Динамика газовыделений в очистных забоях

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-2-144-52-55

В.Н. Костеренко, канд. физ. мат. наук, начальник управления противоаварийной устойчивости предприятий АО «СУЭК»

Р.О. Смирнов, главный технолог по динамическим явлениям АО «СУЭК»

З.В. Аксенов, сотрудник по договору

В настоящей статье приведен анализ экспериментальных сведений о связи газовыделения в очистном забое с динамикой напряженно-деформированного состояния призабойной части массива горных пород. Отражены положительные результаты, полученные на основе контроля состояния массива горных пород и установления связи его параметров с газовыделением, сопутствующим выемке угля.

Выемка угля в очистном забое приводит к перераспределению напряжения в призабойной части массива горных пород, которое обусловливает неравномерное выделение метана, возникновение локального загазирования и отключение электроэнергии, осуществляемое системой аэрогазовой защиты (АГЗ). Результатом этого становится нарушение непрерывности технологического процесса, снижение темпов добычи угля и ухудшение экономических показателей предприятия. В связи с этим очевидна актуальность проведения прогноза газовыделений, позволяющего осуществлять планирование темпов ведения горных работ и принимать дополнительные меры для дегазации угля.

Контроль массива горных пород выполнялся по параметрам искусственного акустического сигнала [1, 2]: коэффициенту относительных напряжений Kи резонансным частотам спектра. Коэффициент K отражает динамику относительных напряжений призабойного массива и вычисляется по формуле:

Коэффициент K отражает динамику относи- тельных напряжений призабойного массива и вычисляется по формуле

где Ан – низкочастотная составляющая спектра акустических сигналов; Aв – высокочастотная составляющая спектра акустических сигналов.

Оценка развития межслоевых деформаций проводилась по резонансным частотам спектров акустических сигналов. Межслоевые деформации приводят к ослаблению контактов (ОМК), которые при возбуждении массива обусловливают возникновение в слоях собственных (резонансных) колебаний [2]. Существует функциональная зависимость между резонансной частотой и мощностью резонирующего слоя [3]:

Существует функциональная зависимость между ре- зонансной частотой и мощностью резонирующего слоя

где V– фазовая скорость поперечных волн; h – мощность резонирующей толщи пород.

Скорость V определена эмпирически и составляет 2500 м/с. Амплитуда резонансных частот зависит в основном от степени ослабления контакта.

Коэффициент относительных напряжений K и спектры акустических сигналов получены по результатам работы системы акустического контроля массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ). Система осуществляет регистрацию и обработку искусственных акустических сигналов, возникающих при воздействии комбайна на очистной забой в каждом цикле выемки угля [1].

Концентрация метана определена по показаниям датчиков системы АГЗ, которые расположены на выходе вентиляционной струи из очистного забоя. В качестве значений концентрации метана принимались максимальные, которые были зафиксированы в процессе работы комбайна по выемке угля. В лаве 52–12 дополнительно выполнен анализ показания датчика, установленного в верхнем кутке.

Исследования проводились в процессе ведения очистных работ в лавах 24–58, 24–59 (угольный пласт «Болдыревский»), в лаве 25–96 (угольный пласт «Поленовский») шахты «Им. С.М. Кирова», а также в лаве 52–12 шахты «Им. В.Д. Ялевского» АО «СУЭК-Кузбасс».

Мощность угольного пласта «Болдыревский» 2,05–2,9 м, природная газоносность 22–25 м3/т с.б.м. (сухой беззольной массы) Непосредственная кровля – алевролиты, песчаники и аргиллиты прочностью 50–60 МПа. Основная кровля – песчаники мощностью до 20 м и прочностью 70 МПа. Почва пласта сложена алевролитами. Глубина ведения горных работ достигает 560 м.

Угольный пласт «Поленовский» расположен на 45–48 м ниже пласта «Болдыревский», который служит для него защитным. Мощность пласта 1,72–1,8 м, природная газоносность 20–21 м3/т с.б.м. Непосредственная кровля – аргиллиты и алевролиты мощностью 1,5–8 м и прочностью 30–40 МПа, основная кровля – песчаники прочностью 80–100 МПа и мощностью 20 м. Непосредственная почва пласта сложена аргиллитом прочностью 30–40 МПа. Глубина ведения горных работ до 520 м.

Мощность угольного пласта «52» от 4,0 до 4,7 м, его природная газоносность увеличивается с глубиной до 10м3/т с.б.м. Непосредственная кровля – мелкозернистые алевролиты мощностью 3–17 м, коэффициент крепости f = 2–3, основная кровля – переслаивание алевролита и песчаника мощностью до 25 м, коэффициент крепости f = 3–4. Глубина ведения горных работ до 420 м.

Объекты исследований характеризуются различными горногеологическими условиями:

  • Пласт «Болдыревский» – отработка одиночного угольного пласта мощностью около 2 м.
  • Пласт «Поленовский» – отработка защищенного надработкой угольного пласта.
  • Пласт «52» – отработка одиночного угольного пласта мощностью около 4 м.

Рис. 1 Значения коэффициента напряжений K (№1) и концентрации метана (№2) в районе конвейерной печи 24-58 за 03.12.2016 г.

Рис. 1 Значения коэффициента напряжений K (№1) и концентрации метана (№2) в районе конвейерной печи 24-58 за 03.12.2016 г.

На рис. 1 значения коэффициента относительных напряжений K и концентрации CH4 в районе конвейерной печи 24–68.

Диапазон изменения коэффициента напряжений 0,8–3,0 ед., а концентрации метана 0,28–0,82% (изменения соответственно в 3,75 и 2,9 раза). Как правило, повышению значений Kсоответствует уменьшение концентрации метана. Перед геологическим нарушением зафиксированы максимальные напряжения и понижение до минимума концентрации метана, в зоне нарушения – минимальные значения K и увеличение концентрации метана.

а) Линейные спектры акустического сигнала за пределами зоны геологического нарушения (за 02.12.2016 г.),

а) Линейные спектры акустического сигнала за пределами зоны геологического нарушения (за 02.12.2016 г.),

б)  Линейные спектры акустического сигнала при подходе к зоне

а) Линейные спектры акустического сигнала за пределами зоны геологического нарушения (за 02.12.2016 г.),  б)  Линейные спектры акустического сигнала при подходе к зоне

Рис. 2 Линейные спектры акустического сигнала

На рис. 2 спектры акустических сигналов перед входом в зону влияния геологического нарушения и в ее пределах.

Уменьшение напряжений свидетельствует о развитии межслоевых деформаций на значительном удалении от угольного пласта и смещении опорного давления по ходу движения забоя [2].

При этом происходит относительная разгрузка части угольного пласта для его более активной дегазации. На спектре акустических сигналов резонансные частоты с наиболее интенсивными амплитудами расположены в интервале 60–160 Гц, что соответствует расстоянию от угольного пласта до ОМК 42 м и 15,6 м. По мере увеличения напряжений межслоевые деформации развиваются вблизи угольного пласта, резонансные частоты смещаются в область 200–260 Гц (12,5–9,8 м), максимум опорного давления приближается к забою, и происходит частичное «защемление» угольного пласта и снижение газовыделения. При практическом использовании (здесь и далее) расчетов дальности положения активных межслоевых деформаций по формуле (2) следует учитывать дискретность значений резонансных частот. В используемом линейном спектре акустического сигнала шаг дискретизации 20 Гц. Поскольку значения ряда резонансных частот могут составлять 40, 60, 80, 100, 120 Гц, то соответствующие им дискретные расстояния до ослабленных контактов будут равны 62,5, 41,7, 31,2, 25, 20,8 м и т.д. В реальных условиях, естественно, положение контактов не подчиняется указанной дискретности, поэтому приведенные результаты анализа спектров акустических сигналов и вычисленные по ним положения ослабленных контактов следует понимать как интервал от и до метров, в котором может располагаться активный ослабленный контакт.

Данная закономерность прослеживается на участках перераспределения напряжений, обусловленных, например, посадкой пород кровли угольного пласта и или иными горно-геологическими условиями.

Рис. 3 Значения коэффициента напряжений К (№1) и концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе (№2) в период посадки кровли в лаве 25-96

Рис. 3 Значения коэффициента напряжений К (№1) и концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе (№2) в период посадки кровли в лаве 25-96

На рис. 3 распределение напряжений и изменение концентрации метана перед одной из посадок пород кровли в лаве 25–96.

Начальная стадия посадки пород кровли характеризуется развитием межслоевых деформаций на большом удалении от угольного пласта, что приводит к смещению максимума опорного давления от забоя вглубь массива и относительной разгрузке его призабойной части. В процессе выемки угля происходит увеличение газовыделения. Затем, за счет прогибания толщи пород, увеличиваются напряжения в призабойной части массива, развиваются межслоевые деформации вблизи угольного пласта, происходит частичное его «защемление» и снижение газовыделения при выемке угля.

Рис. 4 Линейные спектры акустических сигналов в зоне посадки пород кровли: а – перед максимальным напряжением; б – на участке максимального напряжения; в – на участке обрушения пород Рис. 4 Линейные спектры акустических сигналов в зоне посадки пород кровли: а – перед максимальным напряжением; б – на участке максимального напряжения; в – на участке обрушения пород Рис. 4 Линейные спектры акустических сигналов в зоне посадки пород кровли: а – перед максимальным напряжением; б – на участке максимального напряжения; в – на участке обрушения пород

 Рис. 4 Линейные спектры акустических сигналов в зоне посадки пород кровли:
а – перед максимальным напряжением; б – на участке максимального напряжения; в – на участке обрушения пород

Динамика межслоевых деформаций в спектрах акустических сигналов отражена на рис. 4. В начальной стадии процесса резонансные частоты, по мере уменьшения их амплитуды, образуют ряд: 40, 100, 160 Гц, что соответствует расположению ослабленных контактов за счет межслоевых деформаций на расстоянии 62,5, 25 и 15,6 м от угольного пласта [2]. На участке максимальных напряжений резонансные частоты, по мере уменьшения их амплитуды, образуют ряд: 160, 200, 240, 40 и 320 Гц и новые контакты с развитыми межслоевыми деформациями на расстоянии 12,5, 10,4 и 7,8 м. За пределами максимума напряжений в основном повторяется ряд резонансных частот, полученных до максимальных напряжений, но с преобладанием самой низкой частоты 40 Гц. Слои горных пород частично обрушаются, в других закладываются нормальные относительно напластования трещины. Все это способствует повышению концентрации метана в исходящей из лавы струе воздуха, накопленного в трещинах угольного пласта и вмещающих пород в период его «защемления».

Для определения связи между коэффициентом напряжений и концентрацией метана в исходящей из лавы вентиляционной струе при работе комбайна по выемке угля на участках пересечения геологических нарушений, посадки пород кровли и пересечения с горными выработками построены корреляционные облака параметров. Для каждого объекта вычислены корреляционные отношения, уравнения регрессии и определен коэффициент детерминации.

Рис. 5 Корреляционное облако, линейная и экспоненциальная зависимости концентрации метана и коэффициента относительных напряжений по объектам лавы 24-59 в начале ее работы (а) и лавы 25-96 (б)

Рис. 5 Корреляционное облако, линейная и экспоненциальная зависимости концентрации метана и коэффициента относительных напряжений по объектам лавы 24-59 в начале ее работы (а) и лавы 25-96 (б)

Рис. 5 Корреляционное облако, линейная и экспоненциальная зависимости концентрации метана и коэффициента относительных напряжений по объектам лавы 24-59 в начале ее работы (а) и лавы 25-96 (б)

На рис. 5 результаты определения зависимости концентрации метана от величины коэффициента напряжений по объектам лав 24–59 и 25–96.

По данным лавы 24–59 при линейной зависимости коэффициент корреляции rxy 0,73 (при n = 64). Уравнение регрессии: CH4 = 0,82 – 0,189 K.

Коэффициент детерминации R2 0,54. Экспоненциальное уравнение регрессии: CH4 = 0,88 e(–0,344K).

По данным лавы 25–96 коэффициент корреляции rxy 0,54 (при n = 90). Уравнение регрессии: CH4 = 0,69 – 0,186 K. Коэффициент детерминации R2 0,395. Экспоненциальное уравнение регрессии: CH4 = 0,733 e(–0,386K).

Высокие значения концентрации метана, отличные от приведенных линейных зависимостей, как правило, приводят к загазированию забоя, а их накопление, вероятно, близко к экспоненте.

Табл. 1 Зависимость концентрации метана в исходящей из лавы струе воздуха от напряженного состояния призабойной части массива

В табл. 1 результаты определения параметров уравнения регрессии, корреляционного отношения и коэффициента детерминации R2. Данные датчика, установленного в кутке лавы 52–12, резко отличаются от датчиков, установленных на исходящей струе, поэтому коэффициенты в уравнении регрессии не учитывались при определении средних их значений. В табл. 1 сведения о природной газоносности угольных пластов, показатели среднесуточной добычи угля в лавах за период выполненных исследований, а также расчетная концентрация метана при условии отсутствия аномальных напряжений. Данные таблицы подтверждают устойчивость связи газовыделения с напряженным состоянием массива горных пород в призабойной части для различных угольных пластов.

Различия (16%) в двух лавах пласта «Болдыревский» объясняются тем, что лава 24–58 находилась на стадии завершения работ, а лава 24–59 на начальном этапе работ. Лава 25–59 отрабатывалась в условиях полной защиты, но подрабатывала ленточную зону ПГД.

Табл. 2 Отношения экстремальных значений коэффициента К и концентрации метана в исходящей из лавы струе

В табл. 2 средние значения отношений экстремальных значений коэффициента относительных напряжений и концентрации метана при установлении связи этих параметров в зонах посадки пород кровли. Данные таблицы также свидетельствуют о стабильности установленных связей (максимальные расхождения для различных объектов не превышает 16%). Установление таких взаимосвязей позволит повысить надежность прогнозирования газодинамических явлений. В качестве примера представлен анализ результатов работы 2Lй западной лавы уклонного поля центральной панели (УПЦП) на шахте «Им А.А. Скочинского» в Донбассе. Лава отрабатывает особо выбросоопасный угольный пласт hґ6 «Смоляниновский» мощностью 1,50–1,80 м, которая в зонах геологических нарушений достигает 2,5 м. Залегание пласта моноклинальное под углами 13–14°, природная газоносность пласта 22 м3/т с.б.м. Углевмещающие породы представлены песчаниками.

Значения концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе фиксировались датчиками АГЗ, накапливались и обрабатывались комплексной аэрогазовой информационной системой (далее – система КАГИ). Система позволяет в табличном или графическом виде представить накопленные значения концентрации метана в различных временных интервалах с элементами математической обработки. На рис. 6 динамика концентрации метана в исходящей из лавы вентиляционной струе перед выбросами угля и газа, которые произошли 08.06.2009 г. при ведении взрывных работ в нижней нише 2-й западной лавы УПЦП и 06.06.2010 г. в данной лаве при работе комбайна.

Рис. 6. Концентрация метана в исходящей вентиляционной струе 2й западной лавы перед выбросом угля и газа: а) 08.06.2010г., б) 06.06.2010г. (по Ю. А. Иванову)

Рис. 6. Концентрация метана в исходящей вентиляционной струе 2й западной лавы перед выбросом угля и газа: а) 08.06.2010г., б) 06.06.2010г. (по Ю. А. Иванову)

Рис. 6. Концентрация метана в исходящей вентиляционной струе 2й западной лавы перед выбросом угля и газа: а) 08.06.2010г., б) 06.06.2010г. (по Ю. А. Иванову)

На графике отмечены максимальные значения концентрации метана при работе комбайна (k – интервал работы комбайна в забое) и фоновые значения перед выбросами угля и газа.

За май и начало июня 2010 г. при ведении взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания в нижней нише лавы произошло 3 события с повышенным газовыделением. В этот период выполнялся контроль призабойного массива с вычислением коэффициента относительных напряжений K. По усредненной величине данного коэффициента и концентрации метана в исходящей струе установлена зависимость между ними, которая выражается уравнением

CH4 = 0,9 – 0,165 K.

Непосредственно перед выбросом угля и газа в лаве концентрация метана более чем в 2 раза отличалась от установленной зависимости в сторону минимальных значений. Подобное отклонение в области высоких напряжений свидетельствует об опасности динамических явлений, в конкретных условиях – выброс угля и газа.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Интенсивность газовыделения в очистном забое зависит от напряжений в призабойной части массива. На участках повышенных напряжений снижается опасность газовыделения и наоборот, что создает возможность прогнозирования динамики газовыделения, например, по результатам работы системы САКСМ.

2. Связь коэффициента напряжений с концентрацией метана в исходящей из лавы вентиляционной струе имеет близкую к линейной зависимость, которая существенно не зависит от различных горно-геологических условий ведения очистных работ.

3. Отклонения, в 2 и более раза отличающиеся от установленной зависимости, зафиксированные на участках предельных напряжений, свидетельствуют об опасности внезапных выбросов.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние массива горных пород, газовыделение в очистных забоях, посадка пород кровли

Информационные источники:

1. Автоматизированная система контроля состояния массива горных пород и прогноза динами ческих явлений. / Копылов К.Н., Смирнов О.В., Кулик А.И., Пальцев А.И. // Безопасность труда в промышленности. 2015. 8. С. 32–37.

2. Брюханов А.М., Агафонов А.В., Рубинский А.А., Колчин Г.И. Методы и средства прогноза и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах. Расследование и предотвраще ние аварий на угольных шахтах. Том 3. Д: «Вебер», 2007. 692 с.

3. Гликман А.Г. Физика и практика спектральной сейсморазведки. [Электронный ресурс] // URL: http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book/index.shtml

Журнал "Горная Промышленность" №2 (144) 2019, стр. 52-55