CC BY
25
4. Латышова Т.А. Экономический анализ и оцен- угольных шахт/ Горный информационно-аналити-
ка эффективности затрат на охрану труда в условиях ческий бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 2000, №8.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Азимов Р.А., Павлов И.А., Шувалов Ю.В., Нифонтов Ю.А., Никулин А.Н. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (Технический университет).
----------------------------------------- © Ю.В. Шувалов, И.А. Павлов,
М.М. Попов, 2004
УДК 622.831.322
Ю.В. Шувалов, И.А. Павлов, М.М. Попов
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА В ВЫРАБОТКИ ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТ ВОРКУТЫ*
Семинар № 5
Газовый баланс добычных участков шахт Воркуты складывается из трех основных составляющих: газовыделения: из разрабатываемого пласта в очистном забое (5-
10 %), надрабатываемых пластов и газосодержащих пород (20-30 %), подрабатываемых углевмещающих толщ пород, пластов и пропла-стков (60-70 %).
Динамика поступления газа в горные выработки, выработанное (обрушенное) пространство и из него в вентиляционые выработки главным образом определяется напряженно-деформированным состоянием окружающего массива. В условиях естественного- или при-груженного в результате перераспределения напряжений состояния массива газовыделение в дренажные выработки (скважины и др.) происходит в незначительных количествах. Этому состоянию соответствуют и минимальные ско-
рости фильтрации газа в неразгруженном и ненарушенном массиве. Интенсификация же процессов фильтрации газа и газовыделения в выработки-коллекторы происходит в зонах разгрузки участков массива от горного давления, развития трещиноватости и создания открытопористой структуры с протяженными каналами течения газа. Об этом свидетельствуют данные о поступлении газа в дренирующие скважины, от угла наклона и протяженности которых, а также положения относительно очистного забоя зависит дебит метана.
Результаты газовоздушных съемок в выработках добычных участков шахт, отрабатывающих пласты «Четвертый» и «Мощный» позволили установить закономерности формирования газового режима выработанного пространства и его связь с горным давлением. Данные наблюдений свидетельствуют о наличии трех
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №Т02-04.1-1974
различных по динамическим характеристикам участков (зон) по простиранию пласта (длине вентиляционной выработки).
I - зона опорного давления лавы, располагающаяся впереди очистного забоя (увеличение интенсивности смещения боковых пород при подходе очистного забоя);
II - зона активного смещения пород, распространяющаяся от очистного забоя в сторону выработанного пространства (обрушение пород непосредственной, а затем и основной кровли, образование и обрушение блоков пород, частичное уплотнение пород в зоне беспорядочного обрушения);
III - зона стабилизации (наибольшая протяженность и незначительные величины смещений боковых пород (< 2 мм/сутки)).
По ранее приведенным данным [1] при первоочередной отработке пласта «Четвертый» в свите пластов создается область разгрузки во второй зоне высотой до 180 мв сторону подрабатываемых двенадцати пластов и пропластков (ш^ = 9,1 м), в том числе пласта «Тройной» мощностью 2,2-2,8 м на растоянии 15-17 м от кровли пласта «Четвертый», а в сторону надрабатывае-мых шести угольных пластов и пропластков (ш;г = 3,7 м) - до 80 м.
Изучение газодинамики выработанного пространства путем натурных измерений концентрации газа, поступающего из лавы с утечками воздуха и выходящего в вентиляционную выработку (замеры в выработанном пространстве на расстоянии 1,5-2,0 м от ограждающей крепи) позволили установить закономерности изменения концентрации газа Ссн4 в утечках и его удельного значения Д^. Сочетание воздушного и газового потоков характеризуется закономерным ростом удельных газовыделе-ний на расстоянии 40-80 м от забоя (0,2 м3/(мин-м)) и дальнейшим относительно пологим снижением на расстоянии до 300-500 м.
Фазовое отставание максимума удельных газовыделений Дqг от максимума удельных утечек Дq способствует еще более значительному сдвигу максимума концентрации газа в утечках (до 100 ми более). Зависимость расстояния максимума концентрации газа в утечках Ьшах от длины отработанной части выемочного столба для различных пластов является нелинейной и может быть рассчитана по эмпирической зависимости:
Ьшах = (а/2Ь)0,111 (1)
где а и Ь - эмпирические коэффициенты (а изменяется от 15,0 до 4,2; Ь - от 1,1-109 до 1,6109).
Доля газовыделения из старых выработанных пространств в газовом балансе шахт по оценкам разных исследователей [2] составляет до 40%, а в отдельных случаях достигает 70%. Однако эти оценки являются весьма приближенными и не отражают зависимости динамики газовыделения из этого источника от таких очевидных факторов как размеры выработанного пространства, его площадь, время отработки и многих других.
Шахтные наблюдения за газообильностью выемочных участков проводились сотрудниками ПечорНИИПроект и СПГГИ (ТУ) на шахте «Заполярная» в лавах 124-ю, 224-ю, 324-ю и 424-ю, на шахте «Воркутинская» в лавах 122го, 132-ю и 332-ю, на шахте «Северная» в лавах 612-с, 712-с, 812-с, 1112-с, 1212-с, 512-ю, 612го, и 712-ю пласта «Четвертого», и шахте «Комсомольская» в лавах 141-с, 241-с, 341-с пласта «Мощного». Все лавы отрабатывались в панели последовательно одна за другой, что дает возможность определения степени влияния на газовый режим выемочного участка выработанных пространств ранее отработанных выемочных столбов.
Результаты измерений концентрации метана переносными приборами и по данным лабораторных анализов в пунктах замеров, которые были произведены при отработке выемочных столбов, обрабатывались по стандартной методике [3].
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что во всех без исключения выемочных столбах наблюдается нелинейный рост относительной метанообильности по мере отхода лавы от монтажной камеры. Так при отработке, например, выемочного столба 612-с ш. «Северная» (рис. 1) метанообильность возросла от 25 м3/т на расстоянии 100 м до 47 м3/т при завершении его отработки на длине 2000 м. При отработке столба 812-с той же шахты (третьего в панели) рост метанообильности происходил еще более интенсивно от 33 м3/т на расстоянии 70 м до 65 м3/т на длине 1500 м. На шахте «Заполярная» при отработке первого в панели выемочного столба 124-ю метанообильность возросла от 10 м3/т на расстоянии от монтажной камеры 20 м до 45 м3/т при отходе лавы на расстояние 800 м. При отработке четвертой по порядку в этой панели лавы 424-ю метанообильность была 15 м3/т на уда-
Рис. 1. Динамика относительной метанообильности выемочных участков 612-с, 712-с. 812-с на шахте «Северная»
лении 40 ми достигла значения 83 м3/т на расстоянии 900 м. Эти примеры показывают динамику относительной метанообильности на выемочных участках при отработке пласта «Четвертого». Такая же закономерность наблюдается и при отработке пласта «Мощного». По пласту «Мощному» на шахте «Комсомольская» среднеинтегральное по длине выемочного столба значение метановыделения с 20,8 м3/т в лаве 141-с увеличилось до 48,6 м^т в лаве 341-с. Степень нарастания газовыделения существенно ниже, чем по пласту «Четвертому», где фактическая метанобильность изменялась от 58,3 до 86,2 м3/т при росте глубины работ на 115 м. При отработке столба 524-ю, расположенного на 17,1 м ниже 424-ю метанообильность по выемочному участку достигла более 90 м3/т. Абсолютная метанообильность выемочных участков по пластам «Четвертый» и «Мощный» при нагрузках 1000-1500 т/сутки в среднем составляет 60-70 м3/мин, по пласту «Пятому» на шахте «Северная» - до 90-95 м3/мин.
Метанообильность выработок возрастает при подработке угольных пластов. Так, при подработке шахтой «Северная» пластов на шахте «Аяч-Яга» (Н = 400 м) метанообильность при проходке выработок возросла в 4-5 раз, а метанообильность выемочных участков -в 2-3 раза.
Динамика изменения метанообильности выемочных участков по мере увеличения размера выработанного пространства по направлению отработки выемочного столба на шахтах Воркутского месторождения с достаточно высокой степенью достоверности (квадрат коэффициента корреляции Я2 всегда более 0.9) описывается логарифмическими зависимостями вида:
Яг/Хп
Р^Ц-С- 2. Влияние размера выработанного пространст-
q = А х 1п х + В, м3/т
(2)
ва (
об$и.л
где q - относительная метанообильность выемочного участка; х - длина выемочного столба (расстояние от монтажной камеры), м.
Установленная закономерность должна учитываться при проектировании вентиляции вновь вводимых в эксплуатацию выемочных участков.
суммарной длины отработанных лав) на мета ч ъностъ выемочных участков
у = 0,5641|_п(х) - 1,0934 Р*2 = 0,9138
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Суммарная длина лав, м
Как было отмечено выше, метанообильность выемочных участков существенно зависит и от размеров выработанного пространства, определяемых суммарной длиной ранее отработанных выемочных столбов. До настоящего времени количественных зависимостей, учитывающих влияние этого фактора, не предложено. Не учитывается он и в нормативных документах по проектированию вентиляции угольных шахт [3].
Выявление закономерностей влияния увеличения размеров выработанного пространства по мере отработки выемочных столбов в пределах панели на изменение газового режима действующих выемочных участков затруднялось отсутствием достаточного количества необходимой для этого анализа информации, а также тем обстоятельством, что даже имеющиеся результаты натурных наблюдений существенно дифференцированы по их качеству, относятся к различающимся по многим факторам горногеологическим и горно-технологическим условиям.
В настоящей работе к анализу были приняты выемочные столбы шахт Воркутского месторождения, отработанные лавами в сходных горно-геологических условиях и оборудованных механизированными комплексами с примерно одинаковыми техническими характеристиками (по пласту «Четвертому»). Соответственно, такие интегральные технологические показатели как месячная нагрузка на очистной забой, скорости подвигания лав, суммарное время отработки выемочных столбов, длины лав и ряд других не являлись существенно отличающимися. В этих условиях различие в значениях относительной метанообильности вы-
0
емочных участков, последовательно отрабатываемых в пределах панели, почти однозначно определялось изменением размеров выработанного пространства и глубины разработки, а значит и величины относительного метановыделения из под- и надрабаты-ваемых угольных пластов, определяемого изменением их природной метаноносности в соответствии с установленными ранее закономерностями в пределах каждой шахты [4]. С целью учета последнего фактора в качестве параметра приведения значений интегральной за время отработки выемочного столба относительной метанообильности выемочных участков qJ , отработанных в условиях разных шахт и на разных глубинах было принято значение природной метаноносности разрабатываемого пласта хр. Результирующий график изменения параметра q^/xp в зависимости от суммарной длины ранее отработанных лав (размера выработанного пространства) для 17 выемочных участков, отработанных в разных условиях, представлен на рис. 2.
Полученная в результате обработки данных корреляционная зависимость (Я2 =0.91) имеет вид:
q^ = хр х (0.56 х 1п у^ -1.09) > м3/т (3)
где эд -среднеинтегральная за время отработки относительная метанообильность вы-
1. Шувалов Ю.В., Белозеров В.А., Веселов А.П., Павлов И.А. Проблемы аэрогазодинамики при разработке Воркутского месторождения. В сб.: Наука в СПГГИ (ТУ), вып. 3, С-Пб, СПГГИ, 1998.
2. Каледина Н.О., Мещеряков Д.А., Семенов
А.С. Оценка интенсивности газовыделения из старых выработанных пространств / Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, вып.7, 2000.
емочного участка, м3/т; у^ - суммарная длина отработанных лав (включая действующую), м; Хр - природная метаноносность разрабатываемого пласта, м3/т.
Она дает возможность учесть в газовом балансе выемочного участка долю метановыделения из ранее образованного при последовательной отработке лав в пределах панели выработанного пространства и указывает на существенное влияние этого фактора, ранее не дифференцированного и не учитываемого в расчетах метановыделения и при разработке способов управления им.
Наиболее существенный вклад в общий газовый баланс участка вносит старое выработанное пространство, образованное при отработке двух предыдущих выемочных столбов (при длине лав порядка 200 м) - до 50 %. Еще ранее отработанные выемочные столбы (их выработанное пространство) также влияют на суммарное метановыделе-ние, но в существенно меньшем размере -темп нарастания относительной метанообильности после суммарной длины лав более 600 м постепенно снижается и при достижении У£ =1000 м, что соответствует предыдущей отработке более четырех лав (при средней длине 200 м), их влияние может не учитываться.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989.
4. Шувалов Ю.В., Павлов И.А., Бобровников
В.Н., Попов М.М., Веселов А.П Геодинамика и газовыделения из выработанного пространства на шахтах Воркуты. В сб: «Результаты научных исследований проблем минерально-сырьевого комплекса» (Записки Горного института. т.147), С-Пб, СПГГИ, 2001.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------------
Шувалов Юрий Васильевич - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой,
Павлов Игорь Александрович - доцент, кандидат технических наук,
Попов Михаил Михайлович - ассистент, кандидат технических наук,
кафедра «Экологии, аэрологии и охраны труда», Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
