автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка научных основ техногенной геодинамической безопасности ведения горных работ в угленосной толще при отработке мощных выбросоопасных угольных пластов

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ТОПЛИВНЫХ РЕСУРСОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ПО сКАРАГАНДАУГОЛЬ»

МИНИСТЕРСТВО ТОП "ИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ННЦГП - ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА ИМ. А. А. СКОЧИНСКОГО

i. (й

Направах рукописи

БИРЮКОВ ЮРИИ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 622.273:622.812

V

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОГЕННОЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ

ГОРНЫХ РАБОТ В УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩЕ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ВЫБРОСООПАСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений полезных

ископаемых».

Специальность 05.26.01 - «Охрана труда».

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

МОСКВА • 1998

Работ выполнена в ПО "Каразандауголь" и /ОД Г11 - Институте

горного дела им.А.А.Скочинского

Официальные оппонгнти.- яроф.,докт.i-ехн.наук A.M.Mopes

проф.,дою'.тех».наук С. А.ЯруЬин проф.,докт.техн.наук V.A.Катков

Ведущее предприятие - Институт проблем комплексного освоения

недр Российской академии наук е.Москва.

Мссерттщя в ваде научного доклада разослана "Ш." сенм-й^ 1998г.

Защит диссертации состоится 2,1 с>итг\ 1998г. в Ю час. На заседании диссертационного совета Д.135.05.02 Института горного дела им.А.А.Скочинского.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в секретариате ученого совета Института.

Отзывы а двух экземплярах просим направлять по адроесу: 140004, г.Лхберчм Московской области, ННЦ Г11 - Ш'Д им.А.А.Ско-

чтскагп

L ' f I Г\

\ .....I < v V-

Та

И.Г.Ищук

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящий доклад по опубликованным в 1986-1997га. работам автора посвящен теоретическому обобщению результатов комплексных шахтных исследований и экспериментально-промышленных работ по научному обоснованию, разработке и внедрению безопасных условий интенсивной добыт угля при отработке мощных выбросоопас-ных пластов.

Актуальность проблемы. В связи с изменением стратегической линии в развитии топливно-энергетических комплексов стран СНГ, увеличением доли нефти и газа в общем балансе энергопотребления добыча энергетических углей, особенно подземным способом, будет значительно сокращаться. В результате чего в эксплуатации, в основном, останутся шахты, разрабатывающие пласты, угли которых идут на коксование.

Как правило, это пласты, которые относятся к сверхнатегор-ным по газу, опасным по внезапным выбросам угля и газа, имеют высокую природную газоносность и повышенную газодинамическую активность.

Так, в настоящее время в Карагандинском бассейне объем добычи угля с выброеоопасных пластов составляет около 30%,с угрожаемых но внезапным выбросам шахтопластов добича коксующихся углей составляет 40X. С сокращением добываемых запасов коксующихся углей в угрожаемой зоне возрастет добыча угля на более глубоких горизонтах, т.е. в выбросоонасной зоне.

Если в изменении относительной частоты внезапных выбросов по годам и с глубиной горных работ отсутствует ясно выраженная закономерность, то средняя интенсивность выбросов обнаруживает отчетливую тенденцию к росту. Так, если в интервале глубин 200-300 м количество горной массы на 1 выброс составляет 43,3т, а метана 4,7 тыс.мЗ, то в интервале 300-400 м -"60,6т и 10,1 тыс.мЗ, а в интервале 400-800 м - 360,8т и 104,7 тыс.мЗ ;ответственно. Это приводит к значительному увеличению затрат - создание безопасных условий работы.

Сложившаяся ранее, до перехода к рыночным отношениям, прак-* вовлечения запасов угля с других шахтопластов для выполне-*;? плановых заданий привела к деконцентрацщ горных работ. В ультате значительно увеличилась протяженность поддерживаемых работок, усложнились трансиортные цепочки и аентиляционные •■•фи. Данная ситуация повышает степень опасности при протекании \юдинамических явлений, повышается вероятность опрокидывания фтиляционных струй, аагазирование подземных и поверхностных Щектов, где имеются источники воспламенения метана.

- г -

Существенное повышение концентрации горных работ, широкое применение прогрессивных технологических схем "лава-шахта", "лава-пласт" и скоростных проходческих комбайнов невозможно беа решения проблемы предотвращения газодинамических явлении в подземных выработках.

Диссертация обобщает результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии и под руководством автора, в соответствии с планами по общесоюзной научно-технической проблеме 019 "Минеральные ресурсы", проблеме 0.95.05 "Создать и внедрить методы и средства прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли а угольных шахтах" ГКНТ СССР, планами НИР Института горного дела им.А.А.Скочинского, КНИУН (КааНИИу-голь), КО ВостНИИ (КазННИБГП), КарПТИ, которые отражены в отчетах по темам: 01,02,13(02), 0116210000, 0116210101, 1640025000-081, 01400010000, 0140042000, 1892030000,

1692015000, К 1692041000, К 1692042000 и др.

Цель диссертационной работы состоит в разработке системного подхода к обеспечению безопасности ведения горных работ яри отработке мощных выбросоопасных угольных пластов.

Основная идея работы заключается в комплексном рассмотрении основных аспектов проблемы борьбы с газодинамическими явлениями по схеме "Среда - технология - человек" на всех этапах разработки выбросоопасных пластов, включая проектирование, подготовку шахтных полей и технологию ведения горных работ на заблаговременно обработанных участках угольного пласта. Задачи исследований:

разработка концепции обеспечения газодинамической безопасности при отработке свит угольных пластов в Карагандинском бассейне, включающая разработку регионального мониторинга свойств и состояния углевмещащей тощи, создание банка данных и разработку пакета программ на ЭЫВ для решения задач оптимального планирования порядка развития горных работ, раскройки шахтных полей, выбора способов предотвращения ГДЯ и разработку мер по уменьшению ошибок субъективного фактора;

разработка на базе предложенной концепции ряда региональных и локальных способов предотвращения ГДЯ для условий интенсивной добычи углт;

разработка способов управления гааовыделеннем из угольных шахтопластов при их подработке;

разработка способов предотвращения опрокидывания вентиляционных струй при возникновении внезапных выбросов угля и газа;

обоснование дополнительных технических требований к проходческим комбайнам и буровой технике, применяемой при отработке мощных выбросоопасных пластов;

исследование влияния концентрации горных ¡ииУот в угленос-

ной толще на инициирование ГДЯ в подготовительной выработке, проводимой по выбросоопасному пласту;

разработка нормативно-технических документов по ведению горных работ на выбросоопасных угольных пластах.

Методы исследований включили:

анализ литературных и фондовых источников; обобщение существующего опыта разработки выбросоопасных угольных пластов; шахтные исследования и эксперименты по прогнозу и предотвращению газодинамических явлений на пластах большой и средней мощности; теоретические разработки с использованием методов механики горных пород, геофизики, аэрогидродинамики и математического моделирования; опытно-промышленные испытания; технико-экономический анализ результатов исследований.

Научные положения, выносимые на аащцту:

1. Важнейшим аспектом концепции обеспечения геодинамической безопасности при ведении горных работ на мощных выбросоопасных пластах является взаимоувязывание трех главных направлений:

- оценка степени выбросоопасности через системы регионального и локального мониторинга и выбор по его результатам проти-вовыбросных мероприятий и порядка их проведения;

- адаптация технологии, горных машин и средств телеметрии кусловиям работы на опасных по газодинамическим явлениям пластах;

- уменьшение доли ошибок человеческого фактора через систему обучения и создания единого банка данных для разработки научно-технической документации 11,4,22,27,301.

2. Динамическое воздействие от техногенной деятельности в угленосной толще (взрывные работы, работа комбайнов, оседание основной кровли в лавах)может передаваться череа прочные породы на большие расстояния, исчисляемые сотнями метров, иницируя в удаленных выработкам горно-тектонические выбросы с катастрофическими последствиями. Интенсивность динамического воздействия на угольный пласт зависит от мощности, формы прилегающего тела песчаника и содержания кварца. Особенно сильно оно проявляется в зонах тектонических нарушений, превращая их в коллекторы, аккумулирующие газ из окружающего массива. При внедрении выработки в тектоническое нарушение происходит динамическое разрушение угольного массива, сопровождающееся волновыми процессами, что и определяет катастрофичность выбросов [ 1,2,5,6,13 ].

3. Методология регионального мониторинга свойств и состояния горного массива предусматривает осуществление геодинамического районирования ба/:сейна на основе данных аэрокосмических, геохимических и геолого-геофизических изысканий; разработку методик и пакеты прощшмм на ПЭВМ по выявлению геолого-геофи-

зтеских и геохимических аномалий; разработку экспертной системы подготовки заключений по геодинамической активности горного пассива [1,4,25,26,30,31,551.

4. Дальность защитного действия при подработке и надработ-ке можно существенно увеличить путем разупрочнения слоев меж-дупластья с низкой газопроницаемостью (песчаники, аргиллиты), оказывающих экранирующее действие. Разупрочнение проводится бурением на слой скважин и взрыванием торпед впереди или в створе с очистным забоем, чтобы использовать напряжения растяжений , возникающих при сдвижении пород в зоне влияния годных работ на защитном пласте [35,38,51,621.

5. К проходческим комбайнам и буровым станкам, применяемым на мощных выбросоопасных пластах, должны предъявляться дополнительные технические требования, заключающиеся в минимальном динамическом воздействии на забой и почву выработки, регулировании скорости подачи в зависну юти от прочности угля в забое, герметизации устьев скважин устройствами для обособленного отвода штыба и газа [5,13,22,45,57].

6. Проблема проведения подготовительных выработок на высокогазоносных и особо выбросоопасных пластах может быть частично решена за счет создания локальной защиты.возникающей при проведении полевых выработок под пластом, разгрузки угольного массива и дренирования газа через полевые выработки [1,36,621.

7. В результате бурения скважин с интенсивной промывкой в зонах с пониженной крепостью угля образуются полости, аккумулирующие газ под высоким давлением. При подходе к ним выработок наблюдаются случаи внезапных выбросов, выдавливаний и прорывов жидкости [1,8,49,581.

8. Путем тестирования контрольных скважин для измерения начального давления газа при вскрытии угольных пластов на связь расхода и давления газа при дросселировании можно оценить степень негерметичности замерной камеры и расчетно определить поправку для получения величины начального давления [9,531.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: применением апробированных моделей и зависимостей, используемых в механике горных пород, аэрогидродинамике и сейсмике; большим объемом шахтных экспериментов за длительный период времени ( с 1986 по 1997 гг.) , выполненных в широком диапазоне горно-геологических условий; удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических результатов, полученных при опытно-промышленных испытаниях и внедрении способов предотвращения газодинамических явлений при годении горнопроходческих и очистных работ по мощным выбрпсооп.юным пластам: положительными результатами внедрения разработок автора на шахтах Карагандинского бассейна.

Научная новизна работ занимается в следующем:

1. На примере Карагандинского бассейна разработана концепция предотвращения газодинамических явлений на мощных угольных пластах, увязывающая три направления:

- прогноз через систему регионального и локального мониторинга и выбор но его результатам способов предотвращения и порядка их проведения;

- адаптация технологии и горных ыашж к условиям работы па опасных пластах;

- создание единого банка данных для бассейна с целью разработки научно-технической документации и обучения.

2. Подтверждено, что вибрационное и импульсное воздействия ври ведении горных работ в угленосной толще могут формировать выбросоопаспую ситуацию в выработках, удаленных от мест воздействия на сотни метров. Установлены условия передачи виброимпульсного воздействия в породной толще на большие расстояния и механизм возникновения 'техногенных газодинамических явлений, характеризующихся катастрофическими последствиями.

3. Установлены факты и предложен механизм формирования газодинамических явлений при подходе выработок к е/шшшам, пробу -решим в зонах с перемятым углем.

4. Разработана методология регионального мониторинга свойств и состояния горного массива для комплексной оценки его геодииамической активности на основе данных аэрокосмических, геохимических и геолого-геофизических изысканий.

5. Установлено, что дальность защитного действия при иод-работке и надработке мошо существенно увеличить разупрочнением экршшрующнх слоев мещупластья, которое рационально проводить взрыванием впереди или в створе с очистным забоем на защитном пласте.

6. Разработаны технические требования, предъявляемые к проходческим комбайнам, применяемым на мощных тбросоопасних пластах, в части вибраций и удельного давления на ' почву выработки.

/*. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность определения начального давления газа при вскрытии угольных пластов в контрольных сквакинах с неполной герметизацией.

Научное значение полученных результатов состоит в разработке и обосновании основных положений комплексного исчомьзова ния свойств и состояния угленосной толщ и характера их изменения а процессе техногенного воздействия для выбора порядка ве дения работ в сви'ге мощных пластов при их подработке, уир^шш нии газовыделением и проведении противовыбросных мероприятии.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволили:

- дать предложения по созданию экспертной системы безопасности проведения подготовительных выработок по выбросоопасным пластам с учетом концентрации горных работ в угленосной толще;

- разработать методику оценки свойств и состояния уголь-но-нородного массива на основе геолого-геофизических и геохимических изысканий;

- разработать комплекс локальных и региональных способов предотвращения газодинамических явлений на основе глубокой дегазации и управления газовыделением при отработке свиты выбросоопасных пластов с использованием искусственных подземных коллекторов газа;

- дать рекомендации по совершенствованию проходческих комбайнов и буровых станков» которые применяются на выбросоопасных пластах;

- разработать экспресс-метод для определения начального давления газа при вскрытии угольных пластов;

- разработать технологические схемы подготовки и отработки мощных выбросоопасных пластов с использованием гидрорасчленения с поверхности и пластовой дегазации, создающие условия для ведения очистных работ без нарезки подготовительных выработок.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы реализованы в отраслевых и бассейновых нормативных документах: "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, порода и газа", М., 1089, 191 с. (п. 6.7.3; 5.3.3; 5.1.10; 1.6.7); Караганда, 1995, 177 с. (разделы 2, п.2.4, 7, 8 ), "Перспективные геомеха-пические схемы регионального управления выбросоопасным состоянием массива при разработке свит угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна", Л., 1991, 52 с. ( разделы 2,3); "Технологические схемы разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, для шахт Карагандинского бассейна", Караганда, 1995, 171с. ( схемы Л.5, Р.6, Р.9, Р.10); "Технологические схемы интенсивной дегазации газоносного массива", М., 1988, 65 с. (п. 3.5, схемы 3.4, 3.5 и 4.5 , схема 4.3, раздел 5); "Временное руководство по разработке выбросоопасных и газоносных пластов угля и повышение эффективности дегазационных работ в условиях интенсивной их разгрузки на шахтах Карагандинского бассейна", Л., 1988 , 46 с. (п. 3.4.2, раздел 4); " Методические указания по определению параметров создания локальной зашиты при проведении подготовительных выработок на газоносных пластах". Л., 1989, 28 с.(п.4.1, 4.2; с. 17-20).

Основные положения концепции предотвращения газодинамических явлений одобрены Минуглепромом СССР и предложены к реализации в отраслевых программах НИР и ОКР (протокол Центральной

комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа М 280 от 2-3 октября 1991г, г.Москва; �