Газодинамическая опасность угольных пластов и деструкция частиц угля как следствие энергии распада углеметана

УДК 622.121.54

Т.А. Киряева, М.С. Плаксин, А.А.Рябцев, Р.И. Родин

Институт угля и углехимии СО РАН

Газодинамическая опасность угольных пластов и деструкция частиц угля как следствие энергии распада углеметана

Представлены результаты применения нового подхода к оценке уровня газовой и газодинамической опасности на основе экспериментальных зависимостей о связи энергии распада углеметана в зоне ведения горных работ с деструкцией частиц угля.

Ключевые слова: ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ, ДЕСТРУКЦИЯ УГЛЯ, ЭНЕРГИЯ РАСПАДА УГЛЕМЕТАНА, УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ.

The results of application of potential approach to the estimation on a level of gas and gas-dinamic hazard оп the basis of experimental dependences on communication of disintegration energy of coal-methane at a zone of conducting mining operations with destruction of coal particles are presented.

Key words: GAS-DINAMIC HAZARD, DESTRUCTION OF COAL PARTICLES, DISINTEGRATION ENERGY, SPECIFIC SURFACE.

Научное открытие российскими учеными твердых углегазовых растворов обеспечивает повышение понимания геотехнологических процессов и, как следствие, надежности технологических решений. Оно позволяет уточнить решения задач управления газовыделением при подземной разработке углеметановых месторождений на основе геологоразведочных данных о природной газоносности пласта и формах существования метана, особенностях газоистощения пласта в зонах влияния горных работ. Поскольку процесс распада твердого углеметанового раствора протекает с выделением энергии, то естественно ожидать воздействия ее части на деструкцию твердой компоненты пласта. Чем выше газоносность, при прочих равных условиях, тем интенсивнее газодинамическая деструкция угольного пласта вплоть до его саморазрушения в форме внезапного выброса угля и газа. В то же время горными исследованиями было установлено, что при равной газоносности наиболее склонны к саморазрушению угли средней стадии метаморфизма. Чем выше энергия распада, тем выше степень измельчения отторгаемого угля. В качестве критерия можно использовать показатель газодинамической деструкции, учитывающий основные факторы, влияющие на газодинамическую опасность: глубину залегания пласта, газоносность, выход летучих веществ, прочность. Как показали проведенные исследования, основными критериями опасности при проведении подготовительных выработок являются не только величина показателя, но и градиенты его изменения.

На рисунке 1 представлена карта значений показателя для одного из пластов Кузбасса. Видно, что его критическая изолиния 0,75 соответствует принятой, по рекомендациям ВостНИИ, общей оценке изменения опасности. В то же время изолинии показателя более точно отображают не только тенденции, но и соответствуют фактической выбросоопасности. Тогда, сканируя карту по трассам проведения выработок, можно уточнять технологические решения по снижению газодинамической опасности (рисунок 2).

Рисунок 1 - Уточненная карта показателя газодинамической деструкции пласта XXVII Березово-Бирюлинского месторождения

Рисунок 2 характеризует изменение показателя газодинамической деструкции по длине конвейерного штрека с указанием мест внезапных выбросов.

Кд

1,08 1,06 1,04 1,02 1

0,98

0 500 1000 1500 М 2500

^ - места возникновения внезапных выбросов

Рисунок 2 - Изменение показателя газодинамической деструкции по длине подготовительной выработки

По данному прогнозу можно давать приближенную характеристику газодинамической обстановки при проведении выработки. Поскольку карты показателя строятся первоначально по сетке геологоразведочных скважин, масштаб которой довольно велик, картина нарушенности пласта не является точной, и большая часть мелкоамплитудных нарушений фиксируется уже в процессе проведения выработки. Здесь следует подчеркнуть значимость развития геофизических методов исследования и разработки методов автоматизированного контроля газокинетических характеристик пласта при ведении горных работ.

Полученные результаты позволяют более детально проанализировать фактическую вы-бросоопасность представленного на рисунке 1 участка месторождения. Рассмотрим три зоны.

Зона 1 - Проведение уклона сопровождалось тремя внезапными выбросами и одним выдавливанием угля с повышенным газовыделением.

Зона 2 - Проведение конвейерного штрека. Два внезапных выброса. После первого из них забой на продолжительное время был остановлен. Но при возобновлении работ через несколько метров подвигания произошел второй внезапный выброс (рисунок 2).

Зона 3 - Очистные работы. На протяжении 100 м отработка столба. Работы сопровождались слабыми газодинамическими явлениями, что потребовало применения специальных мер.

Для всех трех случаев характерен увеличивающийся показатель газодинамической деструкции.

При механическом разрушении газоносного угля возникают условия для развития микротрещин за счет энергии газа. Отсюда представляют интерес измерения удельной поверхности проб углей с различными свойствами.

Исследования выполнялись ИК СО РАН путем измерения изотерм адсорбции аргона при 77К на установке СОРБИ-М в интервале относительных концентраций 0,11-0,28. Образцы предва-

рительно термотренировали при 1000С в течение 2 ч в токе инертного газа. Полученные экспериментальные данные обрабатывали методом БЭТ.

Установлено, что с ростом выхода летучих веществ количество сорбированного газа увеличивается. Но для бурых и длиннопламенных углей зависимость сорбционной способности по отношению к газам имеет двойственный характер. При поглощении метана бурыми углями наряду с природной активацией имеют место процессы абсорбционные, поскольку «скелет» вещества бурых углей является менее жестким, чем у каменных углей. В результате общая газоемкость бурых углей довольно высока по сравнению с малометаморфизованными каменными углями. По мере метаморфизации ископаемых углей жесткость скелета угольного вещества возрастает, следовательно, способность углей к абсорбции уменьшается [1].

И хотя площадь удельной поверхности пор углей уменьшается, но у проб с большим выходом летучих (около 43%), по-видимому, есть сильные энергетические центры на поверхности, которые приводят к существенному возрастанию энергетики ее взаимодействия с адсорбатом. Результаты обработки сравнительным методом также свидетельствуют о разрыхленном монослое, причем для образцов с выходом летучих веществ 37 % он больше, чем с выходом 20%.

Полученные результаты исследования позволяют оценить следствия распада углеметана, приводящие к деструкции угля. В статье [2] установлено изменение показателя энергии полураспада углеметана от выхода летучих веществ. При выходе летучих веществ в районе 22% энергия связи «уголь-метан» минимальна. Минимизация этого показателя указывает на возможность роста, при прочих равных условиях, скорости десорбции метана, что согласуется с известными методами прогноза выбросоопасности по начальной скорости десорбции и газовыделения.

Были исследованы пробы углей с различным выходом летучих веществ от 18 до 43%, взятые на пяти шахтопластах Кузбасса, и получены зависимости удельной поверхности проб углей от показателя энергии полураспада углеметана (рисунок 3).

Рисунок 3 - Зависимость удельной поверхности проб углей от показателя энергии при распаде углеметана

Близкая связь с показателем энергии полураспада углеметана имеет место и в изменении силы внезапных выбросов угля и газа (ВВУГ). Этот вывод был сделан по статистическим данным шахт Карагандинского, Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов о зарегистрированных в пе-

риод с 1943 г. по настоящее время 197 случаях внезапных выбросов [3, 4]. Из этой выборки исключены выбросы силой менее 20 т, так как эти газопроявления по их механизму принято относить к слабым газодинамическим явлениям. Оставшиеся 114 случаев распределены по группам с градацией по показателю энергии полураспада углеметана через 10 кДж/кг. В каждой группе определена средняя сила выброса. Результаты представлены на рисунке 4.

600 Р т

400 300 200 100 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Е, кДж/кг 200 220

Рисунок 4 - Зависимость массы выброшенного угля при внезапном выбросе угля и газа от показателя энергии при распаде углеметана в зоне выброса

Таким образом, изменение величины внутренней удельной поверхности частиц угля (деструкция) и интенсивность саморазрушения пласта имеют близкий физический механизм реализации газовой компоненты геоматериала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Эттингер, И.Л. Свойства углей, влияющие на безопасность труда в шахтах /И.Л. Эттингер. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 95 с.

2 Оценка газодинамической активности пластов с учетом данных газового опробования / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, А.А. Рябцев, М.С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение МЕТАН. -2007. -С.4-10.

3 Бирюков, Ю.М. Каталог внезапных выбросов угля и газа (Карагандинский угольный бассейн)/ Ю.М. Бирюков, Р.Р. Ходжаев, Н.А.Карев. - Калининград: КГТУ, 2006. - 158 с.

4 Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северных месторождений страны. - Кемерово, 1974. - 428 с.