Метод прогноза необходимой степени дегазации угольных пластов для предотвращения газодинамических явлений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ ; И . ОХРАНА ; ТРУДА»

Ц ^ Т.Н. Фейт, О.Н. Малинникова,

ЕЕ 2000 '

!І!! УДК 622.817:622.324.5.004.82

ее Т.Н. Фейт, О.Н. Малинникова

ЕЕ МЕТОД ПРОГНОЗА НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ЕЕ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ

ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

А

нализ современного состояния ведения горных работ показывает, что значительная часть шахтопластов на перспективных шахтах в Кузбассе и других угледобывающих районах России уже достигает критической глубины разработки, ниже которой угольные пласты, в настоящее время относящиеся к неопасным, становятся опасными по газодинамическим явлениям [1]. Кроме того, предполагаемый на ближайшее время на этих шахтах переход к высокопроизводительным технологиям разработки угольных пластов, предусматривающий значительное увеличение скоростей подвигания очистных и подготовительных забоев вызовет резкое увеличение степени опасности этих пластов по различным типам газодинамических явлений. При этом целый ряд шахтопластов, считающихся неопасными при современных скоростях подви-гания, с увеличением нагрузки на лаву при применении новой высокопроизводительной технологии превратится в опасные по различным газодинамическим явлениям.

Наиболее крупные аварии на шахтах России и других угледобывающих стран обычно происходят при взрывах метана и угольной пыли, а также при внезапных выбросах угля и газа. Существовавшая всегда проблема борьбы с метаном на угольных шахтах становится еще более острой, в связи с необходимостью перехода в современных условиях на более производительные технологии добычи угля, которые на большинстве шахт невозможно осуществить без выполнения предварительной эффективной дегазации угольных пластов и углепородных массивов.

В связи с этим, авторами разработан метод прогноза необходимой степени дегазации угольных пластов для предотвращения газодинамических явлений, основанный на новом методе прогноза выбросоопасности угольных пластов по геоэнергии массива, разработанный авторами раньше в ИГД им. А.А. Скочинского совместно с ВостНИИ. Метод прошел промышленные испытания и успешно применяется на шахтах Кузбасса [2].

Важным достоинством предлагаемого метода прогноза необходимой степени дегазации является то, что в нем в качестве исходных данных используются стандартные данные геологоразведки: газоносность угольных пластов Х, м3/т; кавернограммы пластов в местах пластопересечений; характеристики технического анализа угля (выход летучих Vdaf, зольность угля А и влажность W%); температура пла-

стов ^ 0С и глубина пластопересечения Н, м, которые уже имеются на полях действующих шахт, резервных и других разведанных участков, что позволяет применять метод на всех стадиях подготовки и разработки угольных пластов, т.е. при заблаговременной дегазации пластов с поверхности, а также при дегазации из горных выработок. В последнем случае данные геологоразведки дополняются или частично могут быть частично заменены данными текущего прогноза выбросоопасности.

Под необходимой степенью дегазации понимается дегазация приводящая к снижению показателя выбросоопасно-сти угольного пласта В до значений, соответствующих неопасному по газодинамическим явлениям состоянию массива. При этом учитывается действие как природных факторов, соответствующих запасам энергии массива и составляющих потенциальную опасность газодинамических явлений, так и техногенные факторы, учитывающие скорость подвигания забоя и глубины заходки, что особенно актуально при применении высокопроизводительных технологий.

Комплекс физических показателей, необходимых для расчета геоэнергии массива и частично определяемых по данным геологоразведки, позволяет контролировать состояние массива дифференцированно по факторам газа, таким как Х - газоносность угольного пласта, Ь30 - коэффициент газоотдачи; факторам горного давления: ОуН - напряжения массива вызванные вышележащей толщей пород, 1к - глубина зоны разгрузки пласта; и свойствам самого пласта: Е -модуль Юнга, Vdaf - степень метаморфизма, А - зольность, W - влажность угля.

Возможность дифференцировать причины, вызывающие опасное состояние угольного пласта, по факторам газа, горного давления или свойствам пласта, позволяет также дифференцированно подбирать адекватные способы снижения этой опасности и контролировать состояние забоя для управления напряженным и газодинамическим состоянием массива.

Природная (потенциальная) выбросоопасность пласта определяется суммой энергии газа, заключенного в угольном пласте и способного к быстрому газовыделению Wг и энергии горного давления Wy [1]

Вп = ^г + 0,33Wy) - 0,18 (1)

[^, Wy] = МДж/м3. При значении показателя Вп < 0 угольный пласт является неопасным по внезапным выбросам угля и газа, при Вп > 0 выбросоопасным.

Энергия заключенного в угольном пласте газа, определяется как максимальная работа, которую он может совершить при расширении свободного и десорбирующегося газа:

Wг = ЛЬХ-Ьз0^-Л (2)

где Лh - удельная максимальная работа, которую может совершить 1 кг газа при расширении в соответствующих термодинамических условиях (определяется по данным газоносности, температуры пласта и технического анализа угля), Дж/кг; X - газоносность пласта, м3/кг; d, ^- соответственно плотности угля и метана в газовой фазе, кг/м3 (в рас-

четах принимается ^ = 0,717 кг/м3; d = 1,4-103 кг/м3); Ь30 -часть газа, которая может выделиться из угля, разрушенного до г=0,75 см (г- приведенный радиус частиц угля в начальной стадии выброса по экспериментальным данным) за среднее время протекания выброса 30 с,

Для Кузбасса получена эмпирическая зависимость, позволяющая производить расчет энергии газа Wг экспресс методом по формуле

Wг = (9,3-Х-0,01) -Х- bзo•d (3)

Энергия горного давления (упругого восстановления пласта) определяется по формуле:

\2

(4)

W =

у

(ко -р)

2Е

где Оср - среднее напряжение, МПа, принимаемое равным давлению налегающей толщи пород Оср = gyН (g - ускорение свободного падения, м/с2; у - объемная масса пород, кг/м3 (в расчетах принимается у=2,5-103 кг/м3), Н - глубина от поверхности, м); Е - модуль упругости угля, МПа (определяется по данным кавернометрии).

Для определения геомеханической энергии ^г, Wy) и природной выбросоопасности угольных пластов используются следующие исходные геолого-физические данные: газоносность угольного пласта Х, м3/т; кавернометрия в месте пересечения пласта скважиной dmax, dmm, dскв, мм; глубина пластопересечения Н, м; температура пласта ^С; характеристики технического анализа угля: выход летучих Vdaf, зольность угля А и влажность W, %. Все перечисленные геолого-физические данные являются стандартными и имеются на всех разведанных участках шахтных полей.

Фактическая выбросоопасность забоев горных выработок с учетом параметров технологии выемки угольного пласта [2]

В = ^г + 0,33Wy) . 10/1к - 0,18 (5)

где 10 - сменная скорость подвигания забоя (м/смену) или глубина заходки (м); 1к - величина зоны разгрузки и дегазации в призабойной части пласта (м).

При значении показателя В < 0 забой горной выработки не опасен, при В > 0 забой выбросоопасен.

При определении фактической выбросоопасности забоев горных выработок с учетом параметров технологии выемки по критерию (5) геоэнергия пласта ^г, Wy) определяется по фактическим данным пластопересечений, а показатель технологии выемки 10/1к варьируется в соответствии с горногеологическими и горнотехническими условиями разработки.

Пример графика изменения выбросоопасности по глубине залегания пласта с учетом параметров технологии выемки (подвигания) показан на рис. 1.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: Вп - потенциальная (максимальная) выбросоопасность пласта (соответствует выбросоопасности, возникающей при мгновенном подвигании забоя буровзрывным способом на величину 10 > 1к, например при вскрытии пласта квершлагом); В(2,0), В(1,26), В(0,63) - выбросоопасность забоя при скорости его подвига-нии 2,0; 1,26 и 0,63 м/смену соответственно. Как видно из рис. 1 пласт 4 на шахте Чертинская становится реально выбросоопасным только при скорости подвигания забоя превышающей величину 1,26 м/смену.

Критерий оценки выбросоопасности В используется для выбора неопасных в данных горно-геологических условиях скоростей подвигания подготовительных забоев, параметров технологии выемки угольных пластов (допустимая сменная скорость подвигания очистного забоя, оптимальная длина лавы) и параметров управления состоянием массива для предотвращения внезапных выбросов (необходимая дегазация пласта, необходимая величина зоны разгрузки в призабойной части пласта, обеспечивающие безопасность выемки). Так размеры зоны разгрузки краевой части пласта 1к впереди движущегося забоя необходимой для обеспечения предотвращения внезапных выбросов, используя критерий

(5) можно определить по формуле:

(^ + 0,33 • Wy) • 10

0,18

(6)

На рис. 2 приведена номограмма, построенная на основании критерия (5), которая дает возможность определить безопасную глубину выемки в зависимости от выбросоопас-ности забоя для четырех значений зоны разгрузки: 7, 5, 3 и 1 м.

Выбросоопасность забоя

Рис.2. Номограмма определения безопасной глубины выемки (сменной скорости подвигания забоя)

Используя критерий (5) можно дать рекомендации о необходимой степени дегазации ЛХ угольных пластов различной степени выбросоопасности для предотвращения газодинамических явлений в горных выработках в зависимости от применяемой технологии ведения горных работ.

ЛХ = X, - Х0 (7)

где Х, - газоносность пласта на рассматриваемом участке,

м3/т; Х0 - допустимая газоносность пласта, при которой внезапные выбросы происходить не будут, м3/т;

Тогда допустимая газоносность пласта определяется следующим образом:

X0 = 0,54 + 0,29-------— (22 • Wv -12 • ^) , м3/т (8)

V ь30 10

На рис. 3 приведен пример определения необходимой дегазации пласта 5 шахты Чертинская в зависимости от глубины разработки и скорости подвигания подготовительного забоя (в числителе дроби возле каждой кривой в м/смену). Зона разгрузки принята равной 5 м (обозначена в знаменателе дроби).

Современная глубина разработки пласта 5 на шахте «Чертинская» достигла 600 м. Из графика следует, что дегазация пласта необходимая для обеспечения безопасной проходки горных выработок в интервалах глубины 550-650 м при скоростях подвигания забоя 1,0; 1,7 и 2,5 м/смену составляет соответственно 0-1,4; 7,6-9,5 и 12,2-14,5 м3/т. Газоносность пласта 5 на глубине залегания 550-650 м по данным геологоразведки составляет 28,7-32,0 м3/т. Следовательно, необходимая для предотвращения газодинамических явлений степень относительной дегазации пластов на этой глубине составит 0,00-0,05; 0,26-0,31; 0,43-0,45.

Таким образом, при скорости проходки подготовительных выработок по пласту 5 шахты «Чертинская», превышающей 2,5 м/смену, предотвратить газодинамические явления, применяя традиционные в настоящее время способы дегазации, не удастся. Необходимо применение новых способов дегазации, эффективность которых должна превышать 40-45%.

Осуществить такую высокоэффективную дегазацию возможно при применении комбинированной технологии дегазации, сочетающей дегазацию скважинами, пробуренными как с поверхности, так и из горных выработок, а также благодаря разработке и использованию новых способов дегазации, основанных на кавитации массива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Прогноз опасности газодинамических явлений в шахтах по геоэнергии массива/ Труды XI Российской конференции по механике гор-

ных пород: С.-Петербург, 9-11 сент. 1997 г. - С.461-465.

2. Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с

учетом глубины и технологии ведения горных работ, ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочин-ского, ВостНИИ Люберцы-Кемерово. -1999. - 8 с.

W

Фейт Г.Н. — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИГД им. А.А. Ско-чинского, профессор кафедры «Инженерная защита окружающей среды», Московский государственный горный университет.

Малинникова О.Н. — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник ИГД им. А.А. Скочинско| о

___________________________________________________________/