Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на большинстве шахт России разработка угольных пластов ведется ниже глубин, начиная с которых проявляется опасность по газодинамическим явлениям. Наиболее типичные газодинамические явления для угольных шахт России - это внезапные выбросы угля и газа, внезапные вылавливания угля с повышенным газовыделением, внезапные обрушения (высыпания) угля с повышенным газовыделением, суфлярньге выделения газа и кратковременные загазирования выработок.
Самыми опасными по последствиям и сложными по своей природе являются внезапные выбросы угля и газа.
На угольных шахтах России зарегистрировано более 700 внезапных выбросов угля и газа.
Внезапные выбросы происходили на угольных шахтах Кузбасса, Ворку-тинского месторождения Печорского бассейна. Партизанского и Подгороднен-ского месторождений Приморского бассейна, Ростовского района Донбасса, Бошняковского месторождения острова Сахалин, Норильского района. Тунгусского бассейна, Егоршннского месторождения на Урале. Основная часть внезапных выбросов (около 80%) произошла при проведении пластовых подготовительных выработок.
В настоящее время разрабатывается 107 опасных и 122 угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа шахтопласта.
В условиях потенциальной или фактической выбросоопасностн горные работы ведут 67 шахт.
Газодинамическая опасность шахт значительно возросла за период 1990-1995 гг. в связи с тем, что на значительном числе шахтопластов горные работы достигли глубин ниже критическігх по внезапным выбросам. На шахте №І2 в Кузбассе в 1990 г. произошел самый мощный в бассейне внезапный выброс угля и газа, при котором количество выброшенного угля составило 682 т, а количество выделившегося газа - 41400 м3 (6t м3 метана на одну тонну выброшенного угля). В конце 1990 г. на шахте "Анжерская" в Кузбассе и начале 1991 г. на шахте "Северная" в Печорском бассейне произошли внезапные выбросы, повлекшие за собой групповые смертельные случаи.
В 1995 г. на шахте «Первомайская» АООТ «Северокузбассуголь» вследствие внезапного выдавливания угля с повышенным газовыделением произошел взрыв метана и угольной пыли с катастрофическими последствиями.
Следует отметить, что при относительно невысокой частоте внезапных выбросов в Кузбассе они представляют большую угрозу для шахт, так как мощные и очень газоносные пласты этого бассейна имеют большие запасы газа, который в огромном количестве высвобождается при выбросах к может привести к катастрофе. Удельное количество гаЗа при выбросах (на I т выброшенного угля) в Кузбассе, как правило, значительно выше, чем в Донбассе.
При проведении подготовительных выработок по углю, кроме внезапных выбросов, за последние 10 лет произошло около! 10 "газодинамических яв-
лений, которые характеризовались в значительном числе случаев выделением более 50 м3 газа на 1 т отторгнутого от массива угля, т.е. по газовыделению эти явления бывают' сопоставимы с выбросами и, следовательно, могут создать опасную газовую ситуацию.
Ожидается, что о число наиболее выбросоопасных угольных районов войдет Южный Кузбасс, где разрабатываются наиболее мощные и газоносные пласты.
Из вышеизложенного следует, что проблема прогноза и предотвращения газолиішмичєсих явлений, и, особенно, внезапных выбросов угля и газа, при проведении подготовительных выработок по угольным пластам является одной из самых актуальных.
Диссертационная работа выполнена а соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ ВостНИИ 1973-1996 гг., являвшимися составными частями отраслевого плана научных исследований Минутлепрома СССР, а в дальнейшем - отраслевой научно-технической программы "Уголь России". В рамках этих программ автор принимал участие в выполнении 18 работ в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.
Цель работы - разработка методов прогноза и способов предотвращения газодинамических явлений и технологии их выполнения, позволяющих повысить безопасность и эффективность проведения выработок по угольным пласта*!.
Идея работы состоит в использовании теоретически и экспериментально установленной зависимости вида газодинамического явления в забое горной выработки от соотношения факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние газонасыщенного угольного массива, и разработке на этой основе методов их прогноза и способов предотвращения.
Задали исследования:
исследовать факторы проявления газодинамических явлений в подготовительных угольных забоях и выбрать перспективные параметры для прогнозирования газодинамической опасности и ее вида;
исследовать связь газодинамических и геофизических параметров при-забойиого массива с опасностью по газодинамическим явлениям;
усовершенствовать критерии и метод прогноза опасности подготовительных забоев по онез иным выбросам угля и газа, внезапным выдавливаниям угпя с повышенным газовыделеннем, внезапным обрушениям (высыпаниям угля с повышенным .газовыделением, суфлярным выделениям газа и кратковременным загази'рованням выработок;
разработать технологию предотвращения опасных проявлений газоди намической реакции на выполнение локальных способов предогвращення газодинамических явлений, основанных на интенсивной разгрузке от газового і горного давления;
разработать способы предотвращения газодинамических явлений, ис кпючаюише опасные проявления реакции массива на их выполнение;
усовершенствовать метод определения невыбросоопасных параметров подвигания забоя;
разработать надежные методы контроля эффективности способов предотвращения газодинамических явлений.
Методы исследований. Анализ состояния проблемы борьбы с газодина
мическими явлениями на угольных шахтах, теоретические исследования газо
динамического состояния массива и механизма развязывания газодинамиче
ских явлений, лабораторные определения физико-химических свойств угля в
исследуемых зонах, экспериментальные исследования в шахтных и лаборатор
ных условиях по проверке теоретических положений, изучению характери
зующих газодинамическую активность пласта параметров, проверке показате
лей и установлению их критических значений и отработке технологии прогноза
и предотвращения газодинамических явлений, методы геомеханики, геофизи
ки, математической статистики, теории вероятности, апробация и внедрение
разработок на шахтах. . .
Объектами исследований являются опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа, внезапным выдавливаниям угля с повышенных газовыделением, внезапным обрушениям (высыпаниям) угля с повышенным газовыделением, суфлярным выделениям газа и кратковременным заі^зированикм угольные шахтопласты.
Научные положения, представленные к защите:
вид газодинамического явлення в забое подготовительной выработки определяется долей участия в процессе нарушения разновесного состояния призабойной части угольного массива основных факторов, определяющих газодинамическую опасность, - горного давления, давления газа, характеристик пласта и физико-химических свойств угля;
параметры, характеризующие динамику газовыделения в шпур и в выработку и выхода бурового штыба, зависят от соотношения факторов, определяющих газодинамическую опасность зоны пласта н ее вид, и могут применяться для текущего прогноза опасности зон пластов по газодинамическим ярг лениям:
увеличение активности элекгром«гнитного излучения (ЭМИ) с амплитудой импульсов бачее 20 мкВ на 1-3 порядка при входе в выбросоопасную зону по отношению к невыбросоопзеным зонам свидетельствует об интенсивном процессе развития квазипараллельпых забою трещин, являк>шихсл одним из обязательных условий проявления выбросоопасности;
предварительное увлажнение массива позволяет уменьшить в 2-І0 рез скорость газоотдачи угля при его разрушении и исключить опасные прояэле-ния реакции массива (загазирования выработки, развязывание газодинамических явлений) а процессе выполнения основанных на интенсивной его разгрузке от газового и горного давлений локальных способов предотвращения газодинамических явлений и взрывной отбойки угля;
использование низконапорного увлажнения пласта и бурения дренаж-' ных скважин (шпуроя) малого диаметра (42. мм) б качестве локалыгых спосо
бов предотвращения газодинамических явлений обеспечивает безопасную по
проявлениям реакции массива низкоинтенсивную разгрузку массива от газово
го и горного давлений; :
- в значительном диапазоне условий проведения подготовительных вы
работок в выбросоопасных зонах угольных пластов (примерно в 50%) преду
преждение выбросов обеспечивается применением невыбросооиасных пара
метров подвигания забоя - средней скорости подвигания и глубины заходки;
-' с уменьшением неравномерности подвигания забоя снижается выбросо-опасность в связи с возрастанием минимальной протяженности области влияния выработки на напряженное состояние пласта, однако она увеличивается не более чем т глубину выемки угля за один цикл подвигания даже при переходе к непрерывному подвпгаиию забоя (комбайном бурового типа);
выбор мероприятий по предотвращению газодинамических явлений должен определяться необходимостью воздействия на те факторы газодинамической опасности, которыми в наибольшей степени определяется возможность развязывания угрожающего, согласно результатам прогноза, явления; конечным результатом ее применения.должно быть снижение газовой активности или повышение динамической устойчивости призабойной части массива до уровня, исключающего нарушение ее равновесного состояния;
применение способов предотвращения газодинамических явлений, основанных на увлажнении массива, повышает пластичность пласта и снижает интенсивность образования квазипараллельных забою трещин и может контролироваться по увеличению активности ЭМИ с амплитудой более 20 мкВ.
Достоверность научных положений подтверждается:
теоретической обоснованностью принятых представлений о геомеханических закономерностях формирования опасности призабойной части пласта по газодинамическим явлениям;
значительным объемом (более 1000 циклов измерений) длительных (23 года) инструментальных наблюдений в шахтных условиях с целью проверки научных положений и установления критических значений показателей газодинамической опасности в условиях потенциальной и фактической опасности по газодинамическим явлениям;
результатами проверки разработанных в диссертации методов прогноза и способов предотвраш^ния газодинамических явлений, мероприятий по исключению опасных проявлений реакции массива на выполнение способов, интенсивно разгружающих массив от газового и горного давлений, на стадиях экспериментальны* исследований, испытаний и внедрения при проведении подготовительных выработок общей протяженностью более 2000м по потенциально опасным по газодинамическим явлениям пластам, показавшими:
соответствие установленных критериев прогноза фактической опасности зон по газодинамическим явлениям, исключение пропусков опасных зон и уменьшение в 2,5 раза по отношению к прежнему нормативному методу числа зон, необоснованно классифицируемых как выброеоопзеные;
- отсутствие газодинамических явлений в установленных прогнозом
опасных зонах после их приведения в неопасное состояние;
- отсутствие опасных проявлений реакции массива при интенсивной раз
грузке массива от газового и горного давлений.
. Научная новизна работы:
установлена зависимость величины градиента приведенной начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров от степени выброгоопасности наблюдаемой зоны пласта;
установлена зависимость для расчета ожидаемой максимальной концентрации метана при подвиганий забоя на основе сопоставления диаграммы записи концентрации метана в выработке и соответствующих эпюр изменения скорости газовыделения из шпуров;
разработана методика выявления структур нарушенного угля в сечении тбоя инструментальным способом при сложной структуре пласта;
установлены зависимости для определения параметров применения увлажнения с целью предупреждения опасных проявлений газодинамической реакции массива при бурении опережающих скважин и" гидроотжиме приззбой-їой части пласта;
разработаны новые локальные способы предотвращения газодинамиче-:ких явлений на основе применения низконапорного увлажнения и скважин иалого диаметра, исключающие опасные газодинамические проявления п процессе их выполнения;
получены зависимости, определяющие величину области влияния выработки на напряженное состояние пласта в любой момент конкретного цикла тодвнгания забоя относительно начала проходки;
разработан способ оперативного измерения давления газа в угольном масте, заключающийся в ступенчатом сбросе шт.увеличения давления пред- . ирительно закачанной в замерную камеру герметизатора воды до момента его ггабилизации на уровне, соответствующем величине давления газа о пласте;
предложены более надежные по сравнению с применявшимися ранее (етоды контроля эффективности способов предотвращения газодинамических івлеиий, впервые выполняемого на двух этапах, - в остановленном забое непо-редственно после выполнения способа и в процессе подвипшия забоя в обработанной зоне по параметрам газовыделения о выработку при отбойке угля, ре-истрируемым с помощью аппаратуры АКМ.
Практическая ценность работы заключается в разработке более север-ієішьіх мероприятий по прогнозу и предотвращению газодинамических явле-ий при проведении подготовительных выработок по угольным пластам. Важ-ымя для практики результатами являются повышение достоверности прогноза о внезапным выбросам угля я газа, суфлярам и кратковременным загазирова-иям выработки; разработка трех новых безопасных локальных способов пре-отвращеиия газодинамических явлений; разработка мероприятий по исключе-ию загазирований и развязывания газодинамических явлений в процессе ло-альной обработки массива из забоя выработки; усовершенствование метода <
определения невыбросоопасных параметров подвигания забоя; повышение надежности и оперативности контроля эффективности способов предотвращения газодинамических явлений.
Личный вклад автора состоит:
- в использовании для оценки степени выбросоопасности зон пластов а
окрестности забоя градиента приведенной начальной скорости гаэовыделекия
из контрольных шпуров;
» в установлении критериев и разработке методических положений, по
зволяющих после установления склонности обследуемых зон к газодинамиче
ским явлениям производить их окончательное разграничение по видам опасно
сти; .
в обосновании возможности использования сопоставления полученных с использованием аппаратуры АКМ диаграмм концентрации метана при отбойке угля и соответствующих эпюр изменения начального газовыделения из контрольных шпуров для прогнозирования максимальной концентрации метана при подвиганий забоя;
в разработке методического подхода к выявлению в сечении забоя вы-бросоопасных пачек тектонически нарушенного угля;
в разработке новых способов предотвращения газодинамических явлений в подготовительных забоях;
и разработке рекомендаций по выбору способов предотвращения газодинамических явлений в соответствии с результатами текущего прогноза;
в разработке методической основы и технологии использования увлажнения для предотвращения интенсивных проявлений газодинамической реакции пласта при применении в качестве локальных способов предотвращения газодинамических явлений бурения опережающих скважин и гидроотжнма пласта;
в установлении новой зависимости для определения зоны влияния выработки на напряженное состояние пласта, позволяющей точнее учитывать связь между ее величиной и режимом подвигания забоя;
в разработке способа оперативного измерения давления газа в угольном пласте на основе создания равного ему противодавления г&зоводяной среды в области влияния измерительной скважины;
в использовании -"ля контроля эффективности противовыбросиой гидрообработки пласта показателей активности электромагнитной эмиссии в обработанной зоне и определении области применения этих показателей;
в разработке новой технологии выполнения контроля эффективности способов предотвращения газодинамических явлений на двух этапах'- в остановленном забое после обработки массива и при подвиганий ззбоя в обработанной зоне и разработке основных методических положений контроля эффективности.
реализация работы. На основе научных результатов и практических рекомендаций, полученных в процессе диссертационных исследований или с их
,, 9
использованием, разработаны следующие отраслевые и региональные нормативно-методические документы:
-
"Схемы и технология прогноза и предотвращения внезапных выбросоз при проведении подготовительных выработок комбайнами на выбросоопасиых. мощных и средней мощности пластах". - Кемерово, 1989.
-
"Временная методика дифференцирования газодинамической опасности забоев подготовительных выработок на щахтопластах Беловского района". -Кемерово, 1991.
-
"Методические указания по классификация газодинамических явлений па угольных шахтах". - Донецк, 1991.
-
"Руководство по предотвращению загазиронаиий выработок при применении локальных противовыбросных мероприятий и проходке". - Кемерово, 1992.
-
"Методика выявления выбросоопасиой угольной пачки при текущем прогнозе выбросоопасности". - Кемерово, 1992.
-
"Методика составления "Комплекса мер по борьбе с внезапными выбросами угля и газа при разработке выбросоопасиых. и угрожаемых шахтопла-стов". - Кемерово, 1992.
-
"Методика контроля эффективности противовыброеной гидрообработки призэбойных зон угольных пластов при проходке на шахтах Беловского района Кузбасса". - Кемерово, 1994 .
-
"Руководство по применению автоматизированного метода прогноза выбросоопасиых зон угольных пластов и контроля эффективности протива-выбросных мероприятий в подготовительных выработках шахт Кузбасса" -Люберцы - Кемерово, 1995.
-
"Временная инструкция по применению сотрясательного взрывания на угольных шахтах".-М., Кемерово, 1996.
10. "Методика контроля эффективности протизовыбросного гидрорых
ления и увлажнения в подготовительных забоях". -Кемерово, 1947.
П. "Временная методика текущего прогноза газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам." -Кемерово, 1997.
12. "Временная методика автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности при проведении нисходящих подготовительных выработок на крутых пластах." -Кемероьо, 1997.
Методы, способы, технологические схемы и мероприятия, регламентированные настоящими нормативно-методическими документами, прошли промышленные испытания и внедрены на угольных предприятиях. Их применение позволяет повысить безопасность ведения горных работ ниже критической выбросоопасиой глубины, сделать более технологичными профилактические меры по предупреждению газодинамических явлений н получить значительный экономический эффект.
Перечисленные выше норматизно-кетодические документы согласованы и утверждены в установленном порядке. '"
Разработанные в результате 'диссертационных исследований новые способы предотвращения газодинамических явлений а подготовительных забоях, мероприятия по предупреждению проявлений газодинамической реакции мас-$ сива в процессе лохальной противовыбросной обработки, метод контроля эффективности протнвовыбросного увлажнения и гидрорыхлення включены в проект подготавливаемой к изданию новой отраслевой "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы н газа".
Апробация рдботц. Основные положения диссертационной работы док* ладывались м обсуждались на заседаниях Ученого совета ВостНИИ, Технических советов акционерных обществ "Северокузбассуголь", "Беловоуголь", Комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа на угольных шахтах России, Всесоюзном семинаре по электрометрии горных массивов (г.Кемерово, 1977), XXIV Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности (г- Донецк, 1991), Конференции по методам исследования напряженного состояния угольного массива (г. Алма-Ата, 1992), Отраслевом совещании по вопросам проветривания угольных шахт (г. Ростов-на-Дону,1993), Международном симпозиуме по-горным ударам и внезапным выбросам в шахтах (г. Санкт-Петербург, 1994), Симпозиуме-семинаре по управлению и контролю за высоким газовыделением и внезапным» выбросами на угольных шахтах (г. Воллонгонг, Австралия, 1995).
Публикации. Результаты диссертационных исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в S1 опубликованной работе, включая 12 отраслевых н региональных нормативно-методических документов. А авторских свидетельства, 2 патента, брошюру, статьи, тезисы докладов.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 9 глав и заключения, изложенных на 306 страницах, содержит 56 рисунков, 22 таблицы, список литературы и приложения.
