CC BY
29
© A.A. Лихоузов, 2013
УДК 622.831.322 A.A. Лихоузов
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМА ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПО УГОЛЬНЫМ ПЛАСТАМ
Дана оценка состояния локального и текущего прогноза выбросоопасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам. Предложены направления совершенствования методов прогноза в направлении их оперативности и надежности.
Ключевые слова: выбросоопасность, локальный прогноз, текущий прогноз, прочность угля.
Сложные горно-геологические условия угольных месторождений Кузбасса определяют его особую опасность по газодинамическим явлениям. Всего в Кузбассе зарегистрировано 195 внезапных выбросов угля и газа. Из них в забоях горизонтальных и наклонных подготовительных выработок - 164, в очистных забоях - 9, при прохождении квершлагов, стволов, околоствольных выработок - 22. Первый внезапный выброс угля и газа зарегистрирован на пласте Владими-ровском шахты «Северная» Кемеровского района 27.10.1943 при прохождении вентиляционной печи № 12. За период с 1943 г. по 1979 г. на этой ныне закрытой шахте зарегистрировано 112 выбросов, т. е. большая часть от всего их количества в Кузбассе. Среди ныне функционирующих шахт Кузбасса наиболее опасные по выбросам - шахты «Первомайская», «Березовская» (Березовское месторождение), «Чертинская» (Чер-тинское месторождение).
Для предупреждения этих самых опасных газодинамических явлений необходимы, в первую очередь, достоверные и надежные методы локального и текущего прогноза выбросо-опасности, позволяющие выявлять выбросопасные зоны.
Локальный прогноз применяется для оценки выбросо-опасности какого-либо ограниченного участка угольного пласта.
Рис. 1. Схема выполнения прогноза выбросоопасностн перед вскрьпнем пласта: 1, 2 - прогнозные скважины для измерения давления газа в пласте и отбора проб угля
Наиболее широко из локальных методов на шахтах России применяется прогноз перед вскрытием пластов [1, 2, 3]. Он основан на измерении двух параметров - давления газа и крепости угля в скважинах, пробуренных через породную пробку в зону вскрытия (рис. 1). По окончании выполнения работ по замеру газа в пласте и определения коэффициента крепости рассчитывается показатель выбросоопасности по формуле:
Пв = Prmax - 14/1 (1)
где Рг.тах - наибольшее из двух измеренных значение давления газа, кгс/см2; /min - наименьшее значение коэффициента крепости угля по его мощности.
При Пв > 0 зона пласта в месте вскрытия считается опасной, если Пв <0 - не опасна.
В качестве локального метода прогноза выбросоопасности может использоваться определение склонности пластов к внезапным выбросам по фазово-физическим свойствам угля [3, 4]. Прогноз основан на определении четырех параметров:
GMr- структурный показатель долевого участия сорбцион-ного порового объема в общей пористости; WMr - максимальная гигроскопическая влагоемкость; Wn - полная влагоемкость; We - естественная влагоемкость.
Пробы угля отбираются из скважин, пробуренных из забоя вперед по ходу выработки. Показатели физических свойств определяются в лабораторных условиях. Путем сравнения по-
казателей М и Шмг можно выделить опасные и неопасные по выбросам участки. Если показатели удовлетворяют неравенству М > Wмr, то они не опасны по внезапным выбросам угля и газа, а если значение М < 0,85 МП, то участок считается опасным.
Способ имеет следующие недостатки: необходимость лабораторных определений влажности угля, что требует квалифицированного персонала и создает перерыв между отбором проб и получением данных по их влажности; высокая трудоемкость и неоперативность; недостаточная точность.
Согласно инструкции [3], на шахтах Ростовской области (Донбасс) предусмотрено применение локального прогноза вы-бросоопасности на основе комплексного показателя, учитывающего глубину ведения горных работ и ряд параметров, выражающих свойства пласта: давление газа в пласте, прочность угля на поверхности забоя, мощности угольного пласта в целом и слагающих его пачек, начальную скорость газовыделения из скважин. Обследование производится периодически с определенным интервалом проведения выработок и по его результатом определяется необходимость применения текущего прогноза выбросоопасности.
Данный метод имеет ограниченное применение по причине его невысокой достоверности, обусловленной тем, что давление газа - один из основных параметров, используемых для оценки выбросоопасности пласта, измеряется только при вскрытии пласта. Однако при удалении от места вскрытия его значение может существенно измениться, а локальный прогноз - не отражать фактического состояния массива. Кроме того, критерии выбросоопасности не прошли широкой проверки на угольных шахтах.
Текущий прогноз выбросоопасности выполняется постоянно с достаточной частотой или непрерывно с той целью, чтобы контролировать изменение степени выбросоопасности призабойной части горного массива горной выработки по мере ее подвигания.
В Кузбассе впервые в мире в 1961 г. был применен на практике метод текущего прогноза выбросоопасности, разработанный в ВостНИИ под руководством О.И. Чернова [1, 3, 5]. Прогноз основывался на определении крепости и показателя начальной скорости газоотдачи проб угля с забоев подгото-
вительных выработок в лабораторных условиях. Появление метода было прорывом в профилактике внезапных выбросов угля и газа. Он позволил заменить применение способов предотвращения выбросов на всем протяжении выработок, проводимых на угрожаемых по данным явлениям пластах, на выполнение их только в установленных прогнозом выбросоопасных зонах.
В то же время недостатком метода является его низкая оперативность, поскольку после каждого цикла отбора проб требуется продолжительное время на доставку проб в лабораторию и их анализ. Кроме того, значительное число фактически невыбросоопасных зон при применении метода относятся в соответствии с критериями к выбросоопасным. Это в большой степени связано с тем, что один из основных параметров прогноза - начальная скорость газоотдачи показывает только предрасположенность взятой пробы отдавать газ. Он не отражает фактического давления газа в пласте и количества газа, которое способно принять участие в выбросе.
В 1969 г. был предложен метод текущего прогноза выбро-соопасности в подготовительных выработках угольных пластов по начальному газовыделению и выходу бурового штыба из метровых интервалов контрольных скважин, пробуренных в окрестности забоя [1]. Показатель выбросоопасности рассчитывается по максимальным по длине скважин значениям начальной скорости газовыдения дн.тах и выхода бурового штыба 5 тах по формуле
К = (^ах -1,8)(^.тах - 4,0). (2)
При К > 6 пересекаемая шпурами зона считается выбросо-опасной, а при К < 6 - неопасной.
Результаты применения данного прогноза показали в дальнейшем, что более достоверно считать зону потенциально вы-бросоопасной при наличии в сечении забоя угольной пачки прочностью по прочностномеру П1, составляющей < 75, и дн.тах > 4, что и закреплено действующей инструкцией [3].
Позднее был предложен новый показатель выбросоопасно-сти, позволяющий в 2 раза снизить число фактически невыбросоопасных зон, классифицируемых вследствие несовершенства прогноза как выбросоопасные [2, 6]:
(2 * — 2 * ) Г
о \о н.тах о н.з / в
Вп = к--х---"т, (3)
V /в
где А - постоянный коэффициент (к = 1,25 мин/л); д*н.тах -приведенная (к диаметру бурового резца) максимальная начальная скорость газовыделения по длине шпура, л/м; д*нз -приведенная начальная скорость газовыделения, измеренная в ближайшем к забою интервале шпура, л/м; /д» - расстояние до середины интервала, в котором измерено значение д*н.тах, м; гв
- эквивалентный полурадиус площади обнажения, м (гв = Sв / Пв, где Бв и Пв - соответственно площадь и периметр потенциально выбросоопасной угольной структуры в сечении забоя); ¡в
- коэффициент крепости угля данной пачки по М. М. Прото-дьяконову (определяется с использованием прочностномера П-1). Использование в показателе значения приведенной максимальной начальной скорости газовыделения вместо измеренной позволяет устранить влияние на нее степени разрушения стенок скважин и значительно повысить достоверность оценки газового фактора.
Показатель Вп, отражающий через косвенные параметры соотношение активной и пассивной сил внезапного выброса, говорит о степени выбросоопасности забоя. Значение показателя от 1,0 и выше говорит о том, что зона впереди забоя опасна по внезапным выбросам.
Интерес представляет метод автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности, предназначенный для применения в нисходящих подготовительных выработках на крутых пластах, основанный на контроле за концентрацией метана в выработке и количеством подаваемого в забой воздуха с помощью аппаратуры контроля метана АКМ и датчика расхода воздуха ИСВ [1]. Для этих выработок автоматизировать прогноз оказалось проще, поскольку они проводятся с помощью буровзрывных работ, порядок проведения которых жестко регламентирован в отличие от комбайнового способа проходки. Однако в принципе возможна разработка подобного прогноза и для других способов проведения выработок.
Закрытие многих шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа, позволило в целом снизить остроту проблемы борьбы с этими явлениями. Выбросоопасные зоны встречаются
гораздо реже. Постоянное применение нормативного метода текущего прогноза выбросоопасности с бурением контрольных скважин, требующего значительных затрат времени и, к тому же, имеющего большую ошибку 2 рода (отнесением части не-выбросоопасных зон к выбросоопасным) стало нерациональным.
В этой связи возникла проблема разработки прогноза вы-бросоопасности при проведении выработок, позволяющего с минимальными трудозатратами точечно выявлять истинно вы-бросоопасные зоны и только в них применять дорогостоящие способы предотвращения выбросов.
Перспективным в этой связи представляется создать такую технологию прогноза, которая объединяла бы положительные качества локального и текущего прогноза. От первого следует взять выполнение прогноза только через определенные, как можно более протяженные интервалы проведения выработок, от вторых - оперативность оценки выбросо-опасности зон.
Для локальной оценки может быть взят за основу метод прогноза выбросоопасности при вскрытии пластов. Ранее он применялся только при вскрытии, поскольку измерить давление газа в угольном забое было проблематично из-за трудности надежной герметизации в угле скважины и необходимости остановки забоя более чем на сутки для восстановления пластового давления газа в контрольной скважине. Однако сейчас имеется способ оперативного измерения этого параметра, позволяющий исключить длительный процесс восстановления этого параметра [6, 7]. Давление газа в скважине восстанавливается до расчетной величины принудительно за счет подачи в скважину через специальный герметизатор [8] воды, а затем подстраивается до истинного пластового давления газа посредством его сброса или подъема с помощью специального вентиля (рис. 2).
Этот способ позволяет без существенных простоев измерять давление газа в зоне влияния призабойной части выработки. Эти измерения не требуется проводить слишком часто, поскольку при отсутствии зон влияния тектонических нарушений давление газа в пласте на определенной глубине сохраняется практически постоянным.
I
^^^ принудительное изменение давления в замерной камере
свободные рост или снижение давления в замерной камере Р — давление в замерной скважине
Рн — максимальное созданное насосной установкой давление в замерной скважине Рг — измеренное давление газа в угольном пласте < — время от начала измерения
Рис. 2. Графики измерения давления газа в пласте с применением принудительного изменения давления газа в скважине
Это значит, что при проведении подготовительных выработок потребуется измерять давление газа при входе в зоны влияний нарушений и лишь изредка при отсутствии их влияния. Определение коэффициента крепости угля в забое достаточно оперативно можно выполнять прочностномером П1 [2]. Такой подход позволит производить локальную оценку выбросоопас-ности по показателю Пв (3), достоверность и надежность которого подтверждена многочисленными практическими данными.
Созданы предпосылки для совершенствования текущего прогноза выбросоопасности в направлении снижения его трудоемкости. Существуют наработки, позволяющие, как указывалось выше, использовать для этой цели показания аппаратуры контроля метана. Имеются отдельные результаты исследований, показывающие, что вход в выбросоопасную зону может устанавливаться по увеличению показателя активности электромагнитного излучения [2]. Причем этот признак срабатывал ранее других определявшихся параллельно признаков выбро-соопасности.
Текущий прогноз выбросоопасности, требующий бурения опережающих забой контрольных скважин, должен применяться как крайний случай, когда бесконтактными способами не удается сделать однозначный вывод о газодинамической опасности выработки.
Создание с учетом высказанных выше предложений локально-текущего прогноза, являющегося симбиозом положительных сторон описанных выше и других методов оценки газодинамического состояния горного массива, позволит решить проблему оперативного и достоверного прогноза выбросо-опасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. -М.: Недра, 1979. - 296 с.
2. Зыков B.C. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах. - Кемерово: ООО «Фирма ПОЛИГРАФ», 2010. - 334 с.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа // Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: Сборник документов. Серия 05. Нормативные документы по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в угольной промышленности. 2-е изд., испр.- Выпуск 2 / НТЦ «Промышленная безопасность». - М., 2001. - С. 120-303.
4. Акиньшин Б.Т. К оценке ударо- и выбросоопасности угольных пластов // Уголь. - 1979. - № 8. - С. 28-29.
5. Чернов О.И. О прогнозе внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе на больших глубинах // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1966. - № 3. - С. 31-34.
6. Зыков B.C., Лебедев A.B., Сурков А.В. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам. - Кемерово: КРО АГН, 1997. - 261 с.
7. А. с. № 1815329. Способ определения истинного начального давления газа в газонасыщенном угольном пласте /В. С. Зыков, В. В. Славолюбов, Ю. П. Осокин //Изобретения. - 1993. - № 18. - С. 70.
8. Патент на полезную модель № 64283 U1, E21F 5/00. Устройство для замера давления газа в массиве / В. С. Зыков, В. М. Кондаков // Бюллетень «Изобретения» - 2007. - № 18. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Лихоузов Андрей Александрович - ведущий инженер лаборатории геодинамических явлений в шахтах ИУ СО РАН, [email protected].
