close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров взаимодействующих геомеханических и газофильтрационных процессов в углепородном массиве в окрестности движущегося очистного забоя

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПОЗДЕЕВ ИГОРЬ АНДРЕЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГАЗОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
В УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ В ОКРЕСТНОСТИ ДВИЖУЩЕГОСЯ
ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ
Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных
пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет»
Научный руководитель: Фрянов Виктор Николаевич,
доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой геотехнологии,
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет»
Официальные оппоненты:
Черданцев Николай Васильевич,
доктор технических наук,
зав. лабораторией геомеханики угольных
месторождений,
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр
угля и углехимии Сибирского отделения Российской
академии наук»
Сенкус Валентин Витаутасович,
кандидат технических наук, начальник горного
отдела ООО «Проектуглестрой»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово
Защита состоится «22» июня 2018 г. в 1100 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 003.019.02 при Федеральном
государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск,
ул. Красный проспект, 54, актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН и на сайте организации по адресу:
http://www.misd.ru/guide/scientific_council/applicants_info/
Автореферат разослан «___» _________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук
Н. А. Попов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение нагрузки на очистной забой более
15000 т/сут и увеличение глубины ведения горных работ на высокогазоносных
угольных пластах приводит к росту метановыделения в горные выработки
шахты (до 170 м3/мин). В этих условиях безопасная отработка метаноносных
пластов угля с устойчивыми показателями очистных комплексно-механизированных забоев (КМЗ) возможна лишь при использовании эффективных способов
и средств управления геомеханическими и газофильтрационными процессами.
Однако на практике проектные и фактические объёмы добычи угля из КМЗ существенно отличаются.
Одной из причин такого несоответствия является недостаточная точность
прогноза параметров вентиляции (расхождения с фактическими показателями в
пределах 1,5-2,5 раз) и дегазации угольных пластов по нормативным документам. В действующих нормативных документах при расчете ожидаемых метановыделений и расхода воздуха для проветривания выемочных участков используются поправочные коэффициенты, зависимости и законы распределения, которые не в полной мере соответствуют нагрузкам, достигнутым в высокопроизводительных КМЗ, что является причиной остановок забоев при превышении фактических параметров метановыделения по сравнению с прогнозируемыми. При
прогнозе метанообильности выемочных участков используются идеализированные алгоритмы расчета метановыделения с поверхности очистного забоя с постоянными фильтрационными свойствами угольного массива, не полностью
учитывается влияние скорости подвигания КМЗ на геомеханические процессы,
происходящие в геомассиве при ведении горных работ.
В этой связи возникает необходимость выявления закономерностей газофильтрационных процессов с учетом влияния скорости движения КМЗ и деформаций пород в его окрестности.
Поэтому выявление закономерностей взаимодействия геомеханических и
газофильтрационных процессов и обоснование их параметров в окрестности
движущегося очистного забоя при подземной отработке газоносных угольных
пластов является актуальной научно-практической задачей, имеющей существенное значение для развития отрасли наук о Земле.
Цель работы заключается в разработке методики прогноза и обоснования
параметров геомеханических и газофильтрационных процессов в углепородом
массиве для эффективного управления горным давлением и метановыделением
пласта при его отработке комплексно-механизированным забоем.
Основная идея работы состоит в использовании для прогноза ожидаемой
метанообильности очистного забоя выявленных по результатам численного моделирования с оценкой их адекватности по результатам шахтного эксперимента
закономерностей взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических параметров и скорости подвигания забоя.
4
Задачи исследования:
1. Разработать методику исследования геомеханических процессов для прогноза параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) углепородного массива в окрестности движущегося очистного забоя.
2. Выявить по результатам численного моделирования зависимости изменения геомеханических параметров от горно-геологических и горнотехнических
параметров ведения горных работ.
3. Установить характер проявления горного давления при отработке выемочного столба и оценить адекватность разработанной методики исследования
геомеханических процессов по результатам шахтного эксперимента.
4. Разработать алгоритм расчета ожидаемой метанообильности движущегося
очистного забоя с учетом изменяющихся фильтрационных свойств угольного массива, полученных по результатам численного моделирования.
5. Установить зависимость метанообильности комплексно-механизированного забоя от скорости и режимов движения очистного комбайна для оценки
адекватности разработанного алгоритма расчета ожидаемой метанообильности
очистного забоя по результатам шахтного эксперимента.
Методы исследования. Используется комплекс методов, включающий:
анализ и обобщение существующих научно-исследовательских знаний; синтез
аналитических методов и эмпирических зависимостей; численное моделирование; математическую статистику; натурный эксперимент в шахтных условиях;
сравнительный анализ расчетных и фактических данных.
Объект исследования. Деформируемый газонасыщенный массив горных
пород в окрестности движущегося комплексно-механизированного забоя.
Предмет исследования. Зависимости геомеханических и газофильтрационных величин массива горных пород от горно-геологических и горнотехнических
параметров и скорости подвигания забоя.
Научные положения, защищаемые автором:
1. Методика исследования геомеханических процессов в окрестности очистного забоя обеспечивает расчет напряжений, деформаций и коэффициента дезинтеграции, достаточных для прогноза параметров очистного забоя при отработке пологих пластов мощностью 1,2 – 6,0 м, на глубине 200-800 м и длиной
выемочного столба до 3 км.
2. Выявленные зависимости напряжений, смещений, деформаций и коэффициента дезинтеграции углепородного массива от основных горно-геологических и горнотехнических параметров обеспечивают выбор рациональных режимов управления кровлей отрабатываемого пласта посредством регулирования
рабочего сопротивления крепи и скорости движения забоя.
3. Повышение адаптивности известных алгоритмов прогноза метанообильности очистного забоя к реальным условиям обеспечивается посредством использования полученных по результатам численного моделирования растягивающих горизонтальных деформаций в краевой части пласта.
4. Выявленная логарифмическая зависимость метанообильности очистного
забоя от скорости движения комбайна подтверждает наличие в конкретных
горно-геологических условиях предельной метанообильности очистного забоя.
5
Научная новизна работы:
1. Разработана методика исследования геомеханических процессов, отличающаяся учетом комплексного влияния изменений свойств угля и пород, рабочего
сопротивления механизированной крепи и скорости движения очистного забоя
на устойчивость пород кровли, почвы и краевой части пласта.
2. Установлены эмпирические зависимости ширины зоны отжима угольного
массива и пород кровли от предела прочности угля, пород, рабочего сопротивления механизированной крепи и скорости движения очистного забоя: с увеличением прочности угля зона отжима снижается по квадратичной зависимости, а
объем вывалов пород кровли - почти линейно.
3. Разработан алгоритм расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя, отличающийся синтезом вычисленных методом конечных элементов растягивающих горизонтальных деформаций в известных алгоритмах прогноза метанообильности очистного забоя, разработанных российскими исследователями и
практиками.
4. Установлена зависимость метанообильности комплексно-механи-зированного забоя от скорости движения очистного комбайна, отличающаяся от аналогов логарифмической функцией, включающей комплекс следующих аргументов: мощность пласта, длительность остановок комбайна, величину рабочего сопротивления механизированной крепи, схему выемки угля.
Достоверность научных результатов подтверждается соответствием величин отжима и характера разрушения краевой части отрабатываемого пласта и
пород кровли очистного забоя, установленных по результатам численного моделирования и шахтного эксперимента.
Результаты ожидаемой метанообильности очистного забоя, полученные с
использованием разработанного алгоритма расчета и подтвержденные
шахтными измерениями при различных скоростях движения очистного
комбайна, обеспечивают прогноз максимально возможной фактической
метанообильности очистного забоя.
Личный вклад автора заключается в:
– разработке методики исследования параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива с учетом комплексного влияния изменений свойств угля и пород, рабочего сопротивления механизированной крепи и
скорости движения очистного забоя на устойчивость пород кровли, почвы и краевой части пласта;
– анализе результатов исследований и обосновании эмпирических зависимостей геомеханических параметров от предела прочности угля, пород кровли, величины рабочего сопротивления механизированной крепи и скорости движения
очистного забоя;
– разработке алгоритма расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя, основанного на синтезе вычисленных методом конечных элементов растягивающих горизонтальных деформаций и известных алгоритмов прогноза метанообильности очистного забоя, разработанных российскими исследователями и
практиками;
6
– проведении шахтных измерений и выявлении эмпирической зависимости
метанообильности КМЗ от скорости движения очистного комбайна с учётом
мощности пласта, длительности остановок комбайна, величин рабочего сопротивления механизированной крепи.
Научное значение работы состоит в создании методики обоснования параметров взаимодействующих геомеханических и газофильтрационных процессов
в углепородном массиве в окрестности движущегося очистного забоя и разработке алгоритма прогноза метанообильности КМЗ с учетом изменения растягивающих горизонтальных деформаций угольного массива при отработке выемочного столба.
Отличие от ранее выполненных работ состоит: в выявленных закономерностях распределения геомеханических параметров от меняющихся горно-геологических и горнотехнических параметров геотехнологии; установленных зависимостях растягивающих горизонтальных деформаций, полученных по результатам численного моделирования, и интенсивности метановыделения, вычисленной по разработанным алгоритмам прогноза метанообильности очистного
забоя.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет прогнозировать рациональные режимы управления механизированной крепью, скоростью движения забоя и параметрами дегазации краевой
части пласта при изменении в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ.
Выявленные зависимости, вычисленные методом конечных элементов
параметры НДС, созданный алгоритм прогноза метанообильности очистного
забоя
обеспечивают
прогноз
максимальных
значений
ожидаемой
метанообильности движущегося КМЗ, а прогнозируемые на основе этих
зависимостей и результатов исследований параметры проветривания
выемочного участка, позволят снизить вероятность возникновения
загазирований выработок и повысить безопасность работ в очистном забое.
Реализация результатов.
Результаты проведенных исследований использованы на ООО «Шахта
«Есаульская» при выполнении ежемесячного расчета ожидаемой метанообильности и выборе параметров проветривания выемочного участка 26-28. Полученные в результате моделирования зависимости напряжений, деформаций, смещений и коэффициента дезинтеграции пород кровли и угля отрабатываемого пласта
от горнотехнических параметров использовались в документации по ведению
горных работ в выемочном участке 26-28 пласта 26а в части управления кровлей
посредством выбора рациональной величины рабочего сопротивления механизированной крепи.
Разработанная методика прогноза параметров взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов применялась при корректировке угла заложения скважин для дегазации выработанного пространства выемочного
участка лавы 26-28 в разделе дегазации с целью повышения ее эффективности.
Предложенная методика рассмотрена на техническом совете ООО «Шахта
7
«Есаульская» и рекомендована при разработке документации по ведению очистных работ для последующих выемочных участков с целью выбора рациональных
параметров проветривания, обоснования технических решений по разупрочнению пород кровли при выводе комплекса из монтажной камеры, выбора режимов
управления кровлей для снижения риска формирования линий кливажа, вывалов
пород кровли и газодинамических явлений. Также методику предлагается использовать при корректировке параметров заложения скважин для дегазации выработанного пространства в случае низкой ее эффективности при изменении
горно-геологических условий, состояния пород кровли, скорости подвигания забоя.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на
XV международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово 2013); IX научно-технической конференции молодых специалистов ОАО
«ОУК «Южкузбассуголь» «Безопасность труда: ключевые аспекты (экономические, организационные, технико-технологические, психологические и другие)»
(Новокузнецк, 2014); IV всероссийской научно-практической конференции (с
международным участием) «Моделирование и наукоемкие информационные
технологии в технических и социально-экономических системах, 2016» (Новокузнецк 2016); всероссийской конференции с участием иностранных ученых
«Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск 2017).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах, из которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 в материалах и трудах научных конференций.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованных источников и содержит 170 страниц основного текста, включая 80 рисунков, 13 таблиц, 2 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе обоснована актуальность исследования параметров взаимодействующих геомеханических и газофильтрационных процессов в углепородном массиве в окрестности движущегося очистного забоя. Для этого проведен
анализ производственного опыта и направлений научных исследований управления метановыделением при ведении очистных работ, а также действующих
нормативных документов, согласно которым выбираются параметры вентиляции выемочных участков.
По результатам анализа производственного опыта отработки газоносных
угольных пластов установлено, что повышенное метановыделение является основным сдерживающим фактором роста нагрузки на очистной забой. При анализе нормативных документов выявлено, что поправочные коэффициенты, зависимости и законы распределения, применяемые в расчетах метанообильности
выемочных участков, не в полной мере соответствуют нагрузкам, достигнутым
в высокопроизводительных очистных забоях, а законы газовой фильтрации справедливы для идеализированных сред, в которых проницаемость углепородного
8
массива и давление газа постоянны и не изменяются в процессе ведения очистных работ.
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на изучение взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов при
ведении очистных работ для снижения внеплановых простоев очистных забоев
по газовому и геомеханическому факторам.
Большой вклад в решение задач геомеханики внесли известные ученые и
практики горного дела: В.В. Дырдин, П.В. Егоров, В.Г. Казанцев, Г.Н. Кузнецов,
Г.И. Кулаков, Н.М. Кочурин, С.Т. Кузнецов, Ю.Н. Кузнецов, В.А. Портола, И.М.
Петухов, А.М. Линьков, В.М. Лизункин, М.В. Лизункин, О.Г. Латышев, В.В.
Мельник, М.Г. Мустафин, Н.М. Кольчурин, М.В. Курленя, В.М. Серяков, С.В.
Сердюков, В.Н. Фрянов и др. Существенный вклад в изучение процессов фильтрации газа внесли: А.А. Скочинский, В.В. Ходот, Б.Г. Тарасов, В.И. Мурашов,
В.Н. Пузырев, Л.А. Шевченко и др. Однако, процессы геомеханики и газовой
фильтрации изучались обособленно при технологии угледобычи применяемой в
прошлом веке, то есть требуется детальное изучение взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов при отработке метаноносных пластов по
современным интенсивным технологиям.
Таким образом, обоснована актуальность выявления закономерностей взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов и обоснование
их параметров в окрестности движущегося очистного забоя, что имеет важное
значение для отрасли наук о Земле.
Во второй главе предложены и обоснованы адаптивные к условиям угольных шахт методы исследования взаимодействующих процессов геомеханики и
газофильтрации. Разработана программа исследования геомеханических и газофильтрационных процессов в углепородном массиве в окрестности движущегося очистного забоя.
Для исследования геомеханических процессов массива горных пород, происходящих при ведении очистных работ, предлагается применить численный метод с использованием пакета компьютерных программ, разработанных на кафедре геотехнологии в Сибирском государственном индустриальном университете. Программы адаптированы для решения двумерных упругих и упруго-пластических задач геомеханики, в процессе решения которых определяются параметры НДС массива, изменения механических, прочностных и реологических
свойств пород в нетронутом геомассиве и с учетом взаимного влияния одной или
нескольких горных выработок (рисунок 1).
Программное обеспечение адаптировано к условиям шахтного поля ООО
«Шахта «Есаульская», расположенного в Байдаевском месторождении Кузбасса,
в период отработки выемочного столба 26-28 по пласту 26а.
Средняя глубина ведения горных работ составляла 570 м, вынимаемая мощность разрабатываемого пласта - 2,1 м, угол падения – ±100. Горный массив
представлен алевролитами и песчаниками, включает 7 угольных пластов. Шахта
отнесена к сверхкатегорным по газу метану.
9
Рисунок 1 – Блок-схема программ, используемых для изучения геомеханических процессов геомассива
Для моделирования изменения параметров НДС углепородного массива в
зоне техногенного влияния очистного забоя выбрана геометрическая модель геомассива, в виде вертикального разреза по разведочной геологической линии, за
основу принята скважина №1689. Размеры модели по горизонтальной оси OX –
410 м, по вертикальной оси OY – 690 м, где зона надработки ограничена координатой Y=-115 м, а поверхность – Y=575 м (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема геометрической модели объекта исследования: 1- выработанное пространство, 2- очистной забой, 3- отрабатываемый пласт
10
С целью изучения геомеханических процессов, возникающих при ведении
очистных работ, варьировались горно-геологические и горнотехнические параметры геометрической модели (таблица 1).
Таблица 1 – Параметры и варианты геометрической модели
Наименование
параметра
Предел прочности пород при сжатии:
- отрабатываемого пласта
- пород непосредственной кровли
Рабочее сопротивление механизированной крепи
Скорость движения очистного забоя
Размерность
Базовый
вариант
Пределы
изменения
параметра
Шаг изменения параметра
МПа
10
40
5-20
30-60
5
10
кН/м2
800
600-1200
200
м/сут
6
3-12
3
При исследовании определялось изменение следующих параметров НДС
геомассива: главные, вертикальные и горизонтальные составляющие тензора
напряжений; смещения и деформаций массива пород; коэффициент дезинтеграции.
Учитывая задачи исследования и большой объем информации в пределах
всей геометрической модели, множество вариантов расчета, для детального анализа и выявления зависимостей изменения НДС геомассива от варьируемых параметров, выбраны характерные точки 1-9, в которых наиболее полно описывается состояние очистного забоя и вмещающих пород отрабатываемого пласта
(рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема КМЗ: 1-9 – номера характерных точек
Для выявления вида эмпирических зависимостей исследуемых параметров
применен метод наименьших квадратов.
Исследование газофильтрационных процессов предложено осуществлять посредством синтеза изменяющихся фильтрационных свойств угля отрабатываемого пласта, полученных по результатам численного моделирования и существующих методик прогноза метанообильности очистного забоя.
11
Для оценки адекватности предложенных методик проведены шахтные эксперименты с применением визуально-инструментального метода, а именно: зарисовка в виде эскизов участков лавы, фотографирование и проведение замеров ручной рулеткой – при исследовании геомеханических процессов, замеры скорости
воздушной струи и концентрации метана в ней на исходящей струе очистного забоя - при исследовании газофильтрационных процессов.
При обработке результатов исследований применены методы математической статистики.
Таким образом, разработана программа исследования и выбраны методы и
инструменты решения поставленных научных задач.
В третьей главе выявлены зависимости изменения геомеханических параметров НДС углепородного массива от горно-геологических и горнотехнических
величин ведения горных работ.
В процессе моделирования было изучено 112 вариантов изменения параметров НДС геомассива в окрестности очистного забоя. В автореферате приведены
наиболее характерные эмпирические зависимости изменения НДС геомассива от
варьируемых параметров:
1. Повышение предела прочности угля отрабатываемого пласта при сжатии
способствует:
– увеличению напряжений, формирующихся в угольном массиве впереди
очистного забоя, по зависимости близкой к квадратичной (рисунок 3, точки 4-6);
– уменьшению смещений пород кровли и почвы (рисунок 3, точки 1-3, 7-9).
Интенсивность влияния снижается в сторону выработанного пространства;
Вероятная зона
разрушения угольного
массива р , м
а)
6
для условия: 5МПа ≤ сж ≤ 20МПа
5
4
р = 0,023 сж-0,86 сж +9,575
3
2
1
5
10
15
20
Предел прочности угля при сжатии сж, МПа
б)
Отношение остаточной
прочности пород к
исходной ост
0,25
ост = 0,00015 сж − 0,0022 сж + 0,226
0,2
ост = −4 10
сж + 0,006 сж + 0,13
точка 4
точка 5
0,15
ост = −6 10
точка 6
сж + 0,0048 сж + 0,1175
0,1
5
10
15
Предел прочности угля при сжатии сж, МПа
20
Рисунок 4 – Зависимость величины зоны (а) и остаточной прочности (б) угольного массива от предела прочности угля при сжатии: точки 4-6 – см. рисунок 3
12
– снижению вертикальных деформаций краевой части пласта по обратной
логарифмической зависимости и горизонтальных – по обратной квадратичной
(рисунок 3 точки 4-6);
– изменению величины зоны разрушения краевой части отрабатываемого
пласта по обратной квадратичной зависимости (рисунок 4 а);
– изменению остаточной прочности массива впереди очистного забоя по
квадратичной зависимости (рисунок 4 б).
2. При увеличении предела прочности при сжатии пород непосредственной
кровли установлено, что:
– напряжения в породах кровли повышаются по квадратичной зависимости
(рисунок 3, точки 1-3);
– участки с максимальными изменениями напряжений в породах кровли являются местами перегиба зависающей консоли пород кровли. Положение этих
участков, характеризует достаточность величины рабочего сопротивления механизированной крепи;
– интенсивность влияния прочности пород кровли на величину их смещений увеличивается в сторону выработанного пространства;
– снижение деформаций пород кровли и их увеличение в угольном массиве
впереди очистного забоя происходит по обратной квадратичной и квадратичной
зависимостям соответственно. Вертикальные растягивающие деформации снижаются в наиболее опасной по обрушению пород зоне (рисунок 3, точка 3), которая не закреплена механизированной крепью (рисунок 5);
Рисунок 5 – Зависимость объема вывала обрушенных пород от предела прочности пород непосредственной кровли при сжатии
– повышение остаточной прочности пород кровли происходит по квадратичной зависимости.
3. Увеличение рабочего сопротивления механизированной крепи способствует:
– повышению напряжений в породах кровли и почвы, залегающих непосредственно над и под стойками механизированной крепи (рисунок 3, точки
1,2,8,9) и снижению величины напряжений в угольном массиве отрабатываемого
пласта (рисунок 3, точки 4-6). Изменение напряжений происходит по квадратичной зависимости;
– снижению вертикальных смещений пород кровли, почвы и угольного массива отрабатываемого пласта по зависимости, близкой к квадратичной;
13
– снижению зоны распространения вертикальных растягивающих деформаций в породах кровли, залегающих в незакрепленной механизированной крепью
части (рисунок 6).
R=600 кН/м2
а)
R=800 кН/м2
б)
в) R=1000 кН/м2
г) R=1200 кН/м2
2.0
2.0
2.0
2.0
1.5
1.5
1.5
1.5
1.0
1.0
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5
0.5
0.0
0.0
0.0
0.0
-0.5
-0.5
-0.5
-0.5
-1.0
-1.0
-1.0
-1.0
-1.5
-1.5
-1.5
-1.5
-2.0
-2.0
-2.0
-2.0
-2.5
-2.5
-2.5
-2.5
-3.0
-3.0
-3.0
-3.0
-3.5
-3.5
-3.5
-3.5
-4.0
65.0
-4.0
65.0
-4.0
65.0
65.5
66.0
66.5
67.0
65.5
66.0
66.5
67.0
65.5
66.0
66.5
67.0
-4.0
65.0
65.5
66.0
66.5
67.0
Рисунок 6 – Результаты моделирования вертикальных деформаций при рабочем
сопротивлении механизированной крепи, кН/м2: а- 600, б-800, в 1000, г-1200
– снижению сжимающих вертикальных деформаций в угольном массиве отрабатываемого пласта по обратной квадратичной зависимости;
– снижению дезинтеграции краевой части отрабатываемого пласта по зависимости, близкой к квадратичной (рисунок 3 точки 4-6).
4. Повышение скорости движения очистного забоя способствует:
– незначительному влиянию на напряжения, формирующиеся в породах
геомассива в окрестности очистного забоя;
– снижению смещений пород кровли (рисунок 3 точки 1-3);
– увеличению деформаций отрабатываемого пласта, изменение которых
описывается логарифмической функцией, и дезинтеграции его краевой части по квадратичной (рисунок 7).
Отношение остаточной
прочности к исходной
0,4
Расчетные значения в точке 4
ост = 0,0002 − 0,0053 + 0,3179
0,35
Вид функции:
Квадратичная (R=0,99998)
ост = 0,0001 − 0,0039 + 0,3752
0,3
Расчетные значения в точке 5
Вид функции:
0,25
ост = 6,66 10
0,2
3
 − 0,0018 + 0,2338
для
условия: 3МПа9 ≤  ≤ 12МПа 12
6
Скорость движения очистного забоя , м/сут
Квадратичная (r=0,9637)
Расчетные значения в точке 6
Вид функции:
Квадратичная (r=0,9987)
Рисунок 7 – Зависимость остаточной прочности угольного массива от скорости
движения очистного забоя: r – коэффициент корреляции; точки 4-6 – см. рисунок 3
14
Таким образом, установлены эмпирические зависимости изменения параметров НДС массива от величин горно-геологических и горнотехнических условий
ведения работ.
В четвертой главе установлен характер проявления горного давления при
отработке выемочного столба посредством проведения шахтного эксперимента,
разработан алгоритм расчета ожидаемой метанообильности очистного забоя и
оценена его адекватность по результатам шахтного эксперимента.
Наблюдения проводились в очистном забое в ремонтно-подготовительные и
добычные смены на протяжении трех месяцев в количестве 45 забое-смен. В процессе исследования изучался углепородный массив в окрестности очистного забоя на участках, соответствующих выбранным точкам (см. рисунок 3).
Для идентификации особенностей проявления геомеханических процессов
по длине лавы выделены наблюдательные станции, положение которых принято
по номерам секций КМЗ (рисунок 8).
Рисунок 8 – Эскиз очистного забоя
15
Из результатов проведенных наблюдений для пластов средней мощности, отрабатываемых длинными очистными забоями, обоснованы следующие выводы:
– состояние поверхности очистного забоя ухудшается от сопряжений лавы
с оконтуривающими выемочный столб штреками к середине КМЗ (рисунок 8).
– горное давление у сопряжений очистного забоя с оконтуривающими штреками проявляется в виде незначительного отжима угля с поверхности очистного
забоя глубиной 10-15 см и до 37 см в случае длительной релаксации угольного
массива;
– наиболее опасным по проявлению отжима угля с поверхности очистного
забоя является участок у кровли отрабатываемого пласта;
– пучения пород почвы не выявлено;
– в результате увеличения горного давления повышается интенсивность
формирования систем трещин, имеющих преимущественно вертикальную
направленность, и отжим угля по всей поверхности очистного забоя глубиной до
0,8 м в середине очистной выработки;
– состояние пород кровли ухудшается к середине очистного забоя и проявляется в виде формирования систем трещин, параллельных поверхности очистного забоя и шагом, кратным ширине захвата исполнительного органа комбайна
с дальнейшим увеличением их зияния и вывалом пород кровли, достигающих 3
м3, что свидетельствует о недостаточности рабочего сопротивления механизированной крепи;
С целью разработки алгоритма расчета ожидаемой метанообильности
очистного забоя предложена следующая зависимость:
оч.з = пл + т.г.м. ,
(1)
3
где оч.з – метанообильность очистного забоя, м /мин; пл – метанообильность
отрабатываемого пласта, м3/мин; т.г.м. – метанообильность транспортируемой по
забойному конвейеру горной массы, м3/мин.
Метановыделение из транспортируемого угля предлагается определять по
алгоритму, используемому в «Инструкции по применению схем проветривания
выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного
пространства с помощью газоотсасывающих установок».
Для определения дебита метана, выделившегося с поверхности очистного
забоя, предлагается использовать закон Дарси, который характеризует скорость
фильтрации газа в направлении от нетронутого массива к свободной
поверхности отрабатываемого пласта:
 ()
= ∙
,
(2)
 
где  – скорость фильтрации газа, м/с;  – коэффициент проницаемости массива;
 – динамическая вязкость газа, Па∙с;  – давление газа, МПа;  – расстояние до
поверхности очистного забоя, м.
В реальных условиях давление газа и проницаемость угольного массива не
постоянны и меняются в процессе ведения очистных работ. С целью учета
меняющихся
физико-механических
свойств
массива
предлагается
16
модернизировать формулу, предложенную Дарси (рисунок 9).

об =
 = 1 +
()
 ∙  1−
1−
0
 = 2,08 ∙  2 ∙
 = 0 + (1 − 0 ) ∙ 
0 +  
1 +  
 = 0 + (1 − 0 ) ∙ 
 = 2,08 ∙  2 ∙
0 + об
1 + об
2
− 2
2 ()
2
−
2 (( )∙  )2

=
 ()
∙


=
ср =
∫0 ′ 

()
∙ ср

Рисунок 9 – Схема расширения области применения закона Дарси
На рисунке 9 приняты следующие обозначения:  – природная пористость
массива;  – эквивалентный диаметр породообразующего зерна;   –
деформация массива; об – суммарные деформации в краевой части угольного
пласта;  –распределение деформации в краевой части пласта в горизонтальной
плоскости x;  – зона активной фильтрации газа, м;  ,  – соответственно
давление газа на любом расстоянии от обнаженной поверхности пласта и
начальное давление в пласте, МПа;  – давление газа на обнаженной
поверхности пласта; x – расстояние до поверхности пласта; l(t) – глубина зоны
разгрузки пласта; ср – среднее значение градиента газового давления, МПа/м;
 – функция ползучести угля; ,  – параметры ползучести, характеризующие
реологические свойства угля;  – время цикла выемки угля, с.
Модернизация формулы (2) заключается в следующем (рисунок 9):
– для определения коэффициента проницаемости массива применяется
формула Б.Г. Тарасова, при вычислении по которой, используются результаты
численного моделирования (рисунок 10) и функции изменения растягивающих
горизонтальных деформаций угольного массива впереди очистного забоя;
– при вычислении градиента газового давления, за основу принята формула
В.А. Колмакова, в которой учитывается изменение давления в зависимости от
расстояния до поверхности очистного забоя. Функция модернизирована за счет
17
того, что глубина зоны разгрузки пласта принята по результатам проведенного
моделирования, а учет влияния фактора времени на градиент газового давления
осуществляется по функции ползучести Ж.С. Ержанова;
Рисунок 10 – Результаты моделирования изменения изолиний горизонтальных
деформаций растяжения угольного массива впереди очистного забоя ( ∙10-3)
– синтез формул Дарси, Б.Г. Тарасова, В.А. Колмакова, Ж.С. Ержанова и
результатов численного моделирования обеспечили вычисление дебита метана,
выделяющегося с поверхности очистного забоя, с использованием, вместо
постоянных параметров, переменных значений деформаций и пористости
массива.
Таким образом, решены третья и четвертая задачи исследования: по результатам шахтного эксперимента доказана адекватность предложенной методики
исследования геомеханических процессов; на основе синтеза четырех методических подходов разработан алгоритм прогноза ожидаемой метанообильности
очистного забоя, позволяющий учитывать влияние изменения величины растягивающих горизонтальных деформаций в окрестности очистного забоя на фильтрационные свойства угольного массива. Также сформулированы выводы, описывающие характер изменения газовыделения в зависимости от варьируемых параметров.
Для выявления фактической метанообильности очистного забоя за основу
принят инструментальный метод.
Проведение натурного эксперимента, оценивающего адекватность результатов моделирования геомеханических процессов, сопровождалось замерами скорости воздуха и непрерывным, автоматическим контролем концентрации метана в
выработке с исходящей из очистного забоя струей (рисунок 11). Контроль аэрогазовых параметров осуществлялся с целью оценки адекватности предложенного
расчета метанообильности очистного забоя реальной газовой обстановке в КМЗ.
18
Рисунок 11 – Схема вентиляции выемочного участка 26-28 ООО «Шахта «Есаульская», Кузбасс
Метанообильность очистного
забоя, м /мин
За период проведения эксперимента, выполнено более 100 замеров скорости
воздуха и проведен газовый анализ 90 забое- дней.
С целью выявления зависимости газообильности очистного забоя от скорости движения выемочного комбайна определялись среднестатистические значения концентрации газа метана и скорость движения очистного комбайна за рабочую смену. На основе полученных данных вычислена фактическая абсолютная
метанообильность очистного забоя по данным системы АГК в зависимости от скорости движения комбайна, а также, по разработанному автором алгоритму - ожидаемая абсолютная метанообильность для тех же скоростей.
На рисунке 12 представлены результаты расчета фактической и расчетной
абсолютной метанообильности очистного забоя 26-28.
Фактические
значения
метанообильности
очистного забоя
12
10
8
I = 6,1301ln(ϑ) - 0,8217
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
Скорость движения очистного комбайна, м/мин
6
Расчетные
значения
метанообильности
очистного забоя
Линия тренда
Логарифмическая
фактических
(Фактические
значений
значения
метанообильности
метанообильности
очистного забоя)
Рисунок 12 – Зависимости фактической и расчетной абсолютной метанообильности от скорости движения очистного комбайна
Из графика, приведенного на рисунке 12, следует, что разработанный алгоритм обеспечивает прогноз максимально возможной метанообильности очистного забоя. Полученные ожидаемые значения метанообильности КМЗ рекомендуется учитывать при вычислении параметров проветривания выемочного участка,
19
выполнение которых позволит снизить вероятность возникновения загазирований
выработок и обеспечить устойчивую и безопасную работу комплексно-механизированного забоя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научной задачи выявления закономерностей взаимодействия геомеханических и газофильтрационных процессов и обоснование их
параметров в окрестности движущегося очистного забоя при подземной отработке газоносных угольных пластов, имеющей важное значение для развития отрасли наук о Земле.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:
1. Разработана методика исследования геомеханических параметров углепородного массива в окрестности очистного забоя, включающая поэтапное численное моделирование геомеханических процессов с использованием адаптированного к условиям шахт комплекса программ, мониторинг геомеханических параметров и тестирование модели по результатам шахтного эксперимента. Область применения методики: глубина ведения горных работ 200-800 м, угол падения отрабатываемого пласта 0-25о, мощность отрабатываемого пласта 1,2 – 6,0
м, длина выемочного столба до 3 км.
2. Выявлены следующие зависимости размеров зоны дезинтеграции угольного массива и пород кровли в очистном забое от горно-геологических и горнотехнических параметров ведения работ: ширина зоны отжима угольного массива
увеличивается по квадратичной зависимости при снижении прочности угля, линейной после уменьшения распора секций крепи, нелинейной в случае повышения скорости движения очистного забоя; объем вывала пород кровли увеличивается по квадратичной зависимости при снижении прочности угля, линейной в
случае снижения прочности пород непосредственной кровли, квадратичной при
уменьшении распора секций крепи и увеличении скорости движения очистного
забоя.
3. Выявленную закономерность расположения участка с максимальной величиной напряжений в породах кровли относительно поверхности очистного забоя рекомендуется использовать как критерий, характеризующий достаточность
величины рабочего сопротивления механизированной крепи с целью снижения
вероятности формирования систем трещин и разрушения пород кровли у забоя
КМЗ. В случае недостаточного рабочего сопротивления механизированной
крепи максимальные напряжения в породах кровли формируются у линии очистного забоя, поэтому рекомендуется применять принудительное разупрочнение
кровли для снижения вероятности посадки секций крепи «на сухо» и вывалов
пород кровли.
4. Разработан алгоритм расчета максимальной ожидаемой метанообильности очистного забоя с учетом влияния комплекса следующих факторов: физико-
20
механические свойства угля и вмещающих пород, параметры механизированной
крепи, скорость движения очистного комбайна и забоя в целом. Алгоритм адаптирован к реальным условиям посредством использования вычисленных методом конечных элементов горизонтальных деформаций и известных зависимостей метанообильности очистного забоя, что позволяет выбрать параметры проветривания очистного забоя, обеспечивающие его устойчивую и ритмичную работу на уровне запланированной добычи. Эффективность разработанного алгоритма доказана по результатам шахтного эксперимента.
5. Установлено неравномерное распределение отжима угля по длине лавы и
мощности отрабатываемого угольного пласта. Наиболее опасным по проявлению отжима угля с поверхности очистного забоя является участок у кровли отрабатываемого пласта, а по вывалам пород кровли – на расстоянии 0-1,2 м от
поверхности очистного забоя. Интенсивность проявления горного давления увеличивается от сопряжений лавы с оконтуривающими выработками к середине
очистного забоя, что проявляется в виде увеличения зоны отслоения угля с краевой части отрабатываемого пласта в пределах 15-25 м. Ухудшение состояния
пород кровли к середине очистной выработки проявляется в виде формирования
систем трещин, параллельных поверхности очистного забоя и шагом, кратным
ширине захвата исполнительного органа комбайна с дальнейшим увеличением
их зияния и вывалом пород кровли, достигающих площади 3 м2. Тем самым доказана адекватность результатов численного моделирования напряженно-деформированного состояния геомассива в окрестности очистного забоя реальным
условиям: размеры и положения зон разрушения угля и пород, вычисленные методом конечных элементов, и измеренные в шахтных условиях отличаются в
пределах 15-20 %.
6. Установлено, что движение очистного комбайна с периодическими остановками приводит к циклическому изменению метанообильности очистного забоя: при увеличении скорости метанообильность повышается по логарифмическому закону, а при остановке комбайна плавно снижается до фоновой концентрации.
7. Результаты исследований внедрены на ООО «Шахта «Есаульская», что
подтверждено в справках «Об использовании результатов исследований…» и «О
внедрении результатов исследований…».
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах
В изданиях, рекомендованных ВАК России:
1. Поздеев, И. А. Исследования характера деформирования геомассива и
формирования газового коллектора в выработанном пространстве отрабатываемого угольного пласта / И. А. Поздеев, И. М. Поздеева, П. В. Васильев, А.А.
Бутко // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – № 12. – С.
171-179.
2. Поздеев, И. А. Исследование зависимости параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива от распора секции крепи механизированного забоя / И. А. Поздеев, И. М. Поздеева, П. В. Васильев // Горный
информационно-аналитический бюллетень. – 2016. – № 7. – С. 313-327.
21
3. Поздеев, И. А. Исследование зависимости параметров напряженно-деформированного состояния геомассива в окрестности очистного забоя от прочности угля отрабатываемого пласта / И. А. Поздеев, И. М. Поздеева,
П. В.
Васильев // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2017. –№ 4. –
С. 305-318.
В прочих изданиях и материалах конференций:
4. Поздеев, И. А. Анализ газодинамических процессов и методов управления ими в зоне влияния очистных работ / И. А. Поздеев // Вестник СибГИУ. –
2013. – № 4. – С. 25-29.
5. Поздеев, И. А. Выявление закономерности распределения концентрации
метана в основных точках выемочного участка / И. А. Поздеев // Вестник СибГИУ. – 2014. – № 1. – С. 11-13.
6. Поздеев, И. А. Разработка методики прогноза параметров газового коллектора в выработанном пространстве по результатам численного моделирования / И. А. Поздеев // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. – Новокузнецк: СибГИУ. – 2014. – С. 129-134.
7. Поздеев, И. А. Численное моделирование геомеханических процессов
при движении длинного очистного забоя / И. А. Поздеев // Моделирование и
наукоемкие информационные технологии в технических и социально-экономических системах. Сборник научных трудов IV всероссийской научно-практической конференции с международным участием. – Новокузнецк: СибГИУ. – 2016.
– С. 113-122.
8. Поздеев, И. А. Разработка алгоритма расчета метанообильности очистного забоя с учетом геомеханических процессов в углепородном массиве / И. А.
Поздеев // Вестник СибГИУ. – 2017. – № 1. – С. 32-38.
Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается
в следующем:
[1] – проведение анализа и выявление несоответствия действующих нормативных документов при обосновании параметров вентиляции и дегазации угольных шахт;
[2] – проведение исследований и выявление видов зависимостей;
[3] – численное моделирование, обработка результатов, формулировка выводов и рекомендаций.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа