Способ определения выбросоопасности в очистных выработках при отработке угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями
METHOD FOR DETERMINING EMISSION HAZARD IN MINE WORKINGS DURING MINING OF COAL BEDS WITH HARD-TO-COLLAPSE ROOFS

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза выбросоопасности угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями при очистных работах.
Известен спектрально-акустический метод контроля напряженного состояния [Мирер С.В. Об акустическом контроле напряженности краевой части выбросоопасного пласта / С.В. Мирер // Труды ВНИМИ. - 1976. - №102. - С. 34-38.], включающий установку приемника акустических колебаний (геофон типа СВ-20 или СВ-30) в борт вентиляционного и (или) конвейерного штрека впереди забоя очистной выработки на расстоянии от 5 до 30 м, анализ параметров акустических волн, излученных режущим органом горного оборудования и достигших приемника. При приближении забоя выработки к зоне с повышенными напряжениями зияние трещин и микротрещин уменьшается, а площадь контакта их берегов возрастает, в результате этого уменьшается затухание акустических сигналов, генерируемых режущим органом горного оборудования, на участке прохождения до приемника. Причем затухание высокочастотных гармоник уменьшается сильнее, чем низкочастотных. Эта закономерность положена в основу данного метода контроля.
Степень напряженного состояния массива оценивается показателем К, равным отношению амплитуд акустических шумов от работающего горного оборудования, замеренных на высоких и низких частотах:
в
где А - текущее значение амплитуды высокочастотной области спектра, В;
н
А - текущее значение амплитуды низкокочастотной области спектра, В.
Недостатком данного способа является то, что не учитывается газовый фактор, играющий на шахтах Кузбасса такую же значительную роль в формировании опасности возникновения газодинамических явлений, как и горное давление.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный способ определения выбросоопасности угольных пластов [Методика дифференцированного текущего прогноза опасности проявления газодинамических явлений, выбора и контроля эффективности способов их предотвращения для условий восточных районов. - Кемерово: ВостНИИ, 1979. - 16 с.], включающий поинтервальное бурение скважины по простиранию пласта диаметром d=43 мм и глубиной не менее 5,5 м и определение с каждого погонного метра скважины выход буровой мелочи и начальной скорости газоотдачи. Показатель выбросоопасности определяют по формуле:
max
где S - выход буровой мелочи, л/п.м;
max
i - начальная скорость газовыделения, л/мин. п.м.
Если R > 0 выработка считается выбросоопасной, а если R < 0, то не выбросоопасной.
К числу преимуществ способа относится установление наличия участков угольного пласта с повышенной скоростью газовыделения, а также контроль изменения характера напряжений вглубь пласта.
Недостатком данного способа является недостаточная точность за счет излишне большого запаса надежности, что предопределяет большой объем работ и материальные затраты на противовыбросные мероприятия. Это также снижает скорость проведения выработок.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения выбросоопасных участков угольных пластов при очистной выемке.
Указанный технический результат достигается тем, что предварительно для каждого шахтопласта рассчитывают критическое значение интенсивности газовыделения, затем в шахтных условиях вблизи сопряжений с вентиляционным или конвейерным штреком бурят последовательно пять - семь скважин, из которых отбирают 1 л буровой мелочи, определяют удельную интенсивность газовыделения и средневзвешенные радиусы частиц разрушенного угля, после чего строят экспериментальную зависимость удельной интенсивности газовыделения от средневзвешенного радиуса частиц угля, а текущий прогноз выбросоопасности осуществляют при достижении длины зависающей консоли пород основной кровли 50-60% от расчетного значения шага ее вторичных осадок, для этого из лавы на расстоянии 2,5÷3,5 м от вентиляционного или конвейерного штрека, то есть со стороны выше- или нижележащего выработанного пространства, бурят скважину по простиранию пласта диаметром не менее 43 мм и глубиной 2,5÷3,0 м, из которой отбирают 1 л буровой мелочи, определяют средневзвешенный радиус частиц разрушенного угля и по графику определяют удельную интенсивность газовыделения, после чего в данной скважине определяют глубину зоны разрушения угля путем измерения распределения потенциала естественного стационарного электрического поля (ЕСЭП) относительно нулевого электрода, рассчитывают объем зоны разрушения, находят значение интенсивности газовыделения для всего разрушенного объема угля и сравнивают полученную величину с критическим значением, после чего делают вывод о выбросоопасности данного участка угольного пласта.
Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что в краевой зоне угольного пласта, примыкающей к вентиляционному или конвейерному штреку, экспериментально определяют объем разрушенного угля; удельную интенсивность газовыделения определяют в зависимости от средневзвешенного радиуса частиц угля после разрушения пробы в течение 25÷30 с по графику, построенному для данного шахтопласта; критическое значение, характеризующее выбросоопасность, определяют для данного шахтопласта расчетным способом.
Заявляемый способ определения выбросоопасности в очистных выработках при отработке угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями поясняется чертежами, где на фиг. 1 - зависимость удельной интенсивности газовыделения (на единицу объема разрушенной пробы угля) от средневзвешенного радиуса частиц пробы; на фиг. 2 - зависимость потенциала ЕСЭП Δϕ в скважине от расстояния до очистного забоя.
Способ осуществляют следующим образом. Расчет критического значения интенсивности газовыделения производят по формуле [Борисенко, А.А. Условия возникновения и механизм внезапных выбросов и других газодинамических явлений в шахтах // Способы и средства разработки выбросопасных угольных пластов. Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. - Вып. 182 - 1979. - С. 3-10.]:
Р
2
где К - коэффициент газопроницаемости разрушенного угля, м;
m - мощность пласта, м;
b - ширина разрушенной части пласта по падению или восстанию, м;
μ - динамическая вязкость газа, Па⋅с;
N - несущая способность разрушенного угля, Па;
-1
- расчетный коэффициент, м;
ξ - коэффициент бокового распора;
ƒ - коэффициент трения угля;
у
3
γ - удельный вес угля, Н/м;
α - угол падения пласта, град.
Из лавы по простиранию пласта бурят пять-семь скважин диаметром не менее 43 мм и глубиной 2,5÷3,5 м, в каждой из которых специальным керноотборником отбирают пробы в виде частично разрушенного угля. Эти пробы по очереди помещают в специальный герметичный стакан, в крышку которого вмонтировано термосопротивление для измерения температуры внешним прибором и манометр для измерения газового давления. Путем вращения стакана, содержащего железный стержень, пробу разрушают в течение 30 с, в несколько циклов. Далее, с помощью ситового анализа определяют средневзвешенный радиус частиц угля для каждой пробы.
После чего рассчитывают число молей газа, выделившегося из разрушенной пробы угля и приходящегося на объем отобранной пробы угля по формуле:
3
где V' - объем отобранной пробы угля, м;
0
ΔР - приращение давления угольных газов после отделения пробы от массива за определенное время, Па;
γ - постоянная для данного пласта, Па;
〈r〉 - средневзвешенный радиус частиц разрушенного угля, мм;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль⋅К;
T - термодинамическая температура угольного пласта, К;
пробы газа
3
V - объем газа в стакане, м.
пробы газа
стак
угля
ж.ст
угля
V = V - V - V + П⋅V,
угля
3
где V - объем пробы угля, м;
стак
3
V - объем стакана, м;
ж.ст
3
V - объем железного стержня, м.
Рассчитывают число молей газа, содержавшегося в объеме угля до разрушения и приходящегося на единицу объема отобранной пробы угля по формуле:
3
где V' - объем отобранной пробы угля, м;
исх
Р - исходное давление газа в пласте, Па;
П - пористость;
z - коэффициент сжимаемости газа;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль⋅К;
Т - термодинамическая температура угольного пласта, К.
Затем для условий залегания данного шахтопласта рассчитывают значение удельной интенсивности газовыделения от средневзвешенного радиуса частиц угля по формуле:
исх
3
где ν - число молей газа, содержавшегося в объеме разрушенного угля до разрушения, моль/м;
3
Δν' - число молей газа, выделившегося из разрушенной пробы угля, моль/м;
z - коэффициент сжимаемости газа;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль⋅К;
Т - термодинамическая температура угольного пласта, К;
атм
Р - атмосферное давление, Па;
Δt - время разрушения, с.
Строят экспериментальную зависимость удельной интенсивности газовыделения от средневзвешенного радиуса частиц угля (фиг. 1) для данного шахтопласта.
Прогноз выбросоопасности осуществляют при достижении длины зависающей консоли пород основной кровли 50-60% от расчетного значения шага ее вторичных осадок, для этого из лавы на расстоянии 2,5÷3,5 м от вентиляционного или конвейерного штрека со стороны выше- или нижележащего выработанного пространства бурят скважину по простиранию пласта диаметром не менее 43 мм и глубиной 2,5÷3,0 м, из которой отбирают 1 л буровой мелочи, определяют средневзвешенный радиус частиц разрушенного угля и по графику (фиг. 1) определяют удельную интенсивность газовыделения, а в пробуренной скважине измеряют распределение потенциала ЕСЭП и строят график зависимости  (фиг. 2), по касательной к которому определяют глубину зоны разрушения
Далее рассчитывают объем разрушенного угля по формуле:
где m - мощность угольного пласта, м;
- размер разрушенной зоны по простиранию пласта, м;
b - ширина разрушенной части пласта по падению или восстанию, м.
Полную интенсивность газовыделения находят с учетом объема разрушенного угля по формуле:
экс
Q=q⋅ΔV,
3
3
где q - удельная интенсивность газовыделения для данного шахтопласта, м/с⋅м;
3
ΔV - объем разрушенного угля, м.
экс
крит
экс
крит
Если интенсивность газовыделения больше критической Q > Q, то данная лава считается выбросоопасной. Если интенсивность газовыделения меньше критической Q < Q, то невыбросоопасной.
Пример конкретного выполнения способа. Для пласта 6-6а шахты «Распадская» было рассчитано критическое значение интенсивности газовыделения:
3
Далее определяли выбросоопасность очистного забоя, отрабатывающего пласт. Для этого из лавы по пласту было пробурено семь скважин диаметром не менее 43 мм и глубиной 2,5÷3,5 м из которых специальным керноотборником были отобраны пробы угля объемом V'=0,000419 м в виде частично разрушенного угля. Данные пробы по очереди помещались в специальный герметичный стакан, в крышку которого было вмонтировано термосопротивление для измерения температуры внешним прибором и манометр для измерения газового давления. При вращении стакана проба разрушалась под действием железного стержня, находящегося в стакане. Разрушение осуществлялось в течение 30 с в несколько циклов, после чего с помощью ситового анализа определялся средневзвешенный радиус частиц для данного шахтопласта. Значения средневзвешенного радиуса частиц угля составили: 1,86; 2,27; 4,33; 5,44; 6,68; 8,88; 12,3 мм.
Затем для каждого значения средневзвешенного радиуса частиц проб угля, отобранных из каждой скважины, было рассчитано число молей выделившегося газа после разрушения угля:
И число молей газа, содержавшегося в отобранном объеме угля до разрушения по формуле:
Значения удельных интенсивностей газовыделения из разрушенных проб угля, отобранных из каждой скважины, в зависимости от времени разрушения составили:
Был построен график экспериментальной зависимости удельной интенсивности газовыделения от средневзвешенного радиуса частиц угля (фиг. 1).
3
Далее в шахтных условиях на расстоянии 2,5÷3,5 м от вентиляционного или конвейерного штрека со стороны выработанного пространства была пробурена скважина по простиранию пласта диаметром не менее 43 мм и глубиной 2,5÷3,0 м, из которой отобрали 1 л буровой мелочи, определили средневзвешенный радиус частиц разрушенного угля. Его значение составило 3,47 мм. По графику (фиг. 1) определили удельную интенсивность газовыделения. Она составила 0,40 м/с.
Затем в пробуренной скважине измерили распределение потенциала ЕСЭП и построили график зависимости  (фиг. 2), по касательной к которому определили размер зоны разрушения, его величина составила 1,0 м.
Далее был рассчитан объем разрушенного угля:
3
ΔV=2,5⋅1,0⋅2,5=6,25 м.
Полная интенсивность газовыделения:
ЭКС
3
Q0,40⋅6,25=2,5 м/с.
экс
крит
3
3
Сравнение Q = 2,5 м/с и Q = 11,72 м/с показало, что в данном случае участок пласта не опасен по внезапным выбросам угля и газа.