О необходимости изменения методического подхода к расчету дебита метана в высокопроизводительных очистных забоях Кузбасса

Современные импортные очистные комбайны, применяемые на шахтах в Кузбассе, оснащаются силовыми электроприводами высокой установленной мощностью и обладают значитеьной производительностью и скоростью подачи. Так, например, очистной комбайн Eickhoff SL-900 массой 90 т, используемый на шахте им. В.Д. Ялевского, имеет суммарную мощность электродвигателей приводов резания и подачи 2104 кВт. Скорость подачи комбайна достигает 48 м/мин, а производительность превышает 50 тыс. т угля в сутки. В августе 2018 г. на шахте им.

В.Д. Ялевского в лаве 5004 длиной 400 м при выемке пласта мощностью 3,8 м поставлен мировой рекорд добычи угля – 1627 тыс. т.

Однако при этом работа современных шнековых комбайнов, скребковых конвейеров и дробилок в очистных забоях приводит к переизмельчению угля. В условиях шахты «Костромовская» 69,1 % угля добывается классов «штыб» (0–6 мм) и «семечко» (6–13 мм). Аналогичный картину выхода мелких фракций угля присутствует и на многих других шахтах. Это приводит к ряду негативных последствий: снижению сортности и соответственно оптовой цены угля, а также

2020;5(2):82-91

повышению выхода пылевых фракций и увеличению дебита метана из отбитого угля в очистных забоях.

Закономерности интенсивности мета-новыделения от производительности добычной техники на угольных шахтах.

Одним из действенных способов снижения дебита метана в очистных забоях является повышение производительности шнековых комбайнов. Снижение метановыделения из отбитого угля при высокой производительности очистного комбайна впервые зафиксировано специалистами АО «НЦ ВостНИИ» в 2010 г. средствами аэрогазового контроля на шахтах «Тагарышская», «Котинская», «Тал-динская-Западная-1» [1]. Суть этого явления заключается в том, что при увеличении скорости подачи и производительности очистного комбайна в начальный период происходит рост метановыделения из отбитого угля, практически в соответствии с утвержденными инструкциями и методиками [2–4], а затем, после достижения некоторого максимума дебита метана, при дальнейшем росте производительности комбайна происходит снижение метановыделения. При высокой производительности очистного комбайна

(20–30 тыс. т/сут и более) существует значительное несоответствие между фактическим дебитом метана в очистных забоях и расчетными данными [1]. Так, например, на шахте «Котинская» несовпадение расчетных и фактических данных дебита метана, полученных средствами аэрогазового контроля, при производительности очистного забоя 30 тыс. т/сут. составляет более чем 5 раз, а при добыче угля 37 тыс. т/сут. расчетный дебит метана превышает фактическое метано-выделение более чем в 15 раз (рис. 1)!

Это явление противоречит утвержденным инструкциям [2–4] и требует более полного теоретического и статистического доказательства.

На основании информации, полученной средствами аэрогазового контроля, авторами проведен статистический анализ фактического метановыделения в 101 очистном забое 33 шахт Кузбасса. В результате с высокой степенью достоверности по 76 очистным забоям определены параболические зависимости дебита метана от производительности очистного комбайна, обладающие точками максимума (табл. 1, рис. 2).

Рис. 1. Теоретическая кривая метановыделения по действующим инструкциям и фактический дебит метана в очистном забое 5203 шахты «Котинская»

Fig. 1. Theoretical methane release curve in accordance with applicable instructions and the factual methane release rate in production face 5203 of the Kotinskaya colliery

2020;5(2):82-91

Тенденция снижения метановыделения из отбитого угля индивидуальна для каждого пласта и очистного забоя. Так, например, для шахты им. Кирова при отработке пласта «Бол-дыревский» снижение метановыделения начинается при производительности 6 тыс. т/сут -для очистного забоя 24-40, 10 тыс. т/сут - для очистного забоя 24-45 и 11 тыс. т/сутки для -очистного забоя 24-57.

Таким образом, статистический анализ, проведенный по 76 очистным забоям, с высокой степенью достоверности подтверждает тенденцию снижения абсолютного метано-выделения из отбитого угля при высокой производительности очистного забоя.

Обоснование моделей интенсивности метановыделения на угольных шахтах. Результаты экспериментальных исследований.

Теоретическое объяснение снижения метановыделения из отбитого угля при высокой производительности очистного комбайна дано авторами в [6, 7]. Суть этого явления заключается в том, что с увеличением скорости подачи и производительности очистного комбайна изменяется фракционный состав отбитого угля, а именно, снижается выход мелких фракций и увеличивается выход класса крупных фракций. Зависимости выхода фракций от скорости подачи на основании статистических данных [5] имеют линейный характер, а суммарный дебит метана от всех фракций отбитого угля в соответствии с законом А. Дарси определяется в этом случае параболической зависимостью от скорости подачи комбайна:

180 vmrk_x ( P - P ) Л р ( v )  180 vmrk_x ( P - P ) Л ± a v + b

Q ( v ) =       ------ Z i^T" =       ------ Z      ^L = 180 m ^* ( P ~ P_a )( - cv 2 + d )

Ц            i = 1 R i                Ц            i = 1      R i

где k - количество фракций отбитого угля; v - скорость подачи очистного комбайна, м/мин; m - мощность пласта, м; r - ширина захвата комбайна, м; k 1 - коэффициент проницаемости угля; P , P а - соответственно поровое давление газа внутри частицы угля и атмосферное давление в забое, Па; µ - абсолютная вязкость среды на пути фильтрации метана, Па^с; в i ( v ) - зависимость выхода класса i -й фракции от скорости движения очистного комбайна, %; R i - средний радиус частицы отбитого угля i -й фракции, м; a i , b i -коэффициенты линейных зависимостей выхода фракций от скорости подачи комбайна; c, d - коэффициенты параболической зависимости суммарного дебита метана от всех фракций угля.

Таким образом, на основании статистического анализа данных аэрогазового контроля по 76 очистным забоям Кузбасса и с учетом статистических данных выхода отдельных фракций угля установлена параболическая зависимость метановыделения из

отбитого угля, имеющая максимум относительно скорости подачи и производительности очистного комбайна.

Аналогичные параболические зависимости получены в [8] на основании статистического анализа работы очистных забоев на шахте им. А. Ф. Засядько в Донбассе.

Следует заметить, что все параболические зависимости метановыделения от производительности очистного комбайна получены с помощью статистических методов и, несмотря на достаточно высокие показатели надежности регрессионных связей, все же не раскрывают физику этого явления. Статистика не объясняет физический процесс снижения дебита метана при высокой скорости подачи и производительности очистного комбайна.

Теоретическое объяснение этого эффекта дано авторами в работе [7], в которой на основании закона А. Дарси и уравнения сорбции И. Ленгмюра, а также на основании связи скорости подачи с толщиной стружки и

2020;5(2):82-91

частотой вращения шнека выведены экстремальные (имеющие точки максимума) зависимости дебита метана от скорости подачи ( v )

и производительности ( А ) очистного комбайна:

Q(v) =

720 mrk_x ( 0 , 9 X ( 1 + bp ) - abp )

/        x (    v       К    0 , 25 К 2 )

ц b ( a - 0 , 9 X )------у +--— +---

^ ( n nn)   n nn_x     v ,

м ³ / мин,

Q (A) = mLq +

720 k 1 ( 0 , 9 X ( 1 + bP a ) - abP a ) a

цb(a - 0,9X )----—---+

Y (mr n nn_x)

hр mrn nnx

+

0,25yh2)

м ³ / мин,

A

где a, b – постоянные изотермы И. Ленгмюра, для угля определяемые по [10]: a = 49,3 м³/т, b = 0,207∙10^–6 1/Па; n – частота вращения шнека, мин^–1; n 1 – количество резцов на лопастях шнека в одной линии резания; h p – рас-

Х – природная метаноносность угля, м³/т; L – длина лавы, м; q – дебит метана из угольного пласта, м/мин; γ – плотность угольной массы, т/м³.

стояние между резцами на лопастях шнека;

Таблица 1

Регрессионные зависимости метановыделения ( Q , м ³ /мин) из отбитого угля от производительности ( A , т/сут) очистного комбайна

Regression dependences of methane release (Q, m ³ /min) from the loose coal on the productivity (A, t/day) of a shearer

№	Очистной забой	Регрессионная зависимость	Коэффициент ап-проксима-ции, R 2	Коэффициент регрессии, R	Размер выборки	Средне-квадратическое отклонение, σ	Коэффициент надежности связи, k = R /σ > 3
Шахта им. Кирова
Пласт Болдыревский
1	24-40	Q = –1∙10–7 A 2 + 0,0012 A + 0,443	0,94	0,97	13	0,017	58,26
2	24-45	Q = –3∙10–8 A 2 + 0,0006 A + 0,855	0,84	0,92	20	0,036	5,62
3	24-57	Q = –5∙10–8 A 2 + 0,0011 A + 1,02	0,82	0,91	14	0,048	18,82
4	24-59	Q = –1∙10–7 A 2 + 0,0019 A + 2,42	0,69	0,83	25	0,062	13,40
Пласт Поленовский
5	25-85	Q = –3∙10–8 A 2 + 0,0008 A + 1,225	0,89	0,94	20	0,025	38,35
6	25-86	Q = –7∙10–8 A 2 + 0,001 A + 0,654	0,9	0,95	18	0,024	40,25
Шахта «Заречная», пласт Полысаевский-1
7	904	Q = –2∙10–8 A 2 + 0,0005 A + 0,632	0,74	0,86	16	0,068	13,23
Шахта «Есаульская», пласт 26а
8	26-30	Q = –1,5∙10–7 A 2 + 0,0015 A + 0,64	0,8	0,89	11	0,06	14,83
9	26-18	Q = –3∙10–8 A 2 + 0,001 A + 1,341	0,8	0,89	10	0,063	14,14
		Шахта «Абашевская»,		пласт 64
10	64-204	Q = –1,56∙10–7 A 2 + 0,0012 A + 0,61	0,74	0,86	13	0,072	11,93
Шахта «Талдинская-Западная-1», пласт 67
11	67-04	Q = –1∙10–7 A 2 + 0,0017 A + 0,45	0,85	0,92	15	0,039	23,8
Шахта «Котинская», пласт 52
12	5203	Q = –7∙10–9 A 2 + 0,0003 A + 3,02	0,17	0,41	52	0,115	3,6
13	5209	Q = –1∙10–8A2 + 0,0008 A + 6,02	0,59	0,77	49	0,059	13,1
Шахта им. В.Д. Ялевского, пласт 52
14	5210	Q = –7∙10–9 A 2 + 0,0005 A + 1,64	0,63	0,79	41	0,058	13,74
Шахта им. 7 Ноября, пласт Байкаимский
15	1380	Q = –3∙10–8 A 2 + 0,0007 A + 0,97	0,54	0,73	26	0,09	8,15
Шахта «Талдинская-Западная-2», пласт 70
16	70-06	Q = –7∙10–9 A 2 + 0,0002 A + 0,97	0,49	0,7	31	0,092	7,64
Шахта «Распадская», пласт 10
76	4-1029	Q = –3∙10–8 A 2 + 0,001 A + 1,64	0,93	0,96	26	0,014	70,25

I ГОРНЫЕ НАУКИ

I Ж И ТЕХНОЛОГИИ

2020;5(2):82-91

МИСиС

Национальный исследовательский технологический университет

(U

X 2

Колмогоровская-2. Пласт Полысаевский 2

(U

5   10

О 0

<      0       2000    4000    6000    8000    10000

Добыча, т/сут

■ Колмогоровская-2, №3

Октябрьская. Пласт Надбайкаимский

0    2000   4000   6000   8000  10000  12000

Добыча угля,т/сут

■ Октябрьская, 1127     ▲ Октябрьская, 1130

Рис. 2. Фактические данные и регрессионные зависимости абсолютного метановыделения от производительности очистного забоя на шахтах «МУК-96», «Колмогоровская-2», «Октябрьская», «Юбилейная», «Костромовская»

Fig. 2. Actual data and regression dependences of absolute methane release on the working face performance at the MUK-96, Kolmogorovskaya-2, Oktyabrskaya, Yubileynaya, Kostromovskaya collieries

2020;5(2):82-91

Анализ зависимостей (2) показывает, что метановыделение является функцией, обратно пропорциональной линейно-гиперболической зависимости, и имеет точку максимума относительно скорости подачи и производительности очистного комбайна (рис. 3). Как видно на рис. 3, теоретическая кривая ме-тановыделения (2) хорошо описывает данные фактического дебита метана в лаве и значительно отличается от нормативной зависимости, изображенной на рис. 1. Метановыделе-ние из отбитого угля значительно, в квадратической зависимости, снижается при уменьшении частоты вращения шнека и количества резцов в линии резания или количества лопастей на шнеке. Метановыделение также в квадратической зависимости растет с увеличением мощности пласта и ширины захвата комбайна.

В связи с существованием точки максимума дебита метана изменяется методология расчета допускаемой производительности очистного забоя по газовому фактору. По существующим инструкциям [2–4] рассчитывается значение максимально допустимой производительности ( A max ) очистного забоя по формуле

max

0,6 v _max Sk _оз c k e K пл ⁽ q — q o ) K WA

, т/мин, (3)

где v max = 4 м/c – максимально допускаемая по правилам безопасности [11] скорость воздушной струи в очистном забое; S – площадь поперечного сечения лавы в свету, м²; k оз = 1,05÷1,30 - коэффициент, учитывающий утечки воздуха в выработанное пространство; с = 1 % - допускаемая по ПБ концентрация метана на исходящей струе воздуха из лавы;

q , q o – соответственно природная и остаточная метаноносность угля, м³/т; K WA – коэффициент, учитывающий содержание в угле природной влаги и золы; k e – коэффициент естественной дегазации массива угля в полосе заходки выемочной машины.

Как видно на рис. 4, существование экстремальной функции концентрации метана формирует область недопустимых значений скорости подачи и соответствующей производительности очистного комбайна:

v min <  v <  v max ;

^A min <  ^A <  ^A max ;

^A max = Y mrv max

Рис. 3. Теоретическая зависимость (2) и фактическое метановыделение в лаве 5203 шахты «Котинская»

Fig. 3. Theoretical dependence (2) and actual methane release in longwall 5203 of the Kotinskaya colliery

2020;5(2):82-91

челноковая уступная

Допускаемая концентрация метана,%

Рис. 4. Зависимости концентрации метана на исходящей струе лавы 5005 шахты им. В. Д. Ялевского от скорости подачи комбайна для челноковой и уступной технологических схем

Fig. 4. Dependencies of methane concentration in upcast in longwall 5005 of the Named after V. D. Yalevsky colliery on shearer rate of advance for shuttle and benched process flow sheets и соответственно область допускаемых значений производительности очистного забоя по газовому фактору заключается в выполнении одного из двух условий в зависимости от мощности комбайна:

A <  A min V A >  A max ,           (5)

где v min , v max , A min , A max – граничные значения соответственно скорости подачи и производительности очистного комбайна по газовому фактору.

В частности, для лавы 5005 шахты им. В.Д. Ялевского эти граничные значения для челноковой технологической схемы соответственно составляют (рис. 4):

v min = 4,8 м/мин, v max = 14,0 м/мин;

A min = 19,5 т/мин, A max = 57 т/мин.

На шахте им. В.Д. Ялевского осуществили максимальный вариант допускаемой нагрузки на очистной забой и отработали выемочный столб пласта 50 со скоростью очистного комбайна SL-900, превышающей 14 м/мин, и суточной нагрузкой более 50 тыс. т/сут.

Очевидно, что технологическая безопасность всего горного предприятия, добывающего уголь, будет зависеть от режимов

метановыеления. Значительное число исследований посвящено этому вопросу в России и за рубежом, но при решении задач технологической безопасности всегда потребуется достоверная расчетная модель метановыделе-ния, связанная с технологическими режимами ведения горных работ [10–20].

Выводы

На основании статистического анализа данных аэрогазового контроля по 76 очистным забоям 33 шахт Кузбасса с высокой степенью достоверности установлена параболическая закономерность метановыделения из отбитого угля, имеющая максимум относительно скорости подачи и производительности очистного комбайна.

Теоретическое объяснение эффекта снижения метановыделения из отбитого угля при высокой производительности очистного комбайна заключается в том, что с увеличением скорости подачи и производительности очистного комбайна изменяется фракционный состав отбитого угля, а именно, снижается выход мелких фракций и увеличивается выход класса крупных фракций.

2020;5(2):82-91

С использованием закона А. Дарси и уравнения сорбции И. Ленгмюра установлено, что метановыделение является функцией, обратно пропорциональной линейногиперболической зависимости, и имеет точку максимума относительно скорости подачи и производительности очистного комбайна.

Анализ установленной зависимости дебита метана из отбитого угля показывает, что метановыделение значительно, в квадратической зависимости, снижается при уменьшении частоты вращения шнека и количества резцов в линии резания или количества лопастей на шнеке. Метановыделение также в квадратической зависимости растет с увеличением мощности пласта и ширины захвата комбайна.

Экстремальная зависимость дебита метана из отбитого угля формирует две области допускаемых значений скорости подачи и производительности очистного комбайна по газовому фактору.

Таким образом, необходимо внести изменения в существующие методические подходы к расчету дебита метана в высокопроизводительных очистных забоях с целью учета экстремальной зависимости метановыделе-ния от скорости подачи и производительности очистного комбайна, а при расчете допускаемой нагрузки на очистной забой по газовому фактору следует учесть возможность снижения дебита метана при значительном увеличении скорости подачи и производительности очистного комбайна.

2020;5(2):82-91