Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов
Проаналізувавши раніше виконані роботи з силового впливу на високо газоносні викидонебезпечні вугільні пласти запропоновано їхній розвиток як найбільш ефективних, таких що дозволяють завчасно із значним випередженням у часі до гірничих робіт підготувати родовище до безпечної та економічно вигідної р...
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107680 |
| 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: | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов / А.И. Спожакин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2007. — Вип. 10. — С. 128-134. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859677050122534912 |
|---|---|
| author | Спожакин, А.И. |
| author_facet | Спожакин, А.И. |
| citation_txt | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов / А.И. Спожакин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2007. — Вип. 10. — С. 128-134. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физико-технические проблемы горного производства |
| description | Проаналізувавши раніше виконані роботи з силового впливу на високо газоносні викидонебезпечні вугільні пласти запропоновано їхній розвиток як найбільш ефективних, таких що дозволяють завчасно із значним випередженням у часі до гірничих робіт підготувати родовище до безпечної та економічно вигідної розробки.
It is proposed to continue work on forced influencing the highly gas-containing outbursthazardous coal seams for an effective early, with time advance to mining, preparation of a coalfield to the safe and economically efficient development.
|
| first_indexed | 2025-11-30T16:00:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
Прогноз и управление состоянием горного массива
128
УДК 622.831.322:635
ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ
ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
к.т.н. Спожакин А.И. (ИФГП НАНУ)
Проаналізувавши раніше виконані роботи з силового впливу на високо газоносні
викидонебезпечні вугільні пласти запропоновано їхній розвиток як найбільш
ефективних, таких що дозволяють завчасно із значним випередженням у часі до
гірничих робіт підготувати родовище до безпечної та економічно вигідної
розробки.
EARLY CONTROL OVER THE PROPERTIES
OF GAS-CONTAINING COAL SEAMS
Spozhakin A.I.
It is proposed to continue work on forced influencing the highly gas-containing out-
burst-hazardous coal seams for an effective early, with time advance to mining, prepara-
tion of a coalfield to the safe and economically efficient development.
Добыча угля подземным способом сопряжена с повышенной опасностью
производства работ. В подавляющем большинстве случаев аварийность тех-
нологического процесса и травматизм горнорабочих обусловлены наруше-
нием баланса физических процессов в углепородном массиве на глубоких
(1000 метров и более) горизонтах разработки угольных месторождений.
Значительные напряжения в неоднородном массиве, высокая газоносность
наиболее ценных марок угля и склонность их к самовозгоранию, рост тем-
пературы горных пород не позволяют интенсифицировать добычу угля вы-
сокомеханизированными комплексами. К наиболее опасным проявлениям
реакции массива на повышение скорости проведение очистных и подготови-
тельных горных выработок относятся внезапные выбросы угля и газа, а так-
же взрывы метана и пылегазовой смеси в шахтной атмосфере.
Как показывает практика работы угольных шахт, локальные способы воз-
действия на высокогазоносный угольный массив с целью приведения его в
неопасное состояние – подземная дегазация, обработка массива через сква-
жины, пробуренные из подземных выработок, образование разгрузочных па-
зов не позволяют изменить физико-химическое и физико-механическое со-
стояние трещино-порового нетронутого массива угля до такой степени, что
бы обеспечить производственникам возможность эффективно вести очистные
работы со скоростью, предусмотренной техническими характеристиками вы-
сокопроизводительных комплексов. И хотя применяемые в настоящее время
на шахтах специальные устройства и аппаратура газовой защиты позволяет
производить опережающее отключение углевыемочных комплексов и горно-
проходческого оборудования при повышенном содержании метана в очист-
ных и подготовительных забоях, а средства оперативного оповещения о воз-
Прогноз и управление состоянием горного массива
129
можной опасности дают возможность своевременно выводить людей из опас-
ной зоны, всё же высокий травматизм, зачастую со смертельным исходом вы-
водит угольную отрасль в число наиболее опасных производств.
Учеными совместно со специалистами угольной отрасли постоянно про-
водятся исследования физических процессов горного производства с целью
разработки различных способов как оперативного прогноза состояния угле-
породного массива и способов предотвращения опасной ситуации.
Над проблемами внезапных выбросов угля и газа, взрывов метановоз-
душной смеси в атмосфере горных выработок работают академические ин-
ституты Украины: ИФГП, ИГТМ, УкрНИМИ, отраслевые институты: Мак-
НИИ, ДонУГИ, ведущие научные коллективы стран СНГ.
В 1962 году член-корреспондент АН СССР В.В. Ржевский, доктора тех-
нических наук А.С. Бурчаков, Э.М. Москаленко и Н.В. Ножкин (Москов-
ский горный институт) выдвинули идею многостадийного заблаговременно-
го воздействия с поверхности на угольные пласты с целью борьбы с мета-
ном и угольной пылью. Ими были научно обоснованны главные направле-
ния управления свойствами и состоянием угольных пластов с целью предот-
вращения основных опасностей в шахтах с помощью силового воздействия (
подача в массив под давлением воды или воздуха, водных растворов по-
верхностно-активных (ПАВ) или химически активных (ХАВ) веществ, про-
изводство акустического воздействия на пласт, внутрипластового взрыва,
сотрясательного взрывания зарядов большой мощности).
В результате такого воздействия изменяется природное напряженное
состояние массива в целом и особенно его локальных зон с аномально
высокими параметрами напряженного состояния и концентрации метана.
По их мнению силовые воздействия создают дополнительную трещино-
ватость массива и условия для более равномерной и устойчивой дегаза-
ции пласта, борьбы с пылью, выбросами угля и газа, самовозгоранием уг-
лей, а именно [1]:
■ заблаговременное увлажнение обеспечивает замещение водой части
метана в сорбционном объеме угля и переток замещенного газа во вме-
щающие породы за счет повышенного пластового давления в местах ув-
лажнения;
■ гидрорасчленение угольных пластов дополнительно ко всем действиям
увлажнения должно многократно увеличить общую проницаемость пласта
за счет раскрытия естественных пластовых трещин, что в свою очередь по-
зволит дегазировать пласт на всю угленосную толщу на больших площадях
вокруг скважины;
■ пневморасчленение угольных пластов способно многократно повысить
общую и особенно фазовую проницаемость угольного пласта для газа и сни-
зить сорбционный потенциал угля при его нагреве за счет сорбции кислоро-
да из воздуха, т.е. существенно углубить дегазацию толщи в обширной зоне
вокруг скважины;
Прогноз и управление состоянием горного массива
130
■ физико-химическое воздействие водными растворами соляной кислоты
должно многократно увеличить проницаемость пласта за счет растворения
карбонатных включений, повысить фазовую проницаемость угля для газа, а
также повысить гидрофильность и увлажненность угля, что в свою очередь
позволит углубить дегазацию угленосной толщи, снизить пылеобразование
и напряжение в массиве горных пород, а также улучшить качественные по-
казатели угля;
■ физико-химическое воздействие водными растворами ПАВ на уголь
увеличивает его смачиваемость, степень увлажнения и скорость проникно-
вения воды в поры и трещины, т.е. позволит снизить пылеобразование, уве-
личить скорость замещения метана в сорбционном объеме угля, существен-
но повысить пластичность и снизить напряжения в массиве;
■ физико-химическое воздействие водными растворами веществ – инги-
биторов окисления угля (например, лимонная, щавелевая кислоты) позволя-
ет снизить пожароопасность и использовать все другие положительные дей-
ствия увлажнения угля;
■ пневмооттеснение рабочей жидкости должно значительно углубить де-
газацию угля за счет увеличения фазовой проницаемости массива для газа;
■ волновое (акустическое) воздействие в сочетании с гидрорасчленением
позволит дополнительно ко всем положительным действиям последнего
увеличить проницаемость и равномерность обработки массива;
■ внутрипластовый взрыв метано-кислородных смесей в трещинах спосо-
бен дополнительно ко всем положительным действиям пневморасчленения
и теплового воздействия увеличить равномерность обработки массива и его
площадь.
Кроме того, ими же рассматривались возможности дополнительной обра-
ботки массива с целью усиления эффекта борьбы с метаном с помощью вне-
дрения в уголь метано-окисляющих организмов, а также воздействия на него
различных теплоносителей. При этом:
■ принудительная доставка микроорганизмов, поглощающих (окисляю-
щих) метан в составе водных суспензий, обеспечивающих их жизнедеятель-
ности и размножение, позволит в определенных условиях значительную
часть метана находчящегося в трещинах и раскрытых порах пласта, окис-
лить, т.е. перевести метан непосредственно в угленосной толще в неопасные
соединения СО2, Н2О, белок, тепло и тем самым уменьшить опасную его
концентрацию при производстве горных работ;
■ направленные изменения состояния пласта тепловыми воздействиями
водным или парообразным (газообразным) теплоносителем снизят сорбци-
онный потенциал угля, повысят газоотдачу в скважину при дегазации, вы-
ровняют пики концентраций напряжений в массиве, что значительно углу-
бит дегазацию и снизит выбросоопасность массива.
Наиболее эффективно многостадийное воздействие может быть исполь-
зовано для заблаговременной подготовки и безопасной высокопроизводи-
Прогноз и управление состоянием горного массива
131
тельной эксплуатации угольных пластов с высокой природной газоносно-
стью и пылеобразующей способностью, склонных к выбросам угля и газа и
самовозгоранию. Опасность проявления негативных процессов возрастает
по мере ускорения ведения работ на таких пластах в связи с применением
механизированных комплексов, оборудованных узкозахватными выемоч-
ными машинами, которые способны обеспечить производительность до 5
т/мин., т.е. достигать в условиях шахт суточной производительности одной
лавы от 800 до 2000 и более тонн [3]. Однако, на шахтах разрабатывающих
высокогазоносные пласты максимальные нагрузки на очистной забой огра-
ничиваются фактором метановыделения. Лимитирующее влияние последне-
го начинает сказывается уже при выемки угольных пластов с газоносностью
8–10 м3/т.
На современных глубинах разработки природная метаноносность угля со-
ставляет в среднем около 20 м3/т, в отдельных случаях достигает 60–80 м3/т и
более. Поэтому уже в настоящее время производительность выемочных ма-
шин лимитируется фактором метановыделения примерно в 30–50% очист-
ных забоев даже при предельно допустимой скорости движения воздуха, ко-
торая в 2–4 раза превышает скорость, оптимальную с точки зрения сниже-
ния запыленности рудничной атмосферы.
Таким образом, интенсификация угледобычи приводит к необходимости
увеличения скорости движения воздуха в горных выработках, что в свою
очередь при прочих равных условиях влечет за собой повышение запылен-
ности рудничной атмосферы и снижение комфортных условий труда, к тому
же лишь частично устраняет ограничения производительности очистных за-
боев по газовому фактору [4].
Комплексные аналитические, экспериментальные и лабораторные работы
по заблаговременному силовому воздействию на углепородный массив вы-
полнялись в Московском горном институте. Шахтные исследования, про-
мышленные испытания и внедрение проводились на шахтах Донецкого, Ка-
рагандинского, Львовско-Волынского и Кузнецкого угольных бассейнов. В
исследованиях выполняемых на шахтах Донбасса принимал участие автор
настоящей статьи [5].
Типовая схема последовательности технологических операций силового
воздействия была представлена следующим образом:
1. Внедрение жидкости в угольный пласт;
2. Микробиологическое воздействие;
3. Пневмообработка угольного массива;
4. Дегазация пласта;
5. Физико-химическое воздействие на пласт.
В результате последовательного применения указанных операций в нача-
ле предусматривалось оттеснение метана из соданного увеличенного тре-
щино-порового объема угля, затем его окисление специальными штаммами
бактерий, жизнедеятельность которых обеспечивалась подачей кислорода в
Прогноз и управление состоянием горного массива
132
процессе пневмообработки, глубокая дегазация угля вакуум-насосами, уста-
новленными на устье скважин и, наконец, блокирование метана в его сорб-
ционном объеме с помощью химических соединений, управляемо изменяю-
щих своё состояние от жидкой до твердой фазы. Изоляция отдельных бло-
ков угля и заполнение пластовых трещин и пустот безусадочным продуктом
низкой газопроницаемости исключит переток газа с периферии в обработан-
ную зону, придаст угольному пласту свойства равнопрочности и будет спо-
собствовать снижению его выбрасоопасности и уменьшению вероятности
возникновения эндогенных пожаров даже при длительном контакте угля и
воздухом [6].
Таким образом, проектами силового воздействия ставилась задача обес-
печить направленное необратимое изменение таких свойств угольного пла-
ста, влияющих на безопасность труда при его разработке, которые при тра-
диционных способах не изменялись вообще, либо изменялись в меньшей
степени.
В Донецком бассейне промышленные испытания силового воздействия в
режиме гидрорасчленения проводились на шахтах им. Менжинского (пл. l4,
l6, l8
н), «Селезнёвская-Восточная» (пл. k3
н, k3
в), «Коммунист» (q2
н), № 29
(пл. h7, h8), им. Скочинского (h6
1), им. Калинина (h10), №21-бис ш/у им. 9-й
пятилетки (h8
1).
Удельный расход рабочей жидкости в пересчёте на 1 м мощности пласта
составил для всех шахтв среднем 4052 м3/м, максимальный – 5316 м3/м (скв.
№3, шахта 21-бис). Максимальные давления на устье скважины составляли
200–400 кгс/ см2, средние (установившиеся) – 165–310 кгс/ см2.
Оценка эффективности способа заблаговременного снижение выбросо-
опасности и газоносности угольных пластов путем их гидрорасчленения
производилась в горных выработках в зонах гидрорасчленения и на сравни-
ваемых участках по комплексу наблюдений за изменением газодинамиче-
ских характеристик призабойной части угольного пласта и физико-механи-
ческих свойств угля, газообильности очистных и подготовительных забоев и
запыленности рудничной атмосферы.
В зонах гидрорасчленения на стадии эксперементальных работ, горные
работы производились на полях шахт: им. Калинина – в районе скв. №1 при
проведении 2-го восточного откаточного штрека пл. h10 (пройдено 140 м) и
при ведении очистных работ в 4-й восточной лаве пл. h10 (подвигание 63 м);
им. Скочинского – в районе скв. №1 при ведении очистных работ в 1-й за-
падной лаве пл. h6
1, центральной панели (подвигание 200 м). На стадии про-
мышленных испытаний способа проводились подготовительные работы во
2-м восточном откаточном штреке пл. h10 шахты им. Калинина в районе скв.
№2 (пройдено 120м), при ведении очистных работ в 1-й западной лаве пл.
h6
1 шахты им. Скочинского в районе скв. №2 (подвигание 190 м) и в 1-й вос-
точной лаве пл. h8
1 шахты №21-бис ш/у им. 9-й пятилетки (подвигание 90 м).
Прогноз и управление состоянием горного массива
133
Комплекс наблюдений включал в себя определение рабочей влажности
угля, поинтервальные замеры начальной скорости газовыделения и выхода
штыба при бурении шпуров, определение остаточной газоносности, крепо-
сти и прочности угля, проведение газовых съемок. По динамике газовыделе-
ния определялась безопасная глубина выемки. Комплекс наблюдений начи-
нался не менее чем за 100м. до проектной границы зоны гидрорасчленения.
В результате гидрорасчленения в зонах влияния скважин №1 и №2 шахты
им. Скочинского произошло увеличение зоны разгрузки пласта: по нижней
нише в 1,42 и 1,28 раза, а по средней части лавы 1,95 и 1,28 раза соответст-
венно. Влияние гидрорасчленения по верхней нише прослеживается только по
скв. №1. Безопасная величина выемки увеличилась в 1,34 раза. Скв. №2 не
оказала виляния на верхнюю часть лавы длиной 20–25 м. в связи с тем, что
точка ее пересечения смещена от проектной на 40–50 м по падению пласта.
Анализ результатов комплекса исследований по определению эффектив-
ности гидрорасчленения позволил отменить локальные противовыбросные
мероприятия – гидрорыхление на участке размером 40×40 м ведения очист-
ных работ в средней части 1-й западной лавы центральной панели в зоне
влияния скв. №1. Было установлено, что безопасная глубина выемки в лаве
увеличилась в среднем на 1,5 м. Увеличение безопасной глубины выемки в
1,25 раза отмечено также на участке отмены локальных мероприятий в
средней части лавы размером 70×170 м. в зоне влияния скв. №2.
Участок, отрабатывавшийся 4-й восточной лавой пл. h10 шахты им. Кали-
нина, был до проведения работ по гидрорасчленению законсервирован в
связи с отсутствием надежных противовыбросных мероприятий. На участке
лавы с расстояния 140 м. до скв. №1 от верхней ниши и 1600 м. от нижней
ниши величина начальной скорости газовыделения стала в 4 раза ниже, чем
на необработанном участке, где произошло 10 выбросов, а газоносность уг-
ля на поверхности забоя снижена на 30–47% (из скважины извлечено около
1 млн. м3 метана в перерасчете на 100%-ый метан). За период освоения
скважины пластовое давление на расстояниях от скважин 106, 105, 95, 120
м. снижено соответственно с 42, 38, 48 и 47 атм. до 6, 8, 15 и 8 атм. При вхо-
де горных работ в зону гидрорасчленения глубина захвата комбайна была
увеличена с 0,4 до 0,8 м; в средней части лавы в связи с неустойчивой кров-
лей было пройдено три присечки на отбойный молоток с прогнозом по ско-
рости газовыделения без каких-либо мероприятий. Следует отметить, что
лава на всем протяжении работала в условиях значительной мелкоампли-
тудной нарушенности, изменения мощности пласта и угла падения.
Таким образом, учитывая сложную ситуацию возникающую в связи с не-
обходимостью интенсификации введения очистных работ с помощью высо-
копроизводительных комплексов на угольных шахтах Украины при значи-
тельном повышеним безопасности горных работ, способ заблаговременного
многостадийного силового воздействия с поверхности на разрабатываемый
высокогазоностный выбрасоопасный угольный массив способен обеспечить
Прогноз и управление состоянием горного массива
134
решение проблем эффективной работы на отдельных предприятиях уголь-
ной отрасли в Украине.
Выводы:
1. Направленные изменения состояния пласта в конкретных условиях мо-
гут быть достигнуты многостадийным воздействием на угольные пласты
(толщи) на основе гидрорасчленения и последующего выборочного, после-
довательного применения различных комбинаций воздействий, которые по-
зволят привести угольные пласты (толщу) в состояние, обеспечивающее
безопасную разработку месторождения (шахтного поля).
2. Важное значение имеет то обстоятельство, что в целом ряде случаев
более эффективным и экономичным может оказаться региональное приве-
дение опасного угольного пласта в неопасное состояние, осуществляемое со
значительным опережением по времени по отношении к горным работам. В
данном случае месторождение заблаговременно подготавливается к безо-
пасной и экономичной разработке.
3. Многостадийное воздействие может быть произведено не только через
специальные, но и через геологоразведочные и дегазационные скважины ра-
нее пробуренные с поверхности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В. Управление свой-
ствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасно-
стями в шахтах. – М.: Недра, 1984. – 327 с.
2. Щербинин В.Н. Исследование влияния гидрорасчленения и микробиологиче-
ского воздействия на состояние угольной толщи в целях совершенствования
борьбы с внезапными выбросами угля и газа. / Дисс. канд. техн. наук. – М.:
МГИ, 1976.
3. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Проблемы метана угольных место-
рождений при их заблаговременной дегазационной подготовке. – М.: Изд-во
МГГУ, 2001.
4. Ножкин Н.В.Заблаговременная дегазация угольных месторождений. – М., Не-
дра, 1979.
5. Москаленко Э.М., Алексеев А.Д., Пестряков Б.В., Спожакин А.И. «Применение
водного раствора полимеров для улучшения газоденамического состояния
угольного пласта.» М., журнал «Уголь Украины», №12. – 1976.
6. Ножкин Н.В., Сластунов С.В. Заблаговременная подготовка к безопасной раз-
работке шахтных полей // «Безопасность труда в промышленности», № 4. –
1990.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107680 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T16:00:34Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Спожакин, А.И. 2016-10-23T18:48:27Z 2016-10-23T18:48:27Z 2007 Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов / А.И. Спожакин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2007. — Вип. 10. — С. 128-134. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107680 622.831.322:635 Проаналізувавши раніше виконані роботи з силового впливу на високо газоносні викидонебезпечні вугільні пласти запропоновано їхній розвиток як найбільш ефективних, таких що дозволяють завчасно із значним випередженням у часі до гірничих робіт підготувати родовище до безпечної та економічно вигідної розробки. It is proposed to continue work on forced influencing the highly gas-containing outbursthazardous coal seams for an effective early, with time advance to mining, preparation of a coalfield to the safe and economically efficient development. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Прогноз и управление состоянием горного массива Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов Early control over the properties of gas-containing coal seams Article published earlier |
| spellingShingle | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов Спожакин, А.И. Прогноз и управление состоянием горного массива |
| title | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов |
| title_alt | Early control over the properties of gas-containing coal seams |
| title_full | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов |
| title_fullStr | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов |
| title_full_unstemmed | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов |
| title_short | Заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов |
| title_sort | заблаговременное управление свойствами газоносных угольных пластов |
| topic | Прогноз и управление состоянием горного массива |
| topic_facet | Прогноз и управление состоянием горного массива |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107680 |
| work_keys_str_mv | AT spožakinai zablagovremennoeupravleniesvoistvamigazonosnyhugolʹnyhplastov AT spožakinai earlycontroloverthepropertiesofgascontainingcoalseams |