close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров технологии обеспечения устойчивости дегазационных скважин для повышения интенсивности отработки угольных пластов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
БРИГИДА ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ ДЕГАЗАЦИОННЫХ СКВАЖИН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ИНТЕНСИВНОСТИ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность 25.00.22 – Геотехнология (подземная,
открытая и строительная)
Владикавказ – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)» на
кафедре «Горного дела» им. М. И. Агошкова
Научный руководитель:
Доктор технических наук, профессор
ГОЛИК ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехнологии освоения недр»
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС»
АТРУШКЕВИЧ ВИКТОР АРКАДЬЕВИЧ
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Горное дело»
ФГБОУ ВО «Уральского государственного горного университета»
КОКАРЕВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Защита состоится 21 декабря 2018 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.246.02 созданного на базе Северо-Кавказского горнометаллургического института (государственного технологического университета) по
адресу: 362021 РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, факс 8(8672) 40-7203,
E-mail: info@skgmi-gtu.ru, gegelashvili@mail.ru
Автореферат разослан 10 ноября 2018 г.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Ученый секретарь совета,
доктор технических наук, профессор
Гегелашвили М.В.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Добыча угля в России, ведется во все более усложняющихся горно-геологических условиях, которые сопровождаются ростом глубины
разработки и увеличением горного давления. В докладе о ходе реализации «Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года»,
утвержденной распоряжением Правительства Российской федерации от 21.06.2014
№ 1099-р указывается, что уровень угледобычи к 2030-му году планируется довести
до 480 млн.т./год. Сохранение нормативного аэрогазового режима выемочных
участков для обеспечения безопасности ведения горных работ входит в перечень ее
стратегических целей.
При интенсивной отработке высокогазоносных пластов на шахтах Донецкого
бассейна (рост добычи составил 137 % к уровню 2016 гола), максимально допустимые нагрузки на очистные забои, существенно ограничены по газовому фактору.
Использование дегазации подрабатываемого углепородного массива барьерными
скважинами, является наиболее эффективным способом, позволяющим снизить
метанообильность горных выработок. В то же время, показатели эффективности его
применения, указанные в отраслевых инструкциях, не всегда достижимы на практике. Так как учет пространственно-временного фактора при оценке влияния ситуационных геомеханических условий на динамику газовыделения, протекающих в массиве горных пород, остается не до конца изученным.
Подвигание очистного забоя вызывает перераспределение опорного давления
и активизацию сдвижений пород кровли. Если концентрация напряжений превышают несущую способность системы «массив-обсадная труба» происходит деформирование стенок и снижение проходимости ствола скважины. Результатом частичной
подработки, является нарушение ее эксплуатационного состояния, что существенно
сокращает время продуктивной работы, а также может быть причиной потери
устойчивости дегазационных скважин еще до подхода лавы к их устьям. Падение
сопротивления воздухопроводящих каналов, в области устья, обуславливает развитие аэродинамической связи с атмосферой горной выработки. Интенсификация
подсосов воздуха, в свою очередь, приводит обеднению отводимой смеси. Низкая
концентрация метана, в извлекаемой метановоздушной смеси, представляет угрозу
поддержания безопасного режима работы дегазационных систем для эффективного
преодоления «газового барьера».
В нормативных документах вопросы повышения устойчивости скважин
освещены недостаточно и нуждаются в доработке. Поэтому, установление закономерностей влияния параметров разгрузочного бурения на напряженное состояние
контура скважины, является актуальной научно-технической задачей для обеспечения интенсификации угледобычи и безопасности отработки газоносных угольных
пластов
Цель работы. Повышение интенсивности отработки угольных пластов за
счет обеспечения устойчивости дегазационных скважин.
Идея работы. Увеличение максимально допустимых нагрузок на очистные
забои по газовому фактору достигается за счет повышения устойчивости дегазационных скважин при бурении системы разгрузочных шпуров, параметры которых
3
определяются на основании установленных закономерностей напряженнодеформированного состояния вмещающего массива.
Объект исследований – подрабатываемый углепородный массив, вмещающий дегазационные скважины.
Предметом исследований являются закономерности процессов напряженнодеформированного состояния в массиве горных пород, вмещающем дегазационные
скважины.
Методы исследований. При решении поставленных задач, был использован
комплексный метод исследований, заключавшийся в: анализе существующих способов обеспечения устойчивости подземных скважин, натурных исследований концентрации метана в извлекаемой газовоздушной смеси, моделирования напряженного состояния массива горных пород при помощи метода конечных элементов.
Научные положения, защищаемые в работе:
1. Нормативная эффективность дегазации подрабатываемого углепородного
массива, обуславливающая повышение интенсивности отработки газоносных пластов Донецкого бассейна, достигается при завершении разгрузочного бурения не
менее чем за 36 м до приближения очистного забоя.
2. Особенности механизма выделения газа в подрабатываемые дегазационные скважины вызваны пространственно-временными параметрами развития горных работ и заключаются в образовании и перемещении волн концентрации метана
в виде чередующихся зон локальных максимумов и минимумов на удалении 40-50
метров впереди лавы.
3. Величина концентрации эквивалентных напряжений на контуре дегазационной скважины увеличивается по логарифмическому закону при увеличении ширины перемычки и уменьшении количества шпуров, если радиусы шпуров составляют 0,6 радиуса скважины.
Научная новизна работы:
1. Впервые установлены особенности метановыделения в подрабатываемые
дегазационные скважины, заключающейся в существовании общей зональности
локальных минимумов концентрации метана, относительно расстояния до лавы:
первый на расстоянии от -40 до -36 м; второй – от -26 до -19 м, третий – от -1 до 3 м.
2. Получили дальнейшее развитие представления про механизм влияния ситуационных геомеханических условий на метановыделение в подрабатываемые
дегазационные скважины, которые заключаются в том, что процессы зональной
дезинтеграции и проявления опорного давления обуславливают перемещение областей локальной разгрузки в дегазируемой толще горных пород, где происходит распад метастабильного газоугольного раствора.
3. Уточнено влияние геометрических параметров горных выработок и углепородного массива, при моделировании геомеханических задач методом конечных
элементов, позволяющее повысить достоверность расчета значений концентрации
напряжений на контуре дегазационной скважины.
4. Впервые показано, что увеличение ширины перемычки с 0,5 до 1,9 радиусов скважины и уменьшение количества шпуров с 12 до 9 приводит к снижению
концентрации напряжений, на контуре дегазационной скважины, по логарифмической зависимости на 30 %.
4
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: корректным использованием теории планирования экспериментов, представительным объемом данных натурных наблюдений, соответствием установленных особенностей динамики концентрации метана, современным
представлениям о геомеханических процессах, удовлетворительной сходимостью
результатов моделирования.
Практическая значимость работы. Технологическая схема дегазации подрабатываемого углепородного массива может быть использована при нормализации
аэрогазового режима выемочного участка. Рекомендации по повышению надежности работы подземных дегазационных скважин могут быть реализованы при отработке пластов c высокими нагрузками на очистные забои. Методика расчета параметров разгрузочного бурения применима при интенсивной отработке высокогазоносных пластов шахт Донецкого бассейна.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке
СОУ-П 05.1.00185790.025:2013 «Выбор параметров и способов охрани устьев дегазационных скважин. Руководство» в Донецком научно-исследовательском угольном
институте; «Рекомендаций по повышению надежности работы подземных дегазационных скважин при дальнейшей отработке пласта m3 c высокими нагрузками на
очистные забои» для ПАО «Шахта им. А. Ф. Засядько». Ожидаемый экономический
эффект составляет около 6,9 млн. руб./год. на один очистной забой.
Личный вклад соискателя заключается в непосредственном участии во всех
этапах работы: выборе цели и постановке задач исследований, разработке идеи работы, выборе методологии проведения экспериментально-аналитических и натурных исследований, обосновании методики расчета параметров разгрузочного бурения и рекомендаций по повышению надежности работы подземных скважин, обобщении результатов исследований, формулировании выводов и основных научных
положений.
Апробация работы. Основные научные положения работы обсуждались на:
конференции «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання
природних ресурсів», г. Донецк, 2010 г.; конференции «Екологічні проблеми паливно-енергетичного комплексу», г. Донецк, 2010 г.; V Международной научнотехнической конференции «Геотехнологии XXI века», г. Донецк, 2010 г.; 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и
энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», г. Тула, 2010 г.; Международном форуме
«MINING инновации в угледобывающей промышленности», г. Донецк, 2010 г.;
Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых
«Маркшейдерское обеспечение геотехнологий», г. Днепропетровск, 2010 г.; 2-й
Международной научно-практической конференции «Оценка, добыча и использование нетрадиционных видов газа: привлечение инвестиций», г. Донецк, 2011 г.;
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект
Свободный-2015», г. Красноярск, 2015 г.; 13-м Международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных
гидрогеологических условиях», г. Белгород, 2015 г.; заседании ученого совета Северо-Кавказского горно-металлургического института, г. Владикавказ 2018 г.
5
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 статей, из них 3
статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, из них 1
статья в изданиях, индексируемых в базах Web of Science, 10 статей в других изданиях, а также получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и
заключения, содержит 116 страниц основного текста, 52 рисунка, 17 таблиц и список использованных источников из 116 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы, сформулирована цель работы,
научные положения, выносимые на защиту, описана научная новизна и практическое значение результатов исследований.
В первой главе выполнен анализ состояния вопроса. Были исследованы
ключевые вопросы снижения метанообильности горных выработок методами подземной дегазации. По утверждению ряда международных специалистов, ни одна,
даже самая современная шахта не защищена от рисков гибели людей, в связи с интенсификацией горных работ при разработке высокогазоностных угольных пластов.
Последние крупные аварии, произошедшие на Донбассе (шахта им. А. Ф. Засядько),
Кузбассе (шахта Распадская), Западной Виржинии, стали подтверждением недостаточности внимания к решению все усложняющейся проблемы метана. Причиной
этому служит неуправляемость, и нестабильность его концентрации, в отводимой
смеси с воздухом.
Из анализа состояния дегазационных систем на угольных шахтах Донецкого
бассейна выявлено, что перспективы повышения эффективности дегазации следует
в первую очередь ожидать на частных шахтах. Общий дебит метана всех шахт, где
присутствуют дегазационные системы, составляет 1,02 млрд. м 3/год. Извлекается не
более 30 % общего объема, а утилизируется менее 10 % отводимого газа. При этом
средняя производительность погонного метра скважины варьируется от 2199 до
4727 млн. м3/м в год.
Вопросы обеспечения безопасного аэрогазового режима выемочных участков
средствами дегазации, при отработки газоносных угольных пластов, освещены в
работах Андреева М. М., Антощенко Н. И., Айруни А.Т., Атрушкевича В.А.,Бокия
Б. В., Бродского В. Ш., Брюханова П. А., Гершуна О. С., Забурдяева В.С., Казанина
О.И., Калединой Н.О., Касимова О. И., Качурина Н.М., Коршунова Г.И., Костенко
В. К., Мельника В.В., Мясникова А.А., Назимко В. В., Печука И. М., Пучкова Л.А.,
Рубана А.Д., Рыльниковой М.В., Сарычева В.И., Сластунова С.В., Шувалова Ю.В.,
Aziz N. Black D. Creedy D. Garner K и др. В тоже время, вопросы обеспечение
устойчивости скважин при негативном влиянии очистной выемки остается актуальными.
Из анализа механизма протекания деформационных процессов вокруг очистной и подготовительной выработок, очевидно, что частичная подработка скважины
в зоне полных сдвижений, приводит к деформациям сдвига, изгиба или сдвига со
смятием ее стенок, по плоскостям скольжения. Действие опорного давления реализуются по периметру выработки (скважины) в виде приконтурных деформаций.
6
Вследствие чего происходит перераспределение напряженно-деформированного
состояния и интенсификация смещений во вмещающем массиве. Поэтому работу по
осуществлению охранных мероприятий следует оканчивать до попадания устья
скважины зону повышенного горного давления.
При анализе теоретических основ газовыделения выявлено, что для выделения метана в скважины необходимы два основных элемента – разгрузка от горного
давления (для распада твердого газоугольного раствора) и раскрытие трещин (образование каналов фильтрации). Поэтому, при совершенствовании представлений о
десорбции метана в подземные скважины, необходимо учитывать особенности протекания геомеханических процессов в зоне разрушенных пород вмещающих, как
очистную, так и подготовительную выработки. Исходя из этого, выдвинута гипотеза: - «проявление зональной дезинтеграции, в виде чередующихся зон опорного
давления, порождает области локальной разгрузки в дегазируемой толще горных
пород, где происходит распад метастабильного газоугольного раствора, обуславливая динамику концентрации метана в барьерных дегазационных скважинах».
Большинство мер по управлению управления горным давлением для обеспечения устойчивости скважин, по способу воздействия на массив, можно разделить
на пассивные и активные способы (Табл. 1-2).
Увеличение глубины разработки обуславливает необходимость разработки
менее материалоемких способов. Поэтому большинство современных исследований
направлено на разработку активных методов.
Таблица 1
Пассивные методы обеспечения устойчивости дегазационных скважин
Методы
Способы охраны
Обсадка устья дегазационной скважины
Оборудование скважины
Герметизация затрубного пространства
Применение герметизаторов
Оптимизация параметров заложения скважины (углов подъема и разворота)
Технологические аспекты
бурения
Увеличения длинны обсадки
Увеличения толщины обсадной трубы
Применение дополнительного анкерного крепления
(металлического, химического, канатного и др.)
Усиление крепления подготовительных выработок
Крепи усиления (деревянные стойки , металлические стойки и др.)
Бутовые полосы
Литые полосы
Возведение охранного сооружения в выработанном
Тумбы БЖБТ
пространстве
Костры и бутокостры
Би-крепь
Анализ существующих способов охраны позволил установить, что наиболее
эффективным и малозатратным, является комплексный метод, заключающийся в
7
управлении горным давлением, путем формирования области локальной разгрузки
на границе зоны разрушенных пород и консолидации области влияния устьев скважин (физико-химическим анкерованием).
Таблица 2
Активные методы обеспечения устойчивости дегазационных скважин
Методы
Способы охраны
Шпуровая
разгрузка
Управление НДС
Щелевая разгрузка
углепородного
массива
Химическое упрочнение массива
Бурение скважин из специальных выработок, пройденных
в породах кровли
Региональные
способы
Бурение скважин из специальных выработок, пройденных
в породах почвы
На основании анализа литературных источников и цели работы сформулированы основные задачи исследований:
-
проанализировать существующие способы и средства управления горным
давлением для обеспечения устойчивости скважин;
-
выполнить натурные исследования влияния очистной выемки на динамику
концентрации метана в подрабатываемых дегазационных скважинах;
-
провести экспериментально-аналитические исследования влияния пара-
метров разгрузочного бурения на напряженное состояние вмещающего массива;
-
разработать способ дегазации углепородного массива.
Во второй главе проведены натурные исследования динамики концентрации
метана в подрабатываемых скважинах. В качестве объекта выбрана шахта ПАО «им.
А. Ф. Засядько». На экспериментальном участке отрабатывали 18 восточную лаву
пл. m3  "Александрийский". Глубина разработки – 1300 м. Протяжность выемочного участка – 1180 м (по средней линии). Длина лавы – 305 м. Система разработки –
длинными столбами по простиранию, при панельном способе подготовке запасов.
Схема участковой дегазационной сети представлена на Рис. 1.
8
Рис. 1. Схема расположения подземных скважин 18-й восточной лавы:
1, 2 – виды «кустов» скважин; 3 – выработанное пространство отработанной ранее
17-й восточной лавы; 4 – вентиляционный штрек 18-й восточной лавы; 5 – разрабатываемый угольный пласт m3; №1, №2, №3, №4 – соответственно типы скважин
Дегазационная сеть состоит из «кустов» скважин соединенных между собой
трубопроводами, выходящим на поверхность. «Куст» – две и больше скважины,
пробуренные рядом с одним из пикетов в дегазируемый породный массив. На Рис. 1
изображены чередующиеся кусты двух видов, 1-й состоял из скважин №№ 1,3,4, 2-й
– №№ 2,3,4. Расстояние между ними 20-25 м. Скважины бурили из вентиляционного
штрека, навстречу очистному забою, под углом 35 0 (скважина типа №3) и 600 (скважина типа №4) к направлению оси выработки – угол γ. Относительно горизонта
угол подъема скважин (β) составлял 400 (№3) и 600 (№4). Кроме того, были пробуренные скважины (тип №1) в кровлю выработки и (тип №2) в сторону выработанного пространства отработанной ранее 17-й восточной лавы, с углами γ – 00 (№1) и 600
(№2), а также β – 400 (№1) и 600 (№2) соответственно.
Изменение концентрации метана в вышедших из строя скважинах представлено на Рис. 2.
Отрицательные значения расстояния до лавы (L) соответствуют положению
«впереди лавы». Обобщенный интервал расстояний до лавы, в котором выход из
строя дегазационных скважин более всего вероятен, находится в диапазоне от -10 до
6 м. После преодоления данного «барьера», скважины продолжали эффективно
работать (с концентрацией не ниже 40 %), находясь в выработанном пространстве
на расстоянии до 80 м.
9
а)
б)
Рис. 2. Изменение концентрации метана от расстояния до лавы:
а) – скважины №3, находящиеся на пикетах 128, 123, 121, 115, 113, 111;б) – скважины №4, находящиеся на пикетах 126, 123, 115, 113;
– точка выхода из строя дегазационной скважины; Lзж. – диапазон расстояний при котором происходил выход
Период продуктивный работы большинства скважин составлял не менее двух
месяцев, который при потере устойчивости сокращался до 2-3 недель. Таким образом, совершенствование способов охраны позволит, в 30 % случаев, более чем в два
раза продлить время их продуктивной работы. Для установления зональности локальных минимумов концентрации метана, относительно расстояния до лавы, были
выделены «базовые» группы (показавших максимальную продуктивность), отражающие типичное поведение скважин данного типа в исследуемом периоде эксплуатации. В каждой конкретной группе определялась «обобщенная линия тренда».
Определив ее локальные минимумы, а затем, сравнивая их зональность с обобщенной линии тренда исследуемой группы можно определить наличие характерных зон
пригрузки опорного давления.
При совпадении проекций минимумов концентрации метана, для более 2-х
типов скважин, можно утверждать, что их появление обусловлено общностью ситуационных геомеханических процессов.
В «исследуемые» группы подбирались скважины обобщенная линия тренда,
которых ограничивала меньшую площадь, чем в базовой группе. Для скважин типа
№4 в нее вошли пикеты №: 133, 131, 128, 126, 123, 121, 117, и 107, что составляет 38
% (8 штук из 21) от общего количества рассматриваемых кустов (Рис. 3).
10
Рис. 3. Динамика концентрации метана в исследуемых группах (тип №4):
– точки локальных минимумов;
– обобщенная линия тренда базовой
группы;
– обобщенная линии тренда исследуемой группы, 1,2,3,4 – номера и
зональности характерных спадов концентрации метана
Для скважин типа №3 в исследуемую группу попали пикеты: 133, 131, 126,
123, 121 и 107, что составляет 29 % (6 штук из 21). Для скважин типа №2 – пикеты:
133, 131, 123, 92 и 109, что составляет 45 % (5 штук из 11). Для скважин типа №1 –
пикеты: 126, 111, 99 и 94, что составляет 40 % (4 из 10). Совокупность проекций
минимумов концентрации метана, а также их расположение относительно удаленности до лавы приставлены в Табл. 3.
Таблица 3
Зональность минимумов концентрации метана в смеси, м
Номера спадов, м
Типы скважин
1
2
3
4
№1
-42
-35
-25
-19
-11(-3)
-5(3)
23
27
№2
-41
-36
-27
-20
-1
3
23
31
№3
-40
-36
-24
-18
-5(1)
-3(3)
20
25
№4
-41
-36
-26
-19
0
5
15
20
Скважины с более протяженной проекцией оси будут раньше испытывать
влияние очистной выемки. Поэтому, для корректности сравнения, необходимо от
границ зональности 3-его спада отнять превышение проекции скважины от их минимального значения (привести к постоянному значению). Проекции длин обсадных
колонн различны и составили: скважины типа №№2,4 – 3,8 м; №1 – 11,4 м; №3 – 9,5
м. Для скважин №2 и №4 границы не меняются (так как мы приводим к значению их
проекций). Для №1 разница составит 11,4 – 3,8 = 7,6 м, тогда уточненные границы
равны от -11 + 7,6 ≈ -3 м до -5 + 7,6 ≈ 3 м соответственно. Для тип №3 разница со11
ставит 9,5 - 3,8 = 5,7 м, тогда границы составят от -5 + 5 ≈ 1 м до -3 + 5,7 ≈ 3 м
(смотри значение в скобках Табл. 3).
Из анализа таблицы можно сделать вывод, что локальные спады характерны
для всех типов скважин, а их проявление имеет место в следующих границах: 1-й от
-40 до -35 м; 2-й от -26 до -19 м; 3-й от -1 до 3 м.
Сложность в подтверждении рабочей гипотезы, об особенностях метановыделения из массива, представляет учет взаимного влияния изменения расстояния до
лавы и длины пролета кровли (Р) во времени (пространственно-временная задача).
Ее решение представлено для скважин №3 на Рис .4.
Рис. 4. Динамика концентрации метана (СН 4, %) от времени (t, дней):
Р – расстояние от начала отработки запасов до линии очистного забоя (пролет кровли), м; 1-6 – изменение концентрации метана в скважинах, находившихся в 1330,
1310, 1290, 1240, 1220 и 1210 м от начала участка
Данные замеров с пикетов 1330, 1310, 1280, 1260, 1230 и 1210 м проверялись
на наличие грубых ошибок, после чего на их основе строились, аппроксимирующая
поверхность для получения проекций на ось времени и расстояния до начала участка. К концу рассматриваемого периода длина пролета составляла 80 м (S n = 1280 м),
при этом скорость подвигания линии очистного забоя отличалась неравномерностью во времени.
Из анализа графиков 4-6, представленных на Рис. 4 следует, что увеличение
пролета основной кровли обуславливает, знакопеременный характер динамики газовыделения (проявляющийся в наличии чередующихся максимумов и минимумов
концентрации метана). По-видимому, такие особенности работы скважин вызваны
знакопеременными изменениями НДС массива в зонах локальной разгрузки/пригрузки, обусловленной развитием очистных работ. В связи с этим, следует
признать отсутствие явных противоречий в рабочей гипотезе и результатах натурных исследований.
12
В третьей главе приведены результаты экспериментально-аналитических
исследований влияния параметров разгрузочного бурения на напряженное
состояние вмещающего массива. В качестве основного, был выбран численный
метод компьютерного моделирования (конечных элементов).
Схема задачи представлена на Рис. 5.
Рис. 5. Схема бурения разгрузочных шпуров:
rс. – радиус скважины; rш. – радиус шпура; α – угол между осями соседних шпуров; δ
– ширина перемычки; Rз.к. – расстояние между осью скважины и осями шпуров; h –
минимальное расстояние между контурами шпуров; H – расстояние между осями
шпуров; а – ширина пластины; b – длина пластины.
Бурение шпуров необходимо производить концентрично и параллельно оси
скважины, в противном случае при интенсификации напряжений, в зоне опорного
давления, распределение разгружающего эффекта не будет равномерным по контуру скважины. Радиусы шпуров должны быть одинаковыми, и вместе с шириной
перемычки представлены относительно радиуса дегазационной скважины (rс. =
const):
rш.
Rш. =
(1)
rс.
где Rш. – относительный радиус шпура;
rс. – радиус скважины, м;
rш. – радиус шпура, м.
δ
L=
(2)
rс.
где L – относительный радиус шпура;
δ – относительная ширина перемычки.
13
Перемычка – область пластины ограниченная с одной стороны контуром
скважины, а с другой контурами шпуров. Ширина перемычки – минимальное расстояние между контурами скважины и шпуров.
При расчетах использована теория Мизиуса–Генки (энергетическая) – связывает критерий предельного состояния материала с удельной потенциальной энергией деформации. Она позволяет любое трехмерное напряженное состояние представить в виде единственного положительного значения эквивалентных напряжений,
которые связаны с главными напряжениями уравнением вида:
1
=√ [( 1 – 2 )2 + ( 1 – 3 )2 + ( 2 – 3 )2 ]
2
В случае плоского напряженного состояния, уравнение 1 примет вид:
=√
2
1
–
1
2
+
Значение эквивалентных напряжений (
напряжений у границ модели (Р):
k=
2
2
+3
2
12
(3)
(4)
) даны относительно величины
(5)
где k – коэффициент концентрации эквивалентных напряжений.
Для достижения эффекта разгрузки должно выполняться «условие равномерности» – отклонение коэффициентов концентрации напряжений в каждой выбранной точке контура не должно превышать 15 % от его среднеарифметического значения. Уточненная постановка задачи имеет следующий вид  определить вид зависимости, отражающей влияние относительной перемычки и радиусов шпуров, а
также количества шпуров, на среднее значение концентрации напряжений контура
скважины:
k' (A-E) = f (Rш.; L; N)
(6)
Ограничения и области допустимых значений. Принималось, для доказательства наличия разгрузки необходимо, чтобы значение k' (A-E) было меньшим величины напряжений неразгруженного массива k' , не менее чем на 10 %. Поэтому
«ограничение №1» можно записать в виде: k' (A-E) ≤ 1,8. Ограничение №2 можно
выразить в виде: 1 δ ⁄rш. 0,2.
Технологически довольно сложно осуществлять разгрузочное бурение более
12 шпурами. Для уменьшения не рациональных вариантов моделирования необходимо определить критерий экономической целесообразности основных параметров
бурения. Главным фактором, является отношение общего объема разгрузочного
бурения шпуров (Qш.) к объему работ по бурению дегазационной скважины (Q с.).
Для сокращения буровых работ принималось, что Qш. не должно превышать 50-60 %
от Qс. – ограничение №3. Значения объемов бурения для вариантов моделирования,
приведены в Табл. 4.
14
Таблица 4
Объемы бурения для вариантов моделирования, %
Кол-во
шпуров N, шт.
Rш. = rш. ⁄rскв.
0,2
0,4
0,6
0,8
1
2
2
4
6
8
10
3
3
6
9
12
15
4
4
8
12
16
20
5
5
10
15
20
25
6
6
12
18
24
30
7
7
14
21
28
35
8
8
16
24
32
40
9
9
18
27
36
45
10
10
20
30
40
50
11
11
22
33
44
55
12
12
24
36
48
60
Самым темным цветом окрашены варианты модели неудовлетворяющие
ограничению №3, менее темным – ограничение №2 и самым светлым – №1. Полужирным выделены значения с наиболее рациональными вариантами моделирования,
удовлетворяющие предъявляемым ограничениям.
Обоснование линейных размеров моделируемой области. Линейные размеры
объектов моделирования, могут вносить существенные ошибки в итоговые результаты. При моделировании с использованием МКЕ, массив горных пород заменяют
эквивалентной пластиной, которая должна иметь размеры, обеспечивающие минимальное отклонение результирующих значений от известных решений (для сравнения была выбрана задача, решенная А. Н. Динником и Г. Н. Савиным – аналог классической «задачи Кирша»).
Прямоугольная пластина (смотри Рис. 5), ослабленная скважиной, имеем две
формы осевой симметрии – отражательную и вращательную. Сама пластина осесимметрична в отражательной форме и имеет две оси симметрии в плоскости фигуры.
Скважина – в отражательной и радиальной симметрии, причем точка пересечения
координатных осей совпадает с центром окружности. Поэтому достаточно рассматривать четверть пластины (Рис. 6).
15
Рис. 6. Расчетная схема задачи А. Н. Динника:
D  диаметр отверстия, мм; a  ширина пластины, мм; b  длина пластины, мм;  
коэффициент бокового распора; γ  удельный вес пород, МН/м3; H  глубина заложения скважины, м
Согласно исследованиям Г. Н. Савина, известные решения для неограниченной плоскости, можно применять к пластинам конечных размеров, если диаметр
отверстия (D) не менее чем в пять раз меньше ее ширины (а). Поэтому а/D изменяли
от 4,6 до 5,8 с шагом 0,2. Общеизвестным значением величины максимальных главных нормальных напряжений для точек А и Е является 0 и 3р. Величины отклонений найденных решений (с использованием метода конечных элементов) приведены
на Рис. 7.
На Рис. 7 величина k  коэффициент концентрации главных нормальных
напряжений приводится по отношению к р; р – максимальное внешнее давление
прикладываемое к границы пластины. Стрелочкой показано направление, вдоль
которого среднее отклонение аналитического решения, для обеих точек, не превышает 10 %. Сплошные линии отражают динамику величин k для точки A, пунктирные  E. Графически определены рациональные параметры моделирования, которые
для а/b равного 1,6 принимались: диаметр отверстия 20 мм, при этом отношение,
а/D должно быть равным 5,6.
16
Рис. 7. Отклонение значений k от известного решения в т. A и E, %
Обоснование параметров разгрузочного бурения. Для нахождения среднего
значения напряжений контура скважины (k' (A-E)), на его сегменте, достаточно
определить результаты в 5-ти точках (A, B, C, D, E углы поворота (θ), которых равны 90º, 60º, 45º, 30º и 0º). Схема задачи представлена на Рис. 8.
Рис. 8. Расчетная схема задачи (пример для восьми отверстий):
  коэффициент бокового распора; γ  удельный вес пород, МН/м3; H  глубина
заложения скважины, м; А, В, С, D, Е  точки контура отверстия в которых осуществлялись замеры коэффициента концентрации эквивалентных напряжений
17
Треугольники на Рис. 8 показывают грани, вдоль которых, в соответствии с
осями координат, существует симметрия. Минимальная величина относительного
радиуса шпура составляла 0,2. Ее увеличивали с шагом 0,2 так, чтобы максимальное
значение не превысило единицы. Минимальное значение ширины перемычки принималась равной 0,2rс. и менялась с шагом 0,1, при этом минимальное расстояние
между контурами шпуров (h) 0,2rс. . Численные результаты моделирования средней величины концентрации эквивалентных напряжений контура скважины сведены
в Табл. 5 и изображены на Рис. 9.
Таблица 5
Значение k' (A-E) при изменении L и N и постоянном значении относительного
радиуса шпура Rш. равном 0,6
Количество шпуров N, шт.
L = δ ⁄ rс.
9
10
11
12
0,5
1,945
0,6
1,952 1,691
0,9
1,978 1,853 1,675
1
1,981 1,866 1,73
1,5
1,1
1,988 1,883 1,761 1,594
1,2
1,896 1,794 1,654
1,3
1,9
1,822 1,714
1,4
1,838 1,753
1,5
1,87 1,801
1,6
1,885 1,817
На Рис. 9 очерчены границы (смотри область а – штрихпунктирная линия)
значений вариантов, которые пригодны для практического использования.
Рис. 9. Зависимость k'σ(A-E) от L, при различных Rш. и N:
а – ограничения области значений; b – область оптимального выбора
Из анализа Рис. 9 очевидно, что выше величины k ' (A-E) = 1,9 напряжения не
отличаются более чем на 5 % от фонового значения (2,03), справа и слева – мини18
мально и максимально достижимая величина разгрузки (смотри область ограниченную штрих пунктирной линией). Внутри этих границ находится область оптимального выбора значений разгрузки, удовлетворяющих поставленным ограничениям.
Для выявления вида зависимости между исследуемыми факторами, в условной области оптимальных значений b, построены регрессионные модели. С достаточной достоверностью построения аппроксимирующей функции (коэффициент
детерминации = 0,96) можно утверждать, что зависимость k' (A-E) от L имеет логарифмический вид:
k' (A-E) = 0,6182×ln(L) + 1,4819
(7)
Изображение функции (7), в двумерной постановке неудобно для использования на практике. Дальнейшие исследование было направлено на нахождение
обобщенного характера исследуемых параметров в виде проекции на плоскость N-L.
Геометрическое представление функции отклика в факторном пространстве основывалось на основании использовании, в качестве первичной информации, данных
Табл. 5. Для уточнения неполной выборки применялись методы интерполяции. В
результате найдена проекция логарифмической функции на ось N–L в виде номограммы (Рис.10), при использовании которой была разработана методика расчета
параметров разгрузочного бурения.
Рис. 10. Значения эквивалентных напряжений на контуре скважины в виде
проекции на плоскость N-L
В четвертой главе, на основании результатов полученных в предыдущих
разделах работы, разработана технология дегазации подрабатываемого углепородного массива. При разработке способа ставилась задача, обеспечения устойчивости
скважин, за счет формирования области локальной разгрузки и консолидации массива горных пород, в зоне влияния их устьев.
На Рис. 11 изображена схема реализации способа.
Предлагаемая технология реализуется следующим образом. Вне зоны опорного давления, из подготовительной выработки впереди лавы, навстречу очистному
забою, бурят дегазационные скважины 4 радиусом 9 на пласты-спутники и слои
19
газоносных пород кровли 3. Каждую скважину обсаживают трубой 5 и герметизируют ее устье. После чего их подключают к дегазационному трубопроводу и с помощью поверхностных вакуум-насосов, создающих разряжение, осуществляют
отсос газа из скважины путем открытия предохранительной задвижки. Для создания
замкнутого контура разгрузки, обеспечивающей повышение устойчивости дегазационной скважины, концентрично, параллельно и соосно ей бурят шпуры 6 радиусом 10, на расстоянии 7 между их осями и осью скважины 4.
При этом расстояние между осями шпуров и осью скважины определяют из
полуэмпирической зависимости:
γ
Rз.к. = kr × rc {1+5,7 (
- 0,21)}
(8)
kc.o. R
где Rз к  расстояние между осью скважины и осями шпуров, м;
rв – радиус выработки (скважины), м;
γ – удельный вес пород, МН/м3;
Н – глубины заложения выработки, м;
kc.o. – коэффициент структурного ослабления пород;
R – предел прочности пород на одноосное сжатие, МН/м2.
kr. – коэффициент, определяемый по номограмме.
Рис. 11. Разрез подготовительной выработки с пробуренными из нее дегазационной скважиной и разгружающими шпурами:
1  разрабатываемый угольный пласт; 2  арочная металлическая крепь; 3 – вмещающий скважину углепородный массив; 4 – дегазационная скважина; 5 – обсадная
труба; 6 – шпуры; 7 – расстояние между осью скважины и осями шпуров; 8 – охранное сооружение; 9 – радиус скважины;10 – радиус шпуров
Пробуренные шпуры заполняют полиуретановой пеной, для уплотнения и перегерметизации части затрубного пространства. Применение способа позволяет
повысить устойчивость дегазационных скважин, что обеспечивает повышение продуктивности их работы (среднюю концентрацию метана на 10 %) и соответственно
дебит метана.
20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании результатов натурных и экспериментально-аналитических исследований, приведено научное обоснование технических решений, обеспечивающих нормативную интенсивность отработки газоносных угольных пластов за счет
сохранения устойчивости дегазационных скважин.
Основные научные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения исследований, заключаются в следующем.
1. Составлена классификация способов обеспечения устойчивости скважин.
2. В результате натурных исследований динамики концентрации метана в дегазационных скважинах, находящихся под влиянием отработки запасов пл. m3 шахты
«им. А. Ф. Засядько» определены геомеханические условия применения разгрузочного бурения. Кроме того:
 определены параметры пространственной ориентации дегазационных
скважин (угол подъема () равный 60° и угол разворота (β) - 60°), имеющие
на 20 % больший период продуктивной работы по сравнению со скважинами
ориентированными следующим образом: = 40°, β= 35°.
 особенностью динамики концентрации метана, является существование локальных минимумов, расположенных (относительно забоя) на удалении: первый – от -45 до -36 м; второй – от -26 до -19 м, третий – от -1 до 3 м .
 приближение лавы вызывает знакопеременный характер газовыделения, который проявляется в виде чередующихся зон локальных максимумов/минимумов концентрации метана, впереди линии очистного забоя.
3. На основании экспериментально-аналитических исследований, установлена
логарифмическая зависимость концентрации эквивалентных напряжений на контуре
дегазационной скважины от параметров бурения разгрузочных шпуров. Кроме этого:
 обоснованы следующие параметры моделируемой области, при которых
отклонение получаемых результатов (с использованием метода конечных
элементов), не превышает 10 % от классических решений А. Н. Динника:
диаметр скважины должен быть не менее 20 мм; ширина пластины  5,6
диаметров скважины, а длинна пластины  1,6 от ее ширины;
 определены рациональные параметры расположения шпуров, обеспечивающие формирование области разгрузки во вмещающем массиве горных
пород: количество шпуров – от 7 до 12 шт., расстояние между осью скважины
и осями шпуров – от 0,5 до 2,3 радиуса скважины, а радиусы шпуров – от 0,61
до 1 радиуса скважины;
 установлена логарифмическая зависимость величины концентрации
эквивалентных напряжений, на контуре дегазационной скважины, от относительной ширины перемычки;
 установлено, что напряжение на контуре скважины уменьшается при
уменьшении расстояния между осью скважины и осями разгрузочных шпуров, а также при увеличении их количества
21
4. Для обеспечения нормализации аэрогазового режима выемочных участков
при использовании предлагаемого способа в условиях отработки глубоких горизонтов ПАО «Шахта им. А. Ф. Засядько» высоконагруженными очистными забоями,
работы по бурению разгрузочных шпуров должны быть окончены к 36-ти м впереди
лавы.
5. Разработан способ дегазации подрабатываемого углепородного массива, с
использованием запатентованной зависимости, для определения расстояния между
осью скважины и осями шпуров.
6. Предложена методика расчета основных технологических параметров разгрузочного бурения, для обеспечения устойчивости скважин.
7. Ожидаемый эколого-экономический эффект, от перехода к предлагаемой
технологии дегазации для дальнейшей отработки запасов пл. m3, может составить до
6,9 млн. руб./год на один очистной забой.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Brigida V. S., Zinchenko N. N. Methane release in drainage holes ahead of coal
face. Journal of Mining Science. Pleiades Publishing, Ltd., 2014, Vol. 50, No 1, pp. 60-64.
DOI: 10.1134/S1062739114010098 (WOS:000339276800009, квартиль Q4).
2. Бригида В. С., Зинченко Н. Н. Особенности метановыделения из дегазационных скважин впереди очистного забоя // Физико-технические проблемы горного
производств, 2014, N 1. C. 69–74. (Импакт-фактор РИНЦ 1,755).
3. Бригида В. С. Влияние очистной выемки на устойчивость дегазационных
скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический
журнал), 2013, N 12. С. 306–310. (Импакт-фактор РИНЦ 0,167)
Патенты на изобретение:
1. Патент Укр. № 88705 Способ захоронения отходов в горных выработках //
Авторы: Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бригида В. С., БИ №6, 2014.
2. Патент Укр. № 77829 Способ дегазации подрабатываемого углепородного
массива // Авторы: Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бригида В. С., БИ №4, 2013.
Публикации в других изданиях:
1. Бригида В. С. Влияние ситуационных геомеханических условий на работу
подрабатываемых дегазационных скважин // Сборник материалов Международной
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный2015», Красноярск, 2015. С. 4–6.
2. Анушенков А. Н., Бригида В. С. Влияние критериев геометрическгого подобия на точность решения задачи А. Н. Динника методом конечных элементов //
Материалы 13 международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях»,
Белгород, 2015. С. 242-246.
3. Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бригида В. С., Салихирадж Д. Обоснование параметров способа шпуровой разгрузки устьев дегазационных скважин // Физико-технические проблемы горного производства, 2012, N 15. С. 85 – 91.
22
4. Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бригида В. С. Закономерности формирования области разгрузки, обеспечивающей сохранность устьев дегазационных скважин // Ground control in mining, 2012, Vol. 20. С. 99–118.
5. Костенко В. К., Бригида В. С., Зинченко Н. Н. Алгоритм выбора оптимальных параметров охраны дегазационных скважин // Способы и средства создания
безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах, 2012, N 1 (29). С. 36–46.
6. Гатаулин Н. Н., Костенко В. К., Бригида В. С., Зинченко Н. Н. Дегазационные системы угольных шахт Украины – фактическое состояние и перспективы развития // Сборник научных трудов ДонУГИ, 2011, N 106. С. 134 – 147.
7. Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бокий А. Б., Бригида В. С. Изыскание резервов для повышения эффективности подземной дегазации // Материалы 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и
энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», Тула, 2010, Т. 1. С. 150–157.
8. Костенко В. К., Бокий А. Б., Зинченко Н. Н., Бригида В. С. Исследование
целесообразности утилизации шахтного метана, каптируемого системами дегазации
// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Проблеми екології, 2010, N 1-2. С. 90–98.
9. Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бокий А. Б., Бригида В. С. Взаимосвязь
разряжения и концентрации метана в дегазационном трубопроводе // Вісті Донецького гірничого інституту, 2010, N 1. С. 206–209.
10. Костенко В. К., Зинченко Н. Н., Бригида В. С. Исследование выхода из
строя дегазационных скважин, при отработке выемочного столба // Материалы региональной научной конференции аспирантов и студентов «Екологічні проблеми
паливно-енергетичного комплексу», Донецк, 2010. С. 51–57.
23
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа