автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам

?Г6 од

На правах рукописи

гг■

ПОЛЕВЩИКОВ Геннадий Яковлевич

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЫРАБОТОК ПО УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТАМ

Специальность: 05.15.11 - Физические процессы горного производства.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в Институте угля и углехимии Сибирского отделения Российской Академии наук.

Научный консультант член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Г.И.ГРИЦКО

Официальные оппоненты: . .

доктор технических наук, профессор КАЗАКОВ Сергей Павлович доктор технических наук, профессор АЙРУНИ Арсен Тигранович доктор технических наук, профессор Беспятов Геннадий Александрович Ведущая организация:

Государственный Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ).

Защита диссертации состоится 30 июня 1998 года в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д.003.57.01 при Институте угля и углехимии СО РАН по адресу:

650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21. факс: 21-18-38, 21-18-36

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан 29 мая 1998 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, доктор технических наук, проф.

Б. В. ВЛАСЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рентабельное и устойчивое развитие шахт и угледобывающих регионов требуют неуклонного повышения нагрузок на забои, производительности и безопасности труда, снижения себестоимости добычи. . Эти показатели непосредственно зависят от уровня решения научно-технических задач, связанных с оценкой геогазодинамического состояний углегазовой среды в возмущенном горными работами' массиве. Влияние этого фактора столь велико, что в мировой практике угледобычи постоянно сохраняется тенденция к переходу на освоение новых менее газоносных месторождений, хотя запасы угля в разрабатываемых остаются весьма значительными, а социальная инфраструктура в их регионе достаточно развита. Учитывая уровень затрат на освоение новых месторождений и переориентацию производственной деятельности населения ранее освоенных угледобывающих• районов следует признать, что рассматриваемая проблема имеет крупное социально-экономическое значение.

Весьма существенным фактором, отрицательно влияющим на надежность информации о газодинамической опасности шахт, является изменчивость горногеологических условий. С достижением соответствующих мировому уровню скоростей подвигания забоев динамика изменения ситуаций на газоносных пластах выходит за пределы возможной оперативности организационных мероприятий, что затрудняет их своевременное выполнение по обеспечению безопасной, а, следовательно, и производительной работы забоя. Эти обстоятельства настоятельно требуют создания высокооперативных методов предвидения следствий технологических решений.

В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений о физических особенностях процессов, провоцируемых в углегазовом пласте горной выработкой, когда газовая составляющая пласта несет значительные запасы потенциальной энергии. В тоже время, разнообразие горнотехнологических условий и зысокие скорости горных работ обязывают акцентировать эти теоретические разработки в направлении повышенной чувствительности к формирующимся ситуациям при максимальной физичности своей основы. Это сочетание позволяет конкретизировать частное проявление в общем процессе и, тем самым, обеспечить адаптивность методов повышения эффективности горных работ в быстро меняющихся ситуациях.

Диссертационная работа обобщает результаты научно-исследовательских работ и этапов, выполненных при непосредственном участии

и под руководством автора: в Институте угля СО РАН, с 1997 г. Институт угля и углехимии СО РАН, (1989-1997 гг.) по. направлению 4.1.17 фундаментальных исследований, согласно перечня приоритетных направлений, утвержденного Правительственной комиссией 28.05.96 г., а так же по государственной программе "Недра России", региональной подпрограммы "Уголь Кузбасса", входящей в комплексную программу "Сибирь" СО РАН; в ВостНИИ (1969-1989 гг.), согласно утвержденных ГШ СССР отраслевых планов научно-исследовательских работ (Ш гос. регистрации: 75035884, 74025043, 77027382, 79038723, 01830051656, 01840067859, 01870050393, 0191 0001001)

Нель работы. Теоретическое обоснование и разработка адаптивных методов регионального прогноза, текущего контроля, предотвращения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам.

Идея работы. Динамика газовыделения при проведении выработок с учетом свойств пласта и технологии работ используется в качестве показателя степени газодинамической активности пласта и его приза-бойной зоны, обеспечивающего оперативную адаптацию к конкретным условиям критериев и параметров предупреждения динамических газопроявлений и локализации углегазовых потоков в пределах определенных зон вентиляционных систем.

Задачи исследований:

- выявить необходимые и достаточные условия возникновения, развития и затухания основных видов динамических газопроявлений;

- установить закономерности влияния горнотехнологических факторов и газокинетических свойств угля на газодинамическую устойчивость призабойной зоны,;

- установить значение динамической прочности газонасыщенногс угля и условия его разрушения до частиц, способных перемещаться е потоке выделяющегося газа;

- разработать метод моделирования и установить зависимости, определяющие условия существования углегазового потока за фронто!» волны дробления газонасыщенного угля;

- разработать метод исследования и установить газокинетические характеристики природной углеметановой среды при ее разрушении;

- установить показатель потенциальной газодинамической активности пласта, основанный на анализе региональных геологоразведоч-

ных данных согласно установленным в процессе исследований физическим закономерностям для двухкомпонентных сред;

- развить, на основе полученных зависимостей, экспериментально- аналитические модели аэрогазодинамических процессов в призабойной части выработки и разработать метод текущего контроля ее газодинамического состояния, обеспечивающий корректирование критериев опасности с учетом изменения горнотехнологической обстановки;

- уточнить закономерности изменения напряженно-деформированного и газодинамического состояний призабойной части пласта при высоконапорном нагнетании в него жидкости и разработать способы снижения газодинамической активности, параметры которых учитывают изменчивость свойств пласта и его реакцию на интенсивное воздействие;

- уточнить особенности аэрогазодинамических возмущений в шахтных вентиляционных сетях и разработать методы локализации уг-легазовых потоков при динамических газопроявлениях с потенциально возможными в заданных горногеологических условиях параметрами.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использован комплекс методов, включающий:

- методы математического моделирования при установлении критериев подобия физической модели реальному процессу транспортирования угля в потоке расширяющегося газа, а -так же при анализе динамики концентрации метана в горных выработках в результате газопроявлений;

- метод физического моделирования процессов саморазрушения газонасыщенного угля и массопереноса за фронтом волны дробления в лабораторных и кинетики газовыделения при искусственном разрушении углеметановой среды в натурных условиях;

- методы скоростной кино и динамометрии при регистрации параметров процесса саморазрушения газонасыщенного угля и массопереноса за фронтом волны дробления;

• - методы физико- химических исследований при сопоставлении кинетики газовыделения из газонасыщенного и природного газоносного углей и анализе его технического и фракционного составов;

-.методы динамического и статического аналогового моделирования режимов в вентиляционных сетях;

- метод ■ натурных экспериментов по определению эмпирических показателей и коэффициентов в установленных закономерностях;

- метода математической статистики при анализе эсперименталь-ных данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- механизм динамических газопроявлений содержит три основных условия развития, определяющие регистрируемый вид явлений: газодинамическая неустойчивость призабойной зоны пласта-выдавливания угля, дробление частиц угля-высыпания угля, транспортирование раздробленного угля в потоке выделяющегося газа-внезапные выбросы;

- газодинамическая устойчивость призабойной части пласта определяется пространственно-временной взаимосвязью ее напряженно-деформированного состояния и давления газа;

- при динамической одноосной разгрузке газонасыщенного угля, находившегося в объемно-напряженном состоянии, процесс разрушения определяется динамической прочностью угля и перепадов напряжений на фронте волны разгрузки;

- одним из элементов процесса транспортирования угля за фронтом волны дробления выделяющимся газом является массоперенос в режиме азровзвеси, для существования которого необходимо поддерживать, по мере увеличения дальности выноса угля в выработку, рост давления газа за фронтом дробления;

- кинетика газовыделения при разрушении углеметановой среды является одной из основных характеристик потенциальных энергетических возможностей ее газовой компоненты при оценке параметров динамических газопроявлений;

- одним из основных показателей потенциальной газодинамической активности пласта является дальность горизонтального транспортирования угля при возникновении газодинамических явлений в результате вскрытия зоны пласта за пределами влияния выработки;

- динамика газовыделения в призабойную часть выработки в процессе технологического цикла, с учетом свойств пласта в направлении подвигания забоя, отражает газодинамическое состояние призабойной части пласта;

" - дезинтеграция пласта посредством высоконапорного нагнетания жидкости способна существенно изменить газодинамическое состояние призабойной части пласта и газовую обстановку в выработке;

- динамические газопроявления в горных выработках вносят резкие изменения в вентиляционный режим шахты вплоть до опрокидывания потоков воздуха, формируют зоны загазования значительных размеров.

а в пределах проводимой выработки создают опасность засыпания углем людей и оборудования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены:

- соблюдением критериев подобия при создании специального стенда для физического моделирования процесса саморазрушения газонасыщенного угля и его транспортирования в потоке выделяющегося газа;

- достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных о динамической прочности угля, коэффициент корреляции 0,96 в диапазоне изменения коэффициента крепости угля от 0,25 до 2,2 усл. ед.;

- созданием специальных методов и устройств • для изучения свойств углеметановой среды в природных условиях, позволивших путем натурных измерений на 7 шахтопластах Кузбасса установить, при корреляционном отношении 0,77, зависимость величины показателя начального газовыделения при разрушении угля от его свойств в массиве и степени дробления;

- применением приборов скоростной кино и динамометрии (СКС-1м, ИД-2И с ДЦ-10, Н-105) при контроле быстропротекающих процессов;

- значительным объемом горно-экспериментальных работ на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов, охватывающих в целом по работе проведение около 8 км горных выработок с выемкой угля отбойными молотками, комбайнами и буро-взрывным способом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получена количественная зависимость необходимых и достаточных условий развития процесса динамических газопроявлений на основе механических и газокинетических свойств угля и горнотехнологических параметров, определяющих напряженно-деформированное состояние пласта;

- установлена зависимость газодинамической устойчивости при-забойной части пласта от ее газокинетических и фильтрационных характеристик, определяющих динамику активизирующих процесс сил;

- экспериментально установлено значение динамической прочности газонасыщенного угля при одноосной разгрузке, связанное со статической прочностью линейной функцией и позволяющее по величине отношения этих значений судить о степени диспергирования угля при

формировании критического градиента напряжений;

- экспериментально зарегистрировано снижение скорости волны дробления угля и степени его измельчения с ростом давления газа за фронтом этой волны, указывающие на связующую роль величины этого давления между процессами дробления и транспортирования;

- введено понятие газокинетического показателя и получена корреляционная зависимость от основных свойств угля его величины, равной объему газа, выделяющемуся за первые 30 с с момента мгновенного разрушения, анализ значений которого для различных условий свидетельствует о существенном отличии кинетики газовыделения из природной углегазовой среды и искусственно насыщенного метаном угля;

- обоснована зависимость дальности горизонтального транспортирования массы разрушаемого волной дробления газоносного угля при динамических газопроявлениях от его основных свойств и условий залегания, разработана алгоритмическая модель ее оценки в качестве достаточно универсального показателя газодинамической активности пласта;

- установлено и промышленными наблюдениями подтверждено, что величина скорости газовыделения при выемке угля и характер снижения ее во времени указывают на вид динамических газопроявлений и уровень газодинамической активности призабойной части пласта, обеспечивают оперативную адаптивность критериев опасности к изменяющимся условиям проведения выработки;

- получена зависимость параметров гидродинамического воздействия на призабойную часть пласта от установленных показателей ее газодинамической устойчивости с возможностью контроля эффективности по газокинетическому и гидродинамическому критериям;

- установлены параметры аэрогазодинамических возмущений в горных выработках и вентиляционных сетях сложной топологии при динамических газопроявлениях, доказана возможность заблаговременного принятия мер по локализации углегазовых штоков в пределах установленных зон.

Личный вклад автора состоит в разработке теоретических положений и адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений и включает:

- конкретизацию взаимосвязей и количественное обоснование необходимых и достаточных условий возникновения, развития и затуха-

ния динамических газопроявлений;

- установление зависимости газодинамической устойчивости призабойной части пласта от горнотехнологических факторов с учетом динамики давления газа в формирующейся системе .трещин;

- установление критериев подобия и создание специального стенда для моделирования процессов- саморазрушения газонасыщенного угля и его транспортирования в потоке выделяющегося газа;

- экспериментальное установление значения динамической прочности газонасыщенного угля при. одноосной разгрузке и ее связи со статической прочностью;

- экспериментальное подтверждение снижения скорости волны дробления угля и степени его измельчения с ростом давления газа за фронтом волны;

- создание устройств для измерения газокинетических свойств углегазовой среды в натурных условиях и введение понятия газокинетического показателя с установлением корреляционной зависимости его величины от основных свойств угля, доказательство существенности отличий кинетики газовыделения из природной углегазовой среды и искусственно насыщенного метаном угля;

- установление зависимости дальности горизонтального транспортирования массы разрушаемого волной дробления угля при динамических газопроявлениях от его основных свойств и разработку алгоритмической модели ее оценки в качестве показателя потенциальной газодинамической активности пластов;

- экспериментально-аналитическое обоснование метода текущего контроля газодинамической активности призабойной части пласта по динамике газовыделения при выемке угля и свойствам пласта в направлении подвигания с учетом технологии работ;

- экспериментально-аналитическое обоснование связи эффективного гидродинамического воздействия на пласт с газодинамическим состоянием его призабойной части и разработку газокинетического и гидродинамического критериев контроля эффективности;

- установление особенностей аэрогазодинамических возмущений в горных выработках и вентиляционных сетях сложной топологии при динамических газопроявлениях и доказательстве возможности локализации продуктов выброса в пределах заданного объема выработок.

Практическое значение работы. Результаты выполненных исследований позволяют:

- выявлять по геологоразведочным данным границы зон угольных пластов различной потенциальной газодинамической активности;

- вести комплексную оценку соответствия проектных решений и фактических режимов проведения выработки реальным горнотехнологическим условиям с позиций газодинамической опасности;

- контролировать газодинамическое состояние призабойной части пласта с классификацией вида потенциальной опасности;

- предотвращать динамические газопроявления в установленных прогнозом потенциально опасных зонах путем регулируемой дезинтеграции пласта;

- оценивать допустимость резкого повышения притока газа из скважин в результате поинтервального ориентированного гидроразрыва пласта при заданных параметрах дегазационной системы и выявлять оптимальные инженерные решения по повышению ее производительности;

- устанавливать потенциально возможные в конкретных горногеологических условиях и при заданных характеристиках вентиляционных систем размеры зон распространения продуктов внезапных выбросов угля и газа для.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором вошли в отраслевые и региональные (производственные объединения и ассоциации) документы, используемые угледобывающими предприятиями и научно-исследовательскими организациями: "Типовые схемы оснащения участков шахт, разрабатывающих пласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа, средствами самоспасения горнорабочих и характеристика данных средств".-Донецк, 1980; "Методика расчета зон зага-зирований"вентиляционной сети шахты при внезапных выбросах угля и газа и выбора мероприятий по обеспечению безопасности".-Кемерово, 1980; "Руководство по применению безопасного и контролируемого способа интенсивной дегазации ' призабойной части пласта для предотвращения внезапных выбросов угля и газа с использованием эффекта гидроотжима и аппаратуры контроля метана (регулируемый гидроотжим)". - Кемерово, 1985; "Методические положения по комплексной, с использованием средств вычислительной техники, оценке соответствия проектных решений по безопасности условиям заданного режима проведения горизонтальных подготовительных выработок по углю в шахтах ПО "Северокузбассуголь".- Кемерово,1988; "Руководство пользователя пакета прикладных программ ПАСП0РТ-О1",- Кемерово,1989; "Схемы и

технология прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении' подготовительных выработок комбайнами на выбро-соопасных мощных и средней мощности пластах". -Кемерово, 1989; "Методика проведения вакуумно-газовой съемки в дегазационных газопроводах угольных шахт и рекомендации по использованию ее результатов для повышения эффективности дегазации".- Кемерово.1989; "Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок".-Кемерово, 1994; "Инструкция по применению ориентированного гидроразрыва пласта для предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок". -Кемерово, 1994; "Методика контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях"- Кемерово,1997.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части представлялись и получили одобрения на:

- международных симпозиумах;

второй и третий симпозиумы по механизации и автоматизации (Люлеа, Швеция, 1993; Голден, США, 1995); симпозиум по вопросам управления и контроля за высоким газовыделением и внезапными выбросами угля и газа на угольных шахтах (Уоллонгонг, Австралия, 1995); II Международная научно-практическая конференция "Перспективы развития ' горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1995г.) Симпозиум по утилизации метана угольных шахт (Алабама, США, 1997).

- отечественных конференциях, семинарах, совещаниях:

Всесоюзное совещание по теории внезапных выбросов угля, породы и газа (Москва.1978); IV Междуведомственный региональный семинар "Управление'вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск,1979); Всесоюзный семинар "Технология разработки мощных пластов Кузбасса" (Новосибирск,1985); Всесоюзный семинар "Управление газовыделением в шахтах" (Новосибирск.1986); Територи-альная научно-техническая конференция "Проблемы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом" (Караганда, 1987); Всесоюзная конференция по развитию производительных сил Сибири "Угольный комплекс Сибири" (Ленинек-Кузнецкий,1990); Всесоюзный семинар "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск,1991); VIII Всесоюзное совещание "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новоси-

бирск, 1991); Всероссийская научно-практическая конференция "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово: КГТУ, 1994); Всероссийская конференция "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Новосибирск-Екатеринбург, 1994); Всероссийский отраслевой семинар по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации, повышения эффективности работы участков ВТБ и ПР по ТБ шахт, служб ДГС и газоаналитических лабораторий ВГСЧ (Кемерово, 1994); Конкурс по внедрению (промышленному освоению) современных технологий и средств для "Территориальной программы по улучшению условий, охраны труда и промышленной (техногенной) безопасности на предприятиях базовых отраслей промышленности Кемеровской области на 1998-2000 гг." (Кемерово, 1997); Научно-техническая конференция "Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса" (Кемерово, 1998);

Публикадии. По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, включая 16 патентов, авторских свидетельств и положительных решений о выдаче патентов РФ по заявкам на изобретения.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 187 страниц машинописного текста, и содержит 46 рисунков. 24 таблицы и список литературы из 157 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ

1. Проблема прогноза и предупреждения газопроявлений в угольных шахтах.

Развитие исследований по проблеме динамических газопроявлений, имеет весьма длительную историю. Современные представления о природе газопроявлений, условиях их возникновения и развития формировались ведущими отечественными и зарубежными учеными: Абрамовым Ф. А., Алексеевым А.Д., АйруниА. Т., Баренблаттом Г.И., Беспятовым Г. А., Бобиным В.А., Бобровым И.В., Большинским М.И., Бори-сенко A.A., Вылегжаниным В.н., Гиммом В., Грицко Г.И., Забигайло В.Е., Зориным А.Н., Ивановым Б.М., Казаковым С.П., Коваленко Ю.Ф., Кричевским P.M.. Кузнецовым C.B., Лидиным Г.Д., Линьковым A.M.,

Марграфом В., Мурашевым В. И., Мясниковым А. А.. Николиным В. И., Никольским A.A., Онопчуком В.Н., Ольховиченко А.Е., Петросяном А.Е.. Петуховым И.М., Пузыревьм В.Н., Роговым Е.И., Салганником Р.Л., Сергеевым И.В., .Сиртешом Л., Скочинским A.A., Черновым О.И., Шевелевым Г.А., Фейтом Г.Н., Ходотом В.В., Христиановичем С.А., Эккар-том Д., Эттингером И.Л., Яруниным С.А, Ярцевым В.А. и др.

Результаты их исследований позволили создать физическую модель основных видов газопроявлений, положения которой применительно к механизму внезапного выброса угля и газа сформулированы учеными СССР в конце 70-х годов. Ее сущность заключается в представлении механизма в виде многостадийного процесса, в котором относительно "слабое" газопроявление можно рассматривать как "недоразвившееся сильное". В результате имеем псевдопоследовательный ряд явлений: газовыделение, суфляр, выдавливание и обрушение с повышенным газовыделением, собственно внезапный выброс угля и газа. На его основе можно оценивать уровень опасности, контролировать эффективность мероприятий по ее снижению, адаптировать к конкретным горногеологическим условиям общие для всего ряда газопроявлений зависимости. При этом удобно использовать понятие логистического ряда, позволяющего наглядно отобразить существование качественных изменений в возникновении, развитии и затухании динамического газопроявления. Этим качественным изменениям, переходам на более высокий уровень опасности, соответствуют три основные условия.

В порядке их хронологической последовательности "включения" в процесс можем записать:

- газодинамическая неустойчивость призабойной части пласта;

- дробление части угля до частиц, способных перемещаться в потоке выделяющегося газа;

- транспортирование раздробленного угля выделяющимся газом из зоны разрушения' в выработку.

Приведенная схема, синтезируя основные элементы логистического ряда газопроявлений, позволяет акцентировать исследования на узловых задачах, обеспечивая направление их решений на достижение поставленной цели.

2. Исследование reoгазодинамического состояния призабойной части пласта

Рис. 1. Схема к оценке газодинамического состояния призабойной части пласта:

а - нормальные напряжения; Р- давление газа; о1 - эпюра опорного ' давления; Рт,; - давление газа в трещине; Р0 - давление газа за зоной влияния выработки; <т<> - нормальные напряжения вне зон-'Ы влияния выработки; Р, - давление газовоздушной смеси со стороны выработки; Рп., -сила сопротивления угля отрыву; I - глубина заходки; а?, - начальные нормальные напряжения на кромке забоя после взятия заходки

При подвигании забоя горной выработки по газоносному угольному пласту формируется волна деформаций, инициируя изменение состояния углегазовой среды в некоторой области (рис.1). Деформирование сопровондается развитием трещиноватости прежде всего в нормальной направлению смещений плоскости. Условие устойчивости некоторого элемента пласта между поверхностью забоя и формирующейся трещиной можно записать в виде

. 1 Пс Лх1 +БВ, 1 Рв р 1 Рт, 1 . (1)

где:'Рп-1 - удельное сопротивление выдавливанию в выработку некоторого элемента 1-го слоя; Пс - средний периметр элемента; Дх! -толщина слоя; 3в1 - площадь поверхности рассматриваемого элемента со стороны выработки; Рв - давление газа со стороны выработки; Бт>1 - площадь проекции, на плоскость обнажения, поверхности трещины, выделяющей 1-ый слой; РТ-1 - давление газа в трещине.

Справедливость подобного подхода к описанию устойчивости при-контурной части пласта подтверждается результатами исследований проф. В. И. Мурашева. Отличительной особенностью условия (1) является большая структурная детализация, позволяющая уточнить влияние газокинетических процессов в рассматриваемой зоне.

Для определения комплекса характеристик зоны напряженно-деформированного состояния (НДС) пласта в настоящее время используются полуэмпирические зависимости, учитывающие механические свойства угля, горногеологические и технологические условия. Как показали предварительные исследования ВостНИИ удовлетворительные результаты могут быть получены при использовании расчетной модели, в которой забой подготовительной выработки уподобляется круговому цилиндрическому вырезу с осью, расположенной нормально напластованию. Почва и кровля рассматриваются как жесткие плиты, между которыми зажата вынимаемая мощность пласта. В результате дальнейших исследований этой модели с участием автора получены необходимые полуэмпирические зависимости.

Для остановленного забоя

(1,9 (Г-0,2)2+1)шв Ув (б0 tgp+63 tgp+2Kc) +шв б3

xmax=-In--(2)

tgp Швбэ+2ув(Kc+63tgp)

где: хтах - расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений, м; f - коэффициент крепости угля по М.М. Протодьяконову; шв - мощность пласта в пределах сечения выработки, м; р - угол внутреннего трения, градус; у8 - половина ширины выработки, м; б3-нормальные напряжения на кромке забоя, МПа; Кс - коэффициент сцепления угля, МПа.

В случае движущегося забоя размеры зоны НДС дополнительно зависят от средней скорости проходки, графика цикличности горных работ и реологических свойств массива. При этом напряжения на кромке забоя (х=0) после взятия заходки на глубину 1 в начальный момент времени (t=0) для n-го цикла определяются из выражения

б°з,п = 63,n.1exp(ßn_Il) , (3)

где: б3 _ и -1 ~ нормальные напряжения на кромке забоя перед взятием n-го цикла;

1 2б0+бЭ|П.1 ßn-t = -in—- . (4)

xn -1 2б3,n-1

б0 - нормальные напряжения за зоной влияния выработки, а xn_i по формуле (2) с заменой х„ах на хп_! и б3 на б,.,,-!, предполагая, что б3,о = б°3,п.

За время цикла t„-n напряжения б3 снижаются согласно зависи-

мости

ба(Ъ) = б3,п+(бэз.п-бз,п)ехр(-арг) ■ (5

( оа«ц.п).

где: Ор -реологический параметр; б3,п-предельные нормальные напряжения на кромке забоя.

Производя расчеты последовательно для различных п=1,2,3... и 0<ШП можем установить указанные параметры зоны НДС для любого цикла с учетом их изменения во времени.

Результаты расчетов по этой модели для конкретных условий показали достаточную сходимость с полученными проф. В.И.Мурашевым фактическими данными.

Знание эпюры напряжений в зоне НДС позволяет оценить величину сил, препятствующих смещению угля в направлении обнаженной поверхности, в функции расстояния от забоя .

Гп=Пх(Кс+б01ер)+П(б3.П11 - б3.пМехр(&х)-1тяр)/&. (6)

где: Р„ - величина препятствующих сил; П - периметр смещаемого слоя.

Определенный интерес представляют условия проведения выработки с применением локальных способов предотвращения внезапных выбросов. основанных на создании впереди забоя разгруженного и дегазированного участка (бурение опережающих разгрузочно-дегазационных скважин, вымывание опережающих полостей и щелей и т.п.). Можно принять, что на этом участке, имеющем постоянное неснижаемое опережение забоя, нормальные напряжения практически отсутствуют и торможение смещений необработанной зоны происходит только за счет сил сцепления. При таком допущении, преднамеренно занижающем положительную роль обработки, напряжения на ее границе составят

Кс1п(2ув+шв) боб = -. (')

УвПЪ

где 1„ - протяженность обработанного участка по оси выработки.

Тогда протяженность зоны пластических деформаций хп за обработанным участком будет равна

(1. Э(Г-0,2)г+1)Шв

X 1п

Ув (бр , п - 1 tgp+2Kc (бх . д - ! /Хх ш п . 1 ) ) +Шв бх, п -!

Мх.п-1+2Ув ((бх,п-1/"Гх.п-1)Кс+бх,л-1 tgp) Ч.п(^) = б<,б + (Л.п- бов)ехр(-с(р1;);

П = . I, ~бг . * . п »

X, п

'X. II иг, х, п»

X . П-1

(9) (10)

где: тхп - касательные напряжения; т°Х1П- начальные в п-ом цикле касательные напряжения; бх>11 - нормальные напряжения.

Используя для расчета нормальных напряжений зависимости, аналогичные (3) и (4), получим выражение подобное (6), но дополненное слагаемым, отражающим сопротивление обработанной зоны смещению в направлении к выработке.

Распределение давления газа в блоках угля впереди движущегося забоя, необходимое для анализа условия устойчивости (1), рассчитывалось согласно зависимости, полученной проф. Б.Г.Тарасовым. На ее основе устанавливается эпюра давления свободного газа в трещинах с учетом влияния газокинетических и фильтрационных характеристик среды исходя из следующей модели.

В процессе дезинтеграции приконтурной части пласта в момент раскрытия трещины с ее поверхности начинает поступать газ. дебит которого зависит от склонности угля к газоотдаче, давления газа в окружающих трещину блоках угля и давления газа в трещине. С увеличением давления газа в трещине увеличивается скорость его фильтрации в выработку, но в связи с выравниванием давлений в блоках и трещине, снижается приток через поверхность трещины. Очевидно, существует момент, когда давление газа в трещине достигает своей максимальной величины и затем начинает снижаться по мере газоистощения блоков.

Общее уравнение этого процесса имеет вид

где: Ут_ 1 - объем трещины; рг - плотность газа; Ц - время с момента раскрытия трещины; и0-1с - удельная начальная скорость газовыделения через поверхность блока; |5К - коэффициент затухания ско-

Ре. 1-Рт. 1 п

ут,1—=2т.1- 2 и0>кехр(-р1:Ц)-

(Нх Рб11 к=1

^пр . с^т. 1 (Р2т, 1 -1)

. (11)

2Ц1СРВ2

рости газовыделения; п - число членов ряда; к=1,2...п - порядковый номер члена ряда; КцР.с - проницаемость слоя угля, выделенного трещиной; р - вязкость газа; 1С - расстояние от забоя выработки до трещины.

Расчетами установлено (рис.2), что для возникновения опасности не обязательно создание протяженных газодинамически замкнутых трещин, достаточна относительно низкая газопроницаемость в направлении обнаженной поверхности и соответствующая величина газопритока в трещину. В связи с достаточно быстрым снижением газопритока через поверхность трещины время существования максимального давления измеряется в секундах (рис.3.4), что накладывает вполне определенные условия на динамические характеристики процесса дезинтеграции приконтурной части пласта. В случаях задержки отброса в выработку выделяемого трещиной слоя снижение давления приводит к восстановлению условия (1), исключая развитие динамического газопроявления. Величины газокинетических характеристик при расчетах принимались по данным натурных измерений в фактически выбросоопас-ных зонах угольных пластов (см.п.4).

Проверка адекватности изложенного подхода реальным условиям выполнялась при проведении подготовительных выработок с бурением разгрузочно-дегазационных скважин и гидроотжимом призабойной части пласта на шахтах Кузбасса. Общий объем горно-экпериментальных работ составил 2,5 км. Их результаты подтвердили обоснованность полученных зависимостей.

3. Исследование и разработка методов изучения кинетической прочности и условий саморазрушения углегазовой среды

Одним из основных затруднений при исследованиях геогазодинамических процессов в углегазовой среде является объективная оценка ее прочностных показателей в динамическом режиме. Выполненные в этом направлении работы Ярцева В. А., ХодотаВ.В., Алексеева А. Д., Борисенко A.A., Фейта Г.Н. и др. не позволили установить количественную связь между показателем прочности среды и ее газосодержанием. Однако однозначно доказали , что при насыщении угля газом до некоторого критического давления последующий сброс давления приводит к диспергированию части массы угля с формированием характерной

30 20 AF, i КН 1 10 ///.I "1 1

2 / r

/з / j i [ ! i

0 1 . ) \ 20 / 40 60 — 80 . 100 1 К ( \ / 1 1см . ' ti'iU/. - 1 t < - ill i ' ) t С , )

Рис.2. Зависимость показателя устойчивости ДР выделенног о трещиной слоя от расстояния 1 до забоя выработки:

1-4 при диаметрах трещин 10, 20,40 и 50 см, соответственно

полости, т.е. газовая компонента среды способна вызвать разрушение и без участия внешних механических сил.

Учитывая отмеченное удобно величину динамической прочности определить как функцию статической прочности, выразив последнюю через некоторый показатель, принятый для описания свойств большинства горных пород

бд = V- (12)

где: бд - динамическая прочность угля, МЛа; Хд - коэффициент динамической прочности, МПа.

Определение величины Хл выполнялось экспериментальными методами на газонасыщенных образцах угля без внешней механической нагрузки.

Всего выполнено более 40 опытов. Угольные образцы имели коэффициент крепости от 0,27 до 2,2. Давление насыщения угля от 0,35 до 3,5 МПа. Установлено, что с ростом прочности угля радиус кривизны поверхности дробления увеличивается и для образца с f=2,2 процесс сопровождался образованием сферических дисков примерно равней толщины с радиусом сферы 150-170 мм.

Рис.3. Максимальное давления газа Рт в трещине при различных давлениях газа Р6 в окружающих ее блоках и проницаемости к,, выделенного трещиной слоя угля

1. 2. 3 - соответственно при давлении газа в блоках 0,5; 1.5 и 3.0 МПа

0,5 0,4

п °'3

МПа I 0,2

0,1

0 5 10 15

Рис.4. Динамика давления газа Рт в трещине при различной проницаемости к-выделенного ею слоя

1,2, 3 - при коэффициенте газопроницаемости соответственно 1, 10 и 100 цД

Обработка выборки позволила найти (коэффициент корреляции 0,96) искомую величину коэффициента динамической прочности Хд=2 МПа и значение показателя динамичности разгрузки Пд, при котором возможен процесс динамического саморазрушения

Рб

Пд= - > 1. (13)

бд

С ростом показателя Пд возрастают дальность распространения волны дробления и степень измельчения угля по зависимостям

1Д = 1,4-Пд, см; (14) Кс.в= 0.15 (Пд-°-62 +1). см, (15)

где: 1д -дальность распространения волны дробления; Кс.в-средневзвешенный диаметр частиц.

Из (14) видно, что скорость одноосной разгрузки угля должна быть достаточной для возникновения градиента радиальных напряжений на фронте волны не ниже 0, 7-бд МПа/см.

Интенсивное измельчение угля приводит к формированию условий для транспортирования части его массы по выработке. Исследования этой стадии процесса выполнялись на специальном стенде (а. с.796459).

Стенд состоит из матрицы с газонасыщенным углем и прямоугольной трубы, имитирующей горную выработку. Стенки трубы прозрачные, что обеспечивает ведение визуального контроля за перемещением уг-легазовой смеси. Матрица предназначена для размещения в ней образца или прессованного угля с датчиками контрольно-измерительной аппаратуры. Ее затвор позволяет регулировать диаметр горловины матрицы и выполнять практически мгновенную разгерметизацию (до 100 МПа) с одного торца. Давление газа в опытах контролируется серийной безинерционной аппаратурой ИД-2И и шлейфовым осциллографом Н-105. Скорость движения фронта отброса слоя угля определяется временем прохождения фронта через контрольные пикеты, в которых установлены контактные датчики. Скорость потока углегазовой смеси определяется по времени прохождения его фронта через установленные по длине трубы фоторезисгоры. Наличие ламп подсветки и скоростной кинокамеры СКС-1м позволяет получить кинозапись перемещения как фронта смеси, так и отдельных частиц угля.

Полный анализ кинограмм показал, что величина этой скорости

колеблется около 25 м/с, а угол встречи частиц с нижней твердой границей потока составляет 8-15°, что соответствует данным по пневмотранспорту угля в трубопроводах.

Установлено, что скорость движения фронта фильтрации несоизмеримо меньше скорости дробления, а увеличение площади горловины матрицы с 7 см2 до 28 см2 при сечении образца 50 см2 приводит к росту скорости волны дробления с 5 м/с до 39 м/с. В тоже время, почти четырехкратное увеличение прочности брикета (оценивалось по величине критического давления насыщения его метаном) снижает эту скорость лишь на 20 % и сближает значения скоростей перемещения фронтов начальных и полных разрушений за счет скорости полных разрушений. Это позволяет предположить, что на участке между контуром фронта дробления и горловиной матрицы угольный брикет относительно плавно изменяет свою плотность, переходящую в соответствующую плотному углегазовому потоку.

Между пропускной способностью горловины горловины и скоростью движения фронта разрушения имеется весьма сильная зависимость, указывающая, во-первых, на перемещение значительной части угля в режиме аэровзвеси без существенного влияния эффекта "метания" за фронтом дробления, а, во-вторых на возможность затухания волны дробления по причине повышенного давления газа за этим фронтом, т.е. "саморегулируемость" этих характеристик процесса. При низких значениях давления газа перед фронтом волны значительная часть угля остается в матрице несмотря на полное разрушение брикета.

Оценка кинетики выделения газа при разрушении угля по данным кинограмм процесса позволила установить, что даже в наиболее благоприятных условиях опытов в транспортировании угля принимает участие не более 30% исходного газосодержания.

На основе полученных результатов и их сходимости с выводами других исследователей разработана математическая модель, отображающая стадию транспортирования угля в потоке выделяющегося газа. По своей физической сущности она близка к постановкам Христиановича С.К. и др., но более подробно отражает влияние газокинетических свойств углегазовой среды. На ее основе уточнены критерии подобия при физическом моделировании с целью использования его результатов для определения эмпирических коэффициентов в основных закономерностях массопереноса при динамических газопроявлениях.

Анализ результатов моделирования этой стадии динамических га-

зопроявлений позволил установить искомые величины эмпирических коэффициентов: скольжения фаз (С!=0,55), аэродинамического сопротивления (Х4= 0,1). импульса (Х.2=90); необходимых для оценки взаимосвязи (22) дальности выноса угля в выработку и давления газа за фронтом волны дробления при динамических газопроявлениях (см.п.5).

4. Исследование и методы измерения газокинетических характеристик углегазовой среды

Известные работы Ходота В.В.. Эттингера И.Л., Яновской М.Ф. и др. по изучению кинетики газовыделения из угля позволяют описывать этот процесс, оперируя удельной скоростью газовыделения, параметры которой установлены в лабораторном эксперименте.

Для выяснения влияния искусственности газонасыщения и окисления угля в процессе подготовки его к опыту использована методика работ, полностью исключающая контакт пробы угля с воздухом как при ее отборе, так и разделке. Выполненными экспериментами установлено:

- равновесные значения сорбционной метаноемкости угля не зависят от его окисленности, но время достижения сорбционного равновесия для пробы, подвергнутой воздействию атмосферного воздуха, увеличивается примерно в 2,5 раза по сравнению с углем, не имевшим этого контакта;

- скорость десорбции газа для природной углегазовой среды значительно ниже таковой для газонасыщенного угля, особенно в начальный период времени;

- если пробы предварительно подвергнуты длительному хранению на воздухе и последующему вакуумированию, то начальная скорость десорбции в 2 и более раз превышает"таковую для природной углегазовой среды, а начальные градиенты скорости газовыделения отличаются вплоть до порядка.

Наиболее технологичным и оперативным способом изучения свойств разрушаемой в натурных условиях углегазовой среды является бурение. Для проведения необходимых исследований созданы специальные устройства (а.с.769026,769025).

В соответствии с разработанной методикой, были выполнены измерения на семи шахтопластах Кузбасса, часть из них в зонах последующих газодинамических явлений, в некоторых случаях за 4-9 часов

до их реализации. При аппроксимации экспериментальных графиков установлено, что реальное газовыделение имеет в целом ряде случаев более динамичный характер по сравнению с зависимостью, основанной на законе диффузии.

Полученными результатами подтверждено заключение о существенности различий кинетических характеристик углегазовой среды и искусственно насыщенного угля - величина коэффициента диффузии для интервала времени 40-500 с с момента окончания бурения на порядки меньше значений, определяемых по результатам лабораторных опытов проф. В. В.Ходота и др.

Для установления связи между газокинетическими свойствами разрушаемого угля и его техническим и фракционным составом введен газокинетический показатель, характеризующий отношение объема газа, выделяющегося за первые 30 с с момента отторжения единицы горючей массы угля, к ее начальной газоносности.

где: О30 - газокинетический показатель, см3/г; №т=8 - максимальная влагоемкость угля, М - рабочая влажность угля, %; й - средневзвешенный диаметр частиц отбитого угля, см; зе - газоносность угля в массиве, см3/г; эе1 - сорбционная метаноемкость угля при давлении газа 0,1 МПа, см3/г; а^ - константа сорбционной метаноемкости угля. см3/г.'

Установленная зависимость (корреляционное отношение 0,77) позволяет рассчитать для конкретных горногеологических условий величину показателя удельного газовыделения, раскрывая тем самым возможность прогнозирования основных параметров газопроявлений на основании известных свойств угля в массиве.

5. Исследование и метод определения вида и уровня потенциальной опасности газопроявлений

Разработанные теоретические положения позволили создать алгоритмическое описание необходимых и достаточных условий возникно-

(16)

вения, развития и затухания динамических газопроявлений. Физическая сущность может быть проиллюстрирована представленными на рис. 5 зависимостями, отражающими реакцию газоносных горных пород при их динамической одноосной разгрузке.

В динамическом режиме одноосной разгрузки блока угля от внешнего давления разрушение материала определяется совместным действием перепада упругой составляющей радиальных напряжений и давления газа на фронте волны разгрузки. Если их сумма превышает динамическую прочность материала, то возникает процесс дробления. Фронт волны способен организовать одновременность деформаций восстановления по всему сечению блока, пренебрегая наличием "нормальной фронту трещиноватости. На участке бг-у)бд разрушение обеспечивается напряжениями, сформированными внешней нагрузкой, а давление газа расходуется только на перемещение материала от фронта дробления. С ростом прочности (f) геомеханических напряжений оказывается недостаточно и на участке бг у<бд уже часть энергии газа расходуется на разрушение. Возможности массопереноса снижаются на величину ДР и при 6Д=6Г,У+Рб динамическое саморазрушение становится невозможным, хотя процесс растрескивания и дезинтеграции еще может продолжаться.

Следует подчеркнуть, что в механизме разрушения угля при динамических газопроявлениях присутствует весьма жесткое требование (15) о поддержании на фронте волны соответствующего градиента напряжений, определяющее условия эффективного участия' геомеханической и газодинамической составляющих напряжений. Если вторая связана с относительно инерционными процессами десорбции и фильтрации, то первая зависит от многократно большей скорости упругого восстановления, что способно в определенных условиях снизвести степень ее участия до пренебрежимо малой величины.

Конкретизация изложенного подхода на алгоритмическом уровне обеспечивает прогнозирование вида й уровня опасности динамических газопроявлений.

Условие газодинамической неустойчивости призабойной части пласта.

Расчетная схема предполагает при определенных пространственно-временных горнотехнологических ситуациях формирование зоны пласта, в пределах которой'условие (1) нарушается. Введением обозначений Fn(х,t) и Fa(х,t), соответствующих левой и правой частям

Рис.5. Условия саморазрушения газоносного блока угля с коэффициентом крепости £ при одноосной динамической разгрузке от внешнего давления газа Р и радиальных напряжений стг:

Од - динамическая прочность угля; ог,у - упругая составляющая радиальных напряжений; Р6 - давление газа в блоке угля; ДР - потери давления газа на разрушение угля; Р„ - то же, на транспортирование; - диапазон 1", в

котором возможно при заданном и, разрушение в процессе упругого восстановления негазоносного угля; Гр - величина коэффициента крепости, до которой возможно дробление блока за счет давления газа Р6; ст^ -суммарные радиальные напряжения упругого восстановления.

неравенства (1). оно приводится к виду

ЛРццп = т111[Еп(х. и-^хД)]. ЛГга1п<0 , (17)

о<х<х„ оаа„ где: ДГга1п - минимальная в рассматриваемом пространственно-временном диапазоне величина разности препятствующих и активизирующих процесс сил.

Тогда, допуская, что дальняя от забоя граница значений ЛРтт=0 (рис.2) указывает на потенциально возможную дальность распространения волны послойного газодинамического выдавливания, а в процесс может быть вовлечена масса угля, соответствующая площади пласта на поверхности забоя, параметры явления оцениваются выражениями:

- масса угля

Му . 2швУв1уру, т, (18)

где: 1У - расстояние от забоя до дальней границы ЛРт1п=0; ру -плотность угля;

- дебит газа

^ = а1Муа'з(), м3/с, (19)

где а!=0,17 - эмпирический коэффициент.

Условие дробления угля до частиц, способных перемешаться в потоке выделяющегося газа.

Учитывая сходимость полученных значений динамической прочности напряженной углегазовой среды с аналогичными характеристиками других твердых материалов, условие возникновения волны дробления устанавливается показателем

Рб.у+бг.у

ф = - > 1, (20)

ХДГ

где Р6-у и бг,у - значения соответственно давления газа в блоках угля и упругой составляющей радиальных напряжений на расстоянии 1У от забоя.

Если условие (20) на границах х=1у и х=1 не выполняется, то дальнейшее развитие процесса невозможно и прогнозируется предыдущий вид явления с соответствующими параметрами. Выполнение же (20) указывает на качественно иной вид потенциальной опасности, но прежде проверяется возможность ее дальнейшего развития с формированием достаточно производительного углегазового потока

1У>Ь„ или 13>ЬП , (21)

где: Ь„ - потенциально возможная дальность транспортирования части массы разрушаемого угля в потоке выделяющегося газа (22).

Если оно выполнено, то явление относится к виду высыпаний угля с параметрами Мв = Му и чв = при а)=аг=0,4 в (19).

Условие транспортирования мелкораздробленного угля из зоны разруиения в выработку.

В качестве показателя, отражающего потенциальную возможность дальнейшего развития явления уже в форме внезапного выброса угля и газа, принимается величина дальности транспортирования

2-Ю3Х2р2 Рп

Ьп<-----. м. (22)

(1 ) яп0 б Ру (Ру -рг ) СРг +П0 6 (р, С! 2 -рг ) ]

2 • Ку Си о Рп 1

У ' (23)

Ра

где: поб - доля угля в единице объема смеси; Ку-коэффициент, учитывающий поступление газа из выпавшего на почву выработки угля; Рп - давление газа за фронтом волны дробления; Ра - атмосферное давление.

Потенциально возможные параметры внезапного выброса угля и

газа:

- дальность отброса угля в выработку

Ьп +0,5К3 (й-^Ицй+й2)

Ьв<-, м, (24)

. . Ц-(ЬпЗ/Рп)руКрв зИЩ,

1,43-Б соз2а

й=-, М. (25)

(Кр-1)шс

где: К3«0,75 - коэффициент заполнения полости выброса углем, Оц-угол падения пласта, градус; Крй1.37 - коэффициент разрыхления угля; Ов - угол наклона нисходящей выработки к горизонту, градус; Б-сечение выработки в свету, м2.

Для восстающих выработок 03)10° 51пав«1.

- масса выброшенного угля

М < З1вру/Кр, т; (26)

- возможный объем газовыделения в результате выброса

ЦСИбО-Мз0-25+14-Мэ, м3; (27)

- максимальный дебит газа в вентиляционную систему

Я < 0,67-й30 /]£ , м3/с. (28)

Количественным анализом зависимостей (20-23) установлена удовлетворительная сходимость результатов расчета при оценке влияния основных свойств углегазовой среды и их сочетаний на предельные параметры внезапных выбросов угля и метана. Дополнительное подтверждение справедливости выявленных закономерностей.получено при численном моделировании условий саморазрушения других газоносных геоматериалов (песчаник - метан, уголь - углекислый газ, соль - углекислый газ). Полученные значения критических глубин возникновения их внезапных выбросов, дальности распространения твердой составляющей и ее массы достаточно близки к регистрируемым при ве-

дении горных работ в соответствующих условиях.

6. Исследования и разработка метода контроля газодинамического состояния призабойной части пласта

Теоретические положения о геомеханических и газодинамических процессах в приконгурной части пласта и кинетике газовыделения при разрушении угля явились основой разработки метода непрерывного отслеживания ситуаций, формирующихся в движущемся забое, адаптации критериев опасности к изменяющимся условиям. Физической базой слежения являются свойства пласта, динамика концентрации метана в призабойной части выработки в период технологического цикла проходки и расход подаваемого воздуха. Учитывая, что расход воздуха в течении достаточно длительных интервалов подвигания остается постоянным, можно считать динамику концентрации адекватной динамике газовыделения. Метод текущего контроля газодинамической активности приконтурной части пласта наглядно иллюстрируется следующей схемой (рис.6).

Перед очередным подвиганием забоя скорость газовыделения и, следовательно, величина концентрации метана (Сф) в призабойном пространстве стабилизируются. Ее изменение при выемке соответствует определенному газодинамическому состоянию призабойной части. Из выражений, подобных (17-19) и (22), можно, используя (16), установить критическое значение газоносности зе^, при которой газодинамическая опасность отсутствует, т.е. рассчитать приток газа и его концентрацию Скр, соответствующие безопасной ситуации. Тогда, все случаи превышения Скр следует относить к потенциально опасным и анализировать более тщательно, т.к. их причинами'являются:

- приближение границ зоны разгрузки пласта выработкой к природному газовому коллектору, содержащему свободный газ в развитых системах открытых трещин;

- накопление энергии в призабойной части пласта в результате неблагоприятного сочетания горнотехнологических факторов.

Шахтными исследованиями установлено, что выделить эти причины можно по величинам притока метана в выработку из отбиваемого угля и через поверхность пласта, соответствующим и градиенту снижения концентрации метана после прекращения выемки угля. Следствием первой причины будет существенно меньший градиент, чем для вто-

рой. Промежуточное значение относится к входу забоя в зону пласта с повышенной прочностью и трещиноватостью.

2,0

1,5

к

<ср

°е5

о

_ — - ' - [Г"

!

_

_

!

^ г

1_■ _. ш ЩШ-й 1___

гм — С УОО ЬС.

г вЕж

— — * в- ~ — -•»««■л 1 «3 — : — ■ —

/

/ к —— ^"ЗмГ? — И |сПУ _.__\ 1

) ■ь. -- —~ — КГ1 | ' 1 1

---- — ---1 — - шк зз* — - —-- РЕ

■■им - 4 № ЁЖ I

1-

1

1 1 ! I 1 1 1 1 1 1 1_

1 2 3 4 5 6 7

'Г , час —

Рис.6. Связь динамики концентрации метала в призабойном объеме выработки с видом газодинамической опасности

Исследования на шахтах Кузбасса (в' процессе испытаний пройдено более 1,5 км выработок) позволили установить контрольные периоды времени, критические значения градиентов и эмпирические"формулы для расчета характеристик газовыделения. Газодинамический показатель

п С15-Сф

Йп—Г (29)

Фактическое метановыделение в призабойное пространство

^'з. п=0.008• (См-Свнп)й3 , м3/мт Фактическое метановыделение из отбиваемого угля Г0. у=0, 01-03. л(См-2С15+С30) , м3/мин Фактическое метановыделение через поверхность пласта

(30)

(31)

3.П J'

о .у

м3/мин

(32)

где: СФ,С15,С30 и См - соответственно концентрации метана перед выемкой, через Г5 минут после выемки, через-30 мин после выемки и максимальная при выемке, %.

Оценка газодинамического состояния зоны пласта выполняется следующим образом.

Если J'0 ¡,>Ja v , V

> то "выбросоопасно".

или (33)

J'3.n>J3.n и Rn<0,65 J

Если J'3.n>J3.n и Rn>0,8 , то "опасное газовыделение".

Здесь: J0.у - критическое газовыделение из отбиваемого угля; J3„ - критическое газовыделение в призабойное пространство.

Результаты испытаний в зонах фактической выбросоопасности при проведении выработок по пластам XXI и XXVII на шахтах "Бирюлинс-кая" и "Первомайская" (Кузбасс) показали, что разработанный метод обеспечил заблаговременность информации об опасности за 5-7 м до места внезапных выбросов с массой выброшенного угля 15, 54 и 105 т. Причем информация о недопустимо высоком уровне газодинамической активности пласта на этих 5-7 метровых участках проведения выработки постоянно повторялась при взятии очередных заходок, т.е. 6-9 раз. в том числе и в случаях применения весьма интенсивного воздействия на пласт для предотвращения выбросов с помощью разгрузоч-но-дегазационных скважин .

7. Исследования и способы снижения газодинамической активности пласта при проведении выработок

Установленные количественные закономерности изменений вида и уровня опасности динамических газопроявлений под влиянием горнотехнологических факторов позволили выявить значения основных свойств и характеристик состояния пласта, исключающие опасные ситуации при данных технологических параметрах. Например, определение с помощью (16) и (21) безопасных значений газоносности и влажности угля является основой для расчета параметров дегазации и низконапорного увлажнения пластов.

Аналогичные возможности созданных теоретических положений имеют место и при совершенствовании известных и разработке новых локальных способов предотвращения динамических газопроявлений, что позволило внедрить в горную практику два основанных на высоконапорном нагнетании жидкости в пласт способа - регулируемый гидроотжим призабойной части пласта и ориентированный гидроразрыв пласта.

Сущность регулируемого гидроотжима заключается в искусствен-

ном создании, посредством давления нагнетаемой жидкости, повышенных напряжений в призабойной части пласта, обуславливающих ее дезинтеграцию и интенсивное деформирование в сторону выработки. Значение давления устанавливается из неравенства

РКр(хКр) < Рн < Ру.н/2Х3Увшв, (34)

З/Г РпХ 12

хз= V |®о + Мп(е -1)]

где: Ркр -давление нагнетаемой жидкости на расстоянии от забоя хкр, где запас устойчивости минимален; Ру,н -значение устойчивости по (17) при х=1г; 1г - глубина заложения нагнетательной камеры относительно поверхности забоя; т0 - природная трещинная пустотность пласта; йп - величина отжима пласта в выработку, соответствующая (2) или (8).

Основным показателем эффективности гидроотжима является величина дополнительного смещения поверхности пласта в выработку. Ее связана с искусственно формируемой газопроницаемостью обработанной части пласта, исключающей возникновение опасного давления свободного газа на стенки параллельных плоскости обнажения трещин (17). После снятия искусственных напряжений (выпуск жидкости через разгерметизированный шпур) этому значению газопроницаемости, соответствует величина гидроотжима.

Ьг=-[б0Хг.п-^-[еРг-пХг-п-11]. м (35)

Еп и Рг.п ^

1 б0 + б3 6

Рг.а = - 1п -— , 1/м ,

Хг „ 2 б3 _ е

где: Ьг - полные смещения после окончания гидроотжима; Еп - модуль деформаций; Хг-П, (5Г-П, б3-6- параметры геомеханического состояния пласта после гидроотжима, при которых ДГт1п=0.

С этих же позиций определяется и величина неснижаемого опережения 1н.0, минимально допустимое расстояние приближения забоя к необработанной части пласта,

1 , (АРштРг.п

1„.0= - 1п

I- +1| , м.

Рг.п »2 63,г,„ 1 (36)

Рассмотрение совокупности этих выражений позволяет сделать весьма важный практический вывод о возможности оценки газодинамической опасности обрабатываемой зоны пласта на участке О <Х <1Г по давлению нагнетания. Если оно ведется с темпом, соответствующим выполнению неравенства (34), но давление нагнетания остается существенно меньшим Ркр к моменту выхода жидкости в выработку, то это указывает на высокую проницаемость обрабатываемой зоны и, следовательно, на отсутствие динамической опасности.

Однако не исключены случаи резкой неравномерности смещений в результате отрыва от массива давлением жидкости некоторого слоя угля. Достаточно представительным носителем информации об этой ситуации является динамика газовыделения в выработку, поскольку именно в глубине обрабатываемой зоны сосредоточены значительные запасы газа, весьма активно реагирующего на изменение проницаемости среды. Определение для конкретных горно-геологических условий и технологии горных работ величины смещения (35), при которой рост проницаемости пласта обеспечит снижение давления газа до значений, соответствующих условию (17), выполняется по формуле

FnI

где ДРХ - превышение давления газа над его допускаемой величиной на расстоянии х от забоя.

Признаком достаточности служит соответствующий дополнительный газоприток в выработку.

В ситуациях, когда снижение опасности не обеспечивается только за счет увеличения газопроницаемости, но требуется и одновременное снижение давления газа в блоках, т.е. существенная дегазация призабойной части пласта, ее необходимая продолжительность определяется с учетом данных аппаратуры газового контроля.

Тв.г = ~1п[2 Азеувтв1гр, - - l].

ас IЦ ) Чэ . п

(38)

где: Тв. г. - продолжительность выдержки забоя; а,, - коэффициент снижения концентрации газа во времени; Азе - требуемое снижение газоносности угля в призабойной части пласта с учетом достигаемой

газопроницаемости (смещений).

Возможен и иной подход к установлению критериев эффективности по данным газового контроля. Сущность его заключается в сравнении динамики газовыделения в выработку при гидроотжиме с газовыделением при внезапном выбросе с массой выбрасываемого угля, равной таковой в зоне гидроотжима. Естественно, если дебиты газа будут близки, то отжатая зона потеряет газодинамическую активность. При этом можно одновременно определить и необходимую степень дегазации обрабатываемой части, т.е. подсчитать количество газа, подлежащее обязательному удалению.

Для расчета . этого показателя (йг30) необходимо знать продолжительность нарастания концентрации газа, фоновую концентрацию, значение максимальной концентрации и концентрацию, существенно меньшую максимальной. Эта основа приводит к выражениям

ац

0,61см(См- Сф)е Оз.п

зо ~

Ыси

М (е - 1)

-0,0083<Х\ 1-е \. м3/т, (39)

1п-

См-

С2 Сф

0^= - , 1/час

где: 1;см - время нарастания концентрации газа, час; - время соответствующее максимальной концентрации газа, час; М - масса угля в обрабатываемой части пласта, т.

Сущность второго способа гидродинамического воздействия на пласт - ориентированного гидроразрыва, заключается в управляемом повышении трещиноватости без существенного снижения несущей способности пласта. Наряду с повышением устойчивости призабойной части (17) в этой технологии достигается белее плавный эффект дегазации и исключается отрицательное влияние зоны напряженно-деформированного состояния пласта. Последнее позволяет вести обработку на значительную глубину, а специально созданное оборудование (патенты РФ N 1751316, 1770563, заявка на изобретение N 96105870/03) обеспечивает ее технологическую оперативность.

Как показали горно-экспериментальные работы многократный ориентированный гидроразрыв пласта даже через одиночную скважину при-

водит к резкому увеличению ее производительности, что может вызвать полное падение вакуума в дегазационной системе. С целью исключения этих ситуаций разработан соответствующий метод оценки подготовленности дегазационных систем к интенсификации дебита газа. Метод позволяет на основе результатов вакуумно-газовых сьемок уточнить вид и характер модернизации системы, в том числе и для условий ее работы в сети утилизации каптируемого метана.

Разработанные способы прошли широкие промышленные испытания на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов, более 4 км подготовительных выработок, и допущены органами Госгортехнадзора РФ к внедрению на шахтах России.

8. Исследование следствий динамических газопроявлений и методы их локализации

На основании разработанных теоретических положений и с использованием известного уравнения проветривания, в которое введена поправка на заполнение углем выработки при развитии динамического газопроявления до уровня внезапного выброса, исследована динамика загазования призабойного объема.

Сопоставление результатов расчета с фактическими данными показало их достаточную сходимость как в количественном, так и в качественном отношениях. В частности, в известных работах МакНИИ на основании большого числа натурных наблюдений установлено время нарастания концентрации метана до 2,5% при выбросах, равное 0,7 с. Согласно выполненным расчетам это время равно 0,5 с, но при дроблении угля до частиц со средневзвешенным диаметром, примерно в 2-3 раза меньше фактического при выбросах. С введением этой поправки время нарастания концентрации до 2,5%, увеличивается в 1,8-2,1 раза или до 0, 9-1,1 с.

Результаты расчета позволили оценить и допустимую инерционность системы индивидуального воздухообеспечения горнорабочих. В наиболее типичных условиях уже через 2,0-2,5 с концентрация метана становится столь высокой, что содержание кислорода будет явно недостаточно для дыхания человека. Попытка увеличить это время за счет более интенсивного проветривания не эффективна, т.к. при расходе воздуха даке в 50 м3/с концентрация метана в 20% достигается через 10-20 с.

Полученные в результате исследований количественные закономерности позволили установить зависимости для расчета нагрузок на средства локализации процесса внезапного выброса с учетом его потенциально возможных в данных условиях параметров..

Перепад давления ДРП на участке выработки в месте установки средств локализации, при котором обеспечивается заданное снижение дальности переноса угля (24),

Рп

ЛР„-

ИКЬВ

Ьдоп)

(40)

где: Ьдоп - допустимая дальность отброса угля, м; 1к - число элементов при установке средств локализации последовательно в виде аэродинамического каркаса, обеспечивающего резкие изменения направления движения углегазового потока.

Величина сечения потока Б,,, создающего аэродинамическое давление на расположенные в пределах дальности отброса угля средства локализации,

(ЗЬдопру/Кр)г (1+ЯРуС!

)2Р2г

тгр/С^щСру-рг)

(41)

где Т - продолжительность основной фазы выброса.

Усилие на устанавливаемую у поверхности забоя для ограничения интенсивности выброса диафрагмирующую конструкцию, например, в виде предохранительного щита

0.8-,

ГдТ

I Ид

(42)

ДРд = РГ-2'106Г-Р'Г,

(43)

где: ДРд - перепад давления на диафрагме, Па; Рд - допускаемая сила выброса; Тд - продолжительность основной фазы выброса силой Рд;

На основании результатов динамического и статического моделирования аварийных режимов проветривания шахт разработан метод повышения устойчивости проветривания в вентиляционных сетях со сложной топологией при возникновении динамических газопроявлений. Использование в этом расчете зависимостей (18), (19) и (28) для оп-

ределения возможного дебита газа позволяет учитывать не только параметры вентиляционной системы, но и конкретные свойства шахтоп-ласта. Установлено, что при возникновении и развитии динамических газопроявлений в системе горных выработок распространяется волна аэродинамических возмущений со скоростью около 400 м/с. Амплитуда этой волны с удалением от места выброса быстро снижается и на расстоянии 500 м составляет около 10% от первоначальной величины с увеличением продолжительности возмущения в 2-3 раза. Эти особенности обусловливают незначительность обратного влияния отдаленных вентиляционных потоков на воздухораспределение вблизи выбросоопас-ного участка. Подтверждением является сравнение результатов динамического и статического моделирования аварийных режимов проветривания реальных вентиляционных сетей, показавших величину отклонений до 25% при ее среднем значении 5%. Локализация выброса газа в пределах выработок с исходящей струей воздух обеспечивается при разности аэродинамических сопротивления по направлениям свежей и исходящей струй относительно выбросоопасного забоя в 2-4 кц для выбросов силой до 300 т.

С учетом скорости движения потоков по горным выработкам в аварийном режиме получено выражение для расчета дальности распространения метановоздушной смеси при опрокидывании свежей струи воздуха

где: Ьм - дальность распространения 2%-ной концентрации метана;

фронтом средней концентрации за время выброса; Ь„ - дальность распространения фронта средней концентрации по наиболее удаленной выработке; аэ. с, , Б,., Пс - средневзвешенные значения величин соответственно аэродинамического сопротивления, скорости потока, сечения и периметра выработок для их совокупности от 1 до N в рассматриваемом направлении.

Положительные результаты расчетов согласно изложенному подхо-

(44)

£ Ьп_к - суммарная протяженность отдельных ветвей, проходимых

ду послужили основанием для их использования при уточнении позиций "Планов ликвидации аварий" угольных шахт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований газодинамических процессов в угольном пласте при проведении выработок и аэродинамических возмущений в вентиляционной сети шахты разработаны теоретические положения предупреждения и локализации динамических газопроявлений, совокупность которых можно квалифицировать, как крупное достижение в области управления физическими процессами в пласте и горных выработках, обеспечивающее повышение эффективности и газодинамической безопасности горных работ.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Количественная взаимосвязь необходимых и достаточных условий возникновения и развития динамических газопроявлений определяется сопротивлением динамическому смещению в выработку слоя угля, величинами и степенью синхронизации давлений газа "в выделяющих слой трещинах, динамической прочностью угля, перепадом давления газа и упругой составляющей радиальных напряжений на фронте волны дробления, давлением газа за фронтом этой волны и массопритоком газа на участке переноса раздробленного угля в выработку.

2. Газодинамическая устойчивость призабойной части пласта при заданных параметрах технологического цикла, определяется динамикой напряженно-деформированного состояния пласта и давления газа в системе газодинамически единых трещин, расположенных в одной параллельной обнажению плоскости.

3. Время сохранения повышенного давления газа в формирующейся трещине в реальных условиях может составлять 2-15 с, что следует рассматривать в качестве требования к газодинамическому единству системы трещин, выделяющей некоторый слой угля для смещения в выработку . Этот период времени соответствует диаметрам единичных трещин от 10 см до 50 см при коэффициенте газопроницаемости слоя 1-100 ДО. Причем, величина максимального давления газа в трещине с изменением коэффициента газопроницаемости от 0,001 ДО до о, 1 до снижается в 2-6 раз и достигает лишь 90-60 % от-давления газа в блоке угля даже при кинетике газовыделения из блоков , соответствующей выбросоопасным участкам угольных пластов. С ростом давле-

ния газа в блоке максимальное давление в трещине относительно снижается.

4. Для возникновения волны дробления газонасыщенного угля необходим градиент (МПа/см) давления газа не ниже 70% от динамической прочности угля, равной удвоенной величине его статической прочности на растяжение. Степень диспергирования угля за фронтом волны газового дробления определяется величиной отношения перепада давления на фронте волны к динамической прочности.

5. Давление газа за фронтом волны дробления обеспечивает связь между процессами дробления и транспортирования угля при следующих значениях эмпирических коэффициентов в уравнениях газотранспорта: скольжения фаз ^=0,55, аэродинамического сопротивления Х4 =0,1, импульса Х2=90. Достаточно активное участие в этом процессе принимает до 30% от начального газосодержания угля.

6. При описании динамических газопроявлений газокинетические свойства разрушаемой углегазовой среды удобно характеризовать с помощью показателя, равного объему газа, выделяющегося за первые 30 с с момента разрушения. Его величина определяется газоносностью, выходом летучих, влажностью, зольностью и средневзвешенным диаметром частиц угля. Удельное начальное (30 с) газовыделение при выбросах, взрывных работах и крупноблочном разрушении гидроотжимом меньше расчетной величины газокинетического показателя соответственно в 1,5, 2,5 и 6, 0 раз.

7. Искусственное газонасыщение угля с предварительным окислением и вакуумированием приводит к многократному росту начального газовыделения, что затрудняет использование результатов лабораторных измерений при расчетах параметров реальных процессов.

8. Потенциально возможная дальность горизонтального транспортирования угля при динамических газопроявлениях зависит от динамической прочности угля, давления газа и величины газокинетического показателя. Она позволяет выполнять региональное прогнозирование вида и уровня опасности при использовании в зависимостях газотранспорта вышеполученных значений эмпирических коэффициентов.

9. Динамика фактического газовыделения в выработку в процессе технологического цикла в сопоставлении с основанными на данных об эффективной газоносности, выходе летучих, влажности и зольности угля в направлении подвигания выработки, а также расчетными значениями скорости газовыделения комплексно отражает текущее газодина-

мическое состояние призабойной части пласта, обеспечивая необходимую адаптивность критериев к изменяющимся условиям и предупреждение об опасности за 5-7 м до приближения забоя к месту внезапного выброса угля и газа с поддержанием сигнала об опасности при каждом цикле выемки на этом участке.

10. Эффективные параметры гидродинамического воздействия на призабойную часть пласта с целью управления ее газодинамической устойчивостью связаны с нею через фильтрационные характеристики участка между нагнетательной камерой и забоем. Применение газокинетического показателя при оценке качества гидродинамической обработки, а величины снижения давления нагнетания для контроля повышения проницаемости обеспечивает достаточную надежность и адаптивность параметров гидроотжима и ориентированного гидроразрыва.

И. При возникновении и развитии динамических газопроявлений в системе горных выработок распространяется волна аэродинамических возмущений со скоростью около 400 м/с. Амплитуда волны с удалением от места выброса быстро снижается и на расстоянии 500 м составляет около 10% от первоначальной величины, при увеличении продолжительности возмущения в 2-3 раза. Эти особенности обусловливают незначительность влияния отдаленных вентиляционных потоков на воздухо-распределение вблизи выбросоопасного участка.

12. Сравнение результатов динамического и статического моделирования аварийных режимов проветривания реальных вентиляционных сетей сложной топологии при внезапных выбросах угля и газа с дебитом,- соответствующим выбросу угля до 300 т, показывает величину отклонений до 25% при их среднем значении 5%. Локализация выброса газа в пределах выработок с исходящей струей воздуха при этих параметрах динамических газопроявлений обеспечивается разностью аэ-родиначических сопротивления относительно выбросоопасного забоя по направлениям свежей и исходящей струй 2-4 к/1.

13. Непосредственно в аварийной выработке средства защиты и самоспасения людей должны размещаться за пределами расчетной дальности отброса угля, связанной с ее горизонтальным аналогом через влияние угля наклона выработки к горизонту. Наиболее приемлемым средством ограничения дальности может быть установка аэродинамического каркаса, обеспечивающего резкие изменения направления движения углегазового потока.

14. Единый механизм подготовки, возникновения, развития и за-

тухания динамических газопроявлений включает объединенный последовательностью газокинетических признаков ряд необходимых и достаточных условий, количественные значения которых предопределяют методы и режимы управления состоянием пласта и аэродинамическими качествами вентиляционной сети в направлении оптимизации комплекса способов и средств прогноза, предотвращения и локализации следствий этих природно-технологических явлений.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих печатных трудах.

Статьи в зарубежных изданиях

1. Vlasenko В. V., Polevshikov G. Ja., Potapov V. P., Magdytch V.I, Remezov A.V. Zolotych. "Gas - geomechanic monitoring system for collieries - A means of environmental control' and safety of mining operation". Proceedings of Second International Symposium on Mine Mechanization and Automation, Lulea, Sweden, 7-10 Jane 1993. pp.737 - 744.

2. GritsKo G.I., Polevshlkov G.Ja. "Prediction of possible parameters of sudden coal and gas outbursts on the basis of mi-nig-and-geological data and estimation of face-space-zone's haza-dous gas emission into workings". Procedings of International high gas emissions and sudden coal and gas outbursts at coal mines. -Australia, 1995, pp. 171-175.

3. Gritsko G.I., Vlasenko B.V., Polevshikov G.Ja & Presler V.T. Computer control and prediction of gas-geomechanic situation during monitoring at coal mines Proceedings of the Third International Symposium on Mine Mechanization and Automation, Golden, USA. 12 - 14 June 1995. Volume I, pp. 4.1 - 4.12.

4. Tallakov O.V., Polevshlkov G. Ja.. Abramov I.L., Panchishe-va T.A.,1997: "Potential and Utilization Trends Of Coalbed Methane Recovery in Kuznetsk; Coal Basin of Russia": Proceedings of International CBM Symposium. The University of Alabama, May 12-17, 1997, pp.157-167.

5. Polevshikov G.Ja, PreslerV.T., TrlznoS.K., 1995: "Adaptive Spatial Forecast of a Face Gasinness": Coalbed Methane: Forecasting, Monitoring, Utilization; the first English language issue of CBM Center's Newsletter, 1995, pp.14-16.

6. Mashenko I.D., Tlmoshenko A.M., Polevshikov G.Ja., Presler V.T., 1996: "Examination of Conditions to Design High-Productivity

Coal Faces With Regard og Coal Factor": Coalbed Methane: Forecasting, Monitoring, Utilization; the second English language Issue of CBM Center's Newsletter, 1996, pp.27-30.

7. Polevstilkov G. Ja., Pres 1 er V.Т.. Garnaga А.V., 1997: "Ana-litical Assessment of Hyára-Flame Degasiflcatlon Prospects For Coal Seams": Coalbed Methane: Forecasting, Monitoring, Utilization; the third English language issue of CBM Center's Newsletter, 1997, pp. 17-21.

Статьи в трудах отечественных симпозиумов, конференций, семинаров

8. Устойчивость режима проветривания шахты при внезапных выбросах угля и газа./Розанцев Е.С., Полевщиков Г.Я., и др.//Всесоюзный семинар "Управление" вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах",- Новосибирск, 1979.- С.8-12.

9. Геомеханические основы создания безопасной технологии и проходческих комплексов для угольных шахт. / Евсеев В.С., Мурашев В.И., Полевщиков Г.Я. и др.// Технология разработки мощных пластов Кузбасса. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1985,- С.11-18.

10. Повышение надежности гидроотжима выбросоопасных пластов. /Полевщиков Г.Я., и др.//Проблемы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом. Территориальная научно-техническая конференция,- Караганда,1987.- С.32.

11. Повышение эффективности работы шахт с использованием метана от дегазации./Мясников A.A. Полевщиков Г.Я.//Угольный комплекс Сибири .Труды Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири. -Ленинск-Кузнецкий.1990. - С. 81-84.

12. Оценка готовности дегазационных систем Кузбасса к промышленной утилизации метана./Полевщиков Г.Я. и др.//Угольный комплекс Сибири . Труды Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири.-Ленинск-Кузнецкий, 1990. - С.99-101.

13. Управление размерами зон загазования вентиляционной сети при внезапных выбросах угля и газа./Мясников A.A., Полевщиков Г.Я. и др.//VIII Всесоюзный семинар "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах".-Новосибирск, 1991,- С.107-111.

14. Научно-производственный проект "Газо-геомеханический мо-ниторинг"/Власенко Б.В., Полевщиков Г.Я. и др.// Всероссийская конференция "Управление напряженно-деформированным состояниеммас-сива горных пород при открытой и подземной разработке месторожде-

ний полезных ископаемых".- Новосибирск - Екатеринбург,1994. - С. 116 - 118.

15. Основные положения по проектированию автоматизированных систем прогноза и контроля рудничной атмосферы на базе отечественного оборудования и персональных компьютеров. /Полевщиков Г. Я. и др.// Всероссийская научно - практическая конференция "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах".- Кемерово, 1994,- С. 29-30.

16. Обоснование объемов метанодобычи, прогноз и контроль газовой обстановки и геомеханического состояния в горных выработках при автоматизации управления шахты. /Полевщиков Г.Я. и др.// Всероссийская научно - практическая конференция "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах".-Кемерово, 1994.- С. 29-31.

17. Способы и средства интенсификации газоотдачи неразгруженных угольных пластов./Г.Я.Полевщиков и др.//Всероссийский отраслевой семинаре по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации, повышения эффективности работы участков ВТБ и ПР по ТБ шахт, служб ДГС и газоаналитических лабораторий ВГСЧ.- Кемерово,1994.-С.39-40.

18. Программное обеспечение прогнозирования и расчета воздуха при переменных свойствах горного массива на базе мониторинговых систем. /Г.Я.Полевщиков и др.//Всероссийский отраслевой семинаре по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации, повышения эффективности работы участков ВТБ и ПР по ТБ шахт, служб ДГС и газоаналитических лабораторий ВГСЧ,- Кемерово,1994.-С.30-32.

19. Геомеханические основы создания безопасной технологии и проходческих комплексов для угольных шахт. /Евсеев B.C., Мурашев

B.И., Полевщиков Г.Я. и др.//Технология разработки мощных пластов Кузбасса.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1985.-С.11-18.

Статьи в журналах

20. Измерение удельной скорости газовыделения из газонасыщенного угля./Вологодский В.А., Полевщиков Г.Я. и др.//Техника безопасности, охрана труда и горно-спасательное дело,- 1975,- N4.-

C. 10-12.

21. О брошюре " Газовыделение при выбросах "./Пузырев В. Н., Полевщиков Г.Я. и др.//Уголь Украины,- 1978.- N1.- С.50. 22. Зоны загазования шахтной вентиляционной сети при выбросах угля и газа. /Розанцев Е. С., Полевщиков Г. Я. и др.// Безопасность труда в

промышленности.- 1979,- N6,- С.30-35.

23. Изучение процесса разрушения газонасыщенного угля. /Розанцев Е.С., Полевщиков Г.Я.и др.// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1979,- М5,- С.87-91.

24. Определение параметров внезапных выбросов угля и газа. /Полевщиков Г.Я.//Безопасность труда в промышленности.- 1981,-N2,- С. 41-42.'

25. Оценка влияния механоэмиссш на начальную скорость газовыделения при разрушении газоугольной среды./Мурашев В.И., Полевщиков Г.Я. //Уголь Украины.- 1986,- N12,- С.36-37.

26. Механоэмиссия и механизм газодинамических явлений./Мурашев В.И., Полевщиков Г.Я.//Уголь Украины,- 1987,- N 11.- С.37-38.

27. Управление газовыделением из разрабатываемого пласта./Полевщиков Г. Я., Буланчиков С. П.//Уголь. - N 10,- 1993,- С. 5-7.

28. Автоматизация методов контроля и прогноза газодинамической обстановки в выработках метанообильных шахт./Полевщиков Г.Я., Золотых С. С.//Уголь.- 1993,- N9,- С.33-35.

29. Автоматизированные системы прогноза газопроявлений в угольных шахтах./Полевщиков Г.Я. и др.//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.-1996,- N3.- С.54-60.

Статьи в сборниках трудов

30. Экспериментальное изучение процесса увлажнения угольных пластов./Вологодский В.А., Полевщиков Г.Я., и др.//Борьба с газом и внезапными выбросами в угольных шахтах.- Кемерово: ВостНИИ, 1973.-Т. 20.- С. 105-114.

31; К вопросу определения сорбционной газоемкости углей. /Чернов С.И., Вологодский В.А., Полевщиков Г.Я. и др.//Борьба с газом и внезапными выбросами в угольных шахтах.- Кемерово: ВостНИИ, 1975.-Т. 24.- С: 116-120.

32. Моделирование процесса протекания внезапного выброса угля и газа./Полевщиков Г.я. и др.//Вентиляция и предупреждение эндогенных пожаров. - Кемерово: ВостНИИ, 1976.-Т.26,- С.147-153.

33: Прогнозирование газовыделения при внезапных выбросах угля и газа./Розанцев Е.С., Полевщиков Г.Я. и др.//Управление газовыделением в угольных шахтах.- Кемерово: ВостНИИ, 1979. - Т. 31.-С. 63-68.

34. Сравнение методов измерения скорости газовыделения из угля. /Полевщиков Г.Я., Лазаревич В.К.//Управление газовыделением

средствами вентиляции и дегазации в угольных шахтах.- Кемерово: ВоСТНИИ, 1980. -Т. 32,- С. 67-73.

35. Оценка газодинамической активности призабойной части пласта по показаниям датчиков газовой защиты./Полевщиков Г.Я., и др.//Повышение безопасности труда в шахтах.- Кемерово: ВостНИИ, 1986,- С. 11-14.

36. Аэрогазодинамические процессы в вентиляционной сети при внезапном выбросе угля и газа./Розанцев Е.С., Полевщиков Г.Я. и др.//Проблемы аэрогазодинамики угольных шахт,- Кемерово: ВостНИИ, 1984.- С.73-78.

37. О влиянии газокинетических свойств пласта на послойный отрыв угля при внезапном выбросе./Полевщиков Г. Я. и др.//Управление газовыделением в шахтах.- Новосибирск: ИГД СО РАН, 1986.-С. 159-162.

38. Способы и средства повышения надежности гидроотжима выб-росоопасных пластов./Полевщиков Г. Я. и др.//Вопросы предотвращения внезапных выбросов. - М.:ИГД им.А.А.Скочинского, 1987,- С.85-92.

Авторские свидетельства и патенты

39. A.c. 769026 СССР, М. Кл3 Е 21 F 7/00. Устройство для измерения газовыделения при бурении шпуров./Е.С.Розанцев,Г.Я. Полевщиков, и др.-Опубл. 07.10. 80., бюл. N37,- С.135.

40. A.c. 769025 СССР.М.Кл.3 Е 21 F 7/00. Устройство для определения газоносности полезного ископаемого в шахте./Е.С. Розанцев, Г.Я. Полевщиков, и др. - Опубл. 07.10.80., бюл. N37. - С. 134.

41. A.c. 796459 СССР,М.Кл3 Е 21 F 5/00. Устройство для моделирования внезапного выброса угля и газа./Е.С.Розанцев, Г.Я. Полевщиков и др. - Опубл. 15.01. 81., бюл. N2.- С. 149.

42. A.c. 785677 СССР, М.Кл.3 G 01 N 1/22. Устройство для отбора проб./ Е.С.Розанцев. Г.Я.Полевщиков и др.-Опубл.07.12.80., бюл. N 45. -С. 174.

43. A.c. 1177479 СССР, ГШ Е 21 С 37/00. Устройство для образования щелей в скважинах./В. М. Неборский, Г. Я. Полевщиков, и др,-Опубл. 07.09.85, бюл. Ii 33. - С. 117.

44. A.c. 1216345 СССР, МКИ Е 21 С 41/04. Способ управления кровлей при разработке угольных пластов./В.М.Неборский, А.Н.Умри-хин, О.И.Чернов, С.В.Машков, Г. Я. Полевщиков и др.- Опубл. 07.03.86., бюл. N 9. - С. 140.

45. A.c.N 1270328 СССР. МКИ Е 21 С 37/08. Скважинное устройс-

тво для образования направленных трещин./Г. Я.Полевщиков и др. -Опубл. 15.11.86., бюл. N42. - С. 127.

46. A.c. 1484977 СССР, МКИ 21 С 37/08. /Герметизатор скважин. /Г. Я.Полевщиков, 0. В. Главатских. - Опубл. 07. 06.89, бюл.И 21.-С7160.

47. A.c. 1553676 СССР, МКИ Е 21 С 39/00. Устройство для моделирования внезапного выброса угля и газа./Г.Я.Полевщиков и др. -Опубл. .30. 03.90. бюл. N 12. - С. 137.

48. A.c.(патент РФ)1770563 СССР. МКИ Е 21 С 37/08. Устройство для создания направленных трещин./Г.Я.Полевщиков и др.- Опубл. 23. 10.92, бюл. Ii 39. - С. 112.

43. А. с.(патент РФ) 1751316 СССР, МКИ Е 21 С 37/04. Устройство .для образования направленных трещин./Г.Я.Полевщиков и др.-Опубл.30. 07.92., бюл. N28. - с.121.

50. Заявка на изобретение 940414563/03(040777) от 11.11.94г. "Способ контроля состояния массива в призабойной части выбросоо-пасного пласта" (положительное решение о выдаче патента РФ) / Г.Я.Полевщиков и др.

51. Заявка на изобретение 97101858/03(002082) от 10.02.97 г. "Способ управления газовыделением при отработке свиты угольных пластов" (положительное решение о выдаче патента РФ) / Г.Я.Полевщиков и др.

52. Заявка на изобретение 96106645/03(011290) от 08.04.96 г. "Способ герметизации дегазационных скважин" (положительное решение о выдаче патента РФ) / Г.Я.Полевщиков и др.

53. Заявка на изобретение 96105870/03(009814) от 26.03.96 г. "Устройство для образования направленных трещин" (положительное решение о выдаче патента РФ) / Г.Я.Полевщиков и др.

54. Заявка на изобретение 96106644/03(011289) от 08.04.96 г. "Способ дегазации угольных пластов" (положительное решение о выдаче патента РФ) / Г.Я.Полевщиков и др.

Статьи в препринтах

55. Адаптивный пространственный прогноз метанообильности очистного забоя./Полевшиков Г.Я. и др.//Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт Российского Метанового Центра.Кемерово: Институт угля СО РАН, 1995,- N3.- С.6-5.

56. Анализ условий проектирования высокопроизводительных забоев по газовому фактору./Мащенко И.Д., Тимошенко А.М.,Полевщиков Г.Я. и др.//Метан угольных шахт: прогноз, управление, использова-

ние. Препринт Российского Метанового Центра.- Кемерово: Институт Угля СО РАН, 1996,- И1. - С. 8-10.

57. Обеспечение высокопроизводительной добычи угля на основе комплексного использования ресурсов углегазового месторождения. /Полевщиков Г. Я. и др.//Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт Российского Метанового Центра.Кемерово: Институт угля СО РАН, 1996. - N2. - С. 16-18.

Нормативные и методические материалы (составленные с участием автора)

58. Типовые схемы оснащения участков шахт, разрабатывающих пласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа,средствами самоспасения горнорабочих и характеристика данных средств. - Донецк: НПО "Респиратор" 1980,- 26 с.

59. Методика расчета зон загазирования вентиляционной сети шахты при внезапных выбросах угля и газа и выбора мероприятий по обеспечению безопасности.- Кемерово: ВостНИИ, 1980,- 17 С.

60. Руководство по применению безопасного и контролируемого способа интенсивной дегазации призабойной части пласта для предотвращения внезапных выбросов угля и газа с использованием эффекта гидроотжима и аппаратуры контроля метана (регулируемый гидроотжим).- Кемерово: ВостНИИ, 1987. - 16 С.

61. Методические положения по комплексной, с использованием средств вычислительной техники, оценке соответствия проектных решений по безопасности условиям заданного режима проведения горизонтальных подготовительных выработок по углю в шахтах ПО "Северо-кузбассуголь". -Кемерово: ВостНИИ, 1988. - 39 С.

62. Руководство пользователя к пакету прикладных программ "ПАСП0РТ-01".-Кемерово:ВостНИИ, 1989. - 19 с.

63. Схемы и технология прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок комбайнами на выбросоопасных мощных и средней мощности пластах. -Кемерово: ВостНИИ, 1989. - 45 С.

64. Методика проведения вакуумно-газовой съемки в дегазационных газопроводах угольных шахт и рекомендации по использованию ее результатов для повышения эффективности дегазации.-Кемерово: ВостНИИ, 1989,- 23 с.

65. Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных

выработок. - Кемерово: ИУ СО РАН, 1994. - 14 с.

66. Инструкция по применению ориентированного гидроразрыва пласта для предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок. - Кемерово: ИУ СО РАН, 1994. - 9 с.

67. Методика контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях. - Кемерово: Вост-НИИ, 1997. -16 с.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ УГЛЯ И УГЛЕХИМИИ

На правах рукописи

ПОЛЕВЩИКОВ Геннадий Яковлевич

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЫРАБОТОК ПО УГОЛЬНЫМ ПЛАСТАМ

Специальность: 05.15.11 - Физические процессы горного производства.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант чл.-корр. РАН Г.И.Грицко

Кемерово 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 19

1.1. Современное состояние проблемы динамических газопроявлений на угольных шахтах 19

1.2. Анализ методов оценки газодинамической активности пластов 32

1.3. Анализ особенностей способов управления газодинамическим состоянием пласта 39

2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ-ЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК 47

2.1. Выбор и уточнение модели напряженно-деформирован-

ного состояния призабойной части пласта 47

2.2. Разработка метода оценки газодинамического состояния призабойной части пласта 55

2.3 Влияние технологических факторов на газодинамическую устойчивость пласта в призабойной зоне 65

2.4. Исследование возможности управления динамической устойчивостью призабойной части пласта 72

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ДИНАМИЧЕСКОГО САМОРАЗРУШЕНИЯ УГЛЕГА30В0Й СРЕДЫ 80

3.1. Выбор и обоснование метода исследования 80

3.2. Изучение динамической прочности газонасыщенного

угля 83

3.3. Изучение условий динамического саморазрушения газонасыщенного угля 91

3.4. Изучение динамики газовыделения при разрушении газонасыщенного угля 98

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ ХА- 104 РАКТЕРИСТИК' УГЛЕГА30В0Й СРЕДЫ

4.1. Сопоставление газокинетических характеристик природной углегазовой среды и искусственно насыщенного газом

угля 104

4.2. Разработка метода измерения газокинетических свойств угля в шахтных условиях 112

4.3. Установление зависимости между газокинетическими и физико-химическими свойствами угля в массиве 115

4.4. Установление основных источников газовыделения при газодинамических явлениях 119

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВИДА И УРОВНЯ ОПАСНОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ 130

5.1. Разработка метода оценки уровня потенциальной газодинамической активности пластов по геологоразведочным данным 130

5.2. Разработка метода расчета потенциально возможных видов динамических газопроявлений и их параметров при проведении горных выработок 136

6. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗАБ0ЙН0Й ЧАСТИ ПЛАСТА 141

6.1. Обеспечение адаптивности метода контроля газодинамического состояния призабойной части пласта по динамике газовыделения в выработку 141

6.2. Результаты горно-экспериментальных работ 147

7. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК 163

7.1. Изучение влияния высоконапорного нагнетания жидкости в призабойную часть пласта на изменение ее газодинамического состояния 163

7.2. Изучение динамики газовыделения в призабойную часть выработки при высоконапорном нагнетании жидкости 175

7.3. Изучение влияния горно-геологических условий на эффективные параметры высоконапорного нагнетания 200

7.4. Разработка метода ориентированного поинтервального гидроразрыва пласта 206

7.5. Оценка подготовленности дегазационной системы шахты к повышенному дебиту пластовых скважин 217

8. ИССЛЕДОВАНИЕ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫРАБОТОК И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СЛЕДСТВИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ 224

8.1. Изучение газового режима в призабойном объеме подготовительной выработки при динамических газопроявлениях 224

8.2. Возможные технические решения по предотвращению и гашению микровыбросов угля и газа в процессе выполнения локальных способов 235

8.3. Оценка условий локализации динамических газопроявлений в опасной зоне 238

8.4. Изучение аварийного режима проветривания шахты методами статического и динамического моделирования 240

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 252

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 266

ВВЕДЕНИЕ

Рентабельное и устойчивое развитие шахт и угледобывающих регионов требуют неуклонного повышения нагрузок на забои, производительности и безопасности труда, снижения себестоимости добычи. Эти показатели непосредственно зависят от уровня решения научно-технических задач, связанных с оценкой геогазодинамического состояний углегазовой среды в возмущенном горными работами массиве. Влияние этого фактора столь велико, что в мировой практике угледобычи постоянно сохраняется тенденция к переходу на освоение новых менее газоносных месторождений, хотя запасы угля в разрабатываемых остаются весьма значительными, а социальная инфраструктура в их регионе достаточно развита. Учитывая уровень затрат на освоение новых месторождений и переориентацию производственной деятельности населения ранее освоенных угледобывающих районов, следует признать, что рассматриваемая проблема имеет крупное социально-экономическое значение.

Весьма существенным фактором, отрицательно влияющим на надежность информации о газодинамической опасности шахт, является изменчивость горногеологических условий. С достижением соответствующих мировому уровню скоростей подвигания забоев динамика изменения ситуаций на газоносных пластах выходит за пределы возможной оперативности организационных мероприятий, что затрудняет их своевременное выполнение по обеспечению безопасной, а, следовательно, и производительной работы забоя. Эти обстоятельства настоятельно требуют создания высокооперативных методов предвидения следствий технологических решений.

В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений о физических особенностях процессов, провоцируемых в углегазовом пласте горной выработкой, когда газо-

вая составляющая пласта несет значительные запасы потенциальной энергии. В тоже время, разнообразие горнотехнологических условий и высокие скорости горных работ обязывают акцентировать эти теоретические разработки в направлении повышенной чувствительности к формирующимся ситуациям при максимальной физичности своей основы. Это сочетание позволяет конкретизировать частное проявление в общем процессе и, тем самым, обеспечить адаптивность методов повышения эффективности горных работ в быстро меняющихся ситуациях.

Диссертационная работа обобщает результаты научно-исследовательских работ и этапов, выполненных при непосредственном участии и под руководством автора: в Институте угля СО РАН, с 1997 г. Институт угля и углехимии СО РАН, (1989-1997 гг.) по направлению 4.1.17 фундаментальных исследований, согласно перечня приоритетных направлений, утвержденного Правительственной комиссией 28.05.96 г., а так же по государственной программе "Недра России", региональной подпрограммы "Уголь Кузбасса", входящей в комплексную программу "Сибирь" СО РАН; в ВостНИИ (1969-1989 гг.), согласно утвержденных ГКНТ СССР отраслевых планов научно-исследовательских работ (Ш гос. регистрации: 75035884, 74025043, 77027382, 79038723, 01830051656, 01840067859, 01870050393, 0191 0001001)

Цель работы. Теоретическое обоснование и разработка адаптивных методов регионального прогноза, текущего контроля, предотвращения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам.

Идея работы. Динамика газовыделения при проведении выработок с учетом свойств пласта и технологии работ используется в качестве показателя степени газодинамической активности пласта и его приза-бойной зоны, обеспечивающего оперативную адаптацию к конкретным

условиям критериев и параметров предупреждения динамических газопроявлений и- локализации углегазовых потоков в пределах определенных зон вентиляционных систем.

Задачи исследований:

- выявить необходимые и достаточные условия возникновения, развития и затухания основных видов динамических газопроявлений;

- установить закономерности влияния горнотехнологических факторов и газокинетических свойств угля на газодинамическую устойчивость призабойной зоны,;

- установить значение динамической прочности газонасыщенного угля и условия его разрушения до частиц, способных перемещаться в потоке выделяющегося газа;

- разработать метод моделирования и установить зависимости, определяющие условия существования углегазового потока за фронтом волны дробления газонасыщенного угля;

- разработать метод исследования и установить газокинетические характеристики природной углеметановой среды при ее разрушении;

- установить показатель потенциальной газодинамической активности пласта, основанный на анализе региональных геологоразведочных данных согласно установленным в процессе исследований физическим закономерностям для двухкомпонентных сред;

- развить, на основе полученных зависимостей, экспериментально- аналитические модели аэрогазодинамических процессов в призабойной части выработки и разработать метод текущего контроля ее газодинамического состояния, обеспечивающий корректирование критериев опасности с учетом изменения горнотехнологической обстановки;

- уточнить закономерности изменения напряженно-деформирован-

ного и газодинамического состояний призабойной части пласта при высоконапорном нагнетании в него жидкости и разработать способы снижения газодинамической активности, параметры которых учитывают изменчивость свойств пласта и его реакцию на интенсивное воздействие;

- уточнить особенности аэрогазодинамических возмущений в шахтных вентиляционных сетях и разработать методы локализации уг-легазовых потоков при динамических газопроявлениях с потенциально возможными в заданных горногеологических условиях параметрами.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использован комплекс методов, включающий:

- методы математического моделирования при установлении критериев подобия физической модели реальному процессу транспортирования угля в потоке расширяющегося газа, а так же при анализе динамики концентрации метана в горных выработках в результате газопроявлений;

- метод физического моделирования процессов саморазрушения газонасыщенного угля и массопереноса за фронтом волны дробления в лабораторных и кинетики газовыделения при искусственном разрушении углеметановой среды в натурных условиях;

- методы скоростной кино и динамометрии при регистрации параметров процесса саморазрушения газонасыщенного угля и массопереноса за фронтом волны дробления;

- методы физико- химических исследований при сопоставлении кинетики газовыделения из газонасыщенного и природного газоносного углей и анализе его технического и фракционного составов;

- методы динамического и статического аналогового моделирования режимов в вентиляционных сетях;

- метод натурных экспериментов по определению эмпирических показателей- и коэффициентов в установленных закономерностях;

- методы математической статистики при анализе эсперименталь-ных данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- механизм динамических газопроявлений содержит три основных условия развития, определяющие регистрируемый вид явлений: газодинамическая неустойчивость призабойной зоны пласта-выдавливания угля, дробление частиц угля-высыпания угля, транспортирование раздробленного угля в потоке выделяющегося газа-внезапные выбросы;

- газодинамическая устойчивость призабойной части пласта определяется пространственно-временной взаимосвязью ее напряженно-деформированного состояния и давления газа;

- при динамической одноосной разгрузке газонасыщенного угля, находившегося в объемно-напряженном состоянии, процесс разрушения определяется динамической прочностью угля и перепадов напряжений на фронте волны разгрузки;

- одним из элементов процесса транспортирования угля за фронтом волны дробления выделяющимся газом является массоперенос в режиме аэровзвеси, для существования которого необходимо поддерживать, по мере увеличения дальности выноса угля в выработку, рост давления газа за фронтом дробления;

- кинетика газовыделения при разрушении углеметановой среды

1

является одной из основных характеристик потенциальных энергетических возможностей ее газовой компоненты при оценке параметров динамических газопроявлений;

- одним из основных показателей потенциальной газодинамической активности пласта является дальность горизонтального транспор-

тирования угля при возникновении газодинамических явлений в результате вскрытия зоны пласта за пределами влияния выработки;

- динамика газовыделения в призабойную часть выработки в процессе технологического цикла, с учетом свойств пласта в направлении подвигания забоя, отражает газодинамическое состояние приза-бойной части пласта;

- дезинтеграция пласта посредством высоконапорного нагнетания жидкости- способна существенно изменить газодинамическое состояние призабойной части пласта и газовую обстановку в выработке;

- динамические газопроявления в горных выработках вносят резкие изменения в вентиляционный режим шахты вплоть до опрокидывания потоков воздуха, формируют зоны загазования значительных размеров, а в пределах проводимой выработки создают опасность засыпания углем людей и оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получена количественная зависимость необходимых и достаточных условий развития процесса динамических газопроявлений на основе механических и газокинетических свойств угля и горнотехнологических параметров, определяющих напряженно-деформированное состояние пласта;

- установлена зависимость газодинамической устойчивости призабойной части пласта от ее газокинетических и фильтрационных характеристик, определяющих динамику активизирующих процесс сил;

- экспериментально установлено значение динамической прочности газонасыщенного угля при одноосной разгрузке, связанное со статической прочностью линейной функцией и позволяющее по величине отношения этих значений судить о степени диспергирования угля при формировании критического градиента напряжений;

- экспериментально зарегистрировано снижение скорости волны дробления угля и степени его измельчения с ростом давления газа за фронтом этой волны, указывающие на связующую роль величины этого давления между процессами дробления и транспортирования;

- введено понятие газокинетического показателя и получена корреляционная зависимость от основных свойств угля его величины, равной объему газа, выделяющемуся за первые 30 с с момента мгновенного разрушения, анализ значений которого для различных условий свидетельствует о существенном отличии кинетики газовыделения из природной углегазовой среды и искусственно насыщенного метаном угля;

- обоснована зависимость дальности горизонтального транспортирования массы разрушаемого волной дробления газоносного угля при динамических газопроявлениях от его основных свойств и условий залегания, разработана алгоритмическая модель ее оценки в качестве достаточно универсального показателя газодинамической активности пласта;

- установлено и промышленными наблюдениями подтверждено, что величина скорости газовыделения при выемке угля и характер снижения ее во времени указывают на вид динамических газопроявлений и уровень газодинамической активности призабойной части пласта, обеспечивают оперативную адаптивность критериев опасности к изменяющимся условиям проведения выработки;

- получена зависимость параметров гидродинамического воздействия на призабойную часть пласта от установленных показателей ее газодинамической устойчивости с возможностью контроля эффективности по газокинетическому и гидродинамическому критериям;

- установлены параметры аэрогазодинамических возмущений в

горных выработках и вентиляционных сетях сложной топологии при динамических газопроявлениях, доказана возможность заблаговременного принятия мер по локализации углегазовых потоков в пределах установленных зон.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены:

- соблюдением критериев подобия при создании специального стенда для физического моделирования процесса саморазрушения газонасыщенного угля и его транспортирования в потоке выделяющегося газа;

- достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных о динамической прочности угля, коэффициент корреляции 0,96 в диапазоне изменения коэффициента крепости угля от 0,25 до 2,2 усл. ед.;

- созданием специальных методов и устройств для изучения свойств углеметановой среды в природных условиях, позволивших путем натурных измерений