ИЗМЕНЕНИЕ  ДАВЛЕНИЯ  ГАЗА  В  УГОЛЬНОМ  ПЛАСТЕ  В  ЗАВИСИМОСТИ  ОТ  ВРЕМЕНИ  ДВИЖЕНИЯ  ОЧИСТНОГО  КОМПЛЕКСА

Абдыгалиев  Архат  Кайратулы

студент  3  курса,  факультет  машиностроения  и  транспорта

ВКГТУ  им.  Д.  Серикбаева,  Республика  Казахстан,  г.  Усть-Каменогорск

Серкебаева  Улжан  Серкебаевна

cтудент  3  курса,  горно-металлургический  институт

КазНТУ  им.  К.И.  Сатпаева,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

Абдугалиева  Гульжан  Юсупхановна

научный  руководитель,  д-р  техн.  наук,  профессор,  кафедра  «Подземная  разработка  полезных  ископаемых»  КазНТУ  им  К.И.  Сатпаева,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

E-mail:  g_1102@mail.ru

С  углублением  горных  работ  происходит  изменение  природных  условий  залегания  угля,  усиливается  горное  и  газовое  давление,  увеличивается  газоносность  угольных  пластов,  что  оказывает  отрицательное  влияние  на  технико-экономические  показатели  угледобычи  и  снижает  эффективность  и  безопасность  ведения  горных  работ.  Одним  из  основных  источников  метановыделения  в  очистной  забой  при  подземной  добыче  угля  является  обнаженная  поверхность  угольного  пласта,  в  котором  процесс  выделения  метана  в  лаву,  главным  образом,  зависит  от  газового  давления. 

Давление  газа  в  угольных  пластах  и  вмещающей  толще  и  его  изменение  во  времени  и  пространстве  являются  одним  из  основных  показателей,  определяющих  объем  метановыделения  из  разрабатываемого  угольного  пласта,  и  одним  из  косвенных  показателей  выбросоопасности  угольных  пластов.

На  метановыделение  из  обнаженной  поверхности  пласта  большое  влияние  оказывает  работа  угольного  комбайна.  Как  показывает  практика,  резкое  повышение  концентрации  метана  в  атмосфере  забоя  происходит  только  при  работе  комбайна.  Поэтому  при  прогнозировании  метановыделения  из  угольного  пласта  и  управлении  им  необходимо  установить  характер  изменения  давления  газа  в  пласте  при  движении  комбайна.

Для  установления  зависимости  давления  газа  в  массиве  угля  от  времени  движения  угольного  комбайна  процесс  движения  газа  в  угольных  и  породных  пластах  был  представлен  в  виде  модели,  в  соответствии  с  которой  дегазация  каждого  слоя  среды,  состоящей  из  угольных  и  породных  пластов,  происходит  за  счет  ламинарного  течения  метана  в  свободной  фазе  по  открытым  парам  и  трещинам,  непосредственно  связанным  между  собой  и  горной  выработкой,  под  действием  градиента  давления.  Перенос  метана  из  элементарных  частиц  угля  в  ограничивающие  открытые  поры  и  трещины  осуществляется  путем  диффузии.  Метан  в  угольных  пластах  находится  в  сорбированном,  а  в  породных  пластах  в  свободном  состоянии.

В  результате  математического  моделирования  процесса  газовыделения  из  угольного  пласта  на  основе  закона  неразрывности,  закона  сопротивления  среды  (закон  Дарси)  и  закона  состояния  газа  в  угольном  пласте  получили  закон  движения  метана  в  угольном  пласте  для  двухмерного  пространства  [1,  2]:

.  (1)

где:  k  —  абсолютный  коэффициент  газопроницаемости  пласта; 

μ  —  коэффициент  вязкости  газа; 

Р  —  давление  газа  в  зоне  фильтрации; 

R  и  T  —  соответственно,  газовая  постоянная  и  абсолютная  температура  пласта; 

m·—  пористость  пласта; 

a,  b  —  постоянные  Лэнгмюра.

Начальное  условие  для  уравнения  (1)  имеет  вид:

Р(х,  у,  0)  =  Р₀.

где:  Р₀  —  природное  давление  газа  в  массиве.

Граничные  условия,  изменяющиеся  во  времени  в  зависимости  от  скорости  подвигания  очистного  забоя  имеют  вид:

Р(х,  у,  t)  =  1  ат.  при  х,  у    FABCDE;

Р(х,  у,  t)  =  Р₀  при  х,у    ЕF;

Р(х,  у,  0)  =  Р₀.

Взаимосвязь  между  газопроницаемостью  угольного  пласта  и  пористостью  пласта  имеет  вид:

.  (2)

где:  m₀  —  пористость  ненарушенного  угольного  пласта;

k₀  —  коэффициент  газопроницаемости  ненарушенного  пласта; 

m  —  пористость  угольного  пласта.

Решив  уравнение  (2)  относительно  давления  газа  получим  распределение  давления  газа  в  угольном  пласте.  Данное  уравнение  решается  двумя  способами:  первый  —  локально-одномерным  методом,  второй  —  системой  конечно-разностных  уравнений  по  неявной  схеме.  Картина  распределения  давления  газа  в  пласте  для  столбовой  системы  разработки  при  возвратноточной  схеме  проветривания  приведена  на  рисунке  1.

С  целью  выявления  зависимостей  изменения  газового  давления  —  как  основного  показателя  динамического  процесса  —  от  различных  факторов  проведены  расчеты  на  основе  предложенной  математической  модели.  В  результате  установлена  закономерность  изменения  газового  давления  в  угольном  пласте  на  различном  расстоянии  от  забоя  при  работе  комбайна  вдоль  лавы  [3,  4].

Получены  значения  газового  давления  в  угольном  пласте  при  движении  комбайна  через  определенные  временные  интервалы  на  расстоянии  1,  2,  3  метров  вглубь  массива  угля  от  линии  забоя  лавы.  Временной  интервал  принят  равным  3  минутам.  Для  удобства  длина  лавы  принята  равной  60  м.  Исходное  положение  комбайна  нижняя  линия. 

Рисунок  1.  Схема  к  расчету  метановыделения  из  пласта  в  очистном  забое:  АВ  —  путь  пройденный  комбайном  —  вновь  обнаженная  поверхность  пласта;  ВС  —  ширина  захвата;  СД  —  старообнаженная  поверхность  пласта;  1—2  —  распределение  давления  Р  метана  в  толще  пласта;  3  —  воздушный  поток;  4  —  обрушенные  породы  выработанного  пространства

На  рисунке  2  даны  графические  изображения  результатов  расчета,  где  наглядно  видно,  что  распределение  давления  газа  в  пласте  изменяется  по  мере  продвижения  комбайна.  Например,  через  3  минуты  с  начала  движения  комбайна  на  расстоянии  1  метра  от  линии  забоя  газовое  давление  изменялось  от  1  до  3,9  атмосфер;  на  расстоянии  2  метра  от  линии  забоя  изменялось  от  1  до  17,6  атмосфер;  на  расстоянии  3  метров  —  изменялось  от  1  до  23,7  атмосфер.  Через  6  минут  с  начала  движения  комбайна  газовое  давление  при  тех  же  расстояниях  изменялось  соответственно  от  1  до  3,2  ат.,  от  1  до  16,4  ат.,  от  1  до  23,4  атмосфер. 

Рисунок  2.  Изменение  давления  газа  в  толще  угольного  пласта  в  зависимости  от  времени  движения  комбайна:  1  —  на  расстоянии  от  забоя  лавы  1  м;  2  —  на  расстоянии  от  забоя  2  м;  3  —  на  расстоянии  от  забоя  3  м

На  основании  приведенных  значений  давления  газа  в  массиве  угля  во  время  движения  угольного  комбайна  установлено,  что  в  окрестности  груди  забоя  давление  газа  в  массиве  угля  уменьшается  значительно,  по  мере  удаления  от  груди  забоя  вглубь  угольного  пласта  снижается  незначительно.

Изменение  давления  газа  в  толще  угольного  пласта  в  зависимости  от  времени  движения  комбайна  описывается  экспоненциальным  уравнением:

·     на  расстоянии  от  забоя  1  м:  Р  =  2,9902e^-0,034t,  R²  =  0,76;

·     на  расстоянии  от  забоя  2  м:  Р  =  21,082e^-0,046t,  R²  =  0,76;  (3)

·     на  расстоянии  от  забоя  3  м:  Р  =  29,348e^-0,028t,  R²  =  0,76;

где:  t  —  время,  прошедшее  с  начала  движения  угольного  комбайна,  мин.

При  известном  распределении  давления  газа  в  пласте  с  учетом  движения  угольного  комбайна  количество  метана  с  обнаженной  поверхности  определяется  следующим  образом:

,  (4)

где:  m₀  —  пористость  угля;

Р  —  давление  газа,  МПа.

R  и  T  —  соответственно  газовая  постоянная  и  абсолютная  температура  пласта; 

k  —  газопроницаемость  угольного  пласта.

Таким  образом,  установлены  закономерности  изменения  давления  газа  в  толще  угольного  пласта  в  зависимости  от  времени  движения  угольного  комбайна,  имеющие  важное  значение  при  прогнозировании  ожидаемого  объема  газовыделения  из  обнаженной  поверхности  угольного  пласта  в  очистной  забой  при  комбайновой  выемке  угля,  а  так

Список  литературы:

1.Тарасов  Б.Г.,  Колмаков  В.А.  Газовый  барьер  угольных  шахт.  М.:  Недра,  1978.  —  200  с.

2.Тарасов  Б.Г.  Прогноз  газообильности  выработок  и  дегазация  шахт.  М.:  Недра,  1973.  —  208  с.

3.Хакимжанов  Т.Е.  Газовыделение  в  очистные  забои  угольных  шахт.  –  Алма-Ата:  Наука,  1986.  —  144  с.

4.Хакимжанов  Т.Е.,  Абдугалиева  Г.Ю.  Математическое  моделирование  процесса  метановыделения  из  обнаженной  поверхности  угольного  пласта  //  Доклады  4  Международной  научно-практической  конференции  «Геотехнология  —  2007:  Проблемы  и  пути  устойчивого  развития  горнодобывающих  отраслей  промышленности».  Хромтау,  2007.  —  С.  231—233.