VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Российская Федерация занимает второе место по запасам и пятое место по объему добычи угля (более 320 млн /т в год). При существующем уровне добычи угля его запасов хватит более чем на 550 лет. Но с каждым годом все компании сталкиваются с проблемой огромного выделения метана из угольных пластов в подготовительные (1) и очистные выработки (3) , которые в свою очередь сдерживают работу очистного комбайна (2) в лаве. Главной задачей угледобывающих компаний состоит в наращивании производственной мощности, но при этом не нарушая правила безопасности. От скорости движения комбайна в призабойном пространстве зависит производительность всей шахты. Чем выше скорость, тем больше нагрузка на забой. Но при высоких скоростях увеличивается газовыделения, в связи с уменьшением поперечного сечения призабойной выработки с одновременным увеличением добываемого полезного ископаемого. При превышении допустимой концентрации автоматически выключается энергия, комбайн останавливается и начинает свою работу только после нормализации газового режима. Немецкие специалисты предложили, что при достижении уровня метана ,нужно начинать снижать скорость комбайна, тем самым снижая уровень поступления метана в лаву и начинать дополнительные мероприятия по дегазации, либо за счет снижения десорбции метана из обнаженного пласта, либо за счет изменения размеров кусков отбитого угля.

В работах ученых Московского горного университета были выведены результаты теоретического анализа и обоснования базовой закономерности для прогноза выделения метана с поверхности угольного пласта в подготовительные выработки[1]. Результаты показали, что на краевой части угольного пласта происходит дегазация пласта по гиперболическому закону, что указывает нам на зону распределения дебита метана в выработках

В статье С.К. Мещанинова, Ю.Д. Павловой [2] исследовалось распределение содержания метана и получено уравнение для расчета выхода метана с единицы длины забоя, в любой момент времени, на протяжении равномерного движения очистного комбайна.

В результате работы получился график, показывающий характер выхода основного дебита метана в очистной выработке.

В свою очередь Качурин Н.М. [3] в основу своих выводов положил уравнение ламинарной фильтрации с учетом явления десорбции.

При этом принималось, что уголь имеет определенную газопроницаемость и пористость и может дегазироваться на значительную глубину от обнаженной поверхности. Это говорит о том, что после обнажения пласта и взаимодействия с рудничной атмосферой дегазация происходит наибольшим образом в местах контакта продолжительного периода.Вывод работ по определению метановыделения из обнаженных поверхностей угольного пласта [4] , вывели формулы выхода метана из обнаженного угольного пласта, который экспоненциально уменьшается во времени и имеет вид (1), где q - газовыделение с 1 м через время с момента обнажения пласта, ;

a - начальная интенсивность газовыделения в первый момент времени после обнажения пласта, ; w – коэффициент, характеризующий интенсивность газовыделения во времени, .

По данным указанным сверху, смоделируем поведение газа в угольном пласте (рис 2). Очевидно, что на пересечении подготовительной выработки (5) и очистной (4) основной дебит метана (1) не равномерно распределен по всему залегания пласта (3), а имеет геометрическую форму. На пересечении выработок (4) и (5) он распределяется по гиперболическому закону, а в начале выработки (5) дебит сужается, за счет десорбции угля.

В своей работе, разделение выемочного столба по осям абцисс и ординат, поможет рассчитать оптимальную длину лавы по газовому фактору, где:

, (2), где -количество отбитого угля, находящегося одновременно на всей длине выемочного участка, м; - соответственно начальная и остаточная метаноностность угля, ; - выход - ой фракции угля, доля единицы; - относительное метановыделение из -ой фракции угля, ; - коэффициент, характеризующий состояние угля, имеет вид

(4)

где - зольность угля, %; - влажность угля, %.

Для рассмотрения оси Х, понадобится смоделировать схему, где в точках будут сняты замеры выделения газа при длине выемочного столба 1500 метров каждые 300 м (рис.3). По полученным данным построен график, по которому видно, что дебит метана уменьшается по длине подготовительной выработки со временем. Это позволит очистному комбайну увеличивать нагрузку на забой, при уменьшении выемочного столба.

Для того, чтобы рассмотреть OY , нужно разбить очистную выработку на 3 отрезка (рис.4) : АВ,ВС,СD, где АВ, СD - это участок с наименьшим содержания метана, ВС - с наибольшим. Следовательно получаем, что скорость движения на протяжении всей лавы выглядит так АВ>СD>BC. АВ>СD, недолжны быть равны, так как на участке СD - будет повышенная концентрация метана.

При таком разделении лавы на участки, нужно учесть, что скорость выемки угля будет не равномерной и уравнение (2) примет вид:

(3)

Для определения метановыделения со всей поверхности пласта проинтегрируем выражение (3) по времени за период [0;] :

(4)

В выражение (4) подставив значение лавы, оставив остальные значения постоянными для одного и того же угольного пласта получим:

Длина лавы, м	100	200	400
Объём выделявшегося метана,	1,38	1,77	1,96

По данным видно, что с увеличением длины очистного забоя в 2 раза , увеличение газовыделения в 2 раза не осуществляется, попричине десорбции угля.

Сложив данные по осям Х и Y получаем график зависимости:

 

Рис.5.График распределения метана для различных длин лав.

 

Данный график позволяет получить зависимость газовыделения в подготовительной и очистной выработках. При уменьшении выемочного столба, нагрузку на лаву можно увеличивать, ограничиваясь газовыделением. Если раздегазированная зона столба слишком мала, можно провести предварительную дегазацию пласта, для увеличения этой зоны. Эта зона позволяет, комбайну двигаться неравномерно, тем самым увеличивая производительность всей шахты. Придерживаясь данной модели, производить предварительную дегазацию можно с уменьшением затрат на бурение скважин.

Список литературы

1. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку // Известия Тульского Государственного университета. - Тула: ТулГУ , 2011. - С.80-84.

2. Мещанинов С.К., , ПавловаЮ.Д. Математическое моделирование выхода метана из угольного пласта при движении комбайна // Научный вестник НГУ. -Днепропетровск: НГУ, 2013. - С.66-70.

3.Качурин Н.М. Перенос газа в породоугольном массиве // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1991. № 1. С. 43-47.

4.Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А. Аэрология горных предприятий.- М.: Недра,1987.- С.231-254.

5.Петросян А.Э.Выделение метана в угольных шахтах. – М.: Недра, 1975.–188с.

Код для цитирования: Скопировать