С.Р.Ногих
Канд. техн. наук
Технический директор ОАО “УК
“Кузнецкуголь”
А.Н.Павлов
Зам. начальника отдела ОАО “УК
“Кузнецкуголь”
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:
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:
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