Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках
Викладено основні положення методу визначення фактичної метановості привибійної зони ділянок вугільних пластів, заснованих на урахуванні об’єму метану, що десорбується, з вугільних фракцій у замкнутий об’єм накопичувальної камери. Наведено приклад застосування методики....
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54396 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках / Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков, Н.А. Калугина, Ш.В. Мамлеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 137-142. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54396 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-543962014-02-02T03:14:04Z Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Мамлеев, Ш.В. Викладено основні положення методу визначення фактичної метановості привибійної зони ділянок вугільних пластів, заснованих на урахуванні об’єму метану, що десорбується, з вугільних фракцій у замкнутий об’єм накопичувальної камери. Наведено приклад застосування методики. Main conceptions of the method for evaluating factual methane content in the heading of coal beds are presented. The method is based on calculation of methane volume desorbed from the coal fractions into the closed accumulative chamber. An example of application of the method is given. 2012 Article Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках / Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков, Н.А. Калугина, Ш.В. Мамлеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 137-142. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54396 622.416.3:622.457 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Викладено основні положення методу визначення фактичної метановості привибійної
зони ділянок вугільних пластів, заснованих на урахуванні об’єму метану, що десорбується, з вугільних фракцій у замкнутий об’єм накопичувальної камери. Наведено приклад застосування методики. |
| format |
Article |
| author |
Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Мамлеев, Ш.В. |
| spellingShingle |
Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Мамлеев, Ш.В. Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках Геотехническая механика |
| author_facet |
Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Мамлеев, Ш.В. |
| author_sort |
Фельдман, Э.П. |
| title |
Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках |
| title_short |
Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках |
| title_full |
Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках |
| title_fullStr |
Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках |
| title_full_unstemmed |
Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках |
| title_sort |
методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54396 |
| citation_txt |
Методические основы определения метанообильности призабойной зоны угольных пластов в очистных выработках / Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков, Н.А. Калугина, Ш.В. Мамлеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 137-142. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT felʹdmanép metodičeskieosnovyopredeleniâmetanoobilʹnostiprizabojnojzonyugolʹnyhplastovvočistnyhvyrabotkah AT starikovgp metodičeskieosnovyopredeleniâmetanoobilʹnostiprizabojnojzonyugolʹnyhplastovvočistnyhvyrabotkah AT kaluginana metodičeskieosnovyopredeleniâmetanoobilʹnostiprizabojnojzonyugolʹnyhplastovvočistnyhvyrabotkah AT mamleevšv metodičeskieosnovyopredeleniâmetanoobilʹnostiprizabojnojzonyugolʹnyhplastovvočistnyhvyrabotkah |
| first_indexed |
2025-07-05T05:42:38Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:42:38Z |
| _version_ |
1836784454422495232 |
| fulltext |
137
УДК 622.416.3:622.457
Д-р ф.-м. наук Э.П. Фельдман,
д-р техн. наук Г.П. Стариков,
канд. техн. наук Н.А. Калугина
(ИФГП НАН Украины)
инж. Ш.В. Мамлеев
(ОП «Шахтерская-Глубокая»
ГП «Шахтерскантрацит»)
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ УГОЛЬНЫХ
ПЛАСТОВ В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Викладено основні положення методу визначення фактичної метановості привибійної
зони ділянок вугільних пластів, заснованих на урахуванні об’єму метану, що десорбується, з
вугільних фракцій у замкнутий об’єм накопичувальної камери. Наведено приклад застосу-
вання методики.
METHODOLOGICAL BASIS FOR ESTIMATING METHANE CONTENT
IN THE HEADING OF COAL LAYER IN THE FACES
Main conceptions of the method for evaluating factual methane content in the heading of coal
beds are presented. The method is based on calculation of methane volume desorbed from the coal
fractions into the closed accumulative chamber. An example of application of the method is given.
Одним из факторов, осложняющих отработку газоносных угольных пластов,
являются непрогнозируемые процессы метановыделения, приводящие нередко
к загазированию забоев. Частота и размеры аварий, вызванных этим явлением,
в последние годы, достигли критических значений и связаны, как правило, с
взрыванием метана с групповыми несчастными случаями. Из 169 действующих
шахт Украины 86% отнесены к опасным по газу, из них на 17 шахтах метано-
выделение превышает 100 м3/мин. Учитывая неизбежность, в настоящее время,
подземной разработки газоносных угольных месторождений, ухудшения горно-
геологических условий и роста нагрузок, приобретают высокую актуальность
проблемы диагностики фактической газоносности призабойной зоны угольных
пластов. Нормативные методы и средства по прогнозу характера и интенсивно-
сти газовыделения в шахтах из-за невысокой достоверности и низкой надежно-
сти эту проблему не решают.
Основным недостатком существующей методологии оценки фактической
метанообильности горных выработок является использование усредненных
значений основных параметров [1], в частности природной и остаточной мета-
ноносности угля, интенсивности метановыделения из угольного массива и раз-
рушенного угля. В целом это приводит к определению среднего значения необ-
ходимого объема воздуха для проветривания выработок при заданном объеме
добываемого угля и предельной концентрации метана в воздухе (С = 1%). В
случае локального изменения (увеличения) метаноносности и метановыделе-
ния, обусловленное природными факторами (геологическая нарушенность угля,
мелкоамплитудные геологические нарушения пласта) при прочих равных усло-
138
виях (длина забоя, темп выемки угля, количество воздуха для проветривания,
ширина призабойной зоны, фракционный состав угля), концентрация метана
может резко возрасти и достигнуть опасных значений.
Для учета существующих недостатков необходимо отказаться от средних
величин, а вместо них ввести текущие значения – давление метана в угле и эф-
фективный коэффициент диффузии. При этом эти параметры необходимо кон-
тролировать специальным измерительным устройством [3, 6] на глубину су-
точного подвигания очистного забоя, что позволит учитывать локальные изме-
нения структуры угля и его метаноносности и корректировать суточную на-
грузку (глубину выемки угля) очистного забоя.
1. Расчет относительной метанообильности призабойной зоны угольно-
го пласта
Согласно разработанной в ИФГП НАН Украины модели при отторжении
угля от массива нарушается термодинамическое равновесие в системе природ-
ный уголь-газ. При этом газ из фильтрационного объема, представленного в
виде открытых пор и трещин, за счет разности пластового и внешнего давлений
устремляется наружу, в незанятый углем объем. Давление газа внутри угольно-
го массива снижается, вследствие чего стартует процесс диффузии метана, со-
держащегося в блоках, в фильтрационный объем. Происходит фильтрация газа
с одновременной подпиткой фильтрационного объема метаном, растворенным
в блоках. Таким образом, блоки (микроблоки) (рис. 1) играют роль источников
метана, распределенных по всему объему угля.
Отправной точкой для оценки метанообильности соответствующего участка
угольного пласта являются результаты, приведенные в [2, 4-6]. Исходные дан-
ные, используемые при определении количества десорбирующегося метана из
угля, представлены на рис. 1, 2.
Рис. 1 – Модель частицы
угольного вещества
Рис. 2 – Схема герметичного
контейнера с угольным веществом
Выход метана из угольных фракций одного типоразмера определяется фор-
мулами:
( )
νγγ
ρ
ρρ
++
=−
c
f
L
tD
t
0
0
0 , ( ) ( )( )ttcc ρρν −=− 00 , (1)
139
где t – время, отсчитываемое от момента отбора пробы из пласта, ρ0 – исходная
плотность метана, содержащегося в порах угольного материала в свободном
состоянии (в м-3), ( )tρ – плотность свободного метана к моменту t, 0γ – открытая
пористость, сγ – закрытая пористость, ν – растворимость метана в угле, 0c – ис-
ходная концентрация метана, находящегося в виде твердого раствора в уголь-
ной матрице, ( )tс – та же концентрация к моменту времени t, L – размер фрак-
ции угля, Df – коэффициент фильтрации (массопереноса) метана из угля.
Формула (1) справедлива для фракций, удовлетворяющих неравенству:
1>>≡
f
eff
D
D
R
La , (2)
где R – размер микроблоков угля, Deff – эффективный коэффициент диффузии
метана внутри микроблоков. Используя данные, приведенные в [4], можно ус-
тановить, что для фракций с L ~ 0,1 мм и более неравенство (2) удовлетворяет-
ся.
Введем «эффективную» пористость угля:
νγγγ ++= с0 , (3)
Поскольку выход метана из пробы угля определяется уменьшением ( )tρρ −0
его плотности в порах и уменьшением концентрации ( )tcc −0 в твердом растворе
и, имея в виду, что поры занимают относительный объем сγγ +0 получим, что к
моменту t из объема пробы Vc выйдет следующее количество молекул метана:
c
f
t V
L
tD
N 0ργ
= (4)
Однако за время t0, прошедшее от момента отбора пробы до момента загруз-
ки угольного материала (фракции L) в контейнер измерительного прибора,
часть метана выйдет в атмосферу. В измерительный прибор попадет лишь часть
Nm метана, вышедшего из пробы. Далее удобно через t обозначить время, про-
шедшее от момента загрузки угля в измерительный прибор. Тогда
c
f
t V
L
ttD
N
)( 00 +
=
γρ
, c
f
c
f
m V
L
tD
V
L
ttD
N 0000 )( γργρ
−
+
= (5)
Следовательно
0
0
0
00 1
tt
t
tt
ttt
N
N
t
m
+
−=
+
−+
= (6)
140
Прибор измеряет парциальное давление метана Рс(t) в контейнере, в функ-
ции времени. Если объем контейнера равен Vk, то, согласно закону Бойля-
Мариотта,
( ) aakc VPVtP = , (7)
где Ра – атмосферное давление, Va – тот объем, который занимает метан, со-
держащийся в контейнере, при атмосферном давлении.
Итак, в принятых на практике единицах количества газа, т.е. в м3, в измери-
тельном сосуде к моменту t находится
( )
k
a
c
a V
P
tP
V = (8)
кубометров метана. Всего же за время tt +0 из угля, согласно (6), выйдет:
( ) ( )
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
0
0
0
0 11
tt
t
V
P
tP
tt
t
tV k
a
ca (9)
кубометров метана.
Чтобы получить выход газа (в м3) из единицы объема, необходимо разде-
лить V(t) на объем пробы Vc, а чтобы найти выход из единицы массы – еще раз-
делить на плотность угля ρс (т/м3). В итоге, искомый выход ( )tQ , в принятых на
практике единицах (м3/т), таков:
( ) ( )
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
=
0
01
tt
t
VP
VtP
tQ
caс
kc
ρ
, (10)
Согласно теории [4] к моменту
f
e D
Ltt
2
0
γ
≈+ (11)
из угля выходит практически весь метан, и давление стабилизируется на опре-
деленном уровне Ре. Поэтому имеем следующую расчетную формулу для мак-
симального выхода метана Qmax (м3/т), т.е. для метанообильности:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
=
0
0
max
1
tt
t
VP
VP
Q
e
cac
ke
ρ
(12)
141
Величины Ре и tе измеряются непосредственно прибором.
Количество вышедшего к моменту t метана можно выразить так же и через
пластовое давление по формуле:
( )
( )
L
ttD
Р
PtQ f
ас
пл 0+
=
γ
ρ
(13)
При t = tе находим метанообильность
ac
пл
P
P
Q
ρ
γ
=max (14)
Эта формула вполне очевидна и без предыдущих рассуждений. Однако
здесь, в отличие от (12), остается неизвестным «эффективная» пористость и
пластовое давление.
2. Оценочный расчет метанообильности призабойной зоны пласта
Выполним оценочный расчет (по формуле 12) относительной метанообиль-
ности участков лав, расположенных в 25 м от конвейерного штрека на пластах
h6
’, l8
’, и К3. Разведочные скважины для отбора угольных фракций 0,4-0,5 бури-
лись на глубину 2,1 м по простиранию. Для измерений давления метана десор-
бирующегося из угольных фракций использовался десорбометр ДС-03 [3]. Ре-
зультаты расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Расчет метанообильности призабойной зоны угольных пластов
Пласт, забой,
шахта Ре, Па Vk, см3 ρ, т/м3 Ра,
105 Па Vс, см3 t0, мин tе, мин Q, м3/т
h6
’ – Смолянинов-
ский, гор. 1300 м,
Qпр = 20 м3/т.с.б.м.,
23 западная лава,
шахта им.
А.А. Скочинского
3995 520 1,35 1,0 10,0 5,0 24 3,1
l8
’, гор. 1042 м,
Qпр = 20 м3/т.с.б.м.,
1 западная лава,
шахта «Щегловская
Глубокая»
5280 520 1,41 1,0 10,0 5,0 24 3,89
К3 – Колпаковский,
Qпр = 25 м3/т.с.б.м.,
12 западная лава,
шахта «Коммунарс-
кая»
7220 520 1,44 1,0 10,0 5,0 24 5,21
Анализ представленных результатов свидетельствует, что метанообильность
призабойной зоны в среднем не превышает 18,5 % от природной газоносности
пласта.
142
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - Киев: Основа, 1994.-312 с.
2. Алексеев А.Д. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана из угольного пласта / А.Д. Алек-
сеев, Э.П. Фельдман, Т.А. Василенко [и др.] // Журнал технической физики. - 2007. - т. 77. - Вып.4. - С. 65-74.
3. Каркашадзе Г.Г. Совершенствование методики расчета нагрузки на очистной забой с учетом давления
метана в угольном пласте / Г.Г. Каркашадзе, А.Д. Алексеев, Г.П. Стариков [и др.] // Горный журнал. - 2009. - №
4. -С. 47-50.
4. Фельдман Э.П. Истечение метана из угля в замкнутый резервуар: роль явлений диффузии и фильтра-
ции / Э.П. Фельдман, Т.А. Василенко, H.A. Калугина // Физика и техника высоких давлений. - Донецк. - 2006- т.
16, № 2.- С. 99 -114.
5. Алексеев А.Д. Прогноз времени образования опасных концентраций метана в очистных забоях / А.Д.
Алексеев, Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков [и др.] // Уголь Украины, № 7. – 2010. – С. 29-32.
6. Стариков Г. П. Кинетика массопереноса метана при очистной выемке угольных пластов / Г.П. Стари-
ков, Ш.В. Мамлеев // Наукові праці УкрНДМІ НАН України - № 10. – 2012. – С. 271-278.
УДК 622.416.3:622.457
Д-р техн. наук Г.П. Стариков
(ИФГП НАН Украины)
д-р техн. наук Д.М. Житленок
(ГП «Дзержинскуголь)
инж. Шажко Я.В.
(ИФГП НАН Украины)
ОБГРУНТУВАННЯ СПОСОБУ І ПОРТАТИВНОГО ПРИСТРОЮ ДЛЯ
ПРОГНОЗУ ГАЗОНОСНОСТІ ВУГІЛЛЯ В ШАХТІ
В статье описаны теоретические исследования и получены формулы для определения
давления и количества метана в угле на основе учета объема десорбированного метана в
герметичный сосуд.
DESCRIPTION OF METHOD OF AND PORTABLE DEVICE FOR
PREDICTING GAS CONTENT IN THE COAL MINE
The article describes theoretical findings on and presents formulas for determining methane
pressure and quantity in the coals with taking into account methane volume desorbed into the sealed
vessel.
Существующие методы и средства [1-8] по прогнозу характера и интенсив-
ности газовыделения в шахтах из-за невысокой достоверности и низкой надеж-
ности данную проблему не решают. Обусловлено это в первую очередь недос-
таточной степенью изученностью процессов массопереноса метана в трещино-
вато-пористой структуре угля.
Ввиду отсутствия физически достоверной модели десорбции метана из
угольного вещества не разработаны надежные экспресс-методы и технические
средства для определения давления и метаноносности непосредственно в при-
забойной зоне угольных пластов.
Поэтому целью работы является научное обоснование и разработка способа
и портативного устройства для повышения достоверности и возможностей экс-
пресс-прогноза опасности труда в забоях по газовому фактору, что является ак-
туальной задачей и имеет важнейшее научное, народно-хозяйственное и соци-
альное значение.
|