Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы
Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки, що проводиться буропідривним способом. Розглянуто ініціювання процесу викиду у випадках різної довжини шпурів для відбивання вугілля та породи. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнтів проникності...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33251 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы / Круковская В.В. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 73-82. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859945709716897792 |
|---|---|
| author | Круковская, В.В. |
| author_facet | Круковская, В.В. |
| citation_txt | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы / Круковская В.В. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 73-82. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки, що проводиться буропідривним способом. Розглянуто ініціювання процесу викиду у випадках різної довжини шпурів для відбивання вугілля та породи. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнтів проникності поперед вибоєм, значень тиску газу та швидкості утворення порожнини викиду вугілля та газу.
Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single opening, what is driving by drill and fire system, is executed. Initiation of coal and methane outburst
process in cases of various length of blast-holes is observed. Change of distribution of permeability
coefficient ahead of a face, pressure values and speed of formation of outburst cavity is analysed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:13:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
"Геотехническая механика" 73
УДК 622.831.322:622.23.085
В.В. Круковская, канд. техн. наук
(ИГТМ НАН Украины)
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВЫБРОСА УГЛЯ И ГАЗА
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЛИНЫ ШПУРОВ ДЛЯ ОТБОЙКИ
УГЛЯ И ПОРОДЫ
Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної
гірничої виробки, що проводиться буропідривним способом. Розглянуто ініціювання процесу
викиду у випадках різної довжини шпурів для відбивання вугілля та породи. Проаналізовано
зміну розподілів коефіцієнтів проникності поперед вибоєм, значень тиску газу та швидкості
утворення порожнини викиду вугілля та газу.
CHANGE OF PARAMETERS OF THE COAL AND GAS OUTBURST
DEPENDING ON LENGTH OF BLAST-HOLES FOR COAL AND ROCK
BREAKING
Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single open-
ing, what is driving by drill and fire system, is executed. Initiation of coal and methane outburst
process in cases of various length of blast-holes is observed. Change of distribution of permeability
coefficient ahead of a face, pressure values and speed of formation of outburst cavity is analysed.
Взрывные работы на выбросоопасных пластах ведутся в режиме сотряса-
тельного взрывания, направленного на защиту людей от опасных последствий
внезапных выбросов [1, 2]. В результате специальной организации производст-
ва взрывных работ и применения особых схем расположения и взрывания шпу-
ровых зарядов при отсутствии людей в проводимой выработке и в опасной зоне
либо провоцируются выбросы угля и газа либо снижается их частота и интен-
сивность. Заряды ВВ по углю рассчитываются как заряды камуфлетного рых-
ления. Это делается для того, чтобы создать вокруг шпуров системы тре-
щин [3]. В этом случае происходит интенсивная дегазация угольного пласта и
снятие напряженного состояния в пределах контура выработки.
Задача о взрыве зарядов ВВ в газонасыщенном углепородном массиве с
одиночной выработкой является связанной задачей второго класса, состоящей в
определении изменяющегося во времени напряженно-деформированного со-
стояния породного массива, параметров нестационарной фильтрации метана и
распространения взрывной волны. Изменение напряженно-деформированного
состояния среды влечет за собой изменение ее проницаемости. Поле значений
коэффициентов проницаемости обуславливает изменение параметров фильтра-
ции газа, в том числе и его давление в трещинно-поровом пространстве. В свою
очередь, изменение давления газа влияет на напряженное состояние среды.
Кроме этого, во время распространения волны сжатия от взрыва заряда ВВ ска-
чок давления на ее фронте и отраженная от поверхности забоя волна растяже-
ния накладывают определенные возмущения на поле напряжений и поле давле-
ний газа.
Для упрощения расчетов примем, что взрывание шпуровых зарядов в забое
выработки происходит одновременно. В этот же момент времени вглубь масси-
ва начинает распространяться волна сжатия, накладывая на существующее поле
74 Выпуск № 83
напряжений дополнительные сжимающие напряжения, вызванные взрывом.
Для расчета радиальной ( )trr ,σ и тангенциальной ( )tr,ϕσ составляющих
волны напряжений от взрыва сосредоточенного заряда, в диапазоне расстояний
( ) 010020 Rr ÷= , где 0R – радиус заряда, будем использовать зависимости Бо-
ровикова В.А. и Ванягина И.Ф. [4].
Когда волна сжатия подходит к открытой поверхности забоя, она отражает-
ся от нее, превращаясь в волну растяжения, центром которой является точка,
симметричная центру взрыва относительно поверхности забоя.
Напряженно-деформированное состояние породного массива в окрестности
горной выработки, проницаемость среды и нестационарное движение газа в на-
рушенном массиве описываются системой уравнений [5]:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
<
>=
<<
<
=
+=
=+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
=
∂
∂=++++
−
−
;1,0 при
;8,0 при ),(
;8,07,0 при
0,7;Q при 0
,
;,,
;0
;,, ,
max
65,458,2
min
2
2
,
2
31
Pk
Qetf
Qk
tk
tkyxkk
tq
y
p
k
yx
p
k
xt
p
yxji
t
u
tPtTtYtX
t
tt
ij
ijтехн
ijтехнтект
г
i
пiiijij
σ
σσ
σ
σ
σ
µ
ρσ
(1)
где jij,σ – производные от компонент тензора напряжений по x, y; t – время;
( )tX i – внешние силы; ( )tYi – сила воздействия взрывной волны; ( )tTi – силы,
вызванные внутренним трением, ( ) tuctT igi ∂∂−= ; сg – коэффициент демпфи-
рования, определяемый экспериментально; iu – перемещения; ( )tP – сила дав-
ления газа;
п
ρ – плотность породы;
г
µ – вязкость газа; p – его давление; )(tq –
интенсивность источников газовыделения; k – полное поле коэффициентов
проницаемости пород;
техн
k – технологическая проницаемость, вызванная пере-
распределением поля напряжений в результате проведения горной выработки;
),( yxk
тект
– начальная, тектоническая проницаемость, которая развивается в
углях в результате тектонических процессов; ( ) HQ γσσ 31 −= и HP γσ 3= –
геомеханические параметры.
Для математического описания процесса перехода горных пород в нару-
шенное состояние применяется условие прочности Кулона-Мора, которое учи-
тывает возможность возникновения разрушения как в результате сдвига, так и в
результате отрыва.
"Геотехническая механика" 75
Начальные и граничные условия для данной задачи:
;
2
;8,0
;
;
;
, ,
0
0
0
0
d
yyxxtt
водыt
tzz
txx
tyy
p
p
hp
h
h
h
взрвзрвзр
=
⋅=
=
=
=
===
=
=
=
=
γ
λγσ
λγσ
γσ
( )
;0
;0
);,(
1,0 ;
;8,0
4
3
2
1
=
=
=
==
⋅=
Ω
Ω
Ω
Ω
y
x
тект
vv
водыt
u
u
yxfk
МПа;ppp
hp γ
(2)
где γ - усредненная плотность вышележащих горных пород; h - глубина разра-
ботки; λ - коэффициент бокового распора;
воды
γ - плотность воды;. ( )t1Ω - изме-
няющаяся во времени граница области фильтрации; 2Ω - внутренний контур;
3Ω - вертикальные границы внешнего контура; 4Ω - горизонтальные границы
внешнего контура; vp - давление воздуха в выработке, dp - детонационное
давление;
взр
t - момент взрыва;
взр
x ,
взр
y - координаты центра взрыва.
Исходя из полученных авторами [6] данных, можно сказать, что детонаци-
онное давление для основных ВВ, применяемых на практике, изменяется в пре-
делах МПаpd 240001500 ÷= .
Чтобы получить решение системы (1) с начальными и граничными усло-
виями (2) на определенном временном промежутке, применяется конечно-
разностный метод. При этом считается, что в начальный момент времени t = 0
распределение напряжений и давления задано, и для достаточно малых значе-
ний t∆ с помощью итерационных соотношений получаем распределение на-
пряжений, давления метана, скоростей его течения и расходов на момент вре-
мени tt ∆+ . Этот процесс продолжается от исходного состояния до любого те-
кущего момента времени.
Рассмотрим случай, когда забой выработки высотой 3 м находится на рас-
стоянии 9,75 м от тектонического нарушения типа «сброс» с амплитудой сме-
щения 1 м, вокруг которого расположена десятиметровая зона перемятого угля.
Мощность выбросоопасного угольного пласта – 1,5 м, глубина проведения вы-
работки – 1000 м. Газоносность угля – 20 м3/т, содержание метана в свободной
форме – 10 %, в сорбированной – 90 %. Вмещающая порода – аргиллит. Свой-
ства пород приведены в табл. 1.
Выработка проводится буровзрывным способом в режиме сотрясательного
взрывания. Радиус заряда – 025,00 =R м, длину шпуров будем варьировать в
пределах от 1,4 до 5,0 м.
76 Выпуск № 83
Таблица 1 – Характеристики пород
Порода
Модуль
упругости,
Е, МПа
Коэффи-
циент
Пуассона,
µ
Сцепле-
ние, С,
МПа
Угол внут-
реннего
трения, ϕ о
Прочность
на растяже-
ние,
р
σ ,
МПа
Плот-
ность, ,
кг/м3
Скорость
звука в
породе, с,
м/с
Аргиллит 104 0,2 3,5 30 –2 2*103 5*103
Уголь 5*103 0,2 1,75 30 –1 1,25*103 3*103
Расчеты проводятся с применением метода конечных элементов. Конечно-
элементная сетка, шпуры для отбойки угля и породы показаны на рис. 1. Шаг
по времени составляет 0,1 с. Взрывание происходит в момент времени t = 0,2 с.
Рис. 1 – Центральный фрагмент конечно-элементной сетки со шпурами
для отбойки угля и породы (1-3)
Выполним расчет для случая взрывания зарядов 1-3 с длиной шпуров =
ш
l
1,4; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 м. Получим распределения геомеханических и фильтраци-
онных параметров в различные моменты времени. Анализ полученных данных
показывает, что в первых двух случаях сразу же после взрывания шпуровых за-
рядов начинает развиваться процесс выброса угля и метана, рис. 2. Видно, что в
момент взрыва, t = 0,2 с, в точках взрывания давление газа высоко, но уже на
следующих итерациях зоны повышенного давления исчезают, в местах взрывов
образуется полость, сообщающаяся с выработкой, давление газа в ней практи-
чески равно атмосферному.
В случае =
ш
l 2,0 м время протекания динамического процесса – 7 с. В тече-
ние этого времени градиенты давления принимают очень высокие значения.
Происходит образование полости выброса в угольном пласте, длина которой
достигает 6,6 м. Затем рост полости останавливается (рис. 2, д), скорости тече-
ния метана падают, давление метана в угольном пласте продолжает медленно
снижаться – геомеханические процессы и процесс течения газа возвращаются к
квазистационарному режиму.
"Геотехническая механика" 77
а)
б)
в)
г)
д)
а) t = 0,2c; б) t = 2c; в) t = 4c; г) t = 6c; д) t = 8c
Рис. 2 – Относительное давление метана и рост полости выброса, =
ш
l 2,0 м
78 Выпуск № 83
а)
б)
в)
г)
д)
а) t = 0,2c; б) t = 2c; в) t = 4c; г) t = 6c; д) t = 8c
Рис. 3 – Относительное давление метана и рост полости выброса, =
ш
l 3,0 м
При =
ш
l 3,0 м развитие процесса выброса начинается на 5-ой секунде, рис. 3.
В этом случае время протекания динамического процесса составляет 3 с, в те-
чение которых образуется полость длиной 5,5 м. Вплоть до начала выброса в
массиве, в области взрывания зарядов сохраняется зона повышенного давления
"Геотехническая механика" 79
газа, которая исчезает только, когда полость выброса достигает ее границ.
а)
б)
в)
г)
д)
а) t = 0,2c; б) t = 2c; в) t = 10c; г) t = 20c; д) t = 30c
Рис. 4 – Относительное давление метана, =
ш
l 5,0 м
80 Выпуск № 83
На рис. 4 приведены изобары относительного давления газа перед забоем
выработки, когда длина шпуров равна 5,0 м. Как видно, при =
ш
l 5,0 м, так же,
как и при =
ш
l 4,0 м, процесс выброса угля и метана не развивается. Зона повы-
шенного давления в области взрывания зарядов исчезает в результате фильтра-
ции газа по нарушенному угольному пласту и породам в пространство выра-
ботки. Фильтрация происходит постепенно, в течение 30 с. В забое выработки,
в угольном пласте, образуется небольшая полость. Из-за малости объема высы-
павшегося угля это явление следует отнести скорее к вывалу или высыпанию
угля.
На рис. 5 показано изменение максимального значения коэффициента про-
ницаемости массива впереди забоя во время протекания динамических процес-
сов в рассмотренных пяти случаях.
Рис. 5 – Изменение максимального значения коэффициента
проницаемости массива впереди забоя
Видно, что увеличение проницаемости во время выброса происходит посте-
пенно, значения коэффициента проницаемости в это время находятся в преде-
лах от 0,8 до 1,0 мДа, рис. 7, L=1,4; L=2,0 м. Если же взрывание шпуровых за-
рядов не сопровождается выбросом, рис. 4, L=4,0; L=5,0 м, то в течение первых
"Геотехническая механика" 81
5 с проницаемость массива принимает максимальные значения в местах взрыва,
и эти значения в 2 раза выше, чем в случаях L=1,4; L=2,0 м.
Рост длины полости выброса показан на графиках, рис. 5. Скорость образо-
вания полости в случаях L=1,4; L=2,0 м составляет 0,86 м/с, в случае L=3,0 м –
1,45 м/с.
Рис. 5 – Рост длины полости выброса
По результатам имитационного моделирования можно сделать следующие
выводы. Развитие процесса выброса угля и метена в выбросоопасной зоне тек-
тонического нарушения при проведении выработки буровзрывным способом
зависит от длины шпуров для отбойки угля и породы. При <
ш
l 3,0 м взрывание
шпуровых зарядов сопровождается выбросом, который инициируется в резуль-
тате суммарного действия растягивающих напряжений, возникающих в приза-
бойной зоне, и отраженной от поверхности волны растяжения от взрыва шпуро-
вых зарядов.
При =
ш
l 3,0 м процесс выброса инициируется с замедлением в 5 с.
При >
ш
l 3,0 м выбросов угля и метана не происходит. При увеличении дли-
ны шпуров вероятность возникновения выбросов угля и метана снижается за
счет увеличения глубины зоны разгрузки призабойной части угольного пласта.
Увеличение глубины зоны разгрузки призабойной части угольного пласта за
счет опережающего взрывного воздействия используется для снижения интен-
82 Выпуск № 83
сивности и частоты выбросов угля и метана при сотрясательном взрывании во
время проведения подготовительных выработок смешанным забоем на особо-
выбросоопасных пластах, в зонах геологических нарушений и повышенного
горного давления [7]. Этот способ называется способом передового рыхления
угольного массива и вмещающих пород и заключается в предварительном
взрывании в выбросоопасной зоне или над ней 2-3 зарядов рыхления, длина ко-
торых в 2 раза больше глубины шпуров, используемых для отбойки угля и по-
роды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Шевцов Н.Р., Таранов П.Я., Левит В.В., Гудзь А.Г. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для ву-
зов. – 4-е издание переработанное и дополненное – Донецк, 2003. – 253 с.
2. Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ. // Стандарт Мінвугле-
прому України. СОУ 10.1.00174088.011-2005. – К.: Мінвуглепром України, 2005. – 226 с.
3. Петросян А.Э., Иванов Б.М. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа. // В сб. науч. тру-
дов ИГД им. А.А. Скочинского «Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа» – М.: Недра, 1978. –
С. 3-61.
4. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. – М.:
Недра, 1990. – 231 с.
5. Круковская В.В. Изучение параметров процесса выброса угля и газа с использованием компьютерного
моделирования //Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных
породах и выработках: Матер. XVII Межд. науч. школы. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. – С. 152-154.
6. Ефремов Э.И., Харитонов В.Н., Семенюк И.А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глубоких
шахтах. – М.: Недра, 1979. – 256 с.
7. Инструкция по применению сотрясательного взрывания в угольных шахтах Украины. - Макеевка: Мак-
НИИ, 1994. – 46 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33251 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:13:32Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Круковская, В.В. 2012-05-27T10:47:02Z 2012-05-27T10:47:02Z 2009 Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы / Круковская В.В. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 73-82. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33251 622.831.322:622.23.085 Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки, що проводиться буропідривним способом. Розглянуто ініціювання процесу викиду у випадках різної довжини шпурів для відбивання вугілля та породи. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнтів проникності поперед вибоєм, значень тиску газу та швидкості утворення порожнини викиду вугілля та газу. Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single opening, what is driving by drill and fire system, is executed. Initiation of coal and methane outburst process in cases of various length of blast-holes is observed. Change of distribution of permeability coefficient ahead of a face, pressure values and speed of formation of outburst cavity is analysed. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы Change of parameters of the coal and gas outburst depending on length of blast-holes for coal and rock breaking Article published earlier |
| spellingShingle | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы Круковская, В.В. |
| title | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы |
| title_alt | Change of parameters of the coal and gas outburst depending on length of blast-holes for coal and rock breaking |
| title_full | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы |
| title_fullStr | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы |
| title_full_unstemmed | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы |
| title_short | Изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы |
| title_sort | изменение параметров процесса выброса угля и газа в зависимости от длины шпуров для отбойки угля и породы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33251 |
| work_keys_str_mv | AT krukovskaâvv izmenenieparametrovprocessavybrosauglâigazavzavisimostiotdlinyšpurovdlâotboikiuglâiporody AT krukovskaâvv changeofparametersofthecoalandgasoutburstdependingonlengthofblastholesforcoalandrockbreaking |