автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка способа оценки по горно-геологическим и деформационным характеристикам степени выбросоопасности угрожаемых угольных шахтопластов

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФОРМОС Валерій Федорович

Рр—і---

УДК 622.831.322

РОЗРОБКА СПОСОБУ ОЦІНКИ ЩОДО ГІР1ШЧО-ГЕОЛОГГШИХ ТА ДЕФОРМАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТУПЕНЯ ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНОСТ1 ЗАГРОЖУЮЧИХ ВУГІЛЬНИХ ШАХТОПЛАСТІВ

Спеціальність 05.26.01 - “Охорона праці”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк - 1998

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті,

Міністерство освіти України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Лисіков Борис Артемович, професор кафедри “Будівництво шахт та підземних споруд”; Донецький державний технічний

університет.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Колесов Орест Андрійович, начальник відділу перспективного розвитку та НДОКР Центрального штабу державної воєнізованої гірничорятувальної служби вугільної промисловості України (м.Донецьк); кандидат технічних наук Каніи Володимир Олексійович, завідуючий лабораторією захисних пластів та керування становищем гірничого масиву Укр

НДМІ (м. Донецьк).

Провідна установа:

Макіївський науково-дослідний інститут Мінвуглепром України (м.Макіївка).

Захист дисертації відбудеться “(з ” М5-Сда.уО У>>1998 р. о*{^ годині на засіданні спеціалізованої ради Д 11.052.05 у Донецькому державному технічному університеті за адресою: 340000, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету (340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, И уч. корп.)

Автореферат розісланий

Р-

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, _

доктор технічних наук, професор ^ ^ ^ЄВЦ°В

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність роботи. Запобігання викидів вугілля та газу є однією з найбільш складних задач щодо підвищення безпеки та техніко-економічних показників гірничих робіт. З збільшенням глибини розробки зростає кількість пластів, небезпечних ¡з викидів, підтримка безпечної роботи на яких вимагає матеріальних витрат та людської праці. В умовах переходу вугільної промисловості до ринкової економіки особливого значення набувають такі питання, як підвищення виробничості праці та зниження витрат на добичу вугілля.

Одним з важливих елементів у спільному комплексі робіт по запобіганню раптових викидів є прогноз викидонебезпечності вугільних пластів. Надійність прогнозу залежить від інформативності та достовірності використовуємих критерієв для оцінки викидонебезпечності, які повипні відображати природу викидонебезпечності.

Імовірність вігкида при розробці загрожуючих шахтопластів нижче, аніж на небезпечній пластах. Відомі різниці фізико-механічних та газодінамічішх властивостей вугілля у небезпечних та безпечних зонах викидонебезпечних вугільних пластів. На цих різницях базуються існуючі методи безперервного прогнозу викидонебезпечних зон на вугільних пластах. Одним з признаків, по якому' викидонебезпечні пласти відрізняються від викидобезпечних, є наявність викидонебезпечних зон на викидонебезпечних пластах. Оскільки викидонебезпечні зони носять локальний характер і, згідно статистичним даним, загальна площа цих зон дорівнює 1 % від площі шахтного поля, виявити їх можна тільки шляхом безперервного визначення показників, які характерізують викидонебезпечні зони. Тому використання принципів поточного прогнозу викидонебезпечних зон для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів при дискретному визначені показників викидонебезпечності по данним геологорозвідних робот, або при розробці вугільних пластів не доцільно. Різниці фізико-механічних та газодинамічних якостей викидонебезпечних у безпечних зонах та викидобезпечних вугільних пластів до теперішнього часу не було встановлено. І з цієї причини не було способів визначення викидонебезпечності вугільних пластів при дискретному визначенні показників.

В зв’язку з цим з’явилась, необхідність розробки достовірних критерієв, та надійного способу оцінки викидонебезпечності вугільних пластів на усіх етапах ведення гірничих робіт для дальшого підвищення безпеки роботи та скорочення промислових витрат.

Дисертація пов’язана з виконанням роботи “Дослідження динамічних якостей викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів”, яка виконувалась по програмі (№ держ. регістрації 01890020012) “Розробка способів, та технічних засобів контролю стану викидонебезпечкого гірничого масиву прогнозу та боротьби з раптовими викидами вугілля, породи і газу” ДонДТУ.

Мета роботи - розробка способу оцінки ступеню викидонебезпечності заірожуючих вугільних шахтопластів з обтрушуваних гірничо-геологічних та фізико-механічних характеристик вугілля та їх критеріальних значенням.

Ідея роботи - полягає в познанні та використанні різниці деформаційних характеристик викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів для утворення способу оцінки ступеню викидонебезпечності загрожуючих вугільних шахтопластів.

Наукові положення, винесені на захист та їх новизна:

1. Встановлена достатня різниця величин деформаційних характеристик вугілля у безпечних зонах викццонебсзпечних та викидобезпечних вугільних пластів при однаковій ступені метаморфізму. Ця різниця покладена в основу способу оцінки їх викидонебезпечності.

2. Експериментально встановлено статистичні залежності деформаційних характеристик (модуля зрушення та модуля пружності) викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів від ступеня метаморфізму вугілля (вихода летучих речовин).

3. Встановлені чисельні значення модуля пружності, які в першому наближенні є критеріальной величиной для розмежовування викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних шахтопластів.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечена використанням при виконанні досліджень опробованих методик проведення досліджень, математичних методів планування експериментів, застосуванням методів математичної статистики при обробці результатів експериментальних досліджень та виконанням обчислювальної техніки, значним об’ємом експериментальних робіт (проаналізовано більш 100 вугільних пластів во всьому діапазоні метаморфізму вугілля);

високою надійністю лабораторних досліджень, доброю східністю (різниця не більш 10%) результатів експериментальних досліджень та промисловою перевіркою розробленого способу.

з

Наукове та практичне значення роботи :

наукове значення роботи полягає у встановленні залежностей деформаційних характеристик вугільних пластів від ступеня метаморфізму вугілля, а також значності різниць цих характеристик для викидонебезпечтшх у безпечних зонах та вшсидонебезпечішх пластів, гірничо-геологічних, фізико-механічних та газодинамічних показників, які визначають природу викидонебезпечності вугільних пластів та їх кріггеріальні значення, що дозволяє використовувати їх в якості критерії оцінки викидонебезпечності для всього діапазону метаморфізму вугілля;

практичне значення роботи полягає в утворенні нового (запатентованого) способу оцінки викидонебезпечності загрожуючих вугільних шахтопластів, що дозволяє встановлювати вгасидонебезпечність шахтопластів при дискретному визначені показників викидонебезпечності у відмінності від безперервного визначення параметрів викидів при поточному прогнозі по початковій швидкості газовиділення, що скорочує виробничі витрати та дозволяє підвищити видобуток вугілля.

Реалізація роботи. Проведені промислові опробування дозволили підтвердігги надійність розробленого способу оцінки викидонебезпечності загрожуючих вугільних пластів, який доведен до стадії нормативного. Міжвідомчою комісією та Центральною комісією з боротьби із викидами спосіб рекомендовано до впровадження. Розроблено та затверджено “Руководство по применению способа оценки выбросоопасности угольных пластов”, яке впроваджено на шахтах ім. А.Г. Стаханова, ВО “Красноармійськвугілля” та “Кіровська”, ВО “Жовтеньвугілля”.

Апробація роботи. Основні результати наукових досліджень доповідані та отримали ухвалення на Центральної комісії з боротьби із газодинамічними явищами у шахтах вугільної промисловості України (вересень 1993 р.), на внутрішньо-

університетській конференції ДонДТУ по ітогам НДР (жовтень 1993 р.) і на 3-й науково-практичній конференції випускників гірничого факультету “Удосконалення технології здобутку вугілля у глибоких шахтах” та на розширеному засіданні кафедри “Будівництво шахт та підземних споруд” ДонДТУ (2 червня 1998 р.).

Публікації. Результати досліджень автора викладені у 12 друкованих роботах, спосіб оцінки викидонебезпечності вугільних пластів захищен патентом України (№1789032).

Обсяг роботи. Дисертація складена з введення, п’яти глав та висновку, містить 13 рисунків, 10 таблипь, список використаних джерел з 78 найменувань та П додатків. Робота викладена на 142 сторінках.

Автор висловлює глибоку вдячиість науковому керівнику канд.техн.наук, доценту Лисікову Б.А., співпрацівникам кафедри “Будівництво шахт та підземних споруд” ДонДТУ. Автор висловлює подяку усім спеціалістам за допомогу та консультації за темою досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Одним з найбільш важливих напрямків у рішенні проблеми викидів вугілля та газу є розробка способів прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів.

Вивченню проблеми та утворенню способів прогнозу та запобіганню викидів вугілля і газу присвятили свої роботи: Ф.А. Абрамов, А.Т. Айруні, М.І. Болышшський,

І.В.Бобров, Л.М. Биков, В.Е. Забігайло, А.М. Зорін, Б.М. Іванов, В.Е. Некрасовській, В.І. Ніколін, А.Е. Ольховіченко, А.Е. Петросян, І.М. Печук, Г.Н. Фейт, В.В. Ходот, С.А. Христіанович, ІЛ. Еттінгер та інші дослідники.

Виконаний аналіз існуючих способів прогнозу викидів на загрожуючих пластах показав, хцо вони мають бути удосконалені. Дня утворення надійного науково обгрунтованого способу оцінки викидонебезпечності вугільних пластів необхідно провести докладні дослідження з метою уточнення та удосконалювання методів пропюзу викидонебезпечності вугільних пластів. Способи поточного прогнозу, що використовуються при веденні очисних та підготовчих робіт, зосновані на безперервному визначені показників викидонебезпечності та дозволяють лише виявити викидонебезпечні зони на викидонебезпечних і загрожуючих вугільних пластах, ступень викидонебезпечності яких вже встановлена. Для визначення викидонебезпечності загрожуючих вугільних пластів після вскриггя та на стадії розробки вугільного пласту, може бути використано дискретне визначення показників викидонебезпечності вугільних пластів. Очевидно, що оцінка викидонебезпечності вугільних пластів при дискретному їх опробуванні може базуватися лише на різниці якостей викидобезпечних та небезпечних пластів у безпечних зонах.

У теперішній час існує необхідність в розробці вірогідних науково обгрунтованих критеріїв, які дозволили б відрізнити викидонебезпечний пласт від викидобезпечного по пробам, відібраним з безпечного пласта та в безпечній зоні викидонебезпечного пласта.

Аналіз стану питання дозволяє сформулювати мету дослідження як пошук гірничо-геологічних факторів, фізико-механічних та газодинамічних характеристик вугілля, відображаючих природу викидонебезпечності, які мають досить різні кількісні значення для викидонебезпечних в безпечних зонах та викидонебезпечних пластів і які можуть служити показниками для оцінки викидонебезпечності загрожуючих вугільних пластів, при дискретному визначенні цих показників.

Для досягнення поставленої мети, необхідне рішення наступних основних задач:

- дослідити гірничо-геологічні та гірничо-технічні умови проявлення викидонебезпечності вугільних пластів;

- дослідити фізико-механічні та газодинамічні властивості, виявити різниці вказаних якостей викидонебезпечних у безпечних зонах та викидонебезпечних пластів;

- встановити критерії для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів;

- розробити спосіб, оцінки ступеня викидонебезпечності загрожуючих вугільних шахтопластів.

При вивченні фізико-механічних якостей вугілля, було досліджено якості викидонебезпечїпгх та викидобезпечних вугільних пластів у небезпечних і безпечних зонах.

Відомо, що на фізико-механічні якости вугілля, а також на викидонебезпечність має вплив ступень метаморфізму вугільних пластів. На пластах з виходом летучих речовин У4^ > 39 % або М > 27,7 викиди не виникають на будь якій глибині розробки вугільного пласту. На антрацитах с І^ср < 3.3 викиди також не відбуваються.Таким чином, ступень метаморфізму вугілля може служити одним з показників для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів.

У зв’язку з наявністю залежності якостей вугілля від ступеня метаморфізму при вишукуванні різниці властивостей викидобезпечних та викидонебезпечних вугільних пластів у безпечних зонах сопоставлялися значення якостей безпечних та викидонебезпечних вугільних пластів одного ступеня метаморфізму.

При дослідженні міцносних якостей на опір дробленню та опір одноосевому стисненню, виконаними в МакНДІ для Донецьких вугільних пластів, і по методу проф.

М.М.Протод’яконова, який оснсвано на удільній роботі, яку затрачено на товчення вугілля, виконані ВостНДІ, різниці по міцності вугілля для викидобезпечних та викидонебезпечних (у викидобезпечних зонах) вугільних пластів одного ступеня; метаморфізму не встановлено. Не встановлено різницю міцносних якостей викидобезпечних та викидонебезпечних (у безпечних зонах) вугільних пластів, дослідженнями, які виконано у шахтних умовах ( табл. 1).

Показники руйнування керну та пористості також не мають суттєвих різниць для

викидобезпечних і виквдонебезпечних (у безпечних зонах ) вугільних пластів (табл. 1).

Таблиця 1 - Середні значення фізико-механічних та газодинамічних характеристик вугільних пластів шахти “Юнком”, В/О “Орджонікідзевугілля”

Пласт, горизонт Міцність вугілля, косф. міцності руину- ваши керну, мм'1 Газонос- ність, м3/т.с.б.м Поріс- тость, % Початкова швидкість газовиділення, л/хв.

Песчанка, 826 м 1,0 Безпечні пласти — 19,2 0,030 2,6

Солений, 826 м 1,3 14,7-17,4 18,5 0,036 3,2

Безпечні зоїш на викидонебезпечних пластах

Каменка-восток, 596 м 1,2 _ 14,6 0,035 3,1

Толстый-восток, 716 м 1,3 — 16,9 0,030 2,8

Девятка-запад, 726 м 1,0 13,8-18,7 15,2 0,041 3,6

Небезпечні зони на викидонебезпечних пластах

Камєнка-восгок.595 м 0,8 — 16,6 — 6,2

Толстый-восток, 826 м 0,6 — 24,7 0,030 5,8

Девятка-запад, 716 м 0,6 23,8-33,9 18,3 0,030 6,4

Дослідженнями не встановлено різниці для викидобезпечних та викидонебезпечних у безпечних зонах вугільних пластів щодо удільної пористості та об’ємної ваги.

При дослідженні газодинамічних якостей вивчались газоносність та газовиділення на викидонебезпечних у безпечних зонах та викидобезпсчіпк вугільних пластах.

Фактичні дані, що наведені у таблиці 1 підтверджують, що газоносність безпечних та небезпечних пластів ( у безпечних зонах ) на однакових глибинах та однакового ступеня метаморфізму не має суттєвої різниці.

Таким чином, достовірним відрізняючим признаком викидонебезпечних від безпечних вугільних пластів з’являється наявність викидонебезпечних зок на викидонебезпечних вугільних пластах. Фізико-механічш та газодинамічні якості вугілля у небезпечних зонах викидонебезпечних вугільних пластів суттєво відрізняються від якостей вугілля цих же пластів у безпечних зонах (табл.1). Аналогічна зміна фізико-

механічних та газодинамічних якостей вугільних пластів спостерігається при порушенні структури вугілля. Дані про вплив порушенності струїоури вугілля на його якості наведені в табл. 2.

Таблиця 2 - Дані про вплив порушенності структури вугілля на фізико-механічиі та газодинамічні якості вугілля .

Показники Непорушене вугілля Порушене вугілля

Межа прочності, МПа, на одноосове стиснення 3,6...7,6 0,9... 1,55

на зсув 0,46...1,52 0,13...0,28

на розрив 0,13...0,28 0,015...0,09

Газонепроніщаємість, мД: в масиві ( з методу МакНДІ) 18- 104 00 О ' 1 1 1 1 J

зразків, розвантаженнях від гірничого тиску 0,0001...0,10 0,1...1,0

Показникі швидкості газовід-дачі, л/хв. 3...5 13...46

З метою дослідження зв’язку ступеня порушеності структури вугілля із зміною його якостей у викидонебеспечних зонах виконані дослідження залежності ефективної газоносності1 (Хеф) вугільного пласту від руйнування керну (Я), яка характеризує ступень порушенності струкіури вугілля. В результаті обробки матеріалів виконаних досліджень, отримано наступне дорівнення, яке описує зв’язок між ефективною газоносністю та руйнуванням керну:

Хеф = 21і - 37,2 , г= 0,86

дег - коефіцієнт кореляції.

Значення коефіцієнту кореляції , яке дорівнює 0,86, свідчить про наявність тісного зв’язку між ефективною газоносністю та руйнуванням керну.

Однаковий характер різниці властивостей вугілля у небезпечних та безбечних зонах на викидонебезпечннх вугільних пластах та в зонах з порушеною і непорушеною структурою вказує на те, що основною причиною зміни властивостей структури вугілля у викидонебезпечннх зонах є порушенність струкіури вугілля внаслідок крихкого руйнування його під впливом тектонічних дій у цих зонах.

1 Ефсетивна газопосність - це кількість газу, яке виділяється з поруйнованого вугілля (штабу) під час буріння свердловини по вугільному пласту, віднесене до одиниці об’єму поруйнованого вугілля.

Висновок про вплив ступеня порушеїшості структури вугілля на викидонебезпечність підтверджується також результатами дослідження гірничо-геологічних умов проявлення викидів.

Дослідження гірничо-геологічних умов, у яких відбувалися викиди вугілля, показали, що викидонебезпечні зони приурочені до геологічних порушень, тобто до зон тектонічних впливів на вугільний пласт які супроводжуються порушеним структури вугілля. Світовий досвіт розробки викидонебезпечних вугільних пластів також свідчить про те, що викиди вугілля та газу виникають у вугленосних районах із складною тектоничною будівлею та підвищеною порушенністю вугленосних відкладай.

Результати досліджень дозволили допустити, що утворення викидонебезпечних зон, тобто зон з крихким руйнуванням вугілля, на одних пластах (викидонебезпечних), і відсутність їх на інших (викидобезпечних) у ідентичних гірничо-геологічних умовах і які мають одну й ту ж ступень метаморфізму, є наслідком різниці деформаційних властивостей викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів, які визначають характер руйнування вугілля при тектонічних діях щодо вугільного пласту. На викидобезпечних вугільних пластах у зонах тектонічної дії не спостерігаються зони з хрупким руйнуванням, а тільки зони пластичних рухів вугілля.

Достовірних та достатніх даних про деформаційні характеристики (модулі пружності і модулі зрушення) викидобезпечних та викидонебезпечних вугільних пластів не має. Відсутність відомостей про деформаційні властивості вугільних пластів є наслідком того, що дуже складно виготовити з вугілля зразки правильної форми, необхідні для визначення них якостей при методах, що використовуються.

З метою перевірки вказаного припущення о різниці деформаційних властивостей викидонебезпечних (у безпечних зонах) та безпечних вугільних пластів для визначення вказаних характеристик та встановлення сутгєвості їх різниці викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів, було удосконалено установку для визначення деформаційних якостей вугілля динамічним способом на зразках неправильної форми.

Визначення деформаційних характеристик вугілля здійснювалося шляхом неруйнуючої дії на вугілля ультрозвуковими приладами УК-10П або УКБ -ЇМ з голковими п’езодатчиками. По розмірах зразка вугілля та часу проходження крізь

нього поздовжніх та поперечних хвиль, розраховувались швидкості поздовжніх та поперечних пружних хвиль і значення деформаційних характеристик (р, в , Е) вугілля по наступним формулам: коефіцієнт Пуасона Ц = —2_-І_Ур,/У?_І,

2 - 2( Ур/Уэ )2

де Ур, У5 - відповідно швидкість поздовжніх та поперечних пружних хвиль, м/с, модуль зрушення б = р . Уэ,

де р - хустина вугілля, г/см3, модуль пружності Е = 2.(1+ ц)р. У2з, Па.

Розрахунки виконувались на ПЕОМ по розробленій програмі “Вугілля ”. По отриманим даним визначались середні значення динамічних модулей пружності та зрушення для кожної групи зразків, які відібрано на безпечних та небезпечних пластах (в безпечних зонах). Груші формувались із зразків вугілля однакового ступеня метаморфізму. В результаті обробки отриманих даних встановлені залежності між деформаційними характеристиками викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів та ступенем метаморфізму вугілля, які описуються наступними рівняннями:

для викидонебезпечних пластів

С=( 0.365 - 0.003 У^ ), ГПа г= 0.609

Е= ( 0.942 - 0.006 Vы ), ГПа г= 0.624

для викидобезпечних пластів

б= (0.240 - О.ООІУ** ), ГПа г= 0.728

Е = (0.719 - 0.006У “ ), ГПа г= 0.850

Отримані величини коефіцієнтів кореляції свідчать про достатньо стійкий зв’язок між деформаційним характеристиками та ступенем метаморфізму вугілля. Графікі вказаних залежностей подані на рис. 1 і 2. На цих же рисунках показані верхні і нижні довірчі границі кожного показника для викидонебезпечних та викидобезпечних пластов. Як видно з рисунків, довірчі границі значень модулю пружності викидобезпечних та викидонебезпечних (в безпечних зонах) пластів не

с,гп.

Рисунок 1- Залежність динамічного модулю зрушення (в) від ступеня метаморфізму вугілля (V ):

1 - викидонебезпечний пласт (безпечна зона),

2 - викидобезпечний пласт,

3 - довірчі границі викидонебезпечного пласта,

4 - довірчі границі викидобезпечного пласта

Рисунок 2 - Залежність динамічного модулю пружності (Е) від ступеня метаморфізму вугілля (Уа*г):

1 - викидонебезпечний пласт (безпечна зона),

2 - викидобезпечний пласт,

3 - довірчі границі викидонебезпечного пласта,

4 - довірчі границі викидобезпечного пласта .

перекриваються, що свідчить про суттєву їх різницю. Для розмежування викидо/іебезпечних та безпечних значень модулю пружності прийнята верхня довірча границя деформаційних характеристик викидонебезпечних пластів. Значення модулей пружності викидонебезпечних пластів знаходяться вище верхньої довірчої границі викидобезпечних вугільних пластів, а безпечні нижче (рис. 2). Верхня довірча границя для модулю пружності викидонебезпечних вугільних пластів описуються наступним рівнянням.

Е= (0,790 - 0,006 У4* ), ГПа

Таким чином, проведеш дослідження фізихо-механічних властивостей вугільних пластів дозволили встановити, що викидобезпечні та викидонебезпечні пласти у безпечних зонах мають суттєві різниці щодо деформаційних властивостей, які можуть бути прийняті в якості критеріїв для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів.

З метою розробки критеріїв для оцінки впливу гірничого тиску та газоносності на викидонебезпечність вугільних пластів було виконано дослідження впливу різних природних факгоров на мінімальну глибину викидів. На вугільних пластах мінімальна глибина викидів різна для вугілля різних марок. Виконаними дослідженнями встановлено залежність мінімальної глибини викидів від ступеня метаморфізму вугілля, яка описується наступним рівнянням:

Н= 140 + б^У1“, г= 0.83

де Н - мінімальна глибина викидів,

Ул,г- вихід летучих речовин, г - коефіцієнт кореляції.

З метою підвищення надійності для визначення мінімальної глибини викидів використовувалось рівняння верхньої довірчої границі.

Нмія = 100 + 6,4 У“,

де Н мів - мінімальна глибина викидів.

Встановлено, що в якості критичних (викидонебезпечних) значень гірничого тиску і газоносності можуть бути прийняті гірішчий тиск і газоносність на мінімальній глибині викидів для вугілля даного ступеня метаморфізму. Оскільки гірничий тиск та газоносність із збільшенням глибини гірничих робот закономірно зростають, то на глибинах, які перевищують мінімальну глибину викидів, гірничий тиск та газоносність в вугільних пластах будуть завжди мати виквдонебезпечне

значення і для визначення ступеня викидонебезпечності вугільних пластів по крітеріям гірничого тиску і газоносності, достатньо мати інформацію про те, вище чи нижче мінімальної глибини викидів ведуться гірничі роботи. Тоді, мінімальна глибина викидів також може служити критерієм для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів.

Таким чином, в результаті виконаних досліджень встановлено, що оцінка викидонебезпечності вугільних пластів повинна базуватися на комплексі показників, які визначають природу викидонебезпечності, а саме: ступеня метаморфізму,

гірничому тиску, газоносності і деформаційних характеристиках вугілля.

Для встановлення періодичності визначення показників викидонебезпечності було виконано дослідження зміни властивостей вугілля по простиранню та падінню вугільних пластів. Сутхевість зміни властивостей вугілля оцінювалося значенням є.

ДХ

* „ <у є , Д л ір г—,

_ л'п X

де - ДХ - імовірна помилка,

X - середнє значення X, г р - нормуючий множитель (визнається по таблиці розподілу Стьюденга у залежності від об’єму і довірчої імовірності р),

Є - оцінка середньоквадратичного відхилення величіни X у виборці

об’ємом п,

п - кількість визначень.

Виконаними розрахунками встановлено, що значення в не перевищує 10 %, таким чином вибірки є одпородні, отже зміна властивостей вугілля на безпечних пластах в межах безпечних зон викидонебезпечного вугільного пласту не суттєва. Враховуючи те, що зміна вказаних показників у вшшдобезпечних зонах вугільного пласта невелика, цілком допустимо дискретне визначення показників, характеризуючих викидонебезпечність.

Згідно з результатами проведених досліджень методика оцінки викидонебезпечності загрожуючих вугільних пластів повинна містити наступний комплекс шахтних і лабораторних робіт:

- аналіз гірничо-геологічних умов розробки вугільного пласту;

- відбір проб в шахтних умовах;

- лабораторні дослідження відібраних проб з метою отримання ісходних даних для оцінки викидонебезпечності вугільних пластів;

- обробка отриманій результатів по розробленій програмі на ПЕОМ і видача заключения про ступень викидонебезпечності.

Відбір проб виконується на всіх діючих гірничих виробках вугільного пласту, який досліджується, зі свіжооголеного вибою у кількості 3-5 проб вугілля у вигляді частинок розміром примірно 50 х 50 х 50 мм, по вугільним пачкам не менш

0,2 м у п’яти циклах посування підготовчуючого вибою (через 5 м посування). Оцінка викидонебезпечності вугільних пластів повинна повторюватися на кожному новому горизонті (етажі).

У лабораторії по представленим пробам визначають вихід летучих речовин, густина вугілля, дистанцію між п’єзодатчиками, встановленими на зразку вугілля і час проходження ультразвукових хвиль крізь зразки вугілля. Вимірення по кожному зразку проводяться у 3-5 точках в площині, яка паралельна напластуванню. По кожній пробі необхідно провести 25-30 вимірювань. Результати спостережень заносять у спеціальний лабораторний журнал. Обробка результатів лабораторних досліджень виконується на ПЕОМ по спеціально розробленій програмі “PROM”.

Методично оцінка ступеня викидонебезпечності вугільних пластів здійснюється у наступній послідовності. На першому етапі зіставляється фактична ступень метаморфізму вугілля з критичними значеннями комплексного показника викидонебезпечності (М) и lgp. Яйцо комплексний показник викидонебезпечності більш М> 27,7, або логарифм удільного електроопіру менш lgp < 3,3. вугільний пласт відноситься до викидобезпечних.

На другому етапі, в тому випадку коли, lgp > 3,3, а комплексний показник М < 27,7, викидонебезпечность вугілля перевірюється по розміру газоносності і по гірничому тиску. Для цього повинна бути зіставлена припущена глибина розробки вугільного пласту з мінімальною глибиною викидів. Якщо припущена глибина розробки вугільного пласту менш критичної глибини викидів, то пласт відноситься до загрожуючих. Якщо припущена глибина розробки вугільного пласту більш критичної глибини викидів, то на третьому етапі вугільний пласт перевірюється на викидокебезпечність по деформаційним характеристикам. Якщо деформаційні характеристики пласта по своїм значенням менш критичних значень, то пласт

відноситься до викидобезпечних. Якщо деформаційні характеристики більш їх критичних значень, тоді пласт повинен бути віднесений до загрожуючих. Для автоматизованої оцінки ступеня викидонебезпечності розроблено на основі викладеної методики програму для ПЕОМ. Висновок про ступені викидонебезпечності вугільного пласту' виконується за допомогою ПЕОМ, по програмі “PROM”.

Змінними даними, які вводяться у ПЕОМ, є глибина ведення гірничих робіт, ступень метаморфізму вугільного пласту, який досліджується, густіша вугілля, час проходження поздовжніх та поперечних пружних хвиль крізь зразки та дистанція між п’єзодатчиками, які встановлено на зразках вугілля.

Висновок про викидонебезпечність ПЕОМ віщає у вигляді розлечатки.

Для перевірки надійності розробленого способу прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів були проведені промислові випробуванім на ЗО загрожуючих та б безпечних пластах п’яти виробничих об’єднань.

При оцінці викидонебезпечності загрояфоочих пластів з ЗО пластів 20 віднесено до загрожуючих пластів та 10 вугільних пластів - до безпечних. З б досліджених безпечних шахтопластів по розробленому способу оцінки викидонебезпечності вугільних пластів, усі шахтошіасти віднесено до категорії викидобезпечних.

Проведені промислові випробування підтвердили надійність розробленого способу прогнозу.

Виконаним аналізом техніко-економічної ефективності встановлено, що очікуваний економічний ефект за рахунок використання розробленого способу становить більш 400 млн. крб. за рік /1993 р./ для одного шахтопласта.

Розроблений спосіб захищено патентом України на винахід.

Висновки

В дисертації дано нове рішення актуальної науково-технічної задачі, яка полягає в встановлені різниці та властивостей деформаційних характеристик вшшдонебезпечішх та викидобезпечних вугільних пластів від ступеня їх метаморфізму для обгрунтовування способу оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних шахтопластів.

Основні висновки, наукові та практичні результати досліджень полягають у наступному:

1. Удосконалена установка для реалізації розробленого способу, яка дозволяє визначити розміри вугільного зразку, часу проходження ультразвукових хвиль крізь зразок та ПЕОМ, що дозволяє провести визначення деформаційних характеристик на зразках неправильної форми.

2. Розроблено нову методику та програму визначення деформаційних характеристик вугільних пластів динамічним способом на зразках неправильної форми, що дозволило забезпечити массове визначення деформаційних характеристик вугілля.

3. Обгрунтовано залежність деформаційних характеристик (модуль зрушення та модуль пружності) викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів від ступеня метаморфізму вугілля, внаслідок чого при дослідженні різниці деформаційних якостей викидонебезпечних та викидобезпечних вугільних пластів сопоставлялися деформаційні характеристики вугілля одного ступеня метаморфізму,

4. Встановлено, що викидонебезпечні вугільні пласти в викидонебезпечних зонах суттєво відрізняються від викидобезпечних пластів з деформаційних характеристик і цю різницю було покладено в основу розробленого способу.

5. Визначені границі для викидонебезпечних та викидобезпечних значень модулю пружності, за якими встановлено їх крігтеріальні значення для небезпечних та безпечних вугільних пластів.

6. Встановлено залежність глибини зони газового вивітрення від ступеня метаморфізму вугілля та характер розташування границі зони газового вивітрення співпадає з розташуванням мінімальної глибини викидів, що вказує вплив газоносності на вйкидонебезпечність вугільних пластів.

7. Обгрунтовані показники викидонебезпечності вугільних пластів та встановлено їх критеріальні значення:, що дозволило розробити спосіб оцінки ступеня викидонебезпечності.

8. Створено спосіб оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів, який основано на визначенні та зіставленні ступені метаморфізму вугілля, припущеної глибини ведення робіт та деформаційних характеристик вугілля з їх критеріальними значеннями. Спосіб захищено патентом України (1789032).

Проведені промислові опробувашія дозволили підтвердити надійність розробленого способу оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів.

Очікуемий економічний ефект за рахунок використання розробленого способу становить більш 400 мли. крб. за рік /1993 р./ для одного шахтопласта.

Міжвідомчою комісією та Центральною комісією з боротьби із викидами спосіб рекомендовано до впровадження. Спосіб оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів впроваджено на шахтах ім. А.Г. Стаханова, ВО “Красноармійськвугілля” та “Кіровська”, ВО “Жовтеньвугілля”.

Для забезпечення широкого вживання способу оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів розроблено та затверджено “Руководство по оценке степени выбросоопасности угольных пластов по динамическим и структурнохимическим характеристикам”.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних роботах:

1 .Формос В.Ф. Оценка выбросоопасности угрожаемых угольных пластов // Уголь Украины,- 1998.- №6.- С.36-37.

2.Формос В.Ф. Способ определения выбросоопасности угрожающих угольных пластов // Извести* Донецкого горного института.- 1998.- №1.- С.79-80.

3.Формос В.Ф. Исследование физико-механических и газодинамических свойств выбросоопасных и невыбросоопасных угольных пластов,- В кн.: Совершенствование технологии строительства горных предприятий: Сб. научных трудов / Под общ. ред. Болышшского М.И., Колесова П.О..- Донецк: ЦБНТИ, 1992 - С. 89-90.

4. Формос В.Ф. Анализ способов прогноза выбросоопасности угольных пластов.-В кн.: Совершенствование технологии строительства горных предприятий: Сб. научных трудов / Под общ. ред. Болылинского М.И., Колесова П.О..- Донецк: ЦБНТИ, 1992.- С. 93-95.

5. Большинский М.И., Формос В.Ф., Бакштейн Л.А. и др. Оценка выбросоопасности угольных пластов по их деформационным характеристикам // Уголь.-1991,-№7,-С. 56-58.

6. Большинский М.И., Формос В.Ф., Ванштейн С.Л. Способ оценки выбросоопасности угольных пластов // Сб., научных трудов кафедры: Строительство шахт и подземных сооружений.- Донецк: ДЛИ, 1991,- С.26-28.

7. Патент 1789032 (ДПИ) Кл.4 Е 21 F 5/00 Способ прогноза выбросоопасности угольных пластов / М.И Большинский , Б.АЛысиков, А.В.Першин, С.В.Борщевский, В.Ф.Формос, № 4898747/03 Заявлено 02.01.91 ; Опубл. 15.01.93. Бюл. № 2.

Особистий внесок дисертанта в публікаціях:

[5] - розроблено методику визначення деформаційних характеристик вугільних пластів динамічним способом на зразках невірної форми.

[6] - визначено межі для викидонебезпечних та викидобезпечних значень модулей пружності на основі яких встановлено їх критеріальні значення для небезпечних та безпечних вугільних пластів.

[7] - встановлено різницю викидонебезпечних вугільних пластів у безпечних зонах від викидобезпечних пластів по деформаційним хараісгеристикам.

АНОТАЦІЯ

Формос В. Ф. Розробка способу оцінки щодо гірничо-геологічних та деформаційних характеристик ступеня викидонебезпечності загрожуючих вугільних шахтопластів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - охорона праці. Донецький державний технічний університет, Донецьк, 1998 р.

Захищається дисертаційна робота, яка містить результати вивчення гірничо-геологічних умов, дослідження фізико-механічшк та газодінамічних властивостей вугільних пластів, визначено показішкі та їх крітеріальні значення, характеризуючі викидонебезпечність, розроблено спосіб оцінки ступеню викидонебезпечності загрожуючих вугільних шахтопластів.

Розроблений спосіб основано на визначенні та зіставленні із крітеріальними значеннями ступеня метаморфізму вугілля, значенням гірничого тиску та газоносності вугільного пласту (припустимої глибини ведення гірничих робот) та деформаційних характеристик вугілля. Здійснені промислові опробовування результатів роботи. Проізведено техніко-економічний аналіз розроблених заходів. Спосіб захищено патентом України.

Для забезпечення широкого впровадження способу підготовлено та затверджено “Керівництво по оцінки ступеня викидонебезпечності вугільних пластів по динамічшім та структурно-химічним характеристикам ”.

Ключові слова: раптовий викид, загрожуючий пласт, прогноз, ступень

викидонебезпечності.

АННОТАЦИЯ

Формос В.Ф. Разработка способа оценки по горно-геологическим и деформационным характеристикам степени выбросоопасности угрожаемых угольных шахтопластов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - охрана труда. Донецкий государственный технический университет, Донецк, 1998 г.

Защищается диссертационная работа, в которой содержатся результаты изучения горно-геологических условий, исследования физико-механических и газодинамических свойств угольных пластов, определены показатели и их критериальные значения, характеризующие выбросоопасность, разработан способ оценки степени выбросоопасности угрожаемых угольных шахтопластов.

Разработанный способ основан на определении и сопоставлении с критериальными значениями степени метаморфизма угля, величины горного давления и газоносности угольного пласта (предполагаемой глубины ведения горных работ) и деформационных характеристик угля. Осуществлены промышленные испытания результатов работы. Произведен технико-экономический анализ разработанных мероприятий. Способ защищен патентом Украины.

Для обеспечения широкого внедрения способа подготовлено и утверждено “Руководство по оценке степени выбросоопасности угольных пластов по динамическим и структурно-химическим характеристикам”.

Ключевые слова: внезапный выброс, угрожаемый пласт, прогноз, степень выбросоопасности.

ABCTRACT

Valeri F. Forraos. Work out the appreciation strand degree method of the minatory coal mineseams on their mining - geological and deformation characteristics. The manuscript.

Thesis for a technical sciences candidate s degree on speciality 05.26.01.- protection of labour, The Donetsk State Technical University, Donetsk, 1998.

The thsis in which results studying of mining-geological conditions, research of physical and mechanical, gas-dynamical characteristics of coal seams, determined exponents and their criterian meanings, worked out the appreciation strand degree method for minatory coal mineseams is defended.

This method based on determining and comparing the grade of coal alteration with criterian meanings, the size of mining pressure and coat seams gassing (supposing depth of mining) and deformation characteristics of coal. There were realized the industrial tests of work results, there were executed the technical and economic analysis of elaborate measures. Method is defended by patent of Ukrane.

For providing wide introduction off this method “Instruction on appreciation of coal seams strand degree on deformation and chemical and structural characteristics ” was prepaired and confirmed.

Key words: unexpected outburst, outburst-prone seam, prognosis, outburst danger degree.

Подп.к печати 30.07.98г. Формат 60X84 1/16 Бумага Maestro.

Ризографическая печать. Уел. печ. л. 1,0 Уел. кр.-отг. 0,96.

Уч. из. л 0,92 Тираж 60 экз. Заказ №102.

Донецкий государственный технический университет

Г ориый институт 340000, г. Донецк, Артема, 58