Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
РАДЧЕНКО Сергей Анатольевич
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕТАНООТДАЧИ УГЛЕЙ В ШАХТАХ НА ОСНОВЕ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ДЕСОРБЦИИ МЕТАНА
Специальность: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2008
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН), отдел проблем горной аэрогазопылединамики и безопасности освоения недр, и в Тульском государственном педагогическом университете им.
.Н. Толстого, кафедра машиноведения и безопасности жизнедеятельности.
Научный консультант:
профессор, доктор технических наук Матвиенко Николай Григорьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Бобин Вячеслав Александрович Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН профессор, доктор технических наук Крейнин Ефим Вульфович Открытое акционерное общество Промгаз доктор технических наук Коликов Константин Сергеевич Московский государственный горный университет Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Защита диссертации состоится 22 октября 2008 года в __ часов __ минут на заседании диссертационного совета Д 002.074.02 в Учреждении Российской академии наук Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Москва, Е-20, Крюковский тупик, 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН.
Автореферат разослан л____ _______________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Г. И. Богданов канд. техн. наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблема обеспечения безопасности труда в угольных шахтах России и стран СНГ приобретает все более острый характер. Интенсивная отработка угольных пластов сопровождается обильными метановыделениями, нередко приводящими к загазированию забоев, причем частота и размеры аварий и катастроф достигли критического значения и наиболее значимые из них в последние годы связаны с взрывами метана с групповыми несчастными случаями. Из 89 действующих шахт России 80% отнесены к опасным по метану, из них 48% шахт наиболее метанообильны и лишь 25% шахт работают с дегазацией угольных пластов и выработанных пространств. Технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35-50% ниже, чем негазовых. Неизбежность в настоящее время подземной разработки газоносных угольных месторождений, перспективы ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузок определяют высокую актуальность на государственном уровне проблемы метанобезопасности.
Наиболее опасны по интенсивным проявлениям взрывчатых газов в угольных шахтах выработки и скважины первой очереди проходки, буровые и взрывные технологические операции в них. Основное выделение метана из пластов, газодинамические явления и большинство связанных с метаном аварий происходят в подготовительных и очистных забоях.
О сильной зависимости выбросоопасности и метанообильности от газокинетических свойств угля в призабойной зоне известно давно. Несмотря на то, что существуют много методов и средств, а также нормативных документов по прогнозу характера и интенсивности газовыделений в шахтах, проблема обеспечения безопасности и эффективности технологических процессов полностью не решена, в том числе из-за недостаточной надежности результатов оперативной оценки газоопасности работ в забоях, сложности прогноза характера и интенсивности газовыделения в шахтах и газокинетических свойств углей, недостаточной изученности тепловых эффектов при десорбции метана и трудностей обнаружения изменений свойств угля традиционными методами без проведения в забоях трудоемких и очень дорогих исследований.
Поэтому эта работа посвящена развитию этого направления и научному обоснованию и разработке новых способов и портативных устройств для повышения достоверности и возможностей экспресс-прогноза в забоях опасности труда по газовому фактору и изменений свойств угля без больших затрат и изменений технологии горных работ, что является актуальной проблемой и имеет важнейшее научное, народно-хозяйственное и социальное значение.
Данная работа - продолжение и развитие исследований доктора технических наук И.Л. Эттингера и доктора технических наук, профессора Г.Д.
идина и их научной школы. Она выполнена как составная часть исследований Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по направлению Развитие теоретических основ и методов борьбы с рудничными газами и пылью. Ряд лабораторных и шахтных исследований, шахтных испытаний новых способов на выбросоопасных угольных пластах выполнены в содружестве ИПКОН АН СССР с МакНИИ и производственным объединением Ворошиловградуголь, в Лидском университете Великобритании (лабораторные опыты, анализ результатов лабораторных и шахтных исследований ученых Великобритании, США и других стран и компании British Coal), а в 2007-2008 гг.
Ц совместно с ООО Звукоулавливающая аппаратура (Донецк, Украина).
Работа выполнялась с 1978 года в Учреждении Российской академии наук Институте проблем комплексного освоения недр РАН (аспирантура и докторантура), в 1988 году - в Лидском университете Великобритании (10месячная научная стажировка по теме Изучение современных методов исследования тепломассообмена в пористых средах и возможности применения этих методов для расчета интенсивности метановыделения из угля в горные выработки), в 1985-1991 годах - на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Тульского политехнического института (ныне Тульский государственный университет) и с 1997 года - на кафедре машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого.
Цель работы - научно обоснованная разработка новых методов и устройств для повышения точности, оперативности и доступности количественной экспресс-оценки в забоях динамики газовыделения из угля, его газоносности в призабойной зоне и обнаружения мест изменений других свойств угля в пласте, обеспечивающая совершенствование прогноза выбросоопасности и метановыделения, повышение безопасности, эффективности и экологичности комплексного освоения метаноносных угольных месторождений.
Объектом исследования являются призабойные зоны угольных пластов, отбитый уголь и буровой штыб из опасных по метану шахт.
Предметом исследования являются процессы десорбции метана, изменения температуры и теплообмена угля в призабойной зоне пласта и отбитого угля.
Основная идея работы заключается в использовании газокинетических свойств угольного вещества и тепловых эффектов при десорбции метана для повышения точности и оперативности прогноза выбросоопасности, метаноотдачи и газоносности угля в призабойной зоне пласта для комплексного решения проблем эффективности и безопасности добычи угля и метана в шахтах при минимальных затратах и изменениях технологии горных работ.
Основные задачи диссертационной работы обусловлены ее целью и заключаются в следующем:
- научно обосновать перспективные направления повышения эффективности использования исследований систем лископаемый уголь - газ и луглесодержащие породы - газ для более быстрого и надежного прогноза в забое изменений свойств угля в призабойной зоне (его выбросоопасности, нарушенности, газоносности и т. д.) в целях обеспечения эффективности и метанобезопасности горных работ;
- разработать количественный кинетический показатель для комплексного экспресс-прогноза в забоях потенциальной выбросоопасности структуры угля и выделения им метана по начальной кинетике десорбции или сорбции;
- экспериментально определить теплоту сорбции и десорбции метана углями разных стадий метаморфизма из выбросоопасных и невыбросоопасных зон пластов с различных глубин при разных давлениях газа и температурах;
- экспериментально и аналитически исследовать динамику изменения температуры угля на поверхности и внутри кусков и в призабойной зоне при десорбции метана, влияние на нее теплообмена угля с окружающей средой;
- обосновать и разработать новые технические решения, способы и конструкции портативных устройств для повышения метанобезопасности в забоях, надежности и оперативности методов прогноза изменений свойств угля в призабойной зоне, его метаноотдачи и выбросоопасности на основе учета газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана, не требующие больших затрат средств и труда и изменений технологии горных работ.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий:
- изучение кинетики сорбции и десорбции метана углем и тепловых эффектов комплексами научного оборудования, включающими: низкотемпературный микрокалориметр Кальве с приставкой высокого давления фирмы Setaram и прибор Сорбтомат фирмы Carlo Erba (в УРАН ИПКОН РАН) и термостатированную сорбционную установку и модели в натуральную величину подготовительной выработки и скважины (в Лидском университете Великобритании), точность исследований которыми тепломассообмена угля и метана автор значительно повысил за счет новых технических решений;
- осмотр поверхности образцов угля из нарушенных и ненарушенных зон пластов электронным сканирующим микроскопом JSM-U3 фирмы Jeol;
- измерение начальной скорости газовыделения из шпуров, температуры свежеобнаженных поверхностей забоев, стенок шпуров и бурового штыба и десорбции метана из него, остаточной газоносности угля и бурового штыба, концентрации метана в воздухе, температур и скоростей движения воздуха в выработках, изучение угля из выбросоопасных и невыбросоопасных зон пластов нормативными методами с определением показателей Р и J и техническим анализом угля для подготовительных и очистных забоев ряда шахт;
- аналитические исследования;
- анализ и обработку по признанным в мире методикам собственных и многочисленных опубликованных результатов для углей и углесодержащих горных пород России, Украины, Великобритании, США и других стран.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Газокинетические и тепловые эффекты десорбции метана углем в призабойной зоне и буровым штыбом отражают происходящие в них механические и физико-химические процессы. Их совместный учет позволяет надежнее, быстрее и проще выявить изменения свойств угля и зоны повышенной газоотдачи пласта для выбора мероприятий по обеспечению безопасности и эффективности комплексного освоения газоносных угольных месторождений.
2. Дифференциальная и интегральная теплота сорбции и десорбции метана углем постоянна в пределах шахтопласта в зонах любой геологической нарушенности при содержании летучих веществ VГ от 9% до 30%, при давлениях до 8,0 МПа, но для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма она изменяется в широких пределах (15-28 кДж/моль), ее зависимости от VГ, сорбционной емкости и глубины залегания угля не обнаружено.
3. Величина снижения температуры угля при десорбции из него метана прямо пропорциональна количеству выделившегося метана в случаях, когда теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. При теплообмене призабойной зоны пласта с вмещающими породами его охлаждение максимально в центральной части пласта, а в местах его контакта с породами почвы и кровли оно может быть до нескольких раз меньше за счет подвода тепла из них. Поэтому результаты измерений температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба следует анализировать с учетом расположения мест замеров и отбора проб, теплоты десорбции метана, влажности и времени теплообмена угля с окружающей средой, скорости подвигания забоя.
4. Диффузионный параметр , величина которого численно совпадает с временем десорбции постоянной доли от общего количества газа, десорбированного углем или горной породой с угольными включениями до равновесия, является информативным количественным показателем динамики десорбции метана и этана из них. Его преимущества по сравнению с известными критериями - быстрота и простота получения количественных характеристик десорбции (скорости десорбции и времени десорбции части газа, достигающей 63% от всего десорбированного до равновесия газа, и коэффициента диффузии метана в угле), которые можно одновременно использовать для прогноза метановыделения из угля в выработки и выбросоопасности.
5. Совместный учет кинетики десорбции метана углем по диффузионному параметру и снижению температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба в результате десорбции повышает точность и быстроту оценки газокинетических свойств углей в зонах любой нарушенности и является основой оперативных способов количественного экспресс-прогноза выбросоопасности призабойной зоны и метаноносности угля в ней, метаноотдачи угля в призабойной зоне и отбитого угля, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана. В выбросоопасных и нарушенных зонах диффузионный параметр меньше в несколько раз, а охлаждение угля за счет десорбции метана значительно больше, чем в ненарушенных зонах пласта.
6. Газокинетические свойства угля по простиранию и мощности большинства пластов значительно изменяются даже на малых расстояниях. Поэтому для повышения точности прогноза выбросоопасности и метановыделения их следует определять по простиранию и мощности пласта с наибольшей частотой и быстротой, используя в забоях предложенный комплексный экспресс-метод первичной количественной оценки изменения свойств и газоотдачи свежеобнаженного угля и бурового штыба по их температуре (прежде всего быстро дистанционно) и величине диффузионного параметра угля.
7. Угольные включения в породе имеют те же сорбционные характеристики, что и уголь из соседних пластов. Сорбционную емкость углесодержащих пород можно принимать прямо пропорциональной содержанию в них частиц угля, а диффузионный параметр пригоден для описания кинетики десорбции метана образцами угля фракции до 60 мм и углесодержащими породами любой зольности и степени тектонической препарации. Это повышает достоверность и оперативность прогноза сорбционной метаноемкости и скорости газоотдачи углей и горных пород с угольными включениями.
8. Повысить надежность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта и отбитого угля нормативными методами без больших затрат и изменений технологии горных работ можно за счет их применения и отбора проб угля прежде всего в местах снижения температуры угля, установленных предварительным замером температуры свежеобнаженной поверхности пласта по простиранию и мощности и бурового штыба на всех интервалах бурения, и использования научно обоснованных и разработанных автором новых технических решений, способов и портативных устройств.
Научное значение работы состоит в установлении взаимосвязи величины диффузионного параметра проб угля с температурой и газоотдачей призабойной зоны пласта и штыба, в обосновании и разработке новых технических решений, способов, методик и десорбометров нового технического уровня для совершенствования экспресс-прогноза в забое выбросоопасности и газоносности призабойной зоны пласта, газокинетических характеристик угля и динамики газовыделения из него, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана при минимуме затрат и изменений технологии работ.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
- впервые экспериментально доказаны постоянство и равенство интегральной и дифференциальной теплоты сорбции и десорбции метана углем из зон любой нарушенности шахтопласта при выходе летучих веществ VГ = 930%, давлениях газа до 8,0 МПа и разных температурах, и необходимость определить ее экспериментально для каждого пласта, так как для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма она бывает от 15 до 28 кДж/моль;
- обоснована необходимость и возможность повысить надежность и безопасность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта рядом нормативных методов за счет оптимизации выбора мест их применения в забоях и отбора проб на основе предварительного установления признаков изменений свойств угля и его большей газоотдачи, например по его более сильному охлаждению при десорбции метана, что позволит их применять именно в нарушенных местах, так как газокинетические свойства углей в пластах изменяются на малом расстоянии по простиранию и мощности;
- доказаны преимущества применения диффузионного параметра по сравнению с рядом других способов оценки газокинетических свойств проб угля и бурового штыба разного петрографического и фракционного состава и горных пород с угольными включениями, особенно в дополнение к ним, и сходимость результатов предложенных автором и уже известных способов;
- обоснована высокая информативность и надежность комплексных способов экспресс-прогноза газоносности и выбросоопасности призабойной зоны, основанных на количественной оценке в забое газокинетических характеристик угля разных фракций и стадий метаморфизма и времени десорбции до двух третей от десорбированного до равновесия газа за счет одновременного быстрого замера температуры угля и начальной скорости десорбции;
- обоснованы возможность и необходимость повысить надежность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойных зон пластов и отбитого угля нормативными шахтными и лабораторными методами и правильность интерпретации их результатов в забоях без больших затрат и изменений технологии горных работ за счет учета свойств угля в каждом пласте и тепломассообмена при десорбции, постоянно используя в забоях и лабораториях разработанные автором новые технические решения, способы и устройства;
- обоснована необходимость и возможность создания и внедрения комплексных систем постоянного мониторинга безопасности по газовому фактору в каждом забое с применением звукоулавливающей аппаратуры и разработанных автором новых технических решений и устройств для быстрой визуальной и количественной оценки изменений свойств угля в забое, способных получать, обрабатывать и передавать информацию каждые 10 минут;
- обоснованы и разработаны новые технические решения, способы и портативные устройства, позволяющие повысить правильность интерпретации, информативность и быстроту использования в забоях результатов измерений температуры свежеобнаженного угля и бурового штыба и динамики десорбции метана из них в целях более надежного и оперативного прогноза выбросоопасности, газовыделения из угля и его газокинетических характеристик, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана.
Практическая значимость работы.
Установлено, что одной из причин недостаточной точности локального экспресс-прогноза выбросоопасности и метановыделений в шахтах нормативными российскими и зарубежными методами и устройствами является их применение и отбор проб угля без предварительного быстрого поиска в забоях признаков изменений свойств угля и без учета особенностей разрабатываемых пластов и теплообмена, что снижает вероятность обнаружения ими мест повышенной газоотдачи угля. Поэтому для повышения надежности нормативных методов прогноза за счет быстрой оптимизации выбора в забоях мест их применения и отбора проб, повышения метанобезопасности и добычи угля и метана без больших затрат и изменений технологии горных работ предложены новые технические решения, способы и портативные устройства.
Разработаны способы количественной экспресс-оценки в забое газокинетических свойств и газоносности угля в призабойной зоне на основе замеров его температуры при бурении шпуров и скорости сорбции и десорбции метана (авторское свидетельство № 1096375 и патент на изобретение № 2019706), проведены их промышленные испытания на шахте Перевальская.
Разработаны, изготовлены и испытаны в лабораторных и шахтных условиях 3 вида портативных многофункциональных устройств для отбора и экспресс-исследования образцов угля в забое, ускорения и повышения точности и информативности их изучения в лаборатории (патенты на изобретения № 2016391, № 2034157). Научно обоснованные и предложенные новые технические решения в 2007 году испытаны на шахте Донбасса и в 2007-2008 году использованы совместно с ООО Звукоулавливающая аппаратура для разработки и испытания в забоях десорбометра нового технического уровня.
Применение предложенного комплекта портативных устройств позволяет обеспечить быструю предварительную визуальную оценку метаноопасности работ по снижению температуры свежеобнаженной поверхности забоя и бурового штыба и по начальной интенсивности десорбции метана штыбом.
Доказана возможность повысить оперативность и информативность известных методов оценки газокинетических свойств угля, основанных на замере десорбции или сорбции газа (Р, Айрея и т. д.), путем включения в них дополнения об определении диффузионного параметра по тем же данным.
Диффузионный параметр использован для экспериментального определения коэффициентов диффузии метана в угле разной нарушенности из выбросоопасных и невыбросоопасных зон различных газоносных пластов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
- использованием представительных объемов экспериментальных данных (более 1000 десорбционно-кинетических опытов с образцами угля разных фракций и петрографического состава с выходом летучих веществ VГ = 5-50 % с глубин 300-1100 метров из зон разной нарушенности и с мест газодинамических явлений; 182 высокоточных сорбционно-калориметрических опыта с углями с глубин 300-1100 метров при VГ = 9-30 %; 2134 экспериментальных кривых динамики изменения температуры на поверхности и внутри кусков угля разных размеров и форм и проб штыба при сорбции и десорбции метана и при ее отсутствии, разных перепадах температур и давлений метана и скоростях движения омывающего уголь воздуха; замеры в шахтах с отбором и изучением проб угля при проходке 11 подготовительных выработок по пластам К3В Бераль, Big Vein и Pumpquart и в 3 очистных забоях 3 шахт и т.д.);
- достаточной для инженерных расчетов сходимостью результатов лабораторных исследований с результатами шахтных экспериментов (коэффициенты корреляции 0,62-0,87), совпадением результатов обработки опытов автора и многих ведущих ученых России, Великобритании и США (до 99,5%);
- применением двух уникальных экспериментальных комплексов на основе высокоточного научного оборудования фирм Франции, Великобритании, Италии и Японии (низкотемпературного микрокалориметра Кальве фирмы Setaram, сорбтомата фирмы Carlo Erba, лабораторного кондиционера, приборов и установок фирмы P.A. Hilton Ltd., электронного сканирующего микроскопа JSM-U3 фирмы Jeol и т.д.), другого научного оборудования в ведущих научных центрах России, Великобритании и Украины;
- подтверждением научных положений и выводов экспериментальными данными, результатами промышленных испытаний при разработке выбросоопасных угольных пластов на различных глубинах на шахтах Украины.
Реализация результатов работы. Полученные научные результаты и выводы, технические решения и изготовленные и модернизированные под руководством и при участии автора установки и устройства использовали УРАН ИПКОН РАН, Лидский университет Великобритании, МакНИИ, Украинский филиал ВНИМИ, ПО Ворошиловградуголь, ООО Звукоулавливающая аппаратура, промышленно-коммерческая ассоциация АПЕКС, АООТ Региональный промышленно-торговый дом АПЕКС и другие предприятия и организации (имеются их заключения, письма и т.д.).
Результаты исследований используются в учебном процессе ТГПУ им.
.Н. Толстого по дисциплинам и курсам Теплотехника и энергетические машины, Экологичные ресурсосберегающие технологии и другим.
ичный вклад автора. Все основные положения, результаты и выводы получены автором лично. Ему принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка методик лабораторных и аналитических исследований, выполненные им лабораторные и шахтные эксперименты, анализ и обобщение данных своих опытов и опытов российских и зарубежных ученых.
В решении отдельных задач и внедрении полученных автором результатов в научных исследованиях и при разработке газоносных угольных пластов в России и на Украине участвовали коллеги автора в УРАН ИПКОН РАН, МакНИИ, Лидском университете Великобритании, производственном объединении Ворошиловградуголь и ООО Звукоулавливающая аппаратура и другие. Есть совместные публикации, авторское свидетельство и 10 патентов России на изобретения, ссылки на которые приведены в диссертации.
Автор дважды участвовал в ВДНХ СССР (1980, 1981 гг.), во Всемирных салонах изобретений, научных исследований и промышленных инноваций Брюссель-Эврика (Брюссель, Бельгия, 1994, 1995 гг.), в Осенней Пловдивской ярмарке (Пловдив, Болгария, 1992 г.), в Лейпцигском инновационном форуме Центральной и Восточной Европы (Лейпциг, Германия, 1995 г.), в выставке-презентации современной техники, технологий и материалов в Торговом представительстве России во Франции (Париж, Франция, 1996 г.), во Всероссийских и межрегиональных выставках и конкурсах (1994-2007 гг.), во II Тульском экономическом форуме (2007 г.). Он награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР, 2 золотыми и 2 серебряными медалями Всемирных салонов изобретений, научных исследований и промышленных инноваций Брюссель-Эврика, золотой медалью Евро-Интеллект Восток-Запад, 4 раза подряд занимал призовые места в факультетском этапе ежегодного конкурса Лучший молодой ученый ТуПИ (1983-1987 гг.), удостоен в связи с важным значением полученных им результатов исследований званий академика Международной академии лидеров бизнеса и администрации (International Academy For Leadership In Business And Administration) и лауреата тульского регионального тура Всероссийского конкурса Инженер года - 2007 по версии Профессиональные инженеры в номинации Теплотехника.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались и получили одобрение на 53 всесоюзных, всероссийских, международных, региональных и других научно-технических и научно-практических конференциях, совещаниях, семинарах с 1980 по 2008 год, в том числе в ИПКОН АН СССР, УРАН ИПКОН РАН, Лидском университете Великобритании, МакНИИ, Московском государственном горном университете (9 докладов на секциях Недели горняка в 2004, 2007, 2008 гг.), Тульском государственном университете, Тульском государственном педагогическом университете им. Л.Н. Толстого, на заседании Британского шахтного подкомитета объединенного комитета Великобритании по проблеме внезапных выбросов угля и газа (British Colliery Sub-Committee of the British Joint Advisory Committee on Outburst of Coal and Firedamp, Ланелли, Великобритания, 1988 г.).
Изобретения и научно-технические разработки автора и изготовленные с их применением устройства ряда модификаций экспонировались на 5 международных и 15 российских выставках (1980-2002 гг.). Получены 2 золотые и 2 серебряные медали Всемирных салонов изобретений, научных исследований и промышленных инноваций Брюссель-Эврика (Брюссель, Бельгия, 1994, 1995 гг.) и дипломы делегаций России и Югославии на этих Всемирных салонах, золотая медаль Евро-Интеллект Восток-Запад (Варна, Болгария, 1995 г.), первые премии на межрегиональной выставке-ярмарке конкурентоспособных проектов и разработок Наследники Демидовых по группе Действующие производства и технологии (1995 г.) и на Тульском городском конкурсе к 850-летию города Тулы в разделе Экология, природопользование и энергосбережение (1997 г.), диплом Торгового представительства России во Франции (1996 г.), золотой и серебряный дипломы Всероссийской программы-конкурса л100 лучших товаров России (1999, 2000 гг.).
Публикации. Основное содержание работы
изложено в 72 научных трудах, в том числе в 3 монографиях и 1 коллективной монографии, 25 статьях в 12 рекомендованных ВАК изданиях, 6 статьях в ведущих зарубежных горных журналах на английском языке общим объемом 88 страниц, 1 авторском свидетельстве и 10 патентах России на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 296 наименований и 22 приложений, изложена на 369 страницах машинописного текста и включает 1рисунков и 27 таблиц.
Автор выражает признательность проф., д.т.н. Г.Д. Лидину и д.т.н. И.Л.
Эттингеру за постановку работы, искреннюю благодарность научному консультанту проф., д.т.н. Н.Г. Матвиенко, академику РАН, проф., д.т.н. К.Н.
Трубецкому, академику РАН, проф., д.т.н. В.А. Чантурия, члену-корреспонденту РАН, проф., д.т.н. Д.Р. Каплунову, члену-корреспонденту РАН, проф., д.т.н. А.Д. Рубану, проф., д.т.н. В.В. Кудряшову, проф., д.т.н. А.Т. Ерыгину, проф., д.т.н. М.А. Иофису, проф., д.т.н. С.В. Кузнецову, проф., д.т.н. С.Д. Викторову, проф., д.т.н. Е.И. Панфилову, д.т.н. В.А. Бобину, проф., д.т.н. В.Н.
Захарову, проф., д.т.н. А.С. Воронюку, д.т.н. В.С. Забурдяеву, д.т.н. Ю.П.
Галченко и другим сотрудникам УРАН ИПКОН РАН, президенту ТуГУ проф., д.т.н. Э.М. Соколову, проф., д.т.н. Н.М. Качурину, ректору ТГПУ им.
.Н. Толстого проф., д.п.н. Н.А. Шайденко, к.т.н. В.П. Баранову, д.т.н. В.С.
Маевскому, к.т.н. Д.И. Дорофееву, к.т.н. Б.М. Деглину, а также сотрудникам Лидского университета Великобритании д.ф. Дж.Р. Баркер-Риду, проф., д.ф.
П.А. Янгу, проф., д.ф. П.А. Дауду и сотруднику компании British Coal д.ф.
Д.П. Криди за ценные рекомендации и помощь при выполнении работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Теория и практика безопасной и эффективной разработки газоносных угольных пластов разработаны в трудах многих ученых УРАН ИПКОН РАН, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, МГГУ, СПГГИ (ТУ), ИУУ СО РАН, ВостНИИ, ВНИМИ, ПечорНИИпроект, ВНИИгаз, ДонУГИ, ТуГУ и других организаций, в том числе производственных и проектных. Важный теоретический и практический вклад в решение проблемы шахтного метана внесли А.А. Скочинский, Г.Д. Лидин, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни, И.В. Сергеев, А.Д. Рубан, С.В. Кузнецов, И.Л. Эттингер, Н.Г. Матвиенко, Ю.Ф. Васючков, Б.М. Иванов, М.А. Иофис, Ю.Н. Малышев, В.А. Бобин, В.Н. Захаров, В.С.
Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Н.И. Устинов, В.Н. Одинцев, И.Г. Ищук, В.В.
Гурьянов, А.Э. Петросян, В.В. Ходот, Г.Н. Фейт, Н.В. Ножкин, Л.А. Пучков, Ф.С. Клебанов, Э.М. Соколов, С.В. Сластунов, С.А. Ярунин, Н.О. Каледина, Е.И. Захаров, Н.М. Качурин, А.С. Рябченко, Г.Я. Полевщиков, К.С. Коликов, В.Н. Королева, Н.Н. Красюк, Е.В. Крейнин, В.Н. Пузырев, Е.И. Шемякин, В.Н.
Николин, С.А. Христианович, М.И. Большинский, А.М. Морев, О.И. Чернов, В. Н. Вылегжанин, А.А. Мясников, В.Г. Крупеня, В.С. Маевский, А.Д. Алексеев, Р.М. Кривицкая, О.И. Касимов, В.А. Садчиков, Л.М. Зенкович, О.Н. Малинникова, Б.М. Зимаков, И.Б. Ковалева, Н.В. Шульман, И.В. Зверев, В.М.
Фалькович, Б.М. Деглин, Д.И. Дорофеев и многие другие ученые и практики.
Но из-за разнообразия сложных горно-геологических условий угольных месторождений, увеличения глубины разработки и интенсивного ведения горных работ и недостаточного учета газокинетических свойств угля до сих пор происходят внезапные выбросы угля и газа и загазирования выработок.
Поэтому автор провел лабораторные, шахтные и аналитические исследования для научного обоснования и разработки новых способов и устройств для экспресс-прогноза в забоях выбросоопасности и газоносности призабойной зоны, газокинетических характеристик угля и газовыделения из него.
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, изложены основные защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность полученных научных и практических результатов.
В главе 1 приведен анализ современного состояния теории и практики обеспечения безопасности работ на газоносных угольных пластах и необходимости совершенствования методов прогноза динамики газовыделения и выбросоопасности, поставлены задачи лабораторных и шахтных исследований.
В главе 2 описаны специально созданные высокоточные комплексы научного оборудования и методики проведения лабораторных и шахтных исследований с их помощью, изученные выбросоопасные угольные пласты.
В главе 3 приводятся результаты использования диффузионного параметра для обработки экспериментальных данных автора и ученых России, Украины, Великобритании, США и других стран, полученных при десорбции и сорбции метана и этана образцами угля и углесодержащих горных пород, которые доказывают возможность его применения в качестве удобной и информативной количественной газокинетической характеристики угля и горных пород с угольными включениями из зон любой нарушенности при любой зольности проб, разных фракциях и разных давлениях и температурах.
В главе 4 приводятся результаты высокоточного экспериментального изучения интегральной и дифференциальной теплоты сорбции и десорбции метана углями разных стадий метаморфизма и разной нарушенности при разных давлениях и температурах, лабораторных и аналитических исследований изменения температуры на поверхности и внутри кусков угля разных фракций при десорбции метана в разных условиях и влияния на нее теплообмена.
В главе 5 приведены результаты обработки данных экспериментальных исследований газовыделения и температуры угля в зонах разной нарушенности в подготовительных выработках и в очистных забоях на выбросоопасных угольных пластах и анализа их взаимосвязи со свойствами проб угля.
В главе 6 описаны научное обоснование и разработка новых технических решений, способов и устройств для экспресс-оценки в забое температуры, газокинетических свойств и газоносности свежеобнаженного угля и бурового штыба, прогноза десорбции в призабойной зоне пласта и из отбитого угля.
В заключении изложены выводы и рекомендации, обобщающие основные результаты выполненного автором комплекса научных исследований.
В 22 приложениях приведены дипломы некоторых из полученных выс- ших международных и российских наград, акты промышленных испытаний при разработке выбросоопасных угольных пластов, справки об использовании научных и практических результатов исследований автора научными организациями, шахтами, разработчиками и производителями систем экспресспрогноза выбросоопасности, заключения ИПКОН АН СССР, ПО Ворошиловградуголь и МакНИИ об актуальности и практической ценности разработанных и испытанных автором в рамках договоров о сотрудничестве между ними новых технических решений, способов и методик.
Совершенствование методов оценки пористой структуры и газокинетических свойств угля для прогноза выбросопасности и газовыделения В России и за рубежом применяются различные качественные и количественные показатели потенциальной выбросоопасности пористой структуры угля и динамики газовыделения из него. Однако известно, что:
- надежность применения показателей, каждый из которых несет информацию только об одном факторе, необходимом для прогноза газодинамических явлений (структурном или газовом), ограничена;
- применение известных комплексных показателей ограничивают как необходимость проведения ряда экспериментов, так и сложность корректировки критических величин отдельных параметров для оценки вероятности возникновения внезапного выброса и газовыделения для разных пластов;
- замеры в забоях газовыделения из угля известными методами неточны в связи с десорбцией неизвестного количества газа до герметизации пробы;
- изучение угля в лаборатории обычно длится не менее суток, включая его доставку и подготовку для опытов, а Н.Ю. Заглущенко показана необходимость измерения газокинетических свойств угля не более чем за сутки;
- в связи со сложностью определения размера микропористых сорбционных частиц в угле в России и за рубежом разработан ряд методик для определения по кинетике сорбции и десорбции газа углем вместо коэффициента диффузии комплексных диффузионных параметров, в которые входят и коэффициент диффузии D и неизвестный размер микропористой частицы r.
Эти важные проблемы изучают и решают ученые УРАН ИПКОН РАН:
- С.В. Кузнецовым и В.А. Бобиным предложено совместно использовать для прогноза потенциальной выбросоопасности угольных пластов два диффузионных параметра и а*, определяемых для наиболее подвижного сорбированного метана, а Н.Ю. Заглущенко разработан экспресс-метод их определения за 4 часа с вычислением диффузионного параметра по формуле = (tj - ti) : ln Q(ti + t) - Q(ti), (1) Q(tj + t) - Q(tj) причем этот диффузионный параметр равен = r2/2D, (2) где ti, tj - моменты времени регистрации выделяющегося из угля метана;
t - интервал времени регистрации; Q(t) - количество десорбировавшегося в данный момент времени метана, мл/г; D - коэффициент диффузии;
- А.Т. Айруни, В.А. Бобиным и другими учеными разработана теория структурной трансформации угольного вещества при десорбции метана;
- автором под научным руководством И.Л. Эттингера на основе результатов отечественных и зарубежных исследований предложен и применен для более быстрого комплексного экспресс-прогноза выбросоопасности и газовыделения из угля и углесодержащих горных пород другой диффузионный параметр для всего газа, десорбируемого углем до сорбционного равновесия, = r2/36D, (3) который просто определяется за несколько минут любым из двух способов.
Первый способ - это вычисление диффузионного параметра по углу наклона или прямолинейного начального участка сорбционно-кинетической или десорбционно-кинетической кривой в координатах [t0,5, at/a0] (рис.1):
= 1 / tg2 , (4) или = 1 / tg2 , (5), где at - количество газа, сорбированное или десорбированное к данному моменту времени, мл/г; a0 - количество газа, сорбированное или десорбированное до сорбционного равновесия при конечном давлении газа, мл/г.
Тождественность формулы (3) формулам (4) и (5) для углей доказана аналитически и экспериментально американскими учеными П.Л. Уокером, Л.Г.
Аустином, С.П. Нанди и О.П. Махайяном, применявшими диффузионный параметр, обратный предложенному автором диффузионному параметру .
Рис. 1. Методика определения Рис. 2. Взаимосвязь диффузионного диффузионного параметра параметра и условного показателя Р Рис. 1 показывает примеры определения величины при температуре 300С для угля пласта К3В Бераль шахты Перевальская фракции 0,5-0,25 мм, имеющего Р = 15, при сорбции метана при давлении 0,1 МПа и при десорбции метана после сброса давления с 1,5 МПа до 0,1 МПа, в которых получены такие результаты: при сорбции (1) tg = 0,011634, = 3744 секунды;
при десорбции (2) tg = 0,0124, = 6500 секунд. Взаимосвязь величин и условного показателя начальной скорости газоотдачи Р показана на рис. 2.
Второй способ - вычисление диффузионного параметра по величине констант десорбции n и t0, определяемых из эмпирического уравнения Айрея:
Vt = A{1 - exp[-(t/t0)n]}, мл/г; (6) где Vt - объем газа, выделившегося из единицы массы угля к моменту времени t, мл/г; А - объем газа, который может десорбироваться из угля до сорбционного равновесия, мл/г; t0 - время десорбции 63% от величины А, мин; n - коэффициент, зависящий от трещиноватости угля (0 < n < 1).
Хотя не все формулы (3)-(5) позволяют вычислять величины параметра , имеющие размерность времени, их применение для обработки более тысячи опытов для углей и углесодержащих пород России, Украины, Великобритании и США показало, что величины параметра всегда численно совпадают с временем сорбции или десорбции образцами определенной доли газа от всего количества, сорбированного или десорбированного ими до равновесия.
а) б) в) г) Рис. 3. Диффузионный параметр и доля метана, десорбированного и сорбированного углем выбросоопасных пластов за время : а, б - вдоль 4 очистных забоев пласта Big Vein на шахте Cynheidre; в, г - вдоль правой и левой стенок двух подготовительных выработок пласта К3В Бераль на шахте Перевальская; - спрогнозированное газодинамическое явление; - внезапный выброс угля и газа.
Доказано, что параметр является постоянной величиной, не зависящей от времени t, только когда t < t0, то есть является константой только при n = 0,5, причем в этом случае t0. Этот вывод подтвержден обработкой данных для десорбции метана из 246 проб и этана из 130 этих же проб угля фракции 30-60 мм угольных пластов Великобритании с VГ от 27% до 50%, десорбировавших за время от 63,2 до 63,5 % от всего десорбированного до равновесия метана и этана (то есть при n = 0,5 параметр совпадает с константой Айрея t0 с точностью 0,5 %), хотя величина этих проб с глубин 400-1100 м различалась на несколько порядков при зольности от 0% до 75%.
Обработкой экспериментальных данных для этих 246 образцов с вычислением констант десорбции Айрея t0 и n при n 0,5 доказано, что и в этих случаях величина параметра показывает время десорбции определенной доли газа, но эта доля меньше 0,63 при n < 0,5 и больше 0,6З при n > 0,5, а доля десорбированного за время газа зависит от величины параметра .
Обработка автором более 1000 сорбционно-кинетических экспериментов для образцов угля пластов России, Украины и Великобритании разных стадий метаморфизма и 120 сорбционно-калориметрических экспериментов доказала (рис. 3) близость сорбционно-кинетических характеристик образцов угля в ненарушенных зонах и уменьшение величины в нарушенных зонах по сравнению с ненарушенными (рис. 3,а, 3,в). Доля метана, десорбированная (рис. 3,б) или сорбированная (рис. 3,г) за время , и теплоты сорбции и десорбции метана практически постоянны в зонах любой нарушенности (табл. 1).
Таблица 1.
Экспериментальные данные для угля пласта К3В Бераль шахты Перевальская Характеристика Сред- Доля Средние величины P нарушенности зон няя метана, из экспериментов, кДж/моль угольного пласта вели- сор- теплота теплота десорбв местах отбора чина биро- сорбции ции метана проб угля ванная метана с Р = 4,0 МПа , с за при 30 0С при 0,1 МПа время и 0,1 МПа и 30 0С Полости выбросов, 32-28 1090 0,628 21 нарушенная зона Нарушенная зона 27-24 2610 0,659 23 - Менее нарушенная 23-19 4000 0,632 22 Ненарушенная зона 18-14 4560 0,635 21 - Ненарушенная зона 13-9 7170 0,627 22 На рис. 3,а линии 1-3 показывают изменение угля фракции 0,05-0,3 мм пласта Big Vein шахты Cynheidre вдоль трех очистных забоев в ненарушенной зоне (1 - Panel 98, XM2; 2 - Panel 15, XM3; 3 - Panel 24, XM5), а линия - вдоль очистного забоя Panel 99, XM2 в нарушенной зоне, в том числе для образцов с мест 4 внезапных выбросов (при каждом выброшено от 100 до 250 тонн угля, при самом крупном из них выделилось 18000 м3 метана). Для пласта К3В Бераль шахты Перевальская в ненарушенных зонах (линии 1 и на рис. 3,в - вдоль левой и правой стенок 5-го западного бремсберга) величина для сорбции метана углем фракции 0,25-0,5 мм при 300С и 0,1 МПа от 60 до 140 минут, а в нарушенных зонах и местах газодинамических явлений с выбросом до 20 тонн угля снижается до 16 минут (линии 2 и 3 на рис. 3,в - вдоль стенок разрезной печи 5-й западной лавы, где спрогнозировано газодинамическое явление). За время уголь пласта К3В Бераль при любых Р сорбировал при 0,1 МПа и 300С в среднем 63% метана (рис. 3,г, табл. 1).
Похожая доля метана десорбирована за время и углями пластов США Pocahontas № 3 и Pittsburgh, очень сильно различающихся по газокинетическим свойствам, причем независимо от степени геологической нарушенности зон в местах их отбора и размера частиц, которые влияют на величину .
Рис. 4, разделенный автором на три зоны, показывает долю метана, десорбированную за время английскими углями и горными породами при разных величинах константы Айрея n. В зону 1 попал уголь из ненарушенных зон фракции 0,05-0,30 мм всех стадий метаморфизма. Уголь из нарушенных зон, выброшенная при выбросах масса, большинство тонкоизмельченных образцов угля и углистый сланец с большим содержанием частиц угля оказались в зоне 2, а в зоне 3 - образцы с самой высокой долей десорбированного газа за время (породы и углистый сланец с малым содержанием угля).
Рис. 5 показывает изменение параметра углей в вертикальных сечениях пластов: а - для угля пласта Big Vein фракции 0,05-0,3 мм вдоль очистного забоя после внезапного выброса угля и газа в кровле пласта с образованием полости выброса между отметками 99 метров и 104 метра (линии показывают средние значения: - верх пласта, х - центр пласта по мощности, - основание); б - для угля других пластов Великобритании фракции 30-60 мм.
Рис. 4. Взаимосвязь между долей метана, десорбированной за время , константой десорбции Айрея n и величиной для 327 образцов угля и углесодержащих пород с 9 шахт Южного Уэльса, Великобритания: , - уголь пласта Big Vein шахты Cynheidre; , # - углистый глинистый сланец и углесодержащая порода; , + - уголь пласта Pumpquart; , - уголь 8 шахт Южного Уэльса.
Обработкой своих опытов и данных И.Л. Эттингера, Г.Д. Лидина, Д.П.
Криди, М.Е. Дейнса и А. Гринта при десорбции метана и других газов углями России, Украины и Великобритании и их петрографическими компонентами (витринитом, экзинитом, фюзинитом и богатым фюзинитом штыбом) доказано малое влияние влажности образцов и начального давления газа на долю метана, десорбированную ими за время , и справедливость установленных закономерностей для углей любого петрографического состава.
Рис. 5. Изменение диффузионного параметра в вертикальных сечениях пластов.
Рис. 3 и рис. 5 показывают большую изменчивость газокинетических свойств угля по мощности и простиранию большинства изученных пластов.
Совместно с И.Б. Ковалевой экспериментально получены коэффициенты диффузии метана с применением диффузионного параметра и метода БЭТ, показано их различие в пределах пласта на одной шахте до 1,5 раз, а для разных угольных пластов - на порядки. Поэтому для надежного прогноза безопасности работ в забоях необходим учет свойств угля каждого пласта.
Обработка автором многих английских опытов доказала, что рассеянное угольное вещество во вмещающих породах обладает свойствами концентрированного угольного вещества. Это позволяет применять предложенные автором технические решения и устройства при любой зольности угля и пород.
Исследование теплоты сорбции и десорбции метана углем, его температуры и теплообмена с окружающей средой Известно, дегазирующийся уголь охлаждается, а степень охлаждения зависит от количества десорбированного метана и скорости десорбции. Но прогноз выбросоопасности по снижению температуры угля в призабойной зоне почти не применяют из-за недостаточной изученности процесса теплообмена угля при десорбции метана и трудностей интерпретации данных замера.
Поэтому автор экспериментально и аналитически исследовал:
- теплоты сорбции и десорбции метана углями с VГ от 9% до 30% при давлениях от 0,02 МПа до 8,1 МПа и температурах 25, 30, 35 и 40 0С с одновременным замером динамики тепловыделения и теплопоглощения микрокалориметром Кальве фирмы Setaram (Франция), а газовыделения - модернизированным прибором Сорбтомат фирмы Carlo Erba (Италия);
- влияние высоких давлений и температуры на теплоту сорбции метана нарушенным и ненарушенным углем и их пористую структуру на образцах, подвергнутых Л.Е. Штеренберг на 5-7 минут воздействию давлений от 25МПа до 7700 МПа в установке для получения искусственных алмазов при 250С и 50-900С, применяя замер тепловыделения микрокалориметром Кальве как интегральный метод и электронный сканирующий микроскоп JSM-Uфирмы Jeol (Япония) для оценки поверхности угля как локальный метод;
- изменение температуры угля при сорбции и десорбции метана и теплообмене с окружающей средой при разных перепадах температур и скоростях воздуха с замером температуры термопарами на поверхности и внутри образцов угля разных форм и размеров, размещенных в сорбционных капсулах и на поверхностях моделей в натуральную величину подготовительной выработки и скважины, с компьютерной записью данных и построением графиков для 30 термопар одновременно (всего 72 эксперимента, 2134 графика);
- динамику распределения температуры в частицах угля при десорбции метана (аналитические расчеты вместе с В.П. Барановым и Г.Е. Демидовой);
- теплообмен призабойной зоны пласта с вмещающими породами при десорбции им метана при разной влажности и скорости подвигания забоя;
- точность экспериментальных термокинетических кривых при разных методиках опытов и возможности повышения их информативности для определения дифференциальной теплоты сорбции и десорбции метана углями.
Опыты автора доказали отсутствие зависимости интегральной и дифференциальной теплоты сорбции и десорбции метана от стадии метаморфизма и давления при давлениях 0,1 МПа и менее в пределах точности эксперимента. Это подтверждено обработкой 102 термокинетических кривых, полученных автором при давлении 0,1 МПа и меньших давлениях при температурах 25, 30, 35 и 40 0С. Определение теплоты сорбции и десорбции метана углями разных шахт Донбасса из ненарушенных и нарушенных зон, имевшими VГ от 9,3% до 30%, в интервале давлений от 8,1до 0,1 МПа при 300С доказало их постоянство и независимость от нарушенности и в этом интервале давлений, то есть возможность применять для угля каждого пласта постоянную величину теплоты десорбции, определенную для него экспериментально.
Поэтому взаимосвязь между количеством десорбированного метана и снижением температуры угля при VГ от 9 % до 30 % и давлениях до 8,0 МПа линейная в случаях, когда влиянием теплообмена можно пренебречь.
Для более точного изучения влияния десорбции и сорбции на изменение температуры на поверхности и внутри угля в разных условиях автор получил 2134 термокинетических графика соединенными с компьютером термопарами RS Stock No. 151-237, работающими при температурах от 00С до 700С с точностью 0,20С и 1 миллиВольт с постоянной времени 10 секунд (рис. 6).
Высокую точность этих опытов с нагревом и охлаждением образцов угля при наличии сорбции и десорбции и при ее отсутствии, при которых из- Рис. 6. Изменение температуры угля на его поверхности (линия 1) и на разном расстоянии от нее термопарами при его нагреве (эксперимент 57) при сорбции и охлаждении (эксперимент 58) при десорбции метана для цилиндрического образца угля высотой 26 мм и диаметром 28 мм.
менялись абсолютные величины и перепады температур, скорости движения и температуры омывающего образцы воздуха, начальное и конечное давление газа в системе при сорбции и десорбции метана, обеспечили одновременные замеры в сорбционных капсулах и в моделях подготовительной выработки и скважины (шпура) в одинаковых условиях для ряда соединенных с компьютером образцов и выделением тепловых эффектов сорбции и десорбции за счет одновременного повышения или сброса давления в сорбционных капсулах с цилиндрическим образцом угля и его точной несорбирующей копией.
Доказано, что снижение температуры угля любой влажности в нарушенных зонах при десорбции больше, особенно в центральной части пласта по мощности, причем в тонком поверхностном слое угля изменение температуры быстрое и большое, а на большей глубине - медленное, и измерять температуру свежеобнаженного угля лучше малоинерционными термометрами.
Экспериментальные исследования газовыделения и температуры угля в забоях шахт и их взаимосвязи со свойствами образцов угля Температура угля в призабойных зонах пластов и бурового штыба, теплота сорбции и десорбции метана углем и их взаимосвязь с десорбционно-кинетическими характеристиками угля и метанообильностью выработок изучены:
- при разработке выбросоопасных пластов К3В Бераль на шахте Перевальская ПО Ворошиловградуголь совместно с Д.И. Дорофеевым и hЛивенский на шахте им. газеты Социалистический Донбасс ПО Донецкуголь совместно с В.С. Маевским в соответствии с договорами о сотрудничестве ИПКОН АН СССР с ПО Ворошиловградуголь и МакНИИ, а полученные автором данные использованы ими для разработки новых способов прогноза выбросоопасности по снижению температуры угля в шпурах на разной глубине, штыба и свежеобнаженной поверхности очистного забоя;
- в Лидском университете совместно с Дж.Р. Баркер-Ридом путем анализа и обработки данных английских шахтных и лабораторных исследований.
Некоторые данные, полученные при испытаниях разработанных автором способов и портативных устройств при проходке разрезной печи 5-й западной лавы по пласту К3В Бераль на шахте Перевальская, показаны на рис. 3,в и рис. 7. В нарушенной зоне (начиная с пикета № 6), где было газодинамических явления, включая спрогнозированное с помощью разработанной автором номограммы внезапное выдавливание угля с повышенным газовыделением, величины и температура стенок шпуров на расстоянии 2,0-2,5 метра от груди забоя t резко уменьшались по сравнению с ненарушенной зоной. При снижении средней величины в забое метанообильность подготовительных выработок при проходке отбойными молотками и сотрясательном взрывании возрастает, что особенно заметно в нарушенных зонах.
Рис. 7. Снижение температуры стенок шпуров и диффузионный параметр образцов угля вдоль левой стенки разрезной печи 5-й западной лавы, пласт К3В Бераль, шахта Перевальская: 1, и 2, - снижение температуры стенок шпура на расстоянии 2,0-2,5 м и 0,2-0,4 м от забоя; 3, Х - параметр фракции 0,5-0,25 мм.
Эксперименты доказали тесную взаимосвязь начальной скорости газовыделения из шпуров длиной 3,5 м, величины охлаждения стенок шпуров на расстоянии 2,0-2,5 м от груди забоя и бурового штыба с этого интервала бурения с величиной диффузионного параметра угля фракции 0,5-0,25 мм.
Испытания методов измерения температуры угля в подготовительных и очистных забоях шахт доказали необходимость совершенствования методик измерений и интерпретации результатов, особенно когда уголь увлажняется.
Автор доказал обработкой экспериментальных данных для 4 подготовительных выработок и 3 очистных забоев пласта Big Vein и подготовительной выработки пласта Pumpquart на шахте Cynheidre, полученных при бурении опережающих скважин длиной 12 м с отбором и исследованием проб с каждого 3-метрового интервала бурения в зонах разной нарушенности, что:
- через 15 минут после образования штыб десорбирует основную часть газа, поэтому наиболее перспективно его быстрое изучение в забое с замером начальной скорости десорбции и вызванного ей снижения температуры;
- метанообильность выработок зависит от газокинетических характеристик угля и его добычи, а ее связи с процентом угля в забое не наблюдается.
Вычисления параметра по данным о десорбции метана и этана образцами угля из вертикальных сечений 9 английских угольных пластов доказали большой разброс газокинетических свойств угля по их мощности и простиранию, то есть необходимость оценивать в забоях газокинетические свойства угля по простиранию и мощности пласта как можно чаще и быстрее.
В результате автором научно обоснованы следующие важные выводы:
- для повышения безопасности работ в метанообильных шахтах, надежности прогноза выбросоопасности и перспективности участков и скважин для добычи метана необходим постоянный экспресс-прогноз и учет изменений свойств угля в призабойной зоне по простиранию и мощности пласта;
- совместное быстрое определение в забое температуры бурового штыба и динамики газовыделения из него является одной из самых перспективных и малозатратных возможностей повысить точность, быстроту и информативность контроля газодинамического состояния призабойной зоны пласта;
- для повышения надежности экспресс-прогноза безопасности работ в забое по газовому фактору надо исследовать газокинетические свойства угля и его остаточную газоносность и отбирать его пробы прежде всего в местах с более низкой температурой угля по сравнению с ненарушенными зонами пласта в аналогичных условиях, особенно когда уголь в забое не увлажняют;
- прогнозировать метанообильность выработок и перспективность участков пласта для добычи метана необходимо с учетом средних величин диффузионного параметра угля в забое, определяя их для каждой скважины.
Разработка способов и портативных многофункциональных устройств для экспресс-прогноза в забое газокинетических характеристик угля, выбросоопасности и десорбции газа из отбитого угля Выполненный автором анализ известных методов прогноза показал, что:
- применение нормативных методов прогноза выбросоопасности и отбора проб угля без предварительного быстрого поиска признаков нарушенности угля в целях оптимизации выбора мест замеров и отбора проб снижает вероятность обнаружения нарушенных зон даже лучшими российскими и зарубежными методами и устройствами и вызывает неоправданные затраты;
- точные места отбора проб в забое и их характеристика зачастую не фиксируются, что затрудняет интерпретацию получаемых результатов;
- часто с момента отбора пробы до начала ее изучения проходит несколько суток, а результаты шахты получают еще позже, что снижает их практическую ценность для повышения газобезопасности работ в забоях;
- обычно известные способы прогноза выбросоопасности не являются комплексными, а приборы - портативными и многофункциональными, поэтому их результаты можно применять для решения одной конкретной задачи.
Поэтому автор научно обосновал и разработал новые технические решения, комплексные способы и многофункциональные устройства для повышения быстроты и надежности экспресс-прогноза выбросоопасности и газоносности призабойной зоны пласта и газокинетических свойств угля, позволяющие быстро улучшить решение этих проблем в забоях. К ним относятся:
- способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне (рис. 8, патент № 2019706), награжденный золотыми медалями Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций Брюссель-Эврика и Евро-Интеллект ВостокЗапад, и способ определения выбросоопасных зон пласта (авторское свидетельство № 1096375);
- портативные многофункциональные устройства для отбора и исследования газоносных образцов (рис. 9,в, патенты № 2016391 и № 2034157), награжденные серебряной медалью Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций Брюссель-Эврика и золотой медалью Евро-Интеллект Восток-Запад;
- портативные многофункциональные устройства класса РАНИТ, награжденные золотой и серебряной медалями Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций Брюссель-Эврика, золотой медалью Евро-Интеллект Восток-Запад и другими высшими наградами выставок и конкурсов в России и за рубежом. Некоторые их модификации (патент на изобретение № 2120584) можно применять в качестве портативных многофункциональных термосов-десорбометров для экспрессоценки в забое десорбции метана из угля и его остаточной газоносности, для облегчения отбора и доставки в лаборатории проб угля, бурового штыба и т.д.;
- новые технические решения для дистанционного замера температуры свежеобнаженной поверхности пласта или бурового штыба, позволяющие сра- зу увидеть на большой площади потенциально опасный уголь по более низкой температуре по сравнению с ненарушенным в таких же условиях и изучить его нормативными и предложенными методами и устройствами (рис. 9).
Научно обоснованные и разработанные автором технические решения, способы и портативные устройства, в том числе показанный на рис. 9 комплект портативных многофункциональных устройств, позволяют вести в забое постоянный более надежный и быстрый комплексный прогноз выбросоопасности, метановыделения из угля и перспективности участков и скважин для добычи метана без больших затрат и изменений технологии работ за счет:
- применения тепловизоров и радиационных термометров для предварительного обнаружения признаков изменений газокинетических свойств угля по снижению температуры свежеобнаженной поверхности пласта и бурового штыба для оптимизации выбора мест изучения призабойной зоны и отбора проб нормативными и предложенными автором способами и устройствами;
- определения нарушенности и скорости десорбции прежде всего для угля с более низкой температурой нормативными методами прогноза выбросоопасности, например, по скорости газовыделения g, коэффициенту крепости Отбор пробы штыба а) Загрузка пробы в устройство и герметизация Замер динамики Замер динамики изменения газовыделения температуры штыба Определение количества Определение количества десорбированного газа Vt в десорбированного газа Vt в различные моменты времени различные моменты времени Сравнение полученных результатов и определение наибольшей величины Vt Экспресс-оценка газовыделе- Экспресс-оценка ния из угля и выбросоопас- газоносности угля в ности его структуры призабойной зоне Использо- Передача Использо- Передача вание полу- информации в вание этих информации в ченной ин- компьютер данных компьютер формации в забое б) Использование полученной инСтационарный формации на всех прибор Компьютер этапах горных работ Поверхность земли Отбор и исследование образцов в Угольный горной выработке пласт Штыб для исследования Бурильная Портативное устройство установка Рис. 8. Блок-схема (а) и принципиальная схема способа (б).
угля f, йодному показателю J и т.д., по разработанным в УРАН ИПКОН РАН диффузионным параметрам и анализу изображений показанного на рис. 9,а тепловизора участков и бурового штыба с температурным разрешением менее 0,1 0С при сохранении до 800-1000 инфракрасных и реальных изображений, а) б) в) г) Рис. 9. Предлагаемый комплект портативных многофункциональных устройств для постоянного использования в забоях метанообильных шахт, особенно на всех интервалах бурения, для повышения безопасности горных работ: а - тепловизор;
б - радиационные термометры; в - устройства для отбора и изучения газоносных образцов (патенты № 2016391, № 2034157); г - терминал и контроллер для передачи информации от десорбометра на поверхность через аппаратуру ЗУА-98.
быстро передавая изображения или температуры более охлажденных мест угля на поверхность для анализа и принятия решений о необходимых мерах;
- уменьшения внедрения в опасную зону при бурении за счет постоянного замера температуры штыба даже без извлечения бурового инструмента;
- устранения необходимости отсева нужной фракции угля, уменьшения веса отбираемой пробы, повышения быстроты и информативности изучения штыба в забое с возможностью сохранить и быстро передать данные на поверхность и сохранить его свойства, легче доставлять пробы в лабораторию;
- значительного снижения трудоемкости и продолжительности изучения образцов угля и углесодержащих пород и повышения производительности труда, что позволит быстрее и массово оценивать и учитывать свойства угля.
Разработанные и испытанные автором устройства для ускорения и облегчения экспресс-оценки газокинетических свойств угля в забоях и лабораториях (рис. 9,в) просты и удобны в эксплуатации, а разработанный совместно с ООО Звукоулавливающая аппаратура десорбометр выполняет математическую обработку результатов и позволяет изучить динамику газовыделения из угля в забое как совместно со звукоулавливающей аппаратурой ЗУА-98 (обеспечиваются звуковой и цифровой обмен данными между забоем и диспетчерской службой шахты показанными на рис. 9,г терминалом и контроллером размером 30х85х130 мм каждый, и немедленная обработка данных), так и путем накопления экспериментальных данных с обработкой их после выезда производителя работ на поверхность.
Для уменьшения внедрения бурового инструмента в опасную зону автором предложено при сборе штыба в десорбометры нового технического уровня (разработанный совместно с ООО Звукоулавливающая аппаратура и описанные в патентах № 2016391 и № 2034157) послойно измерять температуру штыба в десорбометре тепловизором, радиационным термометром или несколькими малоинерционными термопарами. Это позволяет определять температуру разных частей пробы, сохранять ее в базе данных (такие варианты испытаны автором в России и Великобритании) и сразу обнаружить вход в опасную зону по снижению температуры штыба по сравнению с типичной для этого интервала бурения в ненарушенной зоне, а затем прекратить бурение всего на несколько минут для лучшего изучения штыба, измерения газовыделения из него и динамики его охлаждения с помощью показанных на рис. 9 устройств в целях быстрого уточнения выбросоопасности нормативными и предложенными автором экспресс-методами, что повысит оперативность и точность прогноза безопасности работ по газовому фактору.
Научно обоснованные и разработанные автором технические решения и устройства позволяют быстро предварительно визуально оценивать метанобезопасность работ по снижению температуры свежеобнаженной поверхности забоя и бурового штыба и по десорбции метана штыбом, а также увеличить возможности и эффективность взаимовыгодного сотрудничества шахт с научными институтами и высшими учебными заведениями в целях более безопасного, экономичного и экологичного комплексного освоения углеметановых месторождений на основе новых достижений и лучшего мирового опыта.
В технических заключениях ИПКОН АН СССР, МакНИИ, ПО Ворошиловградуголь, АП Шахта им. А.Ф. Засядько и ООО Звукоулавливающая аппаратура о научно обоснованных автором и испытанных способах экспресс-прогноза выбросоопасности и газоносности призабойной части пласта на основе определения величины охлаждения угля за счет десорбции метана и газокинетических свойств угля указывается на их перспективность для повышения безопасности работ в газовых шахтах и на наличие ряда преимуществ по сравнению с нормативными методами прогноза, в том числе на возможность уменьшить внедрение в опасные зоны пласта и их использования на шахтах, так как необходимое оборудование уже имеется в наличии.
Применение научно обоснованных и разработанных автором новых технических решений, способов и портативных устройств в дополнение к включенным в Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа РД 05-350-необходимо для повышения безопасности работ в газообильных угольных шахтах еще и потому, что И.Л. Эттингером и Е.С. Жупахиной доказано превосходство используемого во многих странах условного показателя начальной скорости газоотдачи Р прежде всего по надежности и информативности по сравнению с йодным показателем J, а диффузионный параметр не только имеет все преимущества Р и может определяться по тем же данным, но и является более информативной количественной характеристикой.
Таким образом, в результате 30-летних комплексных лабораторных и шахтных исследований под научным руководством и при поддержке ведущих ученых Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН автор научно обосновал и разработал новые технические решения, способы и портативные многофункциональные устройства нового технического уровня, позволяющие быстро повысить эффективность применения нормативных методов прогноза выбросоопасности, метановыделения и добычи метана в шахтах России и любых других стран без больших затрат и изменений технологии горных работ доступными для любой шахты простыми и удобными техническими средствами на основе:
- научно обоснованного учета свойств угля разрабатываемого пласта;
- постоянной удобной и быстрой предварительной визуальной оценки в забоях потенциальной опасности структуры угля в призабойной зоне по газовому фактору в целях оптимизации выбора мест для первоочередного изучения призабойной зоны пласта нормативными методами и отбора проб угля;
- более оперативного, удобного, малозатратного и массового изучения свойств угля в призабойной зоне современными методами для повышения их достоверности, правильности интерпретации и практической ценности.
Поэтому их применение в забоях является одним из самых перспективных, доступных и малозатратных направлений улучшения безопасности, эффективности и экологичности комплексного освоения углеметановых месторождений за счет повышения экономической и технической эффективности противовыбросных, дегазационных и вентиляционных мероприятий на основе лучшего использования технических достижений и потенциала взаимовыгодного сотрудничества шахт с научными институтами, высшими учебными заведениями и ведущими учеными с применением лучшего мирового опыта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, являющейся квалификационной научной работой, научно обоснованы технические решения по развитию методов и устройств для оценки метаноотдачи углей, обеспечения газобезопасности труда в шахтах и комплексного освоения углеметановых месторождений, имеющие важное народно-хозяйственное и социальное значение.
Основные научные и практические результаты, полученные лично авто- ром, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:
1. Комплексом исследований систем луголь - метан и луглесодержащие породы - метан развиты научные основы и установлены перспективные направления разработки и совершенствования способов повышения оперативности и информативности изучения десорбции метана из угля, в том числе в забое, раннего обнаружения выбросоопасных зон, прогноза метановыделения и перспективности участков и скважин для добычи метана.
2. Установлены причины недостаточной надежности локального экспресс-прогноза выбросоопасности и метановыделений применяемыми российскими и зарубежными нормативными методами и устройствами. Научно обоснована необходимость и возможность повысить надежность, быстроту и безопасность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта и отбитого угля разных фракций нормативными методами без больших дополнительных затрат и изменений технологии горных работ за счет:
- оптимизации выбора мест их применения в забоях и отбора проб на основе предварительного экспресс-поиска признаков изменений свойств угля и его повышенной газоотдачи, например, по его более сильному охлаждению в результате десорбции метана, для увеличения эффективности применения нормативных и разработанных автором методов и устройств именно в нарушенных местах угольного пласта и для уменьшения внедрения в опасные зоны, так как газокинетические свойства углей в пластах значительно изменяются на малом расстоянии по простиранию и мощности;
- ускорения исследования проб угля при их отборе и их подготовки для изучения в лаборатории за счет разработанных автором новых устройств.
3. Установлено, что снижение температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба, обусловленное десорбцией метана, позволяет надежнее и быстрее выявлять зоны повышенной газоотдачи и выбросоопасности.
4. Экспериментально установлено, что дифференциальная и интегральная теплоты сорбции и десорбции метана углем постоянны в пределах шахтопласта в зонах любой геологической нарушенности при содержании летучих веществ VГ от 9% до 30% при давлениях до 8,0 МПа, но для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма они изменяются в широких пределах (15-28 кДж/моль), зависимости от выхода летучих веществ VГ, сорбционной емкости и глубины залегания угля не обнаружено.
5. Установлено, что снижение температуры угля при десорбции из него метана прямо пропорционально количеству выделившегося метана в случаях, когда теплообменом с окружающей средой можно пренебречь, а при теплообмене угольного пласта с вмещающими породами его охлаждение наибольшее в центральной части пласта. В местах контакта пласта с породами почвы и кровли оно бывает до нескольких раз меньше за счет подвода тепла из них. Поэтому результаты замеров температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба следует анализировать с учетом расположения мест замеров и отбора проб, теплоты десорбции метана, влажности и времени теплообмена угля с окружающей средой, скорости подвигания забоя.
6. Научно обоснована необходимость постоянного осмотра свежеобнаженной поверхности разрабатываемого газоносного угольного пласта и бурового штыба в подготовительных и очистных забоях тепловизором и радиационным термометром для предварительной оценки размера и расположения потенциально опасных по газовому фактору зон по более значительному снижению их температуры в результате повышенного газовыделения (особенно когда уголь не увлажняют) с быстрой отправкой инфракрасных и реальных изображений таких зон и результатов измерений их температуры на поверхность для анализа в целях более эффективного выбора мест для определения показателей выбросоопасности и нарушенности угля нормативными и предложенными автором методами и отбора проб угля в забоях.
7. Установлены закономерности метановыделения из образцов угля и горных пород с угольными включениями разных стадий метаморфизма при зольности от 0 % до 94,9 %, доказавшие возможность одинакового описания десорбции из них с применением диффузионного параметра . Сорбционные свойства угля и угольных включений во вмещающих породах одинаковы, сорбционная емкость связана с содержанием частиц угля в них линейно.
8. Научно обоснован и разработан экспресс-метод количественной оценки в забое выбросоопасности слагающего пласт угля путем определения диффузионного параметра , удельной поверхности и среднего размера микропористых частиц угля в буровом штыбе, позволяющий оперативно получать эти данные с достаточной для инженерных расчетов точностью.
9. Предложенный диффузионный параметр достаточно надежно коррелирует с данными о тектонической нарушенности образцов и динамике газовыделения из них, получаемыми другими методами, имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее существовавшими и используется для описания десорбции метана, этана и других газов из угля и горных пород с угольными включениями, упрощает интерпретацию экспериментальных данных и расширяет область и масштабы их практического применения в горном деле.
Научно обоснована возможность повышения оперативности и информативности методов оценки газокинетических свойств угля, основанных на замере динамики десорбции или сорбции (методов Р, Айрея и других), за счет быстрого вычисления диффузионного параметра по тем же экспериментальным данным, что повышает практическую ценность их результатов.
10. Научно обоснованы методы создания более надежных и оперативных портативных комплексных систем прогноза в отдельном забое выбросоопасности, газовыделения из угля и перспективности участков пласта и скважин для добычи метана при минимуме внедрения в опасную зону с быстрым замером температуры угля разработанными автором на уровне изобретений и испытанными способами и портативными устройствами без больших затрат и изменения технологии при буровых работах и проходке, в том числе без извлечения бурового инструмента.
11. Разработаны и защищены авторским свидетельством и патентами на изобретения способы количественной экспресс-оценки газокинетических характеристик угля, его газоносности в призабойной зоне и перспективности участков пласта и скважин для добычи метана по динамике десорбции метана углем и снижению температуры бурового штыба и конструкции портативных устройств для их реализации, прошедшие апробацию в шахтных условиях и отмеченные высокими международными наградами. Результаты исследований внедрены и использованы при изготовлении 3 видов портативных устройств, изобретенных автором, что подтверждено актами промышленных испытаний на шахтах Перевальская и им. А.Ф. Засядько, заключениями ПО Ворошиловградуголь, МакНИИ, ИПКОН АН СССР, письмами МакНИИ, Украинского филиала ВНИМИ, ООО Звукоулавливающая аппаратура.
12. Использование в шахтах предложенных комплектов портативных устройств для комплексного экспресс-прогноза в отдельном забое газоносности и выбросоопасности призабойной зоны, метановыделения из угля и угрозы загазирования выработок, перспективности участков пласта и скважин для добычи метана с применением научно обоснованных и разработанных автором методов и устройств (каждый комплект включает тепловизор, радиационный термометр и несколько различных десорбометров: один разработанный совместно с ООО Звукоулавливающая аппаратура, совместимый со звукоулавливающей аппаратурой ЗУА-98, и несколько десорбометров на основе патентов № 2016391 и № 2034157 и термосов-десорбометров класса РАНИТ) обеспечивает эффективность, безопасность и экологичность комплексного освоения газоносных угольных месторождений.
Основные результаты исследования отражены в следующих публикациях автора:
1. Радченко С.А. Применение электронного сканирующего микроскопа для оценки макропористости и трещиноватости углей // Физико-технические проблемы добычи и обогащения полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1980. - С. 152-157.
2. Физическая химия газоносного угольного пласта / И.Л. Эттингер, Н.В.
Шульман, С.А. Радченко и др. - М.: Наука, 1981. - 104 с.
3. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,МПа / И.Л. Эттингер, Н.В. Шульман, И.Б. Ковалева и др. // Химия твердого топлива. - 1981. № 5. - С. 121-124.
4. Радченко С.А. Время диффузионной релаксации как характеристика нарушенности угля // Основные вопросы комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1981.
- С. 113-118.
5. Повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта - причина снижения его температуры в процессе разработки/ И.Л. Эттингер, С.А.
Радченко, И.А. Горбунов и др. // Уголь Украины. - 1981. № 10. - С.39-40.
6. Радченко С.А. Зависимость скорости метанопереноса в ископаемом угле от температуры // Разработка и обогащение твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1981. - С. 155-160.
7. Сорбционно-кинетические характеристики угля, позволяющие прогнозировать газодинамические свойства и температуру угольного пласта в выбросоопасных зонах / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, И.Б. Ковалева и др. // Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по механике горных пород. Днепропетровск, 1981. - М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1981.
8. Формирование в земной коре углеметановых месторождений и механизм миграции метана через угольные пласты / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, С.А. Радченко С.А. и др. // Тез. докл. II Всесоюзн. конф. Природные газы Земли и их роль в формировании земной коры и месторождений полезных ископаемых. - М.: МГРИ, 1982. - С. 61-63.
9. Эттингер И.Л., Шульман Н.В., Радченко С.А. Сорбционно-кинетические характеристики угля, позволяющие прогнозировать газодинамические свойства пласта и метанообильность горных выработок // Тез. докл. Всесоюзн. научн. конф. вузов СССР с участ. научно-исслед. ин-тов. - М.:
МГГУ, 1982. - С. 5.
10. Радченко С.А., Королев В.В., Гуткин Э.М. О взаимосвязи сорбционнокинетических характеристик угля с интенсивностью газовыделения в призабойной зоне при различных технологических режимах проходки // Прогноз и предотвращение газопроявлений при подземной разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - С. 61-68.
11. Эттингер И.Л., Маевский В.С., Радченко С.А. Контроль газодинамического состояния призабойной зоны пласта // Уголь. - 1983. № 5. - С. 8-9.
12. Эттингер И.Л., Ковалева И.Б., Радченко С.А. Изменение тонкой структуры углей при воздействии на них сорбции и сдвиговых напряжений // Тез. докл. YIII Всесоюзн. конф. по коллоидной химии и физико-химической механике. Часть 5. - Ташкент, 1983.
13. Определение степени выбросоопасности по изменению температуры пласта / И.А. Горбунов, Д.И. Дорофеев, И.Л. Эттингер, С.А. Радченко // Уголь Украины. - 1983. № 1. - С. 32.
14. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем механических и физико-химических процессов / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, Н.В. Шульман и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1984. № 5. - С. 65-69.
15. Авт. свид. СССР № 1096375. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, И.А. Горбунов и др.
МКИ Е 21 5/00. - 1984. - Бюл. № 21.
16. Эттингер И.Л., Радченко С.А., Мельников В.В. О влиянии теплофизических характеристик угля на динамику изменения его температуры // Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1985. - С. 155-163.
17. О характеристике газопроявлений в угольном пласте по диффузии метана в образцах / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, Н.В. Шульман и др. // Актуальные проблемы рудничной аэрогазодинамики.- М.: ИПКОН АН СССР, 1986. - С. 88-93.
18. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Определение и использование диффузионного параметра десорбции метана для оценки газовыделения из угля // Методы борьбы с рудничными газами и пылью. - М.: ИПКОН АН СССР, 1987. - С. 144 - 149.
19. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Метаноперенос в образцах угля и угольных пластах // Химия твердого топлива. - 1988. № 4. - С. 29-39.
20. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика метанопереноса в углях // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1988. № 4. - С. 97-101.
21. Влияние нарушенности угля и коэффициента диффузии на начальную скорость газовыделения / Н.В. Шульман, В.В. Лоскутников, С.А. Радченко и др. // Геомеханика выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. - М.: ИПКОН АН СССР, 1988. - С. 99-104.
22. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The influence of geological disturbance of the gas-dynamic behaviour of coal and associated strata. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1988. - Р. 15-25.
23. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The relationship between pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams // Mining Science and Technology. - 1989. № 8. - P. 109-131.
24. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Gas emission from coal and associated strata: interpretation of quantity sorption-kinetic characteristics // Mining Science and Technology. - 1989. № 8. - P. 263-284.
25. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples // International Journal of Mining and Geological Engineering. - 1989. № 7. - P. 101-121.
26. Баранов В.П., Радченко С.А., Демидова Г.Е. Определение температурного поля пористой сферической частицы при десорбции из нее газа // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТуПИ, 1989. - С. 70-73.
27. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционно-кинетического показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород // Газопылеэлектробезопасность горных работ.Ц М.: ИПКОН АН СССР, 1990. - С. 60-68.
28. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. An experimental investigation of coal/air heat transfer. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1990. - Р. 193-202.
29. Баранов В.П., Радченко С.А. Математическое объяснение некоторых эффектов, возникающих при обработке десорбционно-кинетических данных // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТуПИ, 1991.- С.78-83.
30. Баранов В.П., Радченко С.А. Анализ точности экспериментальных термо- кинетических кривых // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТуПИ, 1992. - С. 114-116.
31. Радченко С.А. Новые методы и устройства для экспресс-оценки свойств призабойной зоны и выявления зон геологических нарушений // Тез. докл. Х Межд. конф. по механике горных пород 27.09 - 01.10.1993.
- М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1993. - С. 113-114.
32. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., Никитин Ю.В. Методы и средства для выявления природных сорбентов при горных геологоразведочных работах и экспресс-контроля их качества // Материалы научно-техн. конф.
Экологические проблемы горного производства. - М.: Информационно-аналитический центр горных наук, 1993. - С. 118-119.
33. Радченко С.А., Баранов В.П. Уточненный метод описания динамики газовыделения при десорбции метана из угля // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТуГТУ, 1993. - С. 57-61.
34. Radchenko S.A. New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples // Fuel. - 1993. Vol. 72. №. 5. - Р. 721-722.
35. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Метод и аппаратура для экспрессисследования газоносных образцов пород // Геохимия газов в кристаллических породах и эндогенных процессах: Тез. докл. Межд. симпозиума 15-17 сентября 1993 г., Мурманская обл., Апатиты, Кольский научный центр. - 1994. - С. 21-22.
36. Патент РФ № 2019706. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г. МКИ E 21 F 5/00. - 1994. - Бюл. № 17.
37. Патент РФ № 2016391. Устройство для отбора и исследования сыпучего груза / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ G 01 N 1/20.
Ц 1994. - Бюл. № 13.
38. Патент РФ № 2034157. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ E F 5/00. - 1995. - Бюл. № 12.
39. Кролин А.А., Радченко С.А. Мировой опыт повышения надежности энергоснабжения и защиты потребителей применим и в России // С.О.К.
(Сантехника. Отопление. Кондиционирование.). - 2005. № 11. - С. 46-55.
40. Радченко С.А. Научное обоснование методов экспресс-оценки выбросоопасности и газоносности призабойной зоны пласта по температуре угля // Безопасность труда в промышленности. - 2007. № 5. - С. 29-32.
41. Радченко С.А. Необходимость комплексной оценки опасности внезапных выбросов и взрывов метана в угольных шахтах // Безопасность труда в промышленности. - 2007. № 11. - С. 67-70.
42. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Совершенствование методов и средств прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольных пластов // Горный журнал. - 2007. № 11. - С. 69-72.
43. Радченко С.А. Научное обоснование методов экспресс-прогноза выбросоопасности и газоносности призабойной зоны по температуре угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отд. выпуск 13. Метан. - 2007. - М.: Мир горной книги, 2007. - С. 115-125.
44. Радченко С.А. Экспресс-прогноз выбросоопасности и динамики десорбции из угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отд.
вып. 14. Безопасность. - 2007. - М.: Мир горной книги, 2007. - С. 300-310.
45. Радченко С.А. Портативные устройства для повышения безопасности буровых и проходческих работ на углеметановых месторождениях // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2007, № 11. - М.: МГГУ, 2007. - С. 322-329.
46. Радченко С.А. Прогнозирование газодинамических явлений в шахтах по изменению температуры угольного вещества // Инженерная физика. - 2007. № 3. - С. 59-62.
47. Радченко С.А. Взаимосвязь газокинетических свойств угля в пласте с его выбросоопасностью и загазованием выработок // Инженерная физика. - 2007. № 5. - С. 55-58.
48. Радченко С.А. Определение коэффициентов диффузии метана в угле.
Возможности повысить безопасность в шахтах // Инженерная физика. - 2007. № 5. - С. 59-61.
49. Радченко С.А. Устройства для комплексного решения проблем экологии и безопасности в угольных шахтах // Экологические системы и приборы.
Ц 2007. № 4. - С. 55-59.
50. Радченко С.А. Газотеплообмен при разработке метаноносных угольных пластов: Монография. - М.: ООО Линкор, 2008. - 356 с.
51. Радченко С.А. Новые способы и устройства для экспресс-оценки газокинетических свойств призабойной зоны пласта по температуре угля и газовыделению из него: Монография. - Тула: ООО Промпилот,2008. - 396с.
52. Радченко С.А. Повышение безопасности в шахтах за счет комплексного экспресс-прогноза выбросоопасности и газовыделения из угля // Безопасность труда в промышленности. - 2008. № 3. - С. 32-35.