Компьютерные технологии в моделировании отработки угольных пластов на глубоких горизонтах шахт ОАО «Воркутауголь» ЗАО «Северсталь-ресурс»
Автор: Олейник Карина Витальевна, Пугач Александр Сергеевич, Кузяев Лев Сергеевич
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Статья в выпуске: 5, 2012 года.
Бесплатный доступ
В статье рассмотрены методы компьютерного моделирования, которые базируются на теории конечных элементов и связаны с газодинамическими явлениями на глубоких горизонтах угольных шахт. Исходя из анализа результатов, мы предлагаем компьютерное решение проблем в области горного дела.
Газодинамические явления, горный удар, глубокие горизонты угольных шахт, компьютерное моделирование, степень насыщенности
Короткий адрес: https://sciup.org/140215510
IDR: 140215510
Текст научной статьи Компьютерные технологии в моделировании отработки угольных пластов на глубоких горизонтах шахт ОАО «Воркутауголь» ЗАО «Северсталь-ресурс»
Разработка запасов угольных месторождений подземным способом, помимо геологических особенностей (разрывных нарушений, взбросов, сбросов, строения пласта), осложнена и происходящими в массиве газодинамическими явлениями, обусловленными горным давлением и содержанием газа в порах [1]. К таким явлениям относят горные удары, выбросы угля и газа, завалы лав, взрывы метана [3].
С ростом глубины вероятность и количество инцидентов растёт, поэтому научный интерес представляют работы на глубоких горизонтах, связанные с предотвращением этих явлений и являющимися актуальными.
Согласно статистике с 1965 года по настоящее время на шахтах Воркутского месторождения произошло 268 внезапных выбросов, в том числе: на шахте «Юр-Шор» (ныне закрытой) произошёл 1 внезапный выброс; на шахте «Заполярная» – 2 внезапных выброса; на шахте «Воркутинская» – 104; на шахте «Комсомольская» – 33; на шахте «Северная» – 128.
Информация о выбросах и горных ударах, произошедших на шахте «Комсомольская» представлена в табл. 1 и 2.
В качестве противовыбросных и противоударных мероприятий осуществляют бурение разгрузочно-дегазационных скважин (рис. 1) и гидровымыв полостей (рис. 2) [4].
Однако, данные мероприятия достаточно затратны и малоэффективны. Чтобы проводить подобного рода мероприятия, следует определять зоны, где это наиболее целесообразно, то есть те зоны, в которых существует опасность возникновения выброса.
Нами разработан метод компьютерного моделирования по изучению напряжённо-деформированных состояний с учётом тектоники и действия тектонических плит, окружающих шахтное поле.
Динамика проявления горных ударов на шахте «Комсомольская»
|
Количество по годам 19… г. (20… г.) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Шахта |
Пласт |
65 |
66 |
67 |
68 |
69 |
70 |
71 |
72 |
73 |
74 |
75 |
76 |
77 |
78 |
79 |
||||||||||||||||
|
Комсомольская |
Четвертый Тройной Мощный |
- - - |
- - 1 |
- - 8 |
- -6 |
- - 8 |
- - 1 |
- - - |
- - - |
- - - |
- - 1 |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
||||||||||||||||
|
Шахта |
Пласт |
80 |
81 |
82 |
83 |
84 |
85 |
86 |
87 |
88 |
89 |
90 |
91 |
92 |
93 |
94 |
95 |
96 |
97 |
98 |
99 |
00 |
01 |
02 |
03 |
04 |
08 |
|||||
|
Комсомольская |
Четвертый Тройной Мощный |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - 1 |
- - |
г |
- - - |
- - 1 |
- - - |
- - - |
- - 1 |
- - - |
- - - |
- - 1 |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - - |
- - 1 |
|||||
Динамика проявления внезапных выбросов угля и газа на шахте «Комсомольская»
|
№/ № |
Вид (тип) газодинам ического явления |
Дата и время газоднна мич. явления |
Выработка, где произошло газодинамическое явление |
Номер маркшейд. точки расстояния от места |
Интенсивность ГДЯ, уголь, т/газа, м3 |
Наличие предупреди-тельных признаков ГДЯ |
Наличие геолог. нарушений в месте ГДЯ |
Работы, выполнявшиеся в забое перед ГДЯ |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
1. |
Внезапный выброс угля и газа |
18.02.80 |
Конв.штр.1021-с пл.Мощного |
К.уклон № 4 пл.Мощного +100м на юг |
14,4 /1100 |
Треск, появление пыли |
Нет |
Выемка угля комбай-ном |
|
2. |
Внезапный выброс угля и газа |
23.04.80 |
Конв.штрек 921-с пл.Мощного |
К.уклон №4 пл.Мощного + 920 м на юг |
40 /7634 |
Два хлопка |
К 85 м по нормали к «Д-Е2 типа взброса с амплитудой =100 м |
При вымывании 5 полости на глубине 7-8 м |
|
3. |
Внезапный выброс угля и газа |
17.10.80 |
Конв.штрек 1021-с пл.Мощного |
К.уклон №4 пл.Мощного +620 м на юг |
7,5/ |
При вымывании 7 полости |
|
№/ № |
Вид (тип) газодинам ического явления |
Дата и время газоднна мич. явления |
Выработка, где произошло газодинамическое явление |
Номер маркшейд. точки расстояния от места |
Интенсивность ГДЯ, уголь, т/газа, м3 |
Наличие предупреди-тельных признаков ГДЯ |
Наличие геолог. нарушений в месте ГДЯ |
Работы, выполнявшиеся в забое перед ГДЯ |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
4. |
Внезапный выброс угля и газа |
23.11.81 |
Сев.фл.вент.сбойка пл.Тройного гор.— 620 |
330 м вверх от гор-620 |
6,7/ |
Выемка угля комбайном |
||
|
5. |
Внезапный выброс угля и газа |
01.04.82 |
Конв.штрек 1121-с пл.Мощного |
Конв. уклон №4 +420 м на юг |
75,50 /7850 |
Толчки, гул в массиве |
Взброс «Д-Е» |
Г.вымыв.опер ежающ. полости |
|
6. |
Внезапный выброс угля и газа |
16.04.82 |
Кон в. штрек 1121с пл.Мощного |
Конв. уклон N°4 +510 м на юг |
27 /1800 |
Нарастающие удары в массиве |
Взброс «Д-Е» |
Г.вымыв.опер ежающ. полости |
|
7. |
Внезапный выброс угля и газа |
25.04.82 |
Конв.штрек 1121-с пл.Мощного |
Конв.уклон № 4 +530 м на юг |
18 /3038 |
Сильно нараст. гул в массиве |
Взброс «Д-Е» |
Г.вымыв.опер ежающ. Полости |
|
8. |
Внезапный выброс угля и газа |
11.06.83 |
Конв.штрек 1121-с пл.Мощного |
Конв.уклон № 4 +520 м на юг |
53 /2259 |
Выход сухого штыба при вымывании полости №7, нарастающ. гул в массиве |
Взброс «Д-Е» |
Г.вымыв.опер ежающ. полости |
Рис. 1. Схема бурения разгрузочно-дегазационных скважин.
1 – разгрузочно-дегазационные скважины, 2 – шпуры контроля эффективности проводимых мероприятий
Рис. 2. Схема расположения опережающих полостей гидровымыва.
1 – центральная полость (разведочная), 2-7 – боковые полости (щелеобразующие)
На рис. 3 обозначены зоны пригрузки и разгрузки массива, сместители тектонических нарушений, горизонтальные тектонические составляющие напряжения. Сначала была решена обратная задача по определению направлений максимальных составляющих горного давления, при этом учтена геометрия дизъюнктивов на глубине 1000 м. Зоны пригрузки обозначены «единицей», и именно здесь имели место внезапные выбросы, завалы лав, обрушение, горные удары. Таким образом, впервые удалось установить взаимосвязь ударо-, выбросоопасности с зонами повышенных значений тектонических напряжений. Поэтому мы рекомендуем заблаговременно на стадиях проектирования, развития подготовительных и очистных работ, проводить компьютерный прогноз опасных зон и осуществлять локальные мероприятия по снижению опасности. Определённые раннее в литературе опасные зоны обозначены штриховкой, газо-динамических явлений в некоторых из этих зон не наблюдалось, поэтому не является целесообразным осуществлять в них затратные мероприятия.
Рис. 3. Оценка зон повышенного горного давления шахтного поля для применения локальной дегазации.
Для случая интеграции четырёх шахт объединения предлагаем проводить оригинальную дегазацию, посредством которой можно снизить газовую составляющую давления за счёт применения вертикальных скважин с горизонтальным окончанием около 10 км. Мировой рекорд составляет 16 км (по данным практики снижения метаноносности менее 8 м3/т фирмы Майерск на шахтах США).
Предлагаем осуществлять общую предварительную дегазацию угольных пластов всей мульды вертикальными скважинами с горизонтальными окончаниями за 2-3 года до подхода очистных работ. Скважины бурят с поверхности, тем самым не приостанавливая подземных работ с применением мобильного колтюбингового оборудования. Расстояние между скважинами 90 м, диаметр 160 мм. Через одну скважину закачивают воду, которая через остальные скважины вытесняет метан на поверхность, где установлены компрессоры. Газ идёт на отопление, при этом применяют существующие на предприятии технологии, обеспечивающие подачу метана к котельным установкам.
Для интенсификации метаноизвлечения предлагаем осуществление гидроразрыва, что по данным 9 угольных бассейнов США на глубине 700 м способствует увеличению эффективности дегазации до 95% (в сравнении с 8% по пессимистическому и 15% по оптимистическому прогнозам эффективности дегазации, обеспечиваемой шахтной вентиляцией и скважинной дегазацией). Метаноносность пластов при этом не должна превышать 8 м3/т, как на шахтах США [2]. На рис. 4 схематически изображены трещины гидроразрыва, максимальный эффект достигается при их ортогональном расположении к тектоническим составляющим горного давления, определённым раннее.
Рис. 4. Схема гидроразрыва.
В практике ведения горных работ рекомендуем применение компьютерных программ, основанных на теориях метода конечных элементов и поромеханики, которые с успехом применяют учёные Гарвардского университета в учебном и научном процессах при участии студентов [2].
Эффективность предлагаемых дегазационных мероприятий проследим на примере компьютерных решений. Задача была замоделирована для оценки газоносности; заданы физические свойства не только горных пород и угля, но и метана; к тому же, учитывалась и пористость. Решение проведено с учётом тектонических составляющих горного давления. На рис. 5 изображёна степень насыщенности массива метаном без применения предлагаемой дегазации. Результаты отображены в изолиниях.
Рис. 5. Степень насыщенности массива.
На рисунке заметно большое скопление метана вблизи пласта. Рис. 6 и рис. 7 позволяют проследить процесс дегазации в динамике, при котором достигается 97% эффективности.
Рис. 6. Движение метана в скважине.
Рис. 7. Движение метана в скважине
По полученным результатам можем судить о снижении метаноносности пласта, а также проследить динамику газа на поверхность. Таким образом, решение инжиниринговых проблем рекомендуем осуществлять методами компьютерного моделирования, которое позволит выявить «положительные» или «отрицательные» стороны высказываемых идей и предложений.
Список литературы Компьютерные технологии в моделировании отработки угольных пластов на глубоких горизонтах шахт ОАО «Воркутауголь» ЗАО «Северсталь-ресурс»
- Coussy O. Poromechanics. -John Wiley & Sons Ltd, 2004. -p. 312.
- Li G. C., Desai C. S. Stress and seepage analysis of earth dams//Journal Geotechnical Engineering. -1983 -№7, pp. 946-960.
- Ржевский В. В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук. -М.: Издательство МГИ, 1991. -244 с.
- Субботин А. И., Беляк Л. А., Каледина Н. О. и др. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05. Выпуск 11 -М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. -296 с.
