Геохимические основы прогноза внезапных выбросов в угольных шахтах

П. А. КО ЧЕНОВ

Геохимические основы прогноза внезапных выбросов в угольных шахтах

Газодинамические явления происходят при ведении работ в забоях горных выработок газоносных пластов (пород) и представляют собой быстропротекающее разрушение призабойной части угольного или породного массива, сопровождающееся отбросом или смещением угля (породы) в горную выработку и повышенным газо-выделением.

Известно, что внезапный выброс угля и газа представляет собой сложное газодинамическое явление, протекающее в несколько стадий:

• накопление и перераспределение потенциальной энергии упругих деформаций угольного пласта и вмещающих пород, переход угольного пласта в призабойной части в предельно напряженное состояние, повышение количества свободного газа (подготовительная стадия);

• быстрое разрушение напряженной призабойной части пласта, сопровождающееся трещинообразовани-

ем, дроблением угля, интенсивной десорбцией метана, приводящей к увеличению энергии свободного газа;

• лавинное разрушение угольного массива под действием горного и газового давления;

• вынос разрушенного угля в потоке расширяющегося газа;

• прекращение процесса разрушения угольного массива и постепенное уменьшение газовыделения.

Существенное повышение эффективности и безопасности разработки выбросоопасных пластов может быть достигнуто путем создания и широкого применения надежных, недорогих, малотрудоемких и простых по технике исполнения методов

прогнозирования выбросоопасности в действующих забоях шахт.

Различают три метода прогноза выбросоопасности угольных пластов:

а) региональный, который должен давать представление о выбросоопасности пластов до разработки угольного месторождения или шахтного поля;

б) локальный, цель которого состоит в определении выбросоопасности шахтопла-ста непосредственно после его вскрытия или в процессе ведения горных работ;

в) текущий, целью которого является выявление в процессе ведения горных работ невыбросо- и выбросоопасных зон, а также мест проявления выбросов в опасных зонах.

Множество гипотез о причинах и природе выбросов обусловило многообразие методов прогноза выбросоопасности, что свидетельствует о сложности этого до конца не познанного явления.

Все разработанные методы прогноза, например, для подготовительных забоев угольных шахт предусматривают периодическое опробование пласта, связанное с остановкой работ в забое. Данные прогноза по опробованию распространяются на период до следующей проверки, в течение которой забой, по существу, не контролируется. Для выполнения профилактических мероприятий комбайн каждый раз выводят из забоя, монтируют буровое оборудование, насосы для предварительного увлажнения угля в массиве и т.д. Кроме того, при комбайновом способе проведения выработок ввиду относительно высокой эксплуатационной скорости их подвигания и локальности проявления выбросоопасности пласта периодический контроль за опасным состоянием пласта приведет к неоправданному снижению производительности труда, когда профилактические мероприятия будут выполняться на участках, где они не вызываются необходимостью.

Необходимо принимать во внимание и экономические факторы, хотя они не имеют прямого отношения к текущему прогнозу, ввиду сложности разработки выбросоопасных пластов с применением трудоемких противовыбростных мероприятий и сравнительно редкого неожиданного наступления выбросоопасных событий в пласте (вероятность 8-10%).

По мнению многих специалистов эпизодическая оценка выбросоопасности неправомерна, т.к. забой выработки на участке, где текущий прогноз не проводится, может внезапно войти в опасную по выбросам зону.

Различные исследователи для целей прогноза изучали выбросоопасность по какому-либо одному признаку пласта. В результате для прогнозирования было предложено более 70 показателей выбросоопасности.

Изучение множества признаков угольных пластов было полезным для выяснения геохимических и геотектонических условий формирования угольных месторождений при решении ряда задач по региональному и локальному прогнозу.

Несмотря на несомненные успехи в создании и применении на шахтах нормативных методов текущего прогноза, внезапные выбросы происходят нередко и эту проблему нельзя считать решенной. Необходимо продолжать поиски новых, более совершенных в аспекте информативности и надежности предвестников газодинамических явлений в угольных шахтах, представляющих интерес не изменений в пла-

сте, а величины этих изменений (аномалий) . Если какой-либо параметр, характеризующий состояние пласта, сохраняет свои значения в невыбросопасных и соседних с ними выбросоопасных зонах, то есть имеет примерно одинаковый диапазон изменения в обеих зонах, что его не следует использовать для прогноза выбросоопасности при ведении горных работ.

Для изучения и прогнозирования таких сложных газодинамических явлений исследователи и практики разработали особый подход (экспериментальный), основанный на получении обширной информации на основе шахтных наблюдений об условиях их проявления на стадии подготовки выбросов.

В этой связи в 1985 г. была выдвинута гипотеза о возможности контроля устойчивости горного массива (Патент РФ №2013561), в основу которой положено наличие взаимосвязи между выходом паров ртути при механическом нагружении массива и потерей его устойчивости.

Для проверки этой гипотезы были отобраны пробы угля: пласт «Тройной» (шахты: Юр-Шор и Воркутинская АО «Воркутауголь») ; пласт «Пятый» (шахта Хальмер-Ю АО «Воркутауголь»); пласт «Четвертый» (шахта «Комсомольская» АО «Воркутауголь»). На первом этапе исследований определялось содержание ртути в образцах путем нагрева измельченного порошка в потоке газа-носителя: аргона или воздуха с фиксированной скоростью нагрева 2,5° С/с. Результаты выполненных определений приведены в таблице.

Таблица

Шахта Индекс пласта Место пробоотбора Характеристика опасности Глубина залегания, м Содержание ртути, рр.Ъ

Юр-Шор У • • * • • • • • 1 • • • • • - . *' • «*« • • • • * •• Г • • 9 4 » • '• *•* •* .*#' ;.* •»..•-V*! М'М Х-‘ і . * Х-Х*' ! 2-ой м по мощности, І-50 см. цггрек 334-3 пл. Пятого, в 90 м от скв. 5 Опасный по горным ударам : 620+40 Г •  • • • » • - •»•»••(••»і«* . • • • • - •в»| - • • • «».••••% » • « »V

Воркутинская п14+13+12 Уголь Опасный по внезапным выбросам 460 9+1

1 Хальмбр-Ю "14 * *л% м'Х'лл' \ *т VI ! V * *. V. .* V *. • * .... Уголь из полосы внезапного высыпания Опасный по эн^зап-1| ным выбросам 505 • . - *• • • • «'•' у** •*»'• **4 /•.*»***• • • • * • • • « • •*«••• • « *«'. • •

На втором этапе исследований из проб угля пласта «Четвертого» (шахта «Комсомольская») алмазной пилой были выпилены образцы кубической формы с размером ребра 45 мм и подвергнуты ступенчатому механическому нагружению. Сотрудниками лаборатории геохимии изотопов, геохронологии и космохимии разработана конструкция недисперсионного атомноабсорбционного ртутного фотометра, обладающего характеристиками, необходимыми для определения содержания ртути

ниже кларковых.

Для регистрации кинетики выхода ртути из образцов пород при их одноосном нагружении была изготовлена толстостенная ячейка из полиметилакрилата, показанная на рис. 1.

Рис. 1. Схема регистрации выхода паров ртути из образцов при их механическом нагружении

Ячейка устанавливалась на плунжер лабораторного гидравлического пресса, обеспечивающего максимальное усилие 100 кН.

Принцип работы фотометра основан на измерении интенсивности резонансной флуоресценции паров ртути, содержащихся в воздухе, прокачиваемом через чувствительную ячейку прибора 1 (см. рис. 2, а). Флуоресценция паров ртути, поступающих в ячейку через отверстие 2 вместе с газоносителем, в качестве которого использован воздух, вызывается освещением ячейки через окно 7 шариковой высокочастотной безэлектродной лампой 3. Для уменьшения количества рассеянного излучения ячейка окрашена в черный матовый цвет и в ней установлены две световые ловушки 4 и 5. Интенсивность флуоресцент-

ного излучения измеряется фотоумножителем 6 типа ФЭУ-39 или ФЭУ-71.

Рис. 2. Схемы ртутного фотометра:

а — оптическая; б — пневматическая

Воздух, содержащий пары ртути, количество которых следует измерить, поступают через разъем «Вход» фотометра к сорбенту 1 (см. рис. 2,6), который захватывает пары ртути из воздуха. Далее воздух проходит по каналу 2 в разъем «Выход» — в атмосферу. При скорости потока воздуха через сорбент, не превышающей 1л/мин, 96-98% ртути, содержащейся в воздухе, накапливается на сорбенте. Накопленная за любое время на сорбенте ртуть за 4-5 с «сбрасывается» с сорбента кратковременным нагревом нихромовой проволоки до 400-500С путем пропускания через нее электрического тока.

Для питания шариковой частичной безэлектродной ртутной лампы использован высокочастотный генератор 1 (см рис. 3). Лампа размещена внутри колебательного контура генератора. Генератор питается напряжением 2, который обеспечивает и высоковольтное питание ФЭУ. Стабильность во времени напряжений +80 и -800В обеспечивается стабилизатором 3.

Рис. 3. Блок-схема электрических узлов ртутного фотометра

Фототок ФЭУ, пропорциональный интенсивности флуоресценции в рабочей ячейке, поступает на преобразователь ПТЧ ток — частота, на выходе которого формируется совокупность импульсов стандартной амплитуды и длительности. Частота импульсов пропорциональна фототоку ФЭУ в диапазоне 10'9 - Ю'6 А. Импульсы поступают на схему частотометра, на выходе которого формируется сигнал постоянного тока. Его напряжение пропорционально частоте импульсов. Сигнал выведен на разъем фотометра и может непрерывно регистрироваться самописцем КСП-4.

Для измерения количества ртути, накопленной на сорбенте, нажимается кнопка «измерение». При этом реверсивный счетчик 4 устанавливается в нулевое положение, и запускается таймер 5, который разрешает счет фоновых импульсов счетчиком в течение 4с. После этого направление счета меняется на обратное, включается разряд конденсатора на сорбент 6, он «сбрасывает» накопленную ртуть, а счетчик вычитает из фонового отсчета в течение 4с число импульсов пропорциональное сигналу + фон. Зарегистрированное цифропечатающим устройством число импульсов остается на табло до следующего измерения. При настройке фотометра интенсивность свечения лампы, напряжение на фотоумножителе и крутизна преобразования преобразователя тока ФЭУ в частоту

регулируется таким образом, чтобы число импульсов, зарегистрированное фотометром, численно равнялось количеству ртути в пикограммах (1пг=10~12г.), прошедшему через чувствительную ячейку фотометра.

Фотометр регистрирует количество ртути в газовой фазе, поэтому его калибровка осуществляется пропусканием известного количества ртутных паров через измерительную ячейку при помощи ртутного газового эталона.

Воздух в зависимости от температуры в состоянии насыщения содержит пары ртути, количество которых определяется энтальпией испарения. Зная эти термодинамические характеристики, можно рассчитать количество ртути, содержащееся в 1 см3 воздуха при насыщении в зависимости от температуры.

На рис. 4 представлена кинетика выхода паров ртути из образцов вплоть до разрушения при действии на них одноосных нагрузок. На оси абсцисс показано давление на плунжере пресса.

¿#0 -

/до

О

5 6Г

Рм/7

Рис. 4. Кинетика выхода паров ртути из образцов угля пласта «Четвертый»

При переходе к каждой следующей ступени давления выход ртути из образца меняется скачком, и в дальнейшем при постоянном давлении — по экспоненциальному закону.

Интеллектуальный продукт

Автор! А, 8, Селиванов

Кафедре организации и управления в горной промышленности Тел, 236-95-82

Программа "Тор". Вычисление координат пункта

Предназначена для маркшейдерских расчетов на карьерах, вычисляет координаты пунктов, определенных методом обратной засечки.

Обеспечивает формирование базы исходных данных, производство расчетов и печать выходного документа.

П Программное обеспечение на гибких магнитных дискетах ! Консультации

Поэтому для регистрирования всего количества ртути, выходящего из образца при данном давлении, время экспонирования должно быть бесконечным или, во всяком случае, достаточно продолжительным. Выполнение этого условия в реальном эксперименте невозможно. Поэтому на образцах с различными пределами на сжатие было проведено по четыре эксперимента с различными ступенями давления и продолжительностью экспонирования. Во всех случаях результаты оказались плохо воспроизводимы и несут отпечаток индивидуальности каждого образца. При попытке улучшить разрешения на шкале давлений, т.е. изменения давления малыми ступенями, количество ртути начинает меняться хаотично, терять монотонный характер изменений с ростом давления.

Хаотические изменения, т.е. чередующиеся возрастания и спады выхода ртути из образца с ростом давления, как правило, наблюдались тогда, когда с поверхности образца, на очередной ступени давления происходило отслаивание, выкалывание чешуек, пластинок с боковых граней об-

разца. Это сопровождалось на данной ступени давления регистрацией пониженного количества ртути на последующей ступени.

Можно предположить, что скольжение по «плоскостям спайности», не обязательно по кристаллографическим плоскостям, а скорее по плоскостям наименьшей прочности, скоплениям дефектов приводит к «мобилизации» ртути, скалывание же чешуек, пластинок с граней образцов приводит к образованию свежих плоскостей поверхности, активно поглощающих ртуть из окружающего воздуха, в том числе и ту, которая выделяется при деформациях образца. : 11

Наблюдаемые аномалии ртути при механическом нагружении образцов, по-видимому , связаны с процессами подготовки выбросов и могут быть использованы в качестве геохимических основ их прогноза. Однако ограниченность сведений не позволяет пока сделать более обобщенные выводы.

© П.А.Коченов

Реклама научно-технических разработок ученых МТТУ