СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
METHOD OF PREDICTION OF THE EMISSION OF COAL PLASTIC

Изобретение относится к горной промышленности для использования при прогнозе выбросоопасных зон в пластовых горных выработках или нишах очистных забоевх, проводимых буровзрывным способом, т.е. при высокоскоростной деформации угольного массива.
Проблема внезапных выбросов угля и газа несмотря на многолетние исследования остается актуальной. Статистический анализ свидетельствует о том, что более 90% выбросов угля и газа реализуются при проведении пластовых горных выработок и ниш в очистных забоях буровзрывным способом (см. Агафонов А.В. Способы и средства обеспечения безопасности проведения подготовительных выработок по выбросоопасным пластам - Донецк, Донбасс, 1995, 238 с., Повкин Н.Б. Предотвращение аварий и травматизма в угольных шахтах Украины - Макеевка, МакНИИ, 2002).
Известны способы прогноза и контроля выбросоопасности угольных пластов, описанные в Стандарте Минуглепрома Украины «Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям», Минуглепром Украины, Киев 2005, СОУ 10.1.00174088.011-2005. В одном из этих способов прогноз выбросоопасности угольных пластов определяют по начальной скорости газовыделения. Согласно способу измерение начальной скорости газовыделения для текущего прогноза производят в контрольных шпурах диаметром 42-43 мм на интервалах бурения 1,5 м; 2,5 м; 3,5 м; при длине измерительной камеры 0,5 м по методике и с помощью технических средств.
Данный способ прост в использовании, однако имеет ряд недостатков, влияющих на достоверность и точность получаемых результатов. Одним из недостатков является несовершенство конструкции газозатвора, заключающееся в возможности попадания штыба в трубку измерительной камеры, что приводит к ошибке прогноза. Так же имеет место несовершенство со стороны герметизации шпура в момент проведения замеров. Кроме того, следует отметить, что в свете современных представлений о фазовом состоянии метана в угольном массиве необходимо учитывать и тот факт, что более 60% метана находится в закрытых порах, процесс десорбции из которых может составлять десятки часов.
Также известен способ прогноза выбросоопасности подготовительных выработок, описанный в Патенте Российской Федерации №2473809, МПК E21F 5/00 (2006.01), опубл. 27.01.2013 г. Бюл №3. Способ заключается в определении глубины ведения горных работ от поверхности, сечения горной выработки по углю, давления газа в нетронутом массиве пласта, коэффициента средневзвешенной крепости угля в пласте, сцепления угля, напряжения в массиве угля по линии забоя и зоны разгрузки угольного массива впереди забоя. Указанные сведения подставляют в математическую формулу, с помощью которой осуществляют прогноз выбросоопасности подготовительной выработки R. При R>0 пласт относят к выбросоопасному, а при R<0 - к неопасному по выбросам угля и газа. Данный способ применим как при проходке, так и на стадии проектирования за счет использования технических характеристик горных выработок, проводимых в аналогичных условиях или находящихся на стадии проектных решений.
К недостаткам данного способа можно отнести отсутствие оперативности прогноза выбросоопасности и в достоверности результатов. Это обусловлено тем, что при анализе используются расчетные значения давления метана и напряжений в нетронутом угольном массиве и то, что не учитывается кинетика десорбции метана из угольного пласта.
f
d
f
d
Наиболее близким по технической сути к заявляемому способу является способ определения степени выбросоопасности участка угольного пласта, описанный в патенте Украины №104370, МПК Е21F 5/00 (2013.01), опубл. 25.03.2013 г. Бюл. №2. Согласно способу из буровой скважины по глубине отбирают угольные пробы заданного объема двух фракций диаметром 0,4-0,5 мм и 1,0-1,6 мм, устанавливают зависимость количества десорбированного метана от времени на протяжении проведения измерений для каждой угольной фракции. По установленной зависимости строят кривую, которая описывает кинетику десорбции метана, раскладывают ее на составляющие процесса десорбции метана из угля, на кривые: фильтрационную и диффузную. Определяют по кривым параметры фильтрации D и диффузии D и вводят критерий степени выбросоопасности участка угольного пласта K как отношение параметра фильтрации D к параметру диффузии D. Считают, что при K≤5 - участок пласта выбросоопасный, при K>5 - участок пласта не выбросоопасный.
Известный способ позволяет оценивать степень выбросоопасности угольного пласта в шахтных условиях с учетом кинетики десорбции метана и применяется для интегральной характеристики выбросоопасности пласта, т.е. для определения категории, к которой относится исследуемый пласт. Однако с помощью данного способа невозможно получить дифференциальную характеристику исследуемого угольного пласта, т.к. при расчетах не учитывается влияние температурной активации массопереноса метана в углях, формирующейся под воздействием энергии формоизменения горного массива при высокоскоростной его деформации.
В основу изобретения поставлена задача создания способа прогноза выбросоопасности угольного пласта, учитывающего влияние температурной активации массопереноса метана в углях, формирующейся под воздействием высокоскоростной деформации угольного массива с учетом энергии его формоизменения, что позволит проводить текущий контроль выбросоопасности пласта в шахтных условиях и обеспечить безопасность ведения подготовительных работ.
кр
эф
кр
эф
Поставленная задача решается за счет того, что в способе прогноза выбросоопасности угольного пласта, при котором из буровой скважины по глубине пласта отбирают угольные пробы заданного объема двух фракций разного диаметра, например 0,4-0,5 мм и 1,0-1,06 мм. Измеряют температуру пласта и в лабораторных условиях определяют энергию активации выхода газа из угля и рассчитывают эффективную диффузию выхода газа из угольного массива. Согласно изобретению, при расчетах эффективной диффузии дополнительно учитывают энергию формоизменения, возникающую в результате высокоскоростной деформации угольного массива и характеризующуюся эквивалентной температурой угля. Определяют уровень снижения энергии активации, учитывая зависимость ее от уровня энергии формоизменения и рассчитывают критическую величину эффективной диффузии D. После чего, в шахтных условиях, с помощью технических средств проводят текущий контроль величины эффективной диффузии D участка угольного пласта и сравнивают ее с критическим значением расчетной эффективной диффузии Икр. Если соотношение D /D<1, то данный участок относят к опасному по выбросам угля и газа.
Необходимость учитывать энергию формоизменения возникла по следующих причинам. Известно, что экспериментально, можно определить температуру угольного массива и его эффективную диффузию (см. Ландау Л.Д. Статистическая физика. Т.2: Теория концентрированного состояния / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Наука, 1978. - 448 с.) имеющую вид
0
где D - постоянная диффузии, независимая от температуры;
U - энергия активации выхода метана из угля;
R - универсальная газовая постоянная.
Наличие в уравнении параметра  свидетельствует о термоактивационном характере эффективной диффузии. Из анализа уравнения следует, что интенсивность выхода метана из порового пространства угля зависит от уровня снижения энергии активации.
Это явление может иметь прямое отношение к известному в физике металлов и материаловедении эффекту «аномального массопереноса» в диффузионных процессах, происходящих за доли микросекунд в условиях сильных динамических воздействий на металл путем взрывного или иного импульсного ударного нагружения. Обусловлено это эквивалентными деформационными изменениями при механическом нагружении, требующими на порядки меньших энергетических затрат, чем при нагреве (см. Коротченко С.А. Мешков Ю.Я. Продольная прочность. Кристаллы, металлы, конструкции - Киев, Наукова думка, 2008, 295 с.; Мешков Ю.Я., Герцрикен Д.С., Мазенко В.Ф. К вопросу о механизме ускоренного массопереноса в металлах в условиях импульсных нагружений - МФНТ - 1996. 18. - С. 52-53) Следовательно, механическая активация диффузии реализуется значительно легче, чем температурная, в той ее части, которая зависит от межатомного расстояния, в значительной степени влияющего на коэффициент диффузии из-за понижения уровня потенциального барьера для элементарного акта диффузии. Учитывая, что технология ведения горных работ в подготовительных выработках осуществляется с помощью буровзрывных работ, т.е. в режиме высокоскоростного деформирования угольного массива по типу ударной волны, то можно предположить идентичность этих явлений.
ф
1
2
3
Согласно разработанной теории по физике ударных волн (Зельдович Я.Б.,. Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных и гидродинамических явлений. - Наука, МЛ 966 - 686 с.), внутренняя энергия сжатого вещества в ударной волне состоит из упругой и тепловой составляющих. При этом упругая энергия затрачивается на формоизменения (А) твердого тела, а тепловая энергия, при ее превышении энергии связи молекул метана с угольным веществом, запускает процесс испарения (десорбцию) метана из трещиновато-пористой структуры угля. Таким образом, в выбросоопасных угольных пластах, при прочих равных условиях проявление выбросов будет определяться энергией формоизменения (Снеддон И.Н. Классическая теория упругости / И.Н. Снеддон, Д.С. Борн // - М.: Гос.изд-во физ-мат. лит. 1961. - 219 с.,) обусловленной уровнем главных напряжений σ, σ, σ в результате перераспределения их в угольном массиве при нагружении его ударной волной:
ф
где: А - энергия формоизменения, Дж/моль;
ν - коэффициент Пуассона;
Е - модуль упругости, мПа.
Эффект от увеличения межатомного пространства в структуре угольного вещества при импульсном нагружении характеризуется с помощью эквивалентной температуры.
где Т - температура угольного пласта.
Соответственно, учитывая зависимость параметра энергии активации от энергии формоизменения, определяем уровень снижения энергии активации выхода метана из угольного массива.
уд
Используя полученное значение U, определяем расчетный уровень эффективной диффузии и сравниваем его с критическими значениями, при которых произошли внезапные выбросы угля и газа.
6
эф
эф
3
эф
-12
2
-12
2
Проверку функциональности и достоверности разработанного способа угольного массива проводили на пласте «Смоляниновский» - h', гор. 1300 м шахты им. А.А. Скочинского в нише 2-й западной лавы между пикетами 111+6 м - 126+4 м на протяжении 146 м по простиранию. Работы в нише проводились в режиме сотрясательного взрывания. Исследования включали бурение двух скважин диаметром 42 мм на глубину три метра, отбор угольных проб фракции 0,4-0,5 мм и 1,0-1,6 мм и по кинетике десорбции метана, определяемой с помощью устройства для измерения эффективной диффузии газа в угле (шахтного десорбометра, описанного в патенте Российской Федерации №2571769, МПК E21F 5/00 (опубл. 2006.01), определяли значение эффективной диффузии метана в угле. С использованием формулы  рассчитывали энергию активации десорбции метана в угле. Результаты проведенных исследований приведены на фиг.1 в виде зависимостей 1 (D=ƒ(L)) и 2 (U=ƒ(L)), характеризующих степень изменения эффективной диффузии метана в угле и энергии активации выхода метана соответственно в интервале подвигания линии очистного забоя. Кроме этого показаны места расположения очагов внезапных выбросов угля и газа. Два из них интенсивностью Q=45 т, Q=55 т произошли при выполнении сотрясательного взрывания по угольному массиву. При этом величина эффективной диффузии метана в угле перед выбросами составляла в среднем D=4,7⋅10 м/с. Третий внезапный выброс угля и газа интенсивностью Q=940 т произошел 06.06.2010 г. в нижней части лавы при разрушении угольного массива исполнительным органом комбайна 2ГШ-68Б в зоне непрогнозируемого геологического нарушения. Измерения, проведенные в верхнем куте нижней ниши 02 июня 2010 г., т.е за 4 дня до выброса зафиксировали значения эффективной диффузии D=14,35⋅10 м/с, а энергия активации U=28,4 кДж/моль, т.е. было зафиксировано снижение энергии активации в среднем в 1,4 раза.
ф
1
2
3
э
3
Фактический расчет, учитывающий импульс взрывных работ, показывает, что при переходе в предельное состояние угольного массива энергия формоизменения составляла А=13,66 кДж/моль (σ=160МПа, σ=86.0МПа, σ=32,5МПа, ν=0,35, Е=7⋅10МПа), а эквивалентная температура Т=427,4K. Это приводит к снижению энергии активации выхода метана из угля против фоновой в 1,39 раза.
л
ш
Для применения предлагаемого способа прогноза выбросоопасности угольных пластов, в том числе осложненных мелкоамплитудными непрогнозируемыми геологическими нарушениями, необходимо в лабораторных условиях определить энергию активации выхода метана и ее снижение за счет учета энергии формоизменения деформируемого угольного массива и рассчитать критическую величину эффективной диффузии, а в шахтных условиях контролировать степень изменения эффективной диффузии и при значении Dэф//Dэф<1 прогнозировать наличие очага внезапного выброса угля и газа.
С учетом изложенного можно сделать следующие выводы - предложена новая трактовка аномального массопереноса метана (эффективная диффузия) за счет эквивалентной температуры, формирующейся при высокоскоростной деформации горного массива. Кроме того, обоснована методология способа прогноза выбросоопасности угольных пластов по критерию, основанному на соотношении эффективной диффузии метана из угля, измеренной в шахтных условиях, к эффективной диффузии метана из угля, определенной в лабораторных условиях с учетом энергии формоизменения деформируемого угольного массива.