автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Прогноз и предотвращение внезапных выбросов угля и газа применительно к технологии проведения подготовительных выработок высокими темпами

На правах рукописи

СЛАВОЛЮБОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОГНОЗ II ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ВЫСОКИМИ ТЕМПАМИ

Специальность - 05.26.01 «Охрана труда»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2000

Работа выполнена и Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ). Научный руководитель: доктор технических наук

Зыков B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пузырев В.Н.

кандидат технических наук Лазаревич Т.И.

Ведущее предприятие - ОАО «Угольная компания Кузбассуголь».

Защита состоится у ¿-¿^^¿^»»¿г 2000 г. в час.

на заседашш диссертационного совета К 135.02.01 при Государственном Восточном научно-исследовательском инсппуте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ) по адресу:

650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 42430, электронный адрес ВостНИИ: vostnii@sibl.kuzbass.net. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВостНИИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан а-^л. 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ЛИХИ УН

ги&ь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При разработке угольных пластов на шахтах России с 1943 по 1999 г. зарегистрировано 905 внезапных выбросов угля и газа, из них в Кузбассе 190.

В настоящее время разрабатывается 107 опасных и 122 угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа шахтопласта. В условиях потенциальной или фактической выбросоопасности горные работы ведут 67 шахт.

Около 80 % от всего числа внезапных выбросов произошло при проведении подготовительных выработок.

Для предотвращения внезапных выбросов угля и газа применяются специальные меры по их предотвращению: прогноз выбросоопасных зон, протнвовыбросная обработка массива впереди забоев подготовительных выработок в зонах, классифицированных по результатам прогноза как выбросоопасные, и контроль эффективности этой обработки.

Однако применение этих мер требует иногда значительных затрат времени на их выполнение. Учипывая, что почти все меры выполняются непосредственно в забое выработки, а, значит, требуют его остановки, их осуществление снижает темпы проведения выработок.

В настоящее время, когда высокая производительность ведения горных работ является необходимым условием существования и нормального экономического состояштя угольного предприятия, проблема обеспечения безопасности по внезапным выбросам угля и газа при высоких темпах под-вигания подготовительных выработок является одной из самых актуальных.

Диссертациотшая работа выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ ВостНИИ 1987-1999 гг., являвшимися составными частями отраслевого плана научных исследований Минуглепрома СССР, а в дальнейшем - отраслевой научно-технической программы "Уголь России". В рамках этих программ автор принимал участие в выполнении 10 работ в качестве исполнителя, ответственного исполшггеля и руководителя.

Целью настоящей работы является разработка и совершенствование методов прогноза и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа применительно к технологии проведения подготовительных выработок высокими темпами.

Идея работы - исследование кинетических характеристик напряжённо-деформированного газоносного угольного массива, современных подходов к оценке его газодинамической активности н её снижению и разработка на этой основе оперативных способов прогноза и предотвращеши внезапных выбросов угля и газа, обеспечивающих безопасность по данным явлениям при высоких темпах проведение подготовительных выработок.

Задачи исследований:

- исследовать характеристики газодинамической активности массива и установить критерии для оперативной оценки выбросоопасносш забоя;

- разработать способ и устройство для повышения эффективности предварительной противовыбросной обработки массива впереди забоев выработок;

- разработать и усовершенствовать оперативные локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа;

- разработать комплекс мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа применшельно к технологии проведения подготовительных выработок высокими темпами.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы аналитические и экспериментальные методы исследований в лабораторных и шахтных условиях с применением современной измерительной аппаратуры и ЭВМ.

Объектами исследований являются подготовительные горные выработки на шахтах, разрабатывающих опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа угольные пласты.

На защиту выносятся:

1. Закономерности изменения активности электромагнитного го-лучения (ЭМИ) из массива в призабойную часть выработки при при-ближешш забоя к потенциально выбросоопасной (аномальной) зоне и входе в неё.

2. Совокупность критериев для оценки'опасносш зоны впереди забоя выработки по внезапным выбросам угля и газа, основанных на измерениях газодинамических характеристик массива и параметров активности ЭМИ.

3. Комплексный газо-элеюромапщгаый метод текущего прогноза вы-бросоопасности при проведении выработок по угольным пластам, позволяющий повысшъ в среднем в 1,6 раза оперативность оценки выбросоопасносш.

4. Методика определения области применения наиболее оперативного локального способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа - гидроотжима призабойной части угольного пласта.

5. Параметры и технология оперативного локального противовыб-.росного способа - разгрузочного бурения.

6. Комплекс мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа при высоких темпах проведеши выработок.

Научная новизна работы:

1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность использования измерений параметров электромагнитного излучения (ЭМИ) из призабойной части массива для установления входа забоя выработки в потенциально выбросоопасную (аномальную) зону и установлен соответствующий критерий опасности.

2. Впервые предложена новая технология текущего прогноза вы-бросоопасности с использованием одновременно газодинамических и электромагнитных характеристик массива для выявления трёх зон: аномальных, угрожаемых и выбросоопасных.

3. Обоснована целесообразность локальной концентрации напряжений на стенках скважин для интенсификации противовыбросных способов и разработан винтовой концентратор напряжений для её реализации (A.c. СССР № 1557317).

4. Предложен новый принцип для оперативного определения прочности угля по буримости, основанный на автоматической фиксации числа оборотов шпинделя электросверла при бурении шпура стандартной длины, и разработано устройство для его применения (Патент РФ № 2041356).

Достоверность научных положений подтверждается:

- теоретическим обоснованием связи выбранных для оперативной оценки выбросоопасности забоев газодинамических и геофизических характеристик массива с основными, определяющими возможность внезапного выброса, факторами;

- представительным объёмом экспериментальных наблюдений (более 300 циклов измерений) в забоях подготовительных выработок с различной степенью выбросоопасности;

- соответствием полученных критериев оценки выбросоопасности фактической опасности зон;

- положительными результатами промышленной проверки и внедрения способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок по угольным пластам.

Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса мероприятий по предотвращению внезапных выбросов при высоких темпах проведения подготовительных выработок по угольным пластам, включающего метод текущего прогноза выбросоопасности, предварительную обработку выбросоопасных пластов, способы предотвращения внезапных выбросов в опасных зонах и методы контроля эффективности их выполнения.

Реализация работы. С использованием научных результатов и практических рекомендаций, полученных в процессе диссертационных исследований, разработано 7 действующих отраслевых и региональных нормативно-методических документов. Методы, способы, технологические схемы и критерии, регламентированные указанными нормативно-методическими документами, прошли промышленные испытания и внедрены на угольных шахтах Кузбасса. Их применение позволяет повысить безопасность горных работ ниже критической выбросоопасной глубины разработки, сделать более технологичными меры по прогнозу и предупреждению газодинамических явлений и получить значительный экономический эффект.

Отдельные положения разработанного в результате диссертационных исследований комплекса мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа при высоких темпах проведения выработок включены в проект подготавливаемой к изданию новой отраслевой "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа" (приложение к ПБ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседанитх Ученого совета ВостНИИ (1994-1995), Научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Совершенствование техники, технологии и организации шахтного стро1гтельства» (Кемерово, Кузниишахтострой, 1985), XXIV Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности (г. Донецк, 1991), Конференции по методам исследования напряженного состояния угольного массива (г. Алма-Ата, 1992), Научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах'' (г. Кемерово, 1994),

Отраслевом семинаре по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации шахт, повышения эффективности участков вентиляции и техники безопасности (ВТБ) и профилакппеских работ по технике безопасности (ПР и ТБ) шахт, служб депрессионноггазовых съёмок (ДГС) и газоаналитических лабораторий ВГСЧ (г. Кемерово, 1994 г.), И Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1998).

Публикации. Результаты диссертационных исследований содержатся в 21 опубликованной работе, включая 7 отраслевых и региональных нормативно-методических документов, 2 авторских свидетельства, 1 патент, статьи, тезисы докладов.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 140 страт щах, содержит 34 рисунка, 10 таблиц, список литературы in 98 источников и 2 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность своим коллегам по работе (докт.техн.наук Полевщикову Г.Я., канд.техн.наук Рудакову В.А.; инж. Крючкову В.И., Исаеву А.Н., Игнатьеву П.В., Потапову П.В. и другим), оказавшим помощь в проведении экспериментальных исследований, проверке, развитии и реализации научных разработок, выполненных в процессе подготовки диссертащш, а также научному руководителю работы докт.техн.наук Зыкову B.C. за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе выполнен анализ применяемых в подготовительных выработках мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов и возможных решений по повышению их эффективности и оперативности с целью обеспечения безопасности применительно к технологии подвигания выработок высокими темпами.

Совершенствованием противовыбросных мероприятий успешно занимались коллективы учёных, а именно, ИГД им. A.A. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ВНИМИ, ДонУГИ, ИГД СО РАН, КузГТУ, КарПТИ, МГИ, ИУ СО РАН, ПечорНИУИ и другие.

Наибольшее применение для оценки выбросоопасностн (текущий прогноз и контроль эффективности противовыбросных мероприятий) нашли методы, основной характеристикой опасности в которых является начальная скорость газовыделения из контрольных шпуров. Методы надёжны, но при их применении сдерживаются темпы проведения выработок.

В последнее время ведутся работы по созданию бесконтактного метода текущей оценки выбросоопасностн с использованием аппаратуры контроля метана (ИГД им. A.A. Скочинского, ВостНИИ, ИУ СО РАН, КГМИ и др.). Преимущества метода - возможность обработки данных текущего прогноза и выдачи результатов с использованием ЭВМ. Недостатком является учёт лишь одного газового фактора.

Представляет перспективу для определения выбросоопасных зон регистрация ЭМИ в краевой части пласта, которая, как показывают исследования В НИМИ, позволяет оценить характер напряженно-деформированного состояния угольных пластов. Однако для применения данной характеристики при прогнозе выбросоопасносга необходим учет и других факторов.

Основными способами локальной противовыбросной обработки являются бурение опережающих скважин, гидроотжим, гидрорыхление и низконапорное увлажнение пласта впереди забоя выработки (МакНИИ, ВостНИИ, ИГД im. A.A. Скочинского и другие). Первый из перечисленных способов позволяет осуществить надежную противо-выбросную обработку, но характеризуется большой трудоемкостью и значительными затратами времени на его выполнение. Наиболее оперативным локальным способом является гидроотжим призабойной части пласта, однако существует область его эффективного применения, которая должна быть четко определена.

Значительный резерв для повышения темпов подвигания подготовительных забоев содержится в возможности применения заблаговременной противовыбросной обработки массива из близлежащих выработок, но необходимо установить условие целесообразного ее применения.

В заключение раздела на основе анализа состояния вопроса определены цель и задачи исследований.

Во втором разделе приведены результаты исследований характеристик газодинамической активности массива и разработаны критерии для оперативной оценки выбросоопасностн забоя подготовительной выработки.

Характеризующие выбросоопасность пласта параметры отличаются сильной пространственно-временной изменчивостью. Поэтому достаточно полный и своевременный учет основных факторов, определяющих возможность развязывания внезапного выброса угля и газа, и повышение надежности и оперативности прогноза выбросоопасности возможны лишь на основе автоматизированного контроля характеризующих их параметров.

Механизм внезапных выбросов угля и газа в целом или отдельные его элементы исследовались многими учеными: И.В. Бобровым, Г.И. Грицко, A.B. Докукиным, П.В. Егоровым, B.C. Зыковым, Б.М. Ивановым, A.M. Карповым, P.M. Кричевским, В.Г. Крупеней, C.B. Кузнецовым, В.И. Мурашевым, В.И. Николиным, Б.К. Норелем, А.Е. Ольховиченко, И.М. Петуховым, А.Э. Петросяном, Г.Я. Полевщиковым, В.Н. Пузыревым, A.A. Скочинским, Г.Н. Фейтом, В.В. Ходотом, С.А. Христнановичем, О.И. Черновым и другими.

Результаты исследований показали, что выбросоопасная ситуация в пргоабойной зоне подготовительной выработки складывается при наличии больших градиентов газового давления, изменении механических свойств угля в сторону уменьшения крепости и образования систем связных, но гидравлически замкнутых трещин. Подвигание забоя сопровождается увеличением газовыделения га забоя в процессе отбойки угля, уменьшением энергоёмкости отбойки угля и неравномерностью газовыделения (всплесками). Последнее подтверждается диаграммами изменения концен-трашш метана в выработках, где произошли внезапные выбросы.

На рис. 1 приведён фрагмент диаграммы, полученный при проведении водосборного штрека № 21 по пласту XXI шахты «Первомайская» до и после газодинамического явления, представляющего собой внезапное обрушение угля с повышенным газовыделением, которое произошло 28.04.87 в 8 ч 35 мин. Примерно за 3 ч до явления наблюдался предупредительный всплеск концентрации метана в забое при выемке угля комбайном от фонового её значения (от 0,2 до 0,8 %).

Вышешложенное послужило основанием для разработки критерия выбросоопасности, основанного на показаниях аппаратуры контроля метана (АКМ). В качестве критерия была выбрана величина эффективной газоносности Х^. Проведёнными ранее исследованиями установлено, что эффективная газоносность угля выбросоопасных зон угольных пластов составляет не менее 4 м3/т. Таким образом, пользуясь данным критерием, зону следует относить к выбросоопасным при значениях Х>ф > 4 м3/'т.

I

Рис. 1. Диаграмма автоматической записи во времени I концентрации метана СН4 перед и в процессе газодинамтеского явления, произошедшего 28.04.87 в забое водосборного штрека № 21 по пласту XXI шахты «Первомайская»

Используя показания АКМ, эффективную газоносность в приза-бойной зоне пласта Х,ф, м3/ т, можно определить по формуле

х.» = £ [(С»+&хс>о+(},)+(О+С!)(<з,+. .+(С. -,+с.)((2. -.+Оп) - (1)

где Со, С|, С2,... ,С„ - фиксируемые концентрации метана посте отбойки по показаниям датчика ДМТ-4, %; С?о, СЬ, (52,..., - соответствующие значения расхода воздуха по показаниям датчика ИСВ-1, м'/мин; Сф - значение фоновой концентрации метана, %; 1р - продолжительность значимой газодинамической реакции на выемку угольного пласта, мин; п - число зафиксированных значений концентрации метана и расхода воздуха через промежутки времени Д1 = / п; 8пр - сечение выработки по углю в проходке, м2; 1п -подвигаш1е забоя за одш! цикл, м; уу - удельный вес угля, т/м3.

Под действием горного давления происходит интенсивное деформирование краевой части угольного пласта. При этом на участках, представленных породными включениями и прослойками, способными к на-коплешпо электрических зарядов в процессе трещинообразования и эмиссии в виде искровых зарядов, отмечается повышение количества и амплитуд импульсных возмущений электромагнитного поля в широком диапазоне частот.

При проведении выработки в зонах с наличием потенциально выбросо-опасной угольной пачки повыше1ше акпшностн ЭМИ говорит о потере углем несущей способности и выходе его на остаточную прочность. К ели скорость роста нагрузок, невелика, то в предельное состояние переходит только часть элементов блочной структуры, которые и являются источниками ЭМИ. В таюге условиях краевая часть массива в целом сохраняет несущую способность, а импульсы ЭМИ служат предвестниками выбросоопасной апуащш.

Исследования зависимости параметров ЭМИ от газодинамической опасности зоны пласта проводились на шахтах АООТ «Беловоуголь». Для определения параметров активности ЭМИ использовалась аппаратура ВОЛНА.

Выходными параметрами являются показатели: Иср - среднее количество импульсов за время регистрации и В - соотношение количества сильных и слабых импульсов в потоке излучения, проявляющееся через счет импульсов в разрядах (каналах регистрации).

По значениям средних показателей Мср и Вср при проведении экспериментальных исследований в шахтных условиях рассчитывался общий показатель А^, имп./мин, акпшностн электромагнитного излучения (ЭМИ) по формуле

ЛСР= N^+1). (2)

В показателе А учитываются как кол!гчественный показатель, так и соотношение высоких и низких амплитуд (характер излучения). Чем выше показатель А, тем выше напряженность призабойной зоны угольного пласта.

В экспериментальных исследованиях при оценке опасности по газодинамическим явлениям зон, в которых проводились выработки, учитывались следующие их характеристики: начальная скорость газовыделения из контрольных шпуров; параметры ЭМИ; максимальная концентрация метана при отбойке угля; прочность угля. Измерения производились в выработках ниже критической выбросоопасной глубины, проводимых проходческими комбайнами избирательного действия ГПК. Сопоставительные результаты приведены на рис. 2.

Согласно нормативным положениям, зона считается выбросоопасной, если дн тах > 4 л/мин. Из рисунка видно, что параметр Аср реагирует на приближение к выбросоопасной зоне раньше, чем другие рассматриваемые параметры.

К01 шаТер! и>ш иирск 416, шахта «Новая»

Я * 1« а 8 12

1Л011П ШЯЦ1юнный \ кло! 12/4, шахта «Черни стая»

Во1 ш пящ Ю1 и ый Ш1]тск 414, шахта «Черт и кгая»

/ \

V

N

N

/ N

N

N

N.

ч

20 15 10 5 О 4,5 3,0

О 03 0,4 0,3 од 87 84 81 78

1 /

ч

VN N ✓

»Л755

5 б 7 8 9 10 11 12Д4.95

17 18 19 20 21 0455

Рис. 2. Сопоставительные графики изменения характеристик выбросоопасности в исследуемых зонах пластов

Исходя из полученных при проведении экспериментальных работ данных, для установления приближения забоя к участку пласта, имеющему потенциально выбросоопасную структуру угля, или к выбросо-опасной зоне следует определять показатель

п (3)

"А = ТГ-

где Аср - значение активности ЭМИ, полученное в настоящем цикле прогноза, имп/мин; А'ср - тот же параметр в предыдущем цикле прогноза, имп/мин.

Если забой на момент резкого увеличения пд находится в ненарушенной зоне пласта, то скорее всего, это будет переходом в зону тектонического нарушения. Если в сечении забоя уже имеется нарушенный уголь, то вероятен вход его в выбросоопасную зону, так как активность ЭМИ возрастает по причине увеличения количества импульсов хрупкого разрушения вследствие повышения интенсивности образования выбро-соопасных субпараллельных плоскости забоя систем трещин, то есть разработанный параметр пА позволяет оценить интенсивность развития квазипараллельных забою систем трещин (повышение активности ЭМИ соответствует увеличению £„тах).

Однако причиной повышения активности могут быть и другие качественные изменения в пласте, например, приближение к зоне ПГД. Поэтому требуется привлечение дополнительных параметров для уточнения характера изменений в пласте.

Для установления в забое потенциально выбросоопасной структуры угля целесообразно проводить измерения прочностномером П-1.

Для получения окончательного вывода о нашгшн впереди забоя выбросоопасной зоны необходима обязательная оценка газового фактора, которую, как показывают результаты описанных выше исследований, можно осуществлять с помощью Хэф .

Экспериментальными исследованиями впервые установлено:

- по критерию пА приближение к выбросоопасной зоне обнаруживается даже раньше, чем с помощью опережающих контрольных шпуров;

- контроль за состоянием массива по показателю пА позволяет своевременно установить приближение забоя к границе между участком ненарушенного пласта и участком, на котором имеется тектонически нарушенная (потенциально выбросоопасная) структура.

Эти результаты имеют большое значение и свидетельствуют о перспективе использования измерений активности ЭМИ для надежной и оперативной оценки выбросоопасности в забое выработки.

Установлено критическое значение показателя пА методом математической статистики и разработан метод текущего прогноза выбросоопасности на основе данного показателя и Х^. Если при проведении выработки по ненарушенному \-частку пласта (прочность по прочностноме-ру П-1 самой слабой пачки qc > 75) показатель пАувеличивается до значения 1,3 и более, то зона является аномальной (возможно появление через несколько метров в сечении забоя потенциально выбросоопасной структуры угля). В этом случае уменьшается интервал подвигания забоя между очередными циклами по оценке структуры пласта в забое от 4 до 2 м.

При наличии в сечении забоя потенциально выбросоопасной пачки или совокупности смежных пачек и установлении значений Х^ > 4 и пА > 1,3 зона впереди забоя является опасной по внезапным выбросам угля и газа.

Блок-схема газо-электромагнитного метода текущего прогноза выбросоопасности приведена на рис. 3.

При применении разработанного метода прогноза повышается надежность результатов за счет использования большего числа параметров и, соответственно, более полной информации о состоянии массива, а также в 1,6 раза увеличивается оперативность.

Рис. 3. Блок-схема газо-электромагнитного метода текущего прогноза выбросоопасности

В третьем разделе изложены результаты исследований, направленных на обеспечение безопасности при высоких темпах проведения выработок в установленных текущим прогнозом выбросоопасных зонах.

Рекомендуется применение региональных способов дегазации и увлажнения угольных пластов для предварительной противовыбросной обработай участков пластов во всех случаях, когда давление газа в пласте превышает 0,6 МПа. Их выполнение не требует существенных остановок забоя. Для оперативного измерения давления газа в пласте изобретен специальный способ (A.c. СССР № 1815329).

Выявленные в результате исследований тенденщш развития техноло-пш глубокой дегазации массива горных пород указывают, что основным направлением является повышение газопроницаемости массива путём его дезинтеграции давлением кратковременно нагнетаемой в скважину жидкости.

Анализ известных конструкций устройств для ориентирования гидроразрыва горных пород позволил обосновать возможные технические решения и разработать конструкцию, обеспечивающую объединение двух основных операций - изменение поля напряжений на интервале нагнетания и гидроразрыв. Изменение напряжений достигается созданием винтовой щели на стенках скважин специального концентратора (рис. 4).

Рис. 4. Технологическая схема ориентированного гидроразрыва с винтовым концентратором:

1 - скважина для гидроразрыва; 2 - продольно-винтовая щель; 3 - щели гидроразрыва; 4 - дегазационный трубопровод

В диссертационной работе выполнены исследования по повышению оперативности и упрощению способа бурения опережающих скважин. В результате разработан новый локальный способ предотвращуп ¡я внезапных выбросов угля и газа, основанный на бурении скважин большого диаметра.

Разгрузочное бурение представляет собой бурение одного веера скважин на глубину 5,5 м по углю в горизонтальной или вертикальной плоскости в зависимости от условий залегания пласта, обеспечивающего разгрузку потенциально выбросоопасной пачки или совокупности пачек в окрестности забоя для безопасного его подвигания на глубину 4 м.

Скважины располагаются в горизонтальной или, в зависимости от рас-положешгя пласта в плоскости забоя, в вертикальной плоскости, пересекающей сечение забоя прнблшительно в середине по его высоте (ширине). При этом концы крайних скважин должны попадать в точки пересечения границы законтурной обработки с продолжением линии забоя, а остальные скважины располагаются между ними так, чтобы расстояния между всеми соседними скважинами были равными.

Показатель N для контроля эффективности разгрузочного бурения определяется по формуле, предложенной ранее для гидровымывания и уточненной автором

м О'" суи -с.р-д^ (5)

N=7-7----' у '

А Аост ЮОугц, (а + 2Ь) (1-10СТ)

где '/ • природная газоносность пласта. м7т; /!СТ - оста купил газоносность при давлении газа 0,1МПа, м7т; (З,,^ - расход воздуха на исходящей выработки, м7г, ¡п - продолж1ггельность бурения, мин; Срб, С0 - соответственно концентрации метана в исходящей выработки при бурении и до бурения, %; у- плотность угля, мТг, а - средняя ширина выработки по напластованию пачки перемятого угля вчерне, м; Ь - ширина обработки пласта за котуром выработки, м; 1 - длина буримых скважин, м; - остаточная длина предыдущей серии скважин, м; т„ - общая мощность угольного пласта, м.

Контроль эффективности выполняется непосредственно в процессе бурения с использованием АКМ для определения разности^ |с - С I )'

которая в графическом виде представляет собой показанную на рис. 5 площадь Б. Это позволяет устрашпъ затраты времени и средств на излишнее бурение после того, как зона уже приведена в неопасное состояште.

2,5%

2,01,51,0-СН4

0,5-

1„ 5-30 5-30 1-30 ч —-t

Рис 5. Пример расчёта по диаграммной ленте во времени концентращш метана в исходящей струе при разгрузочном бурении

Одним из наиболее технологичных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа является гидроотжим утольного пласта.

Область применения гидроотжима определяется условием

(б)

Если глубина скважины 4 превышает значение (с6 (безопасная глубина скважины из условия исключения загазирования выработки), то нельзя применять гидроотжим без специальных мероприятий по снижению концентрации метана в выработку при его выполнении. В качестве таких мероприятий могут использоваться: увеличение расхода воздуха для проветривания выработки; увеличение неснижаемого опережения; уменьшение глубины герметизации и другие.

Наиболее эффективным мероприятием является предварительное увлажнение массива через предназначенные для гидроотжима скважины, позволяющее снизить интенсивность газовыделения в выработку в процессе разрушения угля при его отжиме.

Область применения гидроотжима с предварительным увлажнением определяется условием

^^^„р. (7)

Если влажность угля \Уу, которую необходимо достигнуть в результате предварительного увлажнения, меньше \¥пр - предел полного водонасы-щения, определяемый по пробам утля с данного участка в лабораторных условиях), то в качестве способа предотвращения внезапных выбросов может применяться гидроотжим с предварительным увлажнением.

Метод расчёта параметров области применения гидроотжима с предварительным увлажнением по предельному водонасыщеншо можно примешггь также для гидрорыхления и низконапорной пропитки при использовании их с целью предотвращения загазирований.

К числу наиболее технологичных локальных способов предотвращения внезапных выбросов относится и низконапорная пропитка.

Об эффективности применения пропитки для снижения интенсивности газовыделения при выемке угля буровзрывным способом свидетельствуют диаграммы на рис. 6.

X

2

Б8Р II N БВР п 1 I

—11—| 11 \ .БВР ' к-

9-00 12.02 9-00 0В.02 9-00 31.01

--г

9-00 29.01.91

Рис. 6. Сравнение диаграмм изменения кониешрашш метана в забое венпшя-циошюго штрека 018(н) по пласту Андреевскому шахты «Анжерская» до применения низконапорной пропитки (а) и после её применения (б)

Разработан метод контроля эффективности гидрорыхления и низконапорной пропитки, основанный на шмерешш параметров, характеризующих активность электромагнитного излучения (ЭМИ), газодинамическую реакцию на бурение шпуров и отбойку угля в забое комбайном.

В расчётной модели развязывания внезапного выброса, которая позволяет определить невыбросоопасные параметры проведения выработки, аналитически установлено минимальное значение зоны влияния выработки Хтп> м, в зависимости от скорости подвигания забоя и глубины заходки, величиной которой в значительной мере определяется градиент газового давления и, следовательно, выбросоопасность призабой-ного массива

х =х р ' (6)

где Хф - критическое значение зоны влияния выработки, м; I - глубина заходки при выемке угля в забое, м; V - среднесуточная скорость подвигания забоя, м/сут; а - реологический параметр, 1/ч (а=0,08 1/ч).

В четвёртом разделе приведён комплекс мероприятий по предотвращению внезапных выбросов угля и газа, который предназначен для обеспечения безопасных условий труда применительно к технологии проведения выработок высокими темпами и включает в себя газоэлектромагнитный метод текущего прогноза выбросоопасности, предварительную противовыбросную обработку массива, локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа и методы контроля их эффективности. Составляющие данный комплекс мероприятия прошли промышленные испытания при проведении подготовительных выработок на шахтах Чертинского и Березово-Бирюлинского месторождешш Кузбасса (конвейерного штрека 416 шахты «Новая», вентиляционного штрека 414 шахты «Чертинская», путевого уклона № 3 шахты «Первомайская» и других).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научная задача по разработке оперативных методов текущего прогноза и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа, основанных на автоматизированной

регистрации параметров газо-электромагнитной эмиссии, более надежном и контролируемом гндроотжиме и разгрузочном бурении, обеспечивающих безопасность по данным явлениям при высоких темпах проведения подготовительных выработок по угольным пластам.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе аналитической оценки кинетических характеристик угольного массива в зоне предельно-напряжённого состояния установлено, что достаточно полный и своевременный учёт основных характеризующих выбросоопасность призабойной части пласта природных и технологических факторов, отличающихся сильной изменчивостью в пространстве и во времени, возможен с помощью непрерывного автоматизированного контроля характеризующих их параметров.

2. При автоматизированном контроле за выбросоопасностью целесообразно использовать для оценки газового фактора получаемую с помощью аппаратуры контроля метана диаграмму изменения концентрации метана при подвигании выработки, а для оценки напряжённо-деформированного состояния массива в области влияния выработки - параметры, характеризующие активность электромагнитного излучения.

3. При входе забоя в зону влияния геологического нарушения (аномальную зону) уменьшается фоновая и увеличивается максимальная (в процессе отбойки угля) концентрация метана вследствие низкой проницаемости в сторону обнажения и повышенной газоотдачи при разрушешш тектонически нарушенного угля. Снижается активность ЭМИ, так как при уменьшении прочности пласта происходит снижение напряжений вблизи забоя и соответственно интенсивности трещинообразования.

Вход забоя выработки в зону возможного развязывания внезапного выброса угля и газа сопровождается увеличением концентрации метана в забое при отбойке угля не менее чем до величины, соответствующей величине эффективной газоносности угля, равной 4 м7т. Возрастает активность ЭМИ по причине увеличения количества импульсов хрупкого разрушения вследствие повышения интенсивности образования выбросо-опасных квазипараллельных плоскости забоя систем трещин.

4. Измерение активности ЭМИ позволяет заблаговременно выявить границу между тектонически нарушенным и ненарушенным участками пласта, а также установить приближение к выбросоопасной зоне раньше, чем по другим известным параметрам, в том числе получаемым с помощью опережающих забой контрольных шпуров, и повысить за счет этого надежность прогноза выбросоопасности.

5. Обеспечение необходимой оперативности текущего прогноза выбросоопасности при одновременном повышении его надежности возможно с помощью разработанного в диссертации газо-электромагшггаого метода, позволяющего в 1,6 раза сократить затраты времени на прогноз.

6. Для уменьшения затрат времени на противовыбросную обработку рационально применение способов предварительной противовыб-росной обработки массива - региональной дегазации и увлажнения при пластовом давлении газа менее 0,6 МПа. При низкой газоотдаче пласта необходимо осуществлять интенсификацию газовыделения в дегазационные скважины посредством создания щелей (концентраторов напряжений) на стенках скважин и осуществления их гидроразрыва, которая может выполняться с помощью разработанных специальных устройств.

7. Для локальной противовыбросной обработки массива при высоких темпах проходки следует максимально использовать пщроогжим и гидроотжим с предварительным увлажнением, область применения которых определена в диссертации, и разгрузочное бурение с контролем эффективности непосредственно в процессе его выполнения. В забоях с повышенной интенсивностью газовыделения при выемке угля, особенно при взрывной отбойке, рекомендуются противовыбросные способы, одновременно замедляющие газоотдачу угля и улучшающие условия проветривания - низконапорная пропитка и гидрорыхление, оперативность которых увеличивается при применении контроля их эффективности по ЭМИ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Методика контроля эффективности противовыбросной гидрообработки призабойных зон угольных пластов при проходке на шахтах Беловского района Кузбасса: Утв.29.04.94 / B.C. Зыков, В.В. Славолюбов, А.Н. Исаев. - Кемерово, 1994. - 8 с. - (ВостНИИ).

2. Методика контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях: Утв. 13.02.97 / B.C. Зыков, Г.Я. Полевщиков, В.В. Славолюбов и др. - Кемерово, 1996. -15 с. - (ВостНИИ).

3. Автоматизированный метод прогноза выбросоопасности зон угольных пластов в крутопадающих подтотов1Гтельных выработках / В.А. Рудаков, В.И. Крючков, В.В. Славолюбов, А.Н. Исаев // Предупреждение травматизма и аварий в угольных шахтах и на разрезах: Науч. тр./ВостНИИ. - Кемерово, 1999. - С. 37-41.

4. Руководство по предотвращению загазировашш выработок при применении локальных противовыбросных мероприятий и проходке: Утв. 25.06.93 / B.C. Зыков, Л.В. Цехин, В.А. Рудаков, В.И. Крючков, В.И. Дубровский, В.В. Славолюбов - Кемерово, 1993. - 25 с. - (ВостНИИ).

5. Временная методика дифференцирования газодинамтгческой опасности забоев подготовительных выработок на шахтопластах Ведовского района Кузбасса: Утв. 29.04.94 / B.C. Зыков, B.C. Черкасов, В.И. Крючков, В.В. Славолюбов. - Кемерово, 1991. -12 с. -(ВостНИИ).

6. Временная методика автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности при проведении нисходящих подготовительных выработок на крутых пластах: Утв. 31.01.97 / B.C. Зыков, B.C. Черкасов, В.И. Крючков, В.В. Славолюбов. - Кемерово, 1996. - 13 с. - (ВостНИИ).

7. Временная методика текущего прогноза газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам: Утв. 13.02.97 / B.C. Зыков, B.C. Лудзиш, B.C. Черкасов, В.А. Рудаков, В.И. Крючков, Славолюбов В.В. - Кемерово, 1996. - 16 с. -(ВостНИИ).

8. Руководство по контролю выбросоопасности и предотвращению внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях: Утв. 10.01.96 / B.C. Зыков, В.А. Рудаков, В.В. Славолюбов. - Кемерово, 1996. - 23с. - (ВостНИИ).

9. A.C. СССР № 1557317, Е21С 37/00. Устройство для образования щелей на стенках шпуров / В.В. Славолюбов, Л.В. Баранов, Ю.А. Масаев. - № 4372631/23-03; Заявлено 03.11.87; Опубл. 15.04.90. Бюл. № 14.

10. A.C. СССР № 1815329. Способ определения истинного начального давления газа в газонасыщенном угольном пласте / B.C. Зыков, В.В. Славолюбов, Ю.П. Осокин // Изобретения. - 1993. - № 18,- С. 70.

11. Патент РФ № 2041356. Устройство для определен!л крепости угля / B.C. Зыков, ВБ. Славолюбов, ILM Тихонов//Изобретения. -1995.-№22.-С. 203.

12. Зыков B.C., Славодюбов В.В. Разработка метода контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения при-забойной части массива в подготовительных выработках// Сб. науч. тр./ ВостНИИ. - Кемерово, 1996. - С. 75-78.

13. Исследование зависимости параметров электромагнитного излучения от газодинамической опасности зоны пласта на шахтах АООТ «Беловоуголь» / B.C. Зыков, В.В. Славолюбов, A.A. Суслова // Предупреждение травматизма и аварий в угольных шахтах и на разрезах: Науч. тр. / ВостНИИ. - Кемерово, 1999. - С. 29-33.

14. В. В. Славолюбов, Л.В. Баранов, ЮА Масаев. О применешш концешраторов напряжений в шпурах при проведении горных выработок // Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз. науч.-темат. сб. - Свердловск, 1988. - с. 54-61. - (Свердловский горный институт).

15. Зыков B.C., Черкасов B.C., Славолюбов В.В. Исследование возможности предупреждения внезапных выбросов при проходке выбором невыбросоопасных параметров подвигания забоя: Сб. науч. тр ./ ВостНИИ. - Кемерово, 1996. - С. 64-68.

16. Рудаков В.А., Крючков В.И., Славолюбов В.В., Исаев А.Н., Ковалев В.А. Метод автоматизированного прогноза выбросоопасных зон угольных пластов в крутопадающих подготовительных выработках // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. II Междунар.науч.-практ. конф. / Отв. ред. A.C. Ташкинов: -Кемерово, 1998. - С 53-54.- (Кузбас. гос. техн. ун-т).

17. Славолюбов В.В., Исаев А.Н. О возможности повышения дальности прогноза потенциально выбросоопасных зон по активности электромагнитного излучения // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. П Междунар.науч.-практ. конф. / Отв. ред. A.C. Ташкинов:- - Кемерово, 1998. - С. 56-57. - (Кузбас. гос. техн. ун-т).

18. Славолюбов ВВ. Бесконгакшый метод кошраля эффективности про-тивовыбросной обработки угольного пласта // Безопасность жизнедеягельности-предприятий в угольных регионах: Тез. докл. Всеросавкжой науч.-практ. конф. / Под. ред. В А. Колмакова. - Кемерово, 1994. - С. 43-44. - (Кузбас. гос. теш. ун-т).

19. Славолюбов В.В. О возможности применения шпуров винтовой формы при проведении выработок // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства: Тез. докл. Обл. науч.-практ. конф. мол. уч. и спец. / Кузнишнахтострой. - Кемерово, 1985. - С. 16-17.

20. Потевшиков ГЛ., Славолюбов В.В_, Исаев АН, Буланчиков С Л Способы и средства интенсификации пззоотдачи неразгруженных угольных пластов// Материалы отраслевого семинара по вопросам совершенствования веншляции и дегазации шахт, повышения эффективности участков веншляции и техники безопасности (ВТБ) и профилактических работ по технике безопасности (ПР и ТБ) шахг, служб депресснон-да-газовых съёмок (ДГС) и газоанагапических лабораторий ВГСЧ (г. Кемерово, 12-15 сенгября 1994 г.). - Кемерово, 1995. - С. 39-40 - (ВостННИ).

21. Зыков B.C., Черкасов B.C., Славолюбов В.В. Выбор оптимального способа предотвращения внезапных выбросов в подготов1 цельных забоях // Сб. докл. 24-й Международной конференции научно-исхледовательских инсппугов по безопасности работ в горной промышленности. - Донецк, 1991. - С. 517-526.

ЛР № 021306 от 10 августа 1998 г. Подписано в печать 21.01.2000 г. Тираж 50 экз. Формат 60x90 1/16 Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ №2. Кемерово, Ротапринт ВостНИИ, Институтская, 3

ВВЕДЕНИЕ.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Оценка оперативности и достоверности методов определения выбросоопасных зон при проведении выработок.

Анализ возможности повышения темпов проходки в выбросоопасных зонах.

Задачи исследований

ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МАССИВА И РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ ВЫБРОСООПАС

НОСТИ ЗАБОЯ.

Аналитическая оценка кинетических характеристик угольного массива в зоне предельно-напряжённого состояния.

Исследование возможности применения аппаратуры автоматизированного контроля метана для прогноза выбросоопасности . Исследование зависимости параметров ЭМИ от газодинамической опасности зоны пласта,.;.,.,.

Газо-электромагнитный метод текущего прогноза выбросоопасности

ВЫВОДЫ .:.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ПРОХОДКИ В ВЫБРОСООПАСНЫХ ЗОНАХ ПЛАСТОВ.

Предварительная противовыбросная обработка угольного пласта.

Критерий применения предварительной противовыбросной обработки.

Интенсификация газовыделения в скважины при предварительной дегазации пласта.

Эффективность предварительной противовыбросной обработки Повышение оперативности локальной противовыбросной обработки

Разгрузочное бурение

Применение гидроотжима.

Низконапорная пропитка через короткие скважины.

3.3 Контроль эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях.

3.4 Выбор невыбросоопасной технологии проведения выработки.

ВЫВОДЫ.

4. КОМПЛЕКС МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ВЫСОКИМИ ТЕМПАМИ

4.1 Газо-электромагнитный метод прогноза.

4.1.1 Необходимые приборы, оборудование и принадлежности.

4.1.2 Исходные данные.

4.1.3 Определение исходных данных.

4.1.4 Оценка выбросоопасности.

4.2 Предварительная противовыбросная обработка массива

4.3 Локальные способы предотвращения внезапных выбросов

4.3.1 Разгрузочное бурение.

4.3.2 Гидроотжим угольного пласта.

4.2.3 Низконапорная пропитка.

4.4. Контроль эффективности способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа.

4.4.1. Контроль эффективности предварительной противовыброс-ной обработки.

4.4.2. Контроль эффективности разгрузочного бурения

4.4.3. Контроль эффективности локальной противовыбросной гидрообработки массива.;.

4.4.4 Методика установления невыбросоопасных параметров подвигания забоя.

Актуальность работы. При разработке угольных пластов на шахтах России с 1943 по 1999 г. зарегистрировано 905 внезапных выбросов угля и газа, из них в Кузбассе 190.

В настоящее время разрабатывается 107 опасных и 122 угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа шахтопласта. В условиях потенциальной или фактической выбросоопасности горные работы ведут 67 шахт.

Около 80 % от всего числа внезапных выбросов произошло при проведении подготовительных выработок.

Для предотвращения внезапных выбросов угля и газа применяются специальные меры по их предотвращению: прогноз выбросоопасных зон, противовыбросная обработка массива впереди забоев подготовительных выработок в зонах, классифицированных по результатам прогноза как вы-бросоопасные, и контроль эффективности этой обработки.

Однако применение этих мер требует иногда значительных затрат времени на их выполнение. Учитывая, что почти все меры выполняются непосредственно в забое выработки, а, значит, требуют его остановки, их осуществление снижает темпы проведения выработок.

В настоящее время, когда высокая производительность ведения горных работ является необходимым условием существования и нормального экономического состояния угольного предприятия, проблема обеспечения безопасности по внезапным выбросам угля и газа при высоких темпах подвигания подготовительных выработок является одной из самых актуальных.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ ВостНИИ 1987-1999 гг., являвшимися составными частями отраслевого плана научных исследований Минуглепрома СССР, а в дальнейшем - отраслевой научно-технической программы "Уголь России". В рамках этих программ автор принимал участие в выполнении 10 работ в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.

Целью настоящей работы является разработка и совершенствование методов прогноза и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа применительно к технологии проведения подготовительных выработок высокими темпами. 5

Идея работы - исследование кинетических характеристик напряжённо-деформированного газоносного угольного массива, современных подходов к оценке его газодинамической активности и её снижению и разработка на этой основе оперативных способов прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа, обеспечивающих безопасность по данным явлениям при высоких темпах проведения подготовительных выработок.

Задачи исследований:

- исследовать характеристики газодинамической активности массива и установить критерии для оперативной оценки выбросоопасности забоя;

- разработать способ и устройство для повышения эффективности предварительной прогивовыбросной обработки массива впереди забоев выработок;

- разработать и усовершенствовать оперативные локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа;

- разработать комплекс мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа применительно к технологии проведения подготовительных выработок высокими темпами.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы аналитические и экспериментальные методы исследований в лабораторных и шахтных условиях с применением современной измерительной аппаратуры и ЭВМ.

Объектами исследований являются подготовительные горные выработки на шахтах, разрабатывающих опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа угольные пласты.

На защиту выносятся:

1. Закономерности изменения активности электромагнитного излучения (ЭМИ) из массива в призабойную часть выработки при приближении забоя к потенциально выбросоопасной (аномальной) зоне и входе в неё.

2. Совокупность критериев для оценки опасности зоны впереди забоя выработки по внезапным выбросам угля и газа, основанных на измерениях газодинамических характеристик массива и параметров активности ЭМИ.

3. Комплексный газо-электромагнитный метод текущего прогноза выбросоопасности при проведении выработок по угольным пластам, позволяющий повысить в среднем в 1,6 раза оперативность оценки выбросоопасности.

4. Методика определения области применения наиболее оперативного локального способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа гидроотжима призабойной части угольного пласта. 6

5. Параметры и технология оперативного локального противовыброс-ного способа - разгрузочного бурения.

6. Комплекс мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа при высоких темпах проведения выработок.

Научная новизна работы:

1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность использования измерений параметров электромагнитного излучения (ЭМИ) из призабойной части массива для установления входа забоя выработки в потенциально выбросоопасную (аномальную) зону и установлен соответствующий критерий опасности.

2. Впервые предложена новая технология текущего прогноза выбросо-опасности с использованием одновременно газодинамических и электромагнитных характеристик массива для выявления трёх зон: аномальных, угрожаемых и выбросоопасных.

3. Обоснована целесообразность локальной концентрации напряжений на стенках скважин для интенсификации противовыбросных способов и разработан винтовой концентратор напряжений для её реализации (A.c. СССР № 1557317).

4. Предложен новый принцип для оперативного определения прочности угля по буримости, основанный на автоматической фиксации числа оборотов шпинделя электросверла при бурении шпура стандартной длины, и разработано устройство для его применения (Патент РФ № 2041356).

Достоверность научных положений подтверждается:

- теоретическим обоснованием связи выбранных для оперативной оценки выбросоопасности забоев газодинамических и геофизических характеристик массива с основными, определяющими возможность внезапного выброса, факторами;

- представительным объёмом экспериментальных наблюдений (более 300 циклов измерений) в забоях подготовительных выработок с различной степенью выбросоопасности;

- соответствием полученных критериев оценки выбросоопасности фактической опасности зон;

- положительными результатами промышленной проверки и внедрения способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок по угольным пластам. 7

Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса мероприятий по предотвращению внезапных выбросов при высоких темпах проведения подготовительных выработок по угольным пластам, включающего метод текущего прогноза выбросоопасности, предварительную обработку выбросоопасных пластов, способы предотвращения внезапных выбросов в опасных зонах и методы контроля эффективности их выполнения.

Реализация работы. С использованием научных результатов и практических рекомендаций, полученных в процессе диссертационных исследований, разработано 7 действующих отраслевых и региональных нормативно-методических документов. Методы, способы, технологические схемы и критерии, регламентированные указанными нормативно-методическими документами, прошли промышленные испытания и внедрены на угольных шахтах Кузбасса. Их применение позволяет повысить безопасность горных работ ниже критической выбросоопасной глубины разработки, сделать более технологичными меры по прогнозу и предупреждению газодинамических явлений и получить значительный экономический эффект.

Отдельные положения разработанного в результате диссертационных исследований комплекса мероприятий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа при высоких темпах проведения выработок включены в проект подготавливаемой к изданию новой отраслевой "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа" (приложение к ПБ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ВостНИИ (1994-1995), Научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства» (Кемерово, Кузниишахтострой, 1985), XXIV Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности (г. Донецк, 1991), Конференции по методам исследования напряженного состояния угольного массива (г. Алма-Ата, 1992), Научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в- угольных регионах" (г. Кемерово, 1994), Отраслевом семинаре по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации шахт, повышения эффективности участков вентиляции и техники безопасности

ВТБ) и профилактических работ по технике безопасности (ПР и ТБ) шахт, служб депрессионно-газовых съёмок (ДГС) и газоаналитических лабораторий ВГСЧ (г. Кемерово, 1994 г.), II Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1998).

Публикации. Результаты диссертационных исследований содержатся в 21 опубликованной работе, включая 7 отраслевых и региональных нормативно-методических документов, 2 авторских свидетельства, 1 патент, статьи, тезисы докладов.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 140 страницах, содержйт 34 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 98 источников и 2 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научная задача по разработке оперативных методов текущего прогноза, основанных на автоматизированной регистрации газо-электромагнитных параметров, и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа, обеспечивающих безопасность по данным явлениям при высоких темпах проведения подготовительных выработок по угольным пластам.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе аналитической оценки кинетических характеристик угольного массива в зоне предельно-напряжённого состояния установлено, что достаточно полный и своевременный учёт основных характеризующих выбросоопасность призабойной части пласта природных и технологических факторов, отличающихся сильной изменчивостью в пространстве и во времени, возможен с помощью непрерывного автоматизированного контроля характеризующих их параметров.

2. При автоматизированном контроле за выбросоопасностью целесообразно использовать для оценки газового фактора получаемую с помощью аппаратуры контроля метана диаграмму изменения концентрации метана при подвигании выработки, а для оценки напряжённо-деформированного состояния массива в области влияния выработки - параметры, характеризующие активность электромагнитного излучения.

3. При входе забоя в зону влияния геологического нарушения (аномальную зону) уменьшается фоновая и увеличивается максимальная (в процессе отбойки угля) концентрация метана вследствие низкой проницаемости в сторону обнажения и повышенной газоотдачи при разрушении тектонически нарушенного угля. Снижается активность ЭМИ, так как при уменьшении прочности пласта происходит снижение напряжений вблизи забоя и соответственно интенсивности трещинообразования.

Вход забоя выработки в зону возможного развязывания внезапного выброса угля и газа сопровождается увеличением концентрации метана в забое при отбойке угля не менее чем до величины, соответствующей величине эффективной газоносности угля, равной 4 м3/т. Возрастает активность

114

ЭМИ по причине увеличения количества импульсов хрупкого разрушения вследствие повышения интенсивности образования выбросоопасных квазипараллельных плоскости забоя систем трещин.

4. Измерение активности ЭМИ позволяет заблаговременно выявить границу между тектонически нарушенным и ненарушенным участками пласта, а также установить приближение к выбросоопасной зоне раньше, чем по другим известным параметрам, в том числе получаемым с помощью опережающих забой контрольных шпуров, и повысить за счет этого надежность прогноза выбросоопасности.

5. Обеспечение необходимой оперативности текущего прогноза выбросоопасности при одновременном повышении его надежности возможно с помощью разработанного в диссертации газо-электромагнитного метода, позволяющего в 1,6 раза сократить затраты времени на прогноз.

6. Для уменьшения затрат времени на противовыбросную обработку рационально применение способов предварительной противовыбросной обработки массива - региональной дегазации и увлажнения при пластовом давлении газа не менее 0,6 МПа. При низкой газоотдаче пласта необходимо осуществлять интенсификацию газовыделения в дегазационные скважины посредством создания щелей (концентраторов напряжений) на стенках скважин и осуществления их гидроразрыва, которая может выполняться с помощью разработанных специальных устройств.

7. Для локальной противовыбросной обработки массива при высоких темпах проходки следует максимально использовать гидроотжим и гидроотжим с предварительным увлажнением, область применения которых определена в диссертации, и разгрузочное бурение с контролем эффективности непосредственно в процессе его выполнения. В забоях с повышенной интенсивностью газовыделения при выемке угля, особенно при взрывной отбойке, рекомендуются противовыбросные способы, одновременно замедляющие газоотдачу угля и улучшающие условия проветривания - низконапорная пропитка и гидрорыхление, оперативность которых увеличивается при применении контроля их эффективности по ЭМИ.

115

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

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

3. Чернов О.И. О прогнозе внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе на больших глубинах // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1966. - № 3. - С. 31-34.

4. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М.: Недра, 1979. - 296 с.

5. Временная методика дифференцирования газодинамической опасности забоев подготовительных выработок на шахтопластах Беловского района Кузбасса: Утв. 29.04.94 / B.C. Зыков, B.C. Черкасов, В.И. Крючков, В.В. Славолюбов. Кемерово, 1991. -12 с. -(ВостНИИ).

6. Грицко Г.И. Некоторые результаты определения показателя начальной скорости газоотдачи угля из пласта, опасного по внезапным выбросам угля и газа // Известия Томского политехи, ин-та. 1955. - Т.98.

7. A.C. СССР № 1815329. Способ определения истинного начального давления газа в газонасыщенном угольном пласте / B.C. Зыков, В.В. Славолюбов, Ю.П. Осокин // Изобретения. 1993. - № 18,- С. 70.

8. Чернов О.И., Пузырев В.Н. О влиянии увлажнения на газовыделение из угля // Уголь. 1965. - № 4. - С. 62-66.

9. Горелик Л.Г. Исследование и разработка метода оценки эффективности противовыбросных мероприятий: Автореф.дисс. к.т.н. -Днепропетровск, 1977. -22 с.

10. Бульбенко В.Л., Зыков B.C., Горохов В.А., Лопаткин В.Г. Использование буримости для определения крепости угля выбросоопасных пластов / ВостНИИ. Кемерово, 1979. - 10 с. - Рук. деп. в ЦНИЭИуголь 27.03. 1979 г., № 1435.

11. Патент РФ № 2041356. Устройство для определения крепости угля /

12. B.C. Зыков, В.В. Славолюбов, Н.М. Тихонов // Изобретения. 1995. - № 22.1. C. 203.

13. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. Использование геоэлектрических полей в горном деле. Кемерово, 1974. - 208 с. -(КузПИ).

14. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В. Рудничная геоэлектрика. М.: Недра, 1977.- 126 с.

15. Дырдин В.В. О влиянии влажности на результаты электрических измерений при контроле напряжённого состояния краевых частей угольных пластов // Уголь. 1989. - № 1. - С.11-13.

16. A.C. СССР № 1164417. Способ текущего контроля категории удароопасности участков угольных пластов /В.В. Дырдин, П.В. Егоров, Б.К. Кретов и др. // Изобретения. 1985. - № 24. - С. 123.

17. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. Л., 1988. -86 с. -(ВНЕМИ).117

18. A.C. СССР № 1055890. Способ определения степени удароопасности угольных пластов / И.М. Петухов, Б.Ш. Винокур, В.А. Смирнов и др. / ВНИМИ // Изобретения. 1983. - № 43.

19. A.C. СССР № 1329253. Способ оценки параметров зоны опорного давления и устройство для его осуществления /В.Г. Пущанский, A.A. Скакун ,

20. B.А. Смирнов и др. / ВНИМИ // Изобретения. 1987. - № 29. - С. 252.

21. Проскуряков В.М., Бляхман A.C. Сейсмические методы исследования напряжённого состояния горного массива. -М.: Недра, 1983. 193 с.

22. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. М: Недра, 1984.-271 с.

23. Геофизические методы исследования скважин: Справочник геофизика / Под ред. В.М. Запорожца. М.: Недра, 1983. - 591 с.

24. Приборы для прогноза выбросоопасных зон в угольных пластах ПГ-2МА, ЗГ-1 и ПК-1: Инструкция по эксплуатации. Ворошиловград: Облполитиздат, 1981. - 4 с.

25. Методика выявления выбросоопасной угольной пачки при текущем прогнозе выбросоопасности: Утв. 03.12.91 / B.C. Зыков, Г.Н. Фейт. Кемерово, 1992. - 11 с. - (ВостНИИ).

26. Скакун А.П. О контроле эффективности локальной гидрообработки угольного пласта бесконтактными электромагнитными методами в условиях шахт ПО «Воркутауголь» // Горная геофизика. Тбилиси. 1989.-№ 2. - С. 113-117.

27. Скакун А.П. Комплексирование электрометрических исследований по оценке удароопасности участка массива горных пород // Геологические и геофизические исследования на угольных месторождениях. JL, 1980.1. C. 84-87. (ВНИМИ).

28. Скакун А.П. Оценка эффективности региональных мер борьбы с горными ударами комплексом методов шахтной электрометрии // Борьба с горными ударами. Л., 1981. - С. 69-74,- (ВНИМИ).

29. Скакун А.П., Крижановский М.В. Геофизические исследования напряжённого состояния удароопасных углей на шахте «Усинская» // Тез. докл. на VII Всесоюзной конференции по механике горных пород. М., 1981.-С. 50.118

30. A.C. СССР № 1168712. Способ контроля напряжённого состояния горных пород/И.М. Петухов, A.C. Бляхман, В.М. Проскуряков и др. / ВНИМИ // Изобретения. 1985. - № 27.

31. A.C. СССР № 1315620. Способ предотвращения горных ударов /

32. A.Г. Стороженко, A.C. Бляхман, В.Ш. Винокур / ВНИМИ // Изобретения. -1987. -№ 127.

33. A.C. СССР № 1348516. Способ определения состояния горной породы / А.Г. Стороженко, В.М. Проскуряков, A.C. Бляхман / ВНИМИ // Изобретения. 1987. - № 40.

34. Проскуряков В.М., Шабаров А.Н., Фрид В.И. Естественное электромагнитное излучение краевой части угольного пласта // Безопасность труда в промышленности. 1989. - № 4. - С. 32-34.

35. Фрид В.И. Исследование изменений электромагнитного излучения (ЭМИ) вблизи геологических нарушений // Горная геофизика. Тбилиси.1989.-42.-С. 14-16.

36. Шведов В.К. Разработка способа прогнозирования выбросоопасности карналлитовых пластов по их электромагнитному излучению : Автореф. дисс. к.т.н. М., 1986. - 14 с.

37. Фрид В.И. Прогноз степени удароопасности участков угольных пластов по их электромагнитному излучению : Автореф. дисс. к.т.н. JL,1990,- 17с.

38. Методические указания по сейсмоакустическим и электромагнитным методам получения критериев степени удароопасности. -Л., 1986.-32 с.-(ВНИМИ).

39. A.C. СССР № 1137202. Способ определения глубины залегания очага динамических явлений в массиве /B.C. Ямщиков, B.JI. Шкурайник,

40. B.М. Фараонов и др. / МГИ // Изобретения. 1985. - № 4.

41. A.C. СССР № 1299859. Способ оценки напряжённого состояния массива горных пород и устройство для его осуществления / М.Ю. Мирошниченко, С В. Кузнецов, В.Н. Кузнинский и др. // Изобретения. 1986. - № 5.

42. Николин В.И., Кокотов O.JL, Николин В.В. Повышение надёжности определения выбросоопасности призабойной части пласта // Безопасность труда в промышленности. 1987. - № 11. - С.53-55.119

43. Ольховиченко А.Е., Моложан А.И., Лапатухин В.М. Об оценке выбросоопасности пластов по газовому фактору // Уголь Украины. 1983. -№11. -С. 34-36.

44. Иванов Б.Н., Хейфец А.Г., Аюров В.Д. Автоматизированный способ прогноза выбросоопасных зон угольных пластов на шахтах Донбасса // Науч. сообщ. № 252 / ИГД им. A.A. Скочинского. М., 1986. - С. 70-74.

45. Временная методика автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности при проведении нисходящих подготовительных выработок на крутых пластах: Утв. 31.01.97 / B.C. Зыков, B.C. Черкасов,

46. B.И. Крючков, В.В. Славолюбов. Кемерово, 1996. - 13 с. - (ВостНИИ).

47. A.C. СССР № 1500788. Способ контроля состояния массива в призабойной части выбросоопасного угольного пласта / А.Г. Хейфец / ИГД им. A.A. Скочинского // Изобретения. 1989. - № 30.

48. A.C. СССР № 1458571. Способ текущего прогноза выбросоопасных зон массива горных пород / Б.В. Лаптев, М.М. Бей / Уральский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института металлургии // Изобретения .- 1989. № 6.

49. A.C. СССР № 1234658. Способ приведения краевой части пласта в неудароопасное состояние / Ю.Н. Макаров, Б.Т. Акиныпин / ВНИМИ // Изобретения. 1986. - № 5.

50. Мирер C.B., Хмара О.И., Масленников Е.В. О контроле выбросоопасности забоев по спектральным характеристикам акустических сигналов // Вопросы предотвращения внезапных выбросов: Науч. сообщ. / ИГД им. A.A. Скочинского. М., 1987. - С. 52-61.

51. A.C. № 1222853. Способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов и устройство для его осуществления /

52. C.B. Мирер, Е.В. Масленников, О.И. Хмара // Изобретения. -1986. № 13.

53. Мирер C.B., Хмара О.И., Масленников Е.В. Методика и аппаратура для акустического контроля выбросоопасности угольных пластов // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч. сообщ. / ИГД им. A.A. Скочинского. M., 1988.-С.20-24.

54. Мирер C.B., Хмара О.И., Обрезан A.M. Метод и аппаратура для текущего акустического контроля выбросоопасности угольных пластов // Уголь.- 1995,-№6.-С.53-54.120

55. B.C. Бабенко, Е.С. Ткаченко, Е.И. Зеленская. Сопоставление различных критериев выбросоопасности угольных пластов при проведении подготовительной выработки // Уголь. 1991. - № 7. -С. 60-61.

56. Временная инструкция по применению ориентированного гидроразрыва пласта для предотвращения газодинамических явлений и снижения газовыделения при проведении подготовительных выработок /121

57. A.A. Мясников, Г.Я. Полевщиков, С.П. Буланчиков. Кемерово, 1992. - 9 с. - (Институт угля СО РАН).

58. Мурашев В.И. Механизм развязывания внезапных выбросов угля и газа в горных выработках // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа: Сб. науч. тр. М.: Недра, 1978. - С. 141-162.

59. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. -Новосибирск: Наука. 1990. - 162 с. - (СО АН СССР).

60. Руководство по определению безопасных технологических параметров проведения подготовительных выработок по выбросоопасным зонам угольных пластов / В.И. Мурашев, B.C. Черкасов, В Л. Бульбенко, И.Г. Исаченко. Кемерово, 1978. - 25 с. - (ВостНИИ).

61. A.C. СССР № 588390. Способ гидроотжима призабойной части угольного массива в подготовительных выработках / А.И. Джакубаев, Е.И. Фоминых, H.A. Малянов / КО ВостНИИ // Изобретения. 1978. - № 2.122

62. A.C. СССР № 655839. Способ предотвращения внезапного выброса горной массы и газа / H.A. Малянов, Е.И. Фоминых, A.B. Антонов / КО ВостНИИ // Изобретения. 1979. - № 13.

63. Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. М.: Недра, 1978. - 162 с.

64. Изыскать возможность разработки метода расчёта предельных в данных горно-геологических условиях значений характеристик газодинамических явлений в подготовительных выработках: Отчёт о НИР (закл.) / ВостНИИ; Руководители: Г.Я. Полевщиков, В.Д. Богатырев

65. ГР 01850017702. Кемерово, 1986. - 117 с.

66. Мурашев В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследований геомеханических процессов: Автореф. дис. докт.техн.наук М., 1980.

67. Ионов В.Н., Огибалов П.М. Напряжения в телах при импульсном нагружении. М.: Высшая школа, 1975. - 464 с.

68. Христианович С.А. О волне дробления // Известия АН СССР, ОТН. 1953. - № 12. - С. 1689-1699.

69. Христианович С. А. Свободное течение грунтовой массы, вызванное расширением содержащегося в порах газа высокого давления. Волна дробления. М.: ИПМ АН СССР,1979. - 62 с.

70. Проскуряков В.М., Шабаров АН., Фрид В.И. Экспресс-оценка состояния ударо- и выбросоопасности угольных пластов // Уголь. -1990. № 3. - С. 58-59.

71. Проскуряков В.М., Шабаров А.Н., Фрид В,И. Прогноз степени удароопасности участков газоносных угольных пластов методом ЭМИ // Уголь. 1991. -№ 2. - С. 52-54.

72. Кононов В.М. Исследование вопросов контурного взрывания при проходке горных выработок / ВНИИ транспортного строительства. -М., 1983. С. 4-10. - Рук. деп. в ЦНИЭИуголь 04.05.83, № 2663.

73. Кононов В.М. Исследование вопросов контурного взрывания при проходке горных выработок и добыче блочного камня с применением надрезов в шпурах / ВНИИ транспортного строительства. -М., 1983. 2 с.-Рук. деп. в ЦНИЭИуголь 07.12.83, № 2822.

74. А.С. СССР № 1557317, Е21С 37/00. Устройство для образования щелей на стенках шпуров / В.В. Славолюбов, Л.В. Баранов, Ю.А. Масаев. -№ 4372631/23-03; Заявлено 03.11.87; Опубл. 15.04.90, Бюл. № 14.124

75. B.C. Зыков, A.B. Лебедев, A.B. Сурков. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам Кемерово, 1997. -262 с. - (КРО АГН).

76. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт: Утв. 15.08.89 Макеевка -Донбасс, 1989.' - 320 с. (МакНИИ).

77. Зыков B.C., Славолюбов В.В. Разработка метода контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения призабойной части массива в подготовительных выработках// Сб. науч. тр. / ВостНИИ. Кемерово, 1996. - С. 75-78.

78. Зыков B.C., Черкасов B.C., Славолюбов В.В. Исследование возможности предупреждения внезапных выбросов при проходке выбором невыбросоопасных параметров подвигания забоя // Сб. науч. тр. / ВостНИИ. Кемерово, 1996. - С. 64-68.

79. Зыков B.C., Черкасов B.C., Славолюбов В.В. Выбор оптимального способа предотвращения внезапных выбросов в подготовительных забоях125

80. Сб. докл. 24-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности. Донецк, 1991. -С.517-526.

81. Зыков B.C. Разработка метода текущего прогноза внезапных выбросов и высыпаний угля в подготовительных выработках: Дис. . канд. техн. наук. -Кемерово, 1985. 207 с.

82. Методика контроля эффективности противовыбросной гидрообработки призабойных зон угольных пластов при проходке на шахтах Беловского района Кузбасса: Утв.29.04.94 / B.C. Зыков, В.В. Славолюбов,

83. A.Н. Исаев. Кемерово, 1994. - 8 с. - (ВостНИИ).

84. Методика контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях: Утв. 13.02.97 /

85. B.C. Зыков, Г.Я. Полевщиков, В.В. Славолюбов и др. Кемерово, 1996. - 15 с. - (ВостНИИ).