Обоснование параметров изолированного отвода метановоздушной смеси на выемочных участках шахт ОАО "СУЭК-Кузбасс"

Курта, Иван Валентинович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров изолированного отвода метановоздушной смеси на выемочных участках шахт ОАО "СУЭК-Кузбасс"
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров изолированного отвода метановоздушной смеси на выемочных участках шахт ОАО "СУЭК-Кузбасс""

На правах рукописи

КУРТА Иван Валентинович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛИРОВАННОГО ОТВОДА МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ШАХТ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»

Специальность 25.00.20 —Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 1Ш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005018107

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научные руководитель:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, Тульский государственный университет, заведующий кафедрой геотехнологий и строительства подземных сооружений

кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, доцент кафедры аэрологии и охраны труда

Ведущая организация - ООО «СПб-Гипрошахт».

Защита состоится 11 мая 2012 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (boguslEI@yandex.ru), ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 10 апреля 2012 г.

Коршунов Геннадий Иванович

Официальные оппоненты:

Качурин Николай Михайлович

Кобылкин Сергей Сергеевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

БОГУСЛАВСКИМ Э.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Интенсивность разработки угольных месторождений подземным способом сдерживается растущей метанообильностью выемочных участков, которая при добыче более 20000 т/сут может превышать 150 м3/мин. В этих условиях 80% газового баланса формируется за счет метановыделения в выработанное пространство.

Наиболее сложная по газовому фактору ситуация возникает при применении столбовой системы разработки и возвратноточной схемы проветривания, когда метан из выработанного поступает в рабочее пространство лавы. Добиться необходимого снижения метанообильности выработанного пространства только средствами дегазации весьма затруднительно, вследствие, недостаточной эффективности технологий дегазации и большого объема метановыделения. Это обстоятельство определяет необходимость применения комбинированной схемы проветривания, которая может быть базовой для решения проблем обеспечения метанобезопасности подземной добычи угля только при условии рационального распределения и устойчивого разделения метановоздушных потоков на выемочном участке.

В сложившейся ситуации необходимы исследования аэро- и газодинамических процессов в выработках выемочного участка при интенсивной добыче угля, установление аэродинамических параметров выработок выемочного участка, при которых изолированный отвод метановоздушной смеси (МВС) осуществляется наиболее эффективно.

Решением проблемы управления метановыделением на выемочных участках угольных шахт занимались такие выдающиеся ученые, как А.Т. Айруни, Н.В. Воронин, B.C. Забурдяев, И.Г. Ищук, И.О. Каледина, ИМ. Качурин, Б.Ф. Кирин, Ф.С. Клебанов, Е.А. Колесниченко, В.Б. Комаров, ИЛ. Медведев, А.Ф. Милетич, ЕМ. Минский, АЛ. Мясников, Н.В. Ножкин, МА. Патрушев, JLA.Пучков, А.Д.Рубан, В.С.Сергеев, A.A. Скочинский, Б.Г.Тарасов, К.З. Ушаков, Ю.В. Шувалов и многие другие. Исследования этих ученых послужили фундаментом для данной работы.

Цель работы. Повышение эффективности проветривания выемочных участков в условиях интенсивной отработки высокогазоносных угольных пластов.

Идея работы. Для эффективного проветривания добычных участков при подготовке выемочных столбов тремя параллельными выработками одну из них следует использовать в качестве контролируемого канала для изолированного отвода метановоздушной смеси.

Задачи исследований:

1. Анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта проветривания выемочных участков при разработке высокогазоносных угольных пластов.

2. Исследование особенностей управления процессами метановыделения на выемочных участках при различных вариантах отработки угольных пластов.

3. Изучение закономерностей формирования газового баланса, распределения метановоздушных потоков и процессов метановыделения на выемочных участках в условиях интенсивной отработки угольных пластов.

4. Разработка, обоснование параметров и области применения схем управления метановыделением на основе изолированного отвода метановоздушной смеси при многоштрековой под готовке выемочных столбов.

Методы проведения исследований. Работа выполнена на основе комплексных исследований, включающих системный анализ задачи на основе результатов работ российских и зарубежных ученых, патентно-информационный анализ, натурные наблюдения и эксперименты, а также математическое моделирование.

Научная новизна.

Установлены зависимости абсолютной и относительной метанообильностей очистных забоев шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» от скорости подвигания лав при нагрузках до 27000 т угля в сутки.

Установлено соотношение между аэродинамическими сопротивлениями газодренажной и очистной выработок, позволяющее обеспечить нормативные значения концентраций метана на выходе из лавы при осуществлении изолированного отвода МВС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При повышении скорости подвигания очистных забоев шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» до 20 м/сут и среднесуточных нагрузок до 27000 т, их абсолютная и относительная метанообильности стремятся к асимптотическим значениям, составляющим соответственно 8 м3/мин и 1 м3/т угля.

2. Для обеспечения нормативных значений концентраций метана на выходе из лавы параметры неподдерживаемой части газоотводящей сети следует определять с помощью предложенного соотношения между аэродинамическими сопротивлениями газодренажной и очистной выработок.

3. При подготовке выемочных столбов тремя параллельными выработками и использовании одной из них в качестве контролируемого газодренажного канала, изолированный отвод МВС обеспечивает возможность эффективного управления метанообильностью выемочных участках.

Практическая значимость работы:

1. Обоснованы области применения различных схем изолированного отвода метановоздушной смеси в зависимости от технологических параметров многоштрековой подготовки выемочных участков и условий отработки угольных пластов.

2. Показано, что использование одной из выработок в качестве контролируемого газодренажного канала при подготовке выемочных столбов тремя параллельными выработками позволяет обеспечивать комплекс мероприятий по нормализации газовой обстановки на выемочном участке.

3. Для подготовки выемочных столбов тремя параллельными выработками обоснован коэффициент эффективности разделения метановоздушного потока на выходе из лавы, позволяющий оперативно регулировать параметры изолированного отвода МВС.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом

экспериментальных данных, сходимостью результатов теоретических и натурных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных симпозиумах «Кузбасский международный угольный форум» (Кемерово, 2011),

«Шестнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов» (Санкт-Петербург, 2011), «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2011), «Неделя Горняка» (Москва, 2010-2012), «IX Международный форум горняков и металлургов» (Фрайберг, Германия, 2010), международных конференциях «Промышленная безопасность и вентиляция подземных сооружений в XXI столетии» (Донецк, Украина, 2011), «Трансфер технологий от идеи до прибыли» (Днепропетровск, Украина, 2010), научно-практических конференциях «Проблемы угольного метана» (Санкт-Петербург, 2011), «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2011), «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2009), на семинарах кафедры безопасности производств СПГГУ, работа получила премию Правительства Санкт-Петербурга.

Личный вклад автора:

1) сформулированы цель, основная идея работы, задачи исследований, защищаемые положения и выводы;

2) разработана методика и проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение особенностей метановыделения в высокопроизводительных очистных забоях и распределения метановоздушных потоков при интенсивной выемке угля; выполнены обработка и интерпретация полученных экспериментальных данных;

3) определены обобщающие зависимости абсолютной и относительной метанообильностей очистной выработки от скорости подвигания забоя при нагрузках до 27000 т/сут;

4) обосновано оптимальное соотношение между аэродинамическими сопротивлениями газодренажной и очистной выработок; введен коэффициент, позволяющий оценить эффективность разделения воздушного потока на выходе из лавы при осуществлении изолированного отвода МВС;

5) разработаны схемы управления метанообильностью выработок выемочного участка, включающие комбинированное проветривание с изолированным отводом метановоздушной смеси по контролируемому газодренажному каналу, подготовку выемочных столбов тремя параллельными выработками; даны

практические рекомендации по их использованию в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, из них 7 статей - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 157 страницы состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 145 источников и приложения, включает 56 рисунков и 8 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. Геннадию Ивановичу Коршунову за постоянное внимание к данной работе, помощь в определении общей идеи и направлений исследований; сотрудникам кафедры безопасности производств СПГГУ; ЗИК-Сопвикш^ в частности Леониду Иосифовичу Березину, за полезные замечания и ценные советы; специалистам технической дирекции ОАО «СУЭК-Кузбасс» за содействие в проведении экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу мирового опыта отработки высокогазоносных угольных пластов и методов управления метанообильностыо выемочных участков. Приведен анализ травматизма в угольной промышленности и аварийных ситуаций в шахтах, где применялись газоотсасывающие вентиляционные установки.

Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленным на изучение закономерностей метановыделения в очистное пространство высокопроизводительных выемочных участков.

В третьей главе приводятся методика и результаты комплексных исследований распределения метановоздушных потоков при комбинированном проветривании выемочных участков, включающих шахтные эксперименты и математическое моделирование.

В четвертой главе приведены разработанные схемы комбинированного проветривания выемочных участков с изолированным отводом МВС по контролируемым газодренажным каналам, дано обоснование предлагаемых решений.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

Выполненные ранее исследования газодинамических процессов во время очистной выемки угля свидетельствуют о том, что при среднесуточной добыче до 10000 т для шахт Карагандинского, Кузнецкого и Печорского (Воркутское месторождение) бассейнов, абсолютное метановыделение в очистную выработку может быть представлено в виде линейной или степенной зависимости от нагрузки на лаву. Эти исследования легли в основу существующих методик расчета интенсивности метановыделения. Однако для большинства современных очистных забоев нагрузка 10000 т/сут в настоящее время не является предельной. Поэтому данные зависимости требуют уточнения в соответствии с изменившимися условиями производства.

В представленной работе изучены особенности метановыделения в высокопроизводительных очистных забоях, сопоставлены значения достигнутых нагрузок факгическим уровням метановыделения.

Для установления зависимостей абсолютной и относительной метанообильностей очистных выработок от скорости подвигания лавы проведены наблюдения за источниками метановыделения и анализ показаний систем аэрогазового контроля по шести участкам за все время отработки выемочных столбов. В качестве объектов наблюдений были выбраны высокопроизводительные лавы шахт «Имени С.М. Кирова», «Комсомолец», «Котинская», входящих в состав ОАО «СУЭК-Кузбасс», разрабатывающих угольные пласты с различными горногеологическими характеристиками и уровнями добычи.

По итогам обработки экспериментальных данных получены зависимости абсолютной (1) и относительной (2) метанообильностей очистных выработок, характеризующиеся степенными функциями:

4з = /т,п Уа+1ф, (1)

где 10Л - абсолютная метанообильность очистного забоя, м3/мин; -экспериментально определенная величина минимального метановыделения в очистную выработку при А<1000 т/сут, м3/мин; /ф- фоновый уровень метановыделения в лаву, м3/мин; V - скорость подвигания очистного забоя, м/сут; а- показатель степени, характеризующий уменьшение темпа изменения (роста) абсолютной метанообильности очистной выработки с увеличением скорости подвигания очистного забоя;

Я = з (2)

где ц -относительная метанообильность очистного забоя, м /т; ц^^ -экспериментально определенная максимальная относительная метанообильность очистной выработки, м3/т; р - показатель степени, характеризующий уменьшение темпа изменения (снижения) относительной метанообильности очистной выработки с увеличением скорости подвигания очистного забоя.

Определены численные значения показателей степенной функции для исследуемых шахт (см. таблицу).

Показатели интенсивности метановыделения в очистных забоях шахт

ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Шахта Лава Показатели метановыделения

Абсолютное /0.,., м'/мин Относительное д, м3/г

Минимальное «етановыделение в очистную выработку /ишь м3/мин Показатель уменьшения темпа изменения а Максимальная относительная метанообильнос ть м3/т Показатель уменьшения темпа изменения р

«Имени С.М. Кирова» 2454 4Д 0,226 9 0,774

2592 3,6 0,2248 6,5 0,775

«Котинская» 5207 3,9 0,1931 4,19 0,807

5208 3,8 0,3776 4,3 0,622

(Комсомолец» 1730 4 0Д936 7,4 0,706

1740 5,4 0,1264 9,7 0,847

Обобщающие зависимости по исследуемым шахтам ОАО «СУЭК-Кузбасс» имеют вид (3,4):

/03 = 4Д 839Г0'2386 + /ф, (3)

9 = 6,3643 /К0'77. (4)

Установлено, что газодинамические процессы, протекающие во время очистной выемки угля в наиболее производительных лавах шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» при нагрузках до 27000 т/сут, с наибольшей достоверностью описываются степенными функциями (рис.1), характеризующими уменьшение темпа изменения абсолютного и относительного метановыделения в очистную выработку по мере увеличения скорости подвигания лавы.

Абсолютная и относительная метанообильности очистной выработки при повышении скорости подвигания лав до 20 м/сут стремятся к асимптотическим значениям, составляющим 8 м3/мин и 1 м3/т угля соответственно.

V, м/суг

Рис.1. Обобщающие зависимости абсолютной и относительной метанообилыгостей очистных забоев от скорости подвигания лав в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» при среднесуточных нагрузках до 27000 т

2. Для обеспечения нормативных значений концентраций метана на выходе из лавы параметры неподдерживаемой части газоотводящей сети следует определять с помощью

предложенного соотношения между аэродинамическими сопротивлениями газодренажной и очистной выработок.

В настоящее время на угольных шахтах России, в том числе на шахтах ОАО СУЭК-Кузбасс», активно применяется способ подготовки выемочных столбов двумя параллельными выработками.

Производственный опыт выявил низкие эффективность и надежность использования газоотсасывающих вентиляционных установок при проветривании выемочных участков в сочетании с применяемыми способами подготовки выемочных столбов. В результате имели место многочисленные случаи вспышек и взрывов метановоздушных и метано-пылевоздушных смесей. Анализ динамики нарушений по факторам проветривания горных выработок, газового и пылевого режимов (данные Центрального штаба ВГСЧ) свидетельствует, что наиболее часты случаи аварийных ситуаций на выемочных участках с комбинированными схемами проветривания.

Для установления рациональных параметров изолированного отвода МВС проводились экспериментальные исследования, направленные на изучение закономерностей распределения метановоздушных потоков в пределах выемочного участка.

В соответствии с разработанной методикой на выемочных участках четырех шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» произведены газовоздушные съемки. При проведении замеров лавы разбивалась на замерные пункты, расположенные через десять секций крепи в направлении от конвейерного к вентиляционному штреку, очистное пространство в замерных пунктах - на три дорожки. Первая замерная линия располагалась между стойкой крепи и защитным щитком, вторая - между конвейером и стойкой крепи и третья между поверхностью забоя и конвейером.

Установлено, что основным источником метановыделения в очистную выработку в условиях экспериментов является разрабатываемый пласт, при этом расход воздуха на пути его следования по лаве оставался практически неизменным, значительное снижение наблюдалось только на первых и последних 15 м за счет утечек в выработанное пространство. При оценке воздушного баланса выемочных участков установлено, что

основной объем воздуха, идущий на изолированный отвод МВС, отделяется на выходе из лавы.

Для определения параметров и исследования эффективности разделения метановоздушного потока на выходе из лавы был введен коэффициент эффективности разделения воздушного потока ^эфр.в.п (рис.2), определяющийся как отношение концентрации метана в вентиляционном штреке Си в который поступает исходящая из лавы струя воздуха, к концентрации метана в газоотводящей выработке сг-

^эф.р.в.п ~ С\! С2, (5)

Рис.2. Схема расположения замерных пунктов в лаве 2593 шахты «Имени С.М. Кирова» при исследовании эффективности разделения метановоздушного потока на выходе из лавы

Установлено, что при выполнении неравенства:

Яэфрв.п> 1, (6)

на выходе из лавы не будет осуществляться дополнительный приток метана из источников, находящихся в выработанном пространстве. Данная ситуация наблюдалась на исследуемых выемочных участках только при нулевой добыче и фоновом уровне меггановыделения.

Результаты проведенных исследований показывают, что существующая вентиляционная сеть выемочного участка при увеличении нагрузки на очистной забой не обеспечивает устойчивого распределения мегановоздушных потоков: метан из

выработанного начинает поступать в рабочее пространство, о чем свидетельствует повышение концентрации с2 в газоотводящей выработке.

Депрессия в газоотводящей выработке должна обеспечивать расход МВС, необходимый для реализации условий комбинированного проветривания и снижения опасности образования местных скоплений метана на сопряжении лавы с погашаемой вентиляционной выработкой. Причем, согласно действующим нормативным документам, количество воздуха, отделяющегося на сопряжении лавы с газоотводящей выработкой, должно быть не менее 30% от общего количества утечек.

Исходя из этого условия, для определения энергетического баланса сети на основании результатов газовоздушных съемок составлена схема распределения метановоздушных потоков в замкнутом контуре (рис.3), и определен энергетический баланс

Рис.3. Схема распределения метановоздушных потоков на выемочном участке

Согласно закону однозначности напоров энергетический баланс выемочного участка имеет вид:

1 ,69 Дд Яуг2 = бут в2 Двп - бо э2 До з, (7)

где Яд - минимально необходимое аэродинамическое сопротивление погашаемой за лавой выработки для организации требуемого распределения метановоздушных потоков, кц; Л«, аэродинамическое сопротивление выработанного пространства, кц;

Ло з - аэродинамическое сопротивление очистной выработки, кц; (¿^ - утечки воздуха на выемочном участке; ()03 - расход воздуха для проветривания очистной выработки, м3/мин; г„ - утечки воздуха через выработанное пространство, м3/мин.

С учетом нормативных коэффициентов для обеспечения надежного распределения метановоздушных потоков при реализации комбинированной схемы проветривания выемочного участка получено минимально необходимое соотношение между аэродинамическими сопротивлениями газодренажной выработки и лавы:

Лд / Лоз = 0,6 (Хо.3+ К^-1)-2- А,.,2 - I)"2, (8)

где Ко3, Кпт, КугЛ - коэффициенты, приведенные в «Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт».

Определение параметров неподдерживаемой части газоотводящей сети с помощью предложенного соотношения дает возможность обеспечивать нормативные значения концентраций метана на выходе из лавы при осуществлении изолированного отвода МВС.

При организации комбинированного проветривания выемочных участков изолированный отвод метановоздушной смеси осуществляется тремя способами: по погашаемому за лавой вентиляционному штреку и выработанному пространству на скважину, пробуренную с поверхности; по части погашаемого штрека через смесительную камеру в общешахтную исходящую струю; в условиях эндогенной пожароопасности - по специально пробуренным через целик скважинам, подключенным к дегазационной сета. Для оценки эффективности применяемых способов были произведены шахтные экспериментальные

наблюдения на наиболее характерных выемочных участках шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Результаты исследований показали, что при подготовке выемочных столбов двумя параллельными штреками и отводе МВС по выработанному пространству дебит метана на скважине по мере отработки постоянно снижается (рис.4), что объясняется увеличением аэродинамического сопротивления выработанного пространства и наличием активной аэродинамической связи действующего и старых выработанных пространств.

В данной ситуации повышается не только возможность образования опасных скоплений метана на сопряжении лавы с газоотводящей выработкой, но и возможность опрокидывания метановоздушной струи, уходящей в выработанное пространство (см. результаты моделирования рис. 6а).

/гт„ м3/мин 25,0 ■

20,0 -

15,0 -

10,0

400 800 1200 1600 2000 2400 £„.„, м

Рис.4 График изменения объемов извлекаемого метана на скважине с использованием ГОУ-48 по мере отработки выемочного столба лавой 2454 шахты «Имени С.М. Кирова»

При реализации схемы изолированного отвода МВС в условиях эндогенной пожароопасное™ по дегазационной сети с использованием сбоечных скважин его эффективность остается постоянной, но возрастает опасность образования высоких концентрации метана в неконтролируемой газоотводящей части, погашаемой за лавой выработки, связанная с невозможностью отвода всего метана и разбавление его до допустимых норм.

Проведенные теоретические исследования и наблюдения в производственных условиях свидетельствуют о недостаточной

эффективности комбинированного проветривания выемочных участков в сочетании с применяемыми методами подготовки выемочных столбов. Для повышения эффективности и безопасности управления метановыделением на выемочных участках разработаны схемы управления метановыделением, включающие комбинированное проветривание выемочных участков с изолированным отводом метановоздушной смеси по контролируемому газодренажному каналу, подготовку выемочных столбов тремя параллельными выработками.

В качестве примера на рис.5 представлена разработанная схема комбинированного проветривания выемочного участка с подготовкой выемочного столба тремя параллельными штреками при нисходящем порядке отработке.

^ 4-уТТд—тт,-г^т я » " 1 Т*- д_г* -П—1-1 и^З

¡м => =3{Г........т. «......щ 1

СЗЗ Ъ Н—Н " -К» м-ш-1Г»-| и..............

Рис.5. Организация комбинированного проветривания выемочного участка при трехштрековой подготовке выемочного столба

Эффект от применения схем достигается возможностью регулирования концентраций метана в газоотводящей сети, а также аэродинамических параметров выемочных участков, что позволяет организовать распределение воздушных потоков наиболее оптимально. Разработанные схемы позволяют эффективно осуществлять изолированный отвод МВС, в том числе, при отработке склонных к самовозгоранию угольных пластов. Предложенные в рамках данных схем мероприятия в сочетании с дегазационными работами создают комплекс эффективных мер по

управлению метановыделением на высокопроизводительных выемочных участках, при которых степень влияния газоотсасывающего вентилятора на лаву будет сохраняться при отработке выемочных столбов проектной длины.

Данный вывод подтверждается математическим моделированием с использованием программного комплекса «Противоаварийная защита» (программа «Вентиляция») на основе реальных топологий шахт (рис.6). В качестве объектов моделирования были выбраны действующие выемочные участки шахт «Имени С.М. Кирова», «Полысаевская» и «Котинская» 25-93, 18-29 и 52-08 соответственно.

Рис.6. Схематичная интерпретация результатов моделирования распределения метановоздушных потоков при подготовке выемочного участка двумя (а) и тремя (б) параллельными штреками на примере лавы 18-29 шахты «Полысаевская»

Полученные результаты комплексных исследований свидетельствуют, что применение изолированного отвода МВС по контролируемым выработкам за счет подготовки выемочных столбов тремя параллельными выработками обеспечит возможность эффективного управления метановыделением на выемочных участках при работе газообильных лав.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе проведенных исследований разработаны научно обоснованные решения по управлению метанообильностью выемочных участков средствами вентиляции с применением изолированного отвода МВС, внедрение которых обеспечит повышение эффективности проветривания в условиях интенсивной отработки высокогазоносных угольных пластов. Решение данной задачи имеет существенное значение для безопасной работы высокопроизводительных очистных забоев шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Основные выводы н результаты работы:

1. Установлено, что газодинамические процессы, протекающие во время очистной выемки угля в отдельных наиболее производительных лавах шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» при нагрузках до 27000 т/сут, с наибольшей достоверностью описываются степенными функциями, характеризующими уменьшение темпа изменения абсолютного и относительного метановыделения в очистную выработку по мере увеличения скорости подвигания лавы.

2. Установлено соотношение между аэродинамическими сопротивлениями газодрекажной и очистной выработок, позволяющее обеспечить нормативные значения концентраций метана на выходе из лавы при осуществлении изолированного отвода МВС.

3. Разработаны и научно обоснованы новые схемы управления метановыделением на выемочных участках угольных шахт, включающие комбинированное проветривание выемочных участков с изолированным отводом метановоздушной смеси по контролируемым газодренажным каналам, подготовку выемочных столбов тремя параллельными выработками.

4. Разработанные схемы позволяют эффективно осуществлять изолированный отвод МВС с регулируемыми концентрациями метана в газоотводящей сети при условии сохранения степени влияния газоотсасывающего вентилятора на лаву при проектируемой длине выемочных столбов, в том числе, при отработке склонных к самовозгоранию угольных пластов.

5. Для оценки эффективности изолированного отвода МВС введен коэффициент эффективности разделения воздушного потока на выходе из лавы, позволяющий качественно оценить приток метана из выработанного пространства.

6. Результаты исследований легли в основу раздела управления метановыделением альбома «Технологических схем подготовки и отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»».

Полученные выводы и рекомендации могут быть использованы для эффективной и безопасной отработки высокогазоносных пластов на шахтах российских угольных бассейнов.

Основные публикации но теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Курта И.В. Применение изолированного отвода метановоздушной смеси при управлении газовыделением на угольных шахтах / И.В. Курта, Г.И. Коршунов, О.И. Казанин, Е.П. Ютяев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №5. С. 24-28.

2. Курта И.В. Проветривание высокопроизводительных газообильных выемочных участков при многоштрековой подготовке / И.В. Курта, Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №6. С. 21-24.

3. Коршунов Г.И. Травматизм на шахтах «СУЭК-Кузбасс» и его причины / Г.И. Коршунов, P.C. Истомин, И.В. Курта, М.А. Логинов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) 2011. №6. С. 18-20.

4. Курта И.В. Особенности управления газовыделением при интенсивной отработке угольных пластов опасных по самовозгоранию / И.В. Курта, Г.И. Коршунов, О.И. Казанин, М.А. Логинов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №7. С. 31-33.

5. Курта И.В. Сравнительная оценка фактической и прогнозной газообильностей очистных забоев угольных шахт / И.В.

Курта, Г.И.Коршунов, P.C. Истомин, Е.П. Ютяев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №8. С. 298-299.

6. Истомин P.C. Обоснование системы геомеханического контроля опасностей при интенсивной отработке выемочных участков шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» / P.C. Истомин, Г.И. Коршунов, И.В. Курта, А.И. Пальцев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №8. С. 64-65.

7. Павлов И.А. Синергетика пространственно-временной динамики геомеханических состояний и газодинамических процессов в выработанном пространстве при интенсивной отработке угольного пласта / И.А. Павлов, И.В. Курта, М.А. Волков // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №8. С. 391-396.

В прочих изданиях:

8. Бобровников В.Н. Особенности газовыделения из выработанного пространства и отработанных (старых) выемочных полей / В.Н. Бобровников, О.И. Казанин, И.В. Курта // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 8-й научно-практической конференции - Воркута. 2010.С.191-192.

9. Курта И.В. Управление газовыделением на выемочных участках при интенсивной отработке высокогазоносных угольных пластов / И.В. Курта, Г.И. Коршунов // Промышленная безопасность и вентиляция подземных сооружений в XXI столетии: Материалы Международной научно-практической конференции посвященной 90-летию Донецкого национального технического университета. 2011. С. 150-154.

10. Курта И.В. Организация комбинированного проветривания выемочных участков угольных шахт в условиях эндогенной пожароопасности / И.В. Курта, А.Н. Никулин // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции - Кемерово. 2011. С. 27-29.

РИЦ СПГГУ. 04.04.2012. 3.228 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Курта, Иван Валентинович, Санкт-Петербург

61 12-5/3083

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛИРОВАННОГО ОТВОДА МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ШАХТ

ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»

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

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Курта Иван Валентинович

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Г.И. Коршунов

Санкт-Петербург 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ состояния и перспективы развития подземной добычи угля в России и в Кузнецком угольном бассейне 11

1.2 Аварийность на угольных шахтах 16

1.3 Анализ действующих нормативных документов по проектированию схем управления метановыделением при ведении очистных работ 24

1.4 Анализ методов и средств управления метановыделением на выемочных участках угольных шахт 26

1.5 Выводы по главе 37

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ

2.1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий подготовки и отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» 39

2.2 Динамика газообильности угольных шахт 42

2.3 Влияние скорости подвигания очистного забоя на интенсивность метановыделения 44

2.4 Основные закономерности фильтрации в поровых коллекторах 49

2.5Методы исследований газовыделений и закономерностей формирования газового баланса выемочных участков 56

2.6 Выводы по главе 59

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТ АНОВ 03 ДУШНЫХ ПОТОКОВ В ВЫРАБОТКАХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»

3.1 Исследование особенностей и установление закономерностей метановыделения в высокопроизводительных очистных забоях 61

3.2 Шахтные исследования аэро - и газодинамических процессов в выработках выемочного участка 69

3.3 Влияние геомеханических процессов на газодинамику углевмещающих породных массивов 81

3.4 Определение аэродинамических параметров выработок выемочного участка 90

3.5 Математическое моделирование распределения метановоздушных потоков по сети горных выработок 95

3.6 Выводы по главе 106

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ С ПОДГОТОВКОЙ ВЫЕМОЧНЫХ СТОЛБОВ ТРЕМЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ

4.1 Формирование требований к технологическим параметрам основных элементов многоштрековых схем подготовки выемочных участков 109

4.2 Схемы управления метанообильностью выемочных участков 114

4.3 Обоснование и расчет параметров схем комбинированного

проветривания выемочных участков 125

4.4 Выводы по главе 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 152

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Интенсивность разработки угольных месторождений подземным способом сдерживается растущей метанообильностью выемочных участков, которая при добыче более 20000 т/сут может превышать 150 м /мин. В этих условиях 80% газового баланса формируется за счет метановыделения в выработанное пространство.

М.А. Патрушев, JI.A. Пучков, А.Д. Рубан, B.C. Сергеев, A.A. Скочинский, Б.Г. Тарасов, К.З. Ушаков, Ю.В. Шувалов, и многие другие. Исследования этих ученых послужили фундаментом для данной работы.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности проветривания выемочных участков в условиях интенсивной отработки высокогазоносных угольных пластов.

Идея работы.

Для эффективного проветривания добычных участков при подготовке выемочных столбов тремя параллельными выработками одну из них следует использовать в качестве контролируемого канала для изолированного отвода метановоздушной смеси.

Основные задачи работы:

Методы исследований.

Работа выполнена на основе комплексных исследований, включающих системный анализ задачи на основе результатов работ российских и зарубежных ученых, патентно-информационный анализ, натурные наблюдения и эксперименты, а также математическое моделирование.

Научная новизна работы.

Защищаемые научные положения:

3 3

значениям, составляющим соответственно 8 м /мин и 1 м /т угля.

Практическая значимость работы:

Достоверность научных положений и выводов подтверждается большим объемом экспериментальных данных, сходимостью результатов теоретических и натурных исследований.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных симпозиумах «Кузбасский международный угольный форум» (Кемерово, 2011), «Шестнадцатая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов» (Санкт-Петербург, 2011), «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2011), «Неделя горняка» (Москва, 20102012), «IX Международный форум горняков и металлургов» (Фрайберг, Германия, 2010), международных конференциях «Промышленная безопасность и вентиляция подземных сооружений в XXI столетии» (Донецк, Украина, 2011), «Трансфер технологий от идеи до прибыли» (Днепропетровск, Украина, 2010), научно-практических конференциях «Проблемы угольного метана» (Санкт-Петербург, 2011), «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2011), «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2009), на семинарах кафедры безопасности производств СПГГУ, работа получила премию Правительства Санкт-Петербурга.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований легли в основу раздела управления метановыделением альбома «Технологических схем подготовки и отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»», получены положительные отзывы ведущих отраслевых институтов. Для внедрения альбома разработаны «Специальные технические условия на проектирование и строительство комплекса выработок, эксплуатацию оборудования и организацию работ по подготовке и отработке выемочных участков пологих

угольных пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»», которые находятся на стадии согласования в Министерстве регионального развития РФ.

Личный вклад автора:

1) сформулированы цель, основная идея работы, задачи исследований, защищаемые положения и выводы;

Публикации.

Основные результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, из них 7 статей - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа общим объемом 157 страницы состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 145 источников и приложения, включает 56 рисунков и 8 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. Геннадию Ивановичу Коршунову за постоянное внимание к данной работе, помощь в определении общей идеи и направлений исследований; сотрудникам кафедры безопасности производств СПГГУ; БШС-СопзиШгщ, в частности Леониду Иосифовичу Березину, за полезные замечания и ценные советы; специалистам технической дирекции ОАО «СУЭК-Кузбасс» за содействие в проведении экспериментов.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ состояния и перспективы развития подземной добычи угля в России и в Кузнецком угольном бассейне

Российская Федерация занимает второе место в мире по запасам угля. В настоящее время разведанные запасы составляют 193,3 млрд т, в том числе: бурого угля 101,2 млрд т, каменного 85,3 млрд т (из них коксующегося 39,8 млрд т), антрацитов 6,8 млрд т. Прогнозные ресурсы составляют 3816,7 млрд т. При существующем уровне добычи запасов угля хватит более чем на 550 лет.

По объемам угледобычи Российская Федерация занимает пятое место в мире [134] после Китая, США, Индии и Австралии. Добычу в России осуществляют 137 разрезов и 91 шахта общей годовой производственной мощностью более 370 млн т. Начиная с 1999 г., отмечается ежегодный прирост объемов угледобычи. В последние четыре года Россия вышла на уровень добычи свыше 300 млн т. в год. Экономический кризис вызвал существенное снижение спроса на угольную продукцию со стороны ее потребителей. Поэтому уровень добычи угля в 2009 г. был самым низким за последние четыре года (рис. 1.1).

В 2010 г. наметилась тенденция к улучшению ситуации в угольной отрасли [134], по итогам 10 месяцев общий объем добычи угля составил 261 млн.т, что составляет прирост на 19,3 млн т, по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Рис. 1.1. Динамика основных показателей деятельности угольной промышленности за 1998 - 2009 гг.

В соответствии с энергетической стратегией РФ на долгосрочную перспективу одной из приоритетных задач российской энергетической политики должно стать осуществление подготовки и поэтапного перехода к более масштабному использованию угля в энергетике [9;48;72;121;137]. Прогнозируется, что при неуклонном уменьшении запасов природного газа и нефти уголь во всё большей степени будет приобретать роль стабилизирующего элемента в топливно-энергетическом балансе. Для обеспечения энергетической безопасности страны необходимо обеспечить добычу угля к 2020 г. на уровне 340-450 млн т с дальнейшим наращиванием объемов добычи, что приведет к увеличению доли угля в топливно-энергетическом балансе до 25-30%.

Высокопроизводительная работа очистных участков в условиях шахт России приурочена, главным образом, к пологим и наклонным угольным пластам. В таких горно-технических условиях применяются 16 типовых технологических схем подготовки и отработки средней мощности и мощных угольных пластов: 14 схем предусматривают отработку пластов угля лавами по

простиранию и 2 схемы - по падению или восстанию. Слоевой отработке мощных пластов посвящена одна схема, остальные схемы отработки пластов угля - однослоевые. Бесцеликовая отработка выемочных полей предусмотрена 6 схемами, с оставлением сплошного целика - 3 схемами и с оставлением целиков угля со сбойками - 5 схемами [119].

Типовые схемы подготовки и отработки угольных пластов применяются в следующих случаях: на глубинах от земной поверхности до 600-1200 м (до 600 м - с оставлением целиков угля, от 600 до 1200 м - бесцеликовая отработка выемочных полей с возведением искусственных полос); при газоносности пластов угля от 10 до 30 м3/т с.б.м.; на пластах, преимущественно не опасных по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам (на опасных по этим факторам пластах угля применяются схемы без оставления целиков угля); при протяженности выемочных полей (столбов) от 800 до 3000 м, длине лав от 100 до 250 м (преимущественно 180-250 м); в лавах с разделением на 2 части.

Самым крупным угольным объединением России и единственной отечественной компанией, входящей в десятку лидеров мирового угольного рынка по объемам добычи (рис. 1.2) является «Сибирская угольная энергетическая компания» (ОАО «СУЭК»). Обладая богатейшей ресурсной базой (рис. 1.3), компания является одним из крупнейших мировых экспортеров, обеспечивая более 25% российского угольного экспорта и 31% поставок энергетического угля на внутреннем рынке. ОАО «СУЭК» обладает угольными активами мирового класса - 17 разрезов и 12 шахт в 7 регионах России. Филиалы и дочерние компании «СУЭК» расположены в Красноярском, Приморском и Хабаровском краях, Бурятии и Хакасии, в Читинской и Кемеровской областях. Крупнейшим подразделением компании в сегменте подземной угледобычи является производственное объединение в Кемеровской области ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Coal India

Shenhua Peabody

Rio TWo ......1 140

Arch Coal ' I 126

Datong China Coal i 117

THiSiPl 109

BHP Billion ' —| 104

RWE Power т^щтт юз

Anglo American L__I 37

cyaK ■2121 88

431

210 '91