автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обоснование и прогноз зональности газодинамических явлений в шахтах Кузбасса

рг® од

^ ^^ ^ду ... , На правах {рукописи

Кнуренко Виктор Антонович Р)У~~//1г

/ у*

ОБОСНОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ЗОНАЛЬНОСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ШАХТАХ КУЗБАССА

Специальность 05.26.01-«Охрана труда»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете.

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Егоров П.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущая организация - Институт угля и углехимии Сибирского отделения Российской Академии наук.

Защита диссертации состоится 12 октября 1998 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 063.70.01 Кузбасского государственного технического университета по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1 сентября 1998 г.

профессор Мурашев В.И.

доктор технических наук, профессор Чернов О.И.

доктор технических наук, профессор Дырдин В.В.

Учёный секретарь диссерта] совета, доктор техничесю профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность проблемы.

Перспективы подземной добычи на уголышх месторождениях Кузбасса и технико-экономические показатели работы шахт в значительной мере определяются горно-геологическими условиями разработки. Ритмичная и эффективная работа шахт будет зависеть от точности прогнозов горно-геологических условий разработки пластов, в том .числе и от достоверности изучения природной газоносности и выбросоопасности угольных пластов. За последние 13 лет (19851998гг.) в горных выработках шахт Кузбасса зарегистрировано 26 внезапных выбросов угля и газа, и их общее число достигло 190. Катастрофические последствия некоторых из выбросов и высокий травматизм указывают на необходимость совершенствования методов прогноза выбросоопасности угольных пластов, в том числе и регионального. Практика ведения горных работ показала, что внезапные выбросы на каждом месторождении проявляются зонально и на различной глубине от поверхности. При этом площадь выбросоопас-ных зон не превышает 10% площади выбросоопасных шахтопластов, а минимальная глубина проявления внезапных выбросов изменяется от 150 до 710 м. Проведение локального и текущего прогнозов выбросоопасности при ведении горных выработок в неопасных зонах и с глубины 150 м, как предусматривалось ранее действующими нормативными документами, сопровождалось необоснованными периодическими остановками забоя, снижением производительности труда до 20% и увеличением себестоимости 1 т угля до 40%. Поэтому знание критической глубины появления выбросов и зон потенциальной выбросоопасности - как на этапе отнесения шахт и участков к перспективным, так и на стадиях ведения горных работ - имеет важное социально-экономическое значение.

Практика разработки выбросоопасных угольных пластов показывает, что газодинамическая активность горного массива может быть значительно снижена применением научно-обоснованных инженерных решений. Очевидно, что для успешного решения важнейшей научной и социально-экономической проблемы борьбы с газодинамическими явлениями необходимо предусмотреть региональные и локальные противовыбросные мероприятия еще при проектирова-

нии горных работ на новых горизонтах и шахтах, в связи с чем надо заранее располагать данными о зонах потенциальной выбросоопас-ности угольных пластов.

Вышеизложенное обусловило актуальность научной проблемы теоретического обоснования зональности газодинамических явлений и создания метода регионального прогноза зон потенциальной вы-бросоопасности угольных пластов, основанного на анализе данных геологоразведочных работ.

Таким образом, проблема борьбы с внезапными выбросами угля и газа включает в себя рассматриваемую в диссертационной работе проблему регионального прогноза зон потенциальной выбросоопас-ности угольных пластов. На важную научную и практическую значимость решаемой в диссертации проблемы указывает тот факт, что Государственный комитет СССР по науке и технике и Академия наук СССР утвердили в 1985 г. Всесоюзную научно-техническую программу 0.05.05 " Создать и внедрить методы и средства прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли в угольных шахтах" (№ 555 от 30 октября 1985 г.). Эта программа предусматривала работу 0160034000 - 081 "Разработать и внедрить методику по прогнозу выбросоопасности угольных пластов при геологоразведочных работах в основных угольных бассейнах страны", в которой автор принимал участие.

Цель работы - теоретическое обоснование зональности газодинамических явлений и разработка метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса, позволяющего на стадии проектирования горных работ повысить надежность прогноза выбросоопасности и эффективность борьбы с внезапными выбросами.

Идея работы состоит в том, что зоны потенциальной газодинамической опасности сформированы на газоносных угольных пластах в результате сдвиговых деформаций при тектонических процессах и характеризуются аномально низкими значениями электрического сопротивления высокоомных вмещающих пород.

Задачи исследований:

- обосновать возможность использования результатов стандартного комплекса геофизических исследований в разведочных скважинах для косвенной оценки природной газоносности и потенциальной выбросоопасности угольных пластов;

- установить закономерность распределения метана и разработать метод косвенной оценки природной газоносности угольных пластов;

- изучить закономерность распределения внезапных выбросов по глубине и разработать методы прогноза критической глубины проявления внезапных выбросов угля и газа и критической газоносности угольных пластов;

- изучить закономерность распределения газодинамических зон по площади, оценить вероятность подсечения зон существующей сетью геологоразведочных скважин и провести классификацию шах-топластов по степени их выбросоопасности и размерам выбросо-опасных зон;

- исследовать роль тектоники в проявлении внезапных выбросов и обосновать критерии выбросоопасности при тектонофизическом анализе гипсометрии угольного пласта и интерпретации результатов геофизических исследований разведочных скважин;

- разработать и внедрить метод регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса, основанного на анализе первичной геологической и геофизической информации.

Методы исследований. В работе решение поставленных задач осуществлено на основе теоретического и эмпирического методов исследований.

Теоретический метод включает: научное обобщение и анализ теоретических исследований по изучению природы и механизма газодинамических явлений, выдвижение научной гипотезы формирования выбросоопасных зон, обоснование возможности использования первичных результатов геофизических исследований в разведочных скважинах при прогнозе природной газоносности и потенциальной выбросоопасности угольных пластов.

Эмпирический метод включает: выдвижение статистической гипотезы, выбор и описание объектов исследований, обработку результатов геолого-геофизических измерений методами математической статистики и распознавания образов, анализ и геометризацию результатов исследований выбросоопасности угольных пластов из горных выработок.

Объектами исследований служили шахты, в которых текущим прогнозом были выявлены газодинамические зоны при проведении подготовительных выработок. . .

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- результаты стандартных геофизических исследований разведочных скважин являются самостоятельными интегральными показателями газоносности и выбросоопасности угольных пластов, так как между геомеханическим состоянием и геофизическими характеристиками массива пород существуют тесные связи;

- газоносность угольных пластов от поверхности метановой зоны увеличивается затухающими темпами по параболической зависимости с увеличением глубины залегания, электросопротивления вмещающих пород и снижением естественной радиоактивности угля, при этом мощность зоны газового выветривания на шахтах Кузбасса изменяется от 30 до 350 м, градиент - от 2.0 до 15.0 м3Л/100м, а их отношение является наиболее информативным показателем выбросоопасности;

- верхняя граница проявления внезапных выбросов угля и газа закономерно изменяется от 150 до 710 м и минимальные глубины будут отмечаться на крутонаклонных угольных пластах, осложненных дизъюнктивами с углами менее 45° и характеризующихся мощностью зоны газового выветривания 80-100 м, градиентом метано-носности более 8 м3Л/100м, выходом летучих веществ 20-24% и содержанием фюзинита 40-50%;

- внезапные выбросы угля и газа распределены зонально, зоны газодинамической активности приурочены к точкам перегиба угольных пластов, имеют вытянутые формы и размеры зон потенциальной выбросоопасности определяются природными факторами;

- между показателями тектонических напряжений, с одной стороны, и размерами выбросоопасных зон, с другой стороны, существует определенная зависимость: чем меньше мощность зоны газового выветривания и выше градиент метаноносности, чем больше угол падения пласта, его изменчивость и скорость современных вертикальных движений земной поверхности, тем больше размеры зон и меньше глубина их залегания;

- зоны газодинамической активности формируются при складкообразовании в точках перегиба слоев, где возникают аномальные сдвиговые деформации, приводящие к разрушению и перетиранию угля, образованию разрывных нарушений, значительному снижению электрического сопротивления высокоомных горных пород и уменьшению взаимосвязи между значениями электросопротивлений и радиоактивностью вмещающих пород;

- при образовании разрывных, нарушений направление перемещения висячего блока нарушения характеризует тектонические напряжения в массиве, условия миграции метана к поверхности и глубину проявления внезапных выбросов;

- прогноз потенциальной выбросоопасности зон угольных пластов по геологоразведочным данным включает определение минимальной выбросоопасной глубины разработки и критической газоносности угольных пластов, классификацию шахтопластов по размерам выбросоопасных зон, выявление и геометризацйго точек перегиба и интерпретацию результатов стандартных геофизических исследований разведочных скважин.

Научная новизна работы:

- обоснована взаимосвязь природной газоносности и потенциальной выбросоопасности угольных пластов с результатами стандартных геофизических исследований в разведочных скважинах, которые объективно отражают геомеханическое состояние массива горных пород;

- впервые установлено, что между природной газоносностью угольных пластов и теолого-геофизическими признаками, характеризующими сорбционные свойства угля, газопроницаемость вмещающих пород и условия залегания, существует тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции 0,85), на основе которой разработан новый способ косвенной оценки природной газоносности угольных пластов (A.C. № 883513) и установлено распределение мощности зоны газового выветривания и градиента метаноносности на выбросоопасных щахтопластах;

- выявлены наиболее информативные региональные геологические показатели выбросоопасности угольных пластов, получена статистическая зависимость между положением верхней границы проявления внезапных выбросов, степенью метаморфизма угля, показателями природной газоносности и напряженно-деформированного состояния массива (A.C. № 715809);

- установлено, что газодинамические зоны угольных пластов приурочены к зонам сдвиговых напряжений и деформаций, имеют линейно-вытянутые формы, близкие к эллипсу, с размерами малой оси от 75 до 250 м и большой оси - от 250 до 1350 м, характеризуются числом внезапных выбросов от одного до 28 и существующей сетью геологоразведочных скважин зоны единичных выбросов практически не подсекаются;

- предложена классификация шахтопластов, позволяющая по комплексу первичной геологоразведочной информации оценить степень выбросоопасности и размеры зон потенциальной газодинамической активности угольных пластов;

- впервые обоснована приуроченность зон газодинамической активности к точкам перегиба угольных пластов и установлена взаимосвязь выбросоопасности зон угольных пластов с геомеханическим состоянием и физическими свойствами вмещающих пород, оцениваемых по геофизическим исследованиям КС и ГК разведочных скважин (A.C. № 1810574);

- установлена взаимосвязь величины угла дизъюнктива с тектоническими напряжениями, глубиной залегания поверхности метановой зоны и верхней границей проявления внезапных выбросов;

- разработан и реализован метод регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов Кузбасса, позволяющий по результатам первичной геолого-геофизической документации произвести оценку критической глубины появления внезапных выбросов и выявить зоны потенциальной выбросоопасности угольных пластов на стадии проектирования новых шахт и текущего планирования горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением теоретического и эмпирического методов исследований, включающих научный анализ, обобщение и объяснение;

- использованием современных теоретических представлений о причинно-следственных связях в геологии газов угольных месторождений и природе внезапных выбросов угля и газа;

- обработкой более 15000 первичных геолого-геофизических показателей, снятых с геофизических диаграмм и геологических разрезов из различных районов Кузбасса;

- обработкой более 10000 результатов шахтных, измерений показателей выбросоопасности угольных пластов, полученных при ведении горных работ на 40 выбросоопасных шахтопластах;

- удовлетворительной сопоставимостью результатов прогноза природной газоносности угольных пластов косвенным и прямым методами;

- практикой ведения горных работ и соответствием результатов регионального прогноза потенциальной выбросоопасности угольных пластов фактической выбросоопасности в условиях Кузбасса.

Личный вклад автора состоит:

-в теоретическом обосновании использования диаграмм КС и ГК для оценки природной газоносности и выбросоопасности угольных пластов;

- в разработке и применении метода косвенной оценки природной газоносности угольных пластов по результатам геолого-геофизических исследований разведочных скважин;

- в обосновании и разработке метода прогноза критической вы-бросоонасной глубины разработки угольных пластов;

- в изучении зональности распределения газодинамических зон и проведении классификации шахтопластов по размерам зон;

- в обосновании роли тектонических напряжений при формировании зон газодинамической активности и установлении критерия выбросоопасности этих зон;

- в разработке и внедрении метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности по результатам геологоразведочных работ.

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении приуроченности динамических и газодинамических явлений к зонам сдвиговых деформаций и напряжений угольного пласта, что может быть использовано при обосновании единой тектонофизиче-ской природы геодинамических явлений и разработке методов их прогноза и предотвращения.

Практическая значимость работы заключена в разработке методов косвенной оценки природной газоносности угольных пластов и регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности, которые используются на шахтах Кузбасса и позволяют без дополнительных исследований и затрат повысить достоверность прогноза газоносности угольных пластов и их потенциальной выбросоопасности до начала эксплуатации шахтопласта. Снижение на ряде шахт критической по внезапным выбросам глубины ведения горных работ до 550 м дало значительный экономический эффект за счет исключения необоснованного применения локального и текущего прогнозов выбросоопасности из забоев подготовительных выработок.

Реализация работы. Основные научные "результаты исследований и практические рекомендации автора включены во "Временную методику по прогнозу критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа на угольных месторождениях Кузбасса по геологоразведочным данным" (г. Кемерово, 1982 г.); "Методику оценки

выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным" (г. Кемерово, 1989 г.); "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (М., 1989 г.); "Временную методику разграничения участков угольных пластов ниже критической выбросоопаеной глубины на опасные и неопасные по внезапным выбросам угля и газа" (г. Кемерово, 1996 г.). Результаты исследования газоносности угольных пластов и их выбросоопасности включены трестом "Кузбассуглеразведка" и Северо-Кузбас-ской геологоразведочной экспедицией в отчеты по детальной разведке и были использованы при составлении проектов строительства шахты "Глушинская" и "Томусинская". Результаты прогноза критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа используются при составлении каталога выбросоопасных глубин угольных пластов действующих и проектируемых шахт Кузбасса.

Апробация работы. Работа и отдельные ее этапы докладывались на V Всесоюзном угольном совещании (г. Ростов-на-Дону, 1977г.), на Всесоюзной школе по обмену передовым опытом по методам обработки первичной геолого-геофизической документации угольных скважин (г. Красноярск, 1978г.), на Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (г. Москва, 1982г.), на технических совещаниях в тресте "Кузбассуглеразведка" Минуглепрома СССР (г. Кемерово, 1983г.) и СевероКузбасской геологоразведочной экспедиции Министерства геологии РСФСР (г. Ленинск-Кузнецкий, 1983г.), на II Всесоюзном семинаре "Информатика недр" (г. Кемерово, 1989г.), на Всесоюзной научно-практической конференции " Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1994г.), на IV Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (г. Новокузнецк, 1997г.), на Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (г. Кемерово, 1997г.), на научном семинаре лаборатории борьбы с внезапными выбросами угля и газа и дегазации пластов ВостНИИ (г. Кемерово, 1998г.).

Публикации. Результаты диссертационных исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 32 опубликованных работах, в том числе в трех авторских свидетельствах, двух монографиях и трех нормативных документах.

Объем работы. Диссертация общим объемом 250 страниц состоит из введения, семи разделов, заключения, приложения, содержит 33 рисунка, 37 таблиц и список литературы из 134 наименований.

Работа выполнена на кафедрах разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом и высшей математики Кузбасского государственного технического университета.

Автор выражает благодарность сотрудникам названных кафедр за содействие, сотрудникам лаборатории борьбы с внезапными выбросами и дегазации пластов ВостНИИ за помощь в получении информации о внезапных выбросах угля и газа в горных выработках шахх Кузбасса и внедрении результатов, а также научному консультанту работы докт. техн. наук, профессору П.В. Егорову за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние проблемы прогнозирования выбросоопасных зон угольных пластов

Проблема внезапных выбросов угля и газа существует как единая, включающая вопросы теории, прогноза и борьбы с газодинамическими явлениями, происходящими в забоях горных выработок. Значительный вклад в решение проблемы внезапных выбросов угля и газа в целом, а также в разработку теории и практики ее составных частей внесли ученые стран СНГ и возглавляемые ими коллективы: А.Т. Айруни, И.В. Бобров, JI.H. Быков, В.Е. Забигайло, Б.М. Иванов, А.И. Кравцов, Г.Д. Лидин, В.И. Мурашев, В.И. Николин, А.Е. Оль-ховиченко, А.Э. Петросян, И.М. Петухов, И.М. Линьков, И.М. Пе-чук, В.Н. Пузырев, A.A. Скочинский, В.В. Ходот, С.А. Христиано-вич, О.И. Чернов, А.З. Широков и др.

Выдвижение в последние годы новых гипотез и теорий о природе и механизме динамических и газодинамических явлений (A.M. Александров, Г.А. Беспятов, В.Н. Вылегжанин, Н.Е. Волошин, П.В. Егоров, Н.Ф. Лосев, В.Н. Труфанов, В.Н. Пузырев и др.) свидетельствует о том, что сущность этих сложных явлений окончательно не выявлена.

Перспективным является решение проблемы прогноза внезапных выбросов, горных ударов и других динамических явлений с позиций геомеханики, развиваемое в последнее время в работах В.Н. Вылегжанина, Г.И. Грицко, П.В. Егорова, В.И. Мурашева, И.М. Петухова, Г.Н. Фейта и других исследователей.

Существующие гипотезы выбросоопасности отражают, в основном, условия развязывания выбросов и сам механизм их реализации, а не природу формирования выбросоопасных участков как геологических объектов.

Изучению геологических условий и созданию методов прогноза выбросоопасности угольных пластов для различных месторождений посвящены исследования А.Я. Бовсуновской, B.C. Вереды, Н.Е. Волошина, Л.С. Вольповой, В.Е. Забигайло, Ю.П, Зубарева, Б.М. Иванова, Г.А. Конькова, А.И. Кравцова, А.П. Куликова, Г.Д. Лидина, В.Н. Николина, С.Н. Недвиги, А.Э. Петросяна, В.Н. Пузырева, В.В. Ходота, О.И. Чернова, E.H. Фоминых и других ученых.

Однако опыт ведения горных работ показал, что за последние 10 лет в горных выработках шахт Кузбасса зарегистрированы внезапные выбросы угля и газа на ранее невыбросоопасных шахтах Ан-жерского, Кемеровского, Байдаевского и Томусинского районов. Некоторые из внезапных выбросов привели к катастрофическим последствиям и групповым смертельным случаям, что указывает на отсутствие надежных методов регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов и на актуальность исследований по научному обоснованию тектонофизической гипотезы газодинамических явлений в горных выработках шахт, согласно которой формирование выбросоопасных зон происходит на определенной глубине газоносных угольных пластов под действием тектонических процессов.

Отражение тектонических процессов, происходящих в недрах Земли, на физико-механических свойствах горных пород позволяет В.В. Гречухину, В.В. Дырдину, В.В. Иванову, И.М. Петухову, Б.Г Суровцеву, Б.Г. Тарасову использовать данные о электрических, магнитных, радиоактивных и других свойствах пород для нрогноза и контроля геомеханического состояния массива.

Анализ исследований по изучению закономерности распределения газодинамических зон и использованию результатов геофизических измерений при оценке геомеханического состояния массива и условий разработки угольных пластов позволил сформулировать задачи, решению которых и посвящена настоящая работа.

2. Научное обоснование использования геофизических исследований скважин для оценки показателей выбросоопасности угольных пластов

В настоящее время геологи внедрили дорогостоящие методы геофизических исследований геологоразведочных скважин, которые играют важную роль в получении полной и качественной информации по скважине и позволяют решать различные геологические задачи путем изучения физических полей разной природы, интенсивность которых зависит от петрофизических характеристик горных пород. Начиная с 50-х годов в Кузбассе по большинству углеразве-дочных скважин при геологоразведочных работах записывают кривые кажущегося электрического сопротивления горных пород (КС), их естественной радиоактивности (ГК).

Отражение на диаграммах КС и ГК степени метаморфизма угля, его зольности, влажности, литологического состава вмещающих пород и других физических показателей, определяющих сорбционные свойства угля и условия миграции метана к поверхности, позволило автору высказать предположение о принципиальной возможности установления взаимосвязи между природной газоносностью угля и геофизическими показателями, полученными в результате изучения физических свойств горного массива по разрезу скважины.

Выявленная приуроченность газодинамических явлений к тектонически нарушенным зонам угольных пластов, характеризующихся аномально низкими электрическими сопротивлениями высокоом-ных вмещающих пород, указывает на возможность использования геофизических исследований при установлении критерия выбросоопасности и метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов.

Анализ диаграмм геофизических измерений в геологоразведочных скважинах установил, что каждая литологическая разность ненарушенного массива характеризуется своими значениями кажущегося электрического сопротивления р и естественной радиоактивности 17. При этом кривая КС является зеркальным отражением кривой ГК, так как при переходе от аргиллитов к алевролитам и песчаникам электрическое сопротивление пород р закономерно возрастает, а естественная радиоактивность этих пород 1У уменьшается. Из вышеизложенного следует, что между геофизическими диаграммами КС и ГК существует объективная обратная зависимость.

Теоретические и экспериментальные исследования многих авторов установили зависимость электрического сопротивления горных пород от параметров их трещиноватости и влагонасыщенности. Эта зависимость проявляется в том, что высокоомные нарушенные породы в разрезе скважины характеризуются пониженными по сравнению с ненарушенными породами значениями кажущихся электросопротивлений р ( рис.1).

Скважина № 6844 Скважина № 6881 шахта "Коксовая" шахта "Коксовая"

Рис.1.

Снижение электрического сопротивления высокоомных пород в зонах тектонических нарушений

Проведенный автором анализ геофизических диаграмм КС и ГК показал, что в газодинамических зонах, характеризующихся тектонической нарушенностыо угля, происходит не только значительное уменьшение электрического сопротивления высокоомных горных пород (песчаников и алевролитов), но и снижение объективной зависимости и коэффициента корреляции г между значениями электрического сопротивления р и естественной радиоактивности 1Г пород.

На рис Л приведены характерные для массива тектонически нарушенных и ненарушенных горных пород диаграммы КС. Низкие значения электрического сопротивления песчаников и отсутствие взаимосвязи между диаграммами КС и ГК по скважинам, пробуренным в выбросоопасных зонах, четко указывают на наличие зоны тектонически нарушенного массива пород и угля и подтверждают теоретические рассуждения о возможности выявления зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов по результатам стандартных геофизических исследований разведочных скважин.

3. Метод определения природной газоносности угольных пластов

Влияние на закономерность распределения метана в угольных пластах большого числа природных факторов и отражение многих из них на геофизических диаграммах привело к необходимости выявления методами математической статистики совокупности геолого-геофизических показателей, взаимосвязанных с газоносностью угольных пластов, и последующему установлению уравнения множественной регрессии.

На основании вышеизложенного и с учетом доступности геолого-геофизической документации была собрана информация, характеризующая сорбционные свойства угля, фильтрационные свойства вмещающих пород и условия залегания угольных пластов с известной природной газоносностью по 561 пластопересечению из восьми геолого-экономических районов Кузбасса. После отбраковки 60 аномальных значений газоносности с помощью методов распознавания образов была выявлена совокупность геолого-геофизических признаков, взаимосвязанных с природной газоносностью. Использование алгоритмов таксономии позволило автору из 20 геолого-геофизических признаков, характеризующих каждое пластопересе-чение, выявить такие, коэффициент корреляции которых с природ-

ной газоносностью по критерию Стьюдента оказался значимым (И £0,14).

Статистический анализ выявленных информативных геолого-геофизических признаков показал, что при доверительной вероятности: более 97,5% значимое влияние на природную газоносность угольных пластов оказывают следующие признаки:

глубина залегания угольного пласта, м; угол падения угольного пласта, град; мощность вышележащих угольных пластов (показатель угленосности разреза), м; процентное содержание фюзинита, %; относительная радиоактивность угля, снятая с диаграммы ГК (показатель зольности угля);

относительная радиоактивность пород кровли (показатель литологических особенностей кровли);

электрическое сопротивление аргиллита, снятое с диаграммы КС„ в интервале до 25 м от угольного пласта (показатель степени метаморфизма угля), Омхм; относительное электрическое сопротивление песчаника, залегающего в кровле угольного пласта (показатель газопроницаемости пород кровли).

Уравнение множественной регрессии, выражающее связь между природной газоносностью угольных пластов и выявленными признаками, имеет вид

Х=1,6+0,46л/# - 0,04а + 0,33 4Й + 0,04^ +1,1 -

- 2,45-у^- + 0,25^ - 0,88^.,

^уктр Рар

где X - природная газоносность угольного пласта, м3/т.

На-М-

Р-

Уу

У ар Ух р

1

Уп

Рар-

Уравнение регрессии (1) получено для интервала глубин Я=100-900 м и для углей с выходом летучих веществ {^=10-40%, что позволяет исключить экстраполяцию при использовании этого уравнения в любом месторождении Кузбасса. Связь между газоносностью угольных пластов и геолого-геофизическими признаками характеризуется достаточно высоким коэффициентом множественной корреляции .#=0,85. Анализ уравнения (1) показывает, что направление влияния всех признаков на газоносность соответствует установленным теоретическим представлениям о причинно-следственных связях в геологии газов угольных месторождений.

• Обобщенные результаты исследования взаимосвязи природной газоносности угольных пластов с геолого-геофизическими признаками приведены в табл. 1, где указаны парные коэффициенты корреляции (г), критерии надежности коэффициентов корреляции (() и коэффициенты регрессии уравнения (1) в стандартизованном масштабе (Д). Анализ коэффициентов ¡3 из табл. 1 показывает, что наибольшее влияние на природную газоносность угольных пластов оказывают глубина их залегания и степень метаморфизма угля, оцениваемая электрическим сопротивлением вмещающих пород, а наименьшее -литологический состав непосредственной кровли, оцениваемый естественной радиоактивностью пород.

Таблица 1

Результаты оценки взаимосвязи

Коэффи- "еолого-геофизические признаки

циенты 4н а Ртзх. у/Рор /Л* 4м

Рар Лс Р 1

г 0,75 -0,18 -0,14 0,39 0,39 -0,29 0,53 0,54

1 31,20 3,38 8,90 8,38 8,10 6,49 12,10 16,50

Р 0,46 -0,18 -0,18 0,18 0,20 -0,10 ОДЗ 0,11

В результате выполненных исследований разработан метод косвенной оценки природной газоносности угольных пластов, позволявший вычислить газоносность в любом пластопересечении каро-тируемых скважин, дополнить сеть прямого газового опробования на отработанных участках выбросоопасных шахт "Северная" "Коксовая", "Центральная", "Ноградская" и установить закономер-

кость распределения метана в местах проявления газодинамических явлений.

Для изучения закономерности распределения метана были построены графики изменения природной газоносности угольных пластов с глубиной по каждой скважине. Из анализа этих графиков следует, что газоносность с глубиной увеличивается затухающими темпами. По значению природной газоносности Х=5+6 м3/т на графиках определяли глубину залегания поверхности метановой зоны (ПМЗ) Но, а приращение газоносности угольных пластов при увеличении глубины их залегания на первые 100 м от Но принимали за х. Установлено, что в различных месторождениях Кузбасса Но изменяется от 30 до 350 м, а £гай?х - от 2,0 до 15.0 м3 /т /100 м. Колебания мощности зоны газового выветривания и градиента метаноносности отражают условия естественной дегазации метана к поверхности. Расположение границы метановой зоны близко к земной поверхности говорит о наличии благоприятных условий для скопления метана, а высокий градиент метаноносности указывает на то, что с меньшей глубины от ПМЗ природная газоносность углей приближается к их сорбционной способности.

4. Обоснование и разработка метода прогноза критической глубины появления внезапных выбросов

В основе метода регионального прогноза критической глубины появления внезапных выбросов лежат статистические зависимости верхней границы проявления выбросов от совокупности геологических показателей. При установлении закономерности распределения внезапных выбросов по глубине использовался алгоритм распознавания образов, позволивший на основе анализа многофакторных закономерностей по данным прошлого опыта выработать решающее правило разделения объектов обучающей выборки на классы.

На первом этапе установления закономерности изменения минимальной глубины проявления внезапных выбросов была сформирована обучающая выборка, состоящая из 128 объектов (участков шахтопластов из 11 основных районов Кузбасса), каждый из которых описывался набором из 20 геологических признаков, характеризующих напряженно-деформированное состояние массива пород, физико-механические свойства угля и условия залегания угольных пластов (табл. 2).

Таблица 2

Совокупность геологических показателей, характеризующих свойства угля и условия залегания угольного пласта

Обозначение показателя Наименование показателя Единица измерения

Я. (Яр) Глубина проявления газодинамического явления (разработки) м

Но Глубина залегания ПМЗ м

gradx Градиент метаноносности м7т/100 м

' X Природная газоносность угля м'/т

уШ Выход летучих веществ из угля %

F Содержание фюзинита %

Ас Зольность угля %

Г Влага аналитическая %

m Мощность угольного пласта м

а Угол падения угольного пласта град

<?а Изменчивость угла падения град

0 Угол дизъюнктива град

Расстояния до вышележащего и нижележащего угольных пластов м

hmtj ^ок Мощности непосредственной и основной кровли м

V Скорость современных вертикальных движений земной поверхности мм/год

M Температурный градиент °С/100 м

п Число угольных пачек шт.

К, Показатель дизъюнктивной нарушенное™ км'1

По наличию или отсутствию газодинамических явлений объекты обучающей выборки были разделены на два класса: класс А - выбросоопасные зоны ( 55 объектов) и класс В - невыбросоопас-ные зоны (78 объектов).

На втором этапе произвели анализ информативности геологических показателей и снизили размерность признакового пространства. В табл. 3 приведены результаты оценки количества информации по Шеннону (/), вносимой региональными показателями выбросоопас-

ности угольных пластов, и тесноты связи выявленных геологических показателей с выбросоопасностью, рассчитанной на основе критерия и измеренной нормированным коэффициентом взаимной сопряженности Чупрова (Г).

Таблица 3

Результаты оценки информативности и тесноты связи

Признак Условная Количество информации / Коэффициент

энтропия, бит бит % Чупрова Т

Но/&ас1х\ 0.7373 0.2481 25.2 0,61

Но 0.8417 0.1635 16.6 0,29

у** 0.8619 0.1235 12.5 0,21

0.8819 0.1035 10.5 0,20

а 0.8827 0.1027 10.4 0,19

Р 0.8841 0.1013 10.3 0,19

А1 0.8829 0.1025 10.4 0,19

V 0.8359 0.1495 15.2 0,29

Как следует из табл.3, выбросоопасные и невыбросоопасные зоны имеют существенные отличия в показателях напряженно-деформированного состояния массива (Но /1 ёгай х\, Н0, а, Д Лг, \ ) и показателях сорбционных и прочностных свойств угля (V ^ и Р ). При этом установлено, что количество информации, вносимой показателем изменчивости газоносности с глубиной (Но / \grad х\), значительно превьппает количество информации, вносимой любым другим региональным показателем выбросоопасности угольных пластов, а величина коэффициента Чупрова 7М).61 указывает на достаточно тесную связь этого показателя с выбросоопасностью угля.

В результате исследования информативности и с учетом доступности при установлении закономерности распределения верхней границы проявления внезапных выбросов угля и газа Н, в шахтах Кузбасса из 19 геологических показателей использовались первые шесть показателей выбросоопасности ( табл. 3).

На третьем этапе обработки представили каждый объект обучающей выборки (выбросоопасные и неопасные зоны) точкой в 7- мерном пространстве (рис.2), координатами которой являются показатели Но, Но/\ёгас1х\, а, Д и установили уравнение гиперповерхности (2):

Г (Не, Но, По/\§гас1х\, а, ¡3, Г4' 7^=0, (2)

разделяющей объекты выборки на два образа: А -выбросоопасные зоны и В - невыбросоопасные зоны.

Рис. 2. Геометрическая интерпретация метода распознавания образов

Из уравнения разделяющей гиперповерхности (2) получили аналитическую зависимость верхней границы проявления внезапных выбросов угля и газа от региональных показателей выбросоопасности, которая имеет вид

Нв=100 +

{Щ-90)2 \{У^~22)3

75

+

+ ■

10

Ял

\gradxl

(а-45)2 600 + ±——=- +-+ 2,0 р,

50

где Не - верхняя граница проявления внезапных выбросов угля и газа, м.

Анализ уравнения (3) показывает, что все внезапные выбросы угля и газа в шахтах Кузбасса происходят в зоне метановых газов и наименьшая глубина их проявления приурочена к участкам угольных пластов, характеризующихся мощностью зоны газового выветривания #о=80-100м, высоким градиентом нарастания метаноносно-сти х, выходом летучих веществ V а'а/=20-24%, углом падения угольного пласта а-45й и углом дизьюнктива Р < 45°.

Установленную закономерность распределения внезапных выбросов по глубине (3) использовали при разработке метода прогноза критической глубины появления внезапных выбросов в горных выработках шахт Кузбасса. Для создания некоторого резерва безопасности прогнозную глубину появления внезапных выбросов угля и газа Нкр, принимая несколько меньше #в> определяем по формуле

НКР=100 + 1

(Щ-100)2 №-22)

100 + 2

■ +

+ -

/ Л 2

' Нг

10

\gradxl

50 Г + 5

(4)

где Нкр - прогнозная глубина появления внезапных выбросов угля и газа, м.

Проведенные исследования позволили разработать метод и оценить по геологоразведочным данным критическую глубину появления внезапных выбросов для всех шахт Кузбасса. Установлено, что

прогнозная глубина появления внезапных выбросов угля и газа по площади Кузбасса изменяется от 150 до 600 м. Десятилетний опыт ведения горных работ и исследования по прогнозу выбросоопасно-сти из горных выработок показали соответствие прогнозных глубин проявления внезапных выбросов угля и газа фактической выбросо-опасности угольных пластов (табл. 4).

Таблица 4

Прогнозная и фактическая глубины проявления выбросоопасности при разработке угольных пластов на шахтах Кузбасса

Шахта Глубина проявления выбросоопасности, м Дата

прогнозная фактическая проявления выбросоопасности выдачи заключения

«Первомайская» 300 330 06.1995 28.09.90

«Бирюлинская» 300 355 05.1991 28.09.90

«Березовская» 300 325 02.1993 28.09.90

та!. Волкова 290 325 08.1995 22.12.94

«Чертинская» 300 320 05.1993 31.12.91

«Западная» 320 340 03.1994 31.12.91

«Новая» 300 320 07.1992 31.12.91

№12 255 340 09.1990 16.12.87

«Красногорская» 240 240 04.1989 04,01.86

«Юбилейная» 370 530 07.1990 28.12.88

«Абашевская» 300 400 03.1990 28.12.88

«Высокая» 300 380 05.1992 12.04.89

«Капитальная» 490 490 07.1994 12.04.89

«Томская» 230 250 06.1991 26.09.89

«Усинская» 450 500 08.1992 26.09.89

им. Ленина 265 310 07.1990 26.09.89

Исследования газовых характеристик выбросоопасных участков угольных пластов позволили установить зависимость критической

газоносности угольных пластов Хкр от совокупности геологических факторов в виде

кр 200 100 ^ ^ ;

где Хкр - критическая газоносность угольных пластов, м3/т.

Полученная зависимость (5) позволяет при наличии карт прогноза природной газоносности угольных пластов выявлять опасные по газодинамической активности зоны тектонических нарушений.

5. Изучение закономерности распределения газодинамических явлений по площади

Для изучения зональности и установления размеров зон газодинамической активности было проанализировано более 10000 замеров показателя выбросоопасности угольных пластов на всех выбросо-опасных шахтах. Нанесение показателя выбросоопасности на планы горных работ позволило на 40 выбросоопасных шахтопластах выявить 314 зон газодинамической активности, сделать вывод о их вытянутой форме и установить, что размеры зон в различных районах Кузбасса изменяются от 0,010 км2 до 0,30 км2. Основываясь на шахтных замерах показателя выбросоопасности, газодинамические зоны угольных пластов условно разделили на три типа.

Первый тип зон характеризуется овальной формой с наибольшими размерами 250x75м и площадью до 0,015 км2, второй тип зон имеет вытянутую форму и площадь от 0,015 до 0,10 км2, а третий тип зон имеет линейно-вытянутую форму с размерами более 1000x100м и площадью более 0,10 км2.

Нанесение выявленных 314 газодинамических зон на карту современных вертикальных движений земной поверхности Кузбасса позволило установить взаимосвязь выбросоопасности угольных пластов со скоростями вертикальных движений поверхности шахтного поля. Установлено, что в районах интенсивных поднятий поверхности (поля шахт «Северная» и «Ноградская») газодинамические зоны имеют площадь более 0,10 км2 и минимальная глубина залегания этих зон составляет 150-200 м, а в районах слабых поднятий или

опусканий (поля шахт «Анжерская», «Капитальная» и другие) газодинамические зоны (площадью до 0,015 км2) характеризуются единичными выбросами и минимальной глубиной залегания более 300 м. Типы потенциально выбросоопасных зон угольных пластов и их характеристики приведены в табл. 5.

Таблица 5

Типы газодинамических зон и их характеристики

Характеристика Тип зон

I II III

Размеры зон, мхм 250x75 600x150 1250x250

Площадь зон, км2 до 0,015 0,015-0,10 более 0,10

Количество выбросов в зоне 1-2 3-4 более 5

Общее количество выбросов 23 33 134

Максимальное количество вы- з делившегося газа, тыс. м 13-30 6-60 10-50

Максимальное количество выброшенного угля, т 350 305 450

Количество выявленных зон 149 147 18

Общая площадь зон, км 2,2 9,5 зд

Минимальная глубина зоны, м 300-600 200-300 .. 150-200

Скорость вертикальных движений поверхности, мм/год (-D-2 1-3 2-5 '

Критическая газоносность, м^/т 15-18 13-16 11-13

Выход летучих, % 10-40 15-30 18-25

Глубина залегания ПМЗ, м 120-250 100-180 80-120

Возможность выявления зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов при геологоразведочных работах тесно связана с вероятностью подсечения зон сетью геологоразведочных скважин. Для определения вероятности подсечения потенциально выбросоопасных зон существующей сетью скважин при исследованиях воспользовались таблицами И.Д. Савинского, позволяющими оценить вероятность подсечения эллиптических объектов прямоугольной сетью скважин. Установлено, что существующая на шахтах Кузбасса сеть геологоразведочных скважин имеет различную плотность и подсекает газодинамические зоны третьего типа (с размерами

1250x125 м) одной и большим числом скважин с вероятностью Р^=0,85, зоны второго типа (с размерами 500x100 м) • с вероятностью Р>1=0,36, а зоны единичных выбросов (с размерами 250x75 м) -с вероятностью P>i=0,51.

Теоретический анализ оптимальных геологоразведочных сетей показал, что для подсечения газодинамических зон единичных выбросов с размерами 250x75 м с вероятностью Р=0,85 двумя и более скважинами необходима сеть скважин с размерами 125x60 м (не менее 150 скважин на 1 км2), а для подсечения этой же зоны одной и большим числом скважин необходима сеть с размерами 125x200 м (не менее 50 скважин на 1 км2).

Низкая вероятность подсечения потенциально выбросоопасных зон существующей сетью геологоразведочных скважин указывает на необходимость классификации шахтопластов Кузбасса по размерам зон газодинамической активности, что имеет важное значение при оценке потенциальной выбросоопасности угольных пластов на стадии проектирования горных работ.

Классификация шахтопластов основана на взаимосвязи выбросоопасности угольных пластов с природными факторами и проведена с помощью метода главных компонент (МПС), который позволил заменить многочисленные геологические признаки меньшим их числом без существенной потери полезной информации. При классификации шахтопластов по размерам выбросоопасных зон была обработана информация по 40 выбросоопасным шахтопластам из всех месторождений Кузбасса. Каждый из выбросоопасных шахтопластов описывался девятью региональными геологическими показателями, характеризующими напряженно-деформированное состояние массива, тектоническое строение участка и свойства угольного пласта.

Обработка геологоразведочных данных с помощью МГК позволила получить парные коэффициенты корреляции, факторные нагрузки и значения главных компонент X и У для рассматриваемых выбросоопасных зон угольных пластов, которые имеют вид:

Х= 0,09 0,29 v - 0,04а - 0,12 т - 0,06 F +

0,07 At-0,07 сга +0,6, (6)

У=0,13 Но/\ gradx | - 0,95 v + 0,02 /3-0,8 At- 0,42. (7)

Анализ уравнений (6) и (7) показывает, что первая главная компонента (X) отражает, в основном, качество угля и условия залегания угольного пласта, а вторая главная компонента (У) отражает напряженно-деформированное состояние массива горных пород.

Распределение всех выбросоопасных шахтопластов на плоскости в зависимости от значений главных компонент X и У позволило произвести классификацию шахтопластов по степени их выбросо-опасности и размерам выбросоопасных зон (рис. 3).

\ ° * \ \ х • \ ■у Ц^1 з ° ° оШз ° 1\14 Л. о о

\ х • \ 1ч 2 3 4 5 \ ° \ о X \ о •V \

\Х:

• \ ^ \ У= -2Х+2 \ У= -1,5Х-3

Рис. 3. Распределение шахтопластов Кузбасса по размерам выбросоопасных зон в зависимости от значений первой X и второй У главных компонент. Площадь выбросоопасных зон: 1-до 0.015 км2; 2-0,015-0.10км2; 3 - более 0.10 км2; 4 - границы полей различных типов выбросоопасных зон

Установлено, что если соотношения между компонентами X и У удовлетворяют условию

У >-2Х+2, (8)

то шахтопласт характеризуется единичными выбросами и малыми размерами газодинамических зон (первьш тип зон).

При соотношении

-1,5Х- 3 < У < -2X + 2 (9)

шахтопласт характеризуется средними размерами газодинамических зон (второй тип зон).

При соотношении

У <-1,5 Х-3 (10)

шахтопласт характеризуется большими размерами газодинамических зон и большим числом внезапных выбросов в зонах (третий тип зон).

Предложенная классификация шахтопластов позволяет по первичной геологоразведочной документации сделать прогностический вывод относительно размеров зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов и вероятности их подсечения существующей сетью геологоразведочных скважин.

Анализ геолого-маркшейдерской документации позволил автору установить, что более 50% зон газодинамических явлений непосредственно не связаны с плоскостями сместителей дизъюнктивов, а приурочены к точкам перегиба угольных пластов (рис.4).

а

2404 764

6942

6949

Рис. 4. Геологические разрезы и места проявления внезапных выбросов угля и газа:

а - р. л I, пласт Кемеровский, шахта «Северная»; б - р.л. II3, пласт XXI, шахта «Березовская».

е - место проявления внезапного выброса.

Проблематичность подсечения зон единичных выбросов при геологоразведочных работах указывает на необходимость теоретического обоснования и использования выявленной приуроченности газодинамических явлений к точкам перегиба угольного пласта при региональном прогнозе выбросоопасности.

6. Тектонофизический анализ при прогнозе выбросоопасности угольных пластов

В настоящее время доказана повсеместность проявления тектонических процессов в земной коре, в результате чего происходит деформация массива пород и образование складок. Известно, что конечным эффектом деформации является разрушение массива в некоторых зонах.

В теоретических работах и экспериментальных исследованиях Б.Г. Тарасова, А.Н. Ставрогина, Н.Е. Волошина, Е.И. Шемякина и других авторов показано, что сжимающие напряжения не могут привести к разрушению массива горных пород (ибо сжатие способствует уплотнению среды) и причиной разрушения являются растягивающие напряжения или сдвиг. Проведенные в работе теоретические исследования показали, что анализ гипсометрии угольного пласта позволяет прогнозировать характер распределения деформаций в массиве и выделять участки с наибольшими сдвиговыми деформациями и напряжениями. При достаточной величине горизонтальных сил в этих зонах упругие деформации переходят в неупругие, и начинается процесс необратимых деформаций, разрушения и проскальзывания пород по определенным плоскостям. При этом в зонах сдвиговых деформаций образуются микротрещины отрыва, повышается пус-тотность пространства и возникающий перепад порового давления газа приводит к переносу угольной пыли и газа. Насыщение метаном тектонически нарушенного угля приводит к его набуханию, снижению газопроницаемости и формированию зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов.

При доказательстве возможности выделения на геологических разрезах участков с наибольшей сдвиговой деформацией в работе использовался метод конечных элементов (МКЭ), который позволил выявить взаимосвязь вертикальных перемещений массива пород в некоторых узлах с деформациями и напряжениями в любой точке.

Суть этого метода состоит в том, что вертикальный разрез горных пород разбивается на отдельные треугольные конечные элементы, взаимодействующие между собой в узлах сетки. Вертикальные (СО и горизонтальные (V) перемещения любой точки КЭ в пределах треугольника с вершинами (1,2,3) аппроксимируются линейной зависимостью от координат вершин (X, У) в виде

и^сцХ+ъУ+аз , V = р/Х+ р2У + Рз, (И)

где коэффициенты аь а.2, а3 и Д> $, Дз можно определить из системы уравнений, которые в матричной форме записываются в виде:

\и I = А I а\ , I У\ = А | р\ , (12)

где

1 «1 д и, Ух

А = У2 1 .и- «2 > А ' М= и* > м= Уг

Уг 1 «3 А иг Уз

Решения матричных уравнений (12) можно записать в виде

\a\=A-1\u\,\p\=A-¡\v\ (14)

Для геометрической интерпретации коэффициентов a¡ и a¡ из (14) рассмотрены только вертикальные перемещения и конечный элемент в виде прямоугольного равнобедренного треугольника АБС, в результате получены более простые выражения

где Ua , Ub, Uc -вертикальные смещения вершин треугольника ABC с координатами A(X-h, Y-h), B(X,Y), C(X+h, Y-h).

Анализ и геометрическая интерпретация решения уравнений (12) позволили установить, что параметр a¡ характеризует сдвиговую деформацию и совпадает с первой производной функции вертикальных смещений массива пород, а параметр а? характеризует ди-латансию (изменение площади) вертикального разреза и пропорционален второй производной и кривизне функции смещений массива пород. Таким образом, напряжения и деформации являются функциями перемещений, а анализ гипсометрии (вертикальных переме-

щений) позволяет выделить участки угольных пластов с наибольшими сдвиговыми деформациями и напряжениями. Из дифференциального исчисления следует, что первая производная, а следовательно и сдвиговая деформация, достигает наибольшего значения в точках перегиба функции смещений массива пород или в точках перегиба угольного пласта.

Приуроченность динамических и газодинамических явлений к точкам перегиба угольных пластов позволяет сформулировать механизм формирования очагов этих динамических явлений с позиций тектонофгоики следующим образом: если тектонические процессы в массиве пород привели к складкообразованию и аномально высоким напряжениям в точках перегиба, но угольный пласт обладает еще упругими свойствами, то происходит формирование зоны высоких сдвиговых напряжений и горных ударов, а если тектонические процессы привели к пластическим деформациям, препарации угля, десорбции и накоплению потенциальной энергии газа, то формируется зона газодинамических явлений.

Согласно закону образования разломов Амонтона, при достижении предела прочности пород под действием тектонических напряжений Ла =ог-сгв происходит разрушение пород в зонах сдвиговых деформаций, проскальзывание массива и формирование разрыва со смещением пород под углом р к напластованию. Полагая, что при формировании разрыва величина угла р отвечает минимуму тектонических напряжений Асг, в работе установлена взаимосвязь угла дизъюнктива Д вертикального напряжения сгд и порового давления воды в плоскости сместителя Рв с величиной тектонических напряжений, которая имеет вид

Аа =

_ 2с1«2Р(<7в - Рв)

1 +

(16)

Анализ полученной зависимости (16) показывает, что величина угла р указывает на знак и величину тектонических напряжений, при этом р < 45" указывает на сжимающие тектонические напряжения {Аа =<7г-<?в> 0), а р >45° - на растягивающие тектонические напряжения (Аа=аг-сгв<0). Приняв в качестве показателей напряженного состояния массива горных пород глубину залегания поверхности метановой зоны Но и верхнюю границу проявления внезапных выбро-

сов угля и газа Не, мы оценили эти показатели для зон сжатия и растяжения и произвели сравнение средних значений Но и Не. В результате сравнительного анализа средних установлено, что мощность зоны газового выветривания Но и глубина проявления газодинамических явлений Не на угольных пластах с углами дизъюнктива /? меньше 45° (зоны сжатия) значимо отличаются от Но и Не, зарегистрированных в зонах растяжения, (табл. 6).

Таблица 6

Результаты сравнения средних значений показателей напряженно-деформированного состояния массива

Угол дизъюнктива, Р Глубина выброса Глубина ПМЗ

Не, м аНв, м Но, м аНо, м

Менее 45° 281 65 99 21

Более 45° 353 102 121 35

*««/*«»( 0,95) 2.3 /1,98 2,2 /1,98

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что точки перегиба угольных пластов указывают на наличие зон с повышенными сдвиговыми деформациями и аномальными тектоническими напряжениями, а угол дизъюнктива ¡3 характеризует тектонические напряжения А а =аг -(Тв, условия миграции метана к поверхности, мощность зоны газового выветривания Н0 и минимальную глубину формирования зон потенциальной газодинамической опасности Не.

7. Прогноз потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса

Выявленные закономерности распределения внезапных выбросов угля и газа позволили создать метод регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов на основе тек-тонофизического анализа результатов геолого-геофизических исследований разведочных скважин.

Разработанный метод прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов включает:

1. Установление критической газоносности угольных пластов и критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа;

2. Классификацию шахтопластов, прогностическую оценку размеров выбросоопасных зон и оценку вероятности их подсечения существующей сетью геологоразведочных скважин;

3. Выявление точек перегиба и геометризацию зон наибольших сдвигающих деформаций и выявленных дизъюнктивных нарушений;

4. Анализ взаимосвязи между диаграммами КС и ГК из зон сдвигающих деформаций и с учетом коэффициента корреляции и природной газоносности угольных пластов - прогноз потенциальной выбросоопасности.

В работе приведен перечень геолого-геофизических показателей, необходимых для регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов, и рассмотрено в качестве примера заключение о выбросоопасности угольных пластов поля шахты "Первомайская" Кемеровского района. В заключении о потенциальной выбросоопасности указаны минимальные глубины проявления внезапных выбросов и потенциально выбросоопасные зоны угольного пласта XXI.

Метод прогноза потенциальной выбросоопасности угольных пластов использовался при составлении "Заключений о критических глубинах появления внезапных выбросов угля и газа при разработке угольных пластов" по каждому шахтному полю в Кузбассе, что позволило опустить критическую глубину появления внезапных выбросов для некоторых шахт до 550 м. Внедрение результатов исследований дало реальный экономический эффект за счёт исключения необоснованного применения прогноза выбросоопасности из забоев подготовительных выработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения зонального проявления газодинамических явлений для обоснования критериев и метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов, совокупность которых можно квалифицировать как крупное достижение в области охраны труда, обеспечивающее повышение газодинамической безопасности и социально - экономической эффективности при ведении горных работ.

Выполненные исследования позволяют сделать основные научные выводы и рекомендации:

1. Наиболее перспективным направлением при разработке методов оценки природной газоносности и потенциальной выбросоопас-ности угольных пластов является использование результатов изучения электрического сопротивления (диаграммы КС) и естественной радиоактивности горных пород (диаграммы ГК) стандартных геофизических исследований разведочных скважин в качестве интегральных показателей физических свойств угля и вмещающих пород, определяющих геомеханическое состояние массива горных пород.

2. Установлено, что глубина залегания угольного пласта, угол его падения, электрическое сопротивление вмещающих пород, снятое с диаграммы КС (показатель степени метаморфизма угля), радиоактивность угля (показатель зольности) и радиоактивность вмещающих пород (литологический состав кровли и почвы), снятые с диаграммы ГК, взаимосвязаны с природной газоносностью угольных пластов. Впервые получена многофакторная зависимость (коэффициент множественной корреляции равен 0,85), на основе которой разработан способ определения газоносности угольных пластов (A.C. № 883513), позволяющий по первичным геолого-геофизическим данным вычислить газоносность угля в любом пластопересе-чении, расширить сеть прямого газового опробования и установить мощность зоны газового выветривания и градиент нарастания мета-ноносности на отработанных шахтопластах.

3. Мощность зоны газового выветривания и градиент метано-носности являются показателями природной газоносности угольных пластов и наиболее информативными региональными признаками выбросоопасности угольных пластов. На основе установленной закономерности изменения минимальной глубины проявления внезапных выбросов от мощности зоны газового выветривания, градиента нарастания метаноносности, выхода летучих веществ из угля, содержания фюзинига, угла падения угольного пласта и угла дизъюнк-тива разработан и внедрен в практику метод по прогнозу критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа на угольных месторождениях Кузбасса. Получено, что прогнозная критическая глубина появления внезапных выбросов угля и газа для месторождений Кузбасса изменяется от 150 до 650 м и соответствует фактическим глубинам проявления газодинамических явлений.

4. Зональность внезапных выбросов угля и газа обусловлена тектоническими процессами, газодинамические зоны приурочены к зонам сдвиговых напряжений и деформаций, имеют линейно-вытянутые формы, близкие к эллипсу, с размерами малой оси от 75 до 150 м и большой оси от 250 до 1350 м и для подсечения зон единичных выбросов существующая сеть геологоразведочных скважин имеет недостаточную плотность.

5. Размеры газодинамических зон и количество внезапных выбросов в зоне определяются природными факторами, основные из которых: степень метаморфизма угля, содержание фюзинита, скорость современных движений земной поверхности, угол падения угольного пласта, изменчивость угла,падения, угол дизъюнктива, мощность зоны газового выветривания и градиент метаноносности.

6. Потенциально выбросоопасные зоны угольных пластов формируются тектоническими процессами, и механизм формирования зон выбросоопасности состоит в том, что под действием тектонических сил происходят складкообразование, перераспределение напряжений, а в областях повышенных сдвиговых напряжений упругие деформации переходят в неупругие, что приводит к разрушению угля и формированию трещин отрыва и очагов нарушенных углей с низкой газопроницаемостью. Аналитически доказано, что на геологических разрезах зоны повышенных сдвиговых деформаций и напряжений приурочены к точкам перегиба угольного пласта.

7. Величина угла дизъюнктива отражает тектонические напряжения в области разрыва. Теоретически доказано и статистически подтверждено, что угол дизъюнктива менее 45° указывает на сжимающие горизонтальные тектонические напряжения, затрудненные условия миграции метана к поверхности и возможность проявления внезапных выбросов на меньшей глубине. Угол дизъюнктива более 45° указывает на растягивающие тектонические напряжения, которые способствуют дегазации угольных пластов и увеличению глубины проявления внезапных выбросов.

8. Предложенный метод оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов основан на анализе результатов геологоразведочных работ и включает определение критической глубины появления внезапных выбросов и критической газоносности угля, выявление зон повышенных сдвиговых деформаций и оценку потенциальной выбросоопасности пластопересечений из этих зон по результатам газового опробования и геофизических исследований в разве-

дочных скважинах. Критерием выбросоопасноети зон сдвиговых деформаций и дизъюнктивных нарушений являются природная газоносность угольных пластов и отсутствие закономерной взаимосвязи между значениями кажущегося электрического сопротивления пород (диаграммы КС) и их естественной радиоактивности (диаграммы ГК), оцениваемой по коэффициенту корреляции (A.C. № 1810574).

9. Результаты исследований по оценке потенциальной выбросоопасноети угольных пластов использованы при составлении каталога выбросоопасных глубин угольных пластов действующих и проектируемых шахт Кузбасса, включены в "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа", позволили опустить критическую по внезапным выбросам глубину ведения горных работ для некоторых шахт до 550 м и получить экономический эффект за счёт исключения необоснованного применения прогноза выбросоопасности из забоев горных выработок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии

1. Кнуренко В.А., Рудаков В.А., Егоров П.В., Сурков A.B. Региональный прогноз выбросоопасности угольных пластов Кузбасса. -Кемерово. 1997.-119 с.

2. Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Зональность газодинамических явлений в шахтах Кузбасса / Под.ред. д.т.н., проф. П.В.Егорова. -Кемерово: КузГТУ. 1998. - 227 с.

Авторские свидетельства

3. A.C. № 715 809. Способ определения выбросоопасной глубины разработки угольных пластов / Тарасов Б.Г., Кнуренко В.А., Кнуренко JT.M./ Опубл. в 1980, Бюл. № 6.

4. A.C. № 883513. Способ определения природной газоносности угольного пласта / Батугин С.А., Боев А.И., Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М. / Опубл. в 1981, Бюл. № 43.

5. A.C. № 1810574. Способ оценки выбросоопасности угольных пластов / Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М., Суровцев Б.Г./ Опубл. в 1993, Бюл. №15.

Статьи в журналах и сборниках трудов

6. Тарасов Б.Г., Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М. Оценка ожидаемой выбросоопасной глубины разработки шахтопластов Кузбасса по геологическим данным // Вопросы рудничной аэрологии: Сб. науч. тр. № 4/Кузбасс. политехи. ин-т.-Кемерово, 1976,- С. 25-28,

7. Тарасов Б.Г., Батугин С.А., Боев А.И., Кнуренко В.А. Определение природной газоносности угольных пластов по геологическим факторам // Вопросы рудничной аэрологии: Сб. науч. тр. №. 4 / Кузбасс, политехи, ин-т. - Кемерово, 1976. - С. 63-65.

8. Кнуренко В.А. Зависимость глубины появления внезапных выбросов от изменчивости газоносности // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело: Научно-техн. реф. сб./ ЦНИЭИуголь.-М.,1981.- С.11-12.

9. Кнуренко В.А. Оценка газоносности угольных пластов по геолого-геофизической документации скважин // Известия высш. учебн. завед. Геология и разведка, 1981. -№ 2. - С.136-138.

10. Кнуренко В.А. Определение природной газоносности угольных пластов по данным геолого-геофизических исследований разведочных скважин //Геологические методы поисков разведки месторождений твердых горючих ископаемых: Экспресс-информация /ВНИИ экон.минер. сырья и геол.- разведочн.работ. - М., 1981. Вып.6. - С. 1-9.

11. Кнуренко В.А. Исследование факторов, определяющих природную газоносность пластов Кузбасса // Уголь Украины, 1982.-№ 5. -С.38.

12. Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М. О взаимосвязи изменчивости газоносности угольных пластов Кузбасса с их выбросоопасностью // Уголь Украины, 1982. -№10. - С. 26-27.

13. Кнуренко В.А. О глубине появления внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе // Технология строительства горных выработок: Межвузовский сб.научн.тр./Кузбасс. политехи, ин-т. -Кемерово, 1985. -С. 34-37.

14. Кнуренко В.А. Определение оптимального объема газового опробования с помощью теории информации // Вопросы аэрологии, охраны труда и природы: Межвузовский сб. научн. тр. / Кузбасс, политехи. ин-т.- Кемерово, 1985,- С. 43-47.

15. Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М. Применение методов распознавания образов для прогноза критической выбросоопасной глубины в Кузнецком бассейне // Геологические методы поисков и развед-

ки месторождений тверд, горюч, ископаемых: Экспресс-информация / ВНИИ эконом, минер, сырья и геологоразведочных работ. -М, 1986. Вып.1,- С. 1-5.

16. Егоров П.В., Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Прогноз критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа на угольных месторождениях Кузбасса по геологоразведочным данным // Управление газодинамическими явлениями в шахтах: Сб. научн. тр./ ИГД СО АН СССР.-Новосибирск,1986,- С. 141-143.

17. Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М., Швыдко С.М. Определение критической газоносности угольных пластов в условиях Кузбасса. -Рукопись деп. в ВИЭМС 26.05.87 №942-МГ 1987. - 9 с.

18. Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М., Рудаков В.А. Зональность внезапных выбросов угля и газа в шахтах Кузбасса // Управление га-зовьщелением в шахтах: Межвуз. сб. науч. тр. / Кузбас. политехи, ин-т. -Кемерово, 1992. - С.71-76.

19. Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Особенность распределения зон газодинамических явлений в Кузбассе // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт Российского метанового центра - Кемерово: Институт угля СО РАН, 1998. - №1. С.21-22.

Статьи в трудах совещаний, семинаров, конференций

20. Кнуренко В.А. Прогноз природной газоносности угольных пластов по геофизическим параметрам // Методика разведки, повышения качества и эффективности геологоразведочных работ на твердые горючие ископаемые: Тез. докл. Всесоюзн. совещания,-Ростов-на-Дону, 1977.-С. 186-187.

21. Кнуренко В.А. Оценка выбросоопасной глубины разработки угольных пластов // Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будущего: Тез. докл. Всесоюзн. науч. конф. вузов СССР с участием научно-исслед. ин-тов.-М,- 1982. - С.87-88.

22. Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М. Использование геологических факторов при изучении современных движений земной поверхности Кузбасса //Планетарные геофизические исследования: Тез. докл. Симпозиума КАПГ по изучению современных движений земной коры.-Дагомыс, СССР, 1988. - С. 134-135.

23. Кнуренко В.А., Кнуренко Л.М., Суровцев Б.Г. Геофизическая информация и ее использование при региональном прогнозе выбро-соопасности угольных пластов // Информатика недр: Тез. докл. II Всесоюзного семинара. - Кемерово, 1989.- С. 85.

24. Кнуренко В.А., Кнуренко JT.M. О возможности изучения тектонических движений по данным геологической разведки // Информатика недр: Тез. докл. 11 Всесоюзного семинара. - Кемерово, 1989. - С. 86.

25. Кнуренко В.А. О разработке методики выделения выбросо-опасных зон угольных пластов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. Всероссийской научно-практ. конф. - Кемерово, -1994. - С. 74.

26. Беспятов Г.А., Егоров П.В., Кнуренко В.А. Механизм образования выбросоопасных зон угольных пластов. - Кемеровский ЦНТИ, 1996, Серия Р-052.01 93 № 192-1996. - 5 с.

27. Егоров П.В., Кнуренко В.А. Методика прогноза выбросо-опасности угольных пластов Кузбасса по данным геологоразведочных работ: // Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. IV Международной научно-практической конференции. Новокузнецк,-1997.- С. 169-170.

28. Кнуренко В.А., Кнуренко A.B. О влиянии гипсометрии на выбросоопасность угольного пласта // Подземная разработка угольных и рудных месторождений : Сб. науч. тр./ Кузбасс, госуд. техн. университет. - Кемерово, 1997. - С. 42-49.

29. Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Опыт применения методики прогноза верхней границы проявления внезапных выбросов угля и газа // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Тез. докл. Международной научно-практической конференции. - Кемерово, 1997. - С. 176-177.

Нормативные и методические указания (составленные с участием автора)

30. Временная методика по прогнозу критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа на угольных месторождениях Кузбасса по геологоразведочным данным. - Кемерово: ВПО "Кузбассуголь", 1982. - И с.

31. Методика оценки выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным. -Кемерово: ВостНИИ, 1989. - Юс.

32. Временная методика разграничения угольных пластов ниже критической выбросо опасной глубины на опасные и неопасные по внезапным выбросам угля и газа. - Кемерово: ВостНИИ, 1996,-18 с.

Заказ 505 Тираж 100 экз.

Лицензия ЛР й 020313 Подписано в печагь 24. 08.98г.

Формат 60x84/ 1.6 Бумага офсетная. Печать офсетная. Кузбасский государственный технический университет ул. Демьяна Бедного, , 650026, Кемерово

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

/р/»

УДК 622.831.322 «313» (043.3)

ИПРОП

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

3ЗОНАЛЬВ В ШАХТАХ

Диесертащиж

НаучЕоый консультант доктор технических наук, ; дрофещщ П. В. Егоров

. / - / ^ ■ - ¿Г

■ - ^

гехм'сл «-¿у ......................

СОДЕРЖАЕПИПЕ

ВВЕДЕНИЕ б

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЫБРОСООПАСНЫХ

ЗОН УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 16

1.1. Общие сведении о внезапных выбросах угж и газа 16

1.2. Анализ методов прогноза выброеоопасной

СКВАЖИН ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИРОДНОЙ ГАЗО=

НОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 70

метана в угольных пластах

га

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА . ПРОГНОЗА КРИТИЧЕСКОЙ ГЛУБИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ 11:

Взаимосвязь выбросоопасной глубины и га

4.3. Оценка информативности признаков при

минимальнои глубины проявления внезапных

К

4.5. Метод прогноза критической глубины появлении V.

угж и газа

1:

ГАЗОдаНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИИ В КУЗБАССЕ 14:

Зональность внезапных выбросов угж и газа в Кузбассе по площади 14:

зон геологоразведочными скважинами

3„

4. Приуроченность зон газодинамических явлений ж

и.

точкам перегиба

тектонофи: прогнозе вь:

пластов

кросоопасности угольных

.3. ш

прогноз потенциальном выбросоопасности угольных пластов

внезапных выбросов углж и газа

по результатам геофизических исследований

Прогностическая классификация XXI пласта на

поле шахты "Первомайская"

Оценка вероятности шдеечения искомой

Приложение 1. Технический акт использования

п

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы подземной добычи на угольных месторождениях Кузбасса и технико-экономические показатели работы шахт в значительной мере ©пределиотсж горно-геологическими условиями разработки. Рмпгмичнаж и эффективна« работа шахт будет зависеть от точности прогнозов горно-геологических условий разработки пластов, в том числе и от достоверности изучения природной газоносности и выбросоопасности угольных пластов. За последние 13 лет (1985=1998гг.) в горных выработках шахт Кузбасса зарегистрировано 26 внезапных выбросов угля и газа, и их общее число достигло 190. Катастрофические последствиж некоторых из выбросов и высокий травматизм указывают на необходимость совершенствования методов прогноза выбросоопасности угольных пластов, в том числе и регионального. Практика ведения шрных работ показала, что внезапные выбросы на каждом месторождении про-жвлжготсж зонально и на различной глубине от поверхности. При этом площадь выбросоопасных зон не превышает 10% площади выбросоопасньж шахтогшастов, а минимальнаж глубина прожвле-ниж внезапных выбросов изменжетсж от 150 до 710 м. Проведение локального и текущего прогнозов выбросоопасности при ведении

горных выработок в неопасных зонах и с глубины 150 м, как пре-

_ _

^усматривалось ранее действующими нормативными документами, сопровождалось необоснованными периодическими остановками забож, снижением производительности труда до 20% и увеличением себестоимости 1 т угля до 40%. Поэтому знание критической глубины появления выбросов и зон потенциальной выбросоопасности = как на этапе отнесения шахт и участков к перспективным, так и на стадиях ведения горных работ = имеет важное со-

циажно-жономическое значение.

Практика разработки выбросоошсных угольных пластов показывает, что газодинамическая активность горного массива может быть значительно снижена применением научно-обоснованных инженерных решений. Очевидно, что длж успешного решениж важнейшей научной и социально-экономической проблемы борьбы с газодинамическими жалевшими необходимо предусмотреть региональные и локальные противовыбросные мероприятия еще при проектировании горных работ на новых горизонтах и шахтах, в связи с чем надо заранее располагать данными о зонах потенции альной выбросоопасности угольных пластов.

Вышеизложенное обусловило актуальность научной проблемы теоретического обоснования зональности газодинамических явлений и создания метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов, основанного на анализе данных геологоразведочшьж работ.

Таким образом, проблема борьбы с внезапными выбросами угж и газа включает в себя рассматриваемую в диссертационной работе проблему регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов. На важную научную и практическую значимость решаемой в диссертации проблемы указывает тот факт, что Государственный комитет СССР по науке и технике и Академия наук СССР утвердили в 1985 г. Всесоюзную научно-техническую программу 0.05.05 "Создать и внедрить методы и средства прогноза и предотвращении внезапных выбросов угж, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли в угольных шахтах" (№ 555 от 30 октября 1985 г.). Эта программа'предусматривала работу 0160034000 = 081 "Разработать и внедрить методику по прогнозу выбросоопасности угольных пластов при геологоразведочньж работах в основных угольных бассейнах страны", в которой автор принимал участие.

басса, позволяющего на стадии проектирования горных работ повысить надежность прогноза выбросоопасности и эффективность

ея работы состоит в том, что зоны потенциальной газоди-

намической опасности сформированы на газоносных угольных

пластах в результате сдвиговых деформации при тектонических

электрического сопротивления высокоомных вмещающих пород. Методы исследовании. В работе решение поставленных з

низма газодинамических явлении, выдвижение научной гипотезы

сти и потенциальной выбросоопасности угольных

газ пластов.

нирическии метод включает: выдвижение статистиче=

скои гипотезы, выС

угольных пластов из горных выработок.

Объектами исследований служили шахты, в которых при

Научные пшшжеыиж, защищаемые в диссертации:

= результаты стандартных геофизических исследований разве-дочньж скважин являются самостоятельными интегральными показателями газоносности и выбросоопасности угольных пластов, так как между геомеханическим состоянием и геофизическими характеристиками массива пород существуют тесные связи;

- газоносность угольных пластов от поверхности метановой зоны увеличивается затухающими темпами по параболической зависимости с увеличением глубины залегания, электросопротивления вмещающих пород и снижением естественной радиоактивности угля, при этом мощность зоны газового выветривания на шахтах Кузбасса изменяется от 30 до 350 м, градиент - от 2.0 до 15.0 м А Л 00м, а их отношение является наиболее информативным показателем выбросоопасности;

- верхняя граница проявления внезапных выбросов угля и газа закономерно изменяется от150до710ми минимальные глубины будут отмечаться на крутонжлонных угольных пластах, ослож-

Л е-О

ненных дизъюнктивами с углами менее 45 и характеризующихся мощностью зоны газового выветривания 80=100 м, градиентом ме-таноносности более 8 м АЛ 00м, выходом летучих веществ 20-24% и содержанием фюзинигга 40-50%;

- внезапные выбросы угж я газа распределены зонально, зоны газодинамической активности приурочены к точкам перегиба угольных пластов, имеют вытянутые формы и размеры зон потенциальной выбросоопасности определяются природными факторами;

- между показателями тектонических напряжений, с одной стороны, и размерами выбросоопасных зон, с другой стороны, существует определенная зависимость: чем меньше мощность зоны газового выветривания и выше градиент метаноносности, чем больше угол падения пласта, его изменчивость и скорость совре-

менных вертикальных движений земной поверхности, тем больше размеры зон и меньше глубина их залегаыиж;

= зоны газодинамической активности формируются при складкообразовании в точках перегиба слоев, где возникают аномальные сдвиговые деформации, приводящие к разрушению и перетиранию угля, образованию разрывных нарушений, значительному снижению электрического сопротивления высокоомных горных пород и уменьшению взаимосвязи между значениями электросопротивлений и радиоактивностью вмещающих пород;

- при образовании разрывных нарушений направление перемещения висячего блока нарушении характеризует тектонические напряжения в массиве, условия миграции метана к поверхности и глубину проявления внезапных выбросов;

- прогноз потенциальной выбросоопасносш зон угольных пластов по геологоразведочным данным включает определение минимальной выбросоопасной глубины разработки и критической газоносности угольных пластов, классификацию шахтопластов по размерам выбросоопасыых зон, выявление и геометризацию точек перегиба и интерпретацию результатов стандартных геофизических исследований разведочных сжважин.

= обоснована взаимосвязь природной газоносности и потенциальной выбросоопасносш угольных пластов с результатами стандартных геофизических исследований в разведочных скважинах, которые объективно отражают геомеханическое состояние массива горных пород;

- впервые установлено, что между природной газоносностью угольных пластов и геолого-геофизическими признаками, характе-

ционные свойства углж, газопроницаемость вмещающих пород и условия залегания, существует тесная корреж-ционная связь (коэффициент жоррежции 0,85), на основе которой

©тан новым способ косвенной оценки природной газоносности угольных пластов (A.C. № 883513) и установлено распределение мощности зоны газового выветривания и градиента метано-носности на выброеоопаеных шахтопластах;

- выявлены наиболее информативные региональные геологические показатели выбросоопасности угольных пластов, получена статистическая зависимость между положением верхней границы проявления внезапных выбросов, степенью метаморфизма угля, показателями природной газоносности и напряженно-деформированного состояния массива (A.C. № 715809);

= предложена классификация шахтопластов, позволяющая по комплексу первичной геологоразведочной информации оценить степень выбросоопасности и размеры зон потенциальной газодинамической активности угольных пластов;

= впервые обоснована приуроченность зон газодинамической активности к точкам перегиба угольных пластов и установлена взаимосвязь выбросоопасности зон угольных пластов с геомеханическим состоянием и физическими свойствами вмещающих пород, оцениваемых по геофизическим исследованиям КС и ГК разведочных скважин (A.C. № 1810574);

- установлена взаимосвязь величины угла дизъгонктива с тектоническими напряжениями, глубиной залегания поверхности метановой зоны и верхней границей проявления внезапных выбросов;

- разработан ж реализован метод регионального прогноза вы-броеоопаеноети угольных пластов Кузбасса, позволяющий по результатам первичной геолого-геофизической документации произвести оценку критической глубины появления внезапных выбросов и выявить зоны потенциальной выбросоопасности угольных пластов на стадии проектирования новых шахт и текущего планирования горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением теоретического и эмпирического методов исследований, включающих научный анализ, обобщение-и объяснение;

- использованием современных теоретических представлений о причинно-следственных связях в геологии газов угольных месторождений и природе внезапных выбросов угля и газа;

= обработкой более 15000 первичных геолого-геофизических показателей, снятых с геофизических диаграмм и геологических разрезов из различных районов Кузбасса;

- обработкой более 10000 результатов шахтных измерений показателей выбросоопасности угольных пластов, полученных при ведении горных работ на 40 выбросоопасных шахтопластах;

- удовлетворительной сопоставимостью результатов прогноза природной газоносности угольных пластов косвенным и прямым методами;

- практикой ведения горных работ и соответствием результатов регионального прогноза потенциальной выбросоопасности угольных пластов фактической выбросоопасности в условиях Кузбасса.

-в теоретическом обосновании использования диаграмм КС и ГК для оценки природной газоносности и выбросоопасности

ровании зон газодинамическом активности и установлении Крите-рвя выбросоопасности этих зон;

- в разработке и внедрении метода регионального прогноза зон потентщальной выбросоопасности по результатам геологоразведочных работ.

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении приуроченности динамических и газодинамических жв-лении к зонам сдвиговых деформации и напряжении угольного пласта, что может быть использовано при обосновании единой тектонофизической природы геодинамических явлений и разработке методов их прогноза и предотвращении.

Практическая значимость работы заключена в разработке методов косвенной оценки природной газоносности угольных пластов и регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности, которые используются на шахтах Кузбасса и позволяют без дополнительных исследовании и затрат повысить достоверность прогноза газоносности угольных пластов и их потенциальной выбросоопасности до начала эксплуатации шахтоюшаета. Снижение на ряде шахт критической по внезапным выбросам глубины ведения горных работ до 550 м дало значительный экономический эффект за счет исключения необоснованного применения локального и текущего прогнозов выбросоопасности из забоев подготовитель-

ним и практические рекомендации автора включены во "Временную методику по прогнозу критической глубины пожвле= ниж внезапных выбросов угля и газа на угольных месторождениях Кузбасса по геологоразведочным данным88 (г. Кемерово, 1982 г.); "Методику оценки выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным" (г. Кемерово, 1989 г.); "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам углж, породы и газа" (М„, 1989 г.); "Временную методику разграничения участков угольных пластов жиже критической выбросоопасной глубины на опасные и неопасные по внезапным выбросам углж и газа" (г. Кемерово, 1996 г.). Результаты исследования газоносности угольных пластов и их выбросоопасности включены трестом "Кузбассуглеразведка55 и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедицией в отчеты по детальной разведке и были использованы при составлении проектов строительства шахты "Глушинская55 и "Томусинская5,„ Результаты прогноза критической глубины ножв-ления внезапных выбросов углж и газа используются при составлю нии каталога выбросоопасньж глубин угольных пластов действующих и проектируемых шахт Кузбасса.

Апробация, работы. Работа и отдельные ее этапы докладывались на V Всесоюзном угольном совещании (г. Ростов-на-Дону, 1977г.), на Всесоюзной школе по обмену передовым опытом по методам обработки первичной геолого-геофизической документации угольных скважин (г. Красноярск, 1978г.), на Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (г. Москва, 1982г.), на технических совещаниях в тресте "Кузбассуглеразведка" Минуглепрома СССР (г. Кемерово, 1983г.) и Северо-Кузбасской геологоразведочной

экспедиции Министерства геологии РСФСР (г. Ленинск-Кузнецкий, 1983п), на II Всесоюзном семинаре "Информатика недр" (г. КемеровоД 989г.), на Всесоюзной научно-практической конференции " Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1994г.), на IV Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (г. Новокузнецк, 1997г.), на Международной научно-практической конференции "Природные и инь тежектуальные ресурсы Сибири" (г. Кемерово, 1997г.), на научном семинаре лаборатории борьбы с внезапными выбросами угля и газа и дегазации пластов ВоетНИИ (г. Кемерово, 1998г.).

Автор выражает благодарность сотрудникам названных кафедр за содействие, сотрудникам лаборатории борьбы с внезапными выбросами и дегазации пластов ВоетНИИ за помощь в получении информации о внезапных выбросах угля и газа в горных выработках шахт Кузбасса и внедрении результатов, а также научному консультанту работы докт. техн. наук, профессору П.В. Егорову за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов.

1 .СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЫБРОСООПАСНЫХ ЗОН УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

1.1. Общие сведения о внезапных выбросах угли и газа

Внезапные выбросы углж и газа - быстропротекающие лавинообразные процессы разрушения угольного пласта и выноса тонко-измельченного углж газом из забоя выработки - по своей природе носят характер катастроф, характеризующихся большими объемами разрушении горных выработок, выделением значительного количества метана, а также повышенным травматизмом горнорабочих, в том числе и со смертельным исходом. Выбросы углж и �