МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ ДИНАМИКИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ

АКАДШЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР Институт геотехнической механики

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ ШиШИ ГА30ВЫДЕЛЕНИЯ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ

Киев Наукова думка 1962

После обнажения груди забоя у вновь образовавшейся кромки пласта Начинается дегазация угля с постепенным распространением в глубь массива. Глубина образующейся зоны дегазации зависит от коллекторских и фильтрационных свойств угольного пласта и скорости подвигання очистного забоя. Газоносность угля в этой зоне в любой момент времени t изменяется, постепенно снижаясь от природной Сх) на границе зоны до остаточной x_M(.t-T) на кромке пласта.

При равномерной и непрерывной работе УДА за время цикла вона дегазации перемещается параллельно груди забоя па величину захвата, т.е. скорость перемещения фронта этой зоны равна скоро-оти подвигаыия очистного забоя.

Таким образом, в момент времени / в газовыделении из любой части массива по длине лавы участвует объем угля шириной, равной глубине зоны дегазации, с переменной газоносностью от X до x_Mi * -Г). Каждая тонна угля, находясь в массиве и постепенно переходя зону дегазации, изменяет свою газоносность от природной X до остаточной перед обнажением X_Mit_t)( - время между смежными обнажениями массива в данной точке). Это позволяет отнести суммарное газовыделение из угля, находящегося в зоне дегазации, к углю в зоне шириной, равной величине захвата, т.е. к добываемому углю, полагая его газоносность в момент обнажения равной природной /. Тем самым суммирование по объему угля в зоне дегазации заменяется суммированием по его газоносности, что не влияет на окончательный результат.

При неравномерном подвигании очистного забоя и работе УДА с простоями такое допущение приводит к погрешностям, величина которых (как показали контрольные расчеты) практически не влияет на точность получаемых результатов.

Технологический процесс добычи угля в лаве носит случайный характер и представляет собой последовательную смену состояний работы и простоев УДА. В зависимости от длительности интервалов непрерывной работы и простоев УДА и скорости его подачи газовыделение в лаве изменяется в значительных пределах. Поэтому одним из необходимых исходных условий при построении математической модели динамики газовыделения в очистном забое является априорное задание параметров технологического вродесса, режимов работы УДА и средств транспорта добытого угля (по крайней мере в двух смежных циклах). Многочисленным! исследованиями параметров технологического процесса угледобычи в лаве установлено, что

10

чиоло и длительность интервалов работы (Р₍) и простоев С А ) УДА завиоит от множества организационных горно-геологических, технологических и технических факторов, а плотность вероятности распределения их значений /(Л- ) и /(р.) подчиняется экспоненциальному эакону

Следовательно, выполнение указанного выше условия не вызывает затруднений, поскольку параметры технологического процеооа априорно могут быть представлены в виде последовательности олучайвых чисел с известным, обусловленным заданной величиной нагрузки на очиотной забой законом распределения их значений, получаемых о помощью ЭВМ или специальных таблиц.

Наиболее важным положением, принятым при разработке математической модели газовыделения в очистном 8абое, являетоя установленная многими исследователями экспоненциальная закономерность изменения во времени газоносности угольного массива после его обнажения и добытого угля после его отторжения от маооива

xM(t) -х0елр f~c<(t-r)J ,	(I)
*g(t)-x^eApr-flCt-r)] .	(2)

Таким образом, ооновными исходными данными при математическом моделировании процеоса газовыделения в очистном забое являются параметры ведения очибтных работ и гвзокинетические параметры разрабатываемого угольного пласта: расчетная газоносность, равная разности природной и остаточной, а также конотанты газо-отдачи массива и добытого угля, количественно характеризующие их способность отдавать содержащийся в них метан и зависящие от фи-8Вко-химичеоких свойств и степени метаморфизма уг

Предлагаемый метод прогнозирования и исследования динамики газовыделения в очистном вабое кроме математической модели включает экспериментально-аналитическую методику определения газоки-

11

нетнчеоких параметров пласта и составляющих газового баланоа выемочного участка, отличающуюся от известных сравнительной простотой, малой трудоемкостью и достаточной надежностью и точностью получаемых результатов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ГАЗОШДЕШШ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ

Математическая модель динамики газовыдоленяя при ведении очистных работ. При построении математической модели исходными предпосылками являются:

поступление метана в призабойное пространство лавы происходит из угольного массива и транспортируемого добытого угля (га-вовыделенне из выработанного пространства может быть раоочитано согласно действующим нормативным документам и учтено путем суммирования с газообильностью первых двух источников);

изменение во времени газоносности угольного массива после его обнажения и добытого угля после его отторжения от пласта подчиняется экспоненциальному закону и описывается зависимостями (!) и (2);

значения газокияетических параметров пласта известны (заданы);

режим работы УДА в двух смежных технологических циклах задан (известен);

каждый выемочный цикл начинается интервалом работы, а завершается интервалом простоя УДА, г.в. при последовательной нумерации этих временных промежутков первые из них имеют нечетные номера, вторые - четные;

продолжительность выемочных циклов - переменная, представлена оуымой интервалов работы и простоя УДА: для исследуемого цикла

Т^л Е (* р₍ ).

/*/

скорость подачи УДА постоянна внутри каждого интервала работы и изменяется от одного интервала к другому.

Ясно, что

С v_sL> Z v.,/1.

Г-/ * ⁹    Р’7    ^7    р

Для построения математической модели рассмотрим динамику газовыделения as угольного массива.

8а произвольный промежуток времени (t-r) из 1 т угля обнаженного массива о учетом зависимости (I) выделится следующее количество метана, м⁸:

4*м^я *₀ С⁷    ) •

Следовательно, удельное газовыделение из массива, м⁸/т мин

Cel ■ ^Г¹ **<“Ч>Н(*-П].    ⁽⁸⁾

Каждая тонна угля массива с момента обнажения до момента, в который она будет отбита, выделит объем метана, равный раэво-оти расчетной в остаточной на кромке пласта газоносности о интенсивностью, определяемой уравнением (3). Дебит метана из участка масоива, обнаженного за элементарный промежуток времени dr _# равен произведению удельной скорости газовыделения (<1*_м ) на маооу угля, включившегося в газовыделение или добытого sa этот промежуток времени C4V    Vi    dr )

<>4*i.ct ^m Ям аУ, r_ed txp[-*(t-r)] dr .    (4)

При ведении машинной выемка угля массив очистного 8абоя разделяется на овежеобнаженную (позади УДА) и старообыажанкую (впереди УДА) чаоти. Интенсивность газовыделения из каждой чаоти массива в любой момент времени предопределена не только производительностью УДА в исследуемом цикле, но и окоростью его подачи на этом участке лавы в предшествующем. Таким образом, в ходе решения задачи очиогной забой условно разделен точками остановок УДА в двух омежных циклах на /V участков (), в пределах которых

Рио. I.

окорооти подачи УДА постоянны как в предыдущем, так и в исследуемом цикле, но в общем не равны друг другу (рис. I). Каждый Я8 таких участков лавы характеризуется не только скоростью подачи УДА, но и моментами начала Т_а£ и завершения Т_с. работы УДА на нем в исоледуемом и предшествующем циклах. Эти временные параметры определяются по планограммам работы УДА в двух смежных циклах, построенных по набору случайных цифр с заданным иаконом распределения плотности вероятности.

Расчетную формулу для определения величины дебита метана из овежеобнакенной части массива в произвольный момент времени получим, воспользовавшись методом индукции.

При работе УДА на произвольном участке лавы Aft величину газовыцеленяя из этого участка массива в любой момент времени

* ⁶ [Та.< £7падуча» после интегрирования выражения (4)

i V

t

ft. а, - \ Н_и -    *, ('-**/>№* -г)]),    (s)

4,

где Л-ajmr V_t-_t т/мин.

В начале технологического цикла при работе УДА на первом участке газообильность свежеобнаженного массива в момент вроме-¹⁰¹    •    ?_;7оогласно    (5)    составит

14

U.ct^(i)m*1 *'(f-('-?„,)]) ■

При работе УДА на втором участке, t «■ [Г„_г , Т_Сг ]

9нее ‘ *i*n "ГН(* - ^Гс,)](’-‘*р[~Фс,- ^га_т )]} *

+ *г*' ('-“fif-td-r*;)]) ■

Таким образом, величина газовыделения со второго участка во времени будет возрастать за счет увеличения его длина, интенсивность метанопоступдения с уже отработанного первого участка будет падать согласно экспоненциальному закону.

По аналогии - при работе УДА на произвольном участке га80выделеыие из всего свежеобнаженного массива в момент времени t е[Т_а., T_e.J имеет вид

U.c r*tji/j'*p[-<d - ^Te_f 1]( > -^е*Р [-< ( ^ГСу~ Г',- )]) *

+ *,*t('-"Pf-'(t-T_a.)J).    (6)

В любой момент времени технологического цикла ( t е [т₀, Т] ) при работе УДА на произвольном /*-ы участке лавы величина газовы-деления из овежеобнаженного угольного массива определяется по оледующей расчетной формуле:

U.etXn - *,Z U( Г_в/ , T_Ci ) { £_Ay **/> (-*СР-Г_в.)] *

« {'-'*p[-<T_Ci-r_ejj]} * *,(’-“p[-*(t-r_ai )J)J . (?)

В момент окончания последнего интервала простоя УДА закончившегося цикла (Г)н начала ( Т₀) первого интервала работы УДА в новом цикле ( Т- Т₀ ) угольный массив будет свежеобнаженным (для завершившегося цикла) и старообнаженным (для начинающегося цикла). Поэтов расчетная формула величины газовыделения из старо-обна:..знного угольного массива в момент начала технологического цикла легко получается из (7) в виде

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование проветривавши выемочных участков и шахт, в целом, разработка способов предотвращения или снижения величины метановыделения и управления им во времени и в пространстве, обоснование теоретических основ и практических мер повышения эффективности использования воздуха, подаваемого во все эвенья вентиляционной сети шахты, не могут быть осуществлены без достоверных данных о газообильности горных выработок, закономерностях формирования газового баланса, динамике и степени неравномерности газовыделеыия из основных его источников и количественном влиянии различных факторов на газодинамические процессы.

Метод прогноза метанообильносги горных выработок, используемый проектировщиками и практиками в соответствии с действующими нормативными документами, позволяет рассчитывать величину ожидаемого газовыделения в пределах выработок выемочных учаотков лишь в статике и к то^ же (что очень важно) без его дифференциации по источникам поступленил во времени и в пространстве. Это создает большие трудности на стадии проектных разработок при обосновании целесообразности применения (с целью достижения высоких нагруэок на очистные забои) схем вентиляции с обособленным проветриванием основных объектов выделения метана: выработанного пространства, очистного забоя, участковых и общешахтных транспортных выработок.

Создание и внедрение скоростных скребковых и ленточных конвейеров позволяет за более короткие промежутки времени удалять добытый уголь из призабойного пространства, а также из выработок, по которым он транспортируется в пределах выемочного, учаотка и шахты. При применении обособленных схем проветривания метан, выдел;, лцийся из добытого угля в пределах транспортных выработок, не поступает в лаву, что имеет существенное значение при выоокях нагрузках на очистные забои. Поэтов возникает необходимость в объективной оценке величины газовыделения из добытого угля за

3

период его транспортирования вне очистного забоя, чего не позволяет сделать действуадий метод прогноза газовыделения. Поэтому о целью выявления характера влияния различных факторов (в первуп очередь технологических параметров ведения очистных работ) на процеос газовыделения из обнаженного угольного массива и из добытого угля в последние десятилетия выполнен большой объем исследований газодинамических процессов как в нашей стране, так и ва рубежом. В результате этих исследований установлена существенная нестацаонарность во времени процесса газовыделения из угольного массива и И8 добытого угля. Для описания изменения скорости газовыделения во времени предложено множество разнообразных зависимостей: степенных, показательных, а чаще всего гиперболических и экспоненциальных. На основе этих зависимостей разработано большое число математических моделей и методов пред-раочета газовыдзления из угольного массива и добытого угля в подготовительные и очистные выработки. Однако большинство этих методов и моделей базируются на априорном предположении о постоянстве начальной удельной скорости газовыделения из массива и из добытого угля. Это представление не противоречит физическому ошолу реального явления лишь для свежеобнаженного угольного массива, а для добытого,угля приводит к погрешности как в расчетах, так и в интерпретации результатов моделирования, причем о внедрением высокопроизводительной угледобывающей техники, работающей по Челноковой схеме, и повышением нагрузка на очистные Бабой степень значимости ошибки существенно возрастает. Кроме того, многие из известных моделей отрицают нестационарный характер интенсивности газовыделения из старообнаженной поверхности угольного массива (впереди комбайна), что также отрицательно оказывается на степени их адекватности. Следствием таких допущений явилось получение отдельными исследователями противоречивых, а иногда и ошибочных выводов, например в вопросах влияния интенсивности угледобычи на газообильность очистных выработок, выборе оптимальных режимов работы выемочных машин и др.

Разработанный в ИГТМ АН УССР и изложенный ниже метод прогнозирования и исследования динамики газовыделения в очистном забое в процессе угледобычи лишен указанных выше недостатков.

Он базируется на математическом моделировании, имитирующем с максимальной достоверностью физические основы реальных явлений, и включает минимальное число исходных параметров.

4

Метод предназначен для использования научно-исследовательскими и проектными организациями при прогнозировании ожидаемого гаэовыделения в очистных забоях при любом наперед заданном режиме работы угледобывающего агрегата (УДА) с дифференциацией по основным источникам поступления метана (маосив, добытый уголь) во времени и в пространстве при обосновании способов и практических мер борьбы с газом и при изыскании путей повышения нагрузки на очистные забои по газовому фактору.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Абсолютная гааообидьнооть, м^э/мин:

% - суммарная по выемочному участку суммарная по очиотному забою

обусловленная метановыделением иэ угольного массива

{<1 Ai.cg " ^И8 свежеобнаженной его части; Ч н.сг - ив старо -

обнаженной части)

£у- обусловленная метановыделением из добытого угля %S_n - обусловленная метановыделением из выработанного пространства

Газокинетические параметры угольных пдаотов:

Газоносность, м^э/т;

/ - природная х_ост - остаточная

Хр — раочетная при моделировании ( *₀^ях -х_осг )

Х_м~ угольного массива добытого угля

Константы газоотдачи, 1/мин: ч- угольного массива /3- добытого угля

Параметры ведения очистных работ;

Горно-геологические:

/77- мощность разрабатываемого пласта, м /- плотность угля, т/м³

масса элементарного объема добытого угля, т

Технологические и технические;

/- длина лавы, м ду._г~ длина /-го участка лавы

/*- ширина захвата угледобывающего агрегата (УДА),м

и ^ - скорость подачи УДА на /-ом участке лавы в исследуемом ъ предыдущем технологических циклах, м/мин

отношение названных выше скоростей

V_T- ^скорость доставки угля по лаве, м/мин

<J«™ отношение скоростей движения УДА и доставки угля

^ и - производительность УДА на /-м учаотке лавы в исследуемом и предыдущем технологических циклах, т/мин коэффициент, характеризующий направление движения УДА в лаве и равный: •♦I" - при встречном его движении с направлением доставки угля и "-I" - при спутном Временные, мин: t- текущее время

п и /- число интервалов работы и простоя УДА в исследуемом и предыдущем технологических циклах Т и ? ~ длительность исследуемого и предыдущего технологически! циклов

/Г_;- и Л. - длительность /, /-го интервала работы УДА в исследуемом и предыдущем технологических циклах P_i и Pj - длительность г, у -го интервала простоя УДА в исследуемом в предыдущем технологических циклах время дегазации угольного массива в предыдущем цикле длительность транспортирования угля по выработкам с поступающей в лаву вентиляционной струей *L- время дегазации добытого угля г- момент скола елементарного объема угля {.и Тд. - момент начала работы УДА на /-м участке лавы в яо-* следуемом и предыдущем технологических циклах {.и Т_с. - момент окончании работы УДА на /-м участке лавы в ¹ исследуемом в предыдущем технологических циклах «J. и Tj. - моменты начала и окончания выхода угля, добытого, на I -ы участке, за предела выработок с поступащей в лаву вентиляционной струей

t’S'OnRi-XW-T,)]

^U(TV ^тг    управляющий    оператор,    служащий

для выбора временного интервала    включающего    рас

сматриваемый момент времени t ¹

шт*т\ ¹‘^si9”Of-Z)

^w? *г'^я-5- управляпций    оператор,    олределягашй    рас

четную формулу величины газовыделения из добытого угля, вид которой зависит от сочетания схема проветривания учаотка и варианта выемки и транспортирования угля

ОБЩИВ ПШКЖЕНИЯ

При ведении очистных работ газовый баланс призабойного пространства слагается ив метана, постудающего не угольного маооава (%# ) > добытого угля (fyj, вмещающих пород Ц_п)ж из выработанного проотранотва (^_{6 л} ), т.е.:

Яо“ Я„* Я_}*Я_я* Я_е. „ •

Удельный вео перечисленных источников волеблетоя в широких пределах. При отработке одиночных газонооных пластов и низких нагрузках на очистной забой (до 200-300 т/сут) основным источником метана является угольный массив, удельный вес которого достигает 60-90% суммарной газообильности лавы. Доля газовыделения из добытого угля при зтом составляет 5-30%, а из вмещающих пород не превышает 6-10% от . Наличие опугняков разрабатываемого пласта существенно увеличивает общую газообильность очиотного забоя, а удельный вео метановыделення ив выработанного пространства, завиоящий от множества факторов, может достигать 30-50%, а при применении схем проветривания выемочного участка о выдачей исходящей из лавы струи на целик 80-90% от oyiftiapHoro дебита газа.

С возрастанием нагрузки на очистной аабой гавовыделение увеличивается и удельный вео отдельных источников меняетоя. Поступление метана не вмещающих пород и выработанного проотранотва в призабойное о увеличением подвигалия уменьшается. Тенденция в уменьшению ширины призабойного проотранотва и применение охем проветривания о выдачей исходящей струи из лавы в .торону выработанного проотранотва способствует тому, что в рабочей части лавы сц_п и _n становятся неощутимыми. Поэтому при интенсивной выечке газовый баланс призабойного пространства слагается из двух источников: угольный массив ($_м ) и добытый уголь ( )_в

9

1