Метановыделение из отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве

Актуальность работы. Процессы метановыделения в горные выработки и разработка соответствующих методов прогноза относится к одной из основных проблем рудничной аэрогазодинамики. Ее сложность обусловлена неразрывностью связи газокинетических характеристик пласта с геомеханическими процессами. Но неразрывность этой связи имеет и положительный аспект, заключающийся в возможности уточнять особенности геомеханического процесса по динамике метанообильности горных работ.

В структуре газового баланса выемочного участка доля метановыделения из отрабатываемого пласта, включая отбитый уголь, составляет около 20%. Но если представляющий остальные 80% метан выработанного пространства может быть изолированно выведен на поверхность средствами вентиляции и дегазации, то газ отрабатываемого пласта реализуется непосредственно в забое и транспортных выработках. Его весьма трудно извлечь из пласта способами предварительной дегазации. Эти горнотехнологические особенности предъявляют повышенные требования к методам оценки газокинетических характеристик исследуемого в данной работе объекта с учетом изменений его свойств и состояний впереди движущегося очистного забоя.

В последние десятилетия российскими учеными активно развиваются знания о свойствах углеметанового пласта, как твердого углегазового раствора (приоритет научного открытия 1981 г.). Газосодержание твердого углегазового раствора (ТУГР) связано с действующими вертикальными напряжениями. В 1985 г. зарегистрировано научное открытие (приоритет от 1978 г.) деформационно-волновых процессов в окрестности горных выработок па рудных месторождениях, установленных прямыми наблюдениями напряженно-деформированного состояния относительно изотропного массива. В 2001 г. установлены волнообразные изменения метанообильности высокопроизводительных выемочных участков на угольных месторождениях, расширяющие границы аналитических моделей (1921;2009 гг.) периодических процессов в подрабатываемом явно анизотропном массиве горных пород.

Совокупность новых знаний позволяет более подробно рассмотреть реакцию газовой компоненты отрабатываемого пласта на изменение геомеханической обстановки в массиве горных пород с целью повышения надежности технологических решений по управлению метанообильностью высокопроизводительных выемочных участков.

Инновационному развитию этих задач соответствует активное оснащение промышленности современными системами мониторинга газовой обстановки в горных выработках на базе достаточно мощных компьютеров. Но методическое и алгоритмическое обеспечение значительно отстает от потребностей производства, без удовлетворения которых и само развитие знаний затруднено, что указывает на актуальность настоящего исследования.

Диссертационная работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте угля и углехимии СО РАН в рамках проектов № 25.2.4 «Экспериментально-аналитические основы механики газоводоносных геоматериалов» и 7.7.1.4. «Особенности процессов деформирования и разрушения массивов горных пород, включающих техногенно нестабильные двухкомпонентные геоматериалы».

Цель работы: установить эмпирические зависимости газокинетических характеристик пласта от техногенных геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород.

Идея работы: выделение метана из отрабатываемого пласта и отбитого угля обусловлено изменениями форм его существования в пласте при снижении вертикальных напряжений.

Задачи исследований.

1. Обосновать количественную оценку изменений содержания растворенного метана в углеметановом пласте с учетом сорбционной способности угля и присутствия свободного газа при снижении вертикальных напряжений.

2. Установить особенности волнообразных изменений метанообильно-сти выемочного участка при отработке выемочного столба.

3. Установить зависимость структуры газоносности пласта по формам существования метана от геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород.

4. Установить зависимость скорости выделения метана из отбиваемого угля с учетом остаточного газосодержания твердого углегазового раствора.

Методы исследований. Для решения поставленных задач, использованы методы исследований, включающие: анализ литературных источников для обоснования цели и задач исследований, горно-экспериментальные наблюдения для выявления особенностей волнообразных изменений горного давления при движении очистного забоя, статистический анализ горнотехнологических данных о газокинетических процессах на выемочном участке, численное моделирование газогеомеханических процессов на основании уточненных эмпирических зависимостей.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Изменение структуры газоносности пласта по формам существования метана при снижении вертикальных напряжений определяется снижением природного содержания метана в составе твердого углегазового раствора с соответствующим' увеличением количества сорбированного и свободного газа.

2. Динамика метанообильности выемочного участка при подвиганип длинного очистного забоя связана с периодичностью процесса сдвижений подрабатываемого массива горных пород.

3. Интенсивность поступления газа в призабойное и выработанное пространство из отрабатываемого пласта определяется изменениями структуры газоносности по формам существования метана при снижении напряжений в пласте впереди зоны опорного давления.

4. Выделение метана из отбитого угля обусловлено продолжающимся распадом углегазового раствора в результате снижения напряжений в угле от действующих на глубине стружки до атмосферного давления.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

— сходимостью результатов прогноза метановыделения из отрабатываемого пласта и отбитого угля горнотехнологическим данным систем газового контроля шахт (средние отклонения прогнозных и фактических данных по метанообильности очистного забоя и выделению метана на конвейерных штреках выемочных участков менее 17%);

— соответствием результатов обработки методом геоинформатики (2D) горно-экспериментальных данных об изменениях давления на секции механизированной крепи в процессе движения очистного забоя известным работам в области геомеханики (угол полных сдвижений и шаг первичного обрушения основной кровли);

— сходимостью установленных параметров сдвижений в подрабатываемом очистным забоем массиве горных пород и отрабатываемом пласте известным и замеренным натурными наблюдениями данным (угол полных сдвижений изменяется от 45° до 55° при его среднем значении 50°, регламентированном нормативными документами для Кузбасса);

— представительным объемом горнотехнологических данных (3 шахты, 5 выемочных участков с общей протяженностью выемочных столбов 7,4 км, длиной очистных забоев 180−240 м и их производительностью 2−10 тыс. т угля в сутки, при газоносности пластов 1225 м3/т);

— промышленной апробацией результатов прогноза метанообильности очистных забоев и рекомендуемых параметров управления метано-обильностью выемочных участков, оснащенных электронными системами газового мониторинга.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлена количественная взаимосвязь форм существования метана в структуре газоносности пласта, учитывающая рост сорбционного потенциала угля при снижении газосодержания твердого раствоpa относительно предельной газоносности пласта.

2. Обоснован алгоритм расчета параметров волнообразной активации подрабатываемых углеметановых пластов, включающий особенности процесса сдвижений массива горных пород, представленные иерархическим рядом зависимостей от глубины ведения горных работ, углов полных сдвижений и отхода очистного забоя от монтажной камеры.

3. Доказано, что изменения метанообильности очистного забоя и прилегающей к нему части выработанного пространства по мере отработки выемочного столба связаны с долей свободного газа в структуре газоносности отрабатываемого пласта при распаде твердого углегазо-вого раствора под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве.

4. Установлено, что метановыделение из отбитого угля при его транспортировании соответствует газокинетическим показателям распада остаточного газосодержания твердого углегазового раствора.

Личный вклад автора.

Защищаемые и составляющие новизну результаты, полученные лично автором:

— обоснование количественной оценки влияния горного давления на газокинетические характеристики углеметанового пласта;

— установление связи структуры газоносности отрабатываемых пластов по формам существования метана со снижением напряжений;

— уточнение особенностей изменений метанообильности из подрабатываемого массива пород;

— выявление связи изменения метанообильности очистного забоя, прилегающей к нему части выработанного пространства и выделения метана из транспортируемого угля с изменениями структуры га-зоностности отрабатываемого пласта по формам существования метана;

— апробация результатов исследования.

К результатам, полученным в неделимом соавторстве, относятся измерения показателей, характеризующих реакцию горного массива при движении очистного забоя и динамику метанообильности выемочного участка. Практическое значение работы. Результаты исследования позволяют:

— уточнять газокинетические характеристики призабойной части уг-леметанового пласта для повышения эффективности технологических решений по управлению метанообильностью очистного забоя;

— выявлять участки отрабатываемого выемочного столба, наиболее опасные по газовому фактору;

— обосновать геометрические размеры очистных забоев и выемочных столбов, схемы и режимы проветривания и дегазации высокопроизводительных выемочных участков.

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований:

— получили номинацию в Лаврентьевском конкурсе молодежных проектов СО РАН «Исследование взаимосвязи пространственного распределения газового потенциала участка углеметанового месторождения и параметров газокинетического паттерна массива при отработке угольного пласта с полным обрушением кровли» (Новосибирск, СО РАН, 2003;2004 гг.);

— включены в отчетные материалы по междисциплинарному интеграционному проекту СО РАН № 89 «Разработка метода управления параметрами газокинетического паттерна массива горных пород с учетом физико-химических свойств угля, геофизических характеристик и метагенезиса месторождения» (Кемерово, Новосибирск, Томск, 2006;2008 гг.).

Результаты работы использованы: в ИПКОН РАН в рамках государственного контракта 02.532.11.9001 от 03.10.2007 г.;

— при выполнении ИУУ СО РАН семи заказов угольных компаний и шахт по обеспечению ритмичной и безопасной работы высокопроизводительных очистных забоев по газовому фактору.

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались на: III конференции молодых ученых, посвященной М. А. Лаврентьеву (Новосибирск, 2003) — III региональной научно-практической конференции: «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2004) — VIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи». (А-Судженск, 2004) — научно-технической конференции к 75-летию со дня рождения профессора.

И.И. Медведева «Проблемы рудничной аэрологии-и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых» (Пермь, 2004) — конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (с участием иностранных ученых) (Новосибирск, 2006) — областной научно-практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения» (Кемерово, 2006) — международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово,.

2006) — I Региональной научно-практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (Прокопьевск,.

2007) — международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2007).

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 24 статьях и докладах, в том числе в одном патенте РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 5 таблиц и 61 рисунок, список использованной литературы из 76 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Основанный на современных представлениях о свойствах и состояниях углеметанового вещества алгоритм расчета метановыделения из отбитого угля, обеспечивает определение основных характеристик процесса с учетом технологического режима работы забоя, газоносности пласта и его вынимаемой мощности, глубины стружки, рабочей скорости комбайна и времени транспортирования угля.

2. Средние отклонения расчетных значений абсолютного метановыделения из угля находящегося на конвейерных штреках от фактических данных составляют не более 17% (период наблюдений 6−8 месяцев, производительность забоев 3000−10 000 т/сут). Большие отклонения указывают на вход забоя в зоны повышенной газодинамической активности пласта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, на основе изучения газокинетических следствий геомеханических процессов при подземной разработке углеметановых месторождений, решена задача прогноза динамики выделения метана из угольного пласта, отрабатываемого высокопроизводительными длинными очистными забоями имеющая существенное значение для совершенствования управления газовыделением при ведении горных работ.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Снижение доли твердой фазы в структуре газоносности пласта пропорционально снижению нормальных напряжений в пласте, а сорбционная метаноемкость угля обратно пропорциональна отношению разности предельной газоносности пласта и остаточного газосодержания твердой фазы к предельной газоносности пласта.

2. Процесс активизации источников метана в подрабатываемом массиве пород в направлении от отрабатываемого пласта к дневной поверхности представляет иерархию вложенных полуволн с параметрами кратными 2. Внешняя из них имеет период, соответствующий своду полных сдвижений пород до дневной поверхности, минимальная — первичному шагу обрушения основной кровли.

3. По мере отхода забоя от монтажной камеры относительная метанообильность отрабатываемого пласта снижается и достигает своего минимума на расстоянии, близком половине устойчивого пролета основной кровли.

4. Впереди движущегося забоя на расстоянии, равном половине его длины происходят изменения в структуре газоносности пласта, что обусловливает переток части свободного метана в призабойную зону выработанного пространства через вмещающие породы и повышение продуктивности пластовых дегазационных скважин, расположенных на указанном расстоянии.

5. Интервалу неравномерной скорости подвигания очистного забоя 1−5 м/сут соответствуют опасные изменения в структуре газоносности призабойной части пласта с точки зрения метанообильности непосредственно очистного забоя.

6. Разработанный алгоритм расчета метановыделения из отбитого угля обеспечивает определение основных характеристик процесса с учетом технологического режима работы забоя, газоносности пласта, его вынимаемой мощности, глубины стружки, рабочей скорости комбайна и времени транспортирования угля с погрешностью не более 17% (период наблюдений 6−8 месяцев, производительность забоев 2000;10 000 т/сут).