Введение к работе
Актуальность проблемы. Рентабельное и устойчивое развитие шахт и угледобывающих регионов требуют неуклонного повышения нагрузок на забои, производительности и безопасности труда, снижения себестоимости добычи. . Эти показатели непосредственно зависят от уровня решения научно-технических задач, связанных с оценкой геогазодинамического состояний углегазовой среды в возмущенном горными работами' массиве. Влияние этого фактора столь велико, что в мировой практике угледобычи постоянно сохраняется тенденция к переходу на освоение новых менее газоносных месторождений, хотя запасы угля в разрабатываемых остаются весьма значительными, а социальная инфраструктура в их регионе достаточно развита. Учитывая уровень затрат на освоение новых месторождений и переориентацию производственной деятельности населения ранее освоенных угледобывающих районов следует признать, что рассматриваемая проблема имеет крупное социально-экономическое значение.
Весьма существенным фактором, отрицательно влияющим на надежность информации о газодинамической опасности шахт, является изменчивость горногеологических условий. С достижением соответствующих мировому уровню скоростей подвигашя забоев динамика изменения ситуаций на газоносных пластах выходит за пределы возможной оперативности организационных мероприятий, что затрудняет их своевременное выполнение по обеспечению безопасной, а, следовательно, и производительной работы забоя. Эти обстоятельства настоятельно требуют создания высокооперативных методов предвидения следствий технологических решений.
В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений о физических особенностях процессов, провоцируемых в углегазовом пласте горной выработкой, когда газовая составляющая пласта несет значительные запасы потенциальной энергии. В тоже время, разнообразие горнотехнологических условий и зысокие скорости горных работ обязывают акцентировать эти теоретические разработки в направлении повышенной чувствительности к формирующимся ситуациям при максимальной физичности своей основы. Это сочетание позволяет конкретизировать частное проявление в общем процессе и, тем самым, обеспечить адаптивность методов повышения эффективности горных работ в быстро меняющихся ситуациях.
Диссертационная работа обобщает результаты научно-исследовательских работ и этапов, выполненных при непосредственном участии
и под руководством автора: в Институте угля СО РАН, с 1997 г. Институт угля и углехимии СО РАН, (1989-1997 гг.) по. направлению 4.1.17 фундаментальных исследований, согласно перечня приоритетных направлений, утвержденного Правительственной комиссией 28.05.96 г., а так же по государственной программе "Недра России", региональной подпрограммы "Уголь Кузбасса", входящей в комплексную программу "Сибирь" СО РАН; в ВостЮШ (1969-1989 гг.), согласно утвержденных ГКНТ СССР отраслевых планов научно-исследовательских работ (Ш ГОС. регистрации: 75035884, 74025043, 77027382, 79038723, 01830051656, 01840067859, 01870050393, 0191 0001001)
Цель работы. Теоретическое обоснование и разработка адаптивных методов регионального прогноза, текущего контроля, предотвращения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам.
Идея работы. Динамика газовыделения при проведении выработок с учетом свойств пласта и технологии работ используется в качестве показателя степени газодинамической активности пласта и его приза-бойной зоны, обеспечивающего оперативную адаптацию к конкретным условиям критериев и параметров предупреждения динамических газопроявлений и локализации углегазовых потоков в пределах определенных зон вентиляционных систем.
Задачи исследований:
выявить необходимые и достаточные условия возникновения, развития и затухания основных видов динамических газопроявлений;
установить закономерности влияния горнотехнологических факторов и газокинетических свойств угля на газодинамическую устойчивость призабойной зоны,;
установить значение динамической прочности газонасыщенногс угля и условия его разрушения до частиц, способных перемещаться е потоке выделяющегося газа;
разработать метод моделирования и установить зависимости, определяющие условия существования углегазового потока за фронтов волны дробления газонасыщенного угля;
разработать метод исследования и установить газокинетические характеристики природной углеметановой среды при ее разрушении;
установить показатель потенциальной газодинамической активности пласта, основанный на анализе региональных геологоразведоч-
ных данных согласно установленным в процессе исследований физическим закономерностям для двухкомпонентных сред;
развить, на основе полученных зависимостей, экспериментально- аналитические модели аэрогазодинамических процессов в-призабойной части выработки и разработать метод текущего контроля ее газодинамического состояния, обеспечивающий корректирование критериев опасности с учетом изменения горнотехнологической обстановки;
уточнить закономерности изменения напряженно-деформированного и газодинамического состояний призабойной части пласта при высоконапорном нагнетании в него жидкости и разработать способы снижения газодинамической активности, параметры которых учитывают изменчивость свойств пласта и его реакцию на интенсивное воздействие;
уточнить особенности аэрогазодинамических возмущений в шахтных вентиляционных сетях и разработать методы локализации уг-легазовых потоков при динамических газопроявлениях с потенциально возможными в заданных горногеологических условиях параметрами.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели использован комплекс методов, включающий:
методы математического моделирования при установлении критериев подобия физической модели реальному процессу транспортирования угля в потоке расширяющегося газа, а -так же при анализе динамики концентрации метана в горных выработках в результате газопроявлений;
метод физического моделирования процессов саморазрушения газонасыщенного угля и массопереноса за фронтом волны дробления в лабораторньк и кинетики газовыделения при искусственном разрушении углеметановой среды в натурных условиях;
методы скоростной кино и динамометрии при регистрации параметров процесса саморазрушения газонасыщенного угля и массопереноса за фронтом волны дробления;
- методы физико- химических исследований при сопоставлении кинетики газовыделения из газонасыщенного и природного газоносного углей и анализе его технического и фракционного составов;
-.методы динамического и статического аналогового моделирования режимов в вентиляционных сетях;
- метод натурных экспериментов по определению эмпирических
показателей и коэффициентов в установленных закономерностях;
- метода математической статистики при анализе эсперименталь-
ных данных.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
механизм динамических газопроявлений содержит три основных условия развития, определяющие регистрируемый вид явлений: газодинамическая неустойчивость призабойной зоны пласта-выдавливания угля, дробление частиц угля-высыпания угля, транспортирование раздробленного угля в потоке выделяющегося газа-внезапные выбросы;
газодинамическая устойчивость призабойной части пласта определяется пространственно-временной взаимосвязью ее напряженно-деформированного состояния и давления газа;
при динамической одноосной разгрузке газонасыщенного угля, находившегося в объемно-напряженном состоянии, процесс разрушения определяется динамической прочностью угля и перепадов напряжений на фронте волны разгрузки;
одним из элементов процесса транспортирования угля за фронтом волны дробления выделяющимся газом является массоперенос в режиме азровзвеси, для существования которого необходимо поддерживать, по мере увеличения дальности выноса угля в выработку, рост давления газа за фронтом дробления;
кинетика газовыделения при разрушении углеметановой среды является одной из основных характеристик потенциальных энергетических возможностей ее газовой компоненты при оценке параметров динамических газопроявлений;
одним из основных показателей потенциальной газодинамической активности пласта является дальность горизонтального транспортирования угля при возникновении газодинамических явлений в результате вскрытая зоны пласта за пределами влияния выработки;
динамика газовыделения в призабойную часть выработки в процессе технологического цикла, с учетом свойств пласта в направлении подвигания забоя, отражает газодинамическое состояние призабойной части пласта;
" - дезинтеграция пласта посредством высоконапорного нагнетания жидкости способна существенно изменить газодинамическое состояние призабойной части пласта и газовую обстановку в выработке;
- динамические газопроявления в горных выработках вносят рез
кие изменения в вентиляционный режим шахты вплоть до опрокидывания
потоков воздуха, формируют зоны загазования значительных размеров.
а в пределах проводимой выработки создают опасность засыпания углем людей и оборудования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены:
соблюдением критериев подобия при создании специального стенда для физического моделирования процесса саморазрушения газонасыщенного угля и его транспортирования в потоке выделяющегося газа;
достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных о динамической прочности угля, коэффициент корреляции 0,96 в диапазоне изменения коэффициента крепости угля от 0,25 до 2,2 усл. ед.;
созданием специальных методов и устройств для изучения свойств углеметановой среды в природных условиях, позволивших путем натурных измерений на 7 шахтопластах Кузбасса установить, при корреляционном отношении 0,77, зависимость величины показателя начального газовыделения при разрушении угля от его свойств в массиве и степени дробления;
применением приборов скоростной кино и динамометрии (СКС-Ім, ИД-2И с ДД-10, Н-105) при контроле быстропротекающих процессов;
значительным объемом горно-экспериментальных работ на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов, охватывающих в целом по работе проведение около 8 км горных выработок с выемкой угля отбойными молотками, комбайнами и буро-взрывным способом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
получена количественная зависимость необходимых и достаточных условий развития процесса динамических газопроявлений на основе механических и газокинетических свойств угля и горнотехнологических параметров, определяющих напряженно-деформированное состояние пласта;
установлена зависимость газодинамической устойчивости при-забойной части пласта от ее газокинетических и фильтрационных характеристик, определяющих динамику активизирующих процесс сил;
экспериментально установлено значение динамической прочности газонасыщенного угля при одноосной разгрузке, связанное со статической прочностью линейной функцией и позволяющее по величине отношения этих значений судить о степени диспергирования угля при
формировании критического градиента напряжений;
экспериментально зарегистрировано снижение скорости волны дробления угля и степени его измельчения с ростом давления газа за фронтом этой волны, указывающие на связующую роль величины этого давления между процессами дробления и транспортирования;
введено понятие газокинетического показателя и получена корреляционная зависимость от основных свойств угля его величины, равной объему газа, выделяющемуся за первые 30 с с момента мгновенного разрушения, анализ значений которого для различных условий свидетельствует о существенном отличии кинетики газовыделения из природной углегазовой среды и искусственно насыщенного метаном угля;
обоснована зависимость дальности горизонтального транспортирования массы разрушаемого волной дробления газоносного угля при динамических газопроявлениях от его основных свойств и условий залегания, разработана алгоритмическая модель ее оценки в качестве достаточно универсального показателя газодинамической активности пласта;
установлено и промышленными наблюдениями подтверждено, что величина скорости газовыделения при выемке угля и характер снижения ее во времени указывают на вид динамических газопроявлений и уровень газодинамической активности призабойной части пласта, обеспечивают оперативную адаптивность критериев опасности к изменяющимся условиям проведения выработки;
получена зависимость параметров гидродинамического воздействия на призабойную часть пласта от установленных показателей ее газодинамической устойчивости с возможностью контроля эффективности по газокинетическому и гидродинамическому критериям;
установлены параметры аэрогазодинамических возмущений в горных выработках и вентиляционных сетях сложной топологии при динамических газопроявлениях, доказана возможность заблаговременного принятия мер по локализации угдегазовых потоков в пределах установленных зон.
Личный вклад автора состоит в разработке теоретических положений и адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений и включает:
- конкретизацию взаимосвязей и количественное обоснование не
обходимых и достаточных условий возникновения, развития и затуха-
ния динамических газопроявлений;
установление зависимости газодинамической устойчивости при-забойной части пласта от горнотехнологических факторов с учетом динамики давления газа в формирующейся системе .трещин;
установление критериев подобия и создание специального стенда для моделирования процессов- саморазрушения газонасыщенного угля и его транспортирования в потеке выделяющегося газа;
экспериментальное установление значения динамической прочности газонаевденного угля при. одноосной разгрузке и ее связи со статической прочностью;
экспериментальное подтверждение снижения скорости волны дробления угля и степени его измельчения с ростом давления газа за фронтом волны;
создание устройств для измерения газокинетических свойств углегазовой среды в натурных условиях и введение понятия газокине-тического показателя с установлением корреляционной зависимости его величины от основных свойств угля, доказательство существенности отличий кинетики газовыделения из природной углегазовой среды и искусственно насыщенного метаном угля;
установление зависимости дальности горизонтального транспортирования массы разрушаемого волной дробления угля при динамических газопроявлениях от его основных свойств и разработку алгоритмической модели ее оценки в качестве показателя потенциальной газодинамической активности пластов;
экспериментально-аналитическое обоснование метода текущего контроля газодинамической активности призабойной части пласта по динамике газовыделения при выемке угля и свойствам пласта в направлении подвигания с учетом технологии работ;
экспериментально-аналитическое обоснование связи эффективного гидродинамического воздействия на пласт с газодинамическим состоянием его призабойной части и разработку газокинетического и гидродинамического критериев контроля эффективности;
установление особенностей аэрогазодинамических возмущений в горных выработках и вентиляционных сетях сложной топологии при динамических газопроявлениях и доказательстве возможности локализации продуктов выброса в пределах заданного объема выработок.
Практическое значение работы. Результаты выполненных исследований позволяют:
выявлять по геологоразведочным данным границы зон угольных пластов различной потенциальной газодинамической активности;
вести комплексную оценку соответствия проектных решений и фактических режимов проведения выработки реальным горнотехнологическим условиям с позиций газодинамической опасности;
контролировать газодинамическое состояние призабойной части пласта с классификацией вида потенциальной опасности;
предотвращать динамические газопроявления в установленных прогнозом потенциально опасных зонах путем регулируемой дезинтеграции пласта;
оценивать допустимость резкого повышения притока газа из скважин в результате шинтервального ориентированного гидроразрыва пласта при заданных параметрах дегазационной системы и выявлять оптимальные инженерные решения по повышению ее производительности;
устанавливать потенциально возможные в конкретных горногеологических условиях и при заданных характеристиках вентиляционных систем размеры зон распространения продуктов внезапных выбросов угля и газа для.
Реализапия выводов и рекомендаций работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором вошли в отраслевые и региональные (производственные объединения и ассоциации) документы, используемые угледобывающими предприятиями и научно-исследовательскими организациями: "Типовые схемы оснащения участков шахт, разрабатывающих пласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа, средствами самоспасения горнорабочих и характеристика данных средств".-Донецк, 1980; "Методика расчета зон зага-зированийвентиляционной сети шахты при внезапных выбросах угля и газа и выбора мероприятий по обеспечению безопасности".-Кемерово, 1980; "Руководство по применению безопасного и контролируемого способа интенсивной дегазации ' призабойной части пласта для предотвращения внезапных выбросов угля и газа с использованием эффекта гидроотжима и аппаратуры контроля метана (регулируемый гидроотжим)".- Кемерово, 1985; "Методические положения по комплексной, с использованием средств вычислительной техники, оценке соответствия проектных решений по безопасности условиям заданного режима проведения горизонтальных подготовительных выработок по углю в шахтах ПО "Северокузбассуголь".- Кемерово, 1988; "Руководство пользователя пакета прикладных программ ПАСП0РТ-О1".- Кемерово,1989; "Схемы и
технология прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении' подготовительных выработок комбайнами на выбро-соопасных мощных и средней мощности пластах". -Кемерово, 1989; "Методика проведения вакуумно-газовой съемки в дегазационных газопроводах угольных шахт и рекомендации по использованию ее результатов для повышения эффективности дегазации".- Кемерово.1989; "Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок".-Кемерово, 1994; "Инструкция по применению ориентированного гидроразрыва пласта для предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок".-Кемерово, 1994; "Методика контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях"- Кемерово, 1997.
Апробация работы. Работа и ее отдельные части представлялись и получили одобрения на:
- международных симпозиумах;
второй и третий симпозиумы по механизации и автоматизации (Люлеа, Швеция, 1993; Голден, США, 1995); симпозиум по вопросам управления и контроля за высоким газовыделением и внезапными выбросами угля и газа на угольных шахтах (Уоллонгонг, Австралия, 1995); II Международная научно-практическая конференция "Перспективы развития ' горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1995г.) Симпозиум по утилизации метана угольных шахт (Алабама, США, 1997).
- отечественных конференциях, семинарах, совещаниях;
Всесоюзное совещание по теории внезапных выбросов угля, породы и газа (Москва.1978); IV Междуведомственный региональный семинар "Управление'вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск,1979); Всесоюзный семинар "Технология разработки мощных пластов Кузбасса" (Новосибирск,1985); Всесоюзный семинар "Управление газовыделением в шахтах" (Новосибирск,1986); Територи-альная научно-техническая конференция "Проблемы разработки мощных и наклонных пластов угля подземным способом" (Караганда, 1987); Всесоюзная конференция по развитию производительных сил Сибири "Угольный комплекс Сибири" (Ленинек-Кузнецкий,1990); Всесоюзный семинар "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск,1991); VIII Всесоюзное совещание "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новоси-
бирск, 1991); Всероссийская научно-практическая конференция "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово: КГТУ, 1994); Всероссийская конференция "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Новосибирск-Екатеринбург, 1994); Всероссийский отраслевой семинар по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации, повышения эффективности работы участков ВТБ и ПР по ТБ шахт, служб ДГС и газоаналитических лабораторий ВГСЧ (Кемерово, 1994); Конкурс по внедрению (промышленному освоению) современных технологий и средств для "Территориальной программы по улучшению условий, охраны труда и промышленной (техногенной) безопасности на предприятиях базовых отраслей промышленности Кемеровской области на 1998-2000 гг." (Кемерово, 1997); Научно-техническая конференция "Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса" (Кемерово, 1998);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, включая 16 патентов, авторских свидетельств и положительных решений о выдаче патентов РФ по заявкам на изобретения.
Обьем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 187 страниц машинописного текста, и содержит 46 рисунков. 24 таблицы и список литературы из 157 наименований.