Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа

Досліджувалась вільна енергія системи вугілля – газ та вплив на неї хвилі розвантаження. Обґрунтований та апробований критерій прогнозу викидів вугілля та газу. Free energy of a system containing coal-gas mixture is studied. An influence on the system from the unload wave is investigated also. A cri...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Физико-технические проблемы горного производства
Datum:	2008
1. Verfasser:	Стариков, Г.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2008
Schlagworte:	Прогноз и управление состоянием горного массива
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108032
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа / Г.П. Стариков // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2008. — Вип. 11. — С. 111-125. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108032
record_format	dspace
spelling	Стариков, Г.П. 2016-10-28T16:50:49Z 2016-10-28T16:50:49Z 2008 Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа / Г.П. Стариков // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2008. — Вип. 11. — С. 111-125. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108032 622.831:537.86 Досліджувалась вільна енергія системи вугілля – газ та вплив на неї хвилі розвантаження. Обґрунтований та апробований критерій прогнозу викидів вугілля та газу. Free energy of a system containing coal-gas mixture is studied. An influence on the system from the unload wave is investigated also. A criterion for a prediction of the coal and gas bursts is developed and tested. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Прогноз и управление состоянием горного массива Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа Physical foundations of gas and coal outburst prediction Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа
spellingShingle	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа Стариков, Г.П. Прогноз и управление состоянием горного массива
title_short	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа
title_full	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа
title_fullStr	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа
title_full_unstemmed	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа
title_sort	физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа
author	Стариков, Г.П.
author_facet	Стариков, Г.П.
topic	Прогноз и управление состоянием горного массива
topic_facet	Прогноз и управление состоянием горного массива
publishDate	2008
language	Russian
container_title	Физико-технические проблемы горного производства
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
format	Article
title_alt	Physical foundations of gas and coal outburst prediction
description	Досліджувалась вільна енергія системи вугілля – газ та вплив на неї хвилі розвантаження. Обґрунтований та апробований критерій прогнозу викидів вугілля та газу. Free energy of a system containing coal-gas mixture is studied. An influence on the system from the unload wave is investigated also. A criterion for a prediction of the coal and gas bursts is developed and tested.
issn	XXXX-0016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108032
citation_txt	Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа / Г.П. Стариков // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2008. — Вип. 11. — С. 111-125. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT starikovgp fizičeskieosnovyprognozavnezapnyhvybrosovuglâigaza AT starikovgp physicalfoundationsofgasandcoaloutburstprediction
first_indexed	2025-11-24T16:28:14Z
last_indexed	2025-11-24T16:28:14Z
_version_	1850485978850918400
fulltext	Прогноз и управление состоянием горного массива 111 УДК 622.831:537.86 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗА ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА д.т.н. Стариков Г.П. (ИФГП НАНУ) Досліджувалась вільна енергія системи вугілля – газ та вплив на неї хвилі роз- вантаження. Обґрунтований та апробований критерій прогнозу викидів вугілля та газу. PHYSICAL FOUNDATIONS OF GAS AND COAL OUTBURST PREDICTION Starikov G.P. Free energy of a system containing coal-gas mixture is studied. An influence on the sys- tem from the unload wave is investigated also. A criterion for a prediction of the coal and gas bursts is developed and tested. Опыт применения нормативных способов прогноза и предотвращения выбросов угля и газа, основанных на учете частных признаков выбросо- опасности, вытекающих из механических и энергетических моделей, свиде- тельствуют о недостаточной их надежности и достоверности. Это характе- ризует несовершенство существующих геомеханических моделей, опреде- ляющих условие потери устойчивости газонасыщенным угольным масси- вом. Дальнейшее развитие методов диагностики выбросоопасности уголь- ных пластов и предотвращения выбросов угля и газа требует совершенство- вания физических моделей на базе фундаментальных законов статистиче- ской термодинамики и физики полимеров. Учитывая результаты работы [1,2] обоснована физическая модель систе- мы “уголь–газ”, включающей углеродные слои, в виде полимерной сетки, узлы N0 которой заполнены мономерными молекулами метана и нагружены внутренним Р0 и внешним давлением Р. Состояние такой системы описывается потенциалом свободной энергии ΔF, зависящего от плотности распределения метана ψ и характеризует рабо- ту, способную выполнить системой при нарушении равновесного состояния под действием внешних условий. Свободная искомая энергия [3,4] при этом принимает вид: ΔF = ΔE – TΔSconf = N0T{χψ(1 – ψ) + k[ψ ln(ψ) + (1 – ψ) ln(1 – ψ)/r]}, (1) где k – постоянная Больцмана, Т – температура системы, r – число узлов, за- полненных молекулами метана. Величина параметра χ определяется взаимодействием молекул метана и угольного вещества. Интенсивность взаимодействия увеличивается при уменьшении давления Р в системе “уголь–газ”.Вблизи произвольного дав- ления P0, которое в общем случае реализуется в угольном пласте, зависи- Прогноз и управление состоянием горного массива 112 мость χ(P), не имеет особенностей и при прочих равных условиях может быть представлена в виде разложения: χ(P) = χ(P0) + β (P – P0) ≈ const – κ(1 – P/P0 ). (2) Таким образом, видно, что уровень свободной энергии системы «уголь– газ» определяется концентрацией метана в угле и соотношением внутренних и внешних напряжений. Равновесные значения концентрации ψ определяются положением мини- мумов свободной энергии: ∂ΔF/∂ψ = N0T{χ(1 – 2ψ) + k (1 – 1/r) + [ln (ψ) – ln(1 – ψ)/r]} = 0. (3) Из соотношения (3) непосредственно вытекает, что как равновесная кон- центрация ψ, так и само существование одного или двух различных мини- мумов энергии, существенно зависят от величины параметра χ. На рис. 1 по- казано несколько типичных реализаций энергии ΔF(ψ), рассчитанных при различных значениях параметра χ. Насыщенному газом состоянию соответствует минимум энергии, распо- ложенный при значении концентрации ψ = ψ0, близком к единице, что соот- ветствует глобально неустойчивому (метастабильному) минимуму энергии. Однако при достаточно высоком давлении (т.е. достаточно большом зна- чении параметра χ) это состояние отделено от устойчивого глобального ми- нимума, расположенного при ψ << 1, высоким потенциальным барьером. В результате насыщенное газом состояние, с существенно отличным от нуля ψ = ψ0, остается устойчивым практически неограниченное время. Рис. 1. Изменение свободной энергии ΔF(ψ) при различных значениях давления P/P0: а – 1, б – 0,9, в – 0,88, г – 0,8 Прогноз и управление состоянием горного массива 113 При понижении барьера интенсифицируются процессы диффузии, в ре- зультате которых система постепенно покидает этот минимум в окрестности ψ0 и переходит в состояние с ψ << 1. Этот процесс описывается кинетикой свободной энергии [4,5], которая принимает вид: ∂ΔF/∂t = DeffΔψ(r,t) – γN0T{χ(1 – 2ψ) + k(1 – 1/r) + [ln(ψ) – ln(1 – ψ)/r]}, (4) где γ − релаксационная постоянная, определяющая характерный масштаб времени процесса, Deff – эффективный коэффициент диффузии. Приведенная закономерность показывает, что кинетика свободной энер- гии системы “уголь–газ” в условиях отсутствия влияния горных работ Р/Р0 = 1 определяется процессом твердотельной диффузии, а в случае ее разработки Р/Р0 = 1 приоритетным является процесс фильтрации. Участие свободной энергии системы “уголь–газ” в ГДЯ определяется уровнем и скоростью снижения потенциального барьера, разделяющего устойчивое состояние при ψ = 1 от неустойчивого при ψ ≤< 1. Это, как правило, происходит при дви- жении волны разгрузки, формирующейся при разрушении части угольного массива. В качестве расчетной схемы принято, что угольный массив контак- тирует вдоль плоской границы со свободным полупространством x < 0 при следующем граничном условии: ρ(r,t)⎪x < 0 = 0, (5) где ρ – плотность среды. В момент времени t = 0 небольшой объем угля изымается из малой сфериче- ской полости некоторого радиуса r0, что приводит к смещению угля, направ- ленного внутрь образованной полости, сопровождаемое сбросом давления и вызывает волну разгрузки, распространяемую внутрь полупространства x > 0. Уравнение движения такой волны, связывающей скорость волны разгрузки v, вязкость угля, пропорциональную модулю сдвига и давления на фронте волны Р, имеет вид, достаточно простой для численного интегрирования: ρ(r,t)[∂v(r,t)/∂t + v(r,t)∂v(r,t)/∂r] = = –grad p(r,t) + η∂2v(r,t)/∂r2 + (d – 1)∂v(r,t)/∂r, (6) где d – размерность пространства, которая в практических расчетах может изменяться от 1 до 3. Поскольку уравнение (6) записано для скорости как независимая пере- менная, тогда начальное условие нужно выбрать в виде локализованного всплеска v0, направленного в сторону центра разрушения (и отрицательных координат x непосредственно на открытой границе): v(r,t = 0)⎪r < r0 = v0 < 0. (7) Численное интегрирование уравнения (6) было выполнено при d = 3 и вышеперечисленных граничных и начальных условиях. Прогноз и управление состоянием горного массива 114 На рис. 2 показано распределение давления p(r,t) в виде семейства кривых для различной начальной скорости волны разгрузки. Установлено, что с ростом скорости волны разгрузки радиус проникновения ее в угольный мас- сив возрастает с увеличением давления на фронте волны. На рис. 3 показано распределение мгновенных конфигураций давления по глубине пласта при различной вязкости системы “уголь–газ”. Анализ пред- ставленных результатов свидетельствует о значительном влиянии физико- механических свойств на степень ослабления, либо усиления давления на фронте волны разгрузки. Поскольку, как уже отмечалось выше, условия десорбции метана из угля зависят от внешних параметров (от давления), естественно ожидать их из- менения при прохождении волны разгрузки Используя установленные зако- номерности, представленные на рис. 2, 3 была восстановлена форма потен- циала свободной энергии при увеличении волны разгрузки вглубь пласта. В результате численного решения, приведенного на рис. 4, впервые было ус- тановлено, что по мере расширения волны разгрузки при некотором фикси- рованном расстоянии от ее центра исчезает барьер, отделяющий метаста- бильное состояние с высокой концентрацией метана от устойчивого состоя- ния с малой концентрацией метана. Рис. 3. Распределение мгновен- ных конфигураций давления вдоль радиуса при различной вяз- кости системы “уголь–газ”. 1 − η; 2 − 2η; 3 − 4η; 4 − 8η; 5 − 1 2 η; 6 − 1 4 η; 7 − 1 8 η Рис. 2. Распределение мгновен- ных конфигураций давления вдоль радиуса при различной начальной скорости разрушения краевой части пласта 1 – V0 = 1; 2 – 0,1V0; 3 – 0,01V0; 4 – 10V0; 5 – 100V0 Прогноз и управление состоянием горного массива 115 Рис. 4. Трансформация свободной энергии метана при прохождении волны раз- грузки в переменных радиус–концентрация Слева на вставках показаны: вверху – исчезновение барьера, разделяюще- го состояния с высокой и низкой концентрацией при некотором фиксиро- ванном расстоянии R* от центра волны; внизу – поведение экстремумов свободной энергии в зависимости от R. Черная кривая соответствует макси- муму, серые – двум различным минимумам энергии. В области малых R все три экстремума сливаются в один, что соответствует исчезновению потен- циального барьера. Фактически полученный результат свидетельствует, что высокоскоростное снижение внешнего давления в системе “уголь–газ” обес- печивает потерю ее устойчивости и способствует развитию ГДЯ. Физическим следствием изменения формы потенциала свободной энер- гии (снижение потенциального барьера) при прохождении волны разгрузки кроме потери устойчивости системой “уголь–газ” является увеличение части ее открытой пористости за счет превращения части закрытых пор в трещи- ны. Это связано с тем, что высокоскоростное снижение давления на фронте волны разгрузки вызывает напряжение растяжения в порах угля. Согласно общей теории упругости [5], критический размер пор, выше которого развива- ется их неустойчивость, определяется при данном изменении давления ΔP = = (1 – Р/Р0) условием: Lcr = L0/ΔP2, (8) где L0 – некоторая постоянная размерности длины поры. При этом одновременно происходят два противоположно направленных процессы. С одной стороны, число трещин возрастает, а среднее расстояние между ними, соответственно, падает. Это способствует связыванию пор в единственный кластер. Однако, поскольку в трещины в первую очередь, превращаются наиболее крупные поры, средний размер остающихся пор Прогноз и управление состоянием горного массива 116 снижается, и уменьшается вероятность их взаимного пересечения с трещи- нами, и, следовательно, образование искомого кластера. Количество трещин, которые образуются при раскрытии пор в зависимо- сти от давления, описывается таким образом: ρтр(ΔP,t) = 2 0 1 пор / ( , )d L P r t r − ∞ Δ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ρ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ∫ , (9) где ρпор(r,t)dr ≈ ∂G(r,t)/∂r – функция распределения пор по радиусам (рис. 5,а). Рис. 5. Вычисление среднего расстояния между трещинами как функции давления: а – корреляционная функция пористой среды и распределение пор по радиусам ρпор(r), б – зависимость плотности трещин от давления ρтр(ΔP); в – сопоставление среднего расстояния между трещинами Lтр(ΔP) и среднего радиуса пор <rпор(ΔP,t)>, вычисленных в зависимости от давления. Считая, что трещины параллельны друг другу, получаем среднее расстоя- ние между ними: Lтр(ΔP,t) = 1/ρтр(ΔP,t). (10) Эта величина сокращается с ростом напряжений ΔP. В свою очередь, средний радиус пор <rпор(t)> = ∫rρпор(r,t)dr убывает по мере превращения наиболее крупных из них в трещины. Протекание по системе возникает тогда и только тогда, когда расстояние между трещинами оказывается меньше характерного масштаба пор: Lтр(ΔP,t) < <rпор(ΔP,t)>. Поскольку помимо давления Lтр(ΔP,t) определяется также исходной величиной L0, то для Lтр(ΔP,t) имеем семейство кривых, ко- Прогноз и управление состоянием горного массива 117 торые пересекаются с линией лишь при достаточно малых L0. Т.е., начиная с некоторого Lcr, показанного на рис. 5в жирной черной линией, которая каса- ется (серой) кривой для rпор(ΔP,t) в единственной точке P = Pcr, весь метан, находящийся в системе закрытых пор, перейдет в трещины, из которых он будет выделяться путем интенсивной фильтрации. Как видно из этих результатов, распространение волны способствует рас- крытию пористости и выходу метана. Данный эффект может быть значи- тельно снижен только при уменьшении общей доли открытых пор и трещин в исходной системе. Из представленной физической модели следует, что основным условием потери устойчивости моделируемого газонасыщенного угольного массива является высокоскоростная разгрузка в виде приложения растягивающих деформаций со стороны поверхности забоя. Фактически, применительно к реальным угольным пластам это связано с процессом деформирования и разрушения угля разной степени газонасыщенности, находящегося в усло- виях объемного неравнокомпонентного нагружения, учет которых дает воз- можность обосновывать структуру и количественные значения критерия разрушения газонасыщенных углей в форме выброса. Для реализации поставленной задачи использовался метод физического моделирования с применением установки трехосного нагружения, позво- ляющей создавать на образцах кубической формы с размером ребра грани 5,0–6,0 см в трех взаимно перпендикулярных направлениях напряженное со- стояние (σ1, σ2, σ3) аналогичное натурному. Оценка процессов деформирова- ния и разрушения производились на дегазированных и газонасыщенных углях (Qг = 15–30,0 м3/т) пластов h6′ – «Смоляниновский» и h8 – «Прасковиевский». Моделирующие программы нагружения формировались с учетом, что ко- нечное геомеханическое состояние угольного массива связанно с переходом его от обобщенного сжатия (μσ = –1) к обобщенному сдвигу (μσ = 0) и обоб- щенному растяжению (μσ = 1). По первой программе первоначально создавали σ1 = σ2 = σ3 = σсж = 5–20,0 МПа, после этого повышали σ1 = σпред и производи- ли разгрузку при скорости Vр < 1,0 МПа/сек, где σсж – прочность угля на одно- осное сжатие, σпред – предельная прочность угля. По второй программе перво- начально создавали σ1 = σ2 = σ3 = γΗ, затем повышали σ1 = γΗ/λ и производили разгрузку при Vр = 1,0–10,0 МПа/сек, где γ – средневзвешенный объемный вес горных пород; Н – глубина залегания пласта (Н = 800–3000 м), λ – коэффици- ент бокового подпора (λ = 0,5). Величина σ2 при реализации обеих программ формировалась самопроизвольно, за счет бокового подпора. Результаты иссле- дования влияния газонасыщенности на упругие и энергетические показатели угля по первой программе приведены в табл. 1, в которой представлены изме- ренные и рассчитанные параметры, отражающие состояние угля в области предразрушения (верхняя строка) и в области разрушения (нижняя строка). Анализ полученных результатов свидетельствует, что начало разрушения газонасыщенных образцов происходит при σ1 на 11,0–23,0 МПа меньше чем Прогноз и управление состоянием горного массива 118 у дегазированных образцов. В области предельного состояния модуль де- формации (К), а модуль сдвига (G) и энергии изменения формы (Aф у газо- насыщенных образцов больше в 1,1–1,24 раза и 1,25–1,51 раза соответствен- но. По параметру μσ уголь вне зависимости от степени газонасыщенности на 70 – 80% находится в условии обобщенного сжатия и на 20–30% обобщен- ного сдвига, а по параметру με уголь без газа находится в условиях обоб- щенного сдвига, а с газом на 12–15% в условиях обобщенного растяжения. При снижении σ3 = 0 уровень σ1 у газонасыщенных образцов (Q > 14 м3/т) уменьшается до σ2, при этом μσ = 0,35–0,6, а με = 0–0,12 и характеризует обобщенное растяжение, а у образцов без газа μσ = με = 0. Таблица 1 Результаты измеренных и рассчитанных свойств деформируемых углей σ3, МПа Тип обработки Кср⋅102 МПа Gср⋅102 МПа σ1ср МПа σ2ср МПа А0ср Дж/м3 Афср Дж/м3 газонасыщение 6,5 13,7 7,4 2,5 54,3 98,2 6,4 14,1 3,6 5,1 4,7 56,05,0 дегазация 10,0 13,0 8,3 2,3 69,8 103,8 5,8 10,5 3,6 4,5 3,5 37,0 газонасыщение 7,5 19,3 7,9 2,7 59,7 133,7 12,2 29,6 6,0 8,7 4,9 90,010,0 дегазация 9,1 16,7 8,9 2,5 83,4 136,2 10,9 28,6 6,0 6,9 7,7 67,3 газонасыщение 10,3 24,1 8,8 4,1 110,4 162,1 29,1 40,5 11,9 13,0 11,1 74,020,0 дегазация 11,3 21,4 9,8 3,3 121,4 175,0 23,1 36,4 18,4 11,2 10,5 58,9 Таким образом, изменения механизма разрушения угля от сдвигового к послойному отрыву при разгрузке из предельного состояния определяется степенью его газонасыщенности. Вид образцов представлен на рис. 6. Рис. 6. Механизм разрушения угольных образцов в условии σ1 ≠ σ2 ≠ σ3 при σ3 → 0: а – Qг = 3,5 – 5,4 м3/т, μσ = 0, με = 0 (разрушение сдвигом); б – Qг = 14 – 17 м3/т, μσ = = 0,45, με = 0 (разрушение сдвигом и отрывом); в – Qг = 22 м3/т, μσ = 0,6, με = 0,12 (разрушение послойным отрывом) σ1 σ2 σ3 σ1 σ2 σ3 σ1 σ2 σ3 Прогноз и управление состоянием горного массива 119 Аналогичные результаты были получены по второй программе нагруже- ния, свидетельствующие, что смена механизма разрушения угля при сниже- нии минимального сжимающего напряжения, для всех моделируемых глу- бин происходит при Q > 10 м3/т. При этом было установлено, что на повре- ждаемость трещиновато – пористой структуры угля, кроме степени газона- сыщения и уровня напряженного состояния принципиальное значение имеет скорость его разгрузки. Определение структурных изменений в угле при вы- сокоскоростной разгрузке производилось по его фильтрационным парамет- рам (К1К2К3). Результаты исследований свидетельствуют, что в нагружен- ном состоянии моделирующие призабойную зону К1К2К3 составляют 10–6– 10–7 Д против (1,2–1,8)⋅10–4 Д до нагружения. При Vр ≤ 1,0 МПа/сек возникает анизотропия коэффициентов фильтрации. Наибольшая величина их возрастает в направлении σ2, причем К2 при разгрузке превышает в среднем К2 ненагруженного образца в 8–12 раз, а К1 и К3 практически остаются на уровне до нагружения и свидетельствуют об об- разовании в направлении σ3 плоскостей разрушения ориентированных под уг- лом 40–50° к направлению действия напряжений σ1 и σ3. При Vр ≥ 10 МПа/сек коэффициенты фильтрации составляют К1 = К2 = 1,2–1,4⋅10–3Д и превыша- ют на порядок К1, К2 ненагруженного угля, при этом К3 остается практиче- ски неизменным. Это показывает на то, что, сформировались плоскости разру- шения, параллельные разгружаемой грани. Образование систем вторичных трещин, резко изменяющих проницаемость угля, при хаотическом их располо- жении связано, в первую очередь, с раскрытием части объема закрытых пор, который для угля пласта h1 6 – Смоляниновский составляет 0,25 м3/м3. Установленные закономерности по влиянию газонасыщенности, уровня напряжений и скорости разгрузки на механизм разрушения угля в оконча- тельном виде были уточнены при моделировании разрушения части грани образцов в форме выброса. Результаты по моделированию высокоскоростной разгрузки части грани уголь- ных образцов представлены на рис. 7 в виде зависимости ( )ср сж/ /Q W f= σ σ где W – содержание физически связанной влаги, σср = 1/3(σ1 + σ2 + σ3) – среднее напряжение в пласте; σсж – прочность угля на одноосное сжатие. Рис. 7. Зависимость ( )ср сж/ /Q W f= σ σ , определяющая смену механизма разрушения угля Прогноз и управление состоянием горного массива 120 Анализ полученных результатов показал, что при прочих равных услови- ях (σср, Vp) с ростом метаноемкости угля разрушение части грани образца происходит отрывом с радиусом частиц 0,2–0,5 мм, а с увеличением содер- жания физически связанной влаги – сдвигом с размером частиц более чем на порядок. Аппроксимация разделяющей линии с разным механизмом разру- шения угля фактически является критерием выбросоопасности газоносных углей (В), учитывающего в явном виде содержание флюидов в угле, напря- женное состояние пласта и прочность угля: ср сж 0,27 2,5QB W σ ≥ − − σ (11) В результате выполненного цикла исследований установлено, что высо- коскоростная разгрузка угля с Q > 10 м3/т из предельного неравнокомпо- нентного нагружения в условиях обобщенного сжатия переводят его в плос- кое напряженное состояние (σ1 = σ2) с формированием обобщенного растя- жения как по напряжениям, так и по деформациям и плоскостей параллель- ных разгружаемой поверхности. На основании установленных закономерностей обоснован критерий оп- ределения степени выбросоопасности угольных пластов связывающий раз- витие неустойчивого состояния призабойной зоны с количеством водо- метановой смеси в поровом объеме угля, его прочностью, напряженно де- формированным состоянием и скоростью его изменения в виде : 3 сж/ (0,47 0,235 10 ) / 2,5HB Q W H− γ⎡ ⎤= + − ⋅ ⋅ σ σ ≥⎣ ⎦ (12) Проверка работоспособности критерия производилась при вскрытии 42 пластов крутого падения разной степени выбросоопасности квершлагами и стволами на глубинах от 530 м до 1180 м. Как показали приемочные испытания определение степени выбросоопасно- сти по критерию (20) производится без ошибок I рода. Количество ошибок II рода не превышало 12%, что в 1,5–1,8 раза меньше чем у нормативного спосо- ба. На основании проведенных испытаний разработан нормативный способ прогноза выбросоопасности при вскрытии крутых угольных пластов [7]. В настоящее время одной из наиболее сложных проблем, возникающих при проведении подготовительных выработок по выбросоопасным и особо- выбросоопасным пластам, является прогноз месторасположения очагов вы- бросов угля и газа, который существующими нормативными документами не решается. Критерий, характеризующий наличие очага ГДЯ (В), определя- ется по результатам теоретических исследований учитывающих степень из- менения формы потенциала свободной энергии ΔF, характеризующей «скрытое» выбросоопасное состояние системы «уголь–газ» и плотность за- полнения закрытых пор метаном: ( )т ф ф/ 1В F F F≈ Δ − Δ Δ ≥ , (13) Прогноз и управление состоянием горного массива 121 где ∆Fт – текущие значения потенциала свободной энергии системы «уголь– газ», ∆Fф – фоновые значения потенциала свободной энергии системы «уголь–газ». Однако расчет потенциала свободной энергии системы «уголь–газ» для условий движущегося забоя в настоящее время не представляется возмож- ным. В связи с этим определение наличия очагов ГДЯ, при условии, что на- пряженное состояние и скорость волны разгрузки остается постоянными, производится по плотности заполнения поровой структуры угля метаном в виде показателей: ( ) т ф 1 н ф В В ψ −ψ Δψ = > ψ , (14) ( ) т 2 н т L dВ В dx ψ Δψ = > ψ , (15) где ψ – текущее и фоновое значение количества метана в пробах угля, опреде- ляемого по спектрам ЯМР; В1 – показатель, характеризующий очаги ГДЯ по абсолютным значениям количества метана в угле; В2 – показатель, характери- зующий очаги ГДЯ по скорости изменения текущих значений количества ме- тана в пределах одного цикла измерений; Вн – значение показателя, характери- зующего отсутствие очагов ГДЯ; х – текущая координата отбора проб, м; L – величина подвигания забоя подготовительной выработки за один цикл. Апробация показателя проводилась на особовыбросоопасных пластах h10, гор. 1190 м шахты "Глубокая" при проведении 6-го и 8-го западного конвей- ерных штреков и h4, гор. 770 м шахты им. 60-летия Советской Украины при проведении разрезного ходка. Общее подвигание подготовительных выра- боток в период исследований и приемочных испытаний составило 280 м. Методика проведения работ включала отбор проб из левой и правой скважин, которые бурились по углю из забоя подготовительных выработок в направлении его движения на глубину 1,8 м, обработку их в лаборатории и расчет показателей В1 и В2. Значение Вн определяли в зоне, в которой отсут- ствовали признаки выбросоопасности. При В1,2 > Вн прогнозируется наличие ГДЯ, а его месторасположение оп- ределяется координатой отобранной пробы угля в шпурах. На рис. 8 приведены результаты определения показателя В1 и фактическое проявление выбросов угля и газа при проведении разрезного ходка по пласту h4. Установлено, что среднее значение показателя в неопасных зонах состав- ляла Вн = 0,41. Перед каждым из пяти выбросов оно возрастало до уровня В1 ≥ 0,6. Расстояния на которых фиксировались очаги ГДЯ не превышали 1,5–3,0 м от поверхности забоя. По результатам приемочных испытаний раз- работан нормативный способ прогноза очагов ГДЯ при проведении подго- товительных выработок, в котором впервые значения В1 устанавливаются для каждого пласта индивидуально [8]. Прогноз и управление состоянием горного массива 122 Рис. 8. Расчетные и фактические результаты, характеризующие местоположение ГДЯ при проведении разрезного ходка по пласту h4. Учитывая энергетическую основу формирования и развития выбросов уг- ля и газа, был выполнен цикл исследований по изучению кинетики десорб- ции метана из углей разной степени газодинамической активности. Поскольку десорбция метана из объема закрытых пор происходит по ме- ханизму диффузии, требующей значительного времени на оценку кинетики, в исследованиях использовался термоактивационный метод определения энергии активации десорбции метана [9, 10]. Для установления данного параметра угольные образцы измельчались до фракций R = 0,4–0,5 мм, массой (m) 10–12 г и помещались в рабочую камеру установки ADGS-50, где по заданной программе, в интервале тем- ператур 40–160°С, изотермической выдержкой 10 °С/мин определяли по- терю массы (Δm). Используя установленную зависимость Δm/m = f(T) и ее производную, характеризующую скорость процесса дегидратации, опреде- ляли максимальную и минимальную температуры и соответствующие им потери массы угольной фракции. Далее в системе координат ln(Δm/m) по оси ординат и 1/T по оси абсцисс строили прямую и по тангенсу угла на- клона вычисляли величину энергии активации (Е). Результаты измерений Е для углей из пластов разной степени выбросоопасности приведены в табл. 2. Анализ представленных результатов показывает, что у выбросоопасных пластов энергия активации десорбции метана из закрытых пор в среднем в 1,98 раза меньше, чем у угрожаемых и невыбросоопасных, при этом угли из разных пластов имеют собственную температуру дегидратации. В целом, ус- тановленные закономерности дают основание для использования величины параметра Е при категоризации степени выбросоопасности угольных пластов. Однако, практика ведения горных работ по выбросоопасным пластам по- казывает, что наиболее сложной проблемой является прогноз выбросоопас- ных зон. Применительно к данной проблеме был проведен цикл шахтных исследований по прогнозу зон ГДЯ на основе учета энергии активации де- сорбции метана из угольных проб. Пробы в виде штыба отбирались с глуби- ны 1,5–2,0 м при бурении скважин диаметром 42 мм во 2 западном конвей- Прогноз и управление состоянием горного массива 123 ерном штреке, проводимого по пласту h6′ Смоляниновский, гор. 1300 м шахты им А.А. Скочинского в режиме сотрясательного взрывания на протя- жении 60 м подвигания. Результаты исследований приведены на рис. 9 в ви- де зависимостей Е = f(L) и T = f(L). Таблица 2 Значения энергии активации и температуры дегидратации для пластов разной степени выбросоопасности Пласт, шахта, горизонт Степень выбросо- опасности Энергия активации десорбции, кДж/моль Температура де- гидратации, °С Грязный m1, ш. им.Ф.Э. Дзержинского, 1146 м Выбросоопасный 36,2 82 Кирпичевка l2 1, ш. им.Ф.Э. Дзержинского, 1026 м Выбросоопасный 33 66 Толстый m3, ш. им.Ф.Э. Дзержинского, 1026 м Выбросоопасный 36,5 75 Тонкий m2, ш. им.Ф.Э. Дзержинского, 1026 м Выбросоопасный 38,2 88 Мазур l1, ш. Торецкая, 810 м Угрожаемый 64 97 Кирпичевка l2 1, ш. Торец- кая, 810 м Угрожаемый 61,3 75 Смоляниновский h6', ш. им. А.А. Скочинского, 1300 м Особовыбросо- опасный 45,2 84 Песчанка m4, ш. Юнком, 1020 м Невыбросоопас- ный 73 82 Анализ представленных результатов свидетельствует, что в зонах отсут- ствия ГДЯ величина энергии активации десорбции метана из угольного мас- сива составляет 45–52 кДж/моль, а температура дегидратации в среднем 80°С. При снижении Е до 25–35 кДж/моль и Т в среднем до 70°С резко воз- растает газодинамическая активность угольного пласта. Согласно шахтных наблюдений было зафиксировано два ГДЯ: на 28 м (интенсивностью 38 т) и на 34 м (интенсивность 23,2 т). Таким образом, ус- тановленные закономерности вполне достоверно могут быть использованы для оценки газодинамической активности угольного пласта в виде критериев: ф т 1 н ф E E B B E − ≈ ≥ , (16) т 2 н т L dEB B E dx = ≥ , (17) Прогноз и управление состоянием горного массива 124 Рис. 9. Изменение энергии активации и температуры дегидратации по длине выра- ботки где Ет и Еф – текущее и фоновое значения энергии активации десорбции со- ответственно, кДж/моль; Вн – значение показателя, характеризующего от- сутствие очагов ГДЯ; х – текущая координата отбора проб, м; L – величина подвигания забоя подготовительной выработки за один цикл. При В1,2 > Вн прогнозируется наличие ГДЯ, а его месторасположение оп- ределяется координатой отобранной пробы угля в шпурах. Результаты расчетов по критериям В1 и В2 приведены на рис. 10, а,б. Анализ представленных на рис. 2 расчетов показывает достаточную сте- пень надежности обоих критериев. а б Рис. 10. Расчетные и фактические результаты, характеризующие месторасположе- ние зон ГДЯ пласта h6′ во 2-м западном конвейерном штреке шах- ты им. А.А. Скочинского при расчете по критериям В1 и В2 Прогноз и управление состоянием горного массива 125 В целом результаты исследований подтвердили физическую обоснован- ность методов прогноза очагов ГДЯ и выбросоопасных зон в угольных пла- стах по степени изменения функционала свободной энергии системы «уголь–газ», энергии активации десорбции и температуры дегидратации флюида из угля. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Van Krevelen D.W. Coal. – Amsterdam: Elsevier Publ. Corp., 1961. – 514 p. 2. Малышев Ю.Н., Тубецкой К.Н, Айруни А.Т. Фундаментально прикладные ме- тоды решения проблемы метана угольных пластов. – М.: Изд-во Аккад. Горных наук, 2000. – 519 с. 3. Алексеев А.Д., Синолицкий В.В., Василенко Т.А., и др. Закрытые поры иско- паемых углей // ФТПРПИ. – 1992. – №2. – С. 99–106. 4. Алексеев А.Д., Стариков Г.П., Филиппов А.Э. Численное моделирование выхо- да из угля с учетом волны разгрузки и раскрытие пористости при изменении напряжений. // В сб. Проблеми гірничого тиску. Вып. 9. – Донецк: ДонГУ. – 2003. – С. 120–151. 5. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Физическая кинетика. М.: Наука, 1986. – 525 с. 6. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. – 202 с. 7. Алєксєєв А.Д., Старіков Г.П., Волошина Н.І. та інші. Прогнозування осередків викидів вугілля і газу у вибої пластової підготовчої виробки. ГСТУ 101.24647077.001. – 2003: Стандарт Мінпаливенерго України: Затверджено та надано чинності 26.11.2004. – Київ: Мінпаливенерго України. – 2004. 15 с. 8. Стариков Г.П., Алексеев А.Д., Лунев С.Г., Недодаев Н.В. и др. Прогноз выбро- соопасности при вскрытии крутонаклонных пластов. Методические указания. - КД 12.01.05.070-1999: Нормативный документ Минуглепрома Украины: Ут- верждено и введено в действие 03.01.2000. – Киев: Минуглепром Украины. – 2000. – 23 с. 9. Стариков Г.П., Завражин В.В, Василенко Т.А., Бойко А.Н., Калугина Н.А. Ки- нетика газовыделения водометанового флюида из углей как интегральная ха- рактеристика степени их выбросоопасности // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработ- ках: Матер. ХVII Межд. науч. школы – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2007.- С. 285–287 10. Энциклопедический словарь «Физика твердого тела», Т.2. – Киев.: Наукова думка, 1998 – 643 с. 11. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 301 с.

Физические основы прогноза внезапных выбросов угля и газа

Institution

Ähnliche Einträge