CC BY
24
семинар 14 ::
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ
НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000”
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
:,, ^■ П.И. Томилин, В.Б. Артемьев, ■ ::::::
: В.Г. Крупеня,:2000 : :: :
УДК 622.8
П.И. Томилин, В.Б. Артемьев, В.Г. Крупеня
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫБРОСООПАСНЫЕ УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
И
сследование воздействия виброударных волн с целью снижения газодинамической активности угольных пластов показали, что под влиянием сейсмического эффекта увеличивается зона предельно - деформированного состояния и устраняются задержки сближения боковых пород. Однако для получения заметного положительного эффекта воздействующий импульс должен иметь определенные параметры: амплитуду, длительность и спектральный состав. Для хрупких материалов, к которым относится уголь, можно воспользоваться соотношением из механики разрушения [1]. При воздействии на трещины длиной а перевод их в критическое состояние будет иметь место при напряжениях, величина которых превышает
а
= ( 2УЕ )1 / 2
(1)
(2)
а длительность импульса
т у п2 у2с .
где у - поверхностная энергия угля, Дж/м2, Е - модуль упругости угля, Па; С - скорость звука в направлении скачка напряжений, м/с.
Если продолжительность импульса меньше критического времени, то трещины под действием напряжения С развиваться не будут.
Для устранения выбросоопасности пласта и разгрузки следует развивать в основном фильтрующие трещины. При этом, как следует из формул (1, 2), величина критического напряжения С должна превышать 85 кПа, а длительность импульса Т - 3 Ц.с.
Параметры, значительно превышающие приведенные значения, могут быть получены при использовании погружных пневмогидравлических источников импульсов высокого давления (ШИ) с объемами рабочих камер от 0,1 до 1,0 дм3 [2].
Г орно-экспериментальные работы по оценке эффективности виброим-пульсной обработки (ВИО) выбросоопасного массива в настоящее время ведутся на шахте «Западная» ОАО «Гуковуголь».
Шахта «Западная» разрабатывает выбросоопасные угольные пласты: пласт Ь Суходольский (марки угля К, ОС, природная газоносность - 11-13,5 м3/т, газообильность - 33 м3/т, Vdaf = 21,6-25,9 %, выбросоопасность с отметки -307 м по фактическому выбросу, глубина горных работ более 730 м) и пласт К2н - Лисий (марки К, КЖ, мощность 0,85-0,95 м, угол падения
7-14о, природная газоносность - 9-10 м3/т, газообильность - 47 м3/т, Vdaf = 23,8-25,1%, выбросоопасность с отметки -112,3 м по фактическому выбросу, глубина горных работ более 510 м).
Исследования проводились в забоях подготовительных выработок 040 и 0402 на пласте iз и 601 на пласте К2н
Вспомогательный уклон 040 проходился по угольному пласту iз буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания. В месте проведения экспериментов пласт имел мощность 1,37 м и среднюю прочность 0,75 по шкале М.М. Протодья-конова.
Виброимпульсная обработка осуществлялась через скважину диаметром 110 мм, пробуренную под углом 60о через нижнюю пачку угольного пласта в породы почвы на глубину до 6 м.
В заполненную водой скважину помещался ПГИ, подключенный к высоконапорному насосу УГН. Для контроля эффективности вибровоздействия устанавливались датчики для определения концентрации метана ДМТ-3, выносной пьезогеофон ЗУА-6, стойки с самописцами СПШ для замера сближения вмещающих пород, реперы для замера отжима пласта. Проводились определения прочности угольных пачек и поинтер-вального газовыделения из контрольных скважин.
Для определения изменения зоны предельно - деформированного состояния использовались результаты измерений поинтервального газовы-деления из контрольных скважин до и
Таблица 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПОИНТЕРВАЛЬНОГО ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ КОНТРОЛЬНЫХ СКВАЖИН ДО И ПОСЛЕ ВИБРОВОЗДЕЙСТВИЯ
Дата ШпУР Газовыделение, л/мин. по интервалам, м.
измерения 1 1 1,5 2 2,5 3
До ВИВ
11.03.98 левый 1,62 0 2,9 2,25 2,97
правый 1,26 0,67 2,2 0,25 0,25
средний 1,35 0,34 1,4 0,28 2,8
14.03.98 левый 0,25 4,52 3,98 1,98 2,88
правый 0 0,65 2,18 0,5 3,82
средний следы 1,11 3,64 4,06 7,32
Среднее значение 0,75 1,21 2,70 1,55 3,34
После ВИВ
11.03.98 левый 0 следы 0,18 0,76 1,86
средний 0 0 следы 0,25 2,78
14.03.98 левый 0 0,65 1,64 0,5 0
правый 0 0 1,52 1,11 3,75
средний 0 0,34 1,4 0,83 2,42
Среднее значения 0 0,2 0,95 0,69 2,16
*
Таблица 2
ДИНАМИКА ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ В УКЛОНЕ 040 (ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВИВ ОБОЗНАЧЕНО ЖИРНЫМИ ЛИНИЯМИ)
№ п/п Дата Время СВР, ч, мин Максимальная концентрация метана, % Время максимальной концентрации, мин Общее время замера мин Кол-во воздуха, м3/мин Расчетное количество газа, м3
1 21.12 9.04 2.5 17 46 266 117.3
2 22.12 8.58 2.5 22 31 266 102.9
3 24.12 9.03 2.5 20 35 266 119.7
4 24.12 9.03 2.5 17 41 266 109.4
5 26.12 9.25 2.3 34 70 266 162.1
6 28.02.98 10.05 2.5 35 85 266 161.1
7 2.03 10.04 2.0 43 132 266 265
8 3.03 9.57 2.5 19 98 266 165.6
9 5.03 9.40 2.5 21 88 266 161.8
10 6.03 9.58 2.5 24 96 266 219.5
11 7.03 9.56 2.5 20 80 266 255.7
12 10.03 9.28 2.5 16 103 266 172.2
13 10.03 9.28 2.5 25 52 266 106.4
14 12.03 8.59 2.5 22 82 266 125.5
15 13.03 9.23 2.5 38 56 266 207.8
л ^ 1 г\ г л л Лу'/' ПА
после виброимпульсного воздействия (ВИВ). В табл. 1 приведены данные, полученные в уклоне 040.
Статистическая обработка приведенных данных показывает, что в результате ВИВ газовыделение из контрольных скважин уменьшается в среднем в 2-3 раза, тем самым предопределяя увеличение зоны предельно - деформированного состояния угольного пласта.
Динамика газовыделения при взрывных работах в забое до и после ВИО, рассчитанная по изменению концентрации метана согласно Инст-Таблица 3
ИЗМЕНЕНИЕ АМПЛИТУД РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ
рукции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа показана в табл. 2.
При циклах проходки 21, 22 и 24.12.97 г. газовыделение составило 100-120 м3/цикл.
После ВИО забоя 25.12.97 г. (количество импульсов составило 332) при очередном цикле СВ выделилось 162 м3 метана. В результате ВИО забоя (146 импульсов) 1.03.98 г. газовыделе-ние увеличилось с 161 до 265 м3, а спустя еще сутки стабилизировалось на значении 165 м3, что свидетельствует
Частота, ГЦ Амплитуда, отн. ед.
До ВИВ После I цикла ВИВ После II цикла ВИВ После III цикла ВИВ
Конвейерный штрек 0402
275 0,7 0,12 - -
227 1,0 0,21 0,07 -
205 0,17 0,2 0,16 0,07
165 0,67 1,0 0,31 0,12
132 0,12 0,07 0,04 0,1
92 0,2 0,21 0,17 0,14
63 0,6 0,83 1,0 0,35
39 0,15 0,13 0,43 1,0
Вспомогательный уклон 040
132 1,0 0,34 0,12 -
89 0,23 0,27 0,34 -
68 0,29 1,0 0,21 -
59 0,16 0,47 0,23 -
49 0,6 0,7 0,4 -
39 0,32 0,55 1,0 -
о разгружающем действии ВИО на глубину до 4,5 м (подвигание забоя за цикл около 3 м).
После ВИО 4.03.98 г. (373 имп.) газовыделение при очередных циклах подвигания составило: 5.03-162 м3, 6.03-219 м3, 7.03-256 м3, 10.03170м3. Это указывает на разгружающее действие ВИО на глубину 9^ 11 м и дополнительную дегазацию массива в период с 8 по 10.03, когда СВ не проводилось. ВИО 11.03.98 г. (286 имп.) вызвала увеличение газовыделения с 106 до 208 м3, а после повторной обработки
14.03.98 г. тремя циклами (631 имп.)
15.03.98 г. выделилось всего 79 м3 метана. Радиус эффективного действия ВИО составил не менее 10м.
Возможность устранения выбро-соопасности пласта із с применением способа ВИО исследовалась в забоях уклона 040 и штрека 0402.
ПГИ с рабочей камерой объемом 1 дм3 размещался в скважине диаметром 110 мм глубиной 3 м. Выхлопы воды производились под 20 МПа и следовали с частотой 0,1-0,3 Гц. Контроль эффективности воздействия определялся по методу Мак-НИИ на основе спектрального анализа искусственного сигнала. Для оценки исходного состояния углевмещающих пород пьезоэлектрическими датчиками фиксируются импульсные колебания, источником которых являются удары по массиву. Состояние массива после работы импульсного источника оценивается возбуждением и регистрацией упругих колеба-
ний в тех же точках. Рост доли низких частот в спектре акустического сигнала указывает на снижение газодинамической активности массива [3].
Запись сейсмоакустического отклика массива на ударный импульс производилась шахтным магнитным регистратором РАМШ через сейсмоприемник электродинамического типа СВ-3.
Динамика изменения амплитуд резонансных частот сейсмоакустиче-
ского отклика массива на ударные импульсы показана в табл. 3
Для приведения забоя в неопасное состояние потребовалось: во вспомогательном уклоне два цикла обработки по 200 импульсов, в конвейерном штреке - три цикла по 150 импульсов.
Преимущество ВИО по сравнению с другими мероприятиями по предотвращению газодинамических явлений при проведении подготовительных
выработок заключается в отказе от бурения скважин по выбросоопасным пластам и возможности контроля эффективности проведения мероприятия методами сейсмоакустики, основанными на анализе АЧХ сигнала, генерированного в массив источником импульсов. Существенно (до 1 часа) сокращается время обработки угольно-породного массива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Си Г. , Либовиц Г. Математическая теория хрупкого разрушения. - В кн.: Разрушение, т.2 . М., Мир, 1975, с. 83-203.
2. Томилин П.И., Крупеня В.Г., Артемьев ВБ и др. Шахтные испытания пневмогидравлического источника импульсов давления для предотвращения внезапных выбросов угля и газа. // Аэрология: Науч. сообщ. / Ин-т горного дела им. А.А. Скочинского. - 1997. Вып. 305, с 49-56.
3. Бобров И.А., Колчин Г.И., Сапунов М.С. Об информативности акустического сигнала при текущем прогнозе выбросоопасности угольного пласта в подготовительной выработке. // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. трудов . - Макеевка - Донбасс, 1992. - 173с.
Ш-
~7
Томилин П.И. — кандидат технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Артемьев В.Б. — горный инженер, Институт горного дела им. А.А. Скочинского. Крупеня В.Г.,- кандидат технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Г
