Обоснование и прогноз зональности газодинамических явлений в шахтах Кузбасса

Перспективы подземной добычи на угольных месторождениях Кузбасса и технико-экономические показатели работы шахт в значительной мере ©-пределиотсж горно-геологическими условиями разработки. Рмпгмичнаж и эффективна" работа шахт будет зависеть от точности прогнозов горно-геологических условий разработки пластов, в том числе и от достоверности изучения природной газоносности и выбросоопасности угольных пластов. За последние 13 лет (1985=1998гг.) в горных выработках шахт Кузбасса зарегистрировано 26 внезапных выбросов угля и газа, и их общее число достигло 190. Катастрофические последствиж некоторых из выбросов и высокий травматизм указывают на необходимость совершенствования методов прогноза выбросоопасности угольных пластов, в том числе и регионального. Практика ведения шрных работ показала, что внезапные выбросы на каждом месторождении про-жвлжготсж зонально и на различной глубине от поверхности. При этом площадь выбросоопасных зон не превышает 10% площади выбросоопасньж шахтогшастов, а минимальнаж глубина прожвле-ниж внезапных выбросов изменжетсж от 150 до 710 м. Проведение локального и текущего прогнозов выбросоопасности при ведении горных выработок в неопасных зонах и с глубины 150 м, как пре усматривалось ранее действующими нормативными документами, сопровождалось необоснованными периодическими остановками забож, снижением производительности труда до 20% и увеличением себестоимости 1 т угля до 40%. Поэтому знание критической глубины появления выбросов и зон потенциальной выбросоопасности = как на этапе отнесения шахт и участков к перспективным, так и на стадиях ведения горных работ = имеет важное социажно-жономическое значение.

Практика разработки выбросоошсных угольных пластов показывает, что газодинамическая активность горного массива может быть значительно снижена применением научно-обоснованных инженерных решений. Очевидно, что длж успешного решениж важнейшей научной и социально-экономической проблемы борьбы с газодинамическими жалевшими необходимо предусмотреть региональные и локальные противовыбросные мероприятия еще при проектировании горных работ на новых горизонтах и шахтах, в связи с чем надо заранее располагать данными о зонах потенции альной выбросоопасности угольных пластов.

Вышеизложенное обусловило актуальность научной проблемы теоретического обоснования зональности газодинамических явлений и создания метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов, основанного на анализе данных геологоразведочшьж работ.

Таким образом, проблема борьбы с внезапными выбросами угж и газа включает в себя рассматриваемую в диссертационной работе проблему регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов. На важную научную и практическую значимость решаемой в диссертации проблемы указывает тот факт, что Государственный комитет СССР по науке и технике и Академия наук СССР утвердили в 1985 г. Всесоюзную научно-техническую программу 0.05.05 «Создать и внедрить методы и средства прогноза и предотвращении внезапных выбросов угж, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли в угольных шахтах» (№ 555 от 30 октября 1985 г.). Эта программа’предусматривала работу 160 034 000 = 081 «Разработать и внедрить методику по прогнозу выбросоопасности угольных пластов при геологоразведочньж работах в основных угольных бассейнах страны», в которой автор принимал участие. басса, позволяющего на стадии проектирования горных работ повысить надежность прогноза выбросоопасности и эффективность ея работы состоит в том, что зоны потенциальной газодинамической опасности сформированы на газоносных угольных пластах в результате сдвиговых деформации при тектонических электрического сопротивления высокоомных вмещающих пород. Методы исследовании. В работе решение поставленных з низма газодинамических явлении, выдвижение научной гипотезы сти и потенциальной выбросоопасности угольных газ пластов. нирическии метод включает: выдвижение статистиче= скои гипотезы, выС угольных пластов из горных выработок.

Объектами исследований служили шахты, в которых при.

Научные пшшжеыиж, защищаемые в диссертации: результаты стандартных геофизических исследований разве-дочньж скважин являются самостоятельными интегральными показателями газоносности и выбросоопасности угольных пластов, так как между геомеханическим состоянием и геофизическими характеристиками массива пород существуют тесные связи;

— газоносность угольных пластов от поверхности метановой зоны увеличивается затухающими темпами по параболической зависимости с увеличением глубины залегания, электросопротивления вмещающих пород и снижением естественной радиоактивности угля, при этом мощность зоны газового выветривания на шахтах Кузбасса изменяется от 30 до 350 м, градиент — от 2.0 до 15.0 м, А Л 00 м, а их отношение является наиболее информативным показателем выбросоопасности;

— верхняя граница проявления внезапных выбросов угля и газа закономерно изменяется от150до710ми минимальные глубины будут отмечаться на крутонжлонных угольных пластах, ослож.

Л е-О ненных дизъюнктивами с углами менее 45 и характеризующихся мощностью зоны газового выветривания 80=100 м, градиентом ме-таноносности более 8 м АЛ 00 м, выходом летучих веществ 20−24% и содержанием фюзинигга 40−50%;

— внезапные выбросы угж я газа распределены зонально, зоны газодинамической активности приурочены к точкам перегиба угольных пластов, имеют вытянутые формы и размеры зон потенциальной выбросоопасности определяются природными факторами;

— между показателями тектонических напряжений, с одной стороны, и размерами выбросоопасных зон, с другой стороны, существует определенная зависимость: чем меньше мощность зоны газового выветривания и выше градиент метаноносности, чем больше угол падения пласта, его изменчивость и скорость современных вертикальных движений земной поверхности, тем больше размеры зон и меньше глубина их залегаыижзоны газодинамической активности формируются при складкообразовании в точках перегиба слоев, где возникают аномальные сдвиговые деформации, приводящие к разрушению и перетиранию угля, образованию разрывных нарушений, значительному снижению электрического сопротивления высокоомных горных пород и уменьшению взаимосвязи между значениями электросопротивлений и радиоактивностью вмещающих пород;

— при образовании разрывных нарушений направление перемещения висячего блока нарушении характеризует тектонические напряжения в массиве, условия миграции метана к поверхности и глубину проявления внезапных выбросов;

— прогноз потенциальной выбросоопасносш зон угольных пластов по геологоразведочным данным включает определение минимальной выбросоопасной глубины разработки и критической газоносности угольных пластов, классификацию шахтопластов по размерам выбросоопасыых зон, выявление и геометризацию точек перегиба и интерпретацию результатов стандартных геофизических исследований разведочных сжважин. обоснована взаимосвязь природной газоносности и потенциальной выбросоопасносш угольных пластов с результатами стандартных геофизических исследований в разведочных скважинах, которые объективно отражают геомеханическое состояние массива горных пород;

— впервые установлено, что между природной газоносностью угольных пластов и геолого-геофизическими признаками, характеционные свойства углж, газопроницаемость вмещающих пород и условия залегания, существует тесная корреж-ционная связь (коэффициент жоррежции 0,85), на основе которой тан новым способ косвенной оценки природной газоносности угольных пластов (A.C. № 883 513) и установлено распределение мощности зоны газового выветривания и градиента метано-носности на выброеоопаеных шахтопластах;

— выявлены наиболее информативные региональные геологические показатели выбросоопасности угольных пластов, получена статистическая зависимость между положением верхней границы проявления внезапных выбросов, степенью метаморфизма угля, показателями природной газоносности и напряженно-деформированного состояния массива (A.C. № 715 809) — предложена классификация шахтопластов, позволяющая по комплексу первичной геологоразведочной информации оценить степень выбросоопасности и размеры зон потенциальной газодинамической активности угольных пластоввпервые обоснована приуроченность зон газодинамической активности к точкам перегиба угольных пластов и установлена взаимосвязь выбросоопасности зон угольных пластов с геомеханическим состоянием и физическими свойствами вмещающих пород, оцениваемых по геофизическим исследованиям КС и ГК разведочных скважин (A.C. № 1 810 574);

— установлена взаимосвязь величины угла дизъгонктива с тектоническими напряжениями, глубиной залегания поверхности метановой зоны и верхней границей проявления внезапных выбросов;

— разработан ж реализован метод регионального прогноза вы-броеоопаеноети угольных пластов Кузбасса, позволяющий по результатам первичной геолого-геофизической документации произвести оценку критической глубины появления внезапных выбросов и выявить зоны потенциальной выбросоопасности угольных пластов на стадии проектирования новых шахт и текущего планирования горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— применением теоретического и эмпирического методов исследований, включающих научный анализ, обобщение-и объяснение;

— использованием современных теоретических представлений о причинно-следственных связях в геологии газов угольных месторождений и природе внезапных выбросов угля и газаобработкой более 15 000 первичных геолого-геофизических показателей, снятых с геофизических диаграмм и геологических разрезов из различных районов Кузбасса;

— обработкой более 10 000 результатов шахтных измерений показателей выбросоопасности угольных пластов, полученных при ведении горных работ на 40 выбросоопасных шахтопластах;

— удовлетворительной сопоставимостью результатов прогноза природной газоносности угольных пластов косвенным и прямым методами;

— практикой ведения горных работ и соответствием результатов регионального прогноза потенциальной выбросоопасности угольных пластов фактической выбросоопасности в условиях Кузбасса.

— в теоретическом обосновании использования диаграмм КС и ГК для оценки природной газоносности и выбросоопасности ровании зон газодинамическом активности и установлении Крите-рвя выбросоопасности этих зон;

— в разработке и внедрении метода регионального прогноза зон потентщальной выбросоопасности по результатам геологоразведочных работ.

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении приуроченности динамических и газодинамических жв-лении к зонам сдвиговых деформации и напряжении угольного пласта, что может быть использовано при обосновании единой тектонофизической природы геодинамических явлений и разработке методов их прогноза и предотвращении.

Практическая значимость работы заключена в разработке методов косвенной оценки природной газоносности угольных пластов и регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности, которые используются на шахтах Кузбасса и позволяют без дополнительных исследовании и затрат повысить достоверность прогноза газоносности угольных пластов и их потенциальной выбросоопасности до начала эксплуатации шахтоюшаета. Снижение на ряде шахт критической по внезапным выбросам глубины ведения горных работ до 550 м дало значительный экономический эффект за счет исключения необоснованного применения локального и текущего прогнозов выбросоопасности из забоев подготовительним и практические рекомендации автора включены во «Временную методику по прогнозу критической глубины пожвле= ниж внезапных выбросов угля и газа на угольных месторождениях Кузбасса по геологоразведочным данным88 (г. Кемерово, 1982 г.) — «Методику оценки выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным» (г. Кемерово, 1989 г.) — «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам углж, породы и газа» (М&bdquo-, 1989 г.) — «Временную методику разграничения участков угольных пластов жиже критической выбросоопасной глубины на опасные и неопасные по внезапным выбросам углж и газа» (г. Кемерово, 1996 г.). Результаты исследования газоносности угольных пластов и их выбросоопасности включены трестом «Кузбассуглеразведка55 и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедицией в отчеты по детальной разведке и были использованы при составлении проектов строительства шахты «Глушинская55 и «Томусинская5,&bdquoРезультаты прогноза критической глубины ножв-ления внезапных выбросов углж и газа используются при составлю нии каталога выбросоопасньж глубин угольных пластов действующих и проектируемых шахт Кузбасса.

Апробация, работы. Работа и отдельные ее этапы докладывались на V Всесоюзном угольном совещании (г. Ростов-на-Дону, 1977 г.), на Всесоюзной школе по обмену передовым опытом по методам обработки первичной геолого-геофизической документации угольных скважин (г. Красноярск, 1978 г.), на Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (г. Москва, 1982 г.), на технических совещаниях в тресте «Кузбассуглеразведка» Минуглепрома СССР (г. Кемерово, 1983 г.) и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедиции Министерства геологии РСФСР (г. Ленинск-Кузнецкий, 1983п), на II Всесоюзном семинаре «Информатика недр» (г. КемеровоД 989 г.), на Всесоюзной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 1994 г.), на IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1997 г.), на Международной научно-практической конференции «Природные и инь тежектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1997 г.), на научном семинаре лаборатории борьбы с внезапными выбросами угля и газа и дегазации пластов ВоетНИИ (г. Кемерово, 1998 г.).

Автор выражает благодарность сотрудникам названных кафедр за содействие, сотрудникам лаборатории борьбы с внезапными выбросами и дегазации пластов ВоетНИИ за помощь в получении информации о внезапных выбросах угля и газа в горных выработках шахт Кузбасса и внедрении результатов, а также научному консультанту работы докт. техн. наук, профессору П. В. Егорову за постоянное внимание к работе на всех ее этапах и творческое обсуждение результатов.

Вышвды.

1 .Изучение геологических условий проявления горных ударов и внезапных выбросов угля и газа показало их приуроченность к областям повышенньк сдвигающих деформаций, совпадающих с точками перегиба угольного пласта. При этом установлено, что удароопасность отмечается в ненарушенных зонах, способных ак= кумумировать потенциальную энергию упругой деформации, а газодинамическая активность отмечается в тех зонах, где касательные напряжения нарушили и препарировали угольный массив.

2.Разработана методика регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса, основанная на анализе и интерпретации геологоразведочных данных и результатов геофизических исследований в разведочных скважинах.

3.Анализ и интерпретации имеющихся в геологоразведочных организациях материалов позволил установить выбросоопасную глубину разработки угольных пластов и выявить зоны потенциальной выбросоопасности угольного пласта XXI на поле шахты «Первомайская» Кемеровского района.

4.Результаты текущего прогноза и проявление газодинамических явлений в выявленной выбросоопасной зоне пласта XXI шахты «Первомайская» подтверждают возможность использования разработанной методики при региональном прогнозе зон потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основании выполненных автором иеследо-ваний разработаны теоретические положения зонального проявления газодинамических явлений для обоснования критериев и метода регионального прогноза зон потенциальной выбросоопасно-сти угольных пластов, совокупность которых можно квалифицировать как крупное достижение в области охраны труда, обеспечивающее повышение газодинамической безопасности и социально-экономической эффективности при ведении горных работ.

Вьшолненные исследовании позволяют сделать основные научные выводы и рекомендации:

1. Наиболее перспективным направлением при разработке методов оценки природной газоносности и потенциальной выбросо-опасности угольных пластов является использование результатов изучения электрического сопротивления (диаграммы КС) и естественной радиоактивности горных пород (диаграммы ГК) стандартных геофизических исследований разведочных скважин в качестве интегральньк показателей физических свойств угля и вмещающих пород, определяющих геомеханическое состояние массива горных пород.

2. Установлено, что глубина залегания угольного пласта, угол его падения, электрическое сопротивление вмещающих пород, снятое с диаграммы КС (показатель степени метаморфизма угля), радиоактивность углж (показатель зольности) и радиоактивность вмещающих пород (литологический состав кровли и почвы), снятые с диаграммы ГК, взаимосвязаны с природной газоносностью угольных пластов. Впервые получена многофакторная зависимость (коэффициент множественной корреляции равен 0,85), на основе которой разработан способ определения газоносности угольных пластов (A.C. № 883 513), позволяющий по первичным геолого-геофизичееким данным вычислить газоносность углж в любом пластопересечении, расширить сеть прямого газового опробования и установить мощность зоны газового выветривания и градиент нарастания метаноносности на отработанных шахтопла-стах.

3. Мощность зоны газового выветривания и градиент метаноносности являются показателями природной газоносности угольных пластов и наиболее информативными региональными признаками выбросоопасности угольных пластов. На основе установленной закономерности изменения минимальной глубины проявления внезапных выбросов от мощности зоны газового выветривания, градиента нарастания метаноносности, вьжода летучих веществ из углж, содержания фюзинита, угла падения угольного пласта и угла дизъюнктива разработан и внедрен в практику метод по прогнозу критической глубины появления внезапных выбросов углж и газа на угольных месторождениях Кузбасса. Получено, что прогнозная крвпгическаж глубина появления внезапных выбросов углж и газа длж месторождений Кузбасса изменжетеж от 150 до 650 м и соответствует фактическим глубинам проявления газодинамических жвлений.

4. Зональность внезапных выбросов углж и газа обусловлена тектоническими процессами, газодинамические зоны приурочены к зонам сдвиговых напряжений и деформаций, имеют линейно-выпгжнутые формы, близкие к эллипсу, с размерами малой оси от 75 до 150 м и большой оси от 250 до 1350 м и длж подсечениж зон единичных выбросов существующая сеть геологоразведочных скважин имеет недостаточную плотность.

5. Размеры газодинамических зон и количество внезапных выбросов в зоне определяются природными факторами, основные из которых: степень метаморфизма углж, содержание фюзинита, скорость современных движении земной поверхности, угол падения угольного пласта, изменчивость угла падения, угол дизъюнктива, мощность зоны газового выветривания и градиент метаноносно-сти.

6. Выбросоопасные зоны формируются тектоническими процессами, и механизм формирования зон потенциальной выброс (c)-опасности состоит в том, что под действием тектонических сил происходят складкообразование, перераспределение напряжений, а в областях повышенных сдвиговых напряжений упругие деформации переходят в неупруше, что приводит к разрушению угля и формированию трещин отрыва и зон нарушенных углей с низкой газопроницаемостью. Аналитически доказано, что на геологических разрезах зоны повышенных сдвиговых деформаций и напряжений приурочены к точкам перегиба угольного пласта.

7. Величина угла дизъюнктива отражает тектонические напряжения в области разрыва. Теоретически доказано и статистически подтверждено, что угол дизъюнктива менее 45° указывает на сжимающие горизонтальные тектонические напряжения, затрудненные условия миграции метана к поверхности и возможность проявления внезапных выбросов на меньшей глубине. .Угол дизъ-юыктива более 45 указывает на растягивающие тектонические напряжения, которые способствуют дегазации угольных пластов и увеличению глубины проявления внезапных выбросов.

8. Предложенный метод оценки потенциальной выбросоопас-ности угольных пластов основан на анализе результатов геологоразведочных работ и включает определение критической глубины появления внезапных выбросов и критической газоносности угля, выявление зон повышенных сдвиговых деформаций и оценку по.

9. Результаты исследований по оценке потенциальной выбро= соопасности угольных пластов использованы при составлении ка= талога выбросоопаеных глубин угольных пластов действующих и проектируемых шахт Кузбасса, включены в «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа», позволили опустить критическую по внезапным выбросам глубину ведения горных работ дж веко-торых шахт до 550 м и получить экономический эффект за счет исключения необоснованного применения прогноза выбросоопас-ности из забоев горных выработок.