Методика расчета притоков метана из очистного забоя по результатам газовой съемки в ремонтную смену

- © Г.Г. Каркашадзе, Ю.А. Семыкин,

М.Г. Лупий, 2014

УДК 622.411.33

Г.Г. Каркашадзе, Ю.А. Семыкин, М.Г. Лупий

методика расчета притоков метана из очистного забоя по результатам газовой съемки в ремонтную смену

Представлена методика расчета притоков метана из очистного забоя, основанная на сопоставлении результатов газовой съемки в ремонтную смену и теоретического решения задачи. При известных значениях пластового давления и параметров сорбции Ленгмюра вычисляют проницаемость угля в очистном забой. Затем определяют притоки метана в очистной забой в зависимости от скорости движения комбайна в процессе отбойки угля.

Ключевые слова: очистной забой, уголь, метан, газовая съемка, проницаемость, пластовое давление, притоки метана в лаву.

Притоки метана из очистного забоя зависят от проницаемости угольного пласта в зоне опорного горного давления, величины пластового давления метана, параметров сорбции в изотерме Ленгмюра, площади поверхности забоя и режима работы комбайна и лавного конвейера.

Расчет притоков метана в лаву из угольного пласта осуществляется по многофакторной методике, предусматривающей последовательное экспериментальное определении указанных параметров. Так, например, пластовое давление может быть измерено двумя путями:

• первый, по лабораторным значениям параметров сорбции Ленгмю-ра, фактической газоносности пласта и затем расчетом;

• второй, по результатам прямых шахтных измерений давления метана в закрытых пластовых скважинах, или в скважинах, пробуренных в угленосный массив через породную пробку.

Что касается проницаемости угля в очистном забое в зоне опорного горного давления, то этот параметр наиболее достоверно определяется по результатам решения обратной задачи сопоставлением результатов

теоретического решения и данных регулярной газовой съемки в ремонтную смену. Такая методика позволяет наиболее правомерно выполнить прогноз проницаемости угольного пласта в очистном забое в конкретных горно-геологических условиях. Данный подход оправдан еще и тем, что ежесуточный оперативный расчет проницаемости угля в очистном забое позволяет принимать необходимые организационные и технические решения с целью безопасной отработки пласта, особенно на участках опасных по проявлению геодинамических явлений.

К тому же следует иметь в виду, что иные способы определения проницаемости угольного пласта в очистном забое, например, по результатам нарастания давления в закрытой пластовой скважине не имеют высокой достоверности. По существу проницаемость одного и того же угля, измеренная вокруг скважины и в очистном забое, могут различаться на несколько порядков, что обусловлено влиянием концентрации напряжений, вызывающих рост микротрещин.

Таким образом, первым требованием к организации безопасных работ

Таблица 1

Газовая съемка в лаве

Дата: 28.07.2013; 1 смена ш. им. С.М. Кирова. Лава 24-61

№ секции крепи Расстояние, м Скорость струи, м/с Концентрация метана, %

10 15,9 4,06 0,06

20 31,8 4,43 0,12

30 47,6 4,28 0,15

40 63,5 4,34 0,2

50 79,4 4,42 0,23

60 95,3 4,38 0,26

70 111,2 4,36 0,28

80 127,1 4,08 0,35

90 142,9 4,03 0,43

100 158,8 4,07 0,46

110 174,7 4,28 0,48

120 190,6 4,44 0,5

130 206,5 4,13 0,53

140 222,4 3,78 0,55

150 238,2 3,76 0,59

160 254,1 4,02 0,65

170 270 3,98 0,69

Расход воздуха на входе в лаву: 1647 м3/мин; на выходе 1152 м3/мин

в очистном забое является получение производственной информации на основе замеров концентрации метана и скорости вентиляционного потока в лаве. В табл. 1 в качестве примера представлена требуемая информация, полученная при выполнении за-

I-

£ 9.8

° п 30 60 90 120 150 116 110 140 110 Дтсна лавы, м

рис. 1. Концентрация метана в вентиляционной струе

меров на шахте им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс».

На рис. 1 и 2 представлены концентрации метана и скорость потока вдоль лавы.

По данным измерений концентрация метана в вентиляционном потоке

5

« № ш iso m m Длина ла&ы, .ч

рис. 2. Скорость вентиляционной струи вдоль лавы

Рис. 3. Поток метана в вентиляционной струе

непрерывно возрастает и достигает максимума 0,7% на выходе потока из лавы в конвейерный штрек. По данным табл. 1 строят зависимость объемного потока метана в вентиляционной струе по длине лавы (рис. 3).

В работе [1] разработана методика определения суммарных массовых притоков метана в лаву. В частном случае массовый приток метана из угольного забоя и вмещающих пород составляет 7,1 кг/мин.

На основании типичных данных газовой съемки разработана методика определения проницаемости угля в зоне опорного давления угольного забоя в выемочном столбе на основе шахтных измерений. По результатам шахтной газовой съемки в лаве в ремонтную смену можно вычислить притоки метана в выработанное пространство из очистного забоя угольного пласта и вмещающих пород. Для вычисления проницаемости угля в очистном забое следует установить долю метана, выходящего из угля и вмещающих пород. Предположим, что на долю очистного забоя приходится 95% метана, остальное - на вмещающие породы. Основанием для такого предположения является то, что согласно справочным данным проницаемость вмещающих пород,

сложенных из аргиллита, при прочих равных условиях, на порядок меньше проницаемости угля. При этом отметим, что данный вопрос требует дополнительных экспериментальных исследований, например, с помощью специальных площадных датчиков измерения расхода, прикладываемых большой площадью к поверхности очистного забоя или породам кровли и почвы.

В методике расчета нагрузки на очистной забой, описанной в работах [2, 3], дано обоснование правомерности применения в расчетной модели дифференциального уравнения массопереноса метана [4], которое в одномерной постановке задачи имеет

вид р + 2

дх I дх

П

1 + А-

аЬ

др

"дГ

где р = р (х, $ - давление газа, Па; х -координата, м; t - время, с; ц - динамическая вязкость газа, Па-с; П - пористость угля; к - коэффициент проницаемости угля, м2; А - размерный коэффициент [2]; а, Ь - параметры изотермы сорбции Лэнгмюра.

Таким образом, фильтрация газа из пласта в сторону свободной поверхности происходит вследствие градиента давлений при заданном начальном распределении давления газа в угольном пласте. Методика опирается на предельный случай, когда начальное давление метана в пласте распределено равномерно и равно максимальному пластовому давлению

Р

На границе со свободной поверхностью давление газа равно атмосферному, а на бесконечном удалении давление постоянное:

рис. 4. Притоки метана в лаву: 1 - очистной комбайн; 2 - вентиляционный штрек; 3 - откаточный штрек

р

дх

= 0

Правомерность использования начального условия (3) обусловлена тем, что длительность дегазации очистного забоя в атмосферу перед каждым очередным циклом заход-ки комбайна не превышает 60 мин. В течение этого времени дегазация забоя происходит на глубину не более 0,1 м, что существенно меньше ширины 0,8 м заходки комбайна. По этой причине расчетный приток метана с поверхности забоя при использовании условия (3) практически не отличается от притока метана в задаче с начальным условием, учитывающим неравномерность распределения давления.

Удельный приток метана из глубины забоя рассчитывается по формуле

Я( х, t) =

к др

1) я = 12 м3/т (Р = 1,654 МПа); 2) я = 9 м3/т (Р = 1,17 9 МПа); 3) яг = 7 м3/т (Рпл = 0,899 МПа) пл

Длина зоны притоков метана в лаве L = 220 м; мощность пласта т = 2,23 м

рис. 5. Приток метана в лаву в зависимости от проницаемости угля

ц дх

На рис. 4 представлена расчетная модель очистного забоя, представленная в работах [2, 3] и описывающая поступление метана из всех источников, в том числе из угольного забоя.

В модели принято допущение о плоскопараллельном потоке метана из очистного забоя (аналог допущения Дюпюи в теории фильтрации). При скорости движения комбайна V и его расположении на кон-

Таблица 2 исходные данные

№ п/п Параметр Значение

1 Динамическая вязкость метана, Па-с 0,018-10-3

2 Температура газа, К 300

3 Постоянная сорбции Лэнгмюра, Па-1 0,207-10-6

4 Максимальное газосодержащие по изотерме Лэнгмюра, м3/тк 49,3

5 Пористость угля 0,02

6 Объемная масса угля, кг/м3 1280

7 Длина зоны притоков метана, м 220

8 Мощность пласта, м 2,23

цевом участке лавы длиной Ь, суммарный приток метана Q

*) = 160 • т • я1\ 0,-16х, м/мин.

0 ^ * )

По условию поставленной задачи нам известен приток метана из очистного забоя в середине рабочей смены в момент времени Т1, отсчитываемый после остановки комбайна в конце третьей смены. Поэтому вместо расчетной формулы (6) следует использовать, как в частном случае, следующую формулу

где я (0, Т2) - удельный поток метана из очистного забоя в момент времени

Т1.

Таким образом, представленные зависимости составляют полную методическую основу для решения обратной задачи о расчете проницаемости угольного пласта по результатам газовой съемки в ремонтную смену. С той же целью на базе уравнения (1) методом конечных элементов выполним расчеты притоков метана. Исходные данные представлены в табл. 2.

На рис. 5 показана зависимость притока метана из очистного забоя через 3 часа после начала ремонтной смены от проницаемости угля при различных значениях газоносности и пластового давления метана. Графики отражают рост притока метана с увеличением проницаемости и газоносности углей.

В качестве демонстрационного примера вычислим проницаемость угля, если по результатам газовой съемки в середине времени ремонтной смены приток метана составляет 3,5 м3/мин. Пластовое давление определено ранее методом перекрытия устья дегазационной скважины и составляет 1,18 МПа. Константы изотермы Лэнгмюра определены в лабораторных условиях и соответствуют газоносности угля 9,0 м3/т. Судя по рис. 5 искомая проницаемость на пересечении двух линий (жирная точка на графике) составляет 0,25 мД.

Таким образом, продемонстрирован методический прием решения обратной задачи при определении проницаемости угля в очистном забое по результатам газовой съемки в ремонтную смену. Эта величина вместе с величиной пластового давления метана определяют притоки метана в очистной забой в зависимости от скорости движения очистного комбайна, что подробно описано в работе [3].

список литературы

1. Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Ермак Г.П. Определение концентрации метана в выработанном пространстве по результатам съемки параметров вентиляционного потока вдоль лавы // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 4. Депон. рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Спр. № 880/04-12 от 23 января 2012 г. (12 с.).

2. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Ко-ликов К.С. Обоснование допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Труды научного симпозиума «Неделя горня-

коротко об авторах

ка-2009». - М.: ИД ООО «Роликс», 2009. С. 151-159.

3. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Ко-ликов К.С., Ермак Г.П. Аналитическая методика расчета допустимой нагрузки на очистной угольный забой по газовому фактору // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 6. -С. 53-59.

4. Полубаринова-Кочина П. Я. О неустановившейся фильтрации газа в угольном пласте // Прикладная математика и механика. -1953. - Т. 17. - № 6. - С. 735-738. ЕИЗ

Каркашадзе Гиоргий Григолович - доктор технических наук, профессор, e-mail: g-karkashadze@mail.ru, МГИ НИТУ «МИСиС»;

Семыкин Юрий Анатольевич - горный инженер, e-mail: SemykinUA@suek.ru, Лупий Михаил Григорьевич - горный инженер, ОАО «СУЭК-Кузбасс».

UDC 622.411.33

CALCULATION PROCEDURE FOR METHANE INFLOW FROM PRODUCTION FACE BY DATA OF GAS SURVEY DURING MAINTENANCE SHIFTS

Karkashadze G.G., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: g-karkashadze@mail.ru, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»; Semykin Yu.A., Mining Engineer, e-mail: SemykinUA@suek.ru, Lupiy M.G., Mining Engineer, SUEK-Kuzbass JSC.

The article describes the calculation procedure for methane inflow from production face based on comparison of the data of gas survey during maintenance shift and theoretical solution results. With the known values of seam pressure and Langmuir sorption parameters, coal permeability in production face is calculated. Later on, methane inflows in production face are determined depending upon shearer advance velocity in the course of coal cutting.

Key words: production face, coal, methane, gas survey, permeability, seam pressure, methane inflows in longwall.

REFERENCES

1. Karkashadze G.G., Ivanov Ju.M., Ermak G.P. Opredelenie koncentracii metana v vyrabotannom prostranstve po rezul'tatam s#emki parametrov ventiljacionnogo potoka vdol' lavy (Estimation of methane concentration in mined-out stope by survey data on ventilation flow parameters along longwall), Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2012, no 4, p. 12.

2. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S. Obosnovanie dopustimoj nagruzki na ochistnoj zaboj po gazovomu faktoru. Trudy nauchnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2009» (Validation of allowable face output by gas factor. Miner's Week-2009 Symposium Proceedings), Moscow, ID OOO «Roliks», 2009, pp. 151-159.

3. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S., Ermak G.P. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2013, no 6, pp. 53-59.

4. Polubarinova-Kochina P.Ja. Prikladnaja matematika i mehanika, 1953, vol. 17, no 6, pp. 735-738.