книги из ГПНТБ / Клебанов, Ф. С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях

2.Подготовительные выработки как источник газа

Подготовительные выработки в угольных шахтах являются обильным

готовительной выработки составляет десятки тысяч кубических метров в сутки [21], Суммарное количество метана из всех подготовительных выработок шахты достигает 40 - 50% общего количества газа, выделяю­ щегося в шахте. Эти обстоятельства делают весьма важным изучение выделения метана в подготовительных выработках, особенно при ско­ ростной проходке. Изучение этого вопроса также интересно с той точ­ ки зрения, что дает возможность выяснить общие особенности выделе­ ния метана из обнаженных поверхностей угольного пласта.

Известен ряд работ [ 16, 22-28], в которых приводятся результаты наблюдений за газовым режимом в подготовительных выработках в пе­ риод их проходки и предлагаются зависимости, характеризующие неко­ торые стороны процесса выделения метана. Остановимся на тех вели­ чинах, с которыми приходится иметь дело при рассмотрении вопроса о выделении метана в подготовительной выработке.

Это, во-первых, удельная объемная скорость выделения метана че­ рез обнаженную поверхность угля g (м /мин/м^); во-вторых, объем­ ная скорость выделения метана через поверхность угля в подготови­ тельную выработку в целом G (гл /мин); в-третьих, объем метана, вы­ делившегося в выработку от начала ее проходки до некоторого фикси­ рованного момента времени W(м^).

Удельная объемная скорость выделения метана g - величина пере­ менная, так как с течением времени однажды обнаженная поверхность угля истощается от метана. Попытки теоретического вывода зависимое ти, которая описывала бы уменьшение со временем величины g, при­ водят к сложным формулам [29, 30]. Их сложность обусловлена не столько большим числом переменных, сколько трудностью определения численных значений переменных для конкретных условий. Чтобы избе­ жать этйх трудностей, совокупное влияние множества факторов выра­ жают всего через две величины - начальную удельную объемную ско­ рость выделения метана через обнаженную поверхность угля и время, отсчитываемое от момента обнажения поверхности [30, 31, 32].

Так, Г.Д. Лидиным была предложена формула изменения удельной объемной скорости выделения метана в зависимости от времени [16]

чальных условий и устранить дробную степень времени в размерности

10

Эксперименты по определению объемной скорости истечения мета­ на с поверхности угля, приведенные на различных пластах [23], пока­ зывают, что применение таких универсальных формул, какими являются формулы (1,1) и (1,2), имеет известное основание. Оказывается.что, несмотря на различие условий в подготовительных выработках, прохо­ димых в разных пластах, замедление удельной объемной скорости ис­ течения метана характеризуется одной обобщенной кривой. В работе [28] отмечается, что метановыделение из отдельных отрезков подгото­ вительных выработок, пройденных в течение каждого последующего ме­ сяца, уменьшается примерно в 2 раза. Это означает, что замедление скорости выделения газа пропорционально самой скорости выделения га­ за, т.е.

fig

-ng, (1,3)

dt

где знак минус в правой части указывает на изменение со временем объемной удельной скорости истечения газа в сторону уменьшения.

Из уравнения (1,3) следует

где п размерный коэффициент, характеризующий крутизну снижения кри­

вой g(t): [n] = Т- 1 .

Для практического использования зависимостей (1,4) и (1,5) необ­ ходимо оценить порядок величин g0 и п.

По результатам исследования В.С.Орехова [25] зависимость g(t), полученная на основании наблюдений в шахтах Карагандинского бассей­ на, описывается формулой

t

11

График формулы ( I, 6) в полулогарифмических координатах

=0,77 1/мес. Из результатов исследований И.В. Сергеева [23], обрабо­ танных таким же образом, следует, что в интервале времени 9^Ц85сут п= 0,023 1/сут = 0,69 1/мес. В работе [28] дается для величины п зна­ чение, равное 0,68 1/мес. Таким образом, можно считать; что степень снижения удельной объемной скорости метана, выделяющегося с обна­ женной поверхности угля, определяется в среднем величиной п= 0,70-t ■+ 0,75 1/мес или п = 0,023 ■+ 0,025 1/сут.

Выше приведено усредненное по всему интервалу времени проходки выработки значение показателя степени п. Для свежеобнаженных по­ верхностей угля величина п имеет, очевидно, большие значения и, на­ оборот, в последний период перед полным затуханием выделения газа ве­

По данным различных исследований, начальная удельная объемная

12

Рассмотрим, как изменяется объемная скорость выделения метана в подготовительную выработку в целом [33]. Это может быть сделано на основании формул (1,4) и (1,5).

Для удобства анализа представим, что забой выработки неподвижен и выделяет метан с постоянной объемной скоростью gD> а устье вы­ работки удаляется от забоя с постоянной скоростью обнажения новой поверхности угля и м^/сут. При постоянной мощности пласта, по ко­ торому проводится выработка, между скоростью обнажения новой по­

деления метана в выработку, проходимую с постоянной скоростью, сле­ дующая:

тановыделение в выработку практически стабилизируется. Если п =0,025 1/сут, то nt = 4,6 соответствует времени t =4,6/0,025 = 184 сут. В

13

остановленной выработке выделение газа затухает примерно за тот же период (около 6 мес). Наблюдения [24, 28] подтверждают эти выводы.

Объем метана, который выделится в выработку к моменту достиже­

Если при достижении некоторой длины X проходка выработки закан­ чивается (в момент времени Т =X/v), то объемная скорость выделе­

ния метана в этот момент

где время t ' отсчитывается от момента остановки проходки выработки. Таким образом, подставив оба периода существования выработки (в проходке и в остановленном состоянии) в одну формулу, получаем вы­ ражение, описывающее изменение объемной скорости выделения метана

Для объема метана, выделившегося в выработку от начала ее про­ ходки до данного момента времени, получаем

14

Рис.2. Графики скорости и объема выделения метана в подготивительной выработке

На рис. 2 даны графики скорости и объема выделения метана, опре­

торый выделится в выработку за длительный период ее существования,

шегося в подготовительную выработку из обнаженных поверхностей угля в период ее проходки и в течение последующего длительного времени по окончании проходки, не зависит от скорости проходки, а определяет­ ся только площадью обнажения угля, начальной удельной объемной ско­ ростью выделения метана и темпом снижения этой скорости в зависи­

тана в выработку есть функция двух переменных - скорости проходки и времени, отсчитываемого от начала проходки. Для каждого фиксиро­ ванного момента времени объемная скорость выделения метана прямо пропорциональна скорости проходки, т.е. разность, стоящая в правой части формул (1,10), не зависит от скорости проходки. Но при разных скоростях проходки одним и тем же моментом времени соответствует разная длина выработки или, наоборот, одной и той же длине выработки

соответствует разное время, в течение которого достигается эта длина. По этой причине объемная скорость выделения метана в момент дос­

тижения длины выработки X будет разной при различной скорости про­ ходки, так как для данной длины X, согласно (1,10), объемная ско­ рость выделения метана —функция скорости проходки.

Увеличение выделения метана в подготовительную выработку возрас­ тает с увеличением скорости проходки, но не прямо пропорционально скорости, а в значительно меньшей мере.

15

3.Некоторые общие предельные параметры

исоотношения для источников газа

Результаты изложенного выше анализа не только характеризуют газовыделение в подготовительных выработках, но и позволяют устано­ вить некоторые зависимости, которые описывают самые общие внешние черты процесса выделения метана из массива угля в полости, образуе­ мые в этом массиве (выработки, скважины и т.д .). При этом не толь­ ко выявляются основные параметры, которыми характеризуется процесс газовыделения, но и обнаруживается, что ряд соотношений между ними можно установить без рассмотрения внутренней4 природы процесса вы­ деления газа из угля (давление газа в пласте, структура угля, сорб­ ция и т.д .), которая требует для своего выяснения сложного инструмен­ тального исследования.

В известном смысле мы встречаемся здесь с положением, аналогич­ ным тому, которое имеет место в термодинамике, где многие соотно­ шения между свойствами веществ можно понять, ни слова не говоря об атомах, не изучая строения тела [34]. Нечто сходное наблюдается и при изучении процесса естественного радиоактивного распада, кото­

рый, несмотря на сложную внутреннюю природу, с внешней стороны опи­ сывается простой экспоненциальной формулой, содержащей две констан­ ты: начальное число атомов и период полураспада.

Анализ выделения газа в подготовительную выработку основан по существу на двух опытных фактах: 1 ) через обнаженную поверхность угля происходит выделение газа и 2) удельная интенсивность выделе­ ния газа через обнаженную поверхность угля уменьшается с течением времени.

В наиболее чистом виде динамика газовыделения прослеживается при равномерном образовании в массиве угля таких полостей, как ту­ пиковые выработки и скважины.

Процесс газовыделения в тупиковых выработках и скважинах имеет явно нестационарный характер: в период проведения выработки (и при бурении скважины) объемная скорость (дебит) выделяющегося газа возрастает; при остановке выработки (прекращении бурения скважины) газовыделение непрерывно уменьшается и постепенно затухает.

Основой для расчетов нестационарного газовыделения в тупиковых выработках (и скважинах) может служить экспоненциальная зависи­ мость (1,4), описывающая изменение во времени удельного дебита га­

t -» oo

16

длинных тупиковых выработок. При бурении скважин этот максимум де­ бита не достигается.

Напротив, общий дебит газа в шахте обладает достаточным постоян­ ством и может рассматриваться в качестве установившегося для дан­ ных горнотехнических условий и скорости выемки угля. Это позволяет

Таким образом, по степени достижения установившегося максималь­ ного дебита газа можно представить последовательный ряд объектов

(рис. 3).

Определенное постоянство максимального дебита газа наблюдается также в лавах при регулярной работе выемочной машины. Между двумя основными предельными параметрами GmaxH Wmax существует соотно­

Графически (рис. 4) это означает, что площадь, ограниченная кривой 'G(t) и осью абцисс (площадь криволинейной фигуры abc), равна пло­ щади прямоугольника adef.

тей угля в скважине (1), тупиковой выработке (2) и в шахте (3)

Рис А. График, иллюстрирующий геометрический смысл формулы ( 1,23)

2 8 2 0 .

Го.'о. публичная

еийлкотенч с с о р ЭКЗЕМПЛЯР

_ ЧИТАЛЬНОЮ э л п *

Формулы (1,22) и (1,23) определяют еще один предельный усред­ ненный параметр газовыделения; он может быть назван удельным съе­ м ок газа с данной газоотдающей поверхности. Чтобы не вводить новых

максимально возможного абсолютного объема газа, который выделится в остановленной выработке или скважине (не достигая еще максималь­ ного дебита Gmax) к данному моменту времени.

Обозначим через i долю того максимального объема газа, который выделился бы- в данной выработке или скважине за бесконечно большой период времени

Отсюда находим время, в течение которого выработка или скважи­ на отдает i % максимального объема газа, выделившегося бы в ней за бесконечно большой период времени

100 •

(1,27)

100—i ’

где "т- —безразмерное время.

18

Из формул (1,25) - (1,27) видно, что при nt = 3 гаэовыделение в тупиковых выработках и скважинах почти полностью затухает: в тече­ ние безразмерного отрезка времени nt = 3 выделяется около 97% того количества газа, который мог бы выделиться в выработку или скважи­ ну за бесконечно больший период времени своего существования.

Зная из эксперимента интервал времени, в течение которого газовыделение в выработке или скважине совсем стабилизируется, из равен­ ства nt —3 можно косвенно определить постоянную времени Т* и об­ ратную ей величину п.

Если из опыта известно, что в остановленной тупиковой выработке гаэовыделение продолжалось в течение 9 мес, то для такой выработки постоянная времени Т* = 3 мес.

Используя величину постоянной времени, можно показать, что диф­ ференциальное уравнение, описывающее внешнюю сторону выделения га­

Изложенный анализ устанавливает связь между основными парамет­ рами, которыми характеризуется внешняя сторона процесса газовыделения.

Знание .этих связей дает возможность правильно анализировать и ра­ ционально систематизировать результаты натурных экспериментов по изучению газовыделения в угольных шахтах.

Приведенные выше предельные параметры и соотношения между ни­ ми могут служить основой для нового подхода к вопросу об оценке газообильности выработок и шахт, при котором вместо одной характерис­ тики [величины относительной газообильности (м^/т) ] газовая обста­ новка будет определяться с учетом двух природных факторов g0 и Т*

иодного технического и -

4.Источники газа в лаве

Влавах в общем случае действуют три источника газа: обнаженная ' поверхность забоя; отбитый уголь; выработанное пространство.

Действие первых двух источников определяется процессами десорб­ ции и истечения газа из массы угля через внешние поверхности обна­ жения угля. Интенсивность этих источников сильно зависит от скорос­ ти образования свежих газоотдающих поверхностей.

Действие третьего источника газа зависит от аэродинамических фак­ торов.

Основной количественной характеристикой газовыделения с обнажен­ ной поверхности пласта служит удельный дебит газа (объемная скорость),

\9