ПОДЗЕМНЫЕ РАБОТЫ. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ПОДВИГАНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ НА МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДЫ ПЛАСТОВ-СПУТНИКОВ

С.Р.Ногих
Канд. техн. наук
Технический директор ОАО “УК “Кузнецкуголь”

А.Н.Павлов
Зам. начальника отдела ОАО “УК “Кузнецкуголь”

(Источник http://www.rosugol.ru/jur_u/4_01/nogih.html. )

Исследования метановыделения из вмещающих пород и пластов-спутников проводили А.Т.Айруни, Г.Д.Лидин, В.А.Колмаков, В.И.Мякенький, А.Э.Петросян, Л.А.Шевченко, А.А.Мясников, И.В.Сергеев, В.Н.Фрянов и др. Ими предложены различные методики определения газообильности выработанного пространства, но в качестве нормативного документа применяется “Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт”, разработанное в 1989 г. [1]. За время, прошедшее с момента утверждения этого "Руководства", изменились условия разработки пластов: глубина горных работ, длина очистного забоя и выемочных столбов, скорости подвигания комплексно-механизированных забоев и т.д. Еще в момент выхода этого нормативного документа в нем были допущены ошибки, а в настоящее время назрела необходимость полного пересмотра и переработки его положений.
Согласно этому документу метановыделение из пластов-спутников определяется по формуле , (1), где ∑qсп. пi - относительное метановыделение из подрабатываемых пластов-спутников, м3/т; ∑qсп. нi – относительное метановыделение из надрабатываемых пластов-спутников, м3/т.
Относительное метановыделение (qспi) из подрабатываемого или из надрабатываемого пласта-спутника определяется по формуле , (2), где kv – коэффициент, учитывающий влияние скорости подвигания очистного забоя на метановыделение из пласта-спутника, для условий Кузбасса kv = 1; mспi – суммарная мощность угольных пачек отдельного (i-го) пласта-спутника, м; xспi – природная метаноносность i-го пласта-спутника, м3/т; x0i – остаточная метаноносность угля i-го пласта-спутника, м3/т; Мспi – расстояние от разрабатываемого пласта до подработанного или надработанного пласта-спутника, м; Мр – расстояние, при котором возможно метановыделение при надработке пологих и наклонных пластов, принимается равным 35 м, при подработке рассчитывается по формуле , м (3), где kу. к – коэффициент, значение которого принимается при управлении кровлей полным обрушением равным 40, при закладке выработанного пространства – 30; mв.пр – вынимаемая мощность пласта с учетом породных прослоек, м; αпл – угол падения пласта, градус. Величина Мр для подрабатываемых пластов принимается не более 300 м.
Абсолютное метановыделение из пластов спутников определяется по формуле , м3/мин (4), где ,т/сут (5).
В последнем выражении значение переменных соответствуют: lоч – длина очистного забоя, м; mв – вынимаемая мощность пласта с учетом породных прослоек, м; - плотность угля, т/м3; νоч – скорость подвигания очистного забоя, м/сут; кн – коэффициент неравномерности метановыделения.
На основе анализа методики установлено, что влияние на абсолютную газообильность выработанного пространства для отдельно взятого комплексно-механизированного забоя (КМЗ) оказывает, в основном, скорость подвигания очистного забоя, которая является единственной переменной величиной в формуле (5). Остальные величины, входящие в формулы (1) – (5), являются для отдельно взятого КМЗ постоянными.
Нами проведен статистический анализ газовыделения в выработанное пространство очистных забоев при отработке пластов 29а и 26а ОАО “Шахты “Есаульская” (выемочные участки № 29-19 и № 26-14) и пласта 26а ОАО “Шахта “Абашевская” (выемочный участок № 26-32). Все очистные забои проветривались по комбинированным схемам с удалением метана из выработанного пространства газоотсасывающими вентиляторами. Для удаления метана использовались:

  • на выемочных участках № 29-19 и № 26-14 - вентиляторы ВЦГ-7,
  • на выемочном участке № 26-32 - вентиляторы ВЦГ-15.

    Вентиляторы обеспечивали удаление метана из выработанного пространства, поэтому в расчетах фактического метановыделения в выработанное пространство использовались данные, полученные в результате ежесуточных замеров количества воздуха и содержания метана на газоотсасывающих установках. Выемочный участок № 26-14 ОАО “Шахта “Есаульская” отрабатывался в целиках угля, что позволяет исключить влияние притечек метана из выработанного пространства ранее отработанных выемочных участков. Выработанное пространство выемочного участка № 29-19 ОАО “Шахта “Есаульская” не имело связи с выработанным пространством ранее отработанных выемочных участков, фланговые выработки связаны с выработанным пространством через изолирующие сооружения, а выработанное пространство выемочного участка № 26-32 ОАО “Шахта “Абашевская” связано с выработанным пространством ранее отработанных выемочных участков через изолирующие перемычки. Скорость подвигания очистного забоя рассчитывалась на основе суточной добычи по формуле (5).
    Зависимость газовыделения в выработанное пространство очистного забоя от суточной добычи (и, соответственно, от фактической скорости подвигания очистного забоя) по пласту 26а (на примере выработанного пространства выемочного участка № 26-14 ОАО “Шахта “Есаульская”) представлена на рис.1.
    Из данных, приведенных на рис.1 не установлено корреляционной связи между газовыделением в выработанное пространство и суточной добычей. Максимальное метановыделение не всегда совпадает по времени с максимальными объемами добычи, а имеет некоторое опережение или отставание, но в то же время, при остановленном забое (добыча равна нулю), метановыделение в выработанное пространство снижается, что позволяет сделать вывод о влиянии остановок КМЗ на снижение метановыделения в выработанное пространство. Это отмечалось многими исследователями [3,4] и подтверждает волновой характер метановыделения в выработанное пространство.
    Наиболее наглядно связь газовыделения от добычи прослеживается на рис.2, где показаны расчетные значения газовыделения в выработанное пространство по природной метаноносности пластов и по фактической метаноносности. Все расчеты произведены согласно [1]. Анализируя представленный график нетрудно заметить, что метановыделение из выработанного пространства не только не зависит от скорости подвигания очистного забоя, но и имеет не постоянный характер при одной и той же добыче.
    Кроме того, по графикам видно, что при расчетной добыче менее 3000 т/сут фактическое метановыделение значительно превышает расчетное, что повышает риск возникновения аварий, связанных с выделениями метана. При добыче более 3000 т/сут и управлении газовыделением в выработанном пространстве газоотсасывающими вентиляторами увеличивается количество воздуха, необходимого для удаления метана из выработанного пространства, что небезопасно на пожароопасных пластах.
    Таким образом, параметры метановыделения, рассчитанные по алгоритму [1], не соответствуют фактическим. В связи с этим возникает необходимость решения актуальной научной задачи исследования связей параметров метановыделения в выработанное пространство и технологических процесссов, а также использования этих связей в нормативных документах.
    В развитие алгоритма решения этой задачи в ряде научных работ в последнее время появились новые методики расчета метановыделения в выработанное пространство выемочных участков, основанные на зависимости выделения метана из сближенных пластов и пластов-спутников от скорости подвигания очистного забоя, которые позволяют получить близкие к реальным результаты только при стабильном и равномерном подвигании КМЗ. С одной стороны это понятно, если нет подвигания очистного забоя, то метановыделения в выработанное пространство либо нет, либо оно снижается, что видно из графиков (см. рис.1). С другой стороны, процесс метановыделения в выработанное пространство необходимо рассматривать с точки зрения зависимости метановыделения от обнажения выработанного пространства и разгрузки сближенных пластов и пластов-спутников при неравномерном и нестабильном подвигании очистного забоя. Кроме того, необходимо отдельно рассматривать период, в котором метановыделение в выработанное пространство только начинает формироваться, - это начало движения очистного забоя от монтажной камеры, и завершающий период при демонтаже КМЗ, когда метановыделение снижается при отсутствии подвигания очистного забоя.
    На наш взгляд процесс метановыделения в выработанное пространство необходимо рассматривать с учетом 4 периодов:

  • Метановыделение в выработанное пространство равно "0" – от момента начала движения очистного забоя от монтажной камеры до начала разгрузки сближенных пластов и пластов-спутников. Этот период характеризуется началом прогиба кровли и созданием первоначальной системы трещин в породах кровли и почвы.
  • Метановыделение нарастает от "0" до максимального значения в короткий промежуток времени. Период характеризуется началом обрушения пород кровли и максимальным поднятием пород почвы, разгрузкой сближенных пластов и пластов-спутников с увеличением метановыделения по формирующимся трещинам. Данный период является самым опасным с точки зрения возникновения аварий, связанных с повышенным метановыделением.
  • Период стабильного метановыделения начинается при полном формировании свода обрушения и продолжается до конца отработки КМЗ. Характеризуется колебаниями метановыделения в зависимости от периодичности обрушения пород кровли и формирования свода обрушения.
  • Период затухания метановыделения после отработки очистного забоя. Характеризуется стабильным снижением метановыделения в выработанное пространство при отсутствии подвигания очистного забоя.

    В новом нормативном документе по проектированию вентиляции угольных шахт необходимо предусмотреть методики расчета метановыделения в выработанное пространство с учетом вышеизложенных принципов, что позволит в будущем предвидеть зоны повышенного метановыделения и избегать аварий, связанных с ним.

    Список литературы
    Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - Макеевка, 1989. – 319 с.
    Проблемы разработки метаноносных угольных пластов в Кузнецком бассейне/ Ю.Н.Малышев, Ю.Л.Худин, М.П.Васильчук и др. – М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 463 с.
    Радиковский М.И. Разработка метода прогноза зон интенсивного метановыделения при активизации геомеханических процессов в угольных шахтах / Автореф. дисс. – Кемерово: ИУУ СО РАН, 1998. – 26 с.
    Петросян А.Э. Выделение метана в угольных шахтах. - М.: Наука, 1975. - 188 с.

    Рис.1. Распределение газообильности выемочного участка и суточной добычи по длине столба выемочного участка № 26-14

    Рис.2. Расчетная и фактическая метанообильность выработанного пространства выемочного участка № 26-14