Введение к работе
'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. В 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, отким 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.
S 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 энергю 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 горных 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 Минутлепрома 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 методи 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.
. "входы исследований:
- анализ и обобщение результатов экспериментальных и теоретических
исследований физических процессов, происходящих в выбросоопасных
угольных пластах;
синергетическое моделирование газодинамических процессов, влияю
щих на безопасность ведения горных работ, на осноеє механики
сплошных сред, газовой динамики и нелинейной акустики;
научно-техническое обобщение и 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-9Є" (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.
