CC BY
36
Г.Я. Полевщиков
д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией Института угля СО РАН
U
E.H. Козырева
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник Института угля СО РАН
М.В. Шинкевич
канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН
УДК 622.454.3:622.831.3
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ МЕТАНОБИЛЬНОСТЬЮ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА С УЧЕТОМ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Приведены примеры технологических решений по управлению метановыделением из отрабатываемого пласта и выработанного пространства, выполненные по результатам исследований связи динамики метанообильности высокопроизводительного выемочного участка с развитием нелинейных геомеханических процессов в массиве горных пород.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.
Ключевые слова: МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД, УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, НЕЛИНЕЙНАЯ ГЕОМЕХАНИКА, ПРОГНОЗ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ, УПРАВЛЕНИЕ
УЬловия подземной добычи угля постоянно усложняются вследствие увеличения глубины залегания разрабатываемых угольных пластов, повышения их газоносности, выбросоопасности и геологической нарушенности. В то же время, изменяются и технологические параметры: увеличиваются производительности забоев, скорости их подви-гания, размеры выемочных столбов. Следует отметить, что сегодня в нормативных документах действуют зависимости, обобщающие горный опыт всех шахт России многих десятилетий и основанные на знаниях 50-80-х годов прошлого
века о свойствах среды и происходящих в ней процессах. В изменившихся условиях угледобычи эти зависимости излишне консервативны и по этой причине не удовлетворяют требованиям горной промышленности, что приводит к запаздыванию управляющих решений или их низкой эффективности. Техническим службам шахт требуются соответствующие системы не только контроля, но и предвидения ситуаций, что требует привлечения новых знаний о газогеомеха-нических процессах, определяющих газовый режим выемочных участков и подготовительных выработок. Для этого необходим новый подход
к формированию и анализу горно-технологической информации. Его технической основой может служить оперативная информация о газовой обстановке в горных выработках, которая формируется электронной системой аэрогазового контроля, накапливающей информацию по каждому датчику в контрольных точках выемочных участков за значительный период горных работ.
С 2000-х годов в Институте угля СО РАН ведутся исследования по изучению причин динамических выделений метана из угольных пластов при высокопроизводительных технологиях очистных и подготовительных работ на шахтах Кузбасса [1-3] и развитию научных основ эффективного управления газовыделением на выемочных участках угольных шахт.
В лаборатории газодинамики угольных месторождений института при анализе метаноо-бильности выемочных участков установлены ее волнообразные изменения по мере отработки столба - газокинетический паттерн [4]. Доказано, что его параметры отражают реакцию угле-газоносного массива на отработку пласта и соответствуют контурам сводов полных сдвижений. Выявлено, что динамика метанообильности выемочного участка обусловлена нелинейностью геомеханических процессов в массиве горных пород. Использование этих особенностей позволяет принять, что газоносные пласты в области геомеханического влияния очистной выемки есть пластины-индикаторы изменений геомеханического состояния среды [5]. На основании данных положений обоснована и развита полуэмпирическая модель развития нелинейных га-зогеомеханических процессов в массиве горных пород при подземной разработке угольных пластов длинными столбами [6]. В модели представлены и особенности формирования зональной дезинтеграции массива впереди очистного забоя (радиальная разгрузка) и иерархии нелинейных блочных структур в выработанном пространстве (вертикальная разгрузка). Разработаны методы прогноза динамики метанообильности и контроля эффективности управления газовыделением на высокопроизводительных выемочных участках, основанные на законах нелинейной геомеханики [7-9].
По сравнению с нормативным методом они имеют следующие преимущества:
• уточнение метаноносности пластов и газового потенциала массива с учетом пространственной изменчивости их свойств;
• учет влияния длины лавы на параметры зон газоистощения под-, надрабатываемых массивов и их связь с углами полных свижений и
глубиной разработки с учетом нелинейности геомеханических процессов;
• учет влияния следствий техногенных изменений горного давления на изменение структуры газоносности пласта;
• учет влияния неравномерности скорости подвигания;
• определение допускаемой по газовому фактору среднесуточной производительности участка и рабочей скорости комбайна на различных интервалах отработки выемочного столба;
• адаптивный прогноз газовой обстановки;
• обоснование параметров комбинированной схемы проветривания и комплексной схемы управления газовыделением с учетом переменной по длине столба метанообильности лавы.
Основные положения разработанных методов прошли промышленную апробацию в условиях разрабатываемых угольных месторождений Кузбасса: Ленинского, Чертинского, Бай-даевского, Алардинского, Шелканского, Распад-ского.
Ниже приведен пример расчета для горно-технологических условий выемочного участка центральной части шахтного поля ниже горизонта ±0 м абс. Алардинского месторождения Кузбасса. Отрабатывается пласт 6, длина выемочного столба состаляет 1100 м, длина лавы со штреками - 220 м, глубина залегания отрабатываемого пласта - 500-575 м, его природная газоносность - 25-27 м3/т с.б.м. Отрабатываемый пласт имеет мощность от 8 м у монтажной камеры и до 10 м у уклона; выемка пласта осуществляется слоями в нисходящем порядке, положение по газовому фактору усугубляется наличием в почве оставляемого слоя угля, интенсивно выделяющего метан в очистной забой. Кровля труднообрушаемая. Прогноз выполнен при коэффициенте распределения воздуха 0,3 комбинированной схемы проветривания и технически возможной степени дегазации пласта 6 скважинами диаметром 76 мм без повышения их продуктивности и учитывает газоистощение пласта в результате его частичной разгрузки в результате опережающей отработки пласта 3-3а. Выработанное пространство На рисунке 1 представлены контуры вложенных сводов разгрузки, описывающие геомеханические процессы в массиве горных пород. Их формирование в горизонтальной плоскости начинается от монтажной камеры вслед за линией очистного забоя, в вертикальной - от разрабатываемого пласта в под- и надрабатывае-мые массивы. Рассматриваются зоны разгрузки до амплитуды по вертикали, равной длине лавы.
пласт 1
-100
-120
Рисунок 1 - Схема формирования зон разгрузки Ь от горного давления во вмещающем массиве горных пород по длине выемочного столба Ь
В них расположены углеметановые пласты-спутники - источники газовыделения в выработанное пространство, разгрузка которых приводит к соответствующему снижению их газоносностей, обуславливая приток метана в выработанное пространство. Динамика газокинетических процессов определяется амплитудой разгрузки в соответствующей зоне. Для удобства аппроксимации, границы зон разгрузки представлены синусоидальными функциями. Сопоставлением фактических и расчетных данных установлено, что повышение скорости подвигания забоя снижает долю реализации газового потенциала массива по экспоненциальному закону.
Таким образом, динамика метанообильно-сти выемочного участка обусловлена развитием зон разгрузки горных пород и является следствием формирования и взаимной интеграции определенной последовательности меньших по размерам (вложенных) зон. Газоприток на действующий выемочный участок из удаленного источника зависит от расстояния до отрабатываемого пласта. Эти особенности принципиально важны для определения параметров схемы управления газовыделением на выемочном участке, включая эффективность как дегазации вмещающего массива, так и комбинированного проветривания.
Прогноз динамики метанообильности выработанного пространства для выемочного участка по пласту 6 выполнен с учетом предварительной отработки пласта 3-3а, что привело к снижению природной газоносности под- и надра-батываемых пластов, в том числе и к неравномерному газоистощению пласта 6 (до 19-23 м3/т с.б.м.) (рис. 2).
Как видно из рисунка 2, увеличение объемов добычи угля приводит к увеличению абсолютного метановыделения из выработанного пространства. В таблице 1 приведены прогнозные значения абсолютного метановыделения (1выр) и расчетные значения количества воздуха, необходимого для обеспечения концентрации метана на газоотсасывающей установке 3,5 % ^ ) при различной добыче угля.
Рисунок 2 - Прогноз абсолютного метановыделения из выработанного пространства I при отработке пласта 6 по длине выемочного столба Le при различной добыче угля
39
Таблица 1 - Сравнительные результаты расчетов по выработанному пространству для выемочного участка по пласту 6
Lp и Qc м3/мин Добыча, т/сут
- 3 000 5 000 5 600 6 800 7 000 8 100
I max 23,0 34,7 38,0 44,3 45,6 50,9
Q max 656 993 1085 1266 1304 1455
I . min 17,6 26,6 29,0 33,7 34,9 38,5
Q . min 503 761 829 962 997 1100
I CD 36,1 32,1 34,1 39,5 40,9 45,3
Q 1 030 892 973 1 130 1 169 1 294
Примечание: индексы max, min и ср - максимальные, минимальные и средние значения по оси выемочного столба.
Таким образом, планируемая среднесуточная нагрузка на очистной забой ограничена техническими возможностями вентиляционной системы по обеспечению требуемого количества воздуха, проходящего через выработанное пространство.
Отрабатываемый пласт
Выявленные особенности геомеханических процессов во вмещающем массиве газоносных горных пород позволяют оценить их влияние на напряжения в отрабатываемом пласте. Установлено, что впереди движущегося очистного забоя происходят изменения в структуре газоносности пласта, зависящие от геометрических размеров выемочных столбов как по падению, так и по простиранию пласта. Разработан алгоритм определения структуры газоносности пласта с привлечением основных положений гипотезы о существовании метана в угле по типу твердого углегазового раствора (ТУГР) [10-12]. Снижение напряжений обуславливает распад ТУГР с выделением свободного газа и его переток из зоны опережающей разгрузки пласта в призабойную часть выработанного пространства по развивающимся трещинам во вмещающем массиве. Метановыделение из отбитого угля при его транспортировании соответствует газокинетическим показателям распада остаточного газосодержания ТУГР Из оставляемой пачки угольного пласта метан выделяется в очистной забой.
На рисунке 3 представлено расчетное содержание метана в исходящей струе очистного забоя для лавы по пласту 6 при различной нагрузке с учетом коэффициента распределения воздуха 0,3. Расчет метановыделения выполнен с учётом изменения мощности пласта 6 по длине выемочного столба при мощности вынимаемого верхнего слоя 4,5 м.
Определена максимально допускаемая рабочая скорость добычного комбайна в зависи-
=7 000 т/сут —•5 000 т/сут »3 000 т/сут
0 100 200 300 400 500 000 700 800 900 1000 1100 LB, м
Рисунок 3 - Метаносодержание струи воздуха на выходе из очистного забоя 1исх при отработке пласта 6 по длине выемочного столба Lb
мости от метановыделения из пласта, объемов добычи угля и количества подаваемого воздуха (рис. 4). Ограничением скорости движения комбайна является предельно допустимая (1 %) концентрация метана в исходящей из очистного забоя струе воздуха. Повысить допускаемую рабочую скорость комбайна можно за счет предварительной пластовой дегазации. Расчеты показали, что повышение коэффициента дегазации пласта с фактически достигнутого 0,2 до 0,6 позволит в 2 раза повысить максимально допускаемую рабочую скорость комбайна и соответственно количество вынимаемого угля. Однако значение коэффициента дегазации пласта, равное 0,6, может быть достигнуто лишь с применением технологий гидроразрыва пласта, требующих дополнительных инвестиций.
Рисунок 4 - Скорость движения выемочного комбайна Ук при отбойке угля вдоль очистного забоя по пласту 6 по длине выемочного столба Ь
40
Среднее значение допускаемой скорости комбайна для рассматриваемой лавы равно 3,0 м/мин при нагрузке на выемочный участок 3 000 т/сут.; 2 м/мин - при 5 000 т/сут.; 1,1 м/мин - для нагрузки 7 000 т/сут. Причем при нагрузке 7 000 т/сут. исходящая струя забоя на расстоянии от монтажной камеры 900 м будет полностью насыщаться метаном только за счет метановыделения из невынимаемого слоя и через поверхность забоя, т. е. работа комбайна будет невозможна. А в целом по выемочному столбу обеспечить эту производительность при коэффициенте дегазации 0,2 невозможно.
Оценка эффективности повышения производительности очистного забоя средствами вентиляции
Выполненный анализ трех комбинированных схем проветривания с коэффициентом распределения воздуха Кр = 0,3, позволил обосновать рекомендуемую суточную нагрузку на очистной забой по газовому фактору с учетом развития нелинейных геомеханических процессов по интервалам выемочного столба.
Схема 1 (типичная). По конвейерному штреку на выемочный участок подаётся 3750 м3/ мин воздуха, с концентрацией 0,1% метана, через вентиляционный ходок отводится 150 м3/мин смеси, перед входом в лаву - 3600 м3/мин. С учетом Кр на выходе из очистного забоя по вентиляционному штреку проходит 2520 м3/мин смеси.
Схема 2 (увеличение расхода воздуха по вентиляционному ходку). Количество подаваемого воздуха по конвейерному штреку на выемочный участок максимально для штрека сечением 18,5 м2 - 6660 м3/мин с концентрацией 0,1% метана, через вентиляционный ходок отводится 3060 м3/мин смеси, перед входом в лаву - 3600 м3/мин. С учетом Кр на выходе из очистного за-
боя по вентиляционному штреку проходит 2520 м3/мин.
Схема 3 (проветривание через параллельный штрек) предусматривает проведение дополнительного параллельного конвейерному штрека. Через 150м штреки соединяются сбойками. По параллельному штреку и ближайшей к лаве сбойке подается 5600 м3/мин воздуха, часть которого (3600 м3/мин) поступает в лаву, а другая (2000 м3/мин) отводится к конвейерному уклону, разбавляя выделяющийся из транспортируемого угля метан. С учетом Кр на выходе из очистного забоя по вентиляционному штреку проходит 2520 м3/мин.
На рисунке 5 представлены графики возможной суточной нагрузки на очистной забой при этих схемах проветривания. Ближе к уклону метанообильность забоя повышается, доминирующим источником метановыделения будет являться призабойная часть пласта и оставляемый слой угля, поэтому суточная нагрузка при схемах 2 и 3 снижается.
Как видно из рисунка 5 и таблицы 2 максимальная нагрузка достигается при реализации 3 схемы проветривания выемочного участка (рис.6).
Однако проверка поддержания концентрации метана на выходе из выработанного пространства в 3,5 % показала, что количество воздуха, проходящего через выработанное пространство при Кр = 0,3 в 1 050 м3/мин, является недостаточным. При добыче 5 600 т/сут. требуется 1 080 м3/мин; при 6 800 т/сут. - 1 270 м3/мин, при 8 100 - 1 460 м3/мин. Следовательно, на стадии предпроектных решений о схемах подготовки выемочных столбов необходима коррекция Кр и допускаемой производительности забоя.
А. т/сут 8000 • 6000 ■ 4000 ■ 2000 ■
1
-Ч-1-Г »1
>Схема 3 Схема 2 Схема 1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 LB. м
Рисунок 5 - Расчет допускаемой нагрузки А на очистной забой по пласту 6 по длине выемочного столба Lb при
различных схемах проветривания
41
Таблица 2 - Повышение производительности участка средствами проветривания
Схема проветривания Количество воздуха, подаваемого в очистной забой, м3/мин Количество воздуха, подаваемого на участок, м3/мин Расстояние от монтажной камеры, м Допускаемая добыча, т/сут Допускаемая скорость комбайна, м/мин
схема 1 (типичная) 2 520 3 750 0-300 4 400 2,0
300-К/У 5 600 2,2
схема 2 (увеличение расхода воздуха по вентиляционному ходку) 6 660 0-300 6 200 2,3
300-460 6 800 2,6
3 600 460-К/У 5 600 2,1
схема 3 (проветривание через параллельный штрек) 5 600 0-600 8 100 -
600-900 6 900 -
900-К/У 6 400 -
Примечание: К/У - до конвейерного уклона.
Рисунок 6 - Предпочтительная схема 3 подготовки выемочного участка параллельными штреками
Выводы
На основе современных научных знаний и информационно-вычислительных геотехнологий доступен переход от контроля аэрогазовой обстановки в горных выработках к качественно новому уровню действующих на шахтах электронных систем - оперативному прогнозу горно-технологических ситуаций при работе высокопроизводительных забоев, оценке эффективности принимаемых технологических решений, включая график производительности добычи угля на сутки, декаду, месяц. Толь-
ко в этом случае с достаточной степенью надежности гарантируется ритмичная работа без нарушения газового режима.
Установленные особенности аэрогазодинамических процессов могут служить основой для оптимизации схем и параметров дегазации, ориентируя их на снижение газопритоков и повышение надежности управления ими, а также создания научно-технические предпосылок совершенствования комплексной системы управления газовыделением на выемочном участке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Плаксин, М. С. Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана / М. С. Плаксин, А. А. Рябцев, В. А. Сухоруков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1-2010. - С. 43-49.
2. Кормин, А. Н. Определение газоносности угольных пластов в процессе ведения горных работ / А. Н. Кормин, Д. Н. Застрелов, В. О. Тайлаков // ГИАБ. - 2013. - Отдельный выпуск № 6 - С. 155-159.
3. Киряева, Т. А. Газодинамическая опасность угольных пластов и деструкция частиц угля как следствие энергии распада углеметана / Т. А. Киряева, М. С. Плаксин, А. А. Рябцев, Р. И. Родин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2009. - № 2. С. 20-24.
4. Полевщиков, Г. Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева // ГИАБ. - 2002. - № 11. - С. 117-120.
5. Полевщиков, Г. Я. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих пород на выделение метана из разрабатываемого пласта / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. Н. Козырева, О. В. Брюзгина // ГИАБ. - 2008. - № 2. - С. 139-143.
6. Полевщиков, Г. Я. «Деформационно-волновые» процессы в массиве горных пород при движении очистного забоя в угольных пластах / Г. Я. Полевщиков // ФТПРПИ. - 2013. - № 5. - С. 50-60.
7. Опарин, В. Н. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении / В. Н. Опарин, А. С. Танайно. - Новосибирск: Наука, 2011. - 258 с.
8. Опарин, В. Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В. Н. Опарин, А. П. Тапсиев, М. А. Розенбаум [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 278 с.
9. Курленя, М. В. Проблемы нелинейной геомеханики / М. В. Курленя, В. Н. Опарин // ФТПРПИ. -1999. - № 3. - С. 12-26.
10. Эттингер, И. Л. Метанонасыщенный угольный пласт как твердый метаноугольный раствор / И. Л. Эттингер // ФТПРПИ. - 1990. - № 2. - С. 66-72.
11. Алексеев, А. Д. Распад твердых углегазовых растворов / А. Д. Алексеев, А. Т. Айруни, И. Т. Зверев [и др.] // ФТПРПИ. - 1994. - № 3. - С. 65-75.
12. Малышев, Ю. Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю. Н. Малышев, К. Н. Трубецкой, А. Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000. - 519 с.
SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR METHANE INFLOW OF THE EXTRACTION SITE CONTROL TAKING INTO ACCOUNTTHE
GEOMECHANICAL PROCESSES Y. N. Kozyreva, M. V. Shinkevich, G. Y. Polevshchikov
Examples of technological decisions for the excavated coal seam and gob area methane inflow control fulfilled on the research results of high production extraction site methane inflow dynamics connection with development of nonlinear geomechanical processes in the rock massif are presented
Key words: MINE ROCK MASSIF, COAL SEAM, EXTRACTION SITE, NON-LINEAR GEOMECHANICS, METHANE INFLOW FORCAST, CONTROL
Полевщиков Гзннадий Яковлевич e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
Козырева Елена Николаевна e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
Шинкевич Максим Валериевич e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru
