Оперативные оценки газовыделения на выемочном участке в зависимости от нагрузки на забой Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК [[622.411:622.274.3]:622.445](083.75)

В.Т. Преслер

ОПЕРАТИВНЫЕ ОЦЕНКИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ НА ВЫЕМОЧНОМ УЧАСТКЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАГРУЗКИ НА ЗАБОЙ

Переход на интенсивные технологии добычи угля с применением высокопроизводительных добычных комплексов с нагрузкой на забой 10000-20000 т/сут в значительной мере усиливает динамику аэрогазовых процессов на выемочных участках, в целом, и в очистных выработках, в частности. Отсутствие надежных методов прогноза их газовыделения в условиях быстро меняющихся во времени ситуаций, обусловленных изменениями газокинетических свойств пласта по трассе очистной выработки и увеличением нагрузок на забой в несколько раз, осложняет и замедляет процесс внедрения новых технологий добычи угля в действующих шахтах. Угольные шахты с высокопроизводительными забоями оснащаются мощными системами контроля состояния рудничной атмосферы, в основном зарубежного производства, возможности которых по обработке больших потоков оперативной информации, поступающей в режиме реального времени, просто не используются из-за отсутствия соответствующего методического, а значит, и программного обеспечения. В этой связи разработка надежных методов прогноза газообильности очистных выработок, опирающихся на оперативные данные и способы их эффективной обработки, позволяющие извлекать максимум информации о динамике картины аэрогазового состояния с целью ее прогноза на последующие периоды отработки выемочного столба с учетом увеличения нагрузки на забой, является актуальной задачей. Ее решение облегчается в условиях применения способа комбинированного проветривания выемочных участков и полей, основанного на эффекте аэрогазоди-намической изоляции атмосферы действующих горных выработок от интенсивных источников газовыделения в выработанном пространстве.

Следует отметить, что использование комбинированных схем проветривания с применением газоотсасывающих вентиляторов позволяет разграничить вклад отдельных источников газовыде-ления - разрабатываемый пласт в очистную выработку, под- и надработанный массивы - в выработанное пространство. При этом создаются надежные условия раздельного прогноза тенденций в развитии картин аэрогазового состояния в целом

по выемочному участку и картин газовыделения из его источников.

Оперативный прогноз газовыделения на выемочном участке опирается на верхние оценки газовыделения при условии слабой изменчивости газокинетических и геомеханических свойств разрабатываемого пласта на текущем этапе отработки выемочного столба. Получим эти оценки, опираясь на простые базовые модели газовыделения из разрабатываемого пласта и отбитого и транспортируемого угля.

Будем моделировать процесс газовыделения через единичную поверхность забоя посредством функции вида [1]:

/ ч -в '({~т)

Чп = Чп (і - т) = Чп,0 ■е п , (1)

где Цп - удельное газовыделение, м3/мин.м2,

- мгновенное удельное газовыделение, м3/мин.м2, /Зп - показатель спада газовыделения, 1/час, і -текущее время, отсчитываемое от начала снятия стружки, час, т - момент образования новой поверхности в результате снятия стружки на расстоянии 1(т) от начала лавы, м. Расстояние до некоторой точки очистного забоя и время прихода в нее комбайна (рис. 1) связаны соотношением

т = у ■ т ■ к ■ I(г)/А, (2)

где у - плотность угля, т/м3, т - вынимаемая мощность пласта, м, А - нагрузка на забой, т/час.

I

НЕ - зона ГД

Рис. 1. Расчетная схема

В соответствии с (1) и (2) газовыделение с поверхности забоя на текущий момент времени составит

1„() = m %„0.е-'-’"МО-'(т)))А &/(т)

'(г)- Ь

(3)

где 1п - газовыделение с поверхности забоя,

м

!/мин, I - расстояние, пройденное комбайном

за

время I, м, Ь - длина лавы, м.

При постоянных по длине лавы параметрах выражение (3) приводится к виду

1п () = Зь01±(1 - е-р„ ). (4)

У-Рп

Из (4) следует, если величины qn,o , Рп и А постоянны, то газовыделение из пласта постоянно в течение всего периода снятия стружки Т и равно

утЬЬ

1 п (Т ) = (1 - * - впТ

Урп к

Т =

(5)

Согласно уравнению баланса (рис. 2)

ап = вд

24

вп = 60 | Чп,0'е -вп'- &

вд = 05 У" Ьд,24 - Х0)

получим оценку отношения

Чп,0 у - Ьд,24 ' (( - Х0 )

(і - е - 24 Рп )

(6)

Рп 120 (1 - е

где вп - удельное газовыделение с поверхности остановленного на сутки забоя, м3/м2, вд - количество газа, выделившегося через 1 м2 поверхности из зоны газового дренирования (ГД), аппроксимируемой прямой линией, м3/м2, Ьд,24 - протяженность зоны ГД, развиваемая за сутки при остановленном забое, м, X, Хд - природная и остаточная газоносности пласта, м3/т, множитель 60 приводит в соответствие размерности величины удельного газовыделения и времени.

При известном газовыделении с поверхности разрабатываемого пласта, например, известном его среднем значении 1п за период снятия струж-

Чп,0

Чп,24

к

ап

!~ ^>

"д,24

24 часа

Рис. 2. Баланс газовыделения с поверхности забоя

ки, формулы (5), (6) позволяют получить оценку

показателя его спада. Полагая, е -24рп «1, получим

Рп = 1^п

I

0

120 к

Т І00 — I п

Если известны величины Чп0 , Чп,24 , то 120 Чп,0 - Чп,24

рп =

У ■ Ьд,24 Х - Х0

где Чп,24 - удельное газовыделение с поверхности забоя через сутки после его остановки, м3/мин.м2.

Процесс газовыделения из транспортируемого угля моделируем аналогично газовыделению с поверхности забоя. При этом полагаем, что отбитый уголь практически сразу погружается на транспортер. Тогда получим

Чт = Ят (тт ) = Ят,0^е т , (7)

где Чт - удельное газовыделение через поверхность транспортируемого угля, м3/мин.м2, Цт,0 -

его мгновенное удельное газовыделение, м3/мин.м2, Рт - показатель его газоистощения,

1/час, Тт - время, прошедшее с момента отбойки некоторой массы угля.

На основании выражения (7) газовыделение через общую поверхность кусков отбитого и транспортируемого угля на момент времени і составит

Іт (і )= | Чт,0 ■ Є~РтТт Я*, (8)

(8 )

где 1т - газовыделение из всей массы угля, распределенного по транспортеру, м3/мин, Я* - элементарная его поверхность, м2, (8) - общая по-

2

верхность всех кусков угля на транспортере, м .

Элементарную поверхность определим следующим образом. Пусть за время тт отбито и перегружено на транспортер N кусков угля со средним радиусом г. Тогда их общая поверхность 8 и объем V составят

8 = 4пг2N, V = N = 3АТт

3

7

4пг3 у

(9)

Согласно (9), исключая параметр N получим формулу для расчета общей поверхности

ЗА ■ т

8 = ^ т

г ■ у

Дифференцируя выражение (10), получим

Я* = — ■Ят = — ^1т (тт),

(10)

(11)

Г■ У г■ У Vт

где 1т - расстояние, пройденное транспортером за время тт, м, vm - скорость транспортера, м/час.

С учетом (11) выражение (8) запишется

Ьт

1 т (і) = -3- \А ■ Чт,0 ■ е~Рт 1т (т У^ Я1т (тт )

^тУ 0

(12)

где Ьт Ьш +

А^і

- протяженность пути

у ■ т^к

транспортировки, м, Ьш - длина конвейерного штрека, м.

Для постоянных параметров А, дт,0, Рт выражение (12) запишется

Іт (і )= З3т-^- -1 — е—рт ( + Т )), (13)

У ■ Рт ^

где Тш = Ьш/Vm - время транспортирования угля через конвейерный штрек, час,

А і - время транспортирования

Тк =-- - время транспортирования

у ■ т^к^т

угля через призабойное пространство от положения комбайна на момент времени і, час.

Согласно (13), своего максимального значения газовыделение из транспортируемого угля достигает при полном снятии стружки, когда протяженность пути транспортирования максимальна и составляет Ьш+Ь , что соответствует максимальному периоду транспортирования Тт=(Ьш+Ь)^т . С учетом этого получим

І (Т )= Зqm, ()■ А 1 — е - Рт Тт )

т[1т) У ■Рт ■г 1 е ’.

(14)

Для оценки величины qm,0 / Рт воспользу-

емся результатами работы [2], согласно которых газоистощение куска угля наступает в пределах 3х часов с момента отбойки. Тогда по аналогии с уравнением баланса и выражением (6) получим 5 4

60 4жг2дт,0 |е-вт7 Л = 55пг3у(хт - Xт,0 )

0

где Ут,0 = кх ■У , кх < 002 химически связанного метана, м3/т.

(15)

количество

к

2Ь

д,Т

-(X-У0), к < Ьд,

д,Т

1

(16)

д,Т

2к

(-У0) к >ЬдТ

где ут - газосодержание куска угля, м3/т, рассчитывается с учетом газоистощения зоны снятия стружки за период времени Т, Ьд, т - протяженность зоны ГД, развиваемая за период снятия стружки.

С учетом (14) и малости величины е

-зрт

выражение (15) дает оценку Чт,0 = У ■ Г

Рт

180

[кт (У - У0 )-кхУ ]

к — Лт

к

2Ь

д, Т

1 -

д Т

2к

к < Ьд , Т к > Ьд,Т

(17)

Развитие зоны ГД подчиняется закону экспоненциального насыщения [1]

Ьд = Ь

тах

■1 - е-а■1)

(18)

где Ьтах - максимальная протяженность зоны ГД, достигаемая при длительной остановке забоя, м, а - показатель ее роста, 1/час. Тогда, в соответствии с (18), параметры Ьд, т , Ьд, 24 определятся при t = Т и 7 = 24 часа.

Оценим, какую долю составляет газовыделе-ние из транспортируемого угля по отношению к газовыделению с поверхности забоя. С этой целью уравнение баланса применим для протяженности зоны ГД, развиваемой в течение периода снятия стружки. В этом случае на основании формул (5), (6), (14), (17) получим

Чп,0 = УЬд,Т У - У0

АЬ

, I(T) = Я^{X - Уо)

Рп 120 1 - е-РпТ

120к

= Іт = 2к кт ( - У0 )-кхУ 1 - е-РтТт

я = т =

I Ь

п

д,Т

У - У0

1-е

- 3 Р, (19)

Пренебрегая в (19) малыми величинами

кх - X, е 3 Рт и полагая Рт =1 (только в

этом случае обеспечивается малое значение вели-

-3 Р

чины е т ), получим

Я = кТ (/ - е Тт), кТ =

к

Ьд,Т 2 к

к < Ь,

Ь

-1, к > Ь.

д, Т

дТ

(20)

где кт - характеризует степень газоистощения пласта в пределах зоны снятия стружки за период ее снятия.

В соответствии с (20) доля газовыделения из транспортируемого угля в общем газовыделении из разрабатываемого пласта составит

I

Ят І +1

± т 1-і

т

Я

1 + Я'

(21)

- т 1 ^ п

На рис. 3 приведены графики изменения доли газовыделения из транспортируемого угля в зависимости от отношения протяженности зоны ГД, развиваемой за период снятия стружки, к ее ши-

2

рине и периода транспортирования. Как следует из анализа (20), (21) и графиков (рис. 3), с уменьшением протяженности зоны ГД, развиваемой за период снятия стружки, значение доли газовыде-ления из транспортируемого угля монотонно растет и составляет около 60% для Ьд,т =0.5И . Причем ее рост в большей мере зависит от отношения Ьд,т / к , чем от периода транспортирования Тт Если известно среднее значение газовыделе-ния из транспортируемого в пределах конвейерного штрека угля I т,ш , то из формул (14) и (17) с учетом предположений, сделанных при выводе формулы (20), следует оценка начального газосо-держания кусков отбитого угля Хт

X

601

т

(22)

Л\1 - е

где Тт,з - время транспортирования угля через все призабойное пространство.

Следует отметить, что использование в формулах значения газоносности пласта Х справедливо в том случае, если за период снятия стружки протяженность зоны ГД не превышает ее ширины. В противном случае вместо величины X следует использовать величину кгХ , в которой через поправочный коэффициент учитывается газоисто-щение пласта за зоной снятия стружки

к г -

1,

1 —

(к, т — к)

2И-Ь,

'д, Т

Ьд, Т < к

к < Ьдт < 2Н'

(23)

^ 2Ьд, т

Оценка величин Iп, Іт,ш для комбинированных схем проветривания выемочного участка производится по оперативным данным мониторинга аэрогазовой обстановки, регистрируемых датчиками метана. Концентрация метана измеряется на исходящей струе, в 10-20 м от очистного забоя и на газоотсасывающем вентиляторе (рис. 4). Полагая, что разрабатываемый пласт отдает газ в выработанное пространство пропорционально коэффициенту воздухораспределения

кр, запишем аэрогазовый баланс выемочного участка (рис. 4) :

Іи — Іт,ш ^ I1 — кр)12 , 1т — 1т,з ^ 1т,ш , Іи +1ВЦГ — 1 п +1 т +1ВП +1 вх ,

Оби - Овх — Ои , І1 -Т — кр ) ■ І2 ,

12 — Іп ^Іт,з ^Івх, 11 — С ■ 0и , (24) где І и — Си ■ Ои - расход метана на исходя-

д,Т

Рис. 3. Доля газовыделения

щей струе, м3/мин, Івх — Свх ■ 0вх - газосодер-жание в смеси, подаваемой в очистной забой, м3/мин, І би - газовыделение из под- и надрабо-танных массивов в выработанное пространство, м3/мин, Ібцг — Сбцг ■ Оби - расход метана в

газоотсасывающей скважине, м3/мин, І1 - расход метана, поступающий в конвейерный штрек, м3/мин, Іп, Іт,з, Іт,ш - газовыделение со всей поверхности забоя и из транспортируемого в пределах забоя и конвейерного штрека угля, м3/мин, С, Си, С бцг - концентрации метана, измеряемые датчиками в 10-20 м от забоя, на исходящей струе и газоотсасывающем вентиляторе, %, 0вх, 0и, Оби - расходы воздуха на входе в очистной забой, на исходящей струе и в выработанном про-

1,5

5Л

0,5

0

5І

0,5 1 1,5 2

Рис. 5. Прогноз газовыделения в очистной выработке в зависимости от нагрузки

странстве, м /мин.

В результате решения системы (24) получим

І ——— п 1 — к г

+ do (І — Іи )— Івх, d0 —

— 1 — Іо 1 — к р )

1тш — ~1~ т /7 1 \*и

1 + Іо І — кр)

1 т, ш

І би — І и + І

бцг

І т, ;

і—С8и_

1 — С

{і + Іо ^)І т , ь

(25)

Оценку значения величины йо , характеризующую отношение газовыделения из транспортируемого угля в зоне очистного забоя и конвейерного штрека, получим, используя формулу (14), полагая, как и прежде, Рт =1 ,

Т

е -1

йо =--------_^~. (26)

1 _ е т ,ш

Для сверки расчетных величин используем уравнения, описывающие аэрогазодинамику в зоне расположения датчика, устанавливаемого в 10-20 м от забоя

йС

V-

І п +І т +ІВИ +І вх — І и — І

бцг

,(27)

а для определения объема этой зоны V используем это же уравнение (27), но для остановленного забоя, когда газовыделение из транспортируемого угля равно нулю. В случае движущегося забоя уравнение (27) позволяет оценить суммарный вклад источников газовыделения - поверхности забоя, транспортируемого угля, под- и надрабо-танного массива.

Для практического использования весьма важен прогнозирующий аспект полученных оценок газовыделения (5) и (14), особенно их применение для оценки газовыделения в очистной выработке для повышенных нагрузок на забой и, в частности, максимально возможной в конкретной горно-

технологической обстановке. В соответствии с (5) и (14) при условии неизменности газокинетических характеристик пласта получим систему:

І* — І

-1 т -1 пі

ІТ*)— / —І {т )

У пг / ,гт д Ат\±т)

їт —

1 — Є

-рт Т*

1—Є

-рт ■ Тт

т Л

Іп — Іп 1 )— /п —п {Т)

/п

І *

1 — Є—кТТ

Є

—к

1

ІТ1

1 + кТ

/—

Іп + Іт

к — рпТ,

Л *

— /п. / — І {Т ),

1 — Є

тт

,—рт ■ Тт

(28)

1 + кт ■ ( / — е

где Л , Т - планируемая повышенная нагрузка на забой, т/час, и соответствующий ей период снятия

*

стружки, час, Т т - период транспортирования

*

угля для повышенной нагрузки, час, I, I - теку-

щее и прогнозируемое газовыделение в очистном забое, м3/мин.

Работу прогнозных оценок (28) иллюстрирует рис. 5. Графики демонстрируют относительное изменение газовыделения из его источников и в целом по выработке

(а„ = г„/1„, а’т = С,/1т, а=Г/1)

в зависимости от соотношения планируемой и

текущей нагрузок ал = л*/л . Графики газо-выделения в целом по выработке получены при следующих параметрах.

Серия графиков под номером 1:

к=1; рт=0.5; кТ=0.25...3; Тт=1...2 .

Серия графиков под номером 2:

к=0.2; рт=0.5...1.5; кТ=0.25...3; Тт=2 .

2

1

При этом полагалось уменьшение периода транспортирования в два раза.

Из формального анализа функций / /п, /т , учитывающего физический смысл входящих в них параметров и подтверждаемого графическими иллюстрациями (рис. 5) следует.

1. Оптимальным значением показателя га-

зоистощения кусков угля является Рт=1 . Согласно (6) это значение дает 95% газоистощения за 3 часа. Для сравнения, Рт=1.5 дает более 99% газоистощения, что превышает физическую границу, обусловленную химически сорбированным метаном, составляющим менее 2% от природной газоносности пласта.

2. Верхним значением функции/т является /т =1 . В действительности это значение завышено. Так для реальных периодов транспортирования угля Тт и технологических условий их снижения при возрастании нагрузок на забой ее значение гораздо меньше единицы. В частности, при повышении нагрузки в два раза (А /А=2 ) и

Как видно из цифровых данных, с уменьшением периода транспортирования угля все меньше сказывается увеличение нагрузки на забой.

3. Для монотонной функции / вне зависимости от коэффициента кт справедливо неравенство /т < / < 1, но поскольку в качестве оценки

функции/т использована единица, то и /=1.

4. Полагая в (1) /3„=0.1 , Рп=0.2, для остановленного на сутки забоя получим снижение газовыделения с его поверхности до величин менее 9 и 1% соответственно. Явно показатель р„=0.1 предпочтительней, поскольку дает вполне реальное снижение газовыделения. Будем полагать, что это значение является его нижней границей. С другой стороны, функция/п =/п (к), где к=Р„Т, Р„ >0.1 , при любых к и Т <Т, удовле-

творяет условию: Т /Т</п <1, а ее максимальное значение 1 достигается для к^оо , не имеющего физического смысла. Вследствие этого требуется дополнительный анализ для установления верхней физически приемлемой границы /п . Рассмотрим поведение этой функции при росте нагрузки на забой в два раза (А /А=2) и, соответственно, сокращении периода снятия стружки в два раза (Т /Т=0.5). В этом случае имеем_________________

Т, час 10 5 1

/п 0,63 0,56 0,5

ГгДп 1,26 1,12 1

Прирост газообиль-ности, % 26 12 0

Из цифровых данных следует, что оценка / =

0,63, полученная для Т = 10 часам, вполне может быть использована в качестве верхней оценки, хотя взятый за основу период явно завышен. В то же время она мало отличается от оценки, полученной при периоде Т = 5 часам, который соответствует забоям средней производительности. Эту же оценку /= 0,63) можно получить, если положить к = 1 (Р„Т=1 ). Таким образом, в качестве верхней границы функции /(к) принимаем /(1) .

Проведенный анализ позволяет получить обоснованные прогнозные оценки газовыделения в очистном забое при повышении нагрузки на забой, которые требуют минимального числа данных

С <А11т, 1'„ < 1,6А11п 1 -е-Т'1Т) ,

1* < 1,6А*.1.1 - е-Т'1Т ).

А у '

Интеграция полученных прогнозных оценок газовыделения в очистной выработке и статистического анализа и обработки оперативных данных по аэрогазовой обстановке на выемочном участке, полученных в ходе снятия серий стружек, позволяют разработать различные сценарии прогноза газообильности очистного забоя и выработки. Эти сценарии опираются на оценку текущего их состояния по фактическим данным и реализуются непосредственно в ходе отработки выемочного столба.

сокращении периода транспортирования угля в два раза (Тт / Тт =0.5 ) имеем__________________

Тт , час 2 1,5 1

ут 0,73 0,67 0,6

1 т •X т1 1,45 1,35 1,2

Прирост газообильности, % 45 35 20

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Преслер В.Т. Информационно-математическая среда прогноза газопроявлений в угольных шахтах. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. -228 с.

2. Алексеев А.Д., Айруни А. Т., Зверев И.В. и др. Распад твердых углегазовых растворов // Физикотехнические горные проблемы, 1994. - №3, - с. 65-75.

□ Автор статьи:

Преслер

Вильгельм Теобальдович

- докт.техн.наук, проф. каф. ИиАПС, ведущий научный сотрудник Института угля и углехимии СО РАН