автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Влияние волновых процессов на газодинамику угольных пластов

На правах рукописи

БЕСПЯТОВ Геннадий Александрович

.. - 1 1

Г I: • 1

1; Г I! ' •'. 1 . ■■

ВЛИЯНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ГАЗОДИНАМИКУ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность:

05. 15. П.—Физические процессы горного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово—1996

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

•докт. техн. наук, проф. Чернов О.И.

докт. техн. наук, проф. Мурашев В. И.

докт. техн. наук, проф. Дырдин В. В.

Ведущая организация: Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.

Защита диссертации состоится " 2 6 ^¿Ксц>р91 " 1996 г. в1Алас. Ш1_мин. на заседании диссертационного совета Д 063.70.02 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г.Кемерово, ул.Весенняя, 28. аудитория 1242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационногс доктор техничес? профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность проблемы. Развитие экономики России неразрывно связано с увеличением объемов добычи угля, при этом большая роль отводится созданию безопасных и высокопроизводительных технологий. Одним из основных природных факторов, •■препятствующих эффективной деятельности угольных шахт, является высокая природная газоносность угольных пластов.

Проведение горных выработок и выемка угля вызывает изменение естественного -поля напряжений в зоне их влияния, что приводит к различным формам газовыделения. Наблюдаются два основных вида выделений газа- обычные и необычные. Обычные выделения метана происходят в шахтах постоянно и относительно монотонно при всех технологических процессах. Необычные выделения метана в шахтах отличаются от обычных внезапностью, кратковременностью и значительно большей интенсивностью, превышающей в сотки и в тысячи раз интенсивность обычных выделений. Е этом заключается их особая опасность. К числу необычных выделений метана в шахтах можно отнести суфлярные выделения газа, прорывы газа и внезапные выбросы угля и газа. Наряду о этими явлениями в угольных шахтах происходят интенсивные выделения десорбирующегося из угля газа при взрывной отбойке, стким и обрушение (высыпание) угля и другие явления. Все эти процессы объединяют общим названием- газодинамические явления в шахтах. Выброс угля и газа является наиболее опасным и сложным по своей природе газодинамическим явлением.

3 Кузбассе в период с 1945 по 19Э5 год число внезапных -выбросов возросло с 37 до' 187, число выбросоопасных шахтопластов достигло 48, на 21 шахте. Успешная борьба с газодинамическими явлениями невозможна без знания их природы.

О природе опасных выбросов угля и газа высказано немало гипотез как отечественных, так и зарубежных ученых. В большинстве исследований отмечается, что внезапные выбросы угля и газа происходят в тектонически нарушенных зонах. Особенностью таких зон является повышенное газовое давление и крайне низкая газопроницаемость. В настоящее время нет физического объяснения условий формирования

таких опасных газодинамических зон. вследствие чего нет надежной текущего прогноза. В данной-работе разработан механизм формирования очагов внезапных выбросов угля и газа, построена математическая модель физических процессов, происходящих в тектонически нарушенных углях, разработаны методические основы для разработки мето-. дов текущего прогноза.

В настоящее время в качестве рабочей гипотезы природы газоди намических явлений принята энергетическая теория, которая рассмат ривает выброс угля и газа как лавинообразный процесс разрушения, отторжения и транспортировки угля вследствие реализации энергш горного давления и газа, накопленной угольным массивом, обладающш определенными физико-механическими и физико-химическими свойствами.

Все энергетические теории внезапных выбросов угля и газа не рассматривают механизм переноса энергии, в силу чего имеются недостаточно обоснованные представления о механизме развязывания внезапного выброса и его дальнейшего развития. В ряде случаев, необоснова-но применяются противовыбросные мероприятия,. что ведет к нарушению технологического режима отработки пластов и снижению безопасности сорных работ.

На основании изложенного, научная проблема разработки теоретических основ механизма ударно-волнового разрушения угля и кинетического воздействия газового потока на движение разрушенной массы, позволяющая совершенствовать методы текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа и способы их предотвращения, является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в рамках исследований по целевой комплексной программе Минуглепрома СССР ЦКОП 150805, по региональной программе "Сибирь" АН СССР (подпрограмма "Уголь Кузбасса") в соответствии с планом научно-исследовательских работ Кузбасского Государственного технического университета 1981-1989 гг.

Целью работы .является разработка теоретических основ .влияния волновых процессов на газодинамику угольных пластов, позволяющих совершенствовать методы текущего прогноза и обеспечивать предотвращение внезапных выбросов угля и газа и безопасные условия труда.

Основная идея работы заключается в теоретическом обобщении и моделировании ударно-волнового разрушения угольного пласта, кинети-

веского воздействия газового потока на движение разрушенной массы и

образование ударной воздушной волны.

Задачи исследований;

- изучить механизм образования выбросоопасных зон угольных пластов;

- определить условия образования термодинамической диссипативной структуры в призабсйной зоне разрабатываемого угольного пласта;

- исследовать условия образования волн разрушения в газовых коллекторах и упругих средах массива горных пород;

- исследовать механизм образования полости выброса;

- изучить влияние кинетической энергии движения газоугольной смеси на образование воздушной ударней волны.

. "етоды исследований:

- анализ и обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований физических процессов, происходящих в выбросоопасных угольных пластах;

■ синергетическое моделирование газодинамических процессов, влияющих на безопасность ведения горных работ, на основе механики сплошных сред, газовой динамики и нелинейной акустики;

• научно-техническое обобщение к анализ имеющихся шахтных наблюдений, связанных с проявлениями внезапных выбросов угля и газа;

■ корреляционный анализ связей менду различными газодинамическими параметрами для обработки имеющихся экспериментальных данных.

Научные положения, представленные к защите: при градиенте газового давления, превышающем критическое значение, режим движения газового потока становится турбулентным, что зызывает фильтрационные деформации и фильтрационные разрушения угольного пласта, приводящие к механической суффозии; в тектонически нарушенных зонах угольных пластов, находящихся в зоне влияния горных выработок, при отрицательном коэффициенте поглощения энергии волны создаются условия для образования стоячих волн и резонансных процессов нелинейного газодинамического волнового поля;

при скачкообразном изменении напряженного состояния массива горных пород в призабойной зоне формируется нелинейное упругое вол-нозое поле, в котором при вязкости меньшей вязкости окружающего массива образуются ударные волны разрушения;

- лавинообразный процесс трещинообразования в призабойной зоне и формирование полости выброса происходит за счет взаимодействия' нелинейных упругих и газодинамических волновых полей;

- при движении гетерогенного потока из горловины полости выброса на фронте волны плотность и давление рудничного воздуха скачкообразно возрастают и образуют ударную воздушную . волну, определяющую движение газоугольной смеси по горной выработке.

Достоверность научных положений подтверждается:

- построением математических моделей на основе современных представлений о физических процессах, происходящих при газодинамических явлениях;

- использованием методов механики горных пород, деформированного твердого тела, газовой динамики и нелинейной акустики;

- сходимостью в пределах (10-20%) расчетных и экспериментальных значений энергии при внезапных выбросах угля и газа.

Научная новизна выполненных исследований состоит:

- в построении математической модели движения газового потока в тектонически нарушенных зонах, которая позволила определить режимы движения газа и определить условия возникновения механической суффозии;

- в определении фильтрационных параметров тектонически нарушенных углей;

- в определении условий образования нелинейных газодинамических волновых полей и возникновении резонансных явлений в тектонически нарушенных зонах;

- в установлении условий формирования упругих ударных волн разрушения;

- в разработке механизма образования полости выброса за счет взаимодействия нелинейных упругих и газодинамических волновых полей;

- в построении математической модели движения гетерогенной среды из полости выброса и образования ударной воздушной волны, определяющей движение газоугольной смеси по горной выработке.

Практическая ценность работа заключается в разработке метода

двухстадийного прогноза выбросоопасных зон впереди забоев горных

выработок, основанного на выявлении наличия потенциально выбросоопасных зон и оценки степени их реальной выбросоопасности, позволяю-

щего повысить безопасность горных работ путем своевременного применения противовыбросных мероприятий.

Личный вклад автора состоит в изучении механизма образования выбросоопасной газодинамической зоны под действием тектонических нарушений массива горных пород.

В построении математических моделей нелинейного акустического поля выбросоопасной газодинамической зоны, где возникают ударные волны, вызывающие лавинообразное разрушение угольного .массива. В исследовании причин появления ударной воздушной волны, определяющей движение выброшенной массы угля по горним выработкам.

Разработке методики оконтуривания опасных по внезапным выбросам тектонических нарушений в выемочном блоке впереди очистного забоя и методики своевременного обнаружения выбросоопасных зон в угольных пластах и- включений впереди забоев полевых выработок.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на межвузовских научных конференциях (Кемерово, 1993, 1994, 1995г.г.), на I научно-практической республиканской конференции по природным и интеллектуальным ресурсам Сибири (Кемерово, 1995 г.), на научно-техническом совете ВостНИИ (Кемерово, 1995 г.), на техническом совете АО "Беловуголь", на Международной конференции "Гесмехани-ка-96" (Острава, 1996), на заседании центральной комиссии по внезапным выбросам (Кемерово, 1996).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 монографиях и 18 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 214 страницах, содержит 9 таблиц, 34 иллюстраций, список литературы из 225 наименований.

Автор выражает благодарность за помощь в работе сотрудникам кафедры АОТП КузГТУ, лаборатории борьбы с внезапными выбросами угля и газа ВостНИИ , а также за научное консультирование докторам технических наук, профессорам В.А.Колмакову, В. Н. Вылегжанину, П.В.Егорову.

- 6 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Обоснование направления работы

Основополагающие исследования по борьбе с внезапными выбросами угля и газа в шахтах принадлежат А.А. Скочинскому, С.А.Христианови-чу. В.В.Ходоту. О.И.Чернову. И. М. Петухову, В.И.Мурашову, И.В.Боброву. Значительный вклад в изучение природы выбросоопасности, научное обоснование и разработку методов прогноза и предупреждения внезапных выбросов внесли исследования А.Т.Айруни, А.Д.Алексеева, М. С..Ан-циферова, М.И.Большинского, А.А.Борисенко, Л.А.Вайнштейна, Ю. Ф. Ва-сючкова, В. С.Середы, Н.Е.Волошина, Э.И.Гайко, Г.И.Грицко, В. Е. Заби-гайло, А.А.Зорина, В.С.Зыкова, Б.М.Иванова, В.С.Иванова, А.Ф.Клебанова. В.П.Кузнецова, С.В.Кузнецова, Н.Ф.Кусова,А.М.Линькова,В.В.Лу-кинова, В.С.Маевского. С.В.Мирера, В. И.Николина, Н.В.Ножкина, А.Е. Ольховиченко, А.Э.Петросяна, Н.М.Проскурякова, В.Н.Пузырева. Г.Я.Полевщикова, Е.И.Рогова, Е.С.Розанцева, И.В.Сергеева. Г.Я.Степановича, А.В. Шестопалова, И.Л.Эттингера, Г.Н.Фейта, М.Ф.Яновской, С. А. Ярунина, Д. Понтера, Л. Германа, Ю. Литвинишина, Р. Д. Лама, Л.Сирота, А.Харгривса, и др.

Успешно развивают меры борьбы с внезапными выбросами, горными ударами и другими динамическими явлениями с привлечением методов геомеханики В.Н.Вылегжанин. П.В.Егоров, А.Н.Зорин, С.В.Кузнецов, М.В.Курленя, В.Н.Мурашов, И.М.Петухов, В.Н.Родионов, Г.Н.Фейт и др.

, Однако несмотря на имеющиеся достижения в области теории и практики борьбы с внезапными выбросами угля и газа в шахтах, ряд принципиально важных вопросов решения этой проблемы, в особенности механизма формирования выбросоопасных зон и полостей выброса, не решен или требует дальнейшего развития. Не решенным вопросом является кинетическое воздействие газового потока на движение разрушенной массы. Их решению и посвящена настоящая работа.

2. Фильтрация газа в тектонически нарушенных зонах

Анализ условий возникновения выбросоопасных ситуаций на шахтах Кузбасса, по данным ВОСТНИИ показывает, что 96% опасных участков.

на которых произошло 76% всех выбросов связаны с дизъюнктивными и крупными пликативными нарушениями типа закрытых антиклинальных складок. Эти - участки располагаются ниже смесителей дизъюнктивов и антиклинальных складок.

Размеры опасных газодинамических зон на шахтопластах имеют линейно вытянутую форму и разные размеры. По простиранию пласта протяженность газодинамических зон изменяется от 250 м до 1250 к. По падению пласта размеры зон изменяются от 75 м до 125 м.

Принадлежность опасных участков к тектоническим нарушениям можно объяснить условиями миградш газа в угленосной толще, подверженной горизонтальному сжатию.

Трещинообразование горного массива в зоне тектонических нарушений приводит к повыие"нию пустотности в несколько раз. С увеличением пустотности давление газа падает. Образовавшийся градиент давления определяет фильтрационный режим движения газа в нарушенной зоне.

Замкнутая система уравнений неразрывности, движения и состояния приводят к уравнению фильтрации газа с учетом перемещающейся поверхности газоносного массива со скоростью ш0 при наличии дополнительных источников газа мощностью ц.

ее , з з20 з кт е0 —- = 1 ——,+ ш^а' I — -— - а^ = 0. 1) а! 1 = 1 1,! к ах,

где 8(Н) - потенциальная функция, предложенная Б.А.Колмаковым.

9(Н) -Г г"а Г— )ар1(Н)сЗН . (2)

1 \дх1)

Решение уравнения (1) при соответствующих краевых и начальных условиях позволяет определить интенсивность газовыделения через любую поверхность Г.

В работе рассчитана интенсивность газовыделения в зоне тектонического нарушения некоторых пластов Кузбасса.

Из таблицы следует, что в зоне тектонически нарушенных углей относительная интенсивность больше 5. В.С.Истомина, А.Н.Патрашев установили, что при таком режиме фильтрации нарушается фильтрационная устойчивость грунта. Для угольных пластов это означает, что одновременно с движением газа в сильно нарушенных углях, в скелете

которого содержится угольная мука (мелкодисперсные частицы), начинаются фильтрационные деформации и фильтрационные разрушения. Филь-

Таблица 1

Пласты ^шах м3 /м2мин м3/м2мин ^тах

Прокопьевский 0, 0041 0, 00063 6,5

Мощный 0, 0032 0, 00052 6,1

Безымянный 0,0054 0, 00087 6,2

трационные деформации меняют структуру скелета угольного массива, но сами частицы не теряют связи между собой. При фильтрационных разрушениях утрачивается связь между частицами угля и под действием фильтрационного потока газа мелкодисперсные частицы угля начинают движение через трещиноватопористую среду, т.е. имеет место механическая суффозия. В процессе суффозии мелкодисперсные частицы закупоривают тупиковые поры и трещины, а также транспортные каналы, размеры которых соизмеримы с размерами частиц угля, движущихся в газовом потоке, т.е. происходит кольматаж зоны нарушенного массива. Снижение эффективной пористости ведет к уменьшению газопроницаемости этой зоны и повышению давления газа.

3. Исследование механической суффозии в выбросоопасных зонах угольных пластов

Для описания процесса движения газоугольной смеси рассматривается' отдельно движение газа относительно твердой фазы (межфазовое скольжение) и переносное движение газа со скоростью твердой фазы щ.

Дополнительно учитывается поток количества движения, определяющийся переносом частиц со скоростью через поверхность выбранного объема. На основании сказанного, используя уравнение неразрывности, получено уравнение движения некоторой фиктивной пористой среды, состоящей из каркаса частиц и входящей в него газовой фазы, под действием объемных сил.

д_

V эъ

+ = - у1Р + (3)

- В реальных условиях движение газоугольной смеси происходит в поровом пространстве угольного пласта, разгруженного от горного давления, поэтому существенную роль играет взаимодействие слоя со стенками поровых каналов.

Исследование движения двухфазной среды вблизи стенок порового пространства дало возможность сформулировать следующие граничные условия для полученных дифференциальных уравнений термодинамически неравновесных процессов: 1). На поверхности пристенного слоя имеет место непрерывность нормального потока и тангенциальной скорости газа, непрерывность касательного и нормального напряжений. 2) На твердой границе пор будем предполагать, что нормальная и тангенциальная составляющие скоростей газовой фазы обращаются в нуль.

Одной из задач исследования является определение насыщенности порового пространства свободными частицами в процессе фильтрации, т.е. определение концентрация частиц С(х, I) в поровом пространстве.

Полученное в работе уравнение для определения концентрации С(х, ^ микродисперсных частиц в фильтрационном потоке как частный случай уравнения (3) имеет вид 69 020 V Об

--П^---, (4.) где 0 = /0(с)йс. (5)

Из полученного решения уравнения (4) следует, что через некоторое время после начала процесса в зоне турбулентной фильтрации формируются миграционные поля, зависящее от отношения расходов твердого материала и газа.

Найденная в работе функциональная зависимость фильтрационных параметров тектонически нарушенного угольного массива под влиянием механической суффозии имеет вид

т0

Ш(Х, Ь)=— [С0-С(х, и (Шр-П)! )] . (6)

Со

к(х, I) = с£т(х, ие81. (7)

Для тектонически нарушению пластов Киселевско-Прокопь-евского района проведень расчеты. газопроницаемости. Средний коэффициент газопроницаемости таких пластов угля на тронутых горными работами составляет 16-10"5мД. Для ненарушенных пластов, не опасных по выбросам, этот коэффициент равеь

125- 10"5мД, т.е. в 7,5 разе больше, чем в первом случае.

Проведенные расчеть согласуются с исследованиями О.И.Чернова, В. И. Пузырева, ¡0. С. Премысляра, М. Ф. Яновской. Следовательно, опасные зоны, подверженные тектоническим нарушениям, в сравнении с неопасными отличаются низкой газопроницаемостью и более высоким газовым давлением. (Рис.1)

4. Ударно-волновая модель внезапного выброса угля и газа

На волновую природу внезапных выбросов угля и газа впервь указали такие ученые, как С.А.Христианович, С.В.Кузнецов, И.М.Пет^ хов, А.М.Линьков, А.А.Никольский. В продолжение их исследований работе предложена ударно-волновая модель внезапного выброса угля газа.

Ударно-волновая модель внезапного выброса угля и газа предпс лагает скачкообразный характер протекания процесса разрушения с свойственным ему импульсивным движением потока энергии вещества Применительно к разрабатываемому_угольному пласту энергия и вещест во диссипируют из внутренней системы во внешнюю среду. При этс процесс носит необратимый характер.

Исходя из общей синергетической модели рассмотрен характер изменения энергетических потоков в деформируемой выбросоопасной

> ю к х,м

Рис. А. Изменение пористветн к гаэопронниаености а тектонически клруаеинои угодаиеи плаете при различных значениях концентрации иадеодиопероных чаетнц в пороаьи пространстве; ....

■ 1 - с. ^--г.- с см;-- о,о»-

3-

- И -

среде, для чего выделен элемент горной среды массива д г о. Предполагается, что в пространстве й(х1хгх3) горного массива до начала горных работ все элементы шик упорядочены и образуют

пространственную решетку (каркас) среды. При деформации массива ии0) элемент ШиК поглощает энергию упругой деформации ДЕ^ 3 к, которая увеличивает внутреннюю энергию элемента Л1т-1П: Потенциальная энергия элемента в зависимости, от деформации е может принимать различные значения. и=«„е„„в потенциально« „,„„ Точка е0 соответствует по-

^:"?^вв2л;„нГ4Нинмь тенциальной энергии Д110 уп-

3 - потенциальный барьер при ргорухеэдих ехжеинях )

ругого восстановления элемента (основное состояние элемента). Соответственно точка £. определяет потенциальную энергию ди. сцепления (возбужденное состояние шик - "потенциальный барьер"). Случайные величины ди0 и ди, зависят от Физико-мехакических свойств и размеров элемента «ик. (Рис.2)

Разность (ДЕХ зк-Ди1^ к} характеризует собой переход элемента среды а>ик с одного энергетического состояния в другое. Такие переходы могут происходить независимо от действия внешнего звукового поля или могут быть индуцированы им. Пусть в фазовом пространстве имеются две области энергетического состояния элементов среды |{2+| и |й"|. Пусть 1ш2 число элементов находится в возбужденном состоянии, а Хш! - в основном состоянии. При прохождении волны через область | эта волна инициирует переходы из одного энергетического состояния в другое. Вероятность перехода с поглощением энергии будет пропорциональна плотности энергии звукового поля о и некоторому коэффициенту Р1>1+1, характеризующему вероятность возбуждения данной системы. Вероятность поглощения будет Р1.1-1З. Невозбужденные элементы среды под воздействием волнового поля могут совершать только переходы с поглощением энергии. Элементы ш13к, на-

холящиеся в возбужденном состоянии, могут либо поглощать энергию поля, переходя на более высокий уровень, либо, разрушаясь и отдавая энергию, возвращаться на более низкий энергетический уровень, т. е. имеет место явление бифуркации.

А. В. Шестопалов установил, что при прохождении волны через элементарный слой толщиной 1 происходит ослабление ее интенсивности, т.е.

I « I0e-kl, (8)

где К - коэффициент поглощения; 1 - толщина слоя.

Учитывая определение интенсивности I=Jc, где с - скорость звука в данной среде, найден коэффициент поглощения К.

К - ItüjPi j.Jl - —-1-AU/c. (9)

'к Щ)

Если число элементов фазового пространства |Q*| меньше числа элементов |Q+|, т.е. Хш^ Щ,. "то коэффициент поглощения К>0, а это означает затухание звуковой волны. При > 1шг К<0 и тогда интенсивность звукового поля растет, -т.е. разрушается зона между |fi"| и |Q+1. что можно связать с возникновением выбросоопасной ситуации и развитием выброса.

Проведенный анализ суффозии и энергетических переходов позволяет утверждать, что в зоне тектонических нарушений имеют место потоки вещества и энергии, что является необходимым условием образования термодинамической диссипативной структуры в призабойной зоне разрабатываемого угольного пласта, которая определяет геометрическую и физическую нелинейность выбросоопасной газодинамической зоны.

Геометрическая нелинейность обусловлена особенностями деформирования элементарного объема и характеризуется квадратичным членом su, аи,

--- , в тензоре деформации е1К.

Физическая нелинейность определяется отклонением от квадратич-ности в законе Гука и характеризуется модулями третьего порядка. Нелинейная среда определяет нелинейный характер акустического поля, образующегося в призабойной части угольного пласта.

Нелинейное акустическое поле составляют нелинейные упругие

волны. Образование акустически активной зоны возможно за счет того, что некоторый объем горной среды подвергнут упругому воздействию с некоторым напряжением б. Рассмотрены условия при которых может измениться напряжение в таком объеме горной среды. В.Н.Родионов, А.Н.Ромааев, В.В.Адушкин установили, что в зоне взрыва деформирование происходит в плоскости пласта, ' что свидетельствует об упругом характере сил, вызывающих деформации и об образовании высокой концентрации напряжений, что может инициировать образование упругих волн.

Эксперименты, описанные М. П. Зборщиком, В.В. Осокиным, Н.М. Соколовым показывают, что в условиях быстрсй разгрузки в угле возникает волна разряжения, представляющая собой быстро протекающий процесс деформаций упругого восстановления среды. Под действием растягивающих напряжений волны разряжения происходят деформации элемента горного массива. Источником таких деформаций являются запасы потенциальной энергии упруго сжатой среды. Установлено, что деформации носят импульсный незнакопеременный характер, что может служить источником зарождения упругих нелинейных волн в лризабсйнсй зоне зыб-росоопасных угольных пластов.

При воздействии горнодобывающей техники в горком массиве возбуждаются импульсные колебания разных гармоник.

При определенных скоростях работы выемочных агрегатов частота их колебаний может стать близкой к частоте собственных колебаний массива. В итоге может наступить резонанс. Образовавшиеся таким образом упругие волны можно назвать авторезонансными волнами.

Таким образом, под воздействием различных сил призабойная часть угольного пласта подвергается упругому воздействию с напряжением б, что свидетельствует о наличии акустически активной нелинейной среды.

Учитывая геометрическую и физическую нелинейность призабойной зоны рассмотрена нелинейная математическая модель движения диссипа-тивной сплошной среды.

dx dn

Уравнения характеристик — =v(n) и — =0 (10) определяют решения при начальном условии п(х. О)НР(х) в виде волны Римана n(x.t) =F[X-V(n)t], (И)

- 14 -

где п(х,Ю- плотность частиц нелинейной среды.

Профиль волны п(х,I) выражен неявно. Кроме того, скорость движения -различных точек профиля различна. Она зависит от значения п в каждой точке. Если v'(n)>0, то волна Римана укручается и при этом возможно ее опрокидывание. Исследуем условие опрокидывания волны, для чего продифференцируем решение (И) по х и 1.

1= <«>

I. _ (13)

Отсюда § - -§(14)

0Х 1+Е- - Ь ^ 1

Опрокидывание сопровождается обращением в бесконечность производных дп/дх и дп/ОЬ. Имеется по крайней мере два механизма, сдерживающих опрокидывание волны. Это во-первых, механизм диссипации среды. Вторым механизмом может быть дисперсия-волн, т.е. нелинейная зависимость частоты фурье-гармоник от волнового числа К.

Взаимодействие диссипации среды и дисперсии волн можно описать модельным уравнением вида

Ш + п еи _ Ке + в ,

д1 + и а? ' Ее Ш + Р Ш' (15)

Количественно соотношение роли нелинейных диссипативных процессов характеризуется акустическим числом Рейнольдса (Ее). Установлено/ что в опасных тектонически нарушенных зонах вязкость V среды существенно уменьшается, а в окружающем массиве горных пород

у

вязкость V* достаточно велика, поэтому >1. При йе>1 преобла-

дают нелинейные эффекты и происходит сильное искажение профиля волны, приводящее к образованию ударных волн. Влияние коэффициента вязкости на профиль волны следует из решения уравнения Бюргерса, которое вытекает из модельного уравнения (15) при (5=0; йе=у>0.

Из полученного решения следует, что с уменьшением вязкости в направлении к поверхности забоя возникает конкуренция двух противоположных процессов: укручения из-за нелинейности и затухания из-за

вязкости. Таким образом имеем диссипирующую волну, а вязкость V является мерой диссипации.

Кроме диссипации, укручению волны препятствует-дисперсия волн. Влияние дисперсии описывается уравнением Кортевега- де Вриза (КдВ), которое вытекает из уравнения (15), если йе^О.

Анализ полученных решений уравнения КдВ показывает, что скорость и форма волны зависят от амплитуды возмущения и параметров невозмущенного слоя, на фоне которого распространяется волна. Появление такой зависимости обусловлено нелинейностью среды.

Таким образом, из решений модельного уравнения (15) следует, что конкуренция между диссипацией и дисперсией приводит к возрастанию крутизны Фронта волны и "расползанию" возмущений на уединенные волны. В ассимптотическом приближении уединенные волны имеют вид

и(хД) = - - агзес?гг [а(х-аЧ)/2]. (16)

Характерной особенностью нелинейных волн является их нелинейное взаимодействие, т.е. уединенные волны после их столкновения выходят неизменными. Способность уединенных волн после столкновения сохранять в точности первоначальную форму показывает, что энергия, переносимая волной, может распространяться в виде локализованных устойчивых "пакетов" без рассеяния.

На основании проведенных исследований проведены расчеты акустических характеристик углей с различными параметрами. (Табл.2)

Расчеты акустических характеристик углей с различными параметрами V и Е.

Таблица 2.

Е - Ю-4 МПа р -10^ кг/м V Г ■ 1 ГГ 3 и | X V м/с Сг ■10"3 м/с ш, • Ю- 4 1 с"1 «с 'Ю-4 с"1

2, 4 1,53 О, 03 1,44 0,77 1,88 1,00

2,8 1,54 0,35 1,71 0,82 24 1. 06

3,2 1,55 0,37 1.89 0.86 2,47 1. 13

3,6 1,56 0,39 2, 15 0, 91 2, 81 1, 19

4,0 1,57 0,41 2, 44 0.95 3,19 1,24

4,4 1, 58 0, 43 2, 77 0,99 3,63 1,29

4,8 1,59 0,45 3, 26 1,02 4,27 1, 34

5,2 1,60 0,47 4,43 1,06 5,80 1,39

Продолжение таблицы 2.

А, М - 10г амплитуда £=шА/С деформация б=рСи)А Г --10-ю СМ'с2 напряжение ■даг- интенсивность волны Г/СМ3 W-10"17 эрг энергия волны

5,32 0,69 2, 20 2,20 . 0,761

4,46 0,58 2,61 2,63 0.772

4,04 0,53 2,89 2,98 0,781

3,56 0,46 3,29 3,31 0,792

3,13 0,41 3,73 3; 64 0,796

2,75 0,36 4,24 4,28 0,803

2, 34 0,31 4,99 5,03 0,821

1,72 0,22 6,78 6.87 0,852

После отражения ударной волны сжатия от поверхности забоя в массиве угля возникают отрицательные давления, т. е. на тело действует растягивающее усилие бг (волна разряжения).

[ Дб

бг = А+Р| — I , (17)

х

где х - расстояние от поверхности забоя; Дб/х - градиент отражения.

Если растягивающее напряжение превышает предел прочности угольного массива на разрыв (б{>бр), то в соответствующем месте поверхности забоя происходит разрыв, "откол". Этот эффект назван С. А.Христиановичем волной дробления. От поверхности забоя откалываются пластины угля'и, отделяясь от массива, отлетают в сторону выработки с определенной скоростью.

Появление волны дробления является предвестником ВВГУ.

5. Образование волн разрушения в газовых коллекторах массива горных пород

В реальных условиях угольный пласт представляет собой сложную структуру, содержащую множество частью сообщающихся, частью изолированных друг от друга пустотно-пористых объемов различного размера. Внутри каждого из таких объемов имеется свободный газ под тем или иным давлением. В обычных условиях в пласте существует определенное равновесие между изолированными пустотно-пористыми объемами.

В момент вскрытия трещин давление свободного газа будет ниже природного, по истечении определенного промежутка времени в них на-

капливается то количество газа, которое успевает сдренироваться из фильтрационного объема среды, представленной микро- и макропорами.

В силу неустойчивого равновесия системы газонаполненных трещин повышение давления в них будет происходить импульснс. При периодических импульсах с большой частотой воздействия в выбросоопаскых угольных пластах происходит дополнительное увеличение давления газа в системе трещин и пор.

Повышение давления свободного газа в угольном пласте связано с появлением внутренней энергии газоносного блока. В. В.Ходот отмечает, что дане при обычных давлениях газ в выбросоопасных зонах обладает очень большой энергией. Так 1 м3 метана, находящийся под давлением более 10 кПа обладает энергией до 8,7 Дж/см3, Этой энергии вполне достаточно для разрушения углей до высокой степени диспергирования. Однако само наличие энергии газа не может служить доказательством разрушения угля за счет этой энергии. Вопрос заключается в механизме переноса энергии.

Энергия в любой среде переносится волнами. Импульсное повышение давления свободного газа в газовых коллекторах горного массива распространяется в виде волн сжатия со скоростью звука в данной среде. Основными параметрами волн сжатия являются давление и плотность газа, скорость смещения частиц и температура среды. Связь между этими параметрами устанавливается уравнениями газовой динамики.

В работе рассмотрена одномерная гиперболическая система уравнений газовой динамики. Для ее решения применен метод характеристик, в связи с чем система приведена к виду

Эу 1 ср гду 1 9рч уа

— +--£ + (V ± а) ■— ± —■ г11 = ± п —. (18)

dt ра 3t V3x ра öxi х

Рассмотрено плоское изоэнтропийное течение (простые волны). в этом случае вдоль всех et - характеристик имеет место соотношение

ае - 1

Jo± = ve 1 r-V . (19)

где у0 и а0 - скорость газа и звука. Отсюда следует, что вдоль каждой с. - характеристики ( поскольку

она пересекается с с+ - характеристиками ) оба инварианта постоянны, т.е. параметры потока газа вдоль с. - характеристик тоже постоянны ( но различны для разных характеристик ). Это допущение дает возможность построить аналитическое решение задачи. В данном случае повышение давления газа в коллекторах будет представлять собой слабую волну сжатия.

Рассматривая эволюцию такой волны, исходя из нелинейного характера уравнений газовой динамики можно установить, что по мере распространения волна сжатия всегда укручается.

В связи с тем, что каждая с+ - характеристика имеет свои определенные значения параметров, волна сжатия станет очень крутой и возникнет разрыв параметров потока. С увеличением градиентов параметров потока в действие вступают явления молекулярного переноса диссипативного характера, которые препятствуют излишнему укручению волны. В результате этих процессов формируется устойчивый скачок сжатия со стационарной структурой, называемой ударной волной. Однако в газовых коллекторах угольного пласта при слабом сжатии волна затухает раньше, чем сформируется ударный фронт. Избежать ослабления образовавшихся ударных волн можно в замкнутых полостях. Такими ■замкнутыми резонансными полостями служат трещины и щели угольного пласта.

Краевая задача о колебаниях газа в закрытой полости допускает классическую постановку и решена в предположении об одномерности течения в пренебрежении эффектами- вязкости и теплопроводности. Решение задачи в первом приближении дает стоячую волну

V = 1ш соз(шШ ———-г-г- (20)

V 51п(Ьш/а) 1

где V - скорость газа; I - время; 1 и ш - амплитуда и частота колебаний соответственно; I - длина полости.

Образовавшаяся стоячая волна существует в закрытой полости, если длина волны находится в определенном соотношении с размерами полости. Это условие выполняется для ряда частот ш1,ш2,____шп.....

называемых собственными частотами данного объема.

Из решения (20) определяются резонансные частоты системы, при которых амплитуды колебаний становятся достаточно большими.

(й0 = Ж - 2[(К+1) 10]1/2 (Ат+с)/[(Ат+с)г + 1]1/г, (21)

л 4 ТИ 4. • Я-ш0(0)

^ А = з ^%(0)1о: с»1вп; ат

Отсюда находятся выражения для определения остальных средних характеристик газа.

• - ""["'У'): <».

Во (0)

Тпрел = То(0) -^^т^2-1 . (23)

6. Развитие внезапного выброса и формирование полости выброса

Рассмотрим механизм разрушения массива угля ударной волной за счет образования микро- и макротрещин сдвига и отрыва, прорастания по какой-либо части контура существующей трещины, потери несущей способности какого-либо объемного концентратора напряжений и т. д.

Исследуем характер прорастания трещин в массиве угля. По исследованиям А.Н.Зорина установлено, что в волновом поле в условиях сжатия возможность разрушения обусловленного прорастанием трещин сдвига, определяется величиной эффективного сдвигового напряжения fit.

- |бт ! - М1б„1. где (24) бх.бп- касательное и нормальное напряжение в плоскости трешины; д - коэффициент трения между берегами трещин.

Для описания деформаций среды до момента разрушения можно воспользоваться уравнениями теории упругости трещиноватых сред.

Р = (р-р0)Сг. (25)

* = Go"1 I ЗРФЕ,- ' (26)

ф = Na3. (21

I )

где Р, р - давление и плотность среды; С - скорость звука; К, т - сдвиговая деформация и сдвиговое напряжение;

а - радиус дискообразной трещины; р - коэффициент трения; С0 и Е0 - модули Юнга в ненарушенной среде. Согласно представлениям Гриффитса, с увеличением напряжения б на-

чальная длина трещины будет постоянной до тех пор, пока напряжение на достигнет критического значения

бкр=/ 2М£ , , (28) кр / зг1 {1 -V2)

где е - величина поверхностной энергии;

)Х. V - упругие постоянные материала; 1 - полудлина трещины. При б>бкр происходит резкое увеличение скорости роста трещины. В качестве критерия полного разрушения массива угля выберем условие предельной концентрации трещин ф = ФкР, (29) соответствующее концентрационному критерию, определяющему начало стадии неустойчивости.

После выполнения условия (28) для описания деформационных свойств среды воспользуемся уравнениями состояния раздробленного массива. Эти условия выражаются в виде деформационного уравнения

(30)

1 £Е . Л

р 311 к )

. . ■ (31)

ОЬ 011 С ) П

где Л - коэффициент дилатансии; п - вязкость. Исходя из уравнений (30) и (31) имеем '

(32)

где К - модуль сжатия; £ - уплотнение в волне разрушения;

Сх, Ст - скорость продольных и сдвиговых упругих волн.

~ р_р<->

I - - , (33)

к

знак (-) относится к величине за фронтом волны. Для роста трещин необходимо, чтобы выполнялось условие х1Г>т1Г<"), (34) а это возможно, если продольная скорость волны будет больше скорости звука. С учетом (28) и (30) можно получить величину полного уплотнения в волне в момент разрушения (в момент выполнения условия (29)).

£ > -4Т" (35)

зк( (4+1?г + ц)

Из выражения (35) следует, что амплитуда (е) продольной упругой волны должна быть много больше статического предела прочности.

При интенсивностях волн, близких к минимально возможным, число вовлекаемых в рост трещин определяется минимальными эффективными напряжениями в ударной волне

^И(ЯЧП) = | Кб( И^Т + м). (36)

достигаемыми при уплотнениях ~ г

£»1П =6=^-1. (37}

Таким образом, число трещин растет, при этом увеличивается и длительность акустического импульса. Акустический импульс, образующийся вместе с трещиной, распространяясь в среде, взаимодействует с ней. Импульс несет определенную энергию и способен создавать давление Р, прибавка которого к общему статическому напряжению б0 (вызываемому внешними силами) будет усиливать эффект образования новых трещин и их интенсивный рост, что вызовет генерацию следующего акустического импульса, т. е. наступает этап нестабильности трещкнс-сбразования.

Избыток выделенной энергии переходит в кинетическую энергию, которая определяет скорость распространения трещины в массиве. При вершине распространяющейся с большой скоростью трещины (утр»105см/с), скорости деформирования очень велики. В работе исследовано распределение напряжений при вершине трещины, распространяющейся с большой скоростью.

Доказано, что после того, как размер трещины дополнительно увеличивается на ас/2, кинетическая энергия будет полностью израсходована на распространение отзэтвления трещины. Если не будет притока энергии, то скорость распространения трещины упадет до нуля.

Приток дополнительней энергии в выбросоопасной газодинамической зоне возможен за счет изменения газового давления. Ранее установлено, что зона тектонического нарушения представляет собой газо-

непроницаемую зону с высокой концентрацией свободного газа, находящегося под давлением, превосходящим давление газа в окружающем массиве. За счет перепада давления в массиве угля происходит образование ударных газодинамических волн, что приводит к перераспределению энергетического баланса и росту внутренней энергии массива.

Рост внутренней энергии массива за счет ударных газодинамических волн приводит к состоянию неустойчивого равновесия системы п-газонаполненных трещин. С течением времени размер области фильтрационного взаимодействия растущих магистральных трещин увеличивается. Таким образом, в описанной газодинамической зоне происходит передача упругой энергии по схеме: трещина-волна-трещина, что приводит к генерации лавинного трещинообразования. На фронте волны происходит камуфлентое микроразрушение с постоянной и максимально возможной для данного выбросоопасного состояния скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной среде.

Процесс камуфлетного микроразрушения угля в выбросоопасной газодинамической зоне формирует полость выброса.

По мере ведения горных работ акустическая зона перемещаете? вглубь угольного массива, охватывая все новые области пласта. . I этих областях, наряду с процессами упругого деформирования и пластического течения, развиваются и процессы хрупкого разрушения. I результате роста энергии волнового поля процесс хрупкого разрушенш становится неравновесным и может набрать темп, достаточный для перехода от микроразрушений к макроскопическому, катастрофическом; разрушению.

Поведение процесса разрушения во времени аналогично его поведению в пространстве, так как наблюдаемые вариации растрескиванж имеют различный характер по плоскости забоя. Это значит, что 1 предвыбросные периоды разрушения концентрируются в определенных зо нах поверхности забоя, которые чередуются с областями упрочнения запирающими газ. десорбирующийся в местах усиленного разрушения. . этих зонах могут быть созданы местные условия высокой концентраци: микроразрушений при общем среднем невысоком уровне акустической ак тивности. При достаточно высоком уровне энергии ударной волны, ко тарый превысит концентрационный порог разрушения, начинается самоп роизвольное макроразрушение- динамическое явление. Проявлением та

кого разрушения будет взрыв на выброс с образованием воронки выброса. Такая воронка выброса и является горловиной полости выброса.

7. Кинетическое действие газового потока на движение выброшенной массы

Полнее рассмотрение движения гетерогенной среды в полости выброса вызывает большие трудности в связи с неоднородностью потока и формы полости выброса. В качестве математической модели принять движение гетерогенной среды в канале переменного диаметра. Исходя из законов сохранения массы, импульса и энергии составлена система уравнений, описывающих стационарное, квазиодномерное течение двухфазной среды в каналах переменного сечения.

При введенных безразмерных переменных решение полученной системы уравнений дает возможность определить критические параметры

потока гетерогенной среды.

щ = ------ , (38)

2 (-ф—у ф1 + wr*> + (i+i&.a)

где индексом (*) обозначены значения критических параметров. Кроме того, учитывая, что dU/dx*0, находим

1 fdS ^ цC'a' fCp......) i (âUg

к*е* - 1 + ф* — —Н-Б" Ш') Сриг*П! 1сп I V I иХ )

где

/а* 1 2(иг *)

ф' = дк'с* -с-к* дГ'---—;-(1-е*).

1а*-1 ! - (1+док, ) (Ь'г * )г

Из соотношения для критической скорости (39) видно, что У* всегда меньше скорости звука несущей средь; (газа). Уравнение (39) может служить для определения местоположения критического сечения. Так

как 5=5(х), то очевидно, что ф>0, ^->0 и Кб - 11 >0 и, следова-

,г[с 1* т

тельно >0, что соответствует условию для расширяющейся части

полости выброса.

Установлено, что место положения критического сечения всегда в расширяющейся его части за минимальным сечением по направлению движения потока. В соответствии с полученным решением явления, харак-

теризующие поведение дозвукового потока в расширяющейся части полости. начинают проявляться все более существенно и выражаются в падении скорости смеси до некоторого минимума, в то же время появляется максимум плотности давления и температуры за счет торможения потока.

В результате воздействия кинетической энергии движения газоугольной смеси на рудничный воздух, а также критического давления в переднем фронте волны выброса плотность и давление встречного воздуха скачкообразно возрастают, образуя ударную воздушную волну.

За фронтом ударной волны по горным выработкам перемещается зона сжатой метано-воздушной смеси. - Из условия непрерывности скоростей газоугольного потока и воздуха на их границе следует, что ударная воздушная волна является слабой, распространяется со скоростью, практически равной скорости звука в воздухе (342 м/с).

Для определения скорости распространения зоны интенсивной загазованности, а также возможных последствий от ударного импульса практический интерес представляет оценка скорости распространения фронта ударной волны иув и скорости слоя сжатой метано-воздущной смеси ум. Теория ударных волн дает эти соотношения, в частности иув = [(р - ра)(1/ра - 1/р)]1/2, (40) ун = 0,811ув [1 - (Са2/иув2)]. (41)

Температура на фронте ударной волны (К)

(цмршанЕ)

® 6Др + 720

Значения параметров ударной воздушной волны для различных избыточных давлений, вычисленные по формулам (40-(42), приведены в табл.3.

Общепризнано, что внезапный выброс представляет собой процесс нестационарного движения раздробленных частиц угля, и заключенного между ними газа в выработанное пространство и определяется взаимодействием волн трех типов. Это волна выброса (движение контактной поверхности), ударная воздушная волна и волна понижения давления (волна разряжения). Волна выброса и ударная волна распространяются по выработке с различными скоростями и поддерживаются за счет волны

- 25 -

разряжения, распространяющейся по области разрушения.

Таблица 3

Избыточное давление Др, кПа Скорость движения фронта у.в.в., м/с Скорость. " движения сжатого слоя воздуха v„. м/с Температура на фронте у.в.в., К Плотность воздуха на фронте кг/м3

0 340 0 288 1,25

1 341 2, 34 289 1,258

10 354 22,6 296 1,335

20 367 43,6 303 1.42

40 392 82,0 316 1,53

60 415 115 329 1,73

100 460 174 353 2,01

Ранее определены давление газа, скорость распространения газоугольной смеси и дальность ее распространения в зависимости от начального давления газа в пласте и количества свободного газа в зоне разгрузки.

Вслед за ударной воздушной волной движется поток газовоздушной смеси, скорость которого достигает нескольких десятков метров в секунду. Газовоздушный поток взаимодействует со стенками выработок, местными сопротивлениями и малоподвижным воздухом выработок, теряя при этом свою энергию. В конечном итоге скорость воздушного потока снижается. Закон затухания скорости (м/с) по исследованиям С.К.Са-венко можно представить в виде

Уя = ^ах ехр[-0й/(2«3)]5кй. (43)

где

р-коэффициент шероховатости поверхности выработки, 0,ООО4<0<О, 004; й. - расстояние, м; 5, к, £2 - коэффициенты снижения скорости при прохождении местных сопротивлений.

8. Двухстадийный прогноз предвыбростных разрушений угольных пластов

Лавинообразное разрушение . массива угля под действием нелинейных волновых эффектов характеризуется коэффициентом трещиноватости Ктр, представляющим относительный обьем пространства трещин в еди-

нице объема угля.

Прямые способы выявления зоны разрушения массива угля с помощью приборов (например. РВП-456) трудоёмки, малооперативны и не позволяют выявлять трещины, заполненные мелкодисперсными частицами угля в процессе механической суффозии.

Для текущего прогноза выбросоопасности необходимо знать наличие зоны активного трещинообразования. Для определения средних параметров .трещиноватости угольного массива можно воспользоваться методами геоэлектрических измерений. Б.Г.Тарасовым, В.В.Дырдиным, В. В. Ивановым.

4 Для практического использования предложенного метода определения формирующейся полости внезапного выброса предлагается следующая методика:

1. На исследуемом участке угольного пласта из забоя выработки бурят скважину, в которой производят измерения кажущегося УЭС по схеме потенциал-зонда. Электрическое сопротивление измеряется по формуле .

где ф- потенциал поля источника (А),В;

I- ток источника,А; И-расстояние между электродами зонда, м.

Коэффициент трещиноватости данного участка

где р2-рекомендуется определять по данным измерений (р„) в скважинах на участкйх массива со слабо выраженной трещиноватостью (вблизи участка измерения трещиноватости).

В результате измерений по схеме потенциал зонда находят среднее значение Ктр участка угольного пласта внутри сферы радиуса 5AM с центром в точке М. Для более полного детального исследования участка массива вблизи скважины можно использовать градиент-зонд, (см.рис.3)

Результаты измерений этим способом обрабатываются пол формуле:

рк= 4ЛЙ<р/1,

(44)

(45)

4Я(Фн~Фн)

т ( MN Ш )' lAM-AN + ВМ-ВШ

где Фм1Н- потенциал точек М и N.

ч

Рис. 3 Схема измерения параметров трединоватсстк участков угольного массива.

В результате измерений по этой схеме определяют средний коэффициент трещиноватости участка массива внутри сферы радиуса МЫ/2 с центром середине отрезка МЫ.

В результате сейсмоакустических наблюдений замечено, что газодинамические явления в угольных пластах возникают в периоды повышенной сейсмоакустической активности. Эта закономерность была использована при разработке статистического метода прогноза. Для оценки степени опасности по динамическим явлениям использовался прибор "Волна" (НЗЭ 003) и портативная шахтная аппаратура "импульс". Итоги разработки двухстадийного метода прогноза изложены в двух нормативных документах, подготовленных совместно с сотрудниками ВостНИИ. 1. Методика сконтуривания опасных по внезапным выбросам тектонических нарушений в выемочном блоке впереди очистного .забоя. 2. Методика своевременного обнаружения опасных зон в угольных пластах и включений впереди забоев полевых выработок.

9. Влияние выбросоопасности на технологию горных работ

Выбор способов и параметров технологии горных работ на пластах склонных к внезапным выбросам представляют задачу стохастического программирования. Для таких задач совместно с акад.АЕН В.Н.Вылегжа-ниным и чл.-корр.АЕН С.С.Золотых разработаны условия регламентации ТПГР и программные средства ЭВМ, соответствующие горным нормативным документам России.. Совокупность регламентаций технологической подготовки горного производства (ТПГР) на выброссопасных пластах сводится к следующему.

1. Геомеханические регламентации- выбор допустимой последовательности подготовки и отработки запасов; физическое управление состоянием массива.

2. Аэродинамические регламентации- выбор допустимых по Правилам безопасности (ПБ) схем вентиляции участков и шахты в целом; изолированный отвод концентрированных газовоздушных потоков; локализация и управление ударными газовоздушными волнами при выбросах..

3. Технические регламентации- выбор допустимого по ПБ вида силового оборудования энергообеспечения технологических линий; применение противовыбросных мер и специальных технологических схем ведения горных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является-законченной научно-исследовательской работой, в которой на основании выполненных исследований разработаны теоретические положения по влиянию волновых процессов на газодинамику угольных пластов, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления по прогнозированию внезапных выбросов угля и газа, разработке мер борьбы с опасными газодинамическими условиями и созданию безопасных условий труда.

Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы и предложения:

1. В результате проведенных исследований построена математическая модель фильтрации газа в тектонически нарушенных углях. В полученной модели учтено совместное воздействие физико-механических и структурных свойств угля. Доказано, что в выбросоопасных угольных пластах происходит - процесс фильтрационных деформаций и фильтрационных разрушений, мелкодисперсные частицы угля начинают движение в газовом потоке. Такое обобщение дало возможность по-новому взглянуть на причины формирования процесса опасной газодинамической зоны.

2. Для описания процесса движения газоугольной смеси рассмотрено отдельно движение газа относительно твердой фазы (межфазовое скольжение) и переносное движение газа со скоростью твердой фазы, т. е. предполагается, что движение газа происходит 5 среде с двойной пористостью. Межфазовое скольжение можно рассматривать как движение газа в некоторой "фиктивной" пористой среде, состоящей из взвешенных частиц. В построенной модели механической суффозии учтено, что существенную роль в характере движения газоугольногс потока играет взаимодействие пограничного слоя со стенками поровых каналов. Установлено, что при приближении газоугольного потока к стенкам порово-го канала'скорость частиц в установившемся потоке замедляется и становится меньше скорости газового потока. Это отставание связано с потерями энергии'при ударном взаимодействии частиц со стенками пор или трещин. Перемещающиеся вблизи стенки частицы нарушают пог-

раничный слой газовой фазы и вовлекают в движение газ, что приводит к нарушению условий "прилипания" частиц к стенкам пор и трещин.

Исследование движения двухфазной среды вблизи стенок порового пространства дает возможность сформулировать граничные условия для решения задачи о фильтрационной дисперсии.

3. Проведенные расчеты показывают, что через некоторое время после начала процесса в тектонически нарушенной зоне угольного пласта формируются миграционные поля, зависящие от отношения расходов твердого материала и газа. Из полученного решения определена длина диссипативной зоны, в которой определены фильтрационные параметры (пористость и проницаемость угольного пласта), влияющие на характер газового давления. Установлен нелинейный характер выбросо-опасной газодинамической среды.

В работе исследованы условия образования опасной газодинамической зоны в забоях. Определен характер, изменения газового давления в области горной выработки.

4. Проведено исследование режимов движения газа в зоне пониженных напряжений и доказано, что в этих зонах имеет место турбулентный режим движения, при котором в выбросоопасном угольном пласте возможна фильтрационная деформация и механическая суффозия. Доказано, что и в зоне пониженных напряжений формируется нелинейная опасная газодинамическая среда.

5. рассмотрен механизм энергетических переходов элемента массива горных пород на разные энергетические уровни. Установлено, что коэффициент поглощения энергии может быть меньше нуля, если число элементов,среды, находящихся в возбужденном состоянии, превышает число элементов, имеющих низкий энергетический уровень, что может привести к росту интенсивности волновых полей.

6. Для построения математической модели структура угольного пласта принята как нелинейная трещиновато-пористая среда, насыщенная газом и жидкостью. Поведение такой сложной среды можно описать, используя основные законы механики гетерогенных сред. В модели гетерогенной среды было принято, что законы сжимаемости соответствуют адиабате Пуассона для газа и уравнению Тета для твердых и жидких частиц. Исходя из сделанных предположений построена математическая модель нелинейного волнового поля в двухкомпонентной

угольной среде.

Установлено, что в опасной газодинамической зоне тензор деформации имеет нелинейный характер за счет нелинейности среды. Кроме того, упругость среды описывается"нелинейным законом Гука, т.е. имеет"место физическая нелинейность, связанная со структурными особенностями нарушенного угольного массива.

Нелинейность закона Гука приводит к зависимости фазовой скорости волны от деформации, что приводит к укручению волны. Доказано, что в опасной газодинамической зоне число Рейнольдса 1?е»1, следовательно за счет преобладания нелинейных эффектов происходит сильное искажение профиля волны и образование слабых ударных волн.

Отдельные волны объединяются, усиливаются и когерентно распространяются в направлении уменьшения акустического сопротивления, т. е. в сторону забоя.

Исследовано отражение ударной волны от поверхности забоя и образование волн разгрузки, которые производят послойный отрыв частиц угля от поверхности Ебнажения.

Установлено, что распространение акустической волны сопровождается увеличением напряжения, а это в свою очередь приводит к нарушению энергетического баланса и разрыву сплошности массива, т. е. к образованию трещины.

Акустический импульс (волка), образующийся вместе с трещиной, распространяясь в горкой среде, взаимодействует с ней. Импульс несет дополнительную энергию и способен создавать давление, прибавка которого к общему статистическому напряжению усиливает эффект образования новой трещины и ее интенсивный рост, что вызывает генерацию следующего акустического импульса и т.д.

В трещиновато-пористой среде распространение ударной волны в силу необратимого характера сжатая сопровождается диссипацией энергии. По этой причине, а также потому, что по мере распространения волны увеличивается ее поверхность и количество вовлеченного в движение вещества, амплитуда волны совпадает с расстоянием.

7. Разработана математическая модель волновых процессов в газовых коллекторах разрабатываемых выбросоопасных угольных пластов, исследованы условия образования микроударных волновых полей и опре- ' делены физические параметры на фронте газодинамических ударных

ВОЛН.

8. В условиях угольного пласта любая трещина фильтрационно связана с газонаполненными трещинами в которых генерируются микроударные волны. Фильтрационное взаимодействие трещин приводит к тому, что уровень напряжений превышает критические значения, в результате чего рост микротрещин экспоненциально возрастает, что соответствует стадии лавинообразного разрушения.

9. Изучен характер распространения нелинейных упругих волн в призабойной зоне. Доказано,' что скорость таких волн больше скорости звука, т.е. эти волны являются ударными волнами.

10. Построена математическая модель движения гетерогенного потока в полости выброса и доказано, что в переходной зоне полости плотность и давление на фронте волны скачкообразно возрастают, образуя ударную воздушную волну.

11. Предложен метод двухстадийно'го прогноза*'выбросоопасных зон впереди забоев горных выработок, основанный на выявлении наличия потенциально выбросоопасных зон впереди забоя горной выработки и оценки степени их реальной выбросоопасности, позволяющего повысить безопасность горных работ путем своевременного применения противо-выбросных мероприятий. Основные научные и практические результаты работы вошли составной частью в отраслевые нормативные документы.

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных работах:

1. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А., Беспятов Г.А., Вылегжанин В.Н. Алгоритмы и программы на ЭВМ "Минск-32" для расчета прогноза газовыделения в подготовительные и.очистные выработки угольных шахт. -Кемерово, 1976.- 48 с.

2. Тарасов Б. Г., Колмаков В. А., Беспятов Г. А., Шевченко Л. А. Газовый барьер угольных шахт, - М.: Недра, 1978.- 200 с.

3. Колмаков В.А., Брабандер С.П.. Беспятов Г.А. Прогноз и управление газопереносом в массивах шахт,- Кемерово, 1992,- 248 с.

4. Беспятов Г. А. Развитие теории внезапного выброса угля и газа на основе волновых процессов в призабойной зоне. -Кемерово, 1995. -220с.

5. Беспятов Г.А., Вылегжанин В. Н., Золотых С.С. Синергетика

выбросоопасной горной среды. -Новосибирск: Наука, 1996. -190 с:

6. Беспятов Г.А. К вопросу о неустановившейся фильтрации газа в зоне очистной выработки//Математические методы в механике горных пород: Сб.науч. тр./Кузбас.политехн.ин-т. -Кемерово. вып.1.-1970, с.15-18. '

7. Беспятов Г. А. и др. К вопросу об определении дебита газа из дегазационных скважин//Математические методы в механике горных пород: Сб.науч.тр. /Кузбас. политехн. ин-т. -Кемерово, вып.!. -1970. С.18-22.

8. Беспятов Г.А., Колмаков В.А., Тарасов Б.Г. Исследование распределения метана в породах подрабатываемой толщи очистными забоями// Разработка свиты крутых пластов: Сб. науч. тр./Кузбас.политехи, ин-т. -Кемерово, -1972, с.45-49.

9. Беспятов Г.А., Колмаков В.А., Тарасов Б.Г. Определение фильтрационных параметров угольного пласта при ведении очистных работ// Вопросы рудничной аэрологии: Сб. науч. тр. / Кузбас. политехн. ин-т. -Кемерово, вып.З. -1973.

10. Беспятов Г. А., Колмаков В.А.. Тарасов Б.Г. Закономерность изменения газового давления в разрабатываемом угольном пласте //Вопросы рудничной аэрологии:Сб.науч.тр./ Кузбас. политехн. ин-т. -Кемерово, вып.З. -1973.

11. Беспятов Г. А. Исследование газсвыделения с движущейся плоскости забоя//Вопросы рудничной аэрологии: Сб.науч.тр. / Кузбас. политехн. ин-т.-Кемерово, вып.З. -1973, с.18-22. 1973.

12. Беспятов Г. А. Математическая модель газового давления в зоне влияния очистного забоя // Вопросы аэрологии, охраны труда и природы: Сб. науч. тр. / Кузбас. политехн. ин-т. -Кемерово, -1985, с.92-96.

13. Беспятов Г.А., Волков В.М. Определение газового давления в подготовительных выработках//Управление состоянием массива горных пород: Сб.науч.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, - 1990.

14. Беспятов Г.А. Газовыделение из отбитого угля с учетом релаксационных эффектов// Информационно-математические модели горных предприятий: Сб.науч. тр./Кузбас. государст. техн. ун-т. -Кемерово, -1994, С.52-57.

15. Беспятов Г.А., Колмаков В.А. Распределение газового давле-

ния в угольных пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа. // Управление газовыделением в угольных шахтах: Сб. науч. тр./Кузбас. государст.техн.ун-т. -Кемерово, - 1995.

16. Беспятов Г.А., Колмаков В.А. Математическое моделирование механической суффозии в угольном пласте.//Управление газовыделением в угольных-шахтах: Сб. науч. тр. / Кузбас. государст. техн. ун-т. -Кемерово, -1995. с.16-19.

17. Беспятов Г.А., Егоров П.В., Кнуренко В.А. Механизм образования выбросоопасных зон угольных пластов.//Кемеровский ЦНТИ, серия Р. -52. 01,93. -№ 192 -96.

18. Рудаков В.А.. Потапов П.В., Беспятов Г.А. Методика оконту-ривания опасных по внезапным выбросам тектонических нарушений в выемочном блоке впереди очистного забоя.-Кемерово: ВостНИИ. -1996. -10с.

.19. Рудаков В.А., Потапов П.В., Беспятов Г.А. Методика своевременного обнаружения опасных зон в угольных пластах и включений впереди забоев полевых выработок. -Кемерово: ВостНИИ. -1996. -12с. 20. Vylegzhanln V. N.. Bespuatov G.A., Zolotykh St.St. Structu-. • ral model of - rock mass and synergetics In the mechanism of outbursts and Intersive gas amission.-Ostrava, Crech Republic, -1996.