Технические науки/10. Горное дело

д.т.н. Г.Г. Каркашадзе, д.т.н. С.В. Сластунов

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

к.т.н. Е.В. Мазаник , горн. инж. А.П.Садов

ОАО «СУЭК – Кузбасс»

Возможность повышения нагрузок на очистной забой на основе учета влияния фракционного состава отбитого угля на притоки метана

При разработке газоносных угольных пластов самым эффективным направлением повышения технико-экономических показателей добычи угля является повышение нагрузок на очистной забой. Современные очистные комплексы способны обеспечивать среднемесячную добычу угля более одного миллиона тонн из одного очистного забоя. Такой показатель может быть достигнут при условии обеспечения безопасности по газовому фактору и создании условий для снижения газообильности очистного забоя.

Одним из управляемых факторов снижения газообильности очистных забоев является увеличение крупности угля, отбиваемого комбайном. Представляет практический интерес оценить существенность влияния этого фактора. Чем мельче средний размер фракций, тем больше суммарная свободная поверхность газоносного угля и, соответственно, тем больше метана попадает в вентиляционный поток. При концентрации метана в исходящей струе более 1% работа очистного забоя запрещена. Однако если, при тех же исходных условиях, каким-то образом обеспечить увеличение крупности фракций отбиваемого угля, то притоки метана в вентиляционную струю сократятся и появляется возможность более полно использовать потенциальные возможности современного очистного оборудования в направлении повышения производительности.

В данной работе вопрос метода повышения крупности отбиваемых фракций угля остается открытым. Нашей задачей является установить перспективность использования потенциального технологического рычага в виде увеличения крупности отбиваемых фракций угля с целью повышения нагрузки на очистной забой по газовому фактору.

Типовая диффузионно-фильтрационная модель переноса метана в угольном пласте описана в работах [1,2]. В основу модели положен механизм двойного массопереноса за счет фильтрации и диффузии. При этом диффузионный процесс массопереноса определятся коэффициентом диффузии, а фильтрационный - коэффициентом газопроницаемости. В работе [3] процесс выделения метана из отбитых фракций угля описывают только законом диффузии, исключая фактор сорбции метана и фильтрационный поток под действием градиента давления газа по каналам микротрещиноватости. Проблемным моментом при использовании указанных моделей массопереноса метана в углях является отсутствие справочных физических свойств в виде коэффициентов диффузии или газопроницаемости. Однако нужные физические свойства находят, как правило, в результате решения обратных задач, путем сопоставления разработанной модели с практическими результатами в геометрическом масштабе исследуемого процесса.

Весьма продуктивным путем описания массопереноса использование единой модели [4], учитывающей сорбционные свойства угля, измеряемые по единой методике в лабораторных условиях, и газопроницаемость, определяемую на основе решения обратной задачи. В данном случае неизвестным параметром, требующим знания условий обратной задачи, является только газопроницаемость, в отличие от моделей, требующих дополнительных и не вполне определенных данных.

В последние годы совместными усилиями ученых МГГУ (ныне Горного института НИТУ «МИСиС») и специалистов ОАО "СУЭК-Кузбасс" разработаны методические основы использования фундаментальных уравнений массопереноса метана в модели расчёта предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, достаточно подробно изложенные в работах [6-10]. Принципиальная последовательность расчётов, изложенная в этих работах, представлена рисунке 1.

.

Рисунок 1 – Методика расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору

Исходя из знания о технологических параметрах системы разработки, содержащихся в проекте на отработку выемочного столба, а также с учетом базовых физических свойств угольного пласта, решается аналитическая задача о нахождении максимальной производительности выемки угля, при которой концентрация метана в исходящей струе не превышает допустимую величину. В этой методике учитывается также гранулометрический состав отбитого угля, выделяющий метан в лаву по мере его транспортировки по лавному конвейеру до конвейерного штрека.

Представленная методика имеет компьютерную реализацию, на основе которой выявлен фактор влияния размеров фракций на нагрузку на очистной забой. В таблице представлены исходные данные, использованные в расчете.

ТАБЛИЦА - Исходные данные
№ п/п	Параметр	Значение
1	Газоносность пласта, м^3/т	12.0
2	Зольность угля, м^3/м^3	0.27
3	Газопроницаемость угольного пласта, м^2	0.1∙10^-15
4	Газопроницаемость кровли и почвы, м^2	0.01∙10^-15
5	Динамическая вязкость метана, Па∙с	0.0108∙10^-3
6	Температура газа, К	300
7	Параметр сорбции в уравнении Ленгмюра, Па^-1	0.207∙10^-6
8	Сорбционная емкость угля, кг/м^3;	49,3 м^3/т
9	Пористость угля	0.02
10	Пористость кровли, почвы	0.02
11	Объемная масса угля, кг/м^3	1280
12	Пластовое давление метана, МПа;	1,65
13	Средне-взвешенный радиус фракции отбитого угля, м	0,01
14	Высота заходки комбайна, равная мощности пласта, м;	2,23
15	Длина очистного забоя, м	240
16	Газопроницаемость отбитой фракции угля, м^2	0.5∙10^-22
17	Ширина крепи, м	1.5
18	Ширина заходки комбайна, м	0.8
19	Длительность концевой операции комбайна, после производительной заходки, с	300
20	Длительность концевой операции, после зачистки забоя, перед очередным циклом производительной отбойки, с	300
21	Длительность передвижки крепи, с	1200

На рисунке 2 представлен искомый результат расчетов в виде предельно допустимой нагрузки на очистной забой от среднего гранулометрического размера угольных фракций, отбываемых комбайном. Более точный учетом распределения угольных фракций по грансоставу представляет рутинную задачу, и ее решение не меняет полученного основного вывода.

1 – q=12 м³/т; 2 – q=15 м³/т; 3 – q=18 м³/т;

Рисунок 2 - Нагрузка на очистной забой в зависимости от среднего диаметра отбитого комбайном угля при различных газоносностях

Таким образом, установлено, что увеличение размера отбываемых фракций от 10 мм до 20 мм приводит к резкому снижению газообильности лавы в рабочую смену, вследствие чего появляется возможность увеличение предельно допустимых нагрузок на очистной забой в 3-4 раза в диапазоне газоносностей угольного пласта от 12 до 18 м³/т.

Данный вывод стимулирует проведение исследовательских работ на оптимизацию работы очистных комбайнов и управлению прочностными или иными свойствами угольного пласта в направлении отбойки угля более крупным сколом, сокращая тем самым выход мелких фракций, которые являются весомым источником выделения метана в течение времени транспортировки по лавному конвейеру.

Литература

1. Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Гуменник К.В., Калугина Н.А., Фельдман Э.П. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана из угольного пласта. Журнал технической физики, 2007, 77. вып. 4. С. 65-74.

2. Каркашадзе Г.Г., Сластунов С.В., Ютяев Е.П. Оценка потенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов // ГИАБ. - 2009. - Отд. вып.11. Метан. - С.27-36.

3. Каледина Н.О., Качурин А.Н., Сарычева И.В. Теоретическое обоснование модели метановыделения в подготовительный забой из отбитого угля. Известия ТулГУ. Науки о земле. 2011 год, Вып. 1. С.124-129.

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

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

6. Каркашадзе Г.Г., Ермак Г.П., Ютяев Е.П. Безопасная отработка газоносных угольных пластов по газовому фактору на основе учета свойств углепородного массива и параметров системы разработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. Издательство «Горная книга». № 5, 2014. C. 152-156

7. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Ермак Г.П. Методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Сборник научных трудов «Современные проблемы шахтного метана» (к 85-летию проф. Н.В. Ножкина).-М.: ИД ООО Роликс, 2014 г., с.15-25.

8. Cластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Ермак Г.П., Никитин С.Г. Прогноз допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору.2012г. http://www.rusnauka.com/28_NII_2012/Tecnic/13_117650.doc.htm

9. 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 стр.).

10. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Мазаник Е. В.// Методика и результаты измерения пластового давления метана и сорбционных свойств угольного пласта. Газовая промышленность. - 2012. - спец. вып. - С. 48-49/

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобнауки РФ

в рамках Государственного задания № 2014/97, НИР 1190