CC BY
18
УДК 622.817.44:622.412
Н.М. Качурин, А.Ю. Ермаков, Е.А. Ермаков
ПРОГНОЗ МЕТАНОВОЙ ОПАСНОСТИ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ И МЕТАНА ПРИ ВЫЕМКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Аннотация. Анализ технологических схем разработки мощных пологих пластов с погашением и выпуском подкровельной и межслоевой угольной толщи показывает, что можно производить выемку угля с применением большого количества различных способов, существующих средств и принципиально новых конструкций. При выемке мощного угольного пласта на полную мощность одним забоем с выпуском подкровельной пачки образуется четыре обнаженных поверхности, через которые происходит выделение метана, этом при этом формируется девять источников метановыделения в очистной забой, которые необходимо учитывать. Предложена разработанная методика прогноза метановыделения и расчета количества воздуха для подготовительной выработки, а также проведена оценка сходимости результатов прогноза с фактическими данными для различных шахт Кузбасса, которая свидетельствует об удовлетворительной сходимости.
Ключевые слова: прогноз метана, опасность, геотехнологии, подземная добыча, уголь, разработка, пологий пласт.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-207-213
Анализ работ по диффузионному газовыделению метана в шахтах [1—11] и технологических схем разработки мощных пологих пластов с погашением и выпуском подкровельной и межслоевой угольной толщи [12] показывает, что можно производить выемку угля с применением большого количества различных способов, существующих средств и принципиально новых конструкций. При выемке мощного угольного пласта на полную мощность одним забоем с выпуском подкровельной пачки образуется четыре обнаженных поверхности, через которые происходит выделение метана (рис. 1), при этом формируется девять источников метановыделе-ния в очистной забой.
Газовыделение с поверхности обнажения подсечного слоя (с поверхности груди забоя) определяют по формуле
li (тпс) = 0,63mnctrV> 7@1 (Z), (1)
где с п
0, (Z)= J exp (-Z)J[exp (Z cos 0) + exp (-Z cos 0)]d0cfZ.
0 0
Газовыделение с поверхности обнажения подкровельной пачки ненарушенной структуры определяют по сходной формуле
k (тп п) = 0637b„JrV03Im.H ©! (тп п) , (2)
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 207-213. © Н.М. Качурин, А.Ю. Ермаков, Е.А. Ермаков. 2018.
где
©! (тап) 0, 3787<п - 2, 46 78т2пп + 6, 7909тпп -0,367, при тпп>0 ©!(тп.п )0,0003т3п.п - 0, 0329тП.п + 1,586+1,177, при 100К.п>10^
Газовыделение из подкровельной пачки нарушенной структуры определяют по
формуле
k =
(Xn - Хо> ) bn.J>G'
1 exp |"-p(t -x)J 2y/K — I-V -dx--
ТГ J
I
J
>/т(( -x)
VKX
(-Kx)2 J | exp(Z2
Л
exp [-p(t -x)] I0 (Q,5pt)
dx--
(3)
^/(-т) ехр (0,5Р?)
Газовыделение из отбитого угля на призабойном конвейере определяют как
¡4 = 0,304Ан ( - х±)[ехр(-9,87^ )]) (4)
Дебит метана в лаву из разрушенного угля на секциях механизированной крепи
U
:ф - exp (-9,87AF0m)]
(5)
Рис. 1. Схема поступления метана из различных источников при выемке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной пачки: 1 — подсечный слой разрабатываемого угольного пласта; 2 — подкровельная пачка угля; 3 — смежный угольный пласт (пласт—спутник); 4 — породы основной кровли; I1 — газовыделение с поверхности обнажения подсечного слоя (с поверхности груди забоя); I2 — газовыделение с поверхности обнажения подкровельной пачки ненарушенной структуры; I3 — газовыделение из подкровельной пачки нарушенной структуры; I4 — газовыделение из отбитого угля на призабойном конвейере; I5 — газовыделение из разрушенного угля на секциях механизированной крепи; I6 — газовыделение из разрушенного угля на завальном конвейере; I7 — газовыделение из вмещающих подработанных пород; I8 — газовыделение из надработанных пород; I9 — газовыделение из смежных угольных пластов
Fig. 1. Flow chart of methane release from different sources in thick gently dipping coal mining with top caving: 1-coal undercutting layer; 2—top coal; 3—closely-spaced coal seam (adjacent seam); 4—main roof; I1—gas release from exposed surface in the undercutting layer (working face); I2—gas release from exposed surface of unbroken-structure top coal; I3—gas release from broken-structure top coal; I4—gas release from broken coal on front conveyor; I5—gas release from broken coal on powered support; I6—gas release from broken coal on rear conveyor; I7—gas release from undercut host rocks; I8—gas release from over-cut host rocks; I9—gas release from closely-spaced coal seams
Газовыделение из разрушенного угля на завальном конвейере вычисляют как
/6 = 0,304Лк ( - х[ехр(-9,87РГ02)- ехр(-9,87Р01 )]) (6)
Газовыделение из подработанных пород определяют по формуле
|7 = (мРо')-1 (КтКа )0,5 (о - (Ро - Рс ))[1 - ехр(-£)] X
S
хexp(£) jexp(0,5t)I0 (0,5x)dx
(7)
0
Газовыделение из надработанных пород определяют по формуле
/8 = 0,282р- ( - Р2 (8)
Газовыделение из смежных угольных пластов определяют по формуле
knnLo3Vo3 ( -P2)FOfexp(-0,25/т) ,m
I9 (t) = 0,564 ' K -^ f v ' dT (9)
№oH 0 v т
Прогноз метановыделения и количество воздуха для подготовительной выработки. Сравнение результатов прогноза метановыделения в подготовительную выработку с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта по действующей методике и по предлагаемой методике представлены в табл. 1—2.
Таблица 1
Результаты сравнения прогноза метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительные выработки шахт АО «ОУК—Южкузбассуголь» Prediction of methane release from exposed coal seam to temporary roadways in Yuzhkuzbassugol mines
Выработка Площадь поперечного сечения, м2 Длина выработки, м Скорость подвигания подготовительного забоя, м/сут Расчетная метано-обильность, м3/мин
по действующей методике по предлагаемой методике
Шахта «Абашевская»
Главный вентиляционный штрек пл. 15 15,0 390 3,5 1,08 1,30
Западный конвейерный уклон пл. 15 19,2 605 3,5 1,06 1,64
Основной конвейерный штрек пл. 15 19,2 808 3,1 1,08 1,84
Вентиляционный штрек 15-34 20,2 1736 1,9 1,15 0,85
Конвейерный штрек 15-34 19,2 1682 4,3 1,39 1,41
Шахта «Алардинская»
Разведочный конвейерный штрек 6-1-11 19,0 360 5,8 7,39 8,35
Конвейерный штрек 6-1-21 21,4 330 5,1 5,22 5,96
Разведочный вентиляционный штрек 6-1-11 18,0 370 7,0 6,48 7,75
Шахта «Юбилейная»
Вентиляционный штрек 50-12 16,9 130 7,3 4,30 5,37
Вентиляционный штрек 50-04 бис 16,1 120 8,9 2,01 3,58
Конвейерный штрек 50-25 16,1 170 9,5 6,98 7,91
Таблица 2
Результаты газовоздушных съемок при проведении подготовительных выработок по пл. II Внутреннему, горизонт — 40 м
Gas-and-air sampling during driving of temporary roadways in coal seam II Vnutrenni, level —40 m
Выработка Длина тупика, м Расход воздуха, м3/мин Метановыделение с обнаженных поверхностей пласта, м3/мин Относительное отклонение, %
фактическое расчетное
Конвейерный штрек 7 160 0,17 0,174 2,4
7 180 0,18 0,179 -0,6
40 200 0,20 0,232 16,0
96 180 0,18 0,175 -2,8
II промежуточный штрек 25 170 0,17 0,168 -1,2
65 165 0,16 0,167 4,4
95 160 0,16 0,170 6,2
105 160 0,16 0,158 -1,2
Основной штрек 25 135 0,14 0,127 -9,3
45 130 0,13 0,139 6,9
65 130 0,13 0,141 8,5
Практическая апробация разработанной методики прогноза динамики метановыделения в подготовительную выработку осуществлялась на 16 подготовительных участках шести шахт объединенной угольной компании «Южкуз-бассуголь».
Сравнение прогнозных значений абсолютной метанообильности показало, что действующая методика дает заниженные значения метановыделения с поверхности обнажения пласта, а иногда сильно завышенные значения газовыделения из отбитого угля.
Для оценки адекватности предлагаемой методики расчета метановыделения с поверхности обнажения пласта проводились газовоздушные съемки и определялось газовыделение с поверхности обнажения угольного пласта.
Расчеты количества воздуха для проветривания подготовительных выработок по фактору метановыделения с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта с использованием данной программы проведены для
16 подготовительных выработок шести шахт ОАО «ОУК—Южкузбассуголь».
Полученные результаты практической апробации динамического метода для расчета количества показывают, что учет конвективного переноса метана позволяет сократить расчетное количество воздуха на величину от 30 до 80% по сравнению с методом статического разбавления метана, и удовлетворительно совпадает с данными натурных наблюдений.
Для оценки адекватности предлагаемой методики расчета метановыделения с поверхности обнажения пласта проводились газовоздушные съемки и определялось газовыделение с поверхности обнажения угольного пласта.
Результаты сравнения фактического метановыделения с расчетными данными, представленными на рис. 2 и в табл. 3 свидетельствуют об их удовлетворительной сходимости. Основой обеспечения безопасного состояния рудничной атмосферы подготовительных выработок является эффективная система
О 500. сут
«Пуас| | ¿3прога_метан | ij|rnaea-5 перера... ||а Прогноз нета... ® 3 21:48
Рис. 2. Прогноз метановыделения в подготовительные выработки шахт ОАО «ОУК—Южкузбасс-уголь»: газовыделение с поверхности обнажения угольного пласта (а); абсолютная газообильность подготовительной выработки (б)
Fig. 2. Prediction of methane release in temporary roadways in Yuzhkuzbassugol mines: gas release from exposed coal seam surface (a); absolute gas content in temporary roadway (b)
вентиляции. Технологический процесс проветривания подготовительных выработок (ТППВ) сопровождается возникновением состояний, которые также принято называть авариями. Необходимым условием решения проблемы надежности функционирования вентиляционной
системы (ВС) является создание метода прогнозной оценки надежности и эффективности функционирования ВС, позволяющего прогнозировать динамику состояния системы вентиляции.
Шахта «Абашевская»: 1 — главный вентиляционный штрек пл. 15; 2 — за-
Таблица 3
Результаты расчета количества воздуха для проветривания подготовительных выработок шахты «Абашевская»
Air supply analysis in temporary roadways in the Abashevskaya Mine
Выработка Длина, м Метановыделение с поверхности обнажения угольного пласта, м3/мин Расчетное количество воздуха для проветривания подготовительной выработки, м3/мин
по действующей методике по предлагаемой методике по действующей методике по предлагаемой методике
Главный вентиляционный штрек пл. 15 390 1,08 1,30 108 81
Западный конвейерный уклон пл. 15 605 1,06 1,64 106 95
Основной конвейерный штрек пл. 15 808 1,08 1,84 108 100
падный конвейерный уклон пл. 15; 3 — основной конвейерный штрек пл. 15; 4 — вентиляционный штрек 15—34; 5 — конвейерный штрек 15—34.
Шахта «Алардинская»: 6 — разведочный конвейерный штрек 6-1-11; 7 — конвейерный штрек 6-1-21; 8 — разведочный вентиляционный штрек 6-1-11.
Шахта «Юбилейная»: 9 — вентиляционный штрек 50-12; 10 — вентиляцион-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ный штрек 50-04 бис; 11 — вентиляционный штрек 50-04 бис.
Шахта «Кушеяковская»: 12 — конвейерный штрек 67-37; 13 — конвейерный штрек 67-38.
Шахта «Есаульская»: 14 — минусовый штрек 26-31; 15 — конвейерный штрек 26-31.
Шахта «Осинниковская»: 16 — промежуточный штрек Е-1бис.
1. Socolov E. M. et al. System of imitation for forecasting the 137Cs migration in the radioactive trace zone at the Chernobyl Atomic Power Station failure / International Symposium on Radiation Safety. - Moscow, 1994. - Pp. 101-103.
2. Kachurin N. M. Conceptual rules of the monitoring of the «Environment — Human Health» system in the Russian Federation / The 2-nd International Symposium «Mining and Environmental Protection». — Belgrade, 1998. — Pp. 21—26.
3. Kachurin N. M., Babovnikov A. L. Gassing during the break and transport of coal in a re-treatlongwall / Development of new technologies and equipment for mine haulage and hoisting. — Budva, 2005. — Pp. 245—249.
4. Ярцев В.А. Аэродинамическое сопротивление обрушений // Известия вузов. Горный журнал. — 1966. — № 2. — С. 50—56.
5. Ярунин С.А., Бухны Д. И. Расчет газодинамического состояния призабойной части угольного пласта / Вентиляция и газодинамические явления в шахтах: сборник статей. — Новосибирск, 1981. — С. 6—12.
6. Яновская М. Ф. О скорости десорбции метана из разрушенного угля / Проблемы рудничной аэрологии: сборник статей. — М.: Госгортехиздат, 1959. — С. 32—37.
7. Siemek J., Rajtar J. Simulation of gas ouflow from porousfissured media // Arch. Mining. Sci. — 1989. — 34, no 1. — Pp. 119—128.
8. Васючков Ю. Ф. Диффузия метана в ископаемых углях // Химия твердого топлива. — 1976. — № 4. — С. 76—79.
9. Качурин Н. М. Фильтрация газа в угольных пластах при конечной скорости распространения давления / Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: сборник статей. — Тула: ТулПИ, 1983. — С. 56—62.
10. Качурин Н.М. Газовыделение на очистных участках шахт Подмосковного бассейна при изменении давления воздуха // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: сборник статей. — Тула: ТулПИ, 1983. — С. 74—80.
11. Качурин Н.М. Прогноз газовыделений в подготовительные выработки с использованием гиперболического уравнения фильтрации / Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов: сборник статей. — Л., 1983. — С. 83.
12. Качурин Н. М., Ермаков А. Ю., Сенкус Вал. В. Аэрогазодинамика очистных и подготовительных забоев при отработке мощных пологих пластов. — Кемерово: АИ «Кузбассвузиз-дат», 2017. — 287 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Качурин Николай Михайлович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Тульский государственный университет, Ермаков Анатолий Юрьевич — кандидат технических наук, управляющий филиалом ООО «Сибнииуглеобогащение», г. Прокопьевск, Ермаков Егор Анатольевич — кандидат технических наук, начальник отдела ООО «СуЭК», г. Москва.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 207-213.
Prediction of methane hazard of geotechnology for underground mining of gently dipping coal seams with methane recovery
Kachurin N.M., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, Tula State University, 300012, Tula, Russia,
Ermakov A.Yu., Candidate of Technical Sciences, Manager of Branch, LLC «Sibniiugleobogaschenie», Prokopyevsk, Russia, Ermakov E.A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department, LLC «SUEK», Moscow, Russia.
Abstract. The review of process flow charts for top coal caving in thick gently dipping coal exhibits availability of a variety of the actual-to-date and new mining methods, means and structures. Full-face cutting with top coal caving in thick coal seams forms four exposed surfaces for methane release and there are nine methane emission sources in a production face, which should be taken into account. The article proposes a procedure to predict methane release and air flow in a temporary roadway. The estimation of the consistency between the predicted and actual data for different mines in Kuzbass shows a satisfactory agreement of the results.
Key words: methane prediction, hazards, geotechnologies, underground mining, coal, development, gently dipping coal seam.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-207-213
REFERENCES
1. Socolov E. M. et al. System of imitation for forecasting the 137Cs migration in the radioactive trace zone at the Chernobyl Atomic Power Station failure. International Symposium on Radiation Safety. Moscow, 1994. Pp. 101-103.
2. Kachurin N. M. Conceptual rules of the monitoring of the «Environment Human Health» system in the Russian Federation. The 2-nd International Symposium «Mining and Environmental Protection». Belgrade, 1998. Pp. 21-26.
3. Kachurin N. M., Babovnikov A. L. Gassing during the break and transport of coal in a retreatlongwall. Development of new technologies and equipment for mine haulage and hoisting. Budva, 2005. Pp. 245—249.
4. Yartsev V. A. Aerodinamicheskoe soprotivlenie obrusheniy [Aerodynamic drag of collapses] Izvestiya vuzov. Gornyyzhurnal. 1966, no 2, pp. 50—56. [In Russ].
5. Yarunin S. A., Bukhny D. I. Raschet gazodinamicheskogo sostoyaniya prizaboynoy chasti ugol'nogo plasta [Calculation of gas-dynamic state of bottom-hole part of coal bed]. Ventilyatsiya i gazodinamicheskie yavleniya vshakhtakh, Sbornik statey, Novosibirsk, 1981, pp. 6—12. [In Russ].
6. Yanovskaya M. F. O skorosti desorbtsii metana iz razrushennogo uglya [On the rate of methane desorption from destroyed coal]. Problemy rudnichnoy aerologii, Sbornik statey, Moscow, Gosgortekhizdat, 1959, pp. 32—37. [In Russ].
7. Siemek J., Rajtar J. Simulation of gas ouflow from porousfissured media. Arch. Mining. Sci. 1989. 34, no 1. Pp. 119—128.
8. Vasyuchkov Yu. F. Diffuziya metana v iskopaemykh uglyakh [Methane diffusion in fossil coals]. Khimiya tverdogo topliva. 1976, no 4, pp. 76—79. [In Russ].
9. Kachurin N. M. Fil'tratsiya gaza v ugol'nykh plastakh pri konechnoy skorosti rasprostraneniya davleniya [Filtration of gas in coal seams with finite speed of propagation of pressure]. Podzemnaya razrabotka tonkikh i sredney moshchnosti ugol'nykh plastov, Sbornik statey), Tula, TulPI, 1983, pp. 56—62. [In Russ].
10. Kachurin N. M. Gazovydelenie na ochistnykh uchastkakh shakht Podmoskovnogo basseyna pri izme-nenii davleniya vozdukha [Gas release at sewage stations mines the Suburban pool with the pressure of the air], Podzemnaya razrabotka tonkikh i sredney moshchnosti ugol'nykh plastov, Sbornik statey, Tula, TulPI, 1983, pp. 74—80. [In Russ].
11. Kachurin N. M. Prognoz gazovydeleniy v podgotovitel'nye vyrabotki s ispol'zovaniem giperbolichesko-go uravneniya fil'tratsii [Prediction of gas emissions in preparatory development with the use of a hyperbolic equation of filtration], Fiziko-tekhnicheskie problemy upravleniya vozdukhoobmenom vgornykh vyrabotkakh bol'shikh ob"emov, Sbornik statey, Leningrad, 1983, pp. 83. [In Russ].
12. Kachurin N. M., Ermakov A. Yu., Senkus Val. V. Aerogazodinamika ochistnykh i podgotovitel'nykh za-boev pri otrabotke moshchnykh pologikh plastov [Aerogasdynamics cleaning and preparatory faces during the mining of thick flat seams], Kemerovo, AI «Kuzbassvuzizdat», 2017, 287 p.
