CC BY
14
18. Пат. 2019706 Россия. МКИ Е 21 Б 5/00. Способ определения выбросо-опасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне / Н. Г. Матвиенко, С. А. Радченко; Опубл. 15.09.1994, Бюл. № 17.
19. А.С. 1096375 СССР. МКИ Е 21 5/00. Способ определения выбросоопас-ных зон угольного пласта / И. Л. Эттингер, С. А. Радченко, И. А. Горбунов и др.; Опубл. 8.02.1984, Бюл. № 21.
20. Пат. 2034157 Россия. МКИ Е 21 Б 5/00. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов / Н. Г. Матвиенко, С. А. Радченко, Ю. В. Никитин; Опубл. 30.04.1995, Бюл. № 12.
21. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю. Н. Малышев, Ю. Л. Худин, М. П. Васильчук и др. - М.: изд-во Академии горных наук, 1997.
22. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и породы / Ю. Н. Малышев, А. Т. Айруни, Ю. Л. Худин и др. - М.: Недра, 1995.
23. Деглин Б.М. Блеск и нищета прогнозирования // Уголь Украины. - 2004. -
24. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. An experimental investigation of coal/ air heat transfer. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1990.
25. О предотвращении выбросоопасности высоконапорным гидравлическим агрегатом КБГ / В.И. Николин, С.В. Подкопаев, А.А. Василец и др. // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XIII Межд. научн. школы им. акад. С.А. Хри-стиановича. Алушта, 15-21 сентября 2003 г. - Симферополь, Таврический нац. унт, 2003. ЕШ
— Коротко об авторе -
Радченко С.А. - канд. техн. наук, доцент кафедры машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого, Тула.
№ 10.
© О.Н. Малинникова, 2008
О.Н. Малинникова
ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА МЕТАНА, ДОПОЛНИТЕЛЬНО ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ В ПЛАСТЕ, ПРИ ПОДГОТОВКЕ ОЧАГА ВНЕЗАПНОГО ВЫБРОСА
137
1Эсе процессы, происходящие в призабойной зоне угольного
-М-Рпласта, влияют на его термодинамическое состояние. Поэтому термодинамические параметры и, особенно, его температура отражает изменение напряженного или газодинамического состояния, происходящее в призабойной зоне угольного пласта.
На рис. 1 показаны графики изменения напряжения (рис. 1, а), и температуры (рис. 1, б), определенные экспериментально в призабойной зоне угольного пласта Г.Н. Фейтом с сотрудниками. Измерения проводились по пласту Подмазур в комбайновой лаве шахты «Юнком» Центрального района Донбасса на глубине разработки 716 м, в зоне ПГД (в створе с пластом Мазур, графики 1), при подходе к створу с пластом Мазур (графики 2) и в зоне надра-ботанной горными работами по пласту Мазур (графики 3). Для измерений применялись скважинные гидравлические датчики горного давления и смонтированные с ними датчики температуры на основе терморезисторов. Датчики горного давления за счет первоначального распора в 3-5 МПа входят в плотный контакт с окружающим массивом и являются «жесткими».
Из графиков рис. 16 видно, что ситуации 2 (подход к зоне ПГД) и 3 (надработанная зона) близки по начальным условиям. Температура в обоих случаях (рис. 16) начинает увеличиваться раньше начала роста горного давления а! (рис. 1а), что соответствует притоку метана в скважину и его сорбции вблизи температурного датчика, находящегося в контакте со стенкой скважины. Более быстрый рост температуры 3 в области 9-10 от забоя соответствует лучшим условиям фильтрации в надработанной зоне. Затем температура в надработанной зоне постепенно падает за счет теплообмена стенок скважины с окружающим углем и стремится к температуре 30 °С, характерной для угля пласта Подмазур на этой глубине.
138
Рис. 1. Изменение напряжения (а) и температуры (б) в призабойной зоне пласта Подмазур шахты «Юнком»: 1 - зона ПГД (в створе с пластом Мазур); 2 -при подходе к створу с пластом Мазур; 3 - зона, надработанная горными работами по пласту Мазур
Небольшое повышение напряжения вблизи кромки забоя (0,6 м) на 4,2 МПа, говорит о том, что уголь сохранил остаточную прочность, но падение температуры на три градуса показывает, что в этой области происходит десорбция метана и его фильтрация в сторону выработки. Довольно большие остаточные напряжения
139
вблизи кромки забоя показывают, что уголь не разрушен и пласт, в основном, сохранил свою прочность.
При подходе горных работ к створу с пластом Мазур (графики 2) температура на стенке скважины (12-8 м от забоя) возрастает на 7,5 °С за счет притока метана из массива угля и сорбции ~ 3,5 см3/г в окрестности скважины. Затем на участке 8-7 м от поверхности забоя сорбция замедляется, стенки камеры уже не могут поддерживать такую высокую температуру - 42,5 °С, и температура немного падает за счет теплообмена с массивом угля. При этом с 8 м от забоя начинается рост напряжения в пласте, но при небольших напряжениях преобладают упругие деформации, что никак не отражается на изменении температуры. На участке 7-5 м от забоя уже нет падения температуры, хотя процесс теплообмена стенок скважины с массивом угля должен продолжаться, так как значение температуры, измеренное на стенке скважины, существенно выше, чем в массиве угля. Это объясняется тем, что напряжение возросло настолько, что возникающие пластические деформации, приводящие к образованию дополнительного газа, становятся заметными и вносят свой вклад в повышение температуры. Расчеты по данным рис. 3 показывают, что на участке 75 м от забоя может генерироваться дополнительно до 1,5 см3/г метана, что при средней невысокой газоносности пласта Подмазур (10 м3/т) ещё не делает эту область опасной по газодинамическим явлениям.
В створе горных работ с пластом Мазур (графики 1) температура пласта повышена уже на расстоянии 12 м от забоя, то есть действующие напряжения превышают предел упругости, и при дополнительной пригрузке, за счет зоны ПГД, возникают пластические деформации. Если предположить, что повышение температуры за счет притока метана и сорбции на стенках скважины в этом случае такое же, как и в предыдущих (хотя фильтрационные способности пласта в зоне ПГД обычно хуже), то дополнительное увеличение на 15°С относительно средней для этой глубины температуры, может быть объяснено только сорбцией образовавшегося "дополнительного" газа при неупругом деформировании угля в условиях высоких напряжений объемного сжатия [1, 2]. Из графиков 1 рисунка видно, что на участке от 12 до 6 м от забоя происходит возрастание напряжений, сопровождающееся упруго-пластическими деформациями, возможным растрескиванием массива угля и повышением температуры. Вклад упругой составляющей деформации угля при таких значениях возрастания напряже-
140
ний может дать изменение температуры только в пределах одного градуса. Остальные 14 °С, можно объяснить образованием и сорбцией ~ 6,5 см3/г метана.
В области от 9 до 6 м от забоя наблюдается падение (9-8 м) и дальнейший рост (8-6 м) горного давления напряжений. Такое поведение кривой температуры (частичная потеря несущей способности и дальнейшее упрочнение массива) показывает, что это область дилатансии. На это же указывает и падение температуры на 5 °С, поскольку при дилатансии происходит расширение массива и возможна частичная десорбция метана, дальнейшее повышение напряжения вызывает новый рост температуры. Таким образом, в приза-бойной зоне пласта в шести метрах от кромки забоя создается область нарушенного угля с газонасыщением, повышенным на 5-8 см3/г относительно первоначальной газоносности пласта. Такое повышение газонасыщенности ведет к увеличению потенциальной энергии газа с 1,9 МДж/м3 до 3,5-4,6 МДж/м3 соответственно. Реально из этой энергии в процессе газодинамического явления в зависимости от условий расширения газа может реализоваться от 10 до 3%. Т.е. эффективная энергия газа возрастает от 0,057-0,19 МДж/м3 до 0,11-0,46 МДж/м3. Кроме того, из-за повышения напряжения в этой области энергия упругого восстановления угольного пласта также возрастет с 0,18 до 0,42 МДж/м. Такая насыщенность энергией зоны концентрации напряжений делает этот участок весьма опасным по газодинамическим явлениям [3].
Температура угля в шпурах в призабойной зоне откаточ-ного штрека пласта Толстый шахты Юнком через час после бу-рения приведена в таблице и на рис. 2 (ДТ - максимальное из-менение температуры в шпуре, ДТн.м_тах изменение температу-ры от нетронутого массива (в данном случае принимается 27 °С) до зоны опорного давления).
Кривые 1 и 2 соответствуют изменению температуры в опасных по внезапным выбросам зонах (зона ПГД) с максимальным отклонением температуры по длине шпура ДТ1 = 9,5 °С и ДТз = 10 °С соответственно. Кривые 3 с ДТз = 5°С и 4 с ДТ4= 6,5 °С соответствуют зоне, защищенной подработкой.
Как видно из рис. 2 максимальное изменение температуры вдоль шпура в зоне подработки составляет 6,5 °С, а в зоне ПГД (повышенного горного давлении) температура вдоль шпура изменяется на 9,5-10 °С.
141
Таблица 1
Изменение температуры в шпурах призабойной зоны откаточного штрека пласта Толстый шахты "Юнком",
Ь, м Температура, °С
1 2 3 4
0 21,5 21 22 21,5
1 24 21,5 22 23
2 27 22 25 24
3 28,5 29 27 26
4 29 31 27 27
5 31 27 28 27
6 27 27 28
АТ5.О=9,5 АТ4-о=10 АТ5.О=5 АТ6-о=6,5
АТн.м.шах=6 АТн.м.шах=4 АТн.м.шах=1 АТн.м.шах=1
Переход створа, опасно Зона защищенная подработкой
Рис. 2. Изменение температуры в шпуре призабойной зоны пласта Толстый (уч.42) шахты Юнком гор. 826, (откаточный штрек)
Метод прогноза по изменению температуры в шпурах, пробуренных из подготовительных выработок, предложенный в работе [4] устанавливает перепад температур, указывающий на опасную по внезапным выбросам ситуацию в интервале от 1 до 2 м шпура ДТ2-1 > 2,5 К, а неопасную при АТ2-1 < 2 К. То есть ситуация, соответствующая кривым 2 и 4, была бы признана неопасной, а соответствующая кривым 1 и 3 - опасной по внезапным выбросам и со-
142
ответственно для этих четырех определений ошибка первого рода (отнесение опасной ситуации в разряд «неопасно») и ошибка второго рода (отнесение неопасной ситуации в разряд «опасно») составляют по 50 %.
Возрастание температуры в зоне концентрации напряжений относительно температуры нетронутого массива свидетельствует о разрушении угля с образованием метана [1, 2] и об отсутствии фильтрации газа в этой области (кривые 1 и 2, рис. 2). В данном случае температурой нетронутого массива можно считать 27 °С. Повышение дополнительно на 4 градуса (для кривой 2, рис. 2) в четырех метрах от забоя показывает, что напряжения в зоне их концентрации превышают предел упругости пласта. При этом может происходить образование "дополнительного" метана в количестве до 5,4 см3/г (м /т), и, если процесс фильтрации затруднен, сорбция дополнительно образованного метана может дать то повышение температуры, которое зафиксировано в призабойной зоне пласта Толстый. При средней газоносности пласта 22,6 м /т в опасной зоне в четырех метрах впереди забоя находится область нарушенного угля, газоносность которой может составлять 28 м3/т. Газоносность первого метра призабойной зоны составляет приблизительно 14,6 м /т. Эффективная энергия газа в зоне концентрации напряжений возрастает от 0,14 МДж/м3 в нетронутом массиве (на расстоянии 6 м от забоя) до 0,9 МДж/м3 в 3-4 м от забоя.
Аналогичные расчеты для температурной кривой 1, показывают приблизительно такие же значения газоносности и эффективной энергии газа в пяти метрах от забоя, но чем ближе зона концентрации напряжения к забою, тем выше вероятность внезапного выброса. Для кривых 3 и 4 максимальное повышение температуры относительно нетронутого массива не превышает 1 °С, то есть, нет условий для образования достаточного количества метана, так как напряжения в зоне пригрузки не превышают предел упругости.
Существенное снижение температуры в непосредственной близости от забоя соответствует высокой газоносности и соответственно десорбции и фильтрации большого количества метана, который, при достаточной нарушенности угля вблизи забоя, может свободно выходить в выработку не совершая работы по разрушению и выносу угля. Поэтому перепад температуры 5 - 6 °С по длине шпура в призабойной зоне для этого пласта еще не указывает на опасную ситуацию. Таблица 2
143
Изменение температуры в шпурах пласта Уманский шахты 'Красный Профинтерн " (участок 137, горизонт 826, откаточный штрек)
Длина шпура Ь, м Температура, °С
1 2 3 4 5
0 23,5 24,0 24,5 24 24
1 24,0 24,5 25,0 25 25
2 23,5 25,0 24,5 25,5 25
3 26,0 25,5 25,5 26 26
4 28,5 25,0 29,0 26 27
5 27 28,5 26,5 26 26
АТ4-о=4 АТ5-0=4,5 АТ4-о=4,5 АТ4-о=2 АТ4-0=3
Выбросоопасность оп оп оп неоп неоп
методом ИГД
Рис. 3. Изменение температуры в призабойной зоне пласта У майский шахты "Красный Профинтерн "
Опасной по внезапным выбросам ситуации соответствуют большие перепады температуры от зоны концентрации напряжений до забоя. Поскольку в зоне концентрации напряжений происходит разрушение угля с образованием "дополнительного" метана, а в зоне разгрузки активная десорбция, свидетельствующая о высокой насыщенности угля метаном, то есть перед забоем создается очаг выбросоопасности с разрушенным углем и большим запасом метана. Это хорошо видно на рассмотренном примере пласта Толстый и также справедливо для пласта Уманский, шахты "Красный Профинтерн" (табл. 2, рис. 3), где перепад температуры вдоль шпура
144
составляет в местах, опасных по внезапным выбросам угля и газа АТср = 4,3 (от 4,5 до 4 °С); в неопасных - АТср = 2,5 (от 2 до 3°С).
Пунктирной линией показано изменение температуры в неопасных по внезапным выбросам местах.
Пласт Уманский более прочный, менее газоносный и соответственно менее выбросоопасный, чем пласт Толстый. Зоны, отмеченные как опасные по методу ИГД, являются скорее угрожаемыми, поскольку другие методы прогноза их как опасные не отмечали. Тем не менее, при повышении температуры на 3 С в зоне опорного давления там может образовываться 1,5+2 см3/г (м3/т) метана дополнительно.
Проведенные исследования показали, что в призабойной зоне угольного пласта может образоваться техногенный очаг выбросо-опасности, который хорошо определяется по изменению температуры от зоны концентрации напряжений до груди забоя. Критическое значение перепада температуры нужно рассчитывать для каждого пласта отдельно с учетом его теплофизических свойств (теплоемкости, дифференциальной теплоты сорбции и т. п.), а также газоносности и прочностных характеристик.
В приведенных примерах в очаге выбросоопасности может образовываться до 8 м3/т метана перед очистным забоем и до 5+6 м3/т перед подготовительным, но этого дополнительного метана достаточно, чтобы ситуация, с учетом возросщей нарушенности пласт, стала опасной по внезапным выбросам угля и газа.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малинникова О.Н. Условия образования метана из угля при разрушении/ Горн. инф.-аналитич.бюлл. - Вып. 5. М.- 2001.- С.95-99.
2. Малинникова О.Н., Фейт Г.Н. Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях объемного напряженного состояния/ Горн. инф.-аналитич. бюлл. - Вып.8. - 2004. - С. 196-200.
3. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Зыков В.С., Рудаков В.А. Прогноз опасности внезапных выбросов и горных ударов по энергии массива Физико-техн.пробл. разработки полезн. ископаемых. - 2002. - № 1 . - С.67-70.
4. Рыженко И.А., Еремин И.Я. Прогноз выбросоопасности призабойной части пластов по температурному режиму//Уголь Украины. - 1988. - № 3. - С. 36-37. ГДТГТ^
— Коротко об авторе -
Малинникова О.Н. - ст. науч. сотр., канд. техн. наук, Институт проблем
комплексного освоения недр РАН.
145
