Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов прогноза опасности газодинамических явлений и исследований причин выбросоопасности угольных пластов 15
1.1. Общие сведение о методах прогноза опасности газодинамических явлений применяемых в шахтах 17
1.2. Исследование связи структуры (нарушенности) угля с его выбро-соопасностью 21
1.3. Исследования связи механохимических процессов в угле с его выбросоопасностью и возможностью образования метана из угля при разрушении 23
1.4. Анализ работ по исследованию связи термодинамического состояния призабойной зоны угольного пласта с его выбросоопасностью 27
Выводы и постановка задач исследований 30
2. Исследование способности к газоотдаче углей разной степени нарушенности 33
2.1. Кинетика выделения метана из структурных блоков угля различной нарушенности 36
2.2. Определение коэффициента газоотдачи 48
2.3. Оценка влияния тектонической нарушенности угля на его выбро-соопасность 51
2.4. Оценка зависимости газопроницаемости от величины горного давления для нарушенного угля 58
2.5. Оценка способности угольных пластов к метаноотдаче по комплексу геологоразведочных данных 62
Выводы 78
3. Применение мультифрактального анализа для обнаружения особенностей структуры углей выбросоопасных пластов 80
3.1. Мультифрактальный анализ цифровых изображений поверхностных структур 81
3.2. Использование мультифрактального анализа для оценки склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям 85
3.3. Алгоритмическая реализация процедуры мультифрактального анализа изображений 89
3.4. Методика применения мультифрактального анализа для обнаружения особенностей структуры угля выбросоопасных пластов по их цифровым изображениям 92
3.5. Экспериментальная апробация предложенной методики 94
Выводы 106
4. Лабораторное моделирование и шахтные исследования термодинамических параметров системы уголь-газ в призабойной зоне угольного пласта 107
4.1 Методика проведения лабораторных экспериментов 107
4.2. Энергетика процесса разрушения угля в лабораторном эксперименте 112
4.3. Условия образования «дополнительного» метана при разрушении угля 123
4.4. Анализ статистических данных по газовыделениям при внезапных выбросах угля и газа 126
4.5. Результаты исследования выброшенного угля методом ИК-спектроскопии 138
Выводы 143
5. Образование очага выбросоопасности в призавойной зоне угольного пласта 145
5.1. Влияние напряженно-деформированного состояния призабойной зоны на выбросоопасность угольного пласта 146
5.1.1. Методика проведения шахтного эксперимента 146
5.1.2. Формирование напряженно-деформированного состояния 148
5.2. Возникновение очага выбросоопасности при изменении напряженно-деформированного состояния призабойной зоны угольного пласта 154
5.3. Примеры формирования очагов выбросоопасности в шахтных условиях 162
5.3.1. Пласт Бабаковский 162
5.3.2. Пласт Подмазур 165
5.3.3. Изменение температуры в призабойной зоне подготовительной выработки пласта Толстый шахты Юнком 168
5.3.4. Изменение температуры в призабойной зоне подготовительной выработки пласта Уманский шахты "Красный Профинтер" 172
Выводы 175
6. Прогноз потенциальной опасности внезапных выбросов и горных ударов по геоэнергии массива 177
6.1. Работа газа при различных условиях его расширения 179
6.2. Методика расчета энергии газа по геолого-геофизическим данным 183
6.3. Энергия газа как показатель выбросоопасности угольного пласта.. 186
6.4. Пример использования газового показателя выбросоопасности Ah в региональном прогнозе 194
6.5. Роль учета неидеальности газа и неидеальности процесса расширения газа 198
6.6. Определение природной выбросоопасности участков угольных пластов 201
6.7. Единый прогноз опасности внезапных выбросов и горных ударов 208
Выводы 214
7. Прогноз выбросоопасности забоев очистных и подготовительных выработок с учетом технологии ведения горных работ 215
7.1. Определение выбросоопасности забоев очистных и подготовительных выработок с учетом скорости их подвигания 215
7.2. Определение безопасной глубины выемки (сменной скорости подвигания) забоя 224
7.3. Определение необходимой степени дегазации угольного пласта. 228
7.4. Определение опасной по внезапным выбросам газоносности угольного пласта 231
7.5. Дополнительные источники энергии 233
7.6. Применение разработанного метода прогноза в автоматизированной системы прогнозирования безопасности горных работ по фактору риска внезапных выбросов и горных ударов 244
Выводы 247
Заключение 249
Литература 253
- Исследования связи механохимических процессов в угле с его выбросоопасностью и возможностью образования метана из угля при разрушении
- Оценка зависимости газопроницаемости от величины горного давления для нарушенного угля
- Использование мультифрактального анализа для оценки склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям
- Анализ статистических данных по газовыделениям при внезапных выбросах угля и газа
Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации, как и во всех других угледобывающих странах, при разработке газоносных угольных пластов происходят различные газодинамические явления (ГДЯ): внезапные выбросы угля, пород и газа, горные удары, отжим призабойной части угольных пластов, выдавливания угля, внезапные поднятия пород почвы горных выработок, обрушения горных пород и угля, суфлярные выделения газа и т.п. Кроме того, на угольных шахтах происходит значительное количество взрывов метанопылевоздушных смесей, в том числе сопутствующих газодинамическим явлениям, и приводящим, как правило, к большому количеству жертв.
Проведенный анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями позволяет сделать вывод о недостаточной эффективности методов прогноза выбросо- опасности и защитных мероприятий, либо о несоответствии их конкретным горногеологическим условиям, так как внезапные выбросы угля и газа происходят на ранее неопасных шахтопластах, а также при полностью выполненных (или в процессе выполнения) защитных мероприятиях.
С переходом на более глубокие горизонты большее значение приобретает характер перераспределения горного давления в массиве угля, изменяются очаги формирования выбросоопасной ситуации в сторону глубинного пластичного разрушения угля впереди забоя, меняются условия нахождения газа в угле, внезапные выбросы становятся более мощными по количеству выброшенного угля и газа, приходящихся на один выброс.
В настоящее время в Кузбассе более 80% шахтопластов, на которых зарегистрированы горные удары, относятся к опасным или угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа. Поэтому современная стратегия решения проблемы обеспечения безопасности ведения горных работ должна предусматривать решение вопросов надежного прогноза различных типов газодинамических явлений, происходящих в шахтах, опасность которых в перспективе будет возрастать в связи с углублением горных работ и интенсификацией технологических процессов.
Все это требует новых научных подходов к разработке и применению способов и средств прогноза ГДЯ и защитных мероприятий по предотвращению их проявления в угольных шахтах, которые позволили бы в значительной мере повысить безопасность ведения горных работ на шахтах, разрабатывающих опасные по ГДЯ угольные пласты.
В связи с этим актуальным остается дальнейшее развитие теории возникновения этих опасных явлений с целью разработки надежных методов прогноза выбросоопас- ности и защитных мероприятий, адекватных конкретным горно-геологическим условиям залегания угольных пластов, их напряженно-деформированному и газодинамическому состоянию и условиям ведения горных работ. Для этого необходимы дальнейшие исследования роли газа и горного давления, изучение термодинамических, физико-химических и других процессов, участвующих в подготовке очага и развязывании внезапного выброса, выявление таких очагов, объяснение их привязки к геологической и техногенной нарушенности, определение запасов энергии угольного пласта, которая может реализоваться в виде внезапного выброса, областей, обладающих запасами энергии достаточными для развязывания газодинамических явлений.
Целью работы является развитие методологии прогнозирования газодинамических явлений, основанной на закономерностях формирования очагов выбросоопасно- сти в призабойной зоне угольных пластов для повышения безопасности и эффективности ведения проходческих и очистных работ.
Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей формирования зон концентрации геоэнергии с учетом термодинамических и механохимических процессов образования дополнительных объемов метана при развитии очага выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта для создания эффективных методов прогноза газодинамических явлений при техногенном воздействии на углепородный массив.
Методы исследований: В работе применен комплекс методов, включающий: автоматизированные методы обработки цифровых изображений; статистические методы обработки результатов натурных экспериментов, включающие корреляционный, спектральный и мультифрактальный анализ, методы математического моделирования напряженно деформированного состояния и мест накопления энергии сейсмоакусти- ческих волновых полей в угольных пластах и вмещающих породах; лабораторные и шахтные экспериментальные исследования процессов, происходящих в углепородном массиве.
Основные задачи исследований:
-
Выполнить количественную оценку газопроницаемости и способности к газоотдаче угольного пласта в зависимости от величины горного давления и степени тектонической нарушенности угля.
-
Исследовать структурные особенности углей из выбросоопасных и невыбросо- опасных пластов методами мультифрактального анализа для получения количественной оценки склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям по структурному фактору
-
Выполнить экспериментальные исследования закономерностей изменения термодинамического состояния газонасыщенного угля в процессе его разрушения при трехосном неравнокомпонентном нагружении.
-
Определить условия формирования областей с аномальными запасами геоэнергии в призабойной зоне угольного пласта (очагов газодинамических явлений) при техногенном воздействии.
-
Установить энергетические критерии оценки потенциальной (природной) выбросо- опасности для прогнозирования газодинамических явлений в пределах шахтного поля по данным геологоразведки, и реальной выбросоопасности очистных и проходческих забоев с учетом технологии ведения горных работ.
Основные положения, представленные к защите:
-
-
Взаимосвязь показателей прочности, трещиноватости и газопроницаемости углей различных степеней тектонической нарушенности, позволяющая количественно оценить способность угля к газоотдаче и газопроницаемость с учетом его трещи- новатости, блочного строения, напряженного состояния и тектонической нарушенно- сти и провести классификацию угольных пластов по их способности к газоотдаче при дегазации.
-
Угли из выбросоопасных и невыбросоопасных пластов имеют отличия в структуре на микроуровне, которые выявляются при мультифрактальной параметризации цифровых изображений их поверхности и позволяют провести оценки выбро- соопасности угольных пластов по структурному фактору.
-
Механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений (минимальное главное напряжение суз > 5^-7 МПа). Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением Cj1 значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (коэффициент спада напряжений в запредельной области s > 0,75).
-
Природно-техногенный очаг выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта формируется в зоне влияния геологической и техногенной нарушенности, в том случае, когда затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя, и характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и механохимическим процессом генерирования дополнительного метана из угля в условиях высоких напряжений объемного сжатия и сдвиговых деформаций.
-
Метод прогноза потенциальной (природной) опасности внезапных выбросов и горных ударов, основанный на определении соотношения запасов энергии газа и горного давления угольного пласта позволяет определить опасность и тип газодинамического явления, а при дополнительном учете технологии ведения горных работ - определить реальную выбросоопасность очистных и проходческих забоев, выбрать безопасную для данных условий скорость подвигания забоя и эффективные мероприятия по предотвращению выбросоопасной ситуации.
Достоверность основных положений, представленных к защите, подтверждается: обоснованностью и корректностью поставленных задач, непротиворечивостью полученных результатов и выводов; представительным объемом выборок при статистической обработке информации; соответствием выводов теоретических и лабораторных исследований шахтным экспериментам; успешно проведенной опытно- промышленной проверкой разработанного в соавторстве «Руководства по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ».
Научная новизна работы
Основная часть результатов данной работы на момент публикации имела приоритетный характер и была получена впервые. Было установлено:
- взаимосвязь прочности, трещиноватости (тектонической нарушенности) и газопроницаемости угольных пластов, основанная на статистической связи введенного показателя прочности угля по кавернометрии fk, с нарушенностью и физико-
механическими свойствами угля и экспериментально полученной зависимости коэф-
фициента газопроницаемости от горного давления и тектонической нарушенности угля.
-
структурная организация элементов поверхности углей может быть представлена мультифракталом с соответствующем ему спектром фрактальных размерностей, причем угли из выбросоопасных пластов имеют больший набор структурных элементов и, следовательно, в 1,5+2 раза более широкий спектр соответствующих им фрактальных размерностей, чем угли из невыбросоопасных пластов.
-
механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений, при минимальном главном напряжении <т3 > 5+7 МПа. Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением Cj1 значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (коэффициент спада напряжений в запредельной области s > 0,75).
-
разрушение угля при внезапном выбросе угля и газа происходит с разрывом наиболее слабых связей в "бахроме" угля, в том числе отрывается большое количество метильных групп -CH3. Эти химически активные радикалы, объединяясь с атомами водорода, образуют метан, причем дополнительно образованные объемы метана по оценкам реальных выбросов составляют 40+50 м /т.
-
в процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в несколько (иногда в 7+10) раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля.
-
образование природно-техногенного очага опасности динамических явлений характеризуется возрастанием концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта в несколько раз (до 10), механохимическим процессом генерирования дополнительных объемов метана из угля (до 8 м /т) и связано с неоднородным залеганием пласта (зона влияния геологического нарушения, зона ПГД и т.п.).
-
энергия колебательного движения призабойной части углепородного массива от техногенного воздействия на угольный пласт локализуется преимущественно в самом пласте и по величине соизмерима с энергией упругого деформирования (энергией горного давления) пласта и эффективной энергией газа.
-
изменение температуры угольного пласта является информативным показателем состояния его призабойной зоны. Данным показателем четко выделяются зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки и дегазации. Повышение температуры угля более чем на 1,5-30С в зоне концентрации опорного давления вызвано сорбцией «дополнительного» метана, образовавшегося в результате механохимиче- ских процессов деструкции наиболее слабых связей в угле.
-
геоэнергетические критерии потенциальной (природной) выбросоопасности угольного пласта и реальной выбросоопасности части пласта или забоя горной выработки с учетом технологии ведения горных работ.
Практическая ценность работы
-
предложена методика оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, основанная на мультифрактальной параметризации цифровых изображений поверхностей углей;
-
разработана классификация угольных пластов по способности к газоотдаче, основанная на экспериментально установленной статистической взаимосвязи показателей прочность - трещиноватость - газопроницаемость;
-
разработан единый метод прогноза потенциальной выбросо- и удароопасности угольных пластов по геоэнергии массива, позволяющий определить параметры, дающие наибольший вклад в создание ситуации, опасной по динамическим явлениям, и провести обоснованный выбор адекватных противовыбросных мер на стадии подготовки шахтного поля или горизонта;
-
разработан метод прогноза выбросоопасности, позволяющий оценить реальную выбросоопасность участка пласта или забоя горной выработки, с учетом технологии ведения горных работ; оценить безопасную скорость подвигания забоя при данных горно-геологических условиях разработки пласта; при данной скорости подвигания и горно-геологических условиях оценить необходимую величину зоны разгрузки в при- забойной области пласта; дать рекомендации о необходимой степени дегазации угольных пластов различной степени выбросоопасности для предотвращения газодинамических явлений в горных выработках в зависимости от применяемой технологии ведения горных работ;
-
результаты работы вошли в «Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ»;
-
результаты работы используются в разработанной геоинформационной системе мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных гео- и газодинамических явлений.
Личный вклад автора состоит в развитии основной идеи, постановке целей и задач, в расчетах и обработке материалов при создании метода количественной оценки и классификации угольных пластов по метанодобываемости; в проведении исследований и расчетов при создании методики оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, в разработке метода расчета эффективной энергии газа; а также в участии при подготовке, проведении и обработке результатов лабораторного эксперимента; в исследовании механохимического процесса метанообразо- вания при разрушении угля; в разработке критериев геоэнергетического метода прогноза потенциальной (природной) опасности внезапных выбросов; в обработке результатов шахтного эксперимента; в разработке прогностической модели образования природно-техногенного очага опасности динамических явлений в призабойной зоне угольного пласта и расчетах выбрособезопасных параметров ведения горных работ.
Реализация результатов работы.
-
-
Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ. Утверждено Кузнецким управлением Госгортехнадзора России 12.08.1998 г. Ротапринт ВостНИИ. Люберцы-Кемерово. - 1999. «Руководство...» успешно прошло промышленные испытания на шахте «Аларда» при разработке пластов 1 и 3-3а на участке между разведочными линиями XIII - XVIII и на шахте «Чертинская» на пластах 3, 4, 5 на участке между разведочными линиями 0-3 и рекомендовано к внедрению на шахтах Кузбасса.
-
Методика применения мультифрактального анализа цифровых изображений поверхности угля для прогноза выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору используется в учебном процессе Московским государственным горным университетом и Московским государственным университетом геодезии и картографии.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на: XI-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт- Петербург, 9-11 сентября 1997г; - Международной конференции «Горная геофизика, ВНИМИ, С-Пб., 1998 г.; Международном симпозиуме по горной технологии - 98. Безопасность и охрана труда в угледобывающей промышленности. Китай, Чунцин, 1998; Международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в XXI век. Москва, 2000г.»; IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». СИБРЕСУРС - 2001. Кемерово. 2001; научном симпозиуме "Неделя горняка в 2000 - 2002, 2004, 2006-2011 г.г.; Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». Новосибирск. 2001; 2006, 2009 г.г.; Международной научной школе им. академика С.А. Христиановича в 2004-2010 г.г.; Международной научно-практической конференции GEOINFOCAD в 2002 г., 2005 - 2008 г.г.; 2-ой Международный Северный социально-экологический конгресс «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения » Воркута, - 2006; XVII (2007 г.) и XVIII (2008 г.) сессиях российского акустического общества
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в том числе 15 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента, 1 руководство, 32 печатных работы опубликовано в других изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 160 наименований, изложена на 270 страницах машинописного текста содержит 22 таблицы и 90 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность за научно-методические консультации и содействие в подготовке диссертации члену-корреспонденту РАН А.Д. Рубану, профессорам, докторам технических наук В.В. Кудряшову, В.А. Бобину, С.С. Кубри- ну, В.С. Забурдяеву и всему коллективу лаборатории геоинформационных проблем геотехнологий.
Особую благодарность автор выражает научному консультанту профессору, доктору технических наук В.Н. Захарову за советы и содействие при подготовке диссертации, а также профессору, доктору технических наук Г.Н. Фейту за многолетнее плодотворное руководство и сотрудничество.
Исследования связи механохимических процессов в угле с его выбросоопасностью и возможностью образования метана из угля при разрушении
Одним из первых на возможность образования метана из угля указал профессор Р.Л. Мюллер на семинаре по теории внезапных выбросов угля и газа в 1958 году [79]. В частности он утверждал, что группы СН2, СН - Н радикалы, связанные с углеродом, связывают соседние графитовые узлы и представляют собой бахрому, прочно увязанную ковалентными связями. Расход бахромы при разрушении угля требует энергии активации около 30 ккал/моль (данные опыта). При расходе образуются радикалы СН2, СН, Н, которые затем и дают метан и прочие производные.
В местах, где метан плохо отводится, повышается давление, бахрома становится более устойчивой и начинает наращиваться. Возникают термодинамически метастабильные угрожаемые обогащенные бахромой участки устойчивые лишь при достаточно высоком давлении. Для работающих в шахте наиболее опасен уголь (с точки зрения внезапных выбросов) с ветвистой сквозной бахромой, которая разветвляется в пласте, поскольку чем гуще бахрома, тем она менее устойчива и при расходе бахромы образуется газообразный молекулярный метан.
Впоследствии дискуссии о причинах повышенного газовыделения, обычно наблюдаемого при внезапных выбросах угля и газа, периодически возобновляется. Авторам гипотез образования метана из угля при разрушении [78, 71] или "дополнительной активационной десорбции метана под действием механоэмиссии горных пород при их разрушении" [37] противостояли авторы гипотез утверждающих, что дополнительные количества газа выделяются при дегазации угля и пород вокруг полости выброса [24].
Согласно определению [19,20], механохимия это наука об инициировании и ускорении химических реакций под воздействием упругой энергии. Это сложный многостадийный процесс, включающий стадии механического деформирования вещества (подвод и поглощение механической энергии), первичную химическую реакцию и различные вторичные процессы.
Исследования Т.М. Хренковой с сотрудниками [136-138,54] посвящено механохимии вещества угля, ими было установлено, что при разрушении угля происходят деструктивные процессы макромолекул органических веществ угля с выделением летучих и растворимых низкомолекулярных продуктов, являющихся продуктами механохимических превращений органических веществ углей. Происходит разрыв связей С-С в алифатических структурах и других типов связей. Укорачиваются алифатические углеводородные цепочки. Образуются непредельные связи, в процессе механодеструкции происходит отрыв боковых радикалов от ароматического ядра. Аналогично образование метана, выделяющегося при механической деструкции угля, протекающее по следующей реакции: СН3 +HR— CH4+R, рассматривается в работе [55]. При образовании одной молекулы метана в угольной макромолекуле останется два атома с неспаренными электронами.
В работе [57] предлагается рассматривать метан - ископаемый уголь как единую генетически однородную неустойчивую систему, преобразование которой происходит непрерывно и может быть резко ускорено различными видами температурных и механических воздействий. Там же отмечается, что молекула метана содержит много слабо связанного водорода, которым заканчиваются все цепочки в бахроме угля и указывается на появление водорода в составе десорбируемых газов (несколько процентов) после воздействия на предварительно дегазированный уголь метана и низких температур.
На выделение водорода из угля указывается также в работе [159], отмечается, что он скапливается в верхних частях закрытого пространства в шахтах.
В последнее 10-15 лет появился ряд интересных работ по механохимии угля. Особого внимания заслуживают работы Фролкова Г.Д. с сотрудниками, выполненные в Шахтинском центре ВостНИИ [128-131]. Авторы рассматривают выбросоопасное состояние угольного пласта как переход в состояние механохимической активации под действием на органическую массу угля (ОМУ) деформаций сдвига под давлением при формировании геологических нарушений При этом также как и Т.М. Хренкова авторы отмечают, что в первую очередь разрываются наиболее слабые метиленовые (-СН2-)П и кислород-метиленовые (-СН2-0-СН2-)т связи. Состояние предварительной механохимической активации выступает в роли ведущего фактора выбросоопасности. Соответственно и процесс внезапного выброса представляется как механо-химический, когда наряду с известным источником газовыделения сорбци-онной природы, появляется дополнительный источник газа механохимиче-ского происхождения, обусловливающий значительное превышение природной газоносности углей при выбросах. В работах приведены зависимости количества образовавшихся водорода и метана от соотношения концентрации ПМЦ в ароматических и алифатических структурах до и после дробления угля. В более поздних работах [130,131] уже утверждается, что "внезапные и обыкновенные метановыделения, сопровождающие разработку угольных пластов, имеют единую механохимическую природу, т.е. обыкновенные метановыделения, характеризующие природную метаноносность угольных пластов, так же как и внезапные, обусловлены генерацией метана угольным веществом, возбуждаемой нарушением естественного поля напряжений в массиве, и не является следствием истечения "готового" метана, накопленного в сорбционном объеме органической массы углей в течение геологической истории пласта". Опасные по внезапным выбросам угля и газа участки угольного пласта предлагается определять по снижению концентрации ПМЦ при увеличении начальной скорости газовыделения. Авторы не рассматривают сам выброс, а только изменение структуры угля при подходе к полости выброса или геологическому нарушению, а также результаты лабораторного эксперимента: изменение структуры угля в результате его размола в мельнице. Авторы также отмечают важную роль перераспределения водорода в процессе стабилизации радикалов. Только при его недостатке система переходит в состояние механохимической активации.
Оценка зависимости газопроницаемости от величины горного давления для нарушенного угля
Природные угли являются трещиновато-пористой сорбирующей средой и могут отличаться в широком диапазоне вещественным составом и структурой. Вне зависимости от вещественного состава структуре ископаемых углей ближе всего соответствует блочная модель [39,127,154], согласно которой трещины, соединяясь в большинстве случаев непосредственно между собой, разбивают уголь на отдельные структурные элементы - блоки, содержащие поры различных размеров от микропор размером в несколько ангстрем ( 30 А) до субмакропор размером в 103 - 104 А (10"5 - 10"4 см). Проницаемость блоков мала по сравнению с проницаемостью трещинной системы, в то же время блоки, благодаря развитой микропористости, являются основным резервуаром сорбированного газа.
Основная масса метана находится в связанном (адсорбированном, абсорбированном, растворенном и т. д.) состоянии в блоках. При равновесном состоянии количество его определяется величиной концентрации (давления) свободного газа в трещинах и макропорах в соответствии с законами адсорбции. При истечении метана по трещинной системе угольного пласта в скважину происходит приток его с периферии области влияния скважины, а также приток метана к трещинам из блоков. Истечение метана по трещинам происходит в режиме фильтрации и может быть описано уравнениями, основанными на законе Дарси, а движение газа в блоках уравнениями, основанными на законе Фика, применимом для описания диффузии. Таким образом, согласно принятой физической модели: - газоносность угольных пластов определяется объемом и распределением пор и трещин, способностью тонких пор сорбировать газ; - истечение метана по трещинам происходит в режиме фильтрации по закону Дарси, а выделение газа из структурных блоков в режиме диффузии по закону Фика; - при истечении метана по системе трещин угольного пласта в скважину происходит приток его с периферии области влияния скважины, а также приток метана к трещинам из блоков; - газопроницаемость угольных пластов определяется их трещиновато-стью, которая формируется как в процессе генезиса углей (эндогенная), так и в результате тектонических процессов (экзогенная). Исходя из того, что газопроницаемость угля определяется его трещи-новатостью, а скорость диффузии газа из структурного блока должна определяться, прежде всего, его размерами, рассмотрим более подробно экспериментальные данные, характеризующие количественно трещиноватость углей и размер структурных блоков. Наиболее полные исследования трещиноватости и структуры углей всех стадий метаморфизма и различной степени тектонической нарушенно-сти были выполнены в ГИАН и в ИГД им. А.А.Скочинского Штеренбергом Л.Е. и Премыслер Ю.С. Обобщенную классификацию типов углей по степени нарушенности и строения на основе этих исследований можно представить в виде, приведенном в таблице 4. Анализ геолого-структурных характеристик различных типов углей приведенных в таблице 4 показывает, что угли I - II степени нарушенности имеют достаточно хорошо выраженную систему трещин эндо и экзокливажа, которая может обеспечивать более или менее эффективную фильтрацию газа. При этом структурные блоки угля, из которых происходит истечение метана в режиме диффузии, имеют небольшие размеры 0,3 - 2 см, следовательно, диффузия метана из них может произойти достаточно быстро при условии, если фильтрация газа по системам трещин не будет ее задерживать. Угли III степени нарушенности имеют более частую сетку трещин, но качество ее в смысле выдержанности по простиранию без нарушений становится хуже, что резко снижает ее фильтрационный потенциал. Угли IV и V степени тектонической нарушенности имеют сильно нарушенное строение и хотя трещиноватость их высока, она хаотична и делает проницаемость этого угля близкой к нулю. Относительное количество метана, десорбирующегося из угля и выделяющегося из кусков (блоков) угля в трещины можно определить по формуле (2.2), приведем ее еще раз:
Эффективный коэффициент диффузии D рассчитывался по экспериментально определенной кинетике газовыделения. При этом найдено, что, если D рассчитывается по времени, за которое выделится половина сорбиро ванного углем газа, то приведенные формулы достаточно хорошо описывают процесс десорбции метана также и из нарушенных углей [127] . Полученный таким образом эффективный коэффициент диффузии зависит от микротре-щиноватости и нарушенности угля, так как, кроме диффузии метана в тонких порах угля, учитывается также и фильтрация его в микротрещинах. Кроме того эффективный коэффициент диффузии зависит от свойств угля. На рис. 2.14 приведены значения эффективного коэффициента диффузии в зависимости от выхода летучих для углей Донецкого бассейна.
Использование мультифрактального анализа для оценки склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям
В данной работе по существу впервые рассматривается методика применения мультифрактального анализа для обнаружения особенностей структуры угля выбросоопасных пластов по их цифровым изображениям, полученным сканирующим электронным микроскопом. Предлагаемая авторами работы методика состоит из четырех последовательных этапов: 1) получение с помощью сканирующего электронного микроскопа цифровых изображений поверхности исследуемых образцов углей; 2) выделение характерных участков сканерных изображений угольных образцов; 3) расчет мультифрактальных характеристик для каждой области интереса; 4) исследование полученных мультифрактальных характеристик и принятие решения о степени выбросоопасности исследуемых угольных пластов. 1. Получение с помощью сканирующего электронного микроскопа цифровых изображений поверхности исследуемых образцов углей. На первом этапе получают увеличенные изображения исследуемых образцов углей с помощью сканирующего электронного микроскопа. В рамках данной работы исследования поверхности образцов углей в режимах регистрации вторичных электронов, а также микроанализ проводились на базе растрового электронного микроскопа JEOL JSM 5910-LV. Пространственное разрешение микроскопа (паспортное)— не хуже 10 нм для вторичных электронов и 100 нм — для отраженных, вторичные электроны с низкой энергией часто используются в растровой электронной микроскопии для получения изображения топографии поверхности.
Образец угля естественной формы помещался через шлюз в рабочую камеру. В режиме регистрации вторичных электронов в камере образцов созда-вался вакуум не хуже 10" мм рт. ст. Для регистрации вторичных электронов использовался стандартный детектор — разновидность ФЭУ, с тянущим полем и стинциллятором. На данном этапе осуществляется отбор и подготовка характерных участков сканерных изображений угольных пластов, на которых отчетливо прослеживается структура пор. Основной целью этого этапа является формирование для каждого из исследуемых образцов углей областей интереса, обладающих рядом характеристик, существенно снижающих влияние неблагоприятных факторов на результаты мультифрактального анализа. К таким характеристикам можно отнести: - содержание минимального числа пикселей, значения интенсивностей которых находятся на границе выбранной шкалы яркости (например, 0 или 255); - наличие характерного максимума в распределении интенсивностей пикселей выбранной области. Выбор размеров областей интереса зависит от множества факторов, среди которых наиболее существенными являются размеры угольных кластеров и простота реализации алгоритма мультифрактального анализа изображений структуры поверхности углей. На данном этапе производится расчет корректных мультифрактальных спектров. Как было сказано выше, результаты мультифрактального анализа могут считаться значимыми, если в процессе анализа сформированной меры обнаружено, с достаточной степенью достоверности, степенное поведение ее статистических моментов. Для оценки степени соответствия статистических моментов (см. формулу 3.4) порядка q линейной зависимости от масштабного параметра в двулогарифмических осях можно воспользоваться методами регрессионного анализа. Экспериментально установлено, что при правильном выборе границ скейлингового диапазона значения коэффициента корреляции при оценке наклонов, как правило, больше 0,99. Совокупность коэффициентов корреляции, полученных в результате этого анализа, может рассматриваться как множество количественных оценок степени доверия к рассчитанным мультифрактальным характеристикам при интерпретации результатов мультифрактального анализа.
Заключительный этап предлагаемой методики применения мультифрактального анализа для обнаружения особенностей структуры выбросоопасных углей состоит в экспертном анализе спектров изменения мультифрактальных характеристик совместно с результатами, полученными иными физическими и химическими методами. Однозначный вывод о связи выявленных аномалий в изменении мультифрактальных параметров Да и Де с прогнозированием выбросоопасности углей может быть сделан только при детальном и всестороннем изучении образцов специалистами данной предметной области (геологами). С целью экспериментальной апробации предложенной методики был проведен анализ снимков высокого разрешения образцов углей, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа в режиме регистрации вторичных электронов.
В таблице 3.2 приведено описание исследованных углей из нескольких выбросоопасных и невыбросоопасных пластов различных бассейнов. Оценка и анализ мультифрактальных характеристик данных изображений осуществлялись с помощью программного пакета «Фрактал-ПК» [63], таблица 3.3. В первом столбце табл. 3.3 приведены соответствующие изображения образцов исследуемых углей (в условном обозначении углей первая латинская буква - наименование образца, следующая за символом цифра - номер образца, последние две цифры — кратность увеличения и номер участка образца), и выделенные на них области интереса.
Анализ статистических данных по газовыделениям при внезапных выбросах угля и газа
Дополнительные количества метана, выделяющиеся при внезапном выбросе, можно объяснить его образованием из появившихся при разрушении угля свободных метильных групп и свободных атомов водорода, которого в «бахроме» молекулы угля значительно больше, чем метильных групп. Водородом заканчиваются практически все цепочки бахромы, а энергия его связи в молекуле угля меньше энергии связи метильной группы или близка к ней, и в процессе выброса при разрыве внутримолекулярных связей он тоже отрывается в больших количествах.
На возможность образования метана непосредственно в процессе выброса впервые обратил внимание Мюллер Р.Л. [79]. По его оценкам при энергии активации в 35 ккал/моль (147 кДж/моль) можно получить весьма значительные выделения метана (около 58 м /т), образованного из оторвавшихся от бахромы угля радикалов и атомов водорода. Автор отмечает, что этот процесс термодинамически оправдан и происходит тем интенсивнее, чем гуще бахрома в веществе угля.
Затем дискуссии об энергетике и формах связи метана с углем возникали неоднократно, но в них фактически не рассматривался феномен возможности образования метана из вещества угля при разрушении горным давлением на стадии возникновения и развития явления внезапного выброса, а тем более на стадии подготовки очага газодинамического явления в глубине массива.
В работе [22] приведены энергии активации различных форм связи молекулы метана с углем. К данным, приведенным в этой работе, нами добавлена последняя строчка, показывающая энергию, которая затрачивается при образовании метана из угля (таблица 4.3).
Как следует из приведенной выше таблицы 4.3, энергия, необходимая для образования метана, всего в 1,5-2 раза превышает энергию активации десорбции и существенно ниже энергии, необходимой для освобождения метана из растворенного состояния и, тем более, из газокристаллического, что еще раз подтверждает утверждение профессора Р.Л.Мюллера [79] о термодинамической оправданности процесса образования метана из угля при разрушении.
Исследования, проведенные М.Ф.Яновской совместно с Т.М. Хренко-вой методом ИК спектроскопии с целью обнаружения отличий химического строения углей из опасных и неопасных по внезапным выбросам, дают возможность оценить количество метана, которое может образоваться при внезапном выбросе. Эти исследования показали, что в раздробленном угле, образовавшемся в процессе выброса, разрушение происходило на молекулярном уровне. Разрывались наиболее слабые связи, преимущественно в бахроме угольной молекулы, в том числе отрывалось большое количество метальных групп [38,44].
Для углей и угольных продуктов характерно наличие в ИК-спектрах ароматических полос поглощения С=С (около 1600 см"1), ароматических СН - групп (валентные колебания — 3030 см" ) и область 650-910 см" , отвечающая деформационным колебаниям Сснар - групп с различным типом соседних незамещенных атомов водорода [158,162,163].
Алифатические структурные группы характеризуются следующими полосами поглощения: 2930, 2960, 1460 см"1 — для метиленовой группы и 2960, 1380 см"1 —для метильной группы.
При исследовании выбросоопасных и невыбросоопасных углей в качестве их характеристики было использовано отношение содержания углерода в ароматических и алифатических группах. Это отношение (механохимиче-ский показатель МП) определялось по данным количественной ИК-спектроскопии углей. При этом определялись оптические плотности в области поглощения СН — ароматических групп 650-910 см"1 и оптические плотности поглощения метильных групп при 1380 см" . Причем в первом случае рассматривался интегральный коэффициент, а во втором - пиковый
На основе данных ИК-спектров получены количественные характеристики отдельных структурных фрагментов органической массы угля. Для углей, отобранных из выбросоопасных пластов и из зон геологических нарушений, характерно повышенное содержание СН-ароматических групп и понижение СН3 - метильных групп (МП 3) по сравнению с углями из неопасных пластов.
В угольном пласте под действием горного давления возможна химическая деструкция угольных макромолекул [37]. В идеальном случае при постоянном равномерном напряжении (с = Const) по аналогии с полимерами число химических связей Nj, несущих нагрузку, будет меняться по закону:
Предположение о возможности протекания таких процессов в угольных пластах основывается на работах по исследованию изменения молекулярного строения углей при механодеструкции [136], а также на экспериментальных данных по изучению инфракрасных спектров углей из выбросоопас-ных пластов в области от 400 до 3900 см"1 [44].
При действии периодических нагрузок с частотами, попадающими в область собственных механических потерь материала, скорость подвода и поглощения упругой энергии меньше скорости реакции, инициированной в результате поглощения этой энергии. Константа скорости механохимического процесса будет равна время релаксации напряженного состояния, т.е. образования новой свободной от напряжения системы. Из этого уравнения видно, что большое влияние на скорость процесса механохимической деструкции имеет частота воздействия, кроме того скорость механохимического процесса резко возрастает с ростом интенсивности воздействия и временем релаксации. Максимальный эффект наблюдается при максимальной концентрации энергии на единицу объема материала в единицу времени, что соответствует условиям разрушения угля при внезапном выбросе. В таблице 4.4 приведены результаты определения содержания углерода в структурных группах угольной макромолекулы до и после выброса для двух внезапных выбросов.
Похожие диссертации на Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты
-
-
