Введение к работе
Актуальность работы. Новая техническая политика по реструктуризации угольной промышленности основана на закрытии нерентабельных шахт со сложными по обеспечению безопасности горных работ условиями и ориентирована на развитие мощностей перспективных действующих и строящихся предприятий за счет интенсификации нагрузки на очистные забои до 10 тыс.т/сут и более. Ее реализация открывает возможности для внедрения горной техники нового поколения и работы по схеме "шахта-пласт" со всеми вытекающими преимуществами по экономическим и организационно-техническим показателям.
Аналоги таких шахт имеются в основном за рубежом (США, Англия, Германия, Франция, Польша). На газообильных шахтах России переход к высокопроизводительной добыче осложнен не только специфическими природными условиями и объективными причинами технического характера, но зачастую несовершенством действующей нормативной базы (особенно в вопросах достоверности прогноза метановыделения в горные выработки выемочных участков).
С началом закрытия шахт и одновременного принятия мер по улучшению проветривания действующих шахт общее число загазирований по Кузбассу за 1990-1994 гг. уменьшилось в два раза: по очистным работам в 1,6 раза и по подготовительным - в 2,1 раза. В связи с ростом числа закрывающихся шахт тенденция снижения загазирований сохраняется, но это никак не сказывается на уменьшении напряженности газового режима даже в условиях наиболее перспективных шахт. За последние 30 лет она практически достигла минимально допустимого предела и продолжает расти, в т.ч. по причинам увеличения производственной мощности выемочных участков и несовершенства прогноза во взаимосвязи с ожидаемым метановыделением.
Число воспламенений метана по этим причинам к настоящему времени стабилизировалось на уровне 12 случаев по Кузбассу и 15 - по России, 80% из которых составляют взрывы и вспышки, а каждый третий взрыв имеет катастрофические последствия. Это свидетельствует о том, что актуальность совершенствования прогноза газовыделения на выемочных участках при высокопроизводительной добыче угля, тесно связанного с вопросами охраны труда кроме объективных технических аспектов, имеет и социальную значимость.
Диссертационная работа выполнена на основе НИОКР по тематическим планам ВостНИИ 1989 - 1999 гг. в рамках отраслевых планов Компании «Росуголь» и отраслевой научно-технической программы «Уголь России». Автор принимал участие в выполнении 6 таких работ в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.
Целью настоящей работы является разработка методов прогноза мета-новыделения в горные выработки высокопроизводительных механизированных выемочных участков на пологих и наклонных пластах для повышения безопасности горных работ.
Основная идея работы заключается в использовании установленной закономерности метановыделения из разрабатываемого пласта и пластов-спутников для обоснования новых инвариантных принципов адаптивного прогноза газообильности источников по природной газоносности пластов и фактическим данным аналогов и выбора эффективных технических решений по компоновке схем проветривания выемочных участков при технически достижимой интенсификации выемки угля.
Задачи исследований:
теоретически обосновать предпосылки для совершенствования действующих нормативных положений (актов) по прогнозу метановыделения в горные выработки выемочных участков во взаимосвязи с исходными данными и газоотдачей разрабатываемых пластов;
на основе известных фундаментальных положений по теории фильтрации и проявлениям горного давления разработать математическую модель для описания процессов метановыделения из источников в соответствии со структурой газового баланса участков в зависимости от скорости подвигания очистных забоев;
по результатам компьютерного моделирования установить особенности метановыделения по источникам в зависимости от горно-геологических условий и определяющих горнотехнических факторов и разработать адаптивные методы его прогноза по природной газоносности разрабатываемых пластов и пластов-спутников и по фактическим данным аналогов;
- провести опытно-промышленную проверку разработанных методов
прогноза на экспериментальных участках на основе системных наблюдений
за изменением метановыделения из разрабатываемых пластов и выработан-
ных пространств с использованием компьютерных технологий формирования и оценки большеобъемных выборок статистических данных газовоздушных съемок и замеров автоматизированных систем аэрогазового контроля при интенсификации добычи угля из очистных забоев до 10 тыс.т /сут;
разработать алгоритмы для практического использования предлагаемых методов прогноза метановыделения в горные выработки выемочных участков и определения максимально допустимых по газовому фактору нагрузок на очистные забои;
разработать рекомендации по компоновке схем проветривания и выбору их параметров, обеспечивающих комплексную безопасность горных работ по газовому фактору с учетом склонности разрабатываемых пластов к самовозгоранию угля в выработанных пространствах.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались аналитические исследования и экспериментальные методы наблюдений с применением компьютерных технологий и с использованием самых совершенных контрольно-измерительных приборов и автоматизированных систем аэрогазового контроля.
Объектами исследований являются высокопроизводительные выемочные участки, отрабатывающие свиты пологих и наклонных угольных пластов.
Научные положения, выносимые на защиту:
метановыделение в горные выработки выемочных участков из разрабатываемого пласта и выработанного пространства одинаково зависит от скорости подвигания очистного забоя или от добычи угля и определяется природными свойствами горного массива в зонах влияния очистного забоя (начальная метаноносность и газоотдача) и технологическими параметрами выемки угля - длиной лавы, шириной захвата, схемами проветривания и т.д.;
при определенной газоотдаче отбитого угля, длине лавы и протяженности конвейерных выработок метановыделение в исходящих струях очистных забоев, выемочных участков и в газоотводящие из выработанного пространства выработки по мере интенсификации добычи достигает предельных значений;
установленные закономерности стабилизации метановыделения по его источникам, когда добыча из очистных забоев достигает определенных значений, унифицируют его прогноз и определение допустимых по газовому фактору нагрузок на основе безитерационных методов, в т.ч. с учетом пожаробезопасных скоростей подвигания лав;
в отличие от существующих нормативных положений предлагаемые методы прогноза метановыделения выемочных участков по природной мета-ноносности источников и фактическим данным аналогов одинаково адаптивны и надежны независимо от производственной мощности участков;
разработанные алгоритмы прогноза метановыделения и технические решения по компоновке и выбору параметров схем проветривания для проектирования и организации высокопроизводительной добычи обеспечивают безопасность горных работ с учетом газового фактора и склонности углей к самовозгоранию при отработке пологих и наклонных пластов без ограничения области использования по нагрузкам на очистные забои в ближайшей перспективе (до 10 тыс.т/сут.).
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:
использованием фундаментальных положений по теории фильтрации метана из разрабатываемых пластов и пластов-спутников с учетом проявлений горного давления в зависимости от скорости подвигания фронта очистных работ;
достаточным объемом и уникальностью выполненных в рамках диссертации экспериментальных исследований на 12 участках с различными горно-геологическими условиями на основе системных шахтных наблюдений с использованием компьютерных технологий для обработки данных автоматизированных систем аэрогазового контроля и результатов специальных газовоздушных съемок при вариациях добычи угля до 10 тыс.т/сут (34 корреляционные выборки в компьютерном банке данных включают от 2136 до 9936 замеров метановыделения за непрерывные периоды работы участков от 3 до 13 месяцев);
- положительными результатами опытно-промышленной проверки
предлагаемых методов прогноза метановыделения выемочных участков
при освоении высокопроизводительной добычи угля на шахтах ОАО УК
"Кузбассуголь" и "Кузнецкуголь" и использованием предлагаемых технических решений на перспективу развития горных работ. Научная новизна работы заключается:
в теоретическом и экспериментальном обоснованиях единой закономерности метановыделения в горные выработки выемочных участков из его источников в зависимости от скорости подвигания очистных забоев или суточной добычи угля;
в разработанных впервые методах и алгоритмах прогноза метановыделения на выемочных участках при высокопроизводительной добыче угля, отличающихся надежностью и адаптивностью при расчетах по природной метаноносности источников и по фактическим данным аналогов;
в разработке алгоритмов для определения максимально допустимых по газовому фактору нагрузок на очистные забои, отличающихся безитера-ционностью их расчета с учетом в том числе пожаробезопасных скоростей подвигания лав.
в разработке методов прогноза метановыделения и допустимых нагрузок на очистные забои, которые впервые могут применяться на практике без ограничения области их использования. Разработанные на их основе технические решения по компоновке и выбору по условиям безопасности технологических параметров схем проветривания при высокопроизводительной добыче угля имеют патентную значимость (положительное решение по заявке № 99123145/03(024162) с приоритетом от01.11.99).
Личный вклад автора состоит:
в описании математической модели процессов метановыделения, связанных с изменением его интенсивности в зависимости от скорости подвигания очистных забоев;
в установлении особенностей метановыделения по его источникам в зависимости от горно-геологических условий и определяющих горнотехнических факторов;
в разработке для практического использования алгоритмов прогноза метановыделения в горные выработки выемочных участков по природной газоносности пластов и фактическим данным аналогов;
- в разработке рекомендаций по компоновке схем проветривания,
обеспечивающих комплексную безопасность горных работ по газовому фактору с учетом склонности разрабатываемых пластов к самовозгоранию угля, и внедрении их в производство.
Практическая значимость работы заключается в разработке надежных методов прогноза метановыделения в горные выработки выемочных участков, алгоритмов определения максимально допустимых по газовому фактору нагрузок на очистные забои по природной газоносности разрабатываемого пласта, пластов-спутников и по фактическим данным аналогов, а также эффективных технических решений по компоновке и выбору параметров технологических схем проветривания для освоения высокопроизводительной добычи угля с нагрузками до 10 тыс.т/сут и более.
Реализация работы. Результаты исследований реализованы в паспортах выемочных участков на шахтах ОАО УК "Кузбассуголь", "Кузнецкуголь" при освоении высокопроизводительной добычи в 1999-2000 гг., в разработанном институтом "Конверскузбассуголь" технико-экономическом обосновании концепции развития модульных технологических структур с нагрузкой до 15 тыс.т/сут в условиях освоения Соколовского месторождения угля (1998 г.), в 9 проектах на строительство и реконструкцию шахт, в том числе в проектах на вскрытие и подготовку уклонного поля ЗАО "Распадская"(1999 г.), центрального поля ОАО "Шахта им.С.М.Кирова", участка "Сибиргинский 1-3" и т.д.
Основные положения диссертации использованы также при разработке 5 нормативных документов, в том числе "Альбома технологических схем проветривания и управления газовыделением на выемочных участках при отработке пологих и наклонных пластов на шахтах Кузбасса" (1989 г.), "Экспериментальных технологических схем разработки угольных пластов короткими забоями на шахтах ОАО УК "Северокузбассуголь" (1999 г.), "Инструкции по безопасному применению технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов короткими забоями" (1999 г.), "Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса" (1999 г.), "Временного руководства по применению эффективных способов изолированного отвода метана из выработанных пространств за пределы выемочного участка и на поверхность на пологих и наклонных пластах угольных шахт ОАО УК "Кузнецкуголь" (2000 г.).
Экономический эффект от использования результатов работы не опре-
деляется из-за прямой связи с социальным фактором.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на "Отраслевом семинаре по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации шахт " (Кемерово, 1999 г.), на технических советах Госгортехнадзора России (Москва, 1999 г.), Кузнецкого управления Госгортехнадзора России (Кемерово, 1999-2000 гг.), АО УК "Кузнецкуголь" (Новокузнецк, 1998 -2000 гг.), ОАО "Кузбассгипрошахт" (Кемерово, 1998 - 2000 гг.), ЗАО "Гип-роуголь" (Новосибирск, 1996 -2000 гг.), ЗАО "Распадская", ОАО "Шахта им. Кирова " и ряда других шахт, на ученых советах ВостНИИ (1997-2000 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 работах и заявке на изобретение "Способ проветривания высокогазообильных очистных забоев" № 99123145/03(024162) с приоритетом от 01.11.99 и положительным решением о выдаче патента РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 175 страницах, содержит 23 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 79 источников и приложения.
