Газовыделение из отрабатываемого пласта с учётом геомеханических процессов во вмещающем массиве

© М.В. Шинкевич, 2013

УЛК 622.272.6 М.В. Шинкевич

ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ ОТРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА С УЧЁТОМ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВМЕЩАЮЩЕМ МАССИВЕ*

Обоснован метод расчета динамики притока метана из отрабатываемого пласта при его отработке длинным очистным забоем, учитывающий нелинейность геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород с целью повышения эффективности управления газовыделением.

Ключевые слова: углеметановый пласт, очистной забой, массив горных пород, сдвижения, метановыделение, управление газовыделением.

Из классической геомеханики следует, что движение очистного забоя приводит к периодическому изменению размеров зависающих консолей подрабатываемых слоев пород, участвующих в формировании опорного давления. Формирование консолей сопровождается поднятием слоев пород над пластом впереди зоны максимальных напряжений. Известен принцип «волны Вебера» (1920 г.), согласно которому с удалением от разрабатываемого пласта амплитуда волны снижается, а ее период увеличивается. Натурными исследованиями Ж.М. Канлыбаевой (1960 г.) инструментально доказано, что даже в слабых породах (аргиллиты) при глубине залегания отрабатываемого пласта около 100 м и длине очистного забоя 100 м поднятие нижней части кровли достигает 3 см на расстоянии 10-15 м от плоскости забоя. И. Л. Черняком и В.Е. Зайденваргом (1994 г.) аналитически показано, что с ростом прочности пород кровли и глубины разработки этот эффект возрастает, при этом происходит «топтание» пласта горным давлением. Немецкими учеными [1] аналитически и экспериментально доказано, что распределение горного давления на

*Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.

секции механизированной крепи очистного забоя имеет волнообразный характер, но без идентификации соответствующей модели.

Сложность суждения о геомеханических процессах при ведении горных работ в массиве объемом в сотни миллионов кубических метров (длина очистного забоя до 300 м, длина выемочного столба до 3 км, глубина залегания до 700 м) можно снизить, используя разрабатываемый в ИУ СО РАН подход [2, 3]. Его сущность заключается в неразрывности связи изменений газокинетических характеристик массива с геомеханическими процессами. Следовательно, для оценки параметров геомеханических процессов по динамике выделения метана в зону ведения горных работ достаточно учесть, что углеметановое месторождение - массив горных пород, в котором размещены пластины-индикаторы, стремящиеся реализовать свой газовый потенциал соответственно разгрузке от горного давления. При этом, непрерывно действующая электронная система рудничного мониторинга обеспечивает контроль аэрогазодинамического процесса по распределенной системе датчиков, имеющих инерционность 10-20 с. Уже первый (2000 г.) анализ электронных баз данных этих систем на высокопроизводительном выемочном участке позволил увидеть волнообразность изменений метанообильности по длине выемочного столба с периодом, несоизмеримо большим шага обрушения.

Аналогичные исследования динамики метанообильности, но уже подготовительных выработок, показали [4,5], что развитие иерархии структур в приконтурной части выработки соответствует каноническому [6] параметру (^2)п, где п - уровень структурной иерархии.

Для соблюдения единства причинно-следственных связей в газогеомеханических процессах, как при проведении подготовительных выработок (радиальная разгрузка), так при движении длинного очистного забоя (вертикальная разгрузка), целесообразно иметь единый показатель Ф=^2. Для радиальной разгрузки - Фп; для вертикальной разгрузки - Ф2п.

Несмотря на весьма представительный объем горноэкспериментальных исследований геомеханических процессов методами рудничной аэрогазодинамики, их результаты все-таки несколько косвенные, поскольку включают еще один явно нелинейный процесс - изменение состояний углеметановых пла-

стов с формированием неустойчивых газовых потоков в направлении зоны контроля. По этой причине эти исследования были дополнены наблюдениями изменений давления в стойках секций механизированной крепи. Измерения давления проводились практически ежесуточно в ремонтную смену и явились ярким подтверждением волнообразности изменения горного давления при движении очистного забоя.

Горно-экспериментальные наблюдения за давлением жидкости в стойках механизированной крепи проводились при отработке лавы 3-32 на шахте «Алардинская» и лавы 351 шахты «Чертинская-Коксовая» (рис. 1 и 2). Для удобства анализа значения давлений интерпретированы через мощность слоя пород, вес которого соответствует реакции крепи.

Условия лавы 3-32 шахты «Алардинская»: глубина горных работ - 650 м, вынимаемая мощность пласта - 4,5 м, газоносность - 25 м3/т, длина очистного забоя - 200 м, скорость под-вигания около 3 м/сут, кровля труднообрушаемая, шаг обрушения основной кровли около 24 м.

Условия лавы 351 шахты «Чертинская-Коксовая»: глубина горных работ - 370 м, вынимаемая мощность пласта - 3 м, газоносность - 22 м3/т, длина очистного забоя - 180 м, скорость подвигания около 2 м/сут, кровля средней обрушаемости, шаг обрушения основной кровли около 5 м.

Количественная оценка результатов выявила периодичность изменения давления, кратную длине очистного забоя [7].

Расширение базы горнотехнологических данных разрабатываемых участков месторождений с различной стратиграфией и последовательностью отработки пластов в свите позволило выявить, что волнообразность является совокупностью вложенных относительно внешней кривой периодических функций, параметры которых кратны двум [8, 9].

Тогда, массив горных пород в области развивающихся геомеханических процессов можно представить в виде совокупности геомеханических слоев, мощности которых равны высотам формирующихся в них сводов (рис. 3). Обобщая результаты исследований газогеомеханических процессов при движении забоев, можно констатировать, что повышение разрешающей способности методов контроля уточняет закономерности процессов и раскрывает новые подробности деформационно-волновой природы реакции геосреды на изменение

I), IV!

Рис. 1. Своды давления на секции механизированной крепи при отработке пласта с труднообрушаемой кровлей

Рис. 2. Своды давления на секции механизированной крепи при отработке пласта с кровлей средней обрушаемости

внешних условий. А так же указывает на единство причинно-следственных связей в нелинейных техногенных процессах при движении длинного очистного забоя.

Рис. 3. Вертикальная схема геомеханической структуризации вмещающего массива: Ц - длина выработки; Ьп - мощность геомеханических слоев

Рис. 4. Метановыделение из отрабатываемого пласта при фактической скорости подвигания очистного забоя

Поскольку динамика метанообильности выемочного участка, являясь следствием геомеханических процессов, отражает реакцию угольного пласта на технологическое воздействие, то появляется возможность количественно оценить изменения величины горного давления. А дополняя эту оценку зависимостью газосодержания пласта от нормальных напряжений [8, 10], можно определять выделение из него газа (рис. 4). При оперативном отслеживании метанообильности очистного забоя, решая обратную задачу, можно уточнять технологические

решения по обеспечению ритмичности подвигания. На рис. 4 представлена структура газовыделения из пласта, включающая: переток метана из приконтурной части пласта в выработанное пространство через породы кровли, метановыделение через поверхность забоя, метановыделение из отбитого и транспортируемого угля, суммарная величина.

Формирование свода сдвижений по длине лавы вызывает частичную разгрузку пласта впереди забоя примерно на половину ее длины [11, 12]. С учетом этого эффекта разработан способ дегазации отрабатываемого газоносного угольного пласта [13].

Из сравнения фактических и расчетных данных по разработанному и нормативному методам (рис.5) видно, что разработанный метод обеспечивает большую точность прогноза.

Существенные изменения по длине выемочного столба допускаемой среднесуточной производительности участка требуют приведение в соответствие и допускаемой рабочей скорости комбайна (рис. 6).

Рис. 5. Сравнение метановыделения расчетного, фактического и по нормативному методу

Представленные результаты исследований показывают преимущества научной основы управления газовыделением при работе высокопроизводительного очистного забоя с оценкой ожидаемых ситуаций на любом интервале длинного выемочного столба. Заложенная в эту основу интеграция методов механики горных пород и рудничной аэрогазодинамики

vK, м/мин ^—допускаемая

5

4

3

2

1

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 LB,M

Рис. 6. График допускаемой по газовому фактору рабочей скорости комбайна при переменной по длине выемочного столба среднесуточной производительности участка

позволяет увязать и развить известные особенности процессов разгрузки и сдвижений массива горных пород, кинетику выделения метана из основных источников и физико-химические характеристики углеметановых геоматериалов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ройтер М. Волнообразное распределение горного давления вдоль забоя лавы / М. Ройтер, В. Курфюст, К. Майрховер, Ю. Векслер. // ФТПРПИ. - 2009, - № 2. - С. 38-44.

2. Полевщиков Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., - 2001. - № 5. - С. 121-127.

3. Полевщиков Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М., 2002. - №11. - С. 117-120.

4. Полевщиков Г.Я. Газогеомеханические процессы при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. -№ 2. - С. 36-45.

5. Полевщиков, Г.Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г.Я. Полев-щиков, М.С. Плаксин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. -№ 5. - С. 3-7.

6. Опарин В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум, В.Н.

™ »средняя

—

л

Рева, Б.П. Батдиев, Э.А. Троп, А.И. Чанышев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2008. - 278 с.

7. Полевщиков Г.Я. Фрактальная особенность структуризации массива горнык пород в изменениях давления на призабойную часть отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, А.В. Радченко, Е.В. Леонтьева, А.А. Черепов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал.- Кемерово, - 2013. - № 1. - С. 16-23.

8. Полевщиков Г.Я. Влияние периодичности процессов сдвижений пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Материалы XVIII Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках». Симферополь: Таврич. нац. Ун-т. - 2008. - С.276-279.

9. Полевщиков Г.Я. Волновые геомеханические процессы в динамике метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды научной конференции с участием иностранных ученых (06 - 10 июля 2009; Новосибирск). - Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН. - 2010. - С.311-317.

10. Малышев Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни -М.: ИАГН, 2000. - 516 с.

11. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 176 с.

12. Шинкевич М.В. Расчеты параметров метановыделения при отработке пласта высокопроизводительным выемочным участком с учетом геомеханического процесса впереди очистного забоя / М.В. Шинкевич // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово, 2010. - № 1. - С. 35-39.

13. Пат. №2392442 Российская Федерация, d,E21F7/00 Способ дегазации отрабатываемого угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич; Заявл. 27.10.2008; опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Шинкевич Максим Валериевич - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории газодинамики угольных месторождений, gas coal@icc.kemsc.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.