Динамика метанообильности выемочных участков угольных шахт

© E.H. Козырева, 2013

УДК 622.272.6 Е.Н. Козырева

ДИНАМИКА МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ*

Представлены результаты исследований связи динамики метанообильности высокопроизводительных выемочных участков с развитием нелинейных геомеханических процессов в массиве горных пород, перспективные для решения горнотехнологических задач шахт Кузбасса.

Ключевые слова: массив горных пород, нелинейные геомеханические процессы, динамика, метанобильность, выемочный участок.

Разработка углеметановых месторождений всегда связана с возникновением интенсивных газовых потоков, как по направлению к выемочному участку, так и через массив горных пород к дневной поверхности. В разгрузку вовлекаются огромные объемы газоносного массива. Распределение в пространстве и интенсивность газовых потоков зависят, во-первых, от горнотехнологических параметров (порядок отработки пластов в свите и выемочных столбов на выемочном поле, длина лавы, скорость подвигания очистных забоев и т.д.). Во-вторых, от газокинетических свойств и характеристик массива горных пород (общий газовый потенциал вмещающего массива и его неравномерное распределение относительно отрабатываемого пласта). Реализация газового потенциала массива формирует газовую и газодинамическую опасность горных работ. Вслед за развивающимися геомеханическими процессами происходит существенное, иногда в динамической форме, изменение динамики метанообильности выемочных участков на значительных интервалах столбов. Для снижения негативного влияния этих особенностей необходимо еще на стадии проектирования учитывать закономерности процессов во вмещающем массиве.

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

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

( )ТЧ, 1 .lailhl (П МОНТйЖНйМ I.ÜМ1|) 1.1. м

ч* - угол полных сдвижений подрабатываемого массива; нормированная метанообильность: ---квазистатическая динамическая — суммарная

Рис.1. Формирование газокинетического паттерна массива горных пород

Исследования в этой области начали проводиться в ИУ СО РАН с конца 90-х годов прошлого века. Анализ данных непрерывно действующих электронных систем мониторинга рудничной атмосферы позволил установить [1,2] периодичность динамики газопритоков на выемочный участок (газокинетический паттерн выемочного участка - уникальная волновая подпись массива). Схема этих изменений, приведенных к скорости под-вигания забоя 1 м/сут, показана на рис.1. Установлено, что волнообразность согласуется с геометрией сдвижений подрабатываемых пород.

Дальнейшие исследования подтвердили и развили полученные результаты [3-6], их практическое применение регламентировано патентами РФ на изобретения [7-11], а основные результаты получили признание и вошли составной частью в работу, удостоенную Премией им. академика А.А. Скочинского [12].

Сопоставлением фактических и расчетных данных установлено, что повышение скорости подвигания забоя снижает долю

Й - 0,6

0

\ с ,1

У II 1 1 / о • г

1 J —i

о

10

11

12

1 2 3 4 5 6 7 8 1 скорость подвигания забоя, м/сут участки месторождений: I - Осинниковское; II - Ленинское; III - Распадское

Рис. 2. Влияние скорости подвигания очистного забоя на реализацию газового потенциала массива горных пород

реализации газового потенциала массива по экспоненциальному закону (рис. 2). При этом абсолютная (м3/мин) метанообиль-ность выемочного участка увеличивается, но не прямо пропорционально скорости подвигания забоя.

В настоящее время при выполнении исследований используются современные представления о комплексном влиянии природных свойств массива и их техногенных изменений с привлечением научного открытия российских ученых о деформационно-волновых процессах в окрестности горных выработок на рудных месторождениях [13].

Обоснована и развита полуэмпирическая модель развития нелинейных газогеомеханических процессов в массиве горных пород при подземной разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию [14, 15]. Разработанная модель обобщает особенности формирования зональной дезинтеграции массива впереди очистного забоя (радиальная разгрузка) и иерархии геомеханических слоев в выработанном пространстве (вертикальная разгрузка) (рис. 3). Эта модель является физической основой газокинетического паттерна.

Горный блок представлен в виде совокупности геомеханических слоев п-го уровня иерархии. Динамика выделения газа (газокинетический паттерн) из источников в каждом геомеханическом слое по периодичности изменений соответствует геомеханическому паттерну, а доля реализации его газового

Рис. 3. Геомеханическая схема формирования и развития зональной дезинтеграции массива горных пород при отработке выемочного столба

потенциала на выемочный участок (амплитуда) при скорости подвигания забоя 1 м/сут обратно пропорциональна удаленности залегания от отрабатываемого пласта. Реализация газовых потенциалов источников протекает в виде иерархии вложенных сводов, параметры которых кратны: л/2 - по амплитуде; 2 - по периодичности.

Эти особенности принципиально важны для определения параметров комплексной схемы управления газовыделением на выемочном участке, так как с ними связана интенсификация газовых потоков, а, следовательно, эффективность не только комбинированного проветривания, но и дегазации вмещающего массива.

Разработан метод расчета основой характеристики для выбора способов и средств управления газовыделением на выемочном участке - метанообильности при заданном графике

подвигания забоя с учетом нелинейности геомеханических процессов.

Основные положения метода расчета.

1) Совокупность реакции геомеханических слоев в мета-нообильности выемочного участка при скорости подвигания забоя 1 м/сут отражает индивидуальные особенности разрабатываемого горного блока и определяется как геомеханический паттерн.

2) При наличии в слоях газоносных пород системой газового мониторинга шахт регистрируются параметры газокинетического паттерна. Реализация газового потенциала источника протекает волнообразно и подчиняется принципу суперпозиции с кратность, соответствующей структурному параметру

геосреды (2) и учитывает удаленность подрабатываемых и надрабатываемых пластов от разрабатываемого.

3) Совмещение газокинетического паттерна с графиком скорости подвигания забоя и учет порядка отработки пластов в свите позволяют рассчитать горнотехнологический паттерн и выполнить прогноз абсолютной метанообильности выемочного участка с учетом динамики поступления метана из отрабатываемого пласта [5, 15].

Обоснование комплексного управления притоком метана на действующий высокопроизводительный участок позволяет конкретизировать инженерные мероприятия по нормализации газовой обстановки в горных выработках. Например, оптимизировать длины очистных забоев и выемочных столбов, мест проведения промежуточных печей и демонтажных камер по фактору горного давления, уточнить параметры дегазации, включая определение количества и мест заложения дегазационных скважин, рассчитать каптаж метана дегазационной системой, обосновать параметры системы метанодобывающих скважин.

В дополнение отметим, что необходимость проведения мероприятий по повышению эффективности управления газовыделением и повышения безопасности горных работ, в совокупности с полученными результатами расчета о наличии значительных запасов метана на угольных месторождениях Кузбасса [16], создают благоприятные предпосылки к развитию в Кузбассе технологий комплексного извлечения и использования углеметановых ресурсов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I. 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.

2. 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.

3. Полевщиков Г.Я. Газокинетический паттерн массива горных пород при отработке пласта длинным очистным забоем / Г.Я. Полевщиков // Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства: Материалы международной научн.-практич. конф., 27-29 ноября 2003 г., МНЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского. - Люберцы, 2003. - С. 171178.

4. Полевщиков Г.Я. Снижение газодинамической опасности подземных горных работ / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, T.A. Киряева, М.В. Шин-кевич, О.В. Брюзгина, A.A. Рябцев, М.С. Плаксин, Н.Ю. Назаров // Уголь. - 2007. - № 11. - С.13-16.

5. Полевщиков, Г.Я. Метановыделение из отбитого угля / Г.Я. Полев-щиков, М.В. Шинкевич // Вестник КузГТУ. - 2010. - № 5. - С. 60-63.

6. Полевщиков Г.Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г.Я. Полевщи-ков, М.С. Плаксин // Вестник КузГТУ. - Кемерово, 2011. - № 5 - С. 3-7.

7. Пат. № 2002101195/03(000717) "Способ определения зон выхода газа на поверхность при подработке горного массива очистным забоем". По-левщиков Г.Я., Козырева Е.Н., Писаренко М.В., Пестриков В.Г. Приоритет 09.01.2002.

8. Пат. № 2246006 РФ, 7E21F7/00. Способ управления кровлей в лавах при разработке газоносных пластов угля / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич. 2003117829; Заявлено 16.06.2003; Опубл. 10.02.2005, Бюл. № 4; Приоритет 16.06.2003.

9. Пат. № 2255224 РФ, 7E21F1/00. Способ проветривания очистных забоев при разрабтке высокогазоносных пластов угля длинными столбами / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, A.A. Рябцев, В.П. Тюрин, Н.И. Пантюко-ва 2003133428/03; Заявлено 17.11.2003; Опубл. 27.06.2005, Бюл. № 18; Приоритет 17.11.2003.

10. Пат. № 2392442 С1 РФ, E21F 7/00 Способ дегазации отрабатываемого угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич; Заявлено 27.10.2008; Опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17; Приоритет 27.10.2008. - 8 с.: ил.

II. Пат. № 2389876 С1 RU, E21F 5/00 Способ предупреждения динамических газовыделений из почвы при проведении выработок по газоносным пластам / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин; Заявлено 10.11.2008; Опубл. 20 мая 2010, Бюл. № 14; Приоритет 10.11.2008. -5 с.:ил.

12. Полевщиков Г.Я. Разработка методов управления газодинамическим состоянием разрабатываемых пластов на основе физико-

химических свойств углей и углеметановых геоматериалов / Г.Я. По-левщиков, А.Т. Айруни, E.H. Козырева, Т.А. Киряева, Ю.М. Иванов // Уголь. - 2008. - № 1. - С. 56-57.

13. Открытие № 400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Шемякин Е.И., Курленя М.В., Опарин H.B., Рева B.H., Глушихин Ф.П., Розенбаум М.А // БИ. 1992. - № 1. - 3 с.

14. Полевщиков Г.Я. Нелинейные геомеханические процессы в динамике метанообильности выемочных участков / Г.Я. Полевщиков, Е.Н.Козырева // Всероссийская конференция «Геодинамика и напряженное состояние недр земли», посвященной 80-летию ак. М.В. Курлени (с участием иностранных ученых) (3-6 октября 2011 года). В II т. Т. I. - Новосибирск: Ин-т горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН. - 2011. - С. 449-455.

15. Козырева E.H. Газокинетические следствия нелинейных геомеханических процессов в массиве горных пород на шахтах Кузбасса / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич, Р. И. Родин // 2-ая Российско-Китайская научная конференция «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах» Сборник трудов. - Новосибирск: ИГД СО РАН. - 2012. - С. 267-272.

16. Полевщиков Г.Я. Основы эффективной разработки углеметановых месторождений Кузбасса / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, О.В. Брюзгина // Вестник КузГТУ. - Кемерово. - 2011. - № 3. - С. 811. ГТТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Козырева Елена Николаевна - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории газодинамики угольнык месторождений, gas coal@icc.kemsc.ru

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