Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование подхода к оценке изменений газоки нетических характеристик призабойной зоны угле-метанового пласта под влиянием переменного горного давления 11
1.1. Некоторые особенности газоистощения углеметанового пласта 11
1.2. Анализ известных особенностей напряженно-деформированного состояния пласта 13
1.3. Современные представления о формах существования метана в угольных пластах 21
1.4. Взаимосвязь задач исследования 25
2. Исследование связи волнообразных изменений метанообильности выемочного участка с геомеханическими процессами в подрабатываемом массиве .
2.1 Выбор метода оценки шага изменений давления пород основной кровли на призабойную часть пласта 32
2.2. Газокинетическая реакция призабойной части углеметанового пласта на формирование свода сдвижений пород при отходе лавы от монтажной камеры 41
2.3 Изучение динамики горного давления в призабойной части массива по данным о давлениях в секциях механизированной крепи при движении очистного забоя 49
2.4. Изучение динамики метанообильности движущегося очистного забоя 55
2.5. Разработка алгоритма расчета параметров зон сдвижений в подрабатываемои толще пород 64
3. Исследование связи газокинетического состояния призабойной части пласта и геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород 71
3.1. Оценка значимости установленных волнообразных изменений горного давления на призабойную часть пласта 71
3.2 Усадка углеметанового пласта при газоистощении 76
3.3. Определение глубины зоны газового дренирования призабойной части пласта в зависимости от изменений горного давления при движении очистного забоя 80
3.4. Разработка алгоритма расчета метановыделения из отрабатываемого пласта
4. Исследование выделения метана из отбитого угля 91
4.1. Особенности выделения метана из отбитого угля 91
4.2. Экспериментально-аналитические основы расчета метановыделения из отбитого угля 97
4.3. Горно-экспериментальная проверка адаптивности зависимостей для расчета метановыделения из отбитого угля 100
Выводы 108
Заключение 110
Список использованных источников 112
- Анализ известных особенностей напряженно-деформированного состояния пласта
- Газокинетическая реакция призабойной части углеметанового пласта на формирование свода сдвижений пород при отходе лавы от монтажной камеры
- Определение глубины зоны газового дренирования призабойной части пласта в зависимости от изменений горного давления при движении очистного забоя
- Экспериментально-аналитические основы расчета метановыделения из отбитого угля
Введение к работе
Актуальность работы. Процессы метановыделения в горные выработки и разработка соответствующих методов прогноза относится к одной из основных проблем рудничной аэрогазодинамики. Ее сложность обусловлена неразрывностью связи газокинетических характеристик пласта с геомеханическими процессами. Но неразрывность этой связи имеет и положительный аспект, заключающийся в возможности уточнять особенности геомеханического процесса по динамике метанообильности горных работ.
В структуре газового баланса выемочного участка доля метановыделения из отрабатываемого пласта, включая отбитый уголь, составляет около 20 %. Но если представляющий остальные 80 % метан выработанного пространства может быть изолированно выведен на поверхность средствами вентиляции и дегазации, то газ отрабатываемого пласта реализуется непосредственно в забое и транспортных выработках. Его весьма трудно извлечь из пласта способами предварительной дегазации. Эти горнотехнологические особенности предъявляют повышенные требования к методам оценки газокинетических характеристик исследуемого в данной работе объекта с учетом изменений его свойств и состояний впереди движущегося очистного забоя.
В последние десятилетия российскими учеными активно развиваются знания о свойствах углеметанового пласта, как твердого углегазового раствора (приоритет научного открытия 1981 г.). Газосодержание твердого углегазового раствора (ТУГР) связано с действующими вертикальными напряжениями. В 1985 г. зарегистрировано научное открытие (приоритет от 1978 г.) деформационно-волновых процессов в окрестности горных выработок па рудных месторождениях, установленных прямыми наблюдениями напряженно-деформированного состояния относительно изотропного массива. В 2001 г. установлены волнообразные изменения метанообильности высокопроизводительных выемочных участков на угольных месторождениях, расширяющие границы аналитических моделей (1921-2009 гг.) периодических процессов в подрабатываемом явно анизотропном массиве горных пород.
Совокупность новых знаний позволяет более подробно рассмотреть реакцию газовой компоненты отрабатываемого пласта на изменение геомеханической обстановки в массиве горных пород с целью повышения надежности технологических решений по управлению метанообильностью высокопроизводительных выемочных участков.
Инновационному развитию этих задач соответствует активное оснащение промышленности современными системами мониторинга газовой обстановки в горных выработках на базе достаточно мощных компьютеров. Но методическое и алгоритмическое обеспечение значительно отстает от потребностей производства, без удовлетворения которых и само развитие знаний затруднено, что указывает на актуальность настоящего исследования.
Диссертационная работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте угля и углехимии СО РАН в рамках проектов № 25.2.4 «Экспериментально-аналитические основы механики газоводоносных геоматериалов» и
№ 7.7.1.4. «Особенности процессов деформирования и разрушения массивов горных пород, включающих техногенно нестабильные двухкомпонентные геоматериалы».
Цель работы: установить эмпирические зависимости газокинетических характеристик пласта от техногенных геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород.
Идея работы: выделение метана из отрабатываемого пласта и отбитого угля обусловлено изменениями форм его существования в пласте при снижении вертикальных напряжений.
Задачи исследований.
Обосновать количественную оценку изменений содержания растворенного метана в углеметановом пласте с учетом сорбционной способности угля и присутствия свободного газа при снижении вертикальных напряжений.
Установить особенности волнообразных изменений метанообильно-сти выемочного участка при отработке выемочного столба.
Установить зависимость структуры газоносности пласта по формам существования метана от геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород.
Установить зависимость скорости выделения метана из отбиваемого угля с учетом остаточного газосодержания твердого углегазового раствора.
Методы исследований. Для решения поставленных задач, использованы методы исследований, включающие: анализ литературных источников для обоснования цели и задач исследований, горно-экспериментальные наблюдения для выявления особенностей волнообразных изменений горного давления при движении очистного забоя, статистический анализ горнотехнологических данных о газокинетических процессах на выемочном участке, численное моделирование газогеомеханических процессов на основании уточненных эмпирических зависимостей.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Изменение структуры газоносности пласта по формам существова
ния метана при снижении вертикальных напряжений определяется снижени
ем природного содержания метана в составе твердого углегазового раствора
с соответствующим' увеличением количества сорбированного и свободного
газа.
2. Динамика метанообильности выемочного участка при подвиганий
длинного очистного забоя связана с периодичностью процесса сдвижений
подрабатываемого массива горных пород.
Интенсивность поступления газа в призабойное и выработанное пространство из отрабатываемого пласта определяется изменениями структуры газоносности по формам существования метана при снижении напряжений в пласте впереди зоны опорного давления.
Выделение метана из отбитого угля обусловлено продолжающимся распадом углегазового раствора в результате снижения напряжений в угле от действующих на глубине стружки до атмосферного давления.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
сходимостью результатов прогноза метановыделения из отрабатываемого пласта и отбитого угля горнотехнологическим данным систем газового контроля шахт (средние отклонения прогнозных и фактических данных по метанообильности очистного забоя и выделению метана на конвейерных штреках выемочных участков менее 17%);
соответствием результатов обработки методом геоинформатики (2D) горно-экспериментальных данных об изменениях давления на секции механизированной крепи в процессе движения очистного забоя известным работам в области геомеханики (угол полных сдвижений и шаг первичного обрушения основной кровли);
сходимостью установленных параметров сдвижений в подрабатываемом очистным забоем массиве горных пород и отрабатываемом пласте известным и замеренным натурными наблюдениями данным (угол полных сдвижений изменяется от 45 до 55 при его среднем значении 50, регламентированном нормативными документами для Кузбасса);
представительным объемом горнотехнологических данных (3 шахты, 5 выемочных участков с общей протяженностью выемочных столбов 7,4 км, длиной очистных забоев 180-240 м и их производительностью 2-10 тыс. т угля в сутки, при газоносности пластов 12-25 м3/т);
промышленной апробацией результатов прогноза метанообильности очистных забоев и рекомендуемых параметров управления метано-обильностью выемочных участков, оснащенных электронными системами газового мониторинга.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Установлена количественная взаимосвязь форм существования метана в структуре газоносности пласта, учитывающая рост сорбцион-ного потенциала угля при снижении газосодержания твердого раство-
8 pa относительно предельной газоносности пласта.
Обоснован алгоритм расчета параметров волнообразной активации подрабатываемых углеметановых пластов, включающий особенности процесса сдвижений массива горных пород, представленные иерархическим рядом зависимостей от глубины ведения горных работ, углов полных сдвижений и отхода очистного забоя от монтажной камеры.
Доказано, что изменения метанообильности очистного забоя и прилегающей к нему части выработанного пространства по мере отработки выемочного столба связаны с долей свободного газа в структуре газоносности отрабатываемого пласта при распаде твердого углегазо-вого раствора под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве.
Установлено, что метановыделение из отбитого угля при его транспортировании соответствует газокинетическим показателям распада остаточного газосодержания твердого углегазового раствора.
Личный вклад автора.
Защищаемые и составляющие новизну результаты, полученные лично автором:
обоснование количественной оценки влияния горного давления на газокинетические характеристики углеметанового пласта;
установление связи структуры газоносности отрабатываемых пластов по формам существования метана со снижением напряжений;
уточнение особенностей изменений метанообильности из подрабатываемого массива пород;
выявление связи изменения метанообильности очистного забоя, прилегающей к нему части выработанного пространства и выделения метана из транспортируемого угля с изменениями структуры га-зоностности отрабатываемого пласта по формам существования метана;
- апробация результатов исследования.
К результатам, полученным в неделимом соавторстве, относятся измерения показателей, характеризующих реакцию горного массива при движении очистного забоя и динамику метанообильности выемочного участка.
Практическое значение работы.
Результаты исследования позволяют:
уточнять газокинетические характеристики призабойной части уг-леметанового пласта для повышения эффективности технологических решений по управлению метанообильностью очистного забоя;
выявлять участки отрабатываемого выемочного столба, наиболее опасные по газовому фактору;
обосновать геометрические размеры очистных забоев и выемочных столбов, схемы и режимы проветривания и дегазации высокопроизводительных выемочных участков.
Реализация работы.
Результаты выполненных исследований:
получили номинацию в Лаврентьевском конкурсе молодежных проектов СО РАН "Исследование взаимосвязи пространственного распределения газового потенциала участка углеметанового месторождения и параметров газокинетического паттерна массива при отработке угольного пласта с полным обрушением кровли" (Новосибирск, СО РАН, 2003-2004 гг.);
включены в отчетные материалы по междисциплинарному интеграционному проекту СО РАН № 89 "Разработка метода управления параметрами газокинетического паттерна массива горных пород с учетом физико-химических свойств угля, геофизических характеристик и метагенезиса месторождения" (Кемерово, Новосибирск, Томск, 2006-2008 гг.).
Результаты работы использованы:
— в ИПКОН РАН в рамках государственного контракта
№02.532.11.9001 от 03.10.2007 г.;
- при выполнении ИУУ СО РАН семи заказов угольных компаний и шахт по обеспечению ритмичной и безопасной работы высокопроизводительных очистных забоев по газовому фактору.
Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались на: III конференции молодых ученых, посвященной М.А. Лаврентьеву (Новосибирск, 2003); III региональной научно-практической конференции: "Информационные недра Кузбасса" (Кемерово, 2004); VIII Всероссийской научно-практической конференции "Научное творчество молодежи". (А-Судженск, 2004); научно-технической конференции к 75-летию со дня рождения профессора
И.И. Медведева "Проблемы рудничной аэрологии-и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых" (Пермь, 2004); конференции "Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды" (с участием иностранных ученых) (Новосибирск, 2006); областной научно-практической конференции "Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения" (Кемерово, 2006); международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2006); I Региональной научно-практической конференции "Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса" (Прокопьевск, 2007); международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2007).
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 24 статьях и докладах, в том числе в одном патенте РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 5 таблиц и 61 рисунок, список использованной литературы из 76 наименований.
Анализ известных особенностей напряженно-деформированного состояния пласта
С позиций решаемой задачи исследования, основным следствием геомеханических процессов в массиве горных пород является изменение напряженно-деформированного и газодинамического состояний призабойной части пласта (рис. 1.1).
В этой зоне напряжения снижаются от максимальных до соответствующих предельной несущей способности кромки пласта, а обобщенные параметры определяются следующими эмпирическими зависимостями [35]. Расстояние до максимума напряжений где т— вынимаемая мощность пласта, м; а3 = 0,01 — размерный параметр, 1/м; г, - вторичный шаг обрушения кровли, м; Kv- предельные напряжения на линии забоя, МПа; а0— давление горных пород за зоной влияния выработки, МПа; cti — реологический параметр, 1/мин; tcp— среднее время выемки между циклами, мин; Из — размер зоны разрушения, ы;Н - глубина ведения горных работ, м; х - координата в глубину забоя, м.
С использованием этих взаимосвязей можно определить параметры зоны НДС при различных графиках работ и темпах подвигания забоя. Отметим, что при неизменных свойствах пласта представленные зависимости позволяют, путем введения дополнительной связи: деформации -газопроницаемость, решать задачи неравновесной фильтрации [8, 36, 45, 68] и, тем самым, описывать процесс газовыделения из углеметанового пласта.
Однако, как установлено более поздними исследованиями [1,2, 16, 22, 70, 73], существуют два фактора, затрудняющих этот подход к оценке состояния его призабойной зоны. Сущность первого фактора заключается в следующем. Движение очистного забоя приводит к периодическому изменению размеров зависающих консолей близлежащих слоев пород и их числа, участвующих в формировании опорного давления. Этот процесс сопровождается периодическим изменением размеров зоны напряженно-деформированного состояния. Минимальное значение она имеет после обрушения пород основной кровли, а максимальное - перед её обрушением. Это даёт основание прогнозировать участки с максимальными напряжениями и заранее предпринимать меры по их частичной нейтрализации. В тоже время, многочисленными исследованиями установлено, что формирование консолей сопровождается поднятием слоев над пластом за зоной максимальных напряжений [2]. Известен [20] принцип гармонического ряда, «волн Вебера», согласно которому с удалением от разрабатываемого пласта амплитуда волны снижается, а ее период возрастает. Естественно, сдвижениям горных пород по направлению к выработанному пространству предшествует восстановление их упругих деформаций. Даже при глубине залегания отрабатываемого пласта около ЮО.м и длине лавы 100 м инструментально установлено [22], что поднятие нижней части кровли даже в малопрочных породах (аргиллиты) достигает 3 см на расстоянии 10-15 м от плоскости забоя. Учитывая расстояние от плоскости забоя до максимума напряжений, место формирования опоры консоли кровли, и принимая форму прогиба кровли параболической, можно оценить размер зоны разгрузки отрабатываемого пласта от горного давления за зоной максимальных напряжений, как близкий 20-30 м. Нетрудно предположить, что с ростом прочности пород кровли и глубины разработки этот эффект возрастает.
Газокинетическая реакция призабойной части углеметанового пласта на формирование свода сдвижений пород при отходе лавы от монтажной камеры
Приведенные выше результаты анализа известных исследований показывают, что традиционные представления о формировании первой осадки кровли в выработанном пространстве заключаются в следующем. Первоначально непосредственная и основная кровля, опираясь на задний целик угля и угольный пласт, плавно опускается с прогибом и минимальной пригрузкой призабойной части пласта. При дальнейшем увеличении пролета происходит отслоение основной кровли от вышележащих пород и ее осадка. После первой осадки кровли постепенно отслаиваются и поочередно или группами об-рушаются вышележащие слои пород, что приводит к дополнительным на грузкам на пласт. В зависимости от прочностных свойств вышележащих слоев, основная кровля в процессе формирования первой осадки может прогибаться под действием собственного веса и дополнительной пригрузки от вышележащих слоев в пределах развивающегося свода сдвижений [11, 44].
Таким образом, в классическом случае отработки лавы в целиках, схема первичного обрушения кровли предполагает расслоение с выделением слоя основной кровли, который, в свою очередь, пригружается следующим слоем (рис. 2.2).
Представленная геомеханическая ситуация при отходе лавы от монтажной камеры до первого обрушения основной кровли позволяет рассматривать метанообильность участка как следствие только газовыделепия из разрабатываемого пласта и отбитого угля. Ситуация изменяется когда достигается такая величина отхода очистного забоя, при которой зона свода интенсивной разгрузки вмещающих пород от горного давления достигает пластов-спутников. После этого появляются дополнительные и весьма значимые притоки метана в выработанное пространство. Но на начальном интервале под-вигания во вмещающих породах лишь формируются области их разгрузки от горного давления, с соответствующим повышением напряжений в призабой-ной части пласта. Ее проницаемость в направлении забоя постепенно и значительно снижается, что обеспечивает сокращение расстояния от забоя до границы природной газоносности и рост ее значений на глубине стружки.
Здесь сосредоточена весьма интересная особенность реакции углеметанового пласта. С одной стороны, поскольку перемещение забоя идет в направлении к большей газоносности пласта в пределах зоны дегазирующего влияния монтажной камеры, то относительная метанообильность очистного забоя должна увеличиваться. С другой стороны, нарастание давления пород на пласт приводит к снижению его газопроницаемости, сокращая поступление метана из глубины пласта.
Как ранее отмечено (см. п. 1.4), интегральная оценка этой неоднозначности газокинетического процесса возможна путем натурных наблюдений. Исследования проводились на двух выемочных участках Шелканского месторождении Кузбасса (шахта «Тайжина», №№ 1-1-5-1 и 1-1-5-4), где велись горные работы по пласту Е-5 гор.-230 м. Рассматриваемое выемочное поле приурочено к северо-западному крылу Шелканской синклинали. Находится под толщей юрских отложений в висячем крыле взброса Н-Н, амплитуда смещения которого составляет 100 м по плоскости сместителя, угол падения которой составляет 25 . Шахта «Тайжина» отнесена к сверкатегорпой по газу метану и опасной по взрываемости угольной пыли. Абсолютное газо-выделение по шахте составляет 29,4 м /мин, относительное - 26,2 м /т.
Пласт Е-5 залегает в 60 м ниже пласта Е-6 и является наиболее мощным пластом в горном отводе. Участок пласта Е-5 протяженностью 800 м по простиранию и от 450 до 920 м по падению расположен в интервале между створами XII и XIII разведочных линий. Рассматриваемый участок пласта Е-5 разделен в крест простирания на четыре выемочных столба с длиной очистных забоев по 200 м. (рис.2.3).
Глубина заложения конвейерного штрека 1-1-5-1 от дневной поверхности изменяется в пределах 540 660 м, вентиляционного штрека 605- -615 м. Мощность юры в пределах выемочного столба 1-1-5-1 составляет 275-454 м. Длина выемочного столба 890 м. Природная газоносность пласта в пределах контура лавы изменяется от 13,5 до 18,0 м /т. Глубина заложения вентиляционного штрека 1-1-5-4 изменяется в пределах 605- 615 м. Мощность юры в пределах выемочного столба 1-1-5-4 составляет 300-320 м, длина столба 450 м. Природная газоносность разрабаты-ваемого пласта в пределах контура лавы изменяется от 12,0 до 13,5 м /т. Вынимаемая мощность пласта Е-5 составляет 2,9 м. Уголь пласта Е-5 сложен блестящими и полублестящими разностями марки Ж (группа 2Ж). Зольность чистого угля составляет 9 %, с учетом засорения внутрипластовы-ми прослоями зольность возрастает до 27 %, выход летучих веществ 34,5%. Крепость угля по шкале проф. Протодьяконова/=0,8—1,2. Непосредственная кровля пласта представлена мелкозернистыми алевролитами средней крепости (j=3-4) и устойчивости. Мощностью до 2,0 м, умеренно трещиноватыми, расслаивающимися на слои по 0,1-0,2 м.
Основная кровля пласта мощностью до 20 м представлена в нижней части разреза крепкими (/=4-6) крупнозернистыми алевролитами. В западной части лавы 1-1-5-1 залегают алевролиты мелкозернистые крепостью/=3-4, в восточной части лавы — песчаники мелкозернистые, с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова/= 6-8 и мощностью до 10 м. По нагрузочным свойствам основная кровля - средняя, по управляемости - сред-неуправляемая. Угленосность подрабатываемого массива около 2 %.
Определение глубины зоны газового дренирования призабойной части пласта в зависимости от изменений горного давления при движении очистного забоя
Из результатов исследований геомеханических процессов, выполненных с использованием методов рудничной аэрогазодинамики, следует, что на интервале подвигания очистного забоя от монтажной камеры до первого шага обрушения основной кровли во вмещающих породах формируется зона их разгрузки от горного давления с одновременным повышением напряжений в призабойной части пласта. Его проницаемость в направлении забоя постепенно и значительно снижается, что обеспечивает сокращение расстояния от забоя до границы природной газоносности. При решении задач аэрогазодинамики очистного забоя правильнее анализировать газогеомеханические процессы в призабойной части пласта с шагом дискретизации по времени, меньшем времени газокинетической реакции пласта. Применение же крупных, декадных, шагов, которые являются основой общепринятых методов, значительно нивелирует динамические особенности газопритока, особенно в условиях высокопроизводительных забоев и сколько-нибудь подробная детализация газового режима становится невозможной. Совершенствование методов возможно с использованием представлений о физической неразрывности процессов в приконтурной части пласта и проветриваемом объеме выработки (см. п.1.3.). Это позволяет сформировать комплексную модель на базе генетически связанных процессов изменений напряженно-деформированного состояния приконтурной части пласта и аэрогазодинамических процессов в призабойном объеме. При движении забоя со скоростью 3 в призабойной части пласта формируется зона напряженно-деформированного состояния протяженностью до максимальных напряжений ХМі м при напряжениях на кромке забоя (73. Определение интересующих нас параметров этой зоны можно выполнить с использованием апробированных методических разработок [35, 43]. Распределение напряжений на участке 0 х ХМ определяется по формулам (1.1 - 1.4). При этом, учитывая эффекты релаксации напряжений [46, 69] их изменение за время цикла на кромке забоя будет иметь вид где t— время цикла (0 t t„,n), сут; aj — реологический параметр, 1/сут; cr3j-напряжения на расстоянии от плоскости забоя /, МПа. Подставляя значение j3t в (1.4) получим изменение напряжений в краевой части пласта в период цикла где К - коэффициент концентрации напряжений; х — расстояние в глубину забоя, м. Принимая, что граница области газового дренирования пласта через поверхность забоя совпадает с расстоянием до напряжений, действующих вне области влияния выемки угля, получим где XdJ— глубина зоны газового дренирования, с учётом падения напряжений на кромке забоя, м. При увеличении скорости подвигания очистного забоя, уменьшается расстояние до максимума напряжений и, соответственно, величина зоны газового дренирования (рис. 3.11). Из полученных результатов видно, что при высоких скоростях подвигания очистного забоя (более 5 м/сут) на момент выемки основная часть газоносности пласта за границей максимальных напряжений сохраняется в отбиваемом угле, а метанообильность забоя реализуется, в основном, за счет его газоистощения.
Для рассматриваемых выемочных участков изменения зоны газового истощения пласта при скорости подвигания 1 м/сут имеют следующее значения (рис. 3.12-3.16). Изменение величины зоны газоистощения пласта обуславливает и изменение объёмов выделения газа через поверхность забоя. Зная величину горного давления при данном положении забоя (см. п.3.1.) можно прогнозировать и кинетику метановыделения при отработке выемочного столба. В пп. 1.3.-1.4. показано, что при отработке угольных пластов длинными очистными забоями геомеханический процесс связан не только с величиной отхода от монтажной камеры, но и с длиной лавы. При этом горным опытом и научными исследованиями установлено [17, 18, 19], что при подходе очистного забоя к пластовой скважине на расстояние, близкое половине длины забоя, дебит метана из скважины увеличивается. Без разгрузки пласта от горного давления этот эффект невозможен (см.п.1.4.). Известен и эффект перетока части метана из пласта в выработанное пространство, минуя призабой-ный объем. В условиях существенного снижения газопроницаемости пласта в направлении к обнаженной поверхности под действием горного давления указанная особенность газокинетического процесса может объясняться только формированием значительного давления газа за зоной максимальных напряжений. Указанные особенности можно учесть с помощью полученных зависимостей изменений горного давления по длине столба. При этом имеем: в процессе разгрузки от горного давления углеметановыи пласт теряет часть растворенного метана прямо пропорционально снижению нормальных напряжений с возможностью соответствующего снижения общей метаноносно-сти за счёт фильтрации газа в выработку, но не ниже суммарной величины метаноёмкости угля и удельного объема метана в поровом пространстве угля (см.п. 1.3). С учётом выше изложенных результатов исследования можем записать изменение вертикальных напряжений в зоне опережающей разгрузки
Экспериментально-аналитические основы расчета метановыделения из отбитого угля
Для расчетов метанообильности очистного забоя в условиях, существенно отличающихся от предусмотренных действующими нормативами, можно использовать положения гипотезы твердых углегазовых растворов [4, 31]. При этом принимается следующая структура газоносности по формам существования метана обоснованная в п. 1.3. В работе [31] предложено для уголеметановых пластов динамику газоистощения принимать в виде где G(t) — метаносодержание пласта в форме существования твердого углега- зового раствора; С3= 0,71 - эмпирический коэффициент; t - время с момента снятия нормальных напряжений, мин. Преобразуя эту зависимость к более удобному виду, получаем выделение газа из мгновенно отбитой массы угля где Гоу - газоносность отбиваемого угля, м /т. Но, поскольку отбойка угля комбайном продолжается длительное время, то начало газовыделения из каждой тонны угля связано с ее положением на длине очистного забоя и скоростью движения комбайна, т.е. где Т - общее время от начала выемки угля, мин; / — расстояние от начала движения комбайна, м; vK = const - рабочая скорость комбайна, м/мин. Тогда, суммарное количество газа, выделившегося в горные выработки за время с начала отбойки угля, определяется зависимостью где mG — вынимаемая мощность пласта, м; lcm— глубина вынимаемой стружки, м; р — плотность угля, т/м ; /, 10Ч — расстояние, пройденное комбайном за время Т 0, м; 10Ч - длина очистного забоя, м. Учитывая, что где tx -продолжительность цикла выемки, мин, получаем Это выражение отражает технологическую ситуацию, когда продолжительность (tx) цикла выемки меньше времени (7) пребывания отбитого угля в пределах выемочного участка (большая рабочая скорость комбайна, малая длина очистного забоя, значительная длина выемочного столба, низкая скорость транспортирования отбитого угля). В технологических условиях, когда продолжительность цикла выемки (tx) больше времени (Г) пребывания отбитого угля в пределах выемочного участка (небольшая рабочая скорость комбайна, большая длина очистного забоя, малая длина выемочного столба, высокая скорость транспортирования отбитого угля), имеем Нетрудно видеть, что дифференцирование функций (4.5 и 4.6) по tx позволяет определить искомую зависимость метановыделения из отбитого угля в соответствующий период технологического цикла.
В частности, для высокой рабочей скорости комбайна получим Однако далеко не всегда горнотехнологические особенности позволяют отследить реальное метановыделепие в период технологического цикла и в угольной промышленности принято ориентировать расчеты на среднесуточные показатели. С учетом этого возможен следующий прием. По формуле (4.6) при где Acvm - суточная добыча угля, т/сут, вычисляются объемы метана, выделившиеся за соответствующее время транспортирования угля: Qe - от средины очистного забоя до точки выхода угля за пределы контролируемого участка (дальний датчик); О50 - от средины очистного забоя до датчика на конвейерном штреке у сопряжения с забоем. Определяется количество метана выделившегося на этом интервале за соответствующий промежуток времени Полученные выражения описывают все искомые зависимости о выделении метана из отбитого угля. Эта величина должна быть равна скорости распада ТУГР. Выделений больше или меньше, чем в результате распада образуется свободного газа, не возможно. Если формируется больше, чем может профильтровать через себя соответствующий слой куска угля, то в нем повышается давление газа. При его значениях, превышающих прочность скелета угля, развиваются микротрещины и скорость выделения приводится в соответствие со скоростью распада.
