К вопросу о снижении газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок

Ж

М. С. Плаксин

канд. техн. наук, старший научный сотрудник ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»

УДК 622.831.322

К ВОПРОСУ О СНИЖЕНИИ ГАЗОВОЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ

ВЫРАБОТОК

Приводятся результаты исследований в области контроля и прогноза газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по высокогазоносным угольным пластам и уточнении мер по ее снижению.

Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ,

МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, ДИНАМИКА, МОНИТОРИНГ, ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ

Разработка газоносных угольных месторождений сопряжена с риском динамической реализации их газовой компоненты в систему действующих горных выработок. Допустимым уровнем риска принято считать поддержание концентрации метана в рудничной атмосфере при выполнении технологических операций существенно ниже ее критических значений по условию взрывчатости. Однако изменчивость свойств и развивающиеся в пласте геомеханические процессы оказывают столь существенное влияние на динамику поступления метана в выработку, что технологическая реакция на повышение концентрации газа нередко запаздывает. Сложность динамического

контроля по концентрации метана обусловлена и тем, что датчик измеряет содержание газа в точке достаточно большого сечения выработки в условиях значительных флуктуаций аэрогазового потока. По этой причине попытки создания быстродействующей аппаратуры газовой защиты для опережающего прогноза формирования опасной концентрации по всему сечению оказались безуспешными. Сигналы опасности стали практически непрерывными, а работа забоя невозможной. В то же время горный опыт и ряд научных исследований

[1] показывают, что в подавляющем большинстве реально опасных ситуаций динамика притока метана содержала существенные признаки роста уровня опасности задолго до ее реализации. Такая ситуация характерна не только для слабых динамических газовыделений при геомеханической дезинтеграции пласта, приближении забоя к зоне тектонической нарушенности,

выдавливаниях угля, но и для собственно внезапных выбросов. Для объективной и оперативной оценки этих признаков необходимо более глубоко анализировать показания автоматизированной системы аэрогазового контроля и шире использовать ее современные возможности в части электронного обеспечения. Выполнение условий решения поставленной настоящей статьей задачи требует понимания, что интенсивность выделения метана есть закономерное следствие совокупности достаточно сложных природно-технологических процессов.

Ранее было установлено [2,3],

что:

- динамика метанообильно-сти подготовительной выработки в значительной мере обусловлена зональностью дезинтеграции массива при развитии геомеханического процесса с соответствующими изменениями состояний метана в прикон-турной части пласта;

- получаемая с помощью современных технических средств горнотехнологическая информация при проведении подготовительных выработок, позволяет оперативно прогнозировать уровни газодинамической активности пласта, ранжировать ее по видам опасности и уточнять параметры мероприятий по снижению.

Современные датчики измерения концентрации метана имеют инерционность 10 с. В условиях неустановившегося аэрогазового режима их показания носят столь пульсирующий характер, что даже прочтение графика вызывает затруднения. Учитывая, что разрабатываемый метод ориентирован на выявление признаков относительно медленных опасных изменений состояний газоносного пласта, можно нивелировать основную часть пульсаций, вычисляя среднюю концентрацию метана за некоторый интервал времени. Анализ электронных данных по 15 подготовительным выработкам 6 шахт Кузбасса позволил установить, что при скорости подвига-ния забоя 5-8 м/сут оптимальная продолжительность интервала составляет 15 мин. Поскольку интенсивность газовыделения связана с массой угля, то необходимо знать и расход воздуха в месте установки датчика. Эти значения могут характеризоваться показаниями датчика скорости вентиляционной струи и сечением выработки. Усреднение показаний датчиков замера концентрации метана и расхода воздуха выполняется за тот же интервал времени. Совокупность средних значений концентрации метана и расхода воздуха позволяет определять метанообиль-ность выработки (рис. 1).

Горнотехнологические условия рассматриваемого участка проведения выработки: мощность пласта составляет 2,6 м; скорость подвигания забоя равна 3 м/сут.; газоносность пласта - 16 м3/т; площадь сечения выработки -14 м2. Ярковыраженные «всплески» на рисунке 1 характеризуют техногенную реакцию углепород-ного массива (пласт и близлежащие слои пород).

Значительное различие размеров «всплесков» как по площади, так и по амплитуде связаны с неравномерностью (нелинейностью) развития геомеханических процессов в приконтурной части пласта и влиянием мелкоамплитудной нару-шенности массива. Фактическая метанообиль-ность установлена по показаниям размещенных на расстоянии 20 м от забоя выработки датчиков концентрации метана и скорости воздуха.

Прогноз по действующим нормативным методам указывает следующее: ожидаемое метановыделение через обнаженную поверхность пласта J = 0,8 м3/мин; из отбитого

1 пов '

угля 3 =3,5 м3/мин. Итого 3 + J = 4,3 м3/

•* о.у пов о.у

мин. Из рисунка видно, что прогнозируемая метанообильность более чем в два раза превышает среднюю фактическую (Jcpфaкm = 1,87 м3/мин), однако она меньше амплитуды всплесков, т.е. газовые риски сохраняются. В то же время из графика видно, что каждому повышенному притоку метана предшествует период относительно плавного нарастания в течении как минимум десятков минут. Следовательно, для предотвращения превышений допускаемой концентрации метана в призабойном объеме выработки (20 м) имеется достаточный резерв времени для оперативной нормализации аэрогазового режима до срабатывания газовой защиты. При выявлении компьютером автоматизированной системы аэрогазового контроля устойчивого нарастания метанообильности с приближением к опасному пределу система генерирует дистанционный сигнал включения в забое предупреждающей звуковой и световой сигнализации с последующим возможным применением двух раздельных или совместных технических решений.

Первое решение - дистанционное включение резервного нагнетательного вентилятора.

Второе решение - дистанционное включение установленного в выработке всасывающего

Рисунок 1 - Изменение метанообильности подготовительной выработки

50

вентилятора с производительностью 25-30 % от основного нагнетательного. Воздухозаборник этого вентилятора закрепляется, например, на стреле комбайна (гофрированный рукав) и всегда находится в зоне максимального притока метана. Выброс метановоздушной смеси может происходить на удалении 100-150 м от забоя, где аэрогазодинамические флуктуации уже сглаживаются. Качества этой вентиляционной установки должны соответствовать применяющимся на шахтах газоотсасывающим установкам, в которых допускается концентрация метана до 3,5%.

Второе решение предпочтительнее, т.к. частично решает задачу снижения запыленности призабойного объема [4], хотя и требует средств пылеотделения на выходе из всасывающего вентилятора.

Несоизмеримо большая газовая опасность связана с возникновением различных видов газодинамических явлений (ГДЯ). Справиться с их газопритоком способами проветривания невозможно. Наиболее опасными являются внезапные выбросы угля и газа. Известен случай выделения в результате внезапного выброса более 0,6 млн м3 метана и более 12 тыс. т угля. При внезапных выбросах происходит опрокидывание вентиляционной струи с загазированием значительной части вентиляционной системы шахты и высокой вероятности возникновения взрыва газа и на удаленных участках сети. Однако как установлено исследованиями [1, 2, 5], при приближении забоя выработки к месту будущего ГДЯ механические и газокинетические свойства пласта начинают изменяться на расстоянии до 15 м, а метанообильность призабойного пространства стабильно возрастает за 1-3 суток до момента выброса.

В 1952 г. академиком А. А. Скочинским было отмечено: «Газ, горное давление и физико-механические свойства - таковы три фактора, совокупно обусловливающие склонность пластов угля к внезапным выбросам» [5]. Тем самым для надежного контроля уровня газовой и газодинамической опасности при ведении горных работ необходим учет (мониторинг) всех трех определяющих факторов. Следует отметить, что факторы взаимосвязаны. Так, например, повышение нарушенности интервала интенсифицирует процесс развития зоны неупругого деформирования угольного пласта, что отражается на фильтрационно-диффузионных процессах и, как следствие, динамике метанообильности. Таким образом, метанообильность выработки является интегральным показателем изменения состояний приконтурной части угольного пласта

(см. рис. 1). Однако в технологическом процессе проведения подготовительных выработок много операций, дополнительно влияющих на ее ме-танообильность, например, значительное изменение скорости проведения или бурение веера разгрузочно-дегазационных скважин. Необходимо конкретизировать шкалу оценки газодинамической активности угольного пласта по видам опасности.

Известны методы контроля газодинамической активности пласта по данным о концентрации метана в выработке [1, 6]. К плюсам этих методов следует отнести бесконтактность с забоем, непрерывность действия и оперативность, но их критические параметры не увязаны с геомеханической составляющей.

Обеспечить эту связь и тем самым контролировать развитие всего комплекса газогео-механических процессов можно с применением зависимостей нелинейной геомеханики, составляющими основу открытия зональной дезинтеграции пород в окрестности горных выработок [7], эффективность применения которых доказана при прогнозировании метанообильности очистных забоев [8, 9].

Согласно [7], развитие области изменения напряженно-деформированного состояния массива носит периодический характер с геоструктурным параметром, равным (^2)п, где n - уровень геоструктурной иерархии. В пределах этой области расположены зоны дезинтеграции, где частичное разрушение пород обусловлено реализацией упругой энергии массива. Расстояния до границ зон кратно (^2)". Поскольку угольный пласт, особенно его перемятая пачка, является наиболее слабым слоем в области геомеханического процесса, то он поглощает значительную часть реализующейся энергии путем большей относительно слоев пород геомеханической дезинтеграции.

Анализ результатов исследований напряжений в окрестности горных выработок [2, 3, 10] показал, что явление зональной дезинтеграции лишь углубляет классические представления о напряженно-деформированном состоянии пласта, внося в них принципиально важные для количественных оценок уточнения. В качественной форме результаты анализа представлены на рисунке 2, где штрихпунктирными линиями показаны графики изменения напряжений впереди забоя, соответствующие классическим моделям, а сплошными волнообразными линиями - результаты обобщения горно-экспериментальных наблюдений. Волнообразность изменения напряжений приводит к снижению их значений

относительно геостатических на отдельных интервалах области влияния. На этих интервалах, согласно другому научному открытию российских ученых о состоянии метана в угольных пластах по типу твердых углегазовых растворов (ТУГР) [11], метан выделяется из структуры угля в микро- и макротрещины, формируя в них, дополнительное давление газа (АРд) при отсутствии газопроницаемости пласта в направлении выработки. Его максимальная величина обратно пропорциональна снижению напряжений, а действующее значение зависит от изменения газопроницаемости пласта и времени от момента снижения напряжений. Отметим, что в механизме газодинамических процессов зоны дезинте-

грации рассматриваются как заполненные «раздробленным» углем и газом объемы, давление газа в которых действует по всей поверхности.

На рисунке 2 представлены две горнотехнологические ситуации, которые возможны при подвигании забоя.

При квазистатической ситуации (рис. 2 верхний) непосредственно у забоя формируется область неупругих деформаций протяженностью Iд, где напряжения возрастают от напряжений на кромке пласта до геостатических. Впереди расположена упругая зона. Напряжения в них изменяются волнообразно с минимумами значений на интервалах дезинтеграции, но общим трендом согласующимся с классической

-сг,;----ст,.

Рисунок 2 - Схема развития зон дезинтеграции призабойной части угольного пласта с соответствующим снижению напряжений о приростом ДР0, обусловленным распадом ТУГР, и снижением ДРк, под влиянием газопроницаемости, давления газа: I - упругая зона; II - зоны дезинтеграции; ДР0 - давление газа в приконтурной части пласта, при «нулевой» его газопроницаемости; ДРк - давление газа в приконтурной части пласта; о1 - геостатическое напряжение, согласно классической модели; о2 - геостатическое напряжение, согласно явлению зональной дезинтеграции; X - расстояние от кромки пласта (забоя выработки) вглубь

массива угля, м

52

моделью распределения напряжений.

Границы зон дезинтеграции в упругой области связаны с протяженностью неупругих деформаций

1п=

где ге - радиус выработки, м; 1д- зона неупругих деформаций, м.

Распад ТУГР повышает в зонах снижения напряжений содержание и давление свободного газа, а газопроницаемость пласта, особенно у поверхности забоя, обеспечивает его снижение, предотвращая нарушение устойчивости выделенных зонами дезинтеграции слоев. На первом этапе имеем рост, а затем снижение метаноо-бильности призабойного объема выработки по мере газоистощения пласта в области геомеханических изменений.

Газодинамические ситуации (рис. 2 нижний) характеризуются распространением области неупругих деформаций до границы зоны дезинтеграции с формированием еще двух интервалов изменения напряжений. В результате на ближайших к забою интервалах имеем более высокие давления газа АРк по сравнению с предыдущей ситуацией. Устойчивость слоев снижается, формируется эффект домино, когда в режим интенсивного газоистощения переходит значительная масса угля с возможным выдавливанием ее части в выработку. Поскольку процесс включает и неупругое деформирование пласта с формированием соответствующих зон дезинтеграции, то является относительно продолжительным и в горной практике при достаточно эффективном проветривании забоя не приводит к экстремальным следствиям. Опасно лишь не замечать тенденции роста частоты таких ситуаций.

В определенных горно-геологических условиях рассмотренная ситуация может предшествовать дальнейшему развитию газодинамического явления, что требует выполнения следующих условий [1]:

- возникновения «волны дробления» значительной части угля до частиц, способных транспортироваться потоком выделяющегося газа;

- скорости выделения метана из угля, достаточной для транспортирования не менее 40 % его массы за фронтом «волны дробления» в

выработку.

Эти условия рассмотрены в работах других исследователей и выходят за рамки настоящей статьи, направленной на прогноз и снижение газовой и газодинамической опасности. Они лишь дополнительно подчеркивают, что для эффективного обеспечения газовой безопасности шахт необходимо ранжировать уровни газодинамической активности угольных пластов на интервалах подвигания забоев по видам опасностей.

Быстрое разрушение «очередной» опорной зоны приводит к резкому росту газового давления и, как следствие, скорости потока свободного газа в сторону кромки пласта. Наиболее опасно разрушение нескольких опорных зон, при котором высока вероятность инициирования газодинамических явлений: выдавливаний, высыпаний, внезапных выбросов. Контроль изменений газодинамической ситуации по динамике метанообильности выработки обеспечивает разработанный метод, включающий показатель геоструктурной иерархии п [7, 12].

Показатель определяется по формуле (I, Л

п = 2,91п

где 1ф - регистрируемая метанообильность выработки, м3/мин;

1к - квазистатическая метанообильность выработки, м3/мин.

Установлено, что второй уровень развития зональной дезинтеграции (п=2) указывает на формирование газовой опасности. Превышение третьего уровня (п=3) соответствует критичности горнотехнологической ситуации и требует применения срочных мер по ее нормализации [12].

Развитие и поэтапное внедрение представленных результатов в технологический процесс проведения горных выработок по газоносным пластам способны вывести на новый уровень качество контроля газовой и газодинамической опасности. Мониторинг развития размеров и положений зон геомеханической дезинтеграции в призабойной части пласта позволит обосновать параметры и повысить эффективность мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности [13, 14].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. 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. - 317 с.

2. Плаксин, М. С. Оперативная оценка уровня газодинамической активности угольного пласта при

53

проведении подготовительных выработок / М.С. Плаксин // ГИАБ. Отдельный выпуск 6. Институт угля Сибирского отделения РАН. - М.: Изд-во «Горная книга», 2013. - С. 245 - 251.

3. Полевщиков, Г. Я. Газодинамическая активность угольных пластов и зональная дезинтеграция массива горных пород при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах Труды 2-ой Российско-китайской науч. конф., Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. - С. 83-89.

4. Белоногов, Н. П. Исследование пылевыделения и совершенствование способов и средств борьбы с пылью на основе водовоздушных эжекторов при работе проходческих комбайнов / Н. П. Белоногов : авторефат дис. канд. техн. наук. Кемерово, 1978. - 23 с.

5. Николин, В. И. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений / В. И. Николин, М. П. Васильчук. - Липецк: Роскомпечать, 1977. - 496 с.

6. 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.

7. Опарин, В. Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В. Н. Опарин, А. П. Тапсиев, М. А. Розенбаум [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 278 с.

8. Полевщиков, Г. Я. Нелинейные изменения метанообильности высокопроизводительного выемочного участка Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Безопасность труда в промышленности. - 2014. - № 6. - С. 50-54.

9. Шинкевич, М. В. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / М.В. Шинкевич, Н.В. Рябков, Е.Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 3. - С. 356-359.

10. Мурашев, В. И. Расчетный метод определения выбросоопасности подготовительных и очистных выработок / В. И. Мурашев, В.Л. Бульбенко, В.Г. Лопаткин // Сборник научных трудов ВостНИИ. -Кемерово, 1972. - С. 104-110.

11. Малышев, Ю. Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000 - 519 с.

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

13. Клишин, В. И. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В.И.Клишин, Л.В.Зворыгин, А.В. Лебедев [и др.]. - Новосибирск, 2011. - 524 с.

14. Плаксин, М. С. Гидроразрыв угольного пласта в шахтных условиях как панацея решения газовых проблем шахт (основы разработки и внедрения) / М. С. Плаксин, Р.И. Родин, А.А. Рябцев [и др.] // Уголь. - 2015. - № 2. - С. 48-50.

TO THE QUESTION OF GAS AND GAS-DYNAMIC DANGER REDUCTION DURING PREPARATION GALLERY HEADING

Plaksin M. S.

The research results in the field of monitoring and forecast of gas and gas-dynamic danger during preparation gallery heading in gassy coal seams and the reduction measures clarification are depicted.

Key words: COAL SEAM, GAS-DYNAMIC ACTIVITY, PREPARATION GALLERIES, GASSINESS, DYNAMICS, MONITORING, ELECTRONIC SYSTEM, AUTOMATED MONITORING

Плаксин Максим Сергеевич e-mail: plaksin@bk.ru