Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя
Встановлено особливості, описано механізм і визначено параметри процесу перерозподілу метану навколо очисного вибою, який рухається, у вугільних шахтах. This article describes peculiarities and mechanism of and states parameters for the process of methane redistribution around the advancing breaka...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33535 |
| 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: | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя / Б.В. Бокий, В.Г. Перепелица, И.А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 112-121. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859685803750326272 |
|---|---|
| author | Бокий, Б.В. Перепелица, В.Г. Ефремов, И.А. |
| author_facet | Бокий, Б.В. Перепелица, В.Г. Ефремов, И.А. |
| citation_txt | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя / Б.В. Бокий, В.Г. Перепелица, И.А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 112-121. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Встановлено особливості, описано механізм і визначено параметри процесу перерозподілу метану навколо очисного вибою, який рухається, у вугільних шахтах.
This article describes peculiarities and mechanism of and states parameters for the process of
methane redistribution around the advancing breakage face in the coal mines.
|
| first_indexed | 2025-11-30T22:24:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
112 "Геотехническая механика"
УДК 622.411.332:533.17:622.016.62
Б.В. Бокий, д-р техн. наук
(АП «Шахта им. А.Ф. Засядько»),
В.Г. Перепелица, д-р техн. наук, проф.
(ИГТМ НАН Украины),
И.А. Ефремов, канд. техн. наук
(АП «Шахта им. А.Ф. Засядько»).
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАНА ВОКРУГ
ДВИЖУЩЕГОСЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ
Встановлено особливості, описано механізм і визначено параметри процесу перерозподі-
лу метану навколо очисного вибою, який рухається, у вугільних шахтах.
METHANE REDISTRIBUTION AROUND THE
ADVANCING BREAKAGE FACE
This article describes peculiarities and mechanism of and states parameters for the process of
methane redistribution around the advancing breakage face in the coal mines.
При высоких скоростях подвигания очистных забоев процесс активных
сдвижений массива горных пород развивается в пространстве и охватывает
весьма большие участки горного массива. При этом газ движется вдоль линий
градиента давления от большего в сторону меньшего. Однако, распределение
интенсивности и направление потоков газа отличается особой сложностью, ко-
торая обусловлена движением лавы, а также ее примыканием к ранее вырабо-
танному пространству [1, 2, 3].
Для установления механизма перераспределения метана вокруг движущегося
очистного забоя проводилось имитационное моделирование динамического сдви-
жения массива горных пород вокруг движущегося очистного забоя и перераспре-
деления метана вокруг него. При этом использовался подход, описанный в работе
[4] и моделировалось два процесса - геомеханический и газодинамический.
Время протекания процессов учитывалось дискретно, приращение времени
принято равным не более полушага посадки основной кровли, что позволило
учесть наиболее характерные моменты динамики сдвижений подрабатываемого
газонасыщенного массива.
В модели учитывалась скорость подвигания лавы. Для этого передвижение
полости выработанного пространства выполнялось с разным приращением –
чем больше скорость, тем больше приращение по координате подвигания лавы
в единицу времени. Точно также изменялись внутренние граничные условия,
описывающие распределение давления рудничной атмосферы в горных выра-
ботках с учетом депрессии вентилятора главного проветривания (ВГП).
На каждом этапе моделирования геомеханического и газодинамического
процессов в качестве исходных данных использовались результаты, получен-
ные на предыдущем шаге, что позволило корректно учесть начальное состояние
моделируемой системы.
Учтена анизотропия массива горных пород - проницаемости по простира-
Выпуск № 91 113
нию, падению и по нормали к напластованию и динамикой изменения этих па-
раметров во времени, что повысило достоверность результатов моделирования
Моделировалась фильтрация газа вокруг движущегося очистного забоя,
примыкающего к ранее выработанному пространству. То есть, взят наиболее
характерный случай бесцеликовой отработки запасов, что является отличитель-
ной особенностью данной модели. Кроме того обеспечена возможность ввода
любого количества выработанных пространств, в том числе и в переделах сви-
ты пластов.
Форма выработанных пространств в данной задаче выбиралась произволь-
ной. Это позволило установить особенности перераспределения давления и по-
токов газа в условиях геомеханического и газодинамического взаимодействия
смежных выработанных пространств и расширить область применения резуль-
татов с точки зрения отработки запасов угля до 90%, поскольку почти все запа-
сы на большой глубине вынимают примыкающими лавами (существующие мо-
дели ориентированы на 5-10% запасов).
При разработке модели в соответствии с [4] приняты следующие допущения
и ключевые положения.
1. Процесс фильтрации газа вокруг действующей лавы протекает в лами-
нарном режиме.
2. Процесс фильтрации газа в среде с высокой проницаемостью подобен
процессу фильтрации в среде с низкой проницаемостью и отличается только
скоростью протекания (критерий подобия Фурье).
3. Высота зоны трещиноватых пород в кровле выработки и области интен-
сивной дегазации распространяется не далее 30 вынимаемых мощностей пла-
ста, а общая область фильтрации газа распространяется в кровлю не далее 120-
150 вынимаемых мощностей пласта.
4. Содержание газа в массиве не существенно влияет на его процесс сдви-
жения и разрушения.
5. При бесцеликовой отработке смежных запасов происходит геомеханиче-
ское и газодинамическое взаимодействие выработанных пространств.
6. Скорость подвигания очистного забоя оказывает существенное влияние
на процесс сдвижения вмещающих пород и перераспределения газового давле-
ния и его потоков.
7. Анизотропия прочностных и деформационных свойств массива порожда-
ет в процессе его подработки анизотропию проницаемости.
Процесс дегазации массива горных пород вокруг действующего очистного
забоя происходит в результате разрушения вмещающих пород, которые пере-
ходят в запредельное состояние в результате развития зоны полных сдвижений.
После разрушения вмещающих пород и образования трещин и расслоений газ
начинает двигаться в сторону градиента давления, который направлен от не-
тронутого массива в сторону рабочего пространства действующей лавы и ее
выработанного пространства. Таким образом, закономерности перераспределе-
ния газового давления и его потоков определяются законами фильтрации газа, а
114 "Геотехническая механика"
процесс сдвижения - законами теории упругости и теории прочности горных
пород.
Направление и интенсивность газовых потоков зависят от распределения
проницаемости или коэффициентов общей диффузии и изменения этого рас-
пределения во времени. Для того чтобы получить эту информацию (распреде-
ление проницаемости толщи вокруг действующего очистного забоя и его изме-
нение во времени), необходимо решить задачу о динамике необратимых сдви-
жений массива вокруг движущейся лавы. Таким образом, задача исследования
процесса перераспределения газового давления и его потоков вокруг дейст-
вующей лавы распадается на две сопряженные. Сначала решается задача о ди-
намике сдвижений массива горных пород, при решении которой получаем рас-
пределение проницаемости массива (коэффициентов общей диффузии метана)
в пространстве и времени, а затем эти распределения используются в качестве
исходных данных для решения задачи о фильтрации газа. Именно поэтому гео-
механическая и фильтрационная задача являются сопряженными.
Величина подвигания очистного забоя принималась постоянной и равной
20-50 м в зависимости от размера расчетной схемы и требований к степени ее
детализации. Такой шаг подвигания лавы достаточен, чтобы учесть основные
периодические процессы, возникающие на активной стадии сдвижений и обу-
словленных периодическим зависанием и обрушением основной кровли и вы-
шележащих породных слоев. Поскольку время применялось как глобальная пе-
ременная, скорость подвигания очистного забоя учитывалась тем, что время, в
течение которого лава передвигалась на расстояние, равное элементарному ша-
гу, зависело от скорости ее подвигания. Чем больше скорость, тем за меньшее
время проходила лава элементарный участок или тем больше ее подвигание в
течение месяца. Таким образом, в течение месяца лава, имеющая скорость 100
м/мес., преодолевала пять элементарных участков длиной по 20 м, а при скоро-
сти 150 м/мес. восемь таких участков.
Решение сопряженных задач геомеханики и фильтрации реализовали сле-
дующим образом. Обе сопряженные задачи решались методом конечных раз-
ностей. Именно поэтому приращения времени и координат очистного забоя
осуществлялось дискретно, а величина приращения выбиралась так, чтобы
быть меньшей периоду и шагу обрушения основной кровли. Именно такой под-
ход позволил гарантировать требуемую точность решения обеих сопряженных
задач.
Решение задачи о фильтрации газа осуществлялось на примере массива оса-
дочных горных пород, вмещающего пласт m3 на глубине 1200 м в условиях 16-
й западной лавы шахты им. А.Ф. Засядько [4].
Эта лава является типичным производительным очистным забоем, отраба-
тывающим угольный пласт m3 с природной газоносностью до 25 м3/т.с.б.м.
Пласт является сверхкатегорийным по газу, поскольку при работе лавы выделя-
ется до 100 м3 метана в минуту. Лава отрабатывается как примыкающая к
сплошному ранее выработанному пространству на глубине 1200 м. Поскольку
около 90% запасов пологих угольных пластов отрабатываются примыкающими
Выпуск № 91 115
не одиночными лавами, то такой подход свидетельствует о представительности
выбранного для моделирования объекта. Таким образом, выбранный объект для
моделирования представляет собой типичный случай отработки запасов на
большой глубине в сложных горно-геологических и газодинамических услови-
ях. Кроме того, в окрестности данной лавы проводились ежемесячные инстру-
ментальные наблюдения за газовыделением, что позволяет сравнить расчетные
результаты с фактическими.
Вынимаемая мощность пласта составляет 2 м, длина очистного забоя 250 м,
скорость его подвигания равна 150 м/мес. Общие размеры расчетной схемы соста-
вили: по высоте 400 м, по простиранию 1000 м, по падению 450 м. Пласт разме-
щен с таким расчетом, чтобы границы расчетной схемы были удалены в почву
далее 40, а в кровлю – более 150 вынимаемых мощностей. Экспериментально
установлено, что на таком расстоянии возмущение природного распределения
газового давления вследствие очистных работ пренебрежимо мало [5]. Расстоя-
ние от ближайших границ выработанного пространства к боковым или торце-
вым стенкам модели принималось не менее 100 м, что также гарантировало со-
блюдение граничных условий, соответствующих нетронутому массиву, по-
скольку размер области естественной дегазации краевой части массива, как
правило, не превышает 20–30 м.
Со стороны восстания была задана часть ранее выработанного пространства
15-й западной лавы на ширину 100 м. Границы зон различной проводимости со-
вмещали с характерными контактами разнородных по прочности и газопрони-
цаемости слоев. В качестве таких границ принимались контакты угольных пла-
стов с мощными слоями песчаника, известняка или алевролита. В итоге было
выделено 8 характерных зон проводимости, коэффициент общей диффузии ко-
торых уменьшался в направлении от пласта в кровлю и почву. Разница коэф-
фициентов общей диффузии метана для нетронутого массива и обрушенных
пород составляла порядка десяти тысяч.
Такой диапазон проводимости обусловлен не только существенным разли-
чием величин коэффициента общей диффузии для характерных областей гор-
ного массива, затронутого очистными работами, но и спецификой решения за-
дачи неравновесной фильтрации.
Сокращение времени решения было достигнуто за счет применения метода
учета времени путем использования гидродинамического критерия подобия
Фурье. При его соблюдении длительные процессы фильтрации в среде с низкой
проницаемостью подобны быстрым процессам в среде с высокой проницаемо-
стью.
Пробные расчеты процесса фильтрации на разработанной модели показали,
что при использовании интервала приращения по времени, равного ~ 1 с, и ха-
рактерных размерах расчетной области решение задачи является весьма устой-
чивым. Если шаг по времени увеличивать, то при определенных соотношениях
проводимости массива и конфигурации расчетной области могут возникать не-
устойчивости, которые приводят к плохой обусловленности матрицы коэффи-
циентов численного аналога уравнения фильтрации.
116 "Геотехническая механика"
Достоверность результатов моделирования с помощью разработанной ком-
плексной модели проверялась путем сравнения результатов моделирования с
данными шахтных инструментальных наблюдений. Как было отмечено выше,
проницаемость выработанного пространства является одним из ключевых па-
раметров, от которого зависит характер протекания процесса фильтрации мета-
на в окрестности действующей лавы. Коэффициенты общей диффузии окру-
жающего массива являются функциями координат и времени. Эти коэффици-
енты являются входными параметрами математической модели фильтрации.
Поэтому обоснованный выбор распределения коэффициентов диффузии играет
важную роль в достижении достоверных результатов моделирования.
В связи с этим результаты решения первой геомеханической сопряженной
задачи оценивались по сравнению расчетных распределений проницаемости с
измеренными в натуре. При постановке экспериментальных работ учитывались
следующие обстоятельства. Действующий очистной забой является особо
опасным объектом, инструментальные наблюдения в котором производить
весьма сложно. Тем более это касается выработанного пространства, которое
формируется после выемки угля в зоне активных сдвижений. В этой зоне про-
исходит обрушение непосредственной и основной кровли, что препятствует
прямому доступу с измерительными инструментами.
Заметим, что по мере отхода лавы от конкретной точки выработанного про-
странства происходит его уплотнение под действием увеличивающегося веса под-
работанного массива. Поэтому характер изменения проводимости зон весьма
сложен. Другими словами, по мере подсечки (подработки) определенного участка
движущейся лавой объем пород, слагающих этот участок, переходит через ряд
различающихся состояний, когда его проводимость сначала увеличивается, а за-
тем несколько понижается по мере уплотнения обрушенных пород. Кроме того,
как уже отмечалось, изменяется соотношение коэффициентов общей диффузии
вдоль трех основных направлений.
Вначале толща попадает в зону динамического опорного давления, массив
сжимается, что приводит к закрытию природных отдельностей и трещин кли-
важа. Поэтому проницаемость в зоне опорного давления несколько (на 30% для
данной глубины разработки) уменьшалась по сравнению с проницаемостью не-
тронутого массива. Напомним, что проницаемость вдоль напластования в не-
тронутом массиве и в зоне опорного давления несколько выше, чем в направле-
нии нормали к напластованию. Причем проницаемость вдоль нормали к напла-
стованию становилась выше, чем вдоль напластования. Этому содействовали
субвертикальные трещины горного давления. Однако по мере отхода лавы про-
исходило уплотнение обрушенных пород и подработанной толщи, что опять
приводило к закрытию трещин и уменьшению проницаемости массива.
При определении величины коэффициента общей диффузии трещиноватого
массива горных пород как функции горного давления использовались хорошо из-
вестные зависимости проницаемости массива горных пород от величины горного
давления по данным [6]. Так, увеличение глубины в три раза понижает проницае-
мость угольного пласта в 11 раз. Для нагнетания воды в данный пласт необходимо
Выпуск № 91 117
повышать рабочее давление жидкости в шесть раз. Это означает, что закрытие
трещин и отдельностей в результате уплотнения обрушенных пород приведет к
аналогичному снижению проницаемости и возможному повышению остаточного
газового давления в отработанной области.
С удалением от плоскости пласта вниз и вверх по нормали меняется не
только величина проницаемости, но и ее распределение, что обусловлено свой-
ствами отдельных породных слоев, слагающих характерные зоны проницаемо-
сти, и особенностями процесса сдвижений. Кроме того, распределения прони-
цаемости в одном и том же месте расчетной области изменяются во времени, т.
е. по мере подвигания очистного забоя [7]. Так, после отхода лавы от фиксиро-
ванного места обрушения проницаемость постепенно уменьшается в силу уп-
лотнения ранее обрушенных пород. Это означает, что на каждом из этапов под-
вигания лавы распределение проницаемости изменялось для каждой из 8 зон.
Другими словами, для 10 этапов в качестве исходных данных для моделирова-
ния было задано 80 индивидуальных распределений проницаемости.
Согласно [8], коэффициент общей фильтрации метана представляет собой
обобщенную характеристику процесса фильтрации, составляющими которого яв-
ляются молекулярная, конвективная диффузии и другие виды массопереноса.
Важно лишь то, что все эти составляющие процессы массопереноса подчиняются
закону Фика, что позволяет очень сложный физический процесс фильтрации ме-
тана через слоистый трещиноватый массив формально описывать уравнением ла-
минарной фильтрации. Метан фильтруется через поры горных пород, по граням
зерен породообразующих минералов, через микротрещины, отдельности и, нако-
нец, макротрещины и плоскости расслоения [9].
Порядок величины коэффициента диффузии при молекулярной диффузии
приближается к величинам коэффициента диффузии молекул через твердое тело,
который составляет примерно 10–12 м2/с. Диффузия через трещины уже характери-
зуется коэффициентами диффузии газа в газ (метана в воздух), порядок которых
согласно [8,10] составляет 10–4 м2/с. Основная доля метана, таким образом, диф-
фундирует в сторону призабойного пространства при коэффициенте общей
фильтрации порядка 10–6–10–4 м2/с. Характерное время фильтрации метана вокруг
очистного забоя согласно опытным данным эксплуатации дегазационных скважин
составляет от 1 до 24 месяцев и более. Площадь фильтрации не изменяется, по-
этому принимается равной 1 м2. Тогда безразмерный критерий в виде произведе-
ния меньших величин обоих диапазонов, деленного на единичную площадь, со-
ставит ~ 2,6, а больших – 6240. Это значит, что при характерном времени процесса
в модели, равном ~ 1 с, коэффициент общей фильтрации должен изменяться в пре-
делах от единиц в нетронутом массиве до десятков тысяч в зоне полных обруше-
ний.
Прирост остаточного газового давления в ранее отработанном пространстве
носит временный характер, обусловленный неравномерностью процесса фильт-
рации метана.
В процессе подработки и обрушения толщи ее проницаемость увеличивает-
ся практически мгновенно, а давление падает постепенно. Поэтому после под-
118 "Геотехническая механика"
работки (и надработки почвы) из массива, прилегающего к действующей лаве,
возникает интенсивный газовый поток, который направлен в сторону градиента
давления. Главный поток ориентирован в сторону только что образованного
выработанного пространства 16 западной лавы. Однако часть газа перетекает в
ранее выработанное пространство, проводимость которого выше, чем проводи-
мость нетронутого массива, а остаточное давление там минимально. Некоторая
доля перетекающего потока возвращается назад в выработанное и рабочее про-
странство действующей лавы.
Результаты моделирования позволили установить еще один эффект, кото-
рый заключается во временном частичном восстановлении газового давления в
выработанном пространстве действующей лавы. Тот факт, что среднее давле-
ние в зоне активных сдвижений и даже в зоне установившегося сдвижения па-
дает постепенно, подтверждается многими экспериментальными данными.
Природа естественной дегазации разрушенных пород весьма сложна и носит
выраженный нестационарный характер. Доказано, что в измельченном угле или
кусках газосодержащих пород самопроизвольная дегазация протекает десятки
или сотни часов. При этом ведущую роль в снижении газосодержания выпол-
няет физический процесс фильтрации [11].
В результате обрушения крупных блоков пород размером порядка метра и
более и дальнейшем их уплотнении процесс газоистощения длится 1000 суток и
более. При этом произвольное снижение газосодержания происходит в равной
мере за счет физических процессов фильтрации и твердотельной диффузии. Со-
гласно данным, опубликованным в [11] в стесненных условиях крупные блоки
метаносодержащих пород и углей способны в течение 1000 суток удерживать
до 30 % первоначального объема газа. Известно множество экспериментальных
результатов, как в отечественных, так и в зарубежных публикациях, подтвер-
ждающих длительный процесс самопроизвольной дегазации (а, следовательно,
и постепенного падения давления) из блоков угля и углесодержащих пород.
Так, по данным [12], интенсивная дегазация из керна угля диаметром 61 мм бы-
ла зафиксирована в условиях атмосферного давления в течение месяца. Даже
через месяц скорость выделения метана составляла 12-15 мл/сутки.
Подпитывающую роль выполняет и граница области полных сдвижений,
расположенная в непосредственной близости к ранее выработанному простран-
ству предыдущей лавы. Именно этими источниками объясняется достаточно
длительное поддержание повышенного газового давления в ранее выработан-
ном пространстве у границы с действующей лавой и в выработанном про-
странстве действующей лавы. В силу этого градиент перепада давлений боль-
ше, что дает возможность заметить временное повышение остаточного газового
давления как в подработанной, так и в надработанной толще. Другими слова-
ми, эффект временного повышения остаточного давления в смежном ранее вы-
работанном пространстве имеет симметричную форму и определяется единым
механизмом, причины которого обсуждались выше.
Таким образом установлено, что движение газа не является двумерным, а
обладает явно выраженной трехмерностью [13]. Это означает, что нельзя про-
Выпуск № 91 119
цессы фильтрации газа рассматривать только в плоском сечении. Существуют
интенсивные обменные потоки между соседними вертикальными сечениями,
проведенными как вдоль лавы, так и вдоль линии ее подвигания [14].
Установленные закономерности перераспределения метана имеют важное
практическое значение. Так, переток метана в ранее выработанное пространст-
во объясняет экспериментально обнаруженный факт меньшей газообильности
примыкающих лав по сравнению с одиночными, отрабатываемыми в аналогич-
ных горно-геологических условиях.
В связи с тем, что часть перетекшего газа возвращается назад в действую-
щую лаву, появляется реальная возможность снизить газообильность ранее вы-
работанного пространства за счет улавливания возвращающегося газа через
специальные скважины, буримые на ранее выработанное пространство. В связи
с этим был проведен анализ доли перетоков при разных скоростях подвигания
примыкающей лавы. Количество газа, перетекающего в ранее выработанное
смежное пространство определено путем интегрирования в вертикальной плос-
кости, проходящей через вентиляционный штрек. При этом нормальную со-
ставляющую градиента газового давления к указанной плоскости умножали на
проницаемость. Интегрирование осуществлялось на высоту 120 вынимаемых
мощностей от разрабатываемого пласта и на участке простирания пласта от 50
м впереди лавы до 300 м позади нее, то есть в пределах зоны активных сдви-
жений.
Результаты обработки данных моделирования в диапазоне скоростей подви-
гания от 50 до 250 м/мес. показали, что процент перетока газа из зоны активных
сдвижений в смежное, ранее выработанное пространство изменяется от 5 до 25
%. При этом от 37 до 70 % величины общего перетока возвращается назад в
вентиляционную выработку действующей лавы. Величины перетоков и возвра-
тов газа описываются логарифмическими зависимостями при достоверности
аппроксимации, равной 0,94-0,97.
Затухающий характер зависимостей имеет геомеханический смысл и хоро-
шо согласуется с общими закономерностями сдвижений подрабатываемой
толщи пород. Так увеличение скорости подвигания очистного забоя с 50 до 250
м/мес. изменяет характер сдвижений подрабатываемого массива. При малых
или умеренных скоростях подвигания происходит регулярная посадка основной
кровли и обрушение непосредственной. При этом создаются интенсивные зоны
трещиноватости в подрабатываемых породных слоях. Эти зоны обуславливают
высокую проницаемость массива в области активных сдвижений, что обеспе-
чивает возможность фильтрации почти всего выделяющегося из подрабатывае-
мой толщи газа в действующую лаву и ее выработанное пространство.
Однако, по мере увеличения скорости подвигания, зависания породных сло-
ев увеличиваются, а степень разрушения пород кровли снижается. Это затруд-
няет процесс разрушения подрабатываемого массива, хотя газ выделяется в по-
лостях расслоений. В связи с тем, что путь миграции выделяющегося газа в
сторону рабочего пространства действующей лавы затрудняется, он ищет дру-
гие направления, в том числе и через ранее выработанное пространство, кото-
120 "Геотехническая механика"
рое обладает неограниченной поглотительной способностью в силу практиче-
ски полного газоистощения.
Таким образом, рост скорости подвигания лавы приводит к увеличению до-
ли перетока газа в смежное выработанное пространство. Увеличивается и его
возврат назад в вентиляционный горизонт действующей лавы, поскольку ранее
выработанное пространство обладает значительным гидродинамическим со-
противлением и не успевает поглощать весь перетекший газ в силу установлен-
ной выше зависимостью процесса фильтрации от времени и проявлением его
неравновесности при больших скоростях подвигания очистных забоев. Вместе
с тем, бесконечное увеличение перетока газа в смежное выработанное про-
странство невозможно, оно стабилизируется при скоростях подвигания лавы
более 200 м/мес. по причине стабилизации процесса активных сдвижений под-
рабатываемого массива. То есть дальнейшее увеличение скорости подвигания
уже практически не меняет процесс активных сдвижений и не может увеличить
проницаемость толщи. Этим объясняется затухающий характер перетока и воз-
врата газа.
Если сравнить расчетное суммарное газовыделение с экспериментальным,
полученным на основании фактических измерений газовыделения, можно сде-
лать вывод о весьма удовлетворительной согласованности результатов модели-
рования с натурными замерами. Так, максимум газовыделения расположен на
расстоянии порядка 40 м позади лавы, а уровень газовыделения на расстоянии
150 м за лавой составляет 0,32 от максимума для натурных данных и 0,28 – для
результатов моделирования. Такое совпадение данных свидетельствует в поль-
зу достоверности результатов моделирования.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что интенсивность
газовыделения падает с удалением от кровли отрабатываемого пласта. При уве-
личении расстояния с 10 до 30 м интенсивность газовыделения уменьшается
почти в три раза. Это означает, что близлежащие газоносные породные слои и
угольные спутники дегазируются быстрее, чем удаленные от пласта в кровлю и
тем более почву. В принципе это согласуется с известными представлениями о
газодинамике угленосного массива горных пород. Однако данный факт позво-
ляет по-новому взглянуть на процесс частичного восстановления газового дав-
ления в выработанном пространстве, формируемом действующей лавой. Имен-
но удаленные газоносные слои после обрушения и уплотнения подработанной
толщи могут вносить главный вклад в процесс частичного восстановления га-
зового давления, поскольку их газоносность уменьшается медленнее, следова-
тельно, запасы сорбированного газа больше.
Отметим еще одну особенность, которая состоит в сдвиге пика газовыделе-
ния в сторону, противоположную направлению подвигания очистного забоя, по
мере удаления газоносного слоя от кровли отрабатываемого угольного пласта.
Причина этого эффекта заключается в особенностях процесса обрушения, когда
граница полных сдвижений формируется в виде консолей, зависающих таким
образом, что процесс сдвижений подработанной толщи начинается тем позже,
Выпуск № 91 121
чем выше породный слой залегает над отрабатываемым пластом. Интенсивная
дегазация газоносного слоя начинается только после его обрушения.
Третья особенность состоит в том, что кривые газовыделения на разных
горизонтах пересекаются на расстоянии 180–200 м позади лавы. Это является
следствием запаздывания процесса дегазации подработанных газоносных сло-
ев по мере удаления от кровли отрабатываемого пласта. Поэтому ближе рас-
положенные газоносные слои истощаются быстрее, в результате чего интен-
сивность газовыделения из вышележащих начинает с определенного момента
превышать скорость газовыделения из нижележащих слоев. Указанные осо-
бенности являются прямым следствием нестационарности процесса дегазации
и фильтрации метана вокруг действующего очистного забоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петросян, А.Э. Зависимость газообильности очистных выработок от способа управления кровлей /
А.Э Петросян // Рудничная аэрология. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. – С. 98 – 102.
2. Скляров, Л.А. О давлении газа в массиве пласта / Л.А. Скляров // Изв. ВУЗ Горн. журнал. - 1960. – № 8.
– С. 51 – 53.
3. Кузнецов, С.В. О давлении газа в угольных пластах / С.В. Кузнецов // Физ.-техн. пробл. разраб. полезн.
Ископаемых. - 1966. - № 5. - С. 28 – 37.
4. Бокій, Б.В. Моделювання фільтрації метану навколо очисного вибою, що рухається / Б.В. Бокій, В.В. На-
зимко // Форум гірників. - Дніпропетровськ, 2005. –Т.1(А-Г). - С. 96-110.
5. Современные проблемы шахтного метана: Сб. научн. трудов / МГГУ.- М.: МГГУ, 1999.- 324 с.
6. Малышев, Ю.Н. Комплексная дегазация угольных шахт / Ю.Н. Малышев, А.Г. Айруни . -М.: Академия
горных наук, 1999. -321 с.
7. Экспериментальная оценка газопроницаемости подработанного углепородного массива / А.Ф. Булат,
Е.Л. Звягильский, В.В. Лукинов, А.П. Клец, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня, В.В. Фичев, В.П. Иванов,
А.А. Тихонов, В.В. Чередников // Наука и образование: Сб. науч. тр. / НГУ.- Днепропетровск, 2004.- Т. 3,
№ 19.- С. 123-128.
8. Рудничная вентиляция: Справочник / Под ред. К.З. Ушакова.- М.: Недра, 1988.- 144 с.
9. Исследование утечек через выработанное пространство и возможностей управления ими / Н.В. Безкров-
ный, Б.В. Бокий, Т.В. Бунько, И.Е. Кокоулин, С.Г. Ирисов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. /
ИГТМ НАН Украины.- Днепропетровск, 2002. -Вып. 37 -С. 122-128.
11. Tarnowsky, J. Calculations concerning coal and gas outbursts / J. Tarnowsky // Int. Symp. on management and
control of high gas emissions and outbursts in underground coal mines. -Wollongong, Australia , 1995.- Р. 49-61.
12. Айруни, А.Т. Проблемы разработки метаноносных угольных пластов, промышленного извлечения и
использования шахтного метана в Карагандинском бассейнеи / А.Т. Айруни.- М.: РАН, 2002.- 320 с.
13. Gillies, A. Measurement of coal permeability using large samples / А. Gillies, I. Gray // Int. Symp. on man-
agement and control high gas emission.- Wollongong, Australia, 1999.- Р. 317-321.
14. Бокий, Б.В. Трехмерное перераспределение давления метана в окрестности двигающегося очистного
забоя / Б.В. Бокий // XV научная школа им. академика С.А. Христиановича "Деформирование и разрушение
материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" - Алушта, 2005. -С. 17-26.
15. Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков /
А.Ф. Булат, С.А. Курносов, И.Н. Слащев, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий // Геотехническая механика: Межвед. сб.
науч. тр. / ИГТМ НАН Украины.- Днепропетровск, 2006. - Вып. 55. - С. 10 -21.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33535 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T22:24:39Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бокий, Б.В. Перепелица, В.Г. Ефремов, И.А. 2012-05-28T16:03:09Z 2012-05-28T16:03:09Z 2010 Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя / Б.В. Бокий, В.Г. Перепелица, И.А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 112-121. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33535 622.411.332:533.17:622.016.62 Встановлено особливості, описано механізм і визначено параметри процесу перерозподілу метану навколо очисного вибою, який рухається, у вугільних шахтах. This article describes peculiarities and mechanism of and states parameters for the process of methane redistribution around the advancing breakage face in the coal mines. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя Methane redistribution around the advancing breakage face Article published earlier |
| spellingShingle | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя Бокий, Б.В. Перепелица, В.Г. Ефремов, И.А. |
| title | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя |
| title_alt | Methane redistribution around the advancing breakage face |
| title_full | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя |
| title_fullStr | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя |
| title_full_unstemmed | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя |
| title_short | Перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя |
| title_sort | перераспределение метана вокруг движущегося очистного забоя |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33535 |
| work_keys_str_mv | AT bokiibv pereraspredeleniemetanavokrugdvižuŝegosâočistnogozaboâ AT perepelicavg pereraspredeleniemetanavokrugdvižuŝegosâočistnogozaboâ AT efremovia pereraspredeleniemetanavokrugdvižuŝegosâočistnogozaboâ AT bokiibv methaneredistributionaroundtheadvancingbreakageface AT perepelicavg methaneredistributionaroundtheadvancingbreakageface AT efremovia methaneredistributionaroundtheadvancingbreakageface |