Научные основы совершенствования методов экспресс-прогноза выбросоопасности, нарушенности и газовыделения в призабойной зоне с учетом в забое газокинетических свойств угля и его температуры

С.А. Радченко

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ЭКСПРЕСС-ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ, НАРУШЕННОСТИ И ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ С УЧЕТОМ В ЗАБОЕ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЯ И ЕГО ТЕМПЕРАТУРЫ

^выполненный автором анализ российского и зарубежного

-Я-М опыта работ и научных исследований в целях решения проблемы шахтного метана и изучения сорбционных и газокинетических свойств угля, а также обработка по разработанной автором новой методике собственных экспериментов и результатов более 1500 экспериментов для системы «ископаемый уголь - газ» ряда ученых России, Украины, Великобритании и США (в том числе большого количества длительных десорбционно-кинетических экспериментов для образцов угля крупных фракций с ряда шахт этих стран) позволили:

- во-первых, объяснить, почему проблема обеспечения безопасности и повышения экономической эффективности при разработке метаноносных угольных месторождений остается в горной науке одной из самых сложных и актуальных, так как газодинамические явления в шахтах, загазования горных выработок и взрывы метана продолжают вызывать крупные аварии с человеческими жертвами и большим экономическим ущербом во всем мире, снижают эффективность применения высокопроизводительной техники и рентабельность шахт [1];

- во-вторых, научно обосновать перспективные новые методы и технические решения для наименее затратного улучшения ситуации с решением указанных проблем за счет организации прежде всего в подготовительных выработках постоянного комплексного экспресс-прогноза опасности внезапных выбросов угля и газа, зага-зований и взрывов метана за счет более эффективного применения в шахтах некоторых видов оборудования, результатов 30-летних научных исследований ИПКОН РАН и разработанных на их основе новых экспресс-методов и портативных многофункциональных устройств, которые награждены золотой и серебряной медалями

125

Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» и золотой медалью «Евро-Интеллект Восток-Запад» [1-20].

Как известно, надежность прогноза внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах снижается из-за того, что [21]:

- для обеспечения нормальной работы в опасных подготовительных и очистных забоях и сокращения затрат на применение дорогостоящих противовыбросных мероприятий в угольных шахтах используют различные по принципу действия и степени надежности эмпирические методы прогноза выбросоопасности, которые являются в известной степени субъективными и в ряде случаев приводят к ошибкам в оценке "опасно - безопасно", а единых универсальных методов прогноза и контроля до сих пор нет;

- применение методов прогноза по одному-двум показателям (величинам природной газоносности или природного давления газа в пласте, значению остаточного содержания его в угле через определенные промежутки времени, выходу буровой мелочи) не дает требуемой надежности;

- применяемый для текущего прогноза выбросоопасности метод МакНИИ по поинтервальным измерениям начальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба из контрольно-измерительных шпуров имеет следующие недостатки: необходимость коррекции величины интервала по длине контрольно-измерительного шпура для конкретного пласта, высокую опасность и трудоемкость работ по бурению контрольно-измери-тельного шпура, дискретность прогноза и субъективизм оценок;

- в 95-97 % случаев прогноз выбросоопасности дается не менее чем за 1 метр в глубь массива до входа забоя в опасную зону, но в 3-5% случаев опасные газопроявления могут возникнуть при работе на первом метре.

В [22] указывается, что непосредственным показателем выбро-соопасности угольного пласта является степень нарушенности структуры угля и что:

- применяемые в настоящее время показатели прогноза выбро-соопасности угольных пластов, такие, как начальная скорость газовыделения до, условный показатель начальной скорости газоотдачи АР, скорость сорбции йода А.Т, выход штыба, крепость, разрушае-мость керна и т. п., лишь опосредованно характеризуют степень нарушенности угля;

126

- несовершенство методик определения перечисленных показателей снижает надежность прогноза выбросоопасности угольных пластов и поэтому для повышения ее надежности необходимо разработать более совершенные способы непосредственной оценки степени нарушенности угольного пласта.

Целью «текущего» прогноза выбросоопасности является точное установление безопасных зон, поэтому ее достижение при описанных выше недостатках применяемых нормативных методов прогноза выбросоопасности обеспечивают за счет многократного завышения площади выбросоопасной части угольного пласта для проведения противовыбросных мероприятий, что значительно усложняет и удорожает его разработку, то есть [23]:

- внезапные выбросы угля и газа обычно происходят на небольшой части выбросоопасного угольного пласта - в среднем менее 1 % отрабатываемой площади, на отдельных участках - до 5 %, причем примерно такова же и та доля угольного пласта, которая нуждается в профилактической обработке при условии, что эта обработка эффективна, а средства диагностики точно указывают на опасную часть пласта;

- критерии опасности при прогнозировании ее в шахтах известными методами сформулированы так, что потенциально опасные зоны составляют не менее 10-20% общего подвигания забоя, т. е. 10-кратный и более запас по отношению к реально возможной доле выбросопасных зон в угольном пласте обеспечивает необходимую надежность прогнозов «безопасно».

Однако российская и зарубежная практика показывает, что даже в этом случае не всегда удается спрогнозировать газодинамические явления при разработке газоносных угольных месторождений, особенно приуроченные к мелкоамплитудным геологическим нарушениям, и предотвратить внезапные выбросы угля и газа и взрывы метана, приводящие к гибели людей и ущербу.

В связи с этим автор проанализировал российские и зарубежные методы и технические средства повышения безопасности разработки газоносных угольных пластов, выполнил высокоточные лабораторные исследования в ИПКОН РАН и Лидском университете Великобритании, а также шахтные эксперименты в выбросоопасных и невыбро-соопасных зонах пласта [2-16].

Выполненными автором исследованиями изменений газокинетических свойств образцов угля разных фракций в вертикальных

127

(по мощности) и горизонтальных (по простиранию) сечениях угольных пластов России, Украины и Великобритании с использованием экспериментальных данных ряда российских и зарубежных ученых, собственных шахтных и лабораторных исследований [2, 4, 13-16] установлены большие (до нескольких раз) колебания газокинетических свойств угля по простиранию и мощности исследованных угольных пластов даже на расстоянии в десятки сантиметров.

На рис. 1 показан характер изменения предложенного автором нового более информативного диффузионного параметра т, преимущества и методика определения которого всего за несколько минут с применением любых устройств для изучения сорбции или десорбции газов углем и простым получением количественной информации за 10 минут описаны в [6-7, 10-17], в вертикальных сечениях ряда английских угольных пластов, установленный в результате совместной с Дж. Р. Баркер-Ридом обработки английских экспериментальных данных: а - при десорбции метана; б - при десорбции этана.

Рис. 2 показывает изменения диффузионного параметра т вдоль 4 забоев при разработке выбросоопасного угольного пласта Big Vein на шахте "Cynheidre": 1,  - Panel 98, XM2; 2,^ - Panel 99, ХМ2; 3, 0 - Panel 15, ХМЗ; 4, х - Panel 24, ХМ5: о - внезапные выбросы угля и газа 9.12.1980, 17.12.1980, 6.01.1981 и 3.03.1981 соответственно в забое Panel 99, XM2 (для обработки использованы экспериментальные данные Дж. Р. Баркер-Рида).

Рис. 3 показывает изменения диффузионного параметра т в ненарушенной зоне (5-й западный бремсберг, линии 1 и 2 - вдоль левой и правой стенок) и в нарушенной зоне (разрезная печь 5-й западной лавы, линии 3 и 4 - вдоль левой и правой стенок), пласт К3В Бераль на шахте "Перевальская": © - место спрогнозированного газодинамического явления 25 ноября 1980 года;  - место внезапного выброса угля и газа при сотрясательном взрывании.

Столь большие колебания газокинетических свойств угля в вертикальных и горизонтальных сечениях различных угольных пластов России, Украины и Великобритании (до нескольких

128

Рис. 1. Характер изменения диффузионного параметра т в вертикальном сечении различных английских угольных пластов (результаты совместной с Дж. Р. Баркер-Ридом обработки английских экспериментальных данных): а - при десорбции метана; б - при десорбции этана

129

Рис. 2. Изменения диффузионного параметра т вдоль 4 забоев при разработке

еыбросооиасного угольного пласта Big Vein на ишхте "Cyiiheidre": 1,  - Panel 98, XM2; 2У - Panel 99, ХМ2; 3, ◊ - Panel 15, XM3; 4, х - Panel 24, XM5: о - внезапные выбросы угля и газа 9.12.1980, 17.12.1980, 6.01.1981 и 3.03.1981 соответственно в забое Panel 99, XM2

раз) можно объяснить воздействием ряда факторов, сильно влияющих на скорость десорбции газа углем, в том числе:

- наличием в пластах пачек угля разной геологической нару-шенности;

- неодинаковой зольностью угля в вертикальном сечении пласта;

- различиями механической прочности угля по мощности пласта, что приводит к образованию разного количества макротрещин в образцах в процессе их отбойки от массива и подготовки для лабораторных опытов.

Очевидно, что при используемых в настоящее время нормативных методах прогноза выбросоопасности интервал отбора образцов угля (бурового штыба) и замера различных показателей на-рушенности призабойной зоны угольного пласта в ряде случаев является слишком большим для того, чтобы своевременно выявить

130

угли нарушенной структуры и обеспечить минимальное проникновение в выбросоопасную зону.

150

я к

5

н

6

Ь Е

Л См

ю с >s 3 я к о s

С!

•е--е-

к

г 120

90

60

30

J

* 1"{

'v; \ ¿J Т

зН

Я . I

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Расстояние,м

Рис. 3. Изменения диффузионного параметра т в ненарушенной зоне (5-й западный бремсберг, линии 1 и 2 - вдоль левой и правой стенок) и в зоне геологического нарушения (разрезная печь 5-й западной лавы, линии 3 и 4 - вдоль левой и правой стенок), пласт К3В Бераль на шахте "Перевальская": © - место спрогнозированного газодинамического явления 25 ноября 1980 года;  - место внезапного выброса угля и газа при сотрясательном взрывании

Причем до сих пор это вызывалось объективными причинами - отсутствием научно обоснованных методов и технических, позволяющих минимизировать проникновение в опасную зону за счет быстрого и доступного определения ее границ без изменения технологии буровых работ и существенного замедления их выполнения.

Следовательно, для повышения безопасности работ по газовому фактору в каждом подготовительном и очистном забое необходимо осуществлять постоянный объективный экспресс-контроль нарушенности, газоносности и газокинетических свойств угля по мощности и простиранию угольного пласта.

Поэтому научно обоснованы и разработаны новые комплексные экспресс-методы и портативные устройства для более быстрого и надежного получения количественных характеристик газокинетических свойств угля и его нарушенности в забое и повышения

131

безопасности работ [7-12, 17-20], причем при меньшем проникновении бурового инструмента в опасную зону, а при использовании некоторых методов и технических средств - и дистанционно.

Важнейшие преимущества предлагаемых научно обоснованных экспресс-методов и портативных многофункциональных устройств следующие:

- во-первых, для их применения требуются многократно меньшие количества бурового штыба и времени для его исследования в забое, что позволяет производить в забое много опробываний в процессе бурения шпуров и скважин с недоступной ранее частотой и простотой исследований угля, что позволяет сразу выявлять геологические нарушения и уменьшить внедрение в опасную зону, получать количественную достоверную информацию о газокинетических свойствах, нарушенности и газоносности угля перед забоем;

- во-вторых, одновременный замер начальной скорости газовыделения из бурового штыба и снижения его температуры за счет десорбции метана позволяет получать более точные результаты в нарушенных зонах и устраняет необходимость внедрения бурового инструмента в малодегазированную зону угольного пласта, что значительно повысит безопасность бурения;

- в-третьих, появляется возможность не только быстро и просто выявлять в забое зоны геологических нарушений и сразу использовать эту информацию в забое, но и значительно облегчить и ускорить доставку при необходимости образцов бурового штыба и других проб угля в лабораторию и их исследование, а также повысить практическую ценность этих исследований;

Таким образом, научно обоснованы методы создания и применения в угольных шахтах более надежных комплексных систем прогноза и обнаружения опасных ситуаций для отдельных подготовительных и очистных забоев и оповещения о них, способных при минимуме затрат:

- осуществлять постоянный оперативный экспресс-прогноз выбросоопасности и интенсивности газовыдения из угля на основе объективного контроля за изменением газодинамического состояния призабойной зоны разрабатываемого угольного пласта, газокинетических свойств угля и его температуры, причем с меньшим проникновением бурового инструмента в опасную зону, а при использовании некоторых методов - и дистанционно;

132

- оперативно передавать полученную информацию об опасности работ;

- повысить безопасность работ в шахтах и эффективность применения в них результатов изучения газовыделения из угля и его прогноза.

Выполненный в [23] анализ показал, что:

- для полноценного функционирования шахтная система контроля состояния выбросоопасного пласта не может получать данные реже одного раза в 10 минут и соответственно каждые 10 минут необходимо выдавать прогнозные заключения, а при невыполнении этого требования система контроля выбросоопасности (по любому параметру) не справится со своей задачей;

- прогноза, имеющего такую оперативность, до настоящего времени не было, за исключением прогноза по акустической эмиссии массива (звукового сопровождения пластических деформаций).

Для научного обоснования и экспериментальной проверки эффективности необходимых для этого методов и технических средств выполнены в лабораторных и шахтных условиях исследования возможности такого объективного экспресс-контроля изменения свойств угля на основе замеров в забое изменения температуры угля в результате десорбции им метана [2-5, 8-9, 18-20].

В результате было экспериментально доказано с использованием высокоточного комплекса научного оборудования ИПКОН РАН [3-4, 9], что теплоту сорбции и десорбции метана углем любой степени тектонической препарации можно принимать при инженерных расчетах постоянной в пределах шахтопласта и что причиной более значительного снижения температуры в выбросоопасных и нарушенных зонах угольного пласта в процессе разработки является повышенное газовыделение в них [2-5, 8-9]. Поэтому охлаждение угля при десорбции можно считать пропорциональным количеству десорбированного метана и использовать его замеры для оценки интенсивности газовыделения из угля и его газоносности, особенно в нарушенных зонах.

Автором экспериментально исследовал возможность и эффективность применения в подготовительных и очистных забоях угольных шахт различных технических средств для замера температуры поверхности бурового штыба или свежеобнаженной поверхности забоя, в том числе:

- термометров различного типа [2, 9];

133

- инфракрасных датчиков и устройств для дистанционного измерения температуры поверхности забоя или бурового штыба [4];

- термопар [24].

В результате было экспериментально доказано, что:

- использование в подготовительных и очистных забоях любых технических средств для замера температуры позволяет уменьшить глубину проникновения в опасную зону и за счет этого повысить безопасность работ;

- для массовых быстрых замеров температуры бурового штыба и свежеобнаженной поверхности забоя по простиранию и мощности разрабатываемого газоносного угольного пласта могут использоваться инфракрасные датчики температуры и термопары, так как они имеют минимальную инерционность и позволяют сразу же передавать информацию по назначению и хранить ее в форме, наиболее удобной для использования в шахтных автоматизированных системах прогноза выбросоопасности и обеспечения безопасности разработки газоносных угольных месторождений.

Вышеизложенным впервые научно обоснована возможность значительного повышения безопасности и экономической эффективности подземной разработки газоносных угольных месторождений за счет оснащения каждого подготовительного и очистного забоя комплексными системами экспресс-оценки опасности по газовому фактору в забое, позволяющими каждые 10 каждые выдавать прогнозные заключения с определением трех объективных показателей газодинамического состояния приза-бойной зоны разрабатываемого угольного пласта - акустической эмиссии массива (звукового сопровождения пластических деформаций), температуры угля и его газокинетических свойств. Причем автором разработаны новые технические решения, позволяющие обеспечить экспресс-определение температуры угля и его газокинетических свойств без больших финансовых и трудовых затрат и без изменения применяемой технологии горных работ.

Предлагаемые новые научно обоснованные возможности снижения угрозы газодинамических явлений, загазирования выработок и взрывов метана в шахтах имеют важное научное и практическое значение, так как:

- половину геологических нарушений, в которых происходят опасные выделения метана, обнаруживают лишь при проходке;

134

- при прохождении горными выработками тектонических зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа, метановыделение в них выше в 1,5-4 раза;

- установлено [25], что внезапные выбросы происходят не только из-за разрушения угля на забое скважины, но и из-за разрушения его на какой-то части скважины позади забоя, причем последнее устранить невозможно даже после замены витой стали на гладкостенную (в результате чего даже если опережающую скважину удалось пробурить, то ее наличие не является гарантией предотвращения выброса при последующей выемке угля).

Выводы

В результате 30 лет научных исследований ИПКОН РАН с участием автора доказана возможность значительного повышения безопасности и экономической эффективности подземной разработки газоносных угольных месторождений за счет разработки и внедрения принципиально новых комплексных систем экспресс-прогноза опасности в каждом подготовительном и очистном забое по газовому фактору, позволяющих с периодичностью до 10 минут получать и выдавать прогнозные заключения на основе измерения трех объективных показателей газодинамического состояния при-забойной зоны разрабатываемого угольного пласта - акустической эмиссии массива (звукового сопровождения пластических деформаций), изменения температуры угля в результате десорбции им газа и газокинетических свойств угля.

Научно обоснованные и разработанные автором запатентованные новые методы и технические решения, уже награжденные золотой и серебряной медалями Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» и золотой медалью «Евро-Интеллект Восток-Запад», и «ноу-хау» позволяют быстро, просто и без больших финансовых и трудовых затрат и изменений технологии буровых и других работ обеспечить это в подготовительных и очистных забоях любых угольных шахт и снабдить шахтеров принципиально новыми удобными портативными индивидуальными устройствами для экспресс-прогноза выбросоопасности, нарушенности и газоносности угля в призабойной зоне.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

135

1. МалышевЮ.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: изд-во Академии горных наук, 2000.

2. Повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта - причина снижения его температуры в процессе разработки / И. Л. Эттингер, С. А. Радчен-ко, И. А. Горбунов и др. // Уголь Украины. 1981. № 10.

3. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / И. Л. Эттингер, Н. В. Шульман, И. Б. Ковалева и др. // Химия твердого топлива. 1981. № 5.

4. Эттингер И.Л., Маевский В.С., Радченко С.А. Контроль газодинамического состояния призабойной зоны пласта // Уголь. 1983. № 5.

5. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем механических и физико-химических процессов / И. Л. Эттингер, Г. Д. Лидин, Н. В. Шульман и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1984. № 5.

6. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Метаноперенос в образцах угля и угольных пластах // Химия твердого топлива. 1988. № 4.

7. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика ме-танопереноса в углях // Физико-техничес-кие проблемы разработки полезных ископаемых. 1988. № 4.

8. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Совершенствование методов и средств прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольных пластов // Горный журнал. 2007. № 11.

9. Радченко С.А. Прогнозирование газодинамических явлений в шахтах по изменению температуры угольного вещества // Инженерная физика. 2007. № 3.

10. Радченко С.А. Взаимосвязь газокинетических свойств угля в пласте с его выбросоопасностью и загазованием выработок // Инженерная физика. 2007. № 5.

11. Радченко С.А. Определение коэффициентов диффузии метана в угле. Возможность повысить безопасность работ в шахтах // Инженерная физика. 2007. № 5.

12. Радченко С.А. Устройства для комплексного решения проблем экологии и безопасности в угольных шахтах // Экологические системы и приборы. 2007. № 4.

13. Радченко С.А. Новые способы и устройства для экспресс-оценки газокинетических свойств призабойной зоны угольного пласта по температуре угля и газовыделению из него: Монография. - Тула: ООО «Промпилот», 2008. - 396 с.

14. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The relationship between pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams // Mining Science and Technology. 1989. № 8.

15. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Gas emission from coal and associated strata: interpretation of quantity sorption-kinetic characteristics // Mining Science and Technology. 1989. № 8.

16. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples // International Journal of Mining and Geological Engineering. 1989. № 7.

17. Radchenko S.A. New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples // Fuel. 1993. Volume 72. № 5.

136

18. Пат. 2019706 Россия. МКИ Е 21 Б 5/00. Способ определения выбросо-опасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне / Н. Г. Матвиенко, С. А. Радченко; Опубл. 15.09.1994, Бюл. № 17.

19. А.С. 1096375 СССР. МКИ Е 21 5/00. Способ определения выбросоопас-ных зон угольного пласта / И. Л. Эттингер, С. А. Радченко, И. А. Горбунов и др.; Опубл. 8.02.1984, Бюл. № 21.

20. Пат. 2034157 Россия. МКИ Е 21 Б 5/00. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов / Н. Г. Матвиенко, С. А. Радченко, Ю. В. Никитин; Опубл. 30.04.1995, Бюл. № 12.

21. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю. Н. Малышев, Ю. Л. Худин, М. П. Васильчук и др. - М.: изд-во Академии горных наук, 1997.

22. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и породы / Ю. Н. Малышев, А. Т. Айруни, Ю. Л. Худин и др. - М.: Недра, 1995.

23. Деглин Б.М. Блеск и нищета прогнозирования // Уголь Украины. - 2004. -

24. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. An experimental investigation of coal/ air heat transfer. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1990.

25. О предотвращении выбросоопасности высоконапорным гидравлическим агрегатом КБГ / В.И. Николин, С.В. Подкопаев, А.А. Василец и др. // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XIII Межд. научн. школы им. акад. С.А. Хри-стиановича. Алушта, 15-21 сентября 2003 г. - Симферополь, Таврический нац. унт, 2003. ЕШ

— Коротко об авторе -

Радченко С.А. - канд. техн. наук, доцент кафедры машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого, Тула.

№ 10.

© О.Н. Малинникова, 2008

О.Н. Малинникова

ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА МЕТАНА, ДОПОЛНИТЕЛЬНО ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ В ПЛАСТЕ, ПРИ ПОДГОТОВКЕ ОЧАГА ВНЕЗАПНОГО ВЫБРОСА

137