Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ПЛАКСИН МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (горная промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте угля Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Полевщиков Геннадий Яковлевич

Официальные оппоненты: Казанцев Владимир Георгиевич доктор технических наук, заведующий кафедрой технической механики Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО АлтГТУ Потапов Прокопий Васильевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией борьбы с газодинамическими проявлениями ОАО Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности

Ведущая организация: ОАО Объединенная Угольная компания Южкузбассуголь

Защита диссертации состоится л11 мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 520.063.01 при ОАО Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности по адресу: 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО Н - ВостНИИ.

Автореферат разослан л________________2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 520.063.01, д-р техн. наук, проф.

и Хи Ун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При подземной разработке высокогазоносных угольных месторождений нередко существует вероятность возникновения опасных газодинамических явлений (ГДЯ) и, в частности, внезапных выбросов. В настоящее время, согласно действующим для угольных шахт Правилам безопасности (ПБ), на всех угрожаемых и опасных по внезапным выбросам пластах при проведении подготовительных выработок применяется метод текущего прогноза выбросоопасности, основа которого разработана еще в конце 70-х годов прошлого века в ВостНИИ. Оценка ситуаций носит качественный характер (лопасно - неопасно) и не отражает тенденций изменения горнотехнологических ситуаций, что затрудняет своевременное принятие технологических решений. Методу свойственна большая трудоемкость, что негативно влияет на темпы проведения выработок. При этом анализ результатов прогноза выбросоопасности за последние десятилетия показал, что подготовительные выработки, проводимые по потенциально выбросоопасным участкам угольных пластов, составляют не более 10 % от общей их протяженности.

С учетом отмеченного решение этой части проблемы сводится к разработке оперативного метода, основной задачей которого является своевременное выявление приближения забоя выработки к границам газодинамически опасных зон угольного пласта, поиску этого решения посвящена настоящая работа. Учитывая, что газогеомеханические процессы при проведении выработки охватывают не только призабойную часть пласта, а продолжают развиваться и на предыдущих интервалах подвигания забоя, количественное сопоставление соответствующих показателей создает основу для выявления тенденций изменения опасности. Развитие научно-технических решений следует ориентировать на интеграцию как с нормативным, так и с другими развивающимися методами оперативной оценки состояния призабойной части угольного пласта (сейсмоакустический, спектрально-акустический, температурный, по динамике метанообильности призабойной части выработки при взятии очередной заходки и др.).

В качестве критерия оценки газодинамической активности пласта (ГДА)можно использовать динамику метанообильности подготовительной выработки, отражающую интенсивность развития газогеомеханических процессов, поскольку изменение фактической метанообильности относительно ее квазистатической величины2 является комплексным показателем изменчивости свойств угольного пласта по трассе проведения выработки.

Научной основой для создания метода оценки являются открытия российских ученых зональной дезинтеграции пород в окрестности горных выработок и существования метана в угольных пластах по типу твердого __________________ Газодинамическая активность пласта - способность газовой компоненты пласта принимать активное участие в развитии геомеханических процессов.

Квазистатическая метанообильность - это метанообильность выработки при ее проведении вне зон влияния тектонических нарушений и повышенного горного давления.

углегазового раствора (ТУГР). Первое позволяет уточнить особенности развития геомеханических процессов в приконтурной части пласта, а второе - оценить реакцию его газовой компоненты на эти изменения. Техническим базисом метода является оснащение шахт непрерывно действующими электронными системами аэрогазового контроля.

Объектом исследования является приконтурная часть газоносных угольных пластов при проведении подготовительных выработок.

Предмет исследования - закономерности развития газогеомеханических процессов в окрестности подготовительной выработки.

Цель работы состоит в разработке метода оценки газодинамической активности угольного пласта, позволяющего заблаговременно выделять границы газодинамически опасных зон для повышения безопасности горнопроходческих работ на основе геологоразведочной и горнотехнологической информации.

Идея работы заключается в исследовании особенностей метанообильности подготовительной выработки при изменении свойств и состояний угольного пласта для выявления признаков потенциальной газодинамической опасности.

Задачи исследований. Исходя из анализа состояния вопроса и поставленной цели, при выполнении работы решались следующие задачи:

1. Установить особенности изменений газодинамической активности пласта по трассе проектируемой выработки и разработать алгоритм расчета квазистатической метанообильности подготовительной выработки.

2. Установить связь динамики метанообильности подготовительной выработки с газогеомеханическими процессами в ее окрестности.

3. Разработать метод заблаговременного обнаружения границ газодинамически опасных участков пласта при проведении подготовительной выработки.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий:

- анализ результатов известных исследований геомеханических и газокинетических процессов в газоносном углепородном массиве в зоне влияния горных работ для обоснования подхода к комплексной оценке следствий этих процессов;

- формирование электронных баз геологоразведочных и горнотехнологических данных об исследуемом объекте для повышения оперативности обработки и анализа с применением статистических оценок;

- группирование данных по горнотехнологическим признакам для предотвращения их нивелирования методами математической статистики;

- компьютерная обработка, анализ и интерпретация данных систем аэрогазового контроля для обеспечения их информативности по условиям решаемой задачи;

- численные и аналитические методы моделирования газогеомеханических процессов в углепородном массиве в окрестности подготовительной выработки для разработки алгоритмов решения задачи;

- выявление общих для различных горнотехнологических условий изменений газодинамической активности пласта при проведении подготовительных выработок.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В выбросоопасных условиях влияние локальных изменений прочностных свойств пласта на его газодинамическую активность в 1,5-3,5 раза выше по сравнению с влиянием изменчивости газокинетических характеристик. Оценка фактических изменений прочностных свойств пласта обеспечивается сопоставлением объемов газа, выделяющегося в период горнопроходческих циклов, с квазистатической метанообильностью проектируемой выработки.

2. Изменения метанообильности проводимой подготовительной выработки и газодинамической реакции пласта обусловлены изменениями структуры газоносности пласта и давления в нем газа под влиянием зональной геомеханической структуризации массива, развивающейся согласно параметру геосреды ( 2 )n, где n - уровень геоструктурной иерархии.

3. Отношение значений фактической среднечасовой метанообильности подготовительной выработки к ее квазистатической величине, регистрируемое в масштабе нелинейной шкалы зональной дезинтеграции приконтурной части массива, отражает рост газодинамической активности угольного пласта при приближении забоя к границам зоны фактической выбросоопасности, где указанное отношение более 3.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

- применением фундаментальных знаний о состоянии газоносного углепородного массива в зоне влияния горных работ при анализе особенностей газогеомеханических процессов;

- представительным объемом горнотехнологических данных о газовой обстановке в подготовительных выработках (6 шахт, 8 пластов, 15 выработок, общее время наблюдений более 1500 сут с квантованием от 1 мин);

- достаточным для практических целей соответствием расчетных и фактических данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определено, что при снижении прочностных свойств пласта (f = 1,3 - 0,3) его газодинамическая активность, оцениваемая по показателю газодинамической деструкции угля, возрастает в 2 - 4 раза. При этом влияние изменений газокинетических характеристик пласта находится в пределах 10 - 15%. Градиенту средневзвешенного коэффициента крепости угля 0,06/м соответствует изменение объема выделяющегося в выработку газа при взятии очередной заходки (0,м) примерно 10% от предыдущего объема.

2. Установлено, что при снижении напряжений в зонах дезинтеграции пласта распад твердого углегазового раствора формирует рост давления газа на величину, равную снижению напряжений, или до критической по механической устойчивости слоя пород между областью повышенного давления газа и выработкой с соответствующей динамикой ее метанообильности.

3. Установлена эмпирическая зависимость размера зоны развития газогеомеханических процессов в приконтурной части пласта при проведении подготовительной выработки от отношения значений фактической среднечасовой метанообильности к ее квазистатической величине, позволяющая уточнять параметры мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности и выполнять оперативный контроль газодинамической активности пласта с учетом особенностей геомеханической структуризации массива на базе компьютеризированных систем аэрогазового мониторинга.

ичный вклад автора:

- в постановке цели, задач и разработке методики исследований, участии в сборе, обработке горнотехнологических данных и их анализе;

- в обосновании критериев, позволяющих выделять зоны потенциальной газодинамической опасности пласта на основании современных знаний об изменениях состояний углепородного массива;

- в разработке прибора для оперативного преобразования данных ленточных самописцев в цифровые данные (ППГИЦ), обеспечивающего повышение оперативности анализа динамики метанообильности выработок и оценку газодинамической активности пласта в выработках, не оснащенных электронными средствами аэрогазового мониторинга;

- в обосновании рекомендаций по совершенствованию системы аэрогазового мониторинга с целью повышения надежности оценки динамики метанообильности подготовительной выработки.

Научное значение работы заключается в расширении знаний о развитии газогеомеханических процессов в приконтурной части угольного пласта при проведении подготовительной выработки.

Практическое значение работы состоит в том, что результаты исследований позволяют:

- на основе геологоразведочных данных выполнять предварительную оценку газодинамической активности пласта по трассе проведения подготовительной выработки;

- по данным аппаратуры аэрогазового мониторинга контролировать уровень газодинамической активности пласта и уточнять параметры мероприятий по ее снижению при проведении подготовительной выработки;

- уточнять ширину пояса газового дренирования выработкой пласта (зону неупругих деформаций) по данным о её метанообильности с целью конкретизации дальнейших мероприятий при ведении горных работ;

- применять современные вычислительные средства в условиях шахт, продолжающих использовать ленточные самописцы.

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований использованы при выполнении:

- междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН № 89 и № (гг. Кемерово, Новосибирск, Томск, 2006-2008 гг.);

- государственного контракта № 02.532.11.9001 от 03.10.2007 г.;

- грантов РФФИ №10-05-98009 р_сибирь_а, РФФИ № 10-05-90001 Бел_а;

- семи хоздоговорных работ ИУ СО РАН с угольными компаниями и шахтами Кузбасса по обеспечению ритмичности и безопасности горных работ по газовому фактору.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на Областной научнопрактической конференции Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения (Кемерово, 2006); Международной научно-практической конференции Энергетическая безопасность России.

Новые подходы к развитию угольной промышленности (Кемерово, 2006); I Региональной научно-практической конференции Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса (Прокопьевск, 2007); Международной научно-практической конференции Энергетическая безопасность России.

Новые подходы к развитию угольной промышленности (Кемерово, 2007); I Усовских чтениях в Кузбассе (Кемерово, 2010); I Чинакаловских чтениях в Кузбассе (Кемерово, 2011).

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 32 статьях и докладах, в том числе 9 статей напечатаны в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. Имеется один патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 1страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, таблиц и 83 рисунка, список использованной литературы из 101 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования свойств и состояний углеметановых пластов и горных массивов, выполненные коллективами ученых и специалистов под руководством Айруни А.Т., Алексеева А.Д., Бобина В.А., Васючкова В.Ф., Грицко Г.И., Дырдина В.В., Зверева И.В., Зыкова В.С., Иванова Б.М., Курлени М.В., Кузнецова С.В., Линькова А.М., Мурашева В.И., Опарина В.Н., Петухова И.М., Полевщикова Г.Я., Пузырева В.Н., Скочинского А.А., Фейта Г.Н., Ходота В.В., Чанышева А.И., Чернова О.И., Эттингера И.Л. и др., создали научные основы для развития знаний и совершенствования способов и средств снижения природно-технологической опасности подземных горных работ. Анализ состояния вопроса по теме диссертационной работы позволил установить, что развитие знаний носит интегрированный характер.

Например, обобщая сотни измерений начальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба при поинтервальном бурении шпуров, В.Н. Пузыревым была установлена периодичность изменений этих показателей. Причем зоне деструкции пласта (по В.Н. Опарину) соответствует максимальная скорость газовыделения, а зоне повышенных напряжений - максимальный выход бурового штыба. Анализ результатов измерения напряжений в прочных породах, выполненных в 60-х годах прошлого века, показал, что изменения этих напряжений в окрестности выработки носят явно периодический характер с возможностью аппроксимации функциями кратной периодичности.

Содержание диссертационной работы представлено в автореферате в последовательности защищаемых научных положений.

1. В выбросоопасных условиях влияние локальных изменений прочностных свойств пласта на его газодинамическую активность в 1,5-3,раза выше по сравнению с влиянием изменчивости газокинетических характеристик. Оценка фактических изменений прочностных свойств пласта обеспечивается сопоставлением объемов газа, выделяющегося в период горнопроходческих циклов, с квазистатической метанообильностью проектируемой выработки.

Особенности распределения внезапных выбросов и динамических газопроявлений по площади шахтопластов позволяют сделать вывод о зональном характере их проявлений. В значительном числе случаев они приурочены к зонам тектонической нарушенности угольного пласта и высокой изменчивости его газокинетических характеристик. Интегральная оценка этих особенностей возможна с применением показателя газодинамической деструкции пласта, обоснованного и апробированного для региональной оценки газодинамической активности зон угольных пластов Т.А. Киряевой с участием автора:

0, AH K 5 10-4 , м2/кг, (1) Д f (1+ BH ) где A - предельная метаноносность, м3/т; Н - глубина залегания пласта, м; f коэффициент крепости угля; B - коэффициент метаноносности, 1/м. Константы А и В зависят от выхода летучих веществ.

Показатель КД обобщает влияние глубины залегания пласта, его предельной газоносности, градиента ее роста с увеличением глубины залегания, выхода летучих веществ, средневзвешенного коэффициента крепости угля и ориентирован на оценку потенциальных возможностей газовой компоненты пласта образовывать дополнительную поверхность.

К особенностям Х и Y - расстояния в пределах горного отвода, м показателя можно отнеРисунок 1 - Изменение глубины залегания пласта XXVII сти ранее установленБерезово-Бирюлинского месторождения Кузбасса в пределах ную сходимость его горного отвода шахты Первомайская изолиний в пределах от (по геологоразведочным данным) рабатываемого пласта с изолинией выбросоопасной глубины (метод ВостНИИ), а также пропорциональность значений показателя силе газодинамических явлений.

Исследования применительно к локальному прогнозу опасности по трассам проведения подготовительных выработок показали ряд его преимуществ по сравнению с известными методами.

На рисунке 1 представлена схема плана горных работ шахты Первомайская (Кузбасс) по одному из выбросоопасных пластов и выделены три зоны. Эти зоны характеризуются повышенной газодинамической активностью пласта по направлению отработки.

При проведении уклона 3 и конвейерного штрека 35 (соответственно зона и 2) произошло пять внезапных выбросов и одно слабое ГДЯ. После второго внезапного выброса в конвейерном штреке 35 (120 м от устья) его дальнейшее проведение было запрещено. В заключениях комиссий по расследованию этих явлений отмечено, что все они произошли в зонах мелкоаплитудных нарушений, т.е. в зонах с высокой изменчивостью прочностных свойств пласта по трассе проведения выработки.

Расчет средневзвешенного значения коэффициента крепости угольного пласта в зоне влияния тектонического нарушения выполнен по известной эмпирической формуле (проф. Полевщиков Г.Я.) с внесением в нее поправки на угол между осью выработки и линией сместителя:

( fmax - fmin ) f = fmin +, (2) xп 1+ 2,7exp0,4 -10 sin где fmin - средневзвешенный коэффициент крепости угля в выбросоопасной зоне;

fmax - то же, в невыбросоопасной зоне; 100 - угол между направлением проведения выработки и линией сместителя в плоскости пласта, град; xп - расстояние по пласту нормально к линии сместителя, м.

Результаты расчетов показателя КД по трассе уклона 3 представлены на рисунке 2 с учетом влияния нарушенности и изменений газокинетических характеристик пласта, а по трассе конвейерного штрека 35 (рисунок 3) только по газокинетическим характеристикам, когда средневзвешенный коэффициент крепости для пласта равен его невыбросоопасному (согласно ПБ) значению 0,75.

Рисунок 2 - Изменение показателя Рисунок 3 - Изменение показателя газодинамической деструкции по трассе газодинамической деструкции по трассе уклона 3 на основании геологоразведочных конвейерного штрека 35 на основании данных и заключений комиссий геологоразведочных данных по расследованию аварий (Н=300-450 м, (Н=490-540 м, Vdaf=18-20 %, выход летучих веществ Vdaf=19-20 %, г =23-24 м3/т) природная газоносность пласта г =15-22 м3/т) Результаты показывают, что значения показателя газодинамической деструкции в зонах тектонических нарушений превышают величины ненарушенных интервалов (f 0,75) в 2-4 раза, а влияние изменений газокинетических свойств находится в пределах 10-15% от среднего значения по выработке.

Из сравнения данных на рисунках 2 и 3 видим, что существенное влияние на качество локального прогноза оказывает невысокая плотность сети геологоразведочных скважин, не позволяющих заблаговременно определять мелкоамплитудную нарушенность пластов. Для решения этой проблемы необходимы:

Х более точная информация о нарушенности пластов, например, с применением интенсивно развивающихся в последнее десятилетие геофизических методов;

Х непрерывное отслеживание динамики притока метана в выработку и ее оценка как показателя развития газогеомеханических процессов в приконтурной части угольного пласта.

В качестве критерия, характеризующего изменение прочностных свойств пласта, можно использовать влияние снижения напряжений в приконтурной части пласта на ее газоносность. Снижение природной прочности угольного пласта на определенном участке приводит к увеличению зоны неупругих деформаций и объема газоистощающегося в выработку угля при ее проведении в зоне этого участка. Тогда разность объемов выделившегося газа при взятии последовательных заходок отражает изменение прочностных свойств пласта при прочих равных условиях. Оценим ожидаемый в выработку газоприток.

Для оценки напряженного состояния приконтурной части пласта при проведении подготовительной выработки с использованием метода проф. Мурашева В.И. и современных представлений о состоянии метана в угольном пласте по типу твердого углегазового раствора (ТУГР) разработан алгоритм расчета ее метанообильности. Алгоритм состоит из двух основных частей: 1) расчет газовыделения с бортов выработки (представлен в диссертационной работе); 2) расчет газовыделения из отбиваемого угля.

На основании результатов предварительного расчета структуры газоносности угольного пласта (рисунок 4) и использования параметров скорости распада ТУГР во времени (Эттингер И.Л., Айруни А.Т.) получено выражение для определения ожидаемого газопритока из наиболее динамичного источника при проведении подготовительной выработки - отбиваемого угля:

1 k к 1 Qо, у = jTв KT 1- (e Tв -1)e- t + (1- KT )1- (e Tв -1)e- t , м3, (3) з k kt 1t k = где з - газоносность отбиваемой части пласта, м3/т; j - производительность проходческого комбайна, т/мин; Tв - время взятия заходки проходческим комбайном, мин; КТ = 0,67 - доля газоносности, представленная ТУГР; 1=0,63 и 2=0,22 - эмпирические коэффициенты распада ТУГР; 1 k 2 - порядковый номер члена ряда; 1 =0,12 и 2 = 0,01 - коэффициенты затухания распада ТУГР,1/мин; t - время с момента начала отбойки угля, мин.

Оценить особенность выделения метана из отбиваемого угля можно по представленным на рисунке 5 графикам, рассчитанным для различных условий взятия заходки.

Рисунок 4 - Структура газоносности уголь- Рисунок 5 - График изменения объема выделяюного пласта по формам существования ме- щегося из отбиваемой части пласта газа при разтана (шахта Чертинская, пласт 3, личных периодах взятия заходки Н=300 м) Оценить особенность выделения метана из отбиваемого угля можно по представленным на рисунке 5 графикам, рассчитанным для различных условий взятия заходки.

Итоговые расчеты, выполненные на основании разработанного алгоритма, показывают, что при входе выработки в зону тектонического нарушения приток метана при подвигании забоя на 0,8 м возрастает до 10% в зависимости от угла входа выработки относительно плоскости сместителя и средневзвешенного значения коэффициента крепости угля в пределах сечения выработки. Оценка фактических данных по показаниям систем газового контроля показала, что на нарушенных участках выделяются объемы газа, в два раза и более превышающие объемы для ненарушенных зон. Следовательно, и этот показатель развития газогеомеханических процессов вполне приемлем, но уже на стадии проведения выработки.

Анализ данных, полученных зарубежными и российскими учеными, указывает на зональный характер распределения опорных нагрузок в приконтурной части массива. В более систематизированном виде они составляют сущность научного открытия зональной дезинтеграции (Шемякин Е.И., Курленя М.В., Опарин В.Н.), где расстояние от центра выработки до очередной зоны дезинтеграции (пониженных напряжений) увеличивается в 2 раз по отношению к аналогичному расстоянию до предшествующей зоны.

Развитие зонального распределения опорных нагрузок в приконтурной части газоносного угольного пласта должно отражаться в особенностях метанообильности выработки. Изменения притока метана, по данным системы аэрогазового контроля, наиболее ярко проявляются в выработках, проводимых по верхнему слою мощного пласта. В этих горнотехнологических условиях рост зоны влияния выработки обуславливает значительно большее увеличение вовлекаемого в процесс объема газоносного угля по сравнению с пластами средней мощности.

При этом наиболее интересны условия, когда проведение выработки сопровождается периодическими взломами почвы с интенсивным выделением газа.

Горно-экспериментальные исследования выполнялись на пласте IV-V Ольжерасского месторождения. Проведение штрека (около 600 м) сопровождалось периодическими повышениями притока метана, превышающими средние значения в 2-6 раз. Протяженность этих интервалов составляла 10-35 м. Примерно посередине наблюдаемого интервала штрек пересек тектоническое нарушение с амплитудой 1,3 м (рисунок 6).

Jоб, Jдин, Jср, Jкв - соответственно максимальная, динамическая, средняя, квазистатическая метанообильности выработки Рисунок 6 - Динамика метанообильности вентиляционного штрека 0-4- шахты Томусинская 5-6 в зоне газодинамических следствий деструкции пласта Более подробный анализ этой горнотехнологической ситуации показал, что динамический характер газопритока связан со взломами породного междупластья, мощность которого изменялась от 0,5 до 3 м (рисунок 7) по трассе проведения выработки.

Механизм взлома можно выразить общепринятой моделью нарушения силового равновесия слоя, в котором силы, препятствующие взлому Fп, отражаются прочностью породного междупластья, а лактивные силы Fа определяются давлением газа на него со стороны нижнего пласта.

При снижении механических напряжений давление газа в изолированном объеме пласта возрастает за счет распада ТУГР Pi b (K + tg)mп, МПа; (4) n Pi = (1- Кs )+ Р, МПа, где Pi - давление газа в зоне геомеханической разгрузки нижележащего пласта, МПа; b - ширина зоны геомеханической разгрузки в почве выработки на границе междупластье - пласт V (рисунок 7), м; K - коэффициент сцепления, МПа; n - среднедействующие напряжения в междупластье, МПа; - угол внутреннего трения для пород междупластья, град; mn - мощность междупластья, м; 0 - геостатическое давление, МПа; Кs - коэффициент снижения геостатического давления в зоне разгрузки нижележащего пласта; P0 - гидростатическое давление, МПа.

f - коэффициент крепости; r0 - радиус выработки; границы зон разгрузки:

- геомеханической - - - газодинамической Рисунок 7 - Возможные схемы изменений геомеханического состояния мощного газоносного пласта сложной структуры согласно явлению зональной дезинтеграции Количественная оценка силового взаимодействия по формуле (4) в рассматриваемых условиях показала возможность динамического взлома почвы даже при условии принятия ее прочностных свойств без учета тектонической нарушенности (рисунок 8).

Таким образом, в зоне разгрузки почвы выработки (контур зоны близок к параболе) возникает ответная реакция углеметанового пласта с возможностью газодинамического развития до границ, указанных на рисунке 7 пунктирными линиями в виде трапеции. Но, как показывают выполненные расчеты, фактический объем дополнительного (по отношению к расчетной метанообильности из отрабатываемого Рисунок 8 - Изменение активных Fа и пласта) газопритока в выработку препятствующих Fп сил при взломах практически полностью покрывает междупластья с ростом его мощности газовый потенциал даже столь завы- шенной зоны, что маловероятно.

Более того, при газодинамическом развитии зоны неизбежна реакция всего массива с подключением к процессу и угля в бортах проводимой по верхнему слою выработки. Такая схема развития процесса соответствует явлению зональной дезинтеграции пород и представлена на рисунке 7 в виде колец. А нарушение целостности очередного контура приводит к динамическому процессу его разгрузки и перенесению опорного давления в более удаленную часть массива.

Следствие этого и наблюдаем на рисунке 6.

В современных работах, посвященных явлению зональной дезинтеграции пород, как правило, количественно не учитывается неупругая зона приконтурной части пласта, а именно в ней формируются потоки газа в выработку, определяющие ее квазистатическую метанообильность. Принимая величину этой метанообильности в качестве газокинетической характеристики неупругой Рисунок 9 - Объемы газа, выделившегося на зоны пласта, получим количеинтервалах взломов в канонической шкале ственное значение базового (где горизонтальные пунктирные линии отражают уровни канонической шкалы, уровня зональной дезинтеграа n=0 соответствует ее базовому уровню) ции и соответствующую каноническую шкалу (рисунок 9), отражающую газодинамичес- кие характеристики иерархии геосреды со структурным параметром ( 2 )n, где n - уровень геоструктурной иерархии.

Учитывая, что структурный параметр шкалы имеет дискретный характер, разделим экспериментальные данные на группы точек (оконтурены эллипсами) (рисунок 9).

Таблица 1 - Результаты обобщения горнотехнологических данных о газодинамических процессах при проведении выработки по верхнему слою мощного пласта Объем газа (расчетного и фактического), Протяженность интервала выделившегося на интервале взлома (расчетная и фактическая) взломов n Qр,n, м3 Qф, n, м3 Qф,n/Qр,n n lр,n, м lф,n, м lф,n/lр,n 0 8050 6821 0,85 0 8,1 8,4 1,1 11383 10588 0,93 1 11,5 12,0 1,2 16095 16520 1,03 2 16,2 19,8 1,3 22759 23617 1,04 3 22,9 26,2 1,4 32181 33336 1,04 4 32,4 28,3 0,5 45503 40329 0,89 5 45,8 38,6 0,Среднее значение 0,94 Среднее значение 1,Сравнение расчетных (согласно концепции о зональной дезинтеграции) и фактических значений объемов выделившегося газа, приведенных в таблице 1, указывает на их высокую сходимость. Подобной сходимостью обладают и протяженности интервалов взломов.

Поскольку структурный параметр геосреды обусловлен особенностями реализации ее упругой энергии при радиальной разгрузке массива от горного давления, его применение для оценки уровней и газодинамической активности пласта вполне закономерно.

Таким образом, обобщение результатов горно-экспериментальных наблюдений позволило установить объемные параметры зональной дезинтеграции пород в окрестности подготовительной выработки.

Установлена связь изменения объемов выделившегося газа в результате динамической разгрузки приконтурной части массива с параметрами развития зональной дезинтеграции пород в окрестности подготовительной выработки (рисунок 10):

Qn rn = 2 = (5) Qn-1 rn-1.

Уточнена эмпирическая зависимость радиуса зон упругого состояния массива для условий проведения выработок по угольным пластам:

n rn = (0,56 Sв + X )( 2), м. (6) m Протяженность геоструктурного элемента (взлома) (таблица 1, рисунок 10) равна:

ln = 2rn, м. (7) В этих формулах: Qn - объем газа, выделившегося на интервале взлома, м3; rn - расстояние от оси выраРисунок 10 - Схема изменения параметров зональной дезинтеграции пород ботки до средины зон упругого сопо трассе проведения выработки при стояния пласта, м; Sв Цплощадь сепересечении тектонического нарушения чения выработки, м2; Xm - расстояние от кромки пласта до области максимальных напряжений, м.

На основе результатов представленных исследований разработан Способ предупреждения газовыделений из почвы при проведении выработок по газоносным пластам (патент № 2389876), суть которого заключается в бурении наклонных газодренажных скважин в нижний слой пласта и гидрорыхлении межслоевой пачки или междупластья.

Установленные закономерности газогеомеханических процессов при проведении выработок по мощным пластам создали основу для оценки уровней газодинамической активности и пластов средней мощности.

Развитие в приконтурной зоне пласта неупругих деформаций при проведении подготовительных выработок активизирует газоистощение в условно называемом поясе газового дренирования. Согласно действующей в отрасли нормативной документации, оценка ширины этого пояса выполняется в двух случаях: при прогнозе метанообильности подготовительной выработки и при расчете ожидаемой метанообильности выемочного участка. Ниже приведено сравнение особенностей этих нормативов для условий Чертинского месторождения Кузбасса.

По первому нормативу ширина пояса газового дренирования пласта выработкой составляет 38 м, а по второму - 11 м. Более чем трехкратное расхождение указывает на необходимость уточнения этой величины.

Поскольку контроль метанообильности выработки выполняется с помощью электронных систем, то неРисунок 11 - Схема к определению ширины трудно подсчитать фактичезоны газового дренирования угольного пласта выработкой ский объем выделившегося газа за весь период прове- дения выработки. Тогда, принимая изменение газоносности пласта в пределах пояса газового дренирования по линейной зависимости (рисунок 11), получаем:

Qф lmax =, м, (8) lвырmв(г - ост) где lmax - ширина пояса газового дренирования пласта выработкой, м; Qф - фактический объем газа, выделившегося из подготовительной выработки за период ее проведения, м3; lвыр - протяженность подготовительной выработки, м; mв - вынимаемая мощность пласта, м; - плотность угля, т/м3; г, ост - соответственно природная и остаточная газоносности пласта, м3/т.

Из результатов расчетов по фактическим данным следует (таблица 2, строка 2), что даже близкие по расположению подготовительные выработки (вентиляционный штрек 573 и конвейерный штрек 571) имеют практически двукратное отличие размеров lmax, что говорит о возможности высокой изменчивости свойств угольного пласта даже в небольшой его области. Отметим, что выработки проводились по выбросоопасному пласту.

В то же время из таблицы 2 видно, что расчетные значения можно условно разделить на четыре выраженные группы (рисунок 12) и соответственно усреднить значения (таблица 2, строка 3). Результаты, представленные в таблице (строки 3-5), отражают высокую сходимость результатов анализа со структурным параметром геосреды ( 2 )n.

Таблица 2 - Результаты расчета ширины пояса газового дренирования пласта выработкой Пер№ Шахта Чертинская вомай- Чертинская пп.

ская Выра- В.Ш. К.Ш. К.Ш. К.Ш. К.Ш. К.Ш. В.Ш. К.Ш. П.П. В.Ш.

ботка 571 571 546 35 546 573 573 351 351 3Ширина зоны 2 6,7 8,2 8,2 10,4 10,5 11,7 11,9 17,4 20,4 21,lmax, м (8) Среднее значение 3 7,7 11,1 17,4 21,lmaxпо группам, м Отношение среднего lmax,i к 4 1,44 1,57 1,lmax, i-1 (коэффициент роста ) Среднее значение 1,4 коэффициента роста Примечание: В.Ш., К.Ш., П.П. - соответственно вентиляционный штрек, конвейерный штрек, промежуточная печь.

Следовательно, оценка газодинамических ситуаций в масштабе канонической шкалы (структурной иерархии массива согласно явлению зональной дезинтеграции) на достаточно представительном интервале подвигания забоя обесРисунок 12 - Данные расчета ширины зоны газового печивает возможность рандренирования выработкой пласта (таблица 1, строки 2, 3) жирования выработок по уровням их газовой опасности.

При резком изменении свойств угольного пласта при проведении выработок, характерных для потенциально выбросоопасных зон, ситуация более динамична.

На рисунках 13-15 показаны фрагменты изменения метанообильности подготовительных выработок перед внезапным выбросом.

Видно, что на шахте Абашевская (рисунок 13) значения метанообильности по показаниям забойного датчика вышли на устойчивый уровень повышенной метанообильности за 1 сут до внезапного выброса, а по датчику на исходящей струе (устье выработки) за 2 сут. Из совокупности их показаний следует, что за 17 ч до внезапного выброса системы газового контроля сигнализировали о необходимости немедленной остановки забоя.

Рисунок 13 - Изменение метанообильности подготовительной выработки шахты Абашевская с приближением к месту внезапного выброса угля и газа (средние за 15 мин значения) Анализ всей базы имеющихся данных показал, что при решении горнотехнологических задач следует оперировать среднечасовыми значениями метанообильности. На рисунке 14 приведен график этих значений по показаниям датчика у устья выработки и их тренд (R2=0,7) с нанесенной шкалой геоструктурной иерархии (горизонтальные пунктирные линии). Здесь видно удобство совмещения особенностей нелинейных геомеханических процессов с информацией об их газодинамических следствиях для оценки уровня газодинамической активности пласта и принятия решений, так как масштаб шкалы геоструктурной иерархии связан с геометрическими размерами зоны активных геомеханических процессов в соответствии с формулой (6). Этот вывод подтверждают (рисунок 15) и результаты по факту внезапного выброса на шахте Первомайская.

Рисунок 14 - Общее метановыделение из Рисунок 15 - Общее метановыделение из выработки перед внезапным выбросом выработки перед внезапным выбросом с нанесенной шкалой геоструктурной с применением шкалы геоструктурной иерархии (шахта Абашевская, иерархии (шахта Первомайская, среднечасовые значения) среднечасовые значения) Адекватность оценок газодинамической активности пласта с использованием шкалы геоструктурной иерархии проверена на базе представительного объема горнотехнологических данных о проведении 15 подготовительных выработок на шахтах Кузбасса (глубина - от 250 до 510 м, мощность пластов - от 2 до 10 м, газоносность - от 13 до 26 м3/т). Из их анализа, фрагменты которого приведены на рисунках 9, 14 и 15, следует, что показатель геоструктурной иерархии может устанавливаться как графическим методом (рисунки 14 и 15), так и по формуле:

Iф n = 2,9ln , (9) Iк где Iф - регистрируемая метанообильность выработки, м3/мин; Iк - квазистатическая метанообильность выработки (на графиках соответствует метанообильности при n =0), м3/мин.

В обоих случаях в дальнейшем за величину n принимается ближайшее целое число, согласно которому вычисляются геометрические размеры зоны развития газогеомеханических процессов в приконтурной части пласта проводимой выработки, необходимые для уточнения параметров мероприятий по снижению опасности.

Критическое значение n для конкретных условий может уточняться по горнотехнологическим данным. Опираясь на имеющуюся базу данных, включающую и выбросоопасные ситуации, принято nкр=3. Отметим, что на этой границе метанообильность выработки в 2,8 раза превышает проектную, что значительно выходит за возможный резерв системы проветривания и обуславливает газовую опасность. При этом граница зоны развития газогеомеханических процессов в бортах выработки достигает 10 м в соответствии с формулой (6), что резко снижает эффективность типовой схемы дегазации приконтурной части пласта барьерными скважинами и практически исключает надежность анкерного крепления бортов для повышения их устойчивости.

В настоящее время на некоторых шахтах информация с датчиков системы аэрогазового мониторинга регистрируется на бумажной диаграммной ленте самописца, что затрудняет ее использование для оперативного контроля газодинамической активности пласта. Для устранения затруднений при применении метода совместно с ЗАО Мета был разработан (с участием автора) и изготовлен прибор для преобразования графической информации с бумажных диаграммных лент в цифровую (ППГИЦ) (рисунок 16).

С целью повышения эффективности работы системы аэрогазового мониторинга необходимы ее изменения (рисунок 17):

- размещение дополнительных датчиков на расстоянии от забоя 50-70 м;

- совмещение датчиков концентрации метана и скорости вентиляционной струи во всех точках контроля;

- размещение на проходческом комбайне датчика потребляемой мощности для регистрации периода взятия заходок и контроля фактической остановки забоя в критической ситуации.

На основании полученных в работе результатов установлены следующие особенности применения метода:

1. Оценка ГДА пласта по трассе проектируемой подготовительной выработки.

1.1. Подготовка геологоразведочной информации по трассе выработки.

1.2. Расчет и построение графиков изменения показателя газодинамической деструкции по трассе выработки.

1.3. Выделение участков повышенной газодинамической активности угольного пласта по трассе выработки.

1.4. Расчет квазистатической метанообильности (Iк).

2. Контроль уровня ГДА при проведении подготовительной выработки.

2.1. Предварительная обработка данных аппаратуры автоматического аэрогазового мониторинга (при необходимости оцифровка информации ленточных самописцев с применением прибора ППГИЦ).

Рисунок 17 - Рекомендуемая схема Рисунок 16 - Прибор ППГИ - расположения замерных станций при проведении подготовительных выработок 2.2. Формирование электронной таблицы среднечасовых и среднесменных значений метанообильности.

2.3. Построение графиков текущих значений среднечасовой и среднесменной метанообильности за последние 10 сут с применением шкалы геоструктурной иерархии и оценка ГДА в соответствии с рисунками 14 и 15 или по формуле (9).

2.4. При значениях показателя п 1 - принятие мер по снижению газовой опасности, а на угрожаемых и выбросоопасных пластах при п 3 - остановка забоя для уточнения текущего прогноза выбросоопасности и принятие мер, соответствующих этому виду опасности.

Сущность предлагаемых мероприятий по снижению газовой опасности заключается в уточнении параметров:

Х барьерной дегазации пласта скважинами с учетом глубины развития зональной дезинтеграции rn;

Х анкерного крепления бортов выработки с заложением анкеров на расстояние, превышающее эту глубину.

Таким образом, разработанный метод оценки газодинамической активности угольного пласта включает оценку газодинамической активности пласта по трассе проведения проектируемой выработки и контроль уровня газодинамической активности пласта при ее проведении. Метод отличается использованием в качестве базиса геологоразведочной информации и данных систем аэрогазового мониторинга на основе современных представлений о развитии газогеомеханических процессов в окрестности выработки и позволяет выделять границы потенциальных газодинамически опасных зон на стадии проектирования выработки с их уточнением в процессе ее проведения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по разработке метода оценки газодинамической активности угольного пласта для повышения безопасности проведения подготовительных выработок по высокогазоносным, угрожаемым и опасным по внезапным выбросам угольным пластам, имеющей существенное значение для технической области знаний.

Основные научные выводы и результаты работы заключаются в следующем:

1. Оценка газодинамической активности локальных зон пласта на основе показателя газодинамической деструкции с учетом геологоразведочной информации обеспечивает выделение потенциально опасных интервалов подвигания забоя по трассе выработки.

2. Изменения газокинетических характеристик пласта обуславливают при постоянных значениях средневзвешенного коэффициента крепости в сечении забоя (f = 0,75) величину показателя деструкции в пределах 1 КД 2,5 м2/кг, которая в зонах тектонических нарушений (0,75 f 0,3) приближается к 6 м2/кг.

3. Градиенту коэффициента крепости 0,06/м соответствует изменение расчетного объема выделяющегося в выработку газа при взятии очередной заходки (0,8 м) примерно на 10% от предыдущего, что позволяет контролировать изменение прочностных свойств угольного пласта при проведении выработки по динамике метанообильности выработки.

4. Динамика метанообильности при подвигании выработки определяется изменениями структуры газоносности пласта при снижении напряжений. Изменения соответствуют явлению зональной дезинтеграции пород и связаны с ним через структурный параметр геосреды ( 2 )n, где n - уровень геоструктурной иерархии.

5. Оперативное определение уровня газодинамической активности пласта при проведении выработки (ширины зоны развития газогеомеханических процессов) обеспечивается отношением фактической метанообильности выработки к ее квазистатическому значению в масштабе канонической шкалы геоструктурной иерархии.

6. Первый и второй уровни развития зональной дезинтеграции указывают на формирование газовой опасности и необходимость применения барьерной дегазации на глубину ее развития и способов повышения устойчивости приконтурной части пласта, например путем анкерного крепления с заложением анкеров на расстояние, превышающее эту глубину. Превышение третьего уровня указывает на критическую горнотехнологическую ситуацию, уточнение которой возможно нормативным методом текущего прогноза выбросоопасности.

7. Инновационные перспективы разработанного метода в угольной промышленности технически обеспечены, а соответствующее программное дополнение современных технических средств доступно специалистам отрасли при методическом сопровождении разработчика.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ:

1. Плаксин, М.С. Снижение газодинамической опасности подземных горных работ / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю.Назаров, М.С. Плаксин и др. // Уголь. - 2007.

- №11. - С.13-16.

2. Плаксин, М.С. Газогеомеханические процессы при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. Ц№ 2. - С. 3645.

3. Плаксин, М.С. Горнотехнологические особенности инновационного подхода при проведении подготовительных выработок по газоносным угольным пластам / Т.А. Киряева, М.С. Плаксин, А.А. Рябцев // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2010. Ц№ 3. - С. 360-364.

4. Плаксин, М.С. Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана / М.С. Плаксин, А.А. Рябцев, В.А. Сухоруков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово. Ц2010. Ц№ 1.

- С. 43-50.

5. Плаксин, М.С. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г.Я. Полевщиков, М.С.

Плаксин // Вестник Кузбасского государственного технического университета.

- 2011. Ц№ 5. - С. 3-7.

в прочих изданиях и материалах конференций:

6. Плаксин, М.С. Особенности автоматизации методов текущего прогноза газопроявлений при проведении подготовительной выработки / М.С. Плаксин // Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения: сб. трудов областной научно-практической конференции.

- Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2006. ЦТ.1. - С. 42-44.

7. Плаксин, М.С. Перспективы повышения безопасности высокопроизводительных горных работ / М.С. Плаксин // Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр земли: материалы Международной научнотехнической конференции. - Екатеринбург, 2009. - С. 159-161.

8. Плаксин, М.С. Повышение надежности проектирования метанообильности горных выработок / М.С. Плаксин // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Международная научно-практическая конференция. - Новокузнецк, 2009. - С. 263-266.

9. Плаксин, М.С. Газодинамические явления в почве пласта при проведении подготовительной выработки / М.С. Плаксин // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды XII Международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2010. - С. 55-57.

10. Плаксин, М.С. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции углеметановых пластов / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, М.С. Плаксин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: труды Всероссийской конференции (с участием иностранных ученых). - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2011. ЦT.1. - С.

420-425.

11. Плаксин, М.С. Анализ технических возможностей систем мониторинга рудничной атмосферы к непрерывному дистанционному контролю газодинамической активности приконтурной части пласта / М.С. Плаксин // Энергетическая безопасность России: труды Международной научно-практической конференции.

- Кемерово, 2011. - С. 47-50.

патент:

12. Пат. 2389876 Российская Федерация, МПК E21F 5/00. Способ предупреждения динамических газовыделений из почвы при проведении выработок по газоносным пластам / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин; патентообладатель Институт угля и углехимии СО РАН. №2008144331/03; заявл. 10.11.08; опубл. 20.05.10, Бюл. № 14.

Подписано в печать л3 апреля 2012 г. Формат 60х84/16.

Бумага белая писчая. Отпечатано на ризографе.

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 4 2012 г.

ОАО Н - ВостНИИ, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3.

Типография ОАО Н - ВостНИИ, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК