматриваемых нами условиях шахты им. Кирова при отработке пластов Болдыревский и Поленовский (глубина разработки 360 - 420 м, угол падения 3...50, вынимаемая мощность пластов 2,3 - 2,5 м, среднее сопротивление пород одноосному сжатию 4,5 МПа) размер зоны опорного давления согласно приведенным выше методам практически совпадает с размером междупластья и составляет около 50 м.
Позади очистного забоя в массиве возникает зона разгрузки, которая распространяется в массиве как над, так и под участком выработанного пространства пласта, и соседствует с зоной опорного давления. В пределах зоны разгрузки преобладают деформации вертикального растяжения горных пород, возникающие вследствие зависания слоев над опорными участками массива над выработанным пространством и упругого восстановления - под ним [14]. Размер зоны разгрузки в плоскости разрабатываемого пласта сопоставим с размером зоны опорного давления, и составляет в рассматриваемом случае десятки метров. При дальнейшем отходе забоя от границы выработанного пространства наблюдается незначительное вторичное сжатие пласта, однако при этом вертикальные деформации растяжения горных пород не пропадают, а лишь несколько уменьшаются. При этом, как показывают натурные наблюдения, в различных условиях размер зоны разгрузки под разрабатываемым пластом до нижней ее границы, определяемой точностью инструментальных наблюдений, может достигать 100 м и более [15], а полное восстановление нагрузок в массиве наступает не ранее, чем через пять лет [14].
Рассматривая общую картину изменения НДС горных пород меж-дупластья в условиях наличия ранее надработанного участка, можно выделить три характерных позиции взаимного расположения очистного забоя, работающего в нижнем пласте, и границ надработанного верхним пластом участка (точки A, Б и B на рис. 5).
В точке A влияние надработки отсутствует, и поэтому метановыде-ление в очистной забой и концентрация метана в исходящей струе определяется природной газоносностью разрабатываемого пласта. Метановыде-ление в выработанное пространство и концентрация метана, каптируемого из него дегазационными скважинами, определяются в основном природной газоносностью под- и надрабатываемых сближенных пластов и вмещающих пород, и начинает расти по мере увеличения размеров выработанного пространства
В точке Б очистной забой пересекает границу надработанного участка междупластья. Начиная с этого момента зоны разгрузки массива от обоих пластов начинают перекрываться (участок Б-В), и ранее сжатые опорным давлением горные породы начинают испытывать разгрузку, вызванную деформациями вертикального растяжения. При этом ранее образованные при надработке фильтрационные каналы в породах междуп-ластья восстанавливаются, а его подработка нижележащим пластом вызывает интенсивное трещинообразование, значительно повышающее газопроницаемость и фильтрационные свойства углепородного массива. В этой зоне за счет частичной дегазации пласта Поленовский (в результате ранее произошедшей разгрузки и дегазации выработанного пространства вышележащего пласта Болдыревский) метановыделение в очистное пространство и концентрация метана в исходящей струе из лавы 25-97-1 снижается, и определяется уже оставшейся «условно природной» газоносностью пласта.
По этой же причине метановыделение в выработанное пространство рассматриваемого участка опережающей надработки также определяется оставшейся газоносностью сближенных пластов и вмещающих пород, и снижается, несмотря на увеличение объема дегазируемого выработанного пространства пласта Поленовский.
Таким образом, по данным шахтных наблюдений определен характер изменения параметров метановыделения в процессе перехода очистного забоя в ранее надработанный участок массива. Установлено, что в зоне опережающей надработки сближенного пласта Болдыревский метановыде-ление в очистной забой пласта Поленовский ниже на 20 %, а метановыде-ление в выработанное пространство выше на 50 %, чем на участке без надработки. Проведен анализ геомеханической ситуации в рассматриваемых условиях, позволивший объяснить наблюдаемые особенности изменения этих параметров.
Список литературы
1. Ютяев Е. П. Проблемы совершенствования технологии пластовой дегазации в условиях интенсивной разработки. // ГИАБ (научно-технический журнал). № 7 . М. 2015. С. 253-261.
2. Основы проектирования дегазации угольных шахт и рудников России / А. Д. Рубан, В. С. Забурдяев, Н. Г. Матвиенко, В. Б. Артемьев. М.: Библиотека горного инженера. Рудничная аэрология. 2011. Т. 9. 271 с.
3. Шмат В.Н. Разработка технологии пластовой дегазации выбро-соопасных пластов в условиях их интенсивной и безопасной отработки // ГИАБ (научно-технический журнал). 2014. № 6. С. 185-201.
4. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурин А.Н. Прогноз абсолютной ме-танообильности очистных и подготовительных участков угольных шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 1. С. 89 -101.
5. Фильтрационно-диффузионные процессы в угольных пластах, вмещающих породах и выработанных пространствах при подземной добыче угля / Г.В. Стась, А.Н. Качурин, Д.Н. Шкуратский, В.П. Стась // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 4. С. 327-338.
6. Оценка геомеханического состояния углепородного массива выемочных участков угольных шахт / В.И. Клишин, О.В. Тайлаков, С.В. Соколов, М.П. Макеев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып. 4. С. 435-444.
7. Кулибаба С. Б., Федоров Е. В. Перераспределение максимальных вертикальных деформаций горного массива в процессе его подработки // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып. 1. С. 303-316.
8. Забурдяев В. С., Малинникова О. Н., Трофимов В. А. Метано-обильные шахты: добыча угля, газовыделение, метановая опасность. Калуга: Изд-во Манускрипт, 2020. 334 с.
9. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана с помощью га-зоотсасывающих установок. Сер. 05. Вып. 18. М.: ЗАО «НТЦ исследований проблем промышленной безопасности», 2010. 152 с.
10. Малышев Ю. Н., Айруни А. Т. Комплексная дегазация угольных шахт. М.: Изд-во Академии горных наук, 1999. 327 с.
11. Федоров Е.В., Шенин Д.С. Результаты экспериментальной оценки газоносности разрабатываемых угольных пластов на шахте им. С. М. Кирова, // ГИАБ (научно-технический журнал). 2019. № 5. С. 51-58.
12. Охрана подрабатываемых подготовительных выработок / Н. П. Бажин, О. И. Мельников, В. С. Пиховкин, В. В. Райский. М.: Недра, 1978. 253 с.
13. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений / А.Г. Акимов [и др.]. М.: Недра, 1970. 224 с.
14. Защитные пласты / И.М. Петухов [и др.]. Л.: Недра, 1972. 424 с.
15. Кулибаба С. Б., Хохлов Б. В., Рожко М. Д. Параметры области пониженных напряжений в надрабатываемом горном массиве // Маркшейдерский вестник, 2017. № 1 (116). С. 33-35.
Федоров Евгений Вячеславович, канд. техн. наук, зав. отделом, fedorov eaipkonran.ru , Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН,
Кулибаба Сергей Борисович, д-р техн. наук, проф., вед. науч. сотр., kulihaha saipkonran. ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН
INVESTIGATION OF THE ADVANCE OVERWORKING OF SEAM IMPACT
ON THE METHANE RELEASE
E. V. Fedorov, S. B. Kulihaha
Based on the study of mine observations during underground mining of coal seams, the nature of the methane release change parameters into the working face and into the mined-out area of the developed seam during the movement of the face into the previously overworked section of the rock mass was determined. The analysis of the geomechanical situation under the considered conditions has heen carried out, which made it possible to explain the ohserved features of changes in these parameters.
Key words: working face, mined-out space, preliminary overworking of the coal seam, change of methane release parameters.
Fedorov Evgeniy Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, department head, fedorov_e@ipkonran.ru, Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences,
Kulihaha Sergey Borisovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, kulihaha saipkonran.ru, Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences
Reference
1. Yutyaev E. P. Problems of improving the technology of plastic degassing in conditions of intensive development. // GIAB (scientific and technical journal). No. 7 . M. 2015. pp. 253-261.
2. Fundamentals of designing degassing of coal mines and mines of Russia / A.D. Ruban, V. S. Zaburdyaev, N. G. Matvienko, V. B. Artemyev. M.: Library of a mining engineer. Mining aerology. 2011. Vol. 9. 271 p.
3. Shmat V.N. Development of technology of reservoir degassing of hazardous formations in conditions of their intensive and safe mining // GIAB (scientific and technical journal). 2014. No. 6. pp. 185-201.
4. Kachurin N.M., Stas G.V., Kachurin A.N. Forecast of absolute methane abundance of treatment and preparatory sites of coal mines // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018. Issue 1. pp. 89 -101.
5. Filtration and diffusion processes in coal seams, host rocks and worked-out spaces during underground coal mining / G.V. Stas, A.N. Kachurin, D.N. Shkuratsky, V.P. Stas // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018. Issue 4. pp. 327-338.
6. Assessment of the geomechanical state of the coal-bearing massif of the pit sites of coal mines / V.I. Klishin, O.V. Tailakov, S.V. Sokolov, M.P. Makeev // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2022. Issue 4. pp. 435-444.
7. Kulibaba S. B., Fedorov E. V. Redistribution of maximum vertical deformations of a mountain massif in the process of its part-time work // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2022. Issue 1. pp. 303-316.
8. Zaburdyaev V. S., Malinnikova O. N., Trofimov V. A. Methane-abundant mines:
coal mining, gas emission, methane hazard. Kaluga: Manuscript Publishing House, 2020. 334 p
9. Instructions for the use of ventilation schemes for dredging coal mines with isolated methane removal using gas extraction plants. Ser. 05. Issue 18. M.: CJSC "Scientific Research Center for Industrial Safety Problems", 2010. 152 p.
10. Malyshev Yu. N., Ayruni A. T. Complex degassing of coal mines. Moscow: Publishing House of the Academy of Mining Sciences, 1999. 327 p.
11. Fedorov E.V., Shenin D.S. Results of an experimental assessment of the gas content of coal seams being developed at the Kirov mine, // GIAB (scientific and technical journal). 2019. No. 5. pp. 51-58.
12. Protection of part-time preparatory workings / N. P. Bazhin, O. I. Melnikov, V. S. Pihovkin, V. V. Raisky. M.: Nedra, 1978. 253 p.
13. Displacement of rocks during underground mining of coal and shale deposits / A G. Akimov [et al.]. M.: Nedra, 1970. 224 p.
14. Protective layers / I.M. Petukhov [et al.]. L.: Nedra, 1972. 424 p.
15. Kulibaba S. B., Khokhlov B. V., Rozhko M. D. Parameters of the area of reduced stresses in the overworked mountain massif // Surveying Bulletin, 2017. No. 1 (116). pp. 3335.
