Введение к работе
Актуальность проблемы. Технология добычи коксующегося угля наиболее ценных марок на метаноносных пластах должна учитывать возможность проявлений газодинамических процессов в горном массиве. Выполнение технологических операций в забоях горных выработок происходит с риском для жизни рабочих и большими материальными затратами на ликвидацию последствий аварий. Проблема обеспечения безопасности рабочих в этих условиях носит глобальный характер, так как внезапные выбросы происходили практически во всех угледобывающих странах.
Для обеспечения безопасности работ предложен и реализуется ряд региональных и локальных способов предотвращения внезапных выбросов на основе дегазации угольных пластов. На шахтах при разработке одиночных пластов или не защищенных региональными способами участков наибольшее распространение получили локальные способы. Производственный опыт показывает, что эти способы, во-первых, не всегда обеспечивают зашиту рабочих во время вьшолнения рабочих процессов в забое, и, во-вторых, не обеспечивают защиту рабочих при выполнении противовыбросных мероприятий. Отсутствует надёжный способ прогнозного выявления выбросоопасных зон. В настоящее время нет данных о закономерностях распространения в угольном пласте метана, энергия которого реализуется во время газодинамического явления, и о состоянии угольного вещества в выбросоопасных зонах, что не позволяет надёжно обеспечить безопасность работ в забое подготовительных выработок, и, в первую очередь, во время вскрытия выбросоопасных очагов передовыми скважинами. До сего времени отсутствуют работоспособные способы получения информации об эффективности дегазации, определения предвыбросной ситуации в забое и предупреждения рабочих.
Газодинамические явления относятся к сложным природным явлениям, изучение которых должно начинаться с закономерностей формирования угленосных формаций. Зональность проявления внезапных выбросов указывает на их связь с местом расположения в угольном пласте и на аномальность структуры угольного вещества в этом месте. Прогнозирование выбросоопасных зон должно базироваться на изучении тех мест в торфянике, где были условия для формирования угольного вещества с такой структурой. Знание природных условий формирования угольных пластов позволит научно обоснованно выявить места возможных выбросоопасных зон на угольных пластах.
Реальное обеспечение безопасности рабочих может быть осуществлено на основе полученных знаний о внутренних процессах в угольном веществе и механизме инициирования внезапных выбросов. При работе в выбросоопасной зоне обеспечение безопасных условий заключается в управлении газодинамическим состоянием впереди забоя, чтобы исключить внезапное разрушение пласта и выброс метана во время вьшолнения процессов дегазации пласта, и не допускать оставления локальных объёмов метана под большим давлением в призабойной зоне после дегазации.
Продолжающиеся внезапные выбросы, особенно во время вьшолнения противовыбросных мероприятий, свидетельствуют об актуальности решаемой в диссертации проблемы, связанной с обеспечением безопасности работ при
прохождении выбр о со опасных зон на основе управления дегазацией и приве дения в невыбр о со опасное состояние метаноносных угольных пластов.
Целью работы является выявление для разработки и обоснования спосо бов управления газодинамическим состоянием выбросоопасного пласта зако номерностей образования локальных газовых накоплений и генетических ха рактеристик угольного вещества в выбросоопасном слое, практическая реали зация которых обеспечивает безопасность и эффективность проведения выра боток в выбросоопасных зонах.
Основная идея работы состоит в устранении газонакопления в выбросо опасном пласте, установленного на основании геологических материалов с формировании выбросоопасной зоны, путём управляемого вымывания опере жающих полостей по информации об интенсивности газовыделения, при об разовании защитной полосы с постоянным опережением приведённого в не выбросоопасное состояние выбросоопасного слоя.
Методы исследований. В работе использовался комплекс методов иссле дований. Для проверки гипотезы формирования выбросоопасных слоев в пла сте были использованы геологические разрезы угольных пластов Воркутскогс месторождения по горным выработкам и скважинам, разрезы по пластам, вы полненные геологическими экспедициями. Для исследования закономерностеі распределения метана в угольном пласте использованы результаты комплекс ных измерений на особо выбросоопасном участке пласта. Выполнены лабора торные исследования петрографического состава угольного вещества. Теоре тические исследования проводились с целью обоснования молекулярної структуры и надмолекулярной организации угольного вещества, для проверю условий разрушения угольного вещества различного генезиса. Аналитически! расчёты применялись для моделирования физико -механических процессов і массиве, определения характеристик напряжённого состояния выбросоопас ного слоя и параметров дегазированных и разрушенных зон впереди забоя Шахтные эксперименты проводились для разработки способов и средств кон троля и управления дегазацией призабойного массива пласта.
Основные научные положения, выносимые на защиту: 1 .Расположение выбросоопасных зон в угольном пласте является следстви ем природных закономерностей формирования свойств торфяника в перио; его накопления. Выбросоопасные зоны находятся в области влияния крупной геотектонического ритма и представляют собой линзообразные локальные уча стки слоя малозольного угля, который отложился в результате изменения фа циальных и физико-химических условий преобразования органического веще ства.
-
Прогноз расположения выбросоопасных зон может быть осуществлён ш этапе геологических изысканий с использованием выявленной закономерно ста по результатам анализа слоевого отложения, связанного с расщеплением пласта и расположенного в зоне влияния геотектонического ритма.
-
При разработке и реализации локальных способов предотвращения вне запных выбросов угля и газа необходимо учитывать зональность и неравномер ность накопления газа в угольном пласте. В выбросоопасном слое пласта сое редоточены основные запасы газа, которые накоплены в локальных объёма? угольного вещества под большим давлением и между которыми располагают-
ся участки слоя с большей зольностью, с меньшей метаноносностыо и низкой проницаемостью. Суммарное выделение метана из соседних участков выбро-соопасного слоя пласта шириной 3,5 - 5 м может отличаться в несколько раз.
-
Зональность внезапных выбросов является следствием зонального расположения условіш образования угольного вещества определённого генетического типа. Выбросоопасная зона - это генетически обособленный метанонос-ный участок угольного слоя или пласта, в границах которого во время торфо-накопления в определённых фациально-геотектонических условиях сформировалось угольное вещество с молекулярной структурой, которая в процессе гумификации и углефикации не претерпела значительных перестроений энергетических связей и имеет аморфную структуру, высокую пористость и низкие физико-механические параметры.
-
Разрушение угольного вещества в выбросоопасной зоне в массиве до подхода выработки (в условиях объёмного сжатия) происходит в результате разрыва межмолекулярных и межагрегатных связей под действием внешних п внутрешшх сил. Внешние силы создаются горным давлением вышележащего массива, которое повышается в зоне действия геологических нарушений и в зонах ПГД. Внутренние силы создаются давлением газа, заключённого в угольном веществе. При внезапном выбросе происходит макроразрушение барьерного целика, отделяющего локальные скопления газа от плоскости обнажения ( забоя передовой полости или выработки).
6. Эффективность управления газодинамическим состоящем выбросо-
опасного слоя и приведение его в невыбросоопасное состояние в связи с нерав
номерностью распространения метана может быть обеспечена на участке с пол
ным разрушением и дегазацией выбросоопасного слоя. При гидровымывании
опережающих полостей впереди забоя на участке одноосного сжатия образу
ется полоса разрушенного горным давлением выбросоопасного слоя. Ширина
этой полосы зависит от числа и длины вымываемых полостей, также прочно
сти на сжатие выбросоопасного слоя.
7. Основным условием обеспечения безопасности рабочих в выбросоопас
ной зоне во время выполнения проходческих работ в забое является создашіе
дегазированной и разрушенной защитной (буферной) полосы в выбросоопасном
слое впереди забоя. Разрушение и полная дегазация выбросоопасного слоя
происходит при расстоянии между центрами вымываемых полостей не более
1,6-1,8 м.
В качестве критерия эффективности дегазации может служить неснижае-мое опережение разрушенных целиков, которые остаются между вымываемыми полостями или выбуриваемыми скважинами. Для условий Воркугского месторождения величина критерия принята равной 50 % от ширины разрушенной горным давлением полосы, что обеспечивает безопасное подвигание забоя выработки 5 м/сут.
8. Для обеспечения безопасности рабочих во время выполнения протпво-
выброспых мероприятии наиболее эффективным и технологичным является
вымывание опережающих полостей с непрерывшлм контролем интенсивности
дегазации. Этот способ учитывает снижение физико-механических свойств уг
ля в выбросоопасной зоне и установленные закономерности расположения
локальных объёмов газа под большим давлением в выбросоопасном пласте.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований управляемой дегазации выбр о со опасного слоя впереди забоя выработки и параметров дегазированной и разрушенной защитной полосы при вымывании опережающих полостей (расхождение не более 20 %);
представительным объёмом шахтных исследований распределения метана по слоям и по площади распространения метаноносных угольных пластов (более 1300 м в выбросоопасных зонах, в том числе до и после внезапных выбросов);
экспериментальным подтверждением изменения газодинамического состояния выбросоопасного слоя впереди забоя выработки и способа контроля и управления интенсивностью дегазации при вымывании опережающих полостей, что обеспечивает эффективную и безопасную отработку запасов высокогазоносных угольных пластов в выбросоопасных зонах;
положительным опытом внедрения технологических и технических решений по управлению газодинамическим состоянием и предотвращению внезапных выбросов на шахтах Воркутского месторождения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Выдвинута и экспериментально обоснована гипотеза о природной (генетической) закономерности формирования выбросоопасных зон в угольных пластах в период торфонакопления при изменении фациально-геотектоничес-ких и физико-химических условий преобразования органического вещества.
-
Обоснована гипотеза о возможности прогнозирования выбросоопасных зон по фациально-геотектоническим условиям формирования угольных пластов в месторождениях синклинального типа.
-
Выявлена закономерность размещения локальных скоплений метана по слоям и по площади распространения угольного пласта.
-
Разработана теоретическая модель физико-химических процессов в угольном веществе коллоидного генезиса во время формирования аномальных структурно-механических свойств угольного вещества в выбросоопасных зонах.
-
Разработан аналитический метод расчета силовых параметров газа в пласте, энергетических затрат разрушения угольного вещества на межагрегатном уровне горным давлением и заключённым в нём сжатым газом, и параметров барьерной угольной перемычки, разрушаемой метаном при внезапном выбросе.
-
Обоснован критерий эффективности управления газодинамическим состоянием выбросоопасного слоя впереди забоя выработки, а также технологические решения по приведению его в невыбросоопасное состояние.
-
Разработан аналитический метод определения напряжений и деформаций в выбр о со опасном слое при вымывании опережающих полостей, позволяющий рассчитать ширину разрушенной и дегазированной полосы в слое і зависимости от параметров применяемого способа, что обеспечивает увеличение темпов проведения выработки.
-
Предложены методы контроля и управления процессом вымывания пе редовых полостей для дегазации выбросоопасного слоя, которые обеспечива-
от безопасность работ во время выполнения противовыбросных мероприятий іри проведении подготовительных выработок.
Научное значение работы состоит в разработке методологической базы ефективного управления дегазацией и приведения в невыбросоопасное со-:тояние метаноносных выбросоопасных пластов при разработке угольных месторождений с учётом их генетических характеристик.
Практическая ценность работы:
разработаны безопасные технологические схемы выполнения работ в іабое при проведении выработок в выбросоопасной зоне;
разработаны рекомендации по прогнозному выявлению очагов внезап-п»іх выбросов по данным геологических изысканий;
рекомендованы параметры и осуществлено внедрение способа гидро-$ымывания опережающих полостей для дегазации выбросоопасного слоя, по-іьішающие безопасность и скорость проведения выработок в выбросоопасных юнах;
разработаны на уровне изобретений и реализованы способы управления газодинамическим состоянием выбросоопасного слоя в угольном пласте, которые обеспечивают безопасность работ во время профилактических меро-триятий в забоях горных выработок в выбросоопасных зонах;
разработаны и внедрены специальные насадки-датчики для управления іегазацией пластов в очагах выбросоопасности, которые обеспечивают безо-тасность работ и являются основой для разработки автоматических манипу-гаторов с дистанционной или интерактивной системой управления.
Реализация работы. Рекомендованные параметры гидровымывания опе-эежающих полостей для предотвращения внезапных выбросов были внедрены т шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» при проведении подготовительных выработок на особо выбросоопасном участке пласта «Мощного». В зезультате сократилось количество вымываний, увеличилась скорость проведения выработок, повысилась безопасность работ. Во время внедрения были іредотвращеньї выбросы в пяти выбросоопасных зонах, в которых из выбросоопасного слоя выделялось газа от 70 до 103,5 м3/т горной массы. Внезапные шбросы до этого происходили при выделении газа свыше 50 м3/т. Фактичес-сий экономический эффект при проведении штрека 1221-С составил 51,8 тыс. )уб., при проведении штрека 1321-С - 57,7 тыс. руб. (в ценах 1988 и 1989 г.).
Насадки-датчики для контроля интенсивности выделения метана во вре-т профилактических работ прошли промьшшеннуїо проверку на шахте <Комсомольская» и показали хорошие результаты.
На шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» в 1988 - 1989 г.г. вне-ірено изобретение «Способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа» с юлучением экономического эффекта 311 тыс. руб. (Решение Госкомизобрете-шй СССР PC № 60/4 - 13/084 от 25.03.91 г.). Способ был рекомендован Мин-тлепромом СССР к внедрению на шахтах отрасли. В 1996 г. ОАО «Воркута-толь» приобрело патент на использование с 1 шоля 1996 г. этого изобретения іа шахтах объединения. Научные и практические результаты работы исполь-;уются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Лахтинском институте Южно-Российского государственного технического шиверситета (Новочеркасского политехнического института).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на заседаниях технико-экономичесго совета шахты «Комсомольская» (1988-90 г.) и объединения «Воркутауголь» (1990-91г.); на заседаниях главного управления охраны труда, техники безопасности и горноспасательных частей Минуглепрома СССР (1986 г.); на II Международном рабочем совещании (24-27 июня 1997) по проблемам геодинамической безопасности; на научно-технических конференциях Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в 1986 - 99 г.г.; на заседаниях техсове-та государственного треста «Артикуголь» (1997 -1998 г.); на Международных научно-практических конференциях «Неделя горняка-99» (январь 1999 г.) и «Неделя горняка-2000» (февраль 2000 г.), проводимых МГГУ и ИПКОН РАН; на научном семинаре кафедр аэрологии и охраны труда и подземной разработки пластовых месторождений МГГУ (22 декабря 1999 г.) и в ННЦ горного производства - ИГД им. А.А. Скочинского (23 декабря 1999 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 41 научной работе, в том числе в 3 монографиях, 3 брошюрах, 3 авторских свидетельствах и 1 патенте на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения и 3 приложений и содержит 79 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 174 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность за ценные консультации, советы и помощь проф., д.т.н. Ю.Н. Кузнецову, проф., к.т.н. А.В. Орешкину, проф., д.т.н. А.Н. Дровникову, кз.н. А.А. Сизякину, к.т.н. В.И. Экгардту, доц., к.т.н. В.М. Гончарову, В.П, Бобрецову.
