Введение к работе
Актуальность работы. Одним из факторов, снижающих эффективность внедрения прогрессивных технологий подземной угледобычи, является высокая аварийность забоев с дорогостоящим высокопроизводительным горношахтным оборудованием из-за загазирований горных выработок. На шахтах Кузбасса в 1994 г. произошло 1054 , в 1995 г. -803, о 1996 г. -647 , в 1997 Г.-470 случаев загазирований при средней продолжительности каждого 5 часов. Хотя абсолютное число загазирований уменьшилось, однако количество травмированных людей при вспышках и взрывах метана возросло в 1997 г. в 2.7 раза по сравнению с 1995г. и достигло в среднем 45 случаев в год, в том числе 26 смертельных.
Одной из причин появления зон повышенного газовыделения является недостаточная изученность влияния геомеханических процессов на газопроницаемость и метановыделение углепородной. толщи при интенсивной отработке угольных пластов. Существующие методики и нормативные документы разработаны, в основном, на базе теоретических исследований и экспериментов, проведенных на выемочных участках, отрабатываемых с нагрузкой на очистной забой до 1000 т в сутки. Для обеспечения безопасной и стабильной работы очистных забоев с суточной нагрузкой более 5000 т необходимо совершенствование существующей системы управления метановыделением на основе новых методов прогноза и способов профилактики загазирований горных выработок.
Увеличение скорости подвигания очистных забоев приводит к периодической активизации геомеханических процессов в виде обрушений пород кровли, разломов и пучений пород почвы, что является причиной изменения газопроницаемости угольного пласта и боковых пород и интенсификации процессов метановыделения. Комплексные исследования взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при отработке выемочных участков с нагрузкой более 80-100 тыс. т/мес. проводились в ограниченном объеме и не обобщены в виде методик и нормативных документов.
Поэтому обоснование пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных участков, с учетом периодической активизации и взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при интенсивной отработке угольных пластов, является актуальной научной задачей. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.
Работа выполнена по результатам плановых НИР Сибирского государственного индустриального университета в 1993-1997 гг. по программе «Недра Кузбасса» и ФЦП " Интеграция".
Цель работы - обеспечение безаварийной интенсивной отработки выемочных участков угольных шахт посредством использования разработанного метола прогноза зон интенсивного метановыделения и их параметров.
Идея работы заключается в использовании закономерностей взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при периодической активизации сдвижений пород кровли и почвы газоносных угольных пластов, отрабатываемых по интенсивной технологии.
Задачи исследований:
провести анализ причин и установить статистические параметры за-газирований горных выработок шахт Кузбасса;
выявить и ранжировать основные геомеханические и технологические процессы, влияющие на загазирование горных выработок;
установить периодичность и интенсивность вероятных загазирований горных выработок по длине выемочного участка;.
исследовать влияние способов и схем проветривания выемочных участков на эффективность отработки газоносных угольных пластов;
установить закономерности синхронизации и количественную связь параметров периодического разрушения пород кровли и почвы с дебитом и концентрацией метана в выработках выемочного участка;
разработать метод прогноза зон повышенного газовыделения в горные выработки и их параметров с использованием системы геомеханического мониторинга;
обосновать пространственно-планировочные и технологические параметры выемочных участков и полей с учетом взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при отработке газоносных угольных пластов по интенсивным технологиям.
Методы исследований: статистический анализ для установления причин и параметров загазирований горных выработок;
метод главных компонент для определения уровня значимости и ранжирования геомеханических и технологических процессов, влияющих на загазирования горных выработок;
шахтные исследования физических и технологических процессов для установления закономерностей метановыделения по длине выемочного участка при различных схемах и способах его проветривания;
физическое моделирование с использованием эквивалентных материалов для установления закономерностей периодического разрушения пород кровли и почвы;
жспериментально-аналитический метод для прогноза параметров зон вероятного загазирования на основе результатов оперативных шахтных измерений и математического моделирования;
системный подход,для обоснования пространственно-мланировочных и технологических параметров выемочных участков при інаимолействни геомеханических, газодинамических и технологических процессов.
Научные положения, выносимые на защиту
распределение вероятности загазированйй горных выработок подчиняется логарифмически - нормальному закону с максимумом плотности распределения концентрации метана в интервале 2-3%, а продолжительность загазированйй - нормальному закону распределения;
вероятность загазированйй горных выработок зависит от комплекса геомеханических и технологических процессов, которые ранжируются следующим образом: остановка вентилятора, обрушение пород кровли и пучение пород почвы, выемка пласта в зоне геологических нарушений, реверсирование вентиляционной струи;
процесс метановыделения в горные выработки имеет периодический характер, положение максимумов которой отстает по времени от обрушений пород основной кровли; между двумя соседними максимумами периодической функции концентрация метана изменяется стохастически в виде случайной реализации; интенсивность метановыделения в выемочном участке максимальная при первичном обрушении пород основной кровли и постепенно снижается при последующих обрушениях в виде реализаций волновых случайных функций;
одним из критериев эффективности отработки газоносных угольных пластов при комбинированной схеме проветривания выемочных участков является равенство или превалирование объема метановоздушной смеси, выдаваемой газоотсасывающими установками, по отношению к объему отработанного воздуха, выдаваемого за счет общешахтной депрессии;
положение зон периодического разрушения пород кровли и почвы синхронно с участками всплесков дебита и концентрации метана; расстояние между линией очистного забоя и участками всплесков обратно пропорционально зависит от градиента отношения фактической и начальной площадей поперечного сечения выемочной выработки на сопряжении с лавой;
повышение надежности прогноза параметров зон вероятного загазирования горных выработок обеспечивается геомониторингом, который включает систему автоматизированного измерения параметров метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработки на сопряжении с лавой, алгоритм, компьютерное программное обеспечение и технические средства передачи и обработки информации;
стабилизация газовой обстановки в зонах вероятного загазирования достигается системным регулированием пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных полей и участков путем изменения технологии выемки угля, схем и способов проветривания, газоотсоса її дегазации.
Достоверность и обосношшность научных положений II выводов обеспечивается и подтверждается:
использованием классических методов статистического и корреляционного анализа 385 загазирований очистных забоев на шахтах Кузбасса;
ежесуточными измерениями параметров метановыделения и деформирования выемочных выработок на пласте 26а шахты "Абашевская " при отработке выемочных участков 26-28 и 26-30 (более 2000 наблюдений), а также измерениями концентрации метана во время загазирований на шахтах "Распадская", "Чертинская", "Западная", "Новая";
соответствием основных закономерностей взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов физическим законам сохранения энергии и гравитации и качественным представлениям теории и практики управления горными работами при выемке газоносных пластов в зонах повышенного горного давления;
- положительными результатами опытно-промышленной эксплуатации и внедрения разработок на шахтах " Абашевская" (выемочные участки 26-28,26-30,26-32), " Аларда" (выемочный участок 6-1-9), "Распадская" ( выемочные участки 4-9-9,3-10-9)," Зыряновская" (выемочный участок 16-04), "Первомайская" (выемочный участок 726), "Чертинская" (выемочный участок 542) в Кузбассе.
Научная новизна работы состоит:
в подтверждении гипотезы скачкообразного изменения упругой потенциальной энергии, удовлетворительно описывающей причины загазирований горных выработок периодическими изменениями фильтрационных свойств и напряженно-деформированного состояния массива горных пород в зоне влияния очистных работ;
в ранжировании геомеханических и технологических процессов, влияющих на интенсивность, продолжительность и место возникновения загазирований;
в определении периода и амплитуды периодической функции выделения метана в горные выработки по длине выемочного участка;
в обосновании критерия эффективности технологии отработки газоносных пластов при комбинированной схеме газоуправления и проветривания выемочных участков в виде предельного отношения объемов метановоз-душной смеси и отработанного воздуха;
в установлении синхронности периодических разрушении пород кроил» и почвы с процессами интенсивного метановыделения в трные вырабочкн выемочного участка;
в выявлении обратно пропорциональной корреляционной зависимое!и координат зоны вероятного загазирования от градиента отношения фактической и начальной площадей поперечного сечения прилегающей к очистному забою выемочной выработки;
в разработке метода прогноза параметров волнового процесса метановыделения с настройкой входных параметров математической модели по результатам геомеханического мониторинга в выемочном столбе, отрабатываемом по интенсивной технологии;
в разработке системы оперативного управления газовыми режимами путем изменения пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных полей и участков, технологии выемки угля, схем и способов проветривания, газоотсоса, дегазации.
Личный вклад автора состоит в разработке методик и проведении шахтных и лабораторных измерений, статистической обработке результатов исследований, обосновании геомеханических, газодинамических и технологических параметров выемочных участков и включает:
сбор, статистическую обработку и установление причин и параметров функции распределения загазирований горных выработок на шахтах Кузбасса;
определение рангов геомеханических и технологических процессов, влияющих на параметры загазирований горных выработок;
установление на основе шахтных измерений периодичности изменения концентраций метана и деформаций выемочных выработок по длине выемочного участка;
обоснование численного значения критерия эффективности технологии отработки газоносных пластов при комбинированной схеме проветривания выемочных участков по предельному отношению объемов метановоздуш-ной смеси.выдаваемой с помощью газоотсасывающих установок, и отработанного воздуха, выдаваемого за счет обшешахтной депрессии;
синтез результатов измерений концентраций метана и деформаций выемочных выработок, и определение эмпирической зависимости координат зоны с повышенной концентрацией метана от градиента смещений контура выемочной выработки на сопряжении с движущимся очистным забоем;
разработку системы мониторинга, включающего систему автоматизированного измерения параметров метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработки на сопряжении с лавой, алгоритм, компьютерное программное обеспечение и технические средства передачи и обработки информации;
разработку системы оперативного управления метановыделением в выемочном участке путем изменения схем и способов проветривания, газоотсоса, дегазации и технологии выемки угля.
Практическая ценность работы заключается и том, что полученные результаты позволяют:
устанавливать причины и прогнозировать параметры зоны повышенного метановыделения при проектировании и отработке выемочных участков угольных шахт;
прогнозировать вероятные последствия изменения пространственно-планировочных и технологических параметров выемочного участка на параметры повышенного метановыделения;
корректировать по результатам мониторинга проектные пространст-иенно-планировочные и технологические параметры путем оперативного изменения технологических режимов очистных работ, схем и способов проветривания и дегазации выработанного пространства для профилактики загазирований горных выработок;
повысить безопасность горных работ за счет предупреждения и снижения опасности возникновения чрезвычайных ситуаций.
Реализация работы. Результаты работы в виде рекомендаций, заключений и лекционного материала использованы на шахтах Кузбасса: "Абашевская", "Аларда", "Зыряновская", "Распадская", "Первомайская", "Чертинская "ив учебном процессе СибГИУ (г. Новокузнецк).
Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на III Международной научно-практической конференции (Новокузнецк, 1996), Международной научно-практической конференции СИБРЕСУРС-97 (Кемерово, 1997), I и П Международных конференциях "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1996, 1997), Совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора РФ (Кемерово,1996-1997гг.), технических советах АОУК "Кузнецкуголь" шахт "Абашевская", "Распадская" (Новокузнецк, Междуреченск, 1996-1997 гг.), семинаре кафедры разработки пластовых месторождений СибГИУ (Новокузнецк, 1997).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 176 стр. машинописного текста, в том числе 61 рис.,8 табл., список литературы из 78 наименований.
