Способ управления кровлей в лавах при разработке газоносных пластов угля

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке длинными очистными забоями угольных пластов с полным обрушением кровли. В способе определяют газовый потенциал разрабатываемого пласта в пределах выемочного участка и осуществляют мониторинг относительного газовыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля по мере отхода лавы от монтажной камеры. Величину первичного шага обрушения основной кровли устанавливают по расстоянию от монтажной камеры до ближайшей к ней точки минимума значений газокинетического показателя, в качестве которого принимают отношение относительного газовыделения к газовому потенциалу пласта по мере его отработки. Величину шага обрушения определяют по математической зависимости, учитывающей расстояние от монтажной камеры до ближайшей к ней точки минимума значений газокинетического показателя. Могут строить график зависимости газокинетического показателя от расстояния между забоем и монтажной камерой. Участки выемочного поля, где наблюдаются периодические изменения значений газокинетического показателя, относят к зонам влияния геологических нарушений. По снижению амплитуды максимальных отклонений газокинетического показателя судят о движении забоя к выходу из зоны геологической нарушенности, а по повышению - о входе в нее. Изобретение направлено на повышение точности и оперативности определения шага обрушения основной кровли и зоны влияния геологических нарушений и повышение безопасности разработки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к подземной разработке угольных пластов длинными очистными забоями с полным обрушением кровли, и может быть использовано при определении первичного шага обрушения основной кровли при отработке пологих газоносных пластов, при решении вопросов проектирования параметров выемочных участков, безопасной эксплуатации сооружений на подрабатываемых горных массивах и т.д.

Известен способ управления кровлей в лавах пологих пластов, заключающийся в том, что производится разгрузка пород кровли путем ослабления массива впереди очистного забоя с постепенным увеличением глубины разгрузки от минимальной величины на участке лавы, примыкающем к выработанному пространству, до максимальной величины на участке лавы, примыкающем к нетронутому массиву (авторское свидетельство СССР №1178897, кл. Е 21 С 41/04, опубликовано 15.09.85, БИ № 34). Основным недостатком известного способа являются высокая трудоемкость работ по ослаблению массива и опасность вывалообразования.

Известен способ управления обрушением пород кровли, основанный на определении первичного и последующего шагов обрушения на основе учета комплекса горно-геологических и горно-технологических факторов (Временное руководство по расчету первичного и последующего шагов обрушения пород кровли при разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию в условиях Кузбасса. - Кемерово, ВостНИИ, 1973, стр.3-9). Величины первичного и последующих шагов обрушения кровли определяют по математическим формулам с учетом следующих показателей: мощность и угол падения пласта, длина лавы, характеристика крепи, механические свойства угля и пород кровли, мощность пород непосредственной кровли, размер зоны расслоения пород кровли и т.д. Основным недостатком способа управления обрушением кровли с использованием первичного и последующих шагов обрушения, рассчитанных на основании физико-механических свойств угольного пласта и пород кровли, а также с учетом отдельных показателей очистного забоя и характеристики крепи, является невысокая точность полученных результатов, т.к. искомая величина определяется по эмпирическим зависимостям, часть из которых установлена в существенно иных горно-технических условиях.

Предложен способ управления кровлей в лавах при разработке газоносных пластов угля длинными очистными забоями, включающий определение первичного шага обрушения кровли. Отличием предложенного способа является то, что определяют газовый потенциал разрабатываемого пласта в пределах выемочного столба и осуществляют мониторинг относительного газовыделения по мере отхода лавы от монтажной камеры, а величину первичного шага обрушения основной кровли устанавливают по расстоянию от монтажной камеры до ближайшей к ней точки минимума значений газокинетического показателя, в качестве которого принимают отношение относительного газовыделения к газовому потенциалу пласта по мере его отработки, при этом величину первичного шага обрушения определяют по математической зависимости:

L_ш.о=2l,

где L_ш.о - величина первичного шага обрушения основной кровли, м; l - расстояние от монтажной камеры до ближайшей к ней точки минимума значений газокинетического показателя, м.

Отличием является также то, что строят график зависимости газокинетического показателя от расстояния между забоем и монтажной камерой, и участки выемочного поля, где наблюдаются периодические изменения значений газокинетического показателя, относят к зонам влияния геологических нарушений, причем снижение амплитуды максимальных отклонений, по мере подвигания забоя, свидетельствует о выходе из зоны геологической нарушенности, а повышение - о входе в нее.

Таким образом, предметом изобретения является способ управления основной кровлей при отработке пологих газоносных пластов угля с полным обрушением кровли, учитывающий влияние процесса разгрузки и сдвижения горных пород кровли на газовыделение в призабойное пространство. Способ позволяет с достаточно высокой точностью и оперативно, т.е. по мере подвигания очистного забоя, определять шаг обрушения основной кровли и зоны влияния геологических нарушений по динамике газовыделения из разрабатываемого пласта, что дает возможность принимать своевременные меры по снижению аварийности от вывалов и обрушения пород, отжима угля по забою и загазирований выемочного участка.

Сущность изобретения поясняется примером его осуществления и чертежом, где на фиг.1 показан выемочный участок в процессе отработки, на фиг.2 -изменение газокинетического показателя пласта при отходе очистного забоя от монтажной камеры вне зоны влияния геологических нарушений, на фиг.3 - то же, в зоне влияния геологической нарушенности массива.

Для осуществления способа необходимы следующие данные по выемочному участку:

- горно-геологические данные по выемочному столбу: газоносность χ, зольность угля А^с, влажность W;

- горно-технологические: расстояние от монтажной камеры до линии очистного забоя L, м; суточная добыча угля А, т/сут; суточный приток газа на выемочный участок I, м³/cут. На основании приведенных данных определяют распределение газового потенциала разрабатываемого пласта Г_р по длине выемочного столба посредством приведения значений его газоносности к тонне добываемого угля, т.е.

Установлено, что в пределах рассматриваемого выемочного столба газовый потенциал изменяется от 13,1 м³/т до 15,1 м³/т (изолинии 1).

По результатам мониторинга по мере отхода очистного забоя 2 от монтажной камеры 3 измеряют метановыделение на выемочном участке I и объемы добычи А, по которым рассчитывают относительную метанообильность:

Согласно полученным значениям определяют газокинетический показатель разрабатываемого пласта Р_р - величину отношения фактического относительного газовыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля к газовому потенциалу разрабатываемого пласта, т.е.:

Полученные по длине L отработанного интервала столба значения Р_р наносят, начиная от монтажной камеры 3, на плоскость с осью ординат L и осью абсцисс Р_р. При стабильном градиенте изменения показателя Р_р полученную систему точек аппроксимируют, например, монотонной зависимостью и получают график 4. В случае выраженной периодичности изменений Р_р аппроксимируют минимальные значения в периодах и получают график 5, а затем определяют амплитуды максимальных отклонений ΔP₁ и ΔP₂.

Из представленных графиков 4 и 5 видно, что при отработке пологих пластов длинными столбами с полным обрушением кровли на первых метрах отхода очистного забоя 2 от монтажной камеры 3 относительная метанообильность многократно превосходит природный газовый потенциал разрабатываемого пласта, свидетельствуя о значительных размерах зоны его разгрузки от горного давления. Перераспределение напряжений впереди движущегося забоя изменяет газокинетические характеристики пласта в достаточно большой области формирования газовых потоков в направлении к призабойному пространству. Однако по мере отхода от монтажной камеры возрастают нагрузки на призабойную часть пласта от подрабатываемых пород и ее газопроницаемость быстро снижается, что и отражает факт снижения величины газокинетического показателя. Это снижение имеет предел, определяемый совокупностью геомеханических и газокинетических свойств массива.

Экспериментальным путем установлено, что вне зон влияния геологических нарушений минимизация величины газокинетического показателя Р_р=0,2-0,4 (график 4) происходит на удалении забоя от монтажной камеры, близком половине шага обрушения основной кровли, т.е.

L_ш.о=2l,

где l - расстояние от монтажной камеры до ближайшей к ней точке минимума значений газокинетического показателя.

Зоны влияния геологических нарушений (график 5) характеризуются меньшей величиной l и существенной периодичностью изменений газокинетического показателя на интервале подвигания забоя, соответствующем длине первичного обрушения основной кровли при отсутствии нарушений. В этих условиях газокинетический показатель имеет несколько максимумов, свидетельствующих о неравномерном процессе формирования механической нагрузки на призабойную часть пласта подрабатываемым массивом горных пород с соответствующим изменением фильтрационных характеристик. Однако и в этих условиях шаг первичного обрушения основной кровли прогнозируется вполне однозначно. Причем установлено, что если амплитуда максимальных отклонений снижается (ΔP₁>ΔP₂), то забой движется к выходу из зоны влияния геологического нарушения, а если повышается (ΔP₂>ΔP₁), то очистной забой входит в зону геологической нарушенности.

Своевременное и точное определение величин первичного шага обрушения и основной газокинетической характеристики разрабатываемого пласта, в т.ч. с учетом геологической нарушенности, позволяет принимать оперативные меры по управлению кровлей и газовыделением на выемочном участке, предупреждая аварийные ситуации.

В приведенном примере, в ненарушенной зоне при расстоянии от монтажной камеры до места стабилизации газокинетического показателя Р_р на уровне 0,25, имеем l=18,5 м, следовательно, величина первичного шага обрушения составит L_ш.о=37м, а в зоне влияния геологического нарушения при l=9 м соответственно L_ш.о=18 м. При этом имеем ΔР₁=0,42 д. ед.>ΔР₂₌0,22 д. ед. (здесь и далее д. ед. - доли единицы), что указывает на движение забоя к выходу из зоны влияния геологического нарушения. Значения относительного метановыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля составят:

- вне зоны влияния геологического нарушения 0,25 д. ед. от газового потенциала пласта;

- в зоне влияния геологического нарушения 0,34 д. ед. от газового потенциала пласта с дальнейшим снижением до 0,25 д. ед. с приближением к минимальным значениям газокинетического показателя вне зоны влияния геологического нарушения (Р_min).

На удалении забоя от монтажной камеры существенно больше величины первичного шага обрушения основной кровли, зоны разгрузки и сдвижений вмещающих пород достигают пластов спутников, и величина газокинетического показателя быстро нарастает, указывая на включение в процесс более мощных источников газа, нежели разрабатываемый пласт.

Используемая при прогнозе первичных шагов обрушения газокинетическая информация подобным же образом может служить и для уточнения последующих шагов обрушения, а также динамики метанообильности выемочного участка и других показателей опасности без проведения трудоемких геофизических исследований.

1. Способ управления кровлей в лавах при разработке газоносных пластов угля, включающий определение первичного шага обрушения кровли, отличающийся тем, что определяют газовый потенциал разрабатываемого пласта в пределах выемочного участка и осуществляют мониторинг относительного газовыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля по мере отхода лавы от монтажной камеры, а величину первичного шага обрушения основной кровли устанавливают по расстоянию от монтажной камеры до ближайшей к ней точки минимума значений газокинетического показателя, в качестве которого принимают отношение относительного газовыделения к газовому потенциалу пласта по мере его отработки, при этом величину шага обрушения определяют по математической зависимости

L_ш.о=2l,

где L_ш.о - величина первичного шага обрушения основной кровли, м;

l - расстояние от монтажной камеры до ближайшей к ней точки минимума значений газокинетического показателя, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что строят график зависимости газокинетического показателя от расстояния до монтажной камеры и участки, где наблюдаются периодические изменения значений газокинетического показателя, относят к зонам влияния геологических нарушений, причем снижение амплитуды максимальных отклонений газокинетического показателя по мере подвигания забоя свидетельствует о движении очистного забоя к выходу из зоны геологической нарушенности, а повышение - о входе в нее.