пїњ

¬Ћ»яЌ»≈ ѕ–ќ÷≈——ќ¬ –ј«√–”« » » —ƒ¬»∆≈Ќ»… ¬ћ≈ўјёў»’ ѕќ–ќƒ Ќј ¬џƒ≈Ћ≈Ќ»≈ ћ≈“јЌј »« –ј«–јЅј“џ¬ј≈ћќ√ќ ѕЋј—“ј

-------------------------------- © √.я. ѕолсвщиков, ћ.¬. Ўинкевич,
≈.Ќ.  озырева, ќ.¬. Ѕрюзгина, 2008
”ƒ  622.121.54
√.я. ѕолевщиков, ћ.¬. Ўинкевич, ≈.Ќ.  озырева,
ќ.¬. Ѕрюзгина
¬Ћ»яЌ»≈ ѕ–ќ÷≈——ќ¬ –ј«√–”« » » —ƒ¬»∆≈Ќ»… ¬ћ≈ўјёў»’ ѕќ–ќƒ Ќј ¬џƒ≈Ћ≈Ќ»≈ ћ≈“јЌј »« –ј«–јЅј“џ¬ј≈ћќ√ќ ѕЋј—“ј *
—еминар є 4
»сследовани€ и разработка методов расчета выделени€ метана из разрабатываемого пласта и отбитого угл€ €вл€етс€ одной из основных задач рудничной аэрогазодинамики. ≈е решение непосредственно св€зано с изучением напр€женно-деформированного и газодинамического состо€ний призабойной части пласта. ќднако в общеприн€тых модел€х на всех стади€х геомеханиче-ского процесса степень участи€ газовой компоненты ограничена рассмотрением поведени€ свободного газа в деформирующейс€ среде. Ќо в последние дес€тилети€ получены новые знани€ о свойствах и состо€ни€х углеметанового пласта, как твердого углегазового раствора [1]. ќни указывают на более глубокое взаимодействие газа с твердой составл€ющей пласта при разгрузке от горного давлени€. ѕри этом фронт зоны изменений состо€ни€ пласта св€зан не только с его механическими, но и газокинетическими свойствами, адекватно измен€ющимис€ под вли€нием геомеханических процессов во вмещающем массиве.
ѕри современных тенденци€х роста длин лав и выемочных столбов ука-
занные особенности заставл€ют более полно рассмотреть геомеханические следстви€ отработки угольных пластов. ѕрежде всего, это относитс€ к оценке св€зи нагрузки на призабойную часть пласта с развитием зоны сдвижени€ подрабатываемого массива, т.к. натурными наблюдени€ми динамики метанообильности выемочных участков установлена [2] волнообраз-ность ее изменений по длине выемочного столба. Ётот газокинетический эффект указывает на существование более глубоких св€зей между процессами в массиве горных пород, нежели это предусматривают известные методы расчетов напр€женно-деформированного состо€ни€ призабойной части пласта. —ледствием этому €вл€ютс€ затруднени€ при проектировании и эксплуатации систем управлени€ газовыделением.
¬ представл€емых результатах исследований рассматриваютс€ процессы только в подрабатываемом массиве, поскольку преимущественно ими обусловлены значительные изменени€ напр€женно-деформированного и газодинамического состо€ний призабойной части пласта.   основной
У–абота выполнена с финансовой поддержкой по междисциплинарному интеграционному проекту —ќ –јЌ є 89.
ќ 120 240 360 480 600 720 840 960
ќтход лавы от монтажной камеры, м
–ис. 1. »зменени€ динамической составл€ющей фактической метанообильности выемочного участка и сдвижени€ подрабатываемого массива на Ўелканском месторождении  узбасса: 1 - разрабатываемый пласт; 2 - угленосна€ толща; 3 - пустые породы; 4 - значени€ динамической составл€ющей метанообильности выемочного участка; 5 - верхн€€ граница угленосной свиты; 6 - контуры сводов сдвижений
особенности этих процессов следует отнести их св€зь с развитием фронта разгрузки и сдвижений массива.
Ќеобходима€ информаци€ о процессах сдвижений может быть получена по фактическим данным метанообильности выемочного участка [2] (рис. 1). ƒостаточно прин€ть: "¬ массиве заложены пластины-индикаторы, однозначно реагирующие на снижение напр€жений - углеметановые пласты. ѕри напр€жений они выдел€ют газ, непрерывно контролируемый технологической системой мониторинга шахты".
ѕри выполнении натурных наблюдений вли€ни€ изменчивости свойств углегазоносного массива горных пород и скорости подвигани€ забо€ исключались путем оценки доли реализации распределенного по длине выемочного столба газового потенциала массива и приведени€ режима подви-гани€ забо€ к посто€нной скорости в 1 м/сут.
”становлено, что периоды полуволн газокинетического паттерна составл€ют сотни метров, многократно превыша€ максимально возможные размеры консолей основной кровли и, тем самым, указыва€ на св€зь параметров, а, следовательно, и состо€ний слоев пород с процессами развити€ зон сдвижений. ѕри этом, амплитуда и длина полуволн динамической составл€ющей метанообильности выемочного участка пропорциональны отношению разности отметок глубин залегани€ разрабатываемого пласта и верхней границы свиты к глубине залегани€ разрабатываемого пласта. ”читыва€ неизменность газокинетических свойств массива за пределами фронта разгрузки, можем заключить -горное давление на нижележащие слои определ€етс€ плотностью пород и разностью отметок контура свода и залеганием соответствующего сло€. Ёта особенность достаточно логично объ€сн€ет неравномерность шагов
обрушени€ основной кровли по длине выемочного столба и их зависимость от скорости подвигани€ очистного забо€. —корость развити€ фронта сдвижений, при посто€нной скорости подвигани€, св€зана с затухающими, с удалением от разрабатываемого пласта, особенност€ми геомеханического процесса.
—огласно данным о динамике ме-танообильности можем прин€ть, что геометри€ фронта сдвижений имеет вид полуволн, в пределах которых и выдел€ютс€ зоны беспор€дочного и крупноблочного обрушений с вышележащей зоной полных сдвижений и разгрузки (рис. 2). ѕри расчетах гео-механического состо€ни€ призабойной части разрабатываемого пласта величина горного давлени€ эквивалентна разности отметок между контуром свода полных сдвижений и глубиной разработки.
¬ пределах этого основного свода существуют вложенные гармоники [3], т.к. шаги обрушений основной и непосредственной кровли, периоды крупноблочных обрушений существенно различаютс€. Ётим гармоникам, согласно принципу суперпози-
–ис. 2. ѕринимаема€ схема разгрузки и сдвижений подрабатываемого массива горных пород
ции, соответствуют вложенные своды. ‘ормирование каждого следующего вышележащего свода про€вл€ет себ€ к моменту окончани€ отработки двух нижележащих - вложенных.
ƒл€ расчета контура свода сдвижений примен€ем одно из выражений дл€ нахождени€ параболы, параметрами которой €вл€ютс€: »! -высота свода, м; № - прот€женность свода сдвижений, м; 0 < 1 < № - текуща€ координата, м; у - угол полных сдвижений, град.
(
4Hl
h =
i - L
L,
\
Li
m;
Lj= 2 Hj ctg у, m.
ѕредварительно определ€ютс€ параметры распростран€ющегос€ до поверхности внешнего свода сдвижений из услови€ Hj = Hp, где Hp - глубина разработки углеметанового пласта. ѕоследующие, вложенные своды сдвижений наход€тс€ путем делении параметров внешнего свода на 2j, где 1 < j < imax - степень вложенности сводов сдвижений. «начение jmax соответствует условию Lj ~ Li, где Li -устойчивый пролет основной кровли.
— приведенными уточнени€ми общеприн€тых геомеханических моделей регистраци€ весьма значительных подн€тий кровли впереди очистного забо€ [4] приобретает большее физическое понимание, поскольку их количественные значени€ обусловлены
предварительной разгрузкой части массива в пределах опережающего лаву свода. »ными словами, консоль восстанавливает напр€жени€ в вышележащих сло€х с их частичной деформацией с обратным знаком. ƒл€ удобства дальнейшего изложени€ введем термин - зона опережающей разгрузки. «а пределами этой зоны газокинетические свойства углеметанового пласта остаютс€ равными природным, если рассматриваема€ площадь выемочного столба находитс€ вне вли€ни€ горных работ на смежных пластах. Ќо в ее пределах механическое давление на пласт становитс€ меньше литологического с соответствующими газокинетическими следстви€ми.
ѕри решении задачи расчета кинетики метановыделени€ из разрабатываемого пласта использовалась выдвинута€ в 80-х годах ј.“. јйруни и ».®. Ёттингером [1, 5] и получивша€ экспериментальные подтверждени€ в 90-х гипотеза: углегазова€ среда находитс€ в состо€нии твердого углегазового раствора (“”√–). —нижение напр€жений приводит к по€влению в системе новой фазы - свободного метана, а "нулева€" газопроницаемость пласта есть следствие перекрыти€ каналов фильтрации агрегатами “”√–.
»х необратимый распад в результате разгрузки обеспечивает как ус
–ис. 3. »зменение фазовых состо€ний метана в пласте при его метаноносности 25 м3/т в горнотехнологических услови€х, формирующих рассто€ние до максимума нормальныгх напр€жений 2 м
тойчивый рост газопроницаемости, так и газоистоще-ние пласта под действием градиента давлени€ свободной газовой фазы к забою. ¬есьма интересной особенностью “”√– €вл€етс€ возможность формировать в процессе распада объем газа, превышающий способность угл€, как сорбента, к его поглощению даже при максимально возможном давле-нии свободной фазы, равном гидростатическому. — учетом этого качества установлены изменени€ структуры фазовых состо€ний метана в углеметановых пластах в зонах их техногенной разгрузки от горного давлени€ (рис. 3).
ѕолученный результат стал основой дл€ расчетов динамики метано-выделени€ из разрабатываемого пласта и отбитого угл€, €вл€ющейс€ наиболее значимым параметром газокинетического паттерна массива газоносных горных пород. ќн количественно определ€ет известные в горной практике эффекты повышени€ производительности дегазационных пластовых скважин при приближении к ним очистного забо€, а также услови€ перетока метана из расположенной за зоной повышенных напр€жений и, соответственно, пониженной проницаемости, части пласта в выработанное пространство через вмещающие породы.
»нтеграци€ методов механики горных пород и рудничной газодинамики уточн€ет периодические изменени€, при отработке длинного вы-
–ис. 4. –езультаты расчетов вторичных шагов обрушени€ L2 основной кровли, рассто€ни€ от плоскости забо€ до максимума напр€жений ’м и поступлени€ в призабойный объем метана Q в процессе отработки выемочного столба прот€жен-
ностью Lв
при скорости
емочного столба, вторичных шагов обрушени€ основной кровли, давлени€ на крепь, фазовых состо€ний метана и газокинетических процессов в углеметановом пласте (рис. 4).
ѕрактическа€ значимость приведенных уточнений динамики метано-обильности очистного забо€ становитс€ очевидной, если учесть, что современные технологии обеспечивают производительность выемки угл€ в дес€тки тонн в минуту. ќбусловленные этим притоки метана из разрабаты-
подвигани€ забо€ 1 м/сут
ваемого пласта и отбитого угл€ приобретают значени€, выход€щие за пределы возможностей системы управлени€ газовыделени-ем, снижа€ эффективность горных работ. ѕоскольку неотъемлемым ее элементом €вл€етс€ газова€ безопасность шахт, то изложенные результаты повышени€ надежности прогноза метанообильности можно рассматривать как одно из возможных решений принципиально важной задачи рудничной аэрогазоди-наимки.
1. –аспад твердых углегазовых растворов / јлексеев ј. ƒ., јйруни ј.“., «верев ».¬. и др. // ‘изико-технические горные проблемы. 1994, є3, -с. 65-75.
2. √азокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / ѕолевщи-ков √.я.,  озырева ≈.Ќ. // √орный информационно-аналитический бюллетень. 2002. є 11. —. 117-120.
3. «айденварг ¬.≈. √еомеханическое обоснование и реализаци€ направлений по-
-------------- —ѕ»—ќ  Ћ»“≈–ј“”–џ
вышени€ эффективности ведени€ подземных горных работ: ƒис... д-ра техн. наук: -ћ. 1994- 33 с.
4.  анлыбаева ∆. ћ. «акономерности сдвижени€ горных пород в массиве. »зд-во "Ќаука", 1968 - 108 с.
5. –астворы метана в угольных пластах / Ёттингер ».®. // ’ими€ твердого топлива. 1984. є4. —. 28-35. 1333
Ч  оротко об авторах
ѕолевщиков √.я. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, Ўинкевич ћ.¬. - ведущий программист,
 озырева ≈.Ќ. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Ѕрюзгина ќ.¬. - ведущий инженер,
лаборатори€ газодинамики угольных месторождений, »”” —ќ –јЌ.
ƒоклад рекомендован к опубликованию семинаром є 4 симпозиума ЂЌедел€ горн€ка-2007ї. –ецензент д-р техн. наук, проф. —.ј. √ончаров.

пїњ