Дата публикации: 19.04.2022
Тілеуқабыл Болатхан Тілеуқабылұлы
Серьезные газовые катастрофы в районах глубокой добычи увеличиваются, и традиционная защитная добыча угольных пластов сталкивается со значительными проблемами. В данной работе предложена инновационная технология использования мягких пород в качестве защитного пласта при отсутствии соответствующего угольного пласта. На основе геолого-технических условий нового горизонтального первого горного участка угольной шахты Лулин в Хуайбэе, Китай, с помощью численного моделирования было проанализировано влияние различных параметров разработки мягкотканого защитного пласта на эффект сброса давления защищенного угольного пласта. Удельное напряжение защищенного угольного пласта, которое составляло менее половины первичного напряжения породы, использовалось в качестве индекса сброса давления горных напряжений. Было установлено, что оптимизированное межслоевое пространство составляет 59 м для первого мягкотканого рабочего забоя с толщиной выработки 2 м и длиной забоя 105 м. Проведен анализ физико-химических характеристик рудного тела и разработана схема выбора устройства для защитного пласта мягких пород. Было выбрано оптимальное оборудование для забоя, включающее полностью механизированную гидравлическую опору и угольный резак. Была разработана технология производства, сочетающая полностью механизированную и взрывную добычу мягких пород. Инженерная практика показала, что нормальная циркуляционная работа может быть достигнута на рабочем забое мягкотканого защитного пласта со средней скоростью продвижения 1,64 м/с. Максимальные остаточные давление и содержание газа, измеренные в разрезном положении защищенных угольных пластов (№8 и 9), снизились до 0,35 МПа и 4,87 м3/т соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о том, что разработка защитных пластов мягких пород может дать значительный газорегулирующий эффект.
Ключевые слова
Опасность выброса газа, защитный пласт мягких пород, сброс давления, оптимизация работы трех машин, Взрывная добыча, добыча газа.
Вступление
В Китае подземная добыча является преобладающей формой добычи угля. Однако большинство угольных шахт являются газовыми шахтами, а угольный газ в шахтах имеет характеристики низкого давления, низкой проницаемости, низкой насыщенности и значительной. При непрерывном и высокоинтенсивном использовании поверхностных угольных ресурсов глубина добычи угля постепенно увеличивается, и многочисленные шахты переходят в стадию глубокой добычи. Давление и содержание газа в глубоких угольных пластах выше, чем в поверхностных угольных пластах, что обусловлено уникальными характеристиками, такими как высокое геострессовое давление, высокая температура грунта, высокое карстовое гидравлическое давление, высокое содержание газа и сильное возмущение. Таким образом, газовые катастрофы становятся все более серьезными и рассматриваются как один из худших видов угольных катастроф. Разработка защитного пласта является одним из наиболее эффективных и экономичных технологических мероприятий по предотвращению прорыва угля и газа. Однако при разработке группы глубоких угольных пластов с низкой проницаемостью и сильным выбросом выбор первого угольного пласта для добычи и осуществление регионального газового контроля создают значительные проблемы для традиционной добычи, использующей угольный пласт в качестве защитного пласта. Таким образом, для группы угольных пластов без условий, необходимых для традиционной разработки защитных пластов, трудность осуществления регионального газового контроля стала технологическим узким местом, препятствующим производственной безопасности угольных шахт.
Исследователи провели многочисленные исследования, посвященные механизмам сброса давления, методам добычи полезных ископаемых и добыче газа с пониженным давлением при разработке защитных пластов. Используя метод аналогического моделирования, Liu et al. проанализированы динамические закономерности эволюции вышележащих трещин, индуцированных выработкой защитных пластов. Чанг и Тянь изучали характеристики распределения поля напряжений, поля смещений и давления газа вышележащих пород с помощью программного обеспечения FLAC3D . По теории ключевых слоев, Wu et al. обсуждаются правила влияния высоты выработки, положения ключевого пласта и ширины забоя на “три зоны” для миграции горного вышележащего газа под давлением путем комбинирования аналогичного моделирования, численного моделирования и теоретического анализа . Полученные результаты послужили ориентиром для региональной добычи газа и обоснованного выбора схемы добычи. Используя угольную шахту Хайцзы в качестве инженерного ориентира, Ван и др. проанализирован механизм выбросоопасной катастрофы нижележащих угольных пластов. Изучалась прогрессивная эволюция проницаемости при разработке удаленных защитных пластов и обсуждалась взаимосвязь между проницаемостью и изменением геостресса . Чжан и др. предложен защитный пласт с почти цельной горной выработкой, а также разработан угольно-породный способ вырубки забоя в пластах горных пород. Чжан и др. проанализирована эффективность добычи и производственные показатели технологии добычи газа с пониженным давлением на угольном месторождении Хуайнань. Инь и др. предложена концепция эффективного диапазона защиты от сброса давления, а также проанализированы механизмы управления выбросами угля и газа. Ли и Сун изучили проблемы разработки угольного пласта с грязевой полосой и приняли метод угольной резки, который адаптировался к изменениям в грязевой полосе и выбирал разумный режим работы на основе параметров угольных пластов с различными грязевыми полосами. Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на рабочей поверхности традиционного угольного пласта или полуугольного защитного пласта. Насколько известно авторам, ни в одной работе не исследовалась горная теория и практика использования мягких пород (грязевых пород) в качестве защитного пласта при добыче полезных ископаемых.
Следовательно, в качестве инженерного подхода был предложен инновационный метод выбора мягких пород в качестве защитного пласта, взяв в качестве примера шахтный район III1 угольной шахты Лулинг. Методом численного расчета проанализированы закономерности влияния различных технологических параметров разработки мягкотканого защитного пласта на эффект сброса давления защищенного угольного пласта, способствующие оптимизации конструкции очистных забоев. Были также детально проанализированы физико-химические характеристики рудного тела. Исходя из этого, было определено основное оборудование и ключевые технологии производства для предлагаемой разработки мягкотканого защитного пласта. Наконец, в сочетании с оптимальным расположением забоя технология добычи газа с пониженным давлением позволила осуществить разработку защищенного угольного пласта с пониженным давлением.
Технологический фон разработки мягкотканого защитного пласта
Инженерное образование
На северо-востоке города Хуайбэй, Китай, горная зона III1 угольной шахты Лулин была первой, которая была отработана после уровня II. в горной зоне есть три основных добываемых пласта, включая угольные пласты № 8, № 9 и № 10 (называемые пластами 8, 9 и 10). Шов 8 имеет среднюю толщину 8,5 м, его последовательный коэффициент находится в диапазоне 0,1–0,3, а коэффициент проницаемости составляет 0,0277 м2/(Мпа2·д). Это типичный сверхтолщенный и чрезвычайно мягкий низкопроницаемый угольный пласт [30]. Средняя толщина шва 9 составляет 2 м, а он находится на расстоянии 3 м от шва 8. Поэтому швы 8 и 9 можно рассматривать как самостоятельный слой. Шов 10 можно разделить на два слоя, то есть шов 10-1 и шов 10-2, которые находятся в среднем на расстоянии 83 м от швов 8 и 9. В таблице 1 приведены газовые параметры пластов 8-10 в районе разработки III1. Пласты 8-10 определяются как газовые разрывные пласты и, таким образом, полны разрывного потенциала, что означает, что шахта сталкивается с тяжелой ситуацией контроля газа.
Давление пластового газа (МПа) Газосодержание (м3/Т) постоянная адсорбции твердость угля пористость (%) Начальная скорость диффузии исходного газа (мл/с)
a (м3/Т) b (1/МПа)
Швы 8 и 9 4.43–6.47 22.67–25.63 35.59–39.06 0.48–0.53 0.10–0.30 4.61 17.0–30.0
Шов 10 2.70–5.30 13.00 15.25–29.83 0.41–1.30 0.80–1.13 6.87 7.6–8.9
2.2. Инженерная задача
Пласты 8 и 9 относятся к типичному, Толстому, мощному выбросному угольному пласту с низкой газопроницаемостью. Поэтому необходимо принять соответствующие технические меры для устранения опасности его выброса. На основе традиционных методов контроля газа можно было бы использовать два вида методов. Одним из них является предварительная добыча газа из угольного пласта путем пробивки отверстий в скальном полотне пола, а другим-технология добычи защитного пласта. Однако существуют некоторые технические проблемы с предварительной добычей угольного пластового газа .
Из-за высокого давления газа и его содержания в швах 8 и 9 сверло склонно к залипанию или задержке в процессе пробивки отверстий, что приводит к увеличению сложности конструкции.
В процессе строительства газоструйные аварии легко могут превысить предельный уровень, что создает значительные угрозы безопасности.
Поэтому невозможно осуществить предварительную добычу угольного пластового газа путем пробивки отверстий в скальном полотне пола.
Пласт 10, зарезервированный для разработки защитного пласта, является традиционным и идеальным защитным режимом добычи из-за его относительно небольшой угрозы выбросов газа. Однако в шве 10 имеются два подшва, как показано на фиг. 2. Геологическая структура необычайно сложна, и она содержит много связанных структур. Как видно на рис. 2, постоянное вскрытие угля во время земляных работ приведет к значительным угрозам безопасности, поэтому пласт 10 не подходит для быстрого продвижения рабочего забоя. Кроме того, необходимо будет добывать некоторые пласты горных пород, что может привести к добыче полуугольных пород и снижению качества угля. Из-за неравномерной толщины грунтовой полосы и больших колебаний кровли бурение по пласту трудно контролировать для предварительной добычи газа, и для этого необходимо принимать меры на большой площади пересекающих пласт скважин. Однако эта мера может привести к значительной нагрузке на бурение, длительному рабочему периоду и высоким затратам. По всем этим причинам пласт 10 не соответствует требованиям для разработки защитного пласта, и необходимо разработать новую схему разработки защитного пласта.
Концепция интеллектуального анализа данных для софт-рок защитный шов
В районе разработки III1 из-за отсутствия подходящего угольного пласта для использования при разработке защитных пластов была предложена новая концепция разработки защитных пластов из мягких пород. В этом методе в качестве защитного пласта для разработки сверхтолщенного защищенного угольного пласта, обладающего низкой проницаемостью и сильным выбросом газа, принимается мягкотканый пласт. Горно-индуцированный эффект сброса давления может увеличить проницаемость защищенных угольных пластов, сформировать каналы миграции газа и облегчить добычу газа. После того как предварительная добыча газа для сброса давления соответствует стандарту, угольные ресурсы в защищенном пласте могут быть безопасно использованы.
3. Оптимизация технологических параметров
Выбор технологических параметров горных работ имеет решающее значение для достижения достаточного эффекта сброса давления при разработке защитных пластов мягких пород. Необходимо учитывать множество факторов, например характеристики горных работ, эффект защиты от сброса давления, экономические выгоды и безопасность [19]. Защитный шов мягкой породы имеет различные преимущества, такие как его подходящая толщина добычи, дополнительное положение добычи и регулируемое содержание добычи. В результате технологические параметры добычи могут быть разумно выбраны исходя из требований защиты от сброса давления защищаемого угольного пласта, что выгодно для процесса газорегулирования при глубокой добыче полезных ископаемых. На основе геологических условий рабочих забоев в мягкотканом защитном пласте угольной шахты "Лулинг" изучено влияние различных технологических параметров на эффект сброса давления защищенного угольного пласта с использованием программного обеспечения FLAC3D.
Разведочное бурение было организовано с интервалом 150-200 м в напольных дренажных полосах верхнего и нижнего участка разработки III1013. Были проведены керноразведочные работы горного пласта и соответствующих кровли и пола, а также физико-механические испытания горных пород. Механические параметры угольно-породного пласта были определены.
Плотность угля-породы (кг/м3) модуль упругости (гПа) модуль деформации (гПа) коэффициент Пуассона предел прочности при растяжении (МПа)
Горный пласт 2410 4.791 4.193 0.233 2.40
Средний песчаник 2650 15.274 11.367 0.267 3.10
Мелкий песчаник 2700 9.330 9.419 0.333 3.93
Алевролит 2560 14.425 9.124 0.262 3.60
Угольный пласт 1420 4.000 3.040 0.150 0.90
Аргиллит 2450 5.844 4.015 0.206 1.36
3.1. Оптимизация межслойного расстояния
Модель 380 м × 308 м × 211,3 м (рис. 3) был построен для численного расчета. Учитывая, что средняя глубина залегания мягкотканого забоя составила -670 м, на верхней границе модели приняты граничные условия напряжений с нагрузкой 14,2 МПа. Четыре стороны и нижняя грань приняли граничные условия смещения, а в расчете использовался критерий текучести Мора-кулона. Горная мощность мягкотканого забоя была рассчитана на 2 м. Учитывая, что ширина аэродинамической трубы и механической трубы составляла одновременно 4 м, а угольно-скальные столбы с границей 100 м оставались в направлении тренда и тенденции. Имитация мягкотканого забоя имела длину 100 м и длину надвига 180 м. Проанализированы изменения напряжений угольно-горного массива при различных межслоевых расстояниях (20, 40, 60, 80 и 100 м). Согласно комплексной гистограмме участка разработки III1, физико-механические параметры угольно-породного пласта в модели приведены в таблице 2. При продвижении забоя на 180 м вертикальное смещение и напряжение угольно-породного пласта с различными межслоевыми расстояниями показаны на рис. 4
После разработки мягкотканого защитного пласта напряжение вышележащего угольно-породного тела перераспределяется, вызывая деформацию движения вышележащих пластов. Большие градиенты смещения различных межслоевых промежутков способствуют высокой скорости деформации расширения между горными породами и улучшенному эффекту сброса давления. Инжир. На рис. 4а показано, что при увеличении межслойного расстояния от 20 до 100 м скорость деформации расширения постепенно уменьшалась, что приводило к ослаблению эффекта сброса давления. Для наглядности индекс горного напряжения сброса давления можно представить в виде r = σ'z/σz, где σ'z-вертикальное напряжение в Мпа после разработки мягкотканого защитного пласта и σz - напряжение первичной породы в Мпа. Небольшое значение r говорит о высокой степени снятия напряжений, и эффект снятия напряжений защищенного шва также значителен. Инжир. Из рис. 4Б видно, что после сброса давления вертикальные напряжения в угольно-горном массиве с различными межслоевыми расстояниями 20, 40, 60, 80 и 100 м составили соответственно 4,95, 6,31, 8,46, 10,8 и 12,3 МПа. С увеличением межслоевого расстояния индекс горного напряжения r постепенно увеличивался, тогда как нарушенная степень высвобождения напряжений уменьшалась.
Для выбора подходящего защитного пласта была проведена колонковая разведка в диапазоне от 20 м над кровлей пласта 10 до точки на 30 м ниже дна пласта 9. В этом районе были обнаружены два достаточно устойчивых скальных пласта. Один залегал на 43-48 м ниже дна пласта 9 и состоял из среднего песчаника со средней толщиной 1-5 м и средней твердостью 7. Другая содержала каолиновую глину, состояла из серого аргиллита и находилась на глубине 54-64 м ниже дна пласта 9. Средняя толщина серого аргиллита составляла 5,1 м, а его средняя твердость-3,73. Результаты показали, что эффект сброса давления среднего песчаника, выбранного в качестве защитного шва, был лучше, чем у шва серого аргиллита. Однако средний песчаник был тверже, что затрудняло разработку полностью механизированной технологии. Эти неблагоприятные условия добычи не были пригодны для быстрого продвижения защитного пласта. Поэтому в качестве защитного пласта для горных работ был выбран разрез серого аргиллита.
Оптимизация толщины горных выработок
Показано, что в пределах определенного диапазона в защищенном пласте, когда удельное напряжение для угольного пласта составляет менее половины теоретического уровня напряжений для первичной породы, блок угольного пласта будет испытывать эффект невосполнимого разрушающего сброса давления. Поэтому в данном исследовании удельное напряжение в защищенном угольном пласте, составляющее менее половины первичного напряжения породы, использовалось в качестве индекса горного напряжения сброса давления r. этот индекс r может быть использован для описания критической высоты сброса давления вышележащей породы после разработки мягкотканого защитного пласта.
Для изучения оптимальной толщины горных выработок было разработано пять схем. Межслоевое расстояние между защитным пластом мягких пород и защищенным угольным пластом фиксировалось на уровне 60 м, а также устанавливались горные толщины (1, 2, 3, 4 и 5 м). Инжир. На рис. 5 показаны изменения вертикальных напряжений в защищенных пластах с различной горной мощностью при продвижении на 180 м для мягкотканого защитного пласта. После сброса давления при толщинах выработки 1, 2, 3, 4 и 5 м вертикальные напряжения для защищенного угольного пласта составили соответственно 11,30, 8,46, 7,14, 5,65 и 5,00 МПа. Инжир. На рис. 6 показано изменение индекса сброса давления горных напряжений для различных толщин горных выработок. Вышележащие слои с различной толщиной в одном и том же положении слоя имеют различные эффекты сброса давления. При толщинах горных выработок 1, 2, 3, 4 и 5 м критические высоты сброса напряжений для вскрышных пород составили соответственно 25,4, 67,7, 77,5, 87,4 и 92,3 м. Полученные результаты показывают, что по мере увеличения мощности горных выработок критическая высота сброса давления вышележащих пластов постепенно увеличивается.
Когда мощность выработки мягкотканого защитного пласта превышала 4 м, критическая высота сброса давления вышележащих пластов увеличивалась довольно медленно, что свидетельствовало о постепенном снижении чувствительности эффектов сброса давления к толщине выработки. По результатам моделирования, когда межслойное расстояние между защитным пластом мягких пород и защищенным угольным пластом составляло 59 м, минимальная толщина выработки для достижения практического эффекта сброса давления составляла 1,85 м. эффект сброса давления защищенного пласта увеличивался с увеличением толщины выработки. Учитывая общие требования к технологии добычи угля на угольной шахте "Лулинг", оптимальная мощность горной выработки мягкотканого забоя была определена равной 2 м.
Оптимизация длины рабочей поверхности
Для оптимизации длины рабочей грани было использовано восемь схем. Горная толщина мягкотканого забоя была зафиксирована на уровне 2 м, а длина забоя установлена равной 50, 75, 100, 120, 150, 180, 240, и 300 м. Размер 3D численной модели составлял 508 м × 650 м × 284,6 м, а длина выемки была в 1,5 раза больше длины рабочего забоя. В конце выемки забоя была проведена вертикальная кривая распределения напряжений вышележащих пластов в Центральном стволе по направлению простирания с межслоевым расстоянием 60 м, как показано на фиг. 8. Диапазон перепада давления в канавке Гофа постепенно расширялся с увеличением длины рабочей поверхности.
При увеличении длины забоя в защитном пласте мягких пород индекс горного давления-сброса напряжений демонстрировал две стадии (стадии ⅰ иⅱ) в моделируемых геологических условиях. На I этапе индекс горного давления-сброса напряжений в вышележащих пластах снижался с увеличением длины забоя в определенном диапазоне. На стадииⅱ, когда длина рабочего забоя превышала удельное значение, вышележащие пласты в гоаф начали постепенно повторно уплотняться в середине после разрушения, и напряжение постепенно восстанавливалось, индекс сброса давления горного напряжения вместо этого увеличивался с увеличением длины рабочего забоя. Исходя из результатов моделирования, учитывая толщину выработки 2 м и межслоевое расстояние 60 м в защищенном угольном пласте, можно достичь подходящего эффекта сброса давления для длин забоя в диапазоне 87-240 м. В частности, индекс сброса давления горных напряжений был невелик при длине 120-180 м, что указывало на то, что это был оптимальный диапазон для длины рабочего забоя. Увеличение длины рабочего забоя повлекло за собой значительные требования к надежности механического оборудования на рабочем забое. Длина мягкотканого забоя может быть определена путем комплексной оценки механического оборудования, технологии добычи полезных ископаемых, эффективности работ и стоимостных факторов с учетом практического опыта добычи полезных ископаемых, относящегося к горным забоям. Исходя из этого, длина первого мягкотканого горного забоя (III11) была оптимизирована до 105 м в районе разработки III1, а длина второго горного забоя III13 составила 125 м.
Исходя из вышеизложенных соображений, при отсутствии технологических условий, способствующих традиционной разработке защитного пласта в районе разработки III1, в качестве защитного пласта для разработки был выбран мягкотканый пласт, содержащий каолин (т. е. аргиллит). В среднем слой аргиллита находился на расстоянии 59 м от дна пласта 9 и 23 м от кровли пласта 10. Была разработана соответствующая схема разработки мягкотканого защитного пласта (см. 10). После оптимизации конструкции мощность выработки и длина первого горного забоя в мягкотканом защитном пласте были определены равными 2 и 105 м соответственно.
Производственный процесс мягкотканого забоя
Аргиллит добывали в основном с рабочей поверхности защитного пласта мягких пород. По сравнению с добычей угля твердость или плотность аргиллита могут быть высокими, что легко может вызвать высокие нагрузки на режущие устройства, приводящие к выходу устройства из строя, и это условие может дополнительно повлиять на нормальную циркуляционную работу забоя. Для обеспечения высокоэффективной рекуперации мягкотканого забоя был разработан производственный процесс, объединяющий полностью механизированную и взрывную добычу мягких пород. В частности, в породных пластах были пробурены скважины, а вибрационная дробь была помещена для предварительного дробления породных пластов взрывом. Затем угольный резак был использован для разработки забоя из мягких пород. Исходя из конкретных производственных требований, был использован один ряд иллюминаторов и три иллюминатора. В этих двух вариантах глубина иллюминатора (поясной и Нижний иллюминаторы) и расстояние между отверстиями составляли 1,6 и 1,0 м соответственно. Горизонтальный угол и угол качки составляли соответственно 0° и 10°-15°. Диаметр бурового отверстия составлял 43 мм, а взрывная нагрузка-1-2 объема. Длина лютни составляла менее 0,5 м. при серийном взрыве использовались электродетонатор с миллисекундной задержкой и трехуровневое водогелевое взрывчатое вещество, допустимое в угольных шахтах. Порядок взрыва был один заряд и одна детонация. Инжир. На рис. 14 показано расположение иллюминатора при взрывной добыче угля.
Выводы
Проанализированы основные инженерные проблемы первого участка глубокой разработки угольного разреза Лулинг. Традиционная схема разработки защитных угольных пластов столкнулась со значительными трудностями. В отсутствие соответствующего и традиционного угольного пласта в качестве защитного пласта для добычи полезных ископаемых была предложена инновационная технологическая концепция разработки мягкотканого защитного пласта для регионального газорегулирования.
Предложены принципы оптимизации конструкции по технологическим параметрам для разработки защитных пластов мягких пород. Для защищенных угольных пластов проанализированы закономерности влияния межслоевого расстояния, толщины выработки и длины забоя на эффект сброса давления. Удельное напряжение защищенного угольного пласта составляло менее половины первичного напряжения породы, которое использовалось в качестве критического индекса сброса давления горных напряжений. Соответственно были определены оптимальные технологические параметры горных работ, в том числе межслоевое расстояние 59 м, толщина горных выработок 2 м и длина забоя 105 м.
Проведен анализ физико-химических свойств горного рудного тела. Разработана схема выбора устройства для разработки мягкотканого защитного пласта, оптимально подобраны ключевые устройства забоя. Далее была определена технология производства, сочетающая полностью механизированную и взрывную добычу мягких пород. Наконец, была выбрана техника взрыва одного ряда иллюминаторов и трех иллюминаторов.
Инженерная практика показала, что нормальная циркуляционная работа может быть достигнута на рабочих забоях мягкотканого защитного пласта со средним опережением 1,64 м/с. Максимальные остаточные давление и содержание газа, измеренные в разрезном положении защищенных угольных пластов (пласты 8 и 9), снизились до 0,35 МПа и 4,87 м3/т соответственно. Эти результаты показали, что выдающийся газорегулирующий эффект достигается при разработке защитных пластов мягких пород.