CC BY
28
УДК 622.831.242:622.411:533.17
М.В. Шинкевич (младший научный сотрудник УРАН Институт угля и углехимии СО РАН)
Расчеты параметров метановыделения при отработке пласта высокопроизводительным выемочным участком с учетом геомеханического процесса впереди очистного забоя
Статья посвящена вопросу, относящемуся к газовой безопасности при подземной разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию с полным обрушением кровли, и может быть использована для расчетов метанообильности очистного забоя.
Работа выполнена при финансовой поддержке по проекту РФФИ 10-05-98009р_сибирь_а. Ключевые слова: МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ, ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРАБАТЫВАЕМЫЙ ПЛАСТ
При отработке угольных пластов длинными очистными забоями геомеханические процессы во вмещающем массиве связаны не только с величиной отхода забоя от монтажной камеры, но и с его длиной. Горным опытом и научными исследованиями установлено, что при подходе очистного забоя к пластовой скважине на расстояние, близкое половине длины забоя, дебит метана из скважины увеличивается. Без разгрузки пласта от горного давления этот эффект невозможен. Известен и эффект перетока части метана из пласта в выработанное пространство, минуя призабойный объем. В условиях существенного снижения газопроницаемости пласта в направлении к обнаженной поверхности под действием горного давления указанная особенность газокинетического процесса может объясняться только формированием значительного давления газа впереди зоны опорного давления.
Движение очистного забоя приводит к периодическому изменению размеров зависающих консолей близлежащих слоев пород и их числа, участвующих в формировании опорного давления. Этот процесс сопровождается периодическим изменением положения и размеров этой зоны. Минимальное значение она имеет после обрушения пород основной кровли, а максимальное - перед ее обрушением. Это дает основание прогнозировать участки с максимальными напряжениями и заранее предпринимать меры по частичной нейтрализации негативных газокинетических следствий. В то же время многочисленными исследованиями установлено, что формирование консолей сопровождается поднятием слоев над пластом за зоной максимальных напряжений [1,2,3]. Известен принцип гармонического ряда, «волн Вебера», согласно которому с удалением от разрабатываемого пласта амплитуда волны снижается, а ее период возрастает [2].
Сдвижению горных пород по направлению к выработанному пространству предшествует восстановление их упругих деформаций. Даже при глубине залегания отрабатываемого пласта около 100 м и длине лавы 100 м инструментально установлено поднятие нижней части кровли даже в малопрочных породах (аргиллиты) на 3 см впереди забоя на 10-15 м [3]. Принимая форму прогиба кровли параболической, можно оценить размер зоны разгрузки отрабатываемого пласта от горного давления за зоной максимальных напряжений как близкий 20-30 м. Нетрудно предположить, что с ростом прочности пород кровли и глубины разработки этот эффект возрастает.
Таким образом, в процессе изменения напряженного состояния подрабатываемого массива его давление на угольный пласт непостоянно как во времени, так и с удалением от забоя, а в
определенные периоды оно снижается ниже литологической величины. С позиций настоящей работы, наиболее существенно, что на этом расстоянии (рисунок 1) пласт подвергается периодической разгрузке от горного давления («топтание пласта» [2]) , провоцирующей, как будет показано ниже, нарушение метастабильного состояния углеметановой среды. В этих пределах механическое давление на пласт имеет знакопеременный характер с соответствующими газокинетическими следствиями. Впереди этой зоны газокинетические свойства углеметанового пласта остаются равными природным, если рассматриваемая площадь выемочного столба находится вне влияния горных работ на смежных пластах.
2
1 - отрабатываемый пласт; 2 - очистной забой; 3 - эпюра горного давления
Рисунок 1 - Схема изменения горного давления впереди очистного забоя
Указанные особенности можно учесть, определив изменение горного давления впереди движущегося забоя на соответствующее расстояние по длине столба. При этом имеем следующее: в процессе разгрузки от горного давления углеметановый пласт теряет часть растворенного метана прямо пропорционально снижению нормальных напряжений [4] с возможностью соответствующего снижения общей метаноносности за счет фильтрации газа в выработку, но не ниже суммарной величины метаноемкости угля и удельного объема метана в поровом пространстве угля.
С учетом изложенных выше положений можем записать изменение вертикальных напряжений как в зоне опережающей разгрузки, так и на расстоянии до максимума опорного давления (рисунок 1). В призабойной части пласта вертикальные напряжения определим по известному алгоритму [5]. В зоне опережающей разгрузки за максимумом опорного давления напряжения определяем как
К ,г =°д,г + (К -Кд,г >
1 -
1
1 + к1 ехр
к 2 • (
(X - Хд >
-- кз>
2 О,5 • 1Л (1 - ехр(-а^Ср >> 3'
, МПа;
а =0,03// ¥+0,051, 1/ч,
где оц - напряжения, действующие в зоне опережающей разгрузки, МПа; од - действующие напряжения в пласте с учетом сводообразования над движущимся очистным забоем, МПа; оо - гео-статические напряжения, МПа; 1л - длина лавы по падению пласта, м; х - координата в глубину пласта по длине выемочного столба, м; хд - величина зоны напряженно-деформированного состояния пласта, м; tср - среднее время между циклами выемки угля в забое, ч; ки, к2,к3 -эмпирические коэффициенты, равные соответственно 3; 10,5; 0,6; а - реологический параметр, 1/ч; /- средневзвешенная крепость угля в зоне влияния свода опережающей разгрузки углепо-
родного массива.
Определим общее газосодержание в зоне опережающей разгрузки, используя полученные значения газового и горного давлений по длине столба. Следуя условиям существования твердых углегазовых растворов [4] и учитывая, что их распад раствора начинается при снижении напряжений, определим последние как сумму газового и литологического давлений.
Для аппроксимации геологоразведочных данных о газоносности пласта используем известную формулу Лэнгмюра с введением поправочной экспоненциальной функции с эмпирическим коэффициентом воб [6]. Тогда имеем следующие расчетные формулы:
- содержание сорбированного метана
а • е0’02'(15"^> • Вм • 3,5 • Рг1 • (1 - е~3’5вобР,г > 3
ГМ 7 с:,1 V у 3/
сорб. _ 2 •Х сор,о + 2 • Кп ' _3 5 в р . , м ;
1 + Вм • 3, 5 • Рг г • (1 - е 3 вобРг,г >
- газоносность пласта за зоной НДС
Г _ ( Х + А'В м •( Ргг+Кхг >(1 - е ^
РТеХ2' КП • -,"' [ + В^ (+СТ„И1 - е ^об ' Р“*“хг1>> , “ т'
- содержание растворенного метана
Г г Г м3/т
т.техн. р.техн. сорб. ’ ’
где 2 - коэффициент, учитывающий влияние влажности и зольности в газоносности пласта; Хсор,о -содержание сорбированного метана при атмосферном давлении, м3/т; кп - поправочный коэффициент; а - константа сорбции, м3/т; tпл - температура пласта, град; Вм - константа метаноемкости, 1/МПа; Рг,г - значение давления газа по длине столба, МПа; @об - коэффициент затухания; Хо,пр -остаточная газоносность угля, м3/т; А - предельная газоносность угля, м3/т; ох,г- величина горного давления, МПа.
Интенсивность перетока метана из отрабатываемого пласта в призабойную часть выработанного пространства определим из условия изменения газоносности за зоной Хд:
Т (Хпр - Г р,техн >• У з ’(1з - 21дег >• тп 'Ру 3.
I _-----£---------£----------------------------------, м3/мин,
пер 1440
где хпр - газоносность в нетронутом массиве, м3/т; Гр.техн - расчетная газоносность пласта за зоной НДС на удалении, равном суточному подвиганию забоя, м3/т; уз - скорость подвигания очистного забоя, м/сут; 1з -длина очистного забоя, м; 1дег - ширина дегазированной полосы пласта у штреков, м; тп - мощность пласта, м; ру - плотность угля, т/м3.
3,
X, М /т
Рисунок 2 - Структура газосодержания пласта в зоне опережающей разгрузки
Представленные результаты указывают на целесообразность количественной оценки динамики развития зоны сдвижений над движущимся забоем с целью уточнения параметров процессов в призабойной части пласта, подвергающейся переменным нагрузкам по мере движения забоя.
Распад углеметана в формируемой впереди очистного забоя зоне частичной разгрузки пласта изменяет структуру газоносности по формам существования метана в сторону роста содержания свободного и сорбированного газа. Следствием этого являются регистрируемые в горной практике переток метана из пласта в выработанное пространство через вмещающие породы, минуя призабойный объем; увеличение дебита пластовых дегазационных скважин при приближении к ним очистного забоя; рост газодинамической опасности при мощных труднообрушаемых кровлях.
Разработанный алгоритм расчета метановыделения из отрабатываемого пласта позволяет учитывать как горно-геологические, так и технологические условия разработки углеметанового месторождения длинными очистными забоями с полным обрушением кровли. Установленные особенности изменения структуры газового состояния углеметанового пласта указывают на достаточно быстрый переход метана из раствора в свободное и сорбированное состояния. Допуская даже, что свободный метан выделяется в забой практически полностью, наличие значительных количеств сорбированного газа все равно усугубляет газовую обстановку при работе комбайна. Естественным управляющим фактором может быть ритмичность подвигания забоя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Айзаксон, Э. Давление горных пород в шахтах / Э.Айзаксон. - М.: Госгортехиздат, 1961.
- 176 с.
2 Черняк, И.Л. Периодичность изменения напряженно-деформированного состояния массивов угля и пород впереди очистного забоя / И.Л.Черняк, В.Е. Зайденварг // Горный журнал. Известия высших учебных заведений. - 1993. - №3.- С. 25-28.
3 Канлыбаева, Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыбае-ва. - М.: Наука, 1968. - 108 с.
4 Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000. - 519 с.
5 Временное руководство по расчету первичного и последующего шагов обрушения пород
кровли при разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию в условиях Кузбасса. - Кемерово: ВостНИИ, 1973. -12 с.
6 Полевщиков, Г.Я. Физико-химическая основа внезапности динамических газопроявлений в угольных шахтах / Г.Я. Полевщиков, Т.А.Киряева // Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2004. - №8. - С.81-87.
METHANE EMISSION PARAMETERS CALCULATIONS AT WORKING THE SEAM WITH HIGH PRODUCTION EXTRACTION SECTION ACCOUNTING GEOMECHANICAL PROCESS AHEAD OF THE EXTRACTION FACE
M.V. Shinkevich
The article is devoted to the question concerning gas safety at coal seams underground working with long pillars along the seam strike with complete roof collapse, and it can be used for methane emission calculation of the extraction face.
The work is done with financial support for the project RFFI 10-05-98009r_sibir_a.
Key words: METHANE EMISSION, GEOMECHANICS, SEAM UNDER WORK
Шинкевич Максим Валериевич e-mail: gas [email protected]
