CC BY
19
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
■ А.В. Шадрин // A.V. Shadrin
щ Ю.А. Диюк // Yu.A. Diiuk avsh-357@mail.ru
д-р техн. наук, главный научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский пр., 10
Doctor of technical sciences, Cheif researcher of FGBUN "FIC UUKh SB RAS", Russia, 650065, Kemerovo, Leningradski Av., 10
аспирант ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский пр., 10
Postgraduate of FGBUN "FIC UUKh SB RAS", Russia, 650065, Kemerovo, Leningradski Av., 10 Federal State Budget Scientific Institution "Federal Research Center for Coal and Coal
Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences"
УДК 622.831.322
КРИТЕРИЙ ПРЕДВЫБРОСНОГО ОТЖИМА УГЛЯ ИЗ УСТЬЯ ПОЛОСТИ ВЫБРОСА
ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОГНОЗА COAL PRE-OUTBURST PRESS-OUT CRITERIA FROM THE OUTBURST CAVITY MOUTH FOR SPECTRAL-ACOUSTIC FORECAST METHOD
Рассматривается процесс начала внезапного выброса угля и газа, когда под действием сил горного и газового давления скачкообразно выдавливается в выработку в устье будущей полости выброса слой угольного пласта, состоящий из нескольких кусков угля.
Определяется геомеханический критерий выдавливания слоя угля в форме отношения активных (выдавливающих) и пассивных (препятствующих выдавливанию) сил. В качестве активных сил рассматривается сумма силы бокового давления, силы, вызванной давлением свободного газа в трещинах, а также вес выдавливаемого слоя угля. В качестве пассивных сил взяты силы сцепления и внутреннего трения угля в массиве
Для геомеханического критерия обосновывается геофизический критерий путем выражения основных физических параметров через геофизические: действующие напряжения, обусловленные горным давлением, определяются спектрально-акустическим методом через отношение высокочастотной и низкочастотной составляющей акустического сигнала, генерируемого в призабойное пространство воздействующим на забой горным оборудованием; внутрипластовое давление газа оценивается газоаналитическим методом по концентрации метана в атмосфере выработки; прочность наиболее перемятой пачки угля периодически измеряется на груди забоя выработки проч-ностномером конструкции ИГД им. А.А. Скочинского по глубине внедрения стального конуса, получающего удар пружинного механизма. Предельное (критическое) значение геофизического критерия выбросоопасности определяется при равенстве активных и пассивных сил.
Анализируется влияние акустических, прочностных, фильтрационно-коллекторских свойств приза-бойного пространства на критическое значение полученного геофизического критерия предвыброс-ного выдавливания «угольной пробки» в устье будущей полости выброса. Показано, что с ростом горного давления и концентрации метана у груди забоя выработки, и при уменьшении прочности угля критическое значение показателя выбросоопасности уменьшается.
Coal and gas sudden outburst development process is considered when, under the rock and gas pressure forces influence, a layer of a coal seam consisting of several coal lumps is abruptly pressed out into a working to the future cavity mouth. The geomechanical criterion for pressing out a layer of coal is determined in the form of the ratio of active (pressing out) and passive (preventing this pressing out) forces. The sum of lateral pressure force, the force caused by the pressure of free gas in the cracks, and the weight of the pressed out
coal layer are considered as the active forces. The cohesive forces and internal friction of coal in the massif are taken as passive forces.
For the geomechanical criterion, the geophysical criterion is substantiated by expressing the main physical parameters in terms of geophysical: the operating stresses stipulated by the rock pressure are determined by the spectral-acoustic method through the ratio of the high-frequency and low-frequency components of the acoustic signal generated at the face area by mining equipment acting on the face; the seam gas pressure is estimated by the gas analytical method from the concentration of methane in the working atmosphere; the strength of the most crumpled coal band is periodically measured on the face chest by the strength gauge of A.A. Skochinsky Mining Institute design through the depth of a steel cone hit with a spring mechanism penetration.
The limiting (critical) value of the geophysical outburst hazard criterion is determined when the active and passive forces are equal.
The influence of the acoustic, strength, filtration and accumulation properties of the face area on the critical value of the obtained geophysical criterion for the pre-outburst pressing out of the "coal plug" to the mouth of the future outburst cavity is analyzed. It is shown that with an increase in rock pressure and methane concentration at the face chest, and with a decrease in coal strength, the critical value of the hazard factor decreases.
Ключевые слова: АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ СИЛЫ, КРИТЕРИЙ ВЫДАВЛИВАНИЯ УЧАСТКА ПОВЕРХНОСТИ ЗАБОЯ, ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД, ВНУТРИПЛАСТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ ГАЗА, КОНЦЕНТРАЦИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ, ПРОЧНОСТЬ УГЛЯ, ПРОЧНОСТНОМЕР.
Key words: ACTIVE AND PASSIVE FORCES, CRITERION OF A FACE SURFACE SECTION PRESSING OUT, ROCK PRESSURE, SPECTRAL-ACOUSTIC METHOD, COAL SEAM GAS PRESSURE, METHANE CONCENTRATION IN THE ATMOSPHERE, COAL STRENGTH, STRENGTH GAUGE.
Введение
В основе геофизических методов прогноза выбросоопасности лежит мониторинг явлений, предшествующих внезапному выбросу угля и газа. Одним из таких методов является спектрально-акустический. Он основан на влиянии горного давления на амплитудно-частотный спектр шумов, генерируемых в призабойное пространство работающим горным оборудованием [1-3].
В работе [4] в качестве одного из основных предвестников выброса взят процесс развития трещин в призабойном пространстве, имеющий место при достижении действующими напряжениями значений, близких к предельным. Для этого прогностического признака установлен геофизический критерий выбросоопасности и показана его зависимость от основных параметров горного массива, определяющих выбросоопасность.
В данной работе дадим обоснование геофизического критерия выбросоопасности для начального этапа выброса, заключающегося в выдавливании в выработку слоя угля с поверхности забоя в устье будущей полости выброса. Это сопровождается скачкообразным увеличением максимума напряжений в зоне повышенного горного давления с одновременным приближением его к плоскости забоя и началу внезапного выброса в соответствии с общепри-
знанной моделью (генерация волны дробления и волны отторжения - по С.А. Христиановичу 5, 6 ). О таком механизме инициирования процесса говорит экспериментально установленный факт, заключающийся в том, что всегда при отгрузке из выработки выброшенной в процессе выброса мелкодисперсной массы угля (получившей название у горняков «бешеная мука») у забоя выработки на почве под устьем полости выброса находили некрупные куски угля.
Геомеханический критерий выдавливания слоя угля из забоя как критерий выбросоопасности Физическая модель данного процесса поясняется рисунком 1. Здесь введены следующие обозначения: о(х) и о3(х) - соответственно вертикальная и горизонтальная компоненты нормальных напряжений; 1 - трещины, в которых находится свободный газ под давлением Р; 2 - выдавливаемый участок угля; 3 -кривая, аппроксимирующая <т;(х) на участке хе(о, х2) \ уН -напряжения вне зоны влияния выработки; 4 - полость выброса; M•v - величина о(х) при х=0; о1т -максимальное значение вертикальной компоненты нормальных напряжений в зоне опорного горного давления; х1 - критическое расстояние от забоя выработки, на котором нарушается условие устойчивости участка угля; х2 - расстояние от забоя выработки до о1т .
В месте устья будущей полости выброса
выделим цилиндрический участок - часть слоя угля, которая будет выдавлена при начале выброса. Призабойное пространство, как и весь горный массив, имеет блочно-иерархическую структуру [7]. Наличие в горном массиве выработки приводит к образованию вокруг нее поверхностей ослабления, под которыми понимаются такие направления, по которым характеристики его прочности существенно ниже по сравнению с другими направлениями [8]. Неоднородное поле напряжений в призабойном пространстве приводит к тому, что преимущественная ориентация трещин по мере удаления от груди забоя выработки изменяется [9]. Это, наряду с наличием поверхностей ослабления, вызванных наличием в угольном пласте, как правило, нескольких систем кливажа способствует разнонаправленному росту трещин в произвольной зоне пласта по мере приближения к ней забоя выработки с формированием в призабойном пространстве блоков более низкого ранга (до размеров выдавливаемых кусков на начальной стадии выброса). Предположим также, что толщина отдельных блоков в выдавливаемом участке примерно одинакова. Вследствие этого блоки образуют общую поверхность, для простоты параллельную плоскости забоя выработки. Причем берега части трещин, разделяющих блоки выдавливаемого участка от остального массива, плотно контактируют между собой, тогда как оставшаяся часть - нет.
На участок угля в месте устья будущей полости выброса действует активная сила /а, состоящая из горизонтальной компоненты напряжений аг действующей на поверхности контактирующих с массивом блоков угля, давления свободного газа Р в трещинах с не контактирующими берегами, и гравитационной силы тяжести Гт выдавливаемого участка угля. Как правило, в зоне будущей полости выброса уголь менее прочный и нарушенный. Поэтому
при достижении напряжениями некоторой предельной величины возможно выдавливание этого участка.
Удерживается участок пассивной силой /р, каковой является сила трения боковой поверхности выдавливаемого участка о соседний более крепкий уголь. При этом предполагаем, что контакт выдавливаемого участка по его периметру с не выдвигаемой частью угля осуществляется по всей боковой поверхности участка.
Определим условия осуществления выдавливания участка в выработку.
Предположим, что опасная ситуация возникла и реализовалась на некотором критическом расстоянии х1 от забоя выработки. (Для условий рассматриваемой задачи это расстояние равно примерно 0,05-0,15 м). Площадь выдавливаемого участка обозначим & Часть этой площади величиной Б1 плотно контактирует с основным массивом угля. Другая часть площадью Б2 - отделена трещиной, наполненной газом. Для этой ситуации справедливо следующее выражение:
L f1 + F2±\F3 |
>i
Рис. 1. Образование полости выброса в призабойном пространстве (случай плоского нагружения) Fig. 1. The outburst cavity formation in the face area (case of flat loading)
Л /, (1)
В этом условии в числителе приведены активные /а (инициирующие), а в знаменателе пассивные f (препятствующие) силы развязывания газодинамического явления (ГДЯ). Здесь первое слагаемое в числителе ¥1 соответствует силе бокового давления (горизонтальной компоненте нормальных напряжений), второе слагаемое ¥2 - силе газового давления в трещине, третье -силе тяжести (впереди стоящий знак зависит от того, является выработка восходящей или нисходящей), а знаменатель/р соответствует силам сцепления и внутреннего трения угля в массиве.
На участке хЦО, х-|) обозначим Тогда на часть боковой поверхности выдвигаемого в сторону выработки участка будет действовать сила, назовем ее силой бокового давления, равная:
F1 =Ха1 Б^д, (2)
где д - угол наклона оси выработки к горизонту.
На часть этой же поверхности выдавливаемого участка площадью Б2 действует в сторону выработки давление газа Р, а на площадь Б действует гравитация Е3 с силой, определяемой соответственно следующими выражениями:
F2 = Р ¿2, (3)
¥} = ± ус Б х^тд, (4)
где: ус - удельный вес угля; х1 - расстояние от поверхности Б до забоя; Б = Б1+ Б2. Перемещению участка в виде цилиндра с эллиптической формой сечения площадью Б
длиной х1 препятствуют силы внутреннего трения и сцепления угля, создающие касательные напряжения т, действующие по боковой поверхности этого цилиндра, и равные [10]:
Л= П/т
= ПГт с1х
° (5)
где П - периметр сечения цилиндра плоскостью, нормальной горизонтальной оси.
Подставив (2) - (5) в (1) и учтя, что 11]:
т = о1(х)•tgp+M, (6)
где р угол внутреннего трения; М- коэффициент сцепления угля, получим следующее силовое условие выдавливания участка или развязывания внезапного выброса:
(7)
Как видно из условия (9), потеря устойчивости призабойного пространства или развязывание ГДЯ возможны как в результате совместного действия всех активных сил, так и их комбинаций вплоть до отдельных сил. При этом будет происходить соответствующий тип газодинамического или динамического явления. Так, например, выдавливание участка вследствие действия только силы тяжести может привести лишь к обрушению некоторой нависающей части горного массива. В отсутствие свободного газа в трещине между выдвигаемым участком и остальным массивом угля силы бокового давления могут привести к выдавливанию блока, в результате чего может резко возрасти напряжение в зоне опорного давления и, как следствие, - мгновенное разрушение массива в этой зоне, иначе говоря - горный удар. Действие лишь горизонтальной компоненты нормальных напряжений может также привести лишь к отжиму угля, а одновременное воздействие этой компоненты горного давления и давления газа может привести к внезапному выдавливанию угля с повышенным газовыделением, которое в свою очередь может перерасти во внезапный выброс угля и газа.
Из сказанного следуют важные выводы относительно организации текущего прогноза. Во-первых, достоверный прогноз выбросоопас-ности вследствие механизма отжима возможен только при одновременном контроле основных влияющих факторов - горного и газового давления и параметров, определяющих препятствующую им силу: угла внутреннего трения и коэффициента сцепления угля. Во-вторых, действие
сил горного и газового давления носит аддитивный характер, при этом снижение любого одного фактора опасности влечет к снижению опасности проявления ГДЯ в целом.
Покажем, что прогноз (контроль) выбросо-опасности вследствие механизма отжима угля непосредственно в процессе ведения горных работ (отбойки угля молотком, комбайном или стругом) возможен по результатам оценки фактора напряженного состояния - спектрально-акустическим методом, а газового фактора - аппаратурой газового контроля (АГК).
Аппроксимируем вертикальную компоненту нормальных напряжений а(х) на участке хе(0, хг) в призабойной зоне экспонентой в следующем виде [10]:
о(х) = Mvexpsx, (8)
где 2 cos р
(9)
v =
1 - sin р 8 =— 1п-°1и
My
(10)
х2 - координата максимума нормальных напряжений о .
1т
Подставив (8) в подинтегральную функцию знаменателя (9) и произведя интегрирование, получим, что интеграл равен следующему выражению'
2атр
М
1
-(ехрех1 — 1) 4-Х]
(11)
1 — \iiip е
Приведенные выше соотношения справедливы для произвольной длины участка х1, т.к. они описывают процесс естественного отжима в интервале длин участка (0, х1), причем верхний предел величины х1 ограничен лишь величиной х2, до которой справедливо моделирование функции о1(х) в форме экспоненциальной зависимости вида (8). Однако для простоты решения задачи ограничимся ранее сформулированным условием, а именно - рассматриваем выдавливание участка небольшой длины. Для этого случая оценим величину ехр(ех1) из выражения (11), подставив в него (10), получим:
ехр(е х,) = ехр(— In ) х, Mv
= 1
(12)
В этом выражении /ог = 1 , т.к. выдавливание участка угля по предположению с максимальной длиной х1 = 0.15 м происходит в зоне, расположенной много ближе к забою, чем до максимума зоны опорного давления. В частности, для подготовительных выработок х2 ~ 2^6 м [12]. Ппи атом максимальное значение отношения (ХУ} „0.08-
V Х2 Лшх,1
Для очистных выработок минимальное значение х,т.п ~ 1.5 м [13, 14]. При этом максимальное значение отношения =0.08.
Величину а1т оценим из следующих соображений. В работе [11] показано, что впереди забоя подготовительной выработки, проводимой по угольному пласту вне зоны влияния очистных работ, концентрация напряжений незначительна и, как правило, не превышает 1.3 уН, где у - удельный вес вышележащих пород; Н - расстояние до земной поверхности. Впереди очистной выработки в максимуме опорного давления напряжения могут превышать статическое (уН) в 1.3-2.5 и более раз. Поскольку на практике принимают у-2.5-104 Н/м3 , а1т на глубинах Н=300-700 м может принимать следующие значения:
• дляподготовительных выработок: сг, % 10^23 МПа;
1т '
• для очистных выработок: а1т-10^44 МПа.
Величину М^ оценим следующим образом. В работе [15] предложены следующие расчетные формулы для определения М и р через пределы прочности пород на сжатие а и растя-
жение а:
S
М=В а
аР 1
= 2(arctg——- - 45"), г» , 2 В
(13)
(14)
где
Воспользуемся приближенными соотношениями для определения ар и as через коэффициент прочности угля q, измеренный прочност-номером конструкции ИГД им. А.А. Скочинского [4]:
4q
—, МПа
(15)
(16)
Из (15, 16) следует, что —
а.
13.3 Тогда B ~
(17)
(18)
2.8 и в соответствии с (13):
М- 2.8а ,
а согласно(14):
р-44.40.
Тогда, в соответствии с (9), V - 4.8. Для углей с прочностью q = 50^80 у.е. в соответствии с (16) имеем: ах = 0.25^0.4 МПа.
Тогда в соответствии с (13) М - 0.7^1.1 МПа, а Му - 3.4^5.3 МПа.
Исходя из сделанных выше оценок, область значений отношения лежит в преде-
МУ
для подготовительных выработок -
лах:
• для очистных выработок - 1.9-12.9.
Тогда показатель экспоненты (12) приближенно равен:
• для подготовительных выработок -0.05-0.16;
• для очистных выработок - 0.06-0.26.
Поскольку показатель экспоненты есть величина небольшая, в разложении правой части выражения (12) в ряд [16] ограничимся только двумя первыми членами:
-1 +
х2 Мч ' х2 Мч (19) Расчет показывает, что возникающая при этом максимальная относительная погрешность не превышает 3% и быстро возрастает с увеличением х1. Поэтому полученные ниже результаты будут корректно описывать процесс отжима лишь в узкой призабойной зоне.
Учтя (10), (12) и (19), выражение (11) преобразуется к виду:
а,
м
2sinp 1
—(expexi — 1 ) + ,V|
: M
:' 1 + sin p
>
(20)
Форма сечения выдавливаемого участка (устья полости выброса) в общем случае близка к эллипсу. Для простоты представим ее круглой с эквивалентным радиусом г. Тогда с учетом (7) и (20) / будут равны:
/ =2лМ
1 + sin р
гехх
,Н. (21)
Предельное значение /а, при достижении которого начинается выдавливание участка угля, равно/р. Оценим зависимость этой величины от прочности угля и размеров выдвигаемого блока. Для этого подставим в (21) значения М и р из соответственно (17), (16) и (18), получим:
' 30? х
гх,
1.9+7.1;
, МН (22)
Зависимость вида (22) для выдвигаемого цилиндрического участка с эффективным радиусом г =0.05 м для нескольких значений его толщины представлена на рис. 2.
Как видно из представленных данных (выражение (22), рис. 2), предельное значение пассивных сил / прямо пропорционально эффективному радиусу и мощности выдавливаемого участка, и практически линейно возрастает с увеличением прочности угля.
Подставив (20) в (7), введя замены 2 ' у/Л", Л", ЛУ/-1//А где ц/е(0;1) - коэффициент, определяющий долю площади выдавливаемого участка, вдоль которой берега трещины, отделяющей участок от остального массива, плотно
контактируют, силовои критерии устойчивости призабойного пространства (7) примет вид:
Xnx(x{)\\fcos5 + /'(jqXl — ) ± ycxxsin8 re
(23)
\ 1 — sinp J
> 1.
Подставив (16) - (18) в (23), получим выражение для определения предельного значения оп(х), при достижении которого участок угля выдавливается в выработку:
1
Лу/cosS
9'5 (7777—)106— - - V) + W'"«5
\ 110 — q ) ге
Па .
24
Рисунок 2. Зависимость силы сцепления и внутреннего трения f от прочности угля q (у.е. - условные единицы), мощности выдавливаемого участка х1 при эффективном его радиусе r=0.05 м
Figure 2. Dependence of adhesion force and internal friction f from coal strength q (CU-conventional units), pressed out section thickness x 1 with its effective radius r = 0.05 m
e
Таким образом, геомеханический критерий выбросоопасности, в данном случае совпадающий с критерием выдавливания участка угля в выработку, оказывается выраженным через пять неизвестных величины: оп(х), X, q, у и Р. Покажем, что большую часть этих параметров можно контролировать геофизическими методами, не мешающими ведению горных работ.
Геофизический критерий выдавливания участка угля из забоя как критерий выбросоопасности Геомеханический критерий выдавливания участка угля вида (24) описывает зависимость предельного значения вертикальной компоненты напряжений от параметров горного массива. Для контроля этой величины достаточно удобно использовать спектрально-акустический метод. В соответствии с этим методом текущее значение коэффициента выбросоопасности К, определяется как отношение амплитуд акустических
колебаний высокочастотной А, и низкочастотной
h
Аг частей спектра шумов работающего горного оборудования, которое можно представить в следующем bi
(25)
где: Ah и А1 - эффективные амплитуды акустических шумов, замеренные соответственно в областях высоких и низких частот, В; а, и
' ' lav, max
а - средние соответственно предельное (максимально возможное для контролируемого участка пласта) и текущее значения напряжений в массиве, Па; d - расстояние между источником акустических колебаний (шума), генерируемых воздействующим на забой механизмом (работающим комбайном, отбойным молотком, буровой коронкой) и приемником, установленным в борт выработки на некотором удалении от забоя, м; параметр С равен [4, 17]:
С =
«о Р(Л-/,)
/о
(26)
где а0 - затухание на некоторой частоте /0 при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии), м-1; в - безразмерный коэффициент пропорциональности, определяемый акустическими свойствами массива; /й и £ - характерные частоты из диапазонов соответственно верхних и нижних рабочих частот источника акустического сигнала, Гц.
Из (26) видно, что параметр С является эффективным коэффициентом затухания акустического сигнала в рассматриваемом диапазоне длин волн учитывающим с помощью параметра в особенности распространения звука при существующем строении горного массива (слоистая структура, состоящая из угольного пласта и вмещающих пород, обладающих волноводными свойствами, мощности которых определяют частоты с минимальным затуханием звука 18]).
При достижении текущим средним напряжением предельного среднего значения о =о показатель выбросоопасности К при-
с,а 1а, тах 1 с 1
нимает предельное значение К. Поскольку о1аутах зависит от прочности угля и давления газа, которые могут непрерывно изменяться в пространстве и во времени, для каждого текущего положения забоя К имеет свое текущее предельное значение К:
К1с = ес (27)
Из этой зависимости виден существенный недостаток спектрально-акустического метода, а именно - зависимость показателя выбросоо-пасности и его предельного текущего значения от расстояния ё (Рис. 3). Следовательно, в зависимости от коэффициента затухания звука для конкретного участка угольного пласта необходимо, во-первых, выбирать максимальное расстояние, на которое может отставать приемник акустических колебаний от их источника. Оно
должно быть таким, чтобы амплитуда сигнала от работающего в забое оборудования была в 2-3 раза выше амплитуды акустических шумов, генерируемых другими источниками. Во-вторых, необходимо корректировать значение К1с с расстоянием ё.
Таким образом, показатель К1с для каждого шахтопласта и каждого значения ё имеет свою область значений, поэтому не может устанавливаться в нормативных документах постоянной величиной. Однако в настоящее время методики определения значений этого параметра нет [19], и данная работа предназначена для установления влияния параметров горного массива на К1 в процессе предвыбросного отжима «горловины» будущей полости выброса, что может оказаться полезным при разработке такой методики.
Известно, что среднее предельное напряжение может быть приближенно определено как [4]:
1 2 + Л
2оз/)=—-—ои.
Тогда (24) примет вид:
(28)
Oi„Jx,) < ■
2 + Л
3/1 ц/cosd
9,5-) 106— - Р(х,)(1 -ц,) + YcxlSinS
\ 110 — q ) ге
(29)
Из (29) видно, что а1т прямо пропорционально длине выдвигаемого блока и обратно
Рисунок 3. Зависимость К1с от расстояния между источником и приемником излучения d для угольных пластов с разными значениями коэффициента
в. Расчет параметра С осуществлялся в соответствии с формулой (26) при следующих параметрах: а0 =1,3 м-1; f =300 Гц; f0=500 Гц; f =800 Гц.
Figure 3. The dependence of Klc on the distance between the radiation source and receiver d for coal seams with different values of the coefficient в. The calculation of parameter C was carried out in accordance with formula (26) with the following parameters: a0 =1,3 rrr1; f =300 Hz; f=500 Hz; f =800 Hz.
' н ' 0 'в
пропорционально его эффективному радиусу. Следовательно, пока в призабойном пространстве не создана блочная структура, о 1ау при некотором произвольном значении Р имеет минимальное значение при максимальном re, и, по-видимому, поэтому естественному отжиму
подвержено призабойное пространство на все сечение выработки. Когда же блочная структура создана, то за счет небольшой величины х1 выдавливание блока может произойти и при re, меньшем радиуса сечения выработки. Причем с ростом давления газа среднее предельное напряжение, выдавливающее призабойную зону, линейно снижается.
Поскольку о (x), определенное в соответствии с (29), зависит от величин, которые могут изменяться в процессе ведения выработки, назовем эту величину текущим предельным значением средних напряжений о (x) = о lavc. Будем считать, что максимальное значение среднего предельного напряжения olavmnx достигается при максимальной прочности угля, т.е при q =100
1 J ' 11 max
у.е. и в отсутствии газа в пласте (P=0). В соответствии с (29) для рассматриваемой модели выдавливания участка угля и при сделанных допущениях:
L
т >
Jl,av,max —
y/cosd
95 • 106 — + y^sind
, Па,
(30)
где L =
да 6=0:
2 + Л
ЗА
Для горизонтальной выработки, ког-
"'l,av,max,hor — ^'
95—Ц МПа.
Ц1ге (31)
Покажем, как меняются показатели выбро-соопасности Кс и К1с при подходе к выбросоопас-ной зоне или выходе из нее, т.е. при изменении прочности угля и пластового давления газа. Для этого запишем максимальное значение среднего предельного напряжения а1актах в следующем
°1,аУ.тах ~ > (32)
где Аа, - изменение величины а. от максималь-
" 1,ау. с. I
но возможного до текущего значения при изменении прочности угля от значения а = 100 у.е.
1 * 1 тах •>
до текущего значения ас и увеличении Р от нуля до некоторого текущего значения. Тогда выражение (25) для определения текущего значения показателя выбросоопасности: примет вид:
(33)
Выражение в скобках в (33) с учетом (29) и (30) будет равно:
Нр^ + т^яиЯ
10'
(34)
¡ПО-?>,
Тогда в соответствии с (27) текущее предельное значение показателя выбросоопасно-
сти, справедливое при а1тс выражением:
а , определится
(35)
Каждый член дроби в квадратных скобках выражения (35) имеет размерность Па. Область их значений представлена в таблице. Здесь члены, содержащие сомножителем отношение х/ге обусловлены напряженным состоянием приза-бойного пространства, Р - характеризует влияние газового фактора, а член ухрпд - характеризует влияние веса выдавливаемого блока угля на К, .
и
Как видно из таблицы, члены, обусловленные напряженным состоянием и газовым фактором, имеют соизмеримые области значений, тогда как область значений члена, обусловленного весом выдавливаемого блока, значительно меньше области значений других членов и его величина равна нулю для горизонтальных выработок.
Из (35) видно, что при сделанных допущениях предельное текущее значение показателя выбросоопасности не зависит ни от параметра 1, ни практически от угла наклона выработки (в силу малости члена, обусловленного весом выдавливаемого блока) и определяется акустическими параметрами призабойной части массива, прочностью угля, пластовым давлением газа, размерами выдавливаемого участка угля и долей площади выдавливаемого участка, на которую давит газ, а также удалением приемника акустических колебаний от режущего органа работающего оборудования.
На рис. 4 представлена зависимость Е1 с 0 (в отсутствии газа в пласте: Р=0) от прочности угля д для трех значений параметра в и при условии, что д=0 (горизонтальная выработка).
Из рисунка видно, что предельное значение показателя выбросоопасности в отсутствие
Рис. 4. Зависимость К1с0 от q для в = 0,05; 0,07 и 0,1 при условии: Р=0; а0°=1,3 м-1; f=300 Гц; f0=500 Гц;
fh=800 Гц; S=0°, d=10 м. Figure. 4. The dependence of Kl,c,0 from q to в = 0.05; 0.07 and 0.1 Subject: P = 0; a0 = 1.3 m-1; fl = 300 Hz; f0
= 500 Hz; fh = 800 Hz; S = 0000, d = 10 m.
газа при указанных для расчета параметрах с увеличением прочности угля от 30 у.е. до 90 у.е. увеличивается на несколько порядков. Этим подтверждается сильная зависимость показателя выбросоопасности спектрально-акустического метода от прочности угля.
На рис. 5 для горизонтальной выработки (S=0) приведены зависимости К1с от пластового давления газа Р и отношения эффективного радиуса выдавливаемого участка к его мощности для двух значений прочности угля, рассчитанные в соответствии с (35).
Представленные данные свидетельствуют о том, что с увеличением давления газа и уменьшением прочности угля предельное значение показателя выбросоопасности снижается. Увеличение отношения r/xt также ведет к уменьшению показателя выбросоопасности. Из сказанного следует, что чем больше мощность пачки непрочного угля и меньше его прочность, тем легче выдавить блок угля в области устья полости начинающегося выброса.
Поскольку непосредственное измерение пластового давления газа непрерывно в процессе ведения горных работ невозможно, воспользуемся результатами, изложенными в работе [4], где показано, что этот параметр можно оценить по концентрации газа в атмосфере выработки вблизи забоя в соответствии с выражением:
Таблица1. Область значений членов дроби, входящих в (35), при изменении параметров, их определяющих Table 1. The range of values of the fraction members in (35), when changing the defining parameters
Компонент дроби
8 X. 10 — re , Па Ю7( 9 К Па ^ 110-4 j г' Р(1-щ), Па g х sin d , Па c 1 '
Область изменения влияющего параметра x/r = (0.05-0.15) м / (0,15-0,5) м = 0.1-1.0 q = 30-100 у.е.; x/re = 0.1-1.0 P=(0.1-3.0) МПа при щ=(0.1-0.9) S=0-900, у =1.4103кг/м3; x1=(0.05-0.15) м
Область изменения компонента дроби (10-102) МПа (0.375-102) МПа (0.01-2.7) МПа (0-2.110-3) МПа
0,65 -
0,625 -
и
зГ -
0,575 -0,55 -
О 0,8 1,5 2,3 3 Р, МПа
♦ xl/re=0,l * Xl/re=0,2 xl/re=0,3 *
♦ #REF!
Р, МПа
♦ х1/ге=0Д • xl/re=0,2 х1/ге=0,3
а)
6)
Рис. 5. Зависимость К, от Р и отношения г/х1 для прочности угля q = 100 у.е. (а) и q = 75 у.е. (б) при условии: у ' =0,5; а0 =1,3 м-1; f=300 Гц; f0=500 Гц; fh=800 Гц; в=0,07; S=CP; d=5 м
Figure. 5. The dependence of Kl,c of P and attitude re/x 1 for coal strength q = 100 c.u. (a) and q = 75 c.u. (b) subject: у =0,5; а0 =1,3 m-1; f=300 Hz; f0=500 Hz; fh=800 Hz; в=0,07; S=CP; d=5 m
(36)
где О = т^к,г\Ра1 • х, ехр(-фл-[)/^100^ , Па с1'2 м-з/2. д _ раСход воздуха ВМП, проветривающего выработку, м3/с; О - текущее значение концентрации метана, измеренное датчиком метана на некотором удалении от забоя, %; О - фоновая концентрация метана, замеренная до начала работы комбайна, и характеризующая газовыделение из бортов выработки и отбитого ранее, но не отгруженного угля, %; - коэффициент, учитывающий степень воздействия (долю свежеобнаженной площади забоя) ^го вида оборудования (комбайн, отбойный молоток, диаметр коронки бурового станка и пр.) на забой, 0 < < 1; m -константа, обусловленная тем, что в сторону выработки действует не все давление Р, а только часть его, находящегося в порах и трещинах (для сплошного тела с порами-каналами численно близка к значению пористости угля [20]); k0 - коэффициент, характеризующий газопроницаемость пласта,м-3; Sf - площадь поверхности забоя выработки, м2; п - динамическая вязкость метана, Пас; Ра1 - давление газа на плоскости забоя, равное атмосферному, Па; ф= 1/х^ - константа, определяемая расстоянием (хл) от забоя до участка массива, где давление газа стабилизируется, м-1.
Если датчик метана устанавливать достаточно близко от забоя, то газовыделением с боков выработки можно пренебречь и принять
= 0. При этом условии подстановка (36) в (35) даст следующее выражение для определения текущего предельного значения показателя вы-бросоопасности:
-с
lrfZUyqiini
1С"
К1с=е ь ^ (37)
Оценку параметра D сделаем аналогично [4], исходя из предположения о примерном равенстве влияния на показатель выбросоопасно-сти сил горного давления и пластового давления газа (это допустимо по условию (1)), и о достижении перед выбросом концентрации метана максимально допустимой по Правилам безопасности величины О = 1%. Для горизонтальной выработки это возможно, если для компонентов показателя экспоненты выражения (37) выполняется следующее условие:
(38)
Из (38) следует, что при изменении структуры, а, следовательно, и прочности угля д при подходе выработки к выбросоопасной зоне должен изменяться и параметр D. Причем для того, чтобы показатель К1с оставался убывающей функцией расстояния d, левая часть (38) всегда должна быть больше правой. Поэтому параметр D рассчитаем для не прочной пачки угля ^ =60 у.е.) при параметре у=0.5 и мощности выдавливаемого слоя x1 = 0.1 м.
При этих условиях параметр D будет равен
а0 =1.3 м
2
-1 f=
Рисунок 6. Зависимость К1с от О для прочности угля q1= 90, q2= 75 и q3 = 60 у.е., г/х=5 и при условии: ' ' ' ' ■■300 Гц; f==500 Гц;\=800 Гц; в=0.05; S=0°; d=5 м.
Figure. 6. The dependence of Kl,c of О for the strength
of coal q1 = 90, q2 = 75, and q3 = 60 CU re/x 1 = 5, and subject: a0 =1.3 м-1; f=300 Гц; f0=500 Гц; fh=800 Гц; в=0.05; 8 =CP; d=5M.
0.33 МПас1/2м-3/2. Это значение не являются характерным для всех выбросоопасных пластов, а используются для иллюстрации влияния газового фактора на предельное значение показателя выбросоопасности. Для этого значения параметра В при условии г/х1 =5 на рис. 6 приведены графики зависимости Ки от текущего значения концентрации метана О для нескольких значений прочности угля.
Как следует из представленных данных, контролируя газовый фактор аппаратурой АГК, а прочность угля - прочностномером по наиболее перемятой пачке угля, можно непрерывно корректировать предельное значение показателя выбросоопасности К,с в соответствии с выражением (37). Текущее значение показателя выбросоопасности непрерывно можно измерять спектрально-акустическим методом в соответствии с выражением (25). Сравнивая предельное и текущее значения показателя выбросоопасно-сти можно судить о степени выбросоопасности горного массива.
Описанный метод контроля выбросоопасности с учетом основных факторов выбросоопасности: горного давления, газового фактора и прочности угля позволит значительно достовернее определять степень выбросоопасности при-забойного пространства в процессе ведения горных работ. Однако для его использования необходимо предварительно определить целый ряд параметров, характеризующих акустические (а, в) и фильтрационно-коллекторские (D) свойства контролируемого участка шахтопласта. Нам представляется, что это можно сделать путем сопоставления результатов контроля описанным в данной работе комплексным геофизическим методом и контрольным, по начальной скорости газовыделения и выходу буровой мелочи при бурении контрольного шпура.
Выводы
Мы предполагаем, что описанный способ определения критерия одного из этапов подготовки выбросоопасной ситуации применим для контроля достижения призабойным пространством предельно-напряженного состояния, вызываемого горным и газовым давлением, при различных горнотехнических условиях ведения горных работ, в частности, - в лавах с трудноо-брушаемой кровлей, при подходе к зоне нарушенного угля или к участку, выше или ниже которого на соседних пластах оставлен целик.
Источники финансирования
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-1701143).
The study was carried out with a grant from the Russian Science Foundation (project No. 1717-01-013).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мирер С.В., О контроле выбросоопасности забоев по спектральным характеристикам акустических сигналов / С.В. Мирер, О.И. Хмара, Е.В. Масленников //Вопросы предотвращения внезапных выбросов. Науч. сообщ. ИГД им. А.А. Скочинского. - 1987. - С. 52-61.
2. Мирер, С.В. Спектрально-акустический прогноз выбросоопасности угольных пластов / С.В. Мирер, О.И. Хмара, А.В. Шадрин. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. - 92 с.
3. Брюханов А.М. Акустический контроль выбросоопасности /А.М. Брюханов, А.В. Агафонов, А.А. Рубинский, Г.И. Колчин // В кн. Методы и средства прогноза и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах. Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах. Том 3. - Д: Вебер, 2007. - 350 с.
4. Шадрин, А.В. Геофизический критерий предвыбросного развития трещин в угольном пласте // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2016, №4. С. 48-62.
5. Христианович С.А. О волне выброса // Изв. АН ССР, ОТН, №12, 1953. - С. 1679-1688.
6. Христианович С.А. О волне дробления // Изв. АН ССР, ОТН, №12, 1953. - С. 1689-1699.
7. Опарин В.Н. О дискретных свойствах объектов геосреды и их каноническом представлении / В.Н. Опарин, А.С. Танайно, В.Ю. Юшкин //ФТПРПИ, 2007, №3. - С. 6-24.
8. Черданцев Н.В. Разработка модели геомеханического состояния углепородного массива, вмещающего пластовую выработку / Н.В. Черданцев, С.В. Черданцев // Безопасность труда в промышленности, 2014, №11.- С. 41-45.
9. Шадрин, А.В. Факторы, определяющие развитие трещин в угольных пластах / А.В. Шадрин, М.В. Дегтярева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2013, №1.1. - С. 127-132.
10. Пузырев, В.Н. Научные основы и метод текущего прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках угольных шахт: дисс.....докт. техн. наук / Пузырев Владимир Николаевич. - Кемерово, 1981. - 411 с.
11. Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе
исследования геомеханических процессов: автореферат дисс.....докт. техн. наук / Мурашев Вячеслав Иванович.
- М., 1980. - 35 с.
12. Штумф, Г.Г. Горное давление в подготовительных выработках угольных шахт/ Г.Г. Штумф, П.В. Егоров, А.И. Петров и др. - М.: Недра, 1996. - 352 с.
13. Клишин, В.И. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В.И. Клишин, Л.В. Зворыгин, А.В. Лебедев, А.В. Савченко. Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. - 524 с.
14. Зыков, В.С. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам / В.С. Зыков, А.В. Лебедев, А.В. Сурков. - Кемерово, 1997. - 262 с.
15. Ржевский, В.В. Основы физики горных пород / В.В. Ржевский, Г.Я. Новик. - М.: Недра, 1978. - 390 с.
16. Градштейн, И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик. - М.: Наука, 1971, с. 36.
17. Шадрин, А.В. Акустический двухчастотный метод контроля напряженного состояния горного массива / А.В. Шадрин, М.В. Дегтярева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2013, №1.2. - С. 55-59.
18. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во «Наука», 1973. - 343 с.
19. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.08.2016 г. №339. - 129
с.
20. Ходот, В.В. Внезапные выбросы угля и газа / В.В. Ходот. - М.: Гос. науч.-техн. изд-во лит-ры по горному делу, 1961. - 364 с.
REFERENCES
1. Mirer, S.V., Khmara, O.I., & Maslennikov, Ye.V. (1987). O kontrole vybrosoopasnosti zaboiev po spektralnym khara-kteristikam akusticheskikh signalov [On the face outburst hazard control by spectral characteristics of acoustic signals]. Voprosy predotvrashchenia vnezapnykh vybrosov. Nauch. soobshch. IGD im. A.A. Skochinski - Sudden outbursts prevention issues. Scientific Notes of A.A. Skochinski IGD [in Russian].
2. Mirer, S.V., Khmara, O.I., & Shadrin, A.V. (1999). Spektralno-akusticheski prognoz vybrosoopasnosti ugolnykh plastov [Coal seam outburst hazard spectral acoustic forecast]. Kemerovo:Kuzbassvuzizdat [in Russian].
3. Briukhanov, A.M., Agafonov, A.V., Rubinski, A.A., & Kolchin, G.I. (2007). Akusticheski control vybrosoopasnosti. V kn. Metody i sredstava prognoza i predotvrashchenia gazodinamicheskikh yavlenii v ugolnykh shakhtakh. Rassledovanie i predotvrashchenie avari na ugolnykh shakhtakh [Acoustic outburst control. In the book: Methods and means of forecasting and preventing gas dynamics in coal mines. Investigating and preventing accidents at coal mines. Volume 3]. D: Veber [in Russian].
4. Shadrin, A.V. (2016). Geofizicheski kriteri predvybrosnogo razvitia treshchin v ugolnom plaste [Geophysical criterion of pre-outburst development of cracks in the coal seam]. Fiziko-tekhnicheskie problem razrabotki poleznykh iskopaemykh - Physics and technical problems of mineral development, 4, 48-62 [in Russian].
5. Khristianovich, S.A. (1953). O volne vybrosa [On the outburst wave]. Izv.AN SSR, OTN - News AN SSR, OTN, 12, 1679-1688 [in Russian].
6. Khristianovich, S.A. (1953). O volne droblenia [On crushing wave]. ]. Izv.AN SSR, OTN - News AN SSR, OTN, 12, 1689-1699 [in Russian].
7. Oparin, V.N., Tanaino, A.S., & Yushkin, V.Yu. (2007). O diskretnykh svoistvakh obiektov geosredy i ikh kanonicheskom
26
predstavlenii [On the discrete properties of geo-environment objects and their canonical representation]. FTPRPI, 3, 6-24 [in Russian].
8. Cherdantsev, N.V., & Cherdantsev, S.V. (2014). Razrabotka modeli geomekhanicheskogo sostoiania ugleporodnogo massiva, vmeshchaiushchego plastovuiu vyrabotku [Coal and rock massif bedding the seam opening geomechanical state model development]. Bezopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 11, 41-45 [in Russian].
9. Shadrin, A.V., & Degtiareva, M.V. (2013). Faktory, opredeliaushchie razvitie treshchin v ugolnykh plastakh [Factors determining coal seam crack development]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1.1, 127-132 [in Russian].
10. Puzyrev, V.N. (1981). Nauchnye osnovy i metod tekushchego prognoza gazodinamicheskikh yavlenii v podgotovitelnykh vyrabotkakh ugolnykh shakht [Scientific basis and current forecast method of gas dynamics in coal mine preparatory openings].Doctor's thesis. Kemerovo [in Russian].
11. Murashev, V.I. (1980). Razrabotka nauchnykh osnov bezopasnogo vedeniia gornykh rabot v ugolnykh shakhtakh na osnove issledovaniia geomekhanicheskikh protsessov [Safe mining in coal mines scientific basis development based on geomechanical process studies]. Extended abstract of Doctor's thesis. Moscow [in Russian].
12. Shtumf, G.G., Yegorov, P.V., Petrov, A.I. et al. (1996). Gornoie davlenie v podgotovitelnykh vyrabotkakh ugolnykh shakht [Rock pressure in coal mine preparatory openings]. Moscow: Nedra [in Russian].
13. Klishin, V.I., Zvorygin, L.V., Lebedev, A.V., & Savchenko, A,V. (2011). Problemy bezopasnosti i novye tekhnologii podzemnoi razrabotki ugolnykh mestorozhdenii [Safety problems and new underground coal mining technologies]. Novosibirsk: Novosibirski pisatel [in Russian].
14. Zykov, V.S., Lebedev, A.V., & Surkov, A.V. (1997). Preduprezhdenie gazodinamicheskikh yavlenii pri provedenii vyrabotok po ugolnym plastam [Gas dynamics phenomena prevention when heading openings in coal seams]. Kemerovo: [in Russian].
15. Rzhevsky, V.V., & Novik, G.Ya. (1978). Osnovy fiziki gornykh porod [The basics of mine rock physics]. Moscow: Nedra [in Russian].
16. Gradshtein, I.S., & Ryzhik, I.M. (1971). Tablitsy integralov, summ,riadov i proizvedenii [Tables of integrals, sums, series and products]. Moscow: Nauka [in Russian].
17. Shadrin, A.V., & Diagtereva, M.V. (2013). Akusticheskii dvukhchastotnyi metod kontrolia napriazhennogo sostoiania gornogo massiva [Acoustic two-frequency method of monitoring the tense state of the rock massif]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1.2, 55-59 [in Russian].
18. Brekhovsky, L.M. (1973). Volny v sloistykh sredakh [Waves in layered mediums].Moscow: Nauka [in Russian].
19. Instruktsiya po prognozu dinamicheskikh yavlenii i monitoringu massiva gornykh porod pri otrabotke ugolnyh mestorozhdenii [Instructions for the forecast of dynamic phenomena and rock massif monitoring when developing coal deposits]. Federal industrial safety regulations. Approved by order of the Federal Service for Environmental, Technological and Atomic Supervision of 15.08.2016 No.339 [in Russian].
20. Khodot, V.V. (1961). Vnezapnyie vybrosy uglia gaza [Sudden coal and gas outbursts]. Moscow: Gosudarstvennoie nauchno-tekhnicheskoie izdatelstvo literatury po gornomu delu [in Russian].
ПКА-01
ИЗМЕРЕНИЕ НАЙМИТЕ ПУСК
