Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты

Актуальность проблемы. В Российской Федерации, как и во всех других угледобывающих странах, при разработке газоносных угольных пластов на современных глубинах происходят газодинамические явления (ГДЯ), вызывающие аварии и наносящие значительный технологический, экологический и социальный ущерб.

К газодинамическим явлениям относятся внезапные выбросы угля и газа, происходящие на угольных шахтах России с 1906 годагорные удары, известные в России на угольных шахтах Кизеловского бассейна с 1944 годадинамические разломы почвы (кровли), как разновидность горных ударова также различные сочетания упомянутых ГДЯ.

С увеличением глубины разработки и скорости подвигания горных выработок опасность по ГДЯ возрастает, что резко обостряет проблему безопасности ведения горных работ, прежде всего из-за мало управляемого внезапного повышения газовыделения и опасности взрывов метанопылевоздуш-ных смесей, а также усложняет возможности своевременного прогнозирования ГДЯ и обеспечения профилактических мероприятий, и в конечном итоге приносит большой экономический ущерб угольным предприятиям.

Статистика показывает, что на шахтах Восточного Донбасса за 19 582 004 г. г. произошло 182 газодинамических явления, в том числе 47 внезапных выбросов угля и газа, 77 внезапных выбросов при сотрясательном взрывании, 48 внезапных выдавливаний с повышенным газовыделением, в единичных случаях регистрировались динамические разломы почвы горных выработок.

На шахтах Кузбасса за 1943;2005 годы произошло 268 внезапных выбросов угля и газа, 175 горных ударов, более 156 обрушений и высыпаний. На шахтах Воркуты и Печорского угольного бассейна с 1950 г. по 2000 г. -более 250 внезапных выбросов угля и газа, имеют место горные удары и внезапные динамические разломы почвы горных выработок с повышенным газовыделением.

Кроме того, на угольных шахтах происходит значительное количество взрывов метанопылевоздушных смесей, в том числе сопутствующих газодинамическим явлениям, среди них в последние годы наиболее крупные взрывы метановоздушных смесей с групповыми травматизмом произошли: 1997 г. «Баренцбург» (О. Шпицберген), «Зыряновская» (Кузбасс), 1998 г. — ш. «Центральная» (Воркутауголь), 2003 г. — «Зиминка» (Кузбасс), апрель 2004 г. — ш. «Тайжина» (Кузбасс), 2006 и 2007 гг., «Ульяновская» и «Юбилейная» (Кузбасс), 2007. Много человеческих жизней унес последний взрывы в Кузбассе на шахте «Распадская» (2010 г.).

Проведенный анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями, позволяет сделать следующие выводы.

— на шахтах Восточного Донбасса, Воркуты, Кузбасса в 30% случаев нарушаются параметры способов прогноза и предотвращения;

— при проведении горных выработок с помощью сотрясательного взрывания (в ряде случаев даже при вскрытии угольных пластов) не применяются способы прогноза выбросоопасных зон и защитные мероприятия, равно как и способы контроля эффективности защитных мер;

— причины аварий на шахтах кроются в неэффективности или неприменении методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, либо в несоответствии их конкретным горно-геологическим условиям, так как внезапные выбросы угля и газа происходят на ранее неопасных шахтопластах, а также при полностью выполненных (или в процессе выполнения) защитных мероприятиях.

В связи с этим актуальным остается дальнейшее развитие теории возникновения и развития этих опасных проявлений горного давления для разработки надежных методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, адекватных конкретным горно-геологическим условиям залегания угольных пластов, их газодинамическому и термодинамическому состоянию и условиям ведения горных работ. Для этого необходимы дальнейшие исследования роли газа, горного давления, и других факторов в подготовке очага и развязывании внезапного выброса, выявление таких очагов, определение запасов энергии угольного пласта, которая может реализоваться в виде внезапного выброса, областей, обладающих запасами энергии достаточными для развязывания газодинамических явлений.

Целью работы является развитие методологии прогнозирования газодинамических явлений, основанной на закономерностях формирования очагов выбросоопасности в призабойной зоне угольных пластов для повышения безопасности и эффективности ведения проходческих и очистных работ.

Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей формирования зон концентрации геоэнергии с учетом термодинамических и механохимических процессов образования дополнительных объемов метана при развитии очага выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта для создания эффективных методов прогноза газодинамических явлений при техногенном воздействии на углепородный массив.

Методы исследований: В работе применен комплекс методов, включающий: автоматизированные методы обработки цифровых изображенийстатистические методы обработки результатов натурных экспериментов, включающие корреляционный, спектральный и мультифрактальный анализ, методы математического моделирования напряженно деформированного состояния и мест накопления энергии сейсмоакустических волновых полей в угольных пластах и вмещающих породахлабораторные и шахтные экспериментальные исследования процессов, происходящих в углепородном массиве.

Основные положения, представленные к защите:

1. Взаимосвязь показателей прочности, трещиноватости и газопроницаемости углей различных степеней тектонической нарушенности, позволяющая количественно оценить способность угля к газоотдаче и газопрони8 цаемость с учетом его трещиноватости, блочного строения, напряженного состояния и тектонической нарушенности и провести классификацию угольных пластов по их способности к газоотдаче при дегазации.

2. Угли из выбросоопасных и невыбросоопасных пластов имеют отличия в структуре на микроуровне, которые выявляются при мультифрактальной параметризации цифровых изображений их поверхности и позволяют провести оценки вы-бросоопасности угольных пластов по структурному фактору.

3. Механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений (минимальное главное напряжение ст3 > 5-^7 МПа). Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением С] значений 0,7−0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (модуль спада напряжений в запредельной области э > 0,75).

4. Природно-техногенный очаг выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта формируется в зоне влияния геологической и техногенной нарушенности, в том случае, когда затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя, и характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и механохимическим процессом генерирования дополнительного метана из угля в условиях высоких напряжений объемного сжатия и сдвиговых деформаций.

5. Метод прогноза потенциальной (природной) опасности внезапных выбросов и горных ударов, основанный на определении соотношения запасов энергии газа и горного давления угольного пласта, позволяет определить опасность и тип газодинамического явления, а при дополнительном учете технологии ведения горных работ — определить реальную выбросоопасность очистных и проходческих забоев, выбрать безопасную для данных условий скорость подвигания забоя и эффективные мероприятия по предотвращению выбросоопасной ситуации.

Достоверность основных положений, представленных к защите подтверждается: обоснованностью и корректностью поставленных задач, непротиворечивостью полученных результатов и выводовпредставительным объемом выборок при статистической обработке информациисоответствием 9 выводов теоретических и лабораторных исследований шахтным экспериментамуспешно проведенной опытно-промышленной проверкой разработанного в соавторстве «Руководства по определению степени (категории) выбро-соопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ».

Научная новизна работы.

Основная часть результатов данной работы на момент публикации имела приоритетный характер и была получена впервые. Было установлено:

— взаимосвязь прочности, трещиноватости (тектонической нарушенно-сти) и газопроницаемости угольных пластов, основанная на статистической связи введенного показателя прочности угля по кавернометрии с нару-шенностью угля и его физико-механическими свойствами и экспериментально полученной зависимости коэффициента газопроницаемости от горного давления и тектонической нарушенности угля.

— структурная организация элементов поверхности углей может быть представленна мультифракталом с соответствующем ему спектром фрак-тальнных размерностей, причем угли из выбросоопасных пластов имеют больший набор структурных элементов и, следовательно, в 1,5-К2 раза более широкий спектр соответствующих им фрактальных размерностей, чем угли из невыбросоопасных пластов.

— механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений, при минимальном главном напряжении а3 > 5-^-7 МПа. Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением а] значений 0,7−0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (модуль спада напряжений в запредельной области б > 0,75).

— разрушение угля при внезапном выбросе угля и газа происходит с разрывом наиболее слабых связей в бахроме угля, в том числе отрывается большое количество метальных группСН3. Эти химически активные радикалы, объединяясь с атомами водорода, образуют метан, причем дополнительно образованные объемы метана по оценкам реальных выбросов составляют 40−50 м3/т.

— в процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в 5-К0 раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля.

— образование природно-техногенного очага опасности динамических явлений характеризуется возрастанием концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта в несколько раз (до 10), механохимическим процессом генерирования дополнительных объемов о метана из угля (до 8 м /т) и связано с неоднородным залеганием пласта (зона влияния геологического нарушения, зона ПГД и т. п.).

— энергия колебательного движения призабойной части углепородного массива от техногенного воздействия на угольный пласт локализуется преимущественно в самом пласте и по величине соизмерима с энергией упругого деформирования (энергией горного давления) пласта и эффективной энергией газа.

— изменение температуры угольного пласта является информативным показателем оценки состояния его призабойной зоны. Данным показателем четко выделяются зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки и дегазации. Повышение температуры угля более чем на в зоне концентрации опорного давления вызвано сорбцией «дополнительного» метана, образовавшегося в результате механохимических процессов деструкции наиболее слабых связей в угле.

— геоэнергетические критерии потенциальной (природной) выбросо-опасности угольного пласта и реальной выбросоопасности части пласта или забоя горной выработки с учетом технологии ведения горных работ.

Практическая значимость работы.

Разработана методика, оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, позволяющая выявить угли не склонные к разрушению в виде газодинамических явлений.

Предложена классификация угольных пластов по способности к газоотдаче, для применения при оценке эффективности дегазации или при выборе участков промысловой добычи метана из угольных пластов.

Разработан единый метод прогноза потенциальной выбросои ударо-опасности угольных пластов по геоэнергии массива, позволяющий определить параметры, дающие наибольший вклад в создание ситуации, опасной по динамическим явлениям, и провести обоснованный выбор адекватных про-тивовыбросных мер на стадии подготовки шахтного поля или горизонта.

Разработан метод прогноза выбросоопасности, позволяющий оценить реальную выбросоопасность участка пласта или забоя горной выработки, учесть влияние технологии ведения горных работ на выбросоопасностьоценить безопасную скорость подвигания забоя, оценить необходимую величину зоны разгрузки в призабойной области пластадать рекомендации о необходимой степени дегазации угольных пластов.

Результаты работы вошли в «Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ», а также используются в геоинформационной системе мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных reoи газодинамических явлений.

Реализация результатов работы.

1. Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ. Утверждено Кузнецким управлением Госгортехнадзора России 12.08.1998 г. Ротапринт ВостНИИ. Люберцы-Кемерово. — 1999.

Руководство." успешно прошло промышленные испытания на шахте.

Аларда" при разработке пластов 1 и 3−3а на участке между разведочными.

12 линиями XIII — XVIII и на шахте «Чертинская» на пластах 3, 4, 5 на участке между разведочными линиями 0−3 и рекомендовано к внедрению на шахтах Кузбасса.

2. Методика применения мультифрактального анализа цифровых изображений поверхности угля для прогноза выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору используется в учебном процессе Московским государственным горным университетом и Московским государственным университетом геодезии и картографии.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на:

— Х1-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт-Петербург, 9−11 сентября 1997 г;

— Международной конференции «Горная геофизика, ВНИМИ, С-Пб., 1998 г.;

— Международном симпозиуме по горной технологии — 98. Безопасность и охрана труда в угледобывающей промышленности. Китай, Чунцин, 1998;

— Международной конференции Освоение недр и экологические проблем — взгляд в XXI век. Москва, 2000 г.;

— IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». СИБРЕСУРС — 2001. Кемерово. 2001;

— научном симпозиуме «Неделя горняка в 2000; 2002, 2004, 2006;2011 г. г.

— Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». Новосибирск. 2001, 2006, 2009;

— Международной научной школе им. академика С. А. Христиановича в 2004;2010 г. г.

— Международной научно-практической конференции ОЕОШТЮСАГ) в 2002, 2005;2008 г. г.

— 2-ой Международный Северный социально-экологический конгресс «ОСВОЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ СЕВЕРА: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ» Воркута, — 2006;

— XVII (2007 г.) и XVIII (2008 г.) сессиях Российского акустического общества,.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в том числе 15 печатных работ, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента, 1 руководство, 32 печатных работы опубликовано в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 160 наименований, изложена на 270 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 90 рисунков.

Выводы.

1. Разработан инженерный геоэнергетический критерий, позволяющий давать оперативную оценку напряженного и газодинамического состояния угольных пластов и определять необходимые параметры воздействия на горный массив, обеспечивающие предотвращение газодинамических явлений и безопасное проведение горных выработок. Рассмотрены конкретные примеры применения критерия в условиях Кузбасса.

На основе геоэнергетического критерия разработан физически обоснованный способ прогноза опасности газодинамических явлений и выбора эффективных мероприятий по их предотвращению. Способ позволяет выделять неопасные и выбросоопасные зоны в угольных пластах, прогнозировать выбросоопасность забоев с учетом скорости их подвигания и типа горной выработки, рассчитать эффективные параметры способов предупреждения газодинамических явлений. Способ прошел промышленные испытания и применяется на шахтах Кузбасса.

2. Разработанные критерии управления напряженным и газодинамическим состоянием массива могут быть использованы в автоматизированной системе контроля и управления геодинамической безопасностью высокопроизводительных забоев. Практика ведения горных работ и теоретические исследования показывают, что увеличение скоростей проходки и отработки угольных пластов с применением высокопроизводительной техники увеличивает опасность возникновения газодинамических явлений.

3. Степень влияния скорости подвигания забоя на выбросоопасность и удароопасность горной выработки определяется напряженным состоянием, газоносностью и физико-механическими свойствами разрабатываемых угольных пластов. Количественная оценка такого влияния может быть выполнена на основе предлагаемой геомеханической модели, расчетных формул и номограмм, приведенных выше.

4. Применение автоматизированных систем контроля и прогноза выбросоопасности с использованием установленных закономерностей позволит оптимизировать безопасные скорости проходки в различных горногеологических условиях и повысить эффективность выбора параметров воздействия на горный массив при предотвращении газодинамических явлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований решена крупная научная проблема обоснования формирования природно-техногенных очагов выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта и разработки метода прогноза опасности внезапных выбросов угля и газа, учитывающего природную выбросоопасность угольного пласта и технологию ведения горных работ. Эта проблема имеет большое экономико-технологическое и социальное значение для увеличения интенсификации производства и повышения безопасности горных работ в угольной отрасли.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Определен коэффициент газоотдачи, позволяющий по геологоразведочным данным или физико-механическими свойствами угля оценить часть газа, которая успевает выделиться из разрушающего угля за время выброса. Для сильно нарушенных углей это до 12% всего метана, для ненарушенных — 2-КЗ %. По результатам исследований составлена таблица взаимосвязи тектонической нарушенности углей с их физико-механическими свойствами.

На основе установленной статистической взаимосвязи показателей прочность — трещиноватость — газопроницаемость для углей различной тектонической нарушенности составлена классификация угольных пластов по способности к газоотдаче при дегазации или добыче метана из неразгруженных пластов. Выполненные исследования показывают, что фактическая проницаемость ненарушенных углей (I степень нарушенности) в 50-И 00 раз выше проницаемости нарушенных углей (IV-V степень нарушенности).

2. Впервые установлена связь мультифрактальных свойств оптически регистрируемой нарушенности углей и их предрасположенности к газодинамическим явлениям. Разработана методика применения мультифрактального анализа цифровых изображений поверхности угля, позволяющая провести разделение углей выбросоопасных и невыбросоопасных угольных пластов. Отличительной особенностью предложенной методики является практически полная автоматизация процедуры до экспертного анализа и простота, позволяющая сравнительно легко охарактеризовать сложность структуры вещества угля, обуславливающую склонность угольных пластов к газодинамическим явлениям.

3. В результате экспериментальных исследований закономерностей изменения термодинамического состояния газонасыщенного угля при трехосном неравнокомпонентном нагружении установлено, что в процессе разрушения угля происходит образование дополнительных объемов метана.

Полученные в результате лабораторного эксперимента условия образования метана: образование метана начинается при достижении главным максимальным напряжением cii значений 0,7-Ю, 8 от прочности угля aimax, то есть при достижении предела упругости угля и продолжается при потере устойчивости и в запредельной области деформированияобразование метана происходит при пластическом разрушении угля в условиях высоких напряжений, то есть при соотношении главных эффективных напряжений ст37 erf < 0,33, главное минимальное напряжение аз > 5−5-7 МПа и коэффициент спада напряжений в запредельной области от 0,75 до 1- количество образовавшегося метана тем больше, чем более пластичным является процесс разрушения.

В процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа:

— основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в несколько (иногда в 7ч-Ю) раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля;

— разрушение происходит на внутримолекулярном уровне, молекулы вещества угля теряют значительную часть алифатических СНзгрупп, оторванные радикалы (СН3- группы) химически активны и, объединяясь с водородом, образуют молекулы метана.

4. Предложена и подтверждена гипотеза механизма объясняющего приуроченность внезапных выбросов к мелкоамплитудным геологическим нарушениям. Показано, что в зоне влияния геологической или техногенной нарушенности затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя (нет обычного отжима), происходит возрастание боковых напряжений, действующих со стороны забоя, что создает условия для еще более сильного возрастания нормальных к угольному пласту напряжений вблизи обнажения пласта забоем, резкого увеличения упругой энергии сжатия угля и эффективной энергии угольного метана. В условиях высоких объемных напряжений и частичного разрушения угля в зоне концентрации напряжений происходят механохимические процессы генерирования дополнительных объемов метана из вещества угля, причем уровень напряжений оказывает существенное влияние на механохимические процессы, протекающие в угле.

Таким образом, в зоне влияния геологической и техногенной нарушенности в призабойной зоне угольного пласта создается природно-техногенный очаг выбросоопасности с повышенными, относительно мест спокойного залегания пласта, значениями концентрации напряжений и газонасыщенности. То есть, очаг выбросоопасности характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и эффективной энергии газа.

5. Разработан единый метод прогноза потенциальной (природной).

251 выбросоопасности и удароопасности угольных пластов и забоев горных выработок, основанный на определении геоэнергии массива. Метод может быть применен при прогнозе динамических явлений на шахтах одновременно опасных по внезапным выбросам и горным ударам и использован при создании системы мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных геодинамических явлений.

Разработан инженерный геоэнергетический критерий выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок, позволяющий определять необходимые параметры воздействия на горный массив, обеспечивающие предотвращение газодинамических явлений и безопасное проведение горных выработок. Рассмотрены конкретные примеры применения критерия в условиях Кузбасса.

На основе геоэнергетического критерия разработан метод прогноза опасности газодинамических явлений и выбора эффективных мероприятий по их предотвращению. Метод позволяет выделять неопасные и выбросоопасные зоны в угольных пластах, прогнозировать выбросоопасность забоев с учетом скорости их подвигания и типа горной выработки, рассчитать эффективные параметры способов предупреждения газодинамических явлений.

Метод прогноза вошел в «Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ», утвержденное Кузнецким управлением Госгортехнадзора России 12.08.1998 г. Метод прошел промышленные испытания и рекомендован к применению на шахтах Кузбасса.

Разработанные критерии управления напряженным и газодинамическим состоянием массива используются в автоматизированной системе контроля и управления геодинамической безопасностью высокопроизводительных забоев.