автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.01, диссертация на тему:Разработка метода регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов Кузбасса

Государственный Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности

(ВостНИИ)

На правах рукописи

РУДАКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕГИОНАЛЬНОГО ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА

Специальность 05.26.01 «Охрана труда»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор П.В. Егоров

Кемерово 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИС- 9 СЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ методов регионального прогноза выбросо- 9 опасности угольных пластов

1.2 Современные представления о роли тектонических 27 напряжений в проявлении газодинамических явлений

1.3 Изученность газоносности угольных пластов 28 Кузнецкого бассейна

1.4 Цель и задачи исследований 45

2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕ- 46 ЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЗОН ПО ПЛОЩАДИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА

2.1 Региональная зональность выбросоопасных участков 46 шахтопластов и внезапных выбросов угля и газа в Кузнецком бассейне

2.2 Вероятности подсечения газодинамических зон суще- 60 ствующей сетью геологоразведочных скважин

2.3 Оптимальные геологоразведочные сети 65 ВЫВОДЫ 68

3. НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕТОДА ПРО- 69 ГНОЗА КРИТИЧЕСКОЙ ГЛУБИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА

3.1 Исследование информативности показателей 69 выбросоопасности угольных пластов

3.2 Взаимосвязь отдельных показателей выбросоопасно- 77 сти с глубиной появления внезапных выбросов

3.3 Многофакторная зависимость глубины появления 84 газодинамических явлений

ВЫВОДЫ 88

4. МЕТОД ОЦЕНКИ КРИТИЧЕСКОЙ ПО ВНЕЗАП- 89 НЫМ ВЫБРОСАМ ГЛУБИНЫ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА РАЗВЕДУЕМЫХ УЧАСТКАХ ПО ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫМ ДАННЫМ

4.1 Прогноз критической глубины появления внезапных 89 выбросов угля и газа по газовому фактору

4.2 Закономерности изменения верхней границы метано- 90 вой зоны в геологических структурах и зонах геологи-

ческих нарушений Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса

Стр.

4.3 Прогноз критической глубины появления внезапных 101 выбросов угля и газа по фактору напряженного состояния

4.4 Прогноз критической глубины появления внезапных 102 выбросов угля и газа

4.5 Экономический эффект от уточнения критических 103 глубин появления внезапных выбросов угля и газа ВЫВОДЫ 106 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109

111

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ 119

Приложение 1. Значения региональных признаков, 120 характеризующие выбросоопасные участки угольных пластов на шахтах Кузбасса

Приложение 2. Результаты расчета критической 124 глубины появления внезапных выбросов угля и газа на шахтах Кузбасса

Приложение 3. Критические глубины появления 138 внезапных выбросов угля и газа при разработке угольных пластов на шахтах Кузбасса по состоянию на 01.01.1998 г

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С увеличением глубины разработки угольных месторождений закономерно возрастает природная газоносность угольных пластов, повышается напряженное состояние углевмещающе-го массива, увеличиваются выбросоопасность и газодинамическая активность угольных пластов. Проявление газодинамической активности угольных пластов в призабойной зоне горных выработок в виде внезапных выбросов угля и газа или других газодинамических явлений отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы шахты, приводит к повышению уровня производственного травматизма в его наиболее тяжелых формах, а часто к катастрофическим последствиям для горных выработок и околостволовых наземных сооружений.

Для инженерного решения проблемы внезапных выбросов угля и газа существенное значение имеют разработка метода регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов и научно обоснованное определение критической по внезапным выбросам глубины ведения горных работ. Зависимость глубины появления внезапных выбросов от геологических условий формирования самостоятельных структурно-тектонических элементов шахтного поля или месторождения указывает на актуальность исследований по дифференциации критической выбро-соопасной глубины разработки угольных пластов по геологоразведочным данным. Результаты таких исследований позволят на стадии проектирования новых шахт и горизонтов предусмотреть необходимый комплекс противовыбросных мероприятий по безопасной и эффективной отработке угольных пластов ниже критической выбросоопасной глубины и своевременно начать его применение.

Диссертация отражает результаты исследований, выполненных автором в период 1985-1997 гг. в Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности в соответствии с планами НИР института по научно-технической программе 0.05.05 "Создать и внедрить методы и средства прогноза, предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли в угольных шахтах", предусмотренной постановлением ГКНТ СССР № 555 от 30.10.85.

Цель диссертационной работы - разработка метода регионального прогноза выбросоопасности самостоятельных структурно-тектони-

ческих элементов угольных пластов Кузбасса по материалам геологоразведочных работ.

Идея работы состоит в комплексном использовании установленных закономерностей распределения выбросоопасных зон в пределах шахтопластов и региональных информативных геологических показателей для прогноза критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа при разработке угольных пластов.

Задачи исследований:

- установить закономерности распределения газодинамических зон по площади угольных пластов и оценить вероятности их подсечения существующей сетью геологоразведочных скважин.

- выявить информативные показатели выбросоопасности угольных пластов и установить их влияние на выбросоопасность.

- изучить взаимосвязь информативных региональных показателей выбросоопасности с верхней границей появления внезапных выбросов угля и газа.

- разработать и внедрить метод оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса, при этом для шахт с недостаточной сетью газового опробования выявить глубину залегания поверхности метановой зоны (ПМЗ) косвенным методом.

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы теоретический и эмпирический методы исследований, включающие анализ и научное обобщение опыта решения проблемы внезапных выбросов угля и газа, интерпретацию результатов прогноза выбросоопасности из горных выработок и статистическую обработку результатов геологоразведочных работ.

Объектами исследований служили выбросоопасные участки угольных пластов, выявленные текущим прогнозом при проведении подготовительных выработок и прогнозом выбросоопасности в месте вскрытия пласта, а также газодинамические явления, зарегистрированные в горных выработках шахт Кузбасса.

Новые научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем:

1. Внезапные выбросы угля и газа распределены зонально, выбросоопасные зоны угольных пластов имеют линейно-вытянутые формы различных размеров, и зоны единичных выбросов не подсекаются существующей сетью геологоразведочных скважин.

2. Выбросоопасность угольных пластов Кузбасса определяется региональными геологическими показателями, характеризующими изменчивость природной газоносности угольных пластов и напряженное состояние массива горных пород.

3. Глубина, на которой формируются выбросоопасные условия, определяется степенью метаморфизма угля, мощностью зоны газового выветривания, градиентом метаноносности и скоростью современных движений земной поверхности.

4. Региональный метод прогноза выбросоопасности угольных пластов из-за низкой вероятности подсечения выбросоопасных зон существующей сетью геологоразведочных скважин предполагает оценку только критической по внезапным выбросам глубины.

Научная новизна работы:

установлено, что размеры выбросоопасных зон определяются региональными геологическими показателями и имеют линейно-вытянутые, близкие к эллипсу, формы с размерами малой оси от 75 до 250 м и большой оси от 250 до 1250 м;

выявлены региональные показатели выбросоопасности, из которых наиболее информативными являются выход летучих веществ, мощность зоны газового выветривания, градиент метаноносности и скорость современных вертикальных движений земной коры;

установлены уравнения взаимосвязи верхней границы проявления внезапных выбросов с информативными показателями выбросоопасности угольных пластов;

разработан метод оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов, позволяющий определить критическую выбросо-опасную глубину разработки самостоятельного структурно-тектонического участка угольного пласта.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, базируется на статистической обработке большого числа геологоразведочных данных, характеризующих выбросоопасные и неопасные зоны, и подтверждается соответствием прогнозных оценок критических глубин появления внезапных выбросов угля и газа фактической газодинамической активности угольных пластов.

Научное значение работы состоит в установлении закономерности распределения внезапных выбросов по площади и глубине залегания угольных пластов в зависимости от совокупности геологических пока-

зателей, позволяющей разработать метод регионального прогноза глубины залегания потенциально выбросоопасных зон в каждом месторождении.

Практическая ценность работы заключается в разработке метода оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов с глубиной по геологоразведочным данным, позволяющего на этапах проектирования и ведения горных работ предусмотреть необходимый комплекс про-тивовыбросных мероприятий по созданию условий безопасной и эффективной отработки угольных пластов.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные положения диссертационной работы включены в «Методику оценки выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным» (г. Кемерово, 1989 г.), в "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа", утвержденную Минуглепромом СССР и Госгортехнадзором СССР 18.04.89, и используются с 1990 года в совместных ежегодных приказах Управления Кузнецкого округа Госгортех-надзора РФ и производственных объединений Кузбасса «Об утверждении перечня и порядка отработки выбросоопасных и угрожаемых пластов».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VI Всесоюзном совещании "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (г. Новосибирск, 1984 г.), на научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1994 г.), на Российской научной конференции, посвященной 50-летию Томской области и 90-летию экономического образования в Томском политехническом университете (г. Томск, 1994 г.), на Международном симпозиуме по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах (г. Санкт-Петербург, 1994 г.), на Международном симпозиуме-семинаре по управлению и контролю за высоким газовыделением и внезапными выбросами угля и газа на угольных шахтах (г. Воллонгонг, Австралия, 1995 г.), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (г. Томск, 1995 г.), на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1997 г.), на научном семинаре «Проблемы освоения Еру-

наковского геолого-экономического района Кузбасса» (г. Кемерово, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе одна монография.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 142 страницы машинописного текста, 27 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 97 наименований и 3 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДА ЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ методов регионального прогноза еыбросоопасности

угольных пластов

На территории России происходили внезапные выбросы угля и газа, а также выявлялись выбросоопасные зоны угольных пластов текущим прогнозом выбросоопасности при проведении подготовительных выработок и прогнозом выбросоопасности в местах вскрытия угольных пластов в шахтах Воркутинского месторождения Печорского бассейна, Белокалитвенского, Краснодонецкого, Каменско-Гундоровского и Та-цинского угленосных районов Восточного Донбасса; Егоршинского месторождения Егоршино-Каменского угленосного района Урала; Анжер-ского, Кемеровского, Беловского, Прокопьевско-Киселевского, Арали-чевского, Байдаевского, Осиновского и Томь-Усинского районов Кузбасса; Подгородненского месторождения и Партизанского бассейна Приморья; Бошняковского месторождения Сахалинского бассейна и на руднике Комсомольском в угленосных отложениях Талнахского рудного узла. В странах СНГ внезапные выбросы угля и газа регистрировались в шахтах Донецкого и Карагандинского бассейнов.

В странах дальнего зарубежья внезапные выбросы угля и газа известны во Франции, в Бельгии, Англии, Японии, Польше, Венгрии, Германии, Австралии и ряде других стран. Практика разработки угольных пластов во всех месторождениях показала, что при ведении горных работ внезапные выбросы угля и газа происходят на определенной глубине от поверхности и минимальная глубина проявления выбросов изменяется от 100 м до 830 м и более. В некоторых бассейнах выбросов не наблюдается, хотя разработка угольных пластов происходит на больших глубинах /4,11,49,59,88,92,94/.

В Кузнецком бассейне за период с 1943 г. по настоящее время при ведении горных работ на 21 шахте в десяти месторождениях (Анжерском, Березово-Бирюлинском, Кемеровском, Чертинском, Киселевском, Прокопьевском, Араличевском, Байдаевском, Шелканском и Ольжерасском) зарегистрировано 190 внезапных выбросов угля и газа, происшедших в забоях: лав (10); горизонтальных и наклонных подготовительных выработок (142); стволов, квершлагов, полевых штреков и выработок околоствольных дворов (38) на 49 шахтопластах. При этом на трех шахтах Кузбасса ("Северная", "Ноградская" и "Березовская") произошло 142 внезапных выброса угля и газа на 16 шахтопластах, что составляет от общего числа, соответственно, 75,5% и 33% (табл.1.1.).

Таблица 1.1

Шахты Кузбасса и количество шахтопластов, на которых имели место газодинамические явления и установлены локальным и текущим прогнозом выбросоопасные зоны

Количество Количество шахтопластов

Район Шахта газодинамических опасных зон с газодинами- с опасными

явлений ческими зонами

явлениями

внезап- внезап- локаль- теку- внезап- внезап- локаль- теку-

ные вы- ные вы- ный щий ные ные вы- ный щий

бросы сыпания прог- прогноз выбро- сыпа- прогноз прог-

(обруше- ноз сы ния ноз

ния) (обру-

шения)

Анжерский "Судженская" 0 8 0 4 0 3 0 2

"Анжерская" 4 4 0 17 2 2 0 3

Кемеровский "Первомайская" 4 4 0 28 2 2 0 2

"Бирюлинская" 5 1 0 9 1 1 0 2

"Березовская" 8 1 0 6 2 1 0 2

"Южная" 0 0 2 0 0 0 2 0

им. Волкова 0 0 0 4 0 0 0 1

"Северная" 112 6 66 255 5 1 5 3

"Ягуновская" 0 4 6 16 0 2 5 3

Беловский "Чертинская" 2 7 0 29 2 3 0 3

"Новая" 1 0 0 11 1 0 0 2

"Западная" 0 2 0 15 0 1 0 2

Продолжение табл. 1.1

Количество Количество шахтопластов

Район Шахта газодинамических опасных зон с газодинамичес- с опасными

явлений кими явлениями зонами

внезап- внезап- локаль- теку- внезап- внезап- локаль- теку-

ные вы- ные вы- ный щий ные ные вы- ный щий

бросы сыпания прог- прогноз выбро- сыпа- прогноз прог-

(обруше- ноз сы ния ноз

ния) (обру-

шения)

Прокопьевско- им. Вахрушева 0 1 0 0 0 1 0 0

Киселевский "Черкасовская" 0 2 0 0 0 2 0 0

"Тайбинская" 0 3 0 6 0 3 0 3

"Красногорская" 2 4 27 18 1 2 9 1

"Зиминка" 0 3 0 0 0 2 0 0

им. Калинина 0 1 0 0 0 1 0 0

№5-6 2 5 10 17 1 3 6 4

"Ноградская" 22 8 25 57 9 4 7 4

"Коксовая" 7 13 33 39 5 8 7 5

"Центральная" 3 6 17 29 3 2 7 4

им. Дзержинского 1 0 0 0 1 0 0 0

"Красный Углекоп" 1 1 5 3 1 1 2 3

Араличевский им. Орджоникидзе 3 2 5 17 2 1 3 2

им. Димитрова 5 4 7 19 3 2 4 2

Байдаевский "Абашевская" 1 4 0 0 1 2 0 0

"Юбилейная" 1 1 1 2 1 1 1 1

"Байдаевская" 0 7 0 3 0 1 0 1

Окончание табл. 1.1

Количество Количество шахтопластов

Район Шахта газодинамических опасных зон с газодинамичес- с опасными

явлений кими явлениями зонами

внезап- внезап- локаль- теку- внезап- внезап- локаль- теку-

ные вы- ные вы- ный щий ные ные вы- ный щий

бросы сыпания прог- прогноз выбро- сыпа- прогноз прог-

(обруше- ноз сы ния ноз

ния) (обру-

шения)

Байдаевский "Полосухинская" 0 1 0 0 0 1 0 0

"Нагорная" 0 2 0 0 0 2 0 0

Осиновский "Капитальная" 3 20 4 19 3 7 2 3

"Высокая" 0 1 0 0 0 1 0 0

Томусинский "Усинская" 1 3 0 3 1 1 0 1

"Томская" 0 3 0 0 0 2 0 0

им. Ленина 0 2 0 1 0 1 0 1

Кузбасс 37 * 190/21 134/32* 208/13* 627/25* 49/21* 66/32* 60/13* 60/25*

Примечание: * в знаменателе - количество шахт

Наибольшее количество внезапных выбросов