CC BY
29
УДК 622.232.72:534.232:622.411.33 © М.В. Павленко, М.П. Хайдина, Д.А. Кузиев, Д. Пихторинский, А.З. Муратов, 2019
Факторы воздействия комбайна при добыче угля на увеличение метаноотдачи массива в рабочее пространство лавы
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-8-11
ПАВЛЕНКО Михаил Васильевич
Канд. техн. наук,
доцент кафедры БЭГП
Горного Института НИТУ «МИСиС»,
119049, г. Москва, Россия,
тел.: +7 (915) 207-05-57,
e-mail: [email protected]
ХАЙДИНА Мария Павловна
Канд. техн. наук,
доцент кафедры РЭГиГКМ
РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина,
119991, г. Москва, Россия,
e-mail: [email protected]
КУЗИЕВ Дильшат Алишерович
Канд. техн. наук, доцент кафедры ГОТиМ Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
В статье рассматривается применение колебательных воздействий на низкопроницаемый угольный пласт в процессе разрушения угольного массива комбайном с целью увеличения искусственных систем трещин, что в конечном итоге способствует увеличению извлечения газа из твердого тела. Метод вибрационного воздействия апробирован на подземных выработках в угольном пласте шахты и является новым и эффективным способом создания новых систем газопроводящих газовых трещин. Подтверждается возможность применения угледобывающего комбайна для повышения газоотдающей поверхности и увеличения проницаемости низкопроницаемого угольного массива, вибрационное воздействие в угольном массиве в области резонансных частот при работе угольного комбайна с целью формирования предельных разрушающих напряжений в газоносном угольном пласте и создания обширной и равномерной зоны искусственных трещин в массиве.
Ключевые слова: вибрация, трещины, метан, способ, воздействие, комбайн, массив.
ПИХТОРИНСКИЙ Денис
Аспирант кафедры ГОТиМ Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
МУРАТОВ Айбулат Зайнуллович
Аспирант кафедры ГОТиМ Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
ВВЕДЕНИЕ
При работе угольного комбайна появляется вибрация, обусловленная механическим соударением резцов об угольный массив и разрушением угольных блоков режущими зубками комбайна. Рассмотрим вибрационное воздействие, которое возникает в процессе разрушения угля комбайном [1, 2]. При этом количество выделившегося метана в процессе вибровоздействия при соударении зубков о пласт при разрушении угля существенно увеличивается. Повышение содержания метана в атмосфере рабочего пространства вблизи угольного комбайна можно объяснить приростом величины содержания его за счет дополнительного увеличения газоотдающей поверхности и переходом этого дополнительного объема метана в свободное состояние, выделяющегося в атмосферу горной выработки в процессе вибровоздействия на угольный массив [3, 4, 5].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Скорость перемещения отечественных выемочных комбайнов при отбойке угля с сопротивляемостью резанию А = 100 кН/м не превышает 4,6 м/мин у широко применяемого комбайна типа 2К-52 и 4,2 м/мин у комбайна типа 2КШ-3, при этом максимальная глубина серповидного реза соответственно равна 4,5 и 4,9 см [6].
При сопротивляемости резанию 300 кН/м скорость подачи названных комбайнов составляет всего 1,5 и
1.4 м/мин, а максимальная глубина серповидного реза -
1.5 и 1,8 см соответственно.
Увеличение глубины резания пласта резцами добычного комбайна будет сопровождаться изменением частотных характеристик вибровоздействия. При количестве резцов, а их насчитывается 45 ед. на шнеке 2КШ-3, только половина из них постоянно участвует в разрушении угля (n = 22,5).
п '
Известно, что скорость подачи очистного комбайна со шнековым исполнительным органом может быть выражена зависимостью [6]:
V = h • n • n, м/мин, (1)
n м ш 1 ^
где пш - скорость вращения шнека, мин-1; n1 - количество резцов в одной линии резания.
Потенциальная производительность комбайна может определяться по формуле А.В. Топчиева и В.И. Солода [5]:
Q = Vn х m х В, м/мин, (2)
где Q - теоретическая производительность комбайна; Vn - скорость подачи комбайна при отбойке угля, м/мин; В - ширина захвата комбайна, м; m - вынимаемая мощность пласта угля, м; g - объемный вес угля в массиве, т/м.
Метановыделение из угольного массива при разрушении его комбайном можно описать математически [7, 8], при этом выделить как отдельный процесс метановыделе-ния при вибровоздействии в процессе разрушения угольного массива при работе комбайна при добыче.
Резание угля носит циклический характер, а именно, скалывание, дробление и переизмельчение массива [9, 10].
Цикл разрушения угольного массива комбайном можно рассматривать как последовательность этапов:
- при движении резца по угольному массиву его усилие частично передается на угольный массив, и происходит его разрушение (см. рисунок);
- параллельно в процессе работы и разрушения угля режущими зубками комбайна наблюдается вибрация. Увеличение частоты соударения зубков ведет к увеличению частоты вибрации передаваемой в массив угольного пласта. Вследствие многократных ударов резца об угольный забой наступает процесс увеличения метано-выделения. Это связано с тем, что дополнительный объем метана выделяется при внесении дополнительной энергии вибровоздействия на систему «уголь+метан» с последующим разделением ее на составляющие уголь и метан [5, 11].
Метановыделение на выемочном участке определяют по производительности комбайна очистного забоя, полезной мощности и природной метаноносности разрабатываемого пласта, мощности угольного массива и ме-таноносности сближенных пластов угля, расположенных в кровле и почве разрабатываемого пласта, оно может определяться по формуле [6]:
1уч = Д*пл (1 - Ке ) - X,] +
Л
1440
^ (хс.п - х'.п ) •
1-
М,
M„
p /
(3)
где I - метановыделение на выемочном участке, м3/мин; ] - производительность угледобывающей техники в очистном забое, т/мин; хпл - метаноносность разрабатываемого пласта, м3/т с.б.м.; ке - степень естественной дегазации разрабатываемого пласта, доли ед.; х1 - остаточная метаноносность отбитого в забое угля на выходе из выемочного участка, м3/т с.б.м.; Ас - добыча угля в очистном забое, т/сут.; т. - мощность /-го сближенного пласта в зоне влияния очистного забоя, м; тв - вынимаемая мощность разрабатываемого пласта, м; хсп - метаноносность /-го сближенного угольного пласта, м3/т с.б.м.; х - X - метано' с.п с.п
носность /-го сближенного угольного пласта после естественной его дегазации, м3/т с.б.м.; М. - расстояние от раз-
в
Кровля пласта
Процесс разрушения угольного пласта исполнительным органом комбайна:! - зубки передней части исполнительного органа комбайна, находящиеся в контакте с угольным пластом; 2 - поверхность угольногопласта, разрушаемая зубками комбайна; 3 - зубки комбайна,не находящиесяв контакте с угольным забоем
Fig. The process of destruction of coal seam by executive body of combine: 1 - the teeth of the front part of the executive body of the combine which are in contact with the coal seam; 2 - surface of the coal seam destructee by teeth of combine; 3 - combine teeth which are not in contact with the coal face
Основные технические параметры комбайна
Диаметр исполнительных органов, мм 800-1400
Максимальная производительность при сопротивлении угля резанию 360 кН/м, т/ч 1200
Обороты исполнительного органа, об/мин-1 47-60
Скорость подачи комбайна, м/мин 0-11,5
Мощность эл. двигателей, кВт:
- рабочие 2x250
- передвижки 2x30
- общая 567,5
рабатываемого пласта до /'-го сближенного пласта угля, м; Мр - предельное расстояние разгружающего действия очистного забоя в кровле/почве пласта, м; I - метано-
1 ' ' пор
выделение из пород, м3/мин.
Однако при этом расчете не учитывается то, что идет интенсификация выделения метана из толщи угля ввиду вибрационного воздействия на него и звукового фактора, как от работы самого комбайна, так и от соударения резцов об угольный забой.
При резании рабочим резцом комбайна возникают высокие контактные напряжения, образуя механическое воздействие на массив угля с появлением вибрационного эффекта в пласте. Резец воздействует лишь на часть угольного массива, расположенную по линии резания угольного массива. При этом энергия, подводимая к резцу, расходуется на скалывание, дробление угля и развитие трещин в массиве дальше линии контакта с забоем. Однако последние (1969 г.) исследования, проведенные проф. А.Г. Фроловым и другими учеными ИГД им. А.А. Скочин-ского, показывают, что энергия, передаваемая резцу, расходуется не только в верхней зоне, но и почти в такой же мере и в нижней зоне контакта с забоем пласта. Энергия здесь затрачивается на образование новых систем трещин, при этом в массиве распространяется интенсивная звуковая и механическая вибрация.
Резцы выемочных машин отбивают стружку угля от пласта в результате непрерывного статического и динамического воздействий - в этот момент и возникает вибрация в угольном массиве.
Увеличивается поверхность обнажения угольного пласта как по мощности, так и на глубину захвата. Разрушение угля осуществляется, как правило, радиальными или тангенциальными резцами. Основная площадь режущей части резца в контакте с массивом угля при определенных частотах испытывает резонанс в пласте, который сопровождается непрерывным колебанием отдельных блоков угля. По мере увеличения скорости движения комбайна напряжение впереди разрушаемого угольного массива на участке контакта резца с забоем угля возрастает. При этом сила, необходимая для переизмельчения уже отбитого угля, снижается.
По мере движения комбайна увеличиваются вибрационное воздействие и влияние акустического сигнала на массив, что существенно вносит свой вклад в разделение системы «уголь+метан». Это является одним из основных источников интенсификации метаноотдачи, который образуется в процессе непрерывного трещинообразования в угольном массиве.
На основании длительных наблюдений среднее математическое ожидание объема выделяемого метана из обна-
женной поверхности угольного пласта в лаве обычно составляет 4,2-5,1 м3/мин.
Количество выделившегося метана из угля, который разрушается в процессе добычи комбайном, может быть описано следующей формулой:
V = V ■ (V ± D ), (4)
ду к 4 дк ду7'
где V - объем выделения метана из добываемого угля (м3/ мин); Vk - скорость движения комбайна, м/мин; V - объем выделения метана из добываемого угля при движении комбайна со скоростью 1 м/мин (м3/мин-м); Dду - дисперсия объема выделения метана из добываемого угля, м3/мин.
С учетом технических характеристик комбайна, а также опытным путем получены следующие значения выделения метана при добыче угля:
- скорость движения комбайна - 1-10 м/мин;
- объем выделения метана из добываемого угля при движении комбайна со скоростью 1 м/мин - 0,65 м3;
- дисперсия объема выделения метана из добываемого угля - 0,07 м3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из проведенных исследований установлено [5, 6], что метановыделение из отбитого угля, с точки зрения фундаментальных законов метаноотдачи, представляет собой процесс метаноотдачи из угольного массива, обусловленный волновым и механическим воздействием на уголь.
Таким образом, наличие вибрации в процессе разрушения резцами комбайна угольного массива приводит к значительному вкладу в общий баланс метановыделе-ния в рабочее пространство лавы, так как это стимулирует увеличение газоотдачи из вновь образовавшихся разрушенных угольных блоков.
Список литературы
1. An improved model of gas flow in coal based on the effect of penetration and diffusion / J.P. Wei, H.L. Wang, D.K. Wang, B.H. Yao // Journal of China University of Mining & Technology. 2016. Vol. 45. N 5. Рр. 873-878.
2. Effect of protective coal seam mining and gas extraction on gas transport in a coal seam / B. Yao, Q. Ma, J. Wei, J. Ma, D. Cai // International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Vol. 26. N 4. Рр. 637-643.
3. Rock burst monitoring by integrated microseismic and electromagnetic radiation methods / X.L. Li, E.Y. Wang, Z.H. Li, Z.T. Liu, D.Z. Song, L.M. Qiu // Rock Mechanics & Rock Engineering. 2016. Vol. 49. N 11. Рр. 4393-4406.
4. State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China / Y.-D. Jiang, Y.-S. Pan, F.-X. Jiang, L.-M. Dou, Y. Ju // Journal of the China Coal Society. 2015. Vol. 39. N 2. Pp. 205-213. (Chinese).
5. Павленко М.В. Управление процессом метаноотда-чи из низкопроницаемого угольного пласта на основе вибрационного воздействия // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 7. С. 306-312.
6. Машины и оборудование подземных горных работ: Учебно-методический комплекс / Сост. Д.А. Юнгмейстер. СПб.: СПГГУ, 2017. 117 с.
7. Mohammadi Azizabadi HR, Mansouri H., Fouche O. Coupling of two methods, waveform superposition and numerical, to model blast vibration effect on slope stability in jointed rock masses // Computers and Geotechnic. 2014. Рр. 40-42.
8. Enhance hydraulic fractured coalbed methane recovery by thermal stimulation / H. Wang, H. Merry, G. Amorer, B. Kong. In Proceedings of the SPE/CSUR Unconventional Resources Conference on Society of Petroleum Engineers. SPE 175927. Muscat. Oman. January 2015.
9. Ayunov D.E., Permyakov M.E., Yushin V.I. Seismothermal Effect in Operation of Vibro-Source on Bystrovsk Test Ground, Proc. 8th Int. Cong. GEO-Sibir-2012. Vol. 3. Novosibirsk: SGGA, 2013.
10. Saadat M., Khandelwal M., Monjezi M. An ANN-based approach to predict blast-induced ground vibration of Gol-E-Gohar iron ore mine, Iran // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2014. P. 67-76.
11. Yushin V.I., Ayunov D.E. Thermal Effect in Soil under Vibration Impact, Proc. Int. Conf. Geo-Sibir-2014, Vol. 3, Novosibirsk: SGGA, 2014.
UNDERGROUND MINING
UDC 622.232.72:534.232:622.411.33 © M.V. Pavlenko, M.P. Khaidina, D.A. Kuziev, D. Pihtorinskiy, A.Z. Muratov, 2019 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 4, pp. 8-11
Title
IMPACTS OF THE COMBINE HARVESTER IN THE PRODUCTION
OF COAL TO INCREASE METHANE RECOVERY ARRAY IN THE wORKSPACE LAVA
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-8-11
Authors
Pavlenko M.V.', Khaidina M.P.2, Kuziev D.A.1, Pihtorinskiy D.1, Muratov A.Z.'
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
2 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University), Moscow, 119991, Russian Federation
Authors' Information
Pavlenko M.V., PhD (Engineering), Associate Professor of department of Mining Institute, tel.: +7 (915) 207-05-57, e-mail: [email protected] Khaidina M.P., PhD (Engineering), Associate Professor of department, e-mail: [email protected]
Kuziev D.A., PhD (Engineering), Associate Professor of department of Mining Institute
Pihtorinskiy D., Graduate student of department of Mining institute Муратов А.З., Graduate student of department of Mining institute
Abstract
The paper deals with the application of vibrational effects on the low-permeable coal formation in the process of coal mine destruction by combine in order to increase the artificial crack systems, which ultimately contributes to the increase of gas extraction from the solid. The method of vibration impact is tested on underground workings in the coal mine and is a new and effective way to create new systems of gas-conducting gas cracks. The possibility of using a coal-mining combine to increase the gas-yielding surface and increase the permeability of low-permeable coal mass is confirmed. Vibration impact in the coal massif in the area of resonant frequencies during the coal combine operation in order to form the ultimate destructive stresses in the gas-bearing coal seam and create a vast and uniform zone of artificial cracks in the massif. Figures:
Fig. The process of destruction of coal seam by executive body of combine: 1 - the teeth of the front part of the executive body of the combine which are in con tact with the coal seam; 2 - surface of the coal seam destructee by teeth of combine; 3 - combine teeth which are not in contact with the coal face
Keywords
Vibration, Cracks, Methane, Method, Effect, Combine, Array, Increase. References
1. Wei J.P., Wang H.L., Wang D.K. & Yao B.H. An improved model of gas flow in coal based on the effect of penetration and diffusion. Journal of China University of Mining & Technology, 2016, Vol. 45(5), pp. 873-878.
2. Yao B., Ma Q., Wei J., Ma J. & Cai D. Effect of protective coal seam mining and gas extraction on gas transport in a coal seam. International Journal of Mining Science and Technology, 2016, Vol. 26(4), pp. 637-643.
3. Li X.L., Wang E.Y., Li Z.H., Liu Z.T., Song D.Z. & Qiu L.M. Rock burst monitoring by integrated microseismic and electromagnetic radiation methods. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, Vol. 49(11), pp. 4393-4406.
4. Jiang Y.-D., Pan Y.-S., Jiang F.-X., Dou L.-M. & Ju Y. State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China. Journal of the China Coal Society, 2015, Vol. 39(2), pp. 205-213. (Chinese).
5. Pavlenko M.V. Upravleniye protsessom metanootdachi iz nizkopronitsaye-mogo ugol'nogo plasta na osnove vibratsionnogo vozdeystviya [Managing the process of methane recovery from a low-permeable coal seam on the basis of vibration exposure]. Gornyi Informatsionno-Analiticheskiy Byul-leten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2016, No. 7, pp. 306-312.
6. Jungmeister D.A. Mashiny i oborudovaniye podzemnykh gornykh rabot: Uchebno-metodicheskiy kompleks [Machinery and equipment for underground mining: Teaching complex]. Saint-Petersburg, SPGGU Publ., 2017, 117 p.
7. Mohammadi Azizabadi HR, Mansouri H. & Fouche O. Coupling of two methods, waveform superposition and numerical, to model blast vibration effect on slope stability in jointed rock masses. Computers and Geotechnic, 2014, pp. 42-40.
8. Wang H., Merry H., Amorer G. & Kong B. Enhance hydraulic fractured coalbed methane recovery by thermal stimulation. In Proceedings of the SPE/CSUR Unconventional Resources Conference on Society of Petroleum Engineers. SPE 175927. Muscat, Oman, January 2015.
9. Ayunov D.E., Permyakov M.E. & Yushin V.I. Seismothermal Effect in Operation of Vibro-Source on Bystrovsk Test Ground, Proc. 8th Int. Cong. GEO-Sibir-2012, Vol. 3, Novosibirsk, SGGA, 2013.
10. Saadat M., Khandelwal M. & Monjezi M. An ANN-based approach to predict blast-induced ground vibration of Gol-E-Gohar iron ore mine, Iran. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2014, pp. 67-76.
11. Yushin V.I. & Ayunov D.E. Thermal Effect in Soil under Vibration Impact, Proc. Int. Conf. Geo-Sibir-2014, Vol. 3, Novosibirsk, SGGA, 2014.
