Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Внезапные выбросы и высыпания угля на шахтах Кузбасса .
1.2. Текущий прогноз газодинамических явлений 13
2. Газодинамическая реакция пласта на бурение шпуров в зонах, опасных по внезапным выбросам, высыпаниям и неопасных по газодинамическим явлениям 18
2.1. Измерительные приборы и методика исследований .
2.2. Исследования в зонах, опасных по внезапным выбросам угля и газа ;*... 21
2.3. Исследования в зонах, опасных по внезапным высыпаниям угля 45
2.4. Исследования в неопасных и защищенных зонах 56
2.5. Показатели текущего прогноза опасности внезапных выбросов и высыпаний угля 64
3. Прошение достоверности текущего прогноза опасности внезапных выбросов угля и газа 71
3.1. Теоретическое обоснование структуры уточненного показателя выбросоопасности
3.2. Экспериментальные исследования уточненного показателя выбросоопасности 101
3.3. Обнаружение тектонически нарушенного угля вблизи
забоя выработки 123
4. Метод текущего прогноза зон, опасных по внезапным выбросам и высыпаниям угля 136
4.1. Общие положения
4.2. Необходимые приборы, оборудование и принадлежности .
4.3. Исходные данные для прогноза опасности 137
4.4. Прогноз опасности 142
4.5. Промышленные испытания и эффективность применения метода прогноза 145
Заключение 149
Список литературы
- Текущий прогноз газодинамических явлений
- Исследования в зонах, опасных по внезапным выбросам угля и газа
- Экспериментальные исследования уточненного показателя выбросоопасности
- Исходные данные для прогноза опасности
Введение к работе
Актуальность работы. Вследствие сложности и разнообразия горно-геологических и горнотехнических условий подземной разработки угольных пластов йу-збасс занимает особое положение среди других восточных бассейнов и месторождений страны по потенциальной газодинамической опасности. Одна треть зарегистрированных на действующих шахтах внезапных выбросов угля и газа (164 из 498) произошла в Кузбассе; 15 шахт Кузбасса уже выбросоопасны, 5 шахт угрожаемы по внезапным выбросам (на них зарегистрированы внезапные высыпания угля и прогнозом обнаружены выбросоопасные зоны), 20 шахт еще неопасны, но на них горные работы достигли критических по внезапным выбросам глубин. При этом 75% выбросов произошло в подготовительных выработках. По сравнению с другими бассейнами в Кузбассе протяженность проходки таких выработок наиболее высокая. На всех этих шахтах применяют текущий прогноз выбросоопаснос-ти, а при обнаружении выбросоопаоных зон - способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Практика показала, что регламентируемый ПБ метод текущего прогноза выбросоопасности, благодаря заложенной в него перестраховке, в ряде случаев вынуждает преждевременно применять указанные способы, что связано с излишними значительными затратами труда и средств.
Внезапные высыпания (обрушения) угля с повышенным газовыделением обычно предшествуют внезапным выбросам угля и газа. На мощных и в особенности крутых пластах Кузбасса высыпания трудно отличить от выбросов. Способы предотвращения этих явлений различны. Прогноз внезапных высыланий ПБ не регламентируют.
Из этого видна актуальность исследований по ловышению достоверности текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа и внезапных высыпаний угля с повышенным газовыделением в подготовительных выработках на шахтах Кузбасса.
Дель работы - разработать метод текущего прогноза газодинамических явлений, позволяющий более достоверно, по сравнению с действующим методом, устанавливать опасность по внезапным выбросам и определять опасность по внезапным высыпаниям забоев подготовительных выработок.
Идея работы заключается в оценке опасного по внезапным выбросам и высыпаниям угля состояния призабойной части пласта по газовыделению, выходу бурового штыба и прочности угля при бурении шпуров.
Методы исследований. Теоретические и экспериментальные методы исследований в условиях фактической и потенциальной опасности внезапных выбросов угля и газа и внезапных высыпаний угля с повышенным газовыделением.
На зашиту выносятся:
Закономерности газовыделения по длине шпуров и выхода бурового штыба по длине шпуров и во времени в зонах, опасных по внезапным выбросам угля и газа и внезапным высыпаниям угля с повышенным газовыделением.
Критерии опасности по внезапным выбросам и высыпаниям угля с учетом газовыделения, выхода бурового штыба и прочности угля при бурении шпуров.
Методика оценки прочности угля в массиве при бурении ищу ров.
Аналитическая зависимость выхода бурового штыба при бурении шпуров от прочности и напряженного состояния угольного массива.
Достоверность научных положений подтверждается: - аналитическими исследованиями выявленных закономерностей газовыделения и выхода бурового штыба из шпуров на основе современных научных представлений о свойствах и состоянии призабойной части угольного пласта;
соответствием предложенных критериев фактической опасности зон пластов по внезапным выбросам и высыпаниям угля;
удовлетворительной сходимостью определений прочности угля при бурении шпуров с коэффициентом крепости проб угля по М.М.Про-тодьяконову;
соответствием расчетных и замеренных величин выхода бурового штыба из шпуров при различных значениях коэффициента крепости угля и напряжений в пласте.
Научная новизна работы заключается:
в установлении специфических качественных и количественных различий начальной скорости газовыделения по длине шпуров и выхода бурового штыба по длине шпуров и во времени в опасных по внезапным выбросам, высыпаниям угля и неопасных зонах угольных пластов;
в обосновании возможности оценки величины и положения максимальной оилы газового давления в призабойной части угольного пласта do эпюре начальной скорости газовыделения по длине шпура;
в разработке методики оценки прочности угля в массиве при бурении шпуров, по выходу бурового штыба с учетом глубины разработки.
Практическая ценность работы заключается в установлении новых критериев текущего прогноза опасности зон пластов по внезапным выбросам угля и газа и внезапным высыпаниям угля с повышенным газовы-целением, при использовании которых повышается достоверность прогноза выбросоопасности и оперативность прогноза опасности высыпаний уг-
ІЯ.
Реализация работы. Установленные критерии текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа и внезапных высыпаний угля с повы-іенннм газовыделением использованы при составлении "Методики дифференцированного текущего прогноза газодинамических явлений,выбора : контроля эффективности способов их предотвращения для условий воо-очных районов" и "Дополнения к "Методике промышленных испытаний
единого способа текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов и контроля надежности способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа".
Аггообапия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по электрометрии горных массивов (г.Кемерово, 1977 г.), заседании Технического совета производственного объединения "Северокузбасс-' уголь" (г.Кемерово, 1985 г.), на расширенных научных семинарах отдела борьбы с внезапными выбросами угля и газа (г.Кемерово, 1984, 1985 гг.) и заседаниях горной секции Ученого совета ВостНИЙ (1978,- 1985 гг.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 164 страницах машинописного текста, оодержит 18 таблиц, 34 рисунка, список использованной литературы и приложение.
В работе использованы результаты 4 плановых научно-исследовательских работ, выполненных с 1973 по 1983 гг., ответственным исполнителем и исполнителем которых являлся автор. В проведении исследований принимали участие сотрудники ВостНЙИ кандидаты технических наук М.С.Астановицкий, Н.Г.Вершинин, В.Н.Хашин, В.С.Черкасов, инженеры В.Л.Бульбенко, В.А.Горохов, В.Г.Исаченко,В.И.Крю-
чков, В.А.Никифоров, Г.В.Певнев, 1 А. А.Тенигині. Н.Я.Турчин, Е.МЛо-лзаков, техник А.И.Миргородский. Автор всем им признателен за оказанную помощь в исследованиях.
Текущий прогноз газодинамических явлений
Впервые в мировой практике текущий прогноз наиболее опасных из азодинамических явлений - внезапных выбросов угля и газа в промыш-енных масштабах начал осуществляться в Кузбассе в 1961г. по методу .И.Чернова [23,102,103] . Метод позволял выделить опасные и неопас-ые участки пластов (зоны) на основании комплекса следующих факторов : признаков: глубина разработки; наличие, характер и ориентировка крупных тектонических нарушений; обводненность пласта; тектоническая структура угля; показатель начальной скорости газоотдачи и коэффициент крепости проб угля с забоев выработок. Многолетнее применение метода показало, что он гарантирован от ошибок "первого рода" - в выделенных неопасных зонах выбросов не происходило. Однако ошибка "второго рода" - излишняя перестраховка при выделении опасных зон была значительна. Например, целое месторождение - Анжерское, начиная с потенциально выбросоопасной в Кузбассе глубины 150 м до достигнутой в настоящее время горными работами глубины 700 м разрабатывалось без способов предотвращения внезапных выбросов и без выбросов, несмотря на то, что этим методом неоднократно выделялись выбросоопаоные зоны. Такое несоответствие прогнозируемой и фактической выбросоопасности объяснялось тем, что используемый для прогноза один из основных показателей - показатель начальной скорости газоот-цачи угля, определяемый в лаборатории, учитывал только предрасполо-кенность измельченной пробы отдавать газ без учета того, каковы действительные запасы и давление газа в пласте, как и в каком состоянии он находится в призабойной части пласта и может или нет он зовершить работу по отторжению угля. При этом к внбросоопасным относились зоны высыпаний угля, которые происходили сравнительно часто m шахтах месторождения.
Указанные недостатки обусловили;/ необходимость поиска и разработки $олее надежного метода прогноза выбросоопасности, учитывающего не только природную предрасположенность призабойной части пласта к опас-юсти внезапных выбросов, но и влияние горнотехнических условий про іедения выработок на реализацию опасности. Появился метод текущего рогноза выбросоопасности по газодинамической реакции пласта на бу-іение передовых контрольных шпуров по наиболее тектонически нарушений (потенциально опасной) пачке угля, разработанный под руководст-ом В.Н.цузырева [25-27,32,48,70-74,90,104,109] . Предложенный лока атель выбросоопасности выражается через превышения над критическими замеренных максимальных значений начальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба по длине шпуров.Метод регламентирован действующими ПБ [37] к применению на шахтах Кузбасса и других восточных бассейнов и месторождений. При прогнозе этим методом ошибка первого рода также полностью исключалась и значительно,по сравнению с предшествующим методом, уменьшилась ошибка второго рода. В Анжерском месторождении зоны высыпаний стали прогнозироваться как неопасные по внезапным выбросам,но точное разграничение зон высыпаний и неопасных пока еще не было возможным,хотя и было замечено, что зоны высыпаний характеризуются высокими максимальными значениями выхода бурового штыба при максимуме начальной скорости газовыделения, близком или ниже критической по выбросам величины 4 л/мин.м (рис. I.I).
Впоследствие такое разграничение стало возможным в результате исследований под руководством В.Н.Пузырева при участии автора диссертации по разработке метода дифференцированного текущего прогноза внезапных выбросов, выдавливаний, высыпаний, горных ударов и суфляров [7б]. Для такого прогноза были предложены показатели газовой активности и динамической устойчивости пласта в призабойной части, выраженные через превышения над критическими соответственно максимумов начальной скорости газовыделения (4 л/мин»м) и выхода бурового штыба(2 л/м)с учетом расстояний до этих максимумов и мощности потенциально опасной пачки угля в забое выработки. Количественные значения этих показателей для разграничения зон выбросов, высыпаний и неопасных были установлены при участии автора в процессе выполнения настоящей работы. При применении метода ошибка первого рода отсутствовала. Однако перестраховка при прогнозе выбросоопасных :зон оставалась высокой.
Исследования в зонах, опасных по внезапным выбросам угля и газа
По одному и несколько циклов замеров было проведено в некоторых других выработках по пласту Владимировскому. Их результаты подобны изложенным выше Ссм.приложение I).
Результаты экспериментальных исследований на пласте Владимиров-ском шахты "Северная" подтверждают сделанные ранее другими исследователями (см.раздел 3.1) выводы об изменении начальной скорости газовыделения по длине шпура в выбросоопасных зонах по кривым с ярко выраженным, высоким и расположенным вблизи забоя максимумом. Такой характер кривых объясняется, согласно разработанной В.И.Мурашовым модели развязывания внезапного выброса угля и газа, зональностью области влияния выработки. Первая зона, прилегающая к забою, сложена сильно разрушенным углем, сжатым вмещающими породами, вследствие чего фильтрационная способность его низкая. Поэтому данной зоне соответствуют низкие значения начальной скорости газовнделения. Следующая за ней зона может быть представлена, как указывалось в предыдущем разделе, в виде системы элементов массива, разделенных примерно параллельными забою трещинами, заполненными свободным газом под высоким давлением. При входе в эту зону начальное газовыделение увеличивается и достигает в ней максимума. На выбросоопасных участках в пачках тектонически нарушенного угля трещины в данной зоне наиболее раз-зиты, что в сочетании с высоким давлением газа в пласте является при-ганой особенно высокой начальной скорости газовыделения. В граничащей з невозмущенным угольным массивом зоне трещины только начинают раскры-заться вследствие некоторой разгрузки массива, поэтому начальное газовыделение имеет здесь невысокую величину, а в невозмущенном массиве )но становится еще меньше.
О зональности области влияния выработки говорят результаты элек- рометрических исследований [l4] , проведенных автором совместно с В.Л. Іульбенко по методике, разработанной в Кузбасском политехническом ин ЗІ ституте [зо,87,88] . При этом электроды, контактирующие с массивом угля, размещались в шпуре на расстоянии 0,3 м один от другого и продвигались одновременно по шпуру с остановками для измерения активных токов через каждые 0,25 м. На рис. 2.5 приведены графики изменения активных тонов в угольном массиве впереди забоев подготовительных выработок, проводимых в неопасном и выбросоопасном угольном массиве. Кривые 1-2., полученные в выбросоопасных зонах, отличаются от кривых -4,соответствующих неопасной зоне, значительно большими колебаниями активных токов, особенно на расстояниях, соответствующих зоне развитых трещин. По-видимому, это является результатом попадания спаренных электродов в разные элементы массива, разделенные зияющими трещинами. В неопасных зонах пласта с прочным углем отдельные элементы массива плотно прижаты друг к другу, поэтому здесь таких резких колебаний значений токов не наблюдалось.
При сравнительных промышленных испытаниях на шахте "Северная" замеры выполнялись также на опасном по внезапным выбросам угля и газа пласте Волковском. На данном пласте произошло 2 внезапных выброса угля и газа в 1951 и I960 гг. в зонах тектонических нарушений. В месте испытаний пласт Волковский был сложен прочным матовым и юлуматовым углем. Коэффциент крепости угля по М.М.Протодьяконову для зерхней пачки составлял 0,69-1,59 (в большинстве случаев был больше С), для нижней лачки - 1,14-1,79. Мощность пласта составляла 3,8--4,3 м, угол падения - 47-50. Исследования проводились в основном ітреке севернее ската J& 17 на участке № I гор. -185 м. Сечение штре-са составляло 6,1 м2 в свету и 7,5 м2 вчерне. Отбойка угля производи-гас ь с применением БВР и отбойными молотками Противовыбросные героприятия при проходке основного штрека не применялись. При прове-;ении испытаний пласт вел себя спокойно, газодинамических явлений не ыло и каких-либо их признаков не наблюдалось [4]. Ранее актом от 8 сентября 1973г. участок пласта, на котором проводились испытания, был переведен в неопасные по внезапным выбросам угля и газа. Результаты замеров соответствуют фактической опасности пласта. Во всех случаях получены низкие значения начальной скорости газовыделения по всей длине контрольного шпура. В одном случае она получилась равной 2,6 л/мин«м,в остальных случаях не превышала I л/мин«м.Это говорит о том, что зона интенсивного трещинообразования, вследствие высокой прочности угля, была выражена слабо. Таким образом, зоны на пласте Банковском характеризовались значительно меньшей газовой активностью и динамической устойчивостью, чем зоны на пласте Владимировском, в которых проявлялась фактическая опасность по внезапным выбросам.
На шахте "Ноградская" экспериментальные исследования проводились во П параллельном штреке по пласту Горелому выемочного участка № 6. На этом участке было зарегистрировано 7 внезапных выбросов угля и газа. В месте проведения исследований пласт Горелый был пересечен двумя нарушениями. Пласт состоял из трех пачек угля, разделенных между собой прослойками оолитового железняка. В почве пласта имелась пачка перемятого угля мощностью 0,5-1,5 м. В зонах тектонических нарушений уголь бвя" слабым, интенсивно перемятым. Мощность пласта Горелого колебалась от 9,2 до 11,6 м, а в зонах тектонических нарушений уменьшалась до 6,5 м. Угол падения пласта составлял 55-65. Вмещающие пласт породы были представлены алевролитом средней крепости.
При проведении П параллельного штрека меры борьбы с внезапными выбросами не применялись. Оїбойка угля в забое производилась буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания. В качестве мер безопасности при проведении її параллельного штрека применялись специальные перемычки для локализации внезапного выброса и камеры-убежища ) подводом в них сжатого воздуха. Сечение штрека составляло в свету I угш вчерне 5,7 г.
Экспериментальные исследования уточненного показателя выбросоопасности
В соответствии с вышеизложенным, задачами шахтных исследований являлись:
1. Исследование возможности, определения опасности призабойных зон угольных пластов в подготовительных выработках по показателю В .
2. Исследование возможности оценки прочности угля в массиве по буримости и установление связи коэффициента крепости угля по М.М. Протодьяконову с показателем буримости.
3. Экспериментальная проверка метода оперативного контроля крепости угля в массиве по выходу бурового штыба.
Данные исследования проводились совместно с исследованиями показателя газовой активности R,- и показателя динамической устойчивости fiy .
При расчете значений приведенной начальной скорости газовыделения О использовались те же значения пн и , что и при расчете
Для исследования возможности оценки крепости угля по его буримости в забоях, оснащенных сжатым воздухом, применялось разработанное совместно с В.Л.Бульбенко оборудование [15] , включающее пнев-мосверпо I, трубку 2 с манометром 3, пружинный динамометр 4, буровую штангу 5 и угольный резец 6 (рис. 3.6). Трубка с манометром ввинчивается между шлангом, по которому поступает сжатый воздух, и сверлом. Манометр служит для определения давления сжатого воздуха на входе при бурении, которое может изменяться довольно сильно и от которого зависит режим работы сверла. С помощью пружинного динамометра контролируется усилие подачи бурового инструмента. В забоях, к которым подводилась только электроэнергия, вместо пневматического сверла применялось электросверло, режим работы которого можно считать постоянным.
В процессе проведения экспериментальных работ подобрана величина усилия подачи, при которой обеспечивается нормальный режим работы сверла на углях различной крепости. Она принята равной 0,2 кН. Глубина забуривания для определения показателя буримости выбиралась равной 0,1-0,3 м с таким расчетом, чтобы во время бурения шпур не успевал заштыбоваться и не происходило существенного зажатия инструмента, а при бурении по крепкому углю затраты времени не были слишком большими.
Замеры по определению показателя буримости осуществлялись следующим образом.
С забоя отбирался разрушенный уголь. Затем с помощью описанного выше оборудования производилось забуривание по нужной пачке на выбранную глубину t мс постоянным усилием подачи 0,2 кН, при этом фиксировалось время бурения tee ж, в случае.; применения пневмосвер-ла, давление сжатого воздуха на его входе г , МПа.
В качестве показателя буримости при применении пневмосверла использовалась величина -W T- С3-39 Посредством наблюдений в шахте было установлено, что скорость бурения электросверлом в равных условиях можно считать равной скорости бурения пневмосверлом с давлением сжатого воздуха на входе 0,4 МПа. В соответствии с этим величина О для электросверла опреде 104 лялась по формуле " Г— С3.40) с тем, чтобы сделать ее сопоставимой с величиной (/ для пневмосвер-ла. Параметр и может быть охарактеризован как сопротивляемость угля бурению.
Для сопоставления с показателем буримости и экспериментальной проверки метода оперативного контроля крепости угля в глубине массива по выходу бурового штыба на шахтах Кузбасса в забоях, где производились замеры характеристик газодинамической реакции угольного пласта, отбирались пробы угля для определения его коэффициента крепости по М.М.Протодьяконову. Иногда уголь был настолько слабым, что требуемую фракцию 10-15 мм было невозможно. В этом случае определялся условий коэффициент крепости fy по углю фпакции 2-5», а затем пересчитьшался на стандартный по полученной при участии автора для пластов Кузнецкого бассейна корреляционной зависимости fc= f d- C3.4I)
Значения коэффициента крепости угля сопоставлялись с замеренными максимальными значениям выхода бурового штыба по длине шпуров с учетом глубины горных работ.
В некоторых случаях значения 3L были рассчитаны по значениям показателей прочноетномера П-І по полученной В.Л.Бульбенко для условий Кузбасса корреляционной зависимости
Исходные данные для прогноза опасности
Мы видим, что для замеров перед выбросами и выдавливаниями получено Вер , значительно превышающее средние значения для остальных зон. Второе по величине значение Вер получено для зон, в которых наблюдались предупредительные признаки внезапных выбросов. Остальные средние значения В еще значительно ниже. Наибольшее п, ср получено для зон, где наблюдались предупредительные признаки внезапных выбросов -,Для зон, где после замеров произошли выбросы или выдавливания, значение nfCp получилось значительно , в II раз,ниже. Оно даже в 5 раз ниже, чем в целом для замеров на опасных и угрожаемых по внезапным выбросам пластах. Эти результаты говорят о том, что средние значения соответствовали категории опасности исследуемых зон по внезапным выбросам, в то время как о показателе /if этого сказать нельзя.
Все изложенное в настоящем разделе и выше свидетельствует о значительных преимуществах оценки выбросоопасности зон при текущем прогнозе по показателю В по отношению к установлению выбросоопасности по показателю Rf . На основании проведенных исследований схема прогноза газодинамических явлении представляется следующей:
Вначале производятся измерения только лишь параметров, необходимых для расчета показателей газовой активности Нг и динамической устойчивости Ну пласта в призабойной части и показателя изменения выхода бурового штыба во времени л . Если . /if ниже , а Ну выше критических значений, разделяющих опасные и неопасные по газодинамическим явлениям зоны, делается вывод о неопасности наблюдаемой зоны и остальные показатели не рассчитываются. Если Кг и Ну имеют значения, говорящие о возможной опасности по внезапным выбросам, рассчитываются приведенные значения начального газовыделения, замеряются дополнительно необходимые параметры-ж рассчитываются значения показателя О , по которому дается заключение об опасности по этим явлениям. Если зона согласно показателей Пг , Ну ти не опасна по внезапным выбросам, но показатель К у говорит о возможности опасности по внезапным высыпаниям, рассчитывается показатель rl и делается окончательный вывод о возможности высыпаний.
Применение показателей Цг и Лупозволяет во многих случаях производить прогноз без проведения дополнительных замеров и расчетов по определению показателя о , тем самым может быть з а чительно сокращено время на проведение прогноза.
Для той выборки данных, которая была получена в результате экспериментальных исследовании, в ЪУ/О неопасность зон могла быть установлена на стадии определения показателей Нг и К у В работе [ 67] дается количественная оценка напряженного состояния нетронутого угольного массива в зависимости от выхода бурового штыба из контрольных скважин. При этом принимается, что выбуривается весь уголь, находящийся в пределах области неупругих деформаций. Очевидно, зависимость между величиной области неупругих деформаций и выходом бурового штыба существует, однако выбуривается лишь уголь (порода) .который в результате, перемещений на контуре скважины оказывается в пределах проектного сечения шпура, определяемого диаметром резца.
Возможен другой подход к рассматриваемому вопросу.
Допустим, пробурен шпур радиусом 1 . Поскольку перемещение в результате деформаций точек массива,оказавшихся после окончания бурения на контуре шпура,для некоторого интервала шпура длиной {, будет приблизительно одинаковым, можно считать, что до бурения эти точки находились на поверхности цилиндра, радиус п. которой больше радиуса шпура на величину перемещения
