Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологических схем каптажа метана при отработке свиты сближенных угольных пластов в условиях шахты Хечам

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологических схем каптажа метана при отработке свиты сближенных угольных пластов в условиях шахты Хечам"

9 15-5/553

На правах рукописи

БУЙ Вьет Хынг

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ КАПТАЖА

МЕТАНА ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ СБЛИЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ ХЕЧАМ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая

и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ковалёв Олег Владимирович

Официальные оппоненты:

Мельник Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», заведующий кафедрой

Семенцов Вячеслав Владимирович кандидат технических наук, АО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности», лаборатория Горной геомеханики, заведующий лабораторией

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Защита диссертации состоится 16 октября 2015 г. В13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 27 июля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ

диссертационного совета / Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При разработке угольных месторождений одним из основных факторов, осложняющих добычу угля является повышенное содержание метана в рудничной атмосфере, которое повышает риск возникновения несчастных случаев, связанных с взрывами метана. Повышение нагрузки на очистной забой по газовому фактору может быть достигнуто за счет дегазации углевмещающего массива, которая, за редким исключением, не подразумевает добычи метана (каптажа) для промышленного использования в качестве энергетического сырья. Следствием этого является не только загрязнение атмосферы парниковым газом, но и косвенное снижение полноты извлечения запасов недр. Таким образом, решение вопросов комплексного извлечения угля и метана позволит решить задачи повышения экономической эффективности шахт, а также проблем, связанных с промышленной и экологической безопасностью.

Исследованиями вопросов экономической эффективности и безопасности подземной разработки угольных месторождений и комплексной добычи энергетического сырья (уголь - метан) занимались такие исследователи, как: Айруни А.Т., Артемьев В.Б., Бирюков Ю.М., Бокий Б.В., Веселов А.П., Гайбович Ф.М., Дмитриев

A.M., Забурдяев B.C., Захаров В.Н., Зенкович J1.M., Зубов В.П., Иофис М.А., Казанин О.Н., Калимов Ю.И., Ковалев О.В., Королева

B.Н., Красюк H.H., Кузнецов C.B., Лебедев A.B., Малышев Ю.Н., Мащенко И.Д., Мельник В.В., Морев A.M., Пучков Л.А., Рубан А.Д., Семенцов В.В., Сергеев И.В., Фомин С.И., Шувалов Ю.В. и др. исследователи.

Во Вьетнаме не проводились исследования вопросов каптажа метана при отработке угольных пластов, несмотря на аварии, связанные с пожарами и взрывами метана. В связи с этим особенно актуальным для угледобывающей промышленности являются исследования технологических схем совместного извлечения угля и каптажа метана.

Цель работы. Разработка технологических схем совместного извлечения запасов угольных пластов и каптажа метана из надрабатываемых пластов-спутников в условиях, аналогичных ш. Хечам и направлений их дальнейшего совершенствования.

Идея работы. При обосновании технологических схем каптажа метана необходимо учитывать изменение параметров очистных работ на угольных пластах в пространстве и времени.

Основные задачи исследований:

1. Анализ и теоретическое обобщение данных о геологических

и горнотехнических условиях отработки запасов угля и метана на шахте Хечам.

2. Обобщение способов измерений горнотехнических факторов и их проведения в полевых и лабораторных условиях.

3. Проведение экспериментально-аналитических исследований для изучения геотехнологических параметров комплексного извлечения угля и метана (для аналогичных ш. Хечам условий).

4. Обобщение результатов выполненных исследований по повышению эффективности каптажа метана надрабатываемых пластов на основе его увязки с параметрами технологических схем извлечения угольных пластов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий: анализ отечественной и зарубежной литературы; проведение исследований в полевых и лабораторных условиях; математическую обработку результатов исследований на компьютере с использованием специализированных программных комплексов.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности взаимного влияния пространственно-временных параметров технологических схем добычи угля и эффективности каптажа метана с учетом влияния очистных работ на надрабатываемый углевмещающий массив.

2. Разработана методика расчета параметров технологических схем комплексного извлечения угля и каптажа метана из надрабатываемого углесодержащего массива, позволяющая за счёт регламентации места и времени бурения газозаборных скважин, времени их подключения и отключения от газозаборных ставов, обеспечить высокую эффективность каптажа метана и интенсивность ведения угледобычных работ.

3. Установлены зависимости между параметрами метаноносности и горногеологическими условиями шахты Хечам, позволяющие обеспечить эффективность комплексной добычи угля и метана на больших глубинах разработки.

Основные защищаемые положения:

1. Параметры технологических схем отработки опасных по газу угольных пластов необходимо взаимоувязывать с технологией каптажа метана, эффективность которого изменяется в пространстве и времени согласно выявленным этапам надработки массива горных пород длинным очистным забоем.

2. Использование разработанного критерия оценки эффективных параметров каптажа метана при планировании

очистных работ позволяет повысить интенсивность комплексной отработки энергетического сырья.

3. Разработанные технологические схемы каптажа метана позволяют повысить эффективность отработки свиты угольных пластов шахты Хечам с учётом установленных закономерностей увеличения газоносности на перспективных глубинах.

Практическая значимость. Разработаны технологические схемы каптажа метана, для аналогичных шахтам Вьетнама геологических и горнотехнических условий, позволяющие обеспечить безопасность и интенсивность ведения горных работ, и в целом - повысить экономическую эффективность угледобывающих предприятий за счет комплексного извлечения угля и каптажа метана из надрабатываемых толщ.

Достоверность положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: применением комплексного подхода, включающего анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов по проблематике решения вопросов в области горной безопасности и каптажа метана; применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных, сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных и натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались: на 18-ой конференции о горной науке и технологии во Вьетнаме «Безопасность и охрана окружающей среды в горнодобывающей промышленности» (г. Сапа, 2007 г.); на 20-ой конференции о горной науке и технологии во Вьетнаме «Горное дело в интересах устойчивого развития» (г. Вунгтау, 2009 г.); на международной конференции молодых ученых (Фрайбергская горная академия, Германия, 2012 г.); на 11-ой международной научно-практической конференции «Проблемы аэрогазодинамики, промышленной безопасности и охраны труда на горных предприятиях» (г. Воркута, 2013 г.).

Личный вклад автора. Заключается в проведении анализа литературных и патентных источников, постановке цели, задач и разработке способов исследований, проведении лабораторных экспериментов по определению метаноносности и метанообильности пластов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировании выводов, научно-технических и практических рекомендацией.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 3 печатных работах, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и библиографического списка, включающего 125 наименований. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 39 рисунков.

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору О.В. Ковалёву; коллективу кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный», коллегам Горного технического института (IMSAT) и шахты Хечам во Вьетнаме за внимание, содействие и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель, идея и решаемые задачи, сформулированы основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен обзор современных способов каптажа метана из углевмещающего горного массива и опытов применения каптажа метана за рубежом. Проанализированы и обобщены данные метаноносности и метанообильности угольных пластов на шахте Хечам. Оценена метаноопасность на шахте Хечам во Вьетнаме.

Во второй главе проанализированы геологические и горнотехнические условия на шахте Хечам. Обобщённы результаты анализа метаноносности позволило установить закономерность изменения её с ростом глубины залегания угольных пластов с учётом достаточно чёткой дифференциации данного параметра по регионам добычи и конкретным пластам.

В третьей главе разработана и реализована методика выбора технологических схем (и их параметров) применительно к каптажу метана из надрабатываемых углевмещающих массивов. Обоснована область дегазации по параметрам А© и АКср, определяемая, в частности, в функции длины надрабатывающей лавы (Ьл). Разработаны схемы бурения газозаборных скважин в надрабатываемый массив (с учётом оценки дебита скважин - Q,), и радиуса их «фильтрационного влияния» - R. Обоснованы принцип и конкретная схема управления каптажной системой применительно к надрабатываемому углевмещающему массиву в «пространственно-временном» аспекте.

В четвертой главе разработан и использован при формировании рациональных технологических схем каптажа метана

из надрабатываемых углесодержащих толщ классификационный параметр: (п'Ьл) - зона влияния надработки. Разработаны технологические схемы с учётом временного фактора, в частности, отражающего величины объёмных скоростей фильтрации (С>ф) в газозаборные скважины.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Параметры технологических схем отработки опасных по газу угольных пластов необходимо взаимоувязывать с технологией каптажа метана, эффективность которого изменяется в пространстве и времени согласно с выявленными этапами надработки массива горных пород длинным очистным забоем.

В данной работе рассматриваются принципиальные подходы к решению указанной проблемы. В частности, для аналогичной условиям шахты Хечам свиты пластов, отрабатываемых в нисходящем порядке. Разрабатываются методические аспекты подхода к решению данной задачи. Литологический разрез угленосной толщи (принятый к расмотрению) приведён на рисунке 1.

Пласт "1"

Аргиллит (0,5-1,6м) Песчаник (1,4-12м)

Пласт "2"

(0-6,Зм)

Пласт "3"

Рисунок 1 - Литологический разрез угленосной толщи в окрестности пласта «2» (индексация пластов: «1», «2», «3» и «4» - условная, что относится также и к принятым литотипам междупластий и «геометрии» данной толщи)

На базе приведённого геологического разреза в зоне надработки (Рисунок 1) разрабатывается, отвечающая ему горногеомеханическая модель (ГГМ) и затем соответствующая ей расчётная схема «РС». Используемые для «РС» физико - механические характеристики элементов массива определяются как

средневзвешенные параметры соответствующих элементов массива (пластов, междупластий). Поскольку на геомеханический фактор (на напряжённо-деформированное состояние массива горных пород -НДС МГП) в зоне надработки пластом «2» нижележащих толщ существенно влияют и элементы вмещающего массива расположенного выше пласта «2», то данные об их необходимых параметрах также должны быть отражены в «ГГМ» и «РС». Отметим, что данные о параметрах «ГГМ» и «РС» обычно приводятся на совместной схеме. Учитывая достаточную «выдержанность» геологического строения углевмещающей толщи по простиранию пластов (по литотипам пород в частности), представленные на «ГГМ» сечения отражают его плоскодеформированное состояние. Необходимые для оценки геомеханического состояния деформационные характеристики пород приводятся для «ГГМ» к условиям «плоского НДС». Принятый подход к оценке параметров НДС в данном случае адекватно отвечает состоянию элементов массива в условиях объёмного НДС. Ниже приводится схема (Рисунок 2) пригрузки надрабатываемого массива (начиная с почвы собственно надрабатывающего пласта «2»), отвечающая условиям выемки угля по указанному пласту лавой по простиранию пласта.

Рисунок 2 - Схема пригрузки почвы пласта "2" (надрабатываемого массива) во времени

и пространства. 80- площадь "полного" зависания пород кровли в ВП; 8, - площадь, переменная во времени и пространстве, передачи нагрузки на надрабатываемый массив; 8П - постоянная площадь передачи нагрузки на почву пласта в ВП

А.

: околоштрсковых учасках I камера лавы

Ьлавы

Принятый способ управления горным давлением в лаве -«метод полного обрушения». Залегание пласта близкое к горизонтальному. Процессы изменения НДС пород в надрабатываемой пластом "2" толще с учётом пространственно-временных факторов передачи геостатического давления по почве данного пласта в выработанном пространстве лавы. На базе разработанной схемы пригрузки надрабатываемой толщи (Рисунок 2) во времени («1») и пространстве («Х»,«У») - параметр 0 представляется в функции аргументов (I) и (Х^), т.е. в виде: 0 — ^,х,у). Параметр Д0 в конкретной «точке» зоны «2-4» характеризуется разностью величин 0 (в той же точке), отвечающих значениям объёмной деформации в «невозмущённом» массиве и в массиве «надработанном». Пример поля параметра 0Ао («невозмущённый» МГП - лава отсутствует) приведён на рисунке 3 - пример рассматриваемого поля приведён на рисунке 4.

-20-

-40

-60

-О . 000640 ----О.000640 ---0 .00064 0

-0.000 620 ---0.00 0 620 --0.000620

-80-

-0.000600 ----0.000600 ---0.000600

0 20 40 60 80 100 120 140

Рисунок 3 - Поле параметра 0Ао (невозмущённый МГП - без лавы) «0-0» - ось симметрии исследуемой части МГП

Отметим, что указанная оценка (по «Д0») позволяет характеризовать «направленность» изменения коллекторских свойств массива в зависимости от изменения в нём данного параметра. В частности рост величин «А0» по модулю в условиях сжатой (но при 01 < 0Ао) или растянутой зон МГП определяет «состояние» разгрузки массива при выполнении условия А0 < 0. Очевидно, что росту положительных значений А0 (т.е. А0 > 0) будут отвечать условия пригрузки массива - относительно его («невозмущённого») состояния (©до)-

Рисунок 4 - Поле параметра Д0 в зоне надработки углевмещающего массива (Д0 = 0Ао - 0,0 Примечание: 1) Индекс «А0» отвечает значениям объёмной деформации в «точке»

МГП в «невозмущённом» массиве (т.е. при аср = уН); 2) Индекс «А» отвечает величинам объёмной деформации в тех же «точках», но при ¡-х состояниях МГП (схема зональности по длине выемочного столба для: А, Б, В, и т.д - приведена далее); 3) На данной схеме «изменчивости параметра Д0» приведены и данные о соответствующей изменчивости коллекторских свойств МГП (ДК, Дп)

Показатель эффективной (фильтрующей) пористости пород "п"имеет вид: п = п0 ■ е'^ где: п0- пористость горной породы (угля) в % при оср —> 0; Ь - эмпирическая константа (см2/кгс), оцениваемая зависимостью (практически для всех марок углей как: Ь-103 = 410"2-(Уг)2 - 1,45-Уг +13,55; Уг - выход летучих (%) (~10<УГ<22); аср - уровень средних напряжений, действующих в рассматриваемой «точке» МГП, кгс/см'. А уровень средних напряжений имеет вид: аср = Е-©1-(3 - 6 ц)" ; где: Е - модуль упругости (пород) углей —4,8-! О5 кгс/см2; ц - коэффициент Пуассона (пород) углей -0,3; 0¡ - величина объёмной деформации в "Ги" точке надрабатываемого междупластья "2-4" (Рисунок 3).

Анализ полей ©¡, показывает, что в невозмущённом массиве при принятых горногеологических условиях значения этого параметра соответствуют ~(-62-10"5) (Рисунок 3). Значение аср при этом отвечает уровню: ~ 25МПа (250 кгс/см2). Результаты приведены в следующей таблице 1. Эффективная пористость в МГП может быть существенно переменной величиной, а в зонах разгрузки от напряжений (горного давления) более чем на 50% превосходить таковую в естественном ("невозмущённом" очистной выемкой) массиве. Очевидно, что с учётом этого обстоятельства

может быть существенно повышена эффективность дегазации надрабатываемых зон МГП. Графическая интерпретация зависимости п = А(аСр) для исследованных условий приведена на рисунке 5.

Таблица 1 - Значения параметра объёмной деформации (0), среднего

Объёмная деформация в МГП, 0, -62 10"5 -30-10"5 -10 10"5 0

Средний уровень напряжений в МГП, стср, МПа -25,0 -12,0 -4,0 0

Величина эффективной пористости, п, % 1,7 2,28 2,74 3,0

Изменчивость газопроницаемости горных пород (в естественных условиях залегания) как функции от механических напряжений в МГП можно оценить, анализируя "средние" (для данной "точки" МГП) значения параметра проницаемости, т.е. в виде Кср = ф(оср), где: Кср - среднее значение (в «точках») газопроницаемости. Изменчивость газопроницаемости МГП в зоне надработки "2-4", приближённо оценивается зависимостью: Кср = Кср° + 10410"3оср; где: ± оср - кгс/см2; Кср° - цО (60 цО); диапазон для Кср: ~30 < Кср < -65. Разброс значений Кср = ф(стср) не превышает 30%. График функции Кср = ф(оср) приведён на рисунке 6. Схема распределения упомянутых зон в пределах выработанного пространства выемочного столба (по пласту «2»), отрабатываемого по простиранию (в нисходящем порядке), приведена на рисунке 7.

Кср, цО

+Сср,

кгс/см

-250-200-150 -100-50 0 50 100 150 200250

средние значения напряжений, ОсР Рисунок 5 - Зависимость эффективной пористости углей междупластья от уровня действующих в нём напряжений

+Оср,

кгс/см'

+Оср,

кгс/см

-300 -200 -100 0 100 200 300 средние значения напряжений, аср Рисунок 6 - График функции Кср=ф(аср) для оценки изменений газопроницаемости надрабатываемого пластом "2" междупластья "2-4"

Рассмотрим количественные значения изменений коллекторских свойств пород, определённые на основе анализа "ДО-

фактора" с учётом выше рассмотренных соотношений. Изменения показателей: Дп - изменение эффективной пористости пород, %; ДКср - изменение газопроницаемости пород, % - оценены относительно характеристик "невозмущённого" очистной выемкой массива, индексируемых нулевым знаком: п0 ~ 1,7 %; Кср° ~ 34 цО при соответствующем значении ©Ао =й(аср)., равном ~ (-62-10"5).

По мере подвигания лавы от монтажной камеры на расстоянии до 7(К80 м (т.е. через ~2(Н25 суток от начала очистной выемки) начинается разгрузка междупластья "2-4", сопровождаемая ростом Дп и ДКср: от ~ 1+2 (%) до —5-^30 (%) в области глубин междупластья "2-4" (зона "А", "Б", Рисунок 7).

Рисунок 7 - Зональность изменчивости геомехано-газодинамических свойств надрабатываемого междупластья "2-4". Здесь: "А", "Б", "В", "Г', "Д", "Е", "Ж", "3", "Б" и "А" - зоны в МГП, характерные по "п-К" - параметрам горных пород; 1 - штрек

Выполненный на основе предложенного фактора ("Д0-фактора") анализ состояния и изменчивости в надрабатываемом массиве параметров как геомеханических, так и синергетичных с ними коллекторских - является базовым положением для разработки методических аспектов построения схем каптажа метана. Установлены зависимости, формируемые с учётом технологических параметров, характеризующих положения очистного забоя в пространстве - времени и влияющих на эффективность добычи шахтного метана. В значительной степени позволяющие повысить эффективность извлечения метана, обеспечивая подходы к решению

проблемы комплексной добычи твёрдого и газообразного энергетического сырья.

2. Использование разработанного критерия оценки эффективных параметров каптажа метана при планировании очистных работ позволяет повысить интенсивность комплексной отработки энергетического сырья.

Для решаемой в настоящей работе методологической проблемы совершенствования схем каптажа метана для надрабатываемых углевмещающих массивов возможно констатировать следующее. Исследуемая фильтрующая среда в зонах надработки может рассматриваться пористой, сохраняющей определённое отношение эффективной её части к полной с учётом соответствующих (см. выше) уровней НДС горных пород в массиве.

В работе принимается оценка эффективности каптажа на базе относительного показателя (коэффициента эффективности - Кэф, %, отражающего степень каптирования метана из рассматриваемой зоны, а именно: р.-р„ ,пп ,% где: Р. - "фоновое" (начальное) давление

* ~ —Р.—

метана в надрабатываемой зоне, МПа; Р0 - тоже, остаточное, МПа.

Этот коэффициент пропорционально отражает также изменение "эффективной" метаноносности дегазируемой среды, поскольку для "свободной" газовой фазы метаноносность превалирующе предопределена параметром «ДР» ДР = Р* - Р0 (здесь имеем Р0 ~ Рот„).

Получены инженерные зависимости, включающие параметр КЭф во взаимосвязи с основными характеристиками дегазационных схем, а именно - мощностью («М») дегазируемой толщи (в зоне надработки, в частности) и радиусом дренирования массива в этой зоне ("Я"). В общем виде указанные зависимости запишутся как: К1ф = ^(М) и Я =Г2(К-,ф). Их графики представлены на рисунке 8. Аппроксимация приведённых графиков отражена функциями: К-,ф = а-Мв или М = ехр(с - (НпКэф); Я= И-я КЭф. Эмпирические коэффициенты в данных функциях, принятые для рассматриваемых условий, позволяют интерпретировать их запись (для инженерных решений в диапазонах данных рисунка 8) в виде: КЭф=12342,5/М1,47; Я ~ 100-К,ф. Выполненные оценки для данных зависимостей показали что коэффициенты вариаций для них отвечают диапазону: V = (2СН-25 %). Например при полученной оценке, параметра Я = 20

м (при V = 25 %) стандартное отклонение «а» (закон распределения - «нормальный») составит: а = )5| м.

Кэф, %

Я, м

15

б)

--

\

М, м

15

45

75

105 Кэф,%

Рисунок 8 - Графики функций ^ и Г2 для априори рассматриваемых условий: 30 < М(м) < 70 и (10-20) < Кэф(%) < (70-80) при газодинамических характеристиках углей: ~5 < Ас д.([м3СН4]/т) < -15 и (1-2) < Р. (МПа) < (5-7);

Ас.д: Метанообильность, м3/Тс д.

Соответствующий возможный диапазон изменения параметра Я (радиус дренирования) определится: Я = (20 ± 5) м. Поскольку процесс фильтрации (при принятых условиях) описывается уравнением Дарси (см. выше), то его трансформация применительно к флюиду СН4 с учётом дренажа газа через цилиндрическую поверхность в окрестности скважин (на расстояниях не более "Я"),

запишется в виде:

а,«6,28-ДЛ-

где: - объёмная скорость

фильтрации (см3/с), отнесённая к единице (1см) высоты фильтрующего цилиндра радиуса "Я"; К - проницаемость (Дарси) угольного пласта (углевмещающего массива) при уровне напряжений в нем: о = Яу.Н); Н - глубина работ; ц - динамическая вязкость СН4 (спуаз); АР - изменение давления газа от пластового Р, до Рт (давление в скважине).

Приведённая оценка отвечает характерным для пластов диапазонам пластовых давлений, а именно: Р, (~< [0,5-1] МПа; V < 30%). Используя зависимость для <3ф (см. выше), возможно оценить ожидаемые дебиты скважин, буримых, например, в верхнюю область надрабатываемой толщи (зона: пл. «2» - «3» и ниже), либо в зону выше пл. «4». Выполненные исследования позволяют при выборе

геометрических параметров каптажа - в отличие от существующих подходов - для рассматриваемых технологических условий (или конкретных иных) включить параметр («п' Ьл»), характеризующий выявленную под выработанным пространством «зональность» изменения в надработанной углевмещающей толще установленных механических (Д0) и коллекторских (ДКсР) свойств пород. Такая зональность представлена на рисунке 7, а параметр «зон влияния надработки» в функции указанных аргументов (Д0 и ДКср) определяется как показатель («п' Ьл»). Данный показатель не постоянен в процессе отработки надрабатывающего пласта («пл. 2»), т.е. является пространственно-временной характеристикой разгрузки рассматриваемого (надрабатываемого) углевмещающего массива. Усреднённые величины упомянутых выше характеристик и параметров (для рассматриваемых условий) приведены в таблице 2.

Учитывая рассмотренные методические подходы к подбору схем дегазации (т.е. определению геометрических параметров дегазации либо каптажа метана), ниже приводятся зависимости для расчёта: длин скважин (1скв), угла их наклона к горизонту (рскв) и угла "смещения" скважин в пространстве (у):

а) зависимости при горизонтальном расположении скважин (принимая,

-10.5 И

Г =

(и-4) +/Г ' Д.» = arcSin—

например: а = 0 и у = 0): б) тоже, при бурении скважин по восстанию (а ф 0; у ^ 0):

IL =

•Cosa

ß™ = orcSin

Cosy

h ■ Cosa ■ Cosy

("Ч)2+а2

в) тоже, при бурении скважин по падению (а * 0; у * 0):

L,

(,n-L)\h2

/L=arcS>"

h ■ Cosy

("Ч)г+А2

•Cosa

Cosy ■ Cosa

Взаимосвязь перечисленных параметров приводится на рисунке 9.

Таблица 2 - Усреднённые величины упомянутых выше характеристик и параметров (для рассматриваемых условий)

Зональность надработки "А Б" "Б В" "Г" "Д" "Е Ж 3" "Б А"

Расстояние от монтажной камеры 1л, м < 10 < 80 <£ 150 5 150 5 180 2 180 ¿200 5 200 5 600 >600 >600

Время от начала выемки "пл. 2", сут £ 10 <25 ^ 50 5 50 2 60 ¿60 ¿65 5 65 -180 > 180 > 180

Средняя мощность междупластья Ь, м 30 60 30 60 30 60 30 60 30 30 60

Параметр "п"' 0,15 0,35 0,15 0,35 0,2 0,33 0,2 0,33 0,15 0,15; 0,33; 0,35

Показатель "п'.Ьл", м -30 -70 -¡-80 -30 -70 +80 -40 -65 -40 -65 -30 -30; -40; -80

Дегазируемые зоны "пл. 3 и ниже" "пл. 3 - пл. 4" "пл. 3 и ниже" "пл. 3 - пл. 4" "пл. 3 и ниже" "пл. 3 - пл. 4" "пл. 3 и ниже" "пл. 3 - пл. 4" "пл. 3 и ниже" "пл. 3 и ниже" "пл. 3 - пл. 4"

Варианты расположения дегазационных скважин п'=0,15 В.Ш. м.| к.ш. п'=0,35 В.Ш. м.£ / к.ш. п'=0,15 1/ к.ш п'=0,35 ь к.ш. п'-0.20 / к.ш п'-0,33 к.ш. п'-0,20 [/ к.ш п'-0,ЗЭ к.ш. п'=0,15 |/ к.ш. Н111, п'-0,33 п —0,35 — п-0,15~ к.ш.

Примечание: 1) в.ш. - вентиляционный штрек; к.ш. - конвейерный штрек; м.к. -монтажная камера; 2) дегазируемые зоны вдоль выемочного столба устанавливаются на базе анализа полей Л0 (Рисунок 4) и соответствующих им величин «ДК» и «Дп»

1 - 1

Рисунок 9 - В - выработка; Г - скважина; Ь - мощность междупластья; Ь;| - длина лавы (150 < Ьл(м) < 250); п' - параметр разгрузки надработанной углевмещающей толщи на междупластье «пл. 2 - пл. 4»; а - приятый угол падения пластов (0 < а0 < 20); рск„ - угол "падения" скважины (от горизонта); у - угол "смещения" скважины (от нормали к выработке "В" в направлении её оси), (0 < у° < 89, рационально 0 < у0 < 30-^45°)

Отметим, что значения величин "у" задаются с учётом данных о параметре (п'-Ьл) и рационализации (технологической) бурения скважин. Схематический вариант такой реализации представлен ниже (Рисунок 10). При отходе лавы от монтажной камеры (Рисунок 10 и Таблица 2) и длине лавы -200 м параметры каптажа метана определятся следующим образом (примем, например: а - 0°). Оценим коэффициент эффективности дегазации (К,ф), в частности, например, равным -50%, при "К" - соответственно, равном -50 м (см. выше). Углы у! (для скважины «1») и у-> (для скважины «2») определятся как: у, - агс1ё(50/30) к 60° и у2 - агс%(50/80) ~ 32° (при: [п'-Ьл]"А" - 30м и [п' Ьл]"Б" а 80 м). Соответственно, изменениям ДО и ДКср в этих зонах рациональная глубина каптажа метана из надрабатываемого массива составит: для зоны "А": -30 м; для зоны "Б": -60 м.

Рисунок 10- Вариант схемы каптажа метана для надрабатываемого междупластья («пл. 2 - пл. 4») (пологое залегание пласта «пл. 2»)

Пространственно-временные характеристики управления каптажной системой приведены для принятых (в качестве примера) конкретных горнотехнических и геологических условий. В частности - при отработке свиты пластов длинными очистными забоями для фиксируемых горногеологических условий. Расстояния между «кустами» каптажных скважин, отвечающие значениям радиуса фильтрации при достаточном коэффициенте их эффективности (не менее 50%), как было показано выше, могут соответствовать ~50 метрам. Изложены результаты выполненых исследований, на базе которых разработана планограмма

обоснования эффективной добычи метана из надработанной толщи с чётом положения очистного забоя. Были, в частности, получены инженерные зависимости, позволяющие оценить «геометрические» параметры каптажных скважин на базе классифицированных условий влияния надработки указанного массива в конкретных зонах. Принятый классификационный параметр (п' Ь,,) зонально -по длине отрабатываемого выемочного участка, количественно отражает влияние надработки в функции аргументов Д0 (изменение механических характеристик в массиве) и ДКср (изменение коллекторских свойств пород в тех же зонах).

Соответственно, он является пространственно-временной характеристикой изменчивости геомехано-газодинамических свойств надрабатываемого углесодержащего массива горных пород. Следовательно, учитывая его при определении геометрических параметров соответствующих газозаборных скважин, возможно оценить и рекомендовать к практическому использованию параметры рациональных технологичных схем каптажа метана.

3. Разработанные технологические схемы каптажа метана позволяют повысить эффективность отработки свиты угольных пластов шахты Хечам с учётом установленных закономерностей увеличения газоносности на перспективных глубинах.

Для решения данной задачи были изучены и анализированы результатов метаноносности для угольных пластов шахты Хечам (Таблица 3) показывает, что метаноносность в угольных пластах увеличивается с глубиной их залегания. Уровень увеличения различен для каждой области и каждого пласта.

Таблица 3 - Самые высокие метаноносности в угольных пластах шахты

Хечам с 2010 г. по 2014 г.

Индекс пластов Метаноносность, м^/Тс.б.м

2010 ; Г.О. 2011 ! Г.О. 2012 Г.О. 2013 Г.О. 2014 Г.О.

12 0,87 -100 2,29 -120 2,88 -140 3,14 -150 3,68 -160

13.1 7,10 -166 6,62 -160 2,62 -110 5,98 -140 6,13 -150

13.2 3,77 -140 3,19 -108 2,33 -55 3,98 -153 4,21 -185

14.2 1,90 -60 3,11 -91 0,52 -37 3,14 -94 3,97 -124

14.4 0,65 -28 1,56 -90 2,16 -100 2,33 -130 2,57 -150

14.5 1,09 -51 1,49 -80 1,91 -100 2,37 ! -125 2,52 -130

К.Ш III III II III III

Примечание: К.Ш. - категория шахт по СКь Г.О. - глубинная отметка, м

Зависимости между параметрами метаноносности и глубинами пластов на шахте Хечам определялись на основании данных о результатах оценок метаноносности угля в угольных пластах для различных этапов горных работ с учётом изменения метаноносности с глубиной. На основании установленных зависимостей возможна оценка изменения метаноносности в функции рассматриваемых глубин разработки. Например, для угольного пласта 13.1 (Таблица 4 и Рисунок 11). А изменение метаноносности с глубиной пластов шахты Хечам представлена на рисунке 12.

Таблица 4 - Результаты данных о метаноносности в угольном пласте 13.1

№ Глубинная отметка, м Метаноносность, м /Тс.б.м Результаты оценки метаноносности, м3/Тс бм

1 -110 2,623

2 -140 5,975

3 -150 6,131

4 -160 6,622

5 -166 7,100

6 -200 8,308

7 -250 8,949

8 -300 9,810

Метаноносность, М7Тс.б.м 2 3 4 5 6 7 8

О 1

Метаноносность, М^.б.м 2 3 4 5 6 7

-50

¡-100 5 Ю

I

-15СЯ

-200

------- -------

у = -2,423х1+ 10,62х £ = 0,980 - 121,0

2,623 """"""4-4,97! 6,13.

6,622 ф 7,100

-20

-60

<J в я

VO

ъ

-140

-180

у - - ,1 .. -51.41п(х)-6 R2= 0,588 7.40

♦

\ ♦ , ♦

>

♦

V

-

♦ ♦ ,

♦ J- 4

Рисунок 11 - График оценки метаноносности в угольном пласте 13.1

Рисунок 12 - График оценки изменения метаноносности с глубиной (для всех пластов шахты Хечам) Примечание: «у» - глубина (м); «х» - метаноносность (м3/Тс6 м)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. На основе обобщения результатов анализа метаноносности установлена закономерность ее изменения с ростом глубины

залегания угольных пластов с учётом достаточно чёткой дифференциации данного параметра по регионам добычи и конкретным пластам.

2. Разработана и реализована в работе методика выбора технологических схем и их параметров применительно к каптажу метана из надрабатываемых углевмещающих массивов.

3. Обоснованы размеры и расположение областей эффетивного каптажа метана из надрабатываемого массива с учетом влияния параметров технологических схем добычи угля.

4. Предложены зависимости для расчета дебита скважины с учетом напряженно-деформированного состояния надработанного массива и его коллекторских свойств для характерных зон выемочного столба.

5. Разработаны технологические схемы каптажа метана из надрабатываемого массива с учётом оценки дебита скважин и радиуса их фильтрационного влияния.

6. Обоснованы принципы и конкретная схема управления каптажной системой применительно к надрабатываемому углевмещающему массиву в пространственно-временном аспекте, включающем: регламентацию места и времени бурения газозаборных скважин, времени их подключения и отключения от газозаборных ставов.

7. Разработан и использован при формировании рациональных технологических схем каптажа метана из надрабатываемых углесодержащих толщ классификационный параметр n'Lj„ позволяющий разрабатывать технологические схемы с учётом временного фактора.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Буй, В.Х. Метаноопасность на шахтах Вьетнама и мероприятия по её предупреждению / В.Х. Буй // Горно-информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №2. - С. 243-246.

2. Ковалев, О.В. Принципы построения эффективных схем дегазации метана при надработке пластов с учетом горногеомеханического фактора / О.В. Ковалев, В.Х. Буй // Горноинформационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №2. -С. 247-249.

3. Буй, В.Х. Определение необходимости дегазации метана в шахте Хечам во Вьетнаме / В.Х. Буй, О.В. Ковалёв // Сборник докладов конференции «Проблемы аэрогазодинамики, промышленной безопасности и охраны труда на горных предприятиях». Воркута. - 2013. - С. 275-278.

РИЦ Горного университета. 24.07.2015. 3.663. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015674799

2015674799