автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка и методы прогноза зон интенсивного метановыделения при активизации геомеханических процессов в угольных шахтах

■ «о

СТА г-.:^

РАДИ КОНСКИ И Михаил Иваноиич

I 1а ирпних рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗА ЗОН ИНТЕНСИВНОГО МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ АКТИВИЗАЦИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальность: 05.15.02 - Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном > пиверситос (СибГИУ) >, (

Научный руководи I ель ■ - доктор чехнических наук,

профессор Фринов В.Н.

Официальные - доктор технических наук, '

оппоненты профессор Шевченко Л.А.

- кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Полевщиков Г.И

Ведущая организация - Государственный Восточный научно-исследовательский институт по безопасности в горной промышленности (ВостНИИ г. Кемерово),

Зашита состоится " 18 *' сентября " 1998 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля и углехимии СО РАН по адресу 650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимин СО РАН.

Автореферат разослан " 15 " августа 1998 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 650025, г.Кемерово, ул. Рукавишникова, 21, Институт угля и углехимии СО РАН

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из факторов, снижающих эффективность внедрения прогрессивных технологий подземной угледобычи, является высокая аварийность забоев с дорогостоящим высокопроизводительным горношахтным оборудованием из-за загазирований горных выработок. На шахтах Кузбасса в 1994 г. произошло 1054 , в 1995 г. -803, о 1996 г. -647 , в 1997 г.-470 случаев загазирований при средней продолжительности каждого 5 часов. Хотя абсолютное число загазирований уменьшилось, однако количество травмированных людей при вспышках и взрывах метана возросло в 1997 г. в 2.7 раза по сравнению с 1995г. и достигло в среднем 45 случаев в год, в том числе 26 смертельных.

Одной из причин появления зон повышенного газовыделения является недостаточная изученность влияния геомеханических процессов на газопроницаемость и метановыделение углепородной. толщи при интенсивной отработке угольных пластов. Существующие методики и нормативные документы разработаны, в основном, на базе теоретических исследований и экспериментов, проведенных на выемочных участках, отрабатываемых с нагрузкой на очистной забой до 1000 т в сутки. Для обеспечения безопасной и стабильной работы очистных забоев с суточной нагрузкой более 5000 т необходимо совершенствование существующей системы управления метановыделением на основе новых методов прогноза и способов профилактики загазирований горных выработок.

Увеличение скорости подвигания очистных забоев приводит к периодической активизации геомеханических процессов в виде обрушений пород кровли, разломов и пучений пород почвы, что является причиной изменения газопроницаемости угольного пласта и боковых пород и интенсификации процессов метановыделения. Комплексные исследования взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при отработке выемочных участков с нагрузкой более 80-100 тыс. т/мес. проводились в ограниченном объеме и не обобщены в виде методик и нормативных документов.

Поэтому обоснование пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных участков, с учетом периодической активизации и взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при интенсивной отработке угольных пластов, является актуальной научной задачей. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Работа выполнена по результатам плановых НИР Сибирского государственного индустриального университета в 1993-1997 гг. по программе «Недра Кузбасса» и ФЦП " Интеграция".

Цель работы - обеспечение безаварийной интенсивной отработки выемочных участков угольных шахт посредством использования разработанного метола прогноза зон интенсивного метановыделения и их параметров.

Идея работы заключается в использовании закономерностей взаимо-.чейстиия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при периодической активизации сдвижений пород кровли и почвы газоносных угольных пластов, отрабатываемых по интенсивной технологии.

Задачи исследований:

провести анализ причин и установить статистические параметры за-газирований горных выработок шахт Кузбасса;

выявить и ранжировать основные геомеханические и технологические процессы, влияющие на загазирование горных выработок;

установить периодичность и интенсивность вероятных загазирований горных выработок по длине выемочного участка;.

исследовать влияние способов и схем проветривания выемочных участков на эффективность отработки газоносных угольных пластов;

установить закономерности синхронизации и количественную связь параметров периодического разрушения пород кровли и почвы с дебитом и концентрацией метана в выработках выемочного участка;

разработать метод прогноза зон повышенного газовыделения в горные выработки и их параметров с использованием системы геомеханического мониторинга;

обосновать пространственно-планировочные и технологические параметры выемочных участков и полей с учетом взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при отработке газоносных угольных пластов по интенсивным технологиям. Методы исследований: статистический анализ для установления причин и параметров загазирований горных выработок;

метод главных компонент для определения уровня значимости и ранжирования геомеханических и технологических процессов, влияющих на загазирования горных выработок;

шахтные исследования физических и технологических процессов для установления закономерностей метановыделения по длине выемочного участка при различных схемах и способах его проветривания;

физическое моделирование с использованием эквивалентных материалов для установления закономерностей периодического разрушения пород кровли и почвы;

жспериментально-аналитический метод для прогноза параметров зон вероятного загазирования на основе результатов оперативных шахтных измерений и математического моделирования;

системный подход,для обоснования пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных участков при 1наимолейсг»ни геомсхаиичсских, газодинамических и технологических процессов.

Научные положения, выносимые на защиту:

распределение вероятности загазированйй горных выработок подчиняется логарифмически - нормальному закону с максимумом плотности распределения концентрации метана в интервале 2-3%, а продолжительность загазирований - нормальному закону распределения;

вероятность загазирований горных выработок зависит от комплекса геомеханических и технологических процессов, которые ранжируются следующим образом: остановка вентилятора, обрушение пород кровли и пучение пород почвы, выемка пласта в зоне геологических нарушений, реверсирование вентиляционной струи;

процесс метановыделения в горные выработки имеет периодический характер, положение максимумов которой отстает по времени от обрушений пород основной кровли; между двумя соседними максимумами периодической функции концентрация метана изменяется стохастически в виде случайной реализации; интенсивность метановыделения в выемочном участке максимальная при первичном обрушении пород основной кровли и постепенно снижается при последующих обрушениях в виде реализаций • волновых случайных функций;

одним из критериев эффективности отработки газоносных угольных пластов при комбинированной схеме проветривания выемочных участков является равенство или превалирование объема метановоздушной смеси, выдаваемой газоотсасывающими установками, по отношению к объему отработанного воздуха, выдаваемого за счет общешахтной депрессии;

положение зон периодического разрушения пород кровли и почвы синхронно с участками всплесков дебита и концентрации метана; расстояние между линией очистного забоя и участками всплесков обратно пропорционально зависит от градиента отношения фактической и начальной площадей поперечного сечения выемочной выработки на сопряжении с лавой;

повышение надежности прогноза параметров зон вероятного загазирования горных выработок обеспечивается геомониторингом, который включает систему автоматизированного измерения параметров метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработки на сопряжении с лавой, алгоритм, компьютерное программное обеспечение и технические средства передачи и обработки информации;

стабилизация газовой обстановки в зонах вероятного загазирования достигается системным регулированием пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных полей и участков путем изменения технологии выемки угля, схем и способов проветривания, газоотсоса и дегазации.

Достоверность п обоснованность научных положений и выводов обеспечивается и подтверждается.

использованием классических методов статистического и корреляционного анализа 385 загазирований очистных забоев на шахтах Кузбасса;

ежесуточными измерениями параметров метановыделения и деформирования выемочных выработок на пласте 26а шахты "Абашевская " при отработке выемочных участков 26-28 и 26-30 (более 2000 наблюдений), а также измерениями концентрации метана во время загазирований на шахтах "Распадская", "Чертинская", "Западная", "Новая";

соответствием основных закономерностей взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов физическим законам сохранения энергии и гравитации и качественным представлениям теории и практики управления горными работами при выемке газоносных пластов в зонах повышенного горного давления;

- положительными результатами опытно-промышленной эксплуатации м внедрения разработок на шахтах " Абашевская" (выемочные участки 2628,26-30,26-32), " Аларда" (выемочный участок 6-1-9), "Распадская" ( выемочные участки 4-9-9,3-10-9)," Зыряновская" (выемочный участок 1604), "Первомайская" (выемочный участок 726), "Чертинская" (выемочный участок 542) в Кузбассе.

Научная новизна работы состоит:

в подтверждении гипотезы скачкообразного изменения упругой потенциальной энергии, удовлетворительно описывающей причины загазирований горных выработок периодическими изменениями фильтрационных свойств и напряженно-деформированного состояния массива горных пород в зоне влияния очистных работ;

в ранжировании геомеханических и технологических процессов, влияющих на интенсивность, продолжительность и место возникновения загазирований;

в определении периода и амплитуды периодической функции выделения метана в горные выработки по длине выемочного участка;

в обосновании критерия эффективности технологии отработки газоносных пластов при комбинированной схеме газоуправления и проветривания выемочных участков в виде предельного отношения объемов метановоз-душной смеси и отработанного воздуха;

н установлении синхронности периодических разрушений пород кроили и почвы с процессами иптенсшшого метановыделсиия и трные выработки выемочного участка;

в выявлении обратно пропорциональной корреляционной зависимое! и координат зоны вероятного загазирования от градиента отношения фактической и начальной площадей поперечного сечения прилегающей к очистному забою выемочной выработки;

в разработке метода прогноза параметров волнового процесса ме-тановыделения с настройкой входных параметров математической модели по результатам геомеханического мониторинга в выемочном столбе, отрабатываемом по интенсивной технологии;

в разработке системы оперативного управления газовыми режимами путем изменения пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных полей и участков, технологии выемки угля, схем и способов проветривания, газоотсоса, дегазации.

Личный вклад автора состоит в разработке методик и проведении шахтных и лабораторных измерений, статистической обработке результатов исследований, обосновании геомеханических, газодинамических и технологических параметров выемочных участков и включает:

сбор, статистическую обработку и установление причин и параметров функции распределения загазирований горных выработок на шахтах Кузбасса;

определение рангов геомеханических и технологических процессов, влияющих на параметры загазирований горных выработок;

установление на основе шахтных измерений периодичности изменения концентраций метана и деформаций выемочных выработок по длине выемочного участка;

обоснование численного значения критерия эффективности технологии отработки газоносных пластов при комбинированной схеме проветривания выемочных участков по предельному отношению объемов метановоздуш-ной смеси,выдаваемой с помощью газоотсасывающих установок, и отработанного воздуха, выдаваемого за счет обшешахтной депрессии;

синтез результатов измерений концентраций метана и деформаций выемочных выработок, и определение эмпирической зависимости координат зоны с повышенной концентрацией метана от градиента смещений контура выемочной выработки на сопряжении с движущимся очистным забоем;

разработку системы мониторинга, включающего систему автоматизированного измерения параметров метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработки на сопряжении с лавой, алгоритм, компьютерное программное обеспечение и технические средства передачи и обработки информации;

разработку системы оперативного управления метановыделением в выемочном участке путем изменения схем и способов проветривания, газоотсоса, дегазации и технологии выемки угля.

Практическая ценность работы заключается и том, что полученные результаты позволяют:

устанавливать причины и прогнозировать параметры зоны повышенного метановыделения при проектировании и отработке выемочных участков угольных шахт;

прогнозировать вероятные последствия изменения пространственно-планировочных и технологических параметров выемочного участка на параметры повышенного метановыделения;

корректировать по результатам мониторинга проектные пространст-иенно-планировочные и технологические параметры путем оперативного изменения технологических режимов очистных работ, схем и способов проветривания и дегазации выработанного пространства для профилактики загазирований горных выработок;

повысить безопасность горных работ за счет предупреждения и снижения опасности возникновения чрезвычайных ситуаций.

Реализация работы. Результаты работы в виде рекомендаций, заключений и лекционного материала использованы на шахтах Кузбасса: "Абашевская", "Аларда", "Зыряновская", "Распадская", "Первомайская", "Чертинская "ив учебном процессе СибГИУ (г. Новокузнецк).

Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на III Международной научно-практической конференции (Новокузнецк, 1996), Международной научно-практической конференции СИБРЕСУРС-97 (Кемерово, 1997), I и П Международных конференциях "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1996, 1997), Совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора РФ (Кемерово,1996-1997гг.), технических советах АОУК "Кузнецкуголь" шахт "Абашевская", "Распадская" (Новокузнецк, Междуреченск, 1996-1997 гг.), семинаре кафедры разработки пластовых месторождений СибГИУ (Новокузнецк, 1997).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ. •

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 176 стр. машинописного текста, в том числе 61 рис.,8 табл., список литературы из 78 наименований.

оспошюксоднржлник рлиоты

В первой главе обобщены производственный опыт и результаты нл-учно-исследовательских работ по управлению газодинамическими и геомеханическими процессами угольных шахт. Большая роль в совершенствовании существующих и создании новых интенсивных безопасных технологий добычи угля с месячной нагрузкой на очистной забой более 80 тыс.т принадлежит коллективам ведущих научно-исследовательских, учебных и проектных институтов: ИГД им. Скочинского, ИУУ СО РАН, ИГД СО РАН, КузНИУИ, ВостНИИ, ВНИИГД, ВНИИгидроуголь, ПНИУИ, КНИУИ, МГГУ, КузГТУ, СПб.ГТУ, СибГИУ и др.

Значительный вклад в формирование научных представлений о взаимодействии геомеханических и газодинамических процессов в углепо-родном массиве в зоне влияния комплексно-механизированного очистного забоя внесли крупные ученые: К.А. Ардашев, Л.П.Белавенцев, Г.А. Беспя-тов, A.A. Борисов, Б.В. Власенко, В.Н. Вылегжанин, Г.И. Грицко, П.В. Егоров, В.Г. Игишев, И.О. Каледина , С.И. Калинин, В.А. Колмаков, Г.И. Кулаков, М.В. Курленя , A.B. Лебедев, В.П. Мазикин, В.И. Мурашев, А.А.Мясников, Г.Я. Полевщиков, Л.А. Пучков, Г.Г. Стекольщиков, Б.Г. Тарасов, В.Н. Фрянов, И.Л.Черняк, Л.А. Шевченко, Е.И. Шемякин, В.Д. Ялевский и др..

В качестве основных направлений роста рентабельности угольных шахт принято повышение концентрации и интенсивности горных работ за счет применения современного оборудования, создания новых технологий.

На основе фундаментальных исследований и опытной эксплуатации, а также с использованием зарубежного опыта в России созданы прогрессивные технологии угледобычи, которые обеспечивают в благоприятных горно-геологических условиях суточную нагрузку на выемочный участок 3-8 тыс. т угля. Однако, ритмичность работы комплексно-механизированных забоев (КМЗ) сдерживается незапланированными простоями из-за загази-рований горных выработок.

Абсолютное число загазирований очистных забоев в 1997 г. снизилось в 1.66 , а подготовительных - в 1.76 раза по сравнению с 1995 г., однако из-за вспышек и взрывов метана в 1997 г. погибло людей в шахте в 2.7 раза больше чем в 1995 г. Это подтверждает недостаточную эффективность существующей системы управления газодинамическими процессами на угольных шахтах.

Одной из причин несовершенства существующей системы управления газодинамическими процессами является неполное ее соответствие новым

направлениям развития технологии угледобычи на базе прогрессивного отечественного и зарубежного оборудования.

Для обеспечения интенсивной рентабельной отработки газоносных угольных пластов необходимо создавать новые методы прогноза параметров метановыделения, базирующиеся на современных представлениях о взаимодействии геомеханических, газодинамических и технологических процессов.

Во второй главе диссертации изучено влияние основных горко-I дологических и горнотехнических факторов на параметры загазирования горных выработок. Для установления закономерностей распределения параметров загазирования горных выработок во времени и пространстве, и изучения влияния основных факторов на частоту и продолжительность за-газирований в качестве объекта исследований были приняты выемочные участки шахт Кузбасса. В течение четырех лет автором проводился анализ всех случаев загазирований горных выработок. По каждому факту устанавливались причины, длительность и интенсивность загазирования.

В результате анализа всех загазирований было установлено, что по основным угледобывающим районам.Кузбасса частота загазирований ранжируется следующим образом: Прокопьевско- Киселевский район - 35 %; Беловский район - 16 %; Шахта "Распадская" -11%; Березовский район -10% (рис. 1).

Отчетливой зависимости частоты загазирований по месяцам года не установлено. Можно выделить лишь февраль, март и апрель, в течение которых происходит 32-42 % загазирований от общего числа в году.

В процессе анализа пространственного распределения загазирований в пределах геологической структуры или района было установлено (рис.2), что загазирования возникают группами в течение года 2-3 раза. Каждая группа включает 5-6 загазирований, которые происходят в течение 1-3 месяцев на соседних шахтах или блоках, а потом повышенные выделения метана не наблюдаются в течение 2-3 месяцев.

Из-за отсутствия длительных комплексных инструментальных наблюдений причины периодичности загазирований в пределах одной геологической структуры установить не представилось возможным. Был проведен анализ последних научных работ И.МБатугиной, Г.А.Беспятова, В.Н.Вылегжанина, С.С.Золотых, И.М.Петухова, Г.Я.Полевщикова и др., в которых на основе современных представлений о геодинамике недр и теории движения газа в деформируемом массиве предлагается гипотеза толчкообразного (волнового) изменения потенциальной энергии на макро-и микроуровнях. Согласно этой гипотезе под влиянием горных работ происходит периодическое изменение упругой энергии, прочностных и фильтрационных свойств пород, что является причиной периодического изменения скорости миграции газа.

Анжерскии район • * * * ♦ ♦

Бореэооскии район * • • • • • • м« • • ♦ * 4 * •

Кемеровский район ♦ 4

Ленинский район 4 • 4

Полысаеео • 4 ♦ й * * в

Белово м • 4 ♦ • л ш ш • ♦ ♦ ♦ • • 4 • • * • на * «в • • М в в в

Кисел ев с к ♦ 4 • « ■ « » • » я я ■ II 4 • ••• в

Прокопьевск • • III «Я» *■**■♦ 4 •МИ »444« '.V я я 44 м* • 4 4444 мм 4 • » • •ММ Л Л • 444 • 4 • в

Араличевский район • 4 • • ■ ■ ш М ■

Антоновский район ♦ • • • • • ♦ • 4 • • • •

Байдаевский район • * 4 9 4 • ■ ■ * 4 4 4 • м • ••

Осинники • • • 4 4 •

Малиновский район • 4 я

Междуреченск • • ■ • • • • 4 » • • ■ • 4 • 4 • • •

Ра слад екая 4 4 4 ■ • 4 4 ■ 4 4 • • * * • * • • • 4 я « « • ш « « 4 * > ■ • • • • ■ * 4 4 • • ■ III 444 * 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Месяцы

• - 1994 год »- 1995 год

• - 1996 год .-1997 год

Рис. 1. Матрица распределения загазирований

К)

Ьслово

>х

о ?

а 2

>- Я

и (о

о о

т а

С «

о 5

* к

X ч

-, / \ .. 1994г.

1996г.

---' ^ \ --

1996г.

--1-г ----г -г V.....1 Г4 -1-►

1997г.

0 Т

0 5

>- «

о ш

(I о

7 О.

5 X

с п

о 2

* «

213 21-

1-

Межлурсчеиск

1996г.

1996г.

1997г.

321-

О ^

о 5 з & ш 24 о о ~ та 1с 2 о я

к

ш. Распадская

1935г.

1996г.

9 10 11 12

1997г.

Рис.2. Графики периодичности случаев загазирований горных выработок на шахтах Кузбасса

и

В качестве основных параметров загазирований были приняты максимальная концентрация метана в горной выработке и продолжительность простоев забоев. Наиболее часто (58 %) концентрация метана фиксируется в пределах 2-3 %, загазирования с концентрацией метана 1-2 % отмечены с вероятностью 0,2. Продолжительность загазирований наибольшая (35 %) в интервале 1-6 часов и в среднем равна 5 час.

По причинам возникновения все загазирования распределяются н соот-нетешии с диаграммой (рис.3). На диаграмме выделены загазирования, связанные с обрушением пород кровли (17 %) и геологическими нарушениями (6 %). Следовательно, применение надежного метода прогноза зон вероятного загазирования и оптимальной системы управления гео-мсханичсскими процессами позволит на 20-25 % снизить простои очистных забоев.

Причины

Рис.3. Изменение относительной частоты загазирований по причинам их возникновения: 1 - остановка вентилятора, нарушение схемы проветривания, порыв труб; 2 - обрушение кровли;

3 - геологические нарушения; 4 - выемка угля; 5 - реверсирование;

6 - взрывные работы; 7 - прочие.

Для установления влияния активизации геомеханических процессов при периодическом обрушении пород кровли на параметры волнового выделения метана в выработанное пространство, были проведены шахтные исследования в 14 выемочных участках на шахтах "Абашевская

"Распадская", " Чертинская", "Новая", "Западная" . Кроме того использовались 385 случаев загазирований очистных забоев, возникших по геомеханическим причинам на шахтах Кузбасса. В качестве критерия для включения случая загазирования в выборку принята месячная нагрузка на очистной забой более 50 тыс. т и превышение допустимой концентрации метана в зонах геологических нарушений и при обрушении пород кровли.

Диапазон горно-геологических и горнотехнических условий работы экспериментальных выемочных участков, включенных в выборку, был следующим: мощность пласта 1,60-4,94 м; глубина разработки 90-510 м; угол падения пласта 4-25 градусов; длина очистного забоя 125-200 м; длина выемочного участка 400-1800 м.

Для проведения шахтных исследований по изучению взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов была разработана и реализована методика экспериментальных работ. Исследования проводились в несколько этапов и ставили своей целью решение следующих частных задач:

изучение влияния активизации геомеханических процессов при периодическом обрушении пород кровли- на метановую ситуацию в пределах шахтного поля;

установление закономерностей формирования метановых волн в выработках выемочного участка при активизации геомеханических проявлений технологического и природного характера;

изучение закономерностей проявления геомеханических процессов в углепородном массиве в период чрезвычайных ситуаций;

оценка эффективности дегазации выработанного пространства с помощью газоотсасывающих вентиляторов;

исследование эффективности схем и средств эффективного управления метановыделением в чрезвычайных газовых ситуациях.

В результате анализа чрезвычайных ситуаций на 14 выемочных участках было установлено, что наибольшая вероятность загазирований - после первичного обрушения пород кровли. При последующих обрушениях пород кровли загазирования возможны при одновременном влиянии других осложняющих факторов: геологических нарушений, низкой эффективности дегазации, уменьшении сечений выработок под влиянием горного давления, подработки, надра'ботки, выемка угля в зонах повышенного горного давления и др.

В третьей главе приведены результаты комплексных шахтных экспериментов по изучению связи газодинамических и геомеханических процессов. В качестве основного объекта детальных исследований было выбрано восточное поле пласта 26а шахты "Абашевская" АО УК "Кузнецк-уголь". Исследования проводились в два этапа. Целью экспериментальных исследований первого этапа являлось шахтное подтверждение основ-

ной концепции интеграции газодинамических, геомеханических и технологических процессов. Основными результатами исследований были измерения концентрации и дебита метана, поступающего из выработанного пространства выемочного поля к газоотсасывающему вентилятору УВЦГ-15. Измерения проводились в течение полного периода отработки выемочного столба 26-28 (рис.4).

Проветривание участка осуществлялось комбинированным способом: отработанная струя воздуха с участка за счет общешахтной депрессии выдавалась на поверхность с помощью группы вентиляционных установок ВШЦ-16. а метановоздушная смесь из выработанного пространства участка и восточного поля отсасывалась вентилятором УВЦГ-15. Во время отработки выемочного участка 26-28 свежий воздух подавался по сохраненном)' вентиляционному штреку 26-28 для нисходящего проветривания межлавного целика и по промежуточному вентиляционному штреку для нисходящего проветривания основной части лавы. В лаве и примыкающих к ней выработках контроль за содержанием метана выполнялся на 7 наблюдательных станциях в соответствии с требованиями Правил безопасности и разработанной методикой.

До проведения шахтных экспериментов для выемочного участка был разработан горно-геологический прогноз, в том числе определены зоны повышенного горного давления (рис.4). Пространственное расположение этих зон и их конфигурация использовались для предварительного прогноза участков обрушений пород кровли и выделения метана в виде газовых волн. Всего на выемочном участке было зафиксировано шесть газовых волн (всплесков), подтверждающих геомеханических и газодинамических процессов в шахтных условиях.

Второй этап шахтных исследований интеграции геомеханических и газодинамических процессов был проведен при отработке выемочного столба 26-30. В соответствии с разработанной методикой комплексных исследований проводились измерения дебита и концентрации метана, расхода воздуха, конвергенции кровли, почвы и боков конвейерного штрека. Одновременно фиксировались моменты обрушения пород кровли по отжиму угля, деформациям гидравлических стоек, давлению в гидросистеме и другим признакам.

Измерения концентраций метана осуществлялись в семи замерных станциях выемочного участка с периодичностью один раз в сутки. На конвейерном штреке 26-30 (поступающая струя), в лаве (в районе последней секции), на вентиляционном штреке 26-30, на конвейерном штреке 26-28 (сохраненная выработка), за лавой (исходящие струи) были установлены датчики метана для непрерывной телеметрии измерений и автоматической запаси концентраций газа на стойке СГТИ-1 непосредственно в диспетчерском пункте. На всех замерных станциях фиксировался расход воздуха

Рис. 4.- Прогноз зон природных геомсханических проявлений и участков с ".овышенным выделением метана на выемочном участке 26-

п рассчитывался дебит метана. В ходе проведения эксперимента было выполнено свыше 2000 измерений. Одновременно фиксировались суточная и сменная добыча участка, характеристика технических простоев, изменение параметров проветривания участка и другие факторы.

До начала эксперимента был выполнен по разработанной методике горно-геологический прогноз зон вероятного повышенного выделения метана в пределах выемочного участка 26-30. В результате исследовании установлено, что, как и в выемочном столбе 26-28, при отработке выемочного участка 26-30 динамика и дебит метана в исходящих струях имеет также волновой характер. Зафиксировано шесть всплесков концентрации метана. При этом фактическое местоположение участков вентиляционных выработок, на которых были выделены максимумы метановых волн, имеет достаточную сходимость с результатами предварительного прогноза.

Таким образом, детальными шахтными исследованиями была подтверждена основная концепция волнового характера газодинамических проявлений как в масштабе шахтного поля, так и в пределах выемочного участка.

В процессе комплексных исследований на специально оборудованных наблюдательных станциях проводились инструментальные измерения конвергенции кровли, почвы и боков конвейерного штрека 26-30, примыкающего к очистному забою. Было установлено, что при зависании пород налегающей толщи конвергенция кровли и почвы в 4-5 раз выше по сравнению с конвергенцией кровли и почвы участка штрека, находящегося вне зоны влияния зависающих пород кровли очистного забоя. Соответствующее соотношение конвергенции боков выработки в зоне и вне зон влияния зависающей консоли основной кровли составляет 2,0-2,5. Следовательно, зависание пород кровли влияет в два раза интенсивнее на вертикальные деформации выработок по сравнению с горизонтальными. При этом из-за высокого горного давления происходит пучение пород почвы до 3001000 мм. В результате не только ухудшается состояние выработки, но и в 1,5-2 раза уменьшается ее поперечное сечение.

Результаты шахтных экспериментов позволили установить обратно * пропорциональную зависимость градиента отношения площадей поперечного сечения выработки от расстояния между наблюдательной станцией и всплеском метановой волны.

Полученная эмпирическая зависимость подтверждает, что повышение метановыделения в очистной забой связано с обрушениями пород кровли. Зависимость позволяет при систематическом измерении (не реже одного раза в сутки) смещений контура выемочной выработки на сопряжении с лавой прогнозировать расстояния от очистного забоя до вероятного всплеска концентрации метана.

|<>

Таким образом, установлено влияние обрушений пород кровли на параметры волнового метановыделення.

В четвертой главе разработана методика прогноза зон интенсивного меглноиыделенмя при пктпшгмшш геомехлнических процессов угольных шахт. С этой целью был проведен анализ результатов комплексных измерении конвергенции кровли, почвы и боков выработки, а также периодов и амплитуд волновых процессов выделения метана.

Анализ концентраций и дебита метана в очистном забое и исходящих струях показал следующее (рис. 5). В первый период отработки столба (140-160 м от монтажной камеры) концентрации метана в вентиляционном штреке 26-30 и сохраненном конвейерном штреке 26-28 имеет единый характер и одинаковый уровень абсолютных значений. В указанный период отработки столба поступление метана из выработанного пространства на участке межлавного целика отсутствовало. Физический смысл происходящего процесса сводится к тому, что в этот период активную роль играл газоотсос с помощью УВЦГ-15 и удаление метана из выработанного пространства имело постоянную направленность в сторону флангового бремсберга.

Как показали измерения, в указанный период отработки столба поступающий в очистной забой воздух примерно равными частями уходил в двух направлениях: суммарный расход воздуха за счет общешахтной депрессии и поток воздуха, уходящий в выработанное пространство. При этом эффективность газоотсоса была максимальной. По мере дальнейшего отхода очистного забоя от монтажной камеры (участок 180-350 м) аэродинамическое сопротивление выработанного пространства возрастает, а эффективность газоотсоса соответственно снижалась. В результате удаление метана в верхней части лавы (межлавный целик) происходило уже в двух направлениях: в сторону флангового бремсберга и в направлении выработок с исходящими струями.

За счет дополнительного поступления метана из выработанного пространства примерно в два раза повысились концентрации в сохраненном штреке 26-28 по сравнению с вентиляционным штреком. Концентрации метана в сохраненном конвейерном штреке достигли критического уровня, что привело к необходимости оперативного вмешательства по управлению метановыделением.

Физическая сущность этих мероприятий сводилась к созданию дополнительных газодренажных каналов для интенсификации активных аэродинамических связей выработанного пространства. В ходе выполнения разработанных мероприятий уровень концентраций метана в исходящих струях существенно снизился и не превышал ПДК до отхода очистного забоя от монтажной камеры на 470-500 м. Однако эффективность газоотсоса продолжала снижаться и, как показали результаты измерений, практи-

Рис. 5.- Динамика концапиш метана в исходящих струях лавы 26-30

чески прекратилась. Дальнейшие мероприятия по повышению эффектин ности газоотсоса » сторону флангового бремсберга не дали ожидаемых результатов.

Установлено, что при повышении скорости движения забоя расстоя пне между зонами вероятного загазирования увеличивается, что позволяе рекомендовать увеличение скорости отработки угольных пластов в услови их Кузбасса.

Для исключения взрывоопасной ситуации было предложено решение о» удалении части метановоздушной смеси из выработанного пространств; но дополнительному газодренажному каналу. С этой целью были реал и зопанм дополнительные мероприятия по обеспечению стабильного на правления газтисоса за пределами выемочного столба, что позволил! снять напряженность газовой ситуации, снизить концентрации метана I выработках с исходящей струей до 0,3-0,4 % и доработать выемочньп столб без каких-либо ограничений по газовому фактору.

Таким образом, разработаны и внедрены оптимальные режимы управ ления метановыделением, что позволило предотвратить загазирование гор ных выработок.

Для установления закономерностей поэтапного разрушения пород поч вы, были проведены лабораторные и аналитические исследования. Необ ходимость решения этой задачи следовала из того, что в процессе про ведения шахтного эксперимента была установлена периодичность пученш пород почвы перед обрушением пород кровли и, как следствие, интен сивное выделение метана в выработанное пространство.

Лабораторные исследования проводились во ВНИМИ на моделях и эквивалентных материалов и численным методом конечных элементов. I результате исследований установлена периодическая активизация геомеха нических процессов поэтапного разрушения пород почвы в форме расслое ния, разлома и сдвига породных слоев и выдавливания их в виде блоков : выработанное пространство.

Доказана возможность изменения волновых параметров метановыделе ния при активизации обрушений пород кровли, что приводит к разруше нию пород почвы.

По результатам шахтных, лабораторных и аналитических исследовани: разработана методика прогноза зон вероятного загазирования горных вы работок с использованием системы геомеханического мониторинга который включает систему автоматизированного измерения параметро: метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработю на сопряжении с лавой, алгоритм, компьютерное программное обеспечен» и технические средства передачи и обработки информации.

Согласно методике, на этапе разработки паспорта выемочного участк по известным шагам обрушения на выкопировке из плана горных рабо

вычерчиваются зоны вероятного обрушения пород кровли и повышенного метановыделения.

В процессе отработки выемочного участка осуществляются систематические измерения смещений контура иыемочных выработок на сопряжении с лавой и раз в сутки проводится расчет расстояния от очистного забоя до зоны вероятного всплеска выделения метана по формуле

i max - i

L= A*L обр.--------------------, (м) (I)

i max - i inin

где L - расстояние между линией очистного забоя и зоной вероятного повышения выделения метана, м;

А- эмпирический коэффициент настройки параметров математической модели:

Loop. - шаг обрушения пород кровли, м;

i max , i min , i - соответственно максимальный, минимальный и фактический текущий градиент смещений кровли конвейерного штрека на сопряжении с лавой.

Определение расстояния L осуществляется в оперативном режиме с корректировкой исходных данных по результатам шахтных измерений и положений зон вероятного загазирования. Для настройки входных параметров математической модели применяется экспериментально-аналитический метод, разработанный под руководством чл. корр. РАН Г.И.Грицко. В процессе настройки параметров модели определяется эмпирический коэффициент А.

После установления параметров зон вероятного загазирования разрабатываются мероприятия по предотвращению загазирования. Для этого разработаны рекомендации, которые включают:

прямоточную схему проветривания с газоотсосом метановоздушной смеси через фланговые выработки на расстоянии 300-500 м от очистного забоя до монтажной камеры;

возвратноточную схему проветривания с газоотсосом метановоздушной смеси через фланговые и центральные выработки на расстоянии более 500 м от очистного забоя до монтажной камеры;

производительность газоотсасывающих установок не менее 50% общего расхода воздуха в очистном забое на пластах,не склонных к самовозгоранию;

восходящее направление движения воздуха и метановоздушной смеси по выработкам;

уменьшение расстояния между дегазационными скважинами.

Реализация разработанных методик и рекомендаций позволила отработать выемочный участок 26-30 пласта 26а шахты "Абашевская" без остановок по газодинамическим причинам. Месячная нагрузка на участок после внедрения рекомендаций составляла 60-80 тыс.т Разработаны рекомендации по оптимальному управлению метановыделением для проектируемого выемочного участка 26-32 этой же шахты, что позволит повысить безопасность горных работ и нагрузку на очистной забой.

Опытно-промышленная проверка основных результатов исследований проведена также на шахтах "Аларда", "Зыряновская", "Распадская", "Первомайская", "Чертинская " .Во всех случаях получен положительный эффект в виде повышения стабильности работы очистных забоев и снижения травматизма за счет профилактики загазирований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи прогнозирования параметров зон интенсивного метановыделения при активизации геомеханических процессов, имеющей существенное значение для проектирования и внедрения высокопроизводительных технологий безопасной отработки газоносных угольных пластов.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.

1. Интенсификация технологических процессов и сокращение объемов подземной добычи угля в Кузбассе привели к сокращению абсолютного числа загазирований горных выработок в 1997г. в 2.2 раза по сравнению с 1994г. Это объясняется снижением числа очистных забоев и объема добычи угля в Кузбассе. Однако, ежегодная численность травмированных людей за период с 1995 по 1997 гг. возросла в 2.7 раза.

2. Основными причинами загазирования горных выработок шахт Кузбасса являются геомеханические и технологические процессы, которые ранжируются следующим образом: технологические 63%, геомеханические 23%. Распределение вероятности загазирований подчиняется логарифмическому - нормальному закону с максимумом вероятности концентрации метана в интервале 2-3% при сренеквадратичном отклонении 0.7-0.9%. Продолжительность загазирований описывается нормальным законом и в среднем составляет 5 часов.

3. Загазирование выработок по геомеханическим причинам на одной шахте приводит к последовательной серии загазирований на соседних шахтах или блоках в течение 2-3 месяцев, а потом процесс метановыделения нормализуется. Это подтверждает гипотезу скачкообразного перехода уп-

ругой потенциальной энергии под влиянием горных разработок и изменения за счет этого газопроницаемости и напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Для достоверного подтверждения гипотезы требуется проведение дополнительных исследований.

4. Процессам интенсификации выделения метана предшествует увеличение конвергенции контура выемочной выработки на сопряжении с очистным забоем. По длине выемочного участка концентрация метана в очистном забое, при постоянных режимах'проветривания, достигает 4-5% после первичного обрушения пород кровли и 0.8-1.4% после последующих циклов обрушения.

5.Для отработки газоносных пластов в качестве перспективного рекомендуется вариант комбинированного проветривания выемочного участка: прямоточная схема проветривания с газоотсосом через фланговые выработки' метановоздушной смеси при отработке выемочного столба на расстоянии 300-500 м от монтажной камеры; возвратноточная схема проветривания с газоотсосом на центральные и фланговые подготавливающие выработки при отходе очистного забоя от монтажной камеры на расстояние более 500 м. Критерием эффективности комбинированной схемы проветривания является условие (Ог/(}о)>0.5, где С^г-объем метановоздушной смеси; С>о- общий расход воздуха в выемочном участке.

6. Установлена эмпирическая линейная зависимость расстояния между очистным забоем и зоной с интенсивным выделением метана от градиента смещений контура выработки на сопряжении с лавой; при увеличении градиента смещения пород кровли от 0.05 до 0.2 м"1 расстояние уменьшается с 30 до 5 м; расстояние между зонами вероятного загазирова-ния по длине выемочного столба уменьшается в 1,5 раза при увеличении глубины разработки в 2,1 или длины лавы в 3.5 раза; рост скорости подви-гания очистного забоя приводит к соответствующему увеличению интервала между соседними зонами повышенного дебита и концентрации метана ; граница зоны повышенного горного давления является потенциальной границей зоны загазирования.

7. Расход воздуха по длине очистного при возвратноточных схемах проветривания распределяется по периодическому синусоидальному закону с максимумами на расстоянии 0,3 и 0,8 длины лавы от воздухоподаю-щей выработки. Причинами нестационарности расхода воздуха по длине лавы являются инерционность воздушной струи по воздухопадающей выработке на расстояние до 40 м за линию очистного забоя и повышения сопротивления выработанного пространства за счет уплотнения обрушенных горных пород. Амплитуды расхода воздуха по длине лавы изменяются до 30% от среднего расхода воздуха.

8. Оперативный прогноз параметров зон вероятного загазирования осуществляется на основе экспериментально-аналитического метода и

включает: ежесуточные измерения концентрации метана и деформаций выемочных выработок на сопряжении с очистным забоем; автоматизированную передачу и предварительную обработку информации; компьютерную настройку входных параметров приобъектной модели; расчет прогнозных шачений дебита и концентрации метана; выбор оптимальных параметров и режимов управления горными работами.

9.Стабильная работа высокопроизводительных очистных забоев на I азоносных пластах без загазирований обеспечивается использованием следующих пространственно-планировочных и технологических параметров и рекомендаций:

проведение в выемочном поле дополнительных газодренажных выработок для реализации комбинированной схемы проветривания с производительностью газодренажных установок не менее 50% от общего расхода воздуха в выемочном участке;

единое выработанное пространство выемочного поля не должно превышать 8-10 столбов ранее отработанных выемочных столбов;

восходящее направление движения воздуха в очистном забое и мета-новоздушной смеси в системе горных выработок;

уменьшение расстояния между дегазационными скважинами в 1.52.0 раза в местах вероятного загазирования по сравнению с требованиями действующих инструкций.

Разработанные рекомендации прошли опытно-промышленную проверку на шахтах Кузбасса: "Абашевская", "Аларда", "Зыряновская", "Распадская", "Первомайская", "Чертинская " .Во всех случаях получен положительный эффект в виде повышения стабильности работы очистных забоев и снижения травматизма за счет профилактики загазирований.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Радиковский М.И. Анализ загазирований выемочных участков угольных шахт Кубасса./ЛТриродные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции СИБРЕСУРС-97. -Кемерово, 1997. - С.147-148.

2. Радиковский М.И. Исследование процессов взаимодействия периодического обрушения пород кровли и метановыделения углепородного массива. //Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. /Тезисы докладов Международной научно-практической конференции СИБРЕСУРС-97. -Кемерово, 1997. -С.149-150.

3. Промышленные испытания технологии упрочнения горного массива. /A.B. Лебедев, A.A. Трубицын, С.П. Ворошилов, А.П. Анисимов, H.A. Кашников, Е.М. Цыплаков, М.И. Радиковский. // Безопасность труда в промышленности. - 1966. -№12. -С.17-19.

4. Радиковский М.И. Влияние геомеханическнх процессов на мо-тановыделение в выемочных участках угольных шахт. //Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных иско-наемых./Тсчисы докладов I Международной конференции. -Новокузнецк. 14%. С.24-25.

5. Исследование схем проветривания высокопроизводительных выемочных участков с использованием газоотсасывающих вентиляторов. /В.Г. Лаврик. С.Р. Ногих, B.C. Лудзнш, М.И. Радиковский и др. : Сб. науч. тр. - Вып. 10 - №2. /Российский метановый Ъдентр, -Кемерово: 1997. -C.I4-17.

6. Ардашев К.А., Радиковский М.И. Исследование на моделях взрывного способа борьбы с пучением почвы // Горное давление и горные удары.: Сб. науч. тр. -СПб.: ВНИМИ, 1994. - С. 52-57.

7. Ардашев К.А., Радиковский М.И. Обоснование и расчет способов борьбы с пучением почвы в подготовительных выработках // Горное давление и горные удары: Сб. науч. тр. - СПб.: ВНИМИ, 1993. - с. 111-120.

8. Одиноков Б.П., Радиковский М.И. Совершенствование технологии очистных работ и способов проветривания выработок на гидрошахте "Нагорная-1". //Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых./Тезисы докладов И Международной конференции. -Новокузнецк, 1997. - С. 109.

9.Лаврик В.Г., Ногих С.Р., Радиковский М.И. Разработка рекомендаций но управлению метановыделением при отработке высокогазоносных угольных пластов. -Новокузнецк: АОУК " Кузнецкуголь", препринт № 56,1998. -9с.

10. Лаврик В.Г., Ногих С.Р., Радиковский М.И. Взаимодействие геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке пологих газоносных пластов. -Новокузнецк: АОУК " Кузнецкуголь", препринт № 57,1998.-13с.