CC BY
1
УДК 622.333:622.817.4
ОСОБЕННОСТИ ДЕГАЗАЦИИ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ СБЛИЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Е. В. Федоров, С. Б. Кулибаба
На основе результатов выполненных шахтных наблюдений при подземной разработке сближенных угольных пластов определен характер изменения параметров метановыделения в выработанное пространство. Путем сопоставления дебитов ме-тановыделения в дегазационные скважины установлены их отличия для условий неразгруженного и разгруженного (предварительно надработанного) участков углепород-ного массива.
Ключевые слова: угольный пласт, выработанное пространство, предварительная разгрузка, дегазация, дебит метановыделения, изменение параметров.
Увеличение интенсивности подземной разработки газоносных угольных пластов на метанообильных шахтах сопровождается существенным ростом метановыделения в горные выработки, что повышает риски возникновения аварийных ситуаций [1 - 3]. При этом на долю метановыделения в выработанное пространство приходится до 80...90 % всего абсолютного метановыделения выемочного участка [4, 5].
Для снижения метановыделения в выработанное пространство выемочного участка и предотвращения его выноса в действующие горные выработки в дополнение к применяемым схемам проветривания предусматривается комплексная дегазация выработанного пространства, которая в соответствии с [6] обязательна, когда концентрация метана в газопроводах и газодренажных выработках превышает 3,5 %.
Шахта им. С. М. Кирова АО «СУЭК-Кузбасс» отрабатывает сближенные пласты Болдыревский и Поленовский, мощность междупластья составляет 39 м. Пласты относятся к сверкатегорийным по метану - природная газоносность на достигнутых глубинах превышает 20 м3/т. Вышележащий пласт Болдыревский отрабатывается с опережением нижележащего Поленовского на четыре выемочных столба - 1300 м. Указанный порядок отработки пластов угля в значительной степени определяет интенсивность метановыделения на выемочных участках и дебиты каптируемого метана.
В табл. 1 приведены параметры метановыделения в очистное и выработанное пространства отрабатываемых пластов за последние пять лет.
Сравнительные показатели метанообильности выемочных участков пластов свидетельствуют о том, что при близких величинах параметров метановыделения в очистное пространство (Ли), метановыделение в выработанное пространство (Лп) у нижележащего пласта Поленовский в четыре раза ниже, чем у ранее отработанного в условиях нетронутого массива
пласта Болдыревский. Основная причина этого - ведение очистных работ по пласту Поленовский в зоне опережающей его надработки вышележащим пластом, когда основной объем метана из сближенных пластов и междупластий уже удален в результате дегазации выработанного пространства пласта Болдыревский [7 - 9].
Таблица 1
Средние значения показателей метановыделения на выемочные участки отрабатываемых пластов
Наименование Пласт Болдыревский Пласт Поленовский
Средний дебит метановоздушной смеси в исходящей струе, м3/мин 1614 1427
Средний дебит метановыделения в очистное пространство Ли, м3/мин 8,59 6,29
Средняя концентрация метана в исходящей струе, % 0,52 0,46
Средний дебит метановоздушной смеси, отводимой из выработанного пространства, м3/мин 1327 942
Средний дебит метановыделения в выработанное пространство Jви, м3/мин 173,8 41,6
Средняя концентрация метана в метановоз-душной смеси, отводимой из выработанного пространства, % 13,2 4,7
В соответствии с [10] 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).
Рассмотрим основные схемы и параметры дегазации выработанных пространств отрабатываемых пластов. Дегазация выработанных пространств пластов в соответствии с [11] осуществляется по следующим основным схемам: 1) скважинами, пробуренными над куполом обрушения пласта: а) с земной поверхности, б) из фланговой выработки, в) из параллельной выработки, охраняемой целиком, и 2) с помощью газоотсасываю-щих установок из погашаемых выработок и трубопроводов, заведенных за перемычку.
Остановимся подробнее на особенностях дегазации выработанных пространств при отработке в 2023 г. лавы 24-64 по пласту Болдыревский и лавы 25-99 по пласту Поленовский. Для этого сравним показатели работы скважин, пробуренных над куполом обрушения из фланговых выработок, и из параллельных выработок, охраняемых междулавным целиком, поскольку, при прочих равных условиях, именно их работа наиболее полно характеризует различие процессов метановыделения в выработанное пространство пластов, отрабатываемых в неразгруженном и разгруженном (надработанном) углепородном массиве.
На рис. 1, 2 представлены схемы расположения указанных дегазационных скважин по пластам Болдыревский и Поленовский.
Дегазационные скважины из фланговых выработок (газодренажные штреки) пробурены станками направленного бурения "СБ 1000 глубиной до 350.400 м, диаметром 96 мм, угол наклона 6.10°. Скважины из параллельных выработок (вентиляционные печи следующих выемочных столбов) пробурены станками БУГ 200 глубиной 70 м, диаметром 93 мм, под углом 17°. Скважины были пробурены с таким расчетом, чтобы их забой находился на расстоянии приблизительно 14.15 м над кровлей пластов и оставался вне зоны полного обрушения пород кровли после прохода лавы.
В табл. 2 представлены результаты работы дегазационных скважин, пробуренных над куполом обрушения из горных выработок.
Как следует из табл. 2, показатели и эффективность работы дегазационных скважин в кровле выработанного пространства у пласта Поленов-ский на порядок и более превышают аналогичные показатели ранее отработанного на этом участке пласта Болдыревский при одних и тех же схемах расположения скважин над куполом обрушения.
Таблица 2
Результаты работы дегазационных скважин, пробуренных
над куполом обрушения из горных выработок
Наименование Пласт Болдыревский лава 24-64 Пласт Поленовский лава 25-98
Средний дебит метановоздушной смеси, отводимой из выработанного пространства одной скважиной, м3/мин 0,9*/0,5** 1,2*/1,7**
Средний дебит метана J, отводимого из выработанного пространства одной скважиной, м3/мин. 0,03*/0,02** 0,56*/0,96**
Средняя концентрация метана в каптируемой метановоздушной смеси, % 3,51*/3,8** 46,2*/55,5**
Примечания. * - для метановоздушной смеси, отводимой из дегазационных скважин, пробуренных над куполом обрушения из фланговой выработки; ** - для метановоздушной смеси, отводимой из дегазационных скважин, пробуренных над куполом обрушения из параллельной выработки, охраняемой целиком
Рис. 1. Схема расположения дегазационных скважин в кровле пласта Болдыревский на выемочном участке лавы 24-64
Рис. 2. Схема расположения дегазационных скважин в кровле пласта Поленовский на выемочном участке лавы 25-98
На рис. 3 представлен график изменения дебита J каптируемого метана в дегазационные скважины, пробуренные над куполом обрушения из фланговых выработок - газодренажных штреков 24-04 и 25-04. На графике
показаны временные интервалы t (в месяцах) работы дегазационных скважин: ¿=-3,5 - окончание бурения и подключение к дегазационной сети; t=0 - запуск лавы в работу; ¿=+2 - отключение скважин.
Из графика следует, что метановыделение в скважины, пробуренные над куполом обрушения пласта Поленовский в разгруженном массиве, на порядок и более превышает соответствующий показатель для пласта Болдыревский, где скважины бурились в неразгруженном массиве. Начало работы лавы (1=0) ведет к некоторому снижению метановыделения в скважины по обоим пластам, однако, в силу протяженности скважин и их расположения относительно очистного забоя, его подвигание не оказывает существенного влияния на процессы метановыделения.
На рис. 4 представлены графики изменения дебита J метановыделе-ния в скважины, пробуренные над куполом обрушения из параллельных выработок - вентиляционных печей 24-65 и 25-99, за периоды после начала выделения метана ¿1. Работа представленных на графике кустов дегазационных скважин осуществлялась в среднем на протяжении трех месяцев. При этом в период ¿1=0,7 - 0,8 мес. кусты скважин находились в створе очистного забоя лавы.
Рис. 3. Изменение дебита 1 каптируемого метана скважинами, пробуренными из газодренажных штреков 24-04 и 25-04
Из графика следует, что как и для дегазационных скважин (рис. 3), метановыделение в скважины по пласту Поленовский (рис. 4, а) более чем на порядок превышает показатели вышележащего пласта Бол-дыревский (см. рис. 4, б). Единственное различие состоит в том, что для скважин по пласту Болдыревский после прохода лавы в зоне разгрузки от горного давления отмечается резкий (в 8 - 10 раз) рост метановыделения на протяжении 3-4 недель. Для таких же скважин, расположенных в разгруженном опережающей надработкой углепородном массиве пласта По-леновский, пересечение очистным забоем створа расположения кустов скважин практически никакого влияния на дебит каптируемого метана не оказывает - он продолжает плавно снижаться, оставаясь при этом, как указывалось, существенно выше показателей для пласта Болдыревский.
Такое различие в характере метановыделения в дегазационные скважины, пробуренные над куполом обрушения отрабатываемых пластов, связано с существенным отличием в напряженно-деформированном состоянии углепородного массива сближенных пластов и их газопроницаемостью [12 - 14].
■Л 1,2
0,8 0,4
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Г15 мес.
а
•Л 0,04
0,02
б
Рис. 4. Изменение дебита каптируемого метана скважинами, пробуренными из вентиляционных печей: а - 25-99; б - 24-65
м7мин. • • • • • • •
|—I—; • • * * * • • • •
• ; 1 • ! :
* • • • • • I
I
м7мин. • •
• ? 1 \ •
• • 1 1 • • • • •* • а* • : » ».___ • • • • • • м •-
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 /„мес.
В условиях опережающей надработки работа дегазационных скважин пласта Поленовский осуществляется в разгруженном от горного давления углепородном массиве, который характеризуется интенсивной трещинова-тостью, а следовательно, и повышенной газопроницаемостью. Именно этим обстоятельством и объясняется тот факт, что, несмотря на частичную дегазацию междупластья при отработке вышележащего пласта, каптаж метана в скважины над куполом обрушения пласта Поленовский более, чем на порядок превышает соответствующие показатели для сближенного вышележащего пласта Болдыревский.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурин А.Н. Прогноз абсолютной метанообильности очистных и подготовительных участков угольных шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 1. С. 89-101. EDN YTFWXT.
2. Ютяев Е.П. Проблемы совершенствования технологии пластовой дегазации в условиях интенсивной разработки. // ГИАБ (научно-технический журнал). 2015. № 7. С. 253-261.
3. Обоснование теоретической модели метаноопасной шахты для решения прогнозных задач на примере шахт Кузбасса / Г. В. Стась, Д.Н. Шкуратский, В.Г. Шехманов, В. Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып. 2. С. 443-454. EDN VCNKIY.
4. Разработка и совершенствование технологии пластовой дегазации для эффективной и безопасной отработки угольных пластов / С.В. Сластунов, Е.П. Ютяев, Е.В. Мазаник, А.П. Садов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 11 (специальный выпуск 49). С. 13 - 22.
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. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности Инструкция по аэрологической безопасности угольных шахт. Приказ № 506 от 08.12.2020 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.
7. Забурдяев В.С., Малинникова О.Н., Трофимов В.А. Метано-обильные шахты: добыча угля, газовыделение, метановая опасность. Калуга: Изд-во «Манускрипт», 2020. 334 с.
8. Защитные пласты / И. М. Петухов [и др.]. Л.: Недра, 1972. 424 с.
9. Малышев Ю.Н., Айруни А.Т. Комплексная дегазация угольных шахт. М.: Изд-во Академии горных наук, 1999. 327 с.
10. 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.
11. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности Инструкция по дегазации угольных шахт. Сер. 05. Вып. 22. М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. 250 с.
12. Федоров Е.В., Кулибаба С.Б. Исследование влияния предварительной надработки пласта на метановыделение // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып. 2. С.431-442.
13. 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.
14. 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.
Федоров Евгений Вячеславович, канд. техн. наук, зав. отделом, [email protected], Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН,
Кулибаба Сергей Борисович, д-р техн. наук, проф., вед. научн сотр., [email protected], Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. Н. В. Мельникова РАН
FEATURES OF THE GOAFS DEGASSING OF ADJACENT COAL SEAMS
E. V. Fedorov, S. B. Kulibaba
Based on the results of mine observations during underground mining of superimposed coal seams, the nature of changes in the parameters of methane emission into the goaf was determined. Based on the comparison of methane discharge rate into degassing wells, their differences for the conditions of undisturbed territory and preliminarily overworked sections of the rock mass were established.
Key words: coal seam, the goaf, preliminary unloading, degassing, methane discharge rate, parameters changing.
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,
Kulibaba Sergey Borisovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, kulibaba_s@,ipkonran.ru , Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences
Reference
1. 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. EDN YTFWXT.
2. Yutyaev E. P. Problems of improving the technology of plate degassing in conditions of intensive development. // GIAB (scientific and technical journal). 2015. No. 7. pp. 253-261.
3. Substantiation of the theoretical model of a methane-hazardous mine for solving predictive tasks on the example of Kuzbass mines / G. V. Stas, D. N. Shkuratsky, V. G. Shekhmanov, V. L. Rybak // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2023. Issue. 2. pp. 443-454. EDN VCNKIY.
4. Development and improvement of the technology of formation degassing for effective and safe mining of coal seams / S. V. Slastunov, E. P. Yutyaev, E. V. Mazanik, A. P. Sadov // Mining information and analytical bulletin. 2018. No. 11 (special issue 49). pp. 1322.
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. Federal norms and rules in the field of industrial safety Instructions for the aero-logical safety of coal mines. Order No. 506 dated 08.12.2020 of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision.
7. Zaburdyaev V. S., Malinnikova O. N., Trofimov V. A. Metallurgical mines: coal mining, gas emission, methane hazard. Kaluga: Manuscript Publishing House, 2020. 334 p.
8. Protective layers / I. M. Petukhov [et al.]. L.: Nedra, 1972. 424 p.
9. Malyshev Yu. N., Ayruni A. T. Complex degassing of coal mines. Moscow: Publishing House of the Academy of Mining Sciences, 1999. 327 p.
10. 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 "STC research on industrial safety problems", 2010. 152 p.
11. Federal norms and rules in the field of industrial safety Instructions for degassing coal mines. Ser. 05. Issue. 22. Moscow: Closed Joint Stock Company "Scientific and Technical Center for Research on industrial safety problems", 2012. 250 p.
12. Fedorov E. V., Kulibaba S. B. Investigation of the effect of pre-production of a reservoir on methane release // Izvestiya Tulsko-go State University. Earth Sciences. 2023. Issue. 2. pp.431-442.
13. Assessment of the geomechanical state of the coal-bearing massif of the dredging 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.
14. 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.
УДК 622.016, 624.19.03
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАССИВА ГРУНТА И ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ КРУГОВОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ, СООРУЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ЗАЩИТНОГО ЭКРАНА ИЗ ТРУБ
С.В. Анциферов, О.В. Трещева
Приведены основные теоретические положения, использованные при математическом моделировании взаимодействия массива грунта и обделки тоннеля кругового поперечного сечения, сооруженного под защитой экрана из труб закрытым способом в непосредственной близости от земной поверхности. Выполнена постановка и получено аналитическое решение плоской задачи теории упругости о равновесии геомеханической системы, включающей весомую полубесконечную область, содержащую произвольно расположенные сплошные шайбы и подкрепленное кольцом круговое отверстие, моделирующие массив грунта, поперечные сечения труб защитного экрана и обделку тоннеля. Граничные условия задачи отражают действие гравитационных сил в массиве и наличие полного контакта на границах областей с различными деформационными характеристиками. Для решения задачи использована теория функций комплексного переменного, математический аппарат комплексных потенциалов Колосова - Мусхелишвили и рядов Лорана. Данное решение, позволяющее определять компоненты тензора напряжений в любой точке каждой из рассматриваемых областей, положено в основу метода обделок тоннеля, сооруженного с применением защитного экрана из труб.
Ключевые слова: тоннель мелкого заложения, обделка, защитный экран из труб, теория упругости, плоская задача, потенциалы Колосова - Мусхелишвили, напряжения
Опережающее крепление (обустройство защитных экранов) эффективно при строительстве тоннелей мелкого заложения закрытым способом в сложных горно-геологических условиях, непосредственно под существующими транспортными - железнодорожными или автомобильными -магистралями или на застроенной городской территории, когда применение открытого способа невозможно или затруднительно [1, 8 - 11, 18, 23, 24]. Применение таких технологий позволяет существенно уменьшить осадки земной поверхности, способствует безопасному выполнению проходческих работ в слабых грунтах и обеспечивает устойчивость окружающего грунтового массива. Очевидно, что использование защитных экранов в качестве элементов предварительного крепления оказывает существен-
