Разработка метода оценки газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок Плаксин, Максим Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы. При подземной разработке высокогазоносных угольных месторождений нередко существует вероятность возникновения опасных газодинамических явлений (ГДЯ) и, в частности, внезапных выбросов. В настоящее время, согласно действующим для угольных шахт Правилам безопасности (ПБ), на всех угрожаемых и опасных по внезапным выбросам пластах при проведении подготовительных выработок применяется метод текущего прогноза выбросоопасности, основа которого разработана еще в конце 70-х годов прошлого века в ВостНИИ. Оценка ситуаций носит качественный характер («опасно» - «неопасно») и не отражает тенденций изменения горнотехнологических ситуаций, что затрудняет своевременное принятие технологических решений. Методу свойственна большая трудоемкость, что негативно влияет на темпы проведения выработок. При этом анализ результатов прогноза выбросоопасности за последние десятилетия показал, что подготовительные выработки, проводимые по потенциально выбросоопасным участкам угольных пластов, составляют не более 10 % от общей их протяженности.

С учетом отмеченного решение этой части проблемы сводится к разработке оперативного метода, основной задачей которого является своевременное выявление приближения забоя выработки к границам газодинамически опасных зон угольного пласта, поиску этого решения посвящена настоящая работа. Учитывая, что газогеомеханические процессы при проведении выработки охватывают не только призабойную часть пласта, а продолжают развиваться и на предыдущих интервалах подвигания забоя, количественное сопоставление соответствующих показателей создает основу для выявления тенденций изменения опасности. Развитие научно-технических решений следует ориентировать на интеграцию как с нормативным, так и с другими развивающимися методами оперативной оценки состояния призабойной части угольного пласта (сейсмоакустический, спектрально-акустический, температурный, по динамике метанообильности призабойной части выработки при взятии очередной заходки и др.).

В качестве критерия оценки газодинамической активности пласта (ГДА)можно использовать динамику метанообильности подготовительной выработки, отражающую интенсивность развития газогеомеханических процессов, поскольку изменение фактической метанообильности относительно ее квазистатической величины является комплексным показателем изменчивости свойств угольного пласта по трассе проведения выработки.

Научной основой для создания метода оценки являются открытия российских ученых зональной дезинтеграции пород в окрестности горных выработок и существования метана в угольных пластах по типу твердого углегазового раствора (ТУГР). Первое позволяет уточнить особенности развития геомеханических процессов в приконтурной части пласта, а второе - оценить реакцию его газовой компоненты на эти изменения. Техническим базисом метода является оснащение шахт непрерывно действующими электронными системами аэрогазового контроля.

Объектом исследования является приконтурная часть газоносных угольных пластов при проведении подготовительных выработок.

Предмет исследования - закономерности развития газогеомеханических процессов в окрестности подготовительной выработки.

Цель работы состоит в разработке метода оценки газодинамической активности угольного пласта, позволяющего заблаговременно выделять границы газодинамически опасных зон для повышения безопасности горнопроходческих работ на основе геологоразведочной и горнотехнологической информации.

Идея работы заключается в исследовании особенностей метанообильности подготовительной выработки при изменении свойств и состояний угольного пласта для выявления признаков потенциальной газодинамической опасности.

Задачи исследований. Исходя из анализа состояния вопроса и поставленной цели, при выполнении работы решались следующие задачи:

1. Установить особенности изменений газодинамической активности пласта по трассе проектируемой выработки и разработать алгоритм расчета квазистатической метанообильности подготовительной выработки.

2. Установить связь динамики метанообильности подготовительной выработки с газогеомеханическими процессами в ее окрестности.

3. Разработать метод заблаговременного обнаружения границ газодинамически опасных участков пласта при проведении подготовительной выработки.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий:

1. анализ результатов известных исследований геомеханических и газокинетических процессов в газоносном углепородном массиве в зоне влияния горных работ для обоснования подхода к комплексной оценке следствий этих процессов;

2. формирование электронных баз геологоразведочных и горнотехнологических данных об исследуемом объекте для повышения оперативности обработки и анализа с применением статистических оценок;

3. группирование данных по горнотехнологическим признакам для предотвращения их нивелирования методами математической статистики;

4. компьютерная обработка, анализ и интерпретация данных систем аэрогазового контроля для обеспечения их информативности по условиям решаемой задачи;

5. численные и аналитические методы моделирования газогеомеханиче- ских процессов в углепородном массиве в окрестности подготовительной выработки для разработки алгоритмов решения задачи;

6. выявление общих для различных горнотехнологических условий изменений газодинамической активности пласта при проведении подготовительных выработок.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В выбросоопасных условиях влияние локальных изменений прочностных свойств пласта на его газодинамическую активность в 1,5-3,5 раза выше по сравнению с влиянием изменчивости газокинетических характеристик. Оценка фактических изменений прочностных свойств пласта обеспечивается сопоставлением объемов газа, выделяющегося в период горнопроходческих циклов, с квазистатической метанообильностью проектируемой выработки.

6. 1. Изменения метанообильности проводимой подготовительной выработки и газодинамической реакции пласта обусловлены изменениями структуры газоносности пласта и давления в нем газа под влиянием зональной геомеханической структуризации массива, развивающейся согласно параметру геосреды (V2 )ⁿ, где n - уровень геоструктурной иерархии.

   2. Отношение значений фактической среднечасовой метанообильности подготовительной выработки к ее квазистатической величине, регистрируемое в масштабе нелинейной шкалы зональной дезинтеграции приконтурной части массива, отражает рост газодинамической активности угольного пласта при приближении забоя к границам зоны фактической выбросоопасности, где указанное отношение более 3.

   Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

   7. применением фундаментальных знаний о состоянии газоносного угле- породного массива в зоне влияния горных работ при анализе особенностей газо- геомеханических процессов;

   8. представительным объемом горнотехнологических данных о газовой обстановке в подготовительных выработках (6 шахт, 8 пластов, 15 выработок, общее время наблюдений более 1500 сут с квантованием от 1 мин);

   9. достаточным для практических целей соответствием расчетных и фактических данных.

   Научная новизна работы заключается в следующем:

   Определено, что при снижении прочностных свойств пласта (f = 1,3 - 0,3) его газодинамическая активность, оцениваемая по показателю газодинамической деструкции угля, возрастает в 2 - 4 раза. При этом влияние изменений газокинетических характеристик пласта находится в пределах 10 - 15%. Градиенту средневзвешенного коэффициента крепости угля ±0,06/м соответствует изменение объема выделяющегося в выработку газа при взятии очередной заходки (0,8 м) примерно ±10% от предыдущего объема.

   Установлено, что при снижении напряжений в зонах дезинтеграции пласта распад твердого углегазового раствора формирует рост давления газа на величину, равную снижению напряжений, или до критической по механической устойчивости слоя пород между областью повышенного давления газа и выработкой с соответствующей динамикой ее метанообильности.

   Установлена эмпирическая зависимость размера зоны развития газогео- механических процессов в приконтурной части пласта при проведении подготовительной выработки от отношения значений фактической среднечасовой мета- нообильности к ее квазистатической величине, позволяющая уточнять параметры мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности и выполнять оперативный контроль газодинамической активности пласта с учетом особенностей геомеханической структуризации массива на базе компьютеризированных систем аэрогазового мониторинга.

   Личный вклад автора:

   10. в постановке цели, задач и разработке методики исследований, участии в сборе, обработке горнотехнологических данных и их анализе;

   11. в обосновании критериев, позволяющих выделять зоны потенциальной газодинамической опасности пласта на основании современных знаний об изменениях состояний углепородного массива;

   12. в разработке прибора для оперативного преобразования данных ленточных самописцев в цифровые данные (111 Н ИЦ), обеспечивающего повышение оперативности анализа динамики метанообильности выработок и оценку газодинамической активности пласта в выработках, не оснащенных электронными средствами аэрогазового мониторинга;

   13. в обосновании рекомендаций по совершенствованию системы аэрогазового мониторинга с целью повышения надежности оценки динамики метано- обильности подготовительной выработки.

   Научное значение работы заключается в расширении знаний о развитии газогеомеханических процессов в приконтурной части угольного пласта при проведении подготовительной выработки.

   Практическое значение работы состоит в том, что результаты исследований позволяют:

   14. на основе геологоразведочных данных выполнять предварительную оценку газодинамической активности пласта по трассе проведения подготовительной выработки;

   15. по данным аппаратуры аэрогазового мониторинга контролировать уровень газодинамической активности пласта и уточнять параметры мероприятий по ее снижению при проведении подготовительной выработки;

   16. уточнять ширину пояса газового дренирования выработкой пласта (зону неупругих деформаций) по данным о её метанообильности с целью конкретизации дальнейших мероприятий при ведении горных работ;

   17. применять современные вычислительные средства в условиях шахт, продолжающих использовать ленточные самописцы.

   Реализация работы.

   Результаты выполненных исследований использованы при выполнении:

   18. междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН № 89 и № 61 (гг. Кемерово, Новосибирск, Томск, 2006-2008 гг.);

   19. государственного контракта № 02.532.11.9001 от 03.10.2007 г.;

   20. грантов РФФИ №10-05-98009 р_сибирь_а, РФФИ № 10-05-90001 Бел_а;

   21. семи хоздоговорных работ ИУ СО РАН с угольными компаниями и шахтами Кузбасса по обеспечению ритмичности и безопасности горных работ по газовому фактору.

   Апробация работы.

   Основные результаты исследований докладывались на Областной научно- практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения» (Кемерово, 2006); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2006); I Региональной научно-практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (Прокопьевск, 2007); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2007); I Усовских чтениях в Кузбассе (Кемерово, 2010); I Чинакаловских чтениях в Кузбассе (Кемерово, 2011).

   Публикации. Результаты исследования опубликованы в 32 статьях и докладах, в том числе 9 статей напечатаны в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. Имеется один патент РФ на изобретение.

   Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 12 таблиц и 83 рисунка, список использованной литературы из 101 наименования.

   Похожие диссертации на Разработка метода оценки газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок

   

   Разработка методов оценки риска для обеспечения безопасности проведения выработок в условиях негазовых шахт Восточного Донбасса Чефранов Игорь Валерьевич

   Управление газодинамическим состоянием выбросоопасного пласта при проведении выработок с учетом генетических характеристик месторожденияКолесниченко, Евгений Александрович

   

   Разработка комплексного метода текущего прогноза выбросоопасности в подготовительных выработках, основанного на спектрально-акустическом и газовом контроле состояния горного массиваКоноваленко Владимир Андреевич

   

   Исследование и разработка методов оценки уровня промышленной безопасностиБуйко Кирилл Викторович

   

   Разработка метода оценки метаноопасности шахт по комплексной метанообильностиКолмакова Мария Владимировна

   

   Разработка метода оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов по электромагнитным параметрамШарипкулова Айгуль Тимирьяновна

   

   Разработка методов оценки и снижения токсичности полимерных конструкционных материалов при их эксплуатации и горенииГрабовецкая Наталья Николаевна

   Исследование и разработка методов оценки аэродинамического взаимодействия активных регуляторов с потоками воздуха в воздухопроводахШевцов Александр Анатольевич

   

   Разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб с учетом температурно-силовых и коррозионных воздействий рабочих сред Суслонов Александр Аркадьевич

   Разработка метода оценки параметров воздухораспределения для снижения скорости окислительных процессов в выработанном пространстве угольных шахтГоворухин, Юрий Михайлович