CC BY
3УДК 622.411.332:533.17
к.т.н. Денисенко В. П., (ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
ВЛИЯНИЕ МАЛОАМПЛИТУДНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ МАССИВА НА ДИНАМИКУ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ВЫРАБОТОК ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА
Приведены результаты изучения фактической метанообильности выработок выемочных участков при отработке угольных пластов в зонах тектонически дислоцированного углепород-ного массива. Экспериментально установлены закономерности и предложена зависимость изменения метанообильности выработок выемочного участка от параметров малоамплитудных тектонических нарушений.
Ключевые слова: угольная шахта, метанообильность, углепородный массив, тектонические нарушения, прогноз.
Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Увеличение выделения метана в угольных шахтах по мере углубления горных работ, рост производительности очистных и темпов подви-гания подготовительных выработок всё чаще приводят к несоответствию между вентиляционными возможностями шахт и их газовым темпераментом. Надёжный и точный прогноз ожидаемой метанообиль-ности горных выработок является основой для разработки мероприятий по борьбе с метаном и выбора их рациональных параметров на стадии проектирования и способов оперативного управления метановыде-лением в процессе ведения горных работ.
Установлено, что при ведении горных работ в зонах геологических нарушений изменение выделения метана в горные выработки имеет различный характер и может достигать довольно высоких значений. Вместе с этим недостаточно разработаны методические основы прогноза выделения метана в зонах тектонических нарушений с учётом их генотипа и параметров пространственного расположения, вследствие чего прогноз метановыделения с необходимой точностью не осуществляется [ 1].
Особенностью геологического строения угольных месторождений является высокая степень нарушенности угленосного массива, которая представлена широким спек-
тром разнотипных разрывных и пликатив-ных дислокаций. Часто естественными границами шахтных полей или их отдельных частей являются крупноамплитудные разрывы, которые разделяют шахтное поле на отдельные тектонические блоки. Внутри блоков развиты серии средне- и малоамплитудных разрывных нарушений и локальных пликативных структур, генетически связанных с крупными дислокациями.
Основным результатом тектонической деятельности является образование направленной трещиноватости в газосодер-жащих породах, которая повышает их газопроницаемость и способствует формированию зон скопления метана и повышенной газоотдачи в горные выработки. Такие зоны являются наиболее опасными при вскрытии и пересечении их горными выработками, но они наиболее благоприятны для извлечения газа метана средствами дегазации.
Исследованиями, проведёнными в МакНИИ на примере шахт Донецко-Макеевского района, установлено влияние крупных геологических разрывных и складчатых нарушений на метанообиль-ность выемочных участков, ведущих очистную выемку в зонах влияния этих нарушений [2]. На основании сопоставления величины расчётной и фактической мета-нообильности выработок выемочного уча-
стка получены количественные зависимости для различных генетических типов нарушений. Для проведения расчётов мета-нообильности горных выработок рекомендуются числовые значения поправочных коэффициентов, учитывающие изменения метанообильности выемочных участков при подходе к зонам дробления пород, сопутствующим этим нарушениям.
Цель исследований. Выявление возможности прогноза метанообильности выработок выемочного участка при пересечении лавами зон малоамплитудных нарушений за счёт использования закономерностей выделения метана из нарушенного массива для обеспечения газовой безопасности выемочных участков.
Постановка задачи. Задача данного исследования — определить численное значение величины относительного приращения (убыли) газовыделения за счёт фактора на-рушенности в общей газообильности выработок и установить количественные зависимости этого показателя от пространственного расположения забоя выработки относительно центральной части нарушенной зоны.
Изложение материала и его результаты. Для изучения изменений метанообиль-ности выработок выемочного участка при пересечении лавами зон тектонических малоамплитудных нарушений проводились многолетние наблюдения на шахтах Донбасса в различных геологических условиях залегания угольных пластов. Чтобы исключить влияние других факторов, использовались данные о метанообильности горных выработок вне зон влияния нарушений. Для этого изучалась геологическая документация нарушенных выемочных полей, расчёт метанообильности проводился по данным плановых замеров концентрации метана и количества воздуха, проходящего через лаву, учитывалась среднемесячная нагрузка на очистной забой.
Анализ результатов исследований показал, что метанообильность горных выработок вне зависимости от генетического типа малоамплитудного нарушения зако-
номерно возрастает при пересечении последнего забоем, достигает максимального значения примерно в срединной части нарушения, далее закономерно снижается. Степень превышения метанообильности в зоне нарушения по сравнению с исходной зоной зависит от амплитуды разрывного нарушения и угла встречи забоя с плоскостью пересекаемого нарушения.
Так, в условиях шахты «Комиссаровская» Селезневского района Донбасса в различные годы отрабатывался пласт 16, сложенный тощим углём с природной метаноносно-стью 15-25 м3/т. При выемке 4 западной лавой 4 горизонта столба по простиранию проходилось нарушение в виде взброса с амплитудой смещения 1,1 м под углом 30° к линии очистного забоя. Метанообильность лавы вне нарушенной зоны составила 2,1 м3/мин. В момент встречи нарушения метанообиль-ность повысилась до 3,68 м3/мин. Максимального значения (6,8 м3/мин) метано-обильность достигла в срединной части нарушения и оставалась на этом уровне при подвигании лавы на 70 м. При выходе лавы из нарушения метанообильность составила 6,1 м3/мин. Метанообильность выемочного участка в нарушенной зоне была выше в 3,3 раза в сравнении с ненарушенной.
2-й восточной лавой пласт отрабатывался по восстанию. Лавой проходила серия нарушений в виде микросбросов со смещением от 0,3 м до 0,75 м. Вне нарушенной зоны метанообильность составила 1,73 м3/мин, в зоне нарушения — 3,9 м3/мин, превышение — 2,2 раза. Аналогичное положение наблюдалось и в 2-х других лавах, где пересекались нарушения с амплитудой 0,3-0,9 м. При этом метано-обильность в нарушенных зонах в среднем увеличилась в 2,5 раза.
При отработке пласта к3 в условиях шахты им. Кирова Марьевского района лавой 44 встречено продольное нарушение в виде взброса с переменной амплитудой от 0,3 до 1,1 м. В исходной зоне метанообильность составила 1,6 м3/мин, при входе в нарушение (амплитуда 0,3 м) — 1,65 м3/мин, при
Науки о земле
амплитуде смещения 0,8 м метанообильность увеличилась до 2,7 м3/мин, при 1,0 м — 3,8 м3/мин, максимальная — 4,1 м3/мин при амплитуде 1,1 м. В нарушенной зоне метанообильность максимально возросла в 2,6 раза.
На шахте им. Мельникова в Лисичанском районе при отработке пласта 14 9 южной лавой в начале выемочного столба проходилась серия нарушений с амплитудой 0,4-0,6 м, практически параллельных очистному забою. При этом максимальная метанообильность составила 6,9 м3/мин и превысила исходную в 2,5 раза.
В условиях шахты им. В. Р. Менжинского Первомайского района при отработке пласта 16 1 северной лавой пересекалась серия нарушений на всём протяжении выемочного столба с амплитудами от 0,5 до 1,2 м. Максимального превышения (в 3 раза) метано-обильность достигла при пересечении нарушения с амплитудой 1,2 м.
Приведённые данные являются только небольшой частью типичных примеров влияния нарушенности на метанообиль-ность очистных выработок.
Выделение метана из нарушенного массива пород почвы и кровли происходит, как правило, в выработанном пространстве лавы в виде суфляров второго рода, обеспечивая повышенную метанообильность выработок участка с исходящей струёй вентиляционного воздуха.
Экспериментально установлено [3, 4], что ожидаемая абсолютная метанообиль-ность выработок выемочного участка на ненарушенном участке пласта, при прочих равных условиях разработки, зависит от нагрузки на очистной забой и описывается уравнением вида:
I = In + B ■ A , м/мин,
(1)
где 10 — фоновый уровень метановыде-ления, численно равный уровню метано-обильности горной выработки при временной остановке очистных работ, м3/мин;
В — темп наростания метанообильно-сти от увеличения темпа выемки угля, м3/мин/т/сут.;
А — среднесуточная нагрузка на очистной забой, т/сут.
В общем виде изменение динамики выделения метана в выработки выемочного участка на интервалах нарушенной зоны описывается зависимостью вида [5]:
1Н = а ■ П ■ е~ьь + 1И , м3/мин, (2)
где а, Ь, с — эмпирические коэффициенты уравнения регрессии;
П — расстояние от места вскрытия лавой тектонического нарушения до линии очистного забоя, м;
1И — исходная метанообильность выемочного участка при его работе в ненарушенной зоне, м3/мин.
Значения эмпирических коэффициентов принимаются в зависимости от параметров тектонических нарушений:
I
а =
L„
(3)
где Лях — максимальное газовыделение в нарушенной зоне, м3/мин [5];
Птах — протяжённость зоны нарушения пород по ходу движения лавы, м;
1
b =
L„
(4)
Значения коэффициента с = 1-1,2.
Выделение дополнительных объёмов метана в выработки выемочного участка происходит в результате вскрытия сформированной зоны скопления метана в трещинах нарушенных пород и повышенной их газоотдачи. Выделение метана в очистной забой непосредственно из зоны нарушения часто происходит в виде суфляров, внезапных выбросов угля и газа, внезапном выдавливании угля с повышенным метановыделением, то есть в виде газодинамических явлений.
Особенностью метановыделения из тектонически нарушенного углепородного массива является увеличение исходного фонового уровня метанообильности горных выработок, тогда:
I„ = I - B ■ A , м /мин.
(5)
e
В зоне тектонических нарушений фоновый уровень метанообильности выработок определяется по формуле:
10 = а ■ П ■ е-ь'ь, м3/мин. (6)
Зависимость степени превышения мета-нообильности выработок в нарушенной зоне в сравнении с ненарушенным участком при учёте зависимости (3) принимает вид:
ам = —^ = 1 +-, м3/мин, (7)
М X J 5 5 V /
10И 10И
где 10И — фоновый уровень метано-обильности при работе лавы на ненарушенном участке пласта, м3/мин.
Прогноз динамики метанообильности выемочного участка при его работе в нарушенной зоне осуществляется в следующем порядке: проводится расчёт средней ожидаемой метанообильности на ненарушенном участке пласта; определяется исходный фоновый уровень метанообильности выработок на ненарушенном участке пласта; определяется фоновый уровень метанообильно-сти на различных интервалах нарушенных пород (размер интервала принимается равным месячному подвиганию лавы при проектной нагрузке на очистной забой); устанавливается степень превышения фонового
Библиографический список
уровня метанообильности в нарушенной зоне над исходным; определяется ожидаемая метанообильность выработок на разных интервалах нарушенной зоны.
Реализация предложенной модели процесса формирования метанообильности в выработках выемочного участка была выполнена для условий отработки пласта к3 шахты им. С. М. Кирова лавой № 44 в тектонически нарушенной зоне.
Предложенная модель позволила получить удовлетворительную сходимость прогнозной величины метанообильности горных выработок с фактической при числовых значениях коэффициентов, равных: а = 4,710-2; Ь = 5,110-3; с = 1,1. Относительная погрешность прогнозных значений метанообильности составила 7,8 %.
Выводы. Для проектирования вентиляции выработок выемочного участка при работе лавы в зоне развития тектонических нарушений в расчёте расхода воздуха предлагается принимать максимальное значение прогнозной метанообильности, полученное в зоне нарушения.
В пределах нарушенной зоны необходимо применять скважинную дегазацию массива кровли и почвы и увеличивать плотность бурения дегазационных скважин.
1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт / Государственный нормативный акт об охране труда 1.130-6.09.93 — К. : Основа, 1994. — 311 с.
2. Кузьмин, Д. В. О метанообильности выемочных участков в зонах геологических нарушений [Текст]/Д. В. Кузьмин, С. Н. Недвига // Уголь Украины. — 1988. — № 6. — С. 32-33.
3. Денисенко, В. П. Совершенствование горно-статистического метода прогноза метанообильности горных выработок добычных участков [Текст] / В. П. Денисенко, Г. Л. Пигида, Е. В. Абакумова, В. А. Маркин, Е. П. Анненков // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах : сб. науч. тр. МакНИИ. — Макеевка : МакНИИ, 2008. — Вып. 2 (22). — С. 63-75.
4. Захаров, В. Н. Углепородные массивы : прогноз устойчивости, риски, безопасность [Текст] / В. Н. Захаров, В. С. Забурдяев, В. Б. Артемьев. — М. : изд. «Горное дело», ООО «Киммерийский центр», 2013. — С. 152-158.
5. Денисенко В. П. О метанообильности очистных выработок в зонах малоамплитудной нарушенности пластов / В. П. Денисенко // Сборник научных трудов ДГМИ. — Алчевск: ДГМИ, 1998. — Вып. 8 — С. 61-64.
© Денисенко В. П.
Науки о земле
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А., гл. инженером Филиала «Шахта Никонор-Новая» Чепурным Д. С.
Статья поступила в редакцию 01.06.18.
к.т.н. Денисенко В. П. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
ВПЛИВ МАЛОАМПЛ1ТУДНИХ ТЕКТОН1ЧНИХ ПОРУШЕНЬ МАСИВУ НА ДИНАМ1КУ БАГАТОМЕТАНОВОСТ1 ВИРОБОК ВИЙМАЛЬНО1 Д1ЛЯНКИ
Наведено результати вивчення фактичног багатометановост1 виробок вигмковог дыянки при в1дробщ вугыьних пласт1в у зонах тектотчно дислокованого вуглепородного масиву. Експери-ментально встановлено законом1рност1 та запропоновано залежшсть зм1ни багатометаново-стг виробок вигмковог дыянки в1д параметр1в малоамплтудних тектотчних порушень.
Ключовi слова: вугыьна шахта, багатометанов1сть, вуглепородний масив, тектотчт по-рушення, прогноз.
Ph.D. Denisenko V. P. (DonSTU, Alchevsk, LNR)
INFLUENCE OF SMALL-AMPLIFIED TECTONIC BREAKDOWNS OF THE MASSIVE ON THE DYNAMICS OF THE METHAN-BEARING CAPACITY IN THE WORKINGS OF THE CUTTING SITE
The results of studying the actual methane-bearing capacity of excavation site during the coal seams mining in the areas of tectonically dislocated coal-bearing massif are given. The regularities were experimentally determined and the dependence of changing the methane-bearing capacity of the excavation site on the parameters of low-amplitude tectonic disturbances was proposed.
Key words: coal mine, methane metabolism, coal-rock massif, tectonic disturbances, forecast.
