Зависимость динамики метанообильности очистного забоя от свойств отрабатываемого участка месторождения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------ф

^-------

----------------------------- © Е.Н. Козырева, А.А. Рябцев,

2006

УДК 622.86

Е.Н. Козырева, А.А. Рябцев

ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИКИ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ ОТ СВОЙСТВ ОТРАБАТЫВАЕМОГО УЧАСТКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ

ДХоличественные изменения в геометрических разме-К рах выемочных столбов и значительное увеличение нагрузок на очистные забои постоянно повышает требования к надежности прогноза геомеханических следствий технологических решений. Динамика изменения горнотехнологических ситуаций на отрабатываемом участке месторождения выходит за пределы возможной оперативности их анализа. Для обеспечения высокоскоростной и, следовательно, безопасной выемки угля необходимы достоверные сведения о возможных объемах выделения газа из основных источников, динамики его поступления и соответствующих расходов и распределения воздуха. Для снятия динамических перегрузок системы в условиях инерционности реализации технических мероприятий требуется переход на комплексную схему управления газовыделением, включающую и дегазацию ос-

новных источников метановыделения, с указанием мест бурения скважин.

Разработанные в ИУУ СО РАН методы решения поставленных задач существенно дополняют заложенный в нормативно-методические документы [1-5] опыт 80-х годов прошлого столетия и позволяют с достаточной надежностью вести расчеты искомых параметров при прогнозе метановы-деления и проектирования проветривания горных выработок.

Согласно нормативу [1], в расчеты для прогноза метано-выделения из разрабатываемого пласта на выемочном участке принимаются горно-геологические данные одной, максимум двух скважин. Для уточнения значений газокинетических характеристик угольных пластов на предварительных этапах исследований применялись пространственные информационно-аналитические модели свойств массива горных пород, учитывающие изменчивость свойств пластов по скважинам, находящимся в пределах и в окрестности рассматриваемого выемочного участка. Однако применение подобных моделей не давало удовлетворительной сходимости расчетных и фактических значений. К тому же такие расчеты представляли картину изменения свойств массива в плоскости по заданным срезам массива в пределах рассматриваемого горного блока. Оставался нерешенным вопрос: как газовый потенциал распределяется в пространстве, на каком расстоянии от разрабатываемого пласта сосредоточено основное количество газа, которое при ведении горных работ реализуется на выемочный участок? Чем ближе к разрабатываемому пласту сосредоточена большая часть газового потенциала, тем динамичнее будет происходить его выделение при отработке пласта. Возникла необходимость рассматривать свойства массива по вертикали от разрабатываемого пласта. Именно стратиграфические особенности залежи (угленосность и свойства под-, надрабатываемого массивов и разрабатываемого пласта) при ведении горных работ формируют особенности реализации газового потенциала по основным направлениям стоков. Наличие в массиве газа в огромных количествах и разных состояниях заставляет рассматривать его в качестве вполне значимого энергетического

потенциала, способного влиять на поведение вскрываемого горными работами пород.

Газовый потенциал определяется нами как ресурсы метана в зоне провоцируемых горными работами геомеханиче-ских процессов, отнесенные либо на м2 поверхности (как на рис. 1 и 2), либо к тонне угля разрабатываемого пласта. Это комплексный показатель, учитывающий природную газоносность пласта, глубину его залегания, мощность, зольность и влажность.

Используя современные возможности информационных технологий и методы пространственного отображения свойств угольных пластов, на основе электронных баз горно-геоло-гических данных выполнено картирование шахтоучаст-ков и пластов практически всех разрабатываемых месторождений Кузбасса. На рис. 2 представлен пример компьютерного картирования наиболее распространенной характеристики углеметанового месторождения - карта газоносности разрабатываемого пласта на Ленинском месторождении Кузбасса. Изо-

Г, м3/м2

Отход лавы от монтажной камеры, м

“ “ по нормативу по разработанному методу (из рис.2)

Рис. 1. Газовый потенциал Г разрабатываемого пласта в пределах выемочного столба, указанного на рис. 2

линии, проведенные на этой карте, позволяют более детально и уже в программном режиме учитывать изменчивость свойств отрабатываемых участков месторождений, определяющих особенности газодинамической реакции пластов на технологическое воздействие в процессе ведения горных ра-

бот. Подобные карты получены для других источников газо-выделения (под-, надрабатываемый массивы и суммарный газовый потенциал в пределах рассматриваемых глубин).

Имея соответствующие массивы данных аэрогазового контроля, и располагая современными знаниями о следствиях современных технологий, ИУУ СО РАН разработал адаптивный метод оперативного прогноза динамики метано-обильности выемочного участка и очистного забоя при отработке пологих и наклонных пластов с полным обрушением кровли с учетом непостоянства горно-геологических свойств и горнотехнологических параметров. Метод апробирован на 17 выемочных участках шахт Кузбасса.

Нижеприведенные результаты демонстрируют возможности метода для выемочного участка, указанного на рис. 2.

Одна из основных особенностей аэрогазодинамики современного выемочного участка заключается в том, что высокая скорость подвигания забоя сокращает время газового дренирования массива по направлению к выемочному участку с одновременным ростом динамики провоцируемых газокинетических процессов. В процесс разгрузки вовлекаются огромные_________________________________________________

1000 1500 2000 2500 3000 3500

Рис. 2. Компьютерная карта газоносности разрабатываемого пласта в пределах отрабатываемого участки месторождения

объемы газоносных горных пород. Однако при ведении горных работ на выемочный участок реализуется только часть этого потенциала. Эту часть предлагается определять как газокинетический показатель - доля реализации газового потенциала массива. Для устранения влияния непостоянства скорости подвигания очистного забоя выполнено нормирование газокинетического показателя выемочного участка отно-

Рис. 3. К расчету квазистати ческой составляющей метанообильно-сти выемочного участка

Рис. 4. К расчету динамической составляющей ме-танообильности выемочного участка

сительно функции скорости подвигания забоя. В результате обеспечено получение всех основных характеристик газокинетических процессов в зонах техногенных возмущений. Ранее [6] была ус-та-новлена и аналитически обоснована волнообразная периодичность интенсивности газопритока на действующий выемочный участок. Эта особенность определяется нами как газокинети-ческий паттерн (волновая подпись) разрабатываемого газо-носного массива. Параметры паттерна количественно связаны с процессами разгрузки и сдвижения вмещающих пород и соз-дают основу для расчета двух основных составляющих газо-притока на выемочный участок квазистатической и динамиче-ской.

Допуская то, что газоприток из надрабатываемого массива изменяется с закономерностью степенной функции, проводим кривую (рис. 3) ниже точек минимума фактических значений. В результате получаем плавно возрастающую функцию с параметрами, связанными со скоростью вовлече-

ния элементарных источников газовыделения и кинетикой их газоистощения.

Тогда вся динамическая часть газопритока характеризует газокинетическую реакцию подрабатываемого массива. На рис. 4 приведен график значений динамической составляющей_________________________________________________________

Рис. 5. Схема разгрузки и сдвижений подрабатываемого массива

газокинетического паттерна по длине отработанной части выемочного столба.

Динамическая часть газопритока обусловлена резкими изменениями фильтрационных и коллекторных свойств в результате интенсивных сдвижений пород (рис. 5). Задержка обрушений и сдвижений с их последующей реализацией и обуславливают резкий выплеск газа из подрабатываемого массива в выработанное пространство с практически неуправляемым распространением по вентиляционной сети газового импульса (технологическое загазирование вплоть до внезапного выброса газа в выработанное пространство).

Поскольку параметры газокинетического паттерна приводятся к скорости подвигания забоя 1 м/сут, исключая влияние непостоянства этого технологического фактора, то достигается возможность выявления значимости изменчивости горно-геологических условий. Например, подрабаты-

ваемый пласт-спутник (рис. 5), лежащий в пределах некоторой внешней полуволны, с позиций кинетики газоисто-щения имеет, в общем случае, пять характерных участков: два внутри (в-с), С-в) и три (а-в),(с-С),(в-£) вне вложенных полуволн. Соответственно активизация газового потенциала на участках (в-с), (с1-в) происходит раньше и интенсивнее, нежели на участках (а-в), (с-ф, (в-^>.

Параметры полуволн соответствуют принципу суперпозиции и кратны двум, т.е. каждая следующая внешняя полуволна охватывает две внутренних. Форма полуволн согласуется с зарегистрированной системами мониторинга рудничной атмосферы. Явно выраженная симметрия полуволн паттерна позволяет пренебречь изменениями газокинетических и фильтрационных характеристик массива пород за пределами свода сдвижений. Но в его пределах существенное снижение скоростей разгрузки и сдвижений пород по мере удаления от разрабатываемого пласта и особенностей формы фронта этих процессов обуславливают быстрое сокращение доли реализации газового потенциала источника по направлению к выемочному участку с приближением к контуру свода. И только после достижения им дневной поверхности газокинетическая активность источников возрастает. Но в этот период уже вскрыто второе направление стока газа из источника к поверхности, и интенсивность притока метана в горные выработки дополнительно снизится. Область максимума динамической составляющей соответствует достижению сводом сдвижений верхней границы угленосной толщи.

Амплитуда динамической составляющей связана с долей газового потенциала подрабатываемого массива в структуре газового баланса участка, а протяженность с интенсивностью развития зоны разгрузки подрабатываемого массива.

Отработка пласта приводит к интенсивной разгрузке надрабатываемого массива газоносных горных пород и реализации их газовых потенциалов, но уже в форме квазиста-тической составляющей газокинетического паттерна. На основании известных закономерностей маркшейдерии принято, что форма зоны разгрузки надрабатываемого массива при отходе забоя от монтажной камеры имеет вид параболы. С учетом этого получены зависимости распределения напря-

жений в надрабатываемом массиве в пределах зоны разгрузки и выражение для определения реализующегося на выемочный участок удельного газового потенциала надрабаты-ваемого пласта.

На изложенном представлении газодинамической модели выемочного участка и реализуется алгоритм метода расчета основных характеристики для выбора способов и средств управления газовыделением - абсолютную метано-обильность участка при заданной скорости подвигания забоя (рис. 6). Не___________________________________________________

160 ^ 120 3 80

я 40 0

0 200 400 600 800 1000 и ,рас, м

Рис. 6. Прогноз абсолютной метанообильности выемочного участка при отходе лавы от монтажной камеры (проектная производительность 4000 т угля в сутки)

Рис. 7. Прогноз метанообильности очистного забоя при различных объемах добычи угля

вызывают затруднений и расчеты при переменной скорости подвигания, когда, например, ставится задача управления газо-притоком в выработанное пространство путем изменения скорости.

Таким образом, разработанный метод позволяет определять структуру газового баланса выемочного участка и конкретизировать требуемые коэффициенты дегазации основных источников газовыделения (разрабатываемый пласт, под-, надрабатываемый массивы). А при заданных технологических параметрах (нагрузка на очистной забой, количество подаваемого воздуха, коэффициент распределения воздуха) прогнозировать и динамику метанообильности очистного забоя с учетом вытекающей из законов геомеханики неравномерности газовыделения (рис. 7).

Заключение.

Изложенные результаты, демонстрируя преимущества современных компьютерных технологий решения оперативных задач рудничной аэрогазодинамики, прежде всего показывают, что для обеспечения эффективной работы комплексно-механизированных выемочных участков создано соответствующее методическое обеспечение. Оно позволяет на основе стратиграфических особенностей массива горных пород и данных мониторинга рудничной атмосферы выполнять непрерывный адаптивный прогноз следствий технологических решений, конкретизировать требования к способам, параметрам и средствам комплексного управления газовы-делением на выемочных участках.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Маке-евка-Донбасс. - 1989. - з19 с.

2. Руководство по дегазации угольных шахт. - Москва. - 1990. - 192

с.

3. Временное руководство по применению эффективных способов изолированного отвода метана из выработанных пространств за пределы выемочных участков и на поверхность на пологих и наклонных пластах угольных шахт ОАО УК "Кузнецкуголь". - Кемерово-Новокузнецк. - 2000. -48 с.

4. Руководство по проектированию комбинированного проветривания выемочных участков и полей с применением газоотсасывающих вентиля-

ционных установок для шахт ОАО "Компания "Кузбассуголь". - Кемерово, 2000. - 123 с.

5 Оперативный прогноз газообильности выемочных участков при комбинированном проветривании / Преслер В.Т., Золотых С.С., Стекольщиков Г. Г. / Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001. - 63 с.

6. Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Горный информационноаналитический бюллетень. 2002. №11. С. 117-120.

і— Коротко об авторах-------------------------------------------

Козырева Елена Николаевна - старший научный сотрудник лаборатории газодинамики угольных месторождений ИУУ СО РАН, кандидат технических наук,

Рябцев Андрей Александрович - аспирант ИУУ СО РАН.

-----------------------------------© ю.в. шувалив, и.м. иииривпнкиБ,1

Е.Г. Булдакова, 2006

УДК 622.86

Ю.В. Шувалов, В.Н. Бобровников, Е.Г. Булдакова

ПРОГНОЗ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПЛАСТОВ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

^проектирование и эксплуатация современных шахт II невозможны при отсутствии данных о динамике ме-тановыделения из угольных пластов и прогноза газообильно-сти проектируемых горных выработок. Объемы ожидаемого метановыделения влияют на выбор сечения основных капитальных горных выработок, параметры главных вентиляционных установок. Необходимость управления метановыде-лением в шахте отражается на выборе систем разработки, схем вентиляции, методов управления кровлей, последовательности отработки пластов в свите. Эффективность применения различных методов борьбы с газом зависит от степени изученности процессов метановыделения при разработке угольных месторождений.

Недооценка значения исследований метановыделения из разрабатываемых пластов приводит в процессе эксплуа-