автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование термодинамических условий формирования потенциальной выбросоопасности и обоснование прогноза внезапных выбросов

Министерство топлива н энергетики Российской Федерации Российская академия наук Институт горного дела им.А.А.Скочинского

рг; од

Л.

УДК 622.831,322"313":536

На правах рукописи

1 г<

' I? 1 Г.'.!

Ольга Николаепна МАЛИНШ1КОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

ФОРМИРОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ВЫБРОСООПАСНОСТИ И ОБОСНОВАНИЕ ПРОГНОЗА ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

Специальность 05.15.11 -"Физические процессы горного производства" Специальность 05.26.01 -"Охрана труда".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

ГаГчтга выполнена п Институте горного дела им.Л.Л.Скочинского.

Научный руководитель -

локтдехн.наук.чл.-коррАНИ ГФ Г.Н.ФеГгг

Официальные оппоненты:

докт .техн.наук, проф. С.Е.Чирков, канлтехн.иаук Л.Ф. Клебанов

Ведущее предприятие - НосгНПИ, г.Кемсрово

Лвюрефсря! ралослаи г/у^ сС'с-^ОС_11996 г.

Защита диссертации состоится^Ьа^" 1996 г. а ч

на .таселлнкн диссертационного сопста Д-135.05.03 в 11ГД нмЛА.Скочинского (М0004, гЛюбсрцы Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Опывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г Люберцы Московской области, ИГД нмААСкочииского.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн.наук,профессор

Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие горнодобывающей промышленности связано с дальнейшим увеличением глубины разработки угольных нласгоп, что влечет за собой усложнение условии горных работ. Все более сложным и ответственным счанонигся про| позирование газодинамических явлении и обеспечение безопасности труда шахтеров. С переходом на более глубокие горизоты меняется физическая картина проявления выбросоопасности: изменяются условия нахождения газа » угле, усиливается газодинамическая активность угольною массива, инициируемая ростом горнот даш1снпя, внезапные выбросы становится более мощными по количеству выброшенного угля и газа на один выброс. В связи с этим еще более актуальными становятся исследования роли газа в подготовке очага и развязывании внезапного выброса, определение запасов энергии угольного пласта, реализующихся в виде внезапного выброса, выявление очагов, обладаюннгх запасами энергии, достаточными для развязывания газодинамических явлений, и установление закономерностей изменения потенциальной выбросоопасности с увеличением глубины горных работ.

Диссертационная работа посвящена вопросу определения роли газа в формировании выбросоопасной ситуации и возникновении внезапного выброса. Этот вопрос остается по-прежнему наиболее сложным и дискуссионным в теории газодинамических явлений, его решение необходимо для совершенствования существующих и создания новых способов прогноза и предупреждения внезапных выбросов.

Цель работы. Исследование термодинамических условий, при которых заключенный в угле газ может способствовать возникновению и развитию выбросоопасной ситуации, для обоснования потенциальной выбросоопасности угольного пласта и прогноза внезапных выбросов.

Основная идея работы заключается в расчете энергии заключенного в угольном пласте газа, принимающего участие в процессе выброса, по изменению термодинамического состояния газа при расширении и создании на этой основе метода определения степени (категории) потенциальной выбросоопасности уголыгых пластов.

Методы исследований. В работе использовались методы термодинамики, математической статистики, математической физики, физического моделирования, статистической обработки шахтных

данных и экспериментальной проверки предложенных решений в шахгных условиях, анализа литературных источников. Научная понизил работы:

разработана методика расчета энергии газа, которая может быть затрачена на совершение работы при выбросе угля и газа, основанная на использовании термодинамических функций состояния (энтальпии) и уравнении Ван-дср-Ваальса для описания состояния реального газа;

подучены корреляшюпные соотношения между геологоразведочными и газодинамическими показателями, позволяющие рассчитывать всю энергию газа на основе стандартного для каждой скважины набора данных геологоразведки;

установлено, что изменение энтальпии в процессе расширения газа (удельная энергия газа), зависящее от газоносности, температуры, сорбционных свойств и технического анализа угля, является комплексным газовым показателем выбросоопасности, имеющим более высокую статистическую значимость при разделении ситуации на опасные и не опасные по внезапным выбросам, чем применяемый в Донецком бассеГше нормативный газовый показатель ,Y0T„;

установлен э<]м}>скт "дополнительной сорбции", связанный с днлагпненей газонасыщепного угля в условиях неравнокомпо-нсишого обч-емиого напряженного состояния, который проявляется при достижении нагрузки 0,7-0,8 от разрушающей и может создавать впс|)едн забоя, в зоне пригрузки, выбросоопасную область нарушенного угля с повышенным содержанием метана;

показано, что чем более мощным является внезапный выброс (но количеству выброшенного угля), тем меньшая часть запасенной пластом энерпш рассеивается, т.е. тем больше коэффициент ноле »кого действия выброса (процентное отношение суммы совершенных работ к сумме запасенной энергии);

получены численные оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов, показывающие, что при углублении горных работ тлепииальная выбросоонасность пластов в Северном Кузбассе будет возрастать, значительно превышая выбросоонасность пластов в Донбассе на тех же глубинах, t ta защиту выносятся:

методика расчета энергии газа, которая может бьггь затрачена на совершение работы при выбросе угля к газа, основанная на уюте изменения термодинамического состояния реального газа при

расширении и корреляционных соотношениях между геологоразведочными и газодинамическими показателями, позволяющая рассчитать энергию газа но геолого-геофпзическнм данным, вчодя-н1им в стандартный набор для каждой скважины;

изменение энтальшш метана нри расширении в качееше комплексного показателя выбросоопасности но газовому фактору;

аффект "дополнительной сорбции", обусловленный лилаглнен-eii газонасышспного угля и условиях неравнокомнонент iioio ибь-емного напряженного состояния, проявляющийся нрн превыше•• ими нагрузки 0,7-0,К от разрушающей и создающий опереди »абия область нарушенного угля, способного аккумулировать дополни-тсльнос количество метана;

обоснование прогноза выбросоопасности но количеству газа, выделяющегося и каждом цикле сотрясательного взрывания при проведении подготовительных выработок;

прогнозные количественные оценки и закономерности изменения потенциальной выбросооиасности угольных пластов с увеличением глубины горных работ для шахт Северного Кузбасса;

метод определения степени (категории) потенциальной выбросооиасности угольных пластов для условий Кузнецкого бассейна, основанный на критери выбросоопасности, включающего энергию газа, которая может реализоваться в процессе выброса.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами теоретических, лабораторных и шахтных экспериментальных исследований, представительным объемом выборок данных по пластопересечениям и но внезапным выбросам на пластах Донецкого и Кузнецкого бассейнов, а также промышленными испытаниями "Метода определения степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ" в Кузбассе, показавшими возможность выделения невыбросоопасных зон на угрожаемых шахтопластах ниже критической глубины разработки. Практическая ценность и реализация работы заключается: в выявлении термодинамических особенностей поведения системы "уголь-метан" на стадии подготовки выбросоопасной ситуации, которые могут служить основой для поиска новых надежных инженерных критериев прогнозирования газодинамических явлений;

в количественном обосновании роста с увеличением глубины разработки потенциальной выбросоопасности угольных шахто-пластов Северного Кузбасса но газовому фактору, что может ис-

ноль ютиться при уточнении выбросоопасносги пластов и их зон ниже иринннщ нормативной выбросоопасной глубины разработки и выборе прошвовмброспых мероприятий н технологий при переходе пп более глубокие горизонты;

п p;r»p;iGoiKc методики расчета энергии газа, принимающего учоеше it процессе внезапного выброса, и критерия выбросоонас-noetti но 1 а юному фактору, пошедших в "Метод определения...", применяемый па шахтах АООТ "Ссвсрокузбассуголь".

Апробация_работы. Основные положения диссертационной

рабий.!, а также ее отдельные результаты До клады пал i ici, на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятии" (Москва, 1980), Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" (Симферополь, 1987, 1990), XII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подипоиитсльных выработок (Алма-Ата, ИГД АН Каз. ССР, 1990), Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, юркой науки и производства (Санкт-Петербург, 1993), Международной конференции по механике горных пород (Москва, 199.1), научном семинаре отделения рудштчной аэрологии ИГД им.А.А.Скочинского (Люберцы 1995),

Публикации. Но теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Обтсм работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения « содержит 156 страниц машинописного текста, «И рисунка, 12 таблиц, список литературы из 92 наименований и 'I приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

П iJiajic ] рассматривается состояние вопроса. Участию газа в ил/и отопке и ратвязьшанпи ипезаппого ныброса посвящено большое количество работ. Этой проблеме уделяли внимание А А {.'кочинский, В.О.Ходот, А.Т.Айруни, А.Д.Алекссев, В.А.Бобин, Л.Н.Пыков, Ю.Ф.Васючков, Н.В.Зверев, А.Ф.Клебанов, С.H KyiHciion, . Б.М.Иванов, А.Э.Пстросян, В.Н.Пузыре», С'.А.Христнаповнч, О.И.Чернов, И.Л.Эгтнгср, М.Ф.Яновская, С.А Ярунин и др. Многие исследователи, в том числе считающие основной причиной внезапных выбросов давление горных пород или тектонические напряжения, признают решающую роль газа при выносе разрушенною угля в выработку. Этим вызвано боль-

шое внимание к исследованиям возможности быстрот выделения газа из угля и расчетам запасов энергии, которой располагает этот газ. Опенки возможной работы газа при внезапном выбросе делались В.В. Ходотом, И.В.Бобровым и Р.М.Крпчевским, Г.Н.Фейтом, А.Э.Петросяном, Ф.С.Клебановым, В.Г.Крупспей, Ф.А.Абрамовым, Г.А.Шевелевым, И.М.Петуховым, А.М Линь-ковым и др. При этом предполагалось, что газ (метан) полчиня-' ется уравнению Клайперона-Менделеева, а его расширение происходит в основном по адиабатическому закону.

Обзор работ В.И.Ппколпна, Г.Л.Степановича, Г. 11 Фен га, А.Т.Лпрупи, П.Л.Эп'Ннгсра п др. показал, что с увеличением 1лу-бппы горных работ изменятся не только степень выбросоопасностн угольных пластов, но и особенности ее проявления. В большой мере это обусловлено изменением условии нахождения газа в угольных пластах и ростом горного давления. Вместе с тем, несмотря на важную роль энергии газа и ее соотношения с энергией упругого восстановления угольною пласта, не исследовано изменение этих величин с глубиной. Нет единого мнения по поводу изменения потенциальной выбросоопасностн угольных пластов с увел1Р1снием глубины горных работ. Поэтому в диссертационной работе ставилась задача создания методики расчета работы газа при внезапном выбросе, основанной на учете изменения термодинамического состояния системы "уголь-газ"в процессе расширения газа, разработки критерия потенциальной выбросоопасностн угольных пластов, учитывающего запасы энергии угольного пласта, и проведение количественных оценок изменения потенциальной выбросоопасностн пластов Северного Кузбасса с увеличением глубины горных работ.

Анализ работ Н.Е.Волошина, П.А.Рейнольского, Г.Н.Фейта, Э.И.Гайко, В.С.Маевского, И.А.Рыженко, И.Я.Еремина и др. показывает, что в настоящее время на основе фактического материма найдены некоторые статистические связи (порой противоречивые) изменения температуры в призабойной зоне угольного пласта с его газодинамическими характеристиками и выбросоопасностыо, но нет теоретических и лабораторных исследований, позволяющих объединить экспериментальный материал. Для выяснения этих вопросов выполнен комплекс лабораторных экспериментов, включающий изучение термодинамических особенностей поведения системы "уголь-газ" в условиях предельно-напряженного состояния и разрушения газонасьпденного угля, имеющих важное

значаще при формировании выбросоопаснои ситуации и разработки МГ толов прошита ВМС Cllllll,IX ПЫбрОСОВ.

Lt маис 2 щжачаио. тго pa6oiy газа и процессе расширения можно оцепить по Н1МСПГППК) его термодинамического состояния, п часIиоси! но изменению энтальпии, что точнее отражает реальное соГи-пис и позволяет ушшвать не конкретный процесс расширения, а пачал|.нос и конечное состояния газа. Для описания состипни метна и расчетах использовалось уравнение Ваи-дер-Ma.i'ii.ca, что иопышаег точность расчетов при давлениях до 60 атм па IvW^.

Дчч расчет рабош таза Hj, которую он может совсрипггь при расширении <н давлении Р\ до /j, предлагаются »(юрмуды:

Wt - А// • X • >] ■ d • Ьу0, (1)

1лс Mi - изменение энтальпии газа при расширении (удельная '»перши ! м' una), Дж/м3; X - газоносность пласта, м3/кг; Ч, d -со'чвпспюнно плотности метана в газовой фазе и угля, кг/м3; /><0 • часть tain, которая может выделиться из угля, разрушенного до г-0,75 см (г - приведенный радиус частиц угля в начальной спиши выброса по результатам лабораторного эксперимента) за среднее время протекания выброса 30 с.

М, = /Г,[ 1 - (/>2//>,)у]4 g{PJT^ -(Л2/Р,)'-у] - п(р, - Р2). (2) 1лссь I - R(cv/R + I) / /л g = a(cv / R -1) / ft; /I = c¥/?/(fy);

AS

iiw P - давление таза, Па; Г|- начальная температура газа, К; £ -noKaiaiem. адиабаты; R - универсальная газовая постоянная, Д к/(моль К); rv - теплоемкость газа при постоянном объеме, Л .к/(чо;и. К); |1- молекулярная масса, кг/моль; а, р - постоянные Нан лер-Вадльса.

Дли инженерных расчетов энергии газа используется стан-ларшый дли каждой скважины набор данных, определяемых при 1гото|<|р;п1ю;н)ЧПГ.1х работах. При этом применяются рассчитанные ветчины дямспии газа, полученные в предположении, что launiocnocii. угля X равна сумме 'свободного и сорбированного учлем (аза: P~J[X,7>(ь/>,/7), где b - константы уравнения Лап-iMiopa, м '/кг и Па И - пористость угля, м3/кг. Значения аа, Ь и П

предлагается определять по корреляционным соотношениям, использующим в качестве исходных данные техническою анализа и температуру угля. Коэффициент ¿>зо определяется но экспериментально установленному корреляционному соотношению между 630 и данными каверномегрин нластоиересечепия.

Запасы энергии газа в угольном пласте непосредственно связаны с его вибросоонасностыо, поэтому автором исследовалась возможность использования изменения энтальпии газа при расширении для прогноза выбросоопасностп. Исследования показали, что изменение энтальпии при расширении неидеальиот тала обладает наибольшей информативностью при разделении ситуаций на опасные и неопасные по внезапным выбросам, по сравнению с другими величинами, характеризующими энергию газа, такими как адиабатическая или изотермическая работа расширения газа и величинами, пропорциональными кинетической энергии газа. Для сравнения ДА с существующим нормативным показателем Хотн, применяемым при региональном прогнозе в Донбассе, использовалась выборка из 92 подработанных пластопересечепий Донецко-Макеевского района. Результаты, представленные в виде гистограмм на рис. 1. показывают преимущество использования изменения энтальпии в качестве газового показателя выбросоопасностп.

Исследования термодинамических условий процессов, происходящих при газовыделении из угля и при моделировании разрушения угля в призабойной зоне, приведены в главе 3.

Лабораторное изучение газовыделения из угля проводилось на установке, позволяющей дегазировать и насыщать газом под давлением до 10 МПа образцы угля (или разрушенный уголь) массой 0,4 кг. Между углем и стенками установки помещалась термоизолирующая прокладка. Скорость выпуска газа регулировалась диаметром выходного отверстия. Температура в центре емкости с углем и на выходе из установки, давление в установке и скорость газового потока непрерывно регистрировались датчиками и записывались осциллографом. Опыты проводились на угле из выбро-соопасного (Девятка) и не опасного по выбросам (Песчанка) пластов Донецкого бассейна.

В результате было установлено, что в отсутствие горного давления заметного разрушения угля расширяющимся газом не происходит. Необратимые потери энергии на десорбцию и расширение или дросселирование составляют от 13 до 25% первоначальных запасов энергии выделившегося газа, причем самым энергоемким из всех процессов, происходящих при газовыделении, является дес-сорбция. Потери в большой степени компенсируются притоком

в

Рис.1. Гистограммы (а) и Ali (б) для опасных ( - - - ) и неопасных ( - ) по питанным выбросам пластсшсрсссчсний Донецко-

Максспского района Донбасса

тепла от угля за счет теплообмена. Чем более мощным является пповыделение, тем меньше процент необратимых шнерь оперши. После расширения газ обладает полной энершей, составляющей около 80% от исходной, а на кинетическую энермно ирпходшея около 15% всех ее запасов, только эта энергия может быть использована для совершения механической работы по перемещению угля.

Моделирование процессов разрушения в прнзабойной зоне газонасышепного пласта проводилось на установке, позволяющей создава ть неравнокомпонептное (о-! сг2 = а3) объемное ежа те

га »»насыщенного образца. Образцы угля в установке влкуумнрова-лись, затем насьпцалнсь газом при давлении до 5 МГ1а. Осевая нафузка создавалась прессом с максимальным усилием до 100 МПа, боковое обжатие образца осуществлялось гидравлическим способом с усилием до 20 МПа. Опьггы проводились на образцах угля из особо пыбросоопасных пластов Ливенекий (Лю) и Праско-веевский (Лй) Донецкого бассейна. При проведении экспериментов непрерывно регистрировались осевая сг\ и боковая erj нагрузки, деформация образца s, давление газа Р и температура внутри образца угля Т.

В результате экспериментов установлено, что в области упругих деформаций при увеличении боковой нагрузки на угольный образец, температура образца линейно возрастает на 0,03-0,06 К/МПа. Не замечено влияние давления газа в образце и скорости изменения боковой нафузки на температуру образца. При постоянном боковом обжатии и увеличении осевого давления о\ температура образца повышается на (5+8) Ю-3 К/МПа до достижения о\ величины 0,7-0,8 от предельной нагрузки almax. При дальнейшем увеличении о\ температура угольного образца резко повышается, продолжает расти при разрушении образца и достигает максимального значения в момент выключения пресса или с запаздыванием на 1-2 с.

Разрушение дегазированных образцов угля показало, что приблизительно 80% энергии, полученной от пресса, тратится на нагревание угля в процессе разрушения. Газонасыщенные образцы угля затрачивают при разрушении в тех же условиях на нафевание больше тепла, чем вся энергия, которую они получили от пресса, причем нафевание тем больше, чем выше газонасышеннос'гь угля и степень сжатия угольного образца (рнс.2). Такое аномальное нафевание можно объяснить только дополнительной сорбцией метана в угле, сопровождающейся выделением тепла. Эффскт

"дополнительной сорбции" начинает проявляться при нафузке «Т|~0,7-0,Но)тах и обусловлен процессом дилатансии - увеличением объема угля нод действием неравнокомпонентной нафузки из-за опережающего роста поперечных деформаций и увеличения мгновенных значений коэффициента бокового распора достигающего значения 0,5 и более. При этом рост числа и длины трещин, а при дальнейшем увеличении напряжения и их раскрытие, ведет к возрастанию пусготности угольного массива, делая доступной для дополнительной сорбции метана систему замкнутых пор и вновь образованных поверхностей.

Рис.2. Зависимость иопышения температуры угля при разрушении т истн'пши лаапения насыщающего его метана при • а3-Ч0 МПя (1),0 - "3=5 МПа (2)

Э|]>фскт "дополнительной сорбции" позволяет объяснить прекращение газовыделсиия из дегазационных скважин в зонах ирифузки, а также явление разрежения, когда в дегазационные

10

скважины, пробуренные на вышележащие угольные ил астм, в начальный период полработки (оседании) засасывается воздух.

Проведенные исследования позволяют связать изменение температуры в прпзабойной зоне угольного пласта с выбросо-оиасностыо угольного массив;!. Наиболее полно выбросоонаспоеть призабойной зоны отражает мет л прогноза, разработанный И.А.Рыжспко и И.Я.Ереминым но разности температуры в шпуре на глубине в несколько метров и 1 м от поверхности забоя, что позволяет определить очаг днлатанепп по повышению температуры в зоне пршрузки (так как упругое изменение объема угля незначительно меняет его температуру), а способность угля быстро отдавать большое количество газа - по снижению температуры вблизи поверхности забоя. Однако измерение температуры па глубине 2-3 м, как показало в диссертации, является недостаточным для обнаружения очага дилатансии угля, который может находиться в глубине массива на расстоянии 4-5 м перед движущимся забоем, создавая область нарушенного угля, способного аккумулировать дополнительное количество газа.

В главе 4 рассмотрен энергетический баланс внезапного выброса угля и газа. Приведены расчеты всех основных составляющих энергетического баланса для семи внезапных выбросов. Энергия газа определена по методике, приведенной в главе 2. Показано, что основными источниками энергии выброса являются энергия газа и энергия упругого восстановления угольного пласта. Кроме того, при перемещении центра массы выброшенного угля по высоте при крутом падении пласта необходимо учитывать изменение потенциальной энергии угля. Энергия газа, хотя и превосходит энергию упругого восстановления угольного пласта, не может быть использована полностью. Поэтому одной энергии газа недостаточно для дробления и отброса угля, т.е. в?гсзаиный выброс можно считать яшшнисм исключительным, происходящем только при особом соотношении всех энергетических характеристик. Чем более мощным по кол(гчестиу выброшенного угля является внезапный выброс, тем меньшая часть запасенной энергии рассеивается, т.е. тем больше КПД выброса (процентное отношение суммы совершенных работ к сумме запасенной энергии).

Запасы энергии угольного пласта, реализующиеся при спровоцированном выбросе, оценивались с учетом энергии, которую угольный пласт получил в результате сотрясательного взрывания, на примере проведения 356,2 м бортовой выработки N55 пласта Ац

шахты им. газеты "Социалистический Донбасс" па средней глубине 67Ü м.

[1ри проведении выработки можно условно выделить ipil зоны: опасную (87,6 м), где автоматизированный прогноз давал значения "опасно", по выбросов не было; особо опасную (107,4 м), где при прогнозе "опасно" произошло пять выбросов, и неопасную зону (161,2 м), где при значениях "неопасно" выбросов не было, li особо опасной зоне наблюдались огромные перепады удельною газовыдслсння: от нескольких coren кубометров (аза на мсф проходки при выбросе до нуля в некоторых циклах, среднее значение объема выделившеюся газа (условно названное средней laionociiocTMO призабойнои зоны) в этой области Л'„= 13,7 мУг. В опасной зоне вариации удельною газовыдслсння тоже значительны, а Л',|=8,6м5/т, в неопасной - значения удельного газовыдслсння в основном находятся в интервале 15-40 м3/м и за последние 64 цикла не превышают 30 м3/'м, а Л'„ = 5,3 м3/т.

Расчеты показали, что энергия газа, находящегося в призабой-пойзоне пласта, в особо опасной области составляет больше 50% всей энергии, участвующей в выбросе. Если в призабойнои зоне мало газа (меньше 7-10 м3/т), который мог бы быстро освободиться из угля после резкого обнажения поверхности забоя сотрясательным взрыванием, то и запасов энергии недостаточно для развязывания выброса. Так, в неопасной области энергия газа составляет всего около 12% всей энергии, запасенной в призабой-ной зоне пласта. С увеличением глубины ведения горных работ выбросы при сотрясательном взрывании могут происходить и при меньших значениях газоносности призабойнои зоны за счет увеличения энергии упругого восстановления угольного пласта.

И главе. 5 рассматриваются условия проявления выбросоопас-1ЮС1И па примере особо выбросоопаеных пластов /íg и /»ю Донец-ко-Макеевского района Донбасса и угольных пластов АО "Северокузбассуголь". Сравнение средних значений газоносности, выхода летучих, показателя прочности угля и глубины, а также разброса их значений позволяет сделать вывод, что выборки данных по Донбассу отличаются от выборки данных по Кузбассу только значительно большей глубиной, остальные исходные данные близки в трех выборках.

Анализ корреляционных полей газоносности X и глубины Н пластов Н% ПрасковссвскиЙ (по 100 пластопересечсниям) и Лю Ли-вснскнй (по 40 пластонересеченням) показал, что, несмотря на большой разброс данных, усреднение значений газоносности в

интервалах глубин 100 м позволяет выделить oenoBin.ie тенденции изменения газоносности с глубиной: увеличение значении газоносности приблизительно до глубины 800 м (Л'с,,= 21 м '/1) " последующее уменьшение газоносности при дальнейшем увеличении глубины.

Исследование изменения газоносности с глубиной в Северном Кузбассе показало, что газоносность увеличивается с ростом глубины по закону, близкому к линейному, до глубины 600 м, достигая при этом больших значений (Л'ср = 27 м3/т). чем средняя газоносность пластов Лд и Лю Донбасса па топ же глубине.

Методом линейной регрессии для каждого шахтопласта можно установить корреляционное соотношение между изменением удельной эптачьпии и газоносностью угольного пласта, что существенно упрошаег дальнейшие расчеты энергии газа. Поскольку пласты Прасковеевский и Ливснскпй близки по своим свойствам, близки и зависимости изменения Ah от X для этих пластов. По данным 143 пластопересеченпй пластов Прасковеевский и Ливснскпй с коэффициентом линейной корреляции 0,8 составлено уравнение (при [Л] = м3/т, [Л/г] = Мдж/кт)

ДЛ=0,1+0,8310-2Х (3)

Аналогичное уравнение для угольных пластов шахт "Березовская", "Бирголинская" и "Первомайская" по данным 147 пластопересеченпй с коэффициентом корреляции 0,9 имеет вид

Д/| = (2,7 + A-)-10"2. (4)

Для получения критерия потенциальной выбросоопасности угольных пластов Донецко- Макеевского ' района Донбасса по энергиям 1 Уг и lVy, была создана специальная выборка данных по подработанным пластопсрссечсниям с известной выбросоопас-ностыо. На основе полученных данных определен критерий выделения особо опасных ситуации:

В.= 1Кг+0,151Г,.-0,15. (5)

При В«>0 участок угольного пласта вблизи пластопсрсссчсния (до 350 м) следует отнести к особо опасным по внезапным выбросам угля и газа. При этом по исходной выборке нет ошибок первого рода, а ошибки второго рода составляют 12%.

Критерий отнесения участка шахтопласта к не опасным по выбросам угля и газа определяется по формуле

0=^+0,075 1^,-0,15. (6)

При В<0 участок относится к неопасным. Критерий (6) не дает ошибок первого рода, а ошибки второго рода составляют 13%.

Изменение И'. п К',, с глубиной позволяет выделить три зоны выбросооиасности на шахтах Донбасса: до глубины 700 м преобладает влияние на потенциальную выбросоопасность пласта энергии ипа, на больших глубинах возрастает влияние энергии упругого восстановления пласта, т.е. выбросоопасность определяется в равней") степени \Уг и И\.. На глубине, превышающей 11001200 м, уменьшение энергии газа обусловленно уменьшением газоносности угольного пласта, а энергия И',, продолжает возрастать, поэтому выбросоопасность на этих глубинах определяется в основном фактором горного давления.

Анализ данных но 47 подработанным цластоперсссчсниям шахт "Березовская", "Бирюлипская" и "Первомайская" показал, что критерий выбросооиасности угольных пластов (6), разработанный для Донецкого бассейна, может успешно использоваться и в условиях Кузбасса. Предложенный критерии не дает ошибок первого рода, а ошибки второго рода составляют 2%. Основной вклад в потенциальную выбросоопасность пластов в Северном Кузбассе вносит' энергия газа из-за более высокой газоносности массива, которая продолжает быстро увеличиваться с глубиной.

В настоящее время с|>сдняя глубина горных работ в Северном районе Кузбасса составляет 375 м, потенциальная выбросоопасность угольных пластов на этой глубине В = 1,4 (рис.3), что для особо опасного пласта Праековеевский в Донсцко-Макеевском районе Донбасса наблюдалось на глубине Н = 420 м (глубина первых выбросов нп пласте Прасковеевский). При дальнейшем углублении горных работ потенциальная выбросоопасность в Северном Кузбассе будет возрастать, значительно превышая выбросоопасность в Донбассе на тех же глубинах.

В главе 6 приведены результаты разработки и промышленных испытаний метода определения степени (категории) потенциальной выбросооиасности угольных пластов, основанного на критерии (6), который яачяется основной составной частью "Метода определения степени (категории) выбросооиасности угольных пластов и забоев с учетом глубины и технологии ведения горных работ",

прошедшего н 1994 г. промышленные испытания и Кемеровском районе Кузбасса па шахтах "Южная" по пласту Кемеровскому (Волконскому) п "Березовская" по пласту XII (Верхнему) АООТ "Севсрокузбассуголь".

Рис.3. Изменение потенциальной пыбросоопасности с глубиной для Доиец-ко-Макеепского района Донбасса, пласт hj (1) и Кузбасса, пласты шахт ДО "Северокузбассуголь" (2), О,О - средние значения дня интерналов глубин 100м

Расчета показали, что все пластопересечения в пределах выделенного участка на пласте Кемеровский (в пределах разрезов разведочных линий Шг, 11-Ш, Па, II и Опорная) на глубине до 350 м являются потенциально не опасными по внезапным выбросам (при нормативной критической глубине появления внезапных выбросов 300 м.) Следовательно, участок пласта Кемеровский в пределах выделенной зоны на глубине до 350 м может быть отнесен к не опасным по внезапным выбросам.

Промышленные испытания показали правильность этого прогноза. При проведении но пласту Кемеровский четырех подготовительных выработок (обшей длиной 560 м) без мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов в пределах выделенной зоны не отмечались газодинамiпеская активность призабойной зоны пласта, загазирования и предупредительные признаки выбросоопасностп.

Анализ результатов промышленных испытаний на пласте Верхний шахты "Березовская" показывает, что все пластопересечения в пределах выделенного участка до глубины 300 м являются-потенциально не опасными по внезапным выбросам угля и газа.

В

2

о

-0,1 -

Эгот результат хорошо согласуется с критической глубиной выбросоопасности, установленной для этого иласта и соответствии с нормативными документами АООТ "Ссверокузбассуголь".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - разработки (физически обоснованного метода расчета энергии газа, реализующейся в процессе внезапного выброса; установления термодинамических условий формирования выбросо-опаспостп по газовому фактору и создания на этой основе метода определения степени (категории) выбросоопасности угольных пластов.

Основные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Разработана методика расчета энергии газа, принимающего участие в процессе выброса, основанная па учете изменения термодинамического состояния (энтальпии) при расширении реального газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса. В расчете используются геолого-гсофизичсские данные, входящие в стандартный набор для каждой скважины. Использование методики повышает на 15-20% точность учета энергии газа, участвующего в подготовке и развязывании выброса угля и газа.

2. Показано, что изменение энтальпии газа при его расширении, зависящее от газоносности, сорбционных свойств, температуры и технического анализа угля, является комплексным показателем выбросоопасности по газовому фактору, обладающим более высокой информативностью, чем нормативный показатель -Yoni.

3. Установлены количественные зависимости изменения температуры газонасыщенного угля при изменении вида его напряженного состояния и степени газон асы [ценности. В зоне упругих деформаций при увеличении боковой нагрузки на угольный образец его температура линейно возрастает на 0,03-0,06 К/МПа, а при постоянном боковом обжатии и увеличении осевого давления ст| - на 0,005-0,008 К/МПа до достижения a¡ величины 0,7-0,8 от alma,. При дальнейшем увеличении a¡ температура угольного образца резко повышается пропорционально газоиасы-щенности угля, Дегазированный уголь при боковом <73= 10 МПа разрушается с изменением температуры на 0,5 К, газонасыщен-

ный под давлением 3 МПа уголь при тех же условиях даст изменение температуры 3-4 К.

4. Установчен новый эффект, заключающийся в том, что при увеличении нагрузки па мстанонасыщеннып уголь наблюдается дополнигелыиш сорбция метана. Эффект "дополнительной сорбции", связанный с лплатансией угля в условиях неравпокомно-нептиого обч-емпого напряженного состояния, проявляется с момента, когда нагрузка достигает 0,7-0,8 от предельной при данном боковом напряжении, т.е. с начала процесса трещинообразова-ння. В прпзабойной зоне пласта проявление этого эффекга особенно опасно тем, что впереди забоя может создаваться область нарушенного угля, способного аккумулировать дополнительное количество метана.

5. Показано, что количество газа, выделяющееся в результате сотрясательного взрывания, является комплексным показателем выбросоопасности, учитывающим основные, связанные с выбро-соопасностыо свойства угольного пласта и вмещающих пород. На степень выбросоопасности указывают не только значения этого газовыдсления, но и их разброс. Проведенные оценки газоносности прпзабойной зоны угольного пласта в выработке, отрабатываемой с применением сотрясательного взрывания, показали, что при изменении газоносности прпзабойной зоны Хп в 2,5 раза (от 5,3 10 3 до 13,7- Ю-3 м3/кг), энергия газа прпзабойной зоны пласта возрастает в 7 раз н составляет от 12 (в неопасной области) до 50% всех запасов энергии системы уголь-газ в прпзабойной зоне пласта. С увеличением глубины ведения горных работ выбросы при сотрясательном взрывании могут происходить при меньших значениях Х„ за счет увеличения энергии упругого восстановления угольного пласта.

6. На основе расчета запасов энергии угольных пластов определена потенциальная выбросоонасность особо опасных пластов Донецко-Макссвского района Донбасса и пластов северного района Кузбасса. Показано, что потенциальная выбросоонасность в северном районе Кузбасса будет резко возрастать при углублении горных работ, значительно превышал выбросоонасность в Донбассе на тех же глубинах. Основной вклад в потенциальную выбросоонасность в Северном Кузбассе вносит высокая газоносность массива, которая продолжает быстро увеличиваться с глубиной. Поэтому при дальнейшем углублении горных работ наиболее актуальными мерами безопасности будут противовыброснме мероприятия, обеспечивающие дегазацию угольного пласта.

7. При участии автора разработай "Метод определения степени (категории) выбросоонасностн угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ", позволяющий -определить потенциальную выбросоопас-ность угольных пластов. В частности, в него включен предложенный автором расчет энергии газа. Критерий потенциальной выбро-сооиаености угольных шахтопластов разработан также с участием автора.

8. Выявлена невыбросоонасная зона ниже нормативной критической глубины появления внезапных выбросов (300 м) на пласте Кемеровский шахты "Южная", что дало возможность отнести выделенный участок пласта Кемеровский к неопасным до 1лубипы 350 м. При проведении выработок до глубины 350 м без нротивовыброспых мероприятий в выделенной зоне газодинамических явлении и их предупредительных признаков не наблюдалось,

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баланс энергии метана, выделяющегося из угля иыбросо-опасных пластов// Вопросы вентиляции и борьбы с нылыо и газом па угольных шахтах п разрезах: Пауч.сообщ./ Ин-т горн.дела им. А.А.Скочннского. - М., 1979. - Выи. 183. - С. 3-10, (соавторы Б.М.Иванов, М.Ф.Яновская).

2. Энергетический баланс газовыдслсния из разрушенного угля//Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий/ Всесоюзная научно-техническая конференция: Тез.докл. - М., 1980. С. 97-98.

3. К методике расчета баланса энергии при внезапных выбросах угля и газа// Выбросооиасность угольных пластов: Науч. сообщ/Ин-т горн.дела им. А.А.Скочннского. - М-, 1980. - Вып. 186. - С. 64-70. (соавторы Б.М.Иванов, П.И.Томилин).

4. Об энергии метана, десорбирующегося при разрушении угля//ФТПРПИ. - 1981. - N 1. - С. 55-61. (соавторы Б.М.Иванов, М.Ф. Яновская, М.Г.Ривкин).

5. Возможность использования изменения энтальпии в качестве показателя выбросоопасности//Борьба с внезапными выбросами: Науч. сообщ./Ин-т горн.дела им. A.A. Скочинского. - М., 1985. - Вып. 242. - С. 86-93.

6. Влияние глубины горных работ на изменение условий проявления внезапных выбросов//Вопросы предотвращения внезапных

выбросов: Науч.сообщ./Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. -М.: - 1987. - С. 14-22 (соавтор Г.Г.Смирнова).

7. Роль газового фактора в общем балансе энергии спровоцированного выброса угля и газа//Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч. сообщ./Ин-т горн, дела им. A.A. Скочинского. М., 1988. - С. 56 - 61.

8. Геомеханика изменения выбросоопасности при разработке на больших глубинах//Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч. сообщ./ Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - М., 1989. - С. 14-21 (соавторы Г.Н.Фсйт, Г.Г.Смирнова).

9. О выбросоопасных состояниях шахтопластов//Уголь. - 1989. - N7. - С. 53-54 (соавтор В.В.Ходот).

10. Расчет изменения потенциальной энергии и прогноз выбросоопасности угольных пластов при разработке на больших глу-бинах//Внсзапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: На-уч.сообщ./ Ин-т горн.дела им.А.А.Скоч1шского. - М., 1990. -С.23-28. (соавтор Г.Н.Фсйт).

11. Оценка выбросоопасности угольных пластов по энергетическим показателям//Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические »тления в горных породах и выработ-ках/YII Всесоюзная научная школа: Тез.докл. - Симферополь, 1990. - С. 130-131.

12. Термодттмика газовыделения из угля// Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч.сообщ./Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - М., 1992. - С. 108-114.

13. Метод определения геомеханической энергии и устойчивости массива для создания безопасных и 'новых технологий // Безопасность горных работ. Новые технологии добычи полезных ископаемых/ Международный симпозиум по проблемам прикладной геолоппт, горной науки и производства: Тез.докл. - С.-П., 1993. - С. 146-147 (соавтор Г.Н.Фент).

14. Метод прогнозной оценки геомеханической энергии горных массивов при переходе на глубокие горизонты // X международная конференция по механике горных пород: Тез.докл. - М., 1993. - С. 74-75. (соавтор Г.Н.Фсйт).