автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Управление газодинамическим состоянием массива горных пород для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки газоносных угольных пластов

На правах рукописи

005042953

() /

ИВАНОВ ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ БЕЗОПАСНОЙ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (в горной промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Москва 2012

005042953

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (МГТУ) и Открытом акционерном обществе «СУЭК-Кузбасс» (ОАО «СУЭК-Кузбасс»)

Научный руководитель

Каркашадзе Гиоргий Григолович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Физика горных пород и процессов» Московского государственного горного университета

Официальные оппоненты:

МШшнникова Ольга Николаевна - доктор технических наук, старший научный сотрудник отдела геотехнологических проблем ФГБУ РАН «Институт проблем комплексного освоения недр»;

Устинов Николай Иванович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории технологии и механизации подземной разработки твердых полезных ископаемых, ФГУП «Национальный научный центр горного производства „Институт горного дела им. А. А. Скочинского"

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» (КузГТУ), г. Кемерово

Защита диссертации состоится 30 мая 2012 г. в ¡З'ОО часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь /У

диссертационного советам доктор технических наук

В.Н. Королева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Наблюдаемый в начале XXI века интерес к проблемам тепловой энергетики обусловлен повышением спроса на углеводородные энергоресурсы, которые по-прежнему будут доминировать в производстве энергии. В 2020 г. повысится объем мировой добычи угля до 8,8 млрд. т, при этом объем добычи угля в России достигнет 500 млн.т в год.

Важнейшей задачей является обеспечение высокой безопасности труда шахтеров при подземной разработке угольных пластов. В то же время углубление горных работ неуклонно сопровождается увеличением притоков метана в подземные выработки, что повышает вероятность опасных горногеологических явлений: выбросов угля и газа, взрывов метана. В данном случае в противоречие вступают два фактора: с одной стороны, стремление повысить производительность добычи угля с целью снижения его себестоимости, а с другой — необходимость ограничить темпы добычных работ по критеригодопустимой загазованности очистных забоев.

В последние 20 лет рыночные механизмы стимулируют привлечение в российскую угольную отрасль современных высокопроизводительных очистных комбайнов мирового уровня, способных по техническим характеристикам обеспечить выемку угля с производительностью более 10 тыс. т/сут. Однако их широкое внедрение на российских шахтах сдерживается отсутствием современной нормативной базы и надежных научно обоснованных рекомендаций, позволяющих вести добычные работы с такими высокими нагрузками на очистной забой.

Несмотря на большой объем выполненных ранее исследований, проблема безопасной разработки угольных пластов, особенно при высоких нагрузках на очистной забой, еще далека от окончательного решения. Поэтому поставленная в диссертационной работе задача управления газодинамическим состоянием массива горных пород для безопасной

ресурсосберегающей подземной разработки газоносных угольных пластов является весьма актуальной.

Цель работы — установление зависимостей массопереноса метана в углепородном массиве и выработанном пространствеот газодинамических и геомеханических характеристик массива для управления состоянием массива, обеспечивающегобезопасную ресурсосберегающую подземную разработку газоносных угольных пластов.

Основная идея работы заключается в использовании фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований массопереноса метана в улепородном массиве и выработанном пространстведля обоснования условий безопасной высокопроизводительной разработки газоносных угольных пластов.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Зависимости притоков метана в выработанное пространство учитывают базовые свойства углепородногомассива, включая проницаемость, сорбцию, пластовое давление метана и геомеханическое состояние горных пород.

2. Расчетные зависимости для решения совместной геомеханической и фильтрационной задач массопереноса метана из углепородного массива в выработанное пространство описывают функциональную связь проницаемости углепородного массива с величиной среднего нормального напряжения, что позволяет учитывать изменение проницаемости на участках концентрации напряжений и запредельного деформирования.

3. Гидравлический разрыв пород труднообрушаемой кровли, осуществляемый из штреков через восстающие скважинысо стартовыми щелями,обеспечивает равномерную посадку кровли в выработанное пространство, что способствуетсниженшо утечек воздуха в выработанное пространство, а также устраняет пучение почвы в выработках смежного выемочного столба.

4. Комплексный методологический подход к определению концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе базируется на

решенияхуравнения массопереноса в углепородном массиве с учетом егофизических свойств, натурных измерений, технологических параметров системы разработки и режима работы очистного забоя.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

использованием в аналитических описанияхуглепородного массивафундаментальных законов массопереносаметана игеомеханики, современных средств компьютерного моделирования, согласующихся с результатами производственной практики;

- удовлетворительным совпадением теоретических зависимостей массопереноса метана в угольном пласте, вмещающих породах с данными натурных экспериментов и производственной практики.

Научное значение работы. Установлен механизм массопереноса метана в угольных пластах, вмещающих породах, выработанном пространстве очистного забоя и разработана методика определения притока метана в исходящую из лавы струю для разработки технологических рекомендаций для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки угольных пластов.

Практическое значение работы. Усовершенствована методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, учитывающаяпритоки метана в исходящую струю из углепородного массива ивыработанного пространства с учетом режима работы очистного забоя и технологических параметров системы разработки.

Разработаны технологические части проектов на заблаговременную дегазационную подготовку пласта 52 лав 5208 и 5209 на поле шахты «Котинская» и лав 2460 и 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», включающие стадию работ по дегазации выработанных пространств с поверхности.

Разработаны рекомендации по снижению утечек вентиляционного потокапри проветривании лавы, а также по устранению пучения почвы в

выработках смежного выемочного столба за счет целенаправленной посадки труднообрушаемой кровли методом гидравлического разрыва вмещающих пород с использованием скважин со стартовыми щелями.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные рекомендации по обоснованию предельно допустимой натрузки на очистной забой по газовому фактору с использованием методики расчета притоков метана в исходящую струю из выработанного пространства приняты к использованиюна шахтах ОАО«СУЭК-Кузбасс».

Проекты на двухстадийную заблаговременную дегазацию угольных пластов, предусматривающую извлечение метана из выработанных пространств на шахтах «Котинская» и им. Кирова, приняты к реализации в 2012 году.

Разработанные рекомендации по параметрам гидравлической посадки труднообрушаемой кровли реализованы на шахте им. Кирова (ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2010 - 2012гг.), на технических советах ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2009-2011 гг.), научных семинарах и совместном заседании кафедр «Инженерная защита окружающей среды» и «Аэрология и охрана труда» (2010-1012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовало 15 работ, из них 11- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,5 глав, , заключения, списка использованной литературы из 127 наименований, 2 приложений, содержит 52 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В современные представления о природе газопроявлений в угольных пластах и породных массивах большой вклад внесли ведущие советские и российские ученые: A.A. Скочинский, А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни,

A.C. Бурчаков, Ю.Ф. Васючков, Г.И. Грицко, B.C. Забурдяев, Б.М. Иванов,

B.А. Колмаков, О.Н. Малинникова, Н.В. Ножкин, Г.Д Лидин, A.A. Мясников, JI.A. Пучков, О.И. Чернов, Г.П. Фейт, С.А. Христианович, ИЛ. Эггингер, Н.И. Устинов, К.З. Ушаков, С.А. Ярунин и др.

В 1990-е гг. направление исследований в МГГУ по проблемам угольного метана возглавил член-корр. РАН Пучкова JI.A., под руководством которого научные работы проводил коллектив научной школы: Н.О. Каледина,

C.B. Сластунов, К.С. Коликов, Е.А. Ельчанинов, В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов, Г.Г. Каркашадзе, В.М. Шек, В.А. Малашкина и др.

Быстрое углубление подземных горных работ приводит к увеличению притоков шахтного метана, что требует совершенствования методов дегазации с целью поддержания безопасных концентраций в пространстве очистных забоев. В последние годы на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» стали проявляться явления с неожиданным выделением большого объема метана и воды в виде фонтанов из скважин, пробуренных в купол зоны обрушения пад выработанным пространством очистных забоев. Вероятность аномальных явлений зависит от потенциальной механической и газодинамической энергии углегазоносного массива и связана со скоростью подвигания очистного забоя. Если принимать во внимание экономически оправданное стремление осуществлять высоко-производительную добычу угля, то задача обеспечения безопасности представляется весьма актуальной, особенно в богатейшем угледобывающем регионе - Кузнецком угольном бассейне. Очевидно, решение задачи должно опираться на современные достижения науки, техники и передовые методы исследований.

В связи с изложешшм в представленной работе сформулированы и решены следующие задачи:

— анализ современного состояния проблемы управления газодинамическим состоянием массива горных пород при ресурсосберегающей подземной разработке газоносных угольных пластов;

- исследование притоков метана в выработанное пространство с учетом сорбции, пластового давления метана и функциональной связи проницаемости пород с напряженно-деформированным состоянием породного массива;

- анализ напряженного состояния породного массива при посадке основной кровли и обоснование параметров гидравлического разрыва и управляемой посадки труднообрушаемой кровли дляснижения утечек воздуха в выработанное пространство при безопасной высокопроизводительной отработке угольных пластов;

- обоснование методологического подхода к определению концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе на базе теоретических исследований массопереноса в углепородном массиве, натурных измерений, технологических параметров системы разработки и режима работы очистного забоя;

- аналитическое моделирование и шахтные измерения параметров проветривания выработанного пространства для прогноза концентрации и притока метана в исходящую из лавы вентиляционную струю;

- обоснование рекомендаций по расчету максимально допустимой нагрузки на очистной забой с учетом притока метана из выработанного пространства;

- разработка технологических мероприятий по дополнительному извлечению метана из выработанного пространства и уменьшению его концентрации в выработанном пространстве зоны обрушения.

Основным источником свободного метана в шахтах являются угольные пласты и вмещающие породы, которые в процессе очистных работ попали в область разгрузки массива от горного давления. Метанообильность шахты зависит от параметров фильтрационного массоперепоса метана в угольных пластах и вмещающих породах, а также от десорбции метана из угольных пластов.

Помимо объективных факторов высокой загазованности серьезным субъективным фактором, сдерживающим повышение производительности действующих очистных забоев, является слабо развитая нормативная база, не позволяющая достоверно регламентировать допустимые нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Современная наука и совершенные программные средства компьютерного моделирования позволяют решать важные задачи горного дела на базе фундаментальных достижений в области механики горных пород, массопереноса метана в угольных пластах и вмещающих породах, аэродинамики подземного пространства и др.

Представленные в диссертации исследования продолжают это направление прикладной науки, разрабатываемое в ведущих научных коллективах в нашей стране и за рубежом.

При высоких скоростях подвигания очистного забоя следует учитывать интенсивность обрушения пород основной кровли в выработанное пространство и сопутствующее этому выделение метана. Интенсивность притоков метана зависит от пластового давления газа, проницаемости угля и вмещающих пород, размеров выработанного пространства, глубины разработки и др. При решении задачи учтено влияние напряженного состояния на проницаемость пород, что является особенно существенным в условиях предельного равновесия.

Технологическим регламентом предусмотрен оптимальный шаг посадки основной кровли, который выбирают на основе производственного опыта, исходя из условий работы лавы-англога. Значительное увеличение первого шага посадки кровли приводит к геодинамическим нагрузкам при обрушении, что может спровоцировать опасные горно-геологические явления. Последующие посадки кровли могут происходить самопроизвольно или в управляемом режиме в зависимости от категории обрушающихся пород.

В разработанной аналитической модели выполнен анализ влияния скорости подвигания забоя на величину зоны обрушения. Установлено, что

скорость подвигания забоя не оказывает существенного влияния на шаг обрушения легко обрушающейся кровли. На рисунке 1 показано распределение вертикального сжимающего напряжения вглубь забоя в момент времени перед первым обрушением кровли. В зоне опорного давления следует ожидать изменение проницаемости и увеличение притоков метана из угольного пласта в выработанное пространство.

Подвигание очистного забоя приводит к изменению напряженного состояния и проницаемости углепородного массива, что влияет на притоки метана в выработанное пространство. В модели для учета фактора влияния горного давления на проницаемость угля и вмещающих пород использована экспоненциальная зависимость, связывающая проницаемость и среднее напряжение:

С = 1,013 -Ю"0,31"

где С - проницаемость, мД; а — среднее нормальное напряжение, МПа.

Расстояние вглубь забоя, м

Рис. 1. Вертикальное нормальное напряжение в угольном пласте перед первой посадкой кровли

По мере подвигания лавы и увеличения длины выработанного пространства происходит перераспределение горного давления в угольном

пласте и нависающих породах кровли, что влияет на проницаемость пород и массоперенос метана в свободное пространство. Горное давление в породном массиве приводит к появлению зон всестороннего сжатия, где проницаемость понижается, а зоне действия растягивающих напряжений возрастает. Наконец в запредельной зоне деформированного состояния происходит резкий рост проницаемости в связи с распространением трещин. На основе разработанной модели построена результирующая зависимость суммарного притока метана из кровли и почвы от длины выработанного пространства в зоне максимальной разгрузки, представленная на рисунке 2.

Рис. 2. Суммарный приток метана из кровли и почвы

Выполненные исследования притоков метана послужили основой для разработки технологических рекомендаций, направленных на уменьшение концентрации метана вблизи очистного забоя. Из анализа напряженно-деформированного состояния установлено, что повышенные притоки метана из вмещающих пород кровли реализуются в зонах трещиноватости при разгрузке от сжимающих механических напряжений. По этой причине предложено применение скважин пространственного профиля, бурение которых осуществляют с земной поверхности в зону повышенной

трещиноватости, обеспечивая тем самым эффективную дегазацию породного массива. В современных условиях такое техническое решение представляет интерес в связи с появлением на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» передовой техники бурения криволинейных скважин.

Не менее перспективным техническим решением задачи снижения притоков метана в очистные забои является заблаговременная дегазация пластов через скважины, пробуренные с поверхности. После выполнения основного предназначения по дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов указанные скважины предусмотрено использовать для последующей дегазации выработанного пространства, в том числе в течение длительного периода времени после подвигания очистного забоя.

Предложение о длительной дегазации выработанного пространства через наклонные или вертикальные скважины представляет интерес не только с точки зрения обеспечения метанобезопасности при высоких нагрузках на очистной забой, но и при решении экологической и энергетической задачи использования угольного метана, что в настоящее время нашло практическую реализацию на поверхностном комплексе шахты им. Кирова.

Типичная ситуация с повышением силовых нагрузок на механизированную крепь и краевую часть угольного массива в очистном забое связана с наличием труднообрушаемой кровли. Зависание кровли в выработанном пространстве вызывает концентрацию горного давления, следствием которого является изменение проницаемости пород и повышенные притоки метана из зоны концентрации сдвиговых и растягивающих деформаций.

В процессе зависания породного массива без его обрушения нарушаются нормальные условия проветривания выработок, что делает невозможной высокопроизводительную работу. Кроме того, зависание

горного массива приводит к перераспределению горного давления, что приводит к пучению почвы в выработках смежного выемочного столба.

Хорошие результаты по управляемой посадке дает способ направленного гидравлического разрыва пород кровли, позволяющий использовать нагнетание воды для роста стартовых трещин в нужном направлении. Для запирания воды в скважине используют пакеры. Под давлением воды в вершине стартовой щели возникают растягивающие усилия, приводящие к распространению трещин в заданном направлении.

Экспериментально установлено, что процесс гидроразрыва продолжается около минуты, при этом максимальное давление достигается в течение 5-10 сек. Далее происходит распространение стартовой трещины в кровле. Причем каждый последующий разрыв происходит при давлении, которое меньше предыдущего за счет увеличения длины растущей трещины.

Величина давления жидкости, при которой происходит старт трещины, определена на основе критерия Ирвина, связывающего растягивающее

напряжете в вершине трещины и вязкость разрушения породы кровли

т

где Р - давление жидкости в момент старта трещины, Па; Кх- вязкость разрушения для трещины первого типа, Н/мзя; / - полудлина трещины, м; Pg горизонтальное горное давление, сжимающее щель, Па.

Для уменьшения давления гидроразрыва необходимо стремиться к созданию более протяженной стартовой трещины. Насос с давлением до 150 бар вполне достаточен для реализации механизма роста трещин при гидроразрыве породного массива.

Принципиальная технологическая схема направленной посадки кровли представлена на рисунке 3. Лава движется от монтажной камеры 1, оставляя за собой выработанное пространство 2. Для обеспечения плавной посадки кровли из вентиляционного и конвейерного штреков бурят скважины гидроразрыва 3.

п

В процессе испытаний, проведенных с участием автора на шахте имени С.М.Кирова, реализован механизм разрыв консоли основной кровли, что позволило осуществить плавную посадку кровли и уменьшить потери вентиляционного потока при проветривании лавы. В настоящее время этот метод внедрен в практику и регулярно используется при наличии труднообрушаемой кровли и в зонах концентрации горного давления.

1

-монтажная камера; 2 - выработанное пространство; 3 -скважины гадроразрыва; 4 -угольный целик; 5 —

расположения реперов для измерения смещений Рис.3 Метод посадки труднообрушаемой кровли с помощью скважин гидроразрыва

места

Показатели подземной добычи угля зависят от длины очистного забоя, его поперечного сечения, геометрии выработанного пространства, количества воздуха, направляемого для проветривания с целью обеспечения безопасной концентрации метана, и др.

Весьма важной задачей является оптимизация управляемых факторов проветривания выемочного участка. Это относится в первую очередь к участкам сопряжения, а также к газопроницаемости крепи, разделяющей пространство очистного забоя и выработанное пространство.

На рисунке 4 показаны результаты компьютерного моделирования процесса проветривания выработанного пространства в предельном случае, когда отсутствует крепь и не предусмотрены аэродинамические направляющие поворотов потока на участках сопряжения при движении воздуха от вентиляционного штрекадо откаточного.

Ситуация с неудовлетворительным проветриванием при большой площади выработанного пространства перед первым обрушением кровли хорошо известйа на практике. Поэтому своевременная первая посадка кровли является важнейшим мероприятием, без которой невозможно достигнуть высоких нагрузок на очистной забой.

При производстве очистных работ с легкообрушаемой кровлей выработанное пространство постепенно заполняется разрушенными породами, что создает 1в потерям воздушного потока из лавы. Однако при встрече с участками с труднообрушаемой кровлей негативная картина проветривания повторяется и в этом случае следует обязательно осуществлять направленную посадку кровли.

О 50 1Ш

Рис. 4. Распределение направлений движения воздуха в выработанном

_пространстве_

аэродинамическое прегот

Притоки метана в исходящую струю складываются из метана, поступающего из выработанного пространства и лавы. По методике расчета допустимой нагрузки на очистной забой притоки метана из лавы, включая угольный пласт и вмещающие породы под крепыо, вычисляют на основе решения аналитической задачи. Что касается притоков метана из выработанного пространства, то в данном случае более достоверный результат можно получить на основе данных практики. Для условий шахты им. С.М. Кирова на рисунках 5 и 6 в продемонстрированы полученные корреляционные зависимости.

о

д шічо1 і?

" цим«'

33,5 «і 9?-'. ВО ІДО »і 2273 260 Расстояние по длине павы, м

Рис. 5. Распределение воздушного потока вдоль лавы

,24 Я: 18 104 138 ІК Ш 3« 254 2«

Расстояние по длине лавы; м:

Рис. 6. Распределение концентрации метана вдоль лавы

Получена формула доя расчета концентрации метана в потоке, поступающем в исходящую струю из выработанного пространства, которая учитывает указанные корреляционные зависимости:

Свп = 31. М1-СО)]+А.-СМ . 100%> (3)

Рв

где Свп - концентрация метана в выработанном пространстве, в долях единицы; С(Ь)- концентрация метана в исходящей струе, в долях единицы; Ь — длина лавы, м; д6 -поток метана в исходящей струе, кг/с; (26- исходящий поток воздуха, кг/с; рм -плотность метана, кг/м3; рп - плотность воздуха, кг/м3.

Аналогичные исследования выполнены также на предприятиях ОАО «СУЭК-Кузбасс», в том числе «Котинская», «Талдинская-западная» и «7 Ноября». В целом выполнено свыше 20 газовых съемок, на базе которых отработана представленная выше методика расчета притоков метана в лаву из выработанного пространства и других источников.

Методика расчета нагрузки на очистной забой по газовому фактору, предложенная учеными Московского государственного горного университета совместно со специалистами ОАО «СУЭК-Кузбасс», учитывает закономерности массоперепоса метала на основе теории массопереноса метана в угольных пластах с использованием компьютерных технологий расчета. Новый подход к решению задачи позволил получить достоверные результаты, рассчитанные на широкий диапазон исходных технологических параметров разработки угольного пласта, физических свойств угольного пласта и вмещающих пород.

Алгоритм расчетов по описанной методике представлен на рисунке 7. Исходные данные, требуемые для решения задачи, включают физические свойства угольного пласта и вмещающих пород. Технологические параметры отражают способ разработки угольного пласта длинными столбами, включая номограмму работы комбайна в лаве. Представленных исходных данных достаточно для выполнения достоверных расчетов.

Производственная апробация Методики выполнена на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс». В данной диссертационной работе предложено

15

усовершенствование за счет более достоверного учета притоков метана в исходящую струю из выработанного пространства - 05(-V»,), выделенное полужирным шрифтом на рисунке 7.

Рис. 7. Алгоритм расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой

Разработанный в диссертации прием учета притоков метана из выработанного пространства позволяет осуществить прогноз допустимых нагрузок более достоверно - по сравнению с более ранними вариантами методики.

Наряду с совершенствованием методики расчета допустимых нагрузок на очистной забой, в диссертации разработаны технологические рекомендации по снижению выделения метана в очистной забой из выработанного пространства. Предусмотрено использование скважин пространственного профиля, не попадающих в зону интенсивной трещиноватости. Предложено также применение комплексной двухэтапной заблаговременной дегазации, предусматривающей на втором этапе извлечение метана из выработанных пространств.

Себестоимость добычи угля зависит от производительности очистных забоев, которая ограничивается требованиями техники безопасности при разработке газоносных пластов. Технологические операции снижения метанообильности очистных забоев требуют материальных затрат, размеры которых не должны превышать ожидаемую выгоду от повышения нагрузок на очистной забой. Как свидетельствует анализ показателей добычи угля на шахте им. Кирова, при низких нагрузках па очистной забой порядка 1000т/сут рентабельность шахты, как правило, низкая. Анализ технико-экономических показателей свидетельствует, что при нагрузках порядка 5000 т/сут себестоимость понижается почти в три раза, а при нагрузках более 8000т/сут себестоимость угля стабилизируется на минимальном уровне. Разработанные рекомендации по повышению нагрузки на очистной забой за счет посадки труднообрушаемой кровли и дегазации выработанного пространства обеспечивают снижение себестоимости угля на 20-30%, что является весомым фактором повышения технико-экономической эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи управления газодинамическим состоянием массива горных пород на основе установления зависимости массопереноса метана в углепородном массиве и выработанном пространстве от газодинамических и геомеханических

характеристик массива, обеспечивающее безопасную ресурсосберегающую подземную разработку газоносных угольных пластов.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

¡.Установлены расчетные зависимости притоков метана в выработанное пространство очистного забоя с учетом свойств породного массива, включая его проницаемость, сорбцию, пластовое давление метана, которые базируются на теоретических исследованиях геомеханического состояния горных пород и натурных экспериментах.

2.Получены расчетные зависимости решения совместной геомеханической и фильтрационной задачи применительно к массопереносу метана в угольном пласте и вмещающих породах. В расчетной модели учтена функциональная связь проницаемости угля и вмещающих пород со средним напряжением, отражающая изменение проницаемости на участках концентрации напряжений и запредельного деформирования.

3.При увеличении производительности выемки угля возрастают притоки метана в выработанное пространство и очистную выработку, что требует постоянного функционирования устойчивых дегазационных скважин пространственного профиля, обеспечивающих эффективный съем метана и сокращающих его притоки в лаву.

4.Разработаны технологические мероприятия по дополнительному извлечению метана и уменьшению его концентрации в выработанном пространстве на второй стадии реализации поэтапной заблаговременной дегазации углегазоносного массива через скважины, пробуренные с поверхности, после отработки первого рабочего пласта в свите и по последующему использованию скважин для извлечения метана из зоны обрушения после подвига!гия очистного забоя.

5.Установлено, что метод посадки труднообрушаемой кровли с применением гидравлического разрыва пород способствует снижению утечек воздуха в выработанное пространство, что особенно важно в условиях

высокопроизводительной отработки угольных пластов с нагрузкой более 5000 т/сут, а также предотвращает пучение почвы штреков смежных выемочных столбов. Проведены производственные испытания в условиях шахта им. Кирова, подтвердившие высокую эффективность посадки кровли путем гидравлического разрыва пород через наклонные восстающие скважины со стартовыми щелями под давлением жидкости до 150 бар.

6. Обоснован методологический подход к определению концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе, который базируется на решениях уравнения массопереноса в углепородном массиве с учетом его физических свойств, натурных измерений, технологических параметров системы разработки и режима работы очистного забоя.

7.Разработана методика расчета притоков и концентрации метана в воздушном потоке, поступающем в лаву из выработанного пространства, которая базируется на результатах продольной газовой съемки в ремонтную смену.

8.Усовершенствован алгоритм расчета нагрузки на очистной забой, учитывающий притоки метана из выработанного пространства на базе показателей работы вентиляционной системы лавы в ремонтную смену. Выполнена апробация методики в условиях шахты им. Кирова, подтвердившая достоверность данных прогнозов.

Осповиые положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Иванов Ю.М. Технология проведения горных выработок с применением комплекта оборудования фирмы «Джой»//Уголь. - 2004,- № 8. -С.36.

■ 2. Коликов K.G., Кашапов К.С., Иванов Ю.М. Опыт заблаговременного извлечения метана из угольных пластов Карагандинского бассейна// Технологии нефти и газа. -2011. - №1. - С. 37-41.

З.Борисенко A.B., Иванов Ю.М., Волков М.А. Факторы, определяющие перспективные участки заложения скважин для извлечения

метана из ликвидированных и действующих шахт// Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2011. - № 3.- С.196-202.

4. Бобровников В.Н., Гридина Е.Б., Иванов Ю.М. Основные задачи обеспечения малоотходности в условиях Печорского угольного бассейна// Горный информационно-аналитический бюллетень,- 2011.- № 8.- С. 322-323,

5. Иванов Ю.М., Коршунов Г.И., Гридина Е.Б., Пасынков A.B. Повышение безопасности - залог успешности компании// Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2011,- № 7.- С. 193 -199.

6. Иванов Ю.М. Дегазация угольных пластов при высоких нагрузках на очистной забой на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»//Сб. трудов III Международной научно-практической конференции «Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов». - Прокопьевск: Изд-во филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, 2011. - С. 83-85.

7. Иванов Ю.М. Дегазация угольных пластов при высоких нагрузках на очистной забой на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»// Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2011,- №7.- С.363-368.

8. Сластунов C.B., Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Шмат В.Н. Разработка технологических рекомендаций по предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»// Горный информационно-аналитический бюллетень,- 2011,- OB «Экология, метанобезопасность». -С.22-30.

9. Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Шмат В.Н. Анализ процесса гидравлической обработки низкопроницаемого угольного пласта с применением насосов высокого давления// Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2011.- OB «Экология, метапобезопасность»,-С.154-158.-

10. Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Ермак Г.П. Моделирование напряженного состояния массива при посадке основной кровли газоносных

угольных пластов// Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011,- ОВ «Экология, метанобезопасность».-С.159-168.

11. Прасолов Д.С. Иванов Ю.М. Аналитическое моделирование повышения проницаемости угольного пласта гидроимпульсным воздействием с применением энергии взрьтва//Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011,- ОВ «Экология, метанобезопасность»,-С.431-437.

12. Ларионов П.В., Иванов Ю.М., Никитин С.Г. Оценка газовыделения при пластовой дегазации группой последовательно включаемых скважин// Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011.- ОВ «Экология, метанобезопасность».-С.431-437.

13. Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М. Технология направленной посадки трудно обрушаемой кровли путем гидравлического разрыва пород кровли через скважины, пробуренные из. выработанного пространства//Горный информациопно-аналитический бюллетень.- 2012.- № 4,- Депон. рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Спр. № 882/04-12 от 23 января 2012 г. (08 стр.)

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

15. Борисенко АЛЗ., Иванов Ю.М., Волков М.А. Аналитическая оценка притока метана в техногенный коллектор с периферийных участков неразгруженного углепородного массива//Горный информациошю-аналйтический бюллетень,- 2012, -№ 3. Депон. рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Спр. № 876/3-12 от 16 января 2012 г. (15 стр.).

Подписано в печать 26.04.12 Формат 60x90/16

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4959

ИД ООО «Ролике». 141006, г. Мытищи, Московская обл., Олимпийский пр-т, 30/17. Отпечатано ИД ООО «Ролике».

61 12-5/2802

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет» (МГГУ) Открытое акционерное общество «СУЭК-Кузбасс» (ОАО «СУЭК-Кузбасс»)

Управление газодинамическим состоянием массива горных пород для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки газоносных угольных пластов

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(в горной промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Иванов Юрий Михайлович

Научный руководитель проф., д-р техн. наук Каркашадзе Г.Г.

Москва- 2012

Содержание

Введение..................................................................... 4

1 Состояние проблемы безопасной высокопроизводительной подземной разработки газоносных угольных пластов........... 10

1.1 Анализ факторов высокопроизводительной подземной разработки угольных пластов..................................................................................10

1.2 Анализ способов дегазации угольных шахт.... 14

1.3 Дегазация выработанного пространства газоносных угольных пластов...................................................................... 21

1.4 Выводы........................................................................ 32

2 Исследование газодинамического состояния массива горных пород при подземной разработке газоносных угольных 33 пластов.......................................................................

2.1 Механизм формирования техногенного газового коллектора в выработанном пространстве очистного забоя........................ 33

2.2 Анализ напряженного состояния породного массива при посадке основной кровли............................................................. 36

2.3 Анализ притоков метана в выработанное пространство в зависимости от скорости подвигания очистного забоя.............. 49

2.4 Влияние размеров выработанного пространства и горного давления на притоки метана............................................... 58

2.5 Выводы ....................................................................... 72

3 Обоснование метода управляемой посадки трудно обрушаемой кровли........................................................................ 73

3.1 Анализ и обоснование метода управляемой посадки трудно обрушающейся кровли в условиях высокопроизводительной отработки угольных пластов.................... ......................... 73

3.2 Обоснование режима гидравлического разрыва пород при посадке кровли.............................................................. 77

3.3 Результаты апробации способа направленной посадки трудно обрушаемой кровли методом гидравлического разрыва вмещающих пород......................................................... 81

3.4 Выводы........................................................................ 86

4 Анализ механизма проветривания очистного забоя с учетом аэродинамики выработанного пространства........................ 88

4.1 Моделирование процесса проветривания очистного забоя в зависимости от длины выработанного пространства угольного пласта........................................................................... 88

4.2 Исследование притоков метана из выработанного пространство в очистной забой по данным шахтных экспериментов................ 97

4.3 Методика расчета концентрации и притоков метана из выработанного пространства в исходящую струю очистного забоя............................................................................ 107

4.4 Анализ влияния места нахождения комбайна в лаве на концентрацию метана в исходящей струе........................... 112

4.5 Выводы..........................................................................................116

5 Практическая реализация научно-технических разработок 118

5.1 Обоснование рекомендаций по расчету максимально допустимой нагрузки на очистной забой с учетом притоков метана из выработанного пространства............118

5.2 Технологические рекомендации для безопасной 122 ресурсосберегающей подземной разработки газоносных угольных пластов

5.3 Анализ статистической связи себестоимости добычи угля в зависимости от нагрузки на очистной забой.......................... 125

5.4 Выводы......................................................................... 129

Заключение................................................................... 130

Список литературы.......................................................... 132

Приложение 1. Методика расчета основных параметров газовоздушных потоков в очистной забой по результатам

газовых съемок в лаве........................145

Приложение 2. Результаты обработки данных газовой съемки на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» в 2011 году........................158

Введение

Наблюдаемый в начале XXI века интерес к проблемам тепловой энергетики среди ученых, политиков и широкой общественности развитых стран мира обусловлен повышением спроса на энергоносители и сопутствующей высокой техногенной нагрузкой на природные комплексы. Эта проблема актуальна во всем мире и весьма существенно проявляется в нашей стране, являющейся крупнейшей горнодобывающей державой.

По всей видимости, ископаемые углеводородные энергоресурсы по-прежнему будут доминировать в производстве энергии вследствие сравнительно низкой себестоимости и экономической целесообразности. Органическое топливо - уголь, нефть и природный газ будет оставаться основой энергоснабжения в течение 20-40 лет. В 2020 г. за счет органического топлива и гидравлической энергии удастся обеспечить мировые потребности примерно на 70%. К тому времени возрастет потребность в энергии, которая приведет к двукратному повышению объема мировой добычи угля и природного газа по сравнению с 1980г.

Весьма важной проблемой является обеспечение высокой безопасности при подземной разработке угольных пластов. Углубление горных работ неуклонно сопровождается увеличением притоков метана в выработанное пространство, что повышает вероятность проявления опасных горногеологических явлений: выбросов угля и газа, взрывов метана. В данном случае в непреодолимое противоречие вступают два фактора: с одной стороны - стремление повысить производительность добычи угля, с целью снижения его себестоимости, а с другой - ограничение производительности по критерию предельно допустимой, но нормам ТБ, загазованности очистных забоев.

Угольная промышленность России, с точки зрения воздействия на окружающую среду, является одной их самых экологически опасных отраслей промышленности [23]. Основными потребителями угля являются электроэнергетика - 39%, промышленность и коммунально-бытовой сектор -27%, коксохимические предприятия -14%, население - 8%, сельское хозяйство

4

-5%. В 1994 году добыча угля в России составляла 272 млн. тонн, а по ряду прогнозных оценок в 2020 году составит около 500 млн. тонн в год. Объем мировой добычи угля также постоянно растет и по прогнозам в 2020 году составит 8,8 млрд. тонн.

Сроки функционирования угольных шахт исчисляются десятками лет, в течение которых окружающая среда испытывает значительное негативное воздействие, длительность которого необходимо сокращать. Очевидно, что повышение производительности угледобычи и последующая экологическая реабилитация отработанных шахтных полей представляет собой самый важный путь развития угольной отрасли, как с точки зрения ожидаемой экономической отдачи, так и с позиций экологически чистой энергетики. С учетом этих обстоятельств в России, сектор угольной промышленности, обладающий наибольшим энергетическим потенциалом, должен найти технические возможности резкого повышения экономической эффективности за счет повышения производительности, сбережения природных ресурсов угля и метана и обеспечения полной безопасности производства подземных горных работ.

За последние 20 лет развития экономики рыночные механизмы стимулируют привлечение в угольную отрасль современных высокопроизводительных очистных комбайнов, проходческой и буровой техники мирового уровня[50]. Конкурентоспособность предприятий на рынке угля требует использования самых современных технических и научных разработок, отсутствие которых приводит к закрытию нерентабельных и опасных по газу шахт. На этом пути развития серьезным препятствием является фактор высокой газоносности угольных пластов, осложняющий технологию угледобычи и наносящий к тому же значительный вред окружающей среде.

В современные представления о природе газопроявлений в угольных пластах и породных массивах большой вклад внесли ведущие советские и российские ученые: A.A. Скочинский, А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни, A.C.

5

Бурчаков, Ю.Ф. Васючков, Г.И. Грицко, B.C. Забурдяев, Б.М. Иванов, В.А. Колмаков, О.Н. Малинникова, Н.В. Ножкин, Г.Д Лидин, A.A. Мясников, JI.A. Пучков, О.И. Чернов, Г.П. Фейт, С.А. Христианович, И.Л. Эттингер, Н.И. Устинов, К.З. Ушаков, С.А. Ярунин и др.

В последующие 1990-ые годы российское направление исследований возглавил член-корр. РАН Пучков Л.А., под руководством которого научные работы проводил коллектив научной школы МГГУ по проблемам угольного метана: Н.О. Каледина, C.B. Сластунов, К.С. Коликов, Е.А. Ельчанинов, В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов, Г.Г. Каркашадзе, В.М. Шек, В.А. Малашкина и др.

Направление исследований диссертационной работы входит в Перечень критических технологий Российской Федерации - «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых», утвержденный президентом Российской Федерации 21.05.06 (пр-842).

Несмотря на большой объем выполненных ранее исследований проблема безопасной разработки угольных пластов, особенно в направлении повышения нагрузок на очистной забой, еще далека от окончательного решения. Поэтому поставленная в диссертационной работе задача управления газодинамическим состоянием массива горных пород для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки газоносных угольных пластов является весьма актуальной.

Цель работы - установление зависимостей массопереноса метана в углепородном массиве и выработанном пространстве от газодинамических и геомеханических характеристик массива для управления состоянием массива, обеспечивающего безопасную ресурсосберегающую подземную разработку газоносных угольных пластов.

Основная идея работы заключается в использовании фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований массопереноса метана в улепородном массиве и выработанном пространстве для обоснования условий

безопасной высокопроизводительной разработки газоносных угольных пластов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Зависимости притоков метана в выработанное пространство учитывают базовые свойства углепородного массива, включая проницаемость, сорбцию, пластовое давление метана и геомеханическое состояние горных пород.

2. Расчетные зависимости решения совместной геомеханической и фильтрационной задач массопереноса метана из углепородного массива в выработанное пространство описывают функциональную связь проницаемости углепородного массива с величиной среднего нормального напряжения, что позволяет учитывать изменение проницаемости на участках концентрации напряжений и запредельного деформирования.

3. Гидравлический разрыв пород труднообрушаемой кровли, осуществляемый из штреков через восстающие скважины со стартовыми щелями, обеспечивает равномерную посадку кровли в выработанное пространство, что способствует снижению утечек воздуха в выработанное пространство, а также устраняет пучение почвы в выработках смежного выемочного столба.

4. Комплексный методологический подход к определению концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе базируется на решениях уравнения массопереноса в утлепородном массиве с учетом его физических свойств, натурных измерений, технологических параметров системы разработки и режима работы очистного забоя.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием в аналитических описаниях углепородного массива фундаментальных законов массопереноса метана и геомеханики, современных средств компьютерного моделирования, согласующихся с результатами производственной практики;

удовлетворительным совпадением теоретических зависимостей массопереноса метана в угольном пласте, вмещающих породах с данными натурных экспериментов и производственной практики.

Научное значение работы. Установлен механизм массопереноса метана в угольных пластах, вмещающих породах, выработанном пространстве очистного забоя и разработана методика определения притоков метана в исходящую из лавы струю для разработки технологических рекомендаций для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки угольных пластов.

Практическое значение работы. Усовершенствована методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, учитывающая притоки метана в исходящую струю из углепородного массива, выработанного пространства с учетом режима работы очистного забоя и технологических параметров системы разработки.

Разработаны технологические части проектов на заблаговременную дегазационную подготовку пласта 52 лав 5208 и 5209 на поле шахты «Котинская» и лав 2460 и 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», включающие стадию работ по дегазации выработанных пространств с поверхности.

Разработаны рекомендации по снижению утечек вентиляционного потока при проветривании лавы, а также по устранению пучения почвы в выработках смежного выемочного столба за счет целенаправленной посадки труднообрушаемой кровли методом гидравлического разрыва вмещающих пород с использованием скважин со стартовыми щелями.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанные рекомендации по обоснованию предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору с использованием методики расчета притоков метана в исходящую струю из выработанного пространства приняты к использованию на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Проекты на двухстадийную заблаговременную дегазацию угольных пластов, предусматривающую извлечение метана из выработанных

8

пространств на шахтах «Котинская» и им. Кирова приняты к реализации в 2012 году.

Разработанные рекомендации по параметрам гидравлической посадки труднообрушаемой кровли реализованы на шахте им. Кирова (ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» в 2010, 2011гг., на технических советах ОАО «СУЭК-Кузбасс» в 2009-2011 гг., научном семинаре и совместном заседании кафедр «Инженерная защита окружающей среды» и «Аэрология и охрана труда».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, из них 11 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 127 наименований, 2 приложений, содержит 52 рисунка и 7 таблиц.

1 Состояние проблемы безопасной высокопроизводительной подземной разработки газоносных угольных пластов

1.1 Анализ факторов высокопроизводительной подземной разработки угольных пластов

Развитие мировой угольной промышленности, повышение рентабельности и конкурентоспособности подземной добычи угля зависит от успешного решения проблемы безопасности в газовых шахтах [6,24,26,43,96]. Быстрое углубление работ приводит к увеличению объема выделяющегося метана, что требует повышения эффективности методов удаления метана из подземного пространства. В таблице 1.1.1 представлены величины среднего относительного выделения метана на различных глубинах в основных бассейнах мира. Отмечается устойчивая тенденция повышения количества метана с увеличением глубины разработки, достигающая 50 м /т и более на глубинах выше 800 м. Наибольшая метанообильность в странах СНГ проявляется на угольных месторождениях в Карагандинском и Печорском бассейнах. Следует также отметить, что с увеличением глубины разработки проблема безопасности по газовому фактору приобретает все большую актуальность в Кузнецком угольном бассейне, где в близкой перспективе, по прогнозу специалистов, проблема метана станет превалирующей [25,31,34,37,38,65].

Известно, что увеличение метанообильности в шахтах имеет следующие негативные следствия[4,26,28,80,118]:

- рост опасности выбросов угля и взрывов;

- ограничение производительности добычи угля;

загрязнения атмосферы Земли "парниковым" газом - метаном.

Таблица 1.1.1 - Величины среднего относительного выделения на различных глубинах в основных бассейнах мира

Глубин Метанообильность шахт (м"7т) в основных угольных бассейнах мира

а от Бассейны СНГ Германия Британия Чехия Австралия Франция

поверх- Донецкий Кузнец Печорск Кара- Руре Сааре Ланка Иорк Южн Остраво- Сиднейс Боуве Бассе Лотари

ности Центр альны Остальн ые кий ий (Воркут гандински кий кий шине кий шире кий 0- Уэльс Карвинск ий кий бассейн некий бассе йн Нор- нгский бассей

й район районы *** ское месторо ждение) й кий район Верхне-Силезског о басейна (Новый Южный Уэльс) йн и Па- де-Кале н

До 150 0,8 1,2 0,3 1,5 2,5 0,6 - 1,0 0,1 - - - - - -

151-250 4,0 5,7 0,5 6,0 9,7 0,5 3,0 5,0 1,2 2,5 - 10,5 - - -

251-350 8,0 9,8 5,0 12,0 18,5 7,2 8,7 13,0 4,3 7,6 18,5 20,0 14,5 15,4 Н.д.

351-450 15,2 14,9 9,0 20,0 2