CC BY
27
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
Е. Н. Козырева
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ИУ СО РАН
М. В. Шинкевич
канд. техн. наук, научный сотрудник ИУ СО РАН
М. В. Даньшов
заместитель главного инженера по производству шахты «Абашевская»
УДК 622.272
ВЛИЯНИЕ ДЛИНЫ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ НА МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ
Рассмотрены особенности динамики метанообильности выемочных участков с учетом развития нелинейных геомеханических процессов при движении очистного забоя. Показано, что рост длины очистного забоя в условиях волнообразных изменений размеров зоны его влияния на состояния вмещающего массива приводит к увеличению относительного метановыделения как из отрабатываемого пласта, так и в выработанное пространство.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.
Ключевые слова: УГЛЕГАЗОНОСНЫЙ МАССИВ, ОТРАБАТЫВАЕМЫЙ ПЛАСТ, ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО, ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ, ГАЗОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, НЕЛИНЕЙНОСТЬ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ
Исследования по решению проблем, связанных с техногенными газогеомехани-ческими процессами в углегазоносных массивах и снижением их негативного влияния на безопасность горных работ, активно проводятся в Институте угля СО РАН. Круг задач охватывает технологии ведения очистных [1,2] и подготовительных работ [3], техногенные геодинамические явления при угледобыче [4]; условия дезинтеграции приконтурного массива выработок [5,6], взаимодействие разрушающего инструмента горных машин с углепородным массивом [7].
В части исследований газодинамики разрабатываемых угольных месторождений предложен метод комплексного адаптивного прогноза динамики метанообильности выемочных участков на базе горно-геологических и горнотехнологических данных [1,2]. Метод основан на пространственных моделях свойств и состо-
научно-технический журнал № 2-2013
ВЕСТНИК 65
яний массива горных пород и учитывает развитие нелинейных геомеханических процессов при движении очистного забоя с формированием сводов-параболоидов [8-11]. Рассчитываемые параметры волнообразной активации вмещающего массива (геомеханический паттерн) учитывают особенности процесса сдвижения горных пород в зависимости от глубины залегания, длины и скорости подвигания очистного забоя, его отхода от монтажной камеры. Снижение напряжений в массиве обуславливает рост доли свободного газа в структуре газоносности угольных пластов, интенсификацию потоков метана и в результате увеличение метанообильности выемочного участка. Повышение точности определения параметров геомеханических процессов позволяет выделить интервалы выемочного столба с различной интенсивностью притока метана как в выработанное пространство, так и в очистной забой и с учетом схемы и режима про-
ветривания участка оптимизировать по газовому фактору его производительность и рабочую скорость комбайна. Для удобства расчетов верхние половины иерархии сводов сдвижения в геоме-ханических слоях аппроксимируют синусоидальными функциями, с приемлемой точностью отражающими границы фронта разгрузки.
Оценка влияния длины очистного забоя выполнена на примере выемочного участка № 15-19 шахты «Абашевская», отрабатывающего пласт 15 на Байдаевском месторождении Кузбасса. Длина выемочного столба около 1 000 м. Глубина отработки - 510...650 м. Длина очистного забоя и суммарная ширина штреков - 260 м. Полная мощность пласта с породными прослоями -
3.5.4 м (1,65 м - вынимаемая мощность пласта). Газоносность - 25.27 м3/т. Угол падения - 15°. Производительность участка А = 1 000.3 700 т/сут (средняя по выемочному столбу Аср - 2 400 т/сут). Среднесуточная скорость подвигания забоя -
4.4 м/сут. Рабочая скорость комбайна - 3 м/мин. Вышележащий пласт 16 отработан.
Горно-технологические данные и электронная база данных системы аэрогазового мониторинга подготовлены службами шахты (рисунок 1).
На рисунке 2 приведены синусоиды гео-механического паттерна в рассматриваемых горнотехнологических условиях ф - расстояние по нормали от разрабатываемого пласта). Проявляются три геомеханических слоя в под- и надрабатываемых массивах. В пределах этих слоев расположены рабочие пласты и пласты-спутники - основные источники притока метана в выработанное пространство. Учитывая, что пласт 16 отработан и пласты-спутники 17 и 17а при этом дегазированы, основным источником притока метана в выработанное пространство является надрабатываемый массив. На различных интервалах отработки столба суммарная интенсивность источников в направлении участка различна, что и обуславливает регистрируемую системой мониторинга волнообразность (рисунок 2).
Сопоставление результатов расчета динамики метанообильности участка (газокинетический паттерн) по данным о месячных подвигани-ях забоя с фактическими данными аэрогазового мониторинга показало, что без учета коэффициента неравномерности газовыделения отклонения значений составляют:
, М’/МИН 1 1 Г 1 1 I- фактические данные
■ ПврМОИЧКЖТЬ
■ 1* 1 *Ч*г*
* • * \ »
ь
к>. г.*
•Т.: •. 'У. *• г* Ч
•*» 9 • 1 *
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Рисунок 1 - Среднесуточная абсолютная метанообильность выемочного участка № 15-19 при производительности 1 000...3 700 т/сут
Показатели Лава 15-19
Производительность, т/сут 1 000... 3 700
Газоносность пласта, м3/т 25,8
Доля очистного забоя в метанообильности участка, % 25
Погрешность прогноза, % - метанообильность выработанного пространства - метанообильность очистного забоя 7 28
200
И, м
-200
-Ь, М -240
Рисунок 2 - Схема развития зон разгрузки вмещающего массива от горного давления при отработке выемочного столба № 15-19
К сожалению, отсутствие соответствующих аэрогазовому мониторингу данных о суточном подвигании забоя привело к необходимости оперировать в расчетах данными о месячных подвиганиях, что существенно сгладило картину динамики процессов. Но и в этой ситуации полученная удовлетворительная сходимость результатов позволяет несколько расширить задачу в направлении оценки влияния длины очистного забоя на метанообильность участка.
Ранее в работах [9-14] установлено, что амплитуда и периодичность волнообразности кратны ширине выработанного пространства. Следовательно, если принять длину забоя со штреками, например, в 2,5 раза меньше, чем в лаве № 15-19, то амплитуда и периодичность волнообразности геомеханического паттерна снизится в соответствующее число раз. Отметим, что при таком уменьшении длины очистного забоя приходим к значениям, близким полученным из опыта до середины 90-х годов прошлого века, обобщенным и в ныне действующих нормативных документах.
С использованием возможностей метода определена метанообильность выемочного участка подобного участку № 15-19 при сохранении месячной производительности, но с длиной очистного забоя 100 м. Результаты прогноза относительной метанообильности по длине выработанного пространства Lв представлены на рисунках 3, 4.
Чиск' м3/Т
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 LQ, М
Рисунок 3 - Расчетное относительное метановыделение на исходящей очистного забоя при различной его длине 1оч (А = факт)
—1оч=250м
4>ь,р» м3/т 10 ■
8 -6 ■
4 ■ V 2 ■
О ----
О 100 20D 300 40D 500 600 700 800 900 1000 L м
Рисунок 4 - Расчетное относительное метановыделение в выработанное пространство при различной длине очистного забоя 1оч (Аср = 2 400 т/сут)
Рост длины очистного забоя при неизменной производительности участка приводит к увеличению относительной и абсолютной метанообильности. При меньшей длине очистного забоя относительная метанообильность снижается до двух раз, а абсолютная - в 2,5 раза.
В связи с принципиальной значимостью результата аналогичные оценки были выполнены для выемочного участка № 546 шахты «Чертин-ская-Коксовая» (рисунок 5), отрабатывающего пласт 5 на Чертинском месторождении Кузбасса. Средняя глубина отработки - 580 м, мощность пласта - 2,1 м, его газоносность - 20 м3/т, угол падения пласта - 10°. Среднесуточная нагрузка на очистной забой - 3000 т/сут, фактическая длина очистного забоя -180 м.Средняя глубина отработки составляет 580 м, мощность пласта - 2,1 м, газоносность - 20 м3/т, угол падения - 10°, среднесуточная нагрузка на очистной забой - 3 000 т/сут, фактическая длина очистного забоя - 180 м.
1^ мЗ/мНН
1оч = 180 м -
г " - - - 1оч = 100
*4,
" -
' " л. _ ■
О 200 400 600 1^м 1000
Рисунок 5 - Метанообильность очистного забоя шахты «Чертинская-Коксовая» при различных длинах очистного забоя, но равной суточной производительности
Как и в предыдущем случае, подтверждается вывод о росте метанообильности очистного забоя с увеличением его длины, но при постоянной производительности.
Таким образом, результаты применения метода прогноза динамики метанообильности выемочных участков Институтом угля СО РАН для оценки обоснованности технологических решений показывают:
- положение действующих нормативных документов о независимости относительной метанообильности выемочного участка и очистного забоя от его длины и интервала отработки выемочного столба при неизменной производительности, обобщая горный опыт работы забоев длиной около 100 м с производительностью 1-2 тыс. т/сут, не учитывает значимость динамики реальных газогеомеханических процессов;
научно-технический журнал № 2-2013
ВЕСТНИК 67
- стремительное увеличение длин очистных забоев на шахтах Кузбасса во второй половине 90-х годов прошлого века стало объективной причиной напряженности газовой обстановки, а одновременное увеличение скоростей подвигания сжало во времени периоды повышенной метанообильности с динамикой, выходящей за пределы возможностей действу-
ющих вентиляционных систем;
- современные знания закономерностей геомеханики и рудничной газодинамики могут служить основанием для оптимизации параметров способов, схем управления газовыделени-ем на выемочных участках и решения ряда других горно-технологических задач.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полевщиков, Г. Я. 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.8-11.
2. Полевщиков, Г. Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 2. - С.20-27.
3. Полевщиков, Г. Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г. Я. Полевщиков, М. С. Плаксин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 5. - С. 3-7.
4. Зыков, В. С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах / В. С. Зыков. - Кемерово: Полиграф, 2010. - 334 с.
5. Черданцев, Н. В. Геомеханическое обеспечение инновационных проектных решений по строительству и эксплуатации горных предприятий / Н. В. Черданцев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 7. - С. 189-202.
6. Черданцев, Н. В. Моделирование геомеханического состояния анизотропного по прочности неоднородного массива горных пород / Н. В. Черданцев, В. Т. Преслер // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 3. - С. 15-22.
7. Клишин, В. И. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В. И. Клишин, Л. В. Зворыгин, А. В. Лебедев, А.В. Савченко. - Новосибирск: Новосибирский писатель, 2011. - 524 с.
8. Козырева, Е. Н. Уточнение прогноза метановыделения из вмещающих пород и пластов-спутников / Е. Н. Козырева, М. В. Писаренко // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. -№ 9. - С. 97-99.
9. Шинкевич, М. В. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / М. В. Шинкевич, Н. В. Рябков, Е. Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 3. - С. 356-359.
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. Фрактальная особенность структуризации массива горных пород в изменениях давления на призабойную часть угольного пласта, отрабатываемого длинным очистным забоем / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. В. Леонтьева, А. А. Черепов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 3. - С. 16-23.
12. Козырева, Е. Н. Особенности газогеомеханических процессов на выемочном участке шахты / Е. Н. Козырева, М.В. Шинкевич / Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 2. - С. 28-35.
13. Айзаксон, Э. Давление горных пород в шахтах. - М.: Госгортехиздат,1961. - 176 с.
14. Пат. 2392442 Российская Федерация, МПК Е2^7/00. Способ дегазации отрабатываемого угольного пласта / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, М.В. Шинкевич. - № 2008142601/03; заявл. 27.10.2008; опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17.
INFLUENCE OF EXTRACTION FACE Козырева Елена Николаевна
LENGTH ON METHANE EMISSION OF COAL e-mail: [email protected]
EXTRACTION SECTION
Ye. N. Kozyreva, M. V. Shinkevich, Шинкевич Максим Валериевич
M. V. Danshov e-mail: [email protected]
Methane emission dynamics features of coal
extraction sections are reviewed with consideration Даньшов Максим Валерьевич,
of non-linear geo-mechanical processes e-mail: [email protected]
development as the coal extraction face advances.
It is shown that extraction face length growth in
conditions of wave-shape changes of it’s influence
zone size on conditions of the containing massif
leads to the increase of relative methane emission
both from the seam under work and to the gob.
The work is fulfilled with financial support of
interdisciplinary integration project of SB RASc No
99 and partnership integration project of SB RASc
No 100.
Key words: COAL GASCONTAINING
MASSIF, SEAM UNDER WORK, GOB AREA,
EXTRACTION FACE, GAS GEO-MECHANICAL
PROCESSES, NONLINEARITY, HIGH METHANE
EMISSION
69
