CC BY
30
При подготовке статьи были использованы данные инж. С.П. Ганшевского (Печорниипроект), которому авторы выражают благодарность.
і— Коротко об авторах-------------------------------------------
Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт,
Бобровников В.Н. - доктор технических наук,
Булдакова Е.Г. - кандидат технических наук,
филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт».
-------4s
^--------
--------------------------- © Н.Н. Чаплыгин, В.С. Забурдяев,
И.А. Новикова, 2006
УДК 622.831.322
Н.Н. Чаплыгин, В.С. Забурдяев, И.А. Новикова
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАНОНОСНОМ УГОЛЬНОМ МАССИВЕ ВБЛИЗИ ПРИЗАБОЙНОГО ПРОСТРАНСТВА ЛАВЫ*
У| ктуальность работы вызвана тем, что применение в шахтах России высокопроизводительных очистных комплексов отечественного и иностранного производства позволяет существенно повысить объемы добываемого угля до
10-15 тыс. т в сутки. Интенсивная выемка угля на газоносных пластах приводит к обильному метановыделению, которое сдерживает производительность очистных комбайнов, т.е. газовый фактор ограничивает технические возможности механизированных комплексов. В этой связи необходимо знать величину предельно допустимой газоносности пласта в зоне выемки и иметь научно обоснованные рекомендации по обеспечению безопасности ведения горных работ по газовому фактору. Такие исследования газодинамических процессов в угольном массиве при использовании современной угледобывающей техники в России не проводились. Их изучение актуально, а новизна неоспорима, поскольку современное состояние изучаемого вопроса практически нулевое, если не считать давнишних попыток линейного или параболического описания процесса распределения газового давления в призабойной зоне пласта, что не соответствует действительности и позже было доказано на примере дегазирующего влияния скважины [1, 2].
В связи с этим целью работы явилось исследование газодинамического состояния пласта и газодинамических процессов, протекающих в прилегающем к очистному забою массиве угля, а ее задачей - определить протяженность зон различной степени дегазации пласта вблизи его обнажения выработкой. Результаты исследования необходимы для обоснования предельно допустимой газоносности угольного пласта в зоне выемки и для разработки рекомендаций по эффективной и безопасной работе механизированных комплексов в очистных забоях высокопроизводительных лав по газовому фактору.
В призабойном пространстве высокопроизводительной лавы слабо изученным является процесс метановыделения из разрабатываемых пластов, который в значительной степени обусловлен газоносностью массива угля и интенсивностью угледобычи в лаве. Последний фактор влияет на динамику и параметры распределения в пласте газового давления и степень дегазации массива угля, примыкающего к очи-
"Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 05-05-65062)
стному забою. При этом весьма важным показателем, влияющим на интенсивность метановыделения в лаве, является газоносность массива в полосе (заходке), вынимаемой комбайном, поскольку она в большей степени подвержена естественной дегазации за счет частичной разгрузки пласта от горного давления.
В нормативном Руководстве [3] при расчете метановы-деления из разрабатываемого пласта в призабойное пространство лавы учитываются природная метаноносность пласта, остаточная метаноносность отбитого угля и коэффициент, определяющий дегазирующее влияние на массив угля оконтуривающих выемочный участок подготовительных выработок. В литературных источниках определяющей величиной в расчетах метанообильности призабойного пространства лавы за счет метановыделения из разрабатываемого пласта используется метаноносность пласта в зоне выемки, которая представлена как функция природной метаноносности пласта угля, времени выемки полосы (стружки) угля за одну заходку комбайна и коэффициента, учитывающего газопроницаемость угля в функции степени его метаморфизма [4-6]. Такой подход к методу прогноза метановыделения из разрабатываемого пласта в призабойное пространство позволил МакНИИ и ИГД им. А.А. Скочинского [3-5] установить основные исходные данные применительно к отдельным угольным пластам украинского Донбасса. ВостНИИ, опираясь на положения Руководства [3], внес уточнения в нормативный метод определения коэффициента, характеризующего газоотдачу угольного массива, путем ввода величины газоносности пласта в зоне выемки (на кромке стока газа) с учетом скорости подвигания очистного забоя и использования безразмерной функции газовыделения. При этом для прогноза ожидаемого метановыделения в выработки участка предложены два уравнения: а) прогноз метановыделения по газоносности источников (разрабатываемый пласт и сближенные пласты) и б) расчеты по фактическим данным лав-аналогов [6].
Распределение метаноносности пласта в зоне влияния очистного забоя экспериментально не изучалось, хотя различными исследователями предлагались линейная, парабо-
лическая и J -образная зависимости изменения газового давления (или газоносности пласта) в зоне влияния полости обнажения пласта [1, 2, 7].
В КНР методы расчета газовыделения из разрабатываемых пластов в призабойное во многом аналогичны советским (российским), а в странах Европы и в США газоносность пласта устанавливается путем прямого отбора проб угля (кернов) с последующим определением величины десорбируемого углем метана на десорбометрах, которая используется в расчетах метановыделения в очистных забоях.
Характер изменения метаноносности пласта и остаточной газоносности отбитого угля во времени от начала ведения работ по предварительной дагазации пласта до момента удаления отбитого угля за пределы участка приведен на рис. 1, из которого видно, что вне зоны влияния очистной выработки за счет применения искусственной дегазации пласта его газоносность за время t снижается от природной X до некоторой величины х', зависящей от эффективности применяемых способов дегазации [4].
В дальнейшем по мере подвигания лавы эта часть пласта сначала попадает в зону опорного давления, где подвергается дополнительному сжатию, способствующему снижению его газоотдающих свойств, а затем - в разгружаемую от горного давления зону, в которой происходит усиленное трещинообразование в призабойной части пласта и снижение его газоносности до величины, равной газоносности пласта в зоне выемки Хв. Причем темп снижения метаноносности в разгружаемой лавой зоне за время t2 значительно выше, чем в период предварительной дагазации пласта скважинами
и.
о
г\}
Рис. 1. Модель изменения газоносности пласта X и отбитого угля во времени £ X', Хв, Х\, Х'\, Х| - значения газоносности пласта, соответствующие окончанию периодов времени ¿1, ¿2, ¿з, t^, ¿5
Последующий период времени /3 характеризует процесс работы добычных механизмов. В этот период происходит разрушение призабойного массива и образование отбитого угля, что сопровождается резким падением газоносности от величины Хв до величины Х1, характеризующей остаточную газоносность отбитого в лаве угля. За следующий отрезок времени /4 производится транспортировка отбитого угля в пределах выработок участка, в течение которого его остаточная газоносность продолжает снижаться, но медленнее, чем за время /3 до величины Х'\. Период времени /5 характеризует незначительное изменение остаточной метаноносности отбитого угля за пределами участка до величины Х1.
Из изложенного видно, что основными параметрами, определяющими газовыделение из разрабатываемого пласта в лаве, являются его газоносность в зоне выемки Хв и остаточная газоносность отбитого угля Х\.
Исследование данных по газоносности пласта в зоне выемки, полученные путем проведения газовоздушных съемок и результатов работ МакНИИ, полученных прямым способом путем отбора и дегазации проб угля, позволили выбрать функциональную зависимость Хв (м3/т) от двух факторов, в
числе которых коэффициент, характеризующий физикохимические свойства пласта, и время цикла в сутках [3, 4].
Результаты наших исследований привели к выводу, что метановыделение /к (м3/мин) из разрабатываемого пласта в призабойное пространство лавы при работе комбайна с производительностью выемки угля у (т/мин) целесообразно находить из выражения
в котором величина ХВ устанавливается расчетом на основе экспериментальных данных об изменении во времени газоносности массива угля вблизи его обнажения забоем. При этом использована зависимость перемещения зоны естественной дегазации пласта (КХ, м) в зоне обнажения выработкой. Эта зависимость имеет вид [1, 2, 7]
в которой время / принято равным 1 суткам, величина 1КХ установлена экспериментально [2], а коэффициенту аХ соответствовала величина Хе в полосе заходки комбайна (гк, м) в соответствии с зависимостью распределения газоносности пласта вблизи обнажения пласта выработкой и величиной гк.
В том случае, когда в схеме управления метановыделе-нием на выемочном участке средствами вентиляции предусмотрены утечки воздуха из призабойного пространства в выработанное, величина /к уточнялась в соответствии с величиной коэффициента кут , т.е. рассчитывалась величина
/К по формуле
Для построения полей газодинамического состояния уголь
где Кр - расстояние от обнаженной поверхности пласта до границы зоны дегазирующего влияния выработки или скважины, м; ар - показатель скорости перемещения зоны различной степени дегазации массива угля по критерию газового
/к = у (Хв - Х1),
(1)
(2)
(3)
К - арлЛ,
(4)
давления в пласте (Р, кг/см2); t - время, отсчитываемое с момента обнажения пласта выработкой или скважиной, сут.
Показатель ар определен экспериментально по данным изменения давления газа в контрольной скважине на удалении Кк (в метрах) от поверхности обнажения пласта [7]
Рис. 2. Зависимость коэффициента ар от газового давления в угольном пласте при его дегазации скважиной (1) или выработкой (2)
Р,/Р
Рис. 3. Изменение газового давления в дегазируемом выработкой пласте угля
Рис. 4. Изменение газоносности в дегазируемом скважиной пласте угля
Рис. 5. Динамика изменения газоносности угольного массива вблизи обнажения пласта очистной выработкой: кривые 1, 2, 3, 4 соответствуют 1, 5, 10 и 20 суткам обнажения пласта выработкой
о
а„., = <5)
Зависимость показателя ар от величины газового давления в угольном пласте, вскрытом выработкой, показана на рис. 2, а
распределение газового давления в угольном массиве вблизи
поверхности обнажения пласта и метаноносности - на рис. 3 и 4 соответственно, из которых видна существенная разница в протяженности зон различной степени дегазации массива угля вблизи выработки или скважины.
Динамика перемещения зон дегазации угольного пласта за время до 150 суток со степенью снижения газоносности 0, 10, 25, 40, 60 и 75 % приведена в табл. 1 (природная метано-носность - 13,5 м3/т), а за время до 720 мин - в табл. 2 (расчеты по формуле (4), в которой время t принималось в сутках).
Таблица 1
Протяженность зон различной степени естественной дегазации пласта, обнаженного выработкой
Степень дегаза- Протяженность зон дегазации (в метрах) при времени
ции пласта, % обнажения пласта (сут)
1 5 10 20 60 150
0 (граница зоны при X = 13,5 м3/т с.б.м) 2 4,5 6,3 8,9 15,5 24,5
10 (Х'= 12,2) 1,4 3,1 4,4 6,3 10,8 17,1
25 (Х'= 10,1) 1 2,2 3,2 4,5 7,7 12,2
40 (Х'= 8,1) 0,9 2 2,8 4 7 11
60 (Х' = 5,4) 0,65 1,45 2,1 2,9 5 8
75 (Х'= 3,4) 0,35 0,8 1,1 1,6 2,7 4,3
Рис. 6. Динамика изменения коэффициента естественной дегазации массива угля очистной выработкой: кривые 1, 2, 3, 4 соответствуют расстоянию 0,1, 0,2,
0,3 и 0,5 м от поверхности обнажения пласта выработкой
При исследовании газоносности пласта в зоне влияния очистной выработки использованы экспериментальные данные об изменении газового давления в массиве угля вблизи его обнажения подготовительной выработкой. При этом для построения поля распределения метаноносности в массиве пласта вблизи выработки были использованы данные об изменении газового давления и показатели сорбции метана углем [8].
Результаты исследования зависимости X = f (И, ^ в массиве угля вблизи очистной выработки приведены на рис. 5, а степень естественной дегазации пласта в зоне дегазирующего влияния забоя очистной выработки - на рисунке 6. Показатель ар рассчитывался по формуле (5). По его величине находилось газовое давление, которое с использованием показателей сорбции метана углем переводилось в метаноносность пла-
ста (см. рис. 5), а коэффициент естественной дегазации массива угля вблизи выработки - по формуле
«е = 1 - £ ■ (6)
где Х' — газоносность массива угля после естественной дегазации, м3/т с.б.м.
Таким образом, по результатам исследования установлено изменение газового давления в угольном пласте вблизи выработки от времени, отсчитываемого с начала обнажения пласта. При этом по экспериментальным данным: 1) выявлена закономерность перемещения границы зоны дегазации массива угля, примыкающего к поверхности обнажения пласта выработкой или скважиной, и 2) построены поля газодинамического состояния пласта, вскрытого подготовительной выработкой или скважиной, а также в пласте в призабойном пространстве лавы с использованием показателя, характеризующего скорость перемещения зоны различной степени дегазации угольного массива по фактору газового давления или газоносности.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забурдяев В.С. К вопросу изменения газового давления в угольном пласте, вскрытом дегазационной скважиной// Научные сообщения ИГД им.
А.А. Скочинского. - М., 1971. - Вып. 82. - С. 47-52.
2. Забурдяев В.С. Дегазация пласта подготовительными выработками и скважинами // Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского - М., 1975. -Вып. 126. - С. 179-184.
3. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт // Ма-кеевка-Донбасс, 1989. - 319 с.
4. Управление газовыделением в угольных шахтах при ведении очистных работ / И.В. Сергеев, В.С. Забурдяев, А.Т. Айруни и др. - М.: Недра, 1992. - 256 с.
5. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне. М.: Издательство Академии горных наук, 1997. - 4б3 с.
6. Тимошенко А.М. Прогноз газообильности выемочных участков при высокопроизводительной добыче угля. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Кемерово, 2000. - 25 с.
7. Забурдяев В.С. Методы управления газовыделением на угольных шахтах // Проблемы газоносности угольных месторождений. - М.: Недра, 1982. - С. 120-167.
8. Сергеев И.В., Забурдяев В.С., Рыжков В.Г. Эффективность дегазации угольных пластов при проведении подготовительных выработок // Шахтное строительство. - М., 1975. - № 7. - С. 18-20.
і— Коротко об авторах---------------------------------------------
Чаплыгин Николай Николаевич - профессор, доктор технических наук,
Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук,
Новикова Ирина Александровна - горный инженер,
____I ИПКО1 I РЛ1 I_______________________________________________
-------------------------------- © В.Н. Бобровников, Ю.М. Погудин,
2006
УДК 622.371
В.Н. Бобровников, Ю.М. Погудин
ОЦЕНКА МЕТАНООПАСНОСТИ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ В РАЙОНЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ
Объем и интенсивность метановыделения в горные выработки угольной шахты зависит прежде всего от природной и остаточной метаноносности угольных пластов, характера изменения метаноносности угля с глубиной, положения нижней границы зоны газового выветривания. По современным теоретическим представлениям (Г.Д. Лидин и др.), положенным в основу методов изучения газоносности угольных месторождений, выше названной границы изменение метаноносности угольных пластов с глубиной носит случайный характер, ниже - закономерный.
Ведение горных работ на выемочных участках в районе геологических нарушений очень часто сопровождается повышенным метановыделением. Имеет место это опасное явление и при отработке Воргашорского месторождения Печорского угольного бассейна. Так, в лаве 1132-з пласта Мощного шахты "Октябрьская" ОАО "Воркутауголь" (ныне шахта закрыта, отрабатывала одиночный пласт) произошла вспышка метана в зоне геологического нарушения с амплитудой 1,1 м. Было высказано предположение, что метан выделяется по
