Развитие метода автоматизированного контроля газодинамической активности призабойной зоны угольного пласта при проведении подготовительных выработок

М.С. Плаксин

канд. техн. наук, научный сотрудник Института угля СО РАН

УДК 622.831.322

РАЗВИТИЕ МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Приводятся результаты горноэкспериментального обоснования бесконтактного метода контроля газодинамической активности угольного пласта на базе систем аэрогазового мониторинга при проведении подготовительных выработок.

Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, ДИНАМИКА, МОНИТОРИНГ, ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ

В настоящее время в горной отрасли наблюдается тенденция к автоматизации процессов по добычи угля и проведению выработок. Одно из направлений автоматизации - создание методов и средств для бесконтактного с забоем мониторинга газодинамической обстановки при ведении горных работ.

При ведении горных работ на угольных шахтах постоянно присутствует опасность динамических газопроявлений различного уровня опасности, в том числе и внезапных выбросов угля и газа. Даже при отсутствии работников в призабойной зоне (дистанционное управление процессом) эти явления способны нанести существенный ущерб, вплоть до разрушения горношахтного оборудования и продолжительной остановки технологического процесса.

Известные особенности распределения динамических газопроявлений по площади шахтопластов позволяют сделать вывод о зональном характере уровней опасности. В значительном числе случаев они приурочены к зонам тектонической нарушенности угольного пласта и высокой изменчивости его газокинетических характеристик. Однако методы прогноза этих уровней по трассе проведения подготови-

тельной выработки отсутствуют, в отличие, например, от выемочных участков, где успешно применяются геофизические методы [1]. Для этих горнотехнологических объектов достаточно активно развиваются и методы прогноза ме-танообильности выемочного участка на основе современных систем рудничного мониторинга [2-4]. Но для горнопроходческих работ сохраняется значительное отставание в создании достаточно оперативных методов, что отрицательно сказывается на темпах проведения выработок. В результате скорость подвигания подготовительных забоев стала меньше скорости очистных и технологи вынуждены, далеко не всегда оправданно по газовому фактору, увеличивать длину очистных забоев.

В настоящее время, согласно действующим Правилам безопасности для угольных шахт, на всех угрожаемых и опасных по внезапным выбросам пластах при проведении подготовительных выработок применяется метод текущего прогноза выбросоопасности, основа которого разработана почти полвека назад. Метод основан на измерении скорости газовыделения при поинтервальном бурении контрольных шпуров через четыре метра подвигания забоя. При относительной надежности, ему свойственна боль-

научно-технический журнал № 1-2014 ^^^ ^^

ВЕСТНИК 23

шая трудоемкость, крайне негативно влияющая на темпы проведения выработок. Но главный его недостаток в том, что оценка ситуаций носит качественный характер («опасно» - «не опасно») и, тем самым, не отражая тенденций в изменениях горнотехнологических ситуаций при под-вигании забоя, исключает возможность заблаговременного принятия инженерных решений по технологической подготовке к применению профилактических мероприятий. Значимость этой особенности следует из анализа результатов прогноза выбросоопасности за последние десятилетие - подготовительные выработки, проводимые по потенциально выбросоопасным участкам угольных пластов, составляют не более 10 % от их общей протяженности, и только в 10 % от протяженности этих участков регистрируется реальная опасность [5]. Статистика динамических газопроявлений показывает, что при движении забоя переход от неопасной ситуации к опасной далеко не мгновенен. Изменения всегда достаточно выражены, даже при пересечении тектонических нарушений. Не случайно при появлении предупредительных признаков выброса остановка забоя на сутки нередко снимает опасность, что и применяется в горной практике. В работе [6] отмечается, что «в каждом слабом динамическом газопроявлении присутствуют признаки более сильного, в данной ситуации, несостоявшегося».

Данные особенности перспективно использовать для детализации опасности, расширив известные методы автоматизированного бесконтактного текущего прогноза [7, 8, 9] в направлении оценки уровня газодинамической активности (ГДА) призабойной зоны пласта в процессе проведения выработки (квазистатическая метанообильность, повышенное газовыделение, выдавливание угля, внезапный выброс). При таком подходе даже динамика метанообильности, затрудняющая проветривание забоя на интервалах подвигания с повышенным газопритоком, становится прогнозируемой. Комплекс профилактических мероприятий по газовой безопасности приобретает большую конкретику на основе единого метода, а современные электронные системы контроля рудничной атмосферы приобретают новое качество - дифференцированный прогноз газодинамических ситуаций.

Поскольку газодинамическая опасность в подавляющем числе случаев приурочена к зонам тектонических нарушений, в том числе и не выявляемых геологической разведкой мелкоамплитудных, рассмотрим эти особенности более подробно.

Исследования отличительных свойств нарушенных и ненарушенных углей достаточно обширны и охватывают изучение гранулометрического состава [10, 11] и применение ядерного магнитного резонанса [12]. С позиций динамики метанообильности забоя достаточно выделить следующее.

Тектонически нарушенная зона пласта имеет две характерные особенности (рисунок 1): пониженная прочность угля обуславливает рост зоны неупругих деформаций пласта впереди поверхности его обнажения, и соответственно повышенную начальную скорость газовыделения с относительно большим темпом ее снижения; повышенная трещиноватость пласта практически без снижения прочности пачек угля обеспечивает связь выработки с трещинным коллектором газа, что также приводит к росту начальной скорости газовыделения, но с существенно меньшим темпом ее снижения. Первая из отмеченных особенностей нарушенного угля является основой для действующего метода текущего прогноза выбросоопасности и положена в основу метода

1 2 3 4 5 6 Т, ч

Рисунок 1 - Связь динамики концентрации метана в призабойном объеме выработки с видом газодинамической опасности [8]

контроля вида газодинамической опасности [8]

Отмеченные методы автоматизированного бесконтактного текущего прогноза основаны на анализе данных о концентрации метана в призабойном пространстве выработки, которая зависит не только от объема вовлекаемого в геомеханический процесс угля и его газокинетических характеристик, но и от интенсивности проветривания забоя и его аэродинамических показателей, вплоть до флуктуации потоков газа. Поскольку решается задача оценки газодинамической реакции достаточно больших объемов геоматериала, то логичнее опираться на показатели, также имеющие объемную размерность, например, относительную метанообиль-ность (м3/м). Даже абсолютная метанообиль-ность (м3/мин) более полно отражает изменение размеров вовлекаемой в зону разгрузки массы

24

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕСТНИК

угля, причем современные электронные системы аэрогазового контроля оснащаются также датчиками измерения скорости вентиляционной струи, позволяя более точно оценивать объемы выделяющегося газа. Мониторинг метанообильности можно обеспечить на базе, применяемой на современных шахтах, аппаратуры системы аэрогазового мониторинга (рисунок 2).

Для определения вероятности возникновения газодинамического явления в призабой-ной (приконтурной) части пласта необходимо учитывать взаимосвязь параметров геомеханического процесса, развивающегося при взятии заходки и его газокинетических следствий. На первом этапе задача сводиться к оценке активных сил - развязывающих газодинамическое яв-

ление (ГДЯ) и пассивных - препятствующих ГДЯ

[13]. Установлено, что качество оценки ситуаций с применением даже этого первого приближения существенно возрастает, если дополнить его зависимостями нелинейной геомеханики, составляющими основу открытия зональной дезинтеграции пород в окрестности горных выработок

[14], согласно которому, развитие зоны неупругого деформирования пласта носит периодический характер с геоструктурным параметром равным ^2)", где п - уровень геоструктурной иерархии. Убедительным подтверждением является график объемов выделившегося газа в выработку, проводимую по верхнему слою мощного пласта (рисунок 3), где наблюдались газодинамические взломы породной прослойки в почве выработки

Рисунок 2 - Фрагмент динамики метанообильности подготовительной выработки

О 100 200 300 400 500 L.M 700

Рисунок 3 - Газодинамические процессы при проведении выработки по верхнему слою мощного пласта

научно-технический журнал № 1-2014 ^^^

вестник 25

давлением газа в нижнем слое пласта.

Рассмотрим проведение выработки на пластах средней мощности при наличии на трассе ее проведения тектонического нарушения

Рисунок 4 - Проведение подготовительной выработки: а) вне зоны влияния тектонического нарушения; б) при подходе к нарушению; в) после пересечения тектонического нарушения.

(рисунок 4).

Этим горнотехнологическим ситуациям соответствуют изменения метанообильности выработки (рисунок 5). По трем датчикам, установленным в забое, в 20 м от него и на исходящей из выработки четко отслеживается динамика газокинетической реакции приконтурной части пласта с увеличением зоны неупругого деформирования.

Получение столь ясной картины достигается в результате среднесуточного (среднесмен-ного, среднечасового) усреднения показаний датчиков и исключения помех, связанных с переменным расходом воздуха.

Расчеты [15] показывают, что при входе выработки в зону тектонического нарушения приток метана при подвигании забоя на 0,8 м возрастает до 10% в зависимости от угла входа выработки относительно плоскости сместителя и средневзвешенного значения коэффициента крепости угля в пределах сечения выработки. На рисунке 6 представлена схема, поясняющая и конкретизирующая смысл вышесказанного, где параметр гп отражает зону влияния выработки, 1п - глубина заходки комбайна, (единица измерения).

При реализации метода особое внимание необходимо уделить системе аэрогазового контроля. Типовая схема для тупиковой выработки [16], состоит из 3-х датчиков замера концентрации метана и датчика расхода воздуха. На основании оценки данных о метанообильности, полученных при проведении 15 подготовительных выработок, для целей контроля опасности, изменений структуры, свойств и состояний массива при проведении выработок со скоростью 200 м в месяц и более в систему аэрогазового мониторинга необходимо внести следующие изменения:

- размещение дополнительных датчиков на расстоянии 50-70 м от забоя, поскольку через 5 суток (время подвигания забоя на это расстояние) развитие газогеомеханических процессов в области обнажения поверхности пласта, как правило, «успокаивается» [17];

Рисунок 5 - Среднесуточное изменение метанообильности выработки при пресечении тектонического нарушения

26

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕСТНИК

- совмещение датчиков концентрации метана и скорости вентиляционной струи во всех точках контроля, что связано с необходимостью повышения точности значений динамики мета-нообильности;

- размещение на проходческом комбайне датчика потребляемой мощности для автоматической регистрации периода взятия заходок и контроля фактической остановки забоя в критической ситуации.

Таким образом, представленный анализ горноэкспериментальных данных на базе современных научных знаний показывает перспективность разработки метода автоматизированного прогноза и контроля уровня газодинамической активности призабойной зоны угольного пласта с градацией горнотехнологических ситуаций по видам опасности при проведении подготовительных выработок.

Рисунок 6 - Условная схема изменения зоны газоистощения угольного пласта в окрестности подготовительной выработки при пересечении тектонического нарушения

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Геофизические методы исследования геомеханического состояния угольных массивов / В. А. Рудаков, Л. П. Белавенцев, П. В. Потапов, В. В. Славолюбов, А. Я. Каминский // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2006. - № 2. - С. 14-19

2. Козырева, Е.Н. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006. - № 6. - С. 17-19.

3. К оценке ресурсов шахтного метана в выработанном пространстве / О. В. Тайлаков, В. О. Тай-лаков М. П. Макеев, С. В. Соколов, А. Н. Кормин // Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического бюллетеня. - 2013. - № ОВ 6. - С. 160-165.

4. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих пород на выделение метана из разрабатываемого пласта / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. Н. Козырева, О. В. Брюзгина //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 2. - С. 139-143.

5. Зыков, В.С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах: монография / В. С. Зыков. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2010 - 333 с.

6. Полевщиков, Г. Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах / Г. Я. Полевщиков. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003.- 317с.

7. Руководство по применению автоматизированного метода прогноза выбросоопасных зон угольных пластов и контроля эффективности противовыбросных мероприятий в подготовительных выработках шахт Карагандинского бассейна. - Алма-Ата, 1992. - 14 с.

8. Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок. - Кемерово: ИУ СО РАН, 1994. - 14 с.

9. Временная методика текущего прогноза газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам: Утв. 13.02.97 / В. С. Зыков, В. С. Лудзиш, В. С. Черкасов, В. А. и др. - Кемерово: ВостНИИ, 1996. - 16 с.

10. Петухов, И. М. Механика горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М. Линьков. - М.: Недра, 1983.- 280 с.

11. Ходот, В. В. Физико-химия газодинамических явлений в шахтах / В. В. Ходот, М. Ф. Яновская, Ю. С. Премыслер и др.. -М., 1973.

12. Алексеев, А. Д. Формы нахождения метана в ископаемом угле / А. Д. Алексеев, Н. А. Калугина, А. Н. Молчанов // «Форум горняков - 2009» Материалы I международной конференции «Подземные катастрофы: модели, прогноз, предотвращение» (30.09-03.10.2009г., Днепропетровск, НГУ). - С.7-17.

13. Расчетный метод определения выбросоопасности подготовительных и очистных выработок /

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕСТНИК

В. И. Мурашев, В.Л. Бульбенко, В.Г. Лопаткин // Сборник научных трудов ВостНИИ. - Кемерово. 1972. - С. 104-110.

14. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В. Н. Опарин, А. П. Тапсиев, М. А. Розенбаум, В. Н. Рева, Б. П. Батдиев, Э. А. Троп, А. И. Чанышев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2008. - 278 с.

15. Разработка метода оценки газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок / Плаксин М.С.: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, - 2012. - 24 с.

16. Методические рекомендации о порядке проведении аэрогазового контроля в угольных шахтах (РД-15-06-2006). Серия 05. Выпуск 13 / Колл.авт. - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2007.

DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED Плаксин Максим Сергеевич

CONTROL OF GAS-DYNAMIC ACTIVITY OF THE e -mail: plaksin@bk.ru

COAL SEAM

PRE-FACE AREA AT PREPARATION GALLERIES HEADING M. S. Plaksin

The results of mining experimental basing of coalbed gas-dynamic activity non-contact control method based on air and gas monitoring systems during preparation opening heading are presented.

Key words: COAL SEAM, GAS-DYNAMIC ACTIVITY, PREPARATION OPENINGS, METHANE CONTENT, DYNAMICS, MONITORING, ELECTRONIC SYSTEM, AUTOMATED CONTROL

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭКСПЕРТИЗА И БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ

ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ниигп

ТЕЛ./ФАКС 8-(3842)-77-86-61

Г. КЕМЕРОВО, УЛ. СОСНОВЫЙ БУЛЬВАР 1, К. 415.

^^^ ^^ научно-технический журнал № 1-2014

2о вестник

niigp42.ru