автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование способа прогноза выбросоопасности угольных пластов в месте вскрытия на основе учета параметров молекулярной структуры органического вещества углей

ГГ1; ОД

2 Г ['.Ш Г]о/. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

и ' Макеевский научно-исследовательский

институт

по безопасности работ в горной промышленности МакНИИ

На правах рукописи МАЛОВА Галина Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В МЕСТЕ ВСКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ПАРАМЕТРОВ

МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА УГЛЕ)!

05.28.01—„Охрана труда и пожарная безопасность".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка — Донбасс 19 94

' Работе выполнено в Государственном Макеевском научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ЧакНЙИ).

Научный руководитель канд'. техн. наук, с.н.с. iPOJIKOD Г.Д.

Официальные оппонента:

локт. техн. наук, проф. НИКОЛИН В.К. канд. техн. наук КАЛЬЯНЦ A.C.

Зед.уиее предприятие - производственное объединение по добыче угля "Лртемуголь".

Зашита диссертации состоится 1994 г.

в-_ ■ час, на заседании специализированного совета

K-I35.08.CI в-Государственном Макеевском научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (339008, Макеевка, Донецк»« обл., ул.Лихачева, 60)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института..

Автореферат разослан «б»« Д 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

■канд. техн; наук. ПРИХОДЬКО В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Явление внезапных выбросов угля и газа сопровождает горные работы, связанные со вскрытием угольных пластов полевыми выработками, с проведением подготовительных пластовых выработок и ведением очистных, работ. Выбросоо-пасность.угольных пластов существенно снижает экономические показатели шахт и опасна для жизни горняков. Проявляется она практически во всех угольных месторождениях мира и известна ученым и практикам более 15и лет. По оценкам специалистов с 1 начала нынешнего столетия на шахтах мира произошло около 4и тысяч выбросов угля и газа, причем 50 % этого количества при- ' ходится на шахты Украины, Россини и Китая. Если рассматривать статистические данные о проявлении выбросоопасности на шахтах Украины й' России, то можно увидеть, что более 90 % выбросов приходится на шахты Донбасса.

Явление внезапных выбросов остается объектом пристального внимания ученых угледобывающих стран, однако трактовка природы и механизма внезапных выбросов до настоящего времени •остается на уровне гипотез. Прямым следствием неполноты знаний о природе выбросов является недостаточная эффективность как способов прогноза на всех этапах освоения угольных месторождений, так и противовыбросных мероприятий.

Общепринятым является тезис акад. А.А.Скочинского, согласно которому три фактора в совокупности определяют выбро-соопасность угольных пластов - горнов давление, заключенный в угле газ и физико-механические свойства, т.е. параметры,, отражающие соотношения макромира. Однако с позиций указанной гипотезы не удается объяснить такие принципиально сраные

для познания природы выбросов факты как зональность выбросо-опасности, своеобразную связь мест выбросов с геологическими нарушениями и, наконец, связь выбросоопасности с метаморфизмом углей, последняя гипотезой вообще не учитывается.

Рассматривая преобразования органо-минвральной массы углей при метаморфизме как фундаментальную тенденцию упрощения химического состава и структуры углерод-водородных связей, обусловливающую изменение всех свойств углей, в том числе и выбросоопасности, мы пришли к выводу о том, что для построения непротиворечивой физической концепции явления выбросов угля и газа и разработки на её основе эффективных способов прогноза выбросоопасности угольных пластов различной степени метаморфизма необходим комплексный уч«т параметров, отражающих соотношения матеро- и микромира.

Целью работы является установление1 закономерностей изменения химического состава й структуры органической массы угля (ОМУ) в выбросоопасных зонах на пластах, представленных углями различной степени метаморфизма, для разработки параметров и методики способа прогноза.выбросоопасности угольных пластов в месте их вскрытия.

Идея работы заключается в оценке выбросоопасности угольного. пласта в месте вскрытия по концентрации парамагнитных ■ центров (ПМЦ), характеризующих меру дефектности атомно-моле-кулярных связей ОДО различной степени метаморфизма, регистрируемых методом электронного парамагнитного резонанса (ЗПР).

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы осуществлен комплекс шахтных и лабораторных экспериментов. В горных выработках тахт Доивцкого бассейна отбирались

пробы угля. При этом учитывались: различив в категории выбро-соопасности, зональность выбросоопасности, выбросоопасность пачек, степень метаморфизма угля. Пробы угля отбирались на глубинах и при газоносности, достаточных для проявления выбросоопасности.

Лабораторные исследования велись методами ЭПР- и ИК-спе-ктроскопии, рентгеноструктурного, элементного и технического анализов, а также методом термо- и механодеструкции.

Результаты измерений обрабатывались на персональных компьютерах методами математической статистики по стандартным программам и сопоставлялись с фактическим проявлением выбросоопасности при проведении выработок сотрясательным взрыванием.

Основные научные положения, выносимые на защиту и их новизна.

Впервые установлено, что:

- для ОМУ выбросоопасных зон характерно ослабление внутримолекулярных мети леновых -СН>)- и кислородметиленовых -С^-О-мостиковых связей, а также меж»олекулярных. связей по механизму электронодонорно-акцепторных (ЭДА) взаимодействий;

- деформация и разрыв указанных связей сопровождается повышением дефектности атомно-молекулярных связей и, в частности, образование» свободных радикалов, регистрируемых методом ЭПР в форме парамагнитных центров (ПМЦ);

- ОМУ в местах выбросов угля и газа характеризуется наибольшей дефектностью атомно-молекулярных связей и в.силу этого высокой концентрацией ПМЦ и уширенной линией ЭГТ, зависящих от степени метаморфизма угля;

- на основании назтнных положений предложен критерий для

прогноза выбросоопасных зон методом ЭПР спектроскопии с учетом выхода летучих веществ;

- для ОМУ выбросоопасных зон по сравнению с неопасными зонами характерна более высокая скорость газовыделения при терыодеструкции, обусловленная пониженной прочностью и повышенной дефектностью атомно-молекулярных связей, позволяющая рассматривать величину скорости нарастания давления в колбе с углем при ее нагревании как показатель выбросоопасности.

Достоверность научных положений, выводов и •рекомендаций подтверждается обоснованностью научных предпосылок и взаимообязанностью результатов комплекса физико-химических методов исследования углей (Щ- и ЗПР-спектроскопия, рентгеноструктур-ный анализ, элементный и. технический анализ, метод термодбст-рукцки), каЖдйй из которых дает избирательную и аффективную оценку состояния фрагментов микроструктуры углей; сходимостью результатов лабор'аторных и шахтных зкспериментов по прогнозу выбросоопасности зон и фактическому проявлению выбросоопасности.

Научное значение работы:

- обнаружено и впервые исследовано комплексом физико-химических методов состояние механохимической активации ОМУ в выбросоопасных зонах, выступавшее как микроструктурный фактор выбросоопасности, предопределяющий существенное понижение порога энергетического воздействия механический сил

. на угольный пласт и возникновение внезапного выброса;

- установлена возможность повышения достоверности прогноза выбросоопасности за счет измерения параметров атомно-молекулярной структуры углей. ,

Практическое значение работы состоит в разработке нового критерия для выявления выбросоопасных зон на выбросоопас-ных шахтопластах методом УПР спектроскопии с учетом степени метаморфизма углей и использования итого критерия для совершенствования способа прогноза выбросоопасности шахтопласта в месте вскрытия.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанный "Способ прогноза выбросоопасности шахтопластов по концентрации в угле парамагнитных центров (П.МЦ) с учетом степени метамор-' физма в месте вскрытия" рекомендован Секцией Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа" по Донецкому бассейну (протокол от 16.12.92 г. № 85) для промышленных испытаний на шахтах Центрального района Донбасса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на ученом совете МакНИИ (г.Макеевка, 1987 г.), на Рабочем совещании по обсуждению и выработке единой методики выполнения измерений концентрации парамагнитных центров (ПМЦ) в углях с помощью малогабаритных УПР-спектрометров .(г.Артемовен, 1988 г.), на научно-техническом совета Отдела внезапных выбросов угля, породы и газа МакШИ (г.Макеевка, 1992 г.), на семинарах научно-технической программы "Уголь-выброс" Северо-Кавказского научного центра Высшей школы (г.Рог?ов-на-Дону, 19У1-1993 г.), на Всесоюзной конференции "Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых" (г.Львов, 1991 г.), на Секции Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа (г.Донецк,. 1992 г.).

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит

из введения, 4 глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы из 127 наименований, 27 рисунков, 14 таблиц и 2 приложений.

Публикации. Результаты исследований автора изложены в 9 публикациях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования и необходимость углубленного изучения взаимосвязи параметров микроструктуры углей с выбросоопасностью угольных пластов с целью повышения эффективности способов прогноза последней.

Первая глава является обзорной. В разделе 1.1 сообщаются современные представления о природе и механизме внезапных выбросов', дается критика существующих гипотез, делается вывод о том, что практически все гипотезы являются феноменологическими, рассматривают явление на макроуровне и с позиций существующих гипотез невозможно объяснить принципиально важные факты, установленные на основании длительного опыта разработки угольных пластов во всех странах мира: зональность выбросоо-пасности; связь зон выбросов с геологической нарушенностью плартов; превышение, иногда на порядок, относительным газовы-• делением (м / т с.б.м.) при выбросах природной газоносности пласта.; связь выбросоопасности с метаморфизмом углей. В разделе 1.2 приводятся современные представления о молекулярной структура природных углей и ее взаимосвязи с выбросоопасностью.'

Делается выврд о том, что совершенствование технических рзшэний, в части прогноза выбросоопасности и борьбы с выброеа-. ми, возможно на базе пересмотра представлений на природу и мз-. ханизм явления выбросов, опирающихся как на известные закона-

мерности, отражающие зависимость выбросоопасности от макропараметров (горное давление, заключенный в угле газ, физико-механические свойства), так и зависимость от микропараметров, отражавших особенности структурно-химической организации углей.

Стайится задача обосновать и экспериментально проверить эффективность использования структурно-химических параметров ОМУ для прогноза выбросоопасности пластов с учетом степени метаморфизма углей и разработать рекомендации по совершенствованию существующего нормативного способа прогноза выбросоопас-.' ности в месте вскрытия.

Во второй главе решены вопросы методические. В разделе. 2.1 выбраны объекты исследования - угольные выбросоопасные шахтопласты на участках выбросоопасных зон, т.е. участках, где фактически имели место внезапные выбросы;, угольные выбросоо-пасныэ шахтопласты на участках, где выбросы не происходили -неопасные зоны; угольные шахтопласты на которых выбросы никогда не происходили -неопасные шахтопласты. :

При выборе объектов исследования исходили из того, что долбан быть представлен по возможности более полно ряд метаморфизма углей от газовых до антрацитов. Кроме того учитывалась зависимость критической глубины выбросоопасности' и критической газоносности шахтопластов от степени метаморфизма -образцы углей для исследования отбирались на глубинах и при газоносности достаточных для проявлз) , выбросоопасности. Пробы угля отбирались с учетом пачечного строения пласта. Пробы доставлялись в лабораторию в полиэтиленовых, ампу 'чх. В разделе 2.2 изложена методика исследования углей методом ИК-спект-

роскопии. Указывается, что при исследовании углей применен метод базовой линии. ИК-спектры снимались на спектрофотометре " Specoid " по методу таблвтирования с КВг при концентрации образца в таблетке 5 %. В разделе 2.3 изложена методика исследования углей методом ЭПР. Показано, что сигнал ЭПР в углях является суперпозицией двух сигналов - узкого ( дН = 1-3 Гс) и широкого ( л Н = 5-8 Гс), которые по разному насыщаются UB4 мощностью. -Эффекты насыщения искажают сигналы аПР углей и эти искажения тем значительнее, чем больше" спектр аПР углей определяется широкой составляющей. Так как выбросоопас-ные пласты, являющиеся объектом нашего исследования, в значительной степени представлены углями марок Г, К, ОС при измерении концентрации ПЩ и ширины линии нами был принят уровень СВЧ мощности в резонаторе равный 5-7 мВт, практически не вызывающий искажений чувствительной к насыщению широкой компоненты сигнала, преобладающей в углях указанных марок. Спектры ЬПР получали на малогабаритном ЭПР-спектрометре "Минск-12м" 3 см диапазона и на 8 мм радиоспектрометре Pü-I3u8. Относительная погрешность в определении концентрации ПМЦ составила 3,и %. В качестве эталона использовали стандартный угольный . образец для количественных измерений в УПР-спектроскопии, изготовленный и тарированный во ВНИИФТРИ.

В разделе 2.4 изложена методика исследования углей методом рентгеноструктурного анализа (PUA). Исследования проведены на дифрактометре общего назначения "Дрон-I" с трубкой ЕОВ-9 на отфильтрованном медном излучении. Приведены условия дифрактомэтрической записи образцов угля: режимы щели на гониометре 1,и; и,5; и,5; скорость счетчика 4 о/иин, скорость

ленты самописца бии мм/час, постоянная интегрирования на ин-тенсиметре 8 с. Анализировались параметры: межплоскостноэ расстояние ( с!^), средний размер углеродных слоев ( толщина ароматического пакета ( Ьс ), степень структурной.

упорядоченности ( 00 -).

_ О 002

13 третьей главе, изложены результаты комплексных физико-химических исследований углей различной степени выбросоопас-ности и различной степени метаморфизма. В разделе 3.1 приводятся результаты исследования углей методом ИК-спектроскопии. Проанализированы литературные данные по отнесении характерных полос ИК-поглощения природных углей. На этом основании детально рассмотрен характер изменений ИК-поглощения углей по маре приближения к выбросоопасным участкам пласта, при пересечении мест выбросов и удалении от них, т.е. изучались преобразования микроструктуры иМУ в выбросоопасных зонах. В качестве примера приведены результаты анализа углей опасной зоны, в которой произошли три выброса угля и газа (табл.1).

I

Установлено, что в выбросоопасных зонах пластов наиболее существенные изменения претерпевают полосы поглощения в об- •' ластях Жи, Н86и, 144и, 141и, 138и, 1Иби, 118и см"1, соотвеТ-':' ствуюшие валэнтным и деформационным колебаниям мостиковых мз- ■ тиленовых , кислородметиленовых СН^-и и полисопряженных

связей. По мере приближение к полостям выбросов интенсивность этих полос уменьшается, что указывает на ослабление мостиковых внутримолекулярных связей. Аналогично ведет себя полоса И96о см-*, соответствующая ассиметричным валентный колебаниям связей С-Н метильных групп -СН3, что указывает на деструкцию этих связей и отрыв группы от углеводородного ске-

Оптическая плотность основных полос поглошоияя в ИК-егвгтрах углей яыйросоопасгек »он пл. т."Центральная* ЛО "1у®>ауто*ь"

Тайппза I

Раостон-!

Нив '

ТетгчкческяЙ анализ

" Условное псглопениа для полос,' су'

,-Т

1>3050

"Л гтрвКЕ, V г уаа' I ' % А ' , г ! . V/6 ? ' ! 3430 ,! 3050 ; 2960 | 2920 ! 2660 ] 1500 1440 1380 1410 } 1180 1260 908 610 ■"2920

С 19,1 2,3 2,0 836 248 .307 175 758 262 ез 66 518 490 ЛО . зы

I " 24,5 14,6 1,8 ея 149 300 369 214 776 333 ¿28 - 455 474' 16В 178 4,08

2 23,7 13,С 1,£. £13 109 217 274 154 ' 735 ' 479 60 49' 466 410- 375 4С1 3,98

3 ■ 22.6 2С,2 ■ 1,6. 843 140 239 ' - 152 727 289 72 53 473 434 357 304 ' 4,54

4*' 24,6 25,4 1,8 '648 128 241 ' 295 196 - . . 264 100 63 314 424 342 203 4,34

5 21,е 16,6. .1,3 737 128 210 340 204 745. 300 61 Е9 506 100 318 3,75

6 23,6 23,1 1.9 843 127 265 322 192 . 738 3X1 76 51 364 400 375 306 3,94

7 Я,8 9,0 1,3 805 168 312 388 . 244 7ЕЗ 358 91 I® 332 557 149 148 4,33

8 22,6 13,2 1,5 622 ' 128 261 333 212 7Э2 333 БЗ 56 337 480 65 178 3,84

9 24,5 26,2' 2,0 72° , 167 ■ 232 416 243 . 732 ЗЭ6 131 63 500 407 370 325 4,01

ГО 22,5 2 0,4 1.5 533 133 300 355 214 746 354 85 60 416 427 318 230 3,72

II 24,5 25,6 1,6 805 157 300 370 232 '745' 353 - - . - 434 270 234 -

12 24,0 25,4 1,3 755 129 24-0 343 200' 706 336 75 107 20. 396 324 227 2,7а

13 24,0 ' 27,1 1,7 £33 118 257 300 175 738 • 288 49 52 420 410 373 273 3,93

14 22,1 17,4 1,4 807 172 341 - - - - - - - - - 4,25

15* 20,3 9,2 1,6 805 192 • 162 247 127 . 754 279 70 56 юо 441 190 яо 7,77

16 21,0 14,7 1,1 806 147 310 358 232 797 306 III 101 205 514 292 220 4,11

17 21,9 17,3 1,4 еэз 137 317 397 227 757 321 85 , 78 223 456 341 234 3,45

:ь 22,3 5,9" 3,0 709 137 286 357 231 875 320 ■ 129' 58 500 579 167 165 3,73

19 20,9 7,4 2,1 822 163 334 400 250 800 333 ИВ 85 242 487 136 235 4,07

20 19,5 6,3 1,5 714 139 272 324 195 6ЭЗ 2б£ •79 - 157 428 136 135 4,29

а 20 2 14,2 1,3 618 160 - - ' - 789 277 - - - - - - .

22ч - 23,2 23,Е 1,5 725 119 .261 30? 177 660 - 74 82 230 333 345 237 3,85

;1р;шачагот9

лета. Характер указанных изменений показан на примере полосы 2У20 см-1 (рис.1).

С приближением к полостям выбросов увеличиваемся отношение поглощения полосы Зи5и см~*( которая обусловлена валентными колебаниями ненасыщенных С-Н связей, и, в частности, ароматических, к поглощению полосы 292и см-*( 1) • Повышение в структуре доли ароматического углерода, как это отмечается в ряде углехимичэских работ, существенно изменяет прочность мостиковых связей - она понижается при замене алифатического углерода в концевых группах на ароматический. Наши эксперименты по измерению скорости термической деструкции ( Ец. ) хорошо согласуются со спектральными данными, подтверждая сказанное. В раздела 3.3 исследована взаимосвязь скорости термодеструкции с отношением Б 3^5^/ -^292и' У1"а!ЮВЛв-на надежная взаимосвязь между указанными параметрами и показано, что эта связь описывается уравнением регрессии

V 122 е°',65ТП~о ' . (1)

Значение скорости термодеструкции существенно увеличивается при приближений к опасной зоне'и на этом основании может быть использовано в качестве показателя выбросоопасности.

Одной из наиболее интенсивных полос в спектрах исследованных углей является полоса с максимумом при 1бии см-*, которая имеет сложную интерпритацию, но ее интенсивность связывается, в частности, с различными формами кислорода в углях: в хингидронннх структурах с водородными с'влзямй и в карбонильных группах, обусловливавшими ЭДА взаимодействия. Эксперименты показали, что интенсивность полосы 16ш см * существен-

-Рис.1. Изменение величины условного поглощения полосы 2920 см~* ИК-поглощения в углях при пересечении ЕыработкоЙ реет выбросов ( ).

но изменяется в пределах выбросоопасной зоны - она увеличивается на участках пласта между полостями выброоов и уменьшается вблизи полостей, что указывает на ослабление связи по механизму ЭДЛ-взаимодейотвий. Макроскопически это прлявляетоя такие в увеличении скорости термодеструкции ( В4), о чом свидетельствует наличие надежной обратной связи последней о интенсивностью полосы 1600 см"-1- по уравнению рвгрессшт

V- (2) .

На ускоренный темп потери кислорода углями выбросоопас-ншс зон указывают результаты элементного анализа углей, при--' веденные в раздэле 3.2.

Для углей внбросоопасных зон зависимость меаду атомными отношениями кислорода к углероду н в°Д°Р°Да к углеро-

ду (-с )аг, описывается уравнением

(з>

Для невыбросоопасних пластов эта связь смеет вид

Характер этих зависимостей представлен на рис.2.

В'разделе 3.3 показано, что процессы деструкции мостико-вых связей в углях выбросоопасиих зон протекает по свободно-рацикальному механизму с образованием неспарэнных электронов. На это указывает наличие тесной корреляционной§связи между интенсивностью полос ИК-погяощения -С^-» -СН^-О- групп и концентрацией парамагнитных центров. Например, зависнуть интенсивности полосы 1440 см-1 ( ^£440) < характерной для деформа-

Рис.2. Зависимость между атомными отношениями кислорода к. углероду ( £ )ат и водорода к углеролу ^ С ^ат в Угдях неопасных пластов (кривая I) и йыбросоопасных зон (кривая.2).

ционных колебаний С-Н связей метиленовых групп, с концентрацией ПМЦ ( N ) имеет вид

N = 266,36 -i, 27D(Wo + 0,00l8D^a . (5)

Связь имеет обратный характер, т.е. уменьшение интенсивности полосы 1440 см""*, происходящее вследствие разрыва кисло-родметиленовых и метиленовых мостиков, сопровождается генерацией свободных радикалов.

На деструктивный характер процессов в углях о пасюк зон указывает также обратный характер связи между шириной линии ЭГ1Р ( а 1!, Гс) и интенсивностью ИК-поглощения в области валентных колебаний Ct^- групп, например, полосы 2860 см-* (^£860)

< д Н = 5 - 0,002 Dmo , Гс ( 6 )

Физический смысл установленной зависимости, объяснен как результат уменьшения размороааНолйсопряжения при деструкции ненасыщенных связей в структура и уменьшения доли вклада в общий сигнал ШР углей узкой компоненты ( д Н - 1-3 Гс), что подтверждается увеличением эффективного значения (J - фактора.

Утот вывод подтверждается также результатами исследования углей методом РСА, приведенными в разделе 3.4, указываю, тими на наличие преобразований в система ароматической конденсированной фазы как разновидности системы полисопряженных связей (Пси) в углях по мере приближения к местам выбросов, при которых: увеличивается межплоскостноэ расстояние толщина углеродного пакета Lc , уменьшается размер слоя Ьа , степень структурной упорядоченности - h002/¿002.

и другой стороны увеличение ширины линии является следствием большей неопределенности в »нергетическом состоянии ПМЦ, обусловленном увеличением неоднородности магнитного окружения локализованных: неспаренных илвлцюнов при деструкции связей.

В четвертой главе исследуются парамагнитные свойства углей различной степени выбросоопасности на участке шкалы метаморфизма, характеризуемом = 40,0-4,5 Известно, что сигнал ЭПР в углях является суперпозицией сигналов двух типов: широкого ( дН = 5-8 Гс), связанного с локализованными ПМЦ в алифатической части структуры угля, и узкого ( дН = 1-3 Гс), связанного с системой ПСС. В работе показано, что в опасных зонах доля широкого сигнала существенно увеличивается, что отражается в экстремальном изменении отношения амплитуд широкого ( Л ш) и узкого (' Л ) сигналов в ряду метаморфизма с максимумом вблизи 18-20 %, и выбросоопасность как фвой

йство в наибольшей степени коррелирует с концентрацией ПМЦ широкой составлявшей сигнала ЭПР. Характер изменения концентрации ПМЦ с широкой линией в ряду метеморфизма показан на рис.3. Благодаря большому количеству экспериментальных точек на Графике очень четко проявляется своеобразная зона - область в которую экспериментальные точки не попадают.' В область графика, находящуюся ни*о указанной зоны, попадают точки, характеризующие невыбросоопасные пласты. Статистическая обработка экспериментальных данных показывает, что зависимость концентрации ПМЦ от выхода летучих веществ для неопасных шахтоплас-тов апроксимируется сложной кривой с двумя максимумами и соответствует зависимости статистической вероятности выбросоопасности от степени метаморфизма угля. Исследования показали, что характер зависимости является результирующей сложения

Рис.3. Изменение парамагнитных параметров алифатических структур углей по ряду метаморфизма.

двух составляющих, отражающих (по проф. Н.Д.Русьяновой) смену типа внутри- и межмолекулярного взаимодействия: в области меньшей степени метаморфизма (' = 36-20.?) указанные взаимодействия осуществляются преимущественно с участием кислородсодержащих групп, а на участке шкалы метаморфизма ( » 20,0-4,5 %) возрастает роль ЭДАДГ-Я' взаимодействий.

Сложный вид кривой отражает конкурирующее взаимодействие двух независимых механизмов образования ПМЦ в органической массе углей невыбросоопасных пластов под воздействием факторов регионального метаморфизма (глубинное тепло, давление).

! При этом преобразования в структуре углей связаны с разрушением мостиковых структур, но последние идут по синхронному (согласованному) механизму, когда при разрыве одн:;х образуются другие связи и растет цепь сопряжения. Б этом случае концентрация ПМЦ увеличивается незначительно и парамагнетизм уг-' лей обусловливается делокализацией неспареннь-- ллсктронов по цепи системы сопряжения, сигнал ЭПР су?;аотся.. Экспериментальные данные подтверждают сказанное.

Наличие на графике незаполненной экспериментальными точками области указывает на наличие скачка в ходе метаморфических преобразований органической массы углей при формировании свойстга выбросоопасности. Выше указанной на графике области располагаются значения концентрации ПМЦ в,углях выбросоопаных пластов.и выбросоопасных зон, причем для последних характерны наибольшие значения концентрации. Многолетней практикой разработки выб£ .'соопасных пластов доказано, что выбросоопасные зоны совмещается а пространство с геологическими нарушениями, чащо плика7чва\;и, в которых механическая энергия тактоничес-

них сил передавалась угольным пластам в режиме сдвига под давлением, который в наибольшей степени стимулирует протекание в углях механохимических реакций деструкции атомно-молекуляр-ных связей. Результаты лабораторных экспериментов по обработке углей а режиме сдвига под давлением подтверждают сказанное, что иллюстрируется данными одного из экспериментов, приведенными в табл.2.

Таблица 2

Условное ИК-поглощение ( D )

Зи5и

2У2о

Вид механической обработки

Да обра- 28,23 6,99 74и 28и 364 245 653 421 212 677 233 и,769 ботки

Посла об-

раб)тки 28,85 9,68 634 159 432. 286 бии 471 215 639 15о 0,368 под давлением сдвигом на Би1

на Зои0 31,2и 14,22 5и4 85 23и 158 497 297 144 476 38 и,369

В таблице 3 приведены результаты шахтных экспериментов по воздействию механических напряжений на уголь в режиме сдвига под давлением с учетом естественной газонасышенности угольного пласта углеводородными газами. В данном случае рост компоненты давления соответствует увеличению глубины шпура, считая от груди забоя. Сдвиговая компонента оставалась постоянной и обусловливалась крутящим моментом и усилием подачи буро-

вого станка. Данные таблицы 3 показывают, что в первую очередь разрываются наименее прочные кислород-метиленовые связи, о чем свидетельствует закономерное и существенное уменьшение интенсивности полос Ю75 и 1035 см-^ по мере углубления шпура и роста напряжений. В местах разрыва связей образуются концевые свободные радикалы и концентрация ПМЦ широкого сигнала увеличивается в 2 раза, линия ЭПР уширяется. Деструкции подвергается и система полисопряженных связей, что спектроскопически подтверждается уменьшением концентрации ПМЦ узкого сигнала ЭПР. Обращает на себя внимание разная направлен; ность процессов в условиях лабораторного и шахтного экспериментов с углями одного и того же пласта: в условиях лаборатории, когда уголь насыщен атмосферным, воздухом, при механическом воздействии на угли метальные и-метиленовые группы разрушались, а в условиях, когда уголь в массиве насыщен углеводородными газами, преимущественно метаном, наблюдалась'генерация этих групп. ,

Важный вывод, вытекающий из результатов проведенных лабораторных и шахтных экспериментов на углях различной степе-1 ни метаморфизма состоит в том, что в углях выбросоопасных пластов, а в углях выбросоопасных зон особенно, под влиянием механических напряжений и деформаций сдвига под давлением тектонической природы нарушается процесс развития и совершенствования системы полисопряженных связей в упорядоченной и малодефектной структуре угольного вещества. Спектроскопически это проявляется в уширении сигнала ЭПР, особенно резко на участке шкалы метаморфизма, соответствующем = 20,0-12,0 % Методом :ШР в работе исследована система полисопряженных

-Таблица 3

Спектральные характеристики образцов углей пл. С3 и."Центральная" АО "Руковуголь", отобсанньг/ поинтервально при бурении шпура глубиной 7,0 «

Глубина апу-ра, »1 Парамагнитные характеристик-.' • т.л ОБНО ИК-пог-лошение ( О ) для полос,

Иишкий сигнал! Узкий сигнал; 0<';~ !0?ко-; п -1-,-1-1 юь- !тение; изш ■V, , ¡дН,и , кон-! а»п-._ _т „Т8! т, 1 -т „ТВ! г, 1 цент-' лктуд, игзго сп-г-Ю1 | Гс |Сп-Р-1Сг | Гс рш^я!^^ 3430 3050 2920 2860 1600 1 .! О 1 ю НЧ ) нч ! 1260 ю & НИ 1035 880

О

I 25,51 5,35 8,32 1,36 33,83 3,77

2 32,09 5,88 7,74 1,23 39,87 4,35

3 40,89 6,30 4,07 1,30 44,96 2,15

4 43,29 6,38 4,47 1,43 48,03 2,07

5 39,07 6,33 5,28 1,33 45,15 2,63

6 46,27 6,63 3,04 1,30 49,29 1,59

7 48,86 6,80 3,21 1,48 52,07 1,29

0,721 558 233 236 221 598 508 435 359 288 438 156 0,616 669 230 363 256 667 556 481 507 327 376 209 0,621 629 295 475 335 710 620 536 444 349 389 183 0,574 810 269 468 282 769 769 534 445 1 89 285 242 0,652 683 270 414 290 738 623 535 466 178 232 260 0,610 717 268 439 277 730 608 530 435 198 300 219 0,581 640 245 421 276 692 566 508 408 1 90 282 239 0,511 7И 275.538 313 752 644 551 442 171 241 252

связей в углях. Показано, что в углях имеется два типа узкого сигнала аПР: первый с шириной линии 1,2-1,8 Гс связан с пространственной системой полисопряжения, а второй с шириной линии 2,2-2,8 Гс связан с линейными системами полисопряжения, последние преобладают и концентрация ПМЦ связанная с ними в 5 раз и более превосходит концентрацию ПМЦ, обусловленную пространственной системой полисопряжения. Развитие системы полисопряжения является конечны/ этапом метамврфических преобразований углей и сопровождается потерей углями свойства выбросоопасности. Полной потере углями свойства выбросоопас-ности соответствует уменьшение ширины линии УПР до 2,8 Гс, когда парамагнетизм угля обусловлен только развитой системой полисопряжения, а широгмй сигнал УПР углей становится очень чувствительным к сорбции кислород' и на воздухе сильно подав-, ляется. .

Анализ изменения концентрации ПМЦ в углях по ряду метаморфизма, определенной на образцах без предварительного ваку-умирования (на воздухе) показывает, что наибольших значений концентрация ПМЦ достигает в образцах угля, отобранных непосредственно на кромках полостей выбросов и в крупных фракциях (более 5 мм) из откосов выброшенной массы угля. В углях не-выбросоопасных пластов концентрация ПМЦ имеет минимальные значения во всем ряду метаморфизма.

Функция распределения концентрации ПМЦ ( N ) в углях нэвыбросоопзсных пластов и в углях выбросоопасных зон аппроксимируется полиномом второй степени вида.

N =10* , сп г'ЧО"'8 ( 7 )

где и - показатель степени, расчитываемый как функция от

о

выхода летучих веществ ( , %), определяемого для конкретной пробы угля.

Для углей невыброг -тпасных пластов показатель степени вычисляется по формулам

^2,53-0,05 0,000(при 20-40%) уИИ|2б*0,т'УЙа.,-0,0045(У,1а»)11(пр«^1в^4>5-20%/ 8 5

Для углей выбросоопасных зон вычисляется по формулам

Ц^З^-О.ЯУ^+0,0018^)] (при у"а^20-40%) 1,82+0,02 0,001 (У*0*)2, ( при УЙаМ,5-20%)

«ОСНОВНЫЕ НЛУЧН0-ТЕХНИЧЕШ1Е РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружено и впервые исследовано комплексом физико-химических методов в углях ряда метаморфизма состояние меха-нохимической активации, предопределяющее существенное понижение порога .жергетического'воздействия механических сил (например, сил горного давления), выступающих в роли внешнего про-ьоцнруюшего фактора, для стимулирования процессов деструкции внутри- И - межмолекулярных связей органической массы углей, вносящих свой вклад в развитие внезапного выброса угля и газа.

2. Состояние механохимицеской активации в углях выбросоопасных зон создается в результате воздействия на органоминз-ральную массу углей, сформировавшихся в условиях регионального метаморфизма, механических силовых полей тектонической природы и заключается:

- в ослаблении внутримолекулярных связей вследствие разрыва мостиковых метиленовых -СН^-, кислородметиленовых -(Л^-О-

н полисопряжонных -С=С-С- связей, что спектроскопически проявляется в уменьшении интенсивности полос 2960, 2у20, 2860, 1440, Т380, 1260, 1180 см-1 ИК-поглощения;

- в повышении реакционноспособности мостиковых связей влиянием концевых ароматических фрагментов, которыми обога-шается ОМУ в механохимических реакциях при формировании выб-росооласных зон, что спектроскопически проявляется а увеличения отношения интенсивности полос 3050 и 2920 см~* ИК-погло-юения;

- а ослаблении межмолекулярных связей по механизму ЭДА-взаимодействий, при этом: в диапазоне выхода летучих веществ 20,0-40,0 % ослабление связей происходит преимущественно вследствие ускоренного разрушения кислородсодержащих групп, а в диапазоне 20,0-5,0 % - в связи с разрушением системы полисопряженных связей н $-3Г взаимодействий;

- в резком повышении концентрации свободных радикалов в ОМУ« способных стимулировать развитие цепной реакции механо-химической деструкции, что спектроскопически проявляется в увеличении эффективного значения С| - фактора;

- в углях выбросоопасных пластов, а в углях выбросоопас-ных зон особенно, под влиянием механических напряжений я деформаций сдвига под давлением тектонической природы нарушьет-"•* процесс развг ! и совершенствования системы полисопрляо-ния связей в упорядоченной н малодефектной структуре угольного вещества, что спектроскопически проявляется в уиирении сигнала ЭП? и увеличении концентрации ГО,ЯД, особенно розком на участке шкалы метаморфизма , соответствующем 20,0-12,0 %.

3. Впервые установлено, что состояние мехякохимической

активации выступает в роли фактора выбросоопасности, обусловливающего процессы, протекающие в угольных пластах при внезапных выбросах угля и газа на уровне межатомных связей, с учетом которых открывается возможность завершить построение непротиворечивой .физической модели явления.

4. Установлено, что искажающее влияние эффектов насыще-. ния зависит не только от уровня микроволновой мощности, но и от доли вклада узкой и широкой составляющих в сигнал ЭПР на воздухе, от положения ОМУ на шкале метаморфизма в общем случае. Уровень микроволновой мощности, который не оказывает существенного влияния на параметры, спектра ЭПР углей, составляет 5-7 мВт.

Установлено, что ОМУ в выбросоопасных зонах пластов характеризуется наибольшей дефектностью атомно-молекулярной структуры и в силу этого высокой концентрацией ПМЦ. На этом основании предложен вид критерия для выявления выбросоопас-т ных зон на шахтопластах с учетом степени метаморфизма углей на базе аПР спектроскопии..

£. Предложены и защищены авторскими свидетельствами принципиально новые методы пргнозирования выбросоопасности угольных пластов в месте их вскрытия на базе ЭПР спектроскопии.

7. Разработанный способ прогноза выбросоопасности шах-топластов по концентрации в угле парамагнитных центров с учетом степени метаморфизма в месте вскрытия находится в стадии опытно-промышленной проверки.

Содержание работы отражено в следующих публикациях.

1. Фрйлков Г.Д., Свеколкин Н.В., Беликова Н.В., Ыалова Г.В., Дони В.А. Взаимосвязь йодного показателя и структурно-химических особенностей органической массы углей выбро-соопасных зон. // Химия твердого топлива. 1991. № I.

С. 81-85.

2. Фролков Г .Д., Дони В.А., Аксенов С.А., Ыалова Г.В., Дьяконов Ю.Я. К методике экспертной оценки выбросоопас-ности пласта // Безопасность труда в промышленности." 1991. » 9. С. би-61.

3. Мадова Г.В., Ленина Н.Ы., Фролков Г.Д. Квалификация внезапного выброса угля и газа методом ЭПР //Всесоюзная конференция "Современные проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых" (тезисы докладов). Львов. 1991. Т. 3. С. 34.

4. Малова Г.В., Фролков Г.Д. ИК-спектроскопия углей выброт • соопасных зон // Всесоюзная конференция "Современные

проблемы геологии и геохимии твердых горючих ископаемых" (тезисы докладов). Львов. 1991. Т.З. С. 8и.

5. Зайцев П.П., Малова Г.В., Панченко Е.М., Прокопало 0/И., Сахненко В.П., Фролков Г.Д. 0лвктрг;аские свойства выб-росоопасных каменных.углей и прогнозирование выброса угля и газа // Химия твердого топлива. 1992. $ 5. С. 88-92.

6. Фролков Г.Д., Малова Г.В., Фролков А.Г. О влиянии напряженно-деформированного состояния угольного пласта на структуру органической массы и газовыделения при внезапных выбросах угля и газа. Препринт. Ростов-на-Доцу: Изд. СКНЦ ВШ. 1992. 15 с.

7. Фролков Г.Д., Липчанский А.Ф., Малова Г.В. Оценка налря-

женного состояния краевой части угольного пласта методом ЭПР // Уголь. 1992. С. 49-53.

8. Фролков Г.Д., Малова Г.В., Шерстюкова Н.Д. Взаимосвязь газовыделения со структурно-химическими преобразованиями углей при разрушении пластов в процессе горных работ // Химия твердого топлива. 1993. № 4. С. 11-18.

1 9. Положительное решение патентной экспертизы по заявке № 4945628/25/049355 от 13.06.91. Способ прогнозирования выбросоопасности углей / Любченко Л.С., Малова Г.В., Стригуцкий В.П., Стельмах В.Ф., фролков Г.Д.

Ротапринт ИакНИИ. Тираж 100экя. Закая № ИЗ» 11.05.199<tr.

г. Макеевка Донецкой обл., Лихачева, 60