Введение к работе
Актуальность теми. Развитие горнодобывающей промышленности связано с дальнейшим увеличением глубины разработки угольных пласгов, что влечет за собой усложнение условии горных работ. Все более сложным и ответственным епшопнтся upoi позирование газодинамических явлении и обеспечение безопасноеш труда шахтеров. С переходом на более глубокие ropnnomu меняется физическая картина проявления выбросоопасностн: изменяются условия нахождения газа в угле, усиливается газодинамическая активності) угольного массива, инициируемая ростом горного давления, внезапные выбросы становятся более мощными но количеству выброшенного угля н газа на одни выброс. В связи е этим еще более актуальными становятся исследования роли газа в подготовке очага и развязывании внезапного выброса, определение запасов энергии угольного пласта, реализующихся в виде внезапного выброса, выявление очагов, обладающих запасами энергии, достаточными для развязывания газодинамических явлений, и установление закономерностей изменения потенциальной выбросоопасностн с увеличением глубины горных работ.
Диссертационная работа посвящена вопросу определения роли газа в формировании выбросоопасной ситуации и возникновении внезапного выброса. Этот вопрос остается по-прежнему наиболее сложным и дискуссионным в теории газодинамических мішений, его решение необходимо для совершенствования существующих и создания новых способов прогноза и предупреждения внезапных выбросов.
Цель работы. Исследование термодинамических условий, при которых заключенный в угле газ может способствовать возникновению и развитию выбросоопасной ситуации, для обоснования потенциальной выбросоопасностн угольного пласта и прогноза внезапных выбросов.
Основная идея работы заключается в расчете энергии заключенного в угольном пласте газа, принимающего участие в процессе выброса, по изменению термодинамического состояния газа при расширении и создании на этой основе метода определения степени (категории) потенциальной выбросоопасностн угольных пластов.
Методы исследований. В работе использовались методы термодинамики, математической статистики, математической физики, физического моделирования, статистической обработки шахтных
данных и экспериментальной проверки предложенных решений в шахтных условиях, анализа литературных источников.
Научная новизна работы:
разработана методика расчета энергии газа, которая может был. затрачена на совершение работы при выбросе угля и газа, основанная па использовании термодинамических функций состояния (энтальпии) и уравнении Ван-дср-Ваальса для описания состояния реального газа;
получены корреляционные соотношения между геологоразведочными и газодинамическими показателями, позволяющие рассчитывать всю энергию газа на основе стандартного для каждой скважины набора данных геологоразведки;
установлено, что изменение энтальпии в процессе расширения газа (удельная энергия газа), зависящее от газоносности, температуры, сорбциоиных свойств и технического анализа угля, является комплексным газовым показателем выбросоопасности, имеющим более высокую статистическую значимость при разделении ситуации на опасные и не опасные по внезапным выбросам, чем применяемый в Донецком бассейне нормативный газовый показатель А'оу,,;
установлен эффект "дополнительной сорбции", связанный с днлагансней газонасыщенного угля в условиях неравнокомпо-нентпого объемного напряженного состояния, который проявляется при достижении нагрузки 0,7-0,8 от разрушающей и может создавал, впереди забоя, в зоне пригрузки, выбросоопасную область нарушенного угля с повышенным содержанием метана;
показано, что чем более мощным является внезапный выброс (по количеству выброшенного угля), тем меньшая часть запасенной пластом энергии рассеивается, т.е. тем больше коэффициент поле шоп? действия выброса (процентное отношение суммы совершенных работ к сумме запасенной энергии);
получены численные опенки потенциальной выбросоопасности угольных пластов, показывающие, что при углублении горных работ ноіспниальная выбросоонасность пластов в Северном Кузбассе будет іюзрастагь. значительно превышая выбросоонасность пластов її Донбассе на тех же глубинах.
t ta защиту выносятся:
методика расчета энергии газа, которая может быть затрачена на совершение работы при выбросе угля и газа, основанная на уїсте изменения термодинамического состояния реального газа при
расширении н корреляционных соотношениях между геологоразведочными и газодинамическими показателями, позволяющая рассчитать энергию газа по геолого-геофпзическнм данным, входящим в стандартный набор для каждой скважины;
изменение энтальпии метана при расширении в качесівс комплексного показателя выбросоопасностп по газовому фак'юру;
эффект "до! юл кисельной сорбции", обусловленный ли.загансн-ей газонасышепного угля в условиях неравнокомнонен'іпоіо обь-емного напряженного состояния, проявляющийся при превышении нагрузки 0,7-0,8 от разрушающей и создающий впереди їлоия область нарушенного угля, способного аккумулировать дополнительное количество метана;
обоснование прогноза выбросоопасностп по количеству газа, выделяющегося в каждом никле сотрясательного взрывания при проведении подготовительных выработок;
прогнозные количественные оценки и закономерности изменения потенциальной выбросоопасностп угольных пластон с увеличением глубины горных работ для шахт Северного Кузбасса;
метод определения степени (категории) потенциальной выбросоопасностп угольных пластов для условий Кузнецкого бассейна, основанный на критери выбросоопасностп, включающего энергию газа, которая может реализоваться в процессе выброса.
Достоверность научных положении и выводов подтверждается результатами теоретических, лабораторных и шахтных экспериментальных исследований, представительным объемом выборок данных по пластопересечениям и по внезапным выбросам на пластах Донецкого и Кузнецкого бассейнов, а также промышленными испытаниями "Метода определения степени (категории) выбросоопасностп угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ" в Кузбассе, показавшими возможность выделения невыбросоонасных зон на угрожаемых шахтопластах ниже критической глубины разработки.
Практическая ценность и реализация работы заключается:
в выявлении термодинамических особенностей поведения системы "уголь-метан" на стадии подготовки выбросоопасной ситуации, которые могут служить основой для поиска новых надежных инженерных критериев прогнозирования газодинамических явлений;
в колігчественном обосновании роста с увеличением глубины разработки потенциальной выбросоопасностп угольных шахто-пластов Северного Кузбасса по газовому фактору, что может ис-
нолі.шваться при уточнении выбросоопасности пластов и их зон ниже ицииннщ нормативной выбросооиасной глубины разработки и выборе прошвовмброспых мероприятий и технологии при переходе на более глубокие горизонты;
и рачрабоїкс методики расчета энергии газа, принимающего участе її процессе внезапного выброса, и критерия выбросоопас-Hoetti по і а «тому фактору, пошедших в "Метод определения...", применяемый па шахтах АООТ "Ссвсрокузбассуголь".
Дпробаци»1 работы. Основные положения диссертационной
рабои.і. а также се отдельные результаты до клады пались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятии" (Москва, 1980), Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалом с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" (Симферополь, 1987, 1990), XII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата, ИГД АН Каз. ССР, 1990), Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горкой науки и производства (Санкт-Петербург, 1993), Международной конференции по механике горных пород (Москва, 199.1), научном семинаре отделения рудничной аэрологии ИГД им.А.Л.Скочинского (Люберцы 1995),
Публикации. Но теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Обт-см работы- Диссертационная работа состоит из віюдепия, 6 глав, заключения и содержит 156 страниц машинописного текста, <М рисунка, 12 таблиц, список литературы из 92 наименований и ( приложения.