Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве

Рассмотрена методика определения местоположения пустот расслоения в подрабатываемой толще с различными физико-механическими свойствами горных пород. Для заданных горно-геологических условий определены геометрические параметры сдвижения пород и распределения напряжений в горном массиве, а также рассч...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Розробка родовищ
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Клочков, В.Г., Пугач, И.И., Муха, О.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2015
Schlagworte:	Охорона праці
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104663
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:	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве / В.Г. Клочков, И.И. Пугач, О.А. Муха // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 403-410. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104663
record_format	dspace
spelling	Клочков, В.Г. Пугач, И.И. Муха, О.А. 2016-07-13T11:32:49Z 2016-07-13T11:32:49Z 2015 Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве / В.Г. Клочков, И.И. Пугач, О.А. Муха // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 403-410. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2415-3435 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104663 622.411.33:622.831:622.817.4 Рассмотрена методика определения местоположения пустот расслоения в подрабатываемой толще с различными физико-механическими свойствами горных пород. Для заданных горно-геологических условий определены геометрические параметры сдвижения пород и распределения напряжений в горном массиве, а также рассчитаны параметры образующихся пустот расслоения. Розглянуто методику визначення місця розташування порожнеч розшарування у товщі, що підробляється, з різними фізико-механічними властивостями гірських порід. Для заданих гірничо-геологічних умов визначено геометричні параметри зрушення порід і розподілу напружень у гірському масиві, а також розраховано параметри порожнеч розшарування, що утворюються. The method of determining the location of layer separation voids with different physical and mechanical properties of rocks is reviewed. The geometrical parameters of displacement and stress of rocks in the solid for a given geological conditions are defined. The parameters of separation voids are calculated. ru УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Охорона праці Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве Визначення місця й об’єму скупчень метану у виробленому просторі Determination of the location and volume of the accumulation of methane in the mined-out space Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве
spellingShingle	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве Клочков, В.Г. Пугач, И.И. Муха, О.А. Охорона праці
title_short	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве
title_full	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве
title_fullStr	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве
title_full_unstemmed	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве
title_sort	определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве
author	Клочков, В.Г. Пугач, И.И. Муха, О.А.
author_facet	Клочков, В.Г. Пугач, И.И. Муха, О.А.
topic	Охорона праці
topic_facet	Охорона праці
publishDate	2015
language	Russian
container_title	Розробка родовищ
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
format	Article
title_alt	Визначення місця й об’єму скупчень метану у виробленому просторі Determination of the location and volume of the accumulation of methane in the mined-out space
description	Рассмотрена методика определения местоположения пустот расслоения в подрабатываемой толще с различными физико-механическими свойствами горных пород. Для заданных горно-геологических условий определены геометрические параметры сдвижения пород и распределения напряжений в горном массиве, а также рассчитаны параметры образующихся пустот расслоения. Розглянуто методику визначення місця розташування порожнеч розшарування у товщі, що підробляється, з різними фізико-механічними властивостями гірських порід. Для заданих гірничо-геологічних умов визначено геометричні параметри зрушення порід і розподілу напружень у гірському масиві, а також розраховано параметри порожнеч розшарування, що утворюються. The method of determining the location of layer separation voids with different physical and mechanical properties of rocks is reviewed. The geometrical parameters of displacement and stress of rocks in the solid for a given geological conditions are defined. The parameters of separation voids are calculated.
issn	2415-3435
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104663
citation_txt	Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве / В.Г. Клочков, И.И. Пугач, О.А. Муха // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 403-410. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kločkovvg opredeleniemestaiobʺemaskopleniâmetanavvyrabotannomprostranstve AT pugačii opredeleniemestaiobʺemaskopleniâmetanavvyrabotannomprostranstve AT muhaoa opredeleniemestaiobʺemaskopleniâmetanavvyrabotannomprostranstve AT kločkovvg viznačennâmíscâiobêmuskupčenʹmetanuuviroblenomuprostorí AT pugačii viznačennâmíscâiobêmuskupčenʹmetanuuviroblenomuprostorí AT muhaoa viznačennâmíscâiobêmuskupčenʹmetanuuviroblenomuprostorí AT kločkovvg determinationofthelocationandvolumeoftheaccumulationofmethaneintheminedoutspace AT pugačii determinationofthelocationandvolumeoftheaccumulationofmethaneintheminedoutspace AT muhaoa determinationofthelocationandvolumeoftheaccumulationofmethaneintheminedoutspace
first_indexed	2025-11-25T23:52:42Z
last_indexed	2025-11-25T23:52:42Z
_version_	1850588728241684480
fulltext	403 УДК 622.411.33:622.831:622.817.4 © В.Г. Клочков, И.И. Пугач, О.А. Муха В.Г. Клочков, И.И. Пугач, О.А. Муха ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА И ОБЪЕМА СКОПЛЕНИЯ МЕТАНА В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ Рассмотрена методика определения местоположения пустот расслоения в подраба- тываемой толще с различными физико-механическими свойствами горных пород. Для заданных горно-геологических условий определены геометрические параметры сдвижения пород и распределения напряжений в горном массиве, а также рассчитаны параметры образующихся пустот расслоения. ВИЗНАЧЕННЯ МІСЦЯ Й ОБ’ЄМУ СКУПЧЕНЬ МЕТАНУ У ВИРОБЛЕНОМУ ПРОСТОРІ Розглянуто методику визначення місця розташування порожнеч розшарування у товщі, що підробляється, з різними фізико-механічними властивостями гірських порід. Для заданих гірничо-геологічних умов визначено геометричні параметри зру- шення порід і розподілу напружень у гірському масиві, а також розраховано параметри порожнеч розшарування, що утворюються. DETERMINATION OF THE LOCATION AND VOLUME OF THE ACCUMULATION OF METHANE IN THE MINED-OUT SPACE The method of determining the location of layer separation voids with different physical and mechanical properties of rocks is reviewed. The geometrical parameters of displacement and stress of rocks in the solid for a given geological conditions are defined. The parameters of separation voids are calculated. ВВЕДЕНИЕ При разработке угольных пластов с большим газовыделением одним из средств преодоления газового барьера является де- газация разрабатываемого пласта и спутни- ков. На газовый баланс выемочного участка большое влияние оказывает выработанное пространство, где скапливается метан из спутников и применяются различные мето- ды борьбы с такими явлениями: изолиро- ванный отвод метана по трубопроводу или неподдерживаемой вентиляционной выра- ботке, дегазация выработанного простран- ства скважинами, пробуренными из горных выработок или земной поверхности, и дру- гие способы [1, 2]. Для того, чтобы применять какой-то из способов удаления метана из выработанно- го пространства, необходимо знать места его скопления. Это позволит произвести эффективное удаление метана с минималь- ными затратами на проведение работ, избе- жать местных и слоевых скоплений метана в горных выработках выемочного участка, предупредить загазирование выработок, по- высить нагрузку на очистной забой по газо- вому фактору. Исходя из вышеизложенно- го, установление мест скопления метана в выработанном пространстве является акту- альной задачей для газовых шахт. 404 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Определение места и объема скопления метана осуществляется методом напряжен- но-деформированного состояния (НДС) по- род надугольной толщи [3]. По мере образования выработанного пространства боковые породы приходят в движение. Над выработанным пространст- вом от вышележащих пород отделяется слой непосредственной кровли и прогиба- ется по нормали к напластованию, затем в движение приходят вышележащие слои пород, последовательно отслаиваясь и про- гибаясь вслед за нижними слоями. При прогибе между слоями с разными физико-механическими свойствами могут образовываться небольшие промежутки, так называемые пустоты расслоения. Слои породы при движении подверга- ются деформациям изгиба, и с увеличени- ем сдвижений нарушается их сплошность. При этом газонасыщенные слои пород раз- рушаются, давление газа на поверхности блоков становится равным давлению газа в образовавшихся трещинах. Вследствие этого проницаемость слоя возрастает в сотни раз по сравнению с проницаемостью нетронутого массива. Выделяющийся из слоев газ из угля по проницаемой среде движется к дегазационным скважинам, ко- торые пробурены до так называемых пус- тот расслоения. Эффективность скважин, дебит метана из них сравнительно больше, чем от скважин, пробуренных в метано- носные породы, не несущие в себе этих физических явлений и положений. Положив за основу известные методи- ческие рекомендации по расчету НДС по- род надугольной толщи при разработке пологих пластов, можно осуществить про- гнозирование смещения в сближенных пластах при подработке, установить пара- метры и расположение пустот расслоения; их физическую величину, где существует наибольшая вероятность скопления газа. Для расчета НДС пород надугольной толщи разработан метод, который основан на следующих основных положениях: – развитие сдвижения подработанной толщи происходит в виде последовательно- го изгиба плит, защемленных по контуру; – основным видом нарушения сплош- ности горного массива является расслое- ние пород по контактам наслоения; – в случае образования вертикальных трещин характер изгиба слоев сохраняется; – модуль деформации изменяется по длине слоя при переходе последнего из объемного состояния в плоское. Исходя из этих положений, каждый слой породы надугольной толщи представ- лен в виде полоски, лежащей на податли- вом основании с нежестким защемлением и пригруженной со стороны вышележащих пород неравномерной нагрузкой. Парамет- ры эпюр нагрузок рассчитываются на ос- нове уравнения упругой линии балки, ле- жащей на податливом основании, а также на основе физических представлений де- формирующихся слоев. Расчет НДС пород надугольной толщи выполняется в два этапа. Первый этап сво- дится к определению длин предельных по- лупролетов l , при котором имеет место максимально заданная величина свободно- го опускания слоев, зависящая от способа управления кровлей и мощности пласта. Одновременно с этим устанавливаются все геометрические параметры сдвижения, оп- ределяющие характер и величины нагрузок и реакции на каждый слой. К числу этих параметров относятся: a – расстояние от начала координат до максимальных на- пряжений, м; b – расстояние от макси- мальных напряжений до границы области опорного давления; baf += – ширина области опорного давления, м; l – длина предельного свободного полупролета слоя, при котором его максимальные опускания достигают заданной величины, м; 0d – расстояние до максимального значения ре- акции слоя, м; npL – длина полного пре- дельного полупролета слоя. 405 ldaLnp ++= 0 , м. Для расчета указанных параметров структурная колонка от почвы основной кровли пласта до поверхности разделяется на слои по литологическому составу. Пачки породы мощностью не менее 3 – 5 м рас- сматриваются в виде равномерно распреде- лённой нагрузки на нижерасположенные более мощные слои. Для каждого слоя по- роды необходимо иметь модуль деформа- ции ( 0K ) и коэффициент Пуассона ( μ ) ( )μ210 −⋅= EK , т·с/м2. В рассматриваемой работе приняты следующие исходные данные. Шахта от- носится к сверхкатегорийной по метану. Абсолютная газообильность составляет 18,7 м3/мин. Метан поступает из пласта 3i и спутников, расположенных на расстоя- нии от 10 – 12 м и выше пласта 3i . Кровля пласта представлена песчаными или гли- нистыми сланцами средней устойчивости. В почве залегают песчано-глинистые слан- цы средней устойчивости. Мощность пла- ста – 1,19 м. Угол падения пласта – 0 – 5º. Способ управления кровлей – полное об- рушение. Длина очистного забоя – 180 м. Для определения геометрических пара- метров сдвижения надугольной толщи при заданной скорости подвигания очистного забоя и времени в рассматриваемом сече- нии исходные данные представляются в виде массивов. Геометрические параметры сдвижения надугольной толщи при задан- ной скорости подвигания очистного забоя сведены в табл. 1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СДВИЖЕНИЯ НАДУГОЛЬНОЙ ТОЛЩИ Таблица 1 Основные параметры № слоя iH , м 1−iH , м a , м 0d , м 1b , м b , м f , м прl , м 1 682,0 672,0 16,6 11,7 22,6 16,2 39,3 34,0 2 671,9 666,0 16,6 11,8 23,3 22,6 40,0 35,0 3 666,0 661,0 16,6 11,9 23,9 23,3 40,5 35,8 4 660,9 462,9 16,6 12,1 35,6 23,7 52,3 35,2 5 642,9 634,9 16,6 13,2 36,4 35,6 53,0 54,3 6 634,9 629,0 16,6 13.2 36,5 36,4 53,1 53,3 7 629,0 619,9 16,6 13,9 47,0 36,7 64,3 53,3 8 619,0 594,9 16,6 14,3 47,6 37,0 64,6 71,5 9 595,0 572,0 16,6 14,3 56,8 37,4 73,5 85,6 10 572,0 562,0 16,6 14,3 56,9 56,8 73,6 58,2 11 562,0 556,0 16,6 14,3 57,1 56,9 73,7 56,7 Для данного случая выделено в на- дугольной толще два наиболее жестких слоя (4 и 9). Расчет НДС пород осуществ- ляется в направлении сверху вниз. Пригрузка на 9 слой (см. рис. 1) в зоне выработанного пространства со стороны вышележащих слоев соответствует весу пород в объеме разности между длинами предельных свободных полупролетов ( пl , м) и расположенных выше слоев ( прl , м) ( ) ( ) ( ) ( )    −⋅⋅−= −⋅⋅−= 30162 1691 HHllQ HHllQ прп прп γ γ ; 2 11 21 TdQQ ⋅=+ ; ( ) H> d QQT ⋅+= γ 1 21 1 2 , где iH – глубина залегания i -го слоя, м; 406 1T – максимальное значение пригрузки по оси выработки, тс/м2; γ – удельный вес пород, т/м3. Тогда с учетом величин, приведенных в табл. 1 и принятых исходных данных ( ) ( ) 108849259542685901 =−⋅⋅−= ,,Q т; ( ) ( ) 85235049242587902 =−⋅⋅−= ,,Q т, где 88 544 19402 1 =⋅= , T т·с/м2; ( )[ ( ) ( )×−+−⋅−= 1416 350492 llllQ ппnp ( ) ( ) +⋅−+⋅−+× 6838 1213 llll пп ( ) ( ) ] 350042116 1010 =⋅⋅−+⋅−+ ,llll пп т; ( ) ( ) ( )[ ×−+−⋅−= 1016 350492 llllQ рпp ( )] 194042492595 =⋅−× , т; 158 544 35002 2 =⋅= , T т·с/м2, где 2T – максимальное значение реакции по оси выработки, тс/м2. При этом 5445731211 ,,fLd B =−=−= м; 12161631490 =++= ,,LB м; 5738566161 ,,,baf =+=+= м. Сумма Hγ представляет собственный вес пород, расположенных над 9 жестким слоем. Распределение этого веса пород над выработанным пространством зависит от объема пород Q и расстояния b1. В этом случае максимальные и минимальные на- пряжения на уровне кровли рассматривае- мого слоя определяются из выражений 1 11 1 2 ba dTHHLB + −−= γγσ ; ba dTHHLB + −−= 22 2 2 γγσ . Тогда 4420 856616 5451585724227241212 1 = + ⋅−⋅−⋅⋅⋅= ,, ,,σ тс/м2; 5901 437616 545885724259841212 2 = + ⋅−⋅−⋅⋅⋅= ,, ,,σ тс/м2. Откуда 274542572412011 =⋅−=−= ,HR γσ тс/м2; 446142598590122 =⋅−=−= ,HR γσ тс/м2. Длина предельного полупролета 4 слоя больше длины нижележащих слоев, поэто- му на контакте 4 слоя будет иметь место расслоение и в зоне выработанного про- странства пригрузка на нижележащие поро- ды отсутствует. Для определения величин опускания слоев, горизонтальных перемещений и де- формаций необходимо вычислить три ко- эффициента ряда Фурье применительно к полученной эпюре нагрузок слоя. Для вы- числения указанных коэффициентов ис- пользуются следующие выражения 407 ( ) ×           −+    −+−= 1 11 221121221 2 ba R K Lf L KsinTf L KsinTa L KsinRR K LB σ π πππ π ×      −+      −−      −+× 1 1 1 1 2 2 2 2 22 2 2 d T b f L Kcos d T b a L Kcos a R b a L Kcos σπσπσπ       −++−−× a RR d T d Tf L Kcos 12 2 2 1 1 1 π . При определении 2B в выражение вме- сто K подставляется 2. В этих выражениях: 1R и 2R – соответ- ственно дополнительные напряжения при- грузок и реакции в области опорного давле- ния; 1σ и 2σ – соответственно максималь- ные напряжения пригрузки и реакции в об- ласти эпюрного давления, тс/м2; L – пол- ный полупролет выработки или расчетный полупролет, м; K – для первого коэффици- ента равен 1, для второго – 2, для третьего – 3; 1T – максимальное значение пригрузки по оси выработки, тс/м2; 2T – максимальное значение реакции по оси выработки, тс/м2; 1d и 2d – расстояние от оси выработки до точки перегиба оси слоя, м; 1f – ширина опорной зоны, м. Тогда ( ){ ×⋅−⋅⋅+⋅⋅⋅− ⋅ ⋅= 121 143188573 121 1431158716 121 1431844612745 1431 1212 21 ,sin,,sin,,sin , B −⋅⋅⋅      −+   ⋅⋅⋅      −⋅ ⋅ +× 716 121 1431 716 4461 437 5901716 121 1431 856 4120 716 2745 1143 121154 ,,cos ,, ,,cos ,,, , ++−⋅⋅⋅      −+⋅⋅⋅      −− 044 158 044 88573 121 1431 544 158 856 4120154 121 1431 544 88 137 5901 ,, ,,cos ,, ,,sin ,, 20000 716 27454400 =         −+ , т, а по аналогии при 2=K находим =2B 13640 т. Для определения опускания слоя ис- пользуем выражение    +      −⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅= 112 13 0 33 3 8 x L cosB hKK Ly π π          −⋅+ 12 8 2 x L cosB π , где 0K зависит от значения x : при 10=x 6 0 104 ⋅=K ; при 5410 ≤< x 66 0 105100540 ⋅+⋅⋅−= ,xK ; при 54>x 6 0 102 ⋅=K . Тогда при 10=x    +      −⋅⋅ ⋅ ⋅= 110 121 14320000 23143 12121 33 3 ,cos , y 408 010110 121 1432 8 13640 ,,cos −=         −⋅⋅+ . По аналогии: 20=x 0400,y −= ; 30=x 0980,y −= ; 40=x 1970,y −= ; 50=x 350,y −= ; 60=x 520,y −= ; 70=x 640,y −= ; 120=x 900,y −= . Горизонтальное перемещение и гори- зонтальные деформации определяются по выражению     ⋅+⋅⋅ ⋅ ⋅= x L sinBx L sinB , h ππ π ε 2 8323 12 2 132 2 . Производим вычисления: 10=x 00250,=ε ; 30=x 00750,=ε ; 50=x 01270,=ε ; 70=x 01300,=ε ; 120=x 00300,−=ε . Аналогично определяем пригрузки, на- пряжения, опускание слоя, горизонтальные перемещения и деформации для 4 слоя. Данные вычислений сводим в табл. 2. 64501 =σ тс/м2; 85001 =σ тс/м2; 49101 =R т; 69112 =R т; 941 =T тс/м2; 1402 =T тс/м2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН ПЕРЕМЕЩЕНИЙ СЛОЕВ Таблица 2 Переменная величина, х Опускание, у Горизонтальное перемещение, ε 10 0,0166 0,0055 30 0,226 0,023 50 0,65 0,0293 80 1,02 0,0182 120 1,12 0,00033 Данные в табл. 2 получены при сле- дующих условиях для =1B 4200 т, =2B 8100 т: при 7160 ,x << 6 0 1032 ⋅= ,K ; при 340716 ,x, << 66 0 10862100450 ⋅+⋅⋅−= ,,xK ; при 340,x > 6 0 10061 ⋅= ,K . С целью проверки или более точного определения для каждого из жестких сло- ев, выделенных в надугольной толще, вы- числяется максимальная величина опуска- ния в средней части выработки. Если опус- кание более m,80 (где m – вынимаемая мощность пласта, м), определяется со сто- роны нижележащих пород. Для этого вы- числяется значение коэффициента 1B′ при заданной величине опускания фm р ф т m B =′1 . Определяется соответственно реактив- ный момент рM и реактивная сила х: ( )11 BBLM p ′−⋅= π ; П M x p= , где П – плечо, равное L,50 . Геометрические параметры cдвижения и распределения напряжений в надуголь- ной толще, расположение и параметры пустот, а также размещение дегазационных скважин, пробуренных из горных вырабо- 409 ток, для данных расчетов приведены на рис. 1 – 4. Рис. 1. Параметры сдвижения горных пород в слое 9 Рис. 2. Параметры сдвижения горных пород в слое 4 Рис. 3. Распределения напряжений в надугольной толще Рис. 4. Расположение пустот и дегазационных скважин ВЫВОДЫ При неоднородных породах надуголь- ной толщи после ее подработки образуют- ся полости расслоения, в которых скапли- вается метан. Размеры этих полостей, как было установлено выше, зависят от горно- геологических условий разработки (мощ- ности пласта, состава пород, их прочност- ных свойств и др. факторов) и распростра- няются над выработанным пространством до границы опорной зоны. Для эффектив- ного отвода метана забои дегазационных скважин следует размещать вблизи грани- цы этих полостей. Таким образом, при известной картине распределения нормальных нагрузок и ус- тановленных мест расположения харак- терных точек сдвижений в конкретных ус- ловиях можно выбрать рациональное рас- положение скважин для дегазации подра- батываемых пластов. 410 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СОУ 10.1.00174088.001-2004. Дегазация угольных шахт. Требования к способам и схемы дегазации. – К.: Минтопэнерго Украины, 2004. – 162 с. 2. ГНАОТ 1.1.30-6.09.93. Руководство по проектиро- ванию вентиляции угольных шахт. – К.: Основа, 1994. – 311 с. 3. Савостьянов О.В. Керування станом масиву гірських порід: навч. посіб. / О.В. Савостьянов, В.Г. Клоч- ков. – К.: НМК ВО, 1992. – 276 с. – Рос. мовою. ОБ АВТОРАХ Клочков Виктор Григорьевич – к.т.н., профессор кафедры аэрологии и охраны труда Национального горного университета. Пугач Иван Иванович – к.т.н., доцент кафедры аэрологии и охраны труда Национального горного университета. Муха Олег Анатольевич – к.т.н., доцент кафедры аэрологии и охраны труда Национального горного университета.

Определение места и объема скопления метана в выработанном пространстве

Institution

Ähnliche Einträge