Введение к работе
Актуальность темы исследования. Наблюдаемый в начале XXI века интерес к проблемам тепловой энергетики обусловлен повышением спроса на углеводородные энергоресурсы, которые по-прежнему будут доминировать в производстве энергии. В 2020 г. повысится объем мировой добычи угля до 8,8 млрд. т, при этом объем добычи угля в России достигнет 500 млн.т в год.
Важнейшей задачей является обеспечение высокой безопасности труда шахтеров при подземной разработке угольных пластов. В то же время углубление горных работ неуклонно сопровождается увеличением притоков метана в подземные выработки, что повышает вероятность опасных горно-геологических явлений: выбросов угля и газа, взрывов метана. В данном случае в противоречие вступают два фактора: с одной стороны, стремление повысить производительность добычи угля с целью снижения его себестоимости, а с другой – необходимость ограничить темпы добычных работ по критериюдопустимой загазованности очистных забоев.
В последние 20 лет рыночные механизмы стимулируют привлечение в российскую угольную отрасль современных высокопроизводительных очистных комбайнов мирового уровня, способных по техническим характеристикам обеспечить выемку угля с производительностью более 10 тыс. т/сут. Однако их широкое внедрение на российских шахтах сдерживается отсутствием современной нормативной базы и надежных научно обоснованных рекомендаций, позволяющих вести добычные работы с такими высокими нагрузками на очистной забой.
Несмотря на большой объем выполненных ранее исследований, проблема безопасной разработки угольных пластов, особенно при высоких нагрузках на очистной забой, еще далека от окончательного решения. Поэтому поставленная в диссертационной работе задача управления газодинамическим состоянием массива горных пород для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки газоносных угольных пластов является весьма актуальной.
Цель работы – установление зависимостей массопереноса метана в углепородном массиве и выработанном пространствеот газодинамических и геомеханических характеристик массива для управления состоянием массива, обеспечивающегобезопасную ресурсосберегающую подземную разработку газоносных угольных пластов.
Основная идея работы заключается в использовании фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований массопереноса метана в улепородном массиве и выработанном пространстведля обоснования условий безопасной высокопроизводительной разработки газоносных угольных пластов.
Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
Зависимости притоков метана в выработанное пространство учитывают базовые свойства углепородногомассива, включая проницаемость, сорбцию, пластовое давление метана и геомеханическое состояние горных пород.
Расчетные зависимости для решения совместной геомеханической и фильтрационной задач массопереноса метана из углепородного массива в выработанное пространство описывают функциональную связь проницаемости углепородного массива с величиной среднего нормального напряжения, что позволяет учитывать изменение проницаемости на участках концентрации напряжений и запредельного деформирования.
Гидравлический разрыв пород труднообрушаемой кровли, осуществляемый из штреков через восстающие скважинысо стартовыми щелями,обеспечивает равномерную посадку кровли в выработанное пространство, что способствуетснижению утечек воздуха в выработанное пространство, а также устраняет пучение почвы в выработках смежного выемочного столба.
Комплексный методологический подход к определению концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе базируется на решенияхуравнения массопереноса в углепородном массиве с учетом егофизических свойств, натурных измерений, технологических параметров системы разработки и режима работы очистного забоя.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- использованием в аналитических описанияхуглепородного массивафундаментальных законов массопереносаметана игеомеханики, современных средств компьютерного моделирования, согласующихся с результатами производственной практики;
- удовлетворительным совпадением теоретических зависимостей массопереноса метана в угольном пласте, вмещающих породах с данными натурных экспериментов и производственной практики.
Научное значение работы. Установлен механизм массопереноса метана в угольных пластах, вмещающих породах, выработанном пространстве очистного забоя и разработана методика определения притока метана в исходящую из лавы струю для разработки технологических рекомендаций для безопасной ресурсосберегающей подземной разработки угольных пластов.
Практическое значение работы. Усовершенствована методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, учитывающаяпритоки метана в исходящую струю из углепородного массива ивыработанного пространства с учетом режима работы очистного забоя и технологических параметров системы разработки.
Разработаны технологические части проектов на заблаговременную дегазационную подготовку пласта 52 лав 5208 и 5209 на поле шахты «Котинская» и лав 2460 и 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», включающие стадию работ по дегазации выработанных пространств с поверхности.
Разработаны рекомендации по снижению утечек вентиляционного потокапри проветривании лавы, а также по устранению пучения почвы в выработках смежного выемочного столба за счет целенаправленной посадки труднообрушаемой кровли методом гидравлического разрыва вмещающих пород с использованием скважин со стартовыми щелями.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные рекомендации по обоснованию предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору с использованием методики расчета притоков метана в исходящую струю из выработанного пространства приняты к использованиюна шахтах ОАО«СУЭК-Кузбасс».
Проекты на двухстадийную заблаговременную дегазацию угольных пластов, предусматривающую извлечение метана из выработанных пространств на шахтах «Котинская» и им. Кирова, приняты к реализации в 2012 году.
Разработанные рекомендации по параметрам гидравлической посадки труднообрушаемой кровли реализованы на шахте им. Кирова (ОАО «СУЭК-Кузбасс»).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2010 – 2012гг.), на технических советах ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2009-2011 гг.), научных семинарах и совместном заседании кафедр «Инженерная защита окружающей среды» и «Аэрология и охрана труда» (2010-1012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 11- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,5 глав, , заключения, списка использованной литературы из 127 наименований, 2 приложений, содержит 52 рисунка и 7 таблиц.
