CC BY
27
- © B.C. Забурдяев, 2014
УДК 622.411.33:622.333
В.С. Забурдяев
УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ НА ВЫЕМОЧНОМ УЧАСТКЕ ПРИ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Приведены краткая характеристика пласта 2 (Улуг), данные о его метаноносности и ее изменении с глубиной. Представлены методы определения и прогноз интенсивности выделения метана в горные выработки из обнаженных поверхностей. Даны рекомендации по предотвращению опасных скоплений метана в выработанных пространствах.
Ключевые слова: Угольный пласт, горные выработки, прогноз, выделение метана, метод определения.
Пласт 2 (Улуг) имеет мощность от 2,6 до 5,6 м, крепость угля по М.М. Протодьяконову — 2, угли витреновые (Vt = 94-98%), предел прочности на одноосное сжатие от 3,7 до 8,9 МПа, общая пористость в среднем 6,1%, влажность пласта — 0,88%. В кровле пласта залегает мощный слой песчаников при средней прочности на сжатие — 102 МПа. Непосредственная почва сложена не склонными к пучению алевролитами. Пластовое газовое давление в пределах шахтного поля — 1,3.. .2,8 МПа. Пласт 2 отнесен к опасным по взрывам пыли и неопасным по самовозгораемости угля. Над пластом 2 в 29-30 м залегает пласт 3 мощностью 0,65 м.
Исследованиями установлена зависимость газоносности пласта 2 от глубины залегания, оценена газоотдача пласта в горные выработки, установлены прогнозные показатели начального метановыде-ления в выработки и темпа его снижения во времени, определена метанообильность проводимых подготовительных выработок и участка при камерно-столбовой системе отработки угольного пласта (КСО), а также интенсивность метановыделения в выработанное пространство выемочного участка.
Методика прогноза метанообильности участка КСО основана на использовании научно обоснованных зависимостей метановыделе-
321
ния в угольных шахтах. В ней использованы положения отраслевых нормативных документов и результаты научных исследований.
Зависимость газоносности угольного пласта 2 с глубиной залегания Хг =f(H) установлена по данным газового опробования на содержание метана в углях пласта 2 по двум разведочным линиям. При этом зона газового выветривания Н0 находилась на глубинах 176-215 м от земной поверхности (среднее 198 м), метаноносность пласта 2 на абс. глубине +500 м составила 4,9-5,0 м3/т с.б.м., а на глубинах + 400 м, + 300 м и + 200 м — соответственно 6,6-6,7, 8,5-8,6 и 9,4-9,5 м3/т с.б.м. [1].
Метаноносность Хг (м3/т с.б.м.) пласта 2 с глубиной Н (м) его залегания на участках КСО аппроксимирована зависимостью (рис. 1)
Хг = 0,0145Н + 2,6, (1)
а от зоны газового выветривания (Н - Н0), — зависимостью (рис. 2) Хг = 0,0161 (Н - Н0) + 5. (2)
Зависимость (1) справедлива в интервале глубин от 175 до 500 м, зависимость (2) — при Н - Н0 в пределах до 300 м.
Прогноз метанообильности горных выработок на глубинах от земной поверхности 250 и 320 м [2] выполнен при метаноносности Хг пласта 2, равной 6,22 и 7,24 м3/т с.б.м. соответственно. При этом, в связи с отсутствием фактических данных об интенсивности выделения метана в горные выработки, использованы опубликованные данные ИПКОН РАН и ИИ им. A.A. Скочинского в шахтах
Рис. 1. Изменение метанонос-ности пласта 2 с глубиной от поверхности
322
Рис. 2. Изменение метаноносно-сти пласта 2 с глубиной от зоны газового выветривания
других угольных бассейнов по газоотдаче обнаженных выработками угольных массивов [1-6].
В основу первого метода (метод ИПКОН РАН) определения интенсивности метановыделения из обнаженных выработкой поверхностей угольного пласта положена зависимость
G = А+т ' (3)
где G — интенсивность удельного метановыделения, м3/(м2-сут), в проводимую выработку на период времени t, сутки, после обнажения выработкой поверхностей пласта; G0 — интенсивность начального удельного метановыделения из обнаженных поверхностей пласта в проводимую выработку, м3/(м2-сут); А — коэффициент снижения метановыделения от времени из обнаженных поверхностей пласта, сут-1.
Второй метод (метод ИГД им. A.A. Скочинского) базируется на зависимости
Т = ^Т , (4)
где а — размерный коэффициент, численно равный 1.
Для прогноза интенсивности метановыделения из пласта 2 в горные выработки использованы зависимости [1-3, 6]. Для расчета показателей газоотдачи из обнаженных поверхностей угольного пласта в выработку использованы следующие формулы
Sq • 2m п d
Gq =(5)
2о = РСX (6)
в = ^ \о ' (7)
16 + 12т
А = К Со, (8)
К = 6,2510-5 т И', (9)
где до — интенсивность начального метановыделения из угольного пласта в дегазационные скважины [6], м3/(м2-сут); т — мощность угольного пласта, м; < — диаметр дегазационной скважины, м; п = 3,14; Рс — размерный коэффициент [6]; Хг — природная ме-
323
таноносность угольного пласта, м3/т с.б.м.; К — коэффициент [3], характеризующий газодинамические и фильтрационные свойства угольного пласта (К-фактор), м2/м3; Н' — глубина залегания пласта угля от верхней границы метановых газов, м.
Интенсивность выделения метана из обнаженных выработкой поверхностей пласта угля 1п, м3/мин, на период времени t, сут, по методу ИПКОН РАН рассчитана по формуле
V mGoIn(At +1)
in = в A --, (10)
п 1440
а по методу ИГД им. А.А. Скочинского —
а mVBGo
2 £ - 1Л
I'=-^---B-, (11)
п 1440
где Уъ — скорость проведения выработки, м/сут; L — длина тупика проводимой выработки, м.
Метановыделение из отбитого в забое выработки угля I (м3/мин) по методу ИПКОН РАН определена по формуле
1о.у = ]к (Хв - Х1) (12)
или 1о.у = jK [(1 - Ке) Хг - Х1], (13)
а по методу ИГД им. А.А. Скочинского —
1'о.у = m VB Y B' [(1 - Ке) Хг - Х1], (14)
где jK — производительность комбайна, т/мин; Хв — метаноносность угольного массива в зоне выемки угля комбайном, м3/т с.б.м.; Х1 — метаноносность отбитого в забое угля, выданного за пределы проводимой выработки, м3/т с.б.м.; Ке — коэффициент естественной дегазации массива пласта в зоне выемки угля, доли ед.; £'в- скорость проведения выработки в размерности м/мин; в — часть ширины выработки, подвергаемой выемке угля в течение 1 минуты, м.
Метаноносность подготовительных выработок 1в (м3/мин) слагается из величин 1п и 1о у, то есть
1в = 1п + 1о.у, (15)
величины которых приняты средними по методам 1 и 2.
324
Для прогноза интенсивности метановыделения в проводимые горные выработки по газоносному пласту 2 использованы данные о метаноносности пласта, схеме расположения выработок, очередности их проведения и зависимости (1-15).
По методу 1 метановыделение из обнаженных выработкой поверхностей пласта ¡п рассчитана по формуле (10), выделение метана из отбитого угля в забое — по формуле (13), а по методу 2 по формулам (11) и (14). При этом интенсивность метановыделения в выработку принята как средняя величина, рассчитанная по методам 1 и 2, и суммарно по источникам метановыделения.
Допустимая по газовому фактору скорость проведения выработок при подготовке пласта 2 к отработке [3] базируется на соблюдении равенства допустимого метановыделения в выработку ¡вдоп (м3/мин) при скорости движения воздуха V = 4 м/с, концентрации метана С = 1% и фактического (прогнозного) метановыделения ¡м (м3/мин), то есть
¡Доп = ¡м, (16)
или
0,6 VSC = ¡м. (17)
Числовые величины ¡м приняты равными ¡в, применительно к выработкам, предусмотренным технологической схемой подготовки выемочного участка и блоков КСО. Допустимая скорость проведения подготовительных выработок по газовому фактору вытекает из формулы (17).
При камерно-столбовой системе разработки угольного пласта 2 метан на участке КСО выделяется из обнаженных поверхностей отрабатываемого пласта, из частично отработанных целиков, отбитого угля, из сближенного подрабатываемого пласта 3 и вмещающих пород [4-8].
Газовыделение из обнаженных выработкой поверхностей угольного пласта в блоке КСО (рис. 3) рассчитывалась с учетом зависимостей (1-15). Наибольшая величина интенсивности метановыделения в выработки при подготовке блока соответствует наибольшей протяженности тупиковой части проводимых выработок в пласте угля с учетом величины природной метаноносности на выемочном участке или в блоке.
325
13 14
Рис. 3. Схема отработки угольного пласта камерно-столбовой системой: 1 — угольный пласт; 2-5 — парные штреки; 6,7 — сбойки; 8 — разрезная печь; 9 — просеки; 10 — барьерные целики угля; 11 — целики угля; 12 — комбайн; 13 — перемычки; 14 — дегазационный трубопровод; 15 — неотработанная часть целика; 16 — решетчатая перемычка; 17 — вентиляторы местного проветривания; 18 — подвижной вагон
Применительно к выемочному участку КСО при залегании пласта 3 в метановой зоне метановыделение 1плс (м3/мин) из него в выработанное пространство изолированного блока пласта 2 рассчитывалась по рекомендациям [4, 7], с учетом формул (18-22).
Количество метана (м3/т с.б.м.), выделяющегося из сближенного подрабатываемого пласта 3 в выработанное пространство блока, определено по формуле [4]
Чс = т (( - XI) (18)
где Кс — коэффициент, определяемый по формуле [4]
К = т,
1 - ^ . К У
(19)
т1 — мощность пласта 3, м; И1 — расстояние по нормали между пластами 2 и 3, м; Ир — предельное расстояние, определенное по формуле [4]
Ьр = 40тв; (20)
тв — вынимаемая мощность пласта 2; принята равной 3,12 м.
Метановыделение 1с (м3/мин) из сближенного пласта 3 в выработанное пространство блока КСО рассчитывается по формуле [4, 7]
I = Цс'А (21)
1с 1440 , (21)
где Ас — количество добываемого угля (т) за время t (сут).
Суммарное прогнозное выделение метана в блоке КСО из разрабатываемого пласта 2 и сближенного пласта 3 составит
1бл = 1пл + 1с. (22)
Аналогичные расчеты выполняются при отработке пласта 2 по системе КСО на других выемочных участках шахтного поля.
Для предотвращения опасных скоплений метана в выработанных пространствах изолированных от рудничной атмосферы блоков, целесообразно заводить за перемычки, возведенные в профилактических целиках, перфорированные трубы, сообщенные трубопроводом с передвижной подземной дегазационной установкой [8].
327
Допустимая по газовому фактору производительность комбайна ^доп (т/мин) устанавливается из условия соблюдения равенства
o,6vsc =)доп (х;-Х1 )• кш, (23)
где V — скорость движения воздуха, допустимая ПБ (V = 4 м/с); в — сечение призабойного пространства при работе комбайна, м2; С — допустимая ПБ концентрация метана, % (С < 1%); Хг' — ме-таноносность массива в целике угля, подвергаемого естественной дегазации, м3/т с.б.м.; Х1 — остаточная метаноносность отбитого комбайном угля, м3/т с.б.м.; принимается равной 2,5 м3/т с.б.м. [7];
— коэффициент, учитывающий содержание в угле природной влаги и золы.
Максимальная нагрузка на выемочный участок КСО устанавливается с учетом зависимости (23) и планограммы работы комбайна в течение суток.
Источниками метановыделения в выработанное пространство изолированного блока КСО являются поверхности обнажения оставшейся части целиков угля и сближенный пласт 3. При этом на этапе прогноза:
• метановыделение ¡пц (м3/мин) из обнаженных поверхностей целиков угля, оставленных в выработанном пространстве блока, определяется с учетом формул (5-10) и (11);
• - величина метаноносности корректируется
Х" =(1 - К) , (24)
где К'е — коэффициент естественной дегазации целика угля, доли ед.; принят равным 0,55 [3]; вместо Vв в формулах (10) и (11) использована скорость отработки блока, м/сут, т.е. Vбn = .ЬблДбл; время t в формуле (10) заменено на tбл, сут, а величина L в формуле (11) — на .Ьбл; показатель д0 в формуле (6) корректируется с учетом величины ХГ (формула 24), то есть принимается величина до; величина в0 (формула 5) корректируется в связи со значением д'а, то есть используется величина Са; число обнаженных поверхностей принимается равным 4 вместо 2 в формуле (5); коэффициент А в формуле (8) корректируется с учетом величины С'о.
Прогнозная интенсивность метановыделения ¡В'„ , м3/мин, из обнаженных поверхностей целиков угля в выработанное пространство
328
изолированного блока КСО при использовании исходных данных определена по зависимости
С = 1ПМ (1 - кпз), (25)
где кПз — коэффициент, учитывающий потери запасов угля, доли ед., равный 0,312.
Суммарное выделение метана в выработанное пространство изолированного блока КСО из оставленных целиков угля и сближенного пласта 3 составит
1В.П = С + 1с. (26)
Методика прогноза метанообильности участка КСО и ее разделы подлежат корректировке по мере поступления фактических данных.
При суммарном метановыделении в выработанное пространство в соответствии с формулами (25) и (26), равном 3,62 м3/мин, протяженности блоков КСО по 170 м и плановом времени отработки блока при среднесуточной добыче угля, установленной в объеме 2457 т/сут, в изолированных перемычками блоках КСО будет скапливаться метан.
Поскольку управление метановыделением в выработанном пространстве средствами вентиляции не предусмотрено, то, естественно, рекомендована дегазация выработанного пространства в соответствии с положениями Инструкции [6] путем применения подземных дегазационных установок передвижного типа. Для предотвращения опасных скоплений метана в выработанных пространствах изолированных от рудничной атмосферы блоков, целесообразно заводить за перемычки, возведенные в профилактических целиках, перфорированные трубы, сообщенные трубопроводом с передвижной подземной дегазационной установкой [6].
Результаты расчетов интенсивности метановыделения из пласта 2 в горные выработки блока КСО с технической производительностью комбайна /к = 8 т/мин приведены в таблице.
Выводы
1. Предложен метод определения газоотдачи пласта 2 (Улуч) в горные выработки при его отработке камерно-столбовой системой.
2. Прогнозные показатели интенсивности метановыделения в горные выработки пласта 2 при системе КСО должны быть скорректированы после получения фактических данных.
329
Таблица
Результаты расчетов метановыделения в горные выработки блока КСО
Наименование показателей Размерность Числовые значения
Исходные данные
Глубина горных работ м 250
Глубина газового проветривания м 198
Мощность разрабатываемого пласта м 3,12
Мощность сближенного пласта м 0,65
Метаноносность разрабатываемого пласта м3/т с.б.м. 6,22
Метаноносность отбитого угля м3/т с.б.м. 2,5
Метаноносность угля в целике м3/т с.б.м. 2,8
Протяженность блока м 170
Скорость проходки выработки м/сут 56
Техническая производительность комбайна т/мин 8,0
Метановыделение в подготовительную выработку
Обнаженные поверхности пласта: метод 1 м3/мин 1,02
метод 2 0, 87
Отбитый в забое уголь: м3/мин
метод 1 18,8
метод 2 2,59*)
Метановыделение при отработке целика угля
Обнаженные поверхности целиков угля м3/мин 5,24
Отбитый уголь м3/мин 2,4
Изолированное выработанное пространство блока
Разрабатываемый пласт угля м3/мин 3,06
Сближенный пласт угля м3/мин 0,56
Суммарное метановыделение
Подготовительная выработка м3/мин 11,65
Отработка целика угля м3/мин 7,64
Выработанное пространство м3/мин 3,62
* Не учитывается техническая производительность комбайна.
330
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оценка ресурсов и объемов извлечения метана при подземной разработке угольных месторождений России / А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев, Г.С. Забурдя-ев — М.: ИПКОН РАН, 2005. — 152 с.
2. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование / А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Н.Г. Матвиенко. — М.: ИПКОН РАН, 2006. — 312 с.
3. Проблемы обеспечения высокой производительности очистных забоев в метанообильнык шахтах / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, B.C. Забурдяев и др. — М.: УРАН ИПКОН РАН, 2009. — 396 с.
4. Петросян А.Э., Сергеев И.В. Методика определения газообильности выработок при безлюдной выемке угля. — М.: Институт горного дела им. А.А. Ско-чинского, 1962. — 39 с.
5. Судоплатов А.П., Паруснмов В.Ф., Гапанович Л.Н. и др. Разработка угольных месторождений короткими очистными забоями. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1962. — 307 с.
6. Инструкция по дегазации угольных шахт. — М., 2012. — 250 с.
7. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989. — 320 с.
8. Козовой Г.И., Кузнецов Ю.Н., Рыжов А.М. Гибкие технологические системы высокопроизводительных угольных шахт. — М., 2003. — 501 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ: -
Забурдяев Виктор Семенович — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, info@ ipkonran.ru
331
