автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Управление метановыделением в выработки угольных шахт путем снижения газопроницаемости прилегающего горного массива

Министерство науки - Академия наук Республики Казахстан Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Институт горного дела им. Д.А.Кунаева

ргз 0,1

На правах рукописи

АКШБЕКОВ АЗИМБЕК КЫЗДАРБЕКОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОВВДЕЛЕНИЕМ В ВЫРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ПРИЛЕГАЮЩЕГО ГОРНОГО МАССИВА

Специальность 05.26.01-" Охрана труда и пожарная безопасность"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Алматы-1996

Работа выполнена в Карагандинском ордена Трудового Краснот Знамени политехническом институте

Научные консультанты - академик АН РК, д.т.н., проф. А.С.Сатинов,

д.т.н., проф.Н.Ф.Гращенков

Ведущая организация - Казахский государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольнь институт

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Мутанов Г.М.,

д.т.н., проф. Хакимжанов Т.Е. д.т.н., проф. Шередекин Д.М.

Защита состоится "т2 " юдб г. в ^^ часов на заседа

нии специализированного Совета Д 053.14.01 при Институте горного дел. им. Д.А.Кунаева по адресу.-480046, г. Алматы, проспект Абая, 191.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горног» дела им. Д.А.Кунаева.

Автореферат разослан " " 1996 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тем ы. Загазованность горных выработок, чзанная с интенсификацией горных работ, увеличением глубины разра-гки, является одним из важнейших сдерживающих факторов, оказывающих ияние как на темпы проходческих работ, так и добычу угля подземным особом. Как показал анализ, загазованность очистных и подготовитель-х выработок стала причиной многих крупных, имевших тяжелые последс-ия, аварий. В газовом балансе угольных шахт Карагандинского бассейна ля метановыделения в подготовительные выработки, характеризуемых, к наиболее опасные с точки зрения загазирования, достигает 50 % и )лее. Этот фактор практически определяет статистику развития опасных геуаций при проведении горно-проходческих работ. Загазирование очисти выработок происходит как при возвратноточной, так и прямоточной <емах проветривания. Анализ статистических данных показал, что как в эдготовительных, так и в очистных выработках главным источником газо-вделения является стенка выработки, причем газ выделяется как из раз-абатываемого пласта, так и пластов-спутников.

Дальнейшее совершенствование способов и средств проветривания держивается технологическими параметрами выработок и поэтому не поз-оляет полностью решить проблему борьбы с газом в угольной шахте. При-[еняемые способы дегазации пластов и пород эффективны при длительных ¡роках каптажа метана из пористого массива, что не отвечает современ-[ым требованиям технологии и механизации горных работ. Совершенствова-ше существующих способов дегазации угольных пластов и пород происходит за счет развития физико-химического, гидровзрывного, других спосо-5ов воздействия на массив. Применение методов направленного гидрорасчленения угольных пластов, соляно-кислотной обработки, гидровзрывания требует значительных материальных затрат и времени.

В связи с этим разработка научных основ борьбы с газом в угольной шахте за счет снижения метановыделения с обнаженных угольных стенок и газосодержащих пород в выработки представляет собой актуальную научную проблему, решение которой позволит повысить безопасность горных работ.

Целью работы является разработка теоретических основ управления метановыделением в горные выработки угольных шахт на базе метода статистико-детерминированных квазианалогов.

Основная идея работы состоит в том,что снижение газо-

проницаемости прилегающего к горной выработке массива обеспечиваете путем обоснования рациональных параметров физико-химического, гидроди намического и технологического способов воздействия на фильтрационны и прочностные свойства угля и горных пород.

В диссертации дано теоретическое обоснование способов борьбы I загазованностью горных выработок на основе исследования процессов ди намики жидкостей и газов в угольных и породных массивах.

Основные задачи исследований:

- обосновать применение метода статистико-детерминированных квазиа налогов для решения задач фильтрации жидкостей и газов через проницаемые горные породы;

- разработать математическую модель заполнения пустот в пористы средах при пропитке, учитывающей вязкие свойства жидкости и структур: массива;

- исследовать динамику жидкостей и газов в зоне обработки угольног< пласта и на этой основе разработать модель проницаемости пористой среды, позволяющей оценивать параметры гидропроницаемости и остаточно] газопроницаемости краевой части угольного пласта;

- установить общие закономерности динамики жидкости в неоднородно] анизотропной среде при нагнетании через шпуры и длинные скважины;

.. - исследовать кинетику отверждения составов в массиве, влияние физико-химической обработки на газопроницаемость и пористость среды;

- определить эффективные параметры гидродинамического, взрывной воздействия на угольный пласт, установить влияние увлажнения массив; на характер взрывного деформирования пласта;

- исследовать влияние физико-химической и гидродинамической обработки краевой части угольного пласта на динамику метановыделения с обнаженной угольной стенки;

- разработать модель проницаемости выработанного пространства дл5 решения задачи управления процессом метановыделения в выработки выемочного участка. Обосновать технологические параметры изоляции и поддержания выработки в выработанном пространстве лавы для максимальное снижения фильтрации метано-воздушной смеси через обрушенный угле-породный массив.

Методы исследовани й.Для решения поставленных задач в работе были использованы:

- анализ и обобщение литературных источников в области техники безе пасности в горной промышленности, шахтной аэрогазодинамики, прикладной

теории систем;

- методы математического моделирования инженерных процессов и систем;

- методы многомерного статистического анализа и рационального планирования экспериментов;

- лабораторные и натурные эксперименты.

Основные научные положения работы:

- при увлажнении, физико-химической обработке угольных пластов и пород водными растворами синтетических смол, на процесс пропитки превалирующее влияние оказывают параметры проницаемости и пористости среды, функция распределения пустот в массиве по размерам, а также свойства нагнетаемой жидкости. Эффективность объёмного заполнения пустот жидкостью при пропитке зависит от режима фильтрации и имеет вид степенной функции от величины зияния трещин и пор;

- в зоне пропитки горного массива жидкостью значения газопроницаемости и гидропроницаемости пористой среды связаны между собой линейно. При наличии экзогенной трещинноватости между параметрами проницаемости и пористости угля и пород существует зависимость, выражаемая сложной степенной функцией. Остаточная газопроницаемость массива, прилегающего к горной выработке, зависит от эффективности заполнения пустот продуктами отверждения, а также упрочняющих свойств нагнетаемого состава;

- конфигурация и параметры зоны физико-химической обработки угольного пласта, прилегающего к горной выработке, определяются на основе статистико-детерминированной модели процесса нагнетания жидкости в массив через скважину, из условия квазилинейности потока и с учетом неоднородности среды.

- на процесс взрывного уплотнения угля вокруг горной выработки оказывают влияние качество увлажнения пласта и прочностные свойства массива. Эффективность гидродинамического способа борьбы с газом в горной выработке возрастает с увеличением ширины зоны увлажнения по экспоненциальной кривой;

- квазисетевая модель фильтрации метано-воздушной смеси через обрушенный породный массив позволяет установить влияние технологических параметров крепления и поддержания выработок на аэрогазовую ситуацию в очистных забоях при прямоточных схемах проветривания.

Достоверность научных положений подтверждается:

- эффективностью разработанных аналитических моделей при решении

поставленных задач;

- высокой сходимостью результатов теоретических и эксперимент исследований. Отклонения результатов аналитических расчетов от : риментаньных данных не превышали 10 %;

- представительностью статистических данных, полученных в рез1 те проведения лабораторных и шахтных экспериментов. По эмпири1 уравнениям, приведенным в работе, корреляционные показатели пре: 0,6 , что свидетельствует о надежности и достоверности полученн зультатов;

- эффективностью полученных технических решений по борьбе с з; ванностью очистных и подготовительных выработок на основе упра] процессами газовой динамики во вмещающих породах и угольных плас1

Научная новизна работы заключается в с.

¡цем:

- разработаны теоретические основы управления метановыделе] горные выработки на базе метода статистико-детерминированных ква; логов;

- доказано, что квазисетевая модель пористой среды обеспе' адекватное отображение процессов фильтрации жидкостей и газов;

- разработаны математические модели проницаемости горных по[ ' процесса заполнения пустот в твердом массиве жидкостью при пропи'

- разработана модель многокомпонентной твердеющей композиции, печивающей максимальное снижение газопроницаемости обработанной ного массива;

- экспериментально доказана возможность применения энергии ] для уплотнения и снижения газопроницаемости угольного пласта I горной выработки;

- установлено, что интенсивность метановыделения с обна? угольной стенки в горную выработку зависит не только от шириш пониженной проницаемости, качества обработки пласта, но и упроч! свойств твердеющего состава;

- доказано, что аэрогазовый режим выемочного участка при пряь ной схеме проветривания зависит от проницаемости выработанного г ранства и аэродинамических параметров поддерживаемой выработки.

Практическая ценность работы заклх ся в том, что результаты исследований позволяют:

- обосновать способы и рациональные параметры воздействия на вую часть угольного пласта и породного массива с целью снижения

троницаемости стенок выработок;

- решить проблему оперативного управления метановыделением в пластовые подготовительные выработки, управления аэрогазовым режимом выемочного участка;

- увеличить темпы проходки, нагрузку на очистной забой, повысить Эезопасность работ за счет снижения вероятности загазирования очистных и подготовительных выработок.

Применение твердеющих составов для изоляции горных выработок не требует значительных материальных затрат, а гидродинамическое, взрывное уплотнение угля можно эффективно использовать при вскрытии мощных, газоносных пластов.

Личный вклад автора состоит в:

- адаптации метода статистико-детерминированных квазианалогов для решения задач шахтной азрогазодинамики и гидродинамики;

- разработке квазисетевых моделей проницаемости угольного пласта и выработанного пространства лавы, на основе которых решены задачи динамики жидкостей и газов в неоднородных, анизотропных и газссодержащих средах;

- обосновании параметров физико-химического и гидродинамического способов воздействия' на фильтрационные и прочностные свойства прилегающего к выработке массива с целью снижения газопроницаемости и повышения устойчивости угольных стенок;

- разработке твердеющих составов для обработки пористых сред, обеспечивающих максимальную эффективность снижения газовыделения в выработки;

- проведении промышленных испытаний технологических схем физико-химической и гидродинамической обработки углей и пород, крепления поддерживаемых горных выработок.

Реализация результатов работы. Опытно-промышленные, промышленные испытания и внедрение результатов исследований осуществлено на шахтах Карагандинского бассейна. Основные результаты диссертационной работы вошли в " Рекомендации по выбору параметров обработки угольного массива твердеющими растворами для снижения газовыделения в подготовительные выработки ", 1983 г., утвержденные ПО " Карагандауголь " для шахт Карагандинского бассейна," Рекомендации по выбору аэродинамических параметров выемочного участка при проектировании вентиляции ", 1989 г., утвержденные ВостНИИ ( г. Кемерово ), и разработанные по заказу ПО " Карагандауголь ", использованы институтом

" Карагандагилрошахт " при составлении проектной и технической л ментации для шахт Карагандинского бассейна, а также при составл проектов вскрытия и подготовки выемочных участков, паспортов крепл' очистных и подготовительных выработок на шахтах " Актасская " и " i • хановская " ПО " Карагандауголь ".

Апробация работы. Основные материалы диссертац ной работы докладывались на Всесоюзной научной конференции" Геомех ческие проблемы высокопроизводительной разработки тонких и сре, мощности угольных пластов на глубоких горизонтах"( г. Донецк, 19) Всесоюзной научной конференции вузов с участием НИИ " Основные нал; ления создания способов управления состоянием угленосной толщи, те; ки и технологии горных работ на шахтах будущего" ( г.Москва,19¡ республиканской научной конференции " Повышение безопасности рабо' совершенствование проветривания на горнодобывающих предприятиях захстана" ( г.Караганда,1982), IV Всесоюзной межвузовской конфере; " Проблемы охраны труда" ( г.Каунас,1982), научно-технической ш ренции молодых ученых и специалистов угольной промышленности " Coi шенствование технологии, механизации и организации производства добыче угля" ( г.Москва,1983), Всесоюзного научно-технического сю зиума " Физико-технические проблемы управления воздухообменом в ro¡ i выработках больших объемов" ( г.Ленинград,1983), всесоюзной нау конференции " Проблемы разработки мощных пологих и наклонных плас подземным способом", (_ г. Караганда,1984), Всесоюзной научно-техниче< конференции " Управление газовыделением и дегазация угольных шах^ г.Макеевка, 1985), региональной научно-практической конференции " лодые ученые и специалисты - ускорению научно-технического прогрес ( г.Караганда, 1985), I региональной научно- технической конфере! " Состояние и пути снижения уровня загрязнения окружающей и произвс твенной среды"( г. Караганда,1985), научно-практическом семинар " Опыт снижения уровня загрязнения окружающей среды в регионе" ( г. раганда,1987), территориальной научно-технической конференции " Щ демы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом' г.Караганда,1987), технических советах ПО " Карагандауголь'", нау^ конференциях КарПТИ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из вве ния, 8 глав, заключения, изложенных на 288 страницах машинописи текста, содержит 50 рисунков, 36 таблиц, список использованных ис! ников из 140 наименований и приложений на 27 страницах.

Диссертационная работа выполнена на основе исследований, проведенных в Карагандинском политехническом институте и КазНИИБГП ( ранее Карагандинское отделение ВостНШ 7 под руководством и при участии автора в 1979-1993 ГГ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема борьбы с метановыделением в горные выработки угольных шахт является одной из наиболее трудноразрешимых. В условиях возрастания глубины разработки, интенсификации работ, происходит увеличение газообильности шахт, сопровождающееся повышением частоты загазирования очистных и тупиковых выработок. Во всем мире загазованность указанных выработок является основной причиной взрывов и воспламенений метана в угольных шахтах. Статистические данные свидетельствуют, что в странах СНГ до 60-70 % взрывов метана приходится на пластовые выработки. Решению проблемы борьбы с загазированием выработок, управлению метановыделением из угольных пластов и газосодержалшх пород посвятили свои труды ученые ведущих научных и учебных учреждений Казахстана ( ИГД им. Д.А.Кунаева, КазНИИБГП, КазНИИуголь, КазНТУ, КарПТИ, НИЦ ВГСЧ РК ), России ( ИГД им. А.А.Скочинского, ИПКОН РАН, ИУ СО РАН, ИГД СО РАН, ВостНИИ, МГГУ, С-П ГГУ, КузГТУ), Украины ( ИГТМ АН, ГГА, МакНИИ, ДонУ-ГИ ) И другие.

Анализ этих работ показал, что решение проблемы борьбы с загазированием выработок угольных шахт возможно только в комплексе мероприятий по вентиляции и управлению метановыделением из пластов и вмещающих пород. Следует однако иметь ввиду, что при высоком уровне механизации горных работ, увеличении глубины разработки пластов, большой протяженности выработок и наличии сложной вентиляционной сети существующие средства вентиляции и дегазации шахт не могут обеспечить высокого уровня безопасности при эксплуатации угольных месторождений.

Исходя из этого наибольшие перспективы имеет такое направление технологии управления метановыделением, как изоляция горных выработок от окружающих угольных пластов и газосодержащих пород за счет физико-химической обработки прилегающего массива через скважины и шпуры и создания зоны пониженной проницаемости заданной ширины, или путем возведения охранно-изолирующих полос, которые должны способствовать снижению выделения метана из выработанного пространства лавы, а также

препятствовать образованию зоны загазования в очистной выработке, п вышению эффективности участковой дегазации. Кроме физико-химическ обработки, тампонажа, проницаемость прилегающего массива можно снизи с помощью динамического, гидровзрывного воздействия на угольный плас при котором происходит упруго-пластичная деформация среды.

В комплексе с существующими способами управления метановыделени в горные выработки средствами вентиляции и дегазации развитие данно: направления технологии борьбы с газом обеспечит значительное снижен! метанообильности горных выработок, существенно уменьшит опасность з, газирования угольных шахт при сравнительно небольших затратах матер! альных ресурсов и средств.

При решении поставленных задач была доказана возможность примен* ния метода статистико-детерминированных квазианалогов для исследован! процессов шахтной газовой динамики и гидродинамики. Известно, что ра; витие процессов в таких сложных инженерных системах, как угольные ша; ты, происходит в многомерных стохастических пространствах, поэтому ! модели выражаются, как правило, с помощью эмпирических уравнений. Тс кие статистические модели имеет ограниченное применение, так как дан достоверные результаты вычислений только в области пространств, огрг ниченных пределами изменения влияющих на процесс факторов. Детермиш « рованные модели позволяют экстраполировать результаты исследование однако сложности в этом случае возникают при определении граничных ус ловий. К примеру,невозможно точно установить границы выработанног пространства лавы, так как процесс обрушения•пород кровли пласта заве сит от множества случайных факторов. Поэтому процессы, протекающие сложных динамических системах, можно эффективно исследовать на осное статистико-детерминированных моделей. Различные формы таких моделе были разработаны учеными Казахстана и представлены в трудах М.А.Ерме кова, Е.И.Рогова, В.П.Малышева.

Развитие методов статистико-детерминированного моделирования горной науке выразилось в разработке на основе критерия адаптации тео рии управляемой системы, в которой вектор входной информации представ лен набором статистических и детерминированных факторов. В то же врем представление динамической модели горного массива в виде векторног поля, состоящего из суммы детерминированных и случайных свойств, поз воляет трактовать процессы сдвижения горных пород, формирования выра ботанных пространств, с позиции самоуправляемых систем.

При решении задач динамики жидкостей и газов методы статисти

э-детерминированного моделирования позволяют оценивать параметры исс-здуемых процессов с точностью, значительно превышающей разрешающую пособность измерительной техники, используемой при проведении экспе-иментальных исследований, что с позиции,инженерной является неоправ-анным. В связи с этим возникла необходимость адаптации существующих етодов аналитических исследований к возможностям экспериментальной азы, находящейся в основе инженерного анализа. Обзор литературных ис-очников показал, что наиболее подходящим логическим инструментом исс-едования в этом случае может быть метод квазианалогов, позволяющий ущественно упростить представление процесса.

Метод квазианалогов логически связан с трудами американского уче-ого Г.Крона по тензорному анализу сетей. Сущность метода состоит в ом, чтобы найти наиболее простую форму отображения процесса. К приме->у, анизотропный массив в ряде случаев можно,г.. произведя масштабное :реобразование, представить как квазиизотропный; а нестационарный прочее рассматривать как квазистационарный. В последнем случае динами-¡еская модель процесса представляет из себя смену • нескольких стацио-¡арных состояний, что значительно упрощает решение поставленной зада-ш. В научной литературе приведено множество примеров квазианалогов, в юм числе так называемые аппроксимирующие квазианалоги, применяемые (ля приближенного описания сложных функций.....

При моделировании сложных процессов статистико-детерминированный 1 квазианалоговый методы легко синтезируются. К примеру, при исследовании фильтрации жидкостей и газов через пористые среды, а также при щенке эффективности физико-химического и гидродинамического способов зоздействия на газоносный угольный массив, эти методы были объединены. 3 этих случаях разрабатывались квазидетерминированные или квазистатис-гические формы моделей процессов.

Представив математическую модель в.....виде поверхности отклика в

многомерном афинном пространстве, объединил влияющие на функцию у детерминированные У и статистические X факторы:

у = Р(У и X}.-........................(1)

В случае, когда пространство статистических факторов выражается в виде пустого множества X = 0, модель процесса будет детерминированной и функция ГаС У и 0 )= уа. При У = 0 .пространство влияющих факторов является статистическим. Статистическая модель тогда будет иметь вид

у3 = Р3 ( 0 и X ). Рассмотрим формы статистико-детерминированных'к: зианалогов. Если из множества X выделить подмножество факторов X* полагать их квазидетерминированными по отношению к у ,то остающт элементы из множества X образуют дополнение ДХ .выражаемое, ■ ;ДХ=Х|Х*. Объединив подмножество X* с множеством У , получим квази, терминированную функцию уа :'

ус1 = р"11 с У^1 , ДХ ),

где Ус1 = У и х*.

Квазистатистическую функцию уэ будем находить аналогично. В эг случае из множества факторов У выделяем подмножество У* , которое с' таем квазистатистическим. Дополнение множества У выразим через ДУ.0£ единив множество X с подмножеством У* , получим новое множество ) которое образует квазистатистическое пространство; элементы которс связываются с функцией отклика на основе регрессионного и корреляцис ного анализов:

у3 =РЭ ( ДУ,Х3), (

' где Х2" = X и У*

Подмножества ДХ и ДУ могут быть пустыми, однако получаемые в эт случае модели нельзя считать адекватными моделям детерминированным * статистическим.

Рассмотрим формы квазидетерминированных и квазистатистических к делей, которые были использованы при решении задач фильтрации жидкс тей и газов через проницаемые горные породы. Как известно, в оснс динамики течения жидкостей через пористые материалы находится класс ческое уравнение Дарси, которое считается полуэмпирическим, так к между плотностью потока жидкости д градиентом давления ёгаб Р, вя костью жидкости д имеется причинно-следственная связь, а параметр ги ропроницаемости пористой среды к имеет статистическую природу. Поэто • все модели, полученные на основе уравнения Дарси, по своей природе я ляются статистико-детерминированными. Этот тезис особенно актуален связи с тем, что проницаемость и пористость горного массива в отнош нии газов и жидкостей неодинаковы, что подтверждается экспериментал ными дачными.

При решении поставленных задач управления метановыделением

угольного пласта и газосодержащих пород важно знать характеристики сред в отношении газов и жидкостей, таких, как как газопроницаемость и гидропроницаемость массива, остаточная газопроницаемость после гидро-обраОотки углей и пород. В связи с этим возникла необходимость разработки модели объемного заполнения пустот в твердом массиве жидкостью при пропитке, а также модели проницаемости угольного пласта.

Из теории фильтрации известно, что проницаемость твердой среды определяется не общей пористостью массива, а только той ее частью, которая участвует в процессе течения сжимаемой или несжимаемой жидкости под действием приложенного градиента давления. Такую пористость считают эффективной или открытой. Как показали экспериментальные исследования, при нагнетании в .газонасыщенный массив жидкости, обладающей высокой вязкостью, происходит поршневое вытеснение газа. При этом жидкостью заполняется только часть открытых пустот, имеющих между собой связь, и образующих сложную сеть. Пустоты в твердой среде неодинаковы по размерам и форме. Распределяются эти пустоты в массиве хаотично и оценить их можно только статистически. Следует сказать, что статистика распределения пустот по размерам для материалов, имеющих различную природу, не совпадает между собой и характерна только для данной среды. В связи с этим соотношения газо и гидропроницаемости сред также, имеют свои, индивидуальные особенности.

При разработке модели заполнения и проницаемости среды нами был исследован параметр- объемного заполнения пустот о , характеризующий отношение объема пор, заполняемых жидкостью при пропитке т к открытой пористости массива для потока газа М :

т

В = — . (4)

М

По значениям в в научной литературе приведены преимущественно эмпирические данные и зависимости. Построить детерминированную модель процесса заполнения пустот не представляется возможным, так как пористость, проницаемость и функция распределения пустот в массиве по размерам являются статистическими параметрами. Поэтому нами для разработки модели пористой среды был построен квазисетевой аналог структуры пустот. Граф сети, помещенной в элементарный объем массива, составлен из пучка параллельных ветвей, соединенных медду собой в узлах 1,2 на входе и выходе из элемента массива и ориентированных по направлению линии тока 1-1. Рассмотрим движение жидкости в ветвях сети, ортого-

нальных фронту пропитки массива жидкостью. Расстояние между точками и 2 пренебрежимо мало. Под действием приложенного градиента давлеш по ветвям графа жидкость движется в направлении 1-2. Ветви гра4 представляют из себя полые трубки, поперечное сечение S, длина L, ш ' риметр П и форма которых Ф обозначают различные типы пустот, а чиа характеризует удельное число пор, приходящихся на единицу площади ю объема элемента массива. Элементарные струйки жидкости движутся, ы тесняя газ, по ветвям сети. Так как скорость движения жидкости по вет вям неодинакова, наиболее крупные пустоты заполнятся полностью, а ос тальные частично. При этом будем полагать, что в дальнейшем движене жидкости по ветвям данного графа будет происходить только за сче крупных пор. Газ в остаточном объеме пустот будет заперт. При этс действием капиллярных, других сил на этом этапе рассмотрения процесс будем пренебрегать. Сгруппировав ветви сети по i-классам пустот, п i=l...j.запишем, что в каждой i - й группе ветвей ni пустот. Класс пустот систематизируются по средним значениям зияния пустот 5i, тек среднюю длину Li,коэффициент формы . Вводя в модель коэффициент зг полнения по i-му классу пустот 3i=ii/Li, где Ij- заполненная часть ве вей 1-го класса, а также статистику объемного распределения пустс рi = Mi/M , где М 1 - эффективный объем пустот по i- му классу, полу 1 чили:

j

В = EPißi. (Е

i-1

В работе приведены результаты исследований по микротрещинноватос ти углей Карагандинского бассейна. Статистические данные свидетельст вуют, что функции распределения пустот для различных угольных пласта имеют выраженные индивидуальные особенности, хотя во всех случаях опи сываются уравнениями, близкими к нормальному закону.

Чтобы найти значения коэффициента ßi, нами были проведены иссле дования движение жидкости в трубке в двух режимах, в ламинарном и тур булентном. Для ламинарного режима фильтрации получили:

5хМ тъ)п

ßi= -

5iL,', ть)п

где и 1, Из - коэффициенты,' значения которых зависят от формы трубок и варьируются от 12 для плоско-параллельной щели до 60 для равностороннего треугольника;п=1/2.

При турбулентном режиме учитывалось, что величина коэффициента заполнения не зависит от формы трубок, а показатель степени п=0.

После определения 3 на момент запирания газа в сети, вводятся поправки на капиллярное давление, давление нагнетания, сорбцию газов. Обработка данных по 35 кернам показала, что отклонение расчетных и экспериментальных значений коэффициента заполнения находится в пределах 4,9 - 8,3 %. Угольный пласт, залегающий в естественных условиях, имеет значительно меньшую пористость, чем в разгруженном состоянии. Поэтому при проведении лабораторных исследовании угольные керны подвергались объемному сжатию. Исследования по эффективности заполнения пустот угля при пропитке в этих условиях показали, что соотношение заполненного и остаточного объема пустот при увеличении сжимающего давления от 2 до 8 МПа в относительных величинах изменялось незначительно, Коэффициент заполнения 3 в среднем уменьшался на 4-7 %.

Полученная формула (6) была использована для оценки значений гидропроницаемости к и остаточной газопроницаемости углей М при пропитке вязкими жидкостями, в том числе твердеющими составами. Исследования по микротрепщнноватости и распределению пустот в среде по размерам показали, что гидропроницаемость и газопроницаемость углей, при допущении, что пустоты имеют одинаковую форму, связаны линейно. Для определения остаточной газопроницаемости угольного пласта нами была разработана формула:

а а

м= яа-о)3«: Рг бг1)2^ а-0гаг2 , (7)

1-1 1-1

позволяющая по известной статистике распределения пустот в массиве оценивать эффективность увлажнения или физико-химической обработки' угля и пород составами. Экспериментальные исследования показали, что при нагнетании в угольный массив жидкостей, обладающих высокой вязкостью, в том числе твердеющих составов, гидропроницаемость среды в ряде случаев возрастает, в сравнении с естественной, в 1,75 - 3,44 раза. Это объясняется тем, что в угле жидкость при пропитке движется преимущественно по крупным пустотам и трещинам, и режим движения зависит только

от статистики распределения пустот по зиянию. Результаты расчетов г формуле (7) показали, что остаточная газопроницаемость обработанног угля, в сравнении с первоначальной, снижается от 11 до 71 раза. Экспе риментальные исследования подтверждают результаты вычислений. Получек 'ная квазисетевая модель проницаемости в своей основе статистико-детер минированная. Формула (7) позволила не только оценить эффективност снижения газопроницаемости угля, но также и определить рациональнк параметры физико-химической и гидровзрывной обработки угольного пласт при различных схемах нагнетания жидкости в массив, прилегающий к стен кам горной выработки.

Для эффективного управления процессом метановыделения из угольнс го пласта нами были исследованы шпуровой и скважинный схемы нагнетани жидкостей, установлены параметры обработки газосодержащего массива прилегающего к горной выработке и обоснованы параметры зоны понижение проницаемости.

Первый вариант схемы нагнетания заключается в том, что обрабозд углей и пород, прилегающих к боковым стенкам выработок производите через шпуры, пробуренные перпендикулярно или под углом к плоскости об нажения горного массива. Работы по нагнетанию составов в массив произ водятся после прохождения забоя выработки, когда прилегающий к стенк ' выработки массив подвергся воздействию опорного давления и при это существенно возросли пористость и проницаемость угля, изменились козф фициент анизотропии и крепость угля. Твердеющие составы и тампонажны растворы закачивают, как правило, в зону с установившимся горным дав лешем, поэтому обработанный массив не подвергается воздействию интен .сивных упруго-пластичных деформаций. Упрочняющие свойства составов применяемых для пропитки, не имеют в этом случае большого значения Предпочтительнее использовать для нагнетания жидкие композиции, кото рые после отверждения обладают пластичными свойствами. Эта схема обра ботки обеспечивает максимальную эффективность снижения газопроницае _ мости прилегающего массива. Недостаток данного способа нагнетания жид кости в том, что остается необработанным массив в призабойной част выработки.

Этот недостаток устраняется при схеме с предварительной пропитко: горного массива через опережающие скважины из забоя или специальны: камер. Этот вариант на практике используется чаще, однако в этом случае работы по нагнетанию жидкости и проходческий цикл работ не всегд совмещаются. Зона пониженной проницаемости, образующаяся вокруг горна

выработки, в этом случае подвержена упругим деформациям, может интенсивно растрескиваться, поэтому применяемые в этом случае составы должны обладать высокими упрочняющими свойствами.

Функции газопроницаемости угольных пластов и пород, прилегающих к горным выработкам, в зависимости от схем нагнетания твердеющих составов имеют существенные отличия, и соответственно параметры зоны пониженной проницаемости также отличаются. В первом варианте зона пониженной проницаемости заданной ширины может создаваться в глубине массива, где она не будет подвергаться значительным деформациям. Необходимая ширина зоны пропитки в этом случае может быть сравнительно небольшой и определяется расчетным путем. При применении второй схемы нагнетания обрабатывается весь прилегающий к выработке массив, в том числе и краевая часть, что приводит к увеличению расхода жидкости, .но дает возможность решить комплексную задачу управления метановыделением из пласта и повышения устойчивости стенок горных выработок.

Исследования гидропроницаемости угля в массиве, прилегающем к стенке выработки, проводились путем проведения опытных закачек воды. Данные затем систематизировались и обрабатывались. Для углей Карагандинского бассейна нами получены функции гидропроницаемости пластов, которые имеют вид экспоненциальных кривых для областей, ограниченных зонами деформации и разрушения пластов:

к -~к0 ехр(- Ьх °'5), (8)

где к0 - гидропроницаемость пласта вблизи плоскости обнажения, м2 Ь - эмпирический параметр, м-0,5 .

Величина параметра "£>" для различных пластов неодинакова. Разработанная модель заполнения пустот жидкостью позволяет находить функцию газопроницаемости угольного пласта по данным гидропроницаемости расчетным путем, через коэффициент заполнения а.

При физико-химической обработке, увлажнении угольного пласта, для эффективного управления метановыделением в горную выработку, необходимо знать расчетные формулы по определению параметров зоны пропитки. При этом следует учесть, что на процесс распространения жидкости в массиве влияют не только неоднородность среды, выражаемая через функцию проницаемости и коэффициент анизотропии, но и давление метана в массиве, а также параметры нагнетания ( такие, как давление Рн , расход Оц , время нагнетания Ь ). Исследования показали, что конфигурация

зоны пропитки массива при нагнетании в анизотропный, однородный массе имеет вид вытянутого эллипса. При этом линии токов искривляются в стс рону напластования. В прилегающем к выработке массиве форма зоны прс ' питки будет существенно отличаться от эллиптической формы, так к. ' здесь массив неоднородный, а коэффициент анизотропии переменный.

Моделирование этого процесса на ЭВМ показало, что при нагнетам жидкости в прилегающий горный массив поток можно считать плоско-раде альным. Градиент газового давления и неоднородность пласта не влияк на ротор поля. В связи с этим, при оценке параметров зоны пропитки ре шалась задача плоско-радиального течения жидкости в краевой часз угольного пласта. Рассматривая частный случай, когда нагнетание проиг водится через скважину, пробуренную в массив по напластованию угля параллельно оси выработки, нами получены аналитические уравнения, кс торые позволили вычислить радиусы распространения жидкости R в напраЕ лениях ф. При ф= 0 вектор фильтрации жидкости направлен от оси скважи ны вглубь массива, по напластованию угля. При этом считаем, что с; вектор перпендикулярен оси скважины и выработки. При ф = 180 вектс направлен в сторону плоскости обнажения пласта, а при ф= 90 и <р= 27 вкрест напластования угля. Значения вектора скорости фильтрации вблиз стенки и0 = <7о / "Ь Здесь ль - пористость угля вблизи стенки скважи ' ны,<7о - плотность потока жидкости вблизи стенки скважины, м/с. Haw установлено, что для изотропной, неоднородной среды уравнение течет имеет вид:

kiiPn - Рг)

Qo = - , (9

nl

д R0Un{R/R0) + Ш bi COSV)1^ - Rlo)/ ИШ>] i=i

где к-у - газопроницаемость угля вблизи стенки скважины, м ; Рг - давление метана в пласте, Па; /? - радиус распространения жидкости в массиве, м; /?0 - радиус скважины, м; П1 - степень приближения в ряде Маклорена;

£>1 - параметр аппроксимирующего квазианалога для функции (8), дл: области, где ехр(Ьах) * ехр(Ьх°'5).

Формула (9) была принята в качестве базовой также и при исследо-

вании процесса движения жидкости в анизотропной среде.

Полученная модель позволяет оценивать радиусы распространения жидкости по времени I? Ц) в массиве по направлениям <? в тех случаях, когда скважина или шпур пробурены по напластованию угля,под некоторым углом к оси выработки, а также определять границы зоны пропитки Х±,Х2. Ширина зона пропитки равна В0= Х2~Х\.

Теоретические исследования, проведенные на базе квазисетевых моделей проницаемости угля, решение задачи нестационарной фильтрации газа из обработанного пласта на ЭВМ позволили установить функцию газового давления в массиве, прилегающем к выработке. Рассматривая процесс метановыделения как квазистационарный, нами были получены аналитические формулы для расчета интенсивности метановыделения со стенки выработки при наличии в массиве слабопроницаемой стенки, эффективности снижения газовыделения после ф;;з;;;у.ими1 г°сI' у. гилг^линамической обработки угольного пласта. Для этого был введен коэффициент снижения газовыделения Кс, который находили по формуле:

кс= а0- Н) -ЬЛ (Ю)

где Jo.ii - интенсивность метановыделения с обнаженных угольных стенок до и после обработки пласта, м/с.

Зависимость Кс от параметров зоны обработки пласта получена нами из условия квазистационарной фильтрации газа:

х2

К $ ехр(Ьх0,5)с!х ~ ДК

XI

Кс = ---. (И)

х2 х1

К I ехр(Ьх0,5)с1х + М I ехр№°-5)сЗх XI о

На база интегрального уравнения (11) найдено аналитическое решение поставленной задачи, причем при замене ехр(Ьх0,5) на аппроксимирующий квазианалог ехрфгх) можно получить упрощенную формулу для расчета Кс.

Как показали расчеты по формуле (11), при ширине зоны физико-химической обработки пласта В0= 1м эффективность снижения метановыделе-

■ ния в горную выработку составляет 94 X, а при увеличении зоны пониже ной проницаемости до 2 м этот показатель возрастает незна^тельно составляет 96 %. При В0= Зм показатель Кс= 0, 97. Шахтные экспериме тальные данные хорошо согласуются с результатами вычислений при В ' 1,5м, так как в модели не учитываются условия пластической деформац угольного пласта. Результаты опытно-промышленных испытаний способа ф: зико-химической обработки угольного пласта твердеющими составами . основе водных растворов полимеров показали, что при ширине зоны пон; ; женной проницаемости В0= 1м эффективность обработки пласта по факто; метановыделения составила 78 %, а при В0= Зм эффективность снижен: метановыделения достигала 93 %, что почти совпадает с данными вычисл* ний.При проведении шахтных экспериментов были использованы водш растворы смол КФ-Ж.КФ-МТ.

В случае бурения опережающих скважин в угольный пласт, за преде зон» оперного давления, была решена задача определения границ рас] ространения жидкости в массиве по длине скважины, в которой рассматр] вались такие параметры, как градиент газового давления, угол накло! скважины к линии горизонта, а также характеристики насосной установи Разработанная модель учитывала, что жидкость движется в скважш с переменным расходом., . а процесс нагнетания может происходить при ш ' полном заполнении самой скважины. Для решения поставленной задачи бьи разработана специальная „программа, по которой вычислялись на ЭВМ знг чения радиуса распространения жидкости по длине скважины и по времем Проведя численный эксперимент с предварительным планированием на оснс ве взаимно-ортогональных латинских квадратов, получили массив данны> который далее рассматривался как квазистатистический. Математическ, обработка полученных данных по программе ММРЬО позволила получив уравнение множественной регрессии для оценки радиуса зоны пропитки зависимости от времени нагнетания, радиуса,длины, и угла наклона сква жины, фильтрационных свойств пористой среды, расхода и давления жид кости, характеристики насосной установки.

Полученные решения были использованы для обоснования оптимальны параметров зоны обработки угольного пласта, прилегающего к горной вы работке, с целью обеспечения необходимой эффективности снижения мета новыделения из пласта при условии, что выбранные параметры и режи нагнетания будут способствовать улучшению технологических показателе проходки выработок. При этом учитывались как изолирующие, так и упроч няющие свойства нагнетаемых твердеющих составов, а также параметр

гидровзрывного воздействия на угольный пласт.

В случае, когда зона пониженной проницаемости попадает в область опорного давления, формула (11) может давать значительные отклонения от фактических данных. Поэтому для определения эффективности снижения газовыделения, в результате обработки статистических данных нами была получена эмпирическая формула:

ехр(1,457 Во) - 1

К = 0,979 - . (12)

ехр(1,457 В0) + 1

Формула (12) хорошо согласуется с экспериментальными данными по физико-химической обработке угольного пласта, а также результатами квазианалогового моделирования при ширине слабопроницаемой стенки в области В0= 0,5...4,3м.

Исследование изолирующих и упрочняющих свойств составов проводилось на основе использования правил неаддитивного и аддитивного сложения соответствующих свойств компонентов. При этом не только составы, но и обрабатываемые пористые среды рассматривались в виде многокомпонентных композиций. Лабораторные эксперименты проводились преимущественно на,основе водных растворов синтетических смол , а при исследовании упрочняющих свойств твердеющих материалов использовались также растворы жидкого стекла и эпоксидные смолы.

Исходя из статистических представлений о многокомпонентных композициях была получена формулы для определения физико-химических свойств жидких композиций, такие, как кинематическая вязкость, поверхностное натяжение твердеющих составов, оказывающих влияние на качество обработки пористого массива, а также физико-механические свойства твердых композиций, т.е. плотность, прочность продуктов отверждения составов и обработанного угля на сжатие.

В работе рассматривались составы преимущественно на двухкомпонент-ной жидкой основе. Это связано с тем, что влияние отвердителей на вязкость и поверхностное натяжение растворов, находящихся в жидкой фазе, незначительно и не превышает ошибки эксперимента.

Полученные нами формулы позволили исследовать кинетику отверждения составов, оценить их изолирующие свойства по проникающей способности в жидкой фазе в поры массива, а также по величине усадки раство-

ра в процессе отверждения У*. Так как текучесть жидкости влияет на кс эффициент заполнения вив свою очередь зависит от содержания смолы растворе, то по функции объемного заполнения Г(в) =в(1-У*) оптимизирс вали объемное содержание смолы, обеспечивающее максимальный эффен ' снижения газопроницаемости обработанного угля. В итоге получили, чт оптимальное содержание смолы марки КФ-МТ в водном растворе должно не ходиться в пределах 58-62 %. Отклонения связаны с колебаниями темпере туры горных пород. Для смолы КФ-Ж, имеющей более высокую вязкость, оп тимальное содержание в растворе несколько меньше и составляет 48-53 1 Разработанные рекомендации по выбору оптимального содержания смолы растворе были'эффективно использованы для обработки угольных стенс при проведении пластовых подготовительных выработок, в зоне установив шегося горного давление.

При предварительной обработке горных пород были учтены упрочняю щие свойства составов, а также влияние обработки на процесс деформиро вания и разрушения прилегающего к выработке массива, устойчивост крепления выработки. Модель композиционного материала, построенная н основе статистического сложения свойств компонентов, позволила решит задачу оптимизации состава, обеспечивающего наибольшую прочность обра ботанного массива. Такой состав будет способствовать сохранению це ' лостности структуры обработанного угля, и следовательно повышению эф фективности мероприятий по снижению метановыделения из пласта.

Прочность обработанного угля можно вычислить по предложенной нам формуле:

ЗЕ1 Ж2

буг= ( 1- М) б°уг + (В АО бс, (13

где буг - прочность угля до пропитки составом, Па; бс - прочность продуктов отверждения состава,Па; аеьзег- эмпирические параметры уравнения.

Для углей Карагандинского бассейна, при обработке водными растворами полимеров,Ж1= 1, «2= 1/3, при пропитке угля растворами жидкогс стекла 1, 1/2, при применении для обработки эпоксидной смоль ЭЕ1= 1,зе2= 1/4.

Расчеты на ЭВМ показали, что составы с содержанием смолы в пределах 65-85 в зависимости от марки полимера, обеспечивают наилучиш

эффект обработки прилегающего к выработке массива по показателю прочности. Эти данные были экспериментально Подтверждены при обработке угольных пластов 50-80% водными растворами смол марок КФ-Ж, КФ-МТ.

Исследования эффективности гидровзрывной обработки угольного пласта проводились в лабораторных и натурных условиях. Ставилась цель установить, какое влияние оказывают буровзрывные работы на прочностные и фильтрационные свойства увлажненного и неувлажненного угольного пласта, прилегающего к стенкам горной выработки. Анализ научных трудов в этом направлении свидетельствует, что при взрывании в пластичных и упруго-пластичных средах, по мере удаления от заряда взрывчатого вещества (ВВ), за зоной разрушения образуется зона уплотнения. Исследования, проведенные нами, показали, что максимальный эффект уплотнения, а следовательно и снижения газопроницаемости массива, повышения прочности обработанного угля, достигается при контурном взрывании зарядов ВВ, когда взрывная волна на фронте имеет форму, близкую к плоской. При распространении цилиндрических или сферических волн размеры зоны взрывного разрушения значительно возрастают, а эффекта уплотнения угля может не быть. Наибольший эффект уплотнения от взрывания получается при расстоянии между шпурами и скважинами в пределах 20-36 радиусов зарядов. Эти данные были получены на.лабораторном стенде, а затем получили подтверждение при проведении натурных экспериментов в условиях шахт " Топарская'" и " Актасская " ПО " Карагандауголь ". Зона уплотнения образуется на расстоянии 70 - 150 радиусов заряда от линии взрывания в неувлажненном пласте. В случае с предварительной гидрообработкой угля ширина зоны уплотнения увеличиваются, при этом образуется зона пониженной проницаемости с границами от 32 до 277 радиусов зарядов. Получены эмпирические формулы, позволяющие оценивать коэффициенты газопроницаемости и пористости угля в зоне уплотнения, а также рассчитать прочностные свойства массива.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что при гидровзрывной обработке угольного пласта Кс коррелируется с величиной максимальной крепости угля в зоне взрывного уплотнения по шкале проф. М.ГЛ.Протодъяконоза. Формулу (12) допускается применять при ширине зоны гидрообработки пласта в области В0> 5м. Экспериментально установленная эффективность снижения газовыделения при гидродинамическом воздействии на угольный пласт находится в пределах 49 - 61

Экспериментальные исследования динамики метановыделения со стенок выработок после физико-химического и гидродинамического воздействия на

фильтрационные -и прочностные свойства прилегающего угольного массив показали высокую эффективность разработанных технических реше ний(рисЛ).

Технология изоляции горных выработок может быть эффективно ис пользована для борьбы с газом при проведении очистных работ. В основ исследования были взяты выемочные участки, проветриваемые по прямоточ ной схеме, как наиболее перспективные в плане технологическом. При пе реходе на прямоточную схему проветривания обеспечиваются бесцеликова подготовка выемочного участка, имеется возможность вторичного исполь зования поддерживаемой выработки, на участок подается воздуха более чем в 2 раза, что способствует снижению опасности загазирования лавы К недостаткам данной схемы подготовки участка к выемке следует отнест трудность поддержания выработки в выработанном пространстве лавы. Опы отработки выемочных участков в Карагандинском угольном бассейне пока зал, что при данной схеме проветривания загазирования очистных вырабо ток не исключаются, хотя вероятность превышения допустимой концентра ции метана в лаве существенно ниже, чем при возвратноточной схеме про ветривания. При возрастании метаноносности разрабатываемого пласта связанной с увеличением глубины разработки, происходит образование зо ны загазирования в лаве, со стороны груди очистного забоя. Это объясняется тем, что в результате утечек воздуха из лавы линии токов : очистной выработке искривляются в сторону выработанного пространства происходит резкое снижение скорости воздуха у груди забоя, в результате в 10-30м от сопряжения лавы с поддерживаемой выработкой образуете! застойная зона. Длина зоны загазирования составляет 12-14м. Анализ аэрогазовой ситуации в выработках выемочного участка показал, что положение осложняется большим количеством метана, выделяющегося из выработанного пространства лавы, пластов-спутников. При больших утечках воздуха происходит вымывание метана из обрушенного угле-породного массиве в выработки выемочного участка, при этом эффективность системы участковой дегазации из-за снижения концентрации метала в сети резко падает.. Проблему управления метановыделением на участке можно решить, есл} обеспечить качественную изоляцию поддерживаемой выработки от выработанного пространства.

Для решения поставленной задачи была разработана квазисетевая модель выработанного пространства лавы, позволяющая прогнозировать развитие аэрогазовой ситуации на участке при применении различных технологических схем и способов снижения газопроницаемости прилегающего н

Динамика метановыделения из стенок выработок при физико-хими-ческой(а) и гидродинамической (б) обработке угольного пласта

а

Рис.1

1- при комбайновой проходке, без предварительного увлажнения < пласта; 2- при буровзрывных работах (БВР), без увлажнения пласта; 3- при комбайновой проходке, с увлажнением пласта; 4-при БВР, с увлажнением пласта

поддерживаемой выработке массива. Исследования, проведенные нами показали, что газопроницаемость обрушенного массива вблизи лавы максимальна, и падает по мере удаления в сторону монтажной камеры по экспоненциальному закону. Это оказывает преобладающее влияние на функцию поля в задаче фильтрации воздуха через обрушенный массив. При исследование учитывалось, что на аэрогазодинамику выработанного пространства оказывают влияние аэродинамические параметры очистной и поддерживаемой выработок. Поддерживаемая выработка в результате воздействия горногс давления сильно деформируется и имеет переменное по длине сечение. Пру этом удельное аэродинамической сопротивление выработки может возрастать до 40 раз. Исследования показали, что площадь сечения поддерживаемой выработки минимальна в зоне первичной посадки лавы.

В модели выработанное пространство заменили на сеть, состоящую из конечного числа диагональных ветвей N , ориентированных параллельнс линии токов и соединяющих координатную линию 0-у, проходящую через ось очистной выработки с линией 0-х, проходящей через ось поддерживаемой выработки. Ветви сети представляют из себя трубки тока, по которым под действием приложенного градиента давления движется воздух. Параметры ветвей, их кривизна зависят от фильтрационных свойств обрушенного массива, длины лавы ]сч и длины отработанной части выемочного участка 10-гр- Обозначим через 1 номер трубки, 1= 1...М . В результате проведения аналитических исследований нами получено уравнение движение воздуха в Ьй трубке тока дУХ1 при ламинарном режиме:

£>2

£7ут1 = - ' (14)

га <1ч [ ехрСЬгА'!) - 1]

где Д°1- разность давления в 1- й трубке, Па;

га - аэродинамическое сопротивление обрушенных пород; £>2 - аэродинамический параметр выработанного пространства; <¡>1 - параметр кривизны ветви.

Квазисетевая модель позволяет находить потери напора в 1 -м контуре, включающем в себя 1-ю ветвь, а также участки очистной и поддерживаемой выработок, примыкающих к 1-й ветви. При известных удельных .аэродинамических сопротивлениях очистной выработки гу и поддерживаемой выработки гх, задавая число ветвей N и длины интервалов &х и Ду 'на

зсях 0-х, 0-у получили базовое уравнение сети:

1 N 2 -1 1 N 2

д?! = Е Гхо(б1 + 02 - &7утк) + -^оч^отрГу Е«31 - Едутк) (15)

к-а к=о

:де (За - количество воздуха, подаваемое в лаву, м /с;

0,г - количество подсвежающего воздуха,м /с.

Уравнения (14)-(15) позволили по данным газовоздушных съемок оценивать параметры га и £>2 выработанного пространства лавы, исследовать влияние технологических параметров крепления и изоляции поддерживаемой выработки на процесс утечек вохдуха из лавы. Было установлено, что при возведении охранно-изолирующих полос в выработанном пространстве, параллельно стенке выработки, основное количество газовоздушной смеси фильтруется через окружающий горную выработку массив. Основная причина этого в том, что при деформации крепи происходит расслоение пород в кровле и почве выработки. Поддерживающие свойства охранно-изолирующих . полос из фосфогипса, к примеру, в ряде случаев явно недостаточны, так как они в условиях высокой влажности шахтной атмосферы могут не затвердевают. В результате были разработаны рекомендации по усилению крепи поддержания, способствующие снижению газопроницаемости прилегающего к горной выработке массива, повышению качества изоляции выработанного пространства.

Экспериментальные исследования динамики метановыделения из разрабатываемого пласта и выработанного пространства, аэрогазодинамики выемочного участка, испытания разработанных методов борьбы с газом, осуществляли в лавах 33 Кю-З, 42 К12_В,44 К1<гЗ,46 к-и-З шахты " Актасс-кая ",а также 23 к10-Ю,24 кю-Ю шахты " Стахановская " ПО " Караганда-уголь ". Выбор этих участков обосновывался тем, что здесь были использованы все основные способы борьбы с газом, применяемые в угольной промышленности. В лавах 42 К12-В, 24 кю-Ю при изоляции выработанного пространства были использованы вспененные составы карбамидных смол. В лаве 33 кю-З технология физико-химической обработки пласта водными растворами карбамвдоформальдегидных смол использовалась для повышения устойчивости забоя и снижения метановыделения в очистную выработку. В лаве 46 К14-З были проведены испытания изолирующей стенки из негорючего материала с целью снижения утечек воздуха из лавы. 3 лаве 23 кю-Ю для изоляции поддерживаемой выработки использовалась охранно-изолирую-

щая полоса из фосфогипса.

Проведенные исследования позволили разработать комплекс меропри тий по управлению метановыделением в лаве 24 кю-Ю при подработке мс ного газоносного пласта на глубине разработки 650-750 м. Шахтн ' эксперименты показали, что мероприятия по совершенствованию изоляции крепления поддерживаемой в выработанном пространстве выработки , вкл чавшие в себя возведение изолирующей стенки из состава на основе вс ного раствора смолы, применение крепи усиления УКР в выработке, позе лили снизить утечки воздуха из лавы на 74-81 %., уменьшить приток мет на в поддерживаемую выработку в 2,9-3,7 раза, повысить концентраг метана в участковой дегазационной сети до 87-92 утилизировать и и пользовать извлекаемый метан в шахтной котельной. Газовоздушные съе ки, проведенные в очистной выработке, показали, что после выполнен всех мероприятий по изоляции и поддержанию выработки при прямоточн схеме проветривания загазирования лавы не происходило, что позвол! обеспечить эффективную, высокопроизводительную работу выемочно участка( рис.2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации осуществлено решение актуальной научной проблем связанной с разработкой теоретических основ и практических рекоменд ' ций по управлению газовыделением в горные выработки путем воздейств на фильтрационные и прочностные свойства прилегающих к стенкам выраб ток угольных пластов и пород, имеющей важное значение для повышен безопасности горных работ, совершенствования технологии подземной ра работки метанокосных угольных пластов.

По результатам теоретических и экспериментальных исследован можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработана теоретическая база методов борьбы с загазова ностью угольных шахт, управления процессами метановыделения в горн выработки на основе создания новых и усовершенствования существуюя способов физико-химического, гидродинамического и технологическо воздействия на краевую часть угольного пласта и прилегающего породно массива.

2. Теоретически и экспериментально доказана возможность эффекти ного управления метановыделением в горные выработки путем снижения г. зопроницаемости краевой части угольного пласта и породного массив. Для достижения поставленной цели был применен аппарат статистико-д. терминированных квазианалогов, обобщивший в себе теоретико-множестве;

Аэрогазодинамика очистной выработки при применении охран-но-изолирующей полосы (а- лава 24 кю-Ю) и изолирующей стенки (б- лава 46 К14-3)

Рис.2

1- график скорости движения воздуха в лаве 2г на расстоянии к = 1,5 м от груди забоя; 2- график скорости при к = 0,5 м; 3- график скорости при х = 0,05 м; 4- график концентрации метана в лаве С ка расстоянии х = 1,5 м от груди забоя; 5-график концентрации метана при х = 0,5 м; б- график концентрации метана при х - 0,05 м.

ные и алгебраические представления об исследуемых объектах, статисти ческий и детерминированный методы исследования процессов. При изучена динамики жидкостей и газов через проницаемые среды, механизмов запол нения пустот и упрочнения горных пород, были использованы квазидетер минированные и квазистатистические аналоги процессов.

3. Разработан квазисетевой аналог пористого массива, выраженный : виде элементарного графа, который представляет трещинно-поровую струк туру среды множеством параллельных полых трубок, поперечное сечение форма которых обозначают различные типы пустот, характерные для иссле дуемой горной породы, а их число выбирается в соответствии со статис тикой распределения пустот по просветности или размерам. Результат] экспериментальных исследований показали, что квазидетерминированна модель пористой среды, в которой параметры проницаемости и пористост: связаны между собой степенной функцией,обеспечивает адекватность отображения процесса заполнения пустот в пористой среде жидкостью.

4. Исходя из сетевой структуры пустот в твердой среде, разработа на статистико-детерминированная модель проницаемости пористого массива, которая позволяет оценивать гидропроницаемость и остаточную газоп роницаемость угольного пласта после физико-химического и гидродинами ческого воздействия, в зависимости от заполненности эффективного объ ема пор.

5. Разработана квазианалоговая модель гидропроницаемости угольно го пласта в краевой части, решена задача плоско-радиального течени: жидкости в неоднородной и анизотропной среде, получены формулы для оп ределения параметров зоны пониженной проницаемости в массиве вокру: горной выработки.

6. разработана квазистатистическая модель нагнетания жидкости пористый массив через длинную скважину, на основе которой были прове дены исследования формирования профиля пропитки среды по длине скважины в зависимости от свойств горных пород, параметров скважины, физи ко-химических свойств нагнетаемой жидкости, а также характеристики насосной установки. Получено уравнение множественной регрессии, которо* использовалось при решении технологической задачи оптимизации длин] нагнетательной скважины. Разработаны схемы предварительной обработга угольного пласта через скважины, разработаны и утверждены " Рекомендации по выбору параметров обработки угольного массива твердеющими растворами для снижения газоЕыделения в подготовительные выработки ".

7. Разработана модель отверждения состава в пористой среде на ос-

о и

- oi -

нове статистических представлений о многокомпонентных композициях. В итоге были обоснованы параметры составов, обеспечивающие максимальный эффект снижения газопроницаемости обработанного горного массива. Промышленные испытания способа физико-химической обработки угольного массива, прилегающего к выработке в зоне установившегося горного давления показали, что при нагнетании 45-50 X водных растворов карбамидных смол наблюдается наибольший эффект снижения метановыделения из пласта (до 81 % ). При предварительной обработке угольного пласта через длинные скважины зона пониженной проницаемости подвергается воздействию опорного давления. Эксперименты показали, что в этом случае применение твердеющих составов с повышенным, до 70-80 %, содержанием смолы в растворе обеспечивает максимальный эффект снижения метановыделения (до 74 % ).

8. Обоснованы схемы и технологические параметры гидродинамического, взрывного воздействия на массив вокруг горной выработки. Эффективность взрывного уплотнения угля зависит от качества гидрообработки краевой части пласта и крепости угля, при этом метановыделение со стенок выработки снижается на 49-61 Z.

9. Исследования функций газопроницаемости пласта позволили решить задачу квазистационарной фильтрации газа с обнаженной угольной стенки, установить эффективность снижения газовыделения, из пласта после физико-химического и гидродинамического воздействия на окружающий горный массив, в зависимости от ширины зоны пониженной проницаемости.

10. Разработана квазисетевая модель проницаемости выработанного пространства лавы при прямоточной схеме проветривания. Определены пути фильтрации метановоздушной смеси из зоны обрушения в поддерживаемую выработку при возведении охранно-изолирующих полос. Разработаны " Рекомендации по выбору аэродинамических параметров выемочного участка при проектировании вентиляции ", позволяющие обеспечить безопасные по загазированию условия труда в лаве и рекомендованные ВостНИИ для газообильных угольных шахт. Выполнение мероприятий по управлению азрогазо-вым режимом в выработках выемочного участка обеспечивает снижение утечек воздуха через выработанное пространство на 74-81 %, повышение концентрации метана в участковой дегазационной сети до 87-92 уменьшение притока газа из выработанного пространства в поддерживаемую выработку на 65-68 %, препятствует образованию зоны загазирования в очистной выработке.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Снижение газовыделения в выработки, проходимые по углю Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело, 1980; 11.- С.8-9 ( Соавторы - Гращенков Н.Ф., Суслов В.В.).

2. Изучение эффективности заполнения пор угля растворами смол Анализ и оптимизация технологических схем проведения горных вырабо' и выемки полезных ископаемых. Караганда: КарПТИ, 1981.- С.157-' ( Соавторы - Суслов В.В., Легких Б.М.).

3. Исследование усадки растворов карбамидных смол при отвержде] // Анализ и оптимизация технологических схем проведения горных выра( ток и выемки полезных ископаемых._Караганда: КарПТИ, 1981.- С.161-11

4. Воздействие на массив с целью увеличения глубины его дегаза // Основные направления создания способов управления состоянием уг. носной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будуще: Москва: МГИ, 1982.- С.46-48 ( Соавторы - Гращенков Н.Ф., Суслов В.В

5. Улучшение условий проветривания выработок за счет снижения газообильности // Проблемы охраны труда. Каунас: КПИ, 1982.- С.323-: ( Соавтор - Суслов В.В.).

6. A.C. N 1021791, СССР, МКИ Е 21 F 7/00, Е 02 D 3/12. Состав , обработки горных пород / Опубл. в БИ.1983, N 21.- 3 е.: ил. ( CoaBTi - Гращенков Н.Ф., Ералин Н.Е., Легких Б.М. и др.).

7. Опыт применения твердеющих растворов для снижения газовыде. ния в подготовительные выработки // Техника безопасности, охрана тр и горноспасательное дело, 1983, N 2.- С.1-2 ( Соавторы - Гращен Н.Ф., Суслов В.В., Керн A.C.).

8. Нагнетание твердеющих растворов в горные породы // Техника < зопасности, охрана труда и горноспасательное дело, 1983, N 4.- i ( Соавтор - Гращенков Н.Ф.).

Э. Нагнетание жидкости в угольный пласт через длинную скважину Изв.вузов. Горный журнал, 1983, N 11.- С.62-64 ( Соавторы - Гращен Н.Ф., Глузберг В.Е., Суслов В.В.).

10. Исследование физико-химических свойств водных растворов к бамидоформапьдегидных смол.- Рук.деп.в КазНИИНТИ, N 459 - Ка 83.-14

11. Применение твердеющих составов для интенсификации пласто дегазации и снижения газовыделения в выработки // Управление газовы, лением и дегазация угольных шахт. Москва: МУП СССР, 1985,- С. 82 ( Соавторы - Гращенков Н.Ф., Суслов В.В.).

12. Проведение выработок по газоносным пластам на шахтах Караг динского бассейна // Шахтное строительство,1985, N 7,- С.25-26 ( Со

торы - Гращенков Н.Ф., Суслов В.В., Байкенжин А.Е.).

13. Предупреждение самовозгорания угля в выработанном пространстве при разработке высокометаноносных пластов // Изв.вузов. Горный журнал, 1988, N 1.- С.7-10 С Соавторы - Глузберг Е.И., Кизряков А.Д.).

14. Повышение безопасности выемочного участка при прямоточной схеме проветривания.- Рук.деп.в КазНИИНТИ, N 2166 - Ка 88.- 10 с ( Соавторы - Калиев С.Г., Ревенцов С.Д.).

15. Эффективность применения твердеющих составов для управления метановыделением из угольного пласта // Наука - производству. Караганда: КарПТЙ, 1990.- С.42-46 ( Соавтор - Салимбаев А.Р.).

16. Аэродинамика очистных забоев при прямоточной схеме проветривания // Управление газовыделением в угольных шахтах. Кемерово: КузП-ТИ, 1990.- С.80-84 ( Соавторы - Калиев С.Г., Ревенцов С.Д.).

17. А. с. N 1585538, СССР, МКИ Е 21 Р 7/00. Способ управления газовыделением при отработке защитного подрабатывающего пласта / Опубл. в БИ, 1990, N 30.- 3 е.: ил. ( Соавторы - Баймухаметов С.К., Атыгаев К.О..Тлеубаев Ж.К. и др.).

18. Моделирование движения воздуха в вентиляционной выработке при прямоточной схеме проветривания выемочного участка // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1990, N 6.- С.81-83 ( Соавтор - Калиев С.Г.).

19. Управление газовыделением в горные выработки.- Рук.деп.в Каз-НИИНКИ, N 3856 - Ка 92. - 161 с. ( Соавторы - Гращенков Н.Ф., Суслов В.В.).

20. Влияние физико-химической обработки угля на его проницаемость // Управление газовыделением в угольных шахтах. Кемерово: КузПТИ, 1992.- С.21-25 ( Соавторы - Гращенков Н.Ф., Суслов В.В.).

21. Статистико-детерминированная модель заполнения пустот в твердом массиве жидкостью при пропитке // Изв.вузов. Горный журнал, 1993, N 9.- С.83-87.

22. Статистико- детерминированное моделирование фильтрации жидкостей и газов через проницаемые горные породы.- Рук.деп.в КазгосИНТИ, N 4525 - Ка 93.- 145 с.

23. Специальные способы борьбы с метановыделением в горные выработки.- Рук.деп.в КазгосИНТИ, N 6214 - Ка 95,- 103 с.

Эз1мбек Кдздарбек*лы вклмбеков ТУИ1Н1

Жанасып жаткан кен массивхнт, газеткттпн азайту жолымен кемгр шахталарынын, казбаларына метан шыгуын баскару

Диссертацияда кен казбаларына метан шыгу процестер1н баскар: нэткжел1л1г1н арттыруга байланысты кен ж*мыстарынын, кау1пс1зд1ги камтамасыз ету жен1нде ман,ызды гылыми проблеманын, шеш1м берглген. Проблеманы шешуге квм1р мен жыныс массивтер1нде с*йыкта; мен газдардыд динамикасын зерртегенде жэне осы непзде шетк белште кем1р мен жынысты катаятын к^рамдармен физикалык;-химиялы; ендеу жолымен, гидрокопарылыс эсер1 есеб1нен, массивтщ фильтра-циялык жене бер1кт1к к;асиеттер1не багытты эсер етеин параметр лерд1, сондай-ак казбаларды т1реуд!н массивте жарыкшактану про цес1н едэугр бэсендететш технологиялык; параметрлер1Н 1рштеуд непвдеуге мгмк1нд1к берет 1н статистикалык - детерминдеу вд1С1 колдану непз1нде к;ол жетк1з1лед1.

Автор жасап шыгарган кеуект1 ортанын, втк18Пшт1г1Н1Н, квази тораптык моделдер1 газды квм1р кабаттарына су жэне синтетикалы смолалар неттде катаятын к*рамдарды с1н1рудщ технологиялы кэрсеткштер1н аныктау жен1нде *сыныстар енггзгенде; киратылга жыныстардын, газеткиш^гхц зерттегенде, сонымен б1рге лаваны енд1р1лген кец1СТ1Пнде сакталынатын кдзбаларды т1реу жэне ок;шау лаудын, технологиялык, керсеткштергн непздеуде пайдаланылды. '

Akirnbekov Asimbek Khyzdyrbekovich SUMMARY

Operating1 methane emission into coal mine workinqs by decreasing gas-penetrability of adjoining rock mass.

Important scientific problem is solved in this thesis, concerning fety of .mining, connected with increasing operation efficiency of Lhane emission into mine workinqs.

Realization of these tasks was achieved by applying statically -terminated quasianalogues method in investigating mining gaseous namics and hydrodynamics processes, by basing pnysico - chemical and irodynamical effects upon filter and strength properties of coal and :k masses, adjoining coal mine workinq walls as well in choosing shnological parameters of supporting mine workings for slowing velopment process exogenned jointing in rock masses.

Quasidetermined models of porous medium penetrabilities, given in is work, were used in developing recomendations forcing water and uid polymeric compounds into gaseous coal seams, in investigating s-penetrability of cracky rock masses, as well as in basing chnological parameters of supporting and isolating mine workings in ste.

Печатно-множителъная мастерская КарПТИ, Караганда, Б. Мира 56

Объем 2,0 п.л

Заказ 1903. Тираж 100 экз.