CC BY
62
ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОТЕХНОЛОГИИ
УДК 622.817.4
И.А. Поздеев
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» ООО «Шахта «Есаульская»
АНАЛИЗ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ
В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
Стратегия развития угольной отрасли неразрывно связана с увеличением нагрузок на подземные очистные забои и проектированием выемочных участков мощностью не менее 2 -3 млн. т угля в год. Однако техническое перевооружение, ориентированное на высокопроизводительную технику, с одновременным увеличением глубины ведения горных работ вызвали значительный рост метановыделения в горные выработки шахт. В этих условиях безопасная отработка метаноносных пластов угля выполнима лишь при использовании эффективных методов управления газовыделением на выемочных участках [1 - 3, 5].
Существующие способы управления мета-новыделением можно разделить на три основные группы: горнотехнические, средствами вентиляции, дегазация. В первом случае управление газовыделением осуществляется за счет изменения параметров системы разработки, порядка отработки пластов в свите, управления горным давлением. Эти способы в ряде случаев являются высокоэффективными, но жесткая связь с технологией не позволяет осуществлять оперативное управление газовыделением. При использовании этих способов необходимы большие трудовые и экономические затраты, сопоставляемые с затратами на реконструкцию, а продолжительность перехода от одного способа к другому может достигать нескольких лет [2].
В настоящее время одним из основных методов борьбы со скоплением метана является вентиляция шахт. Это выражается в том, что ее доля в удалении газа из шахты редко бывает менее 70 - 75 % даже при самом усиленном применении дегазации. Управление газовыделением вентиляцией основывается на выборе рациональных схем проветривания выемочных участков, регулировании утечек воздуха через выработанное пространство, а также применении изолированного отвода метановоздушных смесей по специальным выработкам [1, 2, 6].
Вследствие увеличения глубины ведения горных работ вентиляция как основной способ
борьбы с газовыделением имеет определенные ограничения. Анализ возможных путей интенсификации горных работ и практика применения в различных горно-геологических условиях свидетельствуют, что наиболее эффективным является борьба с газом средствами дегазации.
Опыт дегазации в угольных бассейнах России показал, что применение этого активного способа управления газовыделением способствует созданию безопасных условий труда в угольных шахтах. Основным способом дегазации источников метановыделения являются дегазационные скважины, пробуренные веером, параллельно или навстречу движения очистного забоя, а также в купола обрушения выработанного пространства и пласты-спутники [1, 7, 8, 4, 5]. На эффективность работы дегазационных скважин большое влияние оказывает напряженно-деформированное состояние массива разрабатываемого пласта. На рис. 1 показаны участки различного напряженного состояния пласта 1 - 5, изменение вертикальной составляющей ау горного давления, на участках пласта 1' - 5' и на кромке пласта, вскрытого скважиной 1'с - 2'с - 3'с - 5', а также качественное изменение газовыделения g в скважину, пробуренную в плоскости пласта, от времени ^ и расстояния L.
Видно, что на газовыделение в скважину большое влияние оказывает опорное давление, возникающее в результате перераспределения напряженного состояния горных пород. Под влиянием опорного горного давления снижается пористость пласта и ухудшаются условия для миграции флюидов газа к дегазационной скважине, что приводит к снижению эффективности дегазации [1, 9]. При значениях горного давления, превышающих прочностные свойства угля, происходит образование систем трещин в горном массиве, которые создают условия для ламинарного движения флюидов газа, что является причиной повышения каптажа метана дегазационной скважиной.
Для эффективного прогнозирования дебита метана в дегазационных скважинах необходимо
Рис. 1. Газовыделение в дегазационную скважину 1" - 5", функционирующую в зонах пласта с различным напряженным
состоянием массива 1" - 5'' [1]
прогнозировать параметры опорного давления, которые зависят от глубины ведения горных работ, мощности угольного пласта и физико-механических свойств угля.
Дегазация источников метановыделения осуществляется в соответствии с действующими «Инструкциями по дегазации угольных шахт» [10].
На основании анализа имеющегося опыта дегазации источников метановыделения и научных исследований можно сделать выводы о том, что теоретические основы закономерности формирования зон газодинамических явлений в массивах горных пород в зоне опорного давления не разработаны до уровня практического применения.
В результате отработки угольного пласта нарушается метастабильное состояние пластов-спутников и вмещающих пород. Образуются системы трещин, по которым флюиды мигрируют в выработанное пространство очистного забоя и прилегающие к нему горные выработки [7]. Согласно модели газовыделения, начало увеличения выделения газа в скважину соответствует началу разгрузки пласта от горного давления, а максимальное газовыделение наблюдается в разгруженной зоне. При дегазации пластов-спутников важно правильно определить зону повышенного газовыделения, которая зависит от горно-геологических и горнотехнических факторов [1, 4].
Комплексными исследованиями установлено, что взаимосвязь между снижением давления метана в подрабатываемых пластах и ростом интенсивности газоотдачи в скважины (рис. 2) в значительной степени зависит от мощности пород между пластами [1, 4].
Полученные результаты наблюдений за смещениями пород в районе сближенных пластов и газовыделением из них позволяют утверждать, что максимальное газовыделение из скважин и максимальная разгрузка сближенных пластов происходят примерно в одно и то же время после их подработки или надработки. Одним из основных факторов, определяющих зону активной газоотдачи соседних пластов, является величина шага обрушения вмещающих породных толщ. Наличие в над- или подрабатываемом массиве крепких пород способствует увеличению протяженности зоны активного газовыделения и, наоборот, наличие легко обрушающихся пород сокращает размеры зоны [4, 5].
Известные модели описывают газодинамические процессы в разрабатываемом пласте и пластах-спутниках при равномерном движении очистного забоя, но практически не изучена закономерность формирования газового коллектора от скорости движения очистного забоя.
Нарушение метастабильного состояния насыщенного газом углепородного массива в зоне сдвижения отрабатываемого, подрабатываемых и надрабатываемых пластов является основной предпосылкой для создания комплексной системы управления газодинамическими и геомеханическими процессами [11].
На рис. 3 - 5 представлены пространственно-временные модели выделения метана из отрабатываемого пласта и пластов-спутников, отражающие характер формирования газового коллектора. Видно, что модели форм газовых коллекторов по разработанным алгоритмам Б.Г. Тарасова, В.А. Колмакова, Ю.П. Ванжи и других авторов имеют различия, что свидетельствует о недостаточной изученности зако-
Рис. 2. Графики зависимостей динамики газового давления (-о-), газоотдачи q (-•-) и оседания пород (- х -) от опережения забоя х при подработке пологих угольных пластов на шахте Воркутского месторождения: а - при разработке пласта Первый; б - при разработке пласта Четвертый [4]
номерностей формирования газового коллектора выработанного пространства. И в большинстве случаев газопроницаемость углепо-родной толщи и пути миграции метановоз-душной смеси изучены при равномерном дви-
жении очистного забоя или его длительной остановки.
По результатам проведенного анализа имеющегося опыта управления метановоз-душной смесью в зоне влияния очистных работ обоснованы следующие выводы.
Рис. 3. Схемы к определению параметров зоны разгрузки (а) и газовыделения (б) в подработанном массиве: 1 - 2 - зона обрушенных пород; 1 - 5 - зона полной разгрузки пород; 4 - 5 - зона смещений пород; 1 - 7- глубина горных работ; 6 - 7 - зона газового выветривания; 3 - 8 - зона газового истощения толщи по простиранию; 9 - 10 - зона газоотдачи пласта-спутника по падению; 11, 14 - газовое давление в пласте-спутнике; 12, 15 - газопроницаемость пласта-спутника;
13, 16 - сопротивление пласта-спутника движению газа [12]
Выводы. Необходимо изучить закономерности аэро- газодинамических процессов в массивах горных пород, горных выработках и выработанных пространств, а также закономерности обрушения и разгрузки пород подработанной толщи и их влияние на эффективную работу очистных комплексно-механизированных забоев (КМЗ) при их неравномерном движении. Необходимо установить закономерности формирования газового коллектора в выработанном
пространстве при отработке свиты пластов с учетом цикличности обрушения пород кровли при условиях неравномерной скорости движения очистного забоя. Для выбора оптимальных технологических параметров выемочного участка и режимов движения очистного КМЗ необходимо разработать методику прогноза миграции метановоздушной смеси при неравномерном движении очистного забоя.
400 425 450
600
800
L,M
Рис. 4. Характер формирования зон дегазации при различном положении очистного забоя: 1, 2, 3, 4, 5 - положение забоя; I, II, III, IV, V- контур зоны дегазации [3]
Н, м 270
128
60
L, м
Рис. 5. Схема изменения зоны активной фильтрации во времени [3]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов: Справочное пособие / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, В.С. За-бурдяев и др. - М.: Горная книга, 2010. -500 с.
2. П у ч к о в Л.А., С л а с т у н о в С.В., К о-л и к о в К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2002. - 383 с.
3. В а н ж а Ю.П. Прогнозирование газовыделения и управление газопылевоздушной средой в шахтах. - Томск: Изд-во Томского университета, 1995. - 147 с.
4. А й р у н и А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. - М.: Недра, 1981. - 335 с.
5. М о р е в А.М., Е в с е е в И.И. Дегазация сближенных пластов. - М.: Недра, 1975. -168 с.
6. М я с н и к о в А.А., К о л о т о в к и н Л.Д. Борьба с газом в очистных выработках шахт. - Кемерово: Кемеровское кн. изд-во, 1975. -108 с.
7. Дегазация метаноносных угольных пластов и вмещающих пород на шахтах Кузбасса. История. Действительность. Будущее: Монография / А.В. Ремезов, В.Г. Ха-
ритонов, А.И. Жаров и др. - Кемерово: изд. КузГТУ, 2012. - 848 с.
8. Дегазация угольных пластов на шахтах Кузбасса: Брошюра / Светлаков Ю., Розанцев Е., Умрихин А. и др. - Кемерово: Кемеровское кн. изд-во, 1966. - 113 с.
9. С е р г е е в И.В., Х о д ы к и н В.П. Закономерности газовыделения в дегазационные пластовые скважины // Рудничная аэрология: Сб. науч. трудов. Вып. 115. - М.: Изд-во ИГД им. А.А. Скочинского, 1974. С. 3 - 6.
10. Инструкция по дегазации угольных шахт. Утверждена Ростехнадзором 01.12.2011. -М., 2011. - 226 с.
11. Ф р я н о в ВН., П а в л о в а Л.Д., Н о-г и х С.Р. Модель дезинтеграции углепо-родного массива и формирования газового коллектора в зоне сдвижения // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2007. С. 21 - 28.
12. К о л п а к о в В.А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. - М.: Недра, 1981.134 с.
© 2013 г. И.А. Поздеев Поступила 3 декабря 2013 г.
