Прогноз параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов при неравномерном движении очистных забоев угольных шахт

Актуальность работы. В настоящее время рентабельные угольные шахты, отрабатывающие газоносные пологие угольные пласты по высокоинтенсивным технологиям длинными очистными комплексно-механизированными забоями (КМЗ), применяют малозабойные технологические схемы шахт, которые характеризуются одновременной работой 2- 3 подготовительных забоев с темпами проведения выработок 150−300 м/месяц и одного очистного КМЗ с нагрузкой более 3000 т/сутки.

Эффективность и безопасность этой технологии в сложных горногеологических условиях существенно зависит от ритмичности подвигания очистных комплексно-механизированных забоев (КМЗ). Нарушение ритмичности работы КМЗ приводит к непрогнозируемым аномальным геомеханическим явлениям в виде динамических осадок подработанных пород кровли с циклическим или внезапным выделением из выработанного пространства метановоздушной смеси, повышенного водопритока из подработанных пород кровли, прорывов метана из надрабатываемых пластов-спутников, разрушения угольных целиков и элементов крепи очистных и подготовительных выработок, следствием чего являются крупные аварии, в том числе с групповыми несчастными случаями.

Одной из причин нарушения ритмичности работы КМЗ является не полное соответствие фактических и прогнозируемых по действующим методикам геомеханических и газодинамических параметров технологии угледобычи на выемочных полях и участках высокопроизводительных шахт.

Наименее изученными при подземной интенсивной выборочной отработке пологих газоносных угольных пластов являются закономерности взаимодействия зависания и обрушения подработанных пород кровли, волнообразного изменения напряжений, деформации и смещений в угле-породном массиве, циклического прорыва метана из подрабатываемых и надрабатываемых сближенных угольных пластов при неравномерной скорости подвигания и аварийных остановках очистных КМЗ.

В связи с изложенным прогнозирование параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов при неравномерном движении высокопроизводительных очистных забоев угольных шахт является актуальной задачей, имеющей существенное значение для угольной промышленности.

Диссертационная работа выполнена по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «ОУК «Южкуз-бассуголь» с реализацией результатов исследований на шахтах «Алардин-ская» и «Осинниковская» в Кузбассе под руководством и непосредственном участии автора в период 1984;2005гг.

Целью работы является прогнозирование параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов для обоснования оптимальной скорости подвигания очистного забоя при отработке свиты газоносных пластов.

Идея работы заключается в использовании установленных зависимостей параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов от скорости подвигания очистного забоя для её регулирования и обеспечения оптимальных технологических режимов отработки свиты угольных пластов в сложных изменяющихся природных и техногенных условиях.

Задачи исследований:

— изучить влияние основных природных и техногенных факторов на ритмичность работы высокопроизводительных очистных комплексно-механизированных забоев;

— установить по результатам шахтных наблюдений закономерности проявления и взаимодействия газодинамических и геомеханических процессов в углепородном массиве при неравномерном подвигании очистного забоя;

— установить закономерности деформирования углепородной толщи при неравномерном подвигании очистного комплексно-механизированного забоя;

— установить закономерности формирования газового коллектора в выработанном пространстве при переменной скорости подвигания очистного комплексно-механизированного забоя;

— разработать рекомендации для активного управления параметрами геомеханических и газодинамических процессов посредством регулирования скорости подвигания КМЗ.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий: численное моделирование геомеханических и газодинамических процессов, натурные эксперименты по исследованию влияния скорости движения очистных забоев на геомеханические и газодинамические параметры, статистическую обработку и обобщение результатов исследований, прогноз области рационального применения разработанных технологических и геомеханических решений.

Научные положения, выносимые на защиту:

— по убывающему влиянию на неравномерность подвигания очистного КМЗ основные факторы ранжируются в следующей последовательности: природные — метанообильность углепородной толщигеологические нарушения, обводнённость углепородного массива, склонность угля к самовозгораниютехногенные — очистной комбайн, средства транспорта, механизированные крепи;

— интенсивность газодинамических и геомеханических процессов в углепородном массиве возрастает при: увеличении скорости подвигания забоя в интервале 0−4 м/сутки, резкой остановке КМЗ и в первые сутки его простоя, а также перед обрушением пород налегающей толщи;

— при остановленном после выемки отдельного элемента угольного пласта очистном забое вертикальные смещения пород кровли наиболее интенсивно происходят в зоне, форма которой близка к полуэллипсамугол наклона оси полуэллипса и его объём увеличиваются во времени по степенной функции с показателем степени 0,4−0,6;

— объём газового коллектора в выработанном пространстве и вероятность динамического выделения метановоздушной смеси в выработки выемочного участка увеличиваются пропорционально скорости подвига-ния очистного забоя, прочности пород кровли, угленасыщенности массива горных пород, объёму зон расслоения пакетов подработанных породных плит.

Научная новизна работы заключается в.

— классификации и ранжировании основных горно-геологических и технгенных факторов, влияющих на неравномерность подвигания очистного КМЗ: метанообильности углепородной толщиинтенсивности и типов геологических нарушений, обводнённости углепородного массива, склонности угля к самовозгораниюнадёжности работы очистного комбайна, средства транспорта и механизированные крепи;

— закономерностях интенсификации взаимодействующих газодинамических и геомеханических процессов в углепородном массиве при: увеличении скорости подвигания забоя в интервале 0−4 м/сутки, резкой остановке КМЗ и в первые сутки его простоя, а также перед обрушением пород налегающей толщи;

— закономерностях деформирования углепородной толщи при неравномерном подвигании очистного комплексно-механизированного забоя: при увеличении скорости подвигания очистного забоя в интервале 120 м/сутки оседания пород кровли над перекрытием секции механизированной крепи уменьшаются в 1,4−2,1 раза, а пучение пород почвыв 1,25,2 раза, зона активного сдвижения подработанных пород кровли смещается от линии очистного забоя в сторону выработанного пространства;

— закономерностях изменения объёма газового коллектора в выработанном пространстве: максимальный объём коллектора увеличивается пропорционально скорости подвигания очистного забоя, объём газового коллектора в выработанном пространстве изменяется в соответствии с периодами зависания и обрушения породной плиты, толщина которой равна мощности пород между кровлей отрабатываемого пласта и кровлей вышележащего пласта-спутника.

Личный вклад автора заключается в:

— выявлении, классификации и ранжировании по результатам анализа производственного опыта отработки газоносных угольных пластов в сложных условиях основных горно-геологических и техногенных условиях факторов, влияющих на неравномерность подвигания очистного КМЗ.

— установлении закономерностей роста интенсивности взаимодействующих газодинамических и геомеханических процессов в углепородном массиве при увеличении скорости подвигания забоя, внезапной остановке КМЗ, а также перед обрушением пород налегающей толщи;

— исследовании характера изменения объёма газового коллектора в выработанном пространстве при неравномерном подвигании очистного забоя при разной длине зависания подработанных пород кровли и пространственном положении подрабатываемых пластов-спутников;

— разработке рекомендации для активного управления интенсивностью геомеханических и газодинамических процессов посредством регулирования скорости подвигания КМЗ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— длительным (1984;2005гг.) периодом сбора, анализа и обобщения результатов шахтного эксперимента в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических условий и реализации выводов и рекомендаций на шахтах Южного Кузбасса;

— применением сертифицированных технических средств автоматизированного сбора и накопления в виде базы данных параметров шахтной атмосферы при проведении шахтного эксперимента и количественного прогнозирования параметров напряжённо-деформированного состояния углепородного массива численными методами геомеханики при неравномерном подвигании очистного забоя;

— соответствием установленных по результатам численного моделирования закономерностей циклического проявления горного давления и выделения метановоздушной смеси из выработанного пространства реальным процессам в условиях шахт «Алардинская» и «Осинниковская» в Кузбассе;

— положительными результатами управления скоростью подвигания очистного комплексно-механизированного забоя, исключающими возникновение аварийных ситуаций при интенсивной отработке газоносных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях шахт Южного Кузбасса.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов при неравномерной скорости подвигания высокопроизводительного комплексно-механизированного очистного забоя.

Практическая значимость работы состоит в: возможности использования установленных закономерностей деформирования горных пород и выделения метановоздушной смеси из выработанного пространства при неравномерном подвигании очистного комплексно-механизированного очистного забоя для прогнозирования экстремальных геомеханических и газодинамических ситуаций, а также исключения этих ситуаций посредством регулирования скорости подвигания очистного забоя.

Реализация работы. Проведены опытно-промышленные испытания вариантов управления геомеханическими и газодинамическими процессами и получены положительные результаты при отработке 11 выемочных столбов в условиях шахт «Алардинская» и «Осинниковская» в Кузбассе, подтверждающие возможность профилактики аварийных ситуаций при движении очистного забоя со скоростью не менее 4 м/сутки.

Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования природных ресурсов» (Новокузнецк, 2004, 2005гг.), XIII, IX, X Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2004;2005гг.), Научном симпозиуме «Неделя горняка 2005» (Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 без соавторов.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 14 таблиц, список литературных источников из 84 наименований.

4.6 Выводы.

По результатам проведённых исследований обоснованы следующие выводы и рекомендации:

1) Скорость подвигания очистного забоя является одним из технологических факторов, определяющих параметры газовыделения в выработанное пространство, однако все известные алгоритмы расчёта этих параметров ориентированы на использование средней скорости подвигания очистного забоя и не учитывают ее вариацию.

2) Оптимальной для исследования влияния технологических параметров на газовыделение является алгоритм, разработанный на основе уравнения газового баланса с учетом динамики объема выработанного пространства и последовательности обрушений породных слоев кровли, в том числе по пластам-спутникам. Этот алгоритм расчета параметров метановыделения позволяет:

• ценить зависимость максимальной величины газовыделения в выработанное пространство от вариации скорости подвигания очистного забоя в заданных горно-геологических и горнотехнических условиях;

• оценить величину газовыделения в очистной забой из выработанного пространства между периодами обрушения основной кровли на основе гипотез о диффузии, эжекции, разности газового (в том числе пластового) давления и давления в очистном забое;

• определить влияние на газовыделение в выработанное пространство вынимаемой мощности пласта, параметров пластов-спутников, длины очистного забоя, шага обрушения основной кровли и ряда других горнотехнических и горно-геологических параметров.

На основе выполненных экспериментов обоснованы следующие выводы.

3) Установлено, что увеличение длины очистного забоя ведет к крайне незначительному снижению газовыделения из выработанного пространства. В тоже время увеличение длины очистного забоя может привести к негативным результатам вследствие снижения скорости подвигания очистного забоя и уменьшения частоты обновления краевой поверхности угольного пласта в забоя. Снижение скорости подвигания, как правило, приводит к повышенному отжиму, вывалообразованию и неритмичности работы очистного забоя, которая провоцирует рост газовыделения из выработанного пространства.

4) Повышение скорости подвигания очистного забоя не может рассматриваться в качестве рекомендации для управления газовыделением из выработанного пространства, так как нагрузка более 4−6 тыс. т/сутки на большинстве шахт Кузбасса ограничивается газовым фактором и ожидать изменения сложившейся ситуации в ближайшем будущем не приходится.

5) Изменение шага обрушения основной кровли представляется слишком трудоемким и ненадежным способом управления газовыделением из выработанного пространства, так как до конца не изучено влияние шага обрушения основной кровли на коллекторские свойства обрушенных пород.

6) Основным технологическим фактором, регулирующим газовыделение в очистной забой из выработанного пространства, является управляемая вариация скорости подвигания очистного забоя, минимизация которой позволяет существенно снизить газовыделение.

7) Одним из наиболее важных факторов, обеспечивающих минимизацию вариации скорости подвигания очистного забоя, является полная независимость очистных и подготовительных работ в рамках принятой системы разработки и технологической схемы шахты. В пределах выемочного поля (яруса) все подготовительные работы должны быть завершены до начала очистных работ, независимо от секционирования дополнительными печами.

8) Снижение вариации скорости подвигания очистного забоя при полном отсутствии взаимовлияния очистных и подготовительных работ может быть достигнуто за счет применения более надежных очистных комбайнов и забойных конвейеров (в том числе импортного производства), перехода на работу комбайна по односторонней или уступной схеме, принятия дополнительных мер против отжима угля, упрочнение неустойчивой нижней части непосредственной кровли, применение механизированных крепей с выдвижными или удлиненными консолями перекрытий.

9) Влияние технологических факторов на газовыделение из выработанного пространства в очистной забой весьма ограничено, и предпочтение следует отдавать дегазации разрабатываемого пласта и пластов-спутников, а также изолированному отводу метана из выработанного пространства.

10) Разработаны рекомендации по выбору технологии ведения очистных работ при повышенном газовыделении из выработанного пространства:

• установка секций по заряженной схеме и передвижка их сразу за проходом комбайна, что позволит уменьшить вероятность вывалов пород непосредственной кровли и скопления метана в куполах;

• использование мехкрепей с выдвижными консолями и проти-воотжимными щитками позволит избежать повышенного отжима и своевременно перекрывать дополнительные обнажения непосредственной кровли;

• для снижения вывалообразования рекомендуется использовать очистные комбайны с шириной захвата 0,5 м. Выемку угля рекомендуется вести по односторонней или уступной схеме. Для повышения частоты обновления поверхности забоя возможно использование двухкомбайновой или стругово-комбайновой выемки. При мощности пласта до 2,0−2,5 м наиболее эффективной и безопасной является струговая выемка;

• для стабилизации скорости подвигания длинного комплексно-механизированного забоя в условиях повышенного отжима необходимо вести укрепление угля и пород на поверхности забоя полимерными клеями или деревянными анкерами с различными технологиями закрепления, наиболее соответствующими конкретным горно-геологическим условиям;

• при выемке пластов с ложной кровлей имеет смысл включение последней в вынимаемую мощность или ведение работ под пачку угля (этот вариант может оказаться более приемлемым при наличии тяжелой по нагрузочным свойствам основной кровли);

• при планировании горных работ необходимо размещать очистной забой под углом 30−90° к основной системе трещин в углепородном массиве;

• для отработки пластов с повышенной обводненностью рекомендуется использовать забойные конвейеры с центральным расположением цепей. При расположении цепей в боковинах рештаков цепи необходимо оснащать специальными очистителями;

• необходимо создание новых технологий заделки вывалов непосредственной кровли на основе пневмобаллонных крепей, современных материалов типа пенобетона, специальных полимерных составов или пе-нопластов.

В диссертации изложены результаты исследований, позволяющие прогнозировать параметры взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов при подземной интенсивной выборочной отработке свиты пологих газоносных угольных пластов и управлять скоростью подвигания очистного забоя в сложных природных условиях, имеющие существенное значение для геомеханики.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Обоснованы следующие варианты циклического воздействия природных и техногенных факторов на геомеханические и газодинамические процессы в углепородном массиве с: постоянными периодом и амплитудойпеременными периодом и амплитудойпеременным периодом и катастрофической амплитудой.

Установлено, что при скорости подвигания очистного забоя У<5,5м/сутки зависимость между скоростью и газоносностью выемочного участка почти линейная, при скорости подвигания забоя более V >5,5м/сут амплитуда на графике газообильности может достигать катастрофических величин, что подтверждается высокой вероятностью прорыва метановоз-душной смеси из искусственного газового коллектора в выработанном пространстве. Интенсивность газодинамических и геомеханических процессов в углепородном массиве возрастает при резкой остановке КМЗ и в первые сутки его простоя, а также перед обрушением подработанных пород налегающей толщи.

3. По убывающему влиянию на неравномерность подвигания очистного КМЗ основные факторы ранжируются в следующей последовательности: природные — метанообильность углепородной толщигеологические нарушения, обводнённость углепородного массива, склонность угля к самовозгораниютехногенные — очистной комбайн, средства транспорта, механизированные крепи.

4. Установлены закономерности деформирования углепородной толщи при неравномерном подвигании очистного комплексно-механизированного забоя: при увеличении скорости подвигания очистного забоя в интервале 1−20 м/сутки оседания пород кровли над перекрытием секции механизированной крепи уменьшаются в 1,4−2,1 раза, пучение пород почвыв 1,2−5,2 раза, точка максимума эпюры опорного горного давления приближается к краевой части пласта от 0,55 до 0,15 м, а зона активного сдвижения подработанных пород кровли смещается от линии очистного забоя в сторону выработанного пространства. При увеличении периода простоя КМЗ оседания верхнего перекрытия секций механизированной крепи увеличиваются почти линейно со средней скоростью 2−3 мм/сутки. Причём, скорость оседаний перекрытия тем больше, чем больше была ранее скорость движения КМЗ. Наибольшая скорость оседаний (до 10 мм/сутки) зафиксирована в первые сутки после остановки очистного забоя.

5. При остановленном после выемки отдельного элемента угольного пласта очистном забое вертикальные смещения пород кровли наиболее интенсивно происходят в зоне, форма которой близка к полуэллипсам, а их ось наклонена в сторону выработанного пространстваугол наклона оси полуэллипса и его объём увеличиваются во времени по степенной функции с показателем степени 0,4−0,6.

6. Разработан алгоритм, позволяющий: проводить оценку зависимости максимальной величины газовыделения в выработанное пространство от вариации скорости подвигания очистного забоя в заданных горногеологических и горнотехнических условияхустановливать величину газовыделения в очистной забой из выработанного пространства между обрушениями основной кровли на основе гипотез о диффузии, эжекции, разности газового (в том числе пластового) давления и давления в очистном забоеопределять влияние на газовыделение в выработанное пространство вынимаемой мощности пласта, параметров пластов-спутников, длины очистного забоя, шага обрушения основной кровли и других горнотехнических и горно-геологических показателей.

7. Объём газового коллектора в выработанном пространстве и вероятность динамического выделения метановоздушной смеси в выработки выемочного участка увеличиваются пропорционально скорости подвигания очистного забоя, прочности пород кровли, угленасыщенности массива горных пород, объёму зон расслоения пакетов подработанных породных плит.

8. Обоснованы рекомендации для управления геомеханическими процессами, обеспечивающими оптимальную скорость подвигания очистного забоя: установка секций по заряженной схеме и передвижка их сразу за проходом комбайнаприменение мехкрепей с выдвижными консолями и противоотжимными щиткамиприменение очистных комбайнов с шириной захвата 0,5 мвыемка угля по односторонней или уступной схемеповышение частоты обновления поверхности забоя с применением двухкомбайновой или стругово-комбайновой выемкиупрочнение угля и пород на поверхности забоя полимерными клеями или деревянными анкерамиразмещение очистного забоя под углом 30−90° к основной системе трещин в углепородном массиве и др.

9. Результаты исследований реализованы при отработке пяти выемочных столбов шахт «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», а также в проектах реконструкции этих предприятий.