CC BY
23TEMPERATURE CHANGE DURING THE DEVELOPMENT OF A COAL-METHANE SEAM - AS A
MEASURE OF ITS OUTBURST HAZARD
Kiryaeva T.
Candidate of Engineering Sciences, currently Senior Researcher at the Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences.
Krasnyi pr. 54, Novosibirsk, 630091, Russia
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГЛЕМЕТАНОВОГО ПЛАСТА - КАК
МЕРА ЕГО ВЫБРОСООПАСНОСТИ
Киряева Т.
Кандидат технических наук Старший научный сотрудник ИГД СО РАН Красный проспект, 54, Новосибирск, 630091, Россия
Abstract
The article shows that when a person intervenes when opening a coal seam, its internal energy changes. This manifests itself in temperature changes of different sign, which in turn can be an indicator of the processes occurring in the gas-saturated coal seam. The values of temperature changes in coal mines during sudden outbursts of coal and gas, as well as the results of physical modeling of thermodynamic processes under uniaxial loading of coal samples in the laboratory are given. It was found that at the stage of pre-fracture inside rock samples, low-frequency micro-deformation processes occur between structural units (oscillations with a frequency of 0.5 - 4 Hz), the amplitude of which correlates with an increase in temperature in a coal sample when it is loaded.
Аннотация
В статье показано, что при вмешательстве человека при вскрытии угольного пласта меняется его внутренняя энергия. Это проявляется в различных по знаку изменениях температуры, что в свою очередь может быть показателем процессов, происходящих в газонасыщенном угольном пласте. Приведены значения изменения температуры в угольных шахтах при внезапных выбросах угля и газа, а также результаты физического моделирования термодинамических процессов при одноосном нагружении образцов угля в лаборатории. Установлено, что на стадии предразрушения внутри образцов горных пород возникают низкочастотные процессы микродеформирования между структурными отдельностями (колебания с частотой 0,5 - 4 Гц), амплитуда которых коррелирует с увеличением температуры в угольном образце при его нагружении.
Keywords: coal bed temperature, uniaxial loading, deformation-wave processes, methane, sudden outbursts of coal and gas, coal sample.
Ключевые слова: температура угольного пласта, одноосное нагружение, деформационно-волновые процессы, метан, внезапные выбросы угля и газа, образец угля.
С открытием волн маятникового типа [1], изучением деформационно-волновых процессов в окрестностях горных выработок наступил новый этап в понимании реальной сложности решения проблемы обеспечения безопасных условий ведения горных работ при освоении полезных ископаемых на глубоких горизонтах, возникло новое направление исследований - геомеханическая термодинамика. Нетронутые угольные пласты в результате длительных геологических и физико-химических процессов находятся в состоянии термодинамического равновесия. Внутренняя энергия такой равновесной системы изменяется при вмешательстве человека при вскрытии пласта. Это проявляется в различных по знаку изменениях температуры, наблюдающихся при разработке угольных пластов.
Снижение температуры угля в процессе его разработки — факт, отмеченный еще в работе Н. П. Черницына [2]. Дегазирующийся уголь заметно
охлаждается. Изучение этого явления показало, что степень охлаждения угля определяется количеством выделившегося метана, а также скоростью метановыделения из угля [3, 4]. Потеря тепла при этом идет не только за счет непосредственно десорбции, но и за счет энергии, затрачиваемой на расширение сжатого метана, находящегося в свободном состоянии.
Большое количество исследований посвящено тому, как, измеряя скорость охлаждения угля, оценивать скорость выделения метана из него [4, 5]. Экспериментальные исследования по нагружению образцов дегазированного угля [5, 6], а также исследования, проведенные в шахтах на естественных блоках угля [7] показали, что температура угля повышается при увеличении напряжений, создаваемых в нем искусственным нагружением. Это положение при разработке угольного пласта проявляется в изменении его температуры в зависимости от изменения горного давления [8, 9].
Работы по исследованию природы внезапных выбросов угля и газа показали, что внезапные выбросы тесно связаны с повышенными скоростями метановыделения из угля и с повышенными напряжениями, возникающими в пласте в процессе его разработки. Поэтому изменение температурного поля пласта предлагают использовать при наблюдениях за изменяющейся степенью выбросоопасно-сти разрабатываемого угольного пласта [5, 9]. В [3, 4] предлагается критерием степени выбросоопасно-сти считать снижение температуры призабойной части пласта. В работах [5, 7-9] за критерий выбро-соопасности принято повышение температуры в призабойной зоне пласта за счет увеличения горного давления.
В этом аспекте большой интерес представляют данные исследований, опубликованные в [10, 11]. Так, в [10] отмечено, что в зонах повышенного горного давления происходит изменение температуры в сторону возрастания.
В [12] одним из доводов в пользу оценки вы-бросоопасности по снижению температуры является сравнение величин повышения температуры пласта за счет добавочных напряжений и снижения температуры пласта за счет десорбции метана. Предпочтение авторы отдают оценке выбросоопас-ности по снижению температуры на том основании, что снижение температуры угля в пласте за счет десорбции значительно превышает повышение температуры пласта за счет добавочных нагрузок, при этом не уточняются зона пласта, где отмечается повышение температуры, и зона пласта, где происходит максимальное снижение температуры.
В [13] приведены результаты измерения температуры угля в момент выемки пласта в лавах глубоких шахт. Авторами установлено, что температура угля в лавах шахт, разрабатывающих негазовые пласты, мало отличается от «материнской» температуры на данной глубине, но при выемке газоносных или увлажненных пластов происходит предварительное охлаждение угля на расстоянии 612 м впереди забоя за счет десорбции метана и испарения влаги. Снижение температуры доходит до 5-7 °С, что авторы рекомендуют учитывать при тепловых расчетах для лав, разрабатывающих такие пласты. Наиболее интересной с этой точки зрения представляется работа [9], в которой приведены экспериментальные данные по оценке изменения температуры и давления в зоне влияния горных выработок. На приведенных в работе рисунках четко видна симбатность изменения температуры массива и давления горных пород.
В работах ИГД СО РАН и ИПКОН РАН [14, 15] говорится об установлении достаточно высоких температур в зонах, опасных по выбросам угля и газа. Отмечалось, что в зонах повышенного горного давления происходит изменение температуры в сторону возрастания.
Повышение температуры пород и угля было отмечено и во время внезапных выбросов угля и газа. Так, Жарлье [16] пишет о нагреве выброшенного угля до 60 °С в стволе шахты «Ново-Централь-
ная» (Сталино). На шахте 5/6 им. Калинина (Ста-лино) происходили выбросы из пласта «Ливен-ский», причем люди ощущали, что летевший уголь был теплый, выделявшийся же газ - холодным. На шахте «Коммунист-Новая» (вблизи г. Зугрэс) было также замечено, что выброшенный уголь нагрет. Кроме того, отмечалось (в марте 1957 г. в I южной лаве последней шахты) нагревание угля в массиве (примерно с 18 до 22 °С) в зоне, где проходит местное геологическое нарушение, в смены, предшествовавшие выбросу, вызванному сотрясательным взрыванием.
Таким образом, оба метода прогноза степени выбросоопасности по изменению температуры пласта (по повышению и снижению температуры) в принципе могут быть использованы. Наряду с информацией об изменениях структуры пласта, горного давления, газоносности и т. д., температура является самостоятельным и важным источником сведений для оценки выбросоопасности пласта. Однако при использовании этих данных следует помнить, что изменение температуры пласта отражает самые разнообразные процессы, и поэтому одной из важных задач становится расшифровка этой информации [17].
В ИУ СО РАН (Россия) в лаборатории газодинамики и геомеханики угольных месторождений автором в [17] было высказано предположение, что повышение температуры угольного пласта может быть связанно с распадом углеметанового вещества. Распад протекает с выделением «внутренней» энергии. Было отмечено, что это ведет к теплообмену между расширяющимся газом и твердыми частицами угля. Поскольку частицы угля обладают большой теплоемкостью, но малой теплопроводностью, то при распаде твердый раствор способен выделять упругую энергию.
Уровень развития современных экспериментально-измерительных комплексов позволяет заключить, что блок информации, относящийся к дистанционному контролю за изменением температуры испытуемых образцов горных пород, может формироваться по данным ИК-излучения сканируемых поверхностей. К настоящему времени идентифицирован ряд динамических процессов [108] по данным изменений мощности инфракрасного излучения с поверхности различных геоматериалов. Соответствующие исследования для угля автором данной статьи проведены впервые. В данной работе использовалась более современная экспериментальная база и алгоритмы обработки получаемой информации. Оригинальным является использование современных тепловизоров (вместо датчиков ИК-излучения), которые позволяют фиксировать изменения температуры с точностью до ^7=0,001 К, т.к. реализация этой идеи ранее была затруднена тем, что, например, для угля теоретические ориентировочные значения ^7=0,004 К.
Без адекватного физического моделирования термодинамических и физико-химических процессов в углеметановых пластах по мере роста температуры и горного давления с увеличением глубины освоения угольных месторождений в современных
условиях практически невозможно рассчитывать на создание надежных мониторинговых систем диагностики и прогнозирования катастрофических событий при отработке угольных пластов на больших глубинах, не говоря уже о формулировании эффективных мер по их профилактике.
Таким образом, актуальность проблемы разработки эффективных методов оперативной и детальной диагностики геомеханического состояния и контроля за изменением температуры в угольных пластах по мере их отработки со временем только возрастает, поскольку температурный фактор является одним из существенно влияющих на газодинамическую активность угольных месторождений. В то же время важна и информация о характере деформирования угля в зависимости от действующих в массиве напряжений.
В ИГД СО РАН проводятся активные исследования в этом направлении [18-22]. В частности, впервые проведена серия экспериментов с использованием лазерного измерительного оптико-телевизионного комплекса АЬМБС-^ по высокоточному и детальному контролю спекл-методом деформационно-волновой картины на каменных углях при различных режимах одноосного их нагружения до разрушения на прессовой установке «1шй"оп-8802». При возрастании уровня напряжений, когда деформации геоматериалов выходят за пределы упругости, внутри нагружаемого твердого тела начинают развиваться нелинейные механические процессы, при которых вариации температуры и соответственно интенсивности ИК-излучения становятся значительными (рис. 1).
Рис. 1. Трехмерные диаграммы распределения: а — температуры угля с гранитными прослойками перед разрушением испытуемого угольного образца; б— микродеформаций по поверхности угольного образца перед разрушением
а
Это дает основу для разработки физическо-ме-ханических моделей, которые позволили бы, в том числе и по изменениям ИК-излучения, оценивать параметры возникающих нелинейных деформационно-волновых процессов. Установлено [22], что уже при достижении менее 50 %-го уровня напряжений по отношению к пределу прочности испытуемых образцов пород внутри них возникают низкочастотные процессы микродеформирования между структурными отдельностями. Последние генерируются медленными (квазистатическими) силовыми воздействиями от пресса в режиме жесткого нагружения. Амплитуда таких деформационно-волновых процессов существенно зависит от уровня задаваемого макронагружения. Построены волновые пакеты для осредненных компонентов микродеформации на образцах угля при их одноосном сжатии. Установлено, что на стадии предразру-шения возникают колебания с частотой 0,5 - 4 Гц [22].
В случае проявления подобных деформационно-волновых процессов для угольных образцов это означает, что эффект возникновения осциллирующих движений угольных частиц за счет роста горного давления в продуктивных пластах позволяет с принципиально иных геомеханических позиций рассматривать взаимосвязь между пожаро- и выбросоопасностью при отработке угольных месторождений.
Таким образом, разработка модели геомеханического состояния углепородного массива, в которой роль метана является одной из основных, а
также разработка методов энергетического анализа газодинамической активности углеметановых пластов на основе учета изменения температуры и эволюции полей микродеформаций угольных образцов при их одноосном сжатии с привлечением теории нелинейных упругих волн маятникового типа, как показателей происходящих геомеханических и физико-химических процессов существенно расширит возможности управления следствиями технологических решений по угледобыче и обеспечения предварительной дегазации месторождений. Решение этих задач требует разработки и создания соответствующего методического, геоинформационного, алгоритмического и программного обеспечения, реализующего комплексную модель и осуществления сложных экспериментальных исследований.
*Благодарность: «Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-05-00051)».
References
1. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the Alternating-Sign Explosion Response of Rocks to the Pendulum Waves in Stressed Media // J. Min. Sci., P. I: 2012, Vol. 48, No. 2, pp. 203-222; P. II: 2013, Vol. 49, No. 2, pp. 175-209; P. III: 2014, Vol. 50, No. 4, pp. 623-645; P. IV: 2016, Vol. 52, No. 1, pp. 1-35.
2. Chernitsyn, N. N. Mine gas / N. N. Chernitsyn. - Pg., 1917. - 218 p.
3. Dorofeev, DI Lowering the temperature of coal seams as a sign of outburst hazard / D.I. Dorofeev, S.A.
Radchenko // Safety technology, labor protection and mining rescue. business. - 1981. - No. 4. - pp. 16-17.
4. Ettinger, IL Increased methane release in outburst zones of formations - the reason for its temperature decrease during development / I.L. Ettinger, S.A. Radchenko, I.A. Gorbunov et al. // Coal of Ukraine. -1981. - No. 10. - pp. 35-42.
5. Denisenko, S. M. Investigation of the thermal regime of coal under various conditions of its loading / S. M. Denisenko // Mine aerology and sudden outbursts of coal, rock and gas. - M .: Publishing house of IGD im. A. A. Skochinsky, 1976. - Issue. 142.
6. Reypolskiy, PA Study of temperature change in massif on outburst-hazardous layers / P.A. Reypolskiy, M.A. Rosenbaum // Coal of Ukraine. - 1978. - No. 10.
- pp. 9-11.
7. Yelchaninov, EA Influence of changes in stresses and deformations on the dynamics of temperature of coal seams / E.A. Yelchaninov, M.A. Rosenbaum, A.I. Shor // Coal. - 1977. - No. 2. - pp. 15-16.
8. Zlatkin, V.I. On the relationship between the stress state and the temperature of the coal mass in the support pressure zone / V.I. Zlatkin, LN Gapanovich, MA Rosenbaum // Physics of rocks and processes. - M., 1974 .- p. 63.
9. Faith, G. I. Some results of field studies of the temperature of coal seams in the zone of influence of mine workings / G. I. Faith, E. I. Gaiko, S. M. Denisenko et al. // Issues of ventilation and gas control and sudden blowouts in coal mines. - M .: Publishing house of IGD im. A. A. Skochinsky, 1977. - pp. 141-144.
10. Kiryaeva, T.A. To the question of the mechanism of the occurrence of high temperatures in the development of coal seams / TA Kiryaeva, RI Rodin // Coal. - 2010. - No. 2. - pp. 27-29.
11. Kiryaeva, T.A. Features of stable states of artificial and natural coal-methane systems / TA Kiryaeva // Natural Sciences. and technical science. - 2011.
- No. 4. - pp. 309-318.
12. Maevsky, V.F. Basic provisions of methods for assessing outburst hazard by temperature characteristics of coal seams / V.F. Maevsky, O.G. Kremnev // Development and concentration of solid minerals. - M .: Publishing house IPKON AN SSSR, 1981. - pp. 160163.
13. Krivoruchko, A. M. Coal temperature at the moment of seam excavation in longwalls of deep mines / A. M. Krivoruchko, A. M. Gushchin, A. B. Konovalova, J. H. Brushtein // Issues of ventilation and safety in coal mines. - Donetsk, 1970. - Part 2. - pp. 93103.
14. Malinnikova, O.N. Relationship between outburst hazard and reservoir temperature / O.N. Malinnikova // Deformation and destruction of materials with defects and dynamic phenomena in rocks and workings: materials of the XVI International Scientific School named after Academician S. A. Khristianovich. - Simferopol, 2006. - pp. 98-114.
15. Skritsky, V. A. Endogenous fires in coal mines, the nature of their occurrence, methods of prevention and extinguishing / V. A. Skritsky, A. P. Fedo-rovich, V. I. Khramtsov. - Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2006 .- 171 p.
16. Pechuk, I.M. On the causes of emissions / I.M. Pechuk // Questions of the theory of sudden emissions of coal and gas: reports. to the All-Union. seminar on the theory of sudden outbursts of coal and gas. - M., 1958.
17. Polevshchikov, G. Ya. Gas-dynamic stability of coal methane / G. Ya. Polevshchikov, T.A. Kiryaeva // GIAB. - 2009. - Issue. 7: Kuzbass-1. - pp. 146-149.
18. Oparin, V.N. On some peculiarities of interaction between geo-mechanical and physicochemical processes in coal seams of Kuzbass / V.N. Oparin, T.A. Kiryaeva, V. Yu. Gavrilov, et al. // FTPRPI. - 2014. -No. 2. - pp. 3-25.
19. Kiryaeva, T. A. Influence of the energy of decomposition of coal methane on the destruction of coal particles and the development of sudden emissions of coal and gas / T. A. Kiryaeva, M. S. Plaksin et al. // GIAB. - 2009. - Issue. 7: Kuzbass-2 - pp. 148-152.
20. Kiryaeva, T.A. Mining experimental studies of parametric features of the development of nonlinear ge-omechanical processes and their dangerous gas-dynamic consequences during underground mining of coal deposits / VN Oparin, TA Kiryaeva et al. / / Geo-mechanical fields and processes: experimental and analytical studies of the formation and development of focal zones of catastrophic events in mining and technical and natural systems: In 2 volumes - Novosibirsk: Publishing house of the SB RAS. - T. 1. - 2018. - P. 317540; T. 2. - 2019. - pp. 431-441, 526 - 536.
21. Kiryaeva, T.A. Development of the method of gas-dynamic activity of coal seams based on geological exploration data on the example of Kuzbass / T.A. Kiryaeva. - LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co., Germany, 2011 .- 104 p.
22. Kiryaeva, T.A Development of methods for energy analysis and forecasting of gas-dynamic activity of coal-methane layers of Kuzbass / T.A. Kiryaeva. -Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019 .- 332 p.
