Введение к работе
Актуальность работы. Повышение нагрузки на очистной забой более 15000 т/сут и увеличение глубины ведения горных работ на высокогазоносных угольных пластах приводит к росту метановыделения в горные выработки шахты (до 170 м3/мин). В этих условиях безопасная отработка метаноносных пластов угля с устойчивыми показателями очистных комплексно-механизированных забоев (КМЗ) возможна лишь при использовании эффективных способов и средств управления геомеханическими и газофильтрационными процессами. Однако на практике проектные и фактические объёмы добычи угля из КМЗ существенно отличаются.
Одной из причин такого несоответствия является недостаточная точность прогноза параметров вентиляции (расхождения с фактическими показателями в пределах 1,5-2,5 раз) и дегазации угольных пластов по нормативным документам. В действующих нормативных документах при расчете ожидаемых метано-выделений и расхода воздуха для проветривания выемочных участков используются поправочные коэффициенты, зависимости и законы распределения, которые не в полной мере соответствуют нагрузкам, достигнутым в высокопроизводительных КМЗ, что является причиной остановок забоев при превышении фактических параметров метановыделения по сравнению с прогнозируемыми. При прогнозе метанообильности выемочных участков используются идеализированные алгоритмы расчета метановыделения с поверхности очистного забоя с постоянными фильтрационными свойствами угольного массива, не полностью учитывается влияние скорости подвигания КМЗ на геомеханические процессы, происходящие в геомассиве при ведении горных работ.
В этой связи возникает необходимость выявления закономерностей газофильтрационных процессов с учетом влияния скорости движения КМЗ и деформаций пород в его окрестности.
Поэтому выявление закономерностей взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов и обоснование их параметров в окрестности движущегося очистного забоя при подземной отработке газоносных угольных пластов является актуальной научно-практической задачей, имеющей существенное значение для развития отрасли наук о Земле.
Цель работы заключается в разработке методики прогноза и обоснования параметров геомеханических и газофильтрационных процессов в углепородом массиве для эффективного управления горным давлением и метановыделением пласта при его отработке комплексно-механизированным забоем.
Основная идея работы состоит в использовании для прогноза ожидаемой метанообильности очистного забоя выявленных по результатам численного моделирования с оценкой их адекватности по результатам шахтного эксперимента закономерностей взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических параметров и скорости подвигания забоя.
Задачи исследования:
-
Разработать методику исследования геомеханических процессов для прогноза параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) углепород-ного массива в окрестности движущегося очистного забоя.
-
Выявить по результатам численного моделирования зависимости изменения геомеханических параметров от горно-геологических и горнотехнических параметров ведения горных работ.
-
Установить характер проявления горного давления при отработке выемочного столба и оценить адекватность разработанной методики исследования геомеханических процессов по результатам шахтного эксперимента.
-
Разработать алгоритм расчета ожидаемой метанообильности движущегося очистного забоя с учетом изменяющихся фильтрационных свойств угольного массива, полученных по результатам численного моделирования.
-
Установить зависимость метанообильности комплексно-механизированного забоя от скорости и режимов движения очистного комбайна для оценки адекватности разработанного алгоритма расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя по результатам шахтного эксперимента.
Методы исследования. Используется комплекс методов, включающий: анализ и обобщение существующих научно-исследовательских знаний; синтез аналитических методов и эмпирических зависимостей; численное моделирование; математическую статистику; натурный эксперимент в шахтных условиях; сравнительный анализ расчетных и фактических данных.
Объект исследования. Деформируемый газонасыщенный массив горных пород в окрестности движущегося комплексно-механизированного забоя.
Предмет исследования. Зависимости геомеханических и газофильтрационных величин массива горных пород от горно-геологических и горнотехнических параметров и скорости подвигания забоя.
Научные положения, защищаемые автором:
1. Методика исследования геомеханических процессов в окрестности очист
ного забоя обеспечивает расчет напряжений, деформаций и коэффициента дез
интеграции, достаточных для прогноза параметров очистного забоя при отра
ботке пологих пластов мощностью 1,2 – 6,0 м, на глубине 200-800 м и длиной
выемочного столба до 3 км.
2. Выявленные зависимости напряжений, смещений, деформаций и коэф
фициента дезинтеграции углепородного массива от основных горно-геологиче
ских и горнотехнических параметров обеспечивают выбор рациональных режи
мов управления кровлей отрабатываемого пласта посредством регулирования
рабочего сопротивления крепи и скорости движения забоя.
-
Повышение адаптивности известных алгоритмов прогноза метанообиль-ности очистного забоя к реальным условиям обеспечивается посредством использования полученных по результатам численного моделирования растягивающих горизонтальных деформаций в краевой части пласта.
-
Выявленная логарифмическая зависимость метанообильности очистного забоя от скорости движения комбайна подтверждает наличие в конкретных горно-геологических условиях предельной метанообильности очистного забоя.
Научная новизна работы:
-
Разработана методика исследования геомеханических процессов, отличающаяся учетом комплексного влияния изменений свойств угля и пород, рабочего сопротивления механизированной крепи и скорости движения очистного забоя на устойчивость пород кровли, почвы и краевой части пласта.
-
Установлены эмпирические зависимости ширины зоны отжима угольного массива и пород кровли от предела прочности угля, пород, рабочего сопротивления механизированной крепи и скорости движения очистного забоя: с увеличением прочности угля зона отжима снижается по квадратичной зависимости, а объем вывалов пород кровли - почти линейно.
3. Разработан алгоритм расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя, отличающийся синтезом вычисленных методом конечных элементов растягивающих горизонтальных деформаций в известных алгоритмах прогноза мета-нообильности очистного забоя, разработанных российскими исследователями и практиками.
4. Установлена зависимость метанообильности комплексно-механи-зиро-ванного забоя от скорости движения очистного комбайна, отличающаяся от аналогов логарифмической функцией, включающей комплекс следующих аргументов: мощность пласта, длительность остановок комбайна, величину рабочего сопротивления механизированной крепи, схему выемки угля.
Достоверность научных результатов подтверждается соответствием величин отжима и характера разрушения краевой части отрабатываемого пласта и пород кровли очистного забоя, установленных по результатам численного моделирования и шахтного эксперимента.
Результаты ожидаемой метанообильности очистного забоя, полученные с использованием разработанного алгоритма расчета и подтвержденные шахтными измерениями при различных скоростях движения очистного комбайна, обеспечивают прогноз максимально возможной фактической метанообильности очистного забоя.
Личный вклад автора заключается в:
– разработке методики исследования параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива с учетом комплексного влияния изменений свойств угля и пород, рабочего сопротивления механизированной крепи и скорости движения очистного забоя на устойчивость пород кровли, почвы и краевой части пласта;
– анализе результатов исследований и обосновании эмпирических зависимостей геомеханических параметров от предела прочности угля, пород кровли, величины рабочего сопротивления механизированной крепи и скорости движения очистного забоя;
– разработке алгоритма расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя, основанного на синтезе вычисленных методом конечных элементов растягивающих горизонтальных деформаций и известных алгоритмов прогноза мета-нообильности очистного забоя, разработанных российскими исследователями и практиками;
– проведении шахтных измерений и выявлении эмпирической зависимости метанообильности КМЗ от скорости движения очистного комбайна с учётом мощности пласта, длительности остановок комбайна, величин рабочего сопротивления механизированной крепи.
Научное значение работы состоит в создании методики обоснования параметров взаимодействующих геомеханических и газофильтрационных процессов в углепородном массиве в окрестности движущегося очистного забоя и разработке алгоритма прогноза метанообильности КМЗ с учетом изменения растягивающих горизонтальных деформаций угольного массива при отработке выемочного столба.
Отличие от ранее выполненных работ состоит: в выявленных закономерностях распределения геомеханических параметров от меняющихся горно-геологических и горнотехнических параметров геотехнологии; установленных зависимостях растягивающих горизонтальных деформаций, полученных по результатам численного моделирования, и интенсивности метановыделения, вычисленной по разработанным алгоритмам прогноза метанообильности очистного забоя.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет прогнозировать рациональные режимы управления механизированной крепью, скоростью движения забоя и параметрами дегазации краевой части пласта при изменении в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ.
Выявленные зависимости, вычисленные методом конечных элементов параметры НДС, созданный алгоритм прогноза метанообильности очистного забоя обеспечивают прогноз максимальных значений ожидаемой метанообильности движущегося КМЗ, а прогнозируемые на основе этих зависимостей и результатов исследований параметры проветривания выемочного участка, позволят снизить вероятность возникновения загазирований выработок и повысить безопасность работ в очистном забое.
Реализация результатов.
Результаты проведенных исследований использованы на ООО «Шахта «Есаульская» при выполнении ежемесячного расчета ожидаемой метанообиль-ности и выборе параметров проветривания выемочного участка 26-28. Полученные в результате моделирования зависимости напряжений, деформаций, смещений и коэффициента дезинтеграции пород кровли и угля отрабатываемого пласта от горнотехнических параметров использовались в документации по ведению горных работ в выемочном участке 26-28 пласта 26а в части управления кровлей посредством выбора рациональной величины рабочего сопротивления механизированной крепи.
Разработанная методика прогноза параметров взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов применялась при корректировке угла заложения скважин для дегазации выработанного пространства выемочного участка лавы 26-28 в разделе дегазации с целью повышения ее эффективности.
Предложенная методика рассмотрена на техническом совете ООО «Шахта
«Есаульская» и рекомендована при разработке документации по ведению очистных работ для последующих выемочных участков с целью выбора рациональных параметров проветривания, обоснования технических решений по разупрочнению пород кровли при выводе комплекса из монтажной камеры, выбора режимов управления кровлей для снижения риска формирования линий кливажа, вывалов пород кровли и газодинамических явлений. Также методику предлагается использовать при корректировке параметров заложения скважин для дегазации выработанного пространства в случае низкой ее эффективности при изменении горно-геологических условий, состояния пород кровли, скорости подвигания забоя.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на XV международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово 2013); IX научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» «Безопасность труда: ключевые аспекты (экономические, организационные, технико-технологические, психологические и другие)» (Новокузнецк, 2014); IV всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Моделирование и наукоемкие информационные технологии в технических и социально-экономических системах, 2016» (Новокузнецк 2016); всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск 2017).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах, из которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Мино-брнауки РФ, 2 в материалах и трудах научных конференций.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованных источников и содержит 170 страниц основного текста, включая 80 рисунков, 13 таблиц, 2 приложения.