CC BY
12
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
| М. С. Плаксин // M.S. Plaksin [email protected]
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 ofCoal, Russian Academy of Sciences Siberian Branch, 10, Leningradsky Avenue, Kemerovo, 650065, Russia
| P. И. Родин // R.I. Rodin [email protected]
младший научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10 junior researcher of Coal and Coal Chemistry Federal Research Center Institute of Coal, Russian Academy of Sciences Siberian Branch, 10, Leningradsky Avenue, Kemerovo, 650065, Russia
1ИПН
заместитель главного инженера по технологии шахты «Чертинская-Коксовая» ООО «ММК-УГОЛЬ», Россия, 652632, г. Белово, ул. Промышленная, 1 deputy chief engineer for technology "Chertinskaia-Koksovaia" mine LLC "MMK-UGOL", 1, Ulitsa Promyshlennaya, Belovo, 652632, Russia
УДК 622.831.322
СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПО ПРОГНОЗУ ГАЗОНОСНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК MODERN OPPORTUNITIES FOR A COAL SEAM GAS CONTENT FORECAST AT THE PREPARATORY OPENINGS' HEADING
Приводятся результаты исследований в области прогноза метанообильности при проведении подготовительных выработок по газоносным угольным пластам и уточнения их газоносности. Уточнение остаточных газовых ресурсов в пласте до начала проведения подготовительных выработок или отработки выемочного столба, особенно при наличии в непосредственной близости значительных деформационных процессов, вызванных техногенной деятельностью, является важной задачей, поскольку газовый барьер является основным сдерживающим фактором повышения производительности добычных и проходческих работ в угольных шахтах.
В работе описывается геомеханическая обстановка вблизи объекта исследования (западного путевого бремсберга 401) и процессы, которые явились причиной низкой метанообильности подготовительных выработок и сыграли значительную роль в снижении природной газоносности пласта 4 относительно значений, представленных геологической службой шахты. Для прогноза метанообильности при проведении подготовительных выработок был применен метод выработок-аналогов. В результате реализации метода среднесуточная метанообильность западного путевого бремсберга 401 без применения барьерных скважин ожидается не более 1 м3/ мин. Расчетная величина почти в 2 раза ниже фактических значений, установленных при проходке подготовительных выработок по пласту 5, и при отличии в природной газоносности пластов на 25 %. Данный факт свидетельствует о том, что пласт 4 в окрестности западного путевого бремсберга 401 был подвержен частичной дегазации. Понимание природы данной дегазации выходит за пределы классических представлений о процессах сдвижения в массиве горных пород при подработке пласта 4. Отбор проб угля для уточнения природной газоносности также указывает на значительную дегазацию пласта 4.
Представленные результаты указывают на то, что при долгосрочной (более 15 лет) разгрузке
г
Л
угольного пласта, вызванной его подработкой, происходит значительная его дегазация, выходящая за рамки геомеханических углов разгрузки (сдвижений), указанных в соответствующих нормативных документах, и вызванная, вероятно, его газовой усадкой.
Research work results in the field of methane inflow forecasting at the preparatory opening heading through coal seams with high gas content and their gas content clarification were given.
Clarification of residual gas resources in the seam before the beginning of the preparatory workings heading or working out of the extraction pillar, especially in the presence of significant deformation processes in the immediate vicinity due to man-caused activity, is an important task, since the gas barrier is the main constraint to increasing the productivity ofmining and heading works in coal mines.
The paper describes the geomechanical situation near the research object (western track inclined gallery 401) and the processes that caused the low methane inflow of the preparatory openings and played a significant role in reducing the natural gas content of seam 4 compared to the values provided by the geological survey ofthe mine.
For the methane inflow forecast at the preparatory workings heading, the method of analogue openings was applied. As a result ofthe method, the average daily methane inflow ofthe western track inclined gallery 401 without use of barrier boreholes is expected to be no more than 1 m3/min. The calculated value is almost 2 times lower than the actual values established during the preparatory workings' heading through the seam 5, and with a difference in the natural gas content of the seams by 25%. This fact indicates that the seam 4 in the vicinity of the western track inclined gallery 401 was subject to partial degassing. This degassing nature understanding goes beyond the classical notions of a rock massif displacement processes when the seam is underworked. The coal sampling to clarify the natural gas content also indicates significant degassing of the seam 4.
The presented results indicate that with the long-term (more than 15 years) unloading ofthe coal seam caused by its underworking, significant degassing takes place, which goes beyond the geomechanical angles of unloading (shifts) specified in the relevant regulatory documents, and probably caused by its gas shrinkage. Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ДЕГАЗАЦИЯ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ, ГАЗОНОСНОСТЬ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ
Key words: COAL SEAM, DEGASSING, PREPARATORY OPENINGS, GAS CONTENT, GAS INFLOW
ских напряжений в нем. Следствием механической разгрузки при извлечении угольного пласта является значительный газоприток в атмосферу выработки 1]. Газоприток по характеру выделения можно определить, как активный - вызванный разрушением угля (с образованием новых поверхностей) или фоновый - вызванный дебитом газа через поверхность кромки пласта (спровоцирован газовым давлением внутри массива). В фоновом режиме газовыделение может длиться годами, приводя к значительной газовой усадке пласта и снижению газоносности угольного пласта. Далее приводится обоснование влияния временного фактора на снижение природной газоносности пласта 4 Чертинского месторождения в зоне проведения западного путевого бремсберга ЗПБ 401.
В
ведение
Ведение горных работ по добыче угля приводит к дезинтеграции углепород-ного массива и снижению механиче-
вает подработку пласта 4 и снижение его газоносности, сдвижения подрабатываемого массива. Углы сдвижений и граничные углы, согласно [2], характеризуют величину мульды сдвижений на земной поверхности и зону изменений состояния массива горных пород. Из анализа геомеханической обстановки в окрестности западного путевого бремсберга 401 (рисунок 1) можно судить о сохранении природного состояния массива ниже линии граничного угла §0 от выработанного пространства на пласте 5 Выше линии граничного угла массив претерпевает изменения: повышается его трещиноватость, проницаемость, сдвижения массива распространяются до поверхности и формируют мульду сдвижений.
подработки пласта 5 на снижение природной газоносности пласта 4 в зоне проведения западного путевого бремсберга 401
Предварительная выемка пласта 5 вызы-
Геомеханическое обоснование влияния
Согласно представленной геомеханической ситуации, сложившейся в окрестности западного путевого бремсберга 401, можно заключить, что данная выработка не попадает в зону влияния граничных углов, образованную вследствие отработки выемочных участков нижележащего пласта 5. Таким образом, угольный пласт 4 по трассе проведения выработки не подвергался разгрузке и соответственно заблаговременного процесса эмиссии метана в окрестности западного путевого бремсберга 401 быть не должно.
Рисунок 1-Гэомеханическая обстановка по простиранию пластов 4и5в окрестности западного путевого бремсберга 401 (ЗПБ 401) Figure 1 - Geomechanical situation along the seams 4 and 5 around western track inclined gallery 401 (ZPB 401)
При этом стоит отметить, что часть пласта 4 была подвержена разгрузке длительное время (более 15 лет). Согласно источнику [3 при длительной разгрузке пласта, а, следовательно, и его дегазации, происходит процесс усадки угольного вещества за счет эмиссии газа. Данная де-сорбционная деформация может достичь критического значения и привести к образованию новых микротрещин, которые поспособствуют дальнейшей дегазации пласта. Столь длительный циклический эффект мог привести к десорбции газа из целика пласта, в том числе и в зоне проведения ЗПБ 401.
Для подтверждения данной гипотезы был выполнен прогноз метанообильности ЗПБ 401, а также уточнена природная газоносность пласта при проходке западного путевого бремсберга 401 прямым методом посредством отбора выбуренного штыба угля из забоя выработки в специальные пробоотборники с последующей герметизацией.
Прогноз метанообильности
западного путевого бремсберга 401
По информации геологической службы шахты средняя природная газоносность пласта 4 по трассе проведения ЗПБ 401 составляет 15 м3/т. Выработка будет проводиться вне границ зон подработки пластом 5 (рисунок 2). Выработку планируется проводить от ВШ 450 до ВШ 448 с уменьшением глубины по направлению проведения. Крепление пород кровли и бортов -арочное с железобетонной и металлической затяжкой. Выработку планируется проводить комбайновым способом.
Рисунок 2 - Схема трасс проведения
подготовительных выработок по пласту 4, совмещенная с отработанными выемочными столбами пласта 5: РП - разрезная печь, КШ - конвейерный штрек, ВШ - вентиляционный штрек, МК- монтажная камера Figure 2 - Preparatory openings heading ways scheme along seam 4 combined with the worked out extraction pillars ofseam 5: RP - cross-cut, KSh - conveyer gallery, VSh - ventilation gallery, MK - assembly chamber
При прогнозе метанообильности очистного забоя известен метод лавы-аналога [4]. Данный метод можно применить при прогнозе метанообильности при проведении подготовительных выработок. В качестве выработок-аналогов можно принять западный конвейерный бремсберг 401 (3КБ 401) и монтажную камеру 449 (МК 449) (рисунок 2).
Основное отличие условий проведения западного путевого бремсберга 401 от 3КБ 401 и МК 449 состоит в том, что она проводится по восстанию (рисунок 3). Кроме того, 3КБ 401 расположен несколько глубже зоны целика пласта 5 (рисунок 3) относительно ЗПБ 401, МК 449 лишь частично расположена в границах целика пласта 5.
Расчет метанообильности подготовительной выработки выполняется на основании показаний датчика замера концентрации метана, расположенного в устье выработки, за вычетом показаний датчика замера концентрации метана, расположенного перед вентилятором местного проветривания, с учетом декадных замеров воздуха по формуле (1). Для сравнительного анализа метанообильности выработок приняты среднесуточные значения.
Расчет среднесуточной метанообильности выработки прозводится по формуле:
(С,
cp.cytn.jucx cp.cymj.tst
>0*
100
■ ■■■ ■ м3/мин, (1)
где С„
- среднесуточная концентрация по
показаниям датчика, установленного в устье выработки, %\ Ccp cym jex- среднесуточная концентрация по показаниям датчика, установленного перед ВМП, %\ Q ср cymj - расход воздуха, м3/мин\ j - номер суток.
На рисунке 4 представлен график изменения метанообильности западного конвейерного бремсберга 401. Можно выделить ее значительный всплеск на участке 550 - 600 м от устья выработки, связанный со сбойкой с конвейерным штреком 448. Стоит отметить, что, несмотря на существенное увеличение глубины выработки по мере подвигания, ее средняя метанообиль-ность снижается, что может объясняться высокой степенью дегазации пласта в окрестности выработки.
В таблице 1 представлены основные показатели выработок-аналогов.
В ходе продолжительного сотрудничества ИУ ФИЦ УУХ СО РАН с угольным предприятием «Шахта «Чертинская-Коксовая» была наработана научная база по оценке метанообильности подготовительных выработок, проводимых по пластам 4и5 (таблица 2).
В таблице 2 представлены основные усредненные показатели по выработкам, проводимым по пластам 4и 5.
Ожидаемая метанообильность выработки ЗПБ 401 вследствие ее срединного расположения между 3КБ 401 и МК 449 соответственно будет иметь значения в пределах между 0,77 и 0,85 м3/мин.
Проведение выработок 3КБ 401 и МК 449 осуществлялось с применением барьерной дегазации. По данным дебита смеси на ПДУ-13 из журнала дегазации выполнен расчет метанообильности барьерных скважин при проходке подготовительных выработок в районе выемочного столба 449. По расчетным данным отсутствие барьерной дегазации при проведении подготовительных выработок в районе выемочного столба привело бы к росту метанообильности
Рисунок 3 - Изменение глубины угольного пласта 4 по трассе проведения западного конвейерного бремсберга 401 (3КБ 401), западного путевого бремсберга 401 (ЗПБ 401)
и монтажной камеры 449 (МК 449) Figure 3 - Coal seam 4 depth change along the way ofwest conveyor inclined gallery 401 (ZKB 401),
west track inclined gallery 401 (ZPB 401) and assembly chamber 449 (MK 449) heading
Рисунок 4 - Среднесуточное изменение метанообильности западного конвейерного бремсберга 401 (отстроено по показаниям датчика, расположенного в20м от забоя выработки) Figure 4 - West conveyor inclined gallery 401 daily methane infíow change (plotted according the sensor placed 20 m from the opening face readings)
выработки на 18 %, что в целом соответствует расчётной (общепринятой) эффективности дегазации барьерными скважинами (по нормативному документу [5 коэффициент дегазации принимается равным 0,15-0,2 в случае применения барьерных скважин при проведении выработок).
Следовательно, ожидаемая среднесуточная метанообильность при проведении ЗПБ 401 без применения барьерных скважин составит не более 1 м3/мин. Сопоставление полученной условной величины для ЗПБ 401 (1 м3/мин) со значением средней метанообильности (1,9 м3/мин) при проведении выработок по пласту 5 указывает на то, что почти 2-х крат-
Таблица 1. Основные показатели выработок-аналогов Table 1. Main indicators of developments peers
Название выработки Природная газоносность, м3/т Протяженность выработки, м Средняя метанообильность, м3/мин Скорость подвигания, м/сут
Западный конвейерный бремсберг 401 14,5 854 0,85 3,8
Монтажная камера 449 17,0 227 0,77 4,2
Таблица 2. Основные усредненные показатели по выработкам, проводимым по пластам 4и5 Table 2. Main parameters of the averaged workings conducted on layers 4 and 5
Показатели выработок, проводимых по пласту Общая протяженность исследуемых выработок, км, (количество выработок, единиц) Темпы подвигания, м/сут Средняя глубина выработки, м Средняя метанообильность, м3/мин Средняя газоносность пласта в зоне провед ения*, м3/т
4 Чертинского месторождения* 6,3 (11) 4,8 250 0,55 20,5
5 Чертинского месторождения 2,7 (5) 3,6 486 1,90 27,0
* - значительная часть выработок находится в границах зоны подработки
ное превышение метанообильности вызвано как отличием величин природной газоносности (25 %) пластов, так и значительной дегазацией пласта 4.
Уточнение природной газоносности в зоне проведения западного путевого бремсберга 401
Для подтверждения выводов, полученных по прогнозу метанообильности, был выполнен отбор проб для уточнения природной газоносности в месте планируемой засечки западного путевого бремсберга ЗПБ 401 на сопряжении с вентиляционным штреком 450. Определение газоносности пласта выполнялось прямым методом отбора проб в виде штыба угля с помещением его в термобарометрические колбы [6]. Отбор проб проводился со свежообнаженной поверхности угля при бурении шпуров в плоскость забоя подготовительной выработки на глубину более 4 метров для исключения влияния горных работ на преждевременную десорбцию газа из пласта 4. Данный метод уточнения газоносности основан на анализе данных роста давления газа в термобарометрических колбах во времени с применением подхода по определения объема упущенного метана, согласно источников 7, 8]. Стоит отметить, что отбор проб прово-
дился не только по ЗПБ 401 (точка отбора проб номер V), но и по выемочному участку 449, расположенному вблизи объекта исследования в пределах пласта 4 (точки отбора проб I - IV). Во всех точках отбора проб установлено значительное снижение газоносности пласта.
Результаты расчета коэффициента снижения газоносности в точках отбора проб по пласту 4 представлены в таблице 3.
Установлено, что коэффициент снижения природной газоносности пласта 4 изменяется в пределах от 0,44 до 0,57. Для ЗПБ 401 коэффициент снижения природной газоносности составляет 0,44 (точка отбора проб номер V).
Заключение
1. Сложившаяся геомеханическая ситуация в совокупности с временным фактором позволяют предположить возможность дегазации неразгруженной части пласта 4 в окрестности западного путевого бремсберга 401 вопреки классическим представлениям процессов сдвижения подработанного массива за счет длительного процесса дегазации разгруженного части пласта 4 и его десорбционной деформации (усадки).
2. Ожидаемая метанообильность западного путевого бремсберга 401 с учетом неприменения барьерной дегазации в среднем составит 1
Таблица 3. Коэффициент снижения природной газоносности пласта 4 Table 3. Coefficient of reduction of natural gas content of the reservoir 4
Параметр Обозначение, размерность Места отбора проб
I II III IV V
Природная газоносность по данным геологической службы шахты X пр. м3/т с.б.м. 18 20 20 19 17
Уточненная природная газоносность X пр.р, м3/т с.б.м. 7,7 9,87 9,86 10,9 9,5
Коэффициент снижения газоносности 0,57 0,51 0,51 0,57 0,44
м3/мин, что практически в 2 раза меньше средней метанообильности выработок, проводимых по пласту 5 (таблица 2).
3. Метанообильность проанализированных выработок, проводимых по пласту 4, более чем в 3 раза ниже метанообильности выработок по пласту 5. Данный факт указывает на высокую степень дегазации пласта 4 ранее проведенными горными работами по пласту 5.
4. Уточненная природная газоносность по трассе проведения ЗПБ 401 составляет в среднем около 10м3/т в результате дегазации пласта 4 в процессе его «газовой» усадки.
По результатам выполненных исследований метанообильности выработок-аналогов, и
учитывая тот факт, что уточненное значение газоносности пласта не превысило нормативное значение (13м3/т), было принято решение о нецелесообразности проведения барьерной дегазации западного путевого бремсберга 401, что согласуется с принятыми проектными решениями, изложенными в соотвествующем проекте, разработанном ООО «Научно-проектным центром ВостНИИ», и соответствуют требованиям законодательства Российской Федерации - федеральным законам «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», «О недрах», «Об основах охраны труда в Российской Федерации» и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шинкевич М.В., Козырева E.H. 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.
2. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных раз-работокнаугольных месторождениях. СПб, 1998. 291 с.
3. Каркашадзе Г.Г., Хаутиев А.М.Б. Механизм повышения газопроницаемости угольного пласта в процессе циклической сорбционной усадки и разбухания угля // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № 4. С.249-254.
4. Козырева E.H. Комплексный прогноз динамики метанообильности высокопроизводительных выемочных участков // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2004. № 6.1(43). С.95-97.
5. Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Выпуск 22. ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. 250 с.
6. Полевщиков Г.Я., Непеина Е.С., Цуран Е.М. Разработка методики оценки термодинамики распада углеметано-вых геоматериалов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. № 6. С.13-19.
7. Рекомендации по определению газоносности угольных пластов. Серия 05. Выпуск 48. ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2017. 44 с.
8. Тайлаков О.В., Кормин А.Н., Застрелов Д.Н., Уткаев Е.А. Определение газоносности угольных пластов на основе исследования процессов фильтрации и диффузии метана//Уголь. 2015. № 1. С. 74-77..
REFERENCES
1. Shinkevich, M.V., & Kozyreva, Ye.N. (2006). Vzaimosviazi osnovnykh osobennostei protsessov razgruzki i sdvizheiia vmeshchaiushchikh porod s dinamikoi vydeleniia metana iz razrabatyvaemogo plasta pri ego otrabotke dlinnymi vyemochnymi stolbami [The enclosing rocks unloading and shifting processes main features interrelations with the developed seam methane emission dynamics when it is mined with long extraction pillars], Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Herald of Kuzbass State Technical University, 6, 17-19 [in Russian],
2. PB 07-269-98. Pravila okhrany sooruzhenii iprirodnykh obiektov ot vrednogo vliianiia podzemnykh gornykh razrabotok na ugolnykh mestorozhdeniiakh [PB 07-269-98. Structures and natural objects rules of protection from the harmful effects ofundergroundmining atcoaldeposits], St Peterburg, 1998 [in Russian],
3. Karkashadze, G.G., & Khautiev, A.M.B. (2015). Mekhanizm povysheniia gazopronitsaemosti ugolnogo plasta v protsesse tsiklicheskoi sorbcionnoi usadki i razbukhaniia uglia [The mechanism of a coal seam gas permeability increasing in the process of cyclic sorption shrinkage and coal swelling], Gorny informatsionno-analiticheskiibiulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, 4, 249-254 [in Russian],
4. Kozyreva, Ye.N. (2004). Kompleksny prognoz dinamiki metanoobilnosti vysokoproizvoditelnykhugolnykh vyiemochnykh plastov [High production extraction sections' methane inflow dynamics complex forecast], Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Herald of Kuzbass State Technical University, 6.1 (43), 95-97 [in Russian],
5. Instruktsiia po degazatsii ugolnykh shakht [Coal mines' degassing instruction]. Series 05. Issue 22. ZAO "Scientific technical centerfor industrial safety problems research", 2012 [in Russian],
6. Polevshchikov, G.Ya., Nepeina, Ye.S., & Tsuran, Ye.M. (2015). Razrabotka metodiki otsenki termodinamiki raspada uglemetanovykh geomaterialov [Technique development for coal methane geomaterials decomposition thermodynamics estimation], Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Herald of Kuzbass State Technical University, 6,13-19 [in Russian],
7. Rekomendatsii po opredeleniiu gazonosnosti ugolnykh plastov [Coal seam gas content estimation guidelines]. Series 05. Issue 48. ZAO "Scientific technical centerfor industrial safety problems research", 2017 [in Russian],
8. Tailakov, O.V., Kormin, A.N., Zastrelov, D.N., & Utkaev, Ye.A. (2015). Opredeleniie gazonosnosti ugolnykh plastov na osnove issledovaniia protsessov filtratsii i diffuzii metana [Coal seam gas content determination based on methane filtration and diffusion processes study], Ugol- Coal, 1, 74-77 [in Russian],
