Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий
В статті приведений критичний аналіз фізичних основ існуючих і перспективних методів контролю ефективності противикидних технологій і також шляхи їх вдосконалення. In the article the critical analysis of physical bases of existent and perspective methods of control of efficiency of anti-ejections te...
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107652 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий / Г.П. Стариков, А.Н. Бойко, Д.В. Мельников // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 211-218. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860258124974260224 |
|---|---|
| author | Стариков, Г.П. Бойко, А.Н. Мельников, Д.В. |
| author_facet | Стариков, Г.П. Бойко, А.Н. Мельников, Д.В. |
| citation_txt | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий / Г.П. Стариков, А.Н. Бойко, Д.В. Мельников // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 211-218. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физико-технические проблемы горного производства |
| description | В статті приведений критичний аналіз фізичних основ існуючих і перспективних методів контролю ефективності противикидних технологій і також шляхи їх вдосконалення.
In the article the critical analysis of physical bases of existent and perspective methods of control of efficiency of anti-ejections technologies and also way of their perfection is resulted.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:51:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
Прогноз и управление состоянием горного массива
211
УДК 622.831.327
ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОВЫБРОСНЫХ
МЕРОПРИЯТИЙ
д.т.н. Стариков Г.П., асп. Бойко А.Н., вед. инж. Мельников Д.В.
(ИФГП НАН Украины)
В статті приведений критичний аналіз фізичних основ існуючих і пер-
спективних методів контролю ефективності противикидних технологій і
також шляхи їх вдосконалення
PROSPECTS OF PERFECTION OF EXISTENT METHODS OF
CONTROL OF EFFICIENCY OF ANTIEJECTIONS MEASURES
Starikov G.P., Boyko A.N., Melnikov D.V.
In the article the critical analysis of physical bases of existent and perspec-
tive methods of control of efficiency of anti-ejections technologies and also way
of their perfection is resulted
Газодинамическое состояния призабойной части пласта опреде-
ляет как газовыделение из источника «разрабатываемый пласт» так
и вероятность выброса угля и газа. Оценка газодинамической актив-
ности является неотъемлемой частью существующих способов
борьбы с газодинамическими явлениями (ГДЯ).
Поскольку противовыбросные мероприятия, как правило, ком-
плексно влияют на основные факторы выбросоопасности (газ, на-
пряженное состояние, физико-механические свойства) то и способы
контроля эффективности должны интегрально учитывать степень их
снижения. Исходя из этого требования проведен критический анализ
физических основ, используемых и перспективных методов оценки
газодинамической активности пластов и показаны пути их совер-
шенствования.
Согласно требованиям [1], для контроля эффективности спосо-
бов предотвращения внезапных выбросов угля и газа в Донецком
бассейне применяются следующие методы:
• для локальных способов – начальная скорость газовыделения
из контрольных шпуров и акустический прогноз;
Прогноз и управление состоянием горного массива
212
• для региональных способов – сейсмоакустический прогноз, а
при увлажнении с добавками поверхностно-активных веществ
(ПАВ) – процентное содержание водо-метанового флюида в угле.
В шахтах восточных и северных бассейнов и месторождений
контроль эффективности осуществляют в соответствии с методикой
текущего прогноза выбросоопасности по начальной скорости газо-
выделения и выходу бурового штыба из шпуров.
Способ контроля эффективности по газодинамике включает в
себя два подхода: по начальной скорости газовыделения и по ре-
зультатам поинтервальных измерений газовыделения. В первом слу-
чае, согласно [1, 11], измерения начальной скорости газовыделения
производят через каждые 0,5 м по длине контрольного шпура, кото-
рые начинают при достижении глубины 1,0 м. Затем на каждом ин-
тервале буровую штангу извлекают, в контрольный шпур вводят
газозатвор и герметизируют измерительную камеру длиной 0,2 м.
Оценку начальной скорости газовыделения производят не позднее,
чем через 2 минуты после окончания бурения данного интервала.
Набдлюдения прекращают на интервале, на котором начальная ско-
рость газовыделения снизилась, по сравнению с предыдущим интер-
валом, не менее чем на 15%.
Мероприятия считаются эффективными, если величина разгру-
женной и дегазированной зоны в призабойной части пласта, опреде-
ленная по динамике газовыделения, превышает глубину заходки,
вынимаемой за один рабочий цикл, не менее чем на 1,0 м.
Второй подход заключается в поинтервальном определении ско-
рости газовыделения в контрольный шпур для определения величи-
ны разгруженной зоны призабойной части пласта по изменению на-
чальной скорости газовыделения и сравнении этой величины с кри-
тическим значением, принятым для данного шахтопласта.
Измерения должны производиться через каждые 0,7 м по длине
контрольного шпура. При достижении глубины шпура 1,0 м, а затем
через каждые 0,7 м (1 м, 1,7 м, 2,4 м, и т.д.) бурение приостанавли-
вают, извлекают буровую штангу, вводят в шпур газозатвор и про-
изводят измерение скорости газовыделения расходомером ПГ-2МА
не позднее, чем через 2 мин. после окончания бурения каждого ин-
тервала шпура. По изменению начальной скорости газовыделения
по длине контрольного шпура определяют величину зоны разгрузки
призабойной части пласта – lр. Разгруженной зоной считается уча-
сток пласта от устья шпура до точки замера начальной скорости га-
Прогноз и управление состоянием горного массива
213
зовыделения в интервале снижения. Если интервал снижения не об-
наружен, разгруженная зона равна длине контрольного шпура. Раз-
груженная зона включает допустимую глубину выемки lв и несни-
жаемое опережение lн, которое должно быть не менее 1м.
Научная основа этих методов базируется на результате фунда-
ментальных исследований, приведенных в работах [2, 3] показы-
вающих, что скорость истечения метана (gм) из загерметизирован-
ной скважины, пробуренной в угольный массив прямопропорцио-
нально давлению газа в ней (Pскв), которое функционально связано с
пластовым давлением (Pпл) соотношением Pскв=(0,5-0,6) Pпл. В свою
очередь Pпл может быть определено [4]:
( ) ( )1 1 1
2
а a
пл о з
о з a a
Р T TP b Q a
b T P T
= − − γ + γ +
γ + γ
( ) ( ) ( )
2
1 4 a
о з о з
a a a
TT bb Q a Q
P T P T
+ − − γ + γ + γ + γ
, (1)
где Ра – давление при нормальных условиях (Ра – 0,1 МПа); Т, Та –
температура абсолютная и среды соответственно; а, b – постоянные
сорбции; γо, γз – объем открытых и закрытых пор в угле; Q – метано-
носность пласта, включающая ее содержание в открытых и закры-
тых порах пропорционально их объему.
Анализ формулы (1) показывает, что при прочих равных услови-
ях давление метана в угольном пласте определяется в основном по-
ровым объемом угля. Максимальное давление и соответственно вы-
сокая скорость газовыделения достигается при отсутствии в угле
закрытых пор, объем которых может составлять (0,15-0,25) м3/т [5] и
минимальных значениях открытых пор. В тоже время учет закрытых
пор в расчете давления резко снижает его величину и соответствен-
но скорость истечения метана. В результате измерения gм ее величи-
на и степень снижения будет определяться не только эпюрой горно-
го давления, а динамикой изменения объема закрытых пор, которые
являются основным аккумулятором метана. Поскольку при выбро-
сах угля и газа реализуется практически вся его метаноемкость [6],
то наличие или отсутствие корректирующих кинетику газовыделе-
ния закрытых пор становится первостепенным фактором информа-
тивности прогноза ГДЯ. Приведенные доводы ставят под сомнение
Прогноз и управление состоянием горного массива
214
надежность и достоверность начальной скорости газовыделения как
метода контроля эффективности противовыбросных мероприятий.
Одним из возможных путей совершенствования этого метода состо-
ит в измерении газовыделения в виде зависимости gм=f(t) на каждом
интервале бурения шпуров и аппроксимация ее экспоненциальной
функции. Показатель этой функции может быть критерием, учиты-
вающий степень изменения напряженного состояния угольного мас-
сива и процессы фильтрации и диффузии метана из угля, косвенно
характеризующие величину открытых и закрытых пор.
При контроле эффективности сейсмоакустическим методом [9,
10], прогностическими параметрами являются:
• частота максимальной амплитуды;
• амплитуды высокочастотной и низкочастотной составляющих.
Для определения критических значений прогностических пара-
метров предварительно проводят разведочные наблюдения в 30 цик-
лах подвигания очистного забоя в неопасной по выбросам зоне, ус-
тановленной текущим прогнозом выбросоопасности по начальной
скорости газовыделения из шпуров, или в зоне, обработанной про-
тивовыбросными мероприятиями.
Сейсмоприемник устанавливается путем расклинивания в шпу-
рах диаметром не менее 42 мм, расположенных в угле или вмещаю-
щих породах, на глубине 0,3-1,0 м. Допускается установка сейсмо-
приемников на элементах крепи, если обеспечивается их надежный
контакт с массивом.
Данный способ основан на явлении, что любое разрушение ма-
териала начинается и сопровождается образованием микротрещин,
что может быть зафиксировано сейсмоакустической аппаратурой
(по увеличению шумности). За сейсмоакустическую активность
(шумность) принимается количество сейсмоакустических импуль-
сов, регистрируемых звукоулавливающей аппаратурой в единицу
времени. Способ фактически оценивает изменение напряженно-
деформированного состояния углепородного массива и позволяет
оценивать его поврежденность, а, в конечном счете, степень раз-
грузки от горного давления, принимаемого за аналог степени выбро-
соопасности.
Несмотря на кажущуюся универсальность и технологичность
метода, тем не менее, критерии, заложенные в нем, не характеризу-
ют степень снижения выбросоопасности угольного массива по газо-
вому фактору, который является определяющим. Согласно [4] при
Прогноз и управление состоянием горного массива
215
прочих равных условиях коэффициент газопроницаемости функ-
ционально зависит от степени снижения напряженного состояния.
Поэтому отсутствие контроля уровня снижения напряжений и газо-
выделения после выполнения противовыбросных мероприятий су-
щественно снижает достоверность сейсмопрогноза.
Дальнейшее совершенствование этого метода может быть только
в уточнении области применения не связанной с оценкой газодина-
мического состояния угольного массива.
При контроле по начальной скорости газовыделения и выходу
бурового штыба контрольный шпур бурят с остановками после
окончания бурения каждого интервала. Длина первого интервала
составляет 0,5 м, а всех последующих – 1,0 м. Первый интервал бу-
рят диаметром 55 мм, для установки в нем штыбомера, последую-
щие – 42 мм через канал штыбомера.
При бурении второго и последующих интервалов с помощью
штыбомера измеряют выход бурового штыба S (л/мин). После окон-
чания бурения второго и последующих интервалов измеряют на-
чальную скорость газовыделения gн (л/мин). За начальную прини-
мают скорость газовыделения, измеренную через 2 мин после окон-
чания бурения интервала.
После окончания наблюдений по максимальным значениям на-
чальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба по длине
каждого шпура определяется показатель выбросоопасности:
max max( 1,8)( )нR S g a b= − − − , (2)
где Smax – максимальный выход бурового штыба, л/мин; gнmax – мак-
симальная начальная скорость газовыделения, л/мин; а = 4, b = 6.
Установлено, что при R < 0 – зона считается неопасной; при R ≥ 0 –
зона относится к опасной.
Основное применение этого способа – контроль эффективности
защитных пластов. Однако следует отметить, что используемая ме-
тодология, основанная на учете объема выбуриваемого из скважин
угольного штыба, имеет значительную неопределенность. В частно-
сти, даже при отсутствии повышенных напряжений в угольном мас-
сиве на контуре скважин напряжения могут достигать значений 2γH
и более [7]. В случае, если σпр f(Q) < 2γH, где σпр f(Q) – прочность
угля в условиях приконтурной части скважины, γH – вертикальная
составляющая тензора напряжений, а Q – метаноносность угля, про-
изойдет разрушение стенок скважины и рост ее диаметра и соответ-
Прогноз и управление состоянием горного массива
216
ственно повышенный выход штыба, определяющий газодинамиче-
скую активность пласта.
Учитывая, что разгрузка – это снижение напряжений менее
γH, то данный способ не способен производить такую оценку. В
целом, метод текущего прогноза может характеризовать уровень
разгрузки защищаемого пласта и в какой-то степени снижение
выбросоопасности при условии наличия информации о предель-
ной прочности угля и его газонасыщенности до и после отработки
защитного пласта.
Метод контроля по содержанию физически связанной воды оце-
нивает степень увлажнения пласта водным раствором ПАВ через
пластовые скважины по пробам угля, отбираемых из скважины,
пробуренной между двумя нагнетательными, с интервалом 5 м по ее
длине.
Выбросоопасные пласты считают достаточно увлажненными,
если содержание физически связанной воды составляет: для угля
марок Г, Ж, К – 2,5%; для угля марок ОС, Т – 2%; для марки А – 3%.
При этом зону пласта считают неопасной, если показатель газо-
динамической активности угля К, представленный в виде К = Q/W,
где Q – весовое количество метана; W – весовое количество воды,
составляет: для угля марок Г, Ж, К – 3; для угля марок ОС, Т – 1,5;
для марки А – 0,5.
Этот метод характеризует количество упругой энергии, которая
может выделиться при разрушении угля. Ее величина для углей при
W=0,5% в 5-7 раз больше, чем при W=3%. Примером дальнейшего
совершенствования данного способа является метод определения
выбросоопасности угольных пластов по комплексу физических по-
казателей, позволяющий оценивать степень выбросоопасности и
обосновывать необходимые мероприятия по предупреждению ГДЯ с
контролем их эффе6ктивности.
Физическая основа метода определения степени (категории) вы-
бросоопасности угольных пластов базируется на разработанной фи-
зической модели, связывающей развитие неустойчивого состояния
призабойной зоны с количеством водно-метановой смеси в поровом
объеме угля, прочностью, напряженно-деформированным состояни-
ем и скоростью изменения вида напряженного состояния.
Критерий оценки степени (категории) выбросоопасности уста-
навливается на основе нахождения трех безразмерных параметров
по комплексу физических показателей [12]:
Прогноз и управление состоянием горного массива
217
сж
0( , , )н
к
lQ WВ f K
W R l
γσ−
= . (3)
где l0 – сменное подвигание забоя; lк – расстояние от кромки пласта
до максимума напряжений; σсж – прочность угля на одноосное сжа-
тие; ( )1 2 3 / 3Нγσ = σ + σ + σ - величина горного давления; σ1, σ2, σ3 –
главные напряжения.
Связь между двумя первыми безразмерными показателями уста-
новлена при моделировании частичной разгрузки в виде
ср сж/ 0,27 / 2,5 0В Q W R= − σ − = . (4)
Здесь вместо Q/W по формуле (3) введен аналогичный параметр
Q W
W
− . Это связано, как было сказано выше, с расширением воз-
можностей данного критерия, в частности, при выборе противовыб-
росных мероприятий.
Безразмерный показатель l0/lк характеризует градиент изменения
газоносности и напряжений в призабойной части пласта и в значи-
тельной степени зависит от технологии проведения горной выработ-
ки – от скорости разгрузки l0/lк = 0,1–1.
При скорости снижения минимального напряжения σ3 менее 1,0
МПа/с вид напряженного и деформационного состояния будет ха-
рактеризоваться как обобщенный сдвиг, при котором степень по-
вреждения трещиновато-пористой структуры угля минимальна, со-
ответственно в процессе газовыделения будет вовлекаться только
свободный метан. В то же время результаты показывают [6], что при
ГДЯ выделяется практически весь сорбированный метан. Естест-
венно, что при скоростях разгрузки 10 МПа/с и более и высокой ме-
таноемкости угля часть угольного массива переходит в обобщенное
растяжение с активным выделением всего сорбированного газа.
Угольный пласт (участок) относится к категории опасных при
значении критерия выбросоопасности, равного:
( )1 0/ 0,06 / / 0,75 0H сж сжВ Q W W l lγ = − + σ σ × − = . (5)
Учитывая целый ряд недостатков, присущих нормативным спо-
собам, необходимо продолжать поиск новых методов контроля эф-
фективности противовыбросных технологий, основанных на резуль-
Прогноз и управление состоянием горного массива
218
татах фундаментальных исследований, в частности кинетических
параметров [8] и температуры дегидратации выхода флюидов из по-
ровой структуры угля, оценивающих особенности его поведения в
выбросоопасных зонах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах,
опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. ДНАОП
1.1.30-5.06-89 Москва, 1989 – 192с.
2. Лейбензон А.С. Движение природных жидкостей и газов в по-
ристой среде. – М.: Гостехиздат, 1947. – 240с.
3. Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость уголь-
ных пластов и методы их определения. М.: Наука, 1979. – 221с.
4. Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных пород и выбро-
сов. М.: Недра, 1983. – 280с.
5. Алексеев А.Д., Зайденварг В.Б., Синолицкий В.В. Радиофизика в
угольной промышленности. – М.: Недра, 1992. – 183с.
6. Старіков Г.П. Прогнозування нестійкості системи «вугілля-газ»
при відпрацьовуванні викидонебезпечних вугільних пластів: Ав-
тореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.15.11 / Донецьк., 2005. – 35с.
7. Партон В.З. Механика разрушения: от теории к практике. – М.:
Наука, 1990. – 240с.
8. Эттингер И.Л. Физическая химия газоносного угольного пласта.
– М.: «Недра»,1981.
9. Волошин Н.Е. Актуальные проблемы динамических и газодина-
мических явлений в шахтах (сборник научно-технических ста-
тей). Донецк: Полиграфическая фирма «Вега-Принт» 2004 – 88с.
10. Руководство по применению на шахтах Донбасса акустических
способов контроля состояния призабойной части выбросоопас-
ного пласта. Макеевка-Донбасс, 2002 – 60с.
11. Ольховиченко А.Е. Прогноз выбросоопасности угольных пла-
стов. М., Недра, 1982 – 278с.
12. Стариков Г.П. Условия развития выбросов угля и газа и методы
прогноза выбросоопасности угольных пластов // Физико-
технические проблемы горного производства. – ИФГП НАНУ. –
Донецк:2004. - №7 - С.214-224.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107652 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:51:55Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Стариков, Г.П. Бойко, А.Н. Мельников, Д.В. 2016-10-23T10:44:30Z 2016-10-23T10:44:30Z 2006 Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий / Г.П. Стариков, А.Н. Бойко, Д.В. Мельников // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 211-218. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107652 622.831.327 В статті приведений критичний аналіз фізичних основ існуючих і перспективних методів контролю ефективності противикидних технологій і також шляхи їх вдосконалення. In the article the critical analysis of physical bases of existent and perspective methods of control of efficiency of anti-ejections technologies and also way of their perfection is resulted. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Прогноз и управление состоянием горного массива Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий Prospects of perfection of existent methods of control of efficiency of antiejections measures Article published earlier |
| spellingShingle | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий Стариков, Г.П. Бойко, А.Н. Мельников, Д.В. Прогноз и управление состоянием горного массива |
| title | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий |
| title_alt | Prospects of perfection of existent methods of control of efficiency of antiejections measures |
| title_full | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий |
| title_fullStr | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий |
| title_full_unstemmed | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий |
| title_short | Перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий |
| title_sort | перспективы совершенствования существующих методов контроля эффективности противовыбросных мероприятий |
| topic | Прогноз и управление состоянием горного массива |
| topic_facet | Прогноз и управление состоянием горного массива |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107652 |
| work_keys_str_mv | AT starikovgp perspektivysoveršenstvovaniâsuŝestvuûŝihmetodovkontrolâéffektivnostiprotivovybrosnyhmeropriâtii AT boikoan perspektivysoveršenstvovaniâsuŝestvuûŝihmetodovkontrolâéffektivnostiprotivovybrosnyhmeropriâtii AT melʹnikovdv perspektivysoveršenstvovaniâsuŝestvuûŝihmetodovkontrolâéffektivnostiprotivovybrosnyhmeropriâtii AT starikovgp prospectsofperfectionofexistentmethodsofcontrolofefficiencyofantiejectionsmeasures AT boikoan prospectsofperfectionofexistentmethodsofcontrolofefficiencyofantiejectionsmeasures AT melʹnikovdv prospectsofperfectionofexistentmethodsofcontrolofefficiencyofantiejectionsmeasures |