Вибровоздействие при механическом разрушении угля комбайном как фактор интенсификации метановыделения

М.В. Павленко, доцент, Московский горный институт (МГИ) НИТУ МИСиС

М.П. Хайдина, к.т.н., Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

Газообильность лав обусловливается поступлением метана в основном из самого разрабатываемого угольного пласта. Выделение газа в призабойное пространство очистного забоя остается высоким и лимитирующим нагрузку на лаву, т.к. природная газоносность угольных пластов во многих случаях составляет 20–30 м3/т, а для антрацитов приближается к 40–45 м3/т. Выдаваемый на поверхность уголь при столь высокой природной газоносности содержит 10–30% метана. Поэтому каждая добываемая тонна угля отдает в горные выработки, главным образом в лаву, 20–30 м3 метана.

Природная пористость одного и того же угольного пласта изменяется незначительно и при прочих равных условиях может приниматься постоянной. Однако величина природной проницаемости ископаемых углей, зависящая от многих факторов, для разных угольных пластов и вмещающих пород различна. Она колеблется в широких пределах и обычно составляет 0,1–0,001 мД (миллидарси), однако в нарушенных зонах мощных угольных пластов (Прокопьевск, Фушунь (КНР)) она может достигать 5–100 мД [1].

№2 (120) 2015

Установлено, что в зоне влияния горных работ трещиноватость угля изменяется в зависимости от характера давления окружающего массива породы. В пределах зон отработки пласта уголь частично нарушен и раздавлен, обнаруживается большое количество трещин и пор, которые характеризуются повышенной, в сравнении с природной, газопроницаемостью. Поэтому дегазация угля в этой зоне происходит сравнительно бурно и завершается в короткий срок. По мере удаления от плоскости обнажения пласта вглубь массива газопроницаемость угольного массива уменьшается, и в зоне опорного давления она может быть на несколько порядков ниже, чем в зоне упругих деформаций.

Если рассмотреть угольные пласты с точки зрения геодинамики, то они обладают двумя характерными свойствами: первое – блочность; второе – постоянное колебательное движение составляющих их угольных блоков различных размеров в широком спектре частот [2]. Колебательные движения могут возникнуть при различных природных (влияние отдаленных землетрясений, смещений в земной коре и т.п.), и технологических процессах (бурение скважин в пласте, взрывные работы, погашение горных выработок и т.п.). В случае если наблюдается постоянство потока энергии, попадающей на угольный массив, можно говорить о динамической неизменности структуры и свойств угольного массива.

Таким образом, меняя уровень механических напряжений в угольном массиве при подаче дополнительной энергии от источника вибровоздействия, можно привести его в нестабильное состояние. В этом случае в угольном массиве будут происходить изменения, которые при определенных частотах могут привести к колебаниям отдельных угольных блоков, что приводит к возникновению дополнительных систем трещин. Характер образования трещин будет зависеть от мощности источника поступающей энергии колебаний.

Очевидно, что равновесие структуры и свойства угольного пласта также могут нарушаться при возникновении потока дополнительной энергии, изменяющего общий энергетический баланс массива. При этом источником дополнительной энергии могут служить применяемые в настоящее время мощные машины и механизмы, вибрация, сопутствующая работе техники.

Представляет интерес использование вибрационного воздействия для использования в горном деле с целью снижения выбросоопасности угольных пластов. Физическая суть такого воздействия основана на том, что при определенных параметрах колебаний вибратора, установленного в угольном пласте, происходит раскрытие трещин в нём и связанные с этим увеличение проницаемости пласта и дальнейшая его дегазация. Для снижения вероятности выброса вибрационное воздействие должно быть таким, чтобы вызвать управляемую разгрузку угольного массива, но не лавинообразное его разрушение.

Влияние вибрации на угольный пласт в настоящее время изучается с целью образования дополнительных систем трещин для интенсивного метановыделения из удаленных участков пласта. Как показали исследования [3], после вибровоздействия на угольный пласт газоотдача возрастает в 3–5 раз, усиливая дегазацию угольного массива.

В связи с этим нами был выполнен комплекс исследований по изучению влияния вибровоздействия и разработки технологических решений по комплексному воздействию на угольный пласт.

С целью выявления особенностей результатов воздействия были проведены дополнительные исследования при вибровоздействии через скважину с дневной поверхности.

Шахтные исследования проводились на поле ш. «Комсомолец» (ОАО «Воркутауголь»). В экспериментах оценивалась гидродинамика скважины вибровоздействия после гидрорасчленения пласта (ГРП) на скважине №4447. При этом фиксировалась динамика поглощения жидкости пластом, оцениваемая в дальнейшем как относительный прирост новых и расширение существующих трещин для дальнейшего газовыделения из пласта [3].

Исследованиями [4] установлено, что работающие механизмы и машины в шахте создают шум и вибрацию определенного уровня: отбойные молотки – до 90–92 дБ, угольный комбайн «Донбасс» – 94 дБ, проходческий комбайн ПКˆ2М – 104 дБ.

Нами проведён анализ влияния вибровоздействия при разработке угольного массива добычным комбайном.Зависимость мощности колебаний привода от частоты

Анализ полученных результатов (рис. 1) показывает, что пики частоты вибрации, появляющиеся при работе оборудования, составляют 25 и 40 Гц, что соответствует максимальным мощностям на участке частот от 1 до 65 Гц. Частоты, обусловленные вращением исполнительных органов, варьируются в более узком диапазоне 125–175 1/с. Они соответствуют оптимальным частотам, полученным на лабораторной экспериментальной установке, при которых наблюдается эффективное трещинообразование, что и привело к максимальному метановыделению из угля [3].

Для добычных комбайнов характерные частоты вибрации определяются по аналогии с зависимостью, представленной в работе [6]:110 2

где: ZЗ – частота зацепления зубка комбайна за угольный блок пласта, с–1; ZЦ – скорость движения комбайна, м/с; h0 – ширина исполнительного органа, м.

При этом за основу для анализа принимались колебания самого источника – мощной станины привода конвейера, лежащей непосредственно на почве.Изменение мощности колебаний пород почвы от частоты (по данным [6])

На рис. 2 представлен обобщенный график частоты вибрации почвы на различном расстоянии от станины привода. Опыты, которые преследовали аналогичную цель – измерить частоты колебаний в массиве от генератора колебаний – в данном случае проводились в почве, через которую бурились замерные шпуры, расположенные на расстояниях от 0 до 4 м от привода [6]. Замеры показали четкую прослеживаемость колебаний пород с частотой 26 Гц, характерных для колебаний привода станины [6].

Это сложная кривая с четко выраженным максимумом, превышающим средний уровень сигнала примерно в 3 раза, который расположен в районе 26 Гц. Данная частота инициируется работой привода электродвигателя. Также отмечено, что явно прослеживается повышение уровня сигнала на частоте 45 Гц. Его наличие авторы исследований [6] объясняют только примерным совпадением частоты собственных колебаний породных блоков почвы и удвоенного значения основной частоты вынужденных колебаний станины (26 Гц).

Полученные результаты при вибровоздействии [3] подтверждаются присутствием всплеска энергии вибрации в районе низких частот (~30–40 Гц) и объясняются наличием резонанса в угольном массиве в приведенном диапазоне частот.

Результаты выполненных исследований показывают, что вибрация, инициируемая приводами ленточных конвейерных установок вызывает изменения частот вибрации пород почвы на различном удалении от привода (см. рис. 2).

На участках, расположенных соответственно на расстояниях 0, 2 и 4 м от привода очень четко прослеживались колебания пород с частотой 26 Гц, характерной для станины. На этой частоте на большем удалении (6–8 м) не было зарегистрировано всплеска сигнала. Наличие его можно объяснить только примерным совпадением частоты собственных колебаний блоков породы почвы и удвоенного значения основной частоты вынужденных колебаний станины.

Следовательно, колебания массива приводят к образованию новых систем трещин, что увеличивает метановыделение. Исследования позволили раскрыть причины метановой опасности при добыче угля комбайнами в шахтах, установить пределы интенсивности добычи угля комбайнами в газоопасных забоях.

В настоящее время в угольной отрасли для отработки угольных пластов используется около 30 видов добычных комбайнов. Несмотря на такое многообразие добычной техники, принципы расчета производительности и интенсивности добычи, соответствующих их техническим характеристикам, остаются одинаковыми.

Однако в связи с учетом газового фактора рекомендуется газоопасность выработок оценивать по интенсивности добычи угля, которая определяется по формуле [7]:110 3

где: ат – технически возможная интенсивность добычи угля, т/мин; W– мощность электродвигателей комбайна, кВт; ω – удельная энергия разрушения угля, кВт·ч/т.

В исследовании [5] приводятся данные об интенсивности добычи угля в зависимости от мощности очистного комбайна. При этом утверждается, что энергия разрушения тонны угля изменяется от 0,25 до 1,2 кВт·ч/т (рис. 3).Зависимость интенсивности добычи угля от мощности современных очистных комбайнов

Фактическая интенсивность добычи угля в очистном забое по газовому фактору для комбайна типа 1ГШ-68 мощностью 300 кВт, с удельной энергией разрушения угля ω = 0,25 кВт·ч/т, при коэффициенте использования машинного времени kм = 0,15 составляет 2,9 т/мин [5]. Если учесть, что добытый уголь в лаве требует дополнительного разрушения и погрузки на конвейер, то суммарная величина энергии разрушения и погрузки увеличивается до 0,4 кВт [5]. Величина энергии разрушения и погрузки угля на конвейер по шахтам Кузбасса в среднем равна 0,25–0,4 кВт.

При работе добычных зарубежных комбайнов типа JOY 4LS.9, JOY 4LS.8, Long-Airdox энергия разрушения и погрузки угля превышает указанные пределы в несколько раз. Согласно графикам рис. 3, интенсивность добычи угля и энергии разрушения связаны линейной зависимостью.

Результаты многолетних наблюдений показывают, что величина коэффициента машинного времени для комбайнов сохраняется на уровне 0,7–0,8. Это наилучшее для работы горного оборудования значение коэффициента использования машинного времени.

Однако сдерживающим добычу угля остаётся газовый фактор, поэтому фактический коэффициент машинного времени (kм) в газообильных очистных забоях – весьма низок и составляет обычно 0,15–0,5.

При проектировании коэффициента использования машины (kи) по времени учитывают только нормируемые затраты времени, к которым относят:

1) время работы комбайна по добыче угля под полной нагрузкой;

2) время работы комбайна с обоснованно неполной нагрузкой;

3) время обоснованной работы вхолостую.

При необходимости значение коэффициента kи может уточняться на основе нормативных материалов, имеющихся для аналогичного вида машин, по следующей формуле:110 4

где: Прп – продолжительность времени регламентированных перерывов в работе машины в процентах от баланса нормируемых затрат; Прнх – величина времени нецикличной работы машины (для машины цикличного действия – Прн) или времени обоснованной работы вхолостую (для машины нецикличного действия – Прх) в процентах от нормируемых затрат времени.

Поэтому представляет интерес исследование суммарных объёмов метановыделения из угля при разрушении его комбайном. Метод исследования заключается в изучении условий воздействия вибрации работающего агрегата при разрушении угля. При этом учитываются геометрические параметры рассматриваемой лавы: длина очистного забоя, м; мощность пласта, м.

В реальных условиях образование опасной концентрации происходит в результате действия следующих факторов: выделение метана из пласта; выделение метана из добываемого угля при разрушении угля комбайном; выделение метана из транспортируемого угля; суфлярные выделения метана.

1. Выделение метана из пласта – происходит постоянно, даже при отсутствии работ в лаве. Такое выделение метана зависит от мощности, проницаемости и природной газообильности пласта. Известно, что для каждой конкретной лавы оно может быть определено при наличии данных о дисперсии и математическом ожидании объема выделения метана при разрушении угля.

2. Выделение метана из угля, который рубится комбайном.

Объём метана может быть рассчитан по формуле:110 5

где: Vду – объем выделения метана из добываемого угля, м3/мин; vк – скорость движения комбайна, м/мин; Vдк – объем выделения метана из добываемого угля при движении комбайна со скоростью 1 м/мин, м3/мин } м; Dду – дисперсия объема выделения метана из добываемого угля, м3/мин.

Математическое ожидание может быть вычислено как произведение скорости комбайна и объема выделения метана из добываемого угля при движении комбайна со скоростью Vк = 1 м/мин (Vк}Vдк). Дисперсия может быть определена как произведение скорости движения комбайна и дисперсии объема выделения метана из добываемого угля при движении комбайна со скоростью Vк = 1 м/мин (Vк}Vдк).

3. Выделение метана (сорбированного газа) из уже добытого угля, который движется по скребковому конвейеру.

Это обстоятельство делает особенно важным технологический процесс проветривания лавы. Для определения концентрации метана нужно знать объем воздуха, необходимого для проветривания лавы. Для каждой конкретной лавы он рассчитывается по нормативным документам.

Зная объёмы выделения метана, по существующим источникам в конкретный момент времени легко вычислить его концентрацию по формуле:110 6

где: С – концентрация метана, %; I – общий объем метана в лаве, м3/мин; Q – объем воздуха, поступающий в лаву для проветривания, м3/мин.

Изменение скорости подачи и мощности на исполнительном органе комбайна позволяет регулировать объем выделения метана из отбитого угля в атмосферу очистной выработки. Но так как скорость движения и приложенная мощность на исполнительном органе комбайна будут влиять на объем добытого и переизмельченного угля, соответственно и газовыделение будет изменяться. В связи с этим решение об изменении скорости продвижения комбайна будет приниматься по интенсивности метановыделения, а это соответственно будет сказываться и на объеме газовыделения метана. Таким образом, характер выделения метана будет изменяться. В графическом представлении он может быть представлен так же, как и процесс, со своими значениями математического ожидания и дисперсии.

Однако выделение метана (сорбированного газа) из добытого угля представляет собой остаточный объем метана, поступающего из разрушенного угля, который движется по конвейеру. В этом случае объем метана, выделяющегося из транспортируемого угля, на порядок меньше объема метана выделяющегося при добыче угля комбайном.

Можно сделать вывод, что фактическое газовыделение в очистном забое составит сумму объема метана, выделившегося из отбитого при добыче угля комбайном, и добавочного объема, выделившегося при вибрационном воздействии, инициируемом работой этого комбайна. В конечном итоге вибрационное воздействие способствует увеличению объCхема выделившегося из угля газа в три и более раз.


Информационные источники:
1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М: МГГУ.1996.- 442 с.
2. Садовский М.А. Автомодельность геодинамических процессов // Изв. АН СССР, 1986. - c. 3–11.
3. Павленко М.В. Извлечение метана из угольных пластов с использованием вибрационного воздействия. М.: МГГУ, 2003.-155 с.
4. Чеботарёв А.Г., Пальцев Ю.П. Виброакустические факторы рабочей среды при подземной и открытой добыче твёрдых полезных ископаемых // Горная Промышленность, - №5 (105)/2012. - c. 50–59.
5. Колмакова М.В. Оценка интенсивности добычи угля комбайнами в газоопасных очистных забоях. // Вестник ТГУ. Вып №303. 2007. - c. 224–225.
6. Пилюгин В.И., Деглин Б.М. , Ефремов И.А., Зинченко С.А. Влияние вибрации приводов конвейерных установок на устойчивость подготовительных выработок. //М: ГИАБ. №6, 2001. - c. 157–163.
7. Александров Б.А., Антонов Ю.А., Показаньев С.А., Цехин А.М. Горные машины и оборудование: Метод. указания по выполнению курсового проекта. Кемерово: ГУ КузГТУ, 2006. -35 с.
Ключевые слова: вибрационное воздействие, угольные пласты, дегазация, метановыделение, снижение выбросоопасности, газоопасность

Журнал "Горная Промышленность" №2 (120) 2015, стр.110