Метановыделение из отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве

Шинкевич, Максим Валериевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Метановыделение из отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Метановыделение из отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве"

На правах рукописи

ШИНКЕВИЧ МАКСИМ ВАЛЕРИЕВИЧ

^•юааазй V

МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ ОТРАБАТЫВАЕМОГО ДЛИННЫМ ОЧИСТНЫМ ЗАБОЕМ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПОД ВЛИЯНИЕМ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВМЕЩАЮЩЕМ МАССИВЕ

Специальность: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДПР 2010

Кемерово 2010

004600880

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте угля и углехимии СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Полевщиков Геннадий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулаков Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор Зыков Виктор Семёнович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии

наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН (УРАН ИПКОН РАН)

Защита диссертации состоится "05" мая 2010 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 при Институте горного дела СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан "01." апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы метановыделения в горные выработки и азработка соответствующих методов прогноза относится к одной из основных роблем рудничной аэрогазодинамики. Ее сложность обусловлена неразрывно-ъю связи газокинетичсских характеристик пласта с геомеханическими процес-ами. Но неразрывность этой связи имеет и положительный аспект, заключаю-ийся в возможности уточнять особенности геомеханического процесса по дипа-ике метанообильности горных работ.

В структуре газового баланса выемочного участка доля метановыделения из трабатываемого пласта, включая отбитый уголь, составляет около 20 %. Но если редставляющий остальные 80 % метан выработанного пространства может быть полированно выведен на поверхность средствами вентиляции и дегазации, то газ трабатываемого пласта реализуется непосредственно в забое и транспортных ыработхах. Его весьма трудно извлечь из пласта способами предварительной де-азации. Эти горнотехнологические особенности предъявляют повышенные тре-"ования к методам оценки газокинетических характеристик исследуемого в дан-ой работе объекта с учетом изменений его свойств и состояний впереди движу-егося очистного забоя.

В последние десятилетия российскими учеными активно развиваются зна-ия о свойствах углеметанового пласта, как твердого углегазового раствора (при-ритет научного открытия 1981 г.). Газосодержание твердого углегазового рас-вора (ТУГР) связано с действующими вертикальными напряжениями. В 1985 г. арегистрировано научное открытие (приоритет от 1978 г.) деформационно-олновых процессов в окрестности горных выработок на рудных месторождени-х, установленных прямыми наблюдениями напряженно-деформированного со-ояния относительно изотропного массива. В 2001 г. установлены волнообраз-1ые изменения метанообильности высокопроизводительных выемочных участков а угольных месторождениях, расширяющие границы аналитических моделей 1921-2009 гг.) периодических процессов в подрабатываемом явно анизотропном ассиве горных пород.

Совокупность новых знаний позволяет более подробно рассмотреть реак-ию газовой компоненты отрабатываемого пласта на изменение геомеханической бстановки в массиве горных пород с целью повышения надежности технологи-еских решений по управлению метанообильностью высокопроизводительных ыемочных участков.

Инновационному развитию этих задач соответствует активное оснащение юмышленности современными системами мониторинга газовой обстановки в орных выработках на базе достаточно мощных компьютеров. Но методическое и горитмическое обеспечение значительно отстает от потребностей производства, ез удовлетворения которых и само развитие знаний затруднено, что указывает на ктуалыюсть настоящего исследования.

Диссертационная работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте угля и углехимии СО РАН в рамках проектов № 25.2.4 «Экспериментально-аналитические основы механики газоводоносных геоматериалов» и № 7.7.1.4. «Особенности процессов деформирования и разрушения массивов горных пород, включающих техногенно нестабильные двухкомпонентные геоматериалы».

Цель работы: установить эмпирические зависимости газокинетических характеристик пласта от техногенных геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород.

Идея работы: выделение метана из отрабатываемого пласта и отбитого угля обусловлено изменениями форм его существования в пласте при снижении вертикальных напряжений.

Задачи исследований.

1. Обосновать количественную оценку изменений содержания растворенного метана в углеметановом пласте с учетом сорбционной способности угля и присутствия свободного газа при снижении вертикальных напряжений.

2. Установить особенности волнообразных изменений метанообильности выемочного участка при отработке выемочного столба.

3. Установить зависимость структуры газоносности пласта по формам существования метана от геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород.

4. Установить зависимость скорости выделения метана из отбиваемого угля с учетом остаточного газосодержания твердого углегазового раствора.

Методы исследований. Для решения поставленных задач, использованы методы исследований, включающие: анализ литературных источников для обоснования цели и задач исследований, горно-экспериментальные наблюдения для выявления особенностей волнообразных изменений горного давления при движении очистного забоя, статистический анализ горно-технологических данных о газокинетических процессах на выемочном участке, численное моделирование га-зогеомеханических процессов на основании уточненных эмпирических зависимостей.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Изменение структуры газоносности пласта по формам существования метана при снижении вертикальных напряжений определяется снижением природного содержания метана в составе твердого углегазового раствора с соответствующим увеличением количества сорбированного и свободного газа.

2. Динамика метанообильности выемочного участка при подвигании длинного очистного забоя связана с периодичностью процесса сдвижений подрабатываемого массива горных пород.

3. Интенсивность поступления газа в призабойное и выработанное пространство из отрабатываемого пласта определяется изменениями структуры газоносности по формам существования метана при снижении напряжений в пласте впереди зоны опорного давления.

4. Выделение метана из отбитого угля обусловлено продолжающимся распадом углегазового раствора в результате снижения напряжений в угле от действующих на глубине стружки до атмосферного давления.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

- сходимостью результатов прогноза метановыделения из отрабатываемого пласта и отбитого угля горнотехнологическим данным систем газового контроля шахт (средние отклонения прогнозных и фактических данных по метанообильности очистного забоя и выделению метана на конвейерных штреках выемочных участков менее 17 %);

- соответствием результатов обработки методом геоинформатики (2Б) горно-экспериментальных данных об изменениях давления на секции механизированной крепи в процессе движения очистного забоя известным работам в области геомеханики (угол полных сдвижений и шаг первичного обрушения основной кровли);

- сходимостью установленных параметров сдвижений в подрабатываемом очистным забоем массиве горных пород и отрабатываемом пласте известным и замеренным натурными наблюдениями данным (угол полных сдвижений изменяется от 45° до 55° при его среднем значении 50°, регламентированном нормативными документами для Кузбасса);

- представительным объемом горнотехнологических данных (3 шахты, 5 выемочных участков с общей протяженностью выемочных столбов 7,4 км, длиной очистных забоев 180-240 м и их производительностью 2-10 тыс. т угля в сутки, при газоносности пластов 12-25 м3/т);

- промышленной апробацией результатов прогноза метанообильности очистных забоев и рекомендуемых параметров управления метанообильностью выемочных участков, оснащенных электронными системами газового мониторинга.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлена количественная взаимосвязь форм существования метана в структуре газоносности пласта, учитывающая рост сорбционного потенциала угля при снижении газосодержания твердого раствора относительно предельной газоносности пласта.

2. Обоснован алгоритм расчета параметров волнообразной активации подрабатываемых углеметановых пластов, включающий особенности процесса сдвижений массива горных пород, представленные иерархическим рядом зависимостей от глубины ведения горных работ, углов полных сдвижений и отхода очистного забоя от монтажной камеры.

ности отрабатываемого пласта при распаде твердого углегазового раствора под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве.

4. Установлено, что метановыделение из отбитого угля при его транспортировании соответствует газокинетическим показателям распада остаточного газосодержания твердого углегазового раствора. Личный вклад автора.

Защищаемые и составляющие новизну результаты, полученные лично автором:

- обоснование количественной оценки влияния горного давления на газокинетические характеристики углеметанового пласта;

- установление связи структуры газоносности отрабатываемых пластов по формам существования метана со снижением напряжений;

- уточнение особенностей изменений метанообильности из подрабатываемого массива пород;

- выявление связи изменения метанообильности очистного забоя, прилегающей к нему части выработанного пространства и выделения метана из транспортируемого угля с изменениями структуры газоностности отрабатываемого пласта по формам существования метана;

- апробация результатов исследования.

К результатам, полученным в неделимом соавторстве, относятся измерения показателей, характеризующих реакцию горного массива при движении очистного забоя и динамику метанообильности выемочного участка. Практическое значение работы. Результаты исследования позволяют:

- уточнять газокинетические характеристики призабойной части углеметанового пласта для повышения эффективности технологических решений по управлению метанообильностью очистного забоя;

- выявлять участки отрабатываемого выемочного столба, наиболее опасные по газовому фактору;

- обосновать геометрические размеры очистных забоев и выемочных столбов, схемы и режимы проветривания и дегазации высокопроизводительных выемочных участков.

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований:

- получили номинацию в Лаврентьевском конкурсе молодежных проектов СО РАН "Исследование взаимосвязи пространственного распределения газового потенциала участка углеметанового месторождения и параметров газокинетического паттерна массива при отработке угольного пласта с полным обрушением кровли" (Новосибирск, СО РАН, 2003-2004 гг.);

- включены в отчетные материалы по междисциплинарному интеграционно-

му проекту СО РАН № 89 "Разработка метода управления параметрами газокинетического паттерна массива горных пород с учетом физико-химических свойств угля, геофизических характеристик и метагенезиса месторождения" (Кемерово, Новосибирск, Томск, 2006-2008 гг.). Результаты работы использованы:

- в ИПКОН РАН в рамках государственного контракта № 02.532.11.9001 от 03.10.2007 г.;

- при выполнении ИУУ СО РАН семи заказов угольных компаний и шахт по обеспечению ритмичной и безопасной работы высокопроизводительных очистных забоев по газовому фактору.

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались на: III конференции молодых ученых, посвященной М.А. Лаврентьеву (Новосибирск, 2003); III региональной научно-практической конференции: "Информационные недра Кузбасса" (Кемерово, 2004); VIII Всероссийской научно-практической конференции "Научное творчество молодежи". (А-Судженск, 2004); научно-технической конференции к 75-летию со дня рождения профессора И.И. Медведева "Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых" (Пермь, 2004); конференции "Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды" (с участием иностранных ученых) (Новосибирск, 2006); областной научно-практической конференции "Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения" (Кемерово, 2006); международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2006); I Региональной научно-практической конференции "Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса" (Прокопьевск, 2007); международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2007).

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 24 статьях и докладах, в том числе в одном патенте РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 5 таблиц и 61 рисунок, список использованной литературы из 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В основе настоящей работы лежат результаты исследований в области рудничной газодинамики, полученные учеными: Абрамов Ф.А., Айруни А.Т., Бобин В.А., Большинский М.И., Васючков Ю.Ф., Дубинин М.М., Забурдяев B.C., Зверев И.В., Зорин А.Н., Егоров П.В., Ефремов К.А., Казаков С.П., Калинин С.И., Кузнецов С.В., Курленя М.В., Лидин Г.Д., Малышев Ю.Н., Мурашев В.И., Опарин В.Н., Петухов И.М., Полевщиков Г.Я., ПузыревВ.Н., Рогов Е.И.,

Скочинский A.A., Сластунов С.В., ФейтГ.Н., Чернов О.И., ХодотВ.В., Эттингер И.Л., Ярунин С.А. и др. На созданной ими научной базе формировались основные положения, для решения задач данной работы.

Содержание диссертационной работы представлено в автореферате в последовательности защищаемых научных положений.

Газокинетические следствия техногенных изменений горного давления удобно рассматривать, используя научное открытие российскими учеными (д.т.н. Алексеев А.Д., д.т.н. Айрупи А.Т., д.т.н. Васючков Ю.Ф., Зверев И.В., к.ф.-м.н. Синолицкий В.В., Долгова М.О., д.т.н. Эттингер И.Л.) твердых углегазовых растворов. Связующим звеном с решаемой в настоящей работе задачей является вытекающий из открытия вывод: доля газоносности пласта, представленная метаном в ТУГР, снижается пропорционально снижению действующих вертикальных напряжений. При этом сохраняют свое присутствие и две другие формы существования метана - сорбированный и свободный газ. Авторы приводят примерные соотношения форм существования метана в газоносносном пласте, но не дают необходимого для решения газокинетических задач уравнения газового баланса. Для его получения можно использовать результаты исследований Полевщикова Г.Я. и Киряевой Т.А., в которых определена зависимость природной газоносности угле-метановых пластов Кузбасса от выхода летучих веществ, глубины залегания и соответствующая функция для расчета предельной (глубины много большие глубин реальной угледобычи) газоносности. Поскольку на этих глубинах под влиянием высокой температуры массива сорбционная способность угля минимальна, а значительное литологическое давление, снижая пустотность пласта, минимизирует и содержание свободного метана, то предельная газоносность определяется количеством растворенного метана. Отсюда справедливо следующее.

При снижении напряжений в пласте распад ТУГР формирует повышение сорбционного потенциала угля пропорционально снижению доли растворенного метана, т.е. полностью разгруженная и вакуумированная проба угля (лабораторные условия) имеет полный сорбционный потенциал, а при газоносности пласта, близкой предельной, он снижается до нуля. Тогда, принимая давление газа вне зоны влияния горных работ равным гидростатическому, можем определить содержание сорбированного и свободного метана, но, в отличие от известных работ, ввести поправку на снижение сорбционного потенциала угля под влиянием составляющих ТУГР.

С учетом отмеченного и на основании закона сохранения массы газа получено выражение для определения содержания растворенного метана в пласте, учитывающее сорбционную способность угля и количество свободного газа

<уа = аг + Рг,

(1) (2)

где Хр ~ содержание растворенного метана, м /т; упр - природная газоносность пласта, м3/т; /„ - сорбционная метаноемкость угля при гидростатическом давлении газа и температуре пласта, м3/т; — содержание свободного метана в трещинном коллекторе при гидростатическом давлении газа и температуре пласта, мэ/т; А - предельная газоносность пласта, м3/т; а0 - напряжения в пласте вне зоны влияния горных работ, МПа; <т, < - напряжения в рассматриваемой зоне пласта, МПа; аг - литологическое давление, МПа; Рг - гидростатическое давление, МПа; г - индекс, указывающий координату по длине выемочного столба.

Полученное выражение обеспечивает количественную оценку взаимосвязи форм существования метана в структуре газоносности пласта (рис.1). Оно учитывает рост сорбционного потенциала угля при снижении газосодержания твердого раствора относительно предельной газоносности пласта при изменении напряжений впереди движущегося очистного забоя, а, следовательно, и расчет элементов газокинетического процесса, определяющих поступление газа в выработки,

ц адсорбированный, 20%

О свободный, 4%

Рис. 1. Структура газоносности угольного пласта по формам существования метана на глубине залегания 270 м пласта 5 Чертинского месторождения Кузбасса

2. Динамика метанообилъности выемочного участка при подвигании длинного очистного забоя связана с периодичностью процесса сдвижений подрабатываемого массива горных пород.

Известно, что с 1921 г. в научно-технической литературе периодически рассматриваются на уровне гипотез и аналитических моделей волнообразные процессы в прилегающем к отрабатываемому длинным очистным забоем угольному пласту массиву горных пород. В конце прошлого века зарегистрировано научное открытие (акад. E.H. Шемякин, д.т.н. JI.B. Курленя, к.ф.-м.н. В.Н. Опарин, к.т.н. В.Н. Рева, к.т.н. Ф.П. Глушихин, к.т.н. М.А. Розенбаум) деформационно-волновых процессов в окрестности горных выработок. Однако в его основе лежат горнотехнологические данные, полученные на рудных месторождениях. Несомненным отличием рудных и угольных месторождений является относительная

изотропность рудных тел от явно выраженной анизотропии угольных месторождений. Но в 2001 г. Полевщиковым Г.Я., Козыревой E.H. и Писаренко М.В. при анализе динамики метанообильности выемочных участков и на угольных месторождениях зафиксированы волнообразные изменения, согласующиеся с известными закономерностями сдвижений подрабатываемого массива. Эти факты заставляют более подробно рассмотреть особенности газогеомеханических процессов, поскольку углегазоносный массив можно представить в виде анизотропной среды с вложенными пластинами-индикаторами, однозначно реагирующими (1) на снижение напряжений соответствующим выделением газа, а система мониторинга шахты интенсивность выделения непрерывно отслеживает.

Развитие зоны разгрузки массива горных пород от природного давления связано с отходом лавы от монтажной камеры. Первым из традиционно фиксируемых в геомеханике интервалов отработки столба является отход забоя до первичного обрушения основной кровли. Но изменения газокинетических характеристик отрабатываемого пласта на этом интервале рассмотрены недостаточно. Однако именно здесь проявляются первые признаки связи развивающегося газокинетического процесса с геомеханическими следствиями технологических решений.

На начальном интервале отработки столба метанообилыюсть выемочного участка определяется газовыделением только из отрабатываемого пласта. В его призабойной части происходит переход состояния пласта от характерного для подготовительной выработки к свойственному очистному забою. По мере движения развивается зона опорного давления и газопроницаемость пласта в направлении забоя постепенно снижается, что приводит к уменьшению расстояния от забоя до границы пластовой газоносности и повышению газоносности на глубине стружки. Анализ фактической метанообильности выемочных участков показал, что ее пластовая составляющая на первых десятках метров отхода лавы от монтажной камеры соответствует практически полной реализации газового потенциала отрабатываемого пласта, выраженного через безразмерный газокинетический показатель Рт, равный отношению относительной метанообильности забоя

<7„ м3/т к газовому потенциалу пласта в пределах рассматриваемого интервала выемочного столба до ведения очистных работ Гт, м3/т, (рис. 2).

= (3)

Вне зоны влияния крупных геологических нарушений имеет место даже кратное его превышение, свидетельствующее о газоистощении пласта на значительном расстоянии от забоя, поскольку зона повышенных напряжений еще не сформировались.

р.

1-1-5-1 1-1-5-4

0,4

0,6

0,8

Л-1

*• 0,2

10 (20 30 40 50 1,.м

1 - в зоне влияния геологических нарушений; 2 - вне зоны влияния геологических нарушений; / - расстояние от монтажной камеры до ближайшей точки минимума значений газокинетического показателя, м; Ь, - длина выемочного столба, м. Рис. 2. Реализация газового потенциала пласта Ра1 при отходе очистных забоев 1-1-5-1 и 1-1-5-4 от монтажной камеры (ОАО "Шахта "Тайжина", пласт Е-5)

При дальнейшем подвигании забоя величина Рт быстро снижается и на удалении, близком половине первого шага обрушения основной кровли, стабилизируется на уровне 25-45 % от величины газового потенциала. В зонах влияния крупных геологических нарушений график реализации газового потенциала при отходе забоя от монтажной камеры имеет несколько минимумов (график 1 на рис. 2), указывающих на особенности формирования сводов в условиях нарушенного массива горных пород. Экстраполяция этих минимумов по направлению подвигания забоя приводит к асимптоте, близкой минимуму для ненарушенного массива.

Анализ полученных данных позволил установить, на основе известных полуэмпирических методов расчета шагов обрушения основной кровли, связь минимума относительного метановыделения из пласта с величиной первичного шага обрушения. График 2 на рис. 2 получен в условиях, для которых расчетный, по действующему в отрасли нормативу, составил 25 м, а фактически зарегистрированный 38 м. Видим, что контроль состояния массива по динамике метанообиль-ности забоя обеспечивает существенное уточнение весьма важной информации о величине первичного шага обрушения основной кровли. Тогда, факт минимизации относительной метанообильности пласта есть следствие достижения предельного, в данных условиях, горного давления по оси столба. По данному признаку можно уточнять шаг первичного обрушения основной кровли.

Ранее выполненными исследованиями ИУУ СО РАН установлено, что при разработке угленосной свиты, верхняя граница которой выходит под наносы, положения максимумов метанообильности выемочного участка совпадают с вершинами сводов полных сдвижений. Для уточнения этих выводов в условиях, когда верхняя граница угленосной свиты много ниже дневной поверхности, выполнен

анализ горнотехнологических данных по двум выемочным участкам шахты «Тай-жина» (Кузбасс). Горнотехнологические условия: глубина разработки 550 м; мощность подрабатываемой части свиты 180 м. Если период волнообразных изменений метанообильности выемочного участка связан с мощностью подрабатываемого массива горных пород до дневной поверхности, то при принятых в Кузбассе углах полных сдвижений 50° имеем расчетную величину шага полных сдвижений 890 м. Тем самым, максимум метанобилыюсти выемочного участка должен быть расположен на расстоянии от монтажной камеры 445 м, что полностью соответствует фактически данным. Однако динамика ее изменения на этом интервале показывает дополнительные волнообразные изменения с шагом около 220 м. Таким образом, периоды динамической составляющей связаны с процессами полных сдвижений массива до дневной поверхности, но имеет место и 4-х кратно меньшая периодичность.

Для более широкой проверки этой особенности использованы данные о давлении на секции механизированной крепи при движении очистного забоя (рис. 3).

Р, МПа 30262218180 200 220 240 260 280 300 320 340 - -75 -90 - - -105 U. м

Рис. 3. Изменение давления жидкости в стойках крепи по длине выемочного столба, на расстоянии от конвейерного штрека 75,90 и 105 м при длине лавы 180 м

Из рисунка видно, что и в этом случае проявляется периодичность геомеханического процесса. Её шаг составляет 86,5 м, что примерно в 8 раз меньше расчетного шага полных сдвижений до поверхности (700 м) и в 4 раза больше расчетного, по Мурашеву В.И., шага первичного обрушения основной кровли (26,6 м). Зарегистрированным параметрам шагов полных сдвижений соответствует угол сдвижений 45°. Полученные результаты соответствуют значениям по Петухову И.М., Линькову A.M. и Калинину С.И, для прилегающих к пласту слоев пород.

В тоже время, эти результаты указывают на их весьма перспективную связь со структурным параметром В.Н. Опарина [(VI)и, где от-уровень иерархии геоструктур]. Из графиков видно, что вершина очередного свода давления расположена на расстоянии от монтажной камеры около 300 м, а предыдущего 210 м. Соотношение 1,43. Применяя параметр В.Н. Опарина, получим координату вершины ближайшего к монтажной камере свода, равную 25,7 м, что практически совпадает с расчетным шагом первичного обрушения основной кровли.

_ t

1. У t Г \ f

V > * * / I

о-

Соответствие полученных результатов известным работам в области гсоме-аники позволяет, на данном этапе, интерпретировать развитие процесса активи-ации расположенных в подрабатываемом массиве источников метанообилыюсти ыемочного участка в виде иерархии вложенных сводов, параметры которых ратны 2, т.е.

, (5)

е га - первичный шаг обрушения кровли, м; /„ - шаг вложенного п-го свода, м; сд - протяженность свода полных сдвижений, м; п = О,1,2,3...- порядковый номер ложенного свода, считая от свода полных сдвижений; у/ = 45-55 - угол полных движений, град.; И„ - высота свода, м; Нр - глубина залегания отрабатываемого ласта, м.

Установленные зависимости обеспечивают расчет параметров волнооб-азной активизации подрабатываемых углеметановых пластов, включающий собенности процесса сдвижений массива горных пород, представленные ие-архическим рядом зависимостей от глубины ведения горных работ, углов олных сдвижений и отхода очистного забоя от монтажной камеры.

Адаптация установленных особенностей геомеханических процессов к кон-ретным горнотехнологическим условиям возможна (рис. 2) по данным метано-билыюсти выемочных участков на основе широко апробированного в угольной ромышленности подхода «лава-аналог». Развитие этого подхода обеспечено ши-оким применением в промышленности электронных систем мониторинга газо-ой обстановки в горных выработках.

3. Интенсивность поступления газа в призабойное и выработанное про-транство из отрабатываемого пласта определяется изменениями структуры азоносности по формам существования метана при снижении напряжений в ласте впереди зоны опорного давления.

Установленные особенности геомеханических процессов в подрабатывае-ом массиве газоносных горных пород позволяют оценить их влияние на напря-енное состояние пласта впереди зоны опорного давления, обусловленной кон-ольным защемлением пород кровли. Прежде всего, отметим, что при углах полых сдвижений слоев кровли в 45° размеры их свода по длине очистного забоя авны половине его длины. Поскольку свод в плоскости пласта имеет две оси, то, первом приближении, можно принять, что реакция массива на перемещение чистного забоя охватывает соответствующую зону пласта и впереди его. Для добства изложения назовем эту зону зоной опережающей разгрузки от горного авления, т.к. свод воспринимает на себя часть этого давления.

Отмеченная выше волнообразность динамики метанообильности выемочно-о участка по длине выемочного столба свидетельствует о сохранении состояния ассива за пределами развивающихся сводов сдвижепий. Следовательно, давле-

ние на пласт у линии очистного забоя определяется весом пород в предела внешнего свода полных сдвижений, а с удалением от забоя повышается до геоста тического давления, т.к. влияние свода, связанного с длиной очистного забоя, за тухает. Тогда, эпюра нормальных напряжений в зоне опережающей разгрузи пласта от горного давления может быть аппроксимирована логистической зави симостью вида

1+&1 ехр

*2.(---

0,5 • /л (1 - ехр(-а -1ср))

(6)

И л

<х„ = 0,025 ■(/,„+ (Л, - к„ ) • (1 - -+ (Я, - К ) ■ (I - -х-)), (7

Л, н,

где ац - нормальные напряжения, действующие в зоне опережающей разгрузки, МПа; «та,, -напряжения, обусловленные весом пород в контуре внешнего свода сдвижений; МПа; /, - длина очистного забоя, м; х - расстояние от монтажной камеры, м; хд - протяженность зоны опережающей разгрузки пласта от горного давления (ах < а0,), м; - среднесуточная продолжительность цикла выемки угля, ч;. а - реологический параметр, 1/ч; /г,, - высота свода, формирующегося под влиянием длины очистного забоя, м; А,- - высота внешнего свода полных сдвижений подрабатываемого массива пород, формирующегося по мере отработки выемочного столба, м; Н{ — глубина залегания пласта по оси выемочного столба, м; ки к2,кз эмпирические коэффициенты равные соответственно 3, 10,5, 0,6.

На основании зависимостей (1, 4-7) получены графики изменения основны характеристик пласта (рис. 4).

Хпр - природная газоносность пласта в пределах выемочного столба до ведения очистных работ м3/т; - расчетная газоносность с учетом изменения горного давления впереди движущегося забоя, м3/т; с„ - геостатические напряжения; ад,- действующие напряжения в пласте с учетом сводообразования при движении очистного забоя.

Рис. 4. Изменение основных характеристик состояния пласта впереди очистного забоя

Представленные графики демонстрируют количественные изменения состояния газоносного пласта впереди зоны опорного давления и вполне удовлетво-ительно согласуются с аналитическими исследованиями Черняка И.Л. и Зайден-варга В.Е. (1993 г.). Ими показано, что чем выше над пластом расположен рас-матриваемый слой кровли, тем дальше от линии забоя и протяженнее зона его овышенных напряжений и следующая за ней зона частичной разгрузки нижних лоев. При этом угольный пласт претерпевает неоднократные изменения горного авления еще до подхода очистного забоя, что согласуется с данными натурных аблюдений под руководством В.Н. Опарина (1998 г.).

В середине прошлого века Ж.М. Канлыбаевой прямыми измерениями уста-ювлен факт поднятия над пластом основной кровли впереди зоны опорного дав-ения.

В горной практике известен факт повышения дебита метана в пластовые кважины при подходе к ним очистного забоя. Известен и эффект перетока части етана из пласта в выработанное пространство через вмещающие породы, минуя ризабойный объем (ВостНИИ, 1986 г.). Эти особенности могут объясняться олько увеличением доли свободного газа в результате изменений напряжений 6) и, соответственно, структуры газоносности (1) пласта по формам существова-1ия метана (рис. 5) со значительным опережением линии очистного забоя, в ус-овиях, когда призабойная часть пласта «зажата» опорным давлением.

Зная изменение содержания свободного газа в пласте по оси столба, можно ычислить переток газа из зоны опережающей разгрузки пласта в призабойную асть выработанного пространства по развивающимся трещинам в кровле и, воз-ожно, почвы

=-МО-' (8)

дс г. - коэффициент влияния влажности и зольности угля; %д - газоносность пла-а в зоне опережающей разгрузки от горного давления (1), м3/т; V, - скорость одвигания очистного забоя, м/сут; ¡¿сг - ширина полосы газоистощения пласта в ортах штреков лавы, м; т, - мощность пласта, м; ру - плотность угля, т/м3.

Непосредственно у линии очистного забоя в пласте резко интенсифицируйся изменение его напряженно-деформированного состояния. Протяженность той зоны Хм от поверхности забоя принято характеризовать расстоянием до мак-имальных напряжений сгмакс при напряжениях на кромке забоя а3. Эпюра наряжений на участке (Кх<ХМ рассчитывалась по методическим разработкам Му-ашева В.И.

Принимая, что граница области интенсивного газового дренирования пла-•а через поверхность забоя совпадает с расстоянием до напряжений сгд получено асстояние до границы области газового дренирования Хц и соответствующая ействующим здесь напряжениям структура газоносности по формам существо-ания метана (рис. 5).

■ш а • растворенный яшш яят сорбированный ..п.пя... свободный ман гаюносность

Рис. 5. Структура газоносности пласта по формам существования метана впереди очистного забоя при скорости подвигания забоя 1 м/сут

Тогда, задаваясь глубиной стружки, рабочей скоростью комбайна и коэффициентом машинного времени, находим приток метана через поверхность забоя.

-Хеш)'т.К«УЛРу, (9

где Хст. ~ газоносность на глубине вынимаемой стружки, м3/т; 1ст - глубин стружки, м; у„ - скорость подачи комбайна, м/мин; К - коэффициент машинног времени.

Расчеты для условий выемочных участков, где проводилась апробация ме тода, показали, что если скорость подвигания забоя 1 м/сут, то основная часть га зоносности призабойной части пласта реализуется через вмещающие породы поверхность забоя, а газосодержание отбиваемого угля значительно уменьшается При скорости подвигания забоя более 5 м/сут снижается внутрипластовый распа ТУГР, а приток газа в очистной забой и транспортные выработки обеспечиваете преимущественно отбиваемым углем. В переходной области скоростей 1-5 м/с> существует интервал, где структура газоносности по формам существования ме тана с точки зрения метанообилыюсти забоя наиболее опасна. Здесь еще относи тельно много свободного и сорбированного метана в угле на глубине стружки отбойка угля сопровождается более высоким начальным газовыделением. Суще ственным управляющим фактором может быть ритмичность подвигания высоко производительного забоя.

Таким образом, изменения метанообильности очистного забоя и приле гающей к нему части выработанного пространства по мере отработки вы смочного столба связаны с долей свободного газа в структуре газоносност! отрабатываемого пласта при распаде твердого углегазового раствора под влия нием геомеханических процессов во вмещающем массиве.

4. Выделение метана из отбитого угля обусловлено продолжающимся аспадом углегазового раствора в результате снижения напряжений в угле т действующих на глубине стружки до атмосферного давления.

Поскольку выделение свободного газа, содержащегося в призабойной части ласта на глубине стружки отнесено нами к фильтрации в очистной забой через го поверхность, то в отбиваемом угле на момент отбойки остаются растворенный сорбированный метан. Исключение из рассмотрения свободного метана в угле а момент отбойки не вносит существенной количественной ошибки, поскольку зменения состояния движущегося забоя непрерывны.

Из физических особенностей твердого углегазового раствора следует, что корость газовыделения из отбитого угля должна быть равна скорости распада аствора. Большее выделение газа из внутренней части куска не сможет про-ильтроваться через соответствующий слой угля, возрастет давление газа в его стотности (напряжения в угольном скелете), снижающее скорость распада, а ри достаточном, относительно прочности скелета, давлении в нем разовьются икротрещины и скорость фильтрации придет в соответствие со скоростью рас-ада.

В работе Малышева Ю.Н., Трубецкого К.Н. и Айруни А.Т. дана эмпириче-кая функция распада ТУГР во времени. Из ее анализа следует, что распад основой части раствора, за вычетом остаточной газоносности, происходит за 3 часа и оответствует газодинамическому режиму под влиянием градиента давления газа, тот период характеризуется высоким снижением скорости газоистощения во ремени. Дальнейшее снижение остаточного газосодержания следует, на наш згляд, отнести к режиму диффузии газа в атмосферу под влиянием градиента онцентрации газа.

В условиях длинного очистного забоя процесс распада ТУГР имеет сущест-енные особенности. Прежде всего, на транспортной линии выемочного участка асполагаются сотни тонн угля, отбитых в различные моменты времени. С учетом той особенности получено выражение для определения количества газа, выде-ившегося из отбиваемого с постоянной производительностью угля за некоторый ериод от начала отбойки

К.у. =\гпв1стру2%оу(\-1,34С^ + (х)С1',1 (10)

де Хо.у. - метаносодержание отбиваемой полосы угля, м3/т; - время транспорти-ования угля на интервале конвейерного штрека между датчиками концентрации етана, мин; С3 - эмпирический коэффициент.

Для проверки адекватности зависимости (10) реальным условиям проведено равнение с общепринятыми нормативными положениями. На рисунке 6 пред-тавлены результаты расчетов метановыделения из отбитого угля по действую-ему на шахтах России нормативному методу и зависимости (10).

21 18 15 12 9 6 3 О

О 3 в 9 12 15

Рис. 6. Рост относительной метанообильности отбитого угля во времени — по нормативу — по зависимости (10)

Из графиков видно, что, несмотря на отмеченную выше высокую начапь ную скорость газоистощения углемеганового раствора, зависимость (10) дает су щественно меньшие значения объемов выделения метана, чем нормативный ме тод. Эта особенность потребовала ее промышленной апробации. Исследован] выполнялись по данным электронных систем газового контроля на пяти выемоч ных участках шахт Кузбасса.

Электронные системы газового контроля шахт обеспечивают измерени притока метана непосредственно из отбитого угля только на интервале конвейер ного штрека между установленными в нем датчиками. При этом динамика мета нообильности может контролироваться с квантованием в десятки секунд, а ин формация о фактической производительности забоя ограничена суточными зна чениями. Решение обеспечено путем представления суточной добычи угля, ка суммы масс, способных разместиться на конвейерном штреке между датчикам При сокращении контролируемого интервала штрека по мере отработки выемоч ного столба уменьшается как находящаяся на конвейере масса угля, так и ври ее пребывания на контрольном интервале. Для расчета объема газа, выделившего ся здесь в результате добычи угля за сутки, использован следующий подход.

По формуле (10) вычисляются объемы метана, выделившиеся за соответс вующее время транспортирования угля: Qв - от середины очистного забоя до точ ки выхода угля за пределы контролируемого участка (дальний датчик), м3; £>50 от середины очистного забоя до датчика на конвейерном штреке у сопряжения забоем, м3. Разность этих величин определяет количество метана, выделившегос на контрольном интервале

= (П

Фактическое выделение метана устанавливалось по средним в минуту пок заниям датчиков концентрации метана электронных систем газового контроля з период отработки всего или сотен метров выемочного столба. Расход воздух принимался по декадным замерам.

На рис. 7 представлен один из результатов сравнения расчетных и фактич ских значений выделения метана из угля за время его транспортировании по ко

¡ейерному штреку, от лавного перегружателя до ближайшей к очистному забою ,ентиляционной сбойки с подсвежающей струей воздуха.

I 41 Л« 1М1 .45 Ц ч Ш

Л — вентиляционные сбойки Рис. 7. Метановыделение I из угля за время его транспортирования по конвейерному штреку протяженностью Ц, имеющему вентиляционные сбойки с подсвежающей струей воздуха (ОАО «Шахта им. С.М. Кирова)

В период промышленной апробации установлены более значимые расхож-ения фактических и расчетных значений концентраций метана при отработке ыбросоопасного пласта (рис. 8). Эта особенность объясняется высокой неравномерностью свойств пласта, оценка которой выполнена методом электротомогра->ии (результаты получены от заказчика хоздоговорной работы). Установлено, что выявленных методом электротомографии потенциально опасных зонах из очи-тного забоя бурились разгрузочные скважины для предотвращения газодинами-еских явлений, что привело к существенно неравномерному газоистощению пла-рга при отработке выемочного столба и возникновению отклонения между рас-етными и фактическими величинами концентраций метана. Однако из представ-енных данных видно, что и в этих, очень сложных, условиях сходимость прогно-1 с фактическими данными существенно выше известных методов. Более того, ¡ожно сделать предварительный вывод, что результаты исследования позволяют нтуации превышения данных систем газового мониторинга над результатами рогноза относить к признакам нарушенное™ пласта и повышенной газодинами-

рской активности отрабатываемого интервала выемочного столба.

с,%

-.»сет

Л л '—ч

(X ■и-1 'о

О 100 200 300 400 500

Рис. 8. Графики фактической и расчетной концентрации метана С на сопряжении конвейерного штрека с очистным забоем по мере его отхода по от монтажной камеры (ОАО «Шахта «Чертинская-Коксовая»)

Таким образом, метановыделение из отбитого угля при его транспортировании соответствует газокинетическим показателям распада остаточного газосодержания твердого углегазового раствора. Установленные на основе со временных представлениях о свойствах и состояниях углеметанового пласта зави симости обеспечивают определение основных характеристик процесса с учето горно-геологических условий и технологического режима работы забоя: глубинь стружки, рабочей скорости комбайна, скорости подвигания очистного забоя, вре мени транспортирования угля в пределах выемочного участка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, на основе изучения газокинетических следствий геомехани ческих процессов при подземной разработке углеметановых месторождений, ре шена задача прогноза выделения метана из отрабатываемого длинным очистны забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещаю щем массиве, имеющая существенное значение для рудничной аэрогазодинамик с целью совершенствования управления газовыделением при ведении горных ра бот.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в еле дующем.

1. Снижение доли твердой фазы в структуре газоносности пласта пропорцио нально снижению нормальных напряжений в пласте, а сорбционная метаноем кость угля обратно пропорциональна отношению разности предельной газоносно сти пласта и остаточного газосодержания твердой фазы к предельной газоносно сти пласта.

2. Процесс активизации источников метана в подрабатываемом массиве поро в направлении от отрабатываемого пласта к дневной поверхности представляе иерархию вложенных полуволн с параметрами кратными 2. Внешняя из них имс ет период, соответствующий своду полных сдвижений пород до дневной поверх ности, минимальная - первичному шагу обрушения основной кровли.

3. По мере отхода забоя от монтажной камеры относительная метанообиль ность отрабатываемого пласта снижается и достигает своего минимума на рас стоянии, близком половине устойчивого пролета основной кровли.

4. Впереди движущегося забоя на расстоянии, равном половине его длин происходят изменения в структуре газоносности пласта, что обусловливает пере ток части свободного метана в призабойную зону выработанного пространств через вмещающие породы и повышение продуктивности пластовых дегазацион ных скважин, расположенных на указанном расстоянии.

5. Интервалу неравномерной скорости подвигания очистного забоя 1-5 м/с] соответствуют опасные изменения в структуре газоносности призабойной част пласта с точки зрения метанообильности непосредственно очистного забоя.

6. Разработанный алгоритм расчета метановыделения из отбитого угля обес печивает определение основных характеристик процесса с учетом технологиче

ского режима работы забоя, газоносности пласта, его вынимаемой мощности, глубины стружки, рабочей скорости комбайна и времени транспортирования угля с погрешностью не более 17 % (период наблюдений 6-8 месяцев, производительность забоев 2000-10000 т/сут).

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 24 работах, основными из которых являются:

1. Шинкевнч, М.В. Оценка динамики метановыделения из разрабатываемого пласта с использованием баз геологоразведочных данных [текст] / М.В. Шинке-ич // Информационные недра Кузбасса: Труды III региональной научно-фактической конференции. - Кемерово: ИНТ, 2004. - С. 223-225.

Пат. 2246006 РФ, 7E21F7/00. Способ управления кровлей в лавах при разра-отке газоносных пластов угля / Полевщиков Г.Я., Козырева E.H., Шинкевич LB.; заявитель и патентообладатель ИУУ СО РАН. - № 2003117829; заявл. 16.06.2003; опубл. 10.02.2005, Бюл. №4.-8 е.: ил.

Шинкевич, М.В. Оценка усадки призабойной части угольного пласта при асчетах зоны напряжённо-деформированного состояния [текст] / М.В. Шинкевич / Сборник трудов научной сессии ИУУ СО РАН (молодёжная секция). - Кемеро-о, 2006.-С. 95-98.

Шинкевич, М.В. Повышение эффективности дегазации разрабатываемого тста [текст] / М.В. Шинкевич., НЛО.Назаров // Горный информационно-налитический бюллетень, тематическое приложение «Метан». - М.:, 2006. - С. 37-243.

Шинкевич, М.В. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатывае-ого пласта при его отработке длинными выемочными столбами [текст] / М.В. 1инкевич, E.H. Козырева // Вестн. КузГТУ. - 2006. - № 6.2. - С. 17-19.

Полевщиков, Г.Я. Снижение газодинамической опасности подземных гор-ых работ [Текст] / Г.Я. Полевщиков, E.H. Козырева, Т.А. Киряева, М.В. Шинке-ич, О.В. Брюзгина, A.A. Рябцев, М.С. Плаксин, Н.Ю. Назаров. - Уголь, 2007. -all.-С. 13-16.

Полевщиков, Г.Я. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих ород на выделение метана из разрабатываемого пласта [текст] / Г.Я. Полевщи-ов, М.В. Шинкевич, E.H. Козырева, О.В. Брюзгина // Горный информационно-налитический бюллетень. - 2008, №2. - С. 139-143.

Подписано к печати 23.03.2010 г. Формат бумаги 60x84 Vi6 Объем 1.0 п.л. Тираж 150 экз. РИО ИУУ СО РАН 650610, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шинкевич, Максим Валериевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБОСНОВАНИЕ ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ ИЗМЕНЕНИЙ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ УГЛЕ-МЕТАНОВОГО ПЛАСТА ПОД ВЛИЯНИЕМ ПЕРЕМЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ.

1.1. Некоторые особенности газоистощения углеметанового пласта.

1.2. Анализ известных особенностей напряженно-деформированного состояния пласта.

1.3. Современные представления о формах существования метана в угольных пластах.

1.4. Взаимосвязь задач исследования.

ВЫВОДЫ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ВОЛНООБРАЗНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МЕ-ТАНООБИЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА С ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ПОДРАБАТЫВАЕМОМ МАССИВЕ

2.1 Выбор метода оценки шага изменений давления пород основной кровли на призабойную часть пласта.

2.2. Газокинетическая реакция призабойной части углеметанового пласта на формирование свода сдвижений пород при отходе лавы от монтажной камеры.

2.3 Изучение динамики горного давления в призабойной части массива по данным о давлениях в секциях механизированной крепи при движении очистного забоя.

2.4. Изучение динамики метанообильности движущегося очистного забоя.

2.5. Разработка алгоритма расчета параметров зон сдвижений в подрабатываемои толще пород.

ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ПЛАСТА И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОДРАБАТЫВАЕМОМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД.

3.1. Оценка значимости установленных волнообразных изменений горного давления на призабойную часть пласта.

3.2 Усадка углеметанового пласта при газоистощении.

3.3. Определение глубины зоны газового дренирования призабойной части пласта в зависимости от изменений горного давления при движении очистного забоя.

3.4. Разработка алгоритма расчета метановыделения из отрабатываемого пласта

ВЫВОДЫ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ОТБИТОГО УГЛЯ.

4.1. Особенности выделения метана из отбитого угля.

4.2. Экспериментально-аналитические основы расчета метановыделения из отбитого угля.

4.3. Горно-экспериментальная проверка адаптивности зависимостей для расчета метановыделения из отбитого угля.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Метановыделение из отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве"

Актуальность работы. Процессы метановыделения в горные выработки и разработка соответствующих методов прогноза относится к одной из основных проблем рудничной аэрогазодинамики. Ее сложность обусловлена неразрывностью связи газокинетических характеристик пласта с геомеханическими процессами. Но неразрывность этой связи имеет и положительный аспект, заключающийся в возможности уточнять особенности геомеханического процесса по динамике метанообильности горных работ.

В структуре газового баланса выемочного участка доля метановыделения из отрабатываемого пласта, включая отбитый уголь, составляет около 20 %. Но если представляющий остальные 80 % метан выработанного пространства может быть изолированно выведен на поверхность средствами вентиляции и дегазации, то газ отрабатываемого пласта реализуется непосредственно в забое и транспортных выработках. Его весьма трудно извлечь из пласта способами предварительной дегазации. Эти горнотехнологические особенности предъявляют повышенные требования к методам оценки газокинетических характеристик исследуемого в данной работе объекта с учетом изменений его свойств и состояний впереди движущегося очистного забоя.

В последние десятилетия российскими учеными активно развиваются знания о свойствах углеметанового пласта, как твердого углегазового раствора (приоритет научного открытия 1981 г.). Газосодержание твердого углегазового раствора (ТУГР) связано с действующими вертикальными напряжениями. В 1985 г. зарегистрировано научное открытие (приоритет от 1978 г.) деформационно-волновых процессов в окрестности горных выработок па рудных месторождениях, установленных прямыми наблюдениями напряженно-деформированного состояния относительно изотропного массива. В 2001 г. установлены волнообразные изменения метанообильности высокопроизводительных выемочных участков на угольных месторождениях, расширяющие границы аналитических моделей (1921-2009 гг.) периодических процессов в подрабатываемом явно анизотропном массиве горных пород.

Совокупность новых знаний позволяет более подробно рассмотреть реакцию газовой компоненты отрабатываемого пласта на изменение геомеханической обстановки в массиве горных пород с целью повышения надежности технологических решений по управлению метанообильностью высокопроизводительных выемочных участков.

Инновационному развитию этих задач соответствует активное оснащение промышленности современными системами мониторинга газовой обстановки в горных выработках на базе достаточно мощных компьютеров. Но методическое и алгоритмическое обеспечение значительно отстает от потребностей производства, без удовлетворения которых и само развитие знаний затруднено, что указывает на актуальность настоящего исследования.

Диссертационная работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте угля и углехимии СО РАН в рамках проектов № 25.2.4 «Экспериментально-аналитические основы механики газоводоносных геоматериалов» и 7.7.1.4. «Особенности процессов деформирования и разрушения массивов горных пород, включающих техногенно нестабильные двухкомпонентные геоматериалы».

Задачи исследований.

2. Установить особенности волнообразных изменений метанообильно-сти выемочного участка при отработке выемочного столба.

Методы исследований. Для решения поставленных задач, использованы методы исследований, включающие: анализ литературных источников для обоснования цели и задач исследований, горно-экспериментальные наблюдения для выявления особенностей волнообразных изменений горного давления при движении очистного забоя, статистический анализ горнотехнологических данных о газокинетических процессах на выемочном участке, численное моделирование газогеомеханических процессов на основании уточненных эмпирических зависимостей.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Изменение структуры газоносности пласта по формам существования метана при снижении вертикальных напряжений определяется снижением природного содержания метана в составе твердого углегазового раствора с соответствующим' увеличением количества сорбированного и свободного газа.

2. Динамика метанообильности выемочного участка при подвиганип длинного очистного забоя связана с периодичностью процесса сдвижений подрабатываемого массива горных пород.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

- соответствием результатов обработки методом геоинформатики (2D) горно-экспериментальных данных об изменениях давления на секции механизированной крепи в процессе движения очистного забоя известным работам в области геомеханики (угол полных сдвижений и шаг первичного обрушения основной кровли);

- промышленной апробацией результатов прогноза метанообильности очистных забоев и рекомендуемых параметров управления метано-обильностью выемочных участков, оснащенных электронными системами газового мониторинга.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлена количественная взаимосвязь форм существования метана в структуре газоносности пласта, учитывающая рост сорбционного потенциала угля при снижении газосодержания твердого раствоpa относительно предельной газоносности пласта.

3. Доказано, что изменения метанообильности очистного забоя и прилегающей к нему части выработанного пространства по мере отработки выемочного столба связаны с долей свободного газа в структуре газоносности отрабатываемого пласта при распаде твердого углегазо-вого раствора под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве.

Личный вклад автора.

Защищаемые и составляющие новизну результаты, полученные лично автором:

- уточнение особенностей изменений метанообильности из подрабатываемого массива пород;

- выявление связи изменения метанообильности очистного забоя, прилегающей к нему части выработанного пространства и выделения метана из транспортируемого угля с изменениями структуры га-зоностности отрабатываемого пласта по формам существования метана;

- апробация результатов исследования.

- уточнять газокинетические характеристики призабойной части уг-леметанового пласта для повышения эффективности технологических решений по управлению метанообильностью очистного забоя;

- выявлять участки отрабатываемого выемочного столба, наиболее опасные по газовому фактору;

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований:

- включены в отчетные материалы по междисциплинарному интеграционному проекту СО РАН № 89 "Разработка метода управления параметрами газокинетического паттерна массива горных пород с учетом физико-химических свойств угля, геофизических характеристик и метагенезиса месторождения" (Кемерово, Новосибирск, Томск, 2006-2008 гг.).

Результаты работы использованы: в ИПКОН РАН в рамках государственного контракта 02.532.11.9001 от 03.10.2007 г.;

И.И. Медведева "Проблемы рудничной аэрологии-и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых" (Пермь, 2004); конференции "Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды" (с участием иностранных ученых) (Новосибирск, 2006); областной научно-практической конференции "Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения" (Кемерово, 2006); международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово,

2006); I Региональной научно-практической конференции "Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса" (Прокопьевск,

2007); международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2007).

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Шинкевич, Максим Валериевич

ВЫВОДЫ

1. Основанный на современных представлениях о свойствах и состояниях углеметанового вещества алгоритм расчета метановыделения из отбитого угля, обеспечивает определение основных характеристик процесса с учетом технологического режима работы забоя, газоносности пласта и его вынимаемой мощности, глубины стружки, рабочей скорости комбайна и времени транспортирования угля.

2. Средние отклонения расчетных значений абсолютного метановыделения из угля находящегося на конвейерных штреках от фактических данных составляют не более 17 % (период наблюдений 6-8 месяцев, производительность забоев 3000-10000 т/сут). Большие отклонения указывают на вход забоя в зоны повышенной газодинамической активности пласта.

110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, на основе изучения газокинетических следствий геомеханических процессов при подземной разработке углеметановых месторождений, решена задача прогноза динамики выделения метана из угольного пласта, отрабатываемого высокопроизводительными длинными очистными забоями имеющая существенное значение для совершенствования управления газовыделением при ведении горных работ.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Снижение доли твердой фазы в структуре газоносности пласта пропорционально снижению нормальных напряжений в пласте, а сорбционная метаноемкость угля обратно пропорциональна отношению разности предельной газоносности пласта и остаточного газосодержания твердой фазы к предельной газоносности пласта.

2. Процесс активизации источников метана в подрабатываемом массиве пород в направлении от отрабатываемого пласта к дневной поверхности представляет иерархию вложенных полуволн с параметрами кратными 2. Внешняя из них имеет период, соответствующий своду полных сдвижений пород до дневной поверхности, минимальная - первичному шагу обрушения основной кровли.

3. По мере отхода забоя от монтажной камеры относительная метанообильность отрабатываемого пласта снижается и достигает своего минимума на расстоянии, близком половине устойчивого пролета основной кровли.

4. Впереди движущегося забоя на расстоянии, равном половине его длины происходят изменения в структуре газоносности пласта, что обусловливает переток части свободного метана в призабойную зону выработанного пространства через вмещающие породы и повышение продуктивности пластовых дегазационных скважин, расположенных на указанном расстоянии.

5. Интервалу неравномерной скорости подвигания очистного забоя 1-5 м/сут соответствуют опасные изменения в структуре газоносности призабойной части пласта с точки зрения метанообильности непосредственно очистного забоя.

6. Разработанный алгоритм расчета метановыделения из отбитого угля обеспечивает определение основных характеристик процесса с учетом технологического режима работы забоя, газоносности пласта, его вынимаемой мощности, глубины стружки, рабочей скорости комбайна и времени транспортирования угля с погрешностью не более 17 % (период наблюдений 6-8 месяцев, производительность забоев 2000-10000 т/сут).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шинкевич, Максим Валериевич, Кемерово

1. Авершин, С.Г. Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок / С.Г. Авершин. Л. :ВНИМИ. - 1960. - 88 с.

2. Айзаксон, Э. Давление горных пород в шахтах / Э.Айзаксон. -М.:Госгортехиздат, 1961. — 176 с.

3. Акимов, А.Г. Геомеханические аспекты сдвижения горных пород при подземной разработке угольных и рудных месторождений / А.Г. Акимов,

4. B.В. Громов, Е.В. Бошенятов и д.р. С.-Петербург, 2003.- 166 с.

5. Алексеев, А.Д. Распад твердых углегазовых растворов / А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни, И.Т. Зверев и др. // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. 1994. - №3. - С. 65-75.

6. Бакалдина, А.П. Влияние петрографического состава углей на их сорбционную метаноемкость / А.П. Бакалдина // Изв. вузов. Горный журнал. 1964.-№ 4.

7. Белавенцев, Л.П. Безопасность труда в угольных шахтах / Л.П. Белавенцев, А.Ф. Галанин. -М.: Недра, 1992 . 286 с.

8. Борисенко, А.А. Разрушение призабойной зоны пласта при внезапном выбросе // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1968. - № 9. - С. 19-23.

9. Временная инструкция по прогнозу метанообильности шахт СССР. -М. : Недра, 1965.

10. Временное руководство по расчету первичного и последующего шагов обрушения пород кровли при разработке угольных пластов длиннымистолбами по простиранию в условиях Кузбасса. ВостНИИ: Кемерово, 1973. -12с.

11. Галанин, А.Ф. Зависимость параметров первичной посадки основной кровли в механизированных лавах от структуры пород / А.Ф.Галанин, М.В Шинкевич // Вопросы безопасности труда. Сб. научных трудов ГУ КузГТУ. Кемерово, 2004. - С. 98-101.

12. Герасимов, В.М. Оценка устойчивости краевой части угольного пласта и развития отжима угля / В.М.Герасимов, П.В.Егоров // Сб. науч. тр. №16. Редкол.: Егоров П.В. и д.р. Научн. техн. центр "Кузбассуглетехнология".- Кемерово, 2000.- стр. 57-63.

13. Грицко, Г.И. Экспериментально-аналетический метд определения напряжений в массиве горных пород / Г.И Грицко, Б.В. Власеко. -Новосибирск: Нука,1976. 183 с.

14. Дмитриев, A.M. Сорбционная метаноемкость углей в зависимости от их природной влажности / A.M. Дмитриев, Г.И. Минаева // Науч. сообщ. Ин-т горн дела им. А. А. Скочинского. М., 1977. - Вып. 157.

15. Забурдяев, В. С. Обоснование способов и параметров извлечения метана при высокоинтенсивной отработке газоносных угольных пластов Текст. : дис. . докт. техн. наук / Забурдяев Виктор Семёнович. — М., 2007. -350 с.

16. Забурдяев, B.C. Новые методы дегазации и управления газовыделеиием в угольных шахтах // Обзорн. информ. Вып. 2.

17. М.:ЦНИЭИуголь, 1990. 65 с.

18. Забурдяев, B.C. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / В.С Забурдяев, А.Д. Рубан, Экгардт В.И., Устинов Н.И. и др. М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 352 с.

19. Зайденварг, В. Е. Геомеханическое обоснование и реализация направлений повышения эффективности ведения подземных горных работ: Дис. . д-ра техн. наук. М., 1994.- 33 с.

20. Калинин, С.И. Геомеханическое обеспечение эффективной выемки мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей мханизированными комплексами / С.И. Калинин, В.М. Колмагоров. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2002.- 113 с.

21. Канлыбаева, Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыбаева. Изд-во "Наука", 1968. - 108 с.

22. Киряева, Т.А. Разработка метода оценки газодинамической активности углеметановых пластов по геологоразведочным данным (На примере Кузбасса): Автореферат дис. . канд.техн.наук. Кемерово, 2005 -22 с.

23. Кривицкая, P.M. Методические указания по определению сорбционной газоемкости углей Донецкого бассейна до давления 100 ат с учетом содержания высших углеродов и природной влажности / P.M. Кривицкая, Т.В. Струковская, Т.Г. Латышева. Макеевка, 1972.

24. Лидин, Г. Д. Газообильность каменноугольных шахт СССР. / Г. Д. Лидин, А.Т. Айруни // Газообильность каменноугольных шахт центрального региона Донецкого бассейна. М., 1963. -. Т. 3.

25. Лидин, Г.Д. К вопросу о закономерности выделения метана из угля, отторгнутого из массива/ Г.Д. Лидин // Управление газовыделением и пылеподавлением в шахтах. М.: Наука, 1972. - С. 32-36.

26. Лидин, Г.Д. Сорбция метана ископаемыми углями при высоких давлениях / Г. Д. Лидин. Изв. АН СССР: Отд. техн. наук. - 1991. - № 3.

27. Логов, А.Б. Математические модели диагностики уникальных объектов. / А.Б. Логов, Р.Ю. Замараев. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - 228 с.

28. Малышев, Ю.Н. Научные основы методов прогноза и предотвращения опасных газопроявлений в шахтах / Ю.Н. Малышев, А.Т. Айруни, И.В. Зверев // Препринт метанового центра. 1997. - №2. - С. 1-4.

29. Малышев, Ю.Н. Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. М. :ИАГН, 2000. - 519 с.

30. Методические указания по определению содержания сорбированного и свободного метана в ископаемых углях. Макеевка, 1977.

31. Методическое руководство по расчёту геомеханических параметров технологии отработки угольных пластов короткими забоями. ВНИМИ: С-Петербург. - 2001. - 150 с.

32. Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханических процессов: Автореферат дис. докт.техн.наук. -М., 1980. 36 с.

33. Мясников, А.А. Проветривание подготовительных выработок при проходке комбайнами / А.А. Мясников, С.П. Казаков. М.: Недра, 1981. -269с.

34. Номограммы для расчета газовыделения при разрушении угля. -Люберцы, 1967.-171 с.

35. Ольховиченко А.Е. Прогноз выбросоопасности угольных пластов. -М.: Недра, 1982. -278 с.

36. Ольховиченко, А.Е. Динамика газовыделения при мгновенном разрушении насыщенного метаном угля с естественной влагой / А.Е. Ольховиченко // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1968.- №8. - С. 19-20.

37. Опарин, В. Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум, В.Н. Рева, Б.П. Батдиев, Э.А. Троп, А.И. Чанышев. -Новосибирск: Изд-во СО РАН. -2008. -278 с.

38. Опарин, В.Н. О скоростном разрезе земли по Гуттенбергу и о возможном его геомеханическом объяснении. I зональная геодезинтеграция и иерархический ряд геоблоков./ В.Н. Опарин, М.В. Курленя // ФТПРПИ. -1994, №1,-С. 14-26.

39. Петухов, И.М. Теория защитных пластов / И.М. Петухов, A.M. Линьков и д.р. М.: Недра, 1976. -224 с.

40. Полевщиков, Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю.Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. — М., 2001. №5.- С.121-127.

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

42. Полевщиков, Г.Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах. / Г.Я.Полевщиков. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003.-317с.

43. Полевщиков, Г.Я. Обоснование параметров горнотехнологических модулей угольных шахт Кузбасса / Г.Я. Полевщиков, М.В. Писаренко. -Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004.- 148 с.

44. Полевщиков, Г.Я. Разработка методов расчета безопасных параметров локализации внезапных выбросов угля и газа: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Кемерово, 1982. - 23 с.

45. Полевщиков, Г.Я. Физико-химическая основа внезапности динамических газопроявлений в угольных шахтах / Г.Я. Полевщиков, Т.А.Киряева // Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2004.-№8. С.81-87.

46. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М.: Недра, 1981.-288 с.

47. Ройтер, М. Волнообразное распределение горного давления вдоль забоя лавы./ М. Ройтер, В. Курфюст, К. Майрховер, Ю. Векслер. // ФТПРПИ. -2009, №2. -С. 38-44.

48. Рудаков, В.А. Особенности сорбционной метаноемкости углей Кузбасса / В.А. Рудаков,Т.А.Киряева // Вопросы безопасности труда на горных предприятиях. Кемерово: КузГТУ, 2003. - выпуск №2. - С. 123-127.

49. Руководство по проектированию проветривания угольных шахт.-М. :Недра, 1989.-287с.

50. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. -Макеевка-Донбасс: Ротапринт МакНИИ, 1989. 319 с.

51. Руководство по проектированию комбинированного проветривания выемочных участков и полей с применением газоотсасывающих вентиляционных установок для шахт ОАО "Компания "Кузбассуголь".1. Кемерово, 2000. 123 с.

52. Русаков, Г.Г. К вопросу изучения проявлений опорного давления впереди очистного забоя / Г.Г. Русаков. Труды ИГ им.Федорова, 1962. -№ 10.

53. Саранчук, В.И. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля./ В.И.Саранчук, А.Т. Айруни, К.Е.Ковалев. Киев, 1988.-190 с.

54. Скочинский, А.А. Метан в угольных пластах / А.А. Скочинский, В.В. Ходот, Ю.С. Премыслер. М.: Углетехиздат, 1958.

55. Смолякова, С.И. О метаноёмкости ископаемых углей Донбасса / С.И Смолякова // Вопросы безопасности в горном деле. М. - 1952. - т. 4.

56. Тарасов, Б.Г. Прогноз газообильности выработок и дегазация шахт / Б.Г. Тарасов. М.:Недра, 1973.-208 с.

57. Тихонова, Н.В. Влияние очистных работ на проявление горного давления при выемке пологих пластов лавами и камерами без крепления (по исследованиям на на моделях из эквивалентных материалов) / В.В. Тихонова. М.: Углетехиздат, 1963.

58. Трубицин, А.А. Адаптация методов мезомеханики к исследованию процессов деформации и разрушения угля / А.А. Трубицин, П.В. Макаров, О.И.Черепанов, С.П. Ворошилов и д.р. Кемерово: Кузбасс-ЦОТ, 2002.- 116 с.

59. Хакимова-Малькова, Р.И. Влияние формы забоя на распределение напряжений и деформаций в краевой части пласта. / Р.И. Хакимова-Малькова // Научн.сообщения. Институт горного дела им. А.А.Скочинского.- М., 1984.-вып. 227.

60. Ходот, В.В. Внезапные выбросы угля и газа. / В.В.Ходот. -М.: Госгортехиздат,1961. 363 с.

61. Ходот, В.В. Скорость газовыделения из угля при его разрушении / В.В. Ходот, М.Ф. Яновская // Рудничная аэрология. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 112-118.

62. Ходот, В.В. Физико-химия газодинамических явлений в шахтах /

63. В.В. Ходот, М.Ф. Яновская, Ю.С. Прёкйслер и др. -М.:, 1973.

64. Цимбаревич, П.М. Рудничное крепление / П.М. Цимбаревич. М. : Углетехиздат. - 1951. - 608 с.

65. Черницын, Н.Н. Рудничный газ, условия его выделения, его свойства и меры борьбы / Н.Н. Черницын.- Петроград, 1917. 186 с.

66. Чернов, О. И. Прогноз внезапных выбросов угля и газа / О.И. Чернов, В.Н. Пузырев. М.: Недра, 1979.-295 с.

67. Черняк, И.Л. Периодичность изменения напряжённо-деформированного состояния массивов угля и пород впереди очистного забоя / И.Л.Черняк, В.Е. Зайденварг // Горный журнал. Изв. Высших учебных заведений. 1993. - №3.- С. 25-28.

68. Шемякин Е.И. О свободном разрушении свободных тел. II / Доклады академии наук, 1988, Том 300, №5. с. 1090-1094.

69. Шемякин Е.И. О свободном разрушении свободных тел. II / Доклады академии наук, 1991, Том 316, №5. — с. 1371-1373.

70. Эттингер, И.Л. Физико-механические свойства каменных углей как сырья для получения активных углей / И.Л. Эттингер, М.Ф. Яновская, Ю. С. Премыслер и д.р. // Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности. Ч. 1.-Пермь, 1969.

71. Якоби, О. Практика управлении горным давлением. Пер. с нем. / О. Якоби. М. :Недра, 1987. - 566 с.

72. Яновская, М.Ф. Приближенный метод расчета десорбции метана при разрушении угля в процессе внезапного выброса/ М.Ф. Яновская // Борьба с внезапными выбросами угля и газа в угольных шахтах. М.: Госгортехиздат, 1962.

Информация о работе

Шинкевич, Максим Валериевич
кандидата технических наук
Кемерово, 2010
ВАК 25.00.20

Диссертация

Метановыделение из отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы