CC BY
4ISSN 0136-4545 ^Курнал теоретической и прикладной механики.
№3-4 (64-65) / 2018.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 622.267.5:622.235.535 ©2018. В.А. Канин
ПРИНЦИПЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ПОСЛОЙНОГО РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ.
В статье рассмотрена принципиальная возможность локализации выбросов угля и газа в начальной стадии их развития на основе использования энергетически-силовой теории выбросов. Приведены результаты шахтных экспериментов, подтверждающих правомерность этой теории и ее практических приложений.
Ключевые слова: выбросы угля и газа, послойное разрушение угля, локализация выбросов в начальной стадии 'развития.
Введение. Существующая энергетически-силовая теория внезапных выбросов угля, породы и газа [1, 2] базируется на известных закономерностях формирования выбросоопасных ситуаций, инициирования, протекания и затухания процесса разрушения газонасыщенного угольного (породного) массива. Основные из них можно сформулировать следующим образом:
- выбросы угля и газа не происходят на не газовых и дегазированных пластах; на пологих пластах Донбасса верхняя граница выбросов располагается ниже границы метановых газов на 100-300 м;
- объем газа, выделяющегося при выбросах изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен метров кубических на одну тонну выброшенного угля. По этой причине в XIX столетии подобные явления назывались «внезапными выделениями газа с выбросом измельченного угля»;
- разрушение угля при выбросе не является одномоментным актом; его продолжительность изменяется от нескольких секунд до нескольких десятков секунд и может состоять из нескольких фаз;
- образующиеся при выбросах полости чаще всего имеют узкую горловину и расширяются к средней части; иногда полости имеют причудливую разветвляющуюся форму, а между полостью и забоем может оставаться угольный целик;
- средний диаметр частиц выброшенного угля изменяется в пределах от 2 до 9 мм; преобладание плоских частиц с отношением максимального размера к минимальному 1,5-5,5 (в среднем 3,1) свидетельствует в пользу представлений о преимущественном разрушении угля при выбросе путем отрыва;
- для устойчивого протекания послойного разрушения угля не должны существовать механические препятствия, затормаживающие внезапный выброс в начальной стадии его развития.
Впервые идею остановки внезапного выброса угля и газа в начальной стадии его развития с использованием различных механических средств высказал А.Э. Некрасовский [3]. К этой мысли он пришел, наблюдая за работой старых опытных забойщиков, которые перед выемкой угля в восстающих печах возводили защитные деревянные полки, а при бурении в опасных зонах шпуров и скважин регулировали усилие нажима на буровой инструмент.
1. Математическая модель. В соответствии с энергетически-силовой теорией [1, 2] для устойчивого протекания выброса угля и газа необходимо обязательное выполнение энергетического условия, которое можно представить в виде соотношения, определяющего скорость массы угля и газа за фронтом волны дробления [1]
V) = оо л/2 [зе (зе - 1) (1 + зе)] " I л/1 - ( -В (1)
Исходя из этого условия, остановка выброса произойдет в том случае, если
1 - С - в = 0, (2)
где С - коэффициент, оценивающий часть внутренней энергии газа, которая расходуется на работу, совершаемую этим газом при расширении пустот угля к моменту его дробления; В- коэффициент, оценивающий потери энергии газа на преодоление сопротивления, оказываемого движущейся газо-угольной смеси давлением за фронтом волны дробления.
Если известно значение С, то используя соотношения
1 1\ , _ ^ (Ро/р) - 1
в=(,/Лг * 11+mr (* _ и ■ ®
и
Р/Ро = (р/ро)п (4)
где ро и р - соответственно плотность газа перед фронтом волны дробления и за фронтом; р0 и р - то же давление газа; n - показатель политропы; ж -показатель адиабаты; тг - коэффициент, оценивающий долю поверхности, к которой приложено давление газа перед фронтом волны дробления.
Можно определить р = pkp, удовлетворяющее условию (2). Следовательно, нахождение давления pkp, препятствующего распространению волны дробления, сводится к определению значения (.
Поскольку наибольшей частотой выбросов угля и газа характеризуется буровзрывная технология проведения выработок, то при решении указанной задачи принята следующая модель инициирования выбросов. Перемещение забоя выработки после взрывной отбойки угля происходит со скоростью порядка 30-50 м/с
и сопровождается перераспределением напряжений у вновь образуемой поверхности. При этом возникает волна упругой разгрузки, за фронтом которой происходит раскрытие тектонических трещин, а в окрестности пор и микротрещин при расширении заполняющего их газа создается предельно-напряженное состояние. При падении напряжений ниже критического уровня расширение газа в этих пустотах приводит к массовому прорастанию трещин, которое распространяется по массиву в виде волны разрушения и при соответствующих условиях может перерасти в волну дробления. В этом случае, полагая, что процесс расширения газа за фронтом волны упругой разгрузки до момента прорастания трещин является адиабатическим и что параметры начального состояния газа (р1 и Т\) в пустотах одинаковы, соотношение, определяющее значение (, можно представить в виде
П Щ [1 - (Рог/Р0)(Ж-1)/Ж
С = Г1-(5
то
1 - (Ра/Ро)(Ж-1)/Ж
где уг - объем пустот ьтого размера в единице объема угля; р0г - давление газа в пустотах ьтого размера за фронтом волны упругой разгрузки; ра - атмосферное давление; то - полный фильтрующий объем угля.
2. Выбор исходных данных. Значения ррог в формуле (5) определялись с использованием решения задачи об изменении объема сферических и дискообразных пустот в упруго-изотропной среде под действием растягивающего напряжения [4]. Геометрические параметры пустот определялись по результатам исследований пористо-трещиноватой структуры угля [5], а значения приведенного диаметра частиц угля, разрушаемого при выбросах - по данным гранулометрического состава выброшенного угля [6].
Коэффициент тг из-за отсутствия натурных данных о росте трещин и разрушении угля под действием расширяющегося газа интерпретируется в настоящее время как доля поверхности, к которой приложено газовое давление. В этом случае при низкой водонасыщенности угля и равномерном распределении пор величина тг примерно соответствует пористости угля. С таким физическим смыслом этот коэффициент использовался и при выводе соотношения (3). Вместе с тем следует отметить, что в сообщении массе раздробленного угля начальной скорости участвует не весь содержащийся в угле газ, а только та его часть, которая успевает выделиться за период времени между прохождением волн упругой разгрузки и дробления. Остальная часть газа выделяется из угля в процессе его перемещения по выработке. Поэтому при аналитическом описании процесса распространения волны дробления в угольном массиве тг можно трактовать как коэффициент, оценивающий долю объема пор, которая содержит газ, участвующий в сообщении массе раздробленного угля начальной скорости. Его величина в этом случае будет определяться соотношением
тг = РнТо/роТн (6)
где д(Ь) - объем газа, выделяющийся из единицы объема угля к внутренним поверхностям отрываемых частиц из пор, трещин и сорбционного объема угля за время £ = 2 • 10-4 с, что соответствует скорости распространения разрушения массива при выбросе 0,6-1,5 м/с [7] и толщине отрываемого слоя 0,02 см.
3. Результаты расчетов. Полученная на основании выполненных расчетов результирующая зависимость р^р = f (р0) приведена на рис. 1. Из нее следует, что величина противодавления, необходимого для локализации выбросов в начальной стадии их развития, значительно меньше давления газа, заключенного в угольном пласте, и на максимальных глубинах разработки выбросоопасных пластов в Донбассе не превышает 0,4 МПа.
0 5 10 15 20 25 30
Рис. 1. Графики зависимости pkp от p0 при различной категории нарушенности угля: А - слабо нарушенный (I и II тип); В - средней нарушенности (III тип); сильно нарушенный (IV и V
тип).
Сравнение значений pkp с динамическими нагрузками, которые были рассчитаны по величине скорости массы угля и газа за фронтом волны дробления (w), найденной из выражения (1), показало (табл. 1), что критические значения давления газа за фронтом волны дробления во всем диапазоне изменения горно-геологических условий и степени нарушенности угля превышают динамические нагрузки от скоростного напора (рск) и воздушной ударной волны (руд) и являются наибольшим силовым фактором, который необходимо учитывать при разработке средств локализации выбросов угля и газа.
При выполнении аналитических исследований были определены также значения объемной концентрации твердой фазы в газо-угольной смеси (ß). В настоящее время зависимости от величины ß выделяются:
- поток газовзвеси (ß < 0,03).
- флюидный поток (0,03 < ß < 0,3),
- поток в плотной фазе (0,3< ß < 0,7),
- гравитационно движущийся слой (ß > 0,7).
Таблица 1. Сравнение значений рьр с динамическими нагрузками
за фронтом волны дробления.
Ро, МПа (Ркр - 0,1), МПа Рек, МПа рУд, МПа
При категории нарушенности угля А
8 0,004 0,002 0,002
10 0.030 0.016 0,005
18 0,124 0,067 0,012
26 0,212 0,112 0,018
При категории нарушенности угля С
8 0,007 0,005 0,003
10 0,134 0,089 0,016
18 0,238 0,149 0,024
26 0,315 0.191 0,030
В нашем случае значения объемной концентрации твердой фазы в газоугольной смеси, как это показано на рис. 2, составили 0,10 < в < 0,35.
0.45 0,4 0,35 0:3 0,25 0,2 0.15 0,1 ■ 0.05 -
Р
А
в
С
МПа
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Рис. 2. Графики зависимости pkp от p0 при различной категории наушенности угля: А - слабо нарушенный (I и II тип); В - средней нарушенности (III тип); сильно нарушенный (IV и V
тип)
Из представленных на рисунке данных следует вывод, что в типичных условиях производства взрывных работ на выбросоопасных пластах Донбасса, в случае инициирования выброса угля и газа движение газо-угольной смеси в начальной стадии выброса происходит в режиме флюидного потока. Кризис течения такого потока наступает при скорости газа wKp = 10-15 м/с, ниже которой начинается интенсивное осаждение угольных частиц. Следовательно, для исключения возможности распространения твердой фазы газо-угольного потока через некую преграду его скорость должна быть уменьшена до уровня w < wKp.
4. Практическое применение. В качестве одного из вариантов технического средства локализации выброса угля и газа можно рассматривать разрушенную породу, располагающуюся у забоя выработки после производства
взрывных работ. Известно [8], что формирование породного развала при сотрясательном взрывании происходит в течение 0,13-0,30с, а длительность подготовительного периода выбросов, спровоцированных взрывной отбойкой угля подчиняется логнормальному распределению с параметрами = -0.285 и а2ь = 0.426, поэтому вероятность того, что породный развал будет образован до начала развязывания выброса, составляет 0.921-0.997. При инициировании выброса газо-угольный поток поступает в пустоты породного развала с начальной скоростью ". В процессе своего движения в результате потерь напора, обусловленных силами вязкого трения, изменением направления движения, увеличением площади фильтрации и т.п., скорость потока снижается до величины и>2. При соответствующей высоте породного развала I скорость и>2 может уменьшиться до уровня "кр, при котором флюидный поток существовать не может. Тогда на участке развала, начиная с которого и>2 = "кр, начнется интенсивное осаждение угольных частиц. По мере заполнения фильтрующих каналов развала выброшенным углем его проницаемость будет снижаться, достигая в пределе проницаемости выброшенного угля. Одновременно с этим будет происходить увеличение давления газа за фронтом волны дробления от рх до р2. При р2 = ркр распространение волны дробления в угольном массиве прекратиться.
Определение параметра I, удовлетворяющего фильтрационному условию локализации выбросов "2 < "кр, выполнялось путем оценки потерь давления. обусловленных действием сил вязкого трения при турбулентной фильтрации газа по формуле
£ = (^2Р1 - "2р2) кТ/2"2п2, (7)
где кт - коэффициент турбулентной фильтрации; п - величина просвета перемычки в направлении фильтрации; а высота, обеспечивающая устойчивость развала к сдвигающему усилию, действующему на его внутреннюю поверхность со стороны полости выброса, определялась из условия предельного равновесия сыпучего материала (разрушенной породы) в призабойной зоне выработки.
Заключение. Разработанный на основе изложенных соображений способ локализации насыпными породными перемычками выбросов угля и газа, спровоцированных сотрясательным взрыванием в подготовительных выработках, был включен в отраслевой нормативный документ [9]. При использовании этого способа на шахтах, разрабатывавших особо выбросоопасный пласт Н$, («Восточная», «Глубокая», ш/у «Донбасс») были получены как визуальные, так и инструментальные (по сейсмограммам и аппаратуре контроля метана) подтверждения целого ряда случаев, когда выбросы угля и газа были локализованы в пределах породного развала в начальной стадии своего развития. Причем эти локализованные выбросы по удельному объему выделившегося газа, по характеру разрушения и гранулометрическому составу выброшенного угля, по характеристикам сейсмограмм акустических сигналов, зарегистрированных при разрушении угля, практически ничем не отличались от обычных выбросов, за исключением количества выброшенного угля, который располагался исключи-
тельно в пределах породного развала, и небольшой полости в краевой части пласта, забученной угольной мелочью.
1. Христианович С.А. Свободное течение грунтовой массы, вызванное расширением содержащегося в порах газа высокого давления. Волна дробления / С.А. Христианович. - М: Ин-т проблем механики АН СССР. - 1979. - 61 с.
2. Петухов И.М. Механизм развязывания и протекания выбросов угля (породы) и газа / И.М. Петухов, А.М. Линьков // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа: Сб. науч. тр. - М.: Недра, 1978. - с. 62-91.
3. Некрасовский Я.Э. Разработка пластов подверженных внезапным выбросам угля и газа / Я.Э. Некрасовский. - Москва-Харьков: Углетехиздат, 1951. - 223 с.
4. Коваленко Ю. Ф. Элементарный акт явления внезапного выброса. Выброс в скважину / Ю.Ф. Коваленко. - М.: Ин-т проблем механики АН СССР. - 1980.- 44 с.
5. Иванов Б.М. Механические и физико-механические свойства углей выбросоопасных пластов / Б.М. Иванов, Г.Н. Фейт, М.Ф. Яновская. - М.: Наука, 1979. - 196 с.
6. Канин В.А. Особенности угля, разрушенного при внезапных выбросах / В.А. Канин // Уголь. - 1979. - № 6. - C. 58-60.
7. Статистический анализ параметров выбросов угля, породы и газа, отражающих динамику процесса / Г.А. Шевелев, В.А. Бушева, Н.Ф. Трофимова [и др.] // Разработка местоожде-ний полезных ископаемых. - 1980. - Вып. 56. - С. 32-34.
8. Канин В.А. Длительность подготовительного периода выбросов угля и газа, спровоцированных сотрясательным взрыванием / В.А. Канин, А.Е. Жуков // Безопасность труда в промышленности. - 1988. - № 5. - С. 17-19.
9. Руководство по выбору способов сотрясательного взрывания, снижающих интенсивность и частоту выбросов угля и газа. - Макеевка: Донбасс, 1986. - 27 с.
V.A. Kanin
Principles of elimination of coal-and-gas outbursts based on the theory of layer-by-layer coal destruction.
The article discusses the possibility of eliminating coal-and-gas outbursts in the initial stage of their development based on the energy-force outburst theory. The results of experiments in mines are given that prove the theory and its practical applications.
Keywords: coal-and-gas outbursts, layer-by-layer coal destruction, elimination of coal-and-gas outbursts in the initial stage of development..
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 14.08.18
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
