CC BY
15
ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПА СНОСТЬ
УДК 550.3 + 551 + 622
Б01: 10.46689/2218-5194-2021-3-1-77-86
СНИЖЕНИЕ РИСКОВ ВЫБРОСООПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В.Н. Опарин, Т.А. Киряева
Показано, что выбросоопасность угольных пластов является следствием единого геомеханико-термодинамического и физико-химического процесса, происходящего в угольных пластах при их отработке. Установлена бифуркация параметров метано-емкости, влажности и пористости для каменных углей подсерий Кузбасса и для более широкого диапазона марочного состава углей: от суперантрацитов до бурых Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов. Генетически предопределенное сочетание изменчивости горно-геологических и физико-химических свойств угольных пластов определяет специфику их геомеханической реакции на технологические воздействия. Получен метод снижения рисков выбросоопасности при разработке угольных месторождений на основе установленного комплексного показателя газодинамической активности угольного пласта, структура и количественные значения которого позволяют выполнять картирование углеметановых пластов по уровню их газодинамической активности, а также обеспечивать определение требуемой по условиям газодинамической безопасности эффективности дегазации угольных пластов.
Ключевые слова: угольные месторождения, выбросоопасность, уравнение Ленгмюра, выход летучих веществ, влажность, пористость, бифуркация, показатель газодинамической активности угольного пласта.
Введение
Экстремальное лавинообразное развитие процессов в горном массиве, обусловленное совокупностью природных и техногенных факторов, можно трактовать как чрезвычайную ситуацию. Масштабы проявления таких явлений требуют выбора и учета большого количества факторов влияния.
В 50-е годы прошлого века акад. А.А. Скочинский [1] дал прямые указания на то, что при рассмотрении явления внезапного выброса необходимо в равной мере учитывать три главных фактора - газ, горное давление
и физико-механические свойства угля. По сути, он задал главные направления экспериментальным и теоретическим исследованиям для решения проблемы внезапных выбросов угля и газа.
Вся толща горных пород, образующих литосферу, находится в непрерывном движении. Это не только тепловое движение молекул, слагающих твердую оболочку Земли, но и тектоническое движение земных плит и процессы диффузии, фильтрации и т.д. жидкостей и газов в массивах горных пород. Такое природное движение усиливается техногенным вмешательством человека. При проведении выработки изменяется напряженное состояние горных пород в массиве: возникают области повышенного и пониженного напряжений, в которых горная порода деформируется, расслаивается и разрушается. При этом изменяются физико-механические свойства горных пород, затронутых возмущением их первоначального термодинамического равновесия: увеличиваются трещиноватость и пористость, возрастает газопроницаемость, уменьшается объемный вес, изменяются прочностные характеристики горных пород. Все это приводит к изменению сорбционных и фильтрационных свойств горного массива [2]. Отсутствие в течение многих лет достаточно ясного представления о причинах и механизме динамических явлений, в том числе внезапных выбросов, в значительной мере объяснялось стремлением связать эти явления с каким-нибудь одним фактором: геологическим (остаточные напряжения тектонического происхождения, препарация угольного пласта), механическим (проявление горного давления и влияния прочностных свойств горных пород), горнотехническим, физико-химическим или газодинамическим. Между тем, выяснение причин и механизма внезапных выбросов возможно только при объективном учете всех существенных для их возникновения факторов. Проф. В.В. Ходот писал: «Для того, чтобы установить действительные причины внезапных нарушений равновесия угольных пластов, необходимо прежде всего знание их физико-химических и механических свойств, изучение сорбционных, фильтрационных и деформационных характеристик угля» [3].
В настоящее время в целях увеличения объемов добычи полезных ископаемых развитие горнодобывающей промышленности во всем мире и в России, в частности, идет в направлении проведения горных работ на все более глубоких (часто более 1000 м) горизонтах, а также в усложняющихся горно-геологических и горнотехнических условиях. Освоение новых горизонтов залегания полезных ископаемых нередко сопровождается ростом температур и уровня горного давления, сопоставимого по величине с пределом прочности пород на одноосное сжатие. Это сопряжено с возникновением катастрофических событий в виде горных ударов, внезапных выбросов породы, угля и газа, техногенных землетрясений, взрывов метана, подземных пожаров и проч., наносящих большой социально-
экономический и экологический ущерб. Решение этих проблем для Кузнецкого угольного бассейна имеет особое значение.
На территории Кузбасса, занимающей по площади 27 тыс. км2, разработку твердых полезных ископаемых подземным и открытым способом осуществляют более 300 горнодобывающих предприятий. К настоящему времени из недр уже извлечены около 10 млрд. тонн полезных ископаемых, а глубина ведения горных работ достигла 1000 м [4]. Ритмичная и эффективная работа предприятия зависит от надежности прогнозов природных условий, включая и достоверность оценок газодинамической активности угольных пластов.
Взаимосвязь параметров метаноемкости и физико-химических свойств углей с выбросоопасностью угольных пластов
Выбросоопасность угольных пластов является следствием единого геомеханико-термодинамического и физико-химического процесса, происходящего в угольных пластах при их отработке. Одними из определяющих факторов для протекания массо-газообменных процессов в угольных пластах являются вещественный состав и внутренняя микроструктура угля.
Поэтому обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий являются актуальной проблемой. Неотъемлемой частью организации безопасных горнодобывающих технологий является совершенствование существующих и разработка новых методов и средств изучения физико-химических свойств ископаемых углей. Метаноемкость X тесно связана с физико-химическими свойствами углей и физической структурой угольного вещества: выходом летучих веществ (Vа), пористостью (П), влажностью (Ж), глубиной отрабатываемых горизонтов (Н) угольных месторождений уравнением Ленгмюра:
X = аЬН / (1 + ЬН), м3/т , (1)
где а, Ь - параметры метаноемкости.
В работах В.В. Ходота, Г.Я. Полевщикова и др. [3, 5] показано, что средняя стадия метаморфизма углей является наиболее выбросоопасной. Параметры метаноемкости а и Ь являются функциями от выхода летучих веществ и согласовываются с «выбросоопасностью» основных стратиграфических структур угольных бассейнов России [6]. При этом выделяется интервал выхода летучих веществ (18...38 %), в котором параметр а -предельная метаноемкость каменных углей - остается практически постоянным, а параметр Ь - коэффициент сорбции - изменяется. Подобное поведение свидетельствует о существовании области, в которой анализируемая система меняет характеристики своей устойчивости. Точку смены градиентов устойчивых изменений принято называть точкой бифуркации.
Установлена бифуркация параметров метаноемкости (рис. 1), влажности и пористости (рис. 2) для каменных углей подсерий Кузбасса и для
более широкого диапазона марочного состава углей: от суперантрацитов до бурых Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов. В точках бифуркации параметров сорбционной метаноемкости ^ - первая производная уравнения Ленгмюра при Р=0) при величине предельной метаноемкости
3 3
18-м /т для Кузнецкого и 18,5-м /т для углей Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов углеметановый пласт генетически способен сформировать возмущающий газодинамический импульс, достаточный для развития его саморазрушения. Эти качества объясняют внезапность выбросов угля и газа.
а
б
25 | М
^ 1!
10
Выбркоспасны глубнна. м
С* 3
"Ъ 34 32 30
15
а, м-/т
17
и
19 а, мУт
~ — Ерчаковснал Веркн^ь-шоноая
[1льнж:кая а. нюхе^ашхсвская
Рис. 1. График бифуркации параметров метаноемкости углей: а - Кузнецкого; б - Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов
а
б
25 -Ъ 20
]0
"Т-Г-Т-Г"
/5 ■ 20 ■
15 -
а (0 ■
5 ■
2 34 5 678 9 1С Ц% Подсерни:
О
I
%
■ Илышскав Ннжнеб&лахюнская
Вернвебаланоискоя ' 1*!р_\ I шиши кия
Рис. 2. Зависимости для подсерий углей Кузбасса предельной метаноемкости: а - от пористости П; б - от влажности W
Пористость и влажность образцов угля предварительно измерялись в лаборатории [7 - 9]. При сочетании пористости, равной- 6 % и аналитической влажности, равной 1^1,3 %, в соответствии с каталогами [7 - 9] угольные пласты с предельной метаноемкостью ~18 м /т для Кузбасса имели наибольшее количество выброшенного угля и газа с 1943 г. по настоящее время. Угольные пласты, имеющие значения предельной мета-ноемкости больше или меньше 18 м /т, но те же значения пористости и
влажности, являются менее выбросоопасными (по данным горной практики).
Полученные авторам практические результаты по 15396 пластопе-ресечениям 11 месторождений Кузбасса показали, что увеличение влажности угольного пласта даже на 2 % практически вдвое снижает энергию его газовой компоненты, а следовательно, и риск возникновения внезапного выброса угля и газа [6].
Установленный эффект «бифуркации параметров метаноемкости углей» различных бассейнов России показывает, что существуют единые тенденции в изменениях физико-химических свойств углей: выхода летучих веществ, метаноносности, глубины залегания угольных пластов, которые могут быть описаны аналитически. Вместе с тем генетически предопределенное сочетание изменчивости горно-геологических и физико-химических свойств угольных пластов определяет специфику их геомеханической реакции на технологические воздействия. Она, как правило, отображается в вероятности динамических газопроявлений, в том числе в виде выбросов угля и газа [10]. Задачами являются выявление и количественное описание соответствующих закономерностей путем отражения их совокупного влияния, позволяя не только зонировать углеметановые пласты по их потенциальной склонности к саморазрушению, но и служить основой для управления техногенными процессами при разработке угольных месторождений.
Комплексный показатель газодинамической активности угольного
пласта
Авторами разработан метод [6, 10] снижения рисков выбросоопас-ности при разработке угольных месторождений на основе установленного комплексного показателя газодинамической активности угольного пласта
С ч 0,83
к = 0,05 (Ц , (2)
V / у
где Е - удельная энергия релаксации метаноносности, кДж/кг [6]; / - коэффициент крепости угля по М.М. Протодьяконову, усл. ед.
Объединив в этом показателе сведения о свойствах угля и условиях залегания пласта, метод позволяет картировать наиболее энергонасыщенные зоны выбросоопасности угольного пласта. Структура и количественные значения полученного комплексного показателя газодинамической активности позволяют выполнять картирование углеметановых пластов по уровню их газодинамической активности (рис. 3 - 7), а также обеспечивают определение требуемой по условиям газодинамической безопасности эффективности дегазации пластов и тем самым глубины горных работ, ниже которой реально достижимый технологический предел дегазации
указывает на необходимость отнесения запасов к неизвлекаемым по газовому фактору [11].
Рис. 3. Пример карты газодинамической опасности углеметанового
пласта
Рис. 4. Карта показателя газодинамической активности пласта XXVII Березово-Бирюлинского месторождения Кузбасса (ОАО «Шахта "Первомайская»)
Рис. 5. Карта уточненных значений коэффициента дегазации углеметанового пласта XXVII Березово-Бирюлинского месторождения Кузбасса
Рис. 6. Карта показателя газодинамической активности пласта 3 Чертинского месторождения
Рис. 7. Карта значений коэффициента дегазации пласта 3 Чертинского месторождения
Проведенная на основании результатов расчетов конкретизация параметров системы управления газовыделением на выемочном участке Ле-
нинского месторождения Кузбасса, прежде всего, интенсификация дегазации разрабатываемого пласта, обеспечила нормализацию газовой обстановки и повышение производительности забоя на ш. им. Кирова с 3500 т/сут до проектной величины в 8000 т/сут. Все расчеты выполнены с учетом требований нормативных документов.
Выводы
Представленная геоинформационная основа открывает возможность количественного обоснования технологических параметров и типов оборудования для проведения протяженных подготовительных выработок, пересекающих зоны угольного пласта различной газодинамической активности.
С использованием созданных методических и программных средств контроля и прогноза газокинетических процессов и газодинамических явлений в угольных шахтах и методики оценки ресурсов метана в отработанных горных отводах шахт были обоснованы места заложения метанодобы-вающих скважин, проведена оценка ресурсов метана, выполнен прогноз объемов добычи угля, каптируемого и вентилируемого метана, разработаны предложения по организации метанодобывающих участков ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-05-00051).
Список литературы
1. Скочинский А. А., Ходот В.В., Премыслер Ю.С. Метан в угольных пластах. М.: Углетехиздат, 1958. 256 с.
2. Kiryaeva T. A., Oparin V. N. The Influence of Nonlinear Deformation-Wave Processes Induced by Seismic Effects on the Gas-Dynamic Activity of Coal Mines// IOP Conf. Ser.: Earth Environ. 2021. Sci. 666 022013.
3. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Госгортехиздат, 1961. 363 с.
4. Геодинамическое районирование Южного Кузбасса / Т. И. Лазаревич [и др.]. Кемерово: Весть, 2006. 181 с.
5. Полевщиков Г. Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах. Кемерово: Ин-т угля и углехимии СО РАН, 2003. 317 с.
6. Киряева Т. А. Разработка методов энергетического анализа и прогнозирования газодинамической активности углеметановых пластов Кузбасса // Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. 332 с.
7. Каталог метаноносности углей Кузбасса. 2018620035 на БД. РФ/ Т.А. Киряева, В.Н. Опарин. Опубл. 09.01.2018.
8. Каталог внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе. 2018620036 на БД. РФ / Т.А. Киряева, В.Н. Опарин. Опубл. 09.01.2018.
9. Каталог метаноемкости углей Кузбасса. 2018620264 на БД. РФ / Т.А. Киряева, В.Н. Опарин. Опубл. 13.02.2018.
10. Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горно-технических и природных системах / под ред. Н. Н. Мельникова. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. Т. 1. 549 с.; 2019. Т. 2. 543 с.
11. Kiryaeva T. A. Evaluation of methane resources in Kuzbass in the context of new ideas on methane occurrence in coal beds // J. of Mining Sci. 2012. Vol. 48. No. 5. Р. 825 - 831.
Киряева Татьяна Анатольевна, канд. техн. наук, ст. науч. со-труд., coalmetan@mail. ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н.А. Чи-накала Сибирского отделения Российской академии наук,
Опарин Виктор Николаевич, чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. отделом, oparin@misd.ru Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н.А. Чинака-ла Сибирского отделения Российской академии наук
REDUCING EMISSION RISKS IN THE DEVELOPMENT OF COAL DEPOSITS
V.N. Oparin, T.A. Kiryaeva
The article shows that the outburst hazard of coal seams is a consequence of a single geomechanical-thermodynamic and physicochemical process occurring in coal seams during their development. The bifurcation of the parameters of methane capacity, moisture content and porosity has been established for bituminous coals of the KuzBass subseries and for a wider range of grade composition of coals: from superantracites to brown Donetsk and Lvov-Volyn basins. A genetically predetermined combination of variability of mining-geological and physicochemical properties of coal seams determines the specificity of their geomechani-cal response to technological impacts. The authors have developed a method to reduce the risk of outburst hazard in the development of coal deposits based on the established integrated indicator of the gas-dynamic activity of a coal seam, the structure and quantitative values of which allow mapping coal-methane seams by the level of their gas-dynamic activity, and also provide the determination of the efficiency required under the conditions of gas-dynamic safety. degassing of coal seams.
Key words: coal deposits, outburst hazard, Langmuir equation, volatile matter yield, humidity, porosity, bifurcation, indicator of gas-dynamic activity of a coal seam.
Kireeva Tatyana Anatolyevna, candidate of technical sciences, art. employee., coalmetan@,mail. ru, Russia, Novosibirsk, N. A. Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,
Oparin Viktor Nikolaevich, corresponding member of the russian Academy of Sciences, doctor of physics.-matem. of sciences, professor, head of department, oparin@,misd. ru
Russia, Novosibirsk, N. A. Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Skochinsky A. A., Khodot V. V., Premysler Yu. S. Methane in coal seams. Moscow: Ugletekhizdat, 1958. 256 p.
2. Kiryaeva T. A., Oparin V. N. The Influence of Nonlinear Defor-mation-Wave Processes Induced by Seismic Effects on the Gas-Dynamic Ac-tivity of Coal Mines// IOP Conf. Ser.: Earth Environment. 2021. Sci. 666 022013.
3. Khodot V. V. Sudden emissions of coal and gas. Moscow: Gosgortehizdat, 1961.
363 p.
4. Geodynamic zoning of the Southern Kuzbass / T. I. Lazarevich [et al.]. Kemerovo: Vesti, 2006. 181 p.
5. Polevshchikov G. Ya. Dynamic gas phenomena during preparatory and opening workings in coal mines. Kemerovo: Institute of Coal and Coal Chemistry SB RAS, 2003. 317 p.
6. Kiryaeva T. A. Development of methods for energy analysis and forecasting of gas-dynamic activity of coal-methane formations of Kuzbass // Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. 332 p.
7. Catalog of methane content of Kuzbass coals. 2018620035 on the DATABASE of the Russian Federation / T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin. Publ. 09.01.2018.
8. Catalog of sudden emissions of coal and gas in the Kuzbass. 2018620036 on the DATABASE of the Russian Federation / T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin. Publ. 09.01.2018.
9. Catalog of methane capacity of Kuzbass coals. 2018620264 on the DATABASE of the Russian Federation / T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin. Publ. 13.02.2018.
10. Geomechanical fields and processes: experimental and analytical studies of the formation and development of focal zones of catastrophic events in mining, technical and natural systems / ed. by N. N. Melnikov. Novosibirsk: Publishing House of the SB RAS. 2018. Volume 1. 549 p.; 2019. Volume 2. 543 p.
11. Kiryaeva T. A. Evaluation of methane resources in Kuzbass in the context of new ideas on methane occurrence in coal beds // J. of Mining Sci. 2012. Vol. 48. No. 5. pp. 825831.
