CC BY
72
УДК 622.831.322
А.В. Шадрин (доктор технических наук, член-корреспондент РАЕН, начальник научного управления ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»)
А.О. Чугулев (заместитель технического директора ОАО «Угольная компания «Северный Кузбасс»)
Автоматизированный дифференцированный прогноз различных типов газодинамических явлений в угольных шахтах
Изложены физические основы дифференцированного прогноза различных типов газодинамических явлений в угольных шахтах с помощью спектрально-акустического и газоаналитического методов контроля устойчивости угольного массива и периодического измерения прочности угля прочностномером.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, № гранта 07-05-96015-Р_Урал_а.
Ключевые слова: ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ВНЕЗАПНЫЙ ВЫБРОС УГЛЯ И ГАЗА, ГОРНЫЙ УДАР, СУФЛЯР, ВНЕЗАПНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ УГЛЯ С ПОВЫШЕННЫМ ГАЗОВЫДЕ-ЛЕНИЕМ, ВНЕЗАПНОЕ ОБРУШЕНИЕ С ПОВЫШЕННЫМ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ, СПЕКТРАЛЬНОАКУСТИЧЕСКИЙ И ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ, КРИТЕРИЙ ОПАСНОСТИ
Различные типы газодинамических явлений (ГДЯ) предполагают соответствующие способы их предотвращения, которые различаются как технологией проведения, так и временными и ресурсными затратами на их осуществление. Поэтому прогнозирование приближения к опасной зоне проявления ГДЯ, равно как и типа вероятного явления, - весьма важные задачи предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах.
Всю совокупность ГДЯ можно разбить на три группы:
• явления, вызываемые лишь газовым фактором. К ним относятся кратковременное загазирование выработок и суфляры;
• явления, вызываемые лишь горным давлением. К ним относятся: горный удар; микроудар; толчок; стреляние; внезапное выдавливание угля; горный удар с разрушением пород (угля) почвы (кровли) выработки;
• явления, вызываемые и газовым фактором, и горным давлением. К ним относятся: внезапный выброс угля и газа; внезапный прорыв метана из почвы выработки; внезапное обрушение (высыпание) угля с повышенным газовыделением.
На угольных шахтах России и других стран возможны и имели место все названные выше типы ГДЯ.
Анализ литературных источников по проблеме ГДЯ показал, что на склонность пластов к проявлению тех или иных типов ГДЯ влияют, в первую очередь, действующие напряжения, обусловленные горным и газовым давлением, структура и физико-механические свойства угольных пластов и вмещающих пород: мощность, угол и глубина залегания с учетом неровности земной поверхности, количество в свите и удаленность друг от друга угольных пластов; степень их тектонической нарушенности; наличие защитной отработки пластов, слоистость и трещиноватость угля и вмещающих пород; прочностные и фильтрационно-коллекторские свойства угля и пород, их обводненность и др., которые в дальнейшем будем называть первичными параметрами и факторами развязывания ГДЯ.
Особую роль в формировании опасной по проявлению ГДЯ ситуации играют тектонические нарушения, которые являются, как правило, зонами низкой прочности угля и слабой газофильтрационной способности, вследствие чего здесь аккумулируется повышенное содержание газа. Тектонические нарушения характеризуются также повышенным горным давлением на некотором удалении от краев зон нарушенного угля, куда перемещается опорное давление.
Удароопасные пласты, как правило, характеризуются наличием мощных крепких пачек угля, способных упруго деформироваться и хрупко разрушаться в условиях повышенного горного давления.
Выбросоопасные пласты, напротив, характеризуются наличием пачек перемятого угля с большим количеством сорбированного газа. Эти пачки способны к разрушению в условиях повышенного горного давления с быстрым образованием большого количества свободного газа.
Таким образом, ненарушенные крепкие угли в условиях повышенных напряжений являются зонами, опасными по проявлению горных ударов и подобных им явлений: микроударов, толчков и стреляний. Сильно нарушенные угли в условиях повышенных напряжений являются зонами, опасными по проявлению внезапных выбросов угля и газа и подобных им явлений: кратковременных загазирований выработок, внезапных обрушений (высыпаний) угля с повышенным газовыделени-ем, внезапных выдавливаний угля, а также суфляров.
Исторически первыми появились методы прогноза ГДЯ, основанные на контроле первичных факторов и параметров развязывания этих явлений - действующих на пласт сил горного и газового давления, прочности угля и вмещающих пород и других. Однако эти параметры требуют продолжительных и объемных работ, что значительно сдерживает ведение горных работ. Поэтому ученые и практики перешли к разработке и внедрению геофизических методов прогноза опасности проявления ГДЯ, которые опосредованно оценивают первичные факторы развязывания ГДЯ и значительно менее трудоемки. Так появились методы прогноза по акустической эмиссии, электромагнитной эмиссии, спектрально-акустический метод, газоаналитический метод (по концентрации метана у забоя выработки) и другие.
Однако эти методы имели общий недостаток - низкую достоверность, что обусловлено тем, что каждый из них в отдельности контролировал какой-либо один из основных факторов, определяющих опасность проявления ГДЯ. Поэтому была поставлена задача обосновать комплексный метод автоматизированного дифференцированного прогноза различных типов ГДЯ, учитывающий несколько основных факторов их развязывания.
Была предложена следующая схема обоснования автоматизированного дифференцированного прогноза различных типов ГДЯ, включающая три этапа. На первом этапе необходимо найти способ дифференциации типов ГДЯ по основным первичным факторам и параметрам их развязывания (горное и газовое давление пласта и, возможно, другие характеристики). На втором этапе
- выразить первичные факторы через вторичные, которые удается контролировать неразрушающими геофизическими методами. На третьем этапе - установить геофизические критерии реализации различных типов ГДЯ. Приведем полученные результаты по этим этапам.
Установление критериев потери устойчивости для ГДЯ типа внезапных выбросов угля и газа, горных ударов, суфляров, внезапных выдавливаний с повышенным газовы-делением и внезапных обрушений (высыпаний), выраженных через первичные параметры
Для установления критериев потери устойчивости различных типов ГДЯ через первичные факторы и параметры были проанализированы известные методы регионального, локального и текущего их прогноза.
Анализ региональных методов прогноза ГДЯ показал, что к настоящему времени не существует утвержденного в установленном порядке метода дифференцированного прогноза различных их типов, хотя попытки его создания известны. В частности, ВНИМИ разработаны «Методические указания по прогнозированию динамических явлений на угольных пластах по их фазовофизическим свойствам» [1]. Метод основан на том, что пласты, опасные по горным ударам и сходным с ними явлениям, выглядят как бы «плотными» и поэтому в них объем фильтрующих пор, в которых может накапливаться газ, незначителен. В противоположность им пласты, склонные к внезапным выбросам и сходным с ними явлениям, - «рыхлые», т.к. содержат большой объем порового пространства, в котором заключено большое количество газа. Исходя из этого, по мнению авторов, достаточно на основании лабораторного анализа проб, полученных при разведочных работах, определить структурный показатель угля и естественную влажность его, которая влияет на фильтрацию газа, чтобы оценить склонность пласта к тому либо иному виду ГДЯ. Несмотря на бесспорность сделанного авторами предположения о влиянии порового объема на вероятный тип ГДЯ и роли, которую играет при этом влажность, указанных характеристик угля явно недостаточно для дифференцирования типов ГДЯ и оценки степени опасности их проявления, т.к. не учитывается целый ряд других горно-геологических и горнотехнических факторов, указанных выше, которые также влияют на реальную опасность в конкретных условиях.
В подходе ВостНИИ при разработке единого метода регионального прогноза большинства типов ГДЯ анализируется газодинамическая реакция пласта при разведочном бурении контрольных шпуров в конкретных условиях [2, 3]. При этом для оценки опасности проявления внезапных выбросов угля и газа и сходных с ними явлений используется 26 параметров (существует и упрощенный вариант методики с меньшим числом параметров). А оценка удароопасности производится дополнительным методом по выходу бурового штыба [4].
В Кузбассе сегодня достаточно широко применяется также регионально-зональный метод определения критических глубин выбросоопасности Нкр по геологоразведочным данным. Этот метод основан на определении глубины залегания поверхности метановой зоны, градиента метано-носности, выхода летучих веществ, содержания фюзинита и расчете Нкр по этим данным [5]. С его
помощью в последние два десятилетия работниками НЦ ВостНИИ (научный руководитель - В.А. Рудаков) уточнена критическая глубина появления внезапных выбросов для всех действующих шахт Кузбасса. Учитывая высокую надежность и точность этого регионального метода прогноза, его можно было бы использовать для прогноза выбросоудароопасности в сочетании с методом прогноза горных ударов по выходу бурового штыба (буровой мелочи). Последний также по результатам многолетнего использования характеризуется высокой надежностью и точностью.
Рекомендуемый действующими нормативными документами метод регионального прогноза горных ударов по выходу буровой мелочи при поинтервальном бурении шпуров позволяет оценить только склонность угля к хрупкому разрушению в форме горного удара без учета влияния вмещающих пород. Совместный учет прочностных и деформационных свойств угля и вмещающих пород возможен в виде комплексного показателя удароопасности, который по аналогии с определением вероятности сложного события (горного удара), обусловленного двумя независимыми простыми событиями - удароопасностью угольного пласта и устойчивостью горных пород, записывается в виде произведения (комплексного показателя удароопасности) и соответствующих коэффициентов К и Б, характеризующих вероятность указанных простых событий:
и = КБ, (1)
где К - коэффициент удароопасности пласта;
Б - коэффициент устойчивости пород кровли.
Если коэффициенты К и Б нормировать на единицу, например, путем отношения текущего значения показателя на его максимально возможное значение, то показатель и приобретет смысл вероятности с областью значений, определенной на интервале [0-1]. Тогда комплексную ударо-опасность массива (пласта и вмещающих пород) можно приближенно определить следующим образом:
• при и<0,5 - массив не опасен по горным ударам;
• при 0,5<и<0,75 - массив угрожаем по горным ударам;
• при и>0,75 массив опасен по горным ударам.
Как видно из проведенного анализа, ни региональный, ни регионально-зональный методы прогноза опасности проявления ГДЯ не позволяют дифференцировать возможные типы рассматриваемых явлений.
Анализ литературных источников показал, что как не существует единого регионального, так нет и единого локального методов дифференцированного прогноза различных типов ГДЯ для шахт России и зарубежных угольных регионов. Нормативными документами для шахт России регламентируется производить раздельный локальный прогноз выбросоопасности и удароопасности угольных пластов. Представляется, что это явилось следствием разделения изучаемых явлений между крупными научными организациями СССР: во ВНИМИ и его филиалах изучали горные удары и разрабатывали мероприятия по их прогнозу и предотвращению, а в ИГД им. А.А. Скочинского, МакНИИ и ВостНИИ изучали внезапные выбросы угля и газа (МакНИИ - в Украине, а ВостНИИ - в восточных районах СССР).
По данным НЦ ВостНИИ на глубинах, ниже критической по фактору выбросо- и удароопас-ности, установленных методами регионального, регионально-зонального и локального прогноза, протяженность выработок с реальной опасностью проявления всех возможных типов ГДЯ не превышает 20% от общей их протяженности. Причем протяженность с угрозой проявления наиболее опасных из них - внезапных выбросов угля и газа - не превышает 5%. Поэтому, учитывая значительную стоимость профилактических мероприятий по снижению опасности проявления ГДЯ, на этих глубинах осуществляют текущий прогноз вероятных типов ГДЯ, уточняющий границы опасных зон.
Единый метод текущего прогноза всех типов газодинамических явлений в подготовительных выработках угольных шахт был разработан впервые в Кузбассе и эпизодически (в качестве контрольного) применяется до сих пор [6]. Метод основан на измерении во времени начальной скорости газовыделения и выхода буровой мелочи при поинтервальном бурении контрольных шпуров. В этом методе начальная скорость газовыделения gH, л/минм, характеризует газовый фактор проявления ГДЯ, а выход штыба S, л/м, - прочностные свойства угля и напряженное состояние массива в контролируемой зоне. Прогноз вероятных типов ГДЯ в соответствии с этим методом осуществляется следующим образом [6]. В координатах (gH max , Smax) на основании многочисленных экспериментальных данных, полученных на шахтах Кузбасса, была построена гипербола вида:
(Smax - 1,8)(gH max - 4) — 6. (2)
Отдельным типам ГДЯ соответствуют следующие участки, примыкающие к этой гиперболе:
• правее и выше гиперболы расположена зона, соответствующая опасности по внезапным выбросам угля и газа;
• левее гиперболы при gH max > 10 л/мин м и Smax < 2,5 л/м находится зона, опасная по суфлярам;
• ниже гиперболы в области значений (8 < Smax < 15) л/м находится зона, опасная по горным ударам;
• ниже гиперболы при Smax > 15 л/м находится зона, опасная по внезапным высыпаниям угля;
• в области минимальных значений Smax < 4л/м и gH max < 8 л/мин м расположена зона, не опасная ни по каким типам ГДЯ.
По-видимому, аналогичные критерии проявления различных типов ГДЯ по результатам многочисленных экспериментальных исследований можно установить и для других угольных регионов планеты.
Из приведенного анализа литературных источников следует:
1 Критерии потери устойчивости для различных типов ГДЯ, выраженные через первичные факторы и параметры, характеризующие опасность проявления этих явлений, установлены только для текущего прогноза явлений.
2 Дифференциация типов ГДЯ возможна путем контроля начальной скорости газовыделе-ния (характеризует газовый фактор опасности) и выхода буровой мелочи (характеризует прочность угля и действующие на пласт напряжения) при бурении контрольных шпуров.
3 Каждому типу ГДЯ, равно как и неопасному состоянию пласта, соответствует определенная область значений начальной скорости газовыделения и выхода буровой мелочи при бурении контрольных шпуров.
4 Не установлено четких границ между областями значений первичных факторов и параметров, характеризующих опасность проявления различных типов ГДЯ.
5 В силу большой продолжительности осуществления дифференцированного прогноза различных типов ГДЯ по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи при бурении контрольных шпуров в остановленном забое выработки данная методика сдерживает темпы ведения горных работ, осуществляемых современным высокоскоростным проходческим оборудованием. Поэтому требуется ее замена на современную методику, основанную на автоматизированном непрерывном контроле основных факторов, определяющих устойчивость горных выработок в процессе их проходки.
Рассмотренный метод дифференцированного текущего прогноза различных типов ГДЯ был разработан в основном по результатам экспериментальных исследований газодинамической реакции пласта на бурение контрольной скважины. Многочисленные исследования показали, что контролируемые этим методом параметры: начальная скорость газовыделения и выход штыба из шпура зависят преимущественно от сил горного и газового давления и прочности угля при безусловном влиянии других рассмотренных выше факторов. Покажем это, рассмотрев упрощенную модель потери устойчивости призабойного участка горного массива.
Началом любого типа ГДЯ является развитие трещин в угольном пласте, которое лишь в случае суфляра не приводит к потере устойчивости горного массива, тогда как все остальные типы сопровождаются отторжением от массива некоторой его части, ограниченной трещинами. Для этого случая справедливо следующее условие потери устойчивости массива [7]:
р + р + р
_бд-----г----т > 1 (3)
Р
с.в.т.
В этом условии в числителе приведены активные (инициирующие), а в знаменателе пассивные (препятствующие) силы развязывания ГДЯ, причем первое слагаемое в числителе Еб.д соответствует силе бокового давления на выдвигаемый горным давлением из массива в выработку блок угля, второе слагаемое Рг - силе газового давления на выдвигаемый блок угля, третье Рт -силе тяжести, действующей на этот же угольный блок, а знаменатель Рс.вт - силам сцепления и внутреннего трения угля в массиве. Выражения для определения компонентов активных и пассивных сил приведены в работе [7].
Отношение активных и пассивных сил здесь представлено в форме трех слагаемых. Первое слагаемое представляет собой величину, прямо пропорциональную отношению бокового давления к силе, препятствующей выдвиганию угольного блока, которая может быть выражена через прочность угля. Второе слагаемое прямо пропорционально отношению произведения давления свободного газа в угле и площади поверхности выдвигаемого блока к силе, препятствующей выдвиганию угольного блока. Третье слагаемое прямо пропорционально отношению гравитационных сил к силе, препятствующей выдвиганию угольного блока.
Из анализа рассматриваемого критерия устойчивости видно, что к разрушению массива может привести как действие каждой из рассматриваемых сил (горизонтальная компонента нормальных напряжений или давление газа, или гравитационная сила), взятых по отдельности, при условии равенства нулю остальных сил, так и их совместное действие. В большинстве случаев по угольным пластам проводятся горизонтальные выработки. Для них влиянием на устойчивость массива силы гравитации можно пренебречь. Поэтому предельное состояние устойчивости массива выразится в форме равенства единице суммы двух слагаемых: первое представляет собой отношение текущего значения параметра, характеризующего горизонтальную компоненту горного давления, к его предельному значению; второе представляет собой отношение текущего значения параметра, характеризующего давление газа на выдвигаемый блок угля, к его предельному значению, т.е.
1 Пн, т/Кн, пр + Пг, т/Кг, пр. (4)
В этом соотношении параметры: Пн, т и Пг, т - текущие значения параметра, характеризующего соответственно горизонтальную компоненту горного давления и давление газа; Кн, пр и Кг, пр - предельные значения параметра, характеризующего соответственно горизонтальную компоненту горного давления и давление газа.
Связь первичных факторов опасности проявления ГДЯ со вторичными, контролируемыми неразрушающими геофизическими методами
Компоненты горного и газового давления, влияющие на устойчивость горного массива и являющиеся первичными параметрами развязывания ГДЯ, удалось выразить через вторичные -геофизические. Обоснование этого представлено в работе [8]. В ней показано, что действующие напряжения можно контролировать спектрально-акустическим методом (по величине отношения (параметр К) высокочастотной и низкочастотной составляющих шумов, прошедших от работающего в забое выработки горного оборудования до геофона, удаленного от забоя выработки на расстояние 5-30 м), а давление газа в пласте - газоаналитическим методом (по концентрации метана С в выработке вблизи забоя, контролируемой аппаратурой газового контроля (АГК)). Тогда, в частности, в выражении (4) при спектрально-акустическом контроле напряженного состояния будем иметь ПН' т = Кт (текущее значение отношения высокочастотной и низкочастотной компонент спектра частот работающего горного оборудования), а при газоаналитическом контроле пластового давления газа по концентрации метана у забоя выработки Пг,т = Ст (текущее значение концентрации метана в атмосфере выработки).
Более того, через показатели опасности спектрально-акустического контроля К и газоаналитического С можно выразить и компоненты числителя выражения (3), являющегося критерием устойчивости горного массива. Однако в знаменателе этого выражения силу, препятствующую разрушению и зависящую от прочности угля, выразить через параметр какого-либо непрерывного геофизического метода контроля состояния массива пока не удалось. Поэтому было предложено прочность угля эпизодически контролировать прочностномером конструкции ИГД им. А.А. Скочин-
ского. Тогда для конкретного значения прочности угля зона, опасная по проявлению ГДЯ, оказывается внутри треугольника, образованного прямой, проходящей через точки с координатами:
(О, Стах) и (Ктах , 0) , (5)
а также осью абсцисс (ось значений К) и осью ординат (ось значений концентрации метана С). Здесь Ктах и Стах - предельные значения соответственно показателя опасности спектральноакустического контроля и концентрации метана в атмосфере выработки в случае, если действует лишь один фактор развязывания ГДЯ (или горное давление при отсутствии газа в пласте, или лишь давление газа при равенстве о3 =0) для данного значения прочности угля. Всему возможному диапазону изменений прочности угля соответствует семейство аналогичных прямых, построить которые еще предстоит.
При некоторых параметрах угольного пласта и напряженного состояния текущие значения показателей опасности, определенные раздельно для сил горного давления и давления газа, могут не достигать предельных значений (5) на осях координат. Это обусловлено тем, что фоновые значения показателей спектрально-акустического и газоаналитического контроля при остановленном забое и не работающем оборудовании отличны от нуля. В этом случае прямая (4) при приближении к той или иной оси координат начнет отклоняться от прямолинейного направления, распространяясь все более параллельно соответствующей оси координат. Таким образом, в системе координат (Ст, Кт) получается кривая, разделяющая опасную и неопасную зоны и выраженная через параметры геофизических методов контроля, которая похожа на экспериментально построенную гиперболу вида (2), разделяющую зоны, опасные и не опасные по проявлению внезапных выбросов угля и газа, и выраженную через параметры «прямого» или, как его чаще называют, -«инструментального» метода прогноза ГДЯ (через начальную скорость газовыделения и выход штыба при бурении контрольных шпуров). Тогда по аналогии с методом дифференциации типов ГДЯ по зонам с соответствующими областями значений gн тах и 8тах можно выделить зоны в системе координат показателей опасности геофизических методов контроля С тах и Ктах. Перейдем к обоснованию вероятных областей значений этих величин для различных типов ГДЯ.
Установление критериев потери устойчивости для различных типов ГДЯ через вторичные (геофизические) параметры
Анализ показал, что указанных трех параметров: отношения высокочастотной и низкочастотной областей спектра акустических шумов, концентрации метана вблизи забоя выработки и прочности угля недостаточно для дифференцирования различных типов ГДЯ. Поэтому было предложено принять во внимание известный факт: специфику скорости изменения концентрации метана в выработке в процессе ведения горных работ по углю и после их прекращения при различной опасности проявления ГДЯ [9]. Это не требует дополнительного оборудования для ведения непрерывного автоматизированного мониторинга горного массива, но дает дополнительную информацию о газовом факторе опасности проявления ГДЯ. Дополнительную возможность предоставляет также аналоговый акустический тракт спектрально-акустического метода контроля, который помимо основного назначения позволяет оператору на поверхности, имеющему достаточный опыт
работы с этой аппаратурой, по характеру регистрируемого «шума» судить о происходящих в контролируемой выработке процессах.
В результате выполненного анализа применения описанных выше геофизических методов текущего контроля состояния призабойного пространства выработки были получены следующие способы идентификации и критерии проявления различных типов ГДЯ:
1 Идентификация суфляра. Данное явление наблюдается чаще всего при подходе выработки к крупному дизъюнктивному нарушению, которое препятствует миграции газа по пласту. В результате этого локально аккумулируются большие объемы газа в крупных системах трещин, при вскрытии которых выработкой в ней резко повышается концентрация метана, высокое значение которой сохраняется после прекращения ведения горных работ по углю от нескольких часов до месяцев.
Прогнозировать данное явление можно весьма приближенно с помощью геологоразведочных данных по факту приближения к крупному дизъюнктивному нарушению пласта. Идентифицировать проявление его с помощью указанного выше геофизического контролирующего оборудования можно следующим образом. Факт появления суфлярного газовыделения достаточно легко обнаружить дистанционно по показаниям АГК после прекращения работ по углю. Значение показателя К перед этим не должно достигать предельных значений, тем самым свидетельствуя о том, что в выработке не могли произойти другие типы ГДЯ, сопровождающиеся выделением в атмосферу значительных объемов газа. Отсутствие характерных «акустических образов», которые можно услышать по акустическому каналу из контролируемой выработки, позволяет при этом оператору исключить в качестве источника газа иные типы ГДЯ, сопровождающиеся динамическими явлениями.
2 Дифференциация выбросоподобных и удароподобных типов проявления ГДЯ. Наиболее сложным и опасным газодинамическим явлением в угольных шахтах является внезапный выброс угля и газа. Данное явление, как показано ранее [7], прогнозируется по показателю К, концентрации метана у забоя выработки и прочности угля. Однако этим же показателем прогнозируются и другие газодинамические явления, такие как горный удар с повышенным газовыделением, внезапное выдавливание (высыпание) угля с повышенным газовыделением, внезапное обрушение угля с повышенным газовыделением и ряд других опасных явлений. Дифференциация их даже инструментальными методами, например, основанными на анализе газовыделения и выхода буровой мелочи при бурении разведочных скважин, является весьма проблематичной. Это объясняется тем, что все эти явления начинаются практически одинаково с локальной потери устойчивости горного массива, сопровождающейся выдавливанием или «отстреливанием» куска (блока) угля из-за превышения действующих напряжений, вызванных горным и газовым давлениями, в каком-либо участке массива предельных значений. Дальнейшее протекание процесса зависит от большого количества факторов и может проявиться в форме наиболее опасных явлений: внезапного выброса угля и газа или горного удара, либо их «недоразвитых» аналогов - соответственно внезапного выдавливания угля с повышенным газовыделением или внезапного обрушения угля с повышенным газовыделением. На практике встречаются еще более сложные - комбинированные газодинамические явления, начинающиеся с локальной потери устойчивости в форме горного удара, что приводит к разгрузке краевой части пласта и вследствие этого интенсивной десорбции газа из газонасыщенной перемятой угольной пачки, если таковая имеется, сопровождающиеся
далее собственно внезапным выбросом угля и газа. К аналогичному более сложному типу ГДЯ относятся и внезапные разрушения пород почвы (кровли) с выносом метана и угля, в проявлении которых, вероятно, участвуют одновременно механизмы горного удара и внезапного выброса.
Дифференциацию вероятных типов выбросо- и удароподобных явлений можно проводить по ряду признаков.
Во-первых, многочисленные исследования ВостНИИ, ВНИМИ и ряда других научноисследовательских организаций показывают, что внезапные выбросы угля и газа происходят на пластах, характеризующихся непрочным углем или имеющим пачки непрочного перемятого угля (чем больше мощность такой пачки, тем опаснее). В частности, в работе [10] находим, что вероятность Рв отнесения участков пластов к опасным по внезапным выбросам обратно пропорциональна прочности угля /у и для Кемеровского и Прокопьевского районов Кузбасса на определенных глубинах разработки приближенно описывается выражением:
Рв =0,81 ЧУ - 0,53, (6)
где/у - прочность угля по М.М. Протодьяконову.
В соответствии с этим фактом действующим нормативным документом по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа регламентируется относить пачку угля мощностью 0,2 м и более к потенциально выбросоопасной, если ее прочность q, замеренная прочностноме-ром конструкции ИГД им. А.А. Скочинского, менее 75 у.е. (соответствует пределу прочности на сжатие ас = 3,85 МПа). При прочности, близкой к этому значению, возможны выбросоподобные явления типа внезапных выдавливаний угля с повышенным газовыделением.
Напротив, специалистами по борьбе с горными ударами на основании натурных исследований показано, что удароопасность прямо пропорциональна прочности угля. Об этом свидетельствует, например, работа [11], в которой коэффициент удароопасности для угольных пластов Кузбасса определяется выражением:
Ку = 14 ас -12% при 1,0 Мпа < ас < 8,0 МПа , (7)
где Ку - отношение упругой относительной деформации к полной относительной деформации.
При этом уголь относится к удароопасным, если Ку >70%. Из формулы (7) находим, что это имеет место при ас = 5,85 МПа.
Объединяя два этих предельных значения, имеем следующие прочностные критерии опасности для пластов Кузбасса:
при ас < 3,85 МПа (ц < 75 у.е.) - пласт относится к выбросоопасным;
при ас > 5,85 МПа (ц > 100 у.е.) - пласт относится к удароопасным.
Отсюда видно, что для области значений ас =3,85-5,85 МПа тип опасного явления ГДЯ не определен, т.е. может произойти как недоразвившийся внезапный выброс - внезапное выдавливание с повышенным газовыделением, так и недоразвившийся горный удар - внезапное обрушение с повышенным газовыделением.
Во-вторых, многочисленными экспериментальными исследованиями в Кузбассе показано, что выбросоопасные пласты имеют (при высокой газоносности) слабую газопроницаемость. Это
проявляется в процессе текущего прогноза выбросоопасности в гораздо более быстром снижении начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров при прекращении бурения скважины до фонового значения на выбросоопасных участках в сравнении с невыбросоопасными участками пластов (см., например, работу [12]). Оценки свидетельствуют о том, что если после прекращения отбойки угля из выбросоопасной зоны пласта концентрация метана у забоя подготовительной выработки при условии немедленной отгрузки отбитого угля из выработки снижается на 50% за 1520 мин, то зона пласта опасна по проявлению собственно внезапных выбросов. Если это время увеличивается в полтора-два раза, то зона пласта может быть отнесена к опасной по внезапным выдавливаниям угля и газа с повышенным газовыделением.
Это обстоятельство является единственным найденным нами основанием для разработки алгоритма и критериев дифференцирования внезапных выбросов и внезапных выдавливаний угля. При этом следует учитывать, что характерная для внезапных выбросов скорость снижения концентрации метана зависит от сечения выработки, типа проходческого комбайна и системы проветривания. Для очистной выработки этот признак выбросоопасности использовать нельзя, т.к. размеры выбросоопасной зоны значительно меньше длины забоя и особенности газовыделения из опасной зоны будут неразличимы на фоне газовыделения из остальной части забоя.
В-третьих, из разработанной модели развития ГДЯ следует, что потеря устойчивости горного массива происходит благодаря двум основным факторам - горному и газовому давлениям. Эти два фактора оцениваются рассмотренными выше соответственно показателем спектральноакустического контроля К и концентрацией метана у забоя выработки. Причем, показатель К0 (взятый без учета вклада газового фактора) характеризует средние значения действующих напряжений в призабойной зоне пласта и экспоненциально возрастает по мере увеличения этих напряжений до критического значения, а давление газа в пласте в первом приближении (по В.В. Хо-доту, см., например, [8]) прямо пропорционально квадратному корню из величины приращения концентрации метана в атмосфере выработки над фоновым значением, замеренным до начала работ по углю. Таким образом, динамика отношения этих двух показателей во времени свидетельствует о соотношении между собой факторов опасности проявления ГДЯ. А одновременный учет прочности угля позволяет прогнозировать опасность проявления удароподобных явлений с увеличением прочности угля при превалировании фактора горного давления над газовым. И, наоборот, по мере снижения прочности угля и превалирования газового фактора можно ожидать развязывания выбросоподобных явлений.
Резюмируя выполненный анализ предлагаемых алгоритмов и критериев дифференциации типов ГДЯ, имеем следующий набор признаков для разных их типов проявления:
• Суфляр имеет место при любом значении прочности угля, если после прекращения работы комбайна по углю несколько часов и более сохраняется высокое значение концентрации метана в атмосфере выработки. При этом показатель спектрально-акустического контроля как до, так и после проявления суфляра - менее критического значения, а «акустический образ» соответствует состоянию «спокойно».
• Внезапный выброс угля и газа в подготовительной выработке прогнозируется по наличию следующих признаков: прочность угля q < 75 у.е., показатель спектрально-акустического контроля К > Ккрит, регистрируется высокая скорость снижения концентрации метана после прекра-
щения работы комбайна, например, на 50% от максимального значения за 15-20 мин, возможно снижение отношения показателей К0/С (отношения показателя спектрально-акустического контроля без «газовой поправки» к значению концентрации метана в атмосфере выработки) относительно характерного для данной выработки значения, возможны характерные «звуковые образы» из выработки: заметное повышение или снижение активности акустической эмиссии. В очистной выработке, по-видимому, отследить зону с быстрым изменением концентрации метана не удастся.
• Внезапное выдавливание угля с повышенным газовыделением прогнозируется по наличию тех же признаков, что и для внезапных выбросов, но они менее выражены. Можно принять во внимание, что если выработка нисходящая, то в ней не удастся развиться явлению потери устойчивости до внезапного выброса благодаря сдерживающему влиянию гравитационных сил.
• Горный удар прогнозируется по наличию следующих признаков: прочность угля q >100 у.е., показатель спектрально-акустического контроля К > Ккрит, регистрируется типичная для данной выработки скорость снижения концентрации метана после прекращения работы комбайна, возможно заметное повышение отношения показателей К0/С относительно характерного для данной выработки значения, возможны характерные «звуковые образы» из выработки: заметное повышение или снижение активности акустической эмиссии.
• Внезапное обрушение с повышенным газовыделением прогнозируется по наличию тех же признаков, что и для горных ударов, но они менее выражены. Следует принять во внимание, что в восходящей выработке либо при наличии нависающего массива данное явление может быть спровоцировано действием гравитационных сил.
Таким образом, с помощью предложенного комплексного метода автоматизированного текущего контроля призабойного пространства одновременно двумя геофизическими методами можно достаточно достоверно предсказать опасность проявления ГДЯ типа внезапный выброс угля и газа или горный удар. Но поскольку приведенный набор характерных признаков выбросо- и удароподобных явлений имеет в значительной степени качественный характер, достоверный дифференцированный их прогноз осуществить очень сложно. Сделать это можно, только привлекая средства вычислительной техники и используя алгоритмы теории распознавания образов. Следует также отметить, что автоматизированный мониторинг опасности проявления различных типов ГДЯ должен строиться на основе самообучающегося алгоритма при периодическом «под-страивании» критериев опасности по результатам одновременного прогноза инструментальными методами.
Нам представляется, что выявленные закономерности и полученные результаты в целом весьма полезны, поскольку уточняют возможности автоматизированного мониторинга опасности проявления различных типов ГДЯ и могут послужить теоретической базой для разработки аппаратуры и алгоритмов такого мониторинга.
Экспериментальные исследования корреляции первичных и вторичных факторов развязывания газодинамических явлений
Экспериментальные исследования корреляции первичных и вторичных факторов развязывания ГДЯ проводились по пласту XXVII в ОАО «Шахта «Первомайская».
Ранее при проведении путевого уклона №3 по данному пласту было зарегистрировано шесть ГДЯ, три из них - внезапные выбросы угля и газа и три - внезапные выдавливания угля с повышенным газовыделением. Характерная особенность этих явлений в том, что они произошли на участках, где прочность наиболее нарушенной пачки угля составляла (75...80)±2 у.е. (предел прочности на сжатие (3,85.4,2) ± 0,12 МПа). Данные значения соответствуют области максимальных значений прочности, при которых происходят внезапные выбросы угля и газа. Именно поэтому здесь, наряду с собственно внезапными выбросами, произошли их «недоразвитые» аналоги - внезапные выдавливания угля с повышенным газовыделением. Этот факт подтверждает один из отмеченных выше критериев дифференциации типов выбросоподобных явлений - по прочности угля.
Следующим предметом исследований явилось изучение корреляции между основным в настоящее время первичным фактором опасности проявления внезапного выброса - скоростью начального газовыделения из шпуров при их поинтервальном бурении на глубину до 6 м через 1 м, принимая к анализу лишь тот интервал, на котором получено максимальное значение (gmax, л/минм), и вторичным (геофизическим) параметром - показателем спектрально-акустического контроля, также принимая во внимание лишь его максимальное значение К0
max•
Экспериментальная выборка, полученная при проведении вентиляционного штрека 370 бис по пласту XXVII, состояла из максимальных значений gmax и соответствующих им максимальных значений K°max, полученных в течение 40 сут. Коэффициент корреляции этих величин оказался равным 0,43, что говорит об отсутствии связи между этими параметрами.
В отдельные сутки значения gmax и К0 max несколько превышали критические в соответствии с нормативными документами значения: соответственно gmax крит = 4 л/мин м и К0 max крит = 3. Однако выбросы при этом не происходили. Это говорит о том, что взятые по отдельности методы прогноза по начальной скорости газовыделения (первичный - инструментальный метод) и спектрально-акустический (вторичный - геофизический метод) имели заниженные значения критических значений контролируемых параметров, поскольку каждый из них может контролировать лишь один фактор выбросоопасности, и поэтому предполагалось, что неконтролируемый фактор может достигать выбросоопасного значения.
Для устранения излишнего «запаса надежности» при обосновании показателя и критерия выбросоопасности, учитывающего оба фактора выбросоопасности, решили руководствоваться следующими основными принципами. Во-первых, показатель и критерий выбросоопасности должны содержать, как минимум, по два слагаемых: одно - учитывает газовый фактор выбросоопасно-сти в форме gmax, второе - фактор напряженного состояния в форме К0 max. То обстоятельство, что компоненты показателя и критерия выбросоопасности по газовому фактору и фактору напряженного состояния берутся в виде слагаемых, обусловлено тем, что энергия внезапного выброса
складывается из накопленной упругой энергии сжатия пласта и энергии заключенного в нем газа. Во-вторых, поскольку компоненты комплексного показателя выбросоопасности имеют различную размерность, они должны использоваться в безразмерных относительных единицах. Этим принципам удовлетворяет комплексный показатель выбросоопасности в виде суммы отношений максимального значения gmax начальной скорости газовыделения, замеренного на каком-либо интервале при бурении контрольного шпура, и показателя К0 max спектрально-акустического прогноза выбросоопасности к их предельным значениям, равным соответственно gmax пред. = 4 л/мин и
max пред = 3:
П=(gmax/4) + (К> max/3) . (8)
При этом критерий выбросоопасности следующий: если П > 2, зона угольного массива относится к выбросоопасной, а если П < 2 - к невыбросоопасной.
При таком алгоритме определения показателя выбросоопасности «дефицит устойчивости» массива по одному из факторов выбросоопасности может перекрываться «запасом устойчивости» по другому фактору выбросоопасности. Причем, если показатель находится вблизи значения П=2, возможны выбросоподобные явления - внезапные выдавливания угля с повышенным газовыде-лением, а по мере дальнейшего увеличения значения П вероятность собственно внезапного выброса все более возрастает. (Поскольку прочность угля здесь была заметно меньше 100 у.е., опасность проявления горного удара не рассматривалась).
Данное положение и было подтверждено экспериментально в условиях ОАО «Шахта «Первомайская», т.к. даже для тех участков пласта, где gmax и К0 max превышали свои предельные значения, показатель П не превышал значения 1,7 и выбросоподобные явления не происходили.
Следующим предметом исследований явился анализ обоснованных в данной работе трех основных параметров, определяющих опасность проявления ГДЯ: прочности угля q, измеряемой прочностномером конструкции ИГД им. А.А. Скочинского, концентрации метана у забоя выработки Cmax, контролируемой аппаратурой АГК, и параметра К4Jmax, контролируемого спектральноакустическим методом с помощью аппаратуры типа АК-1, в сравнении с критическим значением Кщах крит, рассчитанным с учетом газового фактора и прочности угля по предложенному ранее алгоритму, описанному в работе [7].
Эти исследования проводились в вентиляционном 370 бис и конвейерном 370 бис штреках по пласту XXVII ОАО «Шахта «Первомайская». Отметим, что прочность угля здесь изменялась в пределах 48-83 у.е. (предел прочности на сжатие 1,96-4,41 МПа).
Исследования показали, что отклонения прочности угля от среднего значения qcp = 60 у.е. на исследуемом участке не превышали ±38%, причем около 90% протяженности контролируемых выработок приходилось на зону, опасную по внезапным выбросам (q < 75 у.е.) .
Средняя величина максимальных значений концентрации метана у забоя выработки при комбайновой отбойке угля составляла 1,25%, а область отклонений от этого среднего значения составляла ±60%. Здесь под максимальным значением концентрации метана понимается максимально зарегистрированное значение ее на протяжении одного цикла ухода выработки (от начала
работы проходческого комбайна до его остановки из-за необходимости крепления бортов выработки).
Средняя величина максимальных значений показателя опасности проявления ГДЯ спектрально-акустическим методом К0 тах составляла 1,4, а область отклонений от среднего значения достигала 121%. При этом Ктах крит, рассчитанное с учетом газового фактора и прочности угля, изменялось в пределах от 3,0 до 5,5 при среднем значении 4,8.
Эти исследования показали, что коррекция показателя опасности проявления ГДЯ спектрально-акустическим методом с учетом концентрации метана и прочности угля позволяет повысить точность прогноза по сравнению как с отдельно взятым инструментальным методом по начальной скорости газовыделения, так и с помощью отдельно взятых методов прогноза выбросо-опасности - спектрально-акустического (аппаратурой АК-1) и газоаналитического (по показаниям лишь аппаратуры газового контроля).
Таким образом, аналитические и экспериментальные исследования, результаты которых представлены в данной работе, позволяют сделать вывод о том, что непрерывный спектральноакустический и газоаналитический контроль состояния горного массива в сочетании с измерением скорости снижения концентрации метана после остановки работы проходческого комбайна, дополненный периодическим измерением прочности угля, позволяет осуществить качественную дифференциацию вероятных типов ГДЯ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам и внезапным выбросам. - СПб.: ВНИМИ, 1999. - 133 с.
2 Зыков, В.С. Проектирование противовыбросных и противоударных мероприятий для шахт Кузбасса: Рекомендации по составлению «Комплекса мер борьбы с внезапными выбросами и горными ударами при отработке опасных и угрожаемых шахтопластов» / В.С. Зыков, П.В. Егоров, А.В. Лебедев [и др.]. - Кемерово: ВостНИИ, 1999. - 159 с.
3 Зыков, В.С. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам / В.С. Зыков, А.В. Лебедев, А.В. Сурков. - Кемерово: ВостНИИ, 1997. - 261 с.
4 Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. - Л.: ВНИМИ, 1988. - 87 с.
5 Кнуренко, В.А. Региональный прогноз выбросоопасности угольных пластов / В.А. Кнурен-ко, В.А. Рудаков, П.В. Егоров, А.В. Сурков. - Кемерово: АГН, 1997. - 119 с.
6 Пузырев, В.Н. Метод текущего прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках угольных шахт/ В.Н. Пузырев // Проблемы аэрогазодинамики угольных шахт: Труды ВостНИИ. - Кемерово, 1984. - С. 32-52.
7 Шадрин, А.В. Автоматизированный прогноз предвыбросного состояния угольного пласта в процессе его отработки / А.В. Шадрин, А.О. Чугулев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - №1. - С. 60-69.
8 Шадрин, А.В. Факторы развязывания ГДЯ в угольных шахтах и их связь с неразрушающими методами контроля / А.В. Шадрин // Горный информационно-аналитический бюллетень.
- 2009. - №1. - С.200-210.
9 Полевщиков, Г.Я. Разработка адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам: дис. ... д-ра техн. наук: 05.15.11. - Кемерово, 1998. - 283 с.
10 Чернов, О.И. Прогноз внезапных выбросов угля и газа / О.И. Чернов, В.Н. Пузырев. - М.: Недра, 1979. - 296 с.
11 Егоров, П.В. Прогноз и предотвращение горных ударов на шахтах и рудниках / П.В. Егоров, А.А. Ренев, Ю.А. Шевелев // Подземная разработка месторождений полезных ископаемых/ под ред. П.В. Егорова. - Кемерово: КузГТУ, 2000. - С. 352-385.
12 Пузырев, В.Н. Научные основы и метод текущего прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках угольных шахт: дис. ... д-ра техн. наук. - Кемерово, 1981. - 411 с.
AUTOMATED DIFFERENTIATED FORECAST OF DIFFERENT TYPES OF GAS-DYNAMIC PHENOMENA IN COAL MINES
A.V. Shadrin, A.O. Chugulev
Physical grounds of differentiated forecast of different types of gas-dynamic phenomena in coal mines with the help of spectral-acoustic and gas-analytical control methods of coal massif stability and periodic measurement of coal strength with strength-meter are described.
Key words: GAS-DYNAMIC PHENOMENA, OUTBURST OF COAL AND GAS, ROCK SHOCK, BLOWER, SUDDEN EXTRUSION OF COAL WITH ENCREASED GAS EMISSION, SUDDEN ROOF FALL WITH ENCREASED GAS EMISSION, SPECTRAL-ACOUSTIC AND GAS-ANALYTICAL CONTROL, DANGER CRITERION
Шадрин Александр Васильевич Tел. (3842) 58-00-31 Чугулев Артем Олегович E-mail: ao chugulev@mail.ru
