Контроль газодинамической опасности по динамике метанообильности подготовительной выработки

конденсация которых обеспечивает увлажнение пыли до взрывобезопасных пределов, ее связывание и снижает взрывоопасность газовоздушных смесей.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мясников А.А., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. - М.: Недра, 1985.

2. Шувалов Ю.В., Соболев В.В., Глобин А.Н., Веселов А.П. Аэрогазо-пылединамика выработанных пространств. Записки СПГГИ, СПб: Изд-во СПГГИ, 1995, т.1.

3. Шувалов Ю.В., Белозеров А.В. Теоретические основы конденсационного увлажнения и подавления пыли/Сб. Физические процессы горного производства. СПб: Изд-во СПГГИ(ТУ), 1992, с. 77-82.

4. Шувалов Ю.В., Соболев В.В., Глобин А.Н., Веселов А.П. Аэрогазодинамика выработанных пространств. Записки СПГГИ, СПб: Изд. СПГГИ, 1995, т.1, 95-101 с.

|— Коротко об авторах--------------------------------------------

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук,

Гаспарьян Н.А. - аспирант,

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет),

Веселов А.П. - кандидат технических наук, Министерство энергетики.

----------------------------- © Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева,

М.С. Плаксин, 2006

УДК 622.86

Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, М.С. Плаксин

КОНТРОЛЬ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ПО ДИНАМИКЕ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

Увеличение скоростей подвигания очистных забоев и значительный рост размеров выемочных столбов в последнее десятилетие на шахтах Кузбасса резко интенсифицировали динамику газопритоков из пласта и отбиваемого угля и значительно усилили влияние изменчивости свойств пласта на площади выемочного столба, а, тем более, шахтного поля. Технический прогресс в угледобыче выдвинул принципиально новую задачу - количественной оценки газодинамических характеристик углеметановых пластов с пространственным отображением уровней газодинамической активности и зон потенциально возможных видов газопроявлений. Без этой основы суждения о повышении эффективности горных работ, которая по определению всегда включает и безопасность труда, приобретают декларативный характер.

В части темпов проведения подготовительных выработок следует отметить, что доля горнопроходческих работ, приходящихся на реально выбросоопасные зоны угольных пластов, составляет около 10 % от общего объема проведения выработок на глубинах ниже критической. Однако практически все достаточно эффективные локальные способы снижения газодинамичекской активности пластов очень сложно отменить после прохождения выбросоопасной зоны. Однажды начатое, например, бурение веера разгрузочнодегазационных скважин продолжается практически на всем протяжении выработки. В результате имеем средние темпы проведения много ниже возможных.

Для создания научно обоснованного методического обеспечения горнотехнологических оценок и решений не ниже мирового уровня необходимо, прежде всего, иметь методы количественного определения газодинамической активности пластов, обеспечивающие единство подхода к анализу возможной динамики реализации энергии содержащегося в угле газа (метанообильность, выбросы). Негативные изменения в газоносном пласте возникают задолго до выбросоопасной глубины. А именно в этих зонах добывается основной уголь Кузбасса с соответствующими напряжениями в газовой обстановке.

К настоящему времени исследованиями ИУУ СО РАН установлены:

- физико-химические причины потери устойчивости углеметановых материалов в приконтурной части выработок;

- эмпирические зависимости для расчета склонности пласта к саморазрушению за счет энергии содержащегося в угле газа;

- показатели газодинамической активности пласта, методы расчета уровня и вида газодинамической опасности, обобщающие влияние глубины залегания, газоносности, выхода летучих веществ и прочности угля при заданных технологических параметрах.

Применение специальных методов количественной оценки уровней газодинамической деструкции пласта при распаде твердого углеметанового раствора, интегрирует совокупное влияние свойств в аспекте потенциальной газодинамической активности (рис. 1).

Рис. 1. Карта показателя Кд газодинамической деструкции углеметанового пласта: ГДЯ - слабое газодинамическое явление; Р- количество выброшенного угля, т; О - то же, метана, м3

Кд

15 10 5 0

0 0,5 1 1,5 2 Ц км

- - - зоны геологического нарушения ----тоже, вне зон___________________

Рис. 2. Изменение показателя Кд потенциальной газодинамической активности пласта по трассе проектируемой подготовительной выработки

Выявляется не только граница перехода от газовой опасности к газодинамической, но и потенциально возможные параметры газопроявлений.

По результатам регионального прогноза газодинамической активности можно вычислить ее изменения (рис. 2) по трассе проектируемой подготовительной выработки (локальный прогноз), достаточные для оптимального проектирования систем проветривания и дегазации, т.к. резервы технического обеспечения этой части влияния газового фактора относительно велики.

В части газодинамической опасности углеметанового пласта, технологические трудности по ее предотвращению столь значительны, что требуется текущий прогноз, уточняющий газодинамическое состояние призабойной зоны по мере подвигания.

Прогноз и контроль эффективности способов предотвращения выбросов выполняется в настоящее время путем поинтервального бурения шпуров и занимает около 2 часов через каждые 4 м подвигания забоя. Даже при столь высокой периодичности имеют место случаи ошибочных выводов. Причиной этому является в т. ч. и равенство зоны неснижае-мого опережения локальной обработки пласта и глубины шпурового текущего прогноза выбросопасности, что и обу-

славливает отсутствие конкретных нормативных рекомендаций по выявлению границы зоны невыбросоопасности с отменой мероприятий по обработке пласта.

Не менее существенна неадекватность действующего в настоящее время метода текущего прогноза следствиям технологического воздействия на пласт с помощью бурения веера разгрузочно-дегазационных скважин. Цель бурения соответствует названию способа - разгрузка обрабатываемой части пласта. В результате его применения в обязательном порядке повышается проницаемость пласта и, следовательно, газовыделение в контрольный шпур. Чем выше разгрузка, т.е. лучше обработка, тем большая скорость газовы-деления регистрируется при контроле эффективности, а, следуя нормативным критериям, выбросоопасность нарастает. Это физическое противоречие увеличивает объем бурения скважин и останавливает забой на время, необходимое не только для снятия выбросоопасности, но и для практически полного газоистощения пласта в зоне обработки.

Устранение отмеченных недостатков возможно путем использования показаний установленных в выработке датчиков компьютеризированной системы газового контроля. При этом контроль и текущий прогноз выполняется в автоматизированном режиме без вмешательства в технологический цикл горнопроходческих работ.

Принципиальная особенность этой части методико-прог-раммного обеспечения состоит в следующем.

Использованные при региональном и локальном прогнозах положения о геомеханических и газодинамических процессах в углеметановом пласте лежат в основе и непрерывного отслеживания формирующихся в движущемся забое ситуаций. В качестве физической базы слежения применены общепринятые характеристики свойств пласта - динамика концентрации метана в призабойной части выработки и расход подаваемого воздуха.

Поскольку для реализации собственно внезапного выброса угля и газа необходима достаточно высокая потенциальная энергия в единице массы среды непосредственно у поверхности обнажения пласта, то эти особенности отражают показатели динамики газовыделения до, в процессе и по-

сле отбойки угля. В результате, повышенному метановыде-лению из газового коллектора (суфляр) соответствует плавное снижение метановыделения после окончания отбойки, а аппроксимация графика за цикл выемки позволяет вычислить фактические газокинетические характеристики непосредственно разрушаемой среды.

Можно отметить следующие особенности непрерывного дистанционного контроля газодинамической опасности.

При подходе выработки к опасной зоне постепенно нарастает газовыделение в призабойное пространство. Причем, вначале это относится к газовыделению через обнаженную поверхность пласта, значение которого, увеличивая общий газоприток в выработку, приводит к фиксированию потенциально выбросоопасных ситуаций. Затем, если скорость подвигания забоя сохраняется, а эффективность, например, опережающей дегазации барьерными скважинами оказывается недостаточной, резко возрастает газовыделение из отбиваемого угля. Переход критических значений всеми критериями является признаком особой опасности. Установлено, что на опасность внезапного выброса газовыделение через обнаженную поверхность пласта указывает за 10-15 м до места выброса, а газовыделение из отбиваемого угля за 3-4 м.

В качестве примеров эффективности автоматизированного метода можно привести случаи некоторых внезапных выбросов угля и газа на шахтах Кузбасса в 2004 и 2005 гг.

Проведение выработки с бурением веера опережающих разгрузочно-дегазационных скважин.

Выемка угля в штреке выполнялась проходческим комбайном. С целью снижения газообильности и газодинамической опасности выработок бурился веер из 8-12 разгрузочнодегазационных скважин диаметром 130 мм. Контроль эффективности осуществляется посредством измерения начальной скорости газовыделения при поинтервальном бурении шпуров.

Анализ динамики метанообильности выработки по диаграммам АГЗ за 46 суток до момента внезапного выброса выполнялся по показания двух датчиков, расположенных в забое и устье выработки. Из рисунка 3 видно, начиная с 10-х

суток (вход выработки в зону тектонического нарушения с осью в плоскости пласта примерно 150 к оси выработки) ме-тановыделение в забой заметно повышается, а с 30-х суток резко сокращается, указывая на сохранение повышенных запасов энергии в приконтурной части пласта.________________________

0, мэ/15мин

Рис. 3. Метановыделение в забое штрека

О, м !.'15мин

Рис. 4. Общая метанообильность штрека

Рис. 4 характеризует общее метановыделение из подготовительной выработки. Особого внимания привлекает к себе отрезок времени на протяжении с 39 по 41 сутки, когда

метановыделение резко снизилось без связи со скоростью подвигания забоя.

Сопоставляя данные, видим, начиная с 38-х суток на протяжении 4 суток стабильно держалась очень низкое мета-новыделение и внезапного выброса из забоя выработки удалось избежать благодаря разгрузочно-дегазационным скважинам^__________________________________________________________

а) Ї.104М

О, м\'!5 і.ііін

з о) исходящая

О, м /15 мин

Рис. 5. Динамика метанообильности подготовительной выработки с приближением к месту внезапного выброса угля и газа

Но при анкерном креплении кровли без крепления бортов при падении пласта около 180 веер скважин создал столь

широкую зону разгрузки, что защитная зона в висячем борту перестала выполнять свои функции. Результатом этому и явился внезапный выброс угля и газа из борта выработки с количеством выброшенного угля около 400 т и выделившегося газа 12000 м3.

Проведение выработки без противовыбросных мероприятий

В этих условиях газодинамическая ситуация в подготовительной выработке более наглядна даже по диаграммам АГЗ (рис. 5). Из их сравнения отчетливо видны особенности изменения интегрального показателя по мере приближения забоя к месту внезапного выброса.

За более чем двое суток интегральный показатель стал предупреждать о повышенной газодинамической опасности, а за 17 часов отчетливо свидетельствовать в пользу немедленной остановки забоя. Сила выброса: 150 т угля, 11000 м3 метана.

К сожалению, графическая регистрация информации системы газового контроля не позволяет отобразить те детали динамики метанообильности различных участков выработки, которые наиболее близки к механизму внезапных выбросов. Компьютеризированная система аэрогазового контроля имеет несоизмеримо большую разрешающую способность и соответствующие возможности.

і— Коротко об авторах---------------------------------------

Полевщиков Г.Я., Киряева Т.А., Плаксин М.С. - Институт угля и

углехимии СО РАН.