CC BY
9
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
■ М. С. Плаксин // M.S. Plaksin [email protected]
I канд. техн. наук, старший научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10
candidate of technical sciences, chief researcher of Coal and Coal Chemistry Federal Research Center Institute of Coal, Russian Academy of Sciences Siberian Branch, 10, Leningradsky Avenue, Kemerovo, 650065, Russia
УДК 622.831.322
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С ЦЕЛЬЮ УТОЧНЕНИЯ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ALGORITHM DEVELOPMENT FOR PREPARATORY WORKINGS METHANE INFLOW CALCULATION IN ORDER TO CLARIFY THE COAL SEAM GAS-DYNAMIC ACTIVITY CONTROL METHOD
Статья посвящена разработке алгоритма расчета квазистатической метанообильности подготовительных выработок.
Подвигание подготовительных выработок вызывает изменение газогеомеханического состояния в призабойной части угольного пласта, так как напряжения определяются суммой газового и геостатического давлений. От качества контроля этих изменений напрямую зависит безопасность ведения горных работ, особенно на высокогазоносных угольных пластах.
Учеными в области горного дела создано множество методов для контроля газовой и газодинамической опасности угольного пласта при проведении подготовительных выработок (метод текущего прогноза выбросоопасности), включая бесконтактные с забоем методы контроля и прогноза (геофизические). Представленный алгоритм способен дополнить основанные на анализе газокинетических характеристик угольных пластов методы, значительно повысив качество критериев их оценки.
На данный момент определение квазистатической метанообильности выполняется либо опытным путем по мере поступления информации при проведении выработки, что при постоянно меняющихся условиях проведения выполнить затруднительно, либо рассчитывается на этапе проектирования «единым значением» на всю выработку.
Отдельное внимание в статье уделяется моменту максимальных изменений напряжений при проведении подготовительной выработки (во время взятия заходки проходческим комбайном), так как именно этому моменту соответствует и максимальный газоприток в выработку. Разработанный алгоритм базируется на современных представлениях о содержании метана в угле и полуэмпирических зависимостях, описывающих геомеханическое состояние в приконтурной части пласта. Данный алгоритм позволяет рассчитывать метанообильность выработки в зависимости от горно-геологических и технологических условий проведения подготовительных выработок. The article is devoted to the algorithm development for the preparatory workings quasi-static methane inflow calculation.
Preparatory workings advance causes a change in the gas geomechanical state in the face area of the coal seam, since the stresses are determined by the sum of gas and geostatic pressures. The quality of control over
these changes directly affects the safety of mining operations, especially on high-gas-containing coal seams. Scientists in the field of mining have created a variety of methods for monitoring gas and gas dynamic danger of a coal seam during the preparatory opening heading (the method of the current forecast of sudden outburst hazard), including no face contact methods of control and forecasting (geophysical). The presented algorithm is able to supplement the methods based on the analysis of the coal seam gas-kinetic characteristics, significantly improving the quality of their evaluation criteria.
At the moment, the definition of quasi-static methane inflow is performed either experimentally as information becomes available during production, which, under constantly changing conditions, is difficult to perform, or is calculated at the design stage by a "single value" for the entire opening.
Special attention is paid in the article to the moment of maximum stress changes during preparatory work (during cutting a fresh layer by a heading combine), since this is the moment to which the maximum gas inflow into the opening also corresponds.
The developed algorithm is based on modern concepts of methane content in coal and semi-empirical dependencies, describing the geomechanical state in the near-boundary part of the seam. This algorithm allows calculating the methane inflow of the opening depending on the geological and technological conditions for carrying out preparatory openings.
Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, МОНИТОРИНГ
Key words: COAL SEAM, GAS DYNAMIC ACTIVITY, PREPARATORY OPENINGS, METHANE INFLOW, MONITORING
При ведении горных работ на угольных шахтах по высокогазоносным угольным пластам возможны динамические газопроявления различного уровня опасности, в том числе наиболее опасные - внезапные выбросы угля и газа 1]. Даже с учетом наблюдаемой тенденции автоматизации процессов по добыче угля и при полном отсутствии работников в призабойной зоне (дистанционное управление процессом) такие явления способны нанести существенный ущерб, вплоть до разрушения горношахтного оборудования и продолжительной остановки технологического процесса [2]. Поэтому создание и совершенствование методов и средств для бесконтактного с забоем мониторинга газодинамической обстановки при ведении горных работ является необходимым звеном в процессах внедрения высокотехнологичного горного оборудования.
Методы прогноза зон газодинамической опасности по трассе проведения подготовительной выработки отсутствуют, в отличии, например, от выемочных участков, где успешно применяются геофизические методы [3]. Для этих горнотехнологических объектов достаточно активно развиваются и методы прогноза ме-танообильности выемочного участка на основе современных систем рудничного мониторинга [4-6]. Но для горнопроходческих работ сохраняется значительное отставание в создании достаточно оперативных методов, что отрицательно сказывается на скоростях подвигания подготовительных выработок. В итоге темпы подвигания подготовительных забоев стали меньше темпов
очистных, и технологи вынуждены, далеко не всегда оправданно по газовому фактору, увеличивать длину очистных забоев.
В работе [7] представлен метод определения уровня газодинамической опасности, основанный на оценке показателя геоструктурной иерархии 8], устанавливаемого по формуле:
(I Л
п - 2,91п
1Ф
К^к J
(1)
где 1ф - регистрируемая метанообильность выработки, м3/мин; 1к - квазистатическая метано-обильность выработки (это метанообильность выработки при ее проведении вне зон влияния тектонических нарушений и повышенного горного давления при п = 0), м3/мин.
Как видно из выражения (1), показатель п основывается на данных фактической и квазистатической метанообильности. Определение квазистатической метанообильности выполняется опытным путем по мере поступления информации при проведении выработки, что в определенных условиях выполнить затруднительно, например, при постоянном изменении скоростей подвигания подготовительных выработок и (или) проведение выработок в сложных горно-геологических условиях. Повысить «надежность» метода можно, разработав алгоритм для расчета квазистатической метанообильности подготовительной выработки.
Максимальные изменения напряжений при проведении подготовительной выработки соответствуют моменту взятия заходки проходческим комбайном (рис. 1). Этому моменту со-
Рисунок 1 - Изменение метанообильности подготовительной выработки при взятии заходки комбайном Figure 1 - Preparatory opening methane inflow changing with another layer taken by a heading combine
ответствует и максимальный газоприток в выработку. Основные источники метановыделения при взятии заходки: отбиваемый уголь - наиболее динамичный источник при проведении подготовительной выработки - и метановыделение из угольного пласта из развивающейся неупругой зоны.
Метановыделение из угольного пласта На рисунке 2 представлена схема изменения напряженного состояния угольного пласта в приконтурной его части. Расчет механических напряжений в приконтурной части проводимой подготовительной выработки выполняется на основании полуэмпирических зависимостей, полученных Мурашевым В.И. [9].
Расстояние от кромки пласта до области максимальных напряжений на момент времени t после взятия заходки [9]:
г \
X fly — 2,2,5
1,44
Kv
-1
0,44
1_е ^ср
Д2)
;
где Хт - расстояние от кромки пласта до области максимальных напряжений, м; £ - сечение подготовительной выработки по углю, м2; Ку - напряжение у свежеобнаженной кромки забоя, МПа; а0 - геостатическое давление, МПа; а - реологический параметр, равный 0,08 1/ч; tcp- усредненное время между циклами, ч.
Напряжение у свежеобнаженной кромки
забоя через время г [31:
/ \
а3 =сг0
1,44
1 +
X
-0,44
m
(3)
2,25^
где аз - напряжение у свежеобнаженной кромки забоя через время t, МПа.
Напряжение в массиве на глубине х от кромки пласта 9]:
Рисунок 2 - Схема к оценке напряженно-деформированного состояния приконтурной части пласта (сечение по оси выработки): 1 - линия забоя; 2 - направление движения забоя;
3 - пласт угля; а, а, а0, - нормальные напряжения: на линии забоя, в зоне влияния выработки, вне зоны влияния выработки (геостатическое давление), соответственно, МПа; P . P, P. - давление газа в пла-
' ' ат I' 0
сте: на линии забоя, в зоне влияния выработки, вне зоны влияния выработки, соответственно, Мпа
Figure 2 - Scheme for the seam contour area part stressed-deformed condition evaluation (cross-section along the opening axis): 1 - the face line; 2 - face advance direction; 3 - coal seam; а, а, а0, - normal stresses: at the face line, in the area affected by the opening, outside of the opening affected area (geostatic pressure), correspondingly, Mpa; Рат, P, P0- gas pressure in the seam: at the face line, in the area affected by the opening, outside of the opening affected area, correspondingly, MPa
Рисунок 3 - Схема расчета изменений напряжений в приконтурной части подготовительной выработки (вид сверху):
--граница выработки;----изменение границы
выработки в результате взятия заходки;--граница
зоны неупругих деформаций в окрестности выработки; - - — изменение границы зоны неупругих деформаций в окрестности выработки в результате взятия заходки Figure 3 - Preparatory opening contour area stresses changing calculation scheme (top view):
--the opening boundaries;----the opening boundary
change as a result of a layer taken;
--inelastic deformation area boundary around the opening;
----change of inelastic deformation area boundary around
the opening as a result of a layer taken
<7д\<7д~(ТЗГ , (4) где о(х) - напряжение в массиве на глубине х от кромки пласта, МПа; х - глубина от кромки угольного пласта по нормали к плоскости его обнажения, м; в - коэффициент интенсивности нарастания напряжений в области влияния выработки впереди забоя, 1/м.
Геометрия зоны измененного напряженного состояния в приконтурной части пласта имеет вид, показанный на рисунке 3.
Зона, показанная на рисунке 3, для удобства расчетов представлена на рисунке 4 в виде 4-х основных участков.
Расчёты выполняются при подвигании забоя на одну заходку. Изменения напряжений на участках 1, 2 и 3 по ширине принимаются одинаковыми. Протяжённость участка 4 определяется релаксацией процессов в борту выработки, согласно [10] принимается равной подвиганию забоя за 5 суток.
Среднедействующее напряжение в рассматриваемых участках с учетом (3) и (4):
(5)
где а - среднедействующее напряжение в рассматриваемых участках, МПа; с - номер участка (рис. 4).
В первом приближении связь напряжений и газоносности в неупругой зоне пласта представлена в виде:
(6)
где Х(х) - газоносность угольного пласта на расстоянии х от кромки пласта, м3/т; Хг - природная газоносность угольного пласта, м3/т.
На рисунке 5 приведен график изменения газоносности по направлению подвигания забоя. Заштрихованная часть характеризует объем газа, выделившийся в результате подвигания.
Рисунок 4 - Схема, принятая для расчета изменений напряжений в приконтурной части подготовительной выработки (вид сверху): 1-4 - номера участков Figure 4 - Preparatory opening contour area stresses changing accepted calculating scheme (top view): 1-4 section numbers
Xt M3/T 16 ■
14 12 10
8 «
4
у
Ж
0.8 м Л'Зонл 2
г-с
f!h
///Зона 1 / / //////[//II
0 05 1 1 .S 2 X, м 3 -24 -- 244+O.Sm
Рисунок 5 - Суточное изменение газоносности в призабойной части пласта в результате взятия заходки проходческим комбайном: Зона 1 - газоносность разрушаемого комбайном угля;
Зона 2 - изменение газоносности пласта впереди забоя в результате подвигания забоя на глубину заходки Figure 5 - Face area part of the seam gas content daily change as a result of the layer taken by a heading combine: Zone 1 - Gas content of the coal crushed by the combine; Zone 2 - seam gas content change in front of the face as a result of the face advance to the depth of a layer
Объем газа, выделившегося при изменении напряжений на участке d:
где Qd - объем газа, выделившегося при изменении напряжений на участке d, м3; Xcpd - средняя газоносность участка d, рассчитывается по (5), м3/т; тВ - вынимаемая мощность пласта, м; b -ширина расчетной зоны, м; р - плотность угля, т/м3.
В выражения (6) и (7) вносится влияние давления внутрипластового газа на процесс газоистощения, основанного на изменении напряжений в зоне влияния выработки.
Давление внутрипластового газа:
С \
= ра
ат +
1
10,5
V
\ + Зе
—0,6
,(8)
/
где Р(х) - давление внутрипластового газа, МПа.
Согласно гипотезе твердого углегазового раствора 11] его распад начинается при снижении напряжений. Напряжения определяются как сумма газового и геостатического давлений.
Для аппроксимации геологоразведочных данных о газоносности пласта используется формула Лэнгмюра. Для обеспечения ^-образности зависимости вводится экспоненциальная функция с эмпирическим коэффициентом [6].
Распределение газоносности в зоне неупругих деформаций:
где г - коэффициент, учитывающий влияние влажности и зольности в газоносности пласта; К
' п
- поправочный коэффициент; вб - коэффициент затухания, 1/МПа; Х0г - остаточная газоносность угля определяется по нормативному документу [12], м3/т.
Метановыделение из отбитого угля Ожидаемый газоприток из отбиваемого угля с учетом предварительного расчета структуры газоносности угольного пласта и параметров скорости распада твердого углегазового раствора во времени [1, 4]:
где Q подгоу - ожидаемый газоприток из отбиваемого угля при проведении подготовительной выработки, м3; Хз - газоносность отбиваемой части пласта, м3/т; у - производительность проходческого комбайна, т/мин; Тв - время взятия заходки проходческим комбайном, мин; КТ =0,67 - доля газоносности, представленная твердым углегазовым раствором [13]; 8=0,63 и д2=0,22 - эмпирические коэффициенты распада твердого углегазового раствора; 1<к<2 - порядковый номер члена ряда; в =0,12, в2 =0,01 - коэффициенты затухания распада твердого углегазового раствора, 1/мин; t -время с момента начала отбойки угля, мин.
Общая метанообильность подготовительной выработки
Общий объем газа, выделившийся при подвигании забоя на одну заходку:
где Qoбщ - общий объем газа, выделившийся при подвигании забоя на одну заходку, м3; Q1 - объем выделившегося газа на участке 1 (рис. 4), м3; Q3 -объем выделившегося газа из призабойной зоны при взятии очередной заходки с учетом предварительной механической разгрузки на участке 2 (рис. 4 и 5), м3; Q4 - объем выделившегося газа на участке 4 (рис. 4), м3; Q под'оу - объем выделившегося газа из отбиваемой части пласта, м3.
Среднесуточная абсолютная метанообильность подготовительной выработки: подг
Iср =(2общ , (12)
где I подгср - среднесуточная абсолютная метанообильность подготовительной выработки, м3/сут; п - среднесуточное количество циклов, 1/сут.
Выводы
Разработанный алгоритм для расчета квазистатической метанообильности основан на современных представлениях о содержании метана в угле и полуэмпирических зависимостях геомеханического состояния приконтурной части пласта. Данный алгоритм позволяет учитывать изменение метанообильности в зависимости от скорости подвигания забоя и пересечения выработкой зон тектонической нарушенности.
Выполненные на основании разработанного алгоритма расчеты показывают, что при входе выработки в зону тектонического нарушения приток метана при подвигании забоя на 0,8 м возрастает до 10 % в зависимости от угла входа выработки относительно плоскости сместителя и средневзвешенного значения коэффициента крепости угля в пределах сечения выработки.
В дальнейшем для повышения точности представленного алгоритма планируется его развитие внесением поправочных коэффициентов, основанных на эмпирических данных, полученных непосредственно при проведении подготовительных выработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зыков В.С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах: монография. Кемерово, 2010. 333 с.
2. Каталог внезапных выбросов угля и газа (Карагандинский угольный бассейн) / Ю. М. Бирюков [и др.]; Кали-нингр. гос. техн. ун-т, Акад. горн. наук. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО "КГТУ", 2009. 165 с.
3. Геофизические методы исследования геомеханического состояния угольных массивов / Рудаков В. А. [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2006. № 2. С. 14-19.
4. Козырева Е.Н., Шинкевич М. В. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2006. № 6. С. 17-19.
5. К оценке ресурсов Шахтного метана в выработанном пространстве / Тайлаков О. В. [и др.] // Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического бюллетеня. 2013. № ОВ 6. С. 160-165.
6. Оценка влияния напряжений на газоносность приконтурной части пласта / Полевщиков Г Я. [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2016. № 1. С. 16-24.
7. Плаксин М.С. Оперативная оценка уровня газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск 6. Институт угля Сибирского отделения РАН. М.: Издательство «Горная книга». 2013. С. 245-251.
8. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / Опарин В. Н. [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2008. 278 с.
9. Мурашев В. И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханических процессов: Автореферат дис. докт. техн. наук. М., 1980. 36 с.
10. Тарасов Б. Г., Колмаков В. А. Газовый барьер угольных шахт. М.: Недра, 1978. 200 с.
11. Научное открытие. Диплом № 9. Свойство органического вещества образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов / А. Д. Алексеев, А. Т. Айруни, Ю. Ф. Васючков, И. В. Зверев, В. В. Синолицкий, М. О. Долгова, И. Л. Эттингер. М.: РАЕН. 1994. 3 с.
12. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок. Серия 05. Выпуск 21. М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2017. 128 с.
13. Малышев Ю. Н., Трубецкой К. Н., Айруни А. Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов. М.: Изд-во Академии горных наук, 2000. 519 с.
REFERENCES
1. Zykov, V.S. (2010). Vnezapnyie vybrosy uglia i gaza i drugie gazodinamicheskie iavleniia v shakhtakh [Sudden outbursts of coal and gas and other gas-dynamic phenomena in mines: monograph]. Kemerovo [in Russian].
2. Biriukov, Yu.M. (2009). Katalog vnezapnykh vybrosov uglia i gaza (Karagandinskii ugolny bassein) [Catalog of sudden outbursts of coal and gas (Karaganda coal basin)]. Kaliningrad: FGOU VPO "KGTU" [in Russian].
3. Rudakov, V.A., Belavrntsev, L.P., Potapov, P.V., Slavoliubov, V.V., & Kaminsky, A.Ya. (2006). Geofizicheskie metody issledovaniia geomekhanicheskogo sostoianiia ugolnykh massivov [Geophysical methods of coal massifs geomechanical state study]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 2, 14-19 [in Russian].
4. Kozyreva, Ye.N., & Shinkevich, M.V. (2006). Vzaimosvyazi osnovnykh osobennostei protsessov razgruzki i sdvizheniia vmeshchaiushchikh porod s dinamikoi vydeleniia metana iz razrabatyvaemogo plasta pri ego otrabotke dlinnymi vyemochnymi stolbami [Enclosing rocks unloading and shifting processes main features interrelationships with methane emission dynamics from the developed seam when it is worked out by long extraction pillars]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Herald of Kuzbass State Technical University, 6, 1719 [in Russian].
5. Tailakov, O.V., Tailakov, V.O., Makeev, M.P., Sokolov, S.V., & Kormin, A.N. (2013). K otsenke resursov shakhtnogo metana v vyrabotannom prostranstve [To the mine methane reserves evaluation in the gob area]. Otdelny vypusk gornogo informatsionno-analiticheskogo biulletenia - Special Edition of Mining Informational Analytical Bulletin, Ov 6, 160-165 [in Russian].
6. Polevshchikov, G.Ya., Kozyreva, Ye.N., Riabtsev, A.A., Rodin, R.I., Nepeina, Ye.S., & Tsuran, Ye.M. (2016). Otsenka vliianiia napriazhenii na gazonosnost prikonturnoi chasti plasta [Estimation of stresses influence on the seam contour part gas content]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 16-24 [in Russian].
7. Plaksin, M.S. (2013). Operativnaia otsenka urovnia gazodinamicheskoi aktivnosti ugolnogo plasta pri provedenii podgotovitelnykh vyrabotok [Operational assessment of a coal seam gas-dynamic activity level during preparatory openings' heading]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten. Otdelny vypusk 6 - Mining Informational Analytical Bulletin. Special Issue 6 [in Russian].
8. Oparin, V.N., Tapsiev, A.P., Rozenbaum, M.A., Reva, V.N., Batdiev, B.P., Trop, E.A., & Chanyshev, A.I. (2008). Zonalnaia dezintegratsiia gornykh porod i ustoichivost podzemnykh vyrabotok [Mine rocks zonal disintegration and underground openings stability]. Novosibirsk: SO RAS Publishing House [in Russian].
9. Murashev, V.I. (1980). Razrabotka nauchnykh osnov bezopasnogo vedeniia gornykh rabot v ugolnykh shakhtakh na osnove issledovaniia geomekhanicheskikh processov [Safe mining in coal mines scientific grounds development based on the geo-mechanical processes study]. Extended abstract of Doctor's thesis. Moscow [in Russian].
10. Tarasov, B.G., & Kolmakov, V.A. (1978). Gazovy barrier ugolnykh shakht [Gas barrier of coal mines]. Moscow: Nedra [in Russian].
11. Alekseev, A.D., Airuni, A.T., Vasiuchkov, Yu.F., Zverev, I.V., Sinolitsky, V.V., Dolgova, M.O., & Ettinger, I.L. (1994). Svojstvo organicheskogo veshchestva obrazovyvat s gazami metastabilnye odnofaznye sistemy po tipu tverdyh rastvorov [An organic substance ability to form metastable single-phase systems with gases in the form of solid solutions]. Scientific discovery. Diploma No. 9. Moscow: RANS [in Russian].
12. Instruktsyia po primeneniiu skhem provetrivaniia vyemochnykh uchastkov shaht s izolirovannym otvodom metana iz vyrabotannogo prostranstva s pomoshchiu gazootsasyvayushchikh ustanovok. Seriya 05. Vypusk 21 [Instructions for the ventilation schemes application for mine sections with isolated methane drainage from gob area by means of gas-pumping stations. Series 05. Issue 21]. Closed Joint-Stock Company "Scientific and Technical Center for Studies of Industrial Safety Problems", 2017 [in Russian].
13. Malyshev, Yu.N., Trubetskoi, K.N., & Airuni, A.T. (2000). Fundamentalno-prikladnyie metody resheniia problemy ugolnykh plastov [Fundamental-applied methods for solving the problem of coal seams]. Moscow: Academy of Mining Sciences Publishing House [in Russian].
19
