Разработка метода регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов Кузбасса

Актуальность работы. С увеличением глубины разработки угольных месторождений закономерно возрастает природная газоносность угольных пластов, повышается напряженное состояние углевмещающе-го массива, увеличиваются выбросоопасность и газодинамическая активность угольных пластов. Проявление газодинамической активности угольных пластов в призабойной зоне горных выработок в виде внезапных выбросов угля и газа или других газодинамических явлений отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы шахты, приводит к повышению уровня производственного травматизма в его наиболее тяжелых формах, а часто к катастрофическим последствиям для горных выработок и околостволовых наземных сооружений.

Для инженерного решения проблемы внезапных выбросов угля и газа существенное значение имеют разработка метода регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов и научно обоснованное определение критической по внезапным выбросам глубины ведения горных работ. Зависимость глубины появления внезапных выбросов от геологических условий формирования самостоятельных структурно-тектонических элементов шахтного поля или месторождения указывает на актуальность исследований по дифференциации критической выбро-соопасной глубины разработки угольных пластов по геологоразведочным данным. Результаты таких исследований позволят на стадии проектирования новых шахт и горизонтов предусмотреть необходимый комплекс противовыбросных мероприятий по безопасной и эффективной отработке угольных пластов ниже критической выбросоопасной глубины и своевременно начать его применение.

Диссертация отражает результаты исследований, выполненных автором в период 1985;1997 гг. в Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности в соответствии с планами НИР института по научно-технической программе 0.05.05 «Создать и внедрить методы и средства прогноза, предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, взрывов газа и пыли в угольных шахтах», предусмотренной постановлением ГКНТ СССР № 555 от 30.10.85.

Цель диссертационной работы — разработка метода регионального прогноза выбросоопасности самостоятельных структурно-тектонических элементов угольных пластов Кузбасса по материалам геологоразведочных работ.

Идея работы состоит в комплексном использовании установленных закономерностей распределения выбросоопасных зон в пределах шахтопластов и региональных информативных геологических показателей для прогноза критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа при разработке угольных пластов.

Задачи исследований:

— установить закономерности распределения газодинамических зон по площади угольных пластов и оценить вероятности их подсечения существующей сетью геологоразведочных скважин.

— выявить информативные показатели выбросоопасности угольных пластов и установить их влияние на выбросоопасность.

— изучить взаимосвязь информативных региональных показателей выбросоопасности с верхней границей появления внезапных выбросов угля и газа.

— разработать и внедрить метод оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов Кузбасса, при этом для шахт с недостаточной сетью газового опробования выявить глубину залегания поверхности метановой зоны (ПМЗ) косвенным методом.

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы теоретический и эмпирический методы исследований, включающие анализ и научное обобщение опыта решения проблемы внезапных выбросов угля и газа, интерпретацию результатов прогноза выбросоопасности из горных выработок и статистическую обработку результатов геологоразведочных работ.

Объектами исследований служили выбросоопасные участки угольных пластов, выявленные текущим прогнозом при проведении подготовительных выработок и прогнозом выбросоопасности в месте вскрытия пласта, а также газодинамические явления, зарегистрированные в горных выработках шахт Кузбасса.

Новые научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем:

1. Внезапные выбросы угля и газа распределены зонально, выбросоопасные зоны угольных пластов имеют линейно-вытянутые формы различных размеров, и зоны единичных выбросов не подсекаются существующей сетью геологоразведочных скважин.

2. Выбросоопасность угольных пластов Кузбасса определяется региональными геологическими показателями, характеризующими изменчивость природной газоносности угольных пластов и напряженное состояние массива горных пород.

3. Глубина, на которой формируются выбросоопасные условия, определяется степенью метаморфизма угля, мощностью зоны газового выветривания, градиентом метаноносности и скоростью современных движений земной поверхности.

4. Региональный метод прогноза выбросоопасности угольных пластов из-за низкой вероятности подсечения выбросоопасных зон существующей сетью геологоразведочных скважин предполагает оценку только критической по внезапным выбросам глубины.

Научная новизна работы: установлено, что размеры выбросоопасных зон определяются региональными геологическими показателями и имеют линейно-вытянутые, близкие к эллипсу, формы с размерами малой оси от 75 до 250 м и большой оси от 250 до 1250 мвыявлены региональные показатели выбросоопасности, из которых наиболее информативными являются выход летучих веществ, мощность зоны газового выветривания, градиент метаноносности и скорость современных вертикальных движений земной корыустановлены уравнения взаимосвязи верхней границы проявления внезапных выбросов с информативными показателями выбросоопасности угольных пластовразработан метод оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов, позволяющий определить критическую выбросо-опасную глубину разработки самостоятельного структурно-тектонического участка угольного пласта.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, базируется на статистической обработке большого числа геологоразведочных данных, характеризующих выбросоопасные и неопасные зоны, и подтверждается соответствием прогнозных оценок критических глубин появления внезапных выбросов угля и газа фактической газодинамической активности угольных пластов.

Научное значение работы состоит в установлении закономерности распределения внезапных выбросов по площади и глубине залегания угольных пластов в зависимости от совокупности геологических показателей, позволяющей разработать метод регионального прогноза глубины залегания потенциально выбросоопасных зон в каждом месторождении.

Практическая ценность работы заключается в разработке метода оценки потенциальной выбросоопасности угольных пластов с глубиной по геологоразведочным данным, позволяющего на этапах проектирования и ведения горных работ предусмотреть необходимый комплекс про-тивовыбросных мероприятий по созданию условий безопасной и эффективной отработки угольных пластов.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные положения диссертационной работы включены в «Методику оценки выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным» (г. Кемерово, 1989 г.), в «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа», утвержденную Минуглепромом СССР и Госгортехнадзором СССР 18.04.89, и используются с 1990 года в совместных ежегодных приказах Управления Кузнецкого округа Госгортех-надзора РФ и производственных объединений Кузбасса «Об утверждении перечня и порядка отработки выбросоопасных и угрожаемых пластов».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VI Всесоюзном совещании «Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах» (г. Новосибирск, 1984 г.), на научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 1994 г.), на Российской научной конференции, посвященной 50-летию Томской области и 90-летию экономического образования в Томском политехническом университете (г. Томск, 1994 г.), на Международном симпозиуме по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах (г. Санкт-Петербург, 1994 г.), на Международном симпозиуме-семинаре по управлению и контролю за высоким газовыделением и внезапными выбросами угля и газа на угольных шахтах (г. Воллонгонг, Австралия, 1995 г.), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (г. Томск, 1995 г.), на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1997 г.), на научном семинаре «Проблемы освоения Ерунаковского геолого-экономического района Кузбасса» (г. Кемерово, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе одна монография.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 142 страницы машинописного текста, 27 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 97 наименований и 3 приложения.

ВЫВОДЫ.

1. Выполненная оценка информативности глубины залегания поверхности метановой зоны, градиента метаноносности и выхода летучих веществ подтвердила гипотезу о существенном влиянии этих признаков на выбросоопасность.

2. Установлена закономерность изменения верхней границы внезапных выбросов угля и газа в зависимости от глубины залегания поверхности метановой зоны, градиента метаноносности и выхода летучих веществ.

3. Разработан метод прогноза критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа по газовому фактору.

4. Разработан метод прогноза критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа по фактору напряженного состояния.

5. Составлен прогноз критической глубины появления внезапных выбросов угля и газа для всех действующих шахт Кузбасса.

6. Выполнен расчет годового экономического эффекта от установления критических глубин появления внезапных выбросов угля и газа для 34 шахт Кузбасса, разработка угольных пластов на которых ведется выше установленной критической глубины, но ниже 150 м от земной поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Эффективное освоение глубоких горизонтов, с которыми связаны перспективы развития Кузнецкого бассейна, требует на стадии проектирования оценки выбросоопасности угольных пластов.

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи, состоящее в оценке выбросоопасности угольных пластов Кузбасса по данным геологоразведочных работ, что позволяет установить критическую выбросоопасную глубину разработки угольных пластов и предусмотреть мероприятия по повышению безопасности и эффективности ведения горных работ.

Основные научные и практические выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основании анализа мест проявления внезапных выбросов угля и газа по площади угольных пластов и значений начальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба из контрольных шпуров установлено, что выбросоопасные зоны имеют линейно-вытянутые, близкие к эллипсу, формы с размерами малой оси от 75 до 250 м и большой оси от 250до 1250 м.

2. На основании изучения вероятности подсечения выбросоопас-ных зон существующей сетью геологоразведочных скважин установлено, что потенциально выбросоопасные зоны на некоторых шахтах пересекаются двумя и более скважинами с вероятностью Р = 0,55.

3. В результате оценки информативности признаков установлено, что глубина залегания поверхности метановой зоны, градиент нарастания метаноносности, выход летучих веществ, содержание фюзинита, скорость современных движений земной поверхности и угол падения угольного пласта являются региональными показателями выбросоопасности угольных пластов Кузбасса.

4. Статистическая обработка позволила установить взаимосвязь выявленных признаков выбросоопасности с верхней глубиной проявления внезапных выбросов угля и газа, что позволило разработать метод критической по внезапным выбросам глубины разработки угольных пластов на разведуемых участках по геологоразведочным данным.

5. Результаты исследований по изучению закономерности изменения верхней границы проявления внезапных выбросов угля и газа использованы при составлении каталога выбросоопасных глубин угольных пластов действующих и проектируемых шахт Кузбасса и включены в «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа», утвержденную Минуглепромом СССР и Госгортехнадзором СССР 18.04.1989 г.

6. Десятилетний опыт ведения горных работ на угрожаемых и вы-бросоопасных шахтопластах показал высокое совпадение результатов прогноза критической выбросоопасной глубины с фактическим проявлением газодинамической активности угольных пластов.

7. Разработанный метод регионального прогноза выбросоопасно-сти позволил для ряда шахт опустить критическую по внезапным выбросам глубину ведения горных работ до 550 м и исключить необоснованное применение прогноза выбросоопасности из горных выработок в течение 10−15 лет.