CC BY
29
УДК 622.272.6
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА КАК ПРИЗНАК ЕГО ПОВЫШЕННОЙ ВЫБРОСООПАСНОСТИ
Татьяна Анатольевна Киряева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, тел. (923)170-32-11, e-mail: coalmetan@mail.ru
В статье показано, что основным показателем газодинамической активности углемета-нового пласта служит изменчивость свойств по трассе проведения выработки. Примером реализации изложенного подхода служит расчет величины энергетического показателя для пласта XXVII Березово-Бирюлинского месторождения Кузбасса. В зонах наибольшей изменчивости физико-химических свойств угольного пласта вероятность динамических газопроявлений также максимальна, что и подтверждается координатами зарегистрированных внезапных выбросов.
Ключевые слова: уголь, коэффициент крепости угля, энергия, газодинамическая активность угольных пластов, выбросоопасность, выход летучих.
VARIABILITY IN PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS OF A COAL SEAM AS A HIGHER OUTBURST HAZARD SYMPTOM
Tatiana A. Kiryaeva
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., tel. (923)170-32-11, е-mail: coalmetan@mail.ru
The paper proves that the basic parameter of gas-dynamic activity of a coal-methane seam is variability in its characteristics along the face advance track. This approach is verified by energy index calculations for seam XXVII, Berezovo-Biryulinsky collery, Kuzbass. Zones of the greatest variability of physical-chemical characteristics of a coal seam demonstrate the maximum probability of dynamic gas manifestations. This statement is justified by coordinates of recorded spontaneous outburst events.
Key words: coal, coal hardness ratio, energy, gas-dynamic activity of coal seams, outburst hazard, volatile yield.
Общими признаками всех типов динамических газопроявлений от высыпаний угля с повышенным газовыделением до собственно выбросов угля и газа является внезапность, лавинообразность, очаговый характер и приуроченность к пластам средней стадии метаморфизма. Основным показателем газодинамической активности углеметанового пласта или его зоны служит изменчивость свойств по трассе проведения выработки [1]. Известно, что при входе выработки в зону влияния даже небольшого тектонического нарушения, вероятность внезапного выброса выше, чем при выходе из нее.
Отмеченные особенности газодинамической активности углеметановых пластов заставляют более подробно проанализировать физико-химические свойства углей.
В информационной основе известных методов оценки газодинамической опасности пластов заложены как геологоразведочные данные (глубина залегания пласта, метаноносность, выход летучих веществ, петрографический состав, влажность, золь-
ность), так и определяемые по соответствующим методикам показатели, например, сорбционной способности угля по отношению к метану. Общий недостаток методов -качественный характер оценки. Все что ниже определяемой глубины ведения горных работ «опасно» и только в результате экспертной оценки может быть выделена зона «особо опасная». Соответственно, практически един и комплекс мер по предупреждению опасности, что резко отрицательно влияет на темпы горных работ.
Рассматривая газодинамическую реакцию пласта на технологическое воздействие как следствие реализации энергетического потенциала двухкомпонентной среды при смене метастабильных состояний можно на качественно новом уровне решать задачи количественной градации газодинамической активности углеметанового пласта.
В качестве показателя газодинамической активности пласта К принято отношение значений энергии релаксации метаноносности, разработанной автором в [2] и коэффициента крепости угля, определяемого методом толчения, т.е. по затратам энергии на разрушение. Метод учитывает и известную особенность - при подходе выработки к геологическому нарушению прочность угля снижается, а наибольшая вероятность возникновения газодинамического явления соответствует участку с коэффициентом крепости угля равному 0,7.
где: Е - энергия релаксации метаноносности, кДж/кг; А - предельная метаноносность при данном выходе летучих веществ, м3/т; В - коэффициент метаноносности при данном выходе летучих веществ, 1/МПа; Н - глубина залегания пласта, м; / — коэффициент крепости угля по М.М. Протодьяконову, усл. ед.
Генетически предопределенное сочетание изменчивости свойств угольного пласта (глубины залегания пласта, газоносности, выхода летучих и влажности) дестабилизирует углеметановый пласт при приближении выработки. В этих зонах вероятность динамических газопроявлений вплоть до внезапных выбросов угля и газа максимальна.
Объединив в этом показателе сведения о свойствах угля и условиях залегания пласта (глубина залегания пласта, газоносность, выход летучих и влажность), метод позволяет выделить не только наиболее энергонасыщенные зоны, но и, что намного важнее, локализовать области повышенной изменчивости энергетического потенциала.
В качестве примера на рис. 1 приведены построенные по геологоразведочным данным характеристики угольного пласта XXVII шахты «Первомайская» (Кузбасс), показаны пройденные подготовительные выработки с нанесением мест возникновения внезапных выбросов, на рис. 2 карта показателя газодинамической деструкции этого пласта.
На рис.1 выделены зоны 1 и 2 фактической выбросоопасности и зона 3 повышенной газодинамической активности, выявленная при бурении с конвейерного штрека 35 скважин предварительной дегазации в теле выемочного столба. Бурение сопровождалось интенсивными выбросами в скважины, вплоть до отброса бурового станка массой около 2 т к противоположному борту штрека. В зоне 3 расположено
ч 0.83
АН
м2/кг,
(1)
К - 0 05
несколько небольших нарушений с амплитудой от 0, 8 до 1,5 м, выявленных при очистных работах.
направление подвигания выработки место возникновения ГДЯ
Рис. 1. Изменчивость свойств угольного пласта XXVII Березово-Бирюлинского месторождения Кузбасса по трассе проведения выработки:
а) глубины залегания; б) газоносности; в) выхода летучих веществ
- места внезапных выбросов угля и газа
Рис. 2. Карта показателя газодинамической деструкции пласта XXVII Березово-Бирюлинского месторождения
Показатель газодинамической активности хорошо согласуется:
• с минимальными выбросоопасными глубинами;
• сходимость изолиний показателя газодинамической активности соответствует тенденции ее изменения по методу ВостНИИ;
• значения показателя газодинамической активности, представленные на рис. 2, показывают уровень газодинамической активности. Сила внезапных выбросов угля и газа пропорциональна значениям показателя газодинамической активности.
Объективность количественной оценки газодинамической активности пласта подтверждается значениями параметров зарегистрированных динамических явлений. Критической границе К=0,75 м2/кг соответствует высыпание угля с повышенным газовыделением, а при К=0,85 м2/кг - мощный внезапный выброс с количеством выброшенного угля в 350 т и газа 12600 м3. Выше изолинии в 0,75 м2/кг газодинамических явлений не зарегистрировано.
Приведенная на рис. 2 критическая граница выбросоопасности по ВостНИИ в целом отражает и основную тенденцию изменения газодинамической активности пласта, но на фоне полученного результата ее можно рассматривать как первое приближение.
Основным источником сведений о свойствах углеметанового месторождения являются данные геологической разведки. Установлено, что геологоразведочные данные и определяемые по соответствующим методам обобщающие показатели обеспечивают выбор решений по управлению газодинамической активностью пластов в необходимом диапазоне от выделения газа при отбойке угля до внезапных выбросов. На этой основе можно получить модели достаточно высокой информационной плотности (рис. 3), что для современных компьютерных систем вполне приемлемо [3].
"1—г и и 1 и и
Поэтапный количественный анализ физико-химических свойств и состояний массива горных пород в [3] позволил получить комбинированную карту энергетического показателя (1) пласта XXI ОАО "Шахта "Первомайская", Кузбасс (рис. 3 внизу). На рис 3 сверху вниз показаны карты глубин залегания угольного пласта, природной газоносности и выхода летучих веществ ОАО "Шахта "Первомайская", Кузбасс.
Рис. 3. Комбинированная карта (сверху вниз): глубин залегания, природной газоносности, выхода летучих веществ и энергетического показателя угольного пласта XXI (ОАО "Шахта "Первомайская", Кузбасс). По осям показаны координаты угольного пласта
Таким образом, разработанный показатель (1) позволяет выделить не только наиболее энергонасыщенные зоны, но и, что не менее важно, области повышенной изменчивости энергетического потенциала. В этих зонах вероятность динамических газопроявлений максимальна, что и подтверждается координатами зарегистрированных внезапных выбросов. При этом виды и предельные параметры возможных динамических газопроявлений также доступны для прогнозирования [4].
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-05-00537а), проекта ОНЗ РАН-3.1
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полевщиков Г.Я., Киряева Т.А. Газодинамическая устойчивость углеметана // Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2009.- Т. 7. - №12. - С.146-149.
2. Киряева Т.А. Разработка метода газодинамической активности угольных пластов по геологоразведочным данным на примере Кузбасса / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Кемерово, 2005.
3. Полевщиков Г.Я., Потапов В.П., Пестриков В.Г., Киряева Т.А. Геоинформационные технологии в решении задач рудничной аэрогазодинамики // Проблемы и перспективы развития горных наук: Международная конференция к 60-летию Горно-геологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела СО РАН. Новосибирск, 2004. - С.10-14.
4. Киряева Т.А., Плаксин М.С., Рябцев А.А. Локальный прогноз газодинамической активности угольного пласта по геологоразведочным данным / // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011.- №8. - С.66-69.
© Т. А. Киряева, 2017
