Введение к работе
Актуальность темы. Добыча угля в России, ведется во все более усложняющихся горно-геологических условиях, которые сопровождаются ростом глубины разработки и увеличением горного давления. В докладе о ходе реализации «Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской федерации от 21.06.2014 № 1099-р указывается, что уровень угледобычи к 2030-му году планируется довести до 480 млн.т./год. Сохранение нормативного аэрогазового режима выемочных участков для обеспечения безопасности ведения горных работ входит в перечень ее стратегических целей.
При интенсивной отработке высокогазоносных пластов на шахтах Донецкого бассейна (рост добычи составил 137 % к уровню 2016 гола), максимально допустимые нагрузки на очистные забои, существенно ограничены по газовому фактору. Использование дегазации подрабатываемого углепородного массива барьерными скважинами, является наиболее эффективным способом, позволяющим снизить метанообильность горных выработок. В то же время, показатели эффективности его применения, указанные в отраслевых инструкциях, не всегда достижимы на практике. Так как учет пространственно-временного фактора при оценке влияния ситуационных геомеханических условий на динамику газовыделения, протекающих в массиве горных пород, остается не до конца изученным.
Подвигание очистного забоя вызывает перераспределение опорного давления и активизацию сдвижений пород кровли. Если концентрация напряжений превышают несущую способность системы «массив-обсадная труба» происходит деформирование стенок и снижение проходимости ствола скважины. Результатом частичной подработки, является нарушение ее эксплуатационного состояния, что существенно сокращает время продуктивной работы, а также может быть причиной потери устойчивости дегазационных скважин еще до подхода лавы к их устьям. Падение сопротивления воздухопроводящих каналов, в области устья, обуславливает развитие аэродинамической связи с атмосферой горной выработки. Интенсификация подсосов воздуха, в свою очередь, приводит обеднению отводимой смеси. Низкая концентрация метана, в извлекаемой метановоздушной смеси, представляет угрозу поддержания безопасного режима работы дегазационных систем для эффективного преодоления «газового барьера».
В нормативных документах вопросы повышения устойчивости скважин освещены недостаточно и нуждаются в доработке. Поэтому, установление закономерностей влияния параметров разгрузочного бурения на напряженное состояние контура скважины, является актуальной научно-технической задачей для обеспечения интенсификации угледобычи и безопасности отработки газоносных угольных пластов
Цель работы. Повышение интенсивности отработки угольных пластов за счет обеспечения устойчивости дегазационных скважин.
Идея работы. Увеличение максимально допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору достигается за счет повышения устойчивости дегазационных скважин при бурении системы разгрузочных шпуров, параметры которых
определяются на основании установленных закономерностей напряженно-деформированного состояния вмещающего массива.
Объект исследований – подрабатываемый углепородный массив, вмещающий дегазационные скважины.
Предметом исследований являются закономерности процессов напряженно-деформированного состояния в массиве горных пород, вмещающем дегазационные скважины.
Методы исследований. При решении поставленных задач, был использован комплексный метод исследований, заключавшийся в: анализе существующих способов обеспечения устойчивости подземных скважин, натурных исследований концентрации метана в извлекаемой газовоздушной смеси, моделирования напряженного состояния массива горных пород при помощи метода конечных элементов.
Научные положения, защищаемые в работе:
-
Нормативная эффективность дегазации подрабатываемого углепородного массива, обуславливающая повышение интенсивности отработки газоносных пластов Донецкого бассейна, достигается при завершении разгрузочного бурения не менее чем за 36 м до приближения очистного забоя.
-
Особенности механизма выделения газа в подрабатываемые дегазационные скважины вызваны пространственно-временными параметрами развития горных работ и заключаются в образовании и перемещении волн концентрации метана в виде чередующихся зон локальных максимумов и минимумов на удалении 40-50 метров впереди лавы.
-
Величина концентрации эквивалентных напряжений на контуре дегазационной скважины увеличивается по логарифмическому закону при увеличении ширины перемычки и уменьшении количества шпуров, если радиусы шпуров составляют 0,6 радиуса скважины.
Научная новизна работы:
-
Впервые установлены особенности метановыделения в подрабатываемые дегазационные скважины, заключающейся в существовании общей зональности локальных минимумов концентрации метана, относительно расстояния до лавы: первый на расстоянии от -40 до -36 м; второй – от -26 до -19 м, третий – от -1 до 3 м.
-
Получили дальнейшее развитие представления про механизм влияния ситуационных геомеханических условий на метановыделение в подрабатываемые дегазационные скважины, которые заключаются в том, что процессы зональной дезинтеграции и проявления опорного давления обуславливают перемещение областей локальной разгрузки в дегазируемой толще горных пород, где происходит распад метастабильного газоугольного раствора.
-
Уточнено влияние геометрических параметров горных выработок и угле-породного массива, при моделировании геомеханических задач методом конечных элементов, позволяющее повысить достоверность расчета значений концентрации напряжений на контуре дегазационной скважины.
-
Впервые показано, что увеличение ширины перемычки с 0,5 до 1,9 радиусов скважины и уменьшение количества шпуров с 12 до 9 приводит к снижению концентрации напряжений, на контуре дегазационной скважины, по логарифмической зависимости на 30 %.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: корректным использованием теории планирования экспериментов, представительным объемом данных натурных наблюдений, соответствием установленных особенностей динамики концентрации метана, современным представлениям о геомеханических процессах, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования.
Практическая значимость работы. Технологическая схема дегазации подрабатываемого углепородного массива может быть использована при нормализации аэрогазового режима выемочного участка. Рекомендации по повышению надежности работы подземных дегазационных скважин могут быть реализованы при отработке пластов c высокими нагрузками на очистные забои. Методика расчета параметров разгрузочного бурения применима при интенсивной отработке высокогазоносных пластов шахт Донецкого бассейна.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке СОУ-П 05.1.00185790.025:2013 «Выбор параметров и способов охрани устьев дегазационных скважин. Руководство» в Донецком научно-исследовательском угольном институте; «Рекомендаций по повышению надежности работы подземных дегазационных скважин при дальнейшей отработке пласта m3 c высокими нагрузками на очистные забои» для ПАО «Шахта им. А. Ф. Засядько». Ожидаемый экономический эффект составляет около 6,9 млн. руб./год. на один очистной забой.
Личный вклад соискателя заключается в непосредственном участии во всех этапах работы: выборе цели и постановке задач исследований, разработке идеи работы, выборе методологии проведения экспериментально-аналитических и натурных исследований, обосновании методики расчета параметров разгрузочного бурения и рекомендаций по повышению надежности работы подземных скважин, обобщении результатов исследований, формулировании выводов и основных научных положений.
Апробация работы. Основные научные положения работы обсуждались на: конференции «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів», г. Донецк, 2010 г.; конференции «Екологічні проблеми паливно-енергетичного комплексу», г. Донецк, 2010 г.; V Международной научно-технической конференции «Геотехнологии XXI века», г. Донецк, 2010 г.; 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», г. Тула, 2010 г.; Международном форуме «MINING инновации в угледобывающей промышленности», г. Донецк, 2010 г.; Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Маркшейдерское обеспечение геотехнологий», г. Днепропетровск, 2010 г.; 2-й Международной научно-практической конференции «Оценка, добыча и использование нетрадиционных видов газа: привлечение инвестиций», г. Донецк, 2011 г.; Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный-2015», г. Красноярск, 2015 г.; 13-м Международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях», г. Белгород, 2015 г.; заседании ученого совета Северо-Кавказского горно-металлургического института, г. Владикавказ 2018 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 статей, из них 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, из них 1 статья в изданиях, индексируемых в базах Web of Science, 10 статей в других изданиях, а также получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 116 страниц основного текста, 52 рисунка, 17 таблиц и список использованных источников из 116 наименований.