CC BY
35
- © C.B. Сластунов, Г.Г. Каркашадзс,
Е.П. Ютясв, E.B. Мазаник, 2015
УДК 622.012.3:622.8:622.8:622:014.2:622:063.543:622.411.33
С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашалзе, Е.П. Ютяев, Е.В. Мазаник
ВЛИЯНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ОТБИТОГО УГЛЯ НА ПРИТОКИ МЕТАНА И ВОЗМОЖНОСТЬ ПОВЫШЕНИЯ НАГРУЗОК НА ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ*
Представлены исследования влияния размеров фракций отбитого угля на притоки метана в очистной забой и возможность повышения производительности добычи угля по газовому фактору. При решении задачи использованы уравнения массопе-реноса метана в угольном пласте, вмещающих породах и отбитом комбайном угле. Установлено, что с увеличением размера отбитых фракций угля весьма существенно понижается газообильность лавы, что дает возможность увеличения нагрузок на очистной забой в 3-4 раза.
Ключевые слова: очистной забой, уголь, метан, газообильность, массоперенос, отбитый уголь, методика расчета
При разработкегазоносных угольных пластов самым эффективным направлением повышения технико-экономических показателей добычи угля является повышение нагрузок на очистной забой. Современные очистные комбайны, оборудованные передовымзабойно-транспортным комплексом способны обеспечивать среднемесячную добычу угля более одного миллиона тонн из одного очистного забоя. Та-койпоказатель может быть достигнут при условии обеспечения безопасности по газовому фактору и создании условий для снижения газообильности очистного забоя.
Одним из управляемых факторов снижения газообильности очистных забоев является увеличениекрупности угля, отбиваемого комбайном. Представляет практический интерес оценить существенность влияния этого фактора. Чем мельче средний размер фракций, тем больше суммарная свободная по-
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобнауки РФ в рамках Государственного задания № 2014/97, НИР 1190.
верхность газоносного угля и, соответственно, тем больше метана попадает в вентиляционный поток. При концентрации метана в исходящей струе более 1% работа очистного забоя запрещена. Однако если, при тех же исходных условиях, каким-то образом обеспечить увеличение крупности фракций отбиваемого угля, то притоки метана в вентиляционную струю сократятся и появляется возможность более полно использовать потенциальные возможности современного очистного оборудования в направлении повышения производительности.
В данной работе вопрос метода повышения крупности отбиваемых фракций угля остается открытым. Можно предположить, что специалисты в области разрушения горных пород найдут возможность решения поставленной задачи, а именно, разрушения угля крупным сколом с использованием оптимальных зубьев рабочего органа. Нашей задачей является установить перспективность использования управляемого технологического рычага в виде увеличения крупности отбиваемых фракций угля с целью повышения нагрузки на очистной забой по газовому фактору.
Типовая диффузионно-фильтрационная модель переноса метана в угольном пласте описана в работах[1,2]. В основу модели положен механизм двойногомассопереноса за счет фильтрации и диффузии. При этом диффузионный процесс массопереноса определятся коэффициентом диффузии, а фильтрационный — коэффициентом газопроницаемости. В работе [3] процесс выделения метана из отбитых фракций угля описывают только законом диффузии, исключая фактор абсорбции метана и фильтрационный поток под действинм градиента давления газа по каналам микротрещиноватости. Проблемным моментом при использовании указанных моделей массопереноса метана в углях является отсутствие справочных физических свойств в виде коэффициентов диффузии или газопроницаемости. Однако нужные физические свойства находят, как правило, в результате решения обратных задач, путем сопоставления разработанной модели с практическими результатами в геометрическом масштабе исследуемого процесса.
Весьма продуктивным путем описания массопереноса использование единой модели [4], учитывающей абсорбционные свойства угля, измеряемые по единой методике в лаборатор-
ных условиях, и газопроницаемость, определяемую на основе решения обратной задачи. В данном случае неизвестным параметром, требующим знания условий обратной задачи, является только газопроницаемость, в отличие от моделей, требующих дополнительных и не вполне определенных данных.
В последние годы совместными усилиями ученых МГГУ и специалистов ОАО «СУЭК-Кузбасс» разработаны методические основы использования фундаментальных уравнений массопе-реноса метана в модели расчёта предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, достаточно подробно изложенные в работах [6-10]. Принципиальная последовательность расчётов, изложенная в этих работах, представлена рис. 1.
Исходя из знания о технологических параметрах системы разработки, содержащихся в проекте на отработку выемочного столба, а также с учетом базовых физических свойств угольного пласта, решается аналитическая задача о нахождении максимальной производительности выемки угля, при которой концентрация метана в исходящей струе не превышает допустимую величину. В этой методике учитывается также гранулометрический состав отбитого угля, выделяющий метан в лаву по мере его транспортировки по лавному конвейеру до конвейерного штрека.
Представленная методика имеет компьютерную реализацию, на основе которой выявлен фактор влияния размеров фракций на нагрузку на очистной забой. В таблице представлены исходные данные, использованные в расчете.
На рис. 2 представлен искомый результат расчетов в виде предельно допустимой нагрузки на очистной забой от среднего гранулометрического размера угольных фракций, отбываемых комбайном. Более точный учетом распределения угольных фракций по грансоставу представляет рутинную задачу, и ее решение не меняет полученного основного вывода.
Таким образом, установлено, что увеличение размера отбываемых фракций от 10 мм до 20 мм приводит к резкому снижению газообильности лавы в рабочую смену, вследствие чего появляется возможность увеличение предельно допустимых нагрузок на очистной забой в 3-4 раза в диапазоне газо-носностей угольного пласта от 12 до 18 м3/т.
Рис. 1. Методика расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору
Таблица
Исходные данные
№ п/п Параметр Значение
1 Газоносность пласта, м3/т 12.0
2 Зольность угля, м3/м3 0.27
3 Газопроницаемость угольного пласта, м2 0.1-10-15
4 Газопроницаемость кровли и почвы, м2 0.01-Ш15
Окончание табл.
№ п/п Параметр Значение
5 Динамическая вязкость метана, Па-с 0.0108-10-3
6 Температура газа, К 300
7 Параметр сорбции в уравнении Ёенгмюра, Па-1 0.207-10-6
8 Сорбционная емкость угля, кг/м3; 49,3 м3/т
9 Пористость угля 0.02
10 Пористость кровли, почвы 0.02
11 Объемная масса угля, кг/м3 1280
12 Пластовое давление метана, МПа; 1,65
13 Средне-взвешенный радиус фракции отбитого угля, м 0,01
14 Высота заходки комбайна, равная мощности пласта, м; 2,23
15 Длина очистного забоя, м 240
16 Газопроницаемость отбитой фракции угля, м2 0.5-10-22
17 Ширина крепи, м 1.5
18 Ширина заходки комбайна, м 0.8
19 Длительность концевой операции комбайна, после производительной заходки, с 300
20 Длительность концевой операции, после зачистки забоя, перед очередным циклом производительной отбойки, с 300
21 Длительность передвижки крепи, с 1200
ARO® -105 Средний размер фракции, мм
Рис. 2. Нагрузка на очистной забой в зависимости от среднего диаметра отбитого комбайном угля при различных газоносностях: 1 -
q=12 м3/т; 2 - д=15м3/т; 3 - д=18м3/т
Данный вывод стимулирует проведение исследовательских работ на оптимизацию работы очистных комбайнов в направлении отбойки угля крупным сколом, сокращаятем самым выход мелких фракций, которые являются весомым источником выделения метана в течение времени транспортировки по лав-ному конвейеру.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Гуменник К.В., Калугина H.A., Фельдман Э.П. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана из угольного пласта. Журнал технической физики, 2007, 77. вып. 4. С. 65-74.
2 Каркашадзе Г.Г., Сластунов С.В., Ютяев Е.П. Оценка потенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов // ГИАБ. — 2009. — Отд. вып.11. Метан. — С.27-36.
3 Каледина Н.О., Качурин A.H., Сарычева И.В. Теоретическое обоснование модели метановыделения в подготовительный забой из отбитого угля. Известия ТулГУ. Науки о земле. 2011 год, Вып. 1. С.124-129.
4 Полубаринова-Кочина П.Я. О неустановившейся фильтрации газа в угольном пласте/ Прикладная математика и механика. 1953. — Т. 17. № 6. — С.735-738.
5 Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Ермак Г.П. Аналитическая методика расчета допустимой нагрузки на очистной угольный забой по газовому фактору. Журнал Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. № 6. 2013. С.53-59.
6 Каркашадзе Г.Г., Ермак Г.П., Ютяев Е.П. Безопасная отработка газоносных угольных пластов по газовому фактору на основе учета свойств уг-лепородного массива и параметров системы разработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. Издательство «Горная книга». № 5, 2014. C. 152-156.
7 Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Ермак Г.П. Методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Сборник научных трудов «Современные проблемы шахтного метана» (к 85-летию проф. Н.В. Ножкина). — М.: ИД ООО Роликс, 2014 г., с.15-25.
8 Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Ермак Г.П., Никитин С.Г. Прогноз допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. 2012г. http://www.rusnauka.com/28_NII_2012/Tecnic/13_117650.doc.htm
9 Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Ермак Г.П. Определение концентрации метана в выработанном пространстве по результатам съемки параметров вентиляционного потока вдоль лавы// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — № 4. Депон. рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Спр. № 880/04-12 от 23 января 2012 г. (12 стр.).
10 Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Мазаник Е. В.// Методика и результаты измерения пластового давления метана и сорбционных свойств угольного пласта. Газовая промышленность. — 2012. — спец. вып. — С. 4849. ГТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Сластунов Сергей Викторович — доктор технических наук, профессор, slastunov@mail.ru,
Каркашадзе Гиоргий Григолович — доктор технических наук, профессор, g-karkashadze@mail.ru,
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ютяев Евгений Петрович — кандидат технических наук, генеральный директор, Мазаник Евгений Васильевич — кандидат технических наук, технический директор, mazanikev@suek.ru, ОАО «СУЭК-Кузбасс».
UDC 622.012.3:622.8:622.8:622:014.2:622:063.543:622.411.33
THE DEPENDENCE OF THE FRACTIONAL COMPOSITION OF THE DESTROYED COAL AT THE COAL FACE ON FLOWS OF METHANE AND THE ABILITY TO IMPROVE PERFORMANCE, TAKING INTO ACCOUNT THE FACTOR OF GAS
Slastunov Sergey Viktorovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Mining Institute «MISIS», slastunovsv@mail.ru, Russia,
Karkashadze George Grigorovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Mining Institute «MISIS», g.karkashadze@mail.ru, Russia,
Utaev Evgeny Petrovich — Director General of OJSC «SUEK-Kuzbass», Candidate of Technical Sciences, mazanikev@lnk.suek.ru, Russia,
MazanikEvgeny Vasilievich — Head of Aerological Security of OJSC «SUEK-Kuzbass», Candidate of Technical Sciences, mazanikev@lnk.suek.ru, Russia.
Investigation of the factor of size fractions destroyed coal on the flow of methane in the longwall face and the possibility of increasing the productivity of coal mining on the gas factor. When solving tasks used equations of mass transfer of methane in the coal seam, the host rocks and destroyed the harvester coal. It is found that with increasing size of the destroyed fractions of coal significantly reduced the flow of methane in the longwall face, which gives the possibility of increasing the productivity of coal mining in 3-4 times.
Key words:longwall face, coal, methane, inflow of methane, destroyed the coal, the method of calculating.
REFERENCES
1 Alekseev A.D., Vasilenko T.A., Gumennik K.V., Kalugina N.A., Fel'dman Je.P. Diffuzionno-fil'tracionnaja model' vyhoda metana iz ugol'nogo plasta (Diffusion-filtration model output of methane from a coal seam). Zhurnal tehnicheskoj fiziki, 2007, 77. vyp. 4. pp. 65-74.
2 Karkashadze G.G., Slastunov S.V., Jutjaev E.P. Ocenka potencial'nogo urovnja izvlekaemosti metana iz ugol'nyh plastov (Assessment of the potential level of the extracted methane from coal seams) // GIAB. 2009. Otd. vyp.11. Metan. pp.27-36.
3 Kaledina N.O., Kachurin A.N., Sarycheva I.V. Teoreticheskoe obosnovanie mod-eli metanovydelenija v podgotovitel'nyj zaboj iz otbitogo uglja (Theoretical justification of the model methane in preparatory face from the broken coal). Izvestija TulGU. Nauki o zemle. 2011 god, Vyp. 1. pp.124-129.
4 Polubarinova-Kochina P.Ja. O neustanovivshejsja fil'tracii gaza v ugol'nom plaste (Of unsteady filtration of a gas in a coal seam)/ Prikladnaja matematika i mehanika. 1953. T. 17. No 6. p.735-738.
5 Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S., Ermak G.P. Analiticheskaja meto-dika rascheta dopustimoj nagruzki na ochistnoj ugol'nyj zaboj po gazovomu faktoru (Analytical method of calculation of the performance of coal mining on the gas factor). Zhurnal Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh. No 6. 2013. p.53-59.
6 Karkashadze G.G., Ermak G.P., Jutjaev E.P. Bezopasnaja otrabotka gazonosnyh ugolnyh plastov po gazovomu faktoru na osnove ucheta svojstv ugleporodnogo massiva i parametrov sistemy razrabotki (Safe development of coal seams gas factor based on the properties of the coal seam and parameters of the system development). Gornyj informa-cionno-analiticheskij bjulleten'. Izdatel'stvo «Gornaja kniga». No 5, 2014. pp. 152-156.
7 Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S., Ermak G.P. Metodika rascheta dopustimoj nagruzki na ochistnoj zaboj po gazovomu faktoru (The method of calculating the acceptable performance of underground coal mining with regard to the gas factor). Sbornik nauchnyh trudov «Sovremennye problemy shahtnogo metana» (k 85-letiju prof. N.V. Nozhkina). Moscow: ID OOO Roliks, 2014, pp.15-25.
8 Clastunov S.V., Karkashadze G.G., Ermak G.P., Nikitin S.G. Prognoz dopustimoj nagruzki na ochistnoj zaboj po gazovomu faktoru (Forecast valid performance coal mining in longwall face with regard to the gas flow). 2012. http://www.rusnauka.com/28_NII_2012/ Tecnic/13_117650.doc.htm
9 Karkashadze G.G., Ivanov Ju.M., Ermak G.P. Opredelenie koncentracii metana v vyrabotannom prostranstve po rezul'tatam s#emki parametrov ventiljacionnogo potoka vdol' lavy (Determining the concentration of methane in the goaf space according to the results of the shooting parameters of the ventilation flow along the lava)// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2012. No 4. Depon. ruk. Depozitarij izd-va «Gornaja kniga». Spr. No 880/04-12 ot 23 janvarja 2012. (12 str.).
10 Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Mazanik E. V.// Metodika i rezul'taty iz-merenija plastovogo davlenija metana i sorbcionnyh svojstv ugol'nogo plasta (The methods and results of measuring reservoir pressure methane and sorption properties of coal seam). Gazovaja promyshlennost'. 2012. Spec. vyp. pp. 48-49.
