Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса 11
1.1 Современное состояние угольной отрасли россии и особенности проектирования и отработки угольных пластов Кузбасса 11
1.2 Технологические схемы отработки угольных пластов на современных шахтах Кузбасса 16
1.3 Роль газового фактора в снижении нагрузки на очистной забой и используемые технологии дегазации угленосного массива 20
1.4 Анализ проектно-нормативной базы по вопросам вентиляции, управления газовыделением на выемочных участках и шахтопластах в целом 27
1.5 Анализ опыта добычи и проблем, связанных с метаном угольных пластов 32
1.6 Разработка концепции решения проблемы метанобезопасности при работе высокопроизводительных очистных забоев и прогнозная оценка области использования различных технологий комплексного извлечения метана и отработки угольных пластов 41
Выводы по главе
Цели и задачи исследований 46
ГЛАВА 2 Выбор метода исследований геомехано газодинамических факторов применительно к разработке вариантов технологических схем добычи метана 52
2.1 Обзор геологических и горно-технических ситуаций на шахтных полях кузбассса з
2.2 Анализ аналитических, экспериментальных и экспериментально аналитических методов исследования механических и газодинамических
процессов, протекающих в массиве горных пород 60
2.2.1 Выбор методов исследования синергетики механических и газодинамических свойств углевмещающего массива 60
2.2.2 Анализ факторов, определяющих газодинамические свойства углевмещающих массивов 67
2.3 Анализ технологической и экономической эффективности различных
технологических схем извлечения метана 73
2.3.1 Анализ эффективности добычи газа из вмещающих пород 74
2.3.2 Оценка эффективности предварительной дегазации 76
2.3.3 Извлечение метана из разгруженного от горного давления углегазоносного массива вертикальными скважинами 81
2.3.4 Добыча метана из закрытых шахт 90
2.3.5 Анализ применения схем извлечение метана скважинами, пробуренными из горных выработок 93
2.4 Анализ опыта комплексной дегазации на современных шахтах Кузбасса 96
Выводы по главе 2 112
ГЛАВА 3 Экспериментально-аналитические исследования напряженно-деформированного состояния ответственных элементов мгп и их газодинамических характеристик 115
3.1 Построение горно-геомеханических моделей при различных технологических схемах извлечения метана для оценки параметров НДС ответственных элементов массива 115
3.2 Построение горно-геомеханических моделей и расчетных схем для моделирования ндс мгп в пределах выемочного участка 121
3.3 Обоснование механических характеристик различных элементов мгп в рассматриваемых ггм 128
3.4 Моделирование ндс углевмещающего мгп на базе разработанных ггм(рс) и анализ результатов моделирования 131
3.6 Оценка влияния напряженного состояния мгп на его газодинамические свойства 150
Выводы по главе 3 151
ГЛАВА 4 Выбор технологических схем попутного извлечения метана и обоснование их параметров 154
4.1 Оценка функциональной зависимости механических состояний массива от параметров (геометрических и временных) технологических схем дегазации и отработки угольных месторождений 154
4.2 Разработка методических аспектов синергетики ндс и газодинамики угольных пластов 163
4.3 Разработка рациональных технологических схем предварительной и попутной дегазации угольных пластов и обоснование параметров таких технологий 167
Выводы по главе 4 171
ГЛАВА 5 Разработка рекомендаций по прикладному использованию результатов исследований 172
5.1 Разработка алгоритма принятия решений при проектировании предварительной дегазации (комплексного использования) шахтопластов 172
5.2 Разработка методики расчета параметров дегазации источников метановыделения (надрабатываемый массив, разрабатываемый пласт, подрабатываемый массив) 178
5.3 Оценка прогнозной экономической эффективности принимаемых
проектных решений по комплексному использованию метана и угля 182
Заключение 186
Список литературы 188
- Роль газового фактора в снижении нагрузки на очистной забой и используемые технологии дегазации угленосного массива
- Выбор методов исследования синергетики механических и газодинамических свойств углевмещающего массива
- Построение горно-геомеханических моделей и расчетных схем для моделирования ндс мгп в пределах выемочного участка
- Разработка рациональных технологических схем предварительной и попутной дегазации угольных пластов и обоснование параметров таких технологий
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Увеличение объемов добычи угля подземным способом влечет за собой необходимость отработки более глубоких запасов, для которых характерно высокое метаносодержание, что снижает безопасность отработки по газовому фактору и приводит к увеличению выбросов в атмосферу вредных газов. Проблема добычи шахтного метана является комплексной проблемой и состоит из трех основных аспектов - это повышение безопасности очистных забоев по газовому фактору, снижение экологически вредных выбросов в атмосферу и потеря ценного энергетического сырья. Запасы данного вида сырья сопоставимы с запасами природного газа и составляют в России порядка 83,7 млрд.м .
Для предприятий Кузнецкого угольного бассейна вопросы безопасности и повышения эффективности отработки стоят наиболее остро. Анализ деятельности угледобывающих предприятий показывает формирование тенденции к увеличению концентрации горных работ. За последние 20 лет на Ерунаковском, Томь-Усинском, Ленинском и Терсинском месторождениях было построено и реконструировано более десятка шахт, работающих по принципу «шахта-лава». Производственная мощность предприятий обеспечивается одним очистным забоем, таким образом, необходимым условием их рентабельной работы является высокая нагрузка на лаву. Использование современного очистного оборудования позволяет достигать высоких нагрузок на забой, однако, при увеличении глубины горных работ, основным фактором, сдерживающим высокоинтенсивную отработку запасов, становится «газовый». В настоящее время большая часть шахт рассматриваемого района являются сверхкатегорными по газу. На предприятиях проводятся мероприятия по дегазации, как отрабатываемого пласта, так и выработанного пространства. Используемые способы борьбы с метановы-делением позволяют обеспечить метанобезопасность выемочных участков, однако, дальнейшее увеличение глубины отработки запасов (газоносности пластов), потребует внедрения более эффектив-
ных технологических схем извлечения метана из углесодержащих массивов.
Многолетнее изучение геологоразведочными и научно-исследовательскими организациями метаноносности угольных пластов позволило оценить ресурсы метана на площадях Кузнецкого бассейна в 13 трлн. м до глубины 1800 м, и в 5-6 трлн. м - до 1200 м. Приближённая оценка запасов метана на рассматриваемых площадях говорит о целесообразности решения для Кузбасса проблемы освоения энергоресурсов в комплексной постановке, используя уже созданные (создаваемые) при обычной технологии добычи угля подземные пространства.
Существенный вклад в теоретические и практические вопросы управления метановыделением и каптажа метана при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как Забурдяев B.C., Рубан А.Д., Пучков Л.А., Ковалев О.В., Захаров В.Н., Артемьев В.Б. и др. Проекты освоения нетрадиционных ресурсов метана из угольных пластов характеризуются значительными геологическими и технологическими рисками, особенно на ранней стадии реализации, и одним из наиболее изменчивых и сложно прогнозируемых параметров является дебит скважин для добычи метана. Прогноз дебита скважин основывается на результатах экспериментальных работ и на анализе мирового опыта разработки метаноугольных месторождений со сходными геолого-промысловыми характеристиками, что затрудняет проектирование предприятий по добыче угольного метана, в частности, при условии техногенного воздействия на массив при добыче угля, и как следствие улучшении его фильтрационных характеристик (комплексная добыча).
Цель диссертационной работы. Обоснование и разработка методики определения параметров горнотехнической системы при комплексном извлечении угля и метана в условиях отработки пологих пластов Ерунаковского месторождения. Основные задачи исследования:
1. Изучение структуры газового баланса очистных забоев при высокопроизводительной отработке пологих пластов Кузнецкого месторождения.
-
Анализ и обобщение информации о источниках метано-выделения, способах их дегазации, параметрах используемых схем извлечения метана.
-
Выполнение пространственно-временной оценки геомеханических состояний и газодинамических свойств массива, закономерно меняющихся в процессе ведения горных работ на шахто-пластах месторождения.
-
Определение газоотдачи характерных участков массива, а соответственно и эффективности забора из них метана в функции пространственно-временной изменчивости напряженно-деформируемого состояния (НДС) таких участков.
-
Разработка рекомендаций по совершенствованию способов дегазации с учетом обеспечения метанобезопасности при требуемой нагрузке на очистной забой.
-
Оценка и обоснование рациональных проектных параметров горно-технической системы шахты при традиционных (участковая дегазация) и рекомендуемых (предварительная дегазация) схемах дегазации шахто пластов.
-
Разработка принципиальных вариантов технологий комплексного извлечения метана и угля в условиях Ерунаковского месторождения.
-
Разработка алгоритма проектирования и расчета рациональных параметров технологии комплексного извлечения угля и метана.
-
Прогнозная технико-экономическая оценка проектных решений по комплексному извлечению угля и метана.
Идея диссертационной работы:
При проектировании предприятий с комплексным извлечением угля и метана параметры технологических схем следует определять по разработанной методике, учитывающей изменчивость параметров фильтрации газа в массиве, обусловленную изменением НДС массива в результате интенсификации газоотдачи.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по вопросам извлечения метана из угольного пласта, вмещающего
массива и выработанных пространств очистных забоев. Анализ структуры газового баланса и объемов выделяющегося газа на выемочном участке по различным источникам метановыделения и газозабора в функции различных параметров. Установление рациональных областей использования различных проектных решений на базе: решения задач о НДС массива с использованием численных методов; оценки изменчивости фильтрационных свойств массива в функции параметров его НДС; расчета дебитов скважин в характерных «зонах» массива для определенных временных моментов «существования» выработанных пространств (геомеханической обстановке во вмещающем отрабатываемый пласт массиве).
Научная новизна диссертационной работы:
Установлена линейная функциональная зависимость изменчивости механических состояний массива при техногенном воздействии на него и газодинамических характеристик углей и пород;
Определены требования к исходным данным для проектирования основных параметров горно-технической системы шахты при комплексном извлечении угля и метана.
Основные защищаемые положения:
1. Существующие технологические схемы по извлечению
угля и дегазации, применяемые при высокоинтенсивной отработке
пологих пластов, включенных в свиту, являются малоэффективными
для промышленной добычи угольного метана, т.к. их применение
обеспечивает коэффициент извлечения метана, содержащегося в
свите, в пределах 20-40%, в зависимости от скорости подвигания
очистного забоя, при этом 15-20% метана теряется через поверхно
стную эмиссию или остается в трещинно-пористом коллекторе под
работанного массива.
2. При обосновании проектных параметров технологических
схем комплексного извлечения расчет дебита газозаборных скважин
следует вести поэтапно для характерных зон подработанного масси
ва с учетом параметра проницаемости, зависящего от изменения
объёмных деформаций, с пересчетом газодинамических свойств
(проницаемости, внутрипластового давления) указанных зон масси
ва на каждом этапе.
З. Выбор способов извлечения угольного метана и обоснование проектных параметров вертикальных и горизонтальных газодобывающих скважин следует вести по разработанному алгоритму, учитывающему изменение проницаемости характерных зон массива в результате его подработки.
Практическая значимость работы:
Разработана методика выбора и расчета рациональных параметров горнотехнической системы по комплексному извлечению угля и метана на базе учета взаимовлияния механических и газодинамических процессов в массиве горных пород.
Предложена инженерная зависимость для расчета проницаемости различных характерных зон надработанной и подработанной толщи, позволяющая обосновать проектные решения при оценке эффективности различных технологических схем извлечения угольного метана.
Определена структура газового баланса углевмещающей толщи; интенсивность газовыделения и эффективность газозабора из различных характерных зон углевмещающего массива в условиях работы высокопроизводительных очистных забоев
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается использованием современных апробированных методов исследований; подтверждается большим объемом проанализированной информации по математическим моделям и методам численного моделирования НДС массива горных пород (МГП), корректностью выполненных экспериментально-аналитических исследований и удовлетворительной сходимостью их с результатами численного моделирования, широким сопоставлением результатов по разработанной методике с натурными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодной Международной конференции на базе Фрайбергского технического университета (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); IV всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2011 г.); на ежегодных научных конференциях молодых ученых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» «Полезные ископаемые России и их освоение»
(Санкт-Петербург, 2011, 2012 гг.); семинарах кафедры РМПИ Горного университета.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, разработке методики проведения исследований, анализе геологических и горно-технологических условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения, проведении компьютерного моделирования НДС углевмещающей толщи, установлении основных параметров рекомендуемой технологии предварительной или попутной дегазации свит угольных пластов в условиях шахт Кузбасса, формулировании основных защищаемых положений и выводов.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 2 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 217 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 148 источников, приложения, включает 89 рисунков и 20 таблиц.
Роль газового фактора в снижении нагрузки на очистной забой и используемые технологии дегазации угленосного массива
Ведущая роль в подземной добыче угля в России в настоящее время принадлежит столбовым системам разработки. По прогнозам ведущих специалистов ситуация эта сохранится и в будующем. Более того, все большее количество стран отрабатывают запасы угля длинными столбами, которые обеспечивают наибольшую нагрузку на лаву и производительность труда шахтеров.
Высокая опасность горных работ в шахтах объясняется спецификой подземной разработки угля, которая заключается в следующем: опасные проявления горного давления, такие как обрушения пород кровли в призабойном пространстве, обрушения вмещающих пород в подготовительных забоях, разрушение крепи горных выработок и т.д.; потенциальная возможность образования взрывоопасных смесей газов в рудничной атмосфере, например, метана; опасность возникновения внезапных выбросов угля и газа; вредное влияние шума на здоровье рабочих, запыленность и загазованность атмосферы, повышенная влажность и высокая температура. Обязательным условием обеспечения безопасности работ является наличие не менее двух выходов из всех выработок (за исключением тупиковых забоев), а также надлежащее и непрерывное проветривание всех выработок шахты за счет общешахтной депрессии (кроме тупиковых забоев). Столбовые системы разработки широко применяются во всех без исключения угольных бассейнах России. Достоинствами столбовых систем разработки является следующее: удовлетворительные условия поддержания (сравнительно низкие затраты) подготовительных выработок, расположенных в массиве угля или в зоне установившегося горного давления; разделение в пространстве и времени очистной выемки и подготовки лав, что позволяет эффективно использовать высокопроизводительную технику для очистных и подготовительных работ; возможность доразведки пласта в период подготовки выемочных столбов; возможность погашения подготовительных выработок по мере подвигания очистных забоев; возможность локализации пожаров угля в выработанном пространстве возведением герметичных перемычек и после проведения новой разрезной печи продолжить очистные работы без длительных простоев и др.
Столбовые системы разработки являются наиболее прогрессивными и превалирующими на российских и зарубежных шахтах [24, 47, 76, 83, 107, 121, 122, 130, 134].
В 60-70 годы прошлого века, с увеличением глубины работ (на шахтах Воркутского месторождения и Донбасса) и ростом числа динамических и газодинамических явлений на опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа пластах, нормативными актами было предписано внедрение бесцеликовых схем отработки выемочных участков (зачастую с повторным использованием участковых выработок). Однако с развитием механизации горных работ и ростом энерговооруженности выемочных участков, такие схемы не позволяли обеспечивать нормативных нагрузок на лаву, особенно при использовании высокопроизводительных очистных комплексов, в основном, из-за проблем, связанных с обеспечением устойчивой работоспособности лав на сопряжениях с участковыми выработками. Новые хозяйственные условия (в средине 90-ых годов) потребовали вовлечения в отработку наиболее перспективных запасов - мощных пологих пластов. А это в свою очередь потребовало возврата к технологическим схемам с охраной выемочных выработок целиками угля, поскольку сохранить такую выработку на границе с выработанным пространством для повторного использования на мощных пластах весьма проблематично.
В настоящее время на «шахтах-лавах» предусмотрена охрана выработок целиками угля, параметры которых установлены на основе практического опыта (шириной 20-40 м). В мировой и отечественной практике наиболее эффективными схемами отработки высокопроизводительных выемочных участков на угольных шахтах зарекомендовали себя схемы с применением двух, трех или четырех штреков, разделенных целиками угля. Такие выработки проводятся с каждой стороны выемочного столба - многоштрековые схемы подготовки выемочных участков, с креплением этих выработок анкерной сталеполимерной крепью. Применение таких схем подготовки выемочных участков позволяет наиболее полно использовать возможности современной добычной и проходческой техники. Наличие двух и более выработок позволяет подготавливать столбы практически любой длины, а соответственно существенно снизить затраты на перемонтаж оборудования.
Многоштрековая подготовка выемочных участков предусматривает проведение выемочных выработок преимущественно прямоугольного сечения с креплением их кровли сталеполимерными анкерами, дополнительно в сложных горно-геологических условиях, для предотвращения расслоений кровли применяют канатные анкера, которые закрепляют в шпурах цементацией. Внедрение анкерной крепи позволило в разы повысить среднюю скорость проведения выработок, и снизить стоимость используемых материалов в 2 раза, а их вес (металлоемкость) - в 4 раза [79, 130].
Характерная технологическая схема, применяемая в настоящее время на предприятиях Кузбасса, приведена на рисунке 1.5: длина столба 2-4 км, подготовка ведётся параллельными штреками, ширина целика между штреками составляет 20-30 метров, выработки крепятся анкерами. Параметры технологических схем представлены в таблице 1.1, характеристика предприятий приведена в таблице 1.2. Отработка ведётся с полным обрушением кровли и гашением штреков. Схема проветривания - возвратоточная или прямоточная.
Выбор методов исследования синергетики механических и газодинамических свойств углевмещающего массива
Вопросам технологической эффективности добычи метана посвящено значительное количество исследований, как в теории фильтрации газа [45, 59, 120], так и в технологии его извлечения [15, 38, 49, 60, 119]. Как уже отмечалось ранее, добыча угольного метана может осуществляться через скважины, пробуренные с земной поверхности, или через скважины, пробуренные из подземных горных выработок. Способам интенсификации извлечения метана посвящено значительное количество исследований, результаты которых защищены авторскими свидетельствами [1-7 и др.]. Однако, оценки эффективности различных способов весьма противоречивы. Ниже приводится анализ эффективности извлечения метана дифференцированно по источникам его выделения и способам каптажа. 2.3.1 Анализ эффективности добычи газа из вмещающих пород
Во вмещающих породах основное количество газа находится в свободном состоянии. Он занимает поровое пространство и различного рода трещины и пустоты. Объем газа в породах зависит от их пористости, трещиноватости и от давления, под которым он находится. Если поры и трещины пород в той или иной мере заполнены водой, то количество содержащегося в пустотах газа соответственно снижается.
В связи с такой особенностью нахождения газа в угле и породах в районах, где происходила тектоническая деятельность, связанная с разгрузкой угольных пластов и образованием высокой трещиноватости во вмещающих породах, при определенных условиях могут накапливаться значительные количества газа под большим давлением, то есть образовываться микрозалежи газа в углепородном массиве. Объемы газа, выделяющегося из таких зон в горные выработки (как правило, внезапно) в течение коротких промежутков времени представляют серьёзную опасность при ведении горных работ. Однако, только в очень ограниченном числе случаев объемы выделившегося газа могли представлять интерес с точки зрения его добычи и утилизации [125].
Для образования микрозалежи газа, представляющей такой интерес, необходимо наличие следующих условий: - мощного природного резервуара (коллектора), обладающего повышенными (ёмкостными) свойствами; - «ловушки», способствующей накоплению газа; - газоупора, препятствующего рассеиванию газа из коллектора [53].
В углепородном массиве коллекторами газа являются, как правило, мощные песчаники, а газоупорами - аргиллиты, угольные пласты и плотные известняки. «Ловушками» газа могут быть: купола, антиклинали, брахиантиклинали и флексуры. Методы выявления таких зон, представлены в различных работах (например, [36]).
Рассмотрим наиболее характерные геологические и технические условия извлечения газа из газонасыщенных геологических углепородных структур. Поле шахты «Южнодонбасская №3» находится в Южно-Донбасском угленосном районе. В начале 90-х годов прошлого века при доразведке шахтного поля на глубине 980 м в пределах Лаврентьевского купола в мощном слое песчаника (пористость 8%) была обнаружена микрозалежь с ориентировочными запасами метана 26 млн. м . Начальное давление газа - 68 ат. В процессе исследований 1,5 млн. м метана выделилось в атмосферу. Добычу газа осуществляли через одну, наиболее эффективную из восьми пробуренных, скважину. За шесть лет извлечено и использовано в качестве топлива для автотранспорта, примерно, 17 млн. м метана. Максимальный темп добычи достигал 25000 м /сут. К 1999 году извлечено около 63% запасов газа. Затем, по-видимому, из-за высокого темпа добычи газа скважина исчерпала свои возможности. Выделение метана по ней прекратилось.
Поле шахты «Центральная-Первомайская» находится в Алмазно-Марьевском угленосном районе. Поверхность метановой зоны проходит на глубине 100-120 м. Газоносность угольных пластов сравнительно невысокая, составляет 5,5-7,7 м /т с.б.м. в интервале глубин 300-400 м [84]. В 1970 году шахту «Центральная-Первомайская» закрыли, а стволы ликвидировали. Газовыделение из выработанных пространств шахты было обнаружено в 1973 году, через год были пробурены и подключены к вакуум-насосной станции 22 скважины, по которым отводилось 4,7-6,8 мЗ/мин метана (таблица 2.3). Скважины пересекали песчаник LiSlb на выходе которого по тектоническим трещинам метан выделялся на поверхность.
Наблюдениями установлено, что после закрытия шахты в период с 1974 по 1994 г. из выработанных пространств вакуум-насосной станцией было каптировано, примерно, 60 млн. м метана. Кроме того, в период с 1985 по 1994 г. по дегазационным скважинам в атмосферу дополнительно выделилось около 3,5 млн.м метана. Начиная с 1995 года газовыделение начало постепенно снижаться, и к настоящему времени прекратилось. Таким образом, из шахты за 20 лет было каптировано около 63,5 млн. м метана, пригодного к утилизации.
Геологические структуры, являющиеся микрозалежами свободного газа, представленного в основном метаном, чреваты опасностью суфлярных выделений метана в выработки и проникновением его в здания и сооружения на поверхности, при проведении горных работ в их зоне.
При дегазации геологических структур извлекалось от 2,0 до 7,0 млн.м3 метана в год. Данный опыт дегазации газонасыщенных геологических структур показывает возможность предотвращения газовой опасности в шахтах и на земной поверхности, кроме того это может компенсировать часть местной потребности в природном газе.
Построение горно-геомеханических моделей и расчетных схем для моделирования ндс мгп в пределах выемочного участка
Приведенные параметры массива горных пород позволяют рассчитать значения средневзвешенных Ед и /л, которые равны: Едсв« 43 125 МПа; \ісв » 0,2.
Используя данные о /в и /лсв, можно (по Руппенейту [112]) оценить «эквивалентные» значения тех же деформационных параметров (Е3 и ju3), отражающих наличие в массиве слоистости и трещиноватости.
Согласно [112], параметр Е± (экивалентный модуль деформации в направлении нормальном к напластованию пород) определится как: ві - угол между направлением «междупачечного» контакта и горизонтом (принят 0).
Характерное для поверхности шахтных полей наличие наносов (мощностью от 0 до 170 м) приводит к необходимости выполнения оценки их физико-механических свойств. Деформационная характеристика наносов в рамках выполняемой задачи также является величина эквивалентного модуля Енэ. Данный параметр, согласно вышеупомянутой библиографии, может быть оценен по зависимости: Енэ=1,6(1+1/к) ф-Ен. Представленные в зависимости для Енэ переменные характеризуются следующими величинами: к - коэффициент пустотности (к«0,2); (5 3-10 4; Ен&3 МПа. Рассчитанное значение искомого параметра составит 0,1 МПа. Аналогичный параметр - /л может составлять величину, не более 0,4.
Далее кратко перечислим условия отработки: выемка пластов мощностью 4,2-5-5,3 м. Глубина отработки составляет і/ 250-ь400 м. Длина лавы -250 м. Длина выемочных столбов составляет 2300-5-4000 м. Подготовка столбов осуществляется двумя спаренными выработками. Ширина межлавных целиков 30 м. Угол падения (а) пласта колеблется в диапазоне 2+12.
Остановимся на анализе используемого при очистной выемке способа управлением кровлей в очистном забое - полное обрушение. Мощность непосредственной кровли (НК) в лавах может изменяться от 0 до 21,0м (при диапазоне мощности ложной кровли от 0 до 1 м). Таким образом, возможно зависание пород основной кровли (ОК) достаточной мощности, что не исключает динамических проявлений.
Исходя из анализа вышеприведенной информации, можно сделать выводы о том, что при отработке пласта «52», обрушенные породы НК могут как «подбучивать» основную кровлю (при мощности НК 10+15 м), так и не «подбучивать» ОК (при мощности НК 10+15 м). Это можно оценить из выполнения требования неравенства (выполняется при «подбучивании»): h {m-mc)l{kcp-l), (3-5) где 2J - суммарная мощность пород НК, м; т - мощность (вынимаемая) пласта, м; тс - предел свободного опускания ОК (по данным практики: mc &(0,l-rO,4) м; kcp - средние значения коэффициентов разрыхления пород НК (и ложной кровли); по данным практики: кср&1,15+1,3 (достигая и значения: -1,45).
Рассматривая горнотехнические условия отработки данного пласта, следует оценить механические (деформационные) характеристики формируемого в ВП материала. Последний, очевидно, представлен породами, в основном, НК (возможно и ОК - при условии, что НК при обрушении не подбучивает породы ОК).
Построение горно-геомеханических моделей и расчетных схем для моделирования НДС МГП в пределах выемочного участка
Базой для построения расчетных схем является принятая ГГМ МГП. Приведем основные факторы, повлиявшие на выбор конкретных (принятых в настоящей работе) ГГМ из всего возможного разнообразия моделей, отражающих условия отработки тех или иных участков выемочных столбов на различных шахтопластах.
Поскольку в работе анализируется НДС слоистого углевмещающего массива при отработке мощных и средней мощности пластов длинными очистными забоями, то, соответственно, необходимо пояснить для каких сечений выемочного столба строятся те или иные расчетные схемы, и какие ГГМ положены в их основу.
В первую очередь отметим, что, поскольку, в работе используются различные модели «поведения» среды (от упругих до пластических), то исходной («базовой») моделью принята модель слоистого упругого массива
Построение расчетных схем произведено для условий плоского деформированного состояния. В основу всех моделей положена «тяжелая полуплоскость» с объемным весом пород 2,5 т/м .
В РС-1 для ГГМ-П (см. рисунки 3.2, 3.3) выделяются пласты угля и слои вмещающих пород с рассчитанными механическими характеристиками. МГП, вмещающий пласт, моделируется как слоистый однородный трансверсально-изотропный породный массив для условий определенного предприятия (шахта Полысаевская). В модели отображаются разрабатываемый пласт, непосредственная кровля, основная кровля, породы междупластья, подрабатываемые и надрабатываемые пласты и комплекс коренных пород. Причем, в указанной модели на контактах слоев моделируется «полное сцепление» слоев.
Разработка рациональных технологических схем предварительной и попутной дегазации угольных пластов и обоснование параметров таких технологий
Выполненные по приведённой зависимости оценки показали [81], что фильтрующая (эффективная) пористость в массиве (в пластах угля) существенно переменна. Так в зонах разгрузки массивов (при, например, Я s 700м) от напряжений, указанный параметр может на 50 % и более превосходить аналогичные его значения, характерные для пластов «технологически невозмущенных», т.е. для пластов в их естественном состоянии.
Данное обстоятельство, как очевидно, существенно может предопределить изменчивость газового баланса выемочных участков шахт по фактору стока метана («забора» метана) из надрабатываемых/подрабатываемых зон.
Напомним, что выполненные ранее в ИГД им. А.А. Скочинского исследования показали, что при геостатическом нагружении угленосных толщ -вплоть до глубин порядка 1500 м - механические напряжения в массиве мало влияют на изменение объёма ультрапор (т.е. на основную часть сорбционного объёма), предопределяя, в тоже время, превалирующее изменение лишь фильтрующего (т.н. «эффективного») порового объёма.
Выше отмечалось, что информативной характеристикой, определяющей фильтрующую способность угленосной толщи является коэффициент её газопроницаемости (к). Удобной в практическом приложении формой интерпретации этой характеристики может быть её представление в виде среднего значения, отвечающего среднему уровню механических напряжений, действующих в рассматриваемой «точке» массива (пласта), т.е. в виде: кср = (р{рср). Отметим, что по данным ранее выполненных исследований (институты ИГД, МакНИИ и др.) для характерных марок углей и условий разгруженного массива (т.е. кср при аср -» 0) рассматриваемый параметр может быть оценен как: Кр »0,06-1(Г8аи2(« 60цЦ , при V ; 30%). Вид функции кср=(р{ тср) структурно аналогичен таковой, приведённой выше для параметра «я». Для инженерных оценок параметра «к» указанную функцию удобно представить в упрощённой аппроксимационной форме в виде: Kcp=K+d (Jcp; (4.8) где: d - эмпирический параметр (м /МПа) для рассмотренных условий (глубины, марки углей) количественно соответствует значению 104-10 3. к Параметр ср при этом будет характеризоваться «разбросом», т.е. коэффициентом вариацииV s 30%. Выше рассмотрены некоторые обобщённые данные, характеризующие взаимовлияние факторов: геомеханического и газодинамического. Конкретизация их для условий тех или иных месторождений требует соответствующих данных о геологическом строении углевмещающих толщ, данных об их механических и газодинамических характеристиках. В частности, имея указанные данные, далее реализуются подходы к определению таких конкретных параметров как компоненты полей iJ (соответственно, и полей 0(), определяющих функционально и изменения газодинамических характеристик исследуемых зон (коэффициентов проницаемости пластов, в т.ч. с учетом пространственно-временных факторов). Имея возможность синергетической оценки геомехано-газодинамических факторов, возможна разработка рациональных технологических схем «забора» (добычи) метана в комплексе с добычей углей. Естественно, что такой «комплекс» необходимо и достаточно обеспечивает условия повышения энергоэффективности, снижения экологического ущерба от выбросов метана и повышения безопасности горных работ при выемке метаноносных угольных пластов.
Заключая изложение настоящего материала, ещё раз подчеркнём, что основополагающая часть рассматриваемой проблемы - оценка параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) углевмещающего массива -базируется на работах профессора А.А. Борисова, позволивших мотивированно разработать необходимые для оценки НДС угольного массива соответствующие горно-геомеханические модели и расчетные схемы. Разработанная зависимость примет вид: Кср=Кс0р + 104-10"3 Е-Д0(3-6//) (4 9) где кср - средняя проницаемость рассматриваемого участка массива, Дарси; коср - проницаемость пород в разгруженном состоянии, Дарси; Е - модуль деформаций пород, МПа; i - коэффициент Пуассона; Ав - приращение объемной деформации в рассматриваемой зоне.
Разработка рациональных технологических схем предварительной и попутной дегазации угольных пластов и обоснование параметров таких технологий
Одним из основных условий решения рассматриваемой проблемы является «выделение» процесса дегазации в самостоятельный процесс «добычи угольного метана». Необходимо отметить, что поскольку добыча данного вида энергетического сырья неразрывно связана с отработкой угольных пластов, то наиболее рационально вести разговор о «комплексной» разработке данных видов топлива (а соответственно и комплексно проектировать). В такой постановке добыча метана продолжает «носить подчиненный характер», однако при выделении её в самостоятельный процесс (прежде всего с точки зрения необходимого количества времени) добыча угольного метана может являться самостоятельным рентабельным производством.
Необходимо отметить, что принципиально различными являются подходы при проектировании дегазации одиночных пластов (при отсутствии сближенных пластов) и проектировании дегазации свит сближенных пластов.
При решении вопросов обеспечения безопасности угледобычи, например при отработке одиночного мощного пласта, может быть использована схема представленная на рисунке 4.5. Указанная схема обеспечивает наиболее полное извлечение метана. Сущность заключается в следующем: заблаговременно до начала очистных работ подготавливается участок, на котором ведется частичная бурошнековая выемка. Скважины диаметром 50-70 см бурятся у почвы пласта в определённом порядке. Под действием горного давления пласт начинает разрушаться, раскрываются многочисленные трещины и происходит интенсивное газовыделение. При использовании такого способа можно извлечь до 90% находящегося в пласте метана. В конечном итоге пласт «садится», то есть происходит разрушение угольного вещества у почвы пласта при обеспечении сохранности пород кровли и через определенное время (1-2 года) его можно будет отрабатывать традиционным способом.
