автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Прогноз газообильности выемочных участков при высокопроизводительной добыче угля

РГВ од

2 2 ДЕК 70П0

На правах рукописи

/

ТИМОШЕНКО АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

ПРОГНОЗ ГАЗООБИЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ПРИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

Специальность 05.26.01 - "Охрана труда"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2000

Работа выполнена в Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, ст.науч.сотр. Мащенко И.Д.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Мурашев В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шевченко Л.А.

кандидат технических наук, профессор Лудзиш В.С.

Ведущее предприятие - ОАО «Угольная Компания «Кузнецкуголь»

Защита состоится

М-'А

2000 г. в час.

на заседании диссертационного совета К 135.02.01 при Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ) по адресу:

650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 42430,

Электронный адрес ВостНИИ: уобШн @ $¡1)1. Kuzbass.net.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВостНИИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить в адрес совета.

Автореферат разослан ' 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного сове

кандидат технических

:и ХИ УН

У/ - / Г!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

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 Госгортехнад-зора 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ существующих методов и основных положений действующих нормативов в части прогноза газовыделения из основных источников поступления метана в горные выработки выемочных участков: из разрабатываемого пласта и пластов-спутников. Произведена оценка возможности их использования при высокопроизводительной добыче угля, когда нагрузки на очистные забои достигают 10 тыс.т/сут и более.

В основе существующих методов до сих пор определенную значимость имеют горностатистические принципы прогноза газовыделения разработанные академиком A.A. Скочинским и учениками его школы - Комаровым В.Б., Лидиным Г.Д., Петросяном А.Э. и др. Однако их прямое предназначение для расчетов воздуха давно исчерпано. Сейчас понятие «относительная газообильность» сохранятся, но оно приобретает новое качество в привязке к конкретному источнику газовыделения - как снижение природной газоносности. О сложности его определения при прогнозировании газовыделения из

разрабатываемого пласта при очистной выемке свидетельствует целый ряд исследований, из которых наиболее показательные представлены в работах Мясникова A.A., Ефремова К.А., Мащенко И.Д., Дьячкова А.И., Рыженко И.А., Кузьмина Д.В., Шило Л.Я., Дубова Г.П., Грицингера Б.Е., Петросяна А.Э., Сергеева И.В., Ермекова М.А., Осипова С.Н., Клебанова Ф.С., Тарасова Б.Г., Колмакова В.А. и др. Объединяет их единое мнение, что для оценки этого снижения наибольшее значение имеют скорость подвигания очистного забоя и газоотдающие свойства угольного пласта. Механизм формирования газовыделения в очистном забое закономерно связывается с проявлениями горного давления при перемещении впереди очистного забоя зон с различным напряженно-деформированным состоянием пропорционально скорости очистной выемки, что при определенных условиях приводит к его естественной стабилизации. Результаты этих работ представляются вошедшими в "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт" алгоритмами, разработанными на основании обобщающих исследований ВостНИИ и МакНИИ, которые для всех периодов его переработки отличаются определенной фундаментальностью. Более 30 лет их приемлемость для инженерных расчетов не вызывала сомнений.

Недостаточность изученности процессов газовыделения в очистной забой стала сказываться лишь в последние годы, когда создались условия для широкого применения высокопроизводительной угледобывающей техники и значительных повышений скоростей подвигания очистных забоев. Это особенно заметно при одновременном прогнозе ожидаемого газовыделения по природной газоносности пласта и по фактическому газовыделению аналога. Многочисленные данные практики показывают, что такие прогнозы могут значительно отличаться друг от друга, а их погрешность по отношению к фактическому газовыделению с ростом нагрузки на очистной забой от 1 до 10 тыс.т/сут достигает 200% и более. Если прогнозы ожидаемого газовыделения по газоносности пласта и по факту совпадают, то они хорошо "работают" только в тех случаях, когда расчетная нагрузка не превышает фактическую в 1,5-2 раза. В целом это свидетельствует о том, что статистическая состоятельность функций, принятых в "Руководстве..." для описания закономерностей изменения относительного и абсолютного газовыделений в лаве в зависимости от скорости подвигания

очистного забоя и газоотдачи углей, исчерпана. Для существующих методов прогноза требуется поэтому соответствующая доработка.

Вопросам метановыделения в выработанное пространство из пластов-спутников посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов. Наиболее значимые исследования провели Лидии Г.Д., Петросян А.Э., Айруни А.Т., Печук И.М., Пак B.C., Кизряковым А.Д., Штюффкен Я., Винтер К., Шульц П. и др. Их основополагающие положения тесно связаны с существующими нормативами по прогнозу таких газопроявлений и в ретроспективе разработки необходимой для этого базы особых возражений по инженерной состоятельности не имели.

Вскрывая механизм газовыделения из сближенных пластов, большинство этих авторов скорость подвигания фронта очистных работ относит к малозначимым факторам. Поэтому в настоящее время область использования полученных результатов ограничивается подобно методам прогноза по разрабатываемым пластам и это также подтверждается данными практики при высокопроизводительной добыче.

В результате выполненного анализа установлено, что существующие в настоящее время в действующих нормативах алгоритмы прогноза ожидаемого газовыделения на участках достаточно обоснованы, но их статистическая надежность с началом освоения высокопроизводительной добычи исчерпана. Основная причина заключается в том, что принятые для описания газовыделения функции не могут адаптировать процесс его изменения в зависимости от газокинетических характеристик каждого конкретного источника и любых скоростей подвигания очистного забоя, особенно когда они стремятся в область граничных условий. Следовательно, направленность исследований должна состоять в поиске новых моделей газовыделения с разработкой на их основе технических решений, обеспечивающих достоверность его прогноза и выбор эффективных схем для проветривания участков при нагрузках на очистные забои, по крайней мере на технически достижимых уровнях. Сформированные цель и задачи работы отражают поэтому именно такую направленность исследований.

Во второй главе приводится обоснование предпосылок для совершенствования действующих нормативных положений по прогнозу метановыделения в горные выработки выемочных участков во взаимосвязи с исходными

данными и разработка адаптивной математической модели для его расчетов в зависимости от скорости подвигания очистного забоя и добычи угля.

Сравнением принятых в "Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт" (1989 г.) (в дальнейшем "Руководство...") методов прогноза метановыделения по газоносности угольных пластов и по фактическим данным лав-аналогов показано, что для обеспечения их сопоставимости коэффициенты С2 и С\ как показатели степени в алгоритмах расчета для отношения расчетных длин лав 10чг к фактическим 10ч и планируемого уровня добычи Ар к фактическому А вместо табулированных значений соответственно 0,4 и 0,6 должны приниматься в зависимости от скорости подвигания очистного забоя Уоч и показателей газоотдачи разрабатываемых пластов П\. Согласно полученным выражениям

С, = / - С2; (1)

С2=п^(\ + 0,2Уоч), (2)

где П\ - коэффициент, характеризующий газоотдачу угольного массива в зоне влияния очистной выемки в зависимости от степени метаморфизма угля в соответствии с зависимостью

и, = 0,21 [1+2 10"3 (21 -V)2], (3)

V- выход летучих веществ в разрабатываемом пласте.

Из этого следует, что значения коэффициентов С, = 0,6 и С2 = 0,4 при расчетах ожидаемого газовыделения по фактическим данным аналогов в пределах допустимой инженерной погрешности можно использовать для пластов с малой газоотдачей (V < 8%) при скоростях подвигания очистного забоя до 3,5 м/сут, а при большей газоотдаче - до 6 м/сут, что полностью соответствует статистической обоснованности по области применения этого способа на момент опытно-промышленной проверки положений "Руководства...".

На основе известных фундаментальных положений по теории фильтрации и проявлениям горного давления и с учетом исследований Б.Г.Тарасова, В.И.Мурашева, И.Д.Мащенко, Ж.М.Кандыбаевой показано, что изменение пористости и проницаемости массива для фильтрационных потоков газа через элементарные площадки в зоне влияния выработок однозначно повторяют все

временные вариации его напряженно-деформированного состояния. Поэтому любым источником газовыделения в эллипсе разгрузки массива, как показано на рис.1 на примере подготовительных выработок, присуще одинаковое изменение их газоотдачи в соответствии с рекуррентной формулой

!,кт =/»сг0 /(0. (4)

где I ист о - начальное газовыделение из его источников, сложно зависящее от их газодинамических характеристик, природных коллектор-ских свойств массива, проявлений горного давления в виде смещений массива и других менее значимых факторов;/(?,) - функция, зависящая от времени обнажения массива, которая через скорость подвигания горных работ связана со стационарными границами эллипса разгрузки по протяжению подготовительных выработок и для различных периодов технологического цикла при выемке угля в очистных выработках (совпадающих практически с зонами дегазации массива). Приведенные закономерности предопределяют тем самым формирование по массиву в эллипсе разгрузки зон дренирования с пониженной газоносностью, значение которой в зоне выемки разрабатываемого пласта и у границ стока газа из пластов-спутников Хв определяется по формуле

хв=хкпл\\-кП1к;.), (5)

где А' - природная газоносность пласта или пласта-спутника, м3/т; К„ , - коэффициент дренирующего влияния подготовительных выработок, доли ед.; КП1 и К', - безразмерные коэффициенты, которые характеризуют соответственно газоносность пластов на кромке стока газа и влияние на газовыделение скорости подвигания очистного забоя. Согласно "Руководству..." К'. =е~"''°ч, а КП1 на основе уточнения его нормативных значений определяется из выражения

*„7; = (1-Х0/Х)е-'"'\ (6)

где Х0 - остаточная газоносность пласта, м3/т; г*- ширина зоны, определяющая значение газоносности на кромке стока газа, м. Для кромки движущего забоя при цикличности выемки угля г* совпадает с шириной захвата комбайна г > 0,5 м, а в остановленных забоях, к категории которых отно-

сятся стенки подготовительных выработок и стоки газа из пластов-спутников, стремится к значениям дегазированной зоны пласта (зон разгрузки), что равносильно г*—»со.

Рис. 1 Эллипс разгрузки массива в окрестностях горной выработки и элементарные фильтрационные потоки газа из источников его выделения: 1 и 2 - разрабатываемый пласт; 3 - пласт-спутник; 4 и 5 - деформирова-ные породы междупластья (верхний и нижний массив); 6, и 7, — верхний и нижний горные массивы различного состава согласно ¡-того числа породных слоев и их взаимного расположения

На основании отмеченного алгоритм прогноза абсолютного метановы-деления в выработки выемочного участка по источникам - разрабатываемый пласт и выработанное пространство (потери угля, пласты-спутники, вмещающие породы) можно представить обобщенным выражением в виде

1ист =0,7- Ю-3 АпЯ*ист /(Уоч.) , (7)

где Ац - добыча угля за цикл выемки угля при У0ч = 1 м/сут в зависимости от вынимаемой мощности пласта тв, м, длины очистного забоя i очр, м, объемной массы угля у, т/м3, и коэффициента его извлечения Кц; Ац - тв I очр У Кц ;

д*11ст- относительное газовыделение в зависимости от источников: цп1 = КП1 X (разрабатываемый пласт), с](:ц ={щ.„ ¡т^Хсц ~Х0 ]ЛГг (пласты - спутники) - коэффициент Кг учитывает их разгрузку, +К>г^д'п (потери угля и вмещающие породы), Кп и Кэп- нормируемые коэффициенты; /(Уоч)- безразмерная функция, которая описывается уравнением

/(Уоч) = а Уоч +(1-а) К Уоч е "Ч (8)

в котором для разрабатываемого пласта коэффициент К = К П1, для смежных пластов К=К ПП КГ, а параметры ачКг независимы от скорости Уоч и определяются для каждых конкретных условий в зависимости соответственно от газоотдачи отбиваемого угля и расстояния до пластов-спутников.

На рис.2 показано изменение функции (8) в безразмерных координатах У= П1 /(Уоч), х = П/Уочпри различных значениях параметров а и К, приведенных в табл.1 в соответствии с вариантами компьютерного моделирования.

Таблица 1

Варианты моделирования газовыделения по безразмерной функции у = Щ/(У0ч)

Вариант Значения параметров в Соответствие источникам

функци и Г(Ут) газовыделения

а К

1 0 1 Спутники, не попадающие в зону

обрушения пород, разрабатываемый

пласт с весьма малой газоотдачей

отбитого угля

2 0,05 1 Разрабатываемый пласт и пласты-

3 0,10 1 -спутники в зоне обрушения пород

4 0,15 1 при широкозахватной выемке угля

5 0,20 1

6 0,10 0,5 Пласты и спутники при щ /г =0,69

7 0,10 0,7 и, /г =0,36

8 0,10 0,9 /7, /г =0,11

9 0,15 0,5 пх /г =0,69

10 0,15 0,7 п, /г =0,36

11 0.15 0,9 щ /г=0,11

12 0,2 0,5 щ/г= 0,69

13 0,2 0,7 щ/г= 0,36

14 0,2 0,9 П\ //•= 0,11

Приведенные кривые характеризуются довольно близким расположени-

ем локальных максимумов кривыхутах в зависимости отх и стабилизацией

Рис.2 Изменение безразмерной функции газовыделения: а - из разрабатываемого пласта при широкозахватной выемке угля и из пластов-спутников (варианты 1, 2, 3, 4, 5); б - из разрабатываемого пласта при v^кmяxRятнr>й ямемке ^япиянты Ч. 4. 5. 9-141

газовыделения при а = 0,1 в области 0< х ~ 5, соответствующей скоростям подвигания очистного забоя до 24 м/сут для пластов с большой газоотдачей (П\ = 0,21) и до 14 м/сут с малой (П\ = 0,36). Поэтому неразрешимость уравнения (8) относительно ¥0ч, что очень важно для вентиляционных расчетов, легко преодолевается, если с учетом отмеченного представить его выражением

т,) = Г{Уоч)[1-е-м\, (9)

где Г (У0,,)=0,37К/пХ\-а)2 . (10)

а = 4,06 ехр (-3,76 а); /7=1+0,19(1 -а)4. (11)

Ошибка аппроксимации не превышает ±4 %. Более того, представлением данных моделирования (рис.2) изменением отношений у, /уз — упг, в зависимости от х, г де у1 - значение исследуемой функции (8) в безразмерном виде по всем /- ым вариантам, ауз - по варианту 3, получена серия частных корреляционных прямых с близкими к единице коэффициентами корреляции (рис.3).

х --

Рис. 3 Изменение приведенной функции газовыделения по вариантам 1,2,3,4,5

В обобщенном виде при той же близкой к 1 тесноте связи это приводит к описанию изменений^;, в виде линейной функции

Упг = К[\+2(а-0,\)х]. (12)

В конечном итоге для прогноза ожидаемого метановыделения в выработки участка вместо выражения (6) получено два обобщенных уравнения в зависимости от исходных данных:

- при прогнозе по газоносности источников

'«Т Чист ] [1 + 2«, (а-0,1)ав Уочр] ; (13)

-и. а*

- при расчетах по фактическим данным аналогов

10Ч [1-е—'-'][1 + 2«,(а-0Л)«вС] " " ' ( ' где коэффициент ав = Кв К'ДВп учитывает особенности схем проветривания с изолированным отводом метана за пределы участка подобно снижению газообильности выработок за счет выноса метана в отбитой массе угля; Кв , К'дВ.п , Кс.р КГр - известные из "Руководства..." коэффициенты.

В третьей главе приведены результаты исследований особенностей метановыделения на выемочных участках и оценка адаптивности разработанных выше методов его прогноза по шахтным наблюдениям при высокопроизводительной добыче угля. Исследования основаны на длительных инструментальных замерах, выполненных при типичных для Кузбасса условиях и схемах проветривания с высокоэффективным изолированным отводом метана из выработанных пространств, обеспечивающих в методическом плане надежность раздельных замеров и прогноза газовыделения по источникам при вариациях скорости подвигания очистного забоя или суточной добычи угля примерно на один порядок величин (до 10 тыс.т/сут). Для их достоверности принят принцип системности, согласно которому информация по изменениям аэрогазодинамических параметров выбранных участков формировалась в компьютерном банке данных за периоды от 3 до 13 месяцев с использованием систем автоматизированного контроля метана и воздуха на основе почасовой записи суточных показаний. Ее обработка производилась для определения газовыделения из разрабатываемого пласта, из выработанного пространства и для каждого участка в целом.

Автоматизированный аэрогазовый контроль на всех экспериментальных участках производился с помощью датчиков скорости воздуха стационарной аппаратуры ИСНВ на поступающих в очистной забой струях и датчиков мета

на системы АКМ производства английской фирмы "TRASmitter" или отечественной аппаратуры типа АМТ с их расстановкой по базовым схемам согласно нормативным требованиям. Для необходимых при этом контрольных замеров и при проведении специальных газовоздушных съемок применялись анемометры типа АСО-3 и "Paul Gotte", а также переносные метанометры преимущественно в специальном исполнении типа "Passport" американской фирмы MSA. Комплексом проведенных исследований охвачено 12 экспериментальных участков: в ОАО УК "Кузбассуголь" - шахта им.Кирова - лавы 18-168 и 18-166, пласт Толмачевский, лава 25-85 - пласт Болдыревский, шахта "Комсомолец" - лава 17-10, пласт Бреевский и шахта "Заречная" - лава 904, пласт Полысаевский -1; в ОАО УК "Кузнецкуголь" - на шахте "Есаульская" -лавы 29-17, 29-19, 26-14, пласты 29 и 26, на шахте "Абашевская" - лавы 26-32, 64-204, пласты 26 и 64 и шахте "Юбилейная"-лава 25-16, пласт25.

Прогнозное метановыделение по указанным источникам для сравнения с фактическими замерами определялось по интервалам изменения суточной добычи угля через каждые 500 т. Расчеты для разрабатываемого пласта производились по его природной метаноносности в соответствии с формулой (13) при Уочг = Ар /Ац ,м/сут, а для выработанного пространства и участка в целом на основе формулы (14). Для построения компьютерных кривых газовыделения (трендов) в последних случаях фактические значения 1впф и 1учф принимались для уровня добычи АПР = 3 Ац/2,8 П] ав, который по физической сущности характеризует начало возможной стабилизации газовыделения с вероятностью 0,95. Полученные результаты наблюдений и сопоставление их с прогнозными значениями метановыделения показаны характерными примерами на рис.4. Оценка такого сопоставления производилась на основании компьютерного корреляционного анализа с помощью программного комплекса Microsoft Excel 7.0. В результате приведенных расчетов по всему объему шахтных наблюдений установлено, что теоретические кривые прогнозного метановыделения довольно четко и надежно согласуются с экспериментальными данными (как это видно на рис.4). По 33 выборкам из 34, каждая из которых согласно исходным данным включает от 2136 до 9936 системных замеров метановыделения из очистного забоя, выработанного пространства и на участках в целом, заданные в теоретическом виде уравнения регрессии характеризуются корреляционными отношениями порядка 0,80-0,96

ш.им. Кирова л.25-85

о- 12

Е о

4 6

Добыча, тыс.т/суг

ш.им. Кирова л.24-45

4 6

Добыча, тыс.т/сут

шим. Кирова л.18-168

J оч.ф. •

2 3 4

Добыча, тыс.т/суг -Доч.р. » ] вп.ф.-1вп.р.

J уч.ф.-] уч.р.

Рис.4 Изменение газовыделения на экспериментальных участках шахт ОАО УК "Кузбассуголь"

с изменениями от 0,782 до 0,964. И только по одной выборке (Ля, лава 29-19, шахта "Есаульская") ¿¡¿я = 0,74, что из-за незначительных отличий от указанных значений в целом по всем выборкам существенного значения не имеет. Кроме адаптивности, этим подтверждается и инвариантность разрабо-

т 4

5

тайных методов прогноза метановыделения как по природной газоносности пластов, так и по фактическим данным аналогов, свидетельствуя о правомерности принятых из теории фильтрации положений о едином характере изменения метановыделения из разрабатываемых пластов и выработанных пространств в зависимости от скорости подвигания очистного забоя или добычи угля. Экспериментальные данные действительно показывают, что эти источники на каждом участке отличаются лишь интенсивностью метановыделения, а темп его изменения по мере увеличения добычи одинаков.

Ошибка разработанных методов прогноза по результатам сравнения 472 расчетных и фактических значений метановыделения только в двух случаях превосходит допустимый для инженерных расчетов 30% - ный уровень соответственно на -2,12 и +0,82%. При этом по большинству наблюдений (87%) оно не превосходит ±20%.

В четвертой главе на основании установленных закономерностей метановыделения на выемочных участках при высокопроизводительной добыче угля разработаны предложения по практическому применению результатов исследований в части новых методов прогноза метанообиль-ности выработок выемочных участков по природной метаноносности и фактической газообильности источников, определения максимально допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору и выбора эффективных проектных параметров для компоновки технологических схем проветривания.

В соответствии с новым алгоритмом прогнозная метанообильность выработок выемочных участков IВЫР, м3/мин, определяется значениями метановыделения по источникам 1оч,1уч,1вп в зависимости от плановой добычи угля Ар , тыс.т/сут, в соответствии с единой для любых схем проветривания и способов управления метановыделением системой уравнений

где Гоч, Гуч, Гвп - соответствующие 1оч, /,,, и I т предельные величины

метановыделения, м3/мин, которые можно представить в виде

4 = Кл{[~К^)р +Кп{]--кдег1)р(]--к'двп)р Квп> 4 = 4+4(1-0,0-ОяО-^); - (15 Г =г -г

вп vi 04

Параметры Я, v задаются в зависимости от газоотдающих свойств пластов, утечек воздуха, эффективности газоотвода и технологических параметров 10ч , njB , у, а I*п.ч и 1*вп прогнозируются по газоносности пластов или по фактическому газовыделению приАР =АПр.

Допустимая по газовому фактору нагрузка на очистную выработку определяется в зависимости от планируемой при проектировании горных работ суточной добычи Ар по формулам - при Ар > Ацр = 3/Я

3 1

А., = — + -"" Я v

б, У"(с-с.Г !

194 ) /'

(16)

- при Ар > Апр А

1

= - -1п

Л

1 -

Ô,

(17)

' (С - С0)"6

лм) гт

где ()р - расход воздуха в исходящей из очистного забоя струе согласно схеме проветривания, исходя из его подачи, с учетом возможностей вентиляционной сети шахты, м3/ мин.

В отличие от существующих алгоритмов определения Атах в данных случаях плановая нагрузка может задаваться однозначно (когда технологические возможности добычи сразу увязаны и с рентабельностью, и с обеспечением пожаробезопасности горных работ за счет соответствующих темпов их подвигания). При отработке склонных к самовозгоранию пластов угля для плановой нагрузки АР длина лавы 10чр обязательно должна соответствовать пожаробезопасной скорости ее подвигания Уочпох-

При компоновке схем вентиляции для газообильных участков при высокопроизводительной добыче рекомендуются комплексные схемы проветривания и управления газовыделением (рис.5). Их параметры, кроме общеизвестных положений по организации изолированного газоотвода из выра-

высокопроизводительных участков:

а - с дренажным штреком; б, в - при бесцеликовой выемке с газоотводом с помощью газоотсасывающих вентиляторов и за счет общешахтной депрессии соответственно; г - при прямоточном проветривании

ботанных пространств, регламентируются рекомендациями по определению эффективных расстояний между сбойками, которые соединяют воз-духоподающие выработки, и оптимальной длины лавы из условия минимизации газовыделения в призабойное пространство очистного забоя и обеспечения пожаробезопасности горных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача по разработк( адаптивных методов прогноза ожидаемого метановыделения в горные выра ботки выемочных участков по природной метаноносности угольных пласто! и фактическим данным аналогов при проектировании высокопроизводитель ной добычи угля для условий новых, реконструируемых и действующа шахт, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности разработ ки пологих и наклонных пластов с учетом склонности угля к самовозгоранию

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Выявлены причины, обусловливающие неприемлемость существующих методов прогноза метанообильности участков при проектировании высокопроизводительной добычи угля, и показано, что процессам выделения метана на выемочных участках из разрабатываемого пласта и выработанного пространства свойственна единая закономерность в зависимости от скорости подвигания очистного забоя. Разрабатываемый пласт и пласты-спутники при одинаковых газодинамических свойствах различаются лишь начальной интенсивностью метановыделения в зависимости от определяющих факторов, отличия которых по этим источникам предопределены природой изменения смещений горного массива в эллипсе его разгрузки по соответствующим для них направлениям фильтрации.

2. По данным математического моделирования процессов метановыделения на выемочных участках на основе проверенных многолетней практикой алгоритмов его расчета в зависимости от метаноносности пластов в зоне выемки, газовыделения через поверхность их обнажения и из отбиваемого угля получена обобщенная зависимость выделения метана из разрабатываемых пластов и выработанных пространств от скорости подвигания очистного забоя, позволяющая адаптировать прогноз по однозначности результатов расчета по природной метаноносности пластов и по фактической газообиль-

ности аналогов с учетом определяющих горно-геологических и горнотехническим факторов, в том числе, газоотдачи угля в массиве и в отбиваемой или разрушаемой горной массе.

3. Установлена особенность абсолютного метановыделения в горные выработки выемочных участков, связанная с возможностью его стабилизации при скоростях подвигания очистного забоя, превышающих соответствующие газоотдаче пластов значения, подобно известной аналогии в отношении длины протяженных подготовительных выработок.

4. Опытно-промышленная проверка установленных закономерностей метановыделения на 12 экспериментальных участках шахт Кузбасса при интенсификации добычи угля до 10 тыс. т/сут на основе системных наблюдений выделения метана из очистных забоев, выработанных пространств и на участках в целом в сочетании с компьютезированной технологией формирования больше-объемных статистических выборок за период их работы от 3 до 13 месяцев с учетом данных автоматических систем контроля метана и воздуха четко подтверждает их адаптивность и инвентарность при переходах от прогноза по природной метаноносности угольных пластов к прогнозу по аналогам.

Корреляция теоретических кривых метановыделения с фактическими данными по участкам в объеме от 2136 до 9936 системных замеров средних суточных значений характеризуется корреляционными отношениями порядка 0,80 - 0,96, а ошибки реальнее всего не превосходят ± 20%.

5. Для практического применения результатов исследований предлагаются следующие научно обоснованные разработки:

- новый единый метод прогноза метановыделения в выработки выемочных участков по источникам в зависимости от плановой добычи угля, природной метаноносности разрабатываемых пластов и пластов-спутников и по фактическим данным аналогов, отличающийся одинаково высокой надежностью и универсальностью как при проектировании новых шахт (участков), так и при пересчетах проветривания на действующих шахтах в связи с оперативным контролем, изменением горно-геологических условий и горнотехнических факторов, нагрузки на очистные забои и в решении других задач, связанных, например, с обеспечением пожаробезопасности горных работ, с совершенствованием схем проветривания участков, дегазации и газоотвода;

- взаимосвязанный с новым методом прогноза ожидаемого метановыде-

ления алгоритм определения максимально допустимой по газовому фактору на грузки на очистные выработки, отличающийся безитерационностью расчетов;

- технические решения по компоновке (проектированию) схем проветривания для высокопроизводительной добычи угля на основе предлагаемого базового варианта (как минимум с четыремя оконтуривающими вынимаемый столб угля выработками) в части определения расстояния между сбойками, соединяющими воздухоподающие выработки для организации изолированного газоотвода из транспортируемого угля, и оптимизации длины лавы по условию минимизации метановыделения в участковые горные выработки с учетом пожаробезопасности горных работ.

6. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования соответствуют технически достижимым в настоящее время подвиганиям фронта очистных работ, поэтому предлагаемые рекомендации могут применяться без ограничения области использования, по крайней мере, на ближайшую перспективу.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тимошенко A.M. Влияние зон повышенного горного давления на характер газовыделения из разрабатываемого пласта // Безопасность работ в угольных шахтах: Сб. науч. тр. / ВостНИИ. - Кемерово, 1994. -С. 62-69.

2. Тимошенко A.M. Влияние стратеграфии залежи сближенных угольных пластов на степень их дегазации // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. - 1995. - №1. - С. 5-7.

3. Timoshenko A. The effect of contiguous coal seams stratification on the extent of their drainage // Coalbed methane: forecasting, monitoring, utilization.

1995,-№1-3.-C. 26-28.

4. Тимошенко A.M. Влияние мощности междупластья на степень дегазации пластов-спутников // Повышение безопасности на угольных предприятиях: Сб. науч. тр. / ВостНИИ. - Кемерово. - 1995. -С. 110-118.

5. Мащенко И.Д., Тимошенко A.M., Полевщиков Г.Я., Преслер В.Т, Анализ условий проектирования высокопроизводительных забоев по газовому фактору // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. -

1996,-№1.-С. 8-10.

6. Mashchenko I., Timoshenko A., Polevshchikov. G., Presler V. The effect of contiguous coal seams stratification on the extent of their drainage // Examination of Conditions to Design High-Productivity Coal Faces with Regard of Gas Factor. 1996, Nos. 4-6, С. 27-29.

7. Мащенко И.Д., Тимошенко A.M., Кравченко А.И. Уточнение коэффициента газоотдачи из отбитого угля при буровзрывном способе проходки подготовительных выработок // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. - 1998. - №1. - С. 19-20.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Анализ факторов, определяющих газообильность очистного забоя

1.2 Состояние исследований газовыделения в выработанное пространство

1.3 Общая направленность исследования и методическая ориентация

ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ ПРОГНОЗА МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СКОРОСТИ ПОД-ВИГАНИЯ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ

2.1 Предпосылки для совершенствования действующих нормативных положений при прогнозе газовыделения в горные выработки выемочных участков

2.2 Разработка адаптивных математических моделей газовыделения из источников поступления метана в горные выработки выемочных участков

2.3 Результаты компьютерного моделирования

2.4 Адаптация прогноза метановыделения из источников по природной газоносности и фактическим данным аналогов 59 Выводы

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ШАХТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ПРИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

3.1 Выбор экспериментальных участков и методика шахтных наблюдений

3.2 Результаты шахтных наблюдений Выводы

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ К ВОПРОСАМ ПРОВЕТРИВАНИЯ И БОРЬБЫ С ГАЗОМ ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ НА ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТАХ

4.1 Прогноз метанообильности выработок выемочных участков

4.1.1 Прогноз по природной метаноносности пластов

4.1.2 Определение ожидаемого метановыделения по фактическому

4.2 Расчет максимально допустимой нагрузки на очистную выработку по газовому фактору

4.3 Рекомендации для выбора проектных параметров технологических схем проветривания

4.3.1 Общие положения

4.3.2 Проектирование схем проветривания для высокопроизводительной добычи угля

4.3.3 Оптимизация длины лавы по условиям безопасности Выводы

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 метановы-деления в горные выработки выемочных участков).

С началом закрытия шахт и одновременного принятия мер по улучшению проветривания действующих шахт общее число загазирова-ний 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. 5

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.

Целью настоящей работы является разработка методов прогноза метановыделения 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 горногеологических 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 выработанных пространств с использованием компьютерных технологий формирования и оценки болыпеобъемных 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 метаноносности 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 наклон8 ных 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 безитерационностью 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 от 01.11.99).

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.

10

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 19992000 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"

11

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 определяется 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 "Гипроуголь" (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 высокогазо-обильных 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 приложение.

Выводы

На основании теоретических и экспериментальных исследований закономерностей метановыделения в горные выработки выемочных участков разработаны новые методы его прогноза для совершенствования действующих нормативных положений, отличающиеся универсальностью оценки составляющих газового баланса по источникам выделения метана, адаптивностью расчетов по природной газоносности пластов и по фактическим данным аналогов и инженерной приемлемостью для проектирования проветривания при высокопроизводительной добыче угля. При этом однозначность решений полученных уравнений связи ожидаемого метановыделения с определяющими факторами относительно добычи угля позволила также рекомендовать новый безите-рационный метод определения максимально допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой.

Существующие алгоритмы расчета количества воздуха, критериев для выбора схем проветривания выемочных участков и параметров схем и способов изолированного газоотвода из выработанных пространств предлагается корректировать лишь в части определения ожидаемого метановыделения. Это приемлемо при определении проектных параметров для любых технологических схем проветривания, в т.ч. на основе новых технических решений для обеспечения высокопроизводительной добычи угля.

Для предлагаемой компоновки схем проветривания газообильных высокопроизводительных очистных забоев на основе базового варианта, как минимум, с четырьмя оконтуривающими вынимаемый столб угля выработками, обеспечивающей комплексный изолированный газоотвод из выработанного пространства и из отбитого угля, разработаны рекомендации по прогнозу ожидаемого метановыделения в выработки с конвейерным транспортом угля и для определения расстояния между сбойками, соединяющими воздухоподающие для участка выработки, из условия разжижения метана в поступающей в очистной забой струе воздуха до допустимого уровня концентрации 0,5%.

Вводится понятие оптимальной длины лавы по условиям безопасности. Предлагается алгоритм расчета ее значений в зависимости от проектной добычи и пожаробезопасной скорости подвигания очистного забоя при минимуме на участке газовыделения из отбитого угля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача по разработке адаптивных методов прогноза ожидаемого метановыделения в горные выработки выемочных участков по природной метаноносности угольных пластов и фактическим данным аналогов при проектировании высокопроизводительной добычи угля для условий новых, реконструируемых и действующих шахт, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности разработки пологих и наклонных пластов с учетом склонности угля к самовозгоранию.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Выявлены причины, обусловливающие неприемлемость существующих методов прогноза метанообильности участков при проектировании высокопроизводительной добычи угля, и показано, что процессам выделения метана на выемочных участках из разрабатываемого пласта и выработанного пространства свойственна единая закономер

116 ность в зависимости от скорости подвигания очистного забоя. Разрабатываемый пласт и пласты-спутники при одинаковых газодинамических свойствах различаются лишь начальной интенсивностью метановыделения в зависимости от определяющих факторов, отличия которых по этим источникам предопределены природой изменения смещений горного массива в эллипсе его разгрузки по соответствующим для них направлениям фильтрации.

2. По данным математического моделирования процессов метановыделения на выемочных участках на основе проверенных многолетней практикой алгоритмов его расчета в зависимости от метаноносности пластов в зоне выемки, газовыделения через поверхность их обнажения и из отбиваемого угля получена обобщенная зависимость выделения метана из разрабатываемых пластов и выработанных пространств от скорости подвигания очистного забоя, позволяющая адаптировать прогноз по однозначности результатов расчета по природной метаноносности пластов и по фактической газообильности аналогов с учетом определяющих горно-геологических и горнотехническим факторов, в том числе, газоотдачи угля в массиве и в отбиваемой или разрушаемой горной массе.

3. Установлена особенность абсолютного метановыделения в горные выработки выемочных участков, связанная с возможностью его стабилизации при скоростях подвигания очистного забоя, превышающих соответствующие газоотдаче пластов значения, подобно известной аналогии в отношении длины протяженных подготовительных выработок.

4. Опытно-промышленная проверка установленных закономерностей метановыделения на 12 экспериментальных участках шахт Кузбасса при интенсификации добычи угля до ТО тыс. т/сут на основе системных наблюдений выделения метана из очистных забоев, выработанных

117 пространств и на участках в целом в сочетании с компьютезированной технологией формирования большеобъемных статистических выборок за период их работы от 3 до 13 месяцев с учетом данных автоматических систем контроля метана и воздуха четко подтверждает их адаптивность и инвентарность при переходах от прогноза по природной метанонос-ности угольных пластов к прогнозу по аналогам.

Корреляция теоретических кривых метановыделения с фактическими данными по участкам в объеме от 2136 до 9936 системных замеров средних суточных значений характеризуется корреляционными отношениями порядка 0,80 - 0,96, а ошибки реальнее всего не превосходят ± 20%.

5. Для практического применения результатов исследований предлагаются следующие научно обоснованные разработки:

- новый единый метод прогноза метановыделения в выработки выемочных участков по источникам в зависимости от плановой добычи угля, природной метаноносности разрабатываемых пластов и пластов-спутников и по фактическим данным аналогов, отличающийся одинаково высокой надежностью и универсальностью как при проектировании новых шахт (участков), так и при пересчетах проветривания на действующих шахтах в связи с оперативным контролем, изменением горногеологических условий и горнотехнических факторов, нагрузки на очистные забои и в решении других задач, связанных, например, с обеспечением пожаробезопасности горных работ, с совершенствованием схем проветривания участков, дегазации и газоотвода;

- взаимосвязанный с новым методом прогноза ожидаемого метановыделения алгоритм определения максимально допустимой по газовому фактору нагрузки на очистные выработки, отличающийся безитераци-онностью расчетов;

- технические решения по компоновке (проектированию) схем

118 проветривания для высокопроизводительной добычи угля на основе предлагаемого базового варианта (как минимум с четырьмя оконтуривающими вынимаемый столб угля выработками) в части определения расстояния между сбойками, соединяющими воздухоподающие выработки, для организации изолированного газоотвода из транспортируемого угля, и оптимизации длины лавы по условию минимизации метановыделения в участковые горные выработки с учетом пожаробезопас-ности горных работ.

6. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования соответствуют технически достижимым в настоящее время подви-ганиям фронта очистных работ, поэтому предлагаемые рекомендации могут применяться без ограничения области использования, по крайней мере, на ближайшую перспективу.

119

1. Скочинский A.A., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. -М. -Л.: Углетехиздат, 1949. -442 с.

2. Лидин Г.Д., Петросян А.Д. Газообильность каменоугольных шахт СССР. -М. -Л.: Изд-во АН СССР, 1949. 224 с.

3. Лидин Г.Д. Горностатистический метод прогноза метанообиль-ности угольных шахт // Труды ИГД. T.l. -М.: Изд-во АН СССР, 1954. -С.145-155.

4. Временная инструкция по прогнозу метанообильности угольных шахт СССР. Утв.12.12.1964. -М., 1965. -33с.

5. Сборник инструкций и других нормативных документов по технике безопасности для угольной промышленности. -М.: Недра, 1978. -744 с.

6. Дополнения к "Руководству по проектированию вентиляции угольных шахт". Утв. 27.12.79 / Минуглепром СССР. -М.: Недра, 1981. -79с.

7. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Утв.15.08.89 / Минуглепром СССР. -Макеевка: МакНИИ, 1989. -319с.

8. Кузьмин Д.В. Расчет остаточной метаноносности добытого угля // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1969. -№10. -С.29-31.

9. Ефремов К.А., Дьячков А.И. Остаточная газоносность угля выдаваемого из шахты как параметр прогноза газообильности горных выработок // Труды ВостНИИ. Т.12. -Кемерово, 1972. -С.3-13.

10. Рыженко И.А. Прогноз газовыделения из разрабатываемого пласта при различной скорости подвигания очистного забоя // Изв. вузов. Горный журнал. -1967. -№4. -С.65-70. -Библиогр.: С.70 (8 назв.).120

11. Мясников А.А., Мащенко И.Д. К вопросу проектирования проветривания шахт при интенсивной выемке угля // Тр. ВостНИИ. Т. 17. -Кемерово, 1972.-С.154-165.

12. Шило Л.Я. Исследование кинетики газовыделения при разработке угольных пластов в зависимости от скорости подвигания очистных забоев.: Автореф. дис. канд.техн.наук. -Днепропетровск, 1970. -25 с.

13. Дубов Г.П. Расчет метановыделения из отбитого угля в забои подготовительных выработок // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1971. -№6. -С.15-16.

14. Грецингер Б.Е. и др. Метановыделение при работе комплекса КМ-87 с разной величиной нагрузки на очистной забой // Разработка месторождений полезных ископаемых. Вып.25. -Киев, 1971. -С.12-16.

15. Грецингер Б.Е., Соболевский В.В., Белянин И.Е. и др. Влияние скорости подвигания очистного забоя на деформацию угольного пласта и газовыделение // Разработка месторождений полезных ископаемых. -1968.-Вып.14.-С.71-75.

16. Петросян А.Е., Сергеев И.В. Газообильность выработок при интенсивной выемке угольных пластов // Техника безопасности в угольной промышленности. -М.: Госгортехиздат, 1963. -С.49-55.

17. Ермеков М.А. и др. Расчет ожидаемого газовыделения в очистную выработку из разрабатываемого пласта при высоких скоростях подвигания // Изв. вузов. Горный журнал. -1971. -№5. -С.78-83. -Библиогр.: С.88 (6 назв.).

18. Осипов С.Н. Управление метановыделением при различных скоростях подвигания очистного забоя. -М.: Госгортехиздат, 1960. -94 е.: ил. -Библиогр.: С.93-94 (27 назв.).

19. Осипов С.Н. Борьба со взрывами газа в горных выработках. -М.: Недра, 1972. -158 е.: ил. -Библиогр.: С.153-156 (71 назв.).121

20. Тян Р.В., Кордин Ю.А. Влияние технологического процесса добычи угля на режим газовыделения в лаве // Изв. вузов. Горный журнал. -1971. -№7. -С.64-67. -Библиогр.: С.67 (6 назв.).

21. Клебанов Ф.С. О внешней динамике выделения газа из разрабатываемого пласта // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1971. -№4. -С.99-102.

22. Колмаков В.А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. -М.: Недра, 1981. -134 е.: ил. -Библиогр.: С.130-132 (40 назв.).

23. Рогов Е.П., Грицко Г.И., Вылегжанин В.Н. Математические модели адаптации процессов и подсистем угольной шахты. -Алма-Ата: Наука, 1979. -240 с.

24. Мащенко И.Д., Тимошенко A.M., Полевщиков Г.Я., Преслер В.Т. Анализ условий проектирования высокопроизводительных забоев по газовому фактору // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. 1996. - №1. -С.8-10.

25. Козырев E.H. Разработка методов определения эмиссионных ресурсов и газодинамических свойств массива горных пород для совершенствования комплексного газоуправления: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.тех.наук. Кемерово, 2000.

26. Мащенко И.Д. Исследование влияния напряженно-деформированного состояния угольных пластов на газовыделение в подготовительные выработки в условиях шахт Кузбасса: Диссертация. -Кемерово, 1968. с. -(КузПИ).

27. Тарасов Б.Г., Мащенко И.Д. О напряженном состояние угольного массива вокруг подготовительной выработоки // Вопросы рудничной аэрологии. Вып.1. / КузПИИ. -Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1967. -С. 125-146.

28. Тарасов Б.Г. Прогноз газообильности выработок и дегазация шахт. -М.:Недра, 1973. -208 е.: ил. -Библиогр.: с.204-206 (68 назв.).

29. Мурашев В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследований геомеханических процессов: Диссертация. -М., 1980. с.

30. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. -Новосибирск: Наука, 1990. -295 с.125

31. Канлыбаева Ж.М., Жукова С.Г. Теоретические основы для выбора места заложения полевых штреков. -Алма-Ата : Наука, 1969. -135 е.: ил. -Библиогр.: с.130-135 (1 14 назв.).

32. Полубаринова-Кочина П.Я. О неустановившейся фильтрации газа в угольном пласте // Прикладная математика и механика. -1953. -Т. XVII. Вып.6. -С.

33. Осипов С.М., Пясецкий Б.П. Исследование движения газа вблизи подвижной обнаженной поверхности пласта при его переменной газопроницаемости // Доклады АН УРСР. 1965. -№7. -С.879-883.

34. Белинский M.JT. Зависимость газовыделения в лаве от скорости ее подвигания // Уголь Украины. -1957. -№7. -С.26-29.

35. Шило Л.Я. Влияние скорости подвигания лавы на ее метано-обильность в условиях одиночного пласта // Технология и экономика угледобычи. -1965.-№3.-С.32-37.

36. Кузьмин Д.В., Михайлов В.И., Силаев H.A. Определение остаточной метаноносности добытого угля //Тр. МакНИИ. Т.XXII. -Макеевка, 1972. -С.3-12.

37. Божко В.Л., Кузьмин Д.В. Образование зоны дренирования угольного массива впереди движущегося очистного забоя // Тр. Мак-НИИ. Т.XXII. -Макеевка, 1972. -С.12-19.

38. Мясников A.A., Мащенко И.Д. Метановыделение из пласта при различной скорости подвигания очистного забоя // Вопросы безопасности в угольных шахтах: Труды ВостНИИ. Т.4. -М.: Недра, 1964. -С.3-12.

39. Мясников A.A., Мащенко И.Д. Некоторые особенности и прогноз метановыделения при высокой производительности забоев // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело.-1969. -№11-12, -С.107-110.126

40. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Малышев Ю.Н., Худин Ю.Л., Васильчук М.П. и др. -М.: Издательство Академии горных наук, 1997. 463 е.: ил.

41. Руководство по дегазации угольных шахт. Утв.29 мая 1990 г./ Минуглепром СССР. -М., 1990. -192 с.

42. Правила безопасности в угольных шахтах: РД 05-94-95. Утв. 30 декабря 1994г./ Госгортехнадзор России. -М.,1995. 220 с.

43. Временное руководство по оборудованию и эксплуатации систем аэрогазового контроля в угольных шахтах (АГК). Утв. 18 февраля 1991 г./ МакНИИ. -Макеевка, 1991. 71 с.

44. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. Утв. 1 октября 1999 г./ ВостНИИ. -Кемерово, 1999. 69 с.

45. Мащенко И.Д., Тимошенко A.M., Кравченко А.И. Уточнение коэффициента газоотдачи из отбитого угля при буровзрывном способе проходки подготовительных выработок // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. -1998. №1. - С. 19-20.128