Д-р техн. наук Сластунов С.В., д-р техн. наук Каркашадзе Г.Г. Московский государственный горный университет,

инж. Ермак Г.П., инж. Никитин С.Г.

Ростехнадзор

Прогноз допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору

В последнее десятилетие развитие угольной промышленности России характеризуется интенсификацией добычных работ. Нагрузка на очистной забой на передовых угольных шахтах превышает 5 тыс. т в сутки и этот показатель не является предельным. Рекордная производительность достигнута на шахте "Котинская" ОАО "СУЭК-Кузбасс": произведенная модернизация горной техники позволяет работать лаве с нагрузкой 15 тыс. т/сут. Производительность добычных работ, очевидно, зависит от природных условия месторождения: геологии и мощности пласта, газоносности, проницаемости, механических свойства угля и других. Весьма серьезным сдерживающим фактором являются действующие регламенты, ограничивающие нагрузки на очистной забой по текущим измеряемым показателям (например, содержание метана в исходящей из лавы струе не должно превышать 1,0%) и нормативные документы, ограничивающие темп добычи еще на стадии планирования работы лавы [1]. При этом если инструментальные ограничения вполне обоснованы и учитывают геологическое разнообразие породного массива, то ограничения на стадии проектирования добычных работ не всегда соответствуют высоким потенциальным возможностям угольных шахт и очистных забоев. Причинами несоответствия являются устаревшие и несовершенные методики расчета нагрузок на очистной забой, не способные достоверно прогнозировать притоки метана в выработанное пространство с учетом содержания метана в угле и вмещающих породах, величины горного давления и стратиграфии углепородного массива.

На современном этапе развития фундаментальной и прикладной наук накоплен богатый материал теоретического описания процессов массопереноса газа в угольных пластах, достаточно хорошо изучена геомеханика породных массивом и, наконец, созданы мощные компьютерные средства расчетов и программное обеспечение, способное оперативно решать системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных.

Очевидно, в современных условиях высокопроизводительной работы угольных шахт требуются более совершенные методики расчетов, базирующиеся на фундаментальных законах природы. Примером такого подхода является методика расчета нагрузки на очистной забой, разработанная учеными Московского государственного горного университета совместно со специалистами в области разработки газоносных угольных пластов [2,3,4]. В расчетной модели учтены законы поведения метана в угольном пласте и породном массиве, на базе которых выполняется прогноз абсолютного газовыделения в очистной забой.

Свойства угольного пласта и породного массива описываются следующими научными положениями. Угольный пласт содержит газообразный метан, находящийся под давлением в трещинах и поровом пространстве, и твердый - абсорбированный в угле метан. Уравнение фильтрации газа в трещиновато-пористой среде описывается законом Дарси, устанавливающим пропорциональную связь между массопереносом газа и градиентом давления. В модели использовано уравнение состояния идеального газа. Фильтрация газа происходит без существенного изменения температуры. В действительности тепловые эффекты проявляются на стадии десорбции метана из угля (понижение температуры) и вязкого трения при фильтрации (повышение температуры). Вариация температуры не превышает 2-3 К и тепловые потоки равномерно перераспределяются в структуре угля. Такая вариация температуры незначительно меняет вязкость газа и несущественно отражается на скорости фильтрации и поэтому в модели принято постоянство температуры в изотермическом процессе. Процесс сорбции метана описывается уравнением Ленгмюра, учитывающим переход метана из сорбированного состояния в газообразное состояние по всему объему в каналах проницаемости. Константы уравнения Ленгмюра для угля определяют в лабораторных условиях в испытаниях кернов. При отсутствии лабораторных испытаний указанные константы могут быть определены на базе шахтных экспериментов на основе решения обратной задачи [3]. Еще одним обязательным уравнением является закон сохранения массы.

Указанные законы описываются дифференциальным уравнением фильтрации газа в угольном пласте. При плоскопараллельном движении вдоль направления x уравнение имеет вид [5]:

_{, (1)}

где С – газопроницаемость породы, м²;

μ – динамическая вязкость газа, Па·с;

П – пористость угля;

P=P(x,t) - давление газа в канале фильтрации, Па;

R – универсальная газовая постоянная, R =8,31 Дж/(моль*К);

T – абсолютная температура, К;

μ_сн4 – молярная масса метана, μ_сн4=16*10^-3 кг/моль;

а, b– постоянные сорбции метана в уравнении Ленгмюра.

Фильтрация газа из пласта в сторону свободной поверхности происходит вследствие разности давлений при следующих краевых условиях. В общем случае задано начальное распределение давления газа в угольном пласте. Рассмотрен случай, характеризующий максимальную метанообильность пласта при условии, когда давление в пласте в начальный момент времени распределено равномерно и равно максимальному пластовому давлению Р_пл

. (2)

На границе со свободной поверхностью давление газа равно атмосферному, а на бесконечном удалении давление постоянное:

; (3)

. (4)

Правомерность использования начального условия (3) обусловлена тем, что длительность дегазации очистного забоя в шахтную атмосферу перед каждым очередным циклом заходки комбайна не превышает 60 мин. В течение этого времени дегазация угольного забоя происходит на глубину не более 0,1 м, что существенно меньше ширины 0,9 м заходки комбайна. Следовательно, расчетный приток метана из свежеобнаженной поверхности забоя при использовании условия (3) практически не отличается от притока метана в задаче с начальным условием, учитывающим неравномерность распределения давления по глубине.

В соответствии с законом Дарси удельный приток метана из глубины забоя рассчитывается по формуле

м³/(м²·с) . (5)

Следующий источник газа, поступающего в очистную выработку – это породы кровли и почвы. В данном случае дифференциальное уравнение фильтрации вдоль оси z аналогично записанному ранее уравнению в виде (1), за исключением процесса сорбции метана во вмещающих породах:

_{, (6)}

где С_1,2 – газопроницаемость пород кровли и почвы, м²;

П_1,2 – пористость угля;

P=P(z,t) – распределение давления газа в породах почвы(кровли).

В выработанном пространстве очистного забоя следует учитывать различие источников метана из породного массива, соприкасающегося с крепью и с источниками метана из свежеобнаженных участков кровли и почвы, образованных при выемке угля комбайном. Очевидно, удельный приток метана из почвы и кровли с площади, обнаженной в процессе очередной заходки комбайна, будет выше, чем аналогичный поток из-под установленной ранее крепи. В данном случае при расчете притока метана следует учитывать фактор времени, в виду того, что наибольшие притоки метана имеют место сразу же, после выемки угля, что обусловлено более высокими градиентами давления газа, поступающего из окружающего пространства.

На рисунке 1 представлена расчетная схема очистного забоя, учитывающая поступление метана из всех источников, в том числе:

из очистного забоя по закону фильтрации с учетом эффекта десорбции метана из угля- Q₁ ;

из пород кровли и почвы над и под крепью – Q₂ и Q₃ ;

из отбитого угля с учетом свободного газа, находившегося под давлением в поровом пространстве – Q₄ (на рисунке не показано);

из пород кровли и почвы непосредственно из свежеобнаженной поверхности в процессе движения очистного комбайна - Q₂₂ и Q₃₃ (на рисунке не показано);

из выработанного пространства Q_5.

С учетом допущения о плоскопараллельном потоке метана из лавы при скорости v [м/с] движения комбайна и его расположении на концевом участке лавы длиной L [м], суммарный приток метана в выработку с обнаженной поверхности лавы мощностью m [м] определяется интегрированием

, м³/мин . (7)

1 - очистной комбайн; 2 – вентиляционный штрек; 3 – откаточный штрек;

4 – выработанное пространство

Рисунок 1 – Схема к расчету нагрузки на очистной забой по газовому фактору

Аналогичные представления приводят к формулам для расчета притока метана из пород кровли Q₂ и почвы Q₃ , обнажаемых в процессе отбойки угля комбайном:

; (8)

, (9)

где Δh – ширина заходки комбайна, м;

индексы 2 и 3 относятся соответственно породам кровли и почвы.

Из пород кровли и почвы метан в очистную выемку может поступать также из места соприкосновения крепи в очистной выработке с породами кровли и почвы. Эти источники аналогичны тем, которые рассчитываются по формулам (8) и (9). Разница обусловлена временем действия этих источников на момент отбойки угля комбайном (L-у)/v , временем L/v одной заходки и временем t_пер, необходимым на подготовку к обратному движению комбайна. В модели принято, что природное пластовое давление метана во всех перечисленных случаях одинаково. Следовательно, расчетные зависимости принимают вид:

; (10)

. (11)

Еще одним источником выделения метана является отбитый уголь. Предполагается, что отбитый уголь сильно дезинтегрирован и поэтому большая часть свободного метана, заключенного в поровом пространстве, выходит из угля в атмосферу очистного пространства. В этом случае темп поступления метана из порового пространства отбитого угля прямо пропорционально зависит от производительности работы комбайна и скорости его перемещения:

, м³/мин , (12)

где χ – эмпирический коэффициент раскрытия порового пространства при отбойке угля, χ≈0,6;

P_ср(t) –среднее давление метана в поровом пространстве отбиваемого угля, Па.

Среднее давление метана в поровом пространстве на участке отбиваемого угля определим путем усреднения давления газа на ширине Δh заходки комбайна. В момент времени t прохождения комбайна на участке выемки угля среднее давление метана определяется интегрированием

. (13)

Таким образом, суммарный дебит метана из всех рассмотренных источников составляет

. (14)

Суточная нагрузка на очистной забой в процессе работы комбайна с учетом коэффициента использования во времени К_исп составляет

, т/сут . (15)

где ρ_у – удельный вес угля, кг/м³.

Из формулы (15) можно выразить скорость движения очистного комбайна в процессе выемки угля как функцию нагрузки на очистной забой

(16)

и использовать при расчете дебита метана (14) как функцию нагрузки, т.е.

Известно, что по нормам техники безопасности максимально допустимая скорость воздуха при проветривании очистного забоя составляет V_max= 4 м/с. Следовательно, при сечении выработки S_оч максимально допустимый расход воздуха составляет

(17)

Притоки метана в исходящую струю Q₅ из выработанного пространства наиболее достоверно можно оценить на основе данных лавы-аналога или текущей практики эксплуатации лавы. Так, например, по результатам газовой съемки, проводимой в ремонтную смену, можно получить необходимые данные по результатам анализа корреляционной зависимости. На рисунках 2 и 3 в качестве примера представлены корреляционные зависимости, полученные в лаве шахты им. С.М. Кирова ОАО "СУЭК-Кузбасс". Данных достаточно для определения притоков метана Q₅, поступающего из выработанного пространства в исходящую струю [6].

Риссунок 2 - Распределение воздушного потока вдоль лавы

Рисунок 3 - Распределение концентрации метана вдоль лавы

Алгоритм расчетов по описанной методике представлен на рисунке 4. Исходные данные, требуемые для решения задачи, включают физические свойства угольного пласта и вмещающих пород. Технологические параметры отражают способ разработки угольного пласта длинными столбами, включая номограмму работы комбайна в лаве. Представленных исходных данных достаточно для выполнения достоверных расчетов.

251658240

Рисунок 4- Последовательность расчета максимально допустимой

нагрузки на очистной забой

Производственная апробация Методики выполнена на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс». На рисунке 5 представлены расчетные значения представленной методики и данные производственной практики для горно-геологических условий шахты "Котинская". Очевидно, производительность очистного забоя зависит от текущей газоносности пласта. Поэтому важность практических мероприятий шахтной или заблаговременной дегазации пласта по снижению газоносности трудно переоценить. Расчетные значения удовлетворительно совпадают в данными производственной практики – рекордные показатели производительности более 30 тыс.т/сут были реализованы на участках с низкой природной газоносностью менее 9 м³/т.

251658240

Рисунок 5 – Нагрузка на очистной забой в зависимости от текущей газоносности угля

Таким образом, разработана методика расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, учитывающая фундаментальные уравнения массопереноса в угольных пластах и компьютерные средства расчетов, позволяющая оперативно и с высокой достоверностью прогнозировать искомую величину.

В настоящее время по инициативе Московского государственного университета при поддержке управления по надзору в угольной промышленности ведется апробация разработанной методики на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» и Угольного департамента «АрселорМиттал Темиртау» в Карагандинском угольном бассейне.

Литература:

1. Руководство по дегазации угольных шахт. М., 1990.

2. С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов. Обоснование нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2009». С.151-159

3. Каркашадзе Г.Г., Волков М.А., Ермак Г.П. Совершенствование методики расчета нагрузки на очистной забой на основе шахтных измерений пластового давления и параметров массопереноса метана в угольных пластах// Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. ОВ № 8 «Экология и метанобезопасность». – С. 169-175.

4. Волков М.А. Обоснование допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору в условиях шахты «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»/ Сб. трудов III Международной научно-практической конференции «Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов». – Прокопьевск: Изд-во филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске. -2011. -С. 32-35.

5. Полубаринова-Кочина П.Я. О неустановившейся фильтрации газа в угольном пласте// Прикладная математика и механика. 1953. Т. 17. №6. С.735-738.

6. Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Ермак Г.П. Определение концентрации метана в выработанном пространстве по результатам съемки параметров вентиляционного потока вдоль лавы// Горный информационно-аналитические бюллетнь.-2012.-№4. Депон. Рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Спр. №880/04-12 от 23 января 2012г. (12стр).