Разработка метода прогноза зон интенсивного метановыделения при активизации геомеханических процессов в угольных шахтах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.02, кандидат технических наук Радиковский, Михаил Иванович

• Радиковский, Михаил Иванович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Радиковский, Михаил Иванович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОПЫТА И РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

1.1. Анализ производственного опыта управления газодинамическими процессами в угольных шахтах

1.2. Анализ способов управления геомеханическими процессами

при высокоинтенсивной отработке угольных пластов

1.3. Анализ состояния и результатов научно - исследовательских работ по изучению закономерностей взаимодействия газодинамических и геомеханических процессов

1.4. Выводы, цель и задачи исследований

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ЗАГАЗИРО-ВАНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

2.1. Программа, методика и объект исследований

2.2. Статистическая обработка результатов исследований загазирований горных выработок

2.3. Шахтные исследования влияния активизации геомеханических процессов на метановыделение в выемочных штреках

2.4. Шахтные исследования эффективности способов и средств управления метановыделением на выемочных участках

Выводы

3. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ

3.1. Выбор и характеристика экспериментального участка

3.2. Шахтные исследования газодинамических процессов при

активизации проявлений горного давления

3.3. Шахтные исследования активизации геомеханических процессов при интенсивной отработке выемочных участков

3.4. Исследования закономерностей разрушения пород почвы

при активизации проявлений горного давления

Выводы

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ЗОН ИНТЕНСТВНОГО МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ АКТИВИЗАЦИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

4.1. Общие положения

4.2. Метод предварительного прогноза зон интенсивного метановыд еления

4.3. Метод оперативного прогнозона зон интенсивного метановыделения

4.3.1. Научные основы метода оперативного прогноза

зон интенсивного метановыделения

4.3.2. Исходные данные и алгоритм расчета параметров участков с интенсивным выделением метана

4.4. Методика прогноза зон интенсивного метановыделения при геомеханических процесса

4.4.1. Проектный этап реализации методики прогноза

зон повышенного метановыделения

4.4.2. Эксплуатационный режим реализации методики прогноза зон повышенного метановыделения

4.5. Назначение, область применения и реализация методики

4.6. Разработка рекомендаций по управлению метановыделением

при отработке выемочного столба 26-32 ш. «Абашевская»

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода прогноза зон интенсивного метановыделения при активизации геомеханических процессов в угольных шахтах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из факторов, снижающих эффективность внедрения прогрессивных технологий подземной угледобычи, является высокая аварийность забоев с дорогостоящим высокопроизводительным горношахтным оборудованием из-за загазирований горных выработок. На шахтах Кузбасса в 1994 г. произошло 1054 , в 1995 г. -803, в 1996 г. -647 , в 1997 г.-470 случаев загазирований при средней продолжительности каждого 5 часов. Хотя абсолютное число загазирований уменьшилось, однако количество травмированных людей при вспышках и взрывах метана возросло в 1997 г. в 2.7 раза по сравнению с 1995г. и достигло в среднем 45 случаев в год, в том числе 26 смертельных.

Одной из причин появления зон повышенного газовыделения является недостаточная изученность влияния геомеханических процессов на газопроницаемость и метановыделение углепородной толщи при интенсивной отработке угольных пластов. Существующие методики и нормативные документы разработаны, в основном, на базе теоретических исследований и экспериментов, проведенных на выемочных участках, отрабатываемых с нагрузкой на очистной забой до 1000 т в сутки. Для обеспечения безопасной и стабильной работы очистных забоев с суточной нагрузкой более 5000 т необходимо совершенствование существующей системы управления метановыделением на основе новых методов прогноза и способов профилактики загазирований горных выработок.

Увеличение скорости подвигания очистных забоев приводит к периодической активизации геомеханических процессов в виде обрушений пород кровли, разломов и пучений пород почвы, что является причиной изменения газопроницаемости угольного пласта и боковых пород и интенсификации процессов метановыделения. Комплексные исследования взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при отработке выемоч-

ных участков с нагрузкой более 80-100 тыс. т/мес. проводились в ограниченном объеме и не обобщены в виде методик и нормативных документов.

Поэтому обоснование пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных участков, с учетом периодической активизации и взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при интенсивной отработке угольных пластов, является актуальной научной задачей. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Работа выполнена по результатам плановых НИР Сибирского государственного индустриального университета в 1993-1997 гг. по программе «Недра Кузбасса» и ФЦП " Интеграция".

Цель работы - обеспечение безаварийной интенсивной отработки выемочных участков угольных шахт посредством использования разработанного метода прогноза зон интенсивного метановыделения и их параметров.

Идея работы заключается в использовании закономерностей взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при периодической активизации сдвижений пород кровли и почвы газоносных угольных пластов, отрабатываемых по интенсивной технологии.

Задачи исследований:

провести анализ причин и установить статистические параметры загазиро-ваний горных выработок шахт Кузбасса;

выявить и ранжировать основные геомеханические и технологические процессы, влияющие на загазирование горных выработок;

установить периодичность и интенсивность вероятных загазирований горных выработок по длине выемочного участка;

исследовать влияние способов и схем проветривания выемочных участков на эффективность отработки газоносных угольных пластов;

установить закономерности синхронизации и количественную связь параметров периодического разрушения пород кровли и почвы с дебитом и концентрацией метана в выработках выемочного участка;

разработать метод прогноза зон повышенного газовыделения в горные выработки и их параметров с использованием системы геомеханического мониторинга;

обосновать пространственно-планировочные и технологические параметры выемочных участков и полей с учетом взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов при отработке газоносных угольных пластов по интенсивным технологиям.

Методы исследований: статистический анализ для установления причин и параметров загази-рований горных выработок;

метод главных компонент для определения уровня значимости и ранжирования геомеханических и технологических процессов, влияющих на загазиро-вания горных выработок;

шахтные исследования физических и технологических процессов для установления закономерностей метановыделения по длине выемочного участка при различных схемах и способах его проветривания;

физическое моделирование с использованием эквивалентных материалов для установления закономерностей периодического разрушения пород кровли и почвы;

экспериментально-аналитический метод для прогноза параметров зон вероятного загазирования на основе результатов оперативных шахтных измерений и математического моделирования;

системный подход для обоснования пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных участков при взаимодействии геомеханических, газодинамических и технологических процессов.

Научные положения, выносимые на защиту:

распределение вероятности загазирований горных выработок подчиняется логарифмически - нормальному закону с максимумом плотности распределения

концентрации метана в интервале 2-3%, а продолжительность загазирований -нормальному закону распределения;

I

вероятность загазирований горных выработок зависит от комплекса геомеханических и технологических процессов, которые ранжируются следующим образом: остановка вентилятора, обрушение пород кровли и пучение пород почвы, выемка пласта в зоне геологических нарушений, реверсирование вентиляционной струи;

процесс метановыделения в горные выработки имеет периодический характер, положение максимумов которой отстает по времени от обрушений пород основной кровли; между двумя соседними максимумами периодической функции концентрация метана изменяется стохастически в виде случайной реализации; интенсивность метановыделения в выемочном участке максимальная при первичном обрушении пород основной кровли и постепенно снижается при последующих обрушениях в виде реализаций волновых случайных функций;

одним из критериев эффективности отработки газоносных угольных пластов при комбинированной схеме проветривания выемочных участков является равенство или превалирование объема метановоздушной смеси, выдаваемой га-зоотсасывающими установками, по отношению к объему отработанного воздуха, выдаваемого за счет общешахтной депрессии;

положение зон периодического разрушения пород кровли и почвы синхронно с участками всплесков дебита и концентрации метана; расстояние между линией очистного забоя и участками всплесков обратно пропорционально зависит от градиента отношения фактической и начальной площадей поперечного сечения выемочной выработки на сопряжении с лавой к начальной;

повышение надежности прогноза параметров зон вероятного загазирования горных выработок обеспечивается геомониторингом, который включает систему автоматизированного измерения параметров метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработки на сопряжении с лавой, алгоритм,

компьютерное программное обеспечение и технические средства передачи и обработки информации;

стабилизация газовой обстановки в зонах вероятного загазирования достигается системным регулированием пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных полей и участков путем изменения технологии выемки угля, схем и способов проветривания, газоотсоса и дегазации.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается и подтверждается:

использованием классических методов статистического и корреляционного анализа 385 загазирований очистных забоев на шахтах Кузбасса;

ежесуточными измерениями параметров метановыделения и деформирования выемочных выработок на пласте 26а шахты "Абашевская " при отработке выемочных участков 26-28 и 26-30 (более 2000 наблюдений), а также измерениями концентрации метана во время загазирований на шахтах "Распадская", "Чертинская", "Западная", "Новая";

соответствием основных закономерностей взаимодействия геомеханических, газодинамических и технологических процессов физическим законам сохранения энергии и гравитации и качественным представлениям теории и практики управления горными работами при выемке газоносных пластов в зонах повышенного горного давления;

- положительными результатами опытно-промышленной эксплуатации и внедрения разработок на шахтах " Абашевская" (выемочные участки 26-28,26-30,2632), " Аларда" (выемочный участок 6-1-9), "Распадская" ( выемочные участки 49-9,3-10-9)," Зыряновская" (выемочный участок 16-04), "Первомайская" (выемочный участок 726), "Чертинская" (выемочный участок 542) в Кузбассе. Научная новизна работы состоит:

в подтверждении гипотезы скачкообразного изменения упругой потенциальной энергии, удовлетворительно описывающей причины загазирований горных выработок периодическими изменениями фильтрационных свойств и напря-

женно-деформированного состояния массива горных пород в зоне влияния очистных работ;

в ранжировании геомеханических и технологических процессов, влияющих на интенсивность, продолжительность и место возникновения загазирований;

в определении периода и амплитуды периодической функции выделения метана в горные выработки по длине выемочного участка;

в обосновании критерия эффективности технологии отработки газоносных пластов при комбинированной схеме газоуправления и проветривания выемочных участков в виде предельного отношения объемов метановоздушной смеси и отработанного воздуха;

в установлении синхронности периодических разрушений пород кровли и почвы с процессами интенсивного метановыделения в горные выработки выемочного участка;

в выявлении обратно пропорциональной корреляционной зависимости координат зоны вероятного загазирования от градиента отношения фактической и начальной площадей поперечного сечения прилегающей к очистному забою выемочной выработки;

в разработке метода прогноза параметров волнового процесса метановыделения с настройкой входных параметров математической модели по результатам геомеханического мониторинга в выемочном столбе, отрабатываемом по интенсивной технологии;

в разработке системы оперативного управления газовыми режимами путем изменения пространственно-планировочных и технологических параметров выемочных полей и участков, технологии выемки угля, схем и способов проветривания, газоотсоса, дегазации.

Личный вклад автора состоит в разработке методик и проведении шахтных и лабораторных измерений, статистической обработке результатов исследований, обосновании геомеханических, газодинамических и технологических параметров выемочных участков и включает:

сбор, статистическую обработку и установление причин и параметров функции распределения загазирований горных выработок на шахтах Кузбасса;

определение рангов геомеханических и технологических процессов, влияющих на параметры загазирований горных выработок;

установление на основе шахтных измерений периодичности изменения концентраций метана и деформаций выемочных выработок по длине выемочного участка;

обоснование численного значения критерия эффективности технологии отработки газоносных пластов при комбинированной схеме проветривания выемочных участков по предельному отношению объемов метановоздушной смеси,выдаваемой с помощью газоотсасывающих установок, и отработанного воздуха, выдаваемого за счет обшешахтной депрессии;

синтез результатов измерений концентраций метана и деформаций выемочных выработок, и определение эмпирической зависимости координат зоны с повышенной концентрацией метана от градиента смещений контура выемочной выработки на сопряжении с движущимся очистным забоем;

разработку системы мониторинга, включающего систему автоматизированного измерения параметров метановыделения и конвергенции кровли и почвы выемочной выработки на сопряжении с лавой, алгоритм, компьютерное программное обеспечение и технические средства передачи и обработки информации;

разработку системы оперативного управления метановыделением в выемочном участке путем изменения схем и способов проветривания, газоотсоса, дегазации и технологии выемки угля.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

устанавливать причины и прогнозировать параметры зоны повышенного метановыделения при проектировании и отработке выемочных участков угольных шахт;

прогнозировать вероятные последствия изменения пространственно-планировочных и технологических параметров выемочного участка на параметры повышенного метановыделения;

корректировать по результатам мониторинга проектные пространственно-планировочные и технологические параметры путем оперативного изменения технологических режимов очистных работ, схем и способов проветривания и дегазации выработанного пространства для профилактики загазирований горных выработок;

повысить безопасность горных работ за счет предупреждения и снижения опасности возникновения чрезвычайных ситуаций. )

Реализация работы. Результаты работы в виде рекомендаций, заключений и лекционного материала использованы на шахтах Кузбасса: "Абашевская", "Аларда", "Зыряновская", "Распадская", "Первомайская", "Чертинская "ив учебном процессе СибГИУ (г. Новокузнецк).

Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на III Международной научно-практической конференции (Новокузнецк, 1996), Международной научно-практической конференции СИБРЕСУРС-97 (Кемерово, 1997), I и II Международных конференциях "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1996, 1997), Совете Кузнецкого управления Госгор-технадзора РФ (Кемерово, 1996-1997гг.), технических советах АОУК "Кузнецкуголь" шахт "Абашевская", "Распадская" (Новокузнецк, МеждуреченскД996-1997 гг.), семинаре кафедры разработки пластовых месторождений СибГИУ (Новокузнецк, 1997).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 176 стр. машинописного текста, в том числе 61 рис.,8 табл., список литературы из 78 наименований.

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОПЫТА И РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

1.1. Анализ производственного опыта управления газодинамическими процессами в угольных шахтах

На шахтах РФ в настоящее время накоплен значительный производственный опыт по управлению газодинамическими процессами при отработке угольных пластов. Сущность такого управления сводится к прогнозу ожидаемого мета-новыделения в выработки выемочного участка, построению эффективной топологии вентиляционной схемы применительно к конкретным горногеологическим и горнотехническим условиями планируемого участка, расчету необходимого расхода воздуха для проветривания в соответствии с действующими нормативными документами, реализации в шахтных условиях соответствующих инженерных мероприятий, обеспечивающих достаточное соответствие фактического вентиляционного режима расчетным параметрам^ последующий контроль шахтной атмосферы с возможной корректировкой условий проветривания/10,30,34 и др./.

К управлению газодинамическими процессами относятся также дополнительные мероприятия по дегазации угольного массива, выработанного пространства и пластов-спутников. Выбор того или иного варианта управления определяется конкретными условиями отработки выемочного участка с учетом специфики шахтного поля в целом.

Как показывает опыт работы угольных шахт, управление метановыделением не всегда обеспечивает выполнение требований Правил безопасности /32,33/ в части допустимых концентраций метана в шахтной атмосфере. В этом плане представляет интерес опыт ведения горных работ на угольных шахтах Кузнец-

кого бассейна, где относительная метанообильность на отдельных шахтах достигает 50 куб. м на тонну добываемого угля и отмечено 150 случаев внезапных выбросов угля и газа.

Результаты анализа работы комплексно-механизированных забоев показали, что продолжительность добычных процессов в них составляет 5-11 часов в сутки. Согласно проведенной статистической обработке простои забоев возникают по техническим, технологическим и природным причинам. К числу последних относятся внезапные обрушения пород кровли, повышенное горное давление, геологические нарушения. Эти факторы обуславливают интенсификацию выделения метана в горные выработки с последующим их загазированием.

По данным Кузнецкого горного округа Госгортехнадзора РФ на шахтах Кузбасса в 1994 г. произошло 1054 случая загазирования, в 1995 г. - 803, в 1996 г. - 647, в 1997 г. - 470 случев. Учитывая, что каждое загазирование сопровождается остановкой технологических процессов на 0,5-24 часа, в среднем 5 часов, можно утверждать о недостаточно эффективном управлении газодинамическими процессами в угольных шахтах.

Наличие в горных выработках участков, где концентрация метана превышает допустимую, является причиной возникновения чрезвычайной ситуации на шахте в виде взрыва, пожара и др., что подтверждается многолетним опытом работы горных предприятий.

Следует заметить, что применяемые в доперестроечное время очистные комплексы в большинстве случаев имели суточные нагрузки до 2000 т, поэтому на ряде шахт Кузбасса в качестве средств управления метановыделением ограничивались, как правило, одним или двумя мероприятиями по обеспечению требуемых параметров шахтной атмосферы. При этом основная роль отводилась действенному проветриванию очистных забоев и примыкающих к ним выработок выемочного участка. Если средствами вентиляции не удавалось обеспечить нормируемые концентрации метана в очистном забое и примыкающих

выработках, применялись различные средства и схемы дегазации выемочных столбов и выработанного пространства. При этом использовались варианты как поверхностных, так и подземных схем искусственной дегазации с прокладкой соответствующих трубопроводов и подключением последних к высоконапорным вакуумным насосам типа ВВН с различной производительностью.

В последнее время широкое применение на шахтах Кузбасса получили мероприятия по снижению газообильности выемочных участков поверхностными и подземными газоотсасывающими вентиляторами типа ВМЦГ-7 и УВЦГ-15 /35/. Весьма показателен в этом отношении опыт каптажа метана на шахтах "Абашевская", "Капитальная", "Юбилейная" и др. АО УК "Кузнецкуголь", где был проведен широкий комплекс экспериментальных исследований по выбору эффективных вариантов схем проветривания и дегазации выемочного участка на тонких и средней мощности пологих пластах.

Значительный опыт применения газоотсасывающих вентиляторов накоплен на шахте "Распадская". Так при отработке выемочного столба 4-7-9 были ис-пытанысхемы проветривания части лавы в пределах межлавного целика, когда конвейерный штрек вышележащего яруса был полностью погашен на протяжении 1800 м. Из-за большого аэродинамического сопротивления сети выработанного пространства надежное проветривание очистного забоя в пределах межлавного целика не обеспечивалось, поэтому пришлось ограничить протяженность выработанного пространства, подключенного к газоотсасывающему вентилятору ВМЦГ-7, до 1000 м. Предложенная схема проветривания (рис. 1.1) позволила отработать указанный столб без каких-либо ограничений по газовому фактору.

Выполненные на шахте эксперименты подтвердили наличие устойчивой аэродинамической связи выработанного пространства и перспективную возможность управления метановыделением с помощью вентиляторов ВМЦГ-7 без сохранения конвейерных штреков. С другой стороны, положительная оценка

Рис. 1.1

Схема проветривания тупикового участка лавы через выработанное пространство с помощью газоотсасывающего вентилятора

предложенной схемы входит в известное противоречие с Правилами безопасности /32/, которые требуют наличия двух выходов из очистного забоя.

С созданием современных механизированных крепей с несущей способностью до 1300 кН на кв.м и возможностью их дистанционного управления указанная опасность практически исключается. Доказательством тому является отсутствие случаев завала тупиковых участков очистных забоев и, следовательно, травматизма рабочих.

В то же время анализ условий эксплуатации сохраняемых конвейерных штреков в качестве вентиляционных выработок, и особенно в качестве запасных выходов, свидетельствует о том, что эти функции не могут обеспечить полной безопасности работ.

Выполненные за последние 15-20 лет научные разработки и предложения производственников по эффективному сохранению конвейерных штреков не привели к ожидаемому практическому результату. Таким образом, становится |

I

очевидным пересмотр действующих Правил безопасности /32,33/ в этом на-1 правлении или отказ от бесцеликовой технологии.

Анализ опыта работы очистных забоев с нагрузкой 80-120 тыс.т в месяц показал, что в горной практике отсутствуют надежные и безопасные схемы управления метановыделением. Это связано с низкой надежностью систем дегазации, ограниченным числом выемочных выработок в пределах выемочного участка, уменьшением поперечного сечения выработок под влиянием горного давления /52/.

Ситуация еще более усложнится при переходе угольной отрасли на высокоинтенсивные технологии с месячной нагрузкой 150-300 тыс .т/мес. В этой связи целесообразно провести анализ существующих способов и средств управления геомеханическими процессами при интенсивной отработке выемочных полей.

1.2. Анализ способов управления геомеханическими процессами при высокоинтенсивной отработке угольных пластов

Существующие нормативные документы /20-22,32,36,37 и др./ позволяют определять геомеханические параметры технологических схем выемочных участков, как правило, при скорости подвигания комплексно-механизированного забоя до 4-6 м/сутки. При высокоинтенсивных технологиях скорость подвигания очистных забоев составит 8-15 м в сутки.

Опыт работы бригад-миллионеров /38-41 и др./ показал, что увеличение скорости подвигания очистных забоев в 2-5 раз принципиально возможно при существущей технике и технологии. Наилучшие результаты были получены на шахтах "Распадская", "Воргашорская", "Капитальная" и др. Например, на шахте "Капитальная" в Кузбассе бригада Б.П. Старунова добыла 1 ноября 1986 г. 10613 т в сутки, а за весь 1987 г. - 1172,5 тыс.т. В 1987 г. в тысячном режиме работали 44 очистные бригады ПО "Южкузбассуголь", которые добыли 20,7 млн.т угля.

Возможность резкого повышения нагрузки на очистной забой на шахтах России подтверждается также опытом работы зарубежных шахт /42,43 и др./, где в лавах длиной 192-375 м, при длине выемочного участка до 4 км объем добычи составил 7,8-14,0 тыс.т в сутки.

В результате анализа опыта работы очистных забоев с суточной нагрузкой более 3 тыс.т было установлено, что увеличение скорости подвигания забоя по разному влияет на геомеханические процессы в массиве горных пород.

При отработке угольных пластов с труднообрушающимися породами кровли рост скорости подвигания очистного забоя в целом благоприятно влияет на

устойчивость призабойного пространства за счет увеличения шага обрушения пород основной кровли и обрушения их в выработанном пространстве /1416,44/. Однако, при остановке забоя или уменьшении скорости его подвигания, обрушение пород основной кровли происходит над механизированной крепью или над угольным пластом впереди забоя. В последнем случае в непосредственной кровле формируются породные блоки, которые перемещаются в забой с образованием вывалов.

В монографии коллектива авторов /9/ приведены результаты статистической обработки экспериментальных геомеханических параметров выемочных участков шахт Кузбасса. Получена эмпирическая зависимость

где Ькр - устойчивый пролет кровли, м;

а - угол падения пласта, град;

асж - предел прочности пород кровли на одноосное сжатие, МПа;

Уо - скорость подвигания забоя, м/сут;

уН - гидростатическое напряжение на глубине разработки Н, МПа;

Ь - длина лавы, м;

В, V*, Ьо - эмпирические параметры: В = 23 м; V* = 1 м/сут; Ьо= 3,5 м.

Графики изменения устойчивого пролета кровли при разной скорости подвигания забоя приведены на рис. 1.2. Графики рассчитаны по формуле (1.1) при <х=15°, асж=10 МПа, уН = 5 - 15 МПа, Ь=100-300 м.

Как следует из графиков с увеличением скорости подвигания забоя шаг обрушения пород основной кровли растет по параболической зависимости при

(1.1)

уН =5МДа—

уН=15 МПа

1=2 00 м

8 12 16 Скорость подвигания забоя \/0, м/сут

20

0

б

Рис. 1.2. Графики зависимости устойчивого пролета кровли от скорости подвигания забоя: а - при длине лавы 200 м и переменной глубине; б - при постоянной глубине и переменной длине лавы

постоянной длине лавы (рис. 1.2,а). На больших глубинах следует ожидать уменьшение шага обрушения основной кровли. Сокращение длины лавы способствует росту шага обрушения пород кровли в широком диапазоне изменения скорости подвигания очистного забоя (рис. 1.2,6).

Увеличение скорости подвигания очистных забоев при отработке угольных пластов с легкообрушающимися породами кровли, как правило, оказывает положительное влияние на устойчивость крепи и пород- кровли в очистном забое. Это подтверждается как производственным опытом, так и расчетами по формуле (1.1).

В результате фундаментальных исследований /9,14-19,45 и др./ было установлено, что для конкретной горно-геологической и горнотехнической ситуации существует критическая скорость движения очистного забоя. Если фактическая скорость подвигания забоя выше критической, то геомеханическая ситуация в выемочном участке благоприятная. При скорости движения забоя меньше критической характер проявления горного давления существенно зависит от темпов подвигания лавы (рис. 1.2).

По исследованиям разных авторов критическая скорость существенно зависит от глубины разработки, мощности пласта, прочности угля, строения и деформационных свойств пород кровли. По разным источникам критическая скорость подвигания забоя составляет 4,5-8,2 м/сутки /9,17,14,19 и др./.

Негативными последствиями увеличения скорости подвигания очистного забоя является рост метановыделения из выработанного пространства при периодических обрушениях пород кровли. К сожалению, закономерности газовыделения из выработанного пространства и пластов-спутников при интенсивной отработке выемочного участка и циклическом обрушении пород кров*

ли горной наукой и практикой изучены недостаточно, о чем свидетельствует большой объем загазирований . Поэтому целесообразно рассмотреть имеющие-

ся в горной науке результаты исследований взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов при отработке угольных пластов.

Вопросу управления газовыделением из выработанных пространств угольных шахт посвящены работы ведущих ученых горной науки /2,3,5,6,11,29,30 и др./, основная сущность которых заключается в разработке методов поиска оптимальных режимов вентиляции и дегазации для условий действующих и проектируемых шахт. При этом главным результатом последних исследований, / проведенных в МГ^ГУ /30,46/ является выбор приоритетного режима дегазации, позволяющего в значительной степени улучшить экологию шахтной поверхности и получить дополнительную прибыль за счет промышленного использования каптируемого метана.

В этих же работах установлены основные закономерности формирования метановоздушной смеси в выработанном пространстве выемочного участка во времени и пространстве, являющиеся базой для автоматизированного управления параметрами вентиляции с учетом переходных процессов.

Доказана вероятность возникновения определенных всплесков концентраций метана в горных выработках при переходе на более интенсивное проветривание выемочного участка за счет дополнительного поступления метана из выработанного пространства. Подобные всплески, как правило, не увязаны с происходящими в шахте геомеханическими процессами. В некоторых анализируемых работах лишь указывается на возможность появления дополнительных всплесков концентрации метана, вызванных обрушениями основной кров-

Анализ состояния и результатов научно-исследовательских работ по изучению закономерностей взаимодействия газодинамических и геомеханических процессов

ли пласта, однако механизм газодинамических процессов во взаимосвязи с геомеханическими явлениями не рассматривается и, следовательно, эта научная проблема требует дополнительных исследований.

На наличие взаимосвязанных геомеханических и газодинамических процессов указывается в работе /47/, автор которой отмечает связь поведения горного массива отрабатываемого столба при управлении кровли полным обрушением с периодическим зависанием и последующим обрушением пород непосредственной и основной кровли, приводящим к газодинамическим процессам с той же периодичностью при некотором сдвиге фазы по длине отрабатываемого столба и,следовательно, во времени.

По мнению автора указанной работы основными причинами происходящих процессов является глубина горных работ и зависание слоев пород кровли с созданием соответствующих концентраций напряжений в массиве. Здесь же отмечается, что газодинамические процессы непосредственно в горном массиве происходят в постоянно изменяющемся поле напряжений, причем могут иметь место как десорбционные, так и сорбционные процессы, которые при определенном уровне напряжений могут привести к увеличению объема газов в свободном состоянии с соответствующим повышением газового давления.

Следствием такого положения могут быть периодические внезапные выбросы. Следует однако заметить, что и в этой работе отсутствует информация о появлении искусственных коллекторов газа после обрушения пород основной кровли и изменений их объема в результате подвигания очистного забоя и оседания пород налегающей толщи.

Выполненные в работе /48/ исследования аэрогазовой динамики в выемочных полях на пологих пластах шахт Кузбасса также подтвердили выделение метана в действующие выработки из газовых коллекторов выработанных пространств. Однако автором этой работы делается вывод о том, что такие явления

связаны прежде всего с изменением атмосферного давления, а не с происходящими геомеханическими процессами в выработанном пространстве.

Комплекс исследований влияния волновых процессов на аэрогазодинамику угольных пластов представлен в работах /11,49/, в которых даны решения по формированию геомеханических характеристик в угольном массиве и прогнозированию внезапных выбросов на выемочных участках. Вопрос взаимосвязи нестационарных газодинамических процессов с геомеханическими проявлениями автором указанной работы практически не рассматривался.

Существенный научный вклад в решение задачи интеграции газодинамических и геомеханических процессов внес Б.Г. Тарасов и его ученики /2,4,5,29 и др./. В этих фундаментальных работах рассматривается зона разгрузки горных пород в окрестности подземной выработки и по результатам шахтных и аналитических исследований предлагается учитывать газовыделение только в зоне полных сдвижений, границы которой устанавливаются экспериментально или по Правилам охраны /50/. На рис. 1.3 приведена принципиальная расчетная схема определения параметров зоны разгрузки (рис. 1.3,а) и метановыделения (рис. 1.3,6). Схема разработана В.А.Колмаковым/2/.

Элементом новизны в работах /2,5/ по сравнению с рекомендациями /50/ является зависимость размеров зоны метановыделения от скорости движения забоя, т.е.

г = 1+с1

1-ехр

у0 7

(1.2)

где Ъ - высота зоны полных движений;

I - высота зоны деформаций пород в момент образования плоскостей обнажения; с1 - параметр, учитывающий реологические свойства массива

горных пород; ар- реологический коэффициент ар = 0,1 +0,2;

V

Рис.1.3. Схемы к определению параметров зоны разгрузки {а) и газовыделения (б) в подработанном массеве /2/:

1-2 - зона обрушенных пород; 1-5 - зона полной разгрузки пород; 4-5 - зона смещений пород; 1-7 - глубина горных работ; 6-7 - зона газового выветривания; 3-8 - зона газового истощения толщи по простиранию; 9-10 - зона газоотдачи пласта-спутника по падению; И, 14 - газовое давление в в ласте-спутнике; 12, 15 - газопроницаемость пласта-спутника; 13, 16 - сопротивление пласта-спутника движению газа

Ъ{ - мощность подработанной толщи;

фз - угол полных сдвижений /50/;

Уо - скорость подвигания забоя.

Согласно формуле (1.2) при интенсивной отработке выемочного участка высота зоны метановыделения уменьшается по экспоненциальному закону. В случае остановки забоя его скрорость Уо 0 и происходит увеличение области метановыделения. Такие явления неоднократно наблюдались на шахтах Кузбасса при доработке выемочных участков, когда в демонтажной камере концентрация метана превышала предельную.

Интенсификация процессов выемки угля приведет к увеличению длины шага обрушения основной кровли и размеров незаполненного обрушенными породами выработанного пространства. Однако, высота зоны метановыделения

(

при больших скоростях подвигания очистного забоя существенно уменьшится.; -Изучить влияние этих двух процессов на интенсивность метановыделения является задачей настоящей работы.

Другим преимуществом результатов исследований, полученных Б.Г. Тарасовым и В.А. Колмаковым по сравнении с их предшественниками, является возможность прогноза изменения пористости и проницаемости углепородной толщи.

Решение задачи прогноза метановыделения на основе работ Б.Г. Тарасова, В.А. Колмакова получил Ю.П. Ванжа /1/. Отличие полученных им результатов исследований от работ /2,5/ заключается в определении размеров зоны метановыделения по критическим деформациям, полученным методом конечных элементов.

Из последних исследований по проблемам взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов следует выделить работу /51/. Авторы предлагают алгоритм расчета метановыделения из подрабатываемого пласта для обоснования параметров эффективного управления газовыделением в вырабо-

танное пространство. В алгоритме также отмечается влияние скорости движения очистного забоя на интенсивность метановыделения.

Проведенный анализ результатов исследований закономерностей активизации процессов метановыделения при совокупном проявлении геомеханических и газодинамических факторов показал, что решение этой задачи актуально в настоящее время в связи с концентрацией и интенсификацией горных работ.

Однако результаты работ предшественников применимы в основном к процессам стационарного выделения метана и внезапным выбросам. Такое положение связано с тем, что во многих случаях нестационарное выделение метана из коллектора выработанного пространства квалифицировалось как локальный выброс газа, несвязанный с геомеханическими проявлениями. С другой стороны широкое внедрение в практику газоотсасывающих вентиляторов давало возможность существенного снижения дебита метана из выработанного пространства и таким образом снизить уровень концентраций метана во время геомеханических проявлений. Нельзя не отметить и тот факт, что отсутствие теоретической базы по взаимосвязи газодинамических и геомеханических процессов не давало возможности объективной оценки экстремальных ситуаций и в ряде случаев приводило к несоответствию отчетной документации и результатов фактических измерений. Переход на интенсивные технологии добычи угля при одновременном ухудшении горно-геологических условий требует разработки новой методологии прогноза метановыделения для создания системы оперативного управления геомеханическими и газодинамическими процессами.

1.4. Выводы

Проведенный анализ производственного опыта и результатов научно-исследовательских работ по созданию новых способов и средств управления

взаимодействующими газодинамическими и геомеханическими процессами

К

угольных шахт показал, чтсгв России накоплен богатый опыт управления газодинамическими процесами. Горная наука обеспечила разработку и создание прогрессивных схем и способов проветривания и управления метановыделени-ем. Синтез научных достижений и производственного опыта позволил в благоприятных горно-геологических условиях повысить нагрузку на выемочный участок до 80-100 тыс. т/мес.

Значительный вкп&д в формирование научных представлений в газодинамических процессах, протекающих в углепородном массиве при комплексно-механизированной выемке угля, внесли крупные ученые: ф(Ж. Айруни, Г.А. Беспятов,;В.А. Бонецкий, О.II. Ваижа, В.Н. Вылегжанин, Г.И. Грицко, Н.О. Каледина, В.А. Колпаков, Г,Д. Лидин, В.П. Мазикин, В.И. Мурашев, П.И. Мус-тель, A.A. Мясников, Г.Я. Полевщиков, Л.А. Пучков, А.А.Скочинский, Г .Г. Стекольщиков Б.Г. Тарасов, К.З.Ушаков, Л.А. Шевченко А.Н. Щербань и ДР

Однако, в сложных горно-геологических условиях увеличение нагрузки на очистной забой сдерживается газовым барьером, что выражается в частых остановках горных работ из-за загазирования (до 1000 в год в Кузбасе) горных выработок и, как следствие, возникновений чрезвычайных ситуаций.

Одной из причин, ограничивающих расширение области применения, интенсивных технологий угледобычи, является отсутствие методологии, обеспечивающей прогноз параметров метановыделения при взаимном влиянии газодинамических и геомеханических процессов.

В этой связи разработка системы управления взаимодействующими геомеханическими и газодинамическими процессами, обеспечивающей безопасную и эффективную отработку угольных пластов, является актуальной.

С учетом проведенного анализа и актуальности работы были сформированы цель, задачи и методы исследования диссертации.

Для решения поставленных задач в диссертации использованы результаты научных исследований предшественников, натурные исследования на шахтах Кузбасса, а также производственный опыт работы автора.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ЗАГАЗИРОВАНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

2.1. Программа, методика и объект исследований

Исследования закономерностей метановыделения проводились на шахтах Кузбасса в течение 1994-1997 гг. В соответствии с разработанной программой осуществлялся ежесуточный сбор и анализ информации о загазирова-нии горных выработок. Все случаи загазирований, связанные с обрушением пород кровли, пучением пород почвы, вывалами угля и пород, изучались в шахтных условиях, по планам горных работ и по результатам замеров концентрации метана до и после интенсивного метановыделения. При этом анализировались изменения расхода воздуха и концентрации метана, проводился расчет газового баланса выемочного участка по источникам газовыделения.

В процессе анализа изучался режим проветривания выработанного пространства с помощью газоотсасывающих вентиляторов. Это осуществлялось путем установки дополнительных замерных станций, взятия и анализа проб воздуха, воздушных депрессионных съемок и др.

Влияние горного давления на состояние углепородного массива изучалось по результатам шахтных инструментальных измерений и визуальных осмотров состояния горных выработок с зарисовкой характерных участков. Инструментальные наблюдения включали измерение конвергенции кровли и почвы, отжим боков и деформации элементов крепи горных выработок. Визуальный осмотр состояния горных выработок заключался в зарисовках характера обрушения пород в выработанном пространстве, вывалов, состояния сопряжений очистного забоя и выемочных выработок и др.

В качестве объекта исследований приняты шахты Кузбасса. Выемочные участки шахт были ранжированы по объемам добычи. В первую группу включены выемочные участки шахт "Распадская", "Томская", им. Ленина, "Усинская", "Аларда", "Капитальная", "Абашевская", "Зыряновская", "Поло-сухинская", "Есаульская", "Юбилейная", "Чертинская", "Октябрьская", им. Кирова, "Инская", "Первомайская" и др. Выделение этой группы шахт связано с тем, что на них в доперестроечный период или в настоящее время достигнуты нагрузки 50 и более тыс. т в месяц, и, следовательно, результаты работы этих шахт можно использовать для установления влияния геомеханических процессов на метановыделение в соответствии с поставленными в настоящей работе задачами.

Все случаи загазирования на шахтах первой группы изучались автором по полной программе с анализом и установлением причин возникновения чрезвычайных ситуаций по газовому фактору. Характеристика выемочных участков шахт первой группы, где произошли загазирования за 2,5 года, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристика выемочных участков

Шахта Пласт Участок Длина Выни- Глубина Угол паде-

лавы,м маемая мощностям разработки.м ния,град

Распад- 6-6а 5-6-15 4,20 140-360 5-10

ская

-«- 11 4-11-37 2,52 90-160 6-11

-«- 6-6а 5-6-4 4,20 140 5-10

-«- 10 3-10-11 2,47 120-290 5-12

-«- 6-6а 5-6-4 4,20 140-360 5-10

-«- 7-7а 4-7-21 160 4,94 340 8

Октябрь- Инский 3 644 150 1,65 180 4-6

ская

-«- Инский 3 644 150 1,65 180 4-6

Полыса- 883 125 3,38 250 4-5

евский 2

Новая 4 409 200 1,60 280 5

Западная 5 511 125 2,10 280 8

Чертин- 5 568 150 2,05 505 10

ская

-«- 3 322 125 3,02 500 8

-«- 3 326 125 2.76 510 11

Абашев- 26а 26-22 135 2,66 550 29-12

ская -

Согласно данным табл. 2.1 в качестве объектов исследований по полной программе включены выемочные участки, характеризующиеся широким диапазоном горно-геологических и горнотехнических условий (мощность пластов 1,60 - 4,94 м, глубина разработки 90 -510 м, длина лавы 125-200 м).

Во вторую группу включены выемочные участки, которые отрабатываются в сложных природных условиях и вероятность перевода этих забоев на интенсивные технологии низкая. Всего автором проанализировано 385 случаев загазирований горных выработок. Исследования характера деформирования уг-лепородной толщи и метановыделения на участках второй группы проводились с целью установления особенностей взаимодействия геомеханических и газоди-

намических явлений и обобщения результатов, полученных автором и другими исследователями.

Методика анализа результатов исследований включала статистическую обработку методами сравнительного анализа, установление корреляционных зависимостей параметров метановыделения и проявления горного давления от основных горно-геологических и горнотехнических факторов, а также экспертную оценку чрезвычайных ситуаций.

2.2. Статистическая обработка результатов исследований загазирований горных выработок

Для статистического исследования общих свойств совокупности загазирований в выборку включено 385 случаев.

На первом этапе изучалось распределение всех загазирований в течение календарного года по основным угледобывающим районам Кузбасса. В матрице, приведенной на рис. 2.1, показано распределение случаев загазирова-ния горных выработок в течение 1994-1997 гг.

Согласно матрице распределения случаев загазирований наиболее опасными являются шахты г. Прокопьевска, где произошло 35 % загазирований от общего числа, шахты "Новая", "Западная" и "Чертинская" в Беловском районе (16 %), а также шахты "Распадская" (11 %) и Березовского района (10 %). Высокая частота загазирований горных выработок возможна как на перспективных шахтах ("Распадская", так и на неперспективных (шахты г. Прокопьевска). Следовательно, частота загазирований зависит не только от уров-

*

ня применяемой на шахтах технологии, но и от других факторов.

Анжерский район • а о а « 4 4 ♦

Березовский район 4 т • о «о* • о 1-4 4 « о 4 « а . а а

Кемеровский район о 4

Ленинский район 4 а 4 « я

Полысаево О 4 + О * к ж + « о 4.

Белово «о 4 н •ооаа 4 4 а а я « О 4 4 4 а а и 4 а к а а а и к к о о а . * а ООО • . •О 0 а к а * к 4 а о е 4 4 " а

Киселевск 4 4 а а к а 4 к к и ■ Л ы к 4 а а а а к

Прокопьевск 4 • • оаааоа ■♦■••■444 а а а ш • мм 44-44« 44-44-а а * )( к * 44444 44 ■ т 44 о*а а 4 4 444* аооа 4 а а 4- 4 а ао«»о а а а 4 + 4 а 4 • .

Араличевский район а а* а а ш ш ш а к к

Антоновский район а а а ш 4 а а 4 а 4 а а а •

Байдаевский район и 4 4 « 4 К И • а * 4 4 о н а а

Осинники а • а 4 » 4 • ■4 т

Малиновский район « а + ■ И

Междуреченск ♦ 4 II а + 4 • • ж а 44 к • • • к 4 • • • X а 4 « 4 • • •

Распадская 4 4 4 а а а а а « * а 4 4 ■ 4 4 • « « ■ а 4 • • а 4 «а • а а а к а а 4 а к « а а а а « к 4 4 • а М * N « 444 • • а 4 4

1 2 3 4 5 6 7

Месяцы

1994 год 1995 год

1996 год .-1997 год

8 9 10 11 12

РисД!Матрица распределения загазирований

5432134 2 1321-

Белово

/\ / \ /' \ / \

/■

У ' ч. /" \

/ \ / \

М_V_

1994г.

1996г.

21321-

1996г.

1997г.

Междуреченск

А

л__

1995г.

1996г.

1997г.

Заключение диссертации по теме «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», Радиковский, Михаил Иванович

Выводы

1. Оптимальными способами и средствами управления в зоне их интенсивного метановыделения рекомендуется : комбинированная схема проветривания участков шахтного поля с использованием вентиляторов типа УВЦГ-15 с производительностью газоотсоса не менее 30-50 % от общего расхода воздуха в очистном забое; общее выработанное пространство шахтного поля не должно превышать 8-10 отработанных выемочных столбов интенсификация локального газоотсоса из приконтурного выработанного пространства отрабатываемого выемочного участка с помощью подземных га-зоотсасывающих установок типа ВМЦГ-7; восходящее проветривание очистного забоя; восходящее направление движения метановздушной смеси в газодренажной системе выработок.

2. Критерием предельной устойчивости породных плит при различных условиях их защемления и опирания на обрушенные породы является максимальный изгибающий момент. При прочих равных условиях отношение шагов обрушений пород кровли при защемлении по четырем сторонам, трем и двум составляют соответственно 1 : 0,4 : 0,3

3. На базе алгоритма экспериментально-аналитического метода и установленных закономерностей разработана методика предварительного прогноза зон интенсивного метановыделения при активизации геомеханических процессов углепородного массива. Методика дает возможность разработки оперативных рекомендаций по обеспечению безопасных условий ведения горных работ по газовому фактору.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи прогнозирования параметров зон интенсивного мета-новыделения при активизации геомеханических процессов, имеющей существенное значение для проектирования и внедрения высокопроизводительных технологий безопасной отработки газоносных угольных пластов.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем.

1. Интенсификация технологических процессов и сокращение объемов подземной добычи угля в Кузбассе привели к сокращению абсолютного числа загазирований горных выработок в 1997г. в 2.2 раза по сравнению с 1994г. Это объясняется снижением числа очистных забоев и объема добычи угля в Кузбассе. Однако, ежегодная численность травмированных людей за период с 1995 по 1997 гг. возросла в 2.7 раза.

2. Основными причинами загазирования горных выработок шахт Кузбасса являются геомеханические и технологические процессы, которые ранжируются следующим образом: технологические 63%, геомеханические 23%. Распределение вероятности загазирований подчиняется логарифмическому - нормальному закону с максимумом вероятности концентрации метана в интервале 2-3% при сренеквадратичном отклонении 0.7-0.9%. Продолжительность загазирований описывается нормальным законом и в среднем составляет 5 часов.

3. Загазирование выработок по геомеханическим причинам на одной шахте приводит к последовательной серии загазирований на соседних шахтах или блоках в течение 2-3 месяцев, а потом процесс метановыделения нормализуется. Это подтверждает гипотезу скачкообразного перехода упругой потенциальной энергии под влиянием горных разработок и изменения за счет этого газопроницаемости и напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Для достоверного подтверждения гипотезы требуется проведение дополнительных исследований.

4. Процессам интенсификации выделения метана предшествует увеличение конвергенции контура выемочной выработки на сопряжении с очистным забоем. По длине выемочного участка концентрация метана в очистном забое, при постоянных режимах проветривания, достигает 4-5% после первичного обрушения пород кровли и 0.8-1.4% после последующих циклов обрушения.

5.Для отработки газоносных пластов в качестве перспективного рекомендуется вариант комбинированного проветривания выемочного участка: прямоточная схема проветривания с газоотсосом через фланговые выработки мета-новоздушной смеси при отработке выемочного столба на расстоянии 300-500 м от монтажной камеры; возвратноточная схема проветривания с газоотсосом на центральные и фланговые подготавливающие выработки при отходе очистного забоя от монтажной камеры на расстояние более 500 м. Критерием эффективности комбинированной схемы проветривания является условие ((^г/(3о)>0.5, где Ог-объем метановоздушной смеси; С>о- общий расход воздуха в выемочном участке.

6. Установлена эмпирическая линейная зависимость расстояния между очистным забоем и зоной с интенсивным выделением метана от градиента смещений контура выработки на сопряжении с лавой; при увеличении градиента смещения пород кровли от 0.05 до 0.2 м-1 расстояние уменьшается с 30 до 5 м; расстояние между зонами вероятного загазирования по длине выемочного столба уменьшается в 1,5 раза при увеличении глубины разработки в 2,1 или длины лавы в 3.5 раза; рост скорости подвигания очистного забоя приводит к соответствующему увеличению интервала между соседними зонами повышенного дебита и концентрации метана ; граница зоны повышенного горного давления является потенциальной границей 3°ны з^гщшрования.

7. Расход воздуха по длине очистного ^привозвратноточных схемах проветривания распределяется по периодическому синусоидальному закону с максимумами на расстоянии 0,3 и 0,8 длины лавы от воздухоподающей выработки.

Причинами нестационарности расхода воздуха по длине лавы являются инерО ционность воздушной струи по воздухопадающей выработке на расстояние до ¡/ 40 м за линию очистного забоя и повышения сопротивления выработанного пространства за счет уплотнения обрушенных горных пород. Амплитуды расхода воздуха по длине лавы изменяются до 30% от среднего расхода воздуха.

8. Оперативный прогноз параметров зон вероятного загазирования осуществляется на основе экспериментально-аналитического метода и включает: ежесуточные измерения концентрации метана и деформаций выемочных выработок на сопряжении с очистным забоем; автоматизированную передачу и предварительную обработку информации; компьютерную настройку входных параметров приобъектной модели; расчет прогнозных значений дебита и концентрации метана; выбор оптимальных параметров и режимов управления горными работами.

9.Стабильная работа высокопроизводительных очистных забоев на газоносных пластах без загазирований обеспечивается использованием следующих пространственно-планировочных и технологических параметров и рекомендаций: проведение в выемочном поле дополнительных газодренажных выработок для реализации комбинированной схемы проветривания с производительностью газодренажных установок не менее 50% от общего расхода воздуха в выемочном участке; единое выработанное пространство выемочного поля не должно превышать 8-10 столбов ранее отработанных выемочных столбов; восходящее направление движения воздуха в очистном забое и метано-воздушной смеси в системе горных выработок; уменьшение расстояния между дегазационными скважинами в 1.5-2.0 ; раза в местах вероятного загазирования по сравнению с требованиями дейст- I вующих инструкций.

Разработанные рекомендации прошли опытно-промышленную проверку на шахтах Кузбасса: "Абашевская", "Аларда", "Зыряновская", "Распадская", "Первомайская", "Чертинская " .Во всех случаях получен положительный эффект в виде повышения стабильности работы очистных забоев и снижения травматизма за счет профилактики загазирований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Радиковский, Михаил Иванович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Ванжа Ю.П. Прогноз газовыделения и управление газопылевоздушной средой в шахтах. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1995.-147 с.

2. Колмаков В.А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. - М.: Недра, 1981.- 134с.

3. Айруни Ф.А., Лидин Г.Д. О теории дегазации угольных пластов. - М.: Госгортехиздат, 1963.-203с.

4. Бонецкий В.А., Исаенков В.Д. Параметры воздухопроницаемости пород вокруг горных выработок // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -197 3. -№5. -С. 10-11.

5. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А. Газовый барьер угольных шахт.-М.:Недра, 1978.-200с.

6. Морев А.Т., Евсеев И.И. Дегазация сближенных пластов.-М.: Недра, 1975.-168с.

7. Методы оптимального проектирования угольных шахт /A.M. Курносов, М.И. Устинов, И.П. Набродов и др.; Под общ. ред. A.M. Курносова,- М.: Недра, 1974.-368с.

8. Реструктуризация угольной промышленности. (Теория. Опыт. Программы. Прогноз) / Ю.Н. Малышев, В.Е. Зайденварг, В.М. Зыков и др.; Под общ. Ред. Ю.Н. Малышева. -М.: компания «Росуголь», 1996.-536с.

9. Вылегжанин В.Н.,. Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов.-Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.-295с.

10. Малышев Ю.Н.. Айруни А.Т., Худин Ю.Л., Болыпинский М.И. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и породы.-М.: Недра, 1995.-352с.

11 Беспятов Г.А., Вылегжанин В.Н., Золотых С.С. Синергетика выбросо-опасной горной среды.-Новосибрск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996.-191с.

12. Штумпф Г.Г., Рыжков Ю.А., Шаламанов В.А., Петров А.И. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочникам.: Недра, 1994.-447с.

13. Сергеев П.В., Бухнин Д.П., Фитерман А.Е. Теоретические и экспериментальные методы исследования газового состояния массива горных пород.-М: Наука, 1988.-1 Юс.

14. Разупрочнение труднообрушаемых кровель угольных пластов / С.Т. Кузнецов, Ю.А. Семенов, В.П. Шишкин, М.И. Мукушев. - М.: Недра, 1987. -200с.

15. Коровкин Ю.А. Механизированные крепи очистных забоев / Под ред. Ю.Л. Худина. - М.: Недра, 1990. - 413с.

16. Калинин С.И. Повышение эффективности разработки пологих и наклонных пластов с труднообрушаемой кровлей: Авт-т дисс. докт. техн .наук. -Кемерово, Институт угля РАН, 1993.-50с.

17. Черняк И.Л., Ярунин С.А. Управление состоянием массива горных пород: Учеб. для вузов. -М.: Недра, 1995.-395 с.

18. Кузнецов Г.Н. Изучение проявлений горного давления на моделях / Г.Н. Кузнецов, М.Н. Будько, A.A. Филиппова, М.Ф. Шклярский. - М.: Углетех-издат, 1959.-232 с.

19. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. - М. : Недра, 1980. - 360с.

20. Единая методика прогнозирования горно-геологических условий разработки угольных пластов Л.: ВНИМИ, 1982. -30с.

21. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м с углом падения до 35°. - Л.: ВНИМИ, 1982.-134с.

22. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть 1. Технологические схемы. - М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1991. - 206 с.

23. Калинин С.И., Егоров П.В., Лютенко А.Ф., Дьяконов С.Г. Управление горным давлением при разработке пологих пластов с труднообрушаемой кровлей на шахтах Кузбасса. - Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1991. -247с.

24. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. - М.: Углетехиздат, 1948. - 195с.

25. Грицко Г.И., Власенко Б.В. Экспериментально-аналитический метод определения напряжений в массиве горных пород. - Новосибирск: Сиб-е отделение. Наука, 1976,- 187 с.

26. Власов В.З., Леонтьев H.H. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. - М.: Физматгиз, 1960. - 492с.

27. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979.-392с.

28. Кричевский P.M. О природе внезапных выделений газа с выбросами угля //Бюл. МакНИИ,- 1948,- №18. - С. 8-13.

29. Мясников А.А, Садохин В.П., Жирнова Т.С. Применение ЭВМ для решения задач управления метановыделением в шахтах. - М.: Недра, 1977. -248 с.

30. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. - М.: МГГУ, 1995. - 312 с.

31. Новик Г.Я., Харьковский B.C., Пережилов А.Е. Управление газовыделением при подработке угольного пласта // Горный инф. - анал. бюл. - М.: МГГУ, вып. 4,1994. - С. 35-37.

32. Правила безопасности в угольных шахтах. - Самара: Самар. Дом печати, 1995.-242с.

33. Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 2. Инструкции. -Самара: Самар. Дом печати, 1996.-352 с.

34. Рудничная вентиляция: Справочник / Н.Ф. Гращенков. А.Э. Петросян, М.А. Фролов и др.; Под ред. К.З. Ушакова. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. -440с.

35. Временные рекомендации по снижению газообильности выемочных участков шахт Кузбасса поверхностными газо-отсасывающими вентиляторами, установленными на устьях вентиляционных скважин. - Кемерово: ВостНИИ, 1988.-29с.

36. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд 2-е, перераб. и доп. - СПб: ВНИМИ, 1991. - 125с.

37. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Изд. 4-е, перераб. доп. - Л.: ВНИМИ, 1986.-222с.

38. Опыт работы седьмого участка шахты им. 50-летия Октябрьской революции. Экспресс-информ., ВДНХ, Карагандауголь, 1978. -4с.

39. Показатели бригад, переведенных на режим работы по передовому опыту. - Новокузнецк, ПО «Южкузбассуголь»,- №4,- 1977.-13с.

40. Опыт работы передовых шахтерских коллективов по достойной встрече XIX Всесоюзной партийной конференции и досрочному выполнению плана 1988 года. - М.: Экспресс-информ., ЦНИЭИуголь, - 1988. - №17.-47с.

41. Опыт работы объединений победителей социалистического соревнования за успешное выполнение государственного плана экономического и социального развития на 1987 г. - М.: Экспресс-информ., ЦНИЭИуголь, 1988. -№23. -28с.

¿

42. Лама Р.Д. Вклад в геотехнику, выбросы, газовый и пылевой контроль и оптимизация горного планирования подземных угольных шахт. Пер. с англ., Дисс. д-ра техн. наук. Кемерово, 1994. - 155с.

43. Меррит ПК. Разработка лавами в США в 1990 г. // Глюкауф. - 1991. -№15/16.-С.18-30.

44. Шумаков В.И., Хохлов И.В. Управление труднообрушаемой кровлей при разработке пологих пластов // Горный вестник. - №3. - 1997. - С. 41-44.

45. Батугин С.А. Определение деформаций горных пород при движущемся забое: Авт-т дисс. канд. техн. наук. - Кемерово, 1963. - 19с.

46. Коледина Н.О. Управление газовыделением из выработанных пространств угольных шахт: Авт-т дис. д-ра техн. наук. - М.: МГГУ, 1995. - 33с.

47. Черняк И.Л. О некоторых геомеханических и газодинамических явлениях на глубоких угольных шахтах // Уголь. -1991.-№12.-С.14-17.

48. Мазикин В.П. Повышение технического уровня и эффективности горных работ на базе рационального управления геомеханическими и газодинамическими процессами в угольных шахтах: Авт-т дис. д-ра техн.наук. - М.:МГГУ, 1966.-37с.

49. Беспятов Г.А. Влияние волновых процессов на газодинамику угольных пластов: Авт-т дис. д-ра техн. наук. - Кемерово: КузГТУ, 1966.-34с.

50. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях / Министерство угольной промышленности СССР. - М.: Недра, 1981.-288с.

51. Новик Г.Я., Харьковский B.C., Пережилов А.Е. Управление газовыделением при подработке угольного пласта // Горный информационно-аналитический журнал.-1994. - №4. - С.35-38.

52. Рубан А.Д., Забудряев B.C. Метановая опасность и проблемы дегазации угольных шахт //Горный вестник. - №3. -1997. - С.79-85.

53. Радиковский М.И. Анализ загазирований выемочных участков угольных шахт Кубасса. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции СИБРЕСУРС-97 «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». Кемерово 97 - с. 147-148.

54. Радиковский М.И. Исследование процессов взаимодействия периодического обрушения пород кровли и метановыделения углепородного массива. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции СИБРЕ-СУРС-97 «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». Кемерово-97 с.149-150.

55. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. -М.: Недра, 1993. -256 с.

56. Промышленные испытания технологии упрочнения горного массива // A.B. Лебедев, A.A. Трубицын, С.П. Ворошилов, А.П. Анисимов, H.A. Кашни-ков, Е.М. Цыплаков, М.И. Радиковский / Безопасность труда в промышленности. - №12, -1966. - С.17-19.

57. Радиковский М.И. Влияние геомеханических процессов на метановы-деление в выемочных участках угольных шахт // Тезисы докладов I Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых», Новокузнецк, 19-20 ноября 1996. -С.24-25.

58. Исследование схем проветривания высокопроизводительных выемочных участков с использованием газо-отсасывающих вентиляторов // В.Г. Лав-рик, С.Р. Ногих, B.C. Лудзиш, М.И. Радиковский и др. // Сб. науч. тр. - Вып. 10 - №2, Российский метановый центр, Кемерово: 1997. - С. 14-17.

59. Ардашев К.А., Радиковский М.И. Исследование на моделях взрывного способа борьбы с пучением почвы // Горное давление и горные удары: Сб. науч. тр. - Сб. науч. тр. - СПб.: ВНИМИ, 1994. - С. 52-57.

60. Ардашев К.А., Радиковский М.И. Обоснование и расчет способов борьбы с пучением почвы в подготовительных выработках // Горное давление и горные удары: Сб. науч.' тр. - СПб.: ВНИМИ, 1993. - с.111-120.

61. Одиноков Б.П., Радиковский М.И. Совершенствование технологии очистных работ и способов проветривания выработок на гидрошахте «Нагорная-1» // Тазисы докладов II Международной конференции «Нетрадиционные и

интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых», Новокузнецк, 11-12 ноября 1997. - С. 109.

62. Атрушкевич A.A., Сурков A.B., Радиковский М.И. и др. Способ крепления горных выработок, пройденных в породах, склонных к пучению. // Пол. решение от 31.08.95 г. на заявку на изобретение №95115423.

63. Атрушкевич A.A., Зайденварг В.Е., Радиковский М.И. и др. Крепь сопряжения // Пол. решение от 17.06.97 на заявку на изобретение №97110252.

64. Пучков Л.А., Темкин И.О. Формирование баз знаний для систем контроля и управления аэрогазодинамическими процессами в угольных шахтах // Горный инф. аналитич. бкж, МГГУ, М.:, вып.5, 1995,- С.3-8.

65. Цыпкин Я.З. Информационная теория идентификации. - М.: Наука. Физматлит, 1995. - 336с.

66. Рудничная вентиляция: Справочник / Н.Ф. Гращенков, А.Э. Петросян, М.А. Фролов и др.; Под ред. К.З. Ушакова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988.-440с.

67. Якоби О. Практика управления горным давлением. - М.: Недра, 1987. -565с.

68. Ногих С.Р. Разработка элементов и обоснование параметров технологии разработки пологих и наклонных пластов в сложных природных условиях Кузбасса: Дис. ... канд. техн. наук. - Кемерово, 1993. - 183с.

69. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. -М.: Недра, 1976.-272 с.

70. Черняк И.Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок. - М.: Недра, 1978.-237 с.

71. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. - М.: Недра, 1975. - 243 с.

72. Методическое пособие по изучению слоистости и прогнозу расслаи-ваемости осадочных пород / Кузнецов С.Т., Воронин И.Н. - Л.: ВНИМИ, 1967. -56 с.

73. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. - 608 с.

74. Бесцеликовая отработка пластов / Худин Ю.Л., Устинов К.А., Арда-шев К.А. и др. - М.: Недра, 1984 - 295 с.

75. Методика выбора рациональных параметров технологических схем очистной выемки пологих угольных пластов гидрошахт Кузбасса // А.П. Колесников. А.И. Златицкий, В.Н. Фрянов и др. - Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1988. - 139 с.

76. Тимошенко С.П.. Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. Пер. с англ. - М.:Физматиздат, 1963.-635 с.

77. Петухов И.М., Батурина И.М. Геодинамика недр. -М. : Недра, 1996. -

217с.

78. Полевщиков Г.Я. Разработка адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам : Автореф. дисс. д-ра техн. наук. -Кемерово, 1998. -48с.