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

Сибирский государственный индустриальный университет

Радиковский Михаил Иванович

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

Специальность 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых»

На правах рукописи

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор

Фрянов В.Н.

Кемерово, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОПЫТА И РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ......12

1.1. Анализ производственного опыта управления газодинамическими процессами в угольных шахтах............................12

1.2. Анализ способов управления геомеханическими процессами

при высокоинтенсивной отработке угольных пластов..................17

1.3. Анализ состояния и результатов научно - исследовательских работ по изучению закономерностей взаимодействия газодинамических и геомеханических процессов...............................21

1.4. Выводы, цель и задачи исследований......................................26

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ЗАГАЗИРО-ВАНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК................................................29

2.1. Программа, методика и объект исследований............................29

2.2. Статистическая обработка результатов исследований загазирований горных выработок..........................................32

2.3. Шахтные исследования влияния активизации геомеханических процессов на метановыделение в выемочных штреках................41

2.4. Шахтные исследования эффективности способов и средств управления метановыделением на выемочных участках..............50

Выводы...................................................................................65

3. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ.........68

3.1. Выбор и характеристика экспериментального участка..................68

3.2. Шахтные исследования газодинамических процессов при

активизации проявлений горного давления.............................70

3.3. Шахтные исследования активизации геомеханических процессов при интенсивной отработке выемочных участков..........108

3.4. Исследования закономерностей разрушения пород почвы

при активизации проявлений горного давления.......................116

Выводы.................................................................................134

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ЗОН ИНТЕНСТВНОГО МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ АКТИВИЗАЦИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ.............................137

4.1. Общие положения...........................................................137

4.2. Метод предварительного прогноза зон интенсивного метановыд еления............................................................137

4.3. Метод оперативного прогнозона зон интенсивного метановыделения............................................................139

4.3.1. Научные основы метода оперативного прогноза

зон интенсивного метановыделения.............................139

4.3.2. Исходные данные и алгоритм расчета параметров участков с интенсивным выделением метана.............140

4.4. Методика прогноза зон интенсивного метановыделения при геомеханических процесса....................................153

4.4.1. Проектный этап реализации методики прогноза

зон повышенного метановыделения............................154

4.4.2. Эксплуатационный режим реализации методики прогноза зон повышенного метановыделения...............155

4.5. Назначение, область применения и реализация методики.........159

4.6. Разработка рекомендаций по управлению метановыделением

при отработке выемочного столба 26-32 ш. «Абашевская».......160

Выводы.................................................................................164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................166

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................170

ВВЕДЕНИЕ

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, в 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 выемоч-

ных 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 метода прогноза зон интенсивного метановыделения и их параметров.

Идея работы заключается в использовании закономерностей взаимодействия 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 загазиро-ваний 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 загази-рований горных выработок;

метод главных компонент для определения уровня значимости и ранжирования геомеханических и технологических процессов, влияющих на загазиро-вания 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;

экспериментально-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 взаимодействии геомеханических, газодинамических и технологических процессов.

Научные положения, выносимые на защиту:

распределение вероятности загазирований горных выработок подчиняется логарифмически - нормальному закону с максимумом плотности распределения

концентрации метана в интервале 2-3%, а продолжительность загазирований -нормальному закону распределения;

I

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 га-зоотсасывающими 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 к начальной;

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 и 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 и внедрения разработок на шахтах " Абашевская" (выемочные участки 26-28,26-30,2632), " Аларда" (выемочный участок 6-1-9), "Распадская" ( выемочные участки 49-9,3-10-9)," Зыряновская" (выемочный участок 16-04), "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 напря-

женно-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 метановоздушной смеси и отработанного воздуха;

в установлении синхронности периодических разрушений пород кровли и почвы с процессами интенсивного метановыделения в горные выработки выемочного участка;

в выявлении обратно пропорциональной корреляционной зависимости 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 метановыделения 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 метановоздушной 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 в 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 пространственно-планиро�