CC BY
30
Г.Я. Полевщиков
д-р техн. наук, проф., заведующий лабораторией Института угля СО РАН
Е.Н. Козырева
канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН
М.В. Шинкевич
канд. техн. наук, научный сотрудник Института угля СО РАН
УДК 622.272.6
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ НА ВЫЕМОЧНОМ УЧАСТКЕ ШАХТЫ
Изложен способ расчета динамики притока метана на выемочный участок при отработке пласта длинным очистным забоем, учитывающий нелинейность геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород, с целью повышения эффективности комплексного управления газовыделением. Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99, партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100, гранта РФФИ № 10-05-98009-р_ сибирь_а.
Ключевые слова: УГЛЕМЕТАНОВЫЙ ПЛАСТ, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД, СДВИЖЕНИЯ, МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ, КОМПЛЕКСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ
Наблюдающийся в настоящее время рост производительности выемочных участков сдерживается их повышенной метанообильностью. Это обстоятельство заставляет дополнять комбинированную схему проветривания [1] с изолированным отводом большей части поступающего на выемочный участок газа способами и средствами дегазации. При этом современные требования включают не только обеспечение нормализации газовой обстановки, но и рациональность затрат на дегазацию того или иного источника в необходимом объеме на соответствующем интервале отработки выемочного столба. Поинтервальный расчет необходимых параметров управления газовыделением обеспечивает согласованность производительности участка с динамикой его реальной метанообильности и тем самым позволяет оптимизировать график подвигания забоя
и допускаемую рабочую скорость комбайна. В результате исследований особенностей метанообиль-ности высокопроизводительных выемочных участков, отрабатывающих пологие пласты с полным обрушением кровли, ранее [2,3] был установлен волнообразный характер ее изменения по длине выемочного столба с периодами до сотен метров (газокинетический паттерн массива газоносных горных пород). Волнообразность метанообильности выемочного участка обусловлена нелинейностью разгрузки и сдвижений вмещающих пород с последовательным включением в процесс различных геомеханических слоев (геомеханический паттерн массива горных пород), что подтверждается и экспериментами на моделях из эквивалентных материалов [4].
С учетом глубины ведения горных работ и угла полных сдвижений можно рассчитать геомеханический
паттерн массива горных пород [2] по длине выемочного столба. При оценке мощности геомеханических слоев расчет начинается с нижнего, периодичность волнообразной реакции которого определяется шагом первичного обрушения основной кровли. На рисунке 1 приведен пример геомеханическо-го паттерна для выемочного участка Чертинского месторождения Кузбасса. Расчетный шаг первичного обрушения основной кровли равен 24 м, и соответственно выделены пять геомеханических слоев. В зоне разгрузки IV и V слоев расположены наиболее близкие к отрабатываемому пласту рабочие пласты и пласты-спутники, дающие основной газоприток из подработки. Таким образом, получаем контуры развивающихся сводов полных сдвижений подрабатываемого массива в пределах выемочного участка при отработке столба с принципиально важным для управления
И, м
11 - расстояние по нормали от разрабатываемого пласта 5-го до дневной поверхности, м;
1_В - длина выработанного пространства, м; 1^ - геомеханические слои
Рисунок 1 - Схема формирования зон разгрузки от горного давления вмещающего массива горных пород при отработке выемочного столба на Чертинском месторождении Кузбасса
газовыделением уточнением: реализация газового потенциала источника протекает в виде полуволн; чем ближе к разрабатываемому пласту сосредоточена большая часть газового потенциала, тем динамичнее его реализация при отработке пласта.
Несомненно, что процесс развития сдвижений происходит не только по длине столба, но и по длине лавы. Формирование свода сдвижений по длине лавы вызывает разгрузку от горного давления впереди забоя примерно наполовину ее длины [5]. Этот эффект наблюдается и по увеличению дебита пластовых скважин предварительной дегазации, что послужило основой регистрации патента РФ на изобретение [6], в котором предложен способ дегазации отрабатываемого газоносного угольного пласта.
Используя классические пред-
ставления гипотезы о сводах естественного равновесия, можно количественно оценить изменения величины горного давления, а до-
полняя эту оценку зависимостью газосодержания пласта от нормальных напряжений [7], можно определить и выделение газа из
О 200 400 600 800 1000 Цм
Рисунок 2 - Метановыделение I, м3/мин, из отрабатываемого пласта, рассчитанное с учетом фактической скорости подвигания очистного забоя при отходе лавы от монтажной
камеры
I, м3/мин
■расчет
Рисунок 3 - Сравнение метановыделения расчетного, фактического и по нормативному методу I, м3/мин, для Чертинского месторождения Кузбасса
Япод>
40
35
ЗО
25
20
15
10
5
0
_
И
гг . у
_ * _ \Ул г Й
Га ГГ V
I 1 V V
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1-в,м
Геомеханические слои: IV III — II I
Рисунок 4 - Структура динамики метановыделения из подрабатываемого массива цпод, м3/т, в пределах геомеханических слоев по длине выработанного пространства Ь , м
отрабатываемого пласта (рисунок
2). Отметим, что на напряженно-деформированное состояние краевой части пласта, ее газокинетические характеристики и выделение газа из отбитого угля значительно влияет скорость подвигания очистного забоя [8].
Из сравнения фактических данных и расчетных по разработанному и нормативному мето-дам (рисунок
3) видно, что разработанный метод обеспечивает достаточно приемлемую надеж-ность прогноза. Превышения фактических данных над расчетными значениями в конце отработки столба обусловлены снижением коэффициента распределения воздуха (комбинированная схема проветривания) и соответственно большим фактическим поступлением метана из выработанного пространства на вентиляционный штрек, по которому транспортировался уголь.
Ранее было отмечено, что динамика метанообильности выемочного участка обусловлена развитием зон разгрузки горных пород. Эти особенности принципиально важны для определения параметров комплексной схемы управления
газовыделением на выемочном
участке, так как с ними связана интенсификация газовых потоков, а следовательно, эффективность не только дегазации вмещающего массива, но и комбинированного проветривания [9,10].
Получены значения реализации
газового потенциала подработки с
учетом как удаленности пластов-спутников от отрабатываемого пласта, так и волнообразного геоме-ханического процесса в пределах геомеханических слоев, показанные на рисунке 1, при скорости подвигания очистного забоя У=1 м/сут (рисунок 4).
Использованный в расчетах метод позволяет адаптировать установ-
ленные особенности процессов в подрабатываемом массиве с учетом изменчивости свойств и состояний массива пород и тем самым предвидеть динамику метанообильности выработанного пространства. Ближайшие пласты (4-й и его спутники, IV и V геомеханические слои) дадут максимумы выделения газа
из подработки с шагом около 65... 130 м (см. рисунок 1).
Более удаленные источники имеют больший шаг, но относительно меньшую амплитуду. Согласно этому дегазационные скважины должны закладываться в зонах максимумов газопритоков (IV, рисунок 4), а их фильтрующие части проходить
а - сечение по простиранию; б - сечение вкрест простирания
Рисунок 5 - Схемы к расчету зоны разгрузки надрабатываемого массива горных пород при отработке пласта столбами по простиранию
через слои IV и V (рисунок 1).
В вертикальном сечении по оси выемочного столба фронт разгрузки надрабатываемого массива принято определять прямыми, проведенными под углом около 75о к плоскости отрабатываемого пласта (рисунок 5, а). В сечении по линии очистного забоя углы полных сдвижений у верхней ё4 и нижней ¿3 границ очистной выработки определяются с учетом угла залегания пласта а и длины лавы ¡л (рисунок 5, б). На рисунке 5 заштрихованными областями показаны изменения напряжений о для пласта надра-ботки, находящегося на расстоянии И. от отрабатываемого пласта. Газоприток на действующий выемочный участок из пластов надра-ботки увеличивается по мере роста площади выработанного пространства, а изменение доли реализации газового потенциала из надраба-тываемого массива на выемочный участок по длине выемочного столба зависит от изменений угленосности массива, и этот фактор значи-
тельно изменяет прогнозируемые величины.
Отметим, что приведенные выше расчеты характеризуют ме-танообильность выработанного пространства (в том числе его основных источников: под- и над-
рабатываемый массивы) при скорости подвигания забоя V=1 м/сут. Для прогноза метановыделения при реальной скорости подвигания забоя в расчеты введена соответствующая поправка, полученная из анализа фактических данных
Рисунок 6 - Расчетная концентрация метана С,%, в основных точках замера на рассматриваемом выемочном участке Чертинского месторождения (без дегазации выработанного пространства)
» » » » надработка
Рисунок 7 - Продуктивность дегазационных систем выработанного пространства ¡дег, м3/мин, рассматриваемого участка
т/сут ^^допускаемая оплп " -средняя
оспп .
¿иии " 1 КПП .
і эии 1 м
іиии ■ КПП .
эии ' п ■
и Ри ) 1( унок сред )0 2( 8 - Гра несутс )0 3( фик д )чной вые )0 4( опуск произ мочно )0 5( аемой водит го уча )0 6( по га эльно ютка )0 7( зовом сти А )0 8( у фак т/сут >° и тору
ранее отработанных лав-аналогов [11]. Ожидаемая относительная метанообильность выработанного пространства Цв(ж проектируемого выемочного участка определяется:
Чв,ож = 9в,р • а ¥ ~Ь м3/т,
где а, Ь - эмпирические коэффициенты.
Применение только дегазации разрабатываемого пласта не может нормализовать газовую обстановку в целом по участку (рисунок 6), где учтено снижение природной газоносности пласта с коэффициентом дегазации 0,2 и при средней скорости подвигания очистного забоя 1500 т/сут.
Так как в выработанном пространстве имеются два основных источника метановыделения (под- и надработка), то необходимо проводить и их дегазацию. Из графика (рисунок 6) для рассматриваемого выемочного участка видна неравномерность содержания метана в исходящей из выработанного пространства. Это требует оптимизации параметров комплексной системы управления газовыделением для соответствующих интервалов отработки выемочного столба, отличающихся наибольшим притоком метана.
Процесс отработки выемочного столба будет сопровождаться весьма продуктивной работой дегазационных систем выработанного пространства при коэффициенте эффективности его дегазации 0,6 (рисунок 7).
Столь высокие показатели требуют поддержания работоспособности систем в течение всего времени отработки столба путем организации соответствующей группы обслуживания дегазационных скважин и трубопроводов.
В рассмотренных условиях элементом управления метанообильно-стью также является режим работы забоя. На рисунке 8 приведен график поинтервальной допускаемой производительности выемочного участка, обеспечивающей нормализацию газовой обстановки.
Существенные изменения по длине
выемочного столба допускаемой среднесуточной производительности участка отразятся и на состоянии пласта впереди забоя, что требует приведения в соответствие и допускаемой рабочей скорости комбайна (рисунок 9). Представленные результаты исследований показывают преимущества расширенной научной основы комплексного управления газовыде-
vK, м/мин ^—допускаемая
4
О 100 200 300 400 500 600 700 800 1_в,м
Рисунок 9 - График допускаемой по газовому фактору рабочей скорости комбайна ук, м/мин, при отходе забоя от монтажной камеры с учетом переменной среднесуточной производительности участка, показанной на рисунке 8
— »средняя
У
лением на высокопроизводительном выемочном участке с оценкой ожидаемых ситуаций на любом интервале длинного выемочного столба. Заложенная в эту основу интеграция методов механики горных пород и рудничной аэрогазодинамики позволяет увязать и развить известные особенности процессов разгрузки и сдвижений массива горных пород, кинетику выделения метана из основных источников и физико-химические характеристики углеметановых геоматериалов. Адаптация установленных особенностей газогеомеханических процессов к конкретным горнотехнологическим условиям возможна по данным метанообильности горных работ. Инновационное развитие разработанного подхода обеспечено широким применением в промышленности электронных систем мониторинга газовой обстановки в горных выработках.
Заключение
Полученная совокупность результатов обеспечивает расчет основных параметров аэрогазодинамических процессов на выемочном участке, отладку и прогнозирование дина-
мики в условиях существенной изменчивости свойств и состояний пластов и вмещающих пород при динамичных режимах подвигания высокопроизводительных забоев. Нелинейность геомеханических процессов в массиве горных пород служит обоснованием мест заложения и определения количества дегазационных и метанодобывающих скважин.
Предложенный метод комплексного управления метанообильностью высокопроизводительного выемочного участка адаптирован к современным условиям и позволяет повысить эффективность инженерных решений, обоснованно корректировать узловые технологические параметры комплексного управления газовыделением.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок. - М., 2009. - 94 с.
2 Полевщиков, Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообильности выемочного участка / ГЯ. Полевщиков, Н.Ю.Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - №5. - С. 121-127.
3 Полевщиков, ГЯ. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / ГЯ. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2002. - №11. - С. 117-120.
4 Якоби, О. Практика управления горным давлением /О. Якоби; Пер. с нем. - М.: Недра, 1987. - 566 с.
5 Айзаксон, Э. Давление горных пород в шахтах /Э. Айзаксон. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 176 с.
6 Пат. №2392442 Российская Федерация, С1, E21F7/00. Способ дегазации отрабатываемого угольного пласта / ГЯ. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич; заявл. 27.10.08; опубл. 20.06.10, Бюл. № 17.
7 Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000. - 516 с.
8 Полевщиков, Г.Я. Газокинетические особенности распада углеметана на конвейерном штреке выемочного участка / ГЯ. Полевщиков, М.В. Шинкевич, М.С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. - № 8.
- С. 21-28.
9 Полевщиков, ГЯ. Основы эффективной разработки углеметановых месторождений Кузбасса / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, О.В. Брюзгина // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011.
- № 3. - С. В-11.
10 Козырева, Е.Н. Некоторые особенности управления метанообильностью высокопроизводительного выемочного участка / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, Н.Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011.
- № 9. - С. 322-325.
11 Полевщиков, Г.Я. Обоснование параметров горнотехнологических модулей угольных шахт Кузбасса / Г.Я. Полевщиков, М.В. Писаренко. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. - 1АВ с.
EFFICIENCY INCREASE OF GAS EMISSION COMPLEX CONTROL AT Полевщиков
A MINE COAL EXTRACTION SECTION Геннадий Яковлевич
G.Ya. Polevschikov, E.N. Kozyreva, M.V. Shinkevich е-mail: Gas_coal@icc.kemsc.ru
Method is given for calculating the dynamics of methane inflow at coal
extraction section worked with longwall technique taking into account Козырева
the non-linearity of the geomechanical processes in the surrounding Елена Николаевна
rock mass, in order to increase the efficiency of complex control of gas е-mail: Gas_coal@icc.kemsc.ru
emission.
The work is done with financial support of interdicipline integration project Шинкевич
of SB RASc No. 99, partnership integration project SB RASc No. 100, Максим Валериевич
grant RFFI No. 10-05-98009-r_sibir_a. е-mail: Gas_coal@icc.kemsc.ru
Key words: COAL-METHANE SEAM, EXTRACTION SECTION, ROCK
MASSIF, SHIFTS, METHANE EMISSION, GAS EMISSION COMPLEX
CONTROL
26
научно-технический журнал № 2-2012
ВЕСТНИК
