Анализ газовых балансов выемочных участков шахт

УДК 622.411.33

В.А. Ковалев, Л.А. Шевченко

АНАЛИЗ ГАЗОВЫХ БАЛАНСОВ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТ

Формирующиеся в настоящее время тенденции при подземной добыче угля в шахтах Кузбасса и России в целом характеризуются резким ростом нагрузок на очистные забои при внедрении высокопроизводительной выемочной техники. Запланированная интенсификация роста угледобычи в Кузбассе до 270 млн. тонн в год невозможна без всестороннего решения многих проблем безопасности ведения горных работ, в том числе проблемы управления газовыделением в горные выработки, которое могло бы снять все ограничения для работы комбайна по газовому фактору. [1]

Решение данной проблемы предусматривает комплекс технических и организационных мероприятий, направленных на устранение лимитирующего влияния газового фактора на производительность очистного забоя и повышение безопасности работ при подземной добыче угля.

Первым шагом в решении проблемы является детальный анализ газового баланса выемочных участков шахт с целью выявления наиболее интенсивных источников газовыделения.

Анализ результатов газовых съемок, проведенных на выемочных участках шахт, где работают высокопроизводительные очистные комплексы (шахта «Котинская», им. С.М. Кирова ОАО СУ-ЭК-Кузбасс) показывают, что структура газового баланса существенно меняется в сторону увеличения доли метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта (обнаженная поверхность забоя, плюс отбитый уголь) и соответственно уменьшения доли газа, поступающего из выработанного пространства, при этом первая составляющая находится в прямой зависимости от скорости по-двигания очистного забоя.

Подобные явления характерны для очистных забоев, оснащенных современной техникой нового

поколения, способной обеспечивать суточную добычу до 25000 тонн и более. В этом случае за счет более быстрых темпов подвигания очистного забоя (до 25 метров в сутки) изменяется характер геомеханических процессов, протекающих в породах кровли разрабатываемого угольного пласта. Зона разгрузки вмещающих толщ и заключенных в них угольных пластов, как в кровле, так и в почве, значительно отстает от линии очистного забоя, что затрудняет миграцию метана из подработанных пластов в выработанное пространство, а затем и в забой с одной стороны и повышает интенсивность газоотдачи с обнаженной поверхности пласта в зоне работы комбайна, а следовательно, и из отбитого угля с другой. В силу этого при увеличении скорости подвигания очистного забоя краевая зона пласта не успевает дегазироваться естественным путем, и ее остаточная газоносность стремится к уровню природных значений.

Для исследования влияния скорости подвига-ния очистного забоя, оборудованного высокопроизводительным комплексом на его газообиль-ность, нами были проанализированы данные по газообильности лав 2592 и 2454 шахты им. С. М. Кирова при различных темпах очистных работ (рис.1).

Кривые на рис.1 отражают рост абсолютной газообильности участка как интегрального показателя, характеризующего сложные газодинамические процессы в угольном пласте при его последовательном циклическом разрушении комбайном по челноковой схеме. Фактор скорости подвига-ния линии забоя определяет уровень остаточной газоносности угля в призабойной зоне пласта, которая, в свою очередь, переходит в отбитый уголь, постепенно снижаясь в процессе его движения по

2

В.А. Ковалев, Л.А. Шевченко

конвейерной линии лавы и конвейерного штрека. Зная газоносность угля в начальный момент его отбойки от массива и в момент выхода за пределы участка, а также общую массу угля, находящегося на конвейерах, можно рассчитать объем метана, выделяющегося из этого источника.

В процессе отработки угольного столба длина конвейерного штрека уменьшается, следовательно снижается и масса транспортируемого угля и его газоотдача. Так, например, в начальный период отработки столба длиной 2 км лавой в 250 м масса угля на конвейерной линии может составлять 225 т снижаясь к концу до 25 т, что безусловно скажется на структуре газового баланса участка.

Аналитически зависимость абсолютной газо-обильности забоя от скорости его подвигания может быть выражена функцией

I = 1о + 1а-У п

или

I = 1о

где 10 - минимальная абсолютная газообильность при остановленном забое, м3/мин; V - скорость подвигания забоя, м/сут; п - коэффициент, характеризующий темп нарастания абсолютной газо-обильности при увеличении скорости подвигания забоя.

Формулы (1) и (2) характеризуют изменение абсолютной газообильности всего участка в зависимости от скорости подвигания забоя в направлении выемки столба. Вместе с тем имеют место вариации уровней газовыделения с обнаженной поверхности пласта и отбитого угля в пределах длины лавы в зависимости от положения комбайна относительно ее верхней и нижней границ. [2]

При челноковой схеме работы комбайна в лаве различные отрезки ее длины будут иметь неодинаковые условия для естественной газоотдачи как с поверхности обнажения угольного массива, так и из отбитого с этих отрезков угля. При движении комбайна сверху вниз, он начинает отбивать уголь в верхней части лавы, которая имела в этот момент максимальное время обнажения, равное двойному времени цикла, т.е. комбайн вновь приходит в эту точку после двойного прохода по лаве. Аналогичная ситуация имеет место при движении комбайна снизу вверх. Минимальное время обнажения в каждом цикле будут иметь средние участки лавы, что будет способствовать их более высокой газоотдаче по сравнению с верхней и нижней частями.

Общее газовыделение из отбитого угля посту-

пающее в исходящую струю лавы будет возрастать при движении комбайна снизу вверх и уменьшается при обратном ходе. Кривые газовы-деления из двух вышеупомянутых источников представлены на рис.2. В случаях длительных остановок комбайна на рис.2 исчезают кривые 2 и 3, а кривая 1 постепенно видоизменяется в прямую, параллельную оси абсцисс.

Кроме общей массы и разности начальной и остаточной газоносности отбитого угля на процесс истечения метана из кусков угля будет влиять и его фракционный состав. Очевидно, что с изменением крупности частиц будет изменяться поверхность, через которую проходит фильтрация метана, при этом с увеличением крупности влияние ее на интенсивность газовыделения уменьшается и при достижении некоторого предельного размера практически прекращается.

За время транспортирования по конвейерной линии в пределах участка фракция угля 50 мм отдает в выработки до 50% метана, оставшаяся часть выделяется уже на главных выработках или на поверхности. Более мелкие фракции могут дегазироваться в пределах участка до 70-80%, что наблюдается при наличии в угольных пластах перемятых пачек или в зонах, примыкающих к геологическим нарушениям.

Оценивая общий газовый баланс участка необходимо иметь ввиду, что процессы метановы-деления из пласта и выработанного пространства являются случайными по своей природе и соотношение их элементов может постоянно меняться в ту или иную сторону, однако общая тенденция преобладания доли газоотдачи из разрабатываемого пласта неизменно сохраняется, усиливаясь с увеличением скорости подвигания очистного забоя. Отклонения от указанных зависимостей могут быть только при первичной посадке лавы, когда нарушается баланс в сторону повышения поступлений газа из выработанного пространства, однако этот процесс является непродолжительным по времени, хотя и требует соблюдения максимальных мер безопасности при его проведении.

Отмеченные тенденции формирования газового баланса выемочных участков являются общими для всех шахт, где применяются высокопроизводительные очистные комплексы нового поколения и требуют разработки единых подходов к решению проблемы газовой безопасности при ведении горных работ в подземных условиях. [3]

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курта И.В. Особенности управления газовыделением при интенсивной отработке угольных пластов опасных по самовозгоранию / И.В. Курта, Г.И. Коршунов, О.И. Казанин, М.А. Логинов/ / Горный информационноаналитический бюллетень. М. МГГУ.- 2011. - № 7. С 31...33.

2. Шевченко Л.А. Газодинамические процессы в призабойной зоне мощных угольных пластов. / Вестник Куз ГТУ.-№ 1.2010 - С.62-64

3. Шевченко Л.А., Портола В.А. Организационные меры по снижению газообильности очистного забоя при ин-

тенсивной отработке высокогазоносных угольных пластов. / Материалы 5 Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» КузГТУ - Кемерово, 2004.- С.209.212

Авторы статьи

Ковалев Владимир Анатольевич докт.техн.наук, профессор, ректор КузГТУ. Email: kva@kuzstu.ru

Шевченко Леонид Андреевич, докт.техн.наук, профессор, зав. каф. аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ. Email: chla@kuzstu.ru