автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Влияние микроструктуры антрацитов на их выбросоопасность

РГБ ОД

. г л,,т <Ппс На правах рукописи

1 о (Щ ШЬ

ФЕДОРЕНКО Юрий Владимирович

ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ АНТРАЦИТОВ НА ИХ ВЬБРОСООПАСНОСТЬ

Специальность 05.26.01. -

гУ

"Охрана труда

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1995

Работа выполнена в Новочеркасском ческом университете.

государственном техни-

Научные руководители: канд. хим. наук, ст. науч. сотр. Т.Ф.Пересунько,

канд. техн. наук, акад. МАНЗБ, доцент А. В.Фролов.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, акад. МАНЭБ,

акад. АГН Украины, проф. Ю.Ф.Васючков,

канд. хим. наук, акад. МАНЭБ, проф. Э.А.Бинеев.

Ведущее предприятие - АО "Гуковуголь".

/

Защита диссертации состоится ". / " г '_ 1995 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д 063.47.01

Тульского государственного технического университета по адресу: 300600, г.Тула, пр.Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного технического университета.

Автореферат разослан " Ж"7"_^_ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук

—-— у О.М. Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблема борьбы с внезапными выбросами угля и газа в угольных шахтах является одной из наиболее актуальных в горном деле. Число шахт, опасных по внезапным выбросам, постоянно растет. Начиная с 50гх годов, их число в странах СНГ возросло в 3,5 раза, а к концу текущего столетия специалисты прогнозируют их рост еще на 30 %. Не менее актуальна эта проблема для Российской Федерации, где из 250 шахт 38 разрабатывают выбросоопасные пласты. Ожидается, что в будущем число выбросоопасных пластов достигнет 85 % от общего числа разрабатываемых пластов.

Решение проблемы борьбы с внезапными выбросами угля и газа существенно зависит от повышения надежности прогноза выбросоо-пасности угольных пластов. В настоящее время накоплен большой научный опыт изучения природы и механизма внезапных выбросов, разработаны методы прогноза. В то же время применяемые методы прогноза выбросоопасности не в полной мере отражают роль структурного фактора в проявлении внезапного выброса, в силу чего оказываются недостаточно эффективными. Особенно отмечается их низкая эффективность для пластов антрацитов.

Проведенные в последние годы исследования особенностей молекулярной структуры углей в зонах внезапных выбросов свидетельствуют о перспективности перехода на молекулярный уровень познания природы и механизма внезапных выбросов. Однако в большинстве подобных исследований изучается только органическая часть углей, не учитывается С а иногда и игнорируется) то, что угли представляют собой природный органоминеральный композит, свойства которого зависят как от качественного состава, так и от условий его формирования.

В связи с изложенным разработка новых критериев выбросоопасности, учитывающих особенности микроструктуры антрацитов и характер их генезиса, является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить надежность прогноза и безопасность горных работ в угольных шахтах.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по проблеме 03.04 " Охрана и рациональное использование земных недр" (комплексная научно-техническая программа Мшвуза РСФСР "Человек и окружающая среда") по госбюджетной тематике кафедры "ПА и БВД" (Ш: гос. регистрации 01870053318, 01910038654),

а также по хоздоговорным исследованиям по проблеме 0.05.05 "Создать и внедрить методы и средства прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли в угольных шахтах"(№£ гос. регистрации 0187003644?, 01840044815, 01827024084).

Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей влияния микроструктуры антрацитов на их выбросоопасность для повышения достоверности прогнозных оценок выбросоопасности участков антрацитовых пластов на стадии геологоразведочных работ.

Идея работы заключается в том, что повышение достоверности прогноза выбросоопасности антрацитовых пластов достигается за счет учета особенностей условий формирования на торфяной стадии и различия микроструктуры антрацитов, опасных и не опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Методы исследования. Анализ и обобщение данных научно-технической литературы; вещественно-петрографические методы (элементный, технический и петрографический анализы); структурные исследования методами рентгеноструктурного анализа в области малых, средних и больших углов, электронного парамагнитного резонанса; мэтоды математической статистики (элементарные статистические выводы, корреляционный, регрессионный и дискрими-нантный анализы).

Основные научные положения работы заключаются в следующем:

' вьбросоопасность антрацитов зависит от гидрохимических условий их формирования на торфяной стадии, характеризующихся комплексом показателей минерального и микрокомпонентного состава:

минеральное вещзство является существенным структуроформирующим компонентом угольного композита на различных уровнях его структурной организации:

различия в сравнительных моделях микроструктуры невыбросоо-пасных и выбросоопасных антрацитов связаны с плотностью упаковки структурных элементов органического вещества (углеродный слой, пакет слоев), их взаимной ориентацией, а также степенью дисперсности-минеральных примесей и неоднородностью микрокомпонентного состава;

повышение достоверности прогноза выбросоопасности антрацитовых пластов на стадии геологоразведочных работ обеспечивается

разработкой новых комплексных критериев, учитывающих характер генезиса и структурную организацию антрацитов.

Научная новизна положений: выявлена зависимость выбросоопасности антрацитов от геохимических показателей водной среды в седиментогенезе и диагенезе: установлены закономерные связи между содержанием минеральных примесей, их дисперсностью и структурными, фильтрационными (диффузионными) характеристиками антрацитов:

выявлены комплексные критерии выбросоопасности высокогазоносных антрацитовых пластов, несущие генетическую и структурную информацию, что обеспечивает повышение достоверности прогнозных оценок.

Достоверность научных положений. выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследования: применением современных методов физической химии, физики, математической физики, математической статистики: удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактической выбросоопаснос-тыо антрацитовых пластов С90 /О.

Практическое значение работы. Теоретически и экспериментально обоснованы направления поиска информативных параметров микроструктуры антрацитов с целью совершенствования метода прогноза выбросоопасности антрацитовых пластов. Выявлены структурные особенности антрацитов пластов, опасных и не опасных по внезапным выбросам. Предложен-ны рекомендации по прогнозированию выбросоопасности антрацитовых пластов на стадии геологоразведочных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методические рекомендации по прогнозу выбросоопасности антрацитов внедрены в Донецкой геолого-разведочной экспедиции ПО "Укруглегеология" и использованы при оценке выбросоопасности антрацитовых пластов на стадии доразведки полей шахт "Фащевская", им. Косиора, "Комсомолец Донбасса", "Ко-миссаровская", "Тернополъская".

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы докладывались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава НГТУ С г. Новочеркасск, 1991, 1992, 1994, 1995 г. г.), на республиканской конференции молодых ученых "Проблемы совершенствования безопасности горных pet-

бот на угольных шахтах" (г.Донецк, 1991 г.), на школе-семинаре "Совершенствование научных исследований по охране труда в учебных заведениях" (г.Москва, 1990 г.), на международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г.Санкт-Петербург, 1993 г.), на межведомственном семинаре (г.Ростов-на-Дону, 1993 г.), на Мэждународной научной конференции по проблеме "Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых" (г.Новочеркасск, 1994 г.), на Всероссийской научно-методической конференции по безопасности жизнедеятельности человека (г.Новочеркасск, 1994 г.), на зональной научной конференции "Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых Юга России" (г.Новочеркасск, 1995 г.), на научном семинаре кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГТУ (г.Тула, 1995 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 231 страницу машинописного текста, 34 рисунка, 26 таблиц, список литературы из 181 наименования и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Повышение безопасности и эффективности разработки выбросоо-пасных угольных пластов неразрывно связано с повышением надежности прогноза их выбросоопасности. Значительный вклад в развитие теоретических и прикладных аспектов этой проблемы внесли

A.А.Скочинский, А.Т.Айруни, А.В.Артемов, М.И.Большинский, Л.Н.Быков, Ю.Ф.Васючков, A.B.Докукин, В.Е.Забигайло, Б.М.Иванов, Л.Н.Карагодин, А.И.Кравцов, Г.Д.Лидин, Н.Ф.Лосев, В.В.Лукинов,

B.И.Ндаэлин, А.Э.Г1втросян, Н.М.Печук, Б.В.Смирнов, В.Н.Труфанов, В.В.Ходот, О.И.Чернов, В.А.Шаталов, И.Л.Эттингер и др.

Анализ этик научных результатов позволил сформулировать цель и идею работы, для реализации которых были поставлены и решены следующие задачи:

- исследовать особенности микроструктуры равнометаморфизо-ванньк антрацитов высокогазоносных невыбросоопасньм и выбросоо-пасных пластов:

- изучить роль минеральных примесей в формировании микрос-

труктуры антрацитов:

- разработать и теоретически обосновать критерии выбросоо-пасности антрацитовых пластов по микроструктурным параметрам.

Для решения поставленных задач были отобраны 46 образцов антрацитов пластов ¡2", 12в, 13. 14, 1б свиты С26 , на шахтах п.о. "Донбассантрацит" (ш/у "Алмазное", "Хрустальская", "Красно-кутская"). Кроме того, в выборку включены три образца марки Т, отобранные на шахте "Юнком" из пластов Кзн , Кзв и K4I.

Выбор методов исследования определялся необходимостью отражения различных уровней организации микроструктуры антрацитов, а также возможностью сопоставления и взаимодополнения полученных данных.

В качестве структурных методов для исследования антрацитов были выбраны рентгеноструктурный анализ в области малых, средних и больших углов и метод электронного парамагнитного резонанса СЭПРХ

Рентгеноструктурные исследования в области средних и больших углов выполняли на установке ДРОН-ЗМ. № основе анализа дифракционных линий (002) , (10) интерференционных функций антрацитов получали следующие параметры: размеры областей упорядоченности La, Le: периоды повторяемости d002, dio, рассчитанные как ^по центрам тяжести, так и по вершинам соответствующих линий: отношения интенсивностей максимумов к . интенсивностям фона Jm/J<í>(002) и Jm/JíiCIO), характеризующие степень упорядоченности антрацитов. В исходную рентгенограмму вносили поправки на рассеяние воздухом и кюветой, поглощение, комптоновское рассеяние.

Малоугловые исследования выполняли на установке КРМ-1. Рентгенограммы приводились к одному режиму прибора с помощью эталона, в качестве которого использовали активированный уголь.

Функцию распределения рассеивающих частиц по радиусам h(R) в рамках сферического приближения получали путем решения интегрального уравнения вида ЗОнм

Íao 4л51пв h(R)-R3.02CsR)clR + _ , s, - , (1)

S4 л

0, Ihm

где OCsR) ■ 3-( sin sR - sR-cos sR)/(sR)3 - функция формы: J(s)-исходная рентгенограмма: л-длина волны рентгеновского излучения: ао- параметр , пропорциональный поверхности частиц с R>30 нм.

Уравнение решали методом "косвенного преобразования", с представлением функции в виде суперпозиции кубических

В-сплайнов С1В1(Ю, 1=1,22. При расчете учитывались иска-

жения кривой .Кб) »вызванные высотой далей, толщиной образца и шириной приемной щели. На основе полученной функции Ь(Р) для интервалов [0,1нм,2нм], ]2нм,10нм], ]10нм,20нм], ]20нм,30нм] рассчитывали ряд структурных параметров: относительный объем, количество рассеивающих неоднородностей, средний объемный радиус, радиус инерции.

Исследования антрацитов методом ЗПР проведены на радиоспектрометре СЭПР-2. Концентрацию парамагнитных центров (ПМЦ) и ширину спектров ЭПР находили методом сравнения спектров эталона и антрацита.

Для выявления особенностей пористой структуры исследовали кинетические кривые пропитки образцов антрацитов жидкостями, в качестве которых использовали одноатомные спирты (метиловый, пропиловый и амиловый). Выбор спиртов для пропитки обусловлен их высокой полярностью и хорошей смачиваемостью антрацитов. Контроль процессов пропитки осуществляли с помощью метода ЭПР. При пропитке происходит вытеснение газа из частиц антрацита, в том числе и кислорода. Поскольку спектры ЭПР антрацитов чувствительны к кислороду воздуха, то по изменению ширины и интенсивности линии ЭПР можно контролировать этот процесс. Кроме того, метод ЭПР обладает высоким временным разрешением. Наряду с пропиткой исследовали кинетику вакуумировашя образцов, а также малоугловые характеристики антрацитов сухих и после пропитки метиловым и пропиловым спиртами.

Все структурные исследования проведены на концентратах вит-ринита, при этом использовали порошок фракции 0,1-0,16 мм.

Для сравнения антрацитов невыбросоопасных и выбросоопасных пластов по параметрам микроструктуры все образцы были разделены на два класса: VI -образцы из невыбросоопасных шахтопластов 1гн, 1б, кЗн: \Й> -из выбросоопасных пластов 1з, 12в, 14, кзв, к4*. Степень различия между классами с вероятностью 0,95 оценивали по критерию Стыодента Для распределений, значительно отличающихся от нормального, использовали преобразования ¡пСЮ.^Х2. Выбор преобразования осуществляли на основании критерия С для вероятности Р-0,95 х2 < 5,99 ).

Комплексный подход при исследовании антрацитов, опасных и

не опасных по внезапным выбросам угля и газа, предполагает изучение вещественного состава на различных уровнях его организации. Известная гетерогенность углей на макроуровне в значительной мере определяется микрокомпонентным и минеральным составами, на микроуровне - это соотношение основных химических элементов.

Анализ микрокомпонентного состава показал, что невыбросоо-пасные и выбросоопасные антрациты представлены, в основном, ге-лифицированным микрокомпонентом. При этом выбросоопасные антрациты отличаются от невыбросоопасных пониженным содержанием вит-ринита и повышенными содержаниями фюзинита и семифюзинита, что обусловлено большими вариациями условий накопления органического вещества (ОВ) Еыбросоопасных антрацитов. Различия носят статистический характер. По содержаниям склеротинита, микринита, липоидных микрокомпонентов классы VI и У2 статистически не различаются.

Результаты статистической обработки данных элементного и технического анализов показали , что антрациты классов №1 и У2 не различаются как по содержаниям основных химических элементов, так и по показателям отражения витринита Яшах и Ав, что свидетельствует об изометаморфности антрацитов исследованных классов. . Нэ обнаружено также различий по содержаниям влаги и общей серы. Вместе с тем выявлены статистические различия по зольности антрацитов, антрациты невыбросоопасных пластов характеризуются большим ее содержанием.

Минеральный состав исследуемых антрацитов оценивали по данным петрографического анализа и анализа химсостава золы (ХСЗ). Подсчет минеральных примесей (МП) показал , что в минеральном составе антрацитов обоих классов преобладают сульфиды железа и глинистые минералы. Содержания кварца и карбонатов незначительны. Стастические различия наблюдаются по глинистым минералам, причем, в образцах выбросоопасных антрацитов содержание их выше. Среднее суммарное объемное содержание Ж в выбросоопасных антрацитах выше (при меньшей зольности), чем в невыбросоопасных.

Сравнение параметров дисперсности МП, определенных по соотношениям зольностей различных фракций порошка, показало, что не-выбросоопасным антрацитам присуща более высокая степень дисперсности, чем выбросоопасным.

Различие в зольности антрацитов классов VI и обусловлено в первую очередь повышенным содержанием у первых (Ь2), а

также Al, Са, Mg, К, Ti (t>l). Источником указанных элементов в углях является прежде всего терригенный материал, поступивший в торфяник в форме раствора и в составе взвеси. Часть взвеси подвергается интенсивному выщелачиванию в агрессивных водах торфяника. На интенсивность процессов диспергации минералов и дальнейшего связывания тонкодисперсных элементов с ОВ влияли качественный состав поступающего терригенного материала и геоморфологические особенности торфяников, определяющие рН среды и свойства разлагающегося ОВ. Более высокие рН среды на ранних стадиях образования невыбросоопасных антрацитов определили более высокую степень разложения ОВ и большее количество тонкодисперсного минерального вещества, связанного с ним.

Исследованиями корреляций параметров минерального состава, степени восстановленности с показателями метаморфизма (Cdaf, Rmax) установлено, что дисперсия показателей метаморфизма на изученных пластах обусловлена дисперсией степени восстановлен-ности антрацитов Vi и V2. В среднем невыбросоопасные антрациты более восстановлены, чем выбросоопасные.

Для уменьшения диапазона изменений показателей метаморфизма' классы V/i и W2 были разделены на подклассы по содержанию углерода: Vil и Vfei (Cdaf <94 %), а также W12 и V22 (Cdaf>94 %). Наибольшие различия между невыбросоопасными и выбросоопасными по параметрам минерального состава установлены для антрацитов подклассов Vil и W21.

Подкласс Vil (невыбросоопасные) характеризуется интенсивным теригенным привносом и обогащением ОВ мелкодисперсными МП. Дисперсность минералов здесь могла обеспечиваться как особенностями привнесенного материала (привнесенного - уже в дисперсном состоянии), так и высоким значением рН. Оценка рН среды по содержанию Са свидетельствует о его росте в ряду V11-W12-V22-Vgi.

Подкласс V21 (выбросоопасные) также характеризуется интенсивным привносом МП, но их качественный состав и (или) условия водной среды (низкий рН) способствовали образованию угольного композита с минеральными включениями низкой степени дисперсности.

Статистические различия в минеральном составе антрацитов Vi2 и W22 (Cdaf>94 %) отсутствуют. Степень минерализации антрацитов этих подклассов ниже, чем для предыдущих.

Таким образом, анализ вещественно-петрографического состава показал, что формирование невыбросоопасных и выбросоопасных

антрацитов в седиментогенезе происходило в различных геохимических условиях. Это в значительной степени определило направленность и интенсивность процессов постседиметационных изменений их структуры.

Рентгеноструктурными исследованиями в области средних и больших углов рассеяния установлено, что невыбросоопасные антрациты по сравнению с выбросоопасными характеризуются большими диаметром углеродного слоя Ьа, степенью упорядоченности Лм/Лф(002), меньшим размером углеродного пакета Ьс. Статистические различия наблюдаются по Ьс. Данные различия могут быть связаны с различиями в рН среды на начальных стадиях формирования антрацитов. Повышение рН (невыбросоопасные антрациты) и, следовательно, увеличение степени разложения 0В способствует интенсификации процессов конденсации углерода при метаморфизме.

С ростом содержания углерода в обоих классах VI и снижается 1с и растет ^Л1ф(002). Диаметр углеродного слоя 1*а уменьшается с увеличением количества тонкодисперсного минерального вещества, что указывает на существенное влияние МП в процессе формирования антрацитов. Один из механизмов влияния № на 0В состоит в снижении кинетической подвижности макромолекул 0В угля, препятствующем процессу сшивания углеродных слоев.

Исследование малоуглового рассеяния рентгеновских лучей показало, что преобладающий вклад в суммарный объем рассеивающих частиц вносят частицы с размерами от 0,1 нм до 2 нм (микронеоднородности)- При сравнении малоугловых характеристик антрацитов классов VI и Мг установлено, что по относительному объему, количеству микронеоднородностей и частиц с радиусами от 10 нм до 30 нм различия отсутствуют. Классы различаются ло значениям радиуса инерции микронеоднородностей и поверхности частиц с й>30 нм. Значения обоих'параметров выше у выбросоопасньи антрацитов, что обуславливает их лучшие фильтрационные характеристики.

Установлено, что интегральная интенсивность рассеяния в области малых углов возрастает с увеличением зольности антрацитов. Это свидетельствует о том, что Ж вносят значительный вклад в неоднородность микроструктуры антрацитов на молекулярном и надмолекулярном уровнях ее организации. Для невыбросоопасных антрацитов характерны корреляции зольности с. объемом частиц в интервале И0нм,20нм], для выбросоопасных - в интервалах И0нм,20нм], ] 20нм, ЗОнм] и при Я>30 нм.

Найдено, что с увеличением содержания углерода растет объем микронеоднородностей. Данный рост обусловлен ростом степени упорядоченности и, следовательно, увеличением плотности упаковки углеродных пакетов.

Анализ данных вещественного состава и рентгеноструктурньи характеристик свидетельствует о том, что для исследованных образцов изометаморфных антрацитов выделяются несколько характерных структур, причем, они совпадают с разделением антрацитов на подклассы.

Подклассы Wli и Vgl (Cdaf<94 различаются размерами пакетов углеродных слоев, их числом. Невыбросоопасные антрациты Vn по сравнению с выбросоопасными V21 имеют меньшие размеры пакета углеродных слоев La, Lc (Lc>La), но большее их число (Jm/J4>C002)). Для них характерен больший объем микронеоднород-ностей и меньший их радиус инерции. Эти данные свидетельствуют о более плотной упаковке отдельных кристаллитов.

Невыбросоопасные антрациты W12 СС^аГ>94 %) в отличии от антрацитов V22 имеют большие размеры слоя Ц и меньшие размеры Lc. Для невьйросоопасных антрацитов также характерны меньшие поверхность рассеивающих частиц с R>30 нм и радиус инерции микронеод-нородностей, что обусловлено процессом сближения и сшивания слоев и увеличением плотности их упаковки. В выбросоопасных антрацитах этот процесс замедлен, при этом отсутствие развитой периферии на этой стадии метаморфизма может обусловить повышенную подвижность структурных единиц.

Установленные различия молекулярных и надмолекулярных структур антрацитов объясняют некоторые особенности их парамагнитных свойств.

Регистрация сигналов ЭПР производилась как на воздухе, так и после вакуумирования образцов (Р<0,1 Па) в течение двух часов. Спектры ЭПР антрацитов, записанные в условиях свободного доступа атмосферного кислорода к образцу, представляли собой одиночный широкий сигнал с шириной дНш=358-660 А/и. При вакуумирова-нии образцов наблюдались три типа сигнала. Первый тип - сложный, представляющий суперпозицию широкого и узкого сигнала с ин-тенсивностями одного порядка. Этот сигнал характерен для образцов с Cdaf 91-93 %. Второй тип представлен ассиметричной узкой линией с шириной дНу от 103 до 215 А/ы. Третий тап -узкая изот^-ропная линия с дНу=63,7-87,5 А/м. Второй и третий тип сигналов

ЭПР характерны для антрацитов с Сйа^>93 %.

Исследование корреляций парамагнитных характеристик с показателями метаморфизма (С^1, ргаа><) показало, что с ростом степени метаморфизма антрацитов концентрация ПМЦ, обуславливающих узкую составляющую спектра, Ыу растет, в то время как интенсивность широкой линии снижается. Ширина узкого сигнала не зависит от степени метаморфизма, но нелинейно (параболически) связана с концентрацией ПМЦ №у.

Указанные зависимости отражают процессы формирования микрофибрилл - значительных по размерам вытянутых областей, с примерно параллельным расположением относительно друг друга углеродных слоев(пакетов слоев). Рост концентрации №у с увеличением Сйаг свидетельствует о росте количества этих областей. Нэ-большие размеры и отсутствие порядка в их расположении , снижающего эффективность спинового обмена, приводит к концентрационному (диполь-дипольному) уширению линий ЭПР. Сужение линий при дальнейшем росте Иу свидетельствует об увеличении областей полисопряжения и эффективности спинового обмена.

Невыбросоопасным антрацитам свойственны более узкие по сравнению с выбросоопасными линии при низких и высоких концентрациях ^ и более выраженное концентрационное уширение сигналов ЭПР. Данный факт подтверждает большую структурную упорядоченность невыбросоопасных антрацитов на всем исследованном диапазоне 0^.

Выявленные отличия структуры невыбросоопасных и выбросоо-пасных антрацитов находят подтверждение в особенностях кинетики вакуумирования и пропитки образцов спиртами.

Анализ кинетических кривых чь(Ь)=В(1)/В~ (В-нормированная интенсивность узкой линии сигнала ЭПР, В- - интенсивность линии при достижении равновесного состояния) и дНу(и позволил выделить несколько последовательных стадий пропитки антрацитов. Условно выделяются три таких стадии: вытеснение кислорода при капиллярной пропитке (в основном в системе макропор): диффузионное извлечение кислорода из транспортной системы (мезопор): извлечение из сорбционных частиц (микропор). При этом суммарный процесс лимитируется второй и третьей стадиями (диффузионной стадией).

Диффузионная стадия пропитки хорошо описывается бидиспер-сной моделью сорбента , согласно которой уголь состоит из микро-

пористых зон, промежутки между которыми образуют транспортную систему. В роли транспортных пор могут выступать как переходные поры, так и цепочки микропор их соединяющие. При этом ПМЦ» обуславливающие узкую линию ЭПР, сосредоточены в основном в микропористых зонах. Тогда, предполагая отсутствие взаимодействий между ПМЦ различных зон, сигнал ЭПР можно представить как суперпозицию сигналов от различных микропористых зон. Ширина линии и интенсивность сигнала индивидуальной микрозоны зависит от внутренней концентрации ПМЦ и характера взаимодействия между ними. В первом приближении можно считать микропористые зоны гомогенными.

В рамках принятой модели одними из основных характеристик кинетики являются характерные времена диффузии в транспортных порах tt=crfl)2/dt и микрозонах тм=(го)2/Пм, где dt, Dm- коэффициенты диффузии в транспортных порах и микрозонах, Ид - радиус диффузионной частицы (сферическое приближение), го - радиус микропористой зоны. Предполагалось, что кривые B(t) и дНШ имеют различный физический смысл. Зависимость лНСО отражает в большей степени десорбцию кислорода и его диффузию из микропористых зон (локальное изменение концентрации ПМЦ и обменных взаимодействий), т.е. характеризует -см. Кривая B(t) характеризует оба времени хт и -Ем, соотношение сорбционных емкостей транспортной и сорбционных систем, а также характерное время капиллярной пропитки Хк.

Для сравнения кинетических характеристик невыбросоопасньк и выбросоопасных антрацитов в качестве пропитывающей жидкости использовали метанол. Это обусловлено следующими особенностями процесса пропитки метанолом: а) при пропитке метанолом наблюдается большая по сравнению с другими спиртами глубина пропитки:

б) процесс пропитки завершается за сравнительно короткое время;

в) в отличие от вакуумирования, кинетические кривые пропитки метанолом четче выражают стадийность десорбции кислорода из образца.

Кинетические параметры исследуемых антрацитов получали как по кривым ¿Hy(t), так и по fe(t). Кривую зависимости ширины сигнала ЭПР от времени пропитки представляли в виде

^(1/[)=^(|/ь)-дН»=дНо-(1-осн-|/Г), tei5MHH, UJ, (2)

где Ж» - ширина сигнала при достижении равновесного состояния; дНэ - ширина линии при экстраполяции прямой 4h(i/t) к t>0:

«н - коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямой ч(|/Г)/дНо? - время при С ч^С 1/С)/дНо) 0,1, 0,2]. Нэвыбросоопасные и выбро-соопасные антрациты сравнивали по параметрам дНо и «н.

Для параметризации кривой ВС О в качестве кинетических параметров использовали время 50 %-ной завершенности процесса (из.5) и первый статистический момент М1 СМ1 ~ хм, тт.

Кроме того, анализировали интенсивность и ширину линии после 5 минут пропитки СВ5 и дНб), равновесные значения интенсивности (В~), ширины линии ЭПР С концентрации ПМЦ (№»=&»-а также относительные изменения значений этих параметров от значений, полученных при вакуумировании антрацитов (Both, лНотн, Noth).

Анализ кинетических характеристик антрацитов позволил установить, что характерное время пропитки Ml возрастает с ростом степени метаморфизма антрацитов, с увеличением объема микропор.

Установлена обратная связь между характерным временем пропитки Ml и зольностью антрацитов, что свидетельствует о влиянии присутствующих в антрацитах МП на их фильтрационный объем. Увеличение степени дисперсности МП приводит к увеличению характерного времени пропитки Ml.

Характерное время десорбции кислорода и его диффузии в микропористых зонах (параметр он) не зависит от зольности антрацитов. Установлено,что характерное время десорбции снижается с увеличением высоты углеродного пакета Lc.

Нэвыбросоопасные антрациты отличаются от выбросоопасных меньшей степенью пропитки в начальные моменты времени (В5, дН5), большим временем десорбции кислорода и его диффузии в микропористых зонах CcchD, меньшей глубиной пропитки (дНотн, Both). Указанные различия свидетельствуют о более высокой внутренней упорядоченности микропористых зон невыбросоопасных антрацитов по сравнению с выбросоопасными во всем исследованном диапазоне C^af.

Таким образом, проведенные исследования позволили заключить, что изометаморфные антрациты высокогазоносных пластов, опасных и не опасных по внезапным выбросам, существенно различаются по структурной организации как на макро-, так и на мик-

оз

(3)

О

роуровне. Эти различия сформировались в течение геологической истории и зависят, от ряда факторов: от первоначального состава и свойств исходного органического и сопутствуювдэго ему минерального вещества, от комплекса биохимических и физико-химических процессов, определяющих характер композита "ОВ+МП" в седиментогене-зе и раннем диагенезе, а также от процессов преобразования орга-номинералъного вещества под воздействием факторов метаморфизма. Установленные в работе закономерности положены в основу методики прогнозирования выбросоопасности антрацитов на стадии геологоразведочных работ.

Поиск комплекса показателей, обладающего наибольшей информативностью, осуществляли с применением пошаговой процедуры линейного дискриминантного анализа. Это позволило выделить 19 параметров (табл. 1), которые представляют собой органическое единство. Вместе с тем, выделенный комплекс условно можно разделить на две группы.

Первая группа характеризует начальные условия углеобразова-ния (торфяная стадия). Индикаторами этих условий является комплекс минеральных веществ и петрографический состав. Во вторую группу показателей вошли характеристики микроструктуры антрацитов.

На основе выделенного комплекса показателей предложены 11 функций вида

п

1=Х «1 А1, (4)

1=1

где А1 - показатели выбросоопасности антрацитов (табл. 1): «1 - весовые коэффициенты (табл. 2).

Прогноз выбросоопасности осуществляется в следующем порядке: на стадии поисковых работ производится определение степени метаморфизма и природной газоносности пласта: на стадии предварительной, детальной разведки и доразведкм прогноз выбросоопасности антрацитов производится в том случае, если достигнуты критические значения показателей: глубины залегания пласта Н > 150 м, природной газоносности X > 15 м^/т.г.м, 1¿р> 3,2; при значениях 1ер> 3,2 прогноз выбросоопасности не производится и пласты относятся к невыбросоопасным; для каждого пластопересече-ния скважинами предварительной, детальной разведки и доразведки определяется значение функции Ъ\ при значениях Ъ < С пластопере-сечения относятся к невыбросоопасным, при 2 > С - к угрожаемым

Таблица 1

Показатели, используемые для прогноза выбросоопасности.

Обозна- Область изме- Размерность Показатель

чение нения

I группа

А1 0,061- 1,16 отн.ед. глиноземный модуль

Аг 0.006-0.085 X содержание магния

Аз 0 - 0,272 % содержание калия

А4 0,00077-0,022 X содержание фосфора

А5 0 - 1,531 % содержание остаточной пирит-

ной серы

Аб 0,0043-0,139 % содержание остаточного(сили-

катного) кальция

А7 0-9,4 % содержание глин

А8 0,5 - 6,6 % содержание фюзинита

А9 0-3,3 % содержание склеротинита

II группа

AlO (1,16 - 9,49) пмц/г концентрация парамагнитных

•1019 центров вакуумированной пробь

А11 63,66- 198,1 А/м ширина сигнала ЭПР

Al2 (1,33-18,40) пмц-м2/(г-А2) нормированная амплитуда сиг-

■ 1015 нала ЭПР

Al3 101,1-209,3 А/м ширина сигнала ЭПР после

5 мин пропитки метанолом

Al4 0 - 0,567 отн.ед. относительное отклонение ши-

рины сигнала после пропитки

метанолом (1=2 ч) от ширины

сигнала вакуумированной про-

бы

Al5 0.117-243.55 отн.ед. поверхность частиц с радиу-

5,38-10-9 - сом 1Ь30,0 нм

Ai6 отн.ед. количество частиц в диапазо-

5,32-10-7 не радиусов [2,0нм,10,0нмС

Al7 16,14-36,59 отн.ед. интегральная интенсивность

рассеяния в интервале углов

[11',120']

Al8 5,42-11,61 1/см линейный коэффициент осла-

бления рентгеновских лучей

(Со КсО

Al9 15,55-88,9 отн.ед. суммарный объем пор в диапа-

зоне [0,1нм,2,0нм]

■ 1 таблица 2

Коэффициенты дискриминантной функции по различным наборам показателей

Показатель

Коэффициенты,дискриминантнык функций

2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

А1 3.33 3.62 2,14 1,41 2,77 1.58

А2 -15.37 -22.05 - - - -

АЗ -7,55 -6.29 -8.19 -11.03 - -7.67

А4 74.19 116.52 - - - -

А5 . 1,89 1.91 1.75 0,82 1,38 0.91

Аб -21.36 -13,47 -3.75 -7.18 -10,97 -6.50

А? 0.04

АЗ 0,31

А9 0,96

А10-10-19 1.80 1.31 1,63 1.10 1.67 1.20 1.01

А11 -0,084 -0.056 -0.074 -0.051 -0.070 -0,048 -0.044

А12-10"15 -0,91 -0.63 -0.78 -0.52 -0,79 -0,56 -0,46

1п А13 -3.29 -2.50 -2,56 -2.03

-2.13 -2.76 -1,60 -2,49

1п А15 0. 36 0,36 0.26 0,23 0.23

1п А16 1. 27 0.94 0,41 0,39 0,19

1п А17 -3. 21 -3.11 -1.45 -1.54 -0,93

1п А18 -4. 09 -4.03 -2.49 -2,26 -0,96

А19 - -0.035 -0,017 -0.001

С 1.34 4.33 -5,37 -20.12 -38,76 -3,13 -16.14 -31,24 -21.41 -31,88 -19.89

Эт1п 61.0 64.4 72,6 80.0 62, 2 84,6 90,7 72.9 82.4 86.9 93.3

1

(склонным к выбросам), где С - граница классификации ( табл. 2); шахтопласт относится к угрожаемым, если выполняется условие

1 > С хотя бы в одном пластопересечении: при выполнении условия

2 < С во всех пластопересечениях пласт оценивают как невыбросоо-пасный с вероятностью не хуже Эт1п.

Эффективность классификации Эт1п получена по эталонной выборке с использованием табличных значений интеграла вероятности по нормальному расстоянию вида Йт1п=( 2гт1п-21тах)/( 62тах+б1тах), 21тах-верхняя граница доверительного интервала для величины 21 (оценка математического ожидания величины 1 в классе VI): 12тХп -нижняя граница доверительного интервала для величины 22: 61шах, е^шах -верхние границы доверительных интервалов для дисперсии величины 2, соответственно, в классах и

Проверка надежности разработанных комплексных критериев проведена при оценке выбросоопасности участка пласта 1з ш.N12 ш/у "Алмазное", результаты которой свидетельствуют о высокой сходимости С90 50 прогнозной оценки с фактической выбросоопас-ностью пласта. Методика прогноза выбросоопасности антрацитов на стадии геологоразведочных работ, разработанная на базе комплексных критериев, внедрена в Донецкой ГРЭ ПО "Укруглегеология" и использована при оценке выбросоопасности пластов антрацитов на стадии доразведки полей шахт "Фащзвская", им.Косиора, "Комсомолец Донбасса", "Комиссаровская", "Тернопольская".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научно-технической задачи установления закономерностей влияния микроструктуры антрацитов на их выбросоопасность и получения исходной информации для повышения достоверности прогнозных оценок выбросоопасности антрацитовых пластов, что имеет существенное значение для угольной промышленности, так как повышает безопасность подземных горных работ.

Основные научные и практические результаты работа заключаются в следующем.

1. Комплексными исследованиями антрацитов как природных наполненных полимеров (композитов) выявлена зависимость их выбросоопасности от. гидрохимических условий на торфяной стадии, определяющихся фациальной обстановкой. Установлено, что антрациты

невыбросоопасных пластов отличаются от антрацитов выбросоопасных пластов повышенными зольностью и содержанием кремния, более высокой степенью дисперсности и тонким распределением минеральных примесей в органическом веществе. Это обусловлено более высокими рН среды для невыбросоопаснъм антрацитов на ранних стадиях их формирования.

2. Установлено, что антрациты выбросоопасных пластов, в отличие от антрацитов невыбросоопасных пластов, петрографически более неоднородны, для них характерно пониженное содержание вит-ринита и повышенное содержание фюзинита и семифюзинита. Это обусловлено большими вариациями условий накопления выбросоопасных антрацитов в седиментогенезе.

3. Показана существенная роль минерального вещества в процессах стуктурообразования антрацитов на различных уровнях их структурной организации. Установлено, что увеличение зольности в антрацитах приводит к уменьшению концентрации парамагнитных центров, что объясняется снижением дефектности структуры и увеличением прочности. Установлена тесная связь между количеством тонкодисперсного минерального вещества и размером углеродного слоя. Выявлена зависимость характерного времени пропитки метанолом от зольности антрацитов и степени дисперсности МП. Оно тем ниже, чем выше зольность и ниже степень дисперсности МП.

4. Выявлены отличия микроструктуры антрацитов пластов, опасных и не опасных по внезапным выбросам . Показано, что не-выбросоопасные антрациты в отличие от выбросоопасных характеризуются меньшими высотой углеродного пакета, средним радиусом инерции микронеоднородностей, поверхностью рассеивающих частиц с радиусом более 30 нм. Антрациты невыбросопасных пластов имеют большую степень структурной упорядоченности на надмолекулярном уровне, проявляющуюся в более сильном взаимодействии ПМЦ, ответственных за узкий сигнал ЭПР. между собой. При пропитке метанолом в рамках бидисперсной модели кинетики сорбции (десорбции) им также соответствуют меньшие скорость десорбции кислорода в начальные моменты времени и глубина пропитки микропористых зон.

5. Предложены модели микроструктуры антрацитов невыбросоопасньк и выбросоопасных пластов дифференцированно в пределах исследованного диапазона метаморфизма. Наиболее существенные различия характерны для низкометаморфизованных антрацитов

(СйаГ<94 %).

6. Установлено, что характерное время десорбции кислорода и его диффузии в микропористых зонах уменьшается с ростом высоты углеродного пакета.

7. Разработаны новые комплексные критерии выбросоопасности высокогазоносных антрацитовых пластов, учитывающих характер генезиса и структурную организацию антрацитов.

8. Усовершенствована методика прогноза выбросоопасности антрацитовых пластов на стадии геологоразведочных работ, которая апробирована и внедрена в Донецкой ГРЭ ПО "Укруглегеология". Результаты внедрения свидетельствуют о повышении надежности прогнозных оценок.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Прогноз газоносности угольных пластов на стадии геологоразведочных работ // Совершенствование научных исследований по охране труда в учебных заведениях: Тез. докл. школы-семинара.

- М., 1990. - С. 69. Соавторы: Пересунько Т.Ф., Зотов В.М.

2. Отличительные признаки молекулярного строения изомета-морфных антрацитов выбросоопасных и невьбросоопасных пластов // Проблемы совершенствования безопасности горных работ на угольных шахтах: Тез. докл. респ. конф. молодых ученых. - Донецк, 1991.

- С. 54-55. Соавтор: Пересунько Т.Ф.

3. Особенности структуры органического вещества на выбросоопасных и нерыбросоопасных пластах антрацитов //Химия тв. топлива. - 1992. - N4. - С. 37-45. Соавтор: Пересунько Т.Ф.

4. Исследование физико-химических процессов структурообра-зования антрацитов для решения проблем безопасности в горном деле// Международный симпозиум по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства. Безопасность горных работ: Тез.докл.-СПб, 1993. - С. 54. Соавторы: Пересунько Т.Ф., Фролов А. В.

5. Повышение надежности прогноза выбросоопасности угольных пластов - важнейшая задача обеспечения безопасности труда шахтеров// VI Всероссийская научно-методическая конференция по безопасности жизнедеятельности человека: Тез.докл. - Новочеркасск, 1994. - С. 43. Соавтор: Пересунько Т.Ф.

6. Влияние микроструктуры антрацитов на их выбросоопас-

ность// VI Всероссийская научно-методическая конференция по безопасности жизнедеятельности человека: Тез. докл. - Новочеркасск, 1994. - С. 76. Соавтор: Пересунько Т.Ф.

7. Исследование природы внезапных выбросов угля, породы и газа и разработка методов их прогноза// Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых: Материалы международной конф. - Новочеркасск, 1994. - С. 74-78. Соавторы: Фролов А.В., Пересунько Т.Ф., Зотов В.М.

8. Генетические особенности формирования антрацитов на выб-росоопасньи и невыбросоопасных пластах// Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых Юга России: Тез. докл. зональной науч. конф.- Новочеркасск, 1995. - С. 112-114. Соавтор: Пересунько Т.Ф.

9. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей на антрацитах / Нэвочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1994.- 17 с. - Деп. в ВИШТИ 22.12.94, N 2997-В94.

\