Метановыделение в очистных забоях при высоких нагрузках на лаву Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Рис. 5. Крупные взрывы метана и угольной пыли на шахтах СНГ: 1 -

пласт Коксовый (ш. "Физкультурник"); 2 - пласт III (ш. им. Шевякова); 3 -пласт 14 (ш. "Зыряновская"); 4 - пласт 9 (ш. "Пионерка"); 5 - пласт 10 (ш. "Распадская"); 6 - пласт Байкаимский (ш. им. 7 ноября); 7 - пласт Четвертый (ш. "Воркутинская"); 8 - пласт Мощный (ш. "Центральная"); 9 - пласт Тройной (ш. "Комсомольская"); 10 - пласт Ореховский (ш. Шолоховская); 11, 12 - пласты Суходольский и Лисий (ш. "Западная"); 13 - пласт И7 (ш. им.Скочинского); 14 - пласт Кн5 (ш. им. Баракова); 15, 16 - пласты 11 и тз (ш. им. Засядько); 17 - пласт К7 (ш. Сокурская); 18 - пласт с1б (ш. им. Ленина); 19 - пласт К12 (ш. им. Жданова)

при нижнем пределе взрываемости 34-57 г/м3 и выходе летучих веществ более 20 % (рис. 5).

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Гл. редактор А.И. Кравцов. Том 3. - М.: Недра. - 1980. - 219 с.

2. Забурдяев, Г.С. Влияние содержания фюзинита в углях на их сорбционную метаноемкость и взрываемость метанопылевоздушных смесей // Горный информационно-аналитический бюллетень. Техническое приложение АЭРОЛОГИЯ. - М.: МГГУ. - 2005. - С. 199-203.

3. Рубан, А.Д., Забурдяев Г.С., Забурдяев В.С. Исследования газодинамического состояния угольного пласта при его дагазации и увлажнении // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск, Сибирское Отделение РАН. - 2005. - № 2. - С. 86-96.

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

Забурдяев Геннадий Семенович - кандидат технических наук, Новикова Ирина Александровна - горный инженер,

ИПКОН РАН.

----------------------------------- © В.С. Забурдяев, 2006

УДК 622.831.322

В.С. Забурдяев

МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ ПРИ ВЫСОКИХ НАГРУЗКАХ НА ЛАВУ*

Чтобы удовлетворить российский рынок рентабельным углем, наши шахты должны стремиться к рубежу

2-3 млн. т угля в год из комплексно-механизированного за-

боя. Реальностью постановки такой задачи и ее достижения является опыт шахты «Распадская», где на пласте 7-7а с применением отечественных очистных комплексов ОКП-70 и УКП5 неоднократно достигалась наивысшая суточная производительность, максимальная по тому времени величина которой составила 9070 т угля при трехсменном режиме работы лавы, включая ремонтную смену. В лаве 5а-7-22бис в 2000 г. за 6 мес. и 12 дней достигнуты высокие показатели -добыт 1 млн т угля, а в декабре 2003 г. - 513 тыс. т угля комплексом «Джой-2» на участке №8.

Анализ показателей среднесуточной добычи угля из очистных забоев на шахтах РФ привел к выводу, что на высокопроизводительных шахтах России этот показатель составляет 3,8-8,0 тыс. т. На шахтах России в 2003 г. в работе находилось 70 % очистных комплексов первого и второго поколений и только 24 % механизированных крепей третьего поколения (импортное оборудование составляло 6 %)

По надежности и ресурсу отечественное очистное оборудование уступает зарубежному, коэффициент машинного времени составляет 0,27-0,35, что в два раза ниже лучших мировых образцов очистной техники. Так, при эксплуатации комплексов типа КМ 138 в лавах со средней длиной 185 м была обеспечена среднесуточная добыча угля 2019 т при коэффициенте машинного времени 0,3-0,35.

Учитывая положительный опыт угледобывающих отраслей зарубежных стран, можно ожидать, что в России в ближайшее время на подземных работах найдут более широкое применение высокой энерговооруженности и большого ресурса очистные комплексы для производства угля на протяженных выемочных полях с длиной лав 250-300 м, где возможна среднесуточная добыча 5-10 тыс. т угля на пластах мощностью 1,8-4,5 м. Однако такие нагрузки на очистные забои в метанообильных шахтах РФ (без эффективных технологий дегазации) не всегда могут быть достигнуты по газово-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 05-05-65062)

му фактору, поскольку, согласно требованиям действующих в России нормативных документов, метаноносность пластов угля в этом случае ко времени начала их отработки должна быть не выше 10 м3/т.

Актуальность исследования вопроса обусловлена также тем, что при отработке пластов угля с газоносностью 15-20 м3/т с.б.м высокие нагрузки на очистные забои, оборудованные современной угледобывающей техникой, сопровождаются обильными выделениями метана как из разрабатываемых, так и сближенных угольных пластов, осложняя эффективное использование высокопроизводительной очистной техники, поскольку газовый фактор лимитируем производительность очистных комбайнов.

Целью исследования явилось изучение газодинамических процессов в призабойном пространстве высокопроизводительных лав, а основной задачей - выявить зависимость между интенсивностью метановыделения из разрабатываемого пласта и объемами среднесуточной или среднесменной добычи угля в очистном забое.

Методы исследования включали сбор, обработку и анализ литературных и фондовых материалов об интенсивности метановыделения в комплексно механизированных забоях (КМЗ) шахт Кузбасса, проведение газовоздушных съемок в лавах, оборудованных механизированными комплексами, обработку данных и установление зависимостей газовыде-ления из разрабатываемых пластов в призабойное пространство лавы от объемов добываемого угля. Исходными явились данные по КМЗ на шахтах Кузбасса и Воркуты с различной угледобычей в разнообразных горнотехнических условиях разработки угольных пластов. При этом были использованы фактические данные о метановыделении в забое лавы и на участке для сопоставления

гг

;—о—ос Ьоб

I , мин

Рис. 1. Газовыделение в очистном забое при работе комбайна

и оценки возможности описания исследуемых процессов линейной, степенной или экспоненциальной зависимостями интенсивности метановыделения в призабойное пространство лавы от объемов добываемого угля [1].

В процессе очистной выемки угля комбайном отмечаются всплески метановыделения относительно фонового уровня, преимущественно за счет отбиваемого в лаве угля (рисунок 1). Уровень этих всплесков зависит в основном от метано-носности пласта в зоне выемки угля, производительности и времени непрерывной работы комбайна по добыче угля.

Результаты ранее выполненных исследований [1, 2] свидетельствуют о том, что при среднесуточной добыче угля в лаве до 1300 тонн связь между метановыделением в очистном забое 1оч (м3/мин) и объемами суточной добычи угля А (т/сут) для шахт Карагандинского бассейна может быть представлена степенной зависимостью [2]

(1)

или линейной [1] 1оч = I А + 1ф ,

где в - коэффициент удельного газовыделения, м3/{мин-(т/сут)1/2}; / - удельное метановыделение, характеризующее прирост объемов метана с каждой добытой тонны угля, м3-сут/(т- мин); 1ф - фоновое метановыделение в очистном забое до начала работы комбайна по добыче угля, м3/мин.

Для обоснования зависимости 1оч = f (А) и изучения особенностей метановыделения в очистном забое проведены наблюдения на выемочных участках высокопроизводительных шахт РФ. Исследование газодинамических процессов в призабойном пространстве лавы, оборудованной механизированным комплексом, выполнено на примере высокопроизводительных шахт. Объектом исследования явились лавы, отрабатывающие газоносные угольные пласты «Болдыревский» и «Поленовский» (шахта им С.М. Кирова), пласты 1и 3-3а (шахта «Алардинская»), пласты «Четвертый» и «Пятый» (шахты ОАО «Воркутауголь» и поле объединенной шахты «Воркута») с использованием механизированных комплексов отечественного и зарубежного производства.

Установлено, что газодинамические процессы в призабойном пространстве лавы, протекающие во время очистной выемки угля, удовлетворительно описываются линейной зависимостью (2) интенсивности метановыделения от объемов добываемого угля. Причем в этом случае появляется возможность для экспериментального определения фонового метановыделения ф в лаве и количественной оценки (роли) самого разрабатываемого пласта в формировании метановых потоков (показатель « / ») в процессе работы комбайна по отбойке угля.

Упомянутая зависимость (2) подтверждена на базе фактических наблюдений в условиях шахт им. С.М. Кирова (пласты «Болдыревский» и «Поленовский») и «Алардинская» (пласты 1 и 3-3а), а также данных по шахтам «Абашевская» (пласты 14 и 16), «Есаульская» (пласты 26а и 29а), «Северная», «Воркутинская», «Заполярная» и «Комсомольская» (пласт «Четвертый»). Установлена интенсивность фонового метановыделения в призабойное пространство лавы в ремонтную смену (без добычи угля) и определен темп нарастания интенсивности метановыделения из разрабатываемого

пласта (отбитый уголь и свежеобнаженные поверхности) в призабойное пространство лавы по мере роста объемов угледобычи в рабочие смены.

Сопоставление коэффициентов в полученном эмпирическом уравнениии (2) позволило выявить особенности протекания газодинамических процессов в призабойном пространстве комплексно-механизированных лав в условиях отдельных наиболее производительных шахт Кузнецкого бассейна и Воркуты, наращивающих темпы добычи угля. Коэффициент уравнения при показателе суточной добычи угля позволил оценить газоотдачу отбитой угольной массы и свежего обнажения пласта в призабойное пространство лавы, а свободный коэффициент - роль выработанного пространства (сближенные угольные пласты и породы, оставленные пачки и целики угля) на фоновые выделения метана в лавах при различных схемах проветривания выработок выемочного участка и технологии очистной выемки угля.

Исследования, выполненные на шахтах Кузбасса [3-5], показали, что при более высоких суточных нагрузках на лаву, достигающих 10250 т, более предпочтительна линейная зависимость 1оч = f (A), что подтверждается графиками, изображенными на рис. 2-5. Эта зависимость характерна как для среднесуточной добычи угля в лаве, так и для сменной добычи угля [3], особенностью которой является более интенсивный прирост метановыделения в очистном забое по мере роста сменной производительности комбайна (рис. 6).

Показатели интенсивности метановыделения в лавах при различной среднесуточной добыче угля входящие в формулу (2) приведены в табл. 1.

Материалы наблюдений за метановыделением в очистных забоях при суточной добыче угля в пределах 790-10250 т свидетельствуют о значительных колебаниях показателей интенсивности метановыделения, входящих в уравнение (2). Обусловлены эти колебания различными горнотехническими условиями залегания и отработки пластов угля. Так, в условиях пласта 3-3а (шахта «Алардинская»), отрабатываемого в два слоя, наблюдаются боле высокие величины удельного метановыделения (показатель i) при отработке первого слоя (лавы 3-1-18,

3-1-19, 3-1-23), частично надработанного пластом 1. Первооче-

редная отработка пласта 1 (лавы 1-45, 1-30, 1-29, 1-34) также сопровождается достаточно высокими показателями коэффициента I. Численные значения показателя I при сменной добыче угля превышают аналогичные его значения при среднесуточных объемах добычи угля в 1,1-1,75 раза. Более зольным энергетическим углям (шахта им. С.М. Кирова, пласты «Болдырев-ский» - лава 24-45 и «Поленовский» - лава 25-87) характерен меньший темп нарастания метановыделения в очистном забое при выемке угля, чем на коксующихся углях (шахта «Алар-динская»),

4,, М3/мин а)

Рис. 2. Зависимость интенсивности метановыделения от среднесуточной производительности комбайна в лавах по пластам 1 (а) и 3-3а (б): 1, 2, 3, 4 - соответственно лавы 1-45, 1-30, 1-29, 1-34 по пласту 1 (а); 1, 2, 3 - соответственно лавы 3-1-19, 3-1-18, 3-1-23 по пласту 3-3а (б)

Рис. 3. Изменение метанообильности очистной выработки от суточной добычи угля в августе 1999 г. (лава 24-45)

1оч, м3/мин

2

2000 4000 6000 8000 А,, т/сут

Рис. 4. Изменение метанообильности очистной выработки от суточной добычи угля в лаве 25-85

Рис. 5. Изменение метанообильности очистной выработки от суточной добычи угля в декабре 2004 г. в лаве 25-87

400 800 1200 1600 2000 2400 Л„ т/сут

Рис. 6. Графики зависимости метановыделения в лаве от суточной добычи угля: 1 - среднесуточная добыча угля; 2 - средняя добыча угля в добычную смену

Опытом работы шахт ОАО «Воркутауголь» в последние годы установлено, что среднесуточная нагрузка на очистные забои по пласту «Четвертому» составляла 800-2000 т/сут, а метанообильность - 30-80 м3/мин. Наиболее метанообильными были выемочные участки на шахте «Северная» (70-80 м3/мин), где при среднесуточной добыче угля в лаве, равной 2200 тонн, метановыделение на участке достигало 96 м3/мин, а эффективность дегазации - 60-70 %. Соотношение дебитов метана, приходящихся на вентиляцию и дегазацию, от 1:1,5 или 1:2, должно быть изменено в сторону приоритета дегазации, т.е. упомянутое соотношение должно быть не менее 1:3.

Руководством ОАО «Воркутауголь» поставлена шахтам задача восстановить потенциал Воркутинского промышленного района до 14-15 млн.т угля в год и обеспечить энергетическую и стратегическую безопасность прилегающих районов Российской Федерации путем технического перевооружения предприятий и совершенствования технологий угледобычи. За основной показатель принята нагрузка на очистной забой по наиболее метанообильному пласту «Четвертому», которая должна быть повышена от достигнутого показателя почти вдвое. В качестве вариантов отработки угольных пластов на

Таблица 1

Показатели интенсивности метановыделения в очистных забоях шахт Кузбасса

№ Лава Максималь- Показатели метановыделения

пп ная (коэффициенты уравнения 2)

добыча Фоновое Удельное метановыделе-

угля (А) выделение метана (1ф) ние (/'• 103) при

среднесуточной добыче угля сменной добыче угля

Шахта «Алардинская»

1 3-1-18 2571 1 3,8 4,1

2 3-1-19 2423 0,75/1,5*’ 2,6 3,5

3 3-1-23 2229 2,0 3,1 -

4 1-45 1683 0,6 1,6 2,8

5 1-30 803 0,6 2,0 2,1

6 1-29 789 0,5/0,8*’ 3,8 4,2

7 1-34 1420 0,7 2,0 -

8 24-45 10250 1,65/1,0**’ 0,29/0,3**’ -

9 25-87 5700 2,25/1,5**’ 0,5/1,0**’ -

Примечания

1 *’ Числитель - по средним значениям концентрации метана, знаменатель - по максимально измеренным

2 **’ Числитель - за весь срок работы лавы, знаменатель - за один месяц (выборочно)

горном отводе будущей шахты «Воркута» (после групповой реконструкции шахт ОАО «Воркутауголь») рассматриваются: 1) первоочередная отработка пласта «Пятого» и 2) первоочередная отработка пласта «Четвертого». Ограниченность сечения призабойного пространства лав для прохода воздуха на пластах «Пятом» (мощность пласта 1,0 м) и «Четвертом» (мощность пласта 1,5 м), планируемые нагрузки на лаву (до 3600 т/сут) и высокая газоносность этих пластов, достигающая 25 м3/т с.б.м, приведет к необходимости предварительной дегазации разрабатываемого пласта скважинами, пробуренными из выработок.

При определении параметров предварительной дегазации необходимо иметь данные о метановыделении из разрабатываемого пласта япл в призабойное пространство лавы, которое рекомендуется рассчитывать по формуле Япл = Кпл [(1-ке)х-х1], м3/т с.б.м (3)

где кпл - коэффициент, учитывающий влияние системы разработки на метановыделение из разрабатываемого пласта; ке - коэффициент, учитывающий влияние призабойного пространства лавы на естественную дегазацию массива угля; х -природная газоносность пласта м3/т с.б.м; х1 - остаточная газоносность угля, выдаваемого за пределы выемочного участка, м3/т с.б.м.

Коэффициент ке рассчитывается по формуле

Ке = ^ (4)

х

где де - метановыделение из прилегающего к очистному забою массива угля за счет естественной дегазации пласта, м3/т с.б.м.

Величина qt. в течение суток находится из выражения qе = qе.р + Пцqе.ц , м3/т с.б.м (б)

где пц - число циклов (заходок комбайна) в течение суток

Пц = Тк-. (6)

1 ц

q^-ц, qе.р - метановыделение из угольного массива соответственно в течение одного цикла и в ремонтную смену, м3/т с.б.м.

В течение одного цикла величина qeM определяется по формуле

—

(1оч -2 вЭд)m — \n(At4 +1) 3

qe-ц =------;----A-------- , м3/т (7)

ц 1оч mr Y

где —о - начальное удельное метановыделение из угольного пласта в выработку, м3/(м2сут). Определяется экспериментально или расчетом; А - коэффициент, учитывающий темп снижения метановыделения во времени, сут -1. Определяется экспериментально или расчетом; m - мощность пласта, м; ^

- время обнажения пласта забоем лавы, т.е. продолжительность цикла, сут; г - ширина полосы захвата комбайном, м; у

- объемный вес угля, т/м3.

В течение ремонтной смены величина qер рассчитывается по формуле (7), в которой время ^ принимается равным

0,25 сут., т.е. продолжительности ремонтной смены в суточном интервале времени.

Необходимый коэффициент к'дегпл предварительной

дегазации пласта с учетом горнотехнических условий его отработки, заданной нагрузки на лаву (Ал, т/сут) и допустимой по фактору вентиляции газообильности очистного забоя (1в , м3/мин) определяется по формуле

к дег. пл = 1 — I , (8)

1 к

в которой Iв = 0,6 Vоч S°4 (С — Со) , (9)

кн

где Vоч - скорость воздуха в призабойном пространстве лавы, м/с; 8оч - сечение призабойного пространства лавы, свободное для прохода воздуха, м2; Со и С- концентрация метана в поступающем и исходящем из очистной выработки потоке воздуха соответственно, %; кн - коэффициент неравномерности метановыделения в очистной выработке.

Прогнозное метановыделение при работе комбайна 1К (м3/мин) находится из выражения

1к = ](хв - х1), (10)

где хв - газоносность пласта в зоне выемки угля комбайном, т.е. в полосе заходки, м3/т с.б.м .

Величина хв устанавливается расчетом на основе экспериментальных данных об изменении во времени газоносности массива угля вблизи очистного забоя. При этом используется зависимость перемещения зоны естественной дегазации пласта в зоне его обнажения выработкой [5].

В том случае, когда в схеме управления метановыделе-нием на выемочном участке средствами вентиляции предусмотрены утечки воздуха из призабойного пространства в выработанное, величина 1К уточняется в соответствии с величиной коэффициента кут , т.е. рассчитывается величина

IК по формуле

IК = (1 - Кут) 1к . (11)

Расстояние (Яс, м) между параллельно-одиночными скважинами предварительной дегазации пласта рассчитывается по формуле

1'стд — 1п(аг+1)

Яс =------------------, м (12)

I оч ■ т 'У ' к дег.пл ' Упл

где 1'с - полезная длина скважины, м; тд- дегазируемая скважинами мощность пласта, м. На пластах средней мощности обычно принимается равной мощности т пласта; т -продолжительность предварительной дегазации пласта, сут. Согласно нормативным документам принимается равной 180 сут.

В качестве примера результаты определения параметров предварительной дегазации пласта «Поленовский» (шахта им. С.М. Кирова) скважинами сведены в табл. 2 и 3.

Расстояние между кустами парных перекрещивающихся скважин определяется с учетом коэффициента крепости угля по М.М. Протодьяконову [3].

Таким образом, результатами исследования газодинамического состояния массива угля вблизи очистного забоя и га-зодинамических процессов, протекающих в угольном пласте при его очистной выемке, а также исследования интенсивности метановыделения в призабойном пространстве лавы, оборудованной механизированным комплексом, являются:

1. Зависимости качественного изменения газоносности пласта и отбитого в лаве угля относительно линии очистного забоя, позволяющие оценить уровень необходимой эффек-тивности предварительной дегазации пласта, влияние очистного забоя на снижение газоносности пласта и динамику снижения остаточной газоносности отбитого в лаве угля.

2. Зависимость интенсивности метановыделения из раз-рабатываемого пласта в призабойное пространство лавы при работе комбайна, учитывающая его минутную производительность и газоносность массива угля в зоне выемки.

3. Зависимость интенсивности метановыделения в лаве при работе комбайна, на основании которой экспериментально в конкретных горнотехнических условиях устанавливаются: 1) фоновое метановыделение в призабойном пространстве, обусловленное выделением метана из обнаженной забоем поверхности пласта и из прилегающего выработанного пространства, и 2) удельное метановыде-ление из свежего обнажения пласта и отбитого угля, характеризующее прирост объемов метана в лаве с каждой добытой тонны угля. При этом определены показатели интенсивности метановыделения в лаве в режиме среднесуточной и сменной работы очистного комбайна.

209

210

4. Зависимости метановыделения из массива угля в течение одного цикла и в ремонтную смену за счет естественной дегазации.

5. Зависимости изменения газоносности угольного массива вблизи обнажения его очистной выработкой в течение 1-20 суток и степени естественной дегазации массива угля выработкой на расстояниях 0,1-0,5 м в течение смены по добыче угля в очистном забое.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Саламатин, А.Г., Забурдяев В.С. Управление газовыделением. Дегазация // Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. - М.: Недра, 1997. - С. 20-48.

2. Управление газовыделением на угольных шахтах/ С.Г. Калиев, Е.И. Преображенская, В.А. Садчиков и др. - М.: Недра, 1980. - 221 с.

3. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах / В.С. Забурдяев, А.Д. Рубан, И.В. Сергеев и др. - Люберцы-Макеевка, 2000. -117 с.

4. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт // Ма-кеевка-Донбасс, 1989. - 319 с.

5. Забурдяев, В.С. Дегазация пласта подготовительными выработками и скважинами // Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского - М., 1975. - Вып. 126. - С. 179-184.

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

Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук, ИП-КОН РАН.