Введение к работе
Аісгуальяость дроблены Современное развитие угледобывающей промышленности связано со значительным понижением глубин отработки при постоянном ухудшении горно-геологических условий и переводом новых шахтопластов в разряд ныбросоопаеных.
Наибольший вклад в решение проблемы борьбы с газодинамическими явлениями внесли ученые ИТД им. А. А. Скочинского.МлКІШ, ЕНИШ.ВостНИИ.иТТМ ІІАН Украины, ДонФТИ, !Ш РАН, ИЇЇКОН РАН, ИМ НАН Украины, ЙГД СО РАН.ДоиУГИ.ДГТУ.ГГАУ и других оргалнзапий. Практическим результатом этих исследований явилось создание комплекса противовибросных мероприятий к виде нормативных документов, используемых шахтами Украины, России и Казахстана. Шесте с зтим, традиционные противовыброеньи мероприятия в одьюм случае довольно трудоемки, в другом-сущеетвенно раэОал-знсирукЯ' Tl-XHO-логию угледобычи, а в третьем-малоэффективны и ненадежны. Кроме того,сложившаяся в Украине энергетическая ситуация настоятельно требует интенсивного научного поиска новых нетрадиционных источников энергии, в частности, шахтного газа.
Большая роль в развитии исследований в области управления газодинамической активностью углепородного массива принадлежит Ф. А. Абрамову, А. Т. Айруни, А. Д. Алексееву, Ш. М. Айгалиеву, М. 0. Анциферову , А. И. и И. А. Вобровым, ІІ И. Большинскому, А. Ф. Булату, А. С. Еур чакову, Л. М. Васильеву, Ю. Ф. Васючксву, А. Ю. Еекслеру, В. В. Вшюградо ву, А. а Докукину, Э. И. Ефремову, М. П. Збориику, А. II Зорину, В. Е. Заби-гайло.В. С. Иванову, М Ф. КусоЕу, В. Г. Колесникову, о. а Кузнецову, U. В. Курлене, А. >А Линькову, Г. Д. Лидину, В. В. Лукинову, В. С. Маеъеко-му, В. И. Мурашеву, А. П. Москалеву, В. И. Мякенькому, В. И. Николину, A. S. Ольховиченко.С. Е Осипову, Л. а Парчевскому, д. 3. Петросяну, И. М. Петухову, В. Я Потураеву, В. II Пузыреву, В. В. Репке, Б. В. ?л?всксму, К. Ф. Салицкому, А. А. Скочшіексму, И. В. Сергееву, К. К. Софийскому, if. И. Устинову,С. А. Христиановичу.Е В. Ходоту.О. И.,Чернову,Г. А. Шэвелеву, С. А. Ярунину и др.
Анализ состояния вопроса свидетельствует о необходимости
- 4 -совершенствования существующих и изыскания новых способов снижения газодинамической активности пласта, базирующихся на использовании принципиально новых физических эффектов, возникающих в угле. В настоящее время имеется множество изобретений и технических решений по применению нетрадиционных воздействий на угольный массив для изменения его состояния,однако реализация их в большинстве своем не вышла из стадии экспериментов. Одним из перспективних направлений решения рассматриваемой проблемы является предложенная и разработанная ИГТМ НЛН Украины концепция- управления состоянием углегіородкого массива малоэнергоемкими воздействиями при активном использовании энергии, накопленной горным массивом /Диплом N 1 на научное открытие, выданный 07.12. 92г/. Многообразие свойств пластов, условий и глубины их залегания требует глубокого обобщения,проверки и классифицирования предлагаемых решений для использования практикой. Вместе с этим, физика и механизм влияния волновых и пульсационных воздействий на процесс разупрочнения и дегазирования угля не достаточно полно раскрыты и изучены,что затрудняет обоснование эффективных способов дегазирования и снижения газодинамической активности угольного массива. В . этой сеязи проОлсиа создания методов управления геомеханичекими процессами с использованием волновых и пульсационных эффектов., реализуемых в углепородном массиве для снижения газодинамической активности пласта и интенсификации извлечения шахтного газа имеет важное значение для топливно-энергетического комплекса и является актуальной.
Основная идея работы заключается в направленном использовании энергии горного массива и возникающих в угле виброэФФек-тов при виброволнових.ударних и пульсационных воздействиях на БЫбросоопаеные и высокогааоносные пласти для певнкения безопасности и эффективности ведения горних работ с возможностью управляемого извлечения газа,
Работа направлена на решение важнейших Н'іучіїо-техниЧ'.гких
проблем,утвержденных ГКНТ СССР и Украины, Госплана СССР и Украины, Президиума НАН Украины,выполнялась в рамках комплексных НТП "Энергокомплекс", "Донбасс" и других,
!1*У?ь ЕЗ*? состоит в установлении закономерностей изменения состояния массива и разработке способов и технических средств снижения газодинамической активности угольного пласта и каптации шахтного газа, базирующихся на волновых и пульсації онных эффектах в горном массиве.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:,
исследовать закономерности проявления горного и газового давления для установления мест заложения участков реализации вибрспульсационних эффектов;
исследовать физическую сущность,характер и критерии усталостного разупрочнения угля при вибронагружении;
разработать теоретическую модель описания вибропульса ционных эффектов,реализуемых в углепородном массиве для установления эффективных параметров, воздейевтия на пласт и разработать виброспособы снижения выбросоопасности;
разработать научные основы использования внброзффек-тов,происходящих в массиве при наложении вибрации на нагнетае мую в пласт жидкость; струи жидкости,размывающие полости в yv ле; потоки газа,диффундируемого ь пласте. Разработать списобы снижения газодинамической активности пласта;
разработать научно-технические принципы и классификации методов "использования волновых и пульсационных эффектов для снижения газодинамической активности угольного массива;
разработать и внедрить, включенные в классификации способы ведения горних работ на выбросоопасных угольных пластах.
Научное значение работы заключается в установлении меха-
- 6 -низма и закономерностей эффективного влияния искусственно вызванных в пласте виброэффектов на разгрузку угольного массива от напряжений и его дегазацию; создании научных основ использования волновых и пульсационных эффектов при отработке газодинамически активных пластов,разработке математической базы для расчета рациональных параметров виброспособов.
Практическое значение работы заключается в разработке научно-технических принципов снижения газодинамической активности угольных пластов и интенсификации каптирования газа,методов оценки состояния массива.алгоритме .расчета рациональных параметров и оценке эффективности способа.
Разработан и промышленно опробован комплекс способов,включающий в себя: вибрационно-скважинный способ 'снижения выб-росоопасности; способ . виброударной обработки углепородного массива в подготовительных забоях и при пересечении угольных пропластков; способналожения гидроударов на поток нагнетаемой в пласт жидкости; способ использования гидропульсационных , эффектов при размыве полостей; способы ликвидации последствий газодинамических явлений (ГДЯ) в струговых и щитовых лавах и др. Для реализации этих способов разработаны скважинные пневмовиб-раторы.скважинное гидропульсирующее устройство,прерыватель потока нагнетаемой в пласт жидкости, виброударные установки.герметизаторы с -виСропульсирующой приставкой,скважинные газопульсаторы для дегазирования и другие устройства. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Установлены закономерности проявления горного давления вне- . реди очистного забоя и формирования зон газодинамической ' активности угольного массива.отличаюииеся учетом взаимосвязи величин и характера сближения кровли и почь.ы. давления газа, гон расслоений во вмещающих .пласт породах.структурны:: и;^".нений в угле при компрессии и декомпрессии.отжима кромки iut:". л и характера обрушения кровли,'а также возможного пат.'.'И!;! г м-і-'с'нрі.-газа, находящегося в трехФчзоком осотс-ипии.
Выполнено математическое описание процесса вибропульсацион-ного воздействия'на газонасыщенный угольный массив, позволяющее производить 'расчет напряженно-деформированного состояния массива, отличающееся рассмотрением математической модели трохкомпонентной гетерогенной среды.
Разработан критерий оценки состояния угольного массива при впбровоздействиях, отличающийся учетом накопления усталостных повреждений, а также впервые получены зависимости, связьшащие поврежденность с изменением пористости и проницаемости.
Обоснована эффективность использования пульсацион.чого релої-мз при каптаже шахтного газа через скважины, отличающегося созданием пульсаций в потоках газа.днффунднруемого из угхоїю-родного массива в дегазационную скважину.
этсзаь'РЕАгагцгя я вйейрэги иаучек faspaeotgi.
Реализация результатов исследований. Разработанный способ снижения выбросоопасноети рекомендован для внедрения в Донбассе решениями ЫВК, Минутлепрома Украины,Госнадзорохрантруда Украины, Центральной комисии по внезапным выбросам и ее секции по Донбассу. Разработаны и утверждены' в установленном порядке нормативно-методические 'документы/4,5,6,7,8,9/.Выпуск виброисточников освоен Ильйчєескнм РРЗ и ЕнакиеЕским РЖ, а осталынг/ технических средств для реализации разработанных способов Опыным заводом МТТМ НАН Украины.
Внедрение внбросквожшного способа проведено при проведе ний штреков на шх. "Красный Лрофннтерн" (пл. ^"Соленый", уч-ки 71- 975м, 72-865м; пл. m\ "Николаевский", уч-к32-8бЬм); ш/у"Ллексан -дровское'Чпл. 15"Солений",уч-к?1 -740м;пл. к*"Пята",уч-к!13-560м; пл. ку"Анатольевекий",уч-кП2-740м,пл. 1іг"Ремовский") и на шх. им. К. Маркса (пл. т,"Тонкий") п/о "Орджоникидзеуголь".
Рекомендации по ликвидации последствий ГДЯ внедрены на пихтах им.60--летия Украины п/о"Донецкуголь".в струговых лавах (пл. Ь8"Щ)асковиевский",Ь(0"ЛИвенский") и им. К. Маркса в щитовых лавах (пл. і' "Двойник"гор. 875м), а способы перехода утонений
- 8 -мощности пласта струговым забоем внедрены на шахте им. 60-летия Украины (пласты hg,h(0).
Испытания устройств,создающих пульсирующие струи жидкости, размывающие полости в угле перед вскрытием квершлагом выбросо-росоопасных пластов (пл.к7"Юльевский"; пл. ку "Анатольевский", уч-к 11О-108/865М) и прерывателей потока нагнетаемой жидкости при увлажнении пласта в гидроударном режиме (забои откаточных штреков, пл. п',"Грицынка",nij"Газовый") проведены на шахте им. К. Маркса п/о "Орджоникидзеуголь".
АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ,СТРУКТУРА И ОБЪЕМ PAEOTU. Апробация работы. Основные положения работы рассмотрены Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами (Москва, 1981,1986) и ее секцией по Донбассу (Донецк, 1981-1986);Техуправлением Минуглепрома и Гостехнадзором Украины и СССР(Донецк,Москва, 1981-1990); на: семинаре "Комплексная механизация разработки тонких крутых плзстов'Ч Киев, 1981); Союзных конференциях по механике горных пород (Днепропетровск, 1981) и "Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления" (Ленинград,1982); Совещании "Проблема внезапных выбросов угля, породы и газа"( Макеевка, 1983); заседаниях МВК (Енакиево,Донецк, 1984);семинарах по горной геофизике (Батуми,1985,Телави,1989); Союзной конференции по вибротехнике (Кабулети,1987);на.24 Международной конференции по безопасности работ в горной промышленности (Донецк,'1991),в рамках, конкурсов проектов НИР ГКНТ Украины (Киев, 1992-1995) и Миннауки России (Москва, 1994).
Работа отмечена дипломом 2-й степени республиканской премии НТГО-Украины в области науки, техники и производства
Публикации Основное содержание работы опубликовано в 117 печатных работах,из которых 3 монографии и 48 изобретений.
Структура и объем работы. Диссертация -отстоит из введения, шести разделов,заключения, списка литературы из 312 наименований, содержит 296 страниц машинописного текста.25 таблиц, 96 рисунков и 11 приложений.