Прогноз газоносності шахти в запропонованних умовах

Мета заняття: вміти провести прогноз газоносності шахти в запропонованих умовах.

Ключові поняття: метан, витягання, метанорясність, дільниця, схема провітрювання, метановиділення.

Шахтний метан виникає в процесі трансформації органічних залишків у вугілля під впливом високих тисків і температур. Можна вважати, що в глибинах землі відбувається піроліз органічних речовин. Рослинні залишки

містять велику кількість лігніну, в структурі якого є багато метильних груп. В ході термічної переробки відбувається звільнення метильних радикалів, які потім відривають атом водню від органічних молекул і перетворюються на метан. Видобуток 1 т вугілля супроводжується виділенням 13 м³ чистого метану.

Слід зазначити, що в американській практиці вугільним метаном - coalbed methane (СВМ) називається метан, що міститься у вугільних пластах, а шахтним метаном - соаl mеns methane (СММ) - метан, що виділяється в результаті активної діяльності шахт. У зв'язку з цим концептуальна проблема метану повинна включати два основні напрями:

1) витягання шахтного метану з метою забезпечення безпечних умів роботи шахт, поліпшення екологічної обстановки і подальшою утилізацією цього газу;

2) промислове витягання вугільного метану з метою попередньої дегазації вугільних родовищ і здобуття додаткових об'ємів енергоносія.

В соответствии с положениями по прогнозу метанообильности угольных шахт определяются метанообильность участка и призабойного пространства лавы, метановыделение из отдельных источников метановыделения, газовый баланс участка и лавы.

Метанообильность участка q_уч (м³/т) без дегазации источников метана, составит:

q_уч = q _пл + q _в.п., (2.1)

где q _пл - метановыделение из разрабатываемого пласта, м³/т;

q _в.п. - метановыделение из выработанного пространства, м³/т.

q _в.п. = q _с.п. + q _пор., (2.2)

q _с.п. - метановыделение из сближенных пластов, м³/т;

q _пор- метановыделение из вмещающих пород, м³/т.

2.1 Расчет относительного метановыделения из разрабатываемого пласта

При прямоточных и возвратноточных схемах проветривания (без подсвежения) выемочных участков (система разработки обратным ходом «столбовая» или прямым ходом «сплошная»), т. е. с последовательным разбавлением метана по источникам его выделения, относительное метановыделение из разрабатываемого пласта рассчитывается по формуле, м³/т

q_пл = k _пл (x - x ₁) + k_эп (x - x₀), (2.3)

где k_пл. - коэффициент, учитывающий влияние системы разработки на метановыделение из пласта; х - природная метаноносность пласта, м³/т; х₁ - остаточная метаноносность угля выдаваемого за пределы выемочного участка, м³/т; k_э.п. - коэффициент, учитывающий метановыделение из целиков, и других эксплуатационных потерь угля (задается); х₀ -остаточная метаноносность угля в целиках и не вынимаемых угольных пачках, оставляемых в выработанном пространстве, м³/т:

x = 0,01x_г (100 - W - А₃) (2.4)

х₀ = 0,01х_ог (100 - W - А₃), (2.5)

где х_г - остаточная метаноносностьугля определенная по данным проб,отнесенная к тонне сухой, беззольной массы, м³/т с.б.м.; х_ог - остаточная метаноносность угля в целиках, невынимаемых угольных пачках, оставляемых в выработанном пространстве, м³/т с.б.м.; W - природная влажность угля, %;А₃ - природная зольность угля, %. Величина х_ог определяется по табл. 2.1.

Табл. 2.1 - Остаточная метаноносность угля в целиках, невынимаемых угольных пачках, оставляемых в выработанном пространстве в зависимости от выхода летучих веществ

Бассейн	Значение xог м^3/тс.б.м. при V^daf (%)
2-8	8-12	12-18	18-26	26-35	35-42	42-50
Донецкий и Львовско-Волынский	12,1-5,3	5,3-4,1	4,1-3,2	3,2-2,6	2,6-2,2	2,2-1,9	1,9-1,7

Величина х ₁определяется но формуле:

х ₁ = х [ 1- 0,85·k_пл· е^{- п} ] k₁; (2.6)

Коэффициент k₁ определяется по выражению:

, (2.7)

где a₂, b₂ - коэффициенты, характеризующие газоотдачу из отбитого угля; принимаются при времени дегазации отбитого угля (времени транспортировки угля Т_T) до 6 мин соответственно равными 0,051 и 0,7, а при Т_T > 6 мин а₂ = 0,115, b₂ = 0,25.

Время транспортирования угля с момента отторжения его от массива до выдачи его за пределы участка Т_т (мин) определяется по формуле:

, (2.8)

где n_l — число участков (выработок) длиной транспортировки l _Ti c различной скоростью движения угля; l _Ti — протяженность выработок с i-м видом транспорта, м; v_Ti — скорость транспортирования угля на участке l _Ti, м/с.

Значения n определяются по формуле:

; (2.9)

где v_оч — скорость подвигания очистного забоя, м/сут; а₁, b₁ — коэффициенты, зависящие от выхода летучих веществ; для углей с выходом летучих веществ V ^г ≤ 22 % а₁ =1,435, b₁ = - 0,051; при V^г > 22 % а₁ = 0,152,
b₁ = 0,051; H – глубина разработки, м; (принимается по проекту). При глубине разработки более 1000 м в формулу (3.6) подставляется Н = 1000 м.

Коэффициент, учитывающий влияние системы разработки на ме-тановыделение из пласта, вычисляется для по формуле:

. (2.10)

где l _оч - длина очистной выработки (лавы), м; b _зд - ширина условного пояса газового дренированияугольного пласта определяется по табл. 3.2.

В формуле (2.10) знак «плюс» принимается при сплошной системе разработки, а «минус» — при столбовой системе.

Табл. 2.2 - Ширина условного пояса газового дренированияугольного пласта в зависимости от выхода летучих веществ

Бассейн	Значение bзд при V^daf (%)
До 8	8-12	12-18	18-26	26-35	Более
Донецкий и Львовско-Волынский	7,5	10,5	13,5	17,5	13,5	10,5

Если < 0,5, то к расчету принимаем 0,5.

При схемах проветривания выемочных участков с подсвежением ( комбинированная система разработки), т.е. с обособленным разбавлением метана по источникам его выделения,относительное метановыделение из пласта вычисляется по формуле:

, (2.11)

где q_оп – относительное метановыделение с очистного забоя, м³/т; q_оу – относительное метановыделение из отбитого угля, м³/т.

Значения q_оп и q_оу определяются по формулам:

q_оп = 0,85 ·x·k_пл· e^-n, (2.12)

, (2.13)

, (2.14)

, (2.15)

где - метановыделение из отбитого угля в очистной выработке, м³/т; - метановыделение из отбитого угля при транспортировании его по выработкам участка, м³/т b₃, b₄ - коэффициенты, учитывающие долю отбитого угля соответственно находящегося на конвейере и оставляемого в лаве, дол. ед.; принимаются значения b₃ = 0,6, b₄ = 0,4 при односторонней выемке угля; b₃ = 1, b₄ = 0 – при челноковой работе комбайна; - коэффициенты, учитывающие степень дегазации отбитого угля в очистной выработке на конвейере, на конвейере при транспортировании его по выработкам участка:

, (2.16)

(2.17)

, (2.18)

Т_{Тпл .} – время нахождения отбитого угля на почве в лаве при односторонней выемке угля, мин; принимается ориентировочно равным времени работы комбайна по выемке полоски угля на ширину захвата с учетом времени на концевые операции, мин.; a₂, b₂ - коэффициенты, приведены в ф.2.7. Т_Тл. - время транспортирования угля в лаве, мин:

(2.19)

где - скорость транспортировки угля в лаве, м/с.

Пример 1. Рассчитать относительное метановыделение из разрабатываемого угольного пласта в условиях Донбасса при столбовой системе разработки (обратный ход) и возвратноточной схеме проветривания выемочного участка. Выемочное поле вышерасположенной лавы отработано, ниже проектируемого выемочного участка находится массив угля (рис. 2.1). Угольный пласт выбирается полностью. Выработки за лавой погашаются. Остальные исходные данные приведены в табл. 2.3.

Рис. 2.1. Схема проветривания выемочного участка при столбовой системе разработки

Значение параметров

Размерность

м3/т % % % мл/г с. б. м, м/сут м м м м/с м/г

х 1Г Лз V" V'

15 1 5 ~25~ 185 3,78 800 200

об

"оч н

усе \!Гю Гг М" Ы01Щ>

и ч

1,0 1 1,0 1,5 У.Г

У0

'«б

сут

Табл. 2.3 - Исходные данные для расчета к примеру 1

Параметр	Обозначение параметра	Размерность	Значение параметров
Природная метаноносность пласта	х	м^3/т
Природная влажность угля	W	%
Природная зольность угля	A3	%
Выход летучих веществ	V^Г	%
Объемный выход летучих веществ	V^Гоб	мл/г с.б.м.
Планируемое подвигание очистного забоя	vоч	м/сут.	3,78
Глубина разработки	H	м
Длина очистного забоя	lоч	м
Длина участковой выработки	lш	м
Скорость транспортирования угля: по лаве в конвейерном штреке	vТ.л. vТ	м/с м/с	1,0 1,5
Время, прошедшее с момента обнажения пласта подготовительной выработкой до начала очистных работ	Тоб	сут.

Рис. 2.3. Схема про­ветривания выемочно­го участка при столбо­вой системе разработ­ки

Решение. Рассчитаем продолжительность транспортировки отбитого угля по выработкам выемочного участка по выражению (3.8):

Значение коэффициента k₁ определим по формуле (3.7):

Величину показателя степени п вычислим по зависимости(3.6):

.

Значение величины х_г определим по выражению (3.20):

Значения х_1Г, х₁ определим по формулам (3.4) и (3.2):

Значение коэффициента k_пл определим по формуле (3.10) с учетом порядка отработки выемочного поля и времени, прошедшего с момента обнажения пласта подготовительной выработкой до начала очистных работ (Т_об = 430 сут). Ширину условного пояса газового дренирования при этом примем по табл. 3.2 b_з.д. = 18 м.

Величина коэффициента k_э.п. равна нулю, так как пласт вынимается полностью, а выработки за лавой погашаются.

Относительное метановыделение из разрабатываемого пласта рассчитаем по формуле (3.1) с учетом полученного выше значения k_э.п. = 0:

Пример 2. Рассчитать относительное метановыделение из разрабатываемого угольного пласта при комбинированной системе разработки (обратный ход) с прямоточной схемой проветривания выемочного участка и нисходящим движением воздуха по лаве, т.е. с обособленным разбавлением метана по источникам его выделения (рис. 3.2).

Выемка угля в лаве односторонняя. Продолжительность выемки комбайном одной полосы угля на ширину захвата с учетом концевых операций 167 мин. Охрана выработки с исходящей струей воздуха за лавой осуществляется железобетонными тумбами. Остальные исходные данные принять из предыдущего примера.

Рис. 2.2. Схема проветривания выемочного участка при комбинированной системе разработки

Решение. Величину коэффициента k_пл рассчитаем по формуле (2.10) с учетом порядка отработки выемочного поля и времени, прошедшего с момента обнажения пласта подготовительной выработкой до начала очистных работ (Т_об. = 430 сут). Ширину условной зоны дренирования при этом примем по табл. 3.2
b_з.д = 18 м.

Значение показателя степени п примем из решения предыдущего примера

п = 0,924.

Относительное метановыделение из движущегося очистного забоя q_оп (м³/т) вычислим по формуле (2.12):

Продолжительность транспортировки угля в лаве Т_Тл (мин) и выработках выемочного участка Т_Т (мин) определим соответственно по зависимости (2.8):

Значения коэффициентов учитывающих степень дегазации отбитого угля, определим соответственно по выражениям (2.16-2.18):

Величины относительного метановыделения из отбитого угля , , рассчитаем соответственно по формулам (2.13-2.15):

Значение относительного метановыделения q_пл (м³/т) вычислим по формуле (2.1-2.2), приняв при этом во внимание, что k_эп = 0:

Завдання 2.1. Рассчитать относительное метановыделение из разрабатываемого угольного пласта при полной его выемке в нисходящем порядке в условиях Донецкого бассейна. Исходные данные для расчета метановыделения из пласта приведены в табл. Б1 (Приложение Б).Система разработки и схема проветривания выемочного участка принимается в зависимости от номера варианта по табл. Б3 (Приложение Б). Исходные данные для заданного варианта свести в таблицу основных параметров, влияющих на выбор способа дегазации (табл. Б4 Приложение Б).

2.2. Расчет относительного метановыделения из пластов-спутников

Относительное метановыделение из сближенных пластов-спутников определяется по формуле:

(2.20)

Относительное метановыделение как из подрабатываемого q_сп.пі (м³/т), так и из надрабатываемого q_сп.ні (м³/т) пласта-спутника определяется по формуле:

, (2.21)

где k_v – коэффициент, учитывающий влияние скорости подвигания очистного забоя на метановыделение из пласта-спутника, ; m_спі – суммарная мощность угольных пачек отдельного (i- го) пласта-спутника, м; х_спi – природная метаноносность пласта-спутника, м³/т; Н_спi – расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до пласта-спутника, м; Н_р – расстояние по нормали между разрабатываемым пластом и смежными пластами, при котором газовыделение из последнего практически равно нулю, м.

При подработке пологих и наклонных пластов величина Н_р определяется по выражению:

, (2.22)

где – коэффициент, учитывающий влияние литологического состава вмещающих пород и угла падения α_пл на образование зоны разгрузки пород с раскрытием трещин:

; (2.23)

где k_у – коэффициент, учитывающий влияние способа управления кровлей: при полном обрушении k_у =1,0; при частичной закладке – 0,8; при полной закладке – 0,4; m_в.пр – вынимаемая мощность пласта с учетом породных прослоек, м.

При определении Н_р для лавы длиной более 200м в формулу (2.23) подставляется l_оч = 200 м.

Коэффициент , учитывающий литологический состав пород в зоне их деформации с раскрытием трещин, принимается в зависимости от выхода летучих веществ (табл. 2.4).

Табл. 2.4 – Зависимость коэффициента , учитывающего литологический состав пород в зоне их деформации с раскрытием трещин, от выхода летучих веществ V^Г

V^Г, %	2 – 8	8 – 12	12 – 18	18 – 26	26 – 35	≥ 35
	1,6 – 1,8	1,6 – 1,5	1,5 – 1,35	1,35 – 1,2	1,2 – 1	0,9

При надработке пологих и наклонных пластов в условиях Донецкого бассейна величина Н_р принимается равной 60 м.

Для условий подработки крутых пластов величина Н_р определяется по формуле:

, (2.24)

а для условий надработки крутых пластов – по выражению:

. (2.25)

Значения при подработке и надработке крутых пластов в условиях Донецкого бассейна принимаются: при управлении кровлей полным обрушением = 60; частичной закладкой – = 45; полной закладкой – = 25.

Пример 3. Рассчитать относительное метановыделение из подрабатываемого и надрабатываемого сближенных пластов. Исходные данные приведены в табл. 2.5.

Табл. 2.5 - Исходные данные для расчета примера 3

Наименование величин	Условное обозначение	Размерность	Численное значение
Планируемая скорость подвигания очистного забоя	vоч	м/сут	3,78
Суммарная мощность угольных пачек смежного пласта: подрабатываемого надрабатываемого	mс.п.i mс.п.i	м м	0,3 0,2
Вынимаемая полезная мощность разрабатываемого угольного пласта	mв	м	1,0
Природная газоносность пласта: подрабатываемого надрабатываемого	хв.п.i хс.п.i	м^3/т м^3/т
Остаточная газоносность пласта: подрабатываемого надрабатываемого	хо.с.п.i хо.с.п.i	м^3/т м^3/т	2,5 2,5
Расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до пласта: подрабатываемого надрабатываемого	Нс.п.i Нс.п.i	м м
Длина лавы	lоч	м
Вынимаемая мощность разрабатываемого пласта с прослойками породы	mв.пр	м	1,2
Угол падения пласта		град
Выход летучих веществ для смежного пласта: подрабатываемого надрабатываемого	V^Г V^Г	% %
Способ управления кровлей	полное обрушение

Решение. Выбираем величину коэффициента , учитывающего литологический состав пород в зоне их деформации, по табл. 2.4: =1,312.

Определим величину коэффициента , учитывающего влияние литологического состава вмещающих пород и угла падения α_пл на образование зоны разгрузки пород с раскрытием трещин, по формуле (2.23):

.

Высоту зоны подработки пород Н_р определим по зависимости (2.22).

.

Для случаев надработки пологих пластов принимаем Н_р = 60 м. Подрабатываемый и надрабатываемый смежные пласты будут являться спутниками, так как расстояния до них от разрабатываемого пласта Н_спi < Н_р.

Относительные метановыделения из подрабатываемого q_сп.п и надрабатываемого q_сп.н пластов-спутников рассчитаем по выражению (2.21):

Суммарное метановыделение из смежных пластов (спутников) определим по формуле (2.01):

Пример 4. Рассчитать относительное метановыделение из сближенных крутых пластов применительно к горно-геологическим условиям Донбасса. Исходные данные приведены в табл. 2.6.

Решение. Определим высоту зон, при которых газовыделние из смежных пластов будет практически равно нулю для случаев подработки и надработки соответственно по формулам (2.24) и (2.25):

;

.

Следовательно, оба (подрабатываемый и надрабатываемый) смежные пласта будут являться спутниками Н_спi < Н_р.

Относительное метановыделение из сближенных крутых пластов определим по формуле (2.21):

;

.

Табл. 2.6 - Исходные данные для расчета к примеру 4

Наименование величин	Условное обозначение	Размерность	Численное значение
Планируемая скорость подвигания очистного забоя	vоч	м/сут
Суммарная мощность угольных пачек смежного пласта: подрабатываемого надрабатываемого	mс.п.i mс.п.i	м м	0,4 0,3
Вынимаемая полезная мощность разрабатываемого угольного пласта	mв	м	0,8
Природная газоносность пласта: подрабатываемого надрабатываемого	хв.п.i хс.п.i	м^3/т м^3/т
Остаточная газоносность пласта: подрабатываемого надрабатываемого	хо.с.п.i хо.с.п.i	м^3/т м^3/т	3,0 3,0
Расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до пласта: подрабатываемого надрабатываемого	Нс.п.i Нс.п.i	м м
Вынимаемая мощность разрабатываемого пласта с прослойками породы	mв.пр	м	1,0
Угол падения пласта		град
Способ управления кровлей	полное обрушение

Суммарное относительное метановыделение из сближенных пластов определим по формуле (3.21):

Завдання 3.2. Рассчитать относительное метановыделение из смежного пласта (спутника) в условиях Донецкого бассейна. Исходные данные для расчета приведены в табл. Б2 (Приложение Б). Исходные данные для заданного варианта свести в таблицу основных параметров, влияющих на выбор способа дегазации (табл. Б4 Приложение Б).

2.3. Расчет относительного метановыделения из вмещающих пород

Относительное метановыделение из вмещающих пород рассчитывается по формуле:

, (2.26)

где k_с.п - коэффициент, учитывающий влияние способа управления кровлей и литологический состав пород; значения его принимаются по табл. 2.7; Н – глубина разработки, м; Н₀ – глубина зоны газового выветривания, м.

Табл. 2.7 – Значения коэффициента, учитывающего влияние способа управления кровлей и литологический состав пород

Способ управления кровлей	kс.п
Полное обрушение	0,00106
Частичная закладка	0,00084
Полная закладка	0,00043

Пример 5. Рассчитать относительное метановыделение из вмещающих пород. Исходные данные приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8 - Исходные данные для расчета к примеру 5

Наименование величин	Условное обозначение	Размерность	Численное значение
Планируемая скорость подвигания очистного забоя	vоч	м/сут	3,2
Природная метаноносность разрабатываемого пласта	х	м^3/т
Остаточная метаноносность угля	хо	м^3/т	3,0
Глубина горных работ	Н	м
Глубина залегания верхней границы метановой зоны	Н0	м
Способ управления кровлей	полное обрушение

Решение. Величину относительного метановыделения из вмещающих пород определим по формуле (3.27) с учетом значения коэффициента k_с.п:

.

Завдання 3.3. Рассчитать относительное метановыделение из вмещающих пород в условиях Донецкого бассейна. Исходные данные для расчета приведены в табл. Б1, Б2 (Приложение Б). Исходные данные для заданного варианта свести в таблицу основных параметров, влияющих на выбор способа дегазации (табл. Б4 Приложение Б).

Практичнее заняття № 3

Дата добавления: 2015-08-10