CC BY
35
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ I И і ОХРАНА I ТРУДА» ; .
і
Ю.С.Воронюк, В.С. Пак,
^'С.Н. : Щеголев, 2660 ' :
УДК 622.4:622.8
Ю.С. Воронюк, В.С. Нак, С.Н. Щеголев
ОЦЕНКА ГАЗОВОЙ СИТУАЦИИ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ШАХТЫ «РАСПАДСКАЯ» ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ МЕТАНОБЕЗОНАСНОСТИ
пластов. Поэтому зависимости метановыделения абсолютная приведена к
П
оле шахты «Распадская» расположено в Томь-Усинском районе Южного Кузбасса. Шахтой отрабатывается пять пластов угля. Горные работы в настоящее время достигли глубины 300 м. Газовыделение на выемочных участках достигло 20 м3/мин и более.
При изучении характера изменения выделения метана с глубиной на выемочных участках рассматривались данные, полученные при отработке пластов в нисходящем порядке столбовой системой разработки с полным обрушением пород кровли лавами, оборудованными механизированными комплексами. Учитывались данные выемочных участков, работающих на пластах 10, 9, 7 и 6 и проветриваемых по возвратноточной схеме с направлением исходящей струи воздуха на массив угля. Суточная добыча лав составляла от 700 до 6100 т, что обусловило изменение в широком диапазоне относительной метанообильности от 3 до 25 м3/т суточной добычи угля. При этом метанообильность свыше 15 м3/т наблюдается на выемочных участках при нагрузке на лаву менее 1300 т/сутки.
С глубиной происходит постоянное увеличение дебита метана в исходящей струе воздуха выемочных участков. На пласте 10 с увеличением глубины работ со 165 до 215 м дебит метана возрос от 16400-19850 до 21100-23150 м3, на пласте 9 - со 125 до 260 м - от 12900-13700 до 2340028200 м3, на пласте 7 - со 145 до 290 м - от 16100-19700 до 31000-33100 м3, на пласте 6 - со 100 до 265 м - от 7650-10100 до 28700-31000 м3.
Длина лав, которая изменялась на шахте от 100 до 210 м, вынимаемая мощность, составляющая для отрабатываемых пластов от 3,6 до 4,9 м, а также непостоянная производительность лав обусловили различное абсолютное метановыделение в пределах выемочных участков на одинаковой глубине разработки
Рис. Изменение метановыделения на выемочных участках с глубиной разработки а - пласт 10, б - пласт 9, в - пласт 7, г - пласт 6;
1 - метановыделение из разрабатываемого пласта;
2 - то же, из выработанного пространства;
3 - общее метановыделение на выемочном участке.
при установлении изменения с глубиной метанообильность одному общему знаменателю - метановыделению при производительности лав 1000 т/сут. Это позволило получить зависимости изменения абсолютного
метановыделения на выемочных участках с ростом глубины отработки пластов (рисунок).
В целом в интервале глубины 150250 м метанообильность возросла при отработке пластов 10 и 9: разрабатываемого пласта - от 3,8 до 5,8 выработанного пространства -до 9,8 м3/мин, выемочного участка - от 8,5 до 15,6 м3/мин, а на соответственно 4,5-7,2, 7,0-13,0 и 12,2-20,8
м3/мин, от 6,0
пластах 7 и 6 м3/мин.
Отклонения значения метановыделения по пластам на одинаковой глубине разработки обусловливаются природной метаноносностью, по-скольку угольные пласты Распадского месторождения представлены двумя группами: газовыми и жирными, газоносность которых от пласта 10 к пласту 1 увеличивается на 4-5 м3/т [1]. Газоносность пластов 6 и 7 на 3-4 м3/т выше, чем газоносность пластов 10 и 9. Однако метановыделение из выработанного пространства при разработке пласта 10 соответствует выделению метана на пласте 7. Это обусловливается тем, что пласт 10 в
шахтном поле отрабатывается первым, одновременно дегазируя под- и надрабатываемую не тронутую работами угленосную толщу, что способствует большей метанообильности выработанного пространства.
Корреляционное поле точек (см. рисунок), характеризующее изменение метанообильности с глубиной, позволило выявить закономерности изменения газового баланса выемочных участков по мере роста глубины разработки. Зависимость изменения метанообильности выработок с глубиной описывается уравнением
I = Н /(А + ВН), (1)
где Н - глубина разработки пласта, м; А и В - эмпирические коэффициенты, значения которых для изучаемых условий приведены в табл. 1.
Метанообильность выемочных участков в интервале глубин 100-300 м характеризуется постоянным ее увеличением, но при этом интенсивность роста метановыделения с глубиной снижается, поскольку градиент метановыделения dг [(м3/мин)/м] изменяется в сторону своего уменьшения. В интервале глубин 200-300 м снижение величин градиентов составляет: для пластов 10 и
9 - соответственно от 0,036 до 0,035 и от 0,048 до 0,046 [(м3/мин)/м], пластов 7 и 6 - соответственно от 0,052 до Таблица 1
ЗНАЧЕНИЯ ЭМПИРИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ А И В
0,050 и 0,063 до 0,060 [(м3/мин)/м]. Полученные значения градиентов метановыделения в интервале глубин 200-300 м изменяются незначительно, и с дальнейшим углублением очистных работ они будут практически постоянными. В этом случае в интервале глубин 300-400 м зависимость (1) может быть аппроксимирована прямой линией. Тогда изменение метановыделения в диапазоне этих глубин можно представить зависимостью, выраженной формулой
1уч = 1н + ( Н - 300 ) 4, (2)
где 1н - метановыделение на выемочных участках пластов на глубине 300 м, м3/мин. Значения величин 1н и 4г приведены в табл. 2.
Корреляционное поле точек изменения абсолютной метанообильности выемочных участков с глубиной позволяет с достаточной точностью установить газовый баланс выемочных участков (см. рисунок). Выделение метана в пределах участков рассматривалось по двум основным источникам: разрабатываемому пласту и
выработанному пространству. При разработке пласта 6 в интервале изучаемых глубин 100-265 м выделение метана на выемочных участках возрастало от 6,7 до 21,3 м3/мин. При этом газовый баланс по источникам изменялся следующим образом: пласт - от 32 до 48%, выработанное
пространство - от 52 до 68% от общего метановыделения на участках.
На пласте 7, по которому очистные работы велись на глубине 145-290 м, метанообильность характеризовалась увеличением выделения метана от 10,8 до 20,7 м3/мин, а газовый баланс изменялся в таких пределах: разрабатываемый пласт - от 37 до 43 %, выработанное пространство - от 57 до 63 % от общего на участках.
Выемочные участки пласта 9, так же, как и пластов 6 и 7, характеризуются сравнительно одинаковой структурой баланса. Из разрабатываемого пласта 9 выделяется от 36 до 44 %, а из выработанного пространства - от 56 до 64 % от общего количества метана, которое на выемочных участках с увеличением глубины работ со 125 до 260 м составляло от 8,8 до 16,2 м3/мин.
На выемочных участках пласта 10 в интервале глубин 165-215 м газовый баланс отличается от баланса ниже залегающих пластов 9, 7 и 6. Выделение метана из пласта 10 здесь составляет от 33 до 38 %, из выработанного пространства - от 62 до 67 % от общего на участках, что обусловлено поступлением метана из под- и надрабатываемого горного массива.
Сопоставление данных о газовыделении на выемочных участках показывает, что абсолютная величина дебита метана в них обусловливается не только газоносностью угольных пластов, но и нагрузкой на очистные забои. По мере увеличения нагрузки на лаву возрастает выделение метана в исходящей струе воздуха участка. Влияние нагрузки очистных забоев на изменение метановыделения на выемочных участках оценивается зависимостью
I уч а + Ь -Ас ,
(3)
Таблица 2
ЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН 1н И Рг
Величина Значения величин для пластов
10 9 7 6
1н, м3/мин 18,0 18,0 20,8 22,5
ёг, (м3/мин)/м 0,035 0,046 0,050 0,060
Разраба- тываемый Значение коэффициентов, характеризующих изменение метановыделения
пласт по выемочному участку из выработанного пространства из разрабатываемого пласта
А В А В А В
10 11,7 0,004 17,1 0,009 38,4 0,001
9 10,0 0,014 19,0 0,015 22,6 0,870
7 10,8 0,023 22,7 0,010 22,3 0,050
6 9,3 0,016 16,6 0,017 22,0 0,051
Таблица 3
ДОПУСТИМАЯ НАГРУЗКА НА ЛАВЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАСХОДА ВОЗДУХА НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ
Расход воздуха Нагрузка на очистной забой (т/сут) при разработке
на выемочном пласта 10 на глубине, м пласта 9 на глубине, м пласта 7 на глубине, м пласта 6 на глубине, м
участке, м3/мин 350 400 350 400 350 400 350 400
2000
2100 1070 Область, в которой возможности вентиляции
2200 1920 1450 при производительности лав 1000 т/сут и более
2300 2770 1090 2300 исчерпаны
2400 3630 1830 3160 1240 1020
2500 4480 2560 4010 1970 1880
2600 5340 3290 4870 2700 2730
2700 6190 4020 5720 3440 3590 1460 1280
2800 7050 4760 6580 4170 4440 2190 2130
2900 7900 5490 7430 4900 5290 2930 2990
3000 6200 8290 5640 6150 3660 3840 1090
3100 6950 6370 7000 4390 4700 1830
3200 7690 7100 7800 5120 5500 2560
3300 8400 7800 8720 5860 6400 3290
3400 8570 6500 7260 4000
3500 7300 8110 4760
3600 8060 5490
3700 Область, в которой нагрузка на очистной забой 6200
3800 возможна более 5000 - 8000 т/сут 6950
3900 7690
где Ас - нагрузка на лаву, т/сут; a - начальная величина
м3/мин
b
эмпирический
выделения метана, коэффициент.
Существует пропорциональная зависимость изменения значения коэффициента "Ь" от глубины разработки пластов, которая описывается формулой
Ь = 3,9 • 10-6 (Н - 50) (4)
Зависимость (4) дает возможность определять влияние нагрузки на метановыделение при разработке пластов на глубине от 300 до 400 м. В этом случае зависимость (3) можно представить формулой
I уч = !н + 3,9 • 10'(
(5)
’ ( Н - 50 ) Ас,
Выполненные расчеты по определению изменения метановыделения на выемочных участках при увеличении нагрузки на лавы от 1000 до 5000 т/сут показали, что при разработке пластов на глубине 300-400 м дебит метана в исходящей струе воздуха возрастает на 20-25 %.
Общая зависимость изменения метанообильности выемочных участков исследуемых пластов производительностью более 1000 т/сут с углублением горных работ с 300 до 400 м определяется по формуле
^ = [ Ь + ( Н - 300 ) dг ] ( 1+ 510- 5 Ас), м3/мин (6)
Метановыделение из выработанного пространства при этом будет составлять
U = 0,01 ^ Ц, (7)
где Ц - доля метановыделения из выработанного
пространства, %.
Полученная зависимость (6) позволяет оценить возможности вентиляции при добыче угля на пластах 10, 9, 7 и 6. При последовательном разбавлении метана по
источникам выделения и направлении движения исходящей струи воздуха из лавы на массив угля расход воздуха, необходимый для проветривания выемочного участка, обусловливается зависимостью [2]:
Qуч = 100 1уч (С - Сс)' ‘, (8)
где С и Со - концентрация метана соответственно в
исходящей и поступающей струях воздуха на участке ( С=1 %, С0 = 0).
Оценка возможностей вентиляции показала (табл.3), что на глубине 350 м нагрузка на забой от 1000 до 5000 т/сут на пластах 10 и 9 может быть достигнута при расходах воздуха на выемочных участках соответственно от 2100 до 2600 м3/мин и от 2200 до 2700 м3/мин. С увеличением глубины очистных работ на 50 м при тех же нагрузках на лавы расход воздуха потребуется увеличить на пласте 10 до 23002900 м3/мин, а на пласте 9 - до 2400-3000 м3/мин. На пласте 7 при выемке угля на глубине 350 м и увеличении нагрузки на забой от 1000 до 5000 т/сут расход воздуха должен возрасти от 2400 до 2900 м3/мин. На глубине 400 м необходимый расход воздуха возрастет на пласте 7 до 3200 м3/мин, а на пласте 6 - до 3600 м3/мин.
В перспективе нагрузка на лавы предусматривается до 8000-10000 т/сут. На глубине 350 м на пластах 9 и 10 при нагрузке на забой 8000 т/сут расход воздуха потребуется увеличить до 3100 м3/мин, на глубине 400 м - до 3400 м3/мин. На пластах 7 и 6 на глубине 350 м расход воздуха должен составить соответственно 3300 и 3500 м3/мин, на глубине 400 м - 3600 и 4000 м3/мин.
При последовательном разбавлении метана по источникам и направлении исходящей струи из очистного забоя на массив угля весь расход воздуха, предусмотренный для проветривания участка, должен проходить по лаве.
Свободное сечение призабойного пространства очистных комплексов, работающих на пластах 10, 9, 7 и 6 , составляет 10-12 м2, что обусловливает прохождение по лаве не более 2600-2800 м3/мин воздуха. Эти расходы воздуха предопределяют на глубине 350 м нагрузки на лавы: пласта
10 - 5000-7000 т/сут, пласта 9 - 4000-6000 т/сут, пласта 7 -2700-4400 т/сут, пласта 6 - до 2000 т/сут. На глубине 400 м максимальная нагрузка на лавы по фактору проветривания может достигать: на пласте 10 - 4700 т/сут, пласте 9 - 4100 т/сут, пласте 7 - 2100 т/сут, пласте 6 - 1000 т/сут.
Применяемая на выемочных участках возвратноточная схема проветривания характеризуется постоянным поступлением метана из выработанного пространства в верхнюю часть лавы. В самом выработанном пространстве складываются опасные, зачастую взрывчатые концентрации метана в непосредственной близости от очистного забоя. Для возвратноточной схемы вентиляции нормализация газовой ситуации возможна только при невысоком газовыделении на выемочном участке, а при метановыделении 10-15 м3/мин и более необходимо
искусственное удаление метана из разрабатываемого пласта и выработанного пространства [3], что предотвратит его поступление в лаву и выработки участка.
При применении на выемочных участках прямоточных схем вентиляции, исходя из условия 1уч < 0,0077 Qyч [4], полученные расходы воздуха (2600-2800 м3/мин) также являются максимально возможными по пропускной способности лавы при метановыделении 20,0-27,7 м3/мин.
Таким образом, при разработке пластов 10, 9, 7 и 6 на глубине 350- 400 м вентиляция не обеспечивает нагрузку
на очистные забои 5000 т/сут и более. Для стабильной и безопасной работы очистных забоев с нагрузкой 4000-5000 т/сут, а в перспективе до 8000-10000 т/сут потребуется искусственное удаление метана, а именно, дегазация неразгруженных разрабатываемых пластов, под- и
надрабатываемых смежных пластов и выработанных
пространств, а также управление газовыделением на выемочных участках средствами проветривания, т.е. рациональное распределение метановыделения по сети выработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Мясников А.А., Рябченко А.С., Садчиков В.А. Управление
газовыделением при разработке угольных пластов. Недра, М., 1987. - 217 с.
1. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР // У гольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. - т.2, М., Недра, 1979. - 455 с.
2. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка -Донбасс, 1989. - 99 с.
3. Лепихов Л.Г., Патрушев МА. К оценке схем проветривания выемочных участков. Уголь, М., 1989, №«11.
Воронюк Ю.С. — кандидат технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Пак В. С. — кандидат технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
С.П. Щеголев — кандидаї технических наук, ш. «Распадская».
