CC BY
52
_______________________________ © С.А. Радченко, Н.Г. Матвиенко,
2009
УДК 622.457
С.А. Радченко, Н.Г. Матвиенко
РАЗРАБОТКА ЭКСПРЕСС-МЕТОДОВ И ПОРТАТИВНЫХ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ГАЗОНОСНОСТИ УГЛЯ В ЗАБОЕ
Данная статья описывает развитие 30-летних научных исследований ИПКОН РАН для повышения безопасности добычи угля на основе новых методов и портативных приборов для быстрой, удобной и дешевой оценки в горных выработках степени опасности внезапных выбросов газа и угля, которые основаны на измерении температуры угля, десорбции газа из бурового штыба и ме-таносодержания угля, используя буровой штыб из скважин. Это один из самых перспективных и доступных направлений повышения безопасности и эффективности добычи угля и метана в шахтах.
Ключевые слова: загазованость горных выработок, выбросоопасные угольные пласты, призабойная зона.
Давно известно, что большинство внезапных выбросов угля и газа и загазований горных выработок приурочено к зонам геологических нарушений. Поэтому очевидно, что одним из самых перспективных направлений повышения безопасности и экономической эффективности подземной разработки газоносных угольных пластов является постоянный экспресс-прогноз в каждом забое зон геологических нарушений и повышенной газоотдачи.
Однако исследованиями ряда ученых показано, что известными методами удается спрогнозировать лишь около половины геологических нарушений, а остальные обнаруживают в забоях неожиданно для шахтеров, что ухудшает безопасность и экономическую эффективность разработки газоносных и особенно выбросоопасных угольных пластов.
Анализ многочисленных российских и зарубежных публикаций показал [1-2], что:
- увеличение темпов буровых, проходческих и очистных работ и глубины разработки газоносных пластов снижает возможности использования в забоях и результативность ряда известных способов прогноза нарушенности и выбросоопасности призабойной зоны пласта;
- некоторые нормативные способы прогноза выбросоопасно-сти, связанные с бурением шпуров и скважин, могут уже в процессе их выполнения спровоцировать газодинамические явления, особенно в глубоких шахтах и в зонах геологических нарушений.
Выполненный нами анализ [1-4] позволил установить ряд причин недостаточной эффективности использования нормативных методов прогноза выбросопасности в России и за рубежом. По-видимому, причины их недостаточной надежности на метаноносных пластах похожи во всех угледобывающих странах мира, а важнейшими из них до сих пор являются:
1 - отсутствие способов и портативных устройств для быстрой и простой количественной оценки шахтерами в забоях с достаточной точностью (в любом месте призабойной зоны и на любом интервале бурения скважин) газокинетических свойств, нарушенно-сти и газоносности угля, так как неизвестно количество газа, которое было десорбировано каждой пробой до ее герметизации;
2 - большая изменчивость газокинетических свойств угля по простиранию и мощности пластов, что пока зачастую не учитывается при выборе мест использования нормативных методов прогноза выбросоопасности и поэтому их надежность снижается;
3 - слишком большая длительность лабораторных исследований газокинетических свойств проб угля, что не позволяет своевременно использовать их результаты в забое.
Поэтому в ИПКОН РАН уже 30 лет, то есть с момента его создания и до настоящего времени, ведется разработка принципиально новых технических решений, способов и портативных устройств нового принципа действия для комплексного решения перечисленных выше и других актуальных проблем повышения надежности прогноза выбросоопасности и метанообильности при разработке углеметановых месторождений, причем без больших дополнительных затрат средств и труда и изменений технологии горных работ
[1 -32].
В результате этого научно обоснованы и подтверждены многочисленными лабораторными и шахтными экспериментами в подготовительных и очистных забоях на выбросоопасных угольных пластах важные научные выводы и новые технические решения, использование которых позволяет легко повысить надежность применения многих нормативных методов и технических средств для прогноза выбросоопасности и динамики газовыде-
ления из угля прежде всего за счет предоставления шахтерам в забоях возможности лучше учитывать специфику каждого разрабатываемого пласта в любом месте и сразу увидеть потенциально опасные по газовому фактору места: 1 - на поверхности забоя; 2 - по длине любой скважины.
Опыты при разных давлениях и температурах в специально созданном высокоточном сорбционно-калориметри-ческом комплексе ИПКОН РАН доказали, что теплоту сорбции и десорбции метана углем любой нарушенности в пределах шахтопласта можно принимать постоянной при любых возможных давлениях и температурах на достигнутых к настоящему времени глубинах [1-2, 6-7], а шахтные эксперименты, проведенные на основе договоров о сотрудничестве ИПКОН АН СССР с МакНИИ и производственным объединением «Ворошиловградуголь», - что повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта часто является причиной снижения его температуры в процессе разработки [8-10].
Анализ работ многочисленных исследователей, изучавших изменения температуры призабойной зоны газоносных угольных пластов и угля в различных условиях, позволил сделать два важных научных и практических вывода [1-2, 11]:
1 - изменение температуры призабойной зоны пласта и бурового штыба может быть значительным и отражает результаты разных процессов, воздействующих на уголь;
2 - при разных условиях температура угля в призабойной зоне и образующегося бурового штыба может быть выше или ниже геотермической температуры горных пород.
С другой стороны, экспериментально [1-2, 8-10] и аналитически [1-2, 11-12] было доказано, снижение температуры угля в призабойной зоне пласта и бурового штыба за счет десорбции из угля метана может быть значительным, особенно в зонах геологических нарушений, поэтому снижение температуры угля и бурового штыба целесообразно использовать для ускорения поиска зон повышенной газоотдачи в подготовительных и очистных забоях и при бурении шпуров и скважин в газоносных угольных пластах. Но методы прогноза выбросоопасности по более сильному охлаждению угля в результате десорбции метана, пока не стали применяться массово, так как на температуру угля влияют различные факторы.
Поэтому был сделан вывод о том, что для повышения надежности прогноза зон повышенной газоотдачи и выбросоопас-ности после обнаружения их большего охлаждения по сравнению с ненарушенными зонами этого же пласта в таких же условиях необходимо сразу же убедиться, что причиной такого охлаждения является десорбция большего количества метана к моменту замера температуры угля в призабойной зоне или бурового штыба [1].
Очевидно, что одним из самых перспективных способов решения этой задачи является быстрое определение в забое газокинетических свойств и остаточной газоносности более охлажденного угля или бурового штыба. Однако анализ показал, что в мире не было простых, быстрых и удобных способов количественного определение в забое газокинетических свойств и остаточной газоносности угля или бурового штыба и необходимых для этого портативных устройств, пригодных для постоянного применения в забое.
Поэтому с 1980 года до настоящего времени в ИПКОН РАН решалась задача разработки более удобной и информативной количественной характеристики метановыделения из угля, пригодной для массового использования в забоях и лабораториях, а также портативных устройств для ее быстрого определения прежде всего в шахтах [1-3, 13-22]. В результате этих исследований разработан новый более удобный и информативный диффузионный параметр т для комплексного экспресс-прогноза в забоях потенциальной выбросоопасности структуры угля и выделения им метана по начальной кинетике десорбции или сорбции [1-3, 13-22], хорошо согласующийся с результатами ряда российских и зарубежных методов:
х = nrQ2/36D, с, (1)
где го - средний радиус микропористых частиц; D - коэффициент диффузии.
Диффузионный параметр х можно вычислять по углу наклона а или р прямолинейного начального участка сорбционнокинетической или десорбционно-кинетической кривой соответственно в координатах [ t0,5, at/a0 ]:
х = 1 / tg2 а, (2) или х = 1 / tg2 р, (3)
где at - количество газа, сорбированного или десорбированного к данному моменту времени; а0 - количество газа, сорбированное или десорбированное до установления сорбционного равновесия при конечном давлении газа.
Преимущества диффузионного параметра т по сравнению с известными критериями - быстрота и простота получения количественных характеристик десорбции (скорости десорбции и времени десорбции части газа, достигающей 63% от всего десорбированного до равновесия газа, и коэффициента диффузии метана в угле), которые можно одновременно использовать для прогноза метано-выделения из угля в выработки и выбросоопасности.
Эффективность применения данного диффузионного параметра т и его преимущества по сравнению с другими показателями доказаны обработкой более 1000 десорбционно-кинетических опытов с пробами угля России, Украины, Великобритании и США разных фракций и петрографического состава с выходом летучих веществ УГ = 5-50 % с глубин 300-1100 метров из зон разной нарушенности и мест газодинамических явлений [1, 23-25].
Поэтому этот диффузионный параметр т использован для разработки способов определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне [26-29]:
- способ [26] позволяет определять выбросоопасность зон угольного пласта по величине охлаждения стенок шпуров на расстоянии 2,0-2,5 метра от груди забоя и по величине диффузионного параметра т, определенного в лаборатории по сорбции метана углем;
- способ [27] более быстрый, удобный и доступный, так как он позволяет определять выбросоопасность зон и газоносность угольных пластов в призабойной зоне на основе быстрого определения непосредственно в забое температуры бурового штыба и газовыде-ления из него сразу после образования штыба, а также его остаточной газоносности.
Разработаны также конструкции портативных многофункциональных устройств для замера в забое динамики десорбции метана буровым штыбом или угольной мелочью и изменения их температуры в результате десорбции, а также для их подготовки для лабораторных исследований [30-32]. Каждое из этих простых и удобных устройств, предназначенных для применения при буровых и проходческих работах, может состоять из нескольких частей:
1 - корпуса с крышкой, в котором при необходимости могут размещаться средства для рассева пробы по фракциям (что происходит при доставке пробы в лабораторию);
2 - средств быстрой и надежной герметизации пробы;
3 - измерительной части, включающей портативные средства для точного замера динамики газовыделения и средства для замера температуры угля (они могут быть внешними).
Одной из главных целей наших исследований является научное обоснование возможности повысить газобезопасность труда за счет совместного быстрого применения в забоях нормативных и предложенных методов прогноза изменений свойств угля, выбросоопасности и метановыделения, максимально используя на основе новых технических решений преимущества шахтных и лабораторных методов.
Проведенные исследования [1, 3-4] показали, что из-за колебаний свойств угля в пластах применение нормативных методов прогноза и отбора проб без предварительного поиска признаков нарушенности угля для оптимизации выбора мест замеров и отбора проб уменьшает вероятность и быстроту обнаружения зон нарушений даже лучшими методами и приводит к неоправданным затратам сил, средств и времени.
Кроме того, до настоящего времени измерения температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба и газовыделения из них если и велось иногда в шахтах для одних и тех же мест, то по несовершенным методикам, не позволяв-шим обеспечить получение надежных воспроизводимых результатов. Кроме того, попытки конструирования десорбометров традиционными методами обычно приводили к ряду весьма типичных ошибок, затрудняющим их применение в забоях и практическое использование полученных данных как непосредственно в забоях для экспресс-прогноза выбросоопасности, так и в научных целях [1].
В результате замеры динамики газовыделения из бурового штыба и остаточной газоносности угля все меньше используют при подземной разработке углеметановых месторождений, особенно при высоких темпах горных работ. Это лишает шахтеров возможности своевременно обнаруживать и учитывать изменение свойств угля в призабойной зоне для прогноза выбросоопас-ности, метанообильности и эффективности использования каждой конкретной скважины в целях дегазации для повышения
безопасности, экологичности и экономической эффективности разработки углеметановых месторождений.
Поэтому в [1] предложены новые технические решения для быстрой предварительной визуальной оценки в любых забоях потенциальной опасности структуры угля в призабойной зоне по газовому фактору, метановыделения и перспективности участков пласта и скважин для добычи метана на основе комплексного применения газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана углем (по снижению температуры свежеобнаженного пласта и бурового штыба по сравнению с ненарушенной зоной в таких же условиях - за несколько секунд, по динамике десорбции метана штыбом - за 3 минуты, по остаточной газоносности штыба - за 15 минут) с использованием в забоях нескольких видов комплектов портативных устройств нового технического уровня и принципа действия, и прежде всего:
- комплекта устройств для специалистов метаноносных шахт (включает тепловизор и портативный десорбометр нового принципа действия, позволяющий визуально оценивать в забое динамику десорбции метана для каждой из многих малых проб штыба, собираемых прежде всего на интервалах бурения, где температура штыба ниже, за 3 минуты, а остаточную газоносность этих же проб в 2 этапа - за 15 минут и до сорбционного равновесия);
- дешевого индивидуального комплекта для шахтеров, ведущих бурение, переносимого на поясе: радиационный термометр и самый портативный десорбометр нового принципа действия, который может иметь в транспортном положении объем от 100 см3 (рисунок).
Предлагаемые новые технические решения и портативные многофункциональные устройства имеют важное научное и
Дешевый индивидуальный комплект для шахтеров, ведущих бурение, который можно переносить на поясе: радиационный термометр (а) и десорбометр (б)
практическое значение, так как позволяют быстрее, надежнее и дешевле повысить эффективность, безопасность и возможности применения ряда нормативных методов прогноза выбросоопасно-сти за счет:
- применения тепловизоров и радиационных термометров для предварительного обнаружения признаков изменений газокинетических свойств угля по снижению температуры свежеобнаженной поверхности пласта и бурового штыба в целях оптимизации выбора мест изучения призабойной зоны и отбора проб нормативными и разработанными в результате описанных исследований ИПКОН РАН способами и портативными устройствами;
- уменьшения во много раз объема проб и времени для оценки газокинетических свойств и газоносности штыба при меньшем внедрении в опасную зону;
- обеспечения шахтеров в забоях несколькими видами портативных устройств для быстрой визуальной оценки по охлаждению угля при десорбции и по десорбции газа из бурового штыба: 1 -мест изменений свойств угля для первоочередного применения в них нормативных методов; 2 - безопасности работ по газовому фактору; 3 - перспективности участков и скважин для добычи метана;
- научно обоснованного учета свойств угля в разрабатываемом пласте;
- более оперативного, удобного, дешевого и массового изучения свойств угля в призабойной зоне современными методами для повышения достоверности, правильности интерпретации и практической ценности данных о десорбции.
Поэтому их применение в забоях для более быстрого и надежного прогноза зон повышенной газоотдачи является одним из самых перспективных, малозатратных и доступных направлений повышения безопасности, эффективности и экологичности комплексного освоения углеметановых месторождений.
Таким образом, выполненным в ИПКОН РАН комплексом лабораторных, шахтных и аналитических исследований систем «ископаемый уголь - метан» и «углесодержащие породы - метан»:
- развиты научные основы и установлены перспективные направления разработки и совершенствования способов повышения оперативности и информативности изучения десорбции метана из угля, в том числе в забое, раннего обнаружения выбросоопасных
зон, прогноза метановыделения и перспективности участков и скважин для добычи метана;
- установлен ряд причин недостаточной надежности локального экспресс-прогноза выбросоопасности и метановыделений нормативными методами и устройствами, применяемыми в России и за рубежом;
- научно обоснована необходимость и возможность повысить надежность, быстроту и безопасность прогноза выбросо-опасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта и отбитого угля разных фракций любой нарушенности нормативными методами без больших дополнительных затрат и изменений технологии горных работ за счет оптимизации выбора мест их применения в забоях и отбора проб на основе предварительного экспресс-поиска признаков изменений свойств угля и его повышенной газоотдачи, например, по его более сильному охлаждению в результате десорбции метана, для большей эффективности применения нормативных и разработанных нами новых технических решений, методов и портативных устройств именно в нарушенных местах угольного пласта.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радченко С.А. Развитие методов и разработка устройств для оценки метаноотдачи углей в шахтах на основе газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана. - Дисс. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. - М., Институт проблем комплексного освоения недр РАН, 2008. - 369 с.
2. Радченко С.А. Исследование метановыделения в призабойной зоне угольного пласта на основе диффузионных и тепловых параметров. - Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. - М., Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР, 1982. - 238 с.
3. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Совершенствование методов и средств прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольных пластов // Горный журнал. - 2007. № 11. - С. 69-72.
4. Радченко С.А. Повышение безопасности в шахтах за счет комплексного экспресс-прогноза выбросоопасности и газовыделения из угля // Безопасность труда в промышленности. - 2008. № 3. - С. 32-35.
5. Радченко С.А. Применение электронного сканирующего микроскопа для оценки макропористости и трещиноватости углей // Физико-технические проблемы добычи и обогащения полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1980. - С. 152-157.
6. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / И.Л. Эттингер, Н.В. Шульман, И.Б. Ковалева и др. // Химия твердого топлива. - 1981. № 5. - С. 121-124.
7. Радченко С.А. Зависимость скорости метанопереноса в ископаемом угле от температуры // Разработка и обогащение твердых полезных ископаемых.
- М.: ИПКОН АН СССР, 1981. - С. 155-160.
8. Повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта - причина снижения его температуры в процессе разработки / И.Л. Эттингер, С.А. Радчепко, И.А. Горбунов и др. // Уголь Украины. - 1981. № 10. - С. 39-40.
9. Эттингер И.Л., Маевский В.С., Радченко С.А. Контроль газодинамического состояния призабойной зоны пласта // Уголь. - 1983. № 5. - С. 8-9.
10. Определение степени выбросоопасности по изменению температуры пласта / И.А. Горбунов, Д.И. Дорофеев, И.Л. Эттингер, С.А. Радчепко // Уголь Украины. - 1983. № 1. - С. 32.
11. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в пем механических и физико-химических процессов / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, Н.В. Шульман и др. // Физико-техпические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1984. № 5. - С. 65-69.
12. Эттингер И.Л., Радченко С.А., Мельников В.В. О влиянии теплофизических характеристик угля на динамику изменения его температуры // Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. -М.: ИПКОН АН СССР, 1985. - С. 155-163.
13. Радченко С.А. Время диффузионной релаксации как характеристика нарушенности угля // Основные вопросы комплексного освоения месторожде-пий твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1981. - С. 113118.
14. Формирование в земной коре углеметановых месторождений и механизм миграции метана через угольные пласты / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, С.А. Радченко и др. // Тез. докл. II Всесоюзн. конф. «Природные газы Земли и их роль в формировании земной коры и месторождений полезных ископаемых». - М.: МГРИ, 1982. - С. 61-63.
15. Эттингер И.Л., Шульман Н.В., Радченко С.А. Сорбциоппо-кинетические характеристики угля, позволяющие прогнозировать газодинамические свойства пласта и метанообильность горных выработок // Тез. докл. Всесоюзп. паучп. копф. вузов СССР с участ. паучпо-исслед. ип-тов. - М.: МГГУ, 1982. - С. 5.
16. О характеристике газопроявлений в угольном пласте по диффузии метапа в образцах / И.Л. Эттингер, С.А. Радчепко, Н.В. Шульман и др. // Актуальные проблемы рудпичпой аэрогазодинамики. - М.: ИПКОН АН СССР, 1986. - С. 88-93.
17. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Определение и использование диффузионного параметра десорбции метана для оценки газовыделения из угля // Методы борьбы с рудничными газами и пылью. - М.: ИПКОН АН СССР, 1987.
- С. 144 - 149.
18. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Метапоперепос в образцах угля и угольных пластах // Химия твердого топлива. - 1988. № 4. - С. 29-39.
19. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика метанопереноса в углях // Физико-технические проблемы разработки полез-пых ископаемых. - 1988. № 4. - С. 97-101.
20. Влияние нарушенности угля и коэффициента диффузии на начальную скорость газовыделения / Н.В. Шульман, В.В. Лоскутников, С.А. Радченко и др. // Геомеханика выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. - М.: ИПКОН АН СССР, 1988. - С. 99-104.
21. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционнокинетического показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород // Газопылеэлектробезопасность горных работ.- М.: ИПКОН АН СССР, 1990. - С. 60-68.
22. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Метод и аппаратура для экспресс-исследования газоносных образцов пород // Геохимия газов в кристаллических породах и эндогенных процессах: Тез. докл. Межд. симпозиума 15-17 сентября 1993 г., Апатиты, Кольский научный центр. - 1994. - С. 21-22.
23. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The relationship between pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams // Mining Science and Technology. - 1989. No. 8. - P. 109-131.
24. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Gas emission from coal and associated strata: interpretation of quantity sorption-kinetic characteristics // Mining Science and Technology. - 1989. No. 8. - P. 263-284.
25. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples // International Journal of Mining and Geological Engineering.
- 1989. No. 7. - P. 101-121.
26. Авторское свидетельство СССР № 1096375. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, И.А. Горбунов и др. МКИ Е 21 5/00. - 1984. - Бюл. № 21.
27. Патент РФ № 2019706. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г. МКИ E 21 F 5/00. - 1994. - Бюл. № 17.
28. Радченко С.А. Газотеплообмен при разработке метаноносных угольных пластов: Монография. - М.: ООО «Линкор», 2008. - 356 с.
29. Радченко С.А. Новые способы и устройства для экспресс-оценки газокинетических свойств призабойной зоны пласта по температуре угля и газо-выделению из него: Монография. - Тула: ООО «Промпилот», 2008. - 396 с.
30. Патент РФ № 2016391. Устройство для отбора и исследования сыпучего груза / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ G 01 N 1/20. - 1994. - Бюл. № 13.
31. Патент РФ № 2034157. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ E 21 F 5/00. - 1995. - Бюл. № 12.
32. Радченко С.А. Портативные устройства для повышения безопасности буровых и проходческих работ на углеметановых месторождениях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. № 11. - С. 322-329. шгЛ
Radchenko S.A., Matvienko N. G.
DEVELOPMENT OF EXPRESS METHODS AND PORTABLE MULTIPURPOSE DEVICES FOR ESTIMATION OF GAS-KINETIC PRO-PERTIES AND GAS BEARING VALUE COAL IN A FACE
This paper reports on the development of the 30-years scientific research of the IPKON RAN for increasing of safety of coal mining on the base of new methods and portable devices for fast, handy and cheap evaluation in mine workings of degree of danger of gas and coal outbursts which are based on measuring of coal temperature, gas emission from cuttings and methane content of coal by using cuttings from boreholes. It is one of the most perspective and accessible directions of increasing safety and effectiveness of mining of coal and methane in mines.
Key words: gas content in mining developments, emission-risky coal seams,
close-to-face zone.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Радченко С.А. - доктор технических наук, доцент кафедры технологии, машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, город Тула, E-mail: miocepo@tula.net
Матвиенко Н.Г. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН, город Москва, E-mail: elena-sol@mail.ru
