Программа VIII.74.2. Фундаментальные основы и инновационные технологии разработки и комплексного освоения угольных месторождений

Программа VIII.74.2. Фундаментальные основы и инновационные технологии разработки и комплексного освоения угольных месторождений

Проект VIII.74.2.1.

Обоснована и осуществлена оценка технологичности отработки мощных пластов угля по 60 участкам Кузбасса (12 месторождений) с высокоэффективными способами извлечения угля. Обоснована необходимость переоценки сырьевого потенциала резервных участков для нового шахтного строительства в Кузбассе. Разработаны критерии классификации запасов угля для отработки мощных пластов с применением высокоэффективных способов извлечения угля с производительностью очистного забоя более 1 млн. тонн в месяц.

При создании горнотехнологических структур вскрытия и подготовки мощных угольных пластов пологого залегания разработаны инновационные решения по направлению комплексного освоения угольных месторождений с использованием открыто-подземной геотехнологией (рис.1).

Рисунок 3. Способ открыто-подземной разработки мощного одиночного крутонаклонного угольного пласта.

(Лаборатория эффективных технологий разработки угольных месторождений, зав. лабораторией - д. т.н. ).

Оценена флотационная активность реагентов, выделенных из низкосортных твердых топлив (окисленные угли, горючие сланцы, древесина): показала, что низкомолекулярные соединения, образующиеся при электрохимическом окислении лигнито-гуминовых кислот (ЛГК) сосны обыкновенной, обладают поверхностно-активными свойствами, способствующими более эффективному флотационному разделению органической и минеральной составляющей угольно-глинистого шлама по сравнению с продуктами окисления гуминовых кислот (ГК) окисленного в пластах сапромикситового угля (табл.1).

Таблица 1. Баланс продуктов флотационного обогащения

Собиратель, полученный из ЛГК	Собиратель, полученный из ГК
концентрат, %	отходы, %	концентрат, %	отходы, %
выход	зольность	выход	зольность	выход	зольность	выход	зольность
28.7	20.4	58.5	68.3	27.4	23.1	57.3	69.2

(Лаборатория научных основ технологший обогащения угля,

зав. лабораторией - д. х.н., проф. ).

Разработаны дискретно-событийные модели проходки горных выработок буровзрывным и комбайновыми способами в виде замкнутых многоканальных многофазных систем массового обслуживания, включающие модели взаимодействия горных машин и учитывающие случайное взаимодействие во времени и пространстве горного оборудования.

Рисунок 2. Модель ведения горнопроходческих работ комбайном избирательного действия или проходческим агрегатом в виде двухконтурной замкнутой сети двухканальных многофазных СМО.

(Лаборатория моделирования горнотехнических систем,

зав. лабораторией – д. т.н. ).

Проект VIII.74.2.2.

Обоснованы параметры оперативного метода управления газодинамической реакцией угольного пласта при проведении подготовительной выработки по фактическим данным о ее метанообильности и на основании зональной дезинтеграции пород в приконтурной части массива. Получено выражение для расчета зоны в призабойной части пласта от оси выработки, требующей снижение газодинамического потенциала

, при n = 1,2,3…N,  (1),

где τn – расстояние от оси выработки до зоны дезинтеграции пласта, м; Sв –площадь сечения выработки, м2; Xm – расстояние от кромки пласта до области максимальных напряжений, м; n – уровень структурной иерархии.

На основании полученной зависимости (1) уточняются параметры технологий снижения газодинамической опасности при проведении подготовительной выработки (рис. 3): длина скважин (lскв.); угол наклона скважины (α); места заложения щелей гидроразрыва (lр); неснижаемое опережение (lн. о.).

Бурение скважин 1 и 3 (рисунок 3) производится из забоя выработки под углом от 15 до 75 градусов к ее оси в плоскости пласта. В скважинах 1 гидроразрыв производится в зонах дезинтеграции, что позволяет использовать упругую энергию массива. Замки анкеров 5 располагаются за зоной дезинтеграции с целью предотвращения их смещения к борту выработки. В скважине 2 проводится серия гидроразрывов впереди забоя на глубине τn+1 ≥ lн. о.

1 – скважины гидроразрыва в борт выработки; 2 – скважина забойная;

3 – сеть дегазационных скважин; 4 – щель гидроразрыва;

5 – анкерное крепление

Рисунок 3. Схема мероприятий по снижению газодинамической опасности при проведении подготовительной выработки.

(Лаборатория газодинамики угольных месторождений, зав. лабораторией - к. т.н. ).

Разработано специализированное программное обеспечение для математического моделирования процессов распространения воздушных ударных волн (ВУВ) при взрыве газа в горной выработке шахты и последующего аварийного воздухораспределения, выполнены научно-исследовательские расчеты.

Результаты расчетов показали следующее:

процессы, протекающие при взрыве газа и непосредственно после него, имеют сильно выраженный нестационарный характер; при взрыве происходит сильное нарушение нормального воздухораспределения за счет потоков воздуха от распространяющихся ВУВ, «опрокидывание» вентиляционных потоков на значительных расстояниях от места взрыва; последующее восстановление вентиляционного процесса на аварийном участке занимает время, на порядки большее, чем время его нарушения. Конкретный период установления вентиляционных потоков зависит от мощности взрыва и характера разрушений;

аварийное воздухораспределение определяет маршрут движения и концентрацию продуктов взрыва (ПВ).

В связи со сложностью происходящих при взрывах процессов рекомендуется учитывать детали перечисленных результатов при составлении планов ликвидации аварий (ПЛА) на угольных шахтах. Разработанное программное обеспечение может также использоваться при ведении горноспасательных работ и работе экспертных комиссий при расследовании последствий аварий.

Ниже приведены результаты одного из модельных расчетов аварийной ситуации при взрыве газа в очистном забое. Протяженность области взрыва – 35 м, начальное давление – 3,5 атм. Время воздействия избыточного давления на очистной участок не превышает 6 с. Время последующего установления вентиляционных струй – более 240 с (рисунок 4).

I. Движение фронтов ударных волн при взрыве газа в горной выработке	II. Перемещение зоны с высокой концентрацией продуктов взрыва при аварийном воздухораспределении

Рисунок 4. Результаты модельного расчета процессов распространения воздушных ударных волн (ВУВ) при взрыве газа в горной выработке.

(Лаборатория аэрологии и систем безопасности угольных шахт,

зав. лабораторией -  д. т.н. ).

Разработана модель газового баланса очистного участка, учитывающая содержание изотопов углерода С12 и С13 в шахтной атмосфере с разделением источников их поступления: исходящая вентиляционная струя участка, очистной забой и выработанное пространство, а также направления массообмена (утечки воздуха из очистного забоя и конвейерного штрека в выработанное пространство и наоборот).

В независимых измерениях изотопного состава углерода метана С13, содержащегося в шахтной атмосфере и угольных пластах (с использованием газоанализатора DLT-100 (MCIA) и масс-спектрометра МИ-1201-В) установлено, что метан, отобранный непосредственно из угольных проб, имеет термокаталитическое происхождение. При этом метан, присутствующий в горных выработках угольных шахт, может быть отнесен к биохимическому, что, вероятно, объясняется вовлечением в газовый баланс очистного участка метана, образованного на стадии гумификации органического вещества в процессе жизнедеятельности анаэробных бактерий (рис. 9).

Рисунок 9. Схематическое представление источников стабильных изотопов углерода в очистном забое.

Предложено использовать различающийся регистрируемый изотопный состав шахтного метана и разработанную модель для идентификации источников метановыделения и повышения эффективности мероприятий по дегазации угольных пластов.

(Лаборатория ресурсов и технологий извлечения угольного метана,

зав. лабораторией - д. т.н., проф. ).

ПРОЕКТ 74.2.3.

Численное моделирование геомеханического состояния анизатропного по прочности массива с тектоническим дизъюнктивным нарушением в окрестности горной выработки показало, что наибольшие нарушение сплошности массива осадочных горных пород в окрестности выработки и дизъюнктивного нарушения (типа щели), происходят при угле падения α=63°и простирания β=37° поверхностей ослабления, и соответствуют моментам объединения зон нарушения сплошности массива, образующихся около выработки и нарушения.

Рисунок 10. Графики зависимости коэффициента нарушенности kn от расстояния между выработкой и дизъюнктивным нарушением δz для трёх вариантов ориентации поверхностей ослабления.

(Лаборатория геомеханики угольных месторождений,

зав. лабораторией - д. т.н. ).

ПРОЕКТ VIII.74.2.4.

Продолжены исследования по развитию технологий разработки мощных крутых угольных пластов системой подэтажного обрушения с выпуском применительно к горно-геологическим условиям Сакнахшири группа «Джи-ай-джи» (Грузия). Показано, что для разработки пласта «Толстый» в условиях Ткибули-Шаорского месторождения, состоящего из свиты угольных пластов различной мощности, возможны на первом этапе варианты двух-и односторонней отработки пласта (рисунки 11): селективная с применением крепи КПВ-2 и конвейером, работающим в завале и с применением погружной погрузочной машины

Рисунок 11. Варианты схем разработки крутых пластов и общий вид крепи КПВ-2 с конвейером.

Лабораторные  эксперименты, проведенные на разработанном стенде для моделирования процесса выпуска угля в системе подэтажного обрушения позволили выявить особенности управления горным давлением при разработке мощных крутых угольных пластов. В частности, что зона потока выпускаемого угля, а также напряженно-деформированное состояние геосреды вблизи выпускных отверстий, испытывают пульсирующий режим движения, состоящий из циклов «разрыхление – уплотнение». При регулируемом выпуске достигается относительная стабилизация скорости прохождения потока через выпускные отверстия. Размещением питателей в ограждении секции крепи механизированного комплекса дистигается управление процессом одновременного, площадного выпуска угля на конвейер, расположенный между секциями крепи, что позволяет снизить потери и разубоживание.

Рисунок 12. Стенд для моделирования процесса выпуска угля в системе подэтажного обрушения.

(Лаборатория угольного машиноведения, зав. лабораторией - чл.-корр. РАН  ).

Смещение фоновых напряжений напряженно-деформированного состояния пород в области действия исполнительного органа в сторону растяжения обеспечивает снижение удельной энергоемкости разрушения породы. Численные результаты моделирования подтвердили, что наличие забоя с уступом приводит к смещению главных напряжений в сторону растяжения на 0,6…2 МПа по сравнению с плоским забоем, что говорит о предпочтительности уступа перед плоским забоем (рис. 13). Однако в центральной области забоя полностью утрачиваются преимущества забоя с уступом, поэтому необходим разный подход к разрушению породы в периферийных и центральных областях забоя геохода (рис.14).

Рисунок 13. Эпюры напряжений

а) области внутренней кромки, б) средняя часть ПВ, в) в области внешней кромки

Рисунок 14. Графики зависимостей главных напряжений σ3 от относительного расстояния между уступами.

(Лаборатория угольной геотехники, зав. лабораторией - д. т.н. ).