Технические науки/ 10 Горное дело

И.Э. Мазина, А.И. Маневич

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Россия

О методиках прогноза метанообильности угольных шахт

Подземная разработка угольных месторождений отличается высоким техногенным воздействием на все элементы окружающей среды. В основном это определяется тем, что при добыче угля применяется технология управления кровлей с обрушением. Определяющее значение имеет величина области влияния выработанного пространства на вмещающий массив. Различные источники предлагают разнообразные классификации зон влияния, однако неизменными являются четыре из них: зона полного обрушения, зона разгрузки, зона опорных давлений, зона прогиба. Следует отметить, что по разным источникам [1-3] их размеры оцениваются в достаточно широких диапазонах и зависят от вынимаемой мощности пласта (m) и глубины разработки (H):

·        зона обрушения – 3m-6m;

·        зона разгрузки – 25m-70m;

·        зона опорного давления – примыкает к зоне разгрузки, ширина опорного давления в плоскости пласта, по данным наблюдений, колеблется обычно в пределах 0,1H-0,3Н;

·        зона прогиба – не входит в зону разгрузки, не всегда обозначает деформацию земной поверхности, более 40m-125m.

Основными горно-геологическими и горнотехническими факторами, влияющими на характер сдвижения пород, являются: физико-механические свойства и структура массива горных пород, угол падения; глубина разработки и мощность пласта; размеры выработанного пространства; система разработки; мощность рыхлых отложений; обводнённость пород.

Процессы сдвижения горных пород приводят к нарушению гидравлического режима, повышенному газовыделению из вмещающих пород, определяют уровень опорного давления. Таким образом, они не только определяют экологичность угледобычи, но и формируют условия безопасности.

Кардинально изменить ситуацию позволяет технология закладки выработанного пространства.

В этом случае создаются условия для минимизации техногенного воздействия на углепородный массив: уменьшения размеров зон влияния, что непременно влечет за собой уменьшение газовыделения, снижения водопритока и сокращения объемов выдаваемой на поверхность пустой породы.

Как известно, технология закладки выработанного пространства разрабатывалось в советское время, но, к сожалению, в современных условиях пока не находит практического  применения.

В настоящее время усиливается значение экологической составляющей горных работ и использование закладочных работ качественно на это влияет. Количественную оценку позволяет дать т.н. коэффициент безотходности, определяемый нижеследующей формулой:

                                                      (1)

где: Ктв - коэффициент использования породы, извлекаемой при ведении горных работ; Кв - коэффициент использования воды; Кг- коэффициент использования газа.

Данные коэффициенты рассчитываются в долях используемого вещества от его общего количества. “Используемое” -  в контексте статьи означает либо экологическую очистку вещества, либо утилизацию, либо дальнейшее применение вещества, либо несколько способов использования одновременно.

На данном этапе работы проведен анализ методик расчета газовыделения. Расчеты выполнены для условий Воркутинского месторождения, которое характеризуется достаточно тяжелыми горно-геологическими условиями. Оценка  газовыделения была выполнена по стандартным методикам [4,5].

Наибольший интерес, в рамках данной работы, представляет газовыделение из подрабатываемых пластов. Это обусловлено тем, что преобладающая часть утилизируемого шахтного метана приходится на газ, извлекаемый средствами текущей дегазации из подрабатываемого массива и эта тенденция в перспективе сохранится. По данным методикам можно оценить зависимость газовыделения от вынимаемой мощности пласта, что соответствует применению закладки выработанного пространства.

Относительное метановыделение из отдельного подрабатываемого пласта определяется по формулам:

                       (2) – методика [4]

 

         (3) – методика [5]

где: mсi- суммарная мощность угольных пачек отдельного (i-того) пласта (спутника), м; m- вынимаемая мощность разрабатываемого пласта, м; Хi – природная метаноносность пласта (спутника), м3/т; Х0 - остаточная метаноносность угля, оставляемого в выработанном пространстве; Кx -коэффициент, учитывающий величину относительного объема метана, выделившегося из пластов (спутников); Кv – коэффициент, учитывающий влияние скорости подвигания очистного забоя на метановыделение из спутника; Мi– расстояние между разрабатываемым пластом и  i-ым сближенным пластом-спутником, м; Мр– предельная величина зоны влияния под - или надрабаваемого пласта, м.

Коэффициенты  Кх и  Мр так же зависят от вынимаемой мощности пласта.

                     (4)– методика [4]

 

                      (5) – методика [5]

где: Mi – расстояние между разрабатываемым пластом и i-ым сближенным пластом-спутником, м; m – мощность вынимаемого пласта, м; H – глубина ведения работ, середины лавы, м; H0 – глубина от поверхности до метановой зоны, м.

По результатам пробного расчета для одного подрабатываемого пласта, были получены значения газовыделения при различных значениях вынимаемой пласта.

Исходные параметры для расчета: Кv=1; mспi=2,83 м; Хспi=29 м3/т; Хоi=25  м3/т; Мспi=18 м; H=680 м; H0=15 м

Результаты расчетов по рассматриваемым методикам представлены в таблице.

Таблица

№ п/п

Вынимаемая мощность, м

Газовыделение спутника

Методика [5]

Методика [4]

1

2

3

4

1

1,5

6,83

1,0125

2

1,4

7,26

1,030

3

1,3

7,75

1,046

4

1,2

8,31

1,057

5

1,1

8,96

1,063

6

1

9,71

1,060

7

0,9

10,59

1,044

8

0,8

11,63

1,011

9

0,7

12,88

0,953

10

0,6

14,39

0,860

11

0,5

16,19

0,720

12

0,4

18,22

0,524

13

0,3

19,82

0,284

14

0,2

16,29

0,007

15

0,1

-48,06

0,001

 

Как видно из таблицы – начиная с некоторой мощности (Методика [5], m=0,3; Методика [4], m=1,1) разрабатываемого пласта, газовыделение уменьшается с повышением мощности, а в случае методики [5] – по достижении параметра m=0,1, газовыделение становится отрицательным, что в принципе невозможно.

Из приведенной таблицы, можно сделать вывод о том, что используемый в настоящее время подход может быть использован только в достаточно узком диапазоне горно-геологических условий, т.к. не учитывает физику газодинамических процессов.

Дальнейшая более подробная проверка формул показала их несостоятельность, что будет представлено в последующей статье. На данном этапе работы происходит поиск и разработка новой, корректной методики расчета газовыделения.

Основным выводом из проделанной работы стало определение дальнейшей стратегии развития исследования:

- корректная оценка газовыделения и водопритока с учетом изменения НДС углепородного массива;

- проведение сравнительной оценки энергетических затрат на применение технологии закладки выработанного пространства и ее влияния на энергетические затраты по дегазации, вентиляции и водоотливу с учетом очистки шахтной воды.

Литература

1.       Черняк И.Л., Ярунин С.А. Управление состоянием массива горных пород. – М.: Недра, 1995. – 395 с.

2.       Петухов И.М., Линьков А.М., Фельдман И.А., Кузнецов В.П., Тетеревенков В.В. Защитные пласты. – Л.: Недра, 1972. – 423 с.

3.       Викторов С.Д., Иофис М.А., Гончаров С.А. Сдвижение и разрушение горных пород. – М.: Наука, 2005. – 277 с.

4.       Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. М.: 2009.

5.       Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Киев , 1994.