CC BY
14ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№3 (76) / 2021.
УДК 622.831.322:63
©2021. А.Г. Радченко, Н.Н. Киселев, С.М. Федотов, Т.А. Решетняк, А.А. Радченко
НОВЫЕ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫБРОСООПАСНЫХ ЗОН В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ НА РЕГИОНАЛЬНОМ И ТЕКУЩЕМ УРОВНЯХ
В статье рассмотрены физико-механическая, физико-химическая и геомехано-газотермодина-мическая модели формирования выбросоопасных зон в угольном массиве. Предложена рабочая гипотеза о существовании тепловых волн разных уровней и масштабов впереди горных выработок, проводимых на газоносных угольных пластах.
Ключевые слова: физико-механическая модель, физико-химическая модель, геомехано-газо-термодинамическая модель, физико-механические свойства углей, газокинетические свойства углей, напряженно-деформированное состояние, геомеханические, технологические и термодинамические процессы, рабочая гипотеза, тепловые волны.
Введение и рабочие гипотезы моделирования. В настоящее время имеется обширное количество литературы, посвященной проблеме борьбы с внезапными выбросами угля и газа. Так например, в 1961 году была опубликована работа В. В. Ходота [1], в которой была предложена физико-механическая модель формирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Согласно [1], в формировании выбросоопасной зоны угольного пласта участвуют три главных составляющих фактора: 1) физико-механические свойства пласта - ФМС, 2) газ, содержащийся в угле, т. е. газокинетические свойства угольного пласта - ГКС; 3) напряжения, т. е. напряженно-деформированное состояние пласта -НДС (рис. 1).
Из рисунка 1 следует, что все три свойства угольного пласта тесно взаимосвязаны между собой. При росте напряженного состояния на конкретном участке пласта снижается его газопроницаемость, возрастают давление газа, энергия газа и энергия угля. С ростом давления газа возрастает склонность угольного вещества к дробимости, снижается прочность угля.
На современном этапе исследования природы выбросоопасности угольных пластов энергетическая теория В. В. Ходота [1] является наиболее распространенной гипотезой формирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Для своего времени это была весьма актуальная и востребованная рабочая гипотеза. Следует отметить, что в последнее время были разработаны новые рабочие гипотезы формирования выбросоопасных зон в угольных пластах [2].
В настоящее время ведение горных работ на выбросоопасных угольных пластах Донбасса регламентируется нормативными документами [3]. Согласно [3], прогноз выбросооопасности угольных пластов на шахтах Донбасса выполняется на региональном и текущем уровнях, т. е. оценка степени выбросоопасности угольных пластов осуществляется на двух уровнях.
Рис. 1. Физико-механическая модель формирования выбросоопасных зон в угольном пласте (модель 1), три составляющих фактора: 1) физико-механические свойства угля — ФМС; 2) газокинетические свойства угля — ГКС; 3) напряженно-деформированное состояние пласта —
НДС.
Недостатком работ [1, 4, 5] является то, что в них условия формирования выбросоопасных зон в угольных пластах рассматриваются в общем виде, т. е. оценка состояния угольных пластов осуществляется без разделения на региональный и текущий уровни. При региональном прогнозе оценка степени вы-бросоопасности выполняется для всего шахтопласта или крыла шахтопласта по данным геологоразведочных скважин (весовой выход летучих веществ - V, %; толщина пластического слоя - у, мм и другие) [3]. При текущем прогнозе оценка степени выбросоопасности осуществляется только в пределах призабой-ной части угольного пласта для конкретной выработки. Оценка степени вы-бросоопасности призабойной части угольного пласта может проводиться: 1) по методике ведения текущего прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения из шпуров - qн, л/мин, [3]; 2) по динамике начальной скорости газовыделения из шпуров - qн, л/мин, [3].
Необходимо отметить, что с позиций энергетической теории В.В. Ходота нельзя объяснить ряд существующих фактов:
1) угли разного марочного состава характеризуются различными, нелинейно изменяющимися в ряду метаморфизма структурно-химическими (СХС), физико-механическими (ФМС) и газокинетическими свойствами (ГКС)(рис. 2);
2) угли средней стадии метаморфизма приобретают такие уникальные свойства как - спекаемость и коксуемость;
3) угли средней стадии метаморфизма имеют наиболее высокую степень вы-бросоопасности;
4) участки угольных пластов с высокой степенью выбросоопасности отличаются повышенными значениями градиентов температуры, измеренной на стенках скважин, пробуренных по углю ;
5) уголь, который отброшен из полости внезапного выброса, характеризуется
Новые модели формирования выбросоопасных зон в угольных пластах повышенными значениями температуры - ТуГ°, С и влажности - Ша, %
I - плотность углей; II- пористость углей; III - удельное электрическое сопротивление; IV- скорость распространения упругих волн; по [6]
Рис. 2. Изменения физико-механических свойств углей в ряду метаморфизма.
Следует отметить, что в настоящее время недостаточное внимание уделяется разработке новых моделей формирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Обзор литературы [1, 4, 5] показал, что в моделях формирования выбросоопасных зон в угольных пластах не учитывается ряд важных основополагающих факторов. Так, на региональном уровне следует учитывать: а) изменения, происходящие в органической массе углей в ряду метаморфизма на молекулярном и надмолекулярном уровнях; б) изменения структурно-химических свойств углей в ряду метаморфизма; в) марочный состав углей, их степень метаморфизма. На текущем уровне следует уделить внимание влиянию геомеханических, технологических и газотермодинамических процессов, протекающих в углепородном массиве при проведении горных выработок, на формирование выбросоопасных зон в угольных пластах.
Целями настоящей работы являются: 1) рассмотрение новых моделей формирования выбросоопасных зон в угольных пластах на региональном и текущем уровнях; 2) разработка основных положений рабочей гипотезы о возникновении тепловых волн, образующихся при проведении выработок в углепородном массиве.
Анализ факторов, которые способствуют формированию выбросоопасных зон в угольных пластах, нами проводился последовательно: 1) на региональном уровне; 2) на текущем уровне. На региональном уровне был выполнен анализ влияния следующих факторов на формирование выбросоопасных зон
в угольных пластах: 1) изменения в молекулярной и надмолекулярной организации углей - (МНОУ) в ряду метаморфизма - (микроуровень); 2) изменения структурно-химических свойств (СХС) углей в ряду метаморфизма - (мезоуро-вень); 3) влияние степени метаморфизма углей (5 м) - (макроуровень).
В результате выполненных исследований была разработана физико-химическая модель формирования выбросоопасных зон в угольных пластах. При разработке указанной модели были использованы данные работ [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14] и основные сведения о более 40 структурно-химических моделях, которые описывают изменения органической массы углей в ряду метаморфизма. Сложные превращения и преобразования, происходящие в молекулярной и надмолекулярной организации углей в ряду метаморфизма, вызывают нелинейные изменения структурно-химических свойств углей, которые, в свою очередь, обусловливают сложные нелинейные изменения физико-механических и газокинетических свойств углей (рис. 2). Следствиями этой цепочки изменений являются: а) изменение степени метаморфизма углей, образование углей различного марочного состава; б) появление скачков углефикации (рис. 3).
Рис. 3. Физико-химическая модель формирования выбросоопасных зон в угольных пластах (модель 2): 1) молекулярная и надмолекулярная организация угольного вещества - МНОУ; 2) структурно-химические свойства углей - СХС; 3) физико-механические свойства углей -ФМС; 4) газокинетические свойства углей - ГКС; 5) напряженно-деформированное состояние угольного пласта - НДС; 6) степень метаморфизма углей.
Нелинейные изменения структурно-химических, физико-механических и газокинетических свойств углей обусловливают сложный полимодальный характер проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма в условиях Донбасса [2]. В работе [2] установлена непосредственная взаимосвязь характера проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма со скачками углефикации. Результатом исследований, выполненных в работе [2], явилось дальнейшее развитие теории и практики борьбы с внезапными выбросами угля и газа. Так например, применение основных положений разработанной
физико-химической модели, описывающей особенности формирования участков повышенной потенциальной выбросоопасности в углях различного марочного состава, позволило для условий Донбасса получить следующие научные и практические результаты:
- установлен сложный, мультимодальный характер проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма, при этом на пластах пологого падения наблюдается три максимума в проявлении выбросоопасности углей, а на пластах наклонного, крутого падений наблюдается два максимума в проявлении выбросоопасности [2];
- построен обобщенный график изменения комплексного показателя степени метаморфизма углей - Бт общ в ряду их углефикации [2, 15];
- уточнена нижняя граница проявления внезапных выбросов угля и газа для углей низкой стадии метаморфизма, [15];
- дифференцированно для пластов пологого и наклонного, крутого падений уточнены значения минимальных глубин проявления внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса [15];
- на основании выполненного анализа изменений СХС, ГКС углей, их НДС в ряду метаморфизма и с глубиной, составлен следующий горно-геологический прогноз: потенциальная выбросоопасность углей низкой и средней стадий метаморфизма на глубинах Н = 600 - 1600 м будет оставаться высокой [15];
- разработаны новые рабочие гипотезы формирования и проявления внезапных выбросов углей и газа [2]: 1-я гипотеза - о проявлении внезапных выбросов угля и газа по площадям; 2-я гипотеза - о проявлении внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма; 3-я гипотеза - о проявлении внезапных выбросов угля и газа с ростом глубины; выполнены экспериментальная проверка 1-й гипотезы и статистическая проверка 2-й и 3-й гипотез по фактическим данным выбросов, произошедших на шахтах Донбасса;
- разработан усовершенствованный способ ведения регионального прогноза вы-бросоопасности угольных пластов для шахт Донбасса [16].
Необходимо отметить, что разработанная на региональном уровне физико-химическая модель формирования участков повышенной потенциальной выбро-соопасности для углей различного марочного состава (модель 2) является более объективной по сравнению с ранее известной физико-механической модель 1. В данной физико-химической модели учитываются изменения структурно-химических свойств углей в ряду метаморфизма, которые являются причиной образования углей разного марочного состава и обусловливают нелинейные изменения физико-механических и газокинетических свойств углей в ряду метаморфизма. В свою очередь, нелинейные изменения физико-механических и газокинетических свойств углей в ряду углефикации обусловливают сложный полимодальный характер проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма.
Существенные результаты, достигнутые на региональном уровне, явились первым этапом в исследовании факторов, влияющих на формирование выбро-
соопасных зон в угольных пластах. Второй этап исследований был посвящен изучению основных факторов, участвующих в формировании выбросоопасных зон в угольных пластах на текущем уровне. Анализ литературы показал, что основными свойствами углепородного массива являются: 1) неоднородность и как следствие анизотропия его свойств и состояний (М.А. Садовский, Г.А. Соболев, 1987); 2) фрактальность (А.Ф. Булат, В.И. Дырда, 2005); 3) дискретность, блоч-ность; 4) самоорганизация; 5) автомодельность, самоподобие; 6) иерархия уровней напряжений; 7) неразрывность, взаимосвязь и взаимообусловленность параллельно протекающих геомеханических, технологических, газокинетических и термодинамических процессов и явлений, которые возникают при проведении горных выработок в углепородном массиве.
Обзор работ [17-25] показал, что на текущем уровне на триаду "физико-механические свойства угля ^ газокинетические свойства угля ^ напряженно-деформированное состояние пласта" оказывают существенное влияние геомеханические, технологические и газотермодинамические процессы.
1. Геомеханические процессы, возникающие в углепородном массиве при проведении горных выработок. Академик М.А. Садовский в своих работах подчеркивает, что важнейшими свойствами горного массива являются: неоднородность, дискретность, постоянное деформирование, постоянный приток механической энергии. Т.Ю. Тверитинова в работе [17] указывает на волнообразное чередование геологических и тектонических структур. Согласно [17], в литосфере чередуются положительные и отрицательные структуры разных порядков, т. е. распределение структур подчиняется знакопеременному закону. Это свойство литосферы является универсальным и проявляется на уровнях от глобального до локального, а также в структурах разного возраста - от древнейших до современных. На поверхности Земли и в ее недрах происходит миграция геодинамических процессов, которые вызывают изменения геологических и геофизических характеристик литосферы. В работе [17] указанные закономерности объясняются в рамках волновой концепции строения и развития литосферы Земли. Волнообразный характер тектонических структур литосферы, циклический характер и миграция геологических процессов во времени и пространстве являются выражением многопорядковой волновой геодинамики литосферы Земли, отражающей периодическое изменение ее напряженного состояния. Из выше сказанного следует, что роль геодинамических, геологических и тектонических процессов на региональном уровне сводится к перераспределению энергии в горном массиве. Совместное воздействие геодинамических, геологических и тектонических процессов приводит к усилению неоднородности, изменчивости свойств горного массива: усиливается неравномерность в распределении структурно-химических, физико-механических, газокинетических свойств угле-породного массива, а также его напряженно-деформированного состояния как по площадям, так и по глубине.
Нами углепородный массив рассматривается как единая система: «угольный
пласт - вмещающие породы». На изменение свойств и состояний углепородного массива оказывают влияние следующие факторы: состав пород кровли, очередность залегания слоев, расстояние от слоя до кровли пласта, мощность, крепость и угол залегания каждого породного слоя, глубина разработки угольного пласта; мощность, крепость и угол падения угольного пласта; длина лавы, скорость ее подвигания, расстояние отхода лавы от разрезного ходка, шаг посадки основной кровли, расстояние до максимума опорного давления и т. д. На неравномерное распределение энергии в горном массиве как по площадям, так и по глубине указывают в своих работах Г.Н. Фейт, а также в работе [20] А.Ф. Булат, В.И. Дырда, Е.Л. Звягильский, В.А. Привалов, Е.А. Панова.
В работе Ж.М. Канлыбаевой [18] указывается на знакопеременное поведение угольного пласта и вмещающих пород впереди проводимой лавы как по ходу движения забоя, так и по высоте, измеряемой от кровли пласта до земной поверхности. Ранее затухающий волнообразный характер изменения напряжений впереди проводимого забоя предсказал Вебер. Явление волнообразного изменения напряженно-деформированного состояния плит и балок на упругом состоянии известно из теории упругости. С увеличением глубины проведения выработки наблюдается явление зональной дезинтеграции горных пород. Это явление рассмотрено в работах Е.И. Шемякина, Г.Л. Фисенко, Ф.П. Глушихи-на и др. Образуемые пространственно-временные структуры зон дезинтеграции могут перемещаться с течением времени. В горном массиве наблюдается цикличность, периодичность протекающих волновых физических процессов: периодические посадки основной кровли, периодические посадки непосредственной кровли, сменные и суточные циклы по выемке угля в лавах, цикличность в проведении противовыбросных мероприятий и т. д.
В работе [26] отмечается, что впереди движущегося забоя образуются перемещающиеся зоны пригрузки и разгрузки с последующим образованием перемещающейся зоны разрушения породного массива, а также наблюдается чередование зон разрыхленных и уплотненных пород. Согласно [26], в районе сопряжения горизонтальной выработки с вертикальным стволом по мере удаления от ствола волнообразно изменяются уровень электромагнитной эмиссии и кажущееся электросопротивление пород. В дальнейшем эти установленные закономерности были подтверждены научными открытиями № 188 [22] и № 318 [23]. Из работ [22, 23, 26] следует, что: 1) впереди проводимых горных выработок формируются неоднородные пространственно-временные структуры напряженного состояния угольного пласта; 2) напряженное состояние угольного пласта вблизи забоев горных выработок характеризуется наличием зон повышенных и пониженных напряжений.
Физические процессы, происходящие впереди проводимых выработок, разделим условно на 3 пространственно-временных уровня: 1-й уровень - краткосрочные процессы; 2-й уровень - среднесрочные процессы; 3-й уровень - долгосрочные процессы. К краткосрочным процессам следует отнести: работа ручным инструментом - это удары по пласту обушком, отбойным молотком, бурение
шпуров глубиной до 3,5 м, буровзрывные работы, торпедирование угольного массива. При краткосрочных процессах фиксируемые волновые процессы характеризуется небольшими величинами длин волн (коротковолновый диапазон) и их периодом; продолжительность процессов - (¿1) составляет от секунд до 1020 минут. К среднесрочным процессам относятся: выемка угля проходческими и очистными комбайнами, передвижка секций механизированной крепи, передвижка индивидуальной крепи в струговых лавах, посадка непосредственной кровли, бурение скважин длиной свыше 5,0 м; гидроотжим пласта, гидрорыхление угольного пласта и т. д. Продолжительность процессов - (¿2) составляет от 20-30 минут до нескольких часов. К долгосрочным, длительно протекающим процессам относятся посадка основной кровли, продолжительность процессов -(¿з) составляет 3-6 недель. Протекающие в горном массиве краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные геомеханические процессы неразрывно связаны с соответствующими им по времени технологическими и газотермодинамическими процессами.
В углепородном массиве наблюдается обусловленность и взаимосвязь разных свойств (структурно-химических, физико-механических) и состояний угольных пластов (напряженно-деформированное, газокинетическое, термодинамическое). Например, образующиеся впереди горных выработок неравномерные поля напряжений создают неоднородные деформационные поля, которые в свою очередь обусловливают формирование неоднородных полей распределения природной газоносности угольных пластов - Хпр, т. е. на разных участках угольного пласта изменяется соотношение объемов свободного и сорбированного газа. Согласно [21, 24], участки с повышенными градиентами напряжений - А и и природной газоносности - А Хпр отличаются повышенными градиентами температуры угольных пластов - АТС и характеризуются повышенной степенью выбросоопасности.
В работе [5] указывается, что вслед за движением очистного комбайна с отставанием в 2 - 7 м движется ядро максимальных скоростей сближения пород кровли и почвы. Так, в условиях ПО «Донецкуголь» шахты №7/8 им. М.И. Калинина на угольном пласте Н$, «Прасковиевский» Н.Е. Волошиным выполнен ряд шахтных измерений давления газа - Ргаз в очистном забое при подходе комбайна к месту установки манометров. В результате выполненных экспериментов было установлено, что при приближении комбайна к пункту замера наблюдается резкий скачок давления газа. Наибольшие скачки давления газа (3,6 - 4,3 МПа) были зафиксированы на расстоянии 1,8-5,1 м от забоя впереди угольного пласта.
На взаимосвязь технологических операций в лаве с геомеханическими процессами в горном массиве указывается и в работе [27]. Перед посадками основной кровли в угольном пласте наблюдается рост напряжений, снижаются газопроницаемость и степень дегазации пласта, возрастают давление свободного и сорбированного газа в пласте, растут температура угольного пласта и газа и внутренние термонапряжения в пласте. Нарастание и спад опорного давления
наблюдаются в зависимости от зависания и обрушения породных слоев. Впереди проводимой горной выработки формируется зона опорного давления, величина которого может быть рассчитана по алгоритму, который приведен в работе [19].
2. Технологические процессы, выполняемые в проводимых горных выработках. К технологическим факторам, влияющим на изменение свойств и состояний угольного пласта, относятся: схемы вскрытия шахтного поля, системы подготовки и разработки угольных пластов, глубина разработки угольного пласта; длина лавы, вынимаемая мощность пласта, способ выемки угля, скорость подвигания выработки в смену, в сутки; наличие одновременно работающих лав на данном пласте, расстояние отхода лавы от разрезного ходка, площадь выработанного пространства на данном пласте, способ управления кровлей, способ охраны проводимых горных выработок, расстояние опережения забоями подготовительных выработок забоя лавы, применяемые противовыброс-ные мероприятия и их параметры, расстояние до максимума опорного давления, шаг посадки основной кровли и т. д. Ряд технологических параметров может быть отнесен и к геомеханическим параметрам, так как эти параметры тесно взаимосвязаны и взаимно обусловлены.
Состояние призабойной части угольного пласта во многом зависит от: 1) способа выемки угля (буровзрывной, комбайном, гидровымывание, на отбойный молоток и др.); 2) противовыбросных мероприятий (гидроотжим, гидрорыхление пласта, гидровымывание полостей, разгрузочные скважины по углю, щели, пазы, торпедирование угля, торпедирование кровли пласта, вибровоздействие на пласт и т. д.).
При воздействии геомеханических и технологических факторов на пласт возрастают статические и динамические нагрузки на призабойную часть угольного массива. В результате этого изменяются газотермодинамические параметры пласта, прежде всего растут температура угольного пласта, температура свободного и сорбированного газа, возрастают термо- и баронапряжения. В связи с неоднородностью и анизотропией свойств угольного массива, в нем под воздействием геомеханических и технологических процессов формируются неоднородные тепловые поля. Результаты выполненных шахтных измерений показывают, что существует тесная взаимосвязь между физико-механическими свойствами углей, их напряженно-деформированным, газодинамическим состояниями и протекающими в углепородном массиве геомеханическими, технологическими и термодинамическими процессами [21].
В 2011 году академик Опарин В.Н. указывал на необходимость развивать новое научное направление: геомеханическая термодинамика. Руководствуясь этим положением мы проводим исследования по следующему направлению: геомеханическая газотермодинамика выбросоопасных угольных пластов. По данному направлению важная роль отводится изучению газотермодинамических процессов, которые наблюдаются в угольных пластах.
3. Газотермодинамические процессы в угольных пластах. В работе [25] Фейт Г.Н. и Малинникова О.Н. экспериментально подтверждают наличие повышенной температуры угля в выбросоопасных зонах. В работе [28] установлена взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием угольных образцов разных стадий метаморфизма с температурой, а также ИК-излучением. По данным [28] установлено, 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. На стадии предразрушения в образцах породы возникают, а на стадии постпиковой нагрузки сохраняются колебания с частотой 0,5-4 Гц, т. е. в образцах наблюдаются деформационно-волновые процессы, [28].
В работе [24] рассмотрены результаты измерений температуры на выбро-соопасных угольных пластах Донбасса, температуру измеряли в забоях подготовительных выработок, в шпурах на интервалах: 1, 0 - 2,0 и 2,0 - 3,0 м. Измерения показали, что в каждой отдельной выработке температура, измеренная в призабойной части угольных пластов, распределена весьма неравномерно. Критерием оценки выбросоопасности пласта являлась максимальная величина градиента температуры угля в шпуре на расстояниях 1,0 - 2,0 м и 2,0 - 3,0 м от поверхности забоя. По данным И.А. Рыженко, И.Я. Еремина, В. П. Черняка участок пласта относится: а) к неопасным при условии ДТ2_1; ДТз_2 < 2° К; б) ситуация считается угрожаемой при 2°К < ДТ_; ДТз_2 < 2, 5°К; в) участок относится к выбросоопасным при условии ДТ2_1; ДТз_2 > 2, 5°К.
Следует подчеркнуть, что в работе [24] физическая сущность повышения температуры в выбросоопасных зонах не объясняется. Потенциально выбросо-опасные зоны (зоны повышенного горного давления - ПГД, зоны горно-геологических нарушений - ГГН, зоны аномально высоких пластовых давлений - АВПД) характеризуются повышенными градиентами напряжений, что приводит к росту градиентов газового давления. Участки с повышенной степенью сжатия пласта имеют повышенные градиенты изменения давления газа, что приводит к увеличению компрессии газа на данном участке пласта и к росту температуры, часть энергии сжатия пласта переходит в тепловую энергию. Рост температуры на данном участке угольного пласта приводит еще к большей степени сжатия газа и росту термо- и баронапряжений в пласте.
Так, в работе [29] указывается, что в условиях Карагандинского угольного бассейна впереди движущейся лавы № 36 в зоне геологического нарушения в шпурах на глубине 3,6 м зафиксировано повышение температуры до 45° С по сравнению с фоновой, равной 30 — 31° С. По данным [29] на шахте им. В.И. Ленина впереди движущейся лавы в зоне максимального опорного горного давления температура угольного пласта возрастает в 2 - 3 раза против фоновых значений. Далее отмечается, что графики изменения температуры угля хорошо согласуются с закономерностями изменения опорного горного давления по мере подвигания лавы, в том числе и с шагом посадки основной кровли в очистном
забое [29].
Газотермодинамические процессы оказывают существенное влияние на свойства и состояния угольного пласта. С ростом температуры пласта возрастает кинетическая энергия свободного и сорбированного газа, растет энергия угольного массива. В работе [4] авторы указывают, что повышение температуры угольного пласта является информативным показателем и с его помощью можно выделить зоны повышенного горного давления, зоны разгрузки и дегазации пласта, зоны повышенной потенциальной выбросоопасности пласта. Участки повышенной потенциальной выбросоопасности угольных пластов характеризуются ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта [4]. В работе [4] подчеркивается особая роль температуры, которую она играет на локальном участке угольного массива. Рост температуры объясняется с позиций наблюдаемых экзотермических эффектов, возникающих в устьях движущихся микротрещин.
В работе [30] рассмотрен внутренний нагрев грунта под воздействием внешних вибрационных и импульсных механических колебаний в частотном диапазоне от единиц до сотен герц. Установлено, что под воздействием колебаний в грунте (на глубине - 6,0 м) наблюдается сейсмотермический эффект, т. е. грунт нагревается. Таким образом, установлена взаимосвязь между деформациями (вибровоздействие на грунт) и ростом температуры грунта. Очевидно, что при периодических осадках основной кровли в угольном массиве в приза-бойной части проводимых горных выработок также должен наблюдаться этот сейсмотермический эффект, т. е. рост градиентов температуры на локальном участке пласта. Из выше изложенного следует, что геомеханические, технологические и газотермодинамические процессы оказывают существенное влияние на изменение физико-механических, газокинетических свойств угольного пласта и на его напряженно-деформированное состояние.
В работе [31] приведены результаты измерений температуры внутри между-лавного целика угля на пласте IV - V шахты им. В.И. Ленина в Кузбассе. По данным [31] максимальная температура угля, достигающая 38 — 40° С, фиксировалась при подходе очистных забоев на 5-7 м к замерным станциям (рис. 4).
Из рисунка 4 следует, что при подходе лавы к замерным станциям градиенты температуры в угольном пласте значительно возрастают.
4. Геомехано-газотермодинамическая модель формирования участков опасных по выбросам угля и газа на текущем уровне. Выполненный обзор литературы [1 - 34] позволил разработать геомехано-газотермодинами-ческую модель формирования выбросоопасных зон в угольных пластах на текущем уровне - (модель 3, рис. 5).
Из рисунка 5 следует, что совместное воздействие геомеханических, технологических и газотермодинамических процессов на угольный массив приводит к изменению свойств и состояний в призабойной части угольного пласта. На отдельном участке угольного пласта при росте напряженного состояния наблюда-
Т°С 35 30 25 20 15
у 1
/ \
\
3
L до лпвы, конвейерный штрек
Рис. 4. Измерения температуры внутри угольного целика (расстояния областей измерения температуры от борта конвейерного штрека: 1 — 5 м; 2 — 4 м; 3 — 2 м).
Рис. 5. Геомехано-газотермодинамическая модель формиро-вания участков опасных по выбросам угля и газа на текущем уровне (модель 3): 1- газокинетические свойства пласта ( Г КС); 2 — напряженно-деформированное состояние пласта (НДС); 3 — физико-механические свойства угля (ФМС); 4— геомеханические процессы; 5 — технологические процессы; 6 — газотермодинамические процессы; 7 — внезапные выбросы угля и газа
ется рост давления газа - Ргаз и градиентов температуры угля - АТуг Участки угольного пласта с повышенными значениями градиентов А а, А Ргаз и АТуг°, характеризуются повышенной степенью выбросоопасности.
5. Рабочая гипотеза о возникновении тепловых волн, образующихся при проведении выработок в углепородном массиве. При совместном корпоративном воздействии геодинамических, геологических и тектонических процессов происходит усиление неоднородности, изменчивости свойств и состояний углепородного массива, усиливается неравномерность в распределении его напряженно-деформированного состояния, его физико-механических, газокинетических и термодинамических свойств как по площадям, так и с ростом глуби-
ны. Анализ литературы [2, 6, 8, 16, 17, 18, 21, 22, 30, 31, 32, 33, 34] и обобщение опыта ведения горных работ в сложных горно-геологических условиях в Донбассе [21] показали следующее. При проведении горных выработок по углепо-родному массиву впереди забоя выработок происходят изменения напряженного состояния вмещающих пород и угольного пласта, которые обусловливают колебания, вариации следующих параметров: 1) снижение усилий подачи буровых штанг при бурении скважин по углю - ^; рост весового выхода штыба из скважин - ^шт, кг; изменения удельного электрического сопротивления угольного массива - р, ом • м; 2) по длине скважин наблюдаются рост начальной скорости газовыделения - дн, л/мин и концентрации гелия - Не, % и т. д. При проведении выработки впереди забоя происходят волнообразные изменения напряженного состояния вмещающих пород и угольного пласта - [18]. Участки угольного пласта с повышенными значениями градиентов напряжений - Д и, давления газа - Д Ргаз и температуры - ДТуГ°, относятся к зонам с повышенной степенью потенциальной выбросоопасности.
Выполненные обзор и анализ многочисленной литературы позволил сформулировать основные положения рабочей гипотезы о возникновении тепловых волн, образующихся впереди проводимых горных выработок. Основные положения рабочей гипотезы сводятся к следующему. Впереди проводимых горных выработок, как по горизонтали, так и по вертикали, наблюдаются волнообразные изменения напряженного состояния углепородного массива (волна Вебера) [18, 22, 23]. Волнообразные изменения напряженного состояния угле-породного массива вызывают нелинейные изменения газокинетического и термодинамического состояний угольного пласта. В призабойной части угольного пласта образуются тепловые волны разной длины и периодичности (рис. 4). Время существования тепловых волн обусловлено временем протекания геомеханических и технологических процессов.
Таким образом, разработанная на текущем уровне геомехано-газотермодина-мическая модель 3 позволяет проследить влияние геомеханических, технологических и газотермодинамических процессов на формирование локальных участков, характеризующихся повышенной степенью потенциальной опасности по внезапным выбросам угля и газа.
6. Дальнейшие перспективы исследований и ожидаемые результаты. В практике ведения горных работ одной из весьма важных задач является определение величины зоны разгрузки - Ьраз, м в призабойной части разрабатываемых угольных пластов. Величина Ьраз, м является функцией двух переменных: начальной скорости газовыделения в скважинах - дн и температуры, измеренной на стенках скважин - ДТуГ°
Ьраз = / (9н; Туг°). (1)
С позиций геомеханики величина Ьраз зависит от расстояния отхода лавы от
места предыдущей посадки основной кровли - Яотх, м
Ьраз = / (В-отх). (2)
Тогда дн является функцией Котх, м
9н = / (Догх). (3)
Также по аналогии имеем
Туг° = / (Дотх). (4)
Уравнения зависимостей (3) и (4) могут быть получены на основании применения корреляционно-регрессионого анализа данных шахтных наблюдений или путем применения метода группового учета аргументов [35]. С позиций технологии, величина зоны разгрузки - Ьраз является функцией переменных сменного - Ьсм, м или суточного - Ьсут подвигания забоя выработки
Ьраз = /(Ьсм), м; (5)
Ьраз = /(Ьсут), м. (6)
В дальнейшем планируется выполнить:
а) численное моделирование изменения параметра Ьраз в зависимости от изменения параметров дн; Туг°; Ьсм, Ьсут;
б) шахтные экспериментальные исследования по определению величин Ьраз, м в различных горно-геологических условиях.
По результатам исследований будет разработан новый метод, позволяющий более точно и объективно определять величину Ьраз, м по двум параметрам дн, л/мин и Туг°.
Выводы.
1. На региональном уровне разработана новая физико-химическая модель формирования выбросоопасных зон в угольных пластах. В данной модели учитывается влияние изменений структурно-химических свойств углей в ряду метаморфизма на изменения физико-механических, газокинетических свойств и напряженно-деформированного состояния угольного пласта.
2. На текущем уровне разработана новая геомехано-газотермодинамическая модель формирования выбросоопасных зон в угольных пластах, в которой учитывается влияние геомеханических, технологических и газотермодинамических процессов на физико-механические, газокинетические свойства пласта и его напряженно-деформированное состояние. Участки угольных пластов, характеризующиеся повышенными значениями градиентов напряженного состояния и давления газа, являются причиной образования зон с повышенными величинами градиентов температуры угольного массива.
3. Разработаны основные положения рабочей гипотезы о возможности возникновения тепловых волн впереди забоев проводимых горных выработок. Локальные участки с повышенными значениями градиентов напряжений - Д а
и газоносности - А Хпр и температуры - АТуГ° характеризуются повышенной степенью потенциальной выбросоопасности.
4. Температура угольного пласта является одним из важных информативных параметров, поэтому в дальнейшем планируется проведение исследований по разработке нового метода определения величины зоны разгрузки угольного пласта - Ьраз по двум параметрам qH, л/мин и Туг°.
5. В данной статье впервые показан объективный характер и преимущества разработанных новых модели 2 и модели 3 по сравнению с ранее известной моделью 1 - моделью В.В. Ходота, в которой описаны условия формирования выбросоопасных участков в угольных пластах.
1. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля, породы и газа / В.В. Ходот - М.: Госгортехиздат, 1961. - 363 с.
2. Анциферов А.В. Внезапные выбросы углей и газа в условиях Донбасса в ряду метаморфизма и с ростом глубины / А.В. Анциферов, Л.А. Камбурова, Н.Н. Киселев, А.Г. Радченко, А.А. Радченко // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2019. - № 8 (23), часть 2.
- С. 173-192.
3. СОУ 10.1.00174088.011 - 2005 Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям / Киев: Минуглепром Украины, 2005. - 225 с.
4. Булат А. Ф. Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики / А.Ф. Булат, В.И. Дырда // Геотех-шчна механжа. - 2013. - Вып. 108. - С. 3-30.
5. Петросян А.Э. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа / А.Э. Петросян, Б.М. Иванов // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. - М.: Недра, 1978. - С. 3-61.
6. Гречухин В.В. Изучение угленосных формаций геофизическими методами /В.В. Гречу-хин - М., Недра, 1980. - 360 с.
7. Саранчук В.И. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля / В.И. Саранчук, А.Т. Айруни, К.Е. Ковалев; отв. Ред. Сапунов В.А. // АН УССР. Ин-т физ.-орган. химии и углехимии. - Киев: наук. думка, 1988. - 192 с.
8. Агроскин А.А. Химия и технология угля / А.А. Агроскин. - М.: Недра, 1969. - 240 с.
9. Гюльмалиев А.М. Теоретические основы химии угля / А.М. Гюльмалиев, Г.С. Головин, Т.Г. Гладун. - М.: Изд-во МГГУ, 2003. - 556 с.
10. Русьянова Н.Д. Углехимия / Н.Д. Русьянова. - М.: Наука, 2003. - 317 с.
11. Русчев Д.Д. Химия твердого топлива / Д.Д. Русчев. - Л.: Химия, 1976. - 256 с.
12. Тайц Е.М. Методы анализа и испытания углей / Е.М. Тайц, И.А. Андреева. - М.: Недра, 1983. - 301 с.
13. Косенко Б.М. Изменение содержания метана и высших углеводородов в каменных углях и антрацитах Донбасса / Б.М. Косенко // Геология угольных месторождений. - М., 1969.
- Т.1. - С. 129-135.
14. Алексеев А.Д. Прогнозирование неустойчивости системы уголь - газ / А.Д. Алексеев, Г.П. Стариков, Г.П. Чистоклетов. - Донецк: изд-во «Ноулидж» (донецкое отделение), 2010. -343 с.
15. Анциферов А.В. Граничные условия и минимальные глубины проявления внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса / А.В. Анциферов, Н.Н. Киселев, А.Г. Радченко, С.М. Федотов, А.А. Радченко // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2020. -№ 10 - 11 (25 - 26). - С. 204-223.
16. Патент на корисну модель № 75981 Споаб визначення категорп викидонебезпечноси ву-гшьних пластв. Номер заявки: U 2012 04854, МПК (2012.01), E21F5/00. В.О. Кашн, М.М. Кисельов, В.П. Коптжов, О.Г. Радченко, О.О. Радченко. Дата публжацп: 25.12.2012, Бюл. № 24.
17. Тверитинова Т.Ю. Волновая тектоника Земли / Т.Ю. Тверитинова // Геодинамика и тектонофизика. - Москва, 2010. - Т. 1., № 3. - С. 297-312.
18. Канлыбаева Ж. М. Закономерности сдвижения гонных пород в массиве / Ж.М. Канлы-баева. - Алма-Ата: изд-во «Наука», 1968. - 108 с.
19. Лобков Н.И. Порядок расчета максимального опорного давления впереди лавы / Н.И. Лобков, А.А. Лобков // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2019. - № 8 (23) (часть 1). - С. 273-284.
20. Булат А.Ф. Фракталы в геомеханике / А.Ф. Булат, В.И. Дырда, Е.Л. Звягильский, В.А. Привалов, Е.А. Панова. - Киев: Наук. думка, 2007. - 389 с.
21. Минеев С.П. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах: [монография] / С.П. Минеев, А.А. Рубинский, О.В. Витушко, А.Г. Радченко // Донецк: ООО «Сх1дний видавничий д1м», 2010. - 603 с.
22. Научное открытие № 188. Явление образования перемещающихся нарушенных зон в напряженных горных породах / В.Я. Кириченко, Е.Л. Звягильский, А.В. Левшин [и др.] // Сборник кратких описаний научных открытий, научных идей, научных гипотез. - 2002. - С. 62-63.
23. Научное открытие № 318. Закономерность самоорганизации грунтовых и породных массивов вокруг протяженных горных выработок / Л.В. Байсаров, М.А. Ильяшов, В.В. Левит [и др.]. - М.: РАЕН, 2006. - 6 с.
24. Рыженко И.А. Прогноз выбросоопасности призабойной части пластов по температурному режиму / И.А. Рыженко, И.Я. Еремин // Уголь Украины. - 1988.- № 3. - С. 36-37.
25. Малинникова О.Н. Связь термодинамических процессов с выбросоопасностью угольных пластов при ведении горных работ / О.Н. Малинникова, Г.Н. Фейт // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. - Симферополь: ТНУ, 2007. - С. 191-195.
26. Ильяшов М.А. Закономерности самоорганизации грунтовых и породных массивов, ослабленных подземными выработками / М.А. Ильяшов, Б.М. Усаченко, А.А. Яланский и др. // Материалы международной конференции «Форум горняков - 2008». - Днепропетровск: НГУ, 2008. - С. 59-72.
27. Антипов И.В. Шахтные исследования конвергенции вмещающих пород / И.В. Антипов, В.Е. Кравченко, Д.В. Щербинин // Уголь Украины. - 2000. - № 10. - С. 24-27.
28. Опарин В.Н. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса / В.Н. Опарин, Т.А. Киряева, В.Ю. Гаврилов, Р.А. Шутилов, А.П. Ковчавцев, А.С. Танайно, В.П. Ефимов, И.Е. Астра-ханцев, И.В. Гренев // ФТПРПИ. - 2014. - № 2. - С. 3-30.
29. Киряева Т.А. К вопросу о механизме возникновения высоких температур при разработке угольных пластов / Т.А. Киряева, Р.И. Родин // Уголь. - 2010. - № 2. - С. 27-29.
30. Юшин В.И. О тепловом эффекте при механическом возбуждении сейсмических волн / В.И. Юшин, Д.Е. Аюнов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2015. — № 2. — С. 35—46.
31. Скрицкий В.А. О зарождении в нарушенной части пласта процесса саморазрушения и развития его до внезапного выброса угля и газа / В.А. Скрицкий // Труды РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2019. - № 8 (23), часть 1. - С. 80-91.
32. Хохлов И.В. Комплексное исследование массива горных пород / И.В. Хохлов. - М.: Наука, 1986. - 163 с.
33. Лис С.Н. Результаты исследований волновых свойств опорного давления под целиками и краевыми частями угольных пластов / С.Н. Лис. // Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). -2019. - № 8 (65). - С. 35-47.
34. Беспятов Г.А. Влияние волновых процессов на газодинамику уго-льных пластов: авт-т дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук. (05.15.11) / Г.А. Беспятов; КузГТУ. - Кемерово, 1996. - 34 с.
35. Ивахненко А.Г. Метод группового учета аргументов в задачах прогнозирования / А.Г. Ивахненко // Автоматика. - 1976. - № 6. - С. 24-34.
A.G. Radchenko, N.N. Kiselev, S.M. Fedotov, T.A. Reshetnyak, A.A. Radchenko New models of formation hazardous areas in coal seams at the regional and current levels.
The article considers the physico-mechanical, physico-chemical and geomechanical-gas-thermodynamic models of the formation of explosive zones in the coal mass. A working hypothesis about the existence of heat waves of different levels and scales ahead of excavations, carried out on gas-bearing coal seams, is proposed.
Keywords: physical-mechanical model, physical-chemical model, geomechanical-gas-thermodynamic model, physical-mechanical properties of coals, gas-kinetic properties of coals, stress-strain state, geomechanical, technological and thermodynamic processes, working hypothesis, heat waves.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 02.11.2021
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
ООО «Лемакс», Таганрог
Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying (RANIMI), Donetsk Lemax LLC, Taganrog
