CC BY
77
_______________________________ © Н.Г. Матвиенко, С.А. Радченко,
2009
УДК 622.457
Н.Г. Матвиенко, С.А. Радченко
УЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ УГЛЯ В ЗАБОЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СПОСОБОВ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИИГАЗООТДАЧИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ И УГЛЯ
Разработаны новые методы и портативные приборы для быстрой, удобной и дешевой оценки в горных выработках степени опасности внезапных выбросов газа и угля и эффективности предварительной дегазации угольных пластов, которые основаны на измерении температуры угля, десорбции газа из бурового штыба и метаносодержания угля, используя буровой штыб из скважин. Их применение в забоях является одним из самых перспективных, дешевых и доступных для шахт направлений повышения безопасности и эффективности добычи угля и метана в шахтах России и других стран.
Ключевые слова: газоопасность работ, газовыделения из угля, выбросоопас-ность, метанообильность.
Яесмотря на то, что существуют много методов и средств, а также нормативных документов по прогнозу характера и интенсивности газовыделений в шахтах, проблема обеспечения безопасности и эффективности технологических процессов полностью не решена, в том числе из-за недостаточной надежности методов и средств и достоверности результатов экспресс-оценки га-зоопасности работ в забоях, сложности прогноза характера и интенсивности газовыделения в шахтах и газокинетических свойств углей, а также недостаточного учета тепловых эффектов при десорбции метана углями, так как [1-8]:
1 - замеры в забоях газовыделения из угля известными методами обычно неточны из-за десорбции неизвестного количества газа до момента герметизации пробы, особенно для нарушенного угля, поэтому их трудно интерпретировать и использовать для прогноза выбросоопасности и метановыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля;
2 - для надежного прогноза необходимо использовать сразу несколько методов;
3 - визуальная оценка нарушенности угля в забое известными способами требует высокой квалификации и не везде возможна, а тем более постоянно;
4 - традиционные лабораторные методы определения скорости сорбции и десорбции метана и микроскопической оценки нару-шенности угля долги, поэтому их результаты нельзя применять в забое для экспресс-прогноза газодинамического состояния призабойной зоны пласта и газовыделения из угля;
5 - опытами доказана большая изменчивость свойств угля по простиранию и мощности угольных пластов;
6 - экспресс-оценка безопасности работ в забое по охлаждению угля при десорбции метана не стала массовой, хотя ее перспективность доказана исследованиями, из-за несовершенства методов замеров температуры и интерпретации их результатов, а также недостаточного учета теплообмена угля в забое;
7 - рост возможностей современной высокопроизводительной техники для проходческих, буровых и очистных работ, повышение выбросоопасности и метанообильности в глубоких шахтах, а также ухудшение горно-геологических условий снизили эффективность применения и надежность результатов ряда нормативных методов прогноза безопасности работ по газовому фактору и оценки газокинетических свойств угля при подземной разработке газоносных угольных месторождений, особенно в нарушенных зонах.
Поэтому известные методы оценки газокинетических свойств угля в забоях метанообильных шахт применяют все меньше, хотя о сильной зависимости выбросоопасности и метанообильности от газокинетических свойств и нарушенности угля в призабойной зоне известно давно и без постоянного контроля свойств угля в каждом забое трудно обеспечить газовую безопасность работ и эффективную экономичную добычу угля и шахтного метана.
В связи с этим нами изучена возможность использования тепловых эффектов десорбции метана для повышения эффективности применения нормативных методов прогноза выбросоопасности, метановыделения и добычи угольного метана доступными для шахт методами без больших дополнительных затрат и изменений технологии работ.
Основная идея заключается в использовании тепловых эффектов при десорбции метана и газокинетических свойств угольного вещества для повышения точности и оперативности прогноза ме-таноотдачи, выбросоопасности и газоносности угля в призабойной зоне пласта для комплексного решения проблем эффективности и безопасности добычи угля и метана в шахтах при минимуме затрат
и изменений технологии горных работ за счет научного обоснования и разработки новых методов и портативных устройств для быстрой оценки в забое газокинетических свойств и газоносности угля.
Для оценки взаимосвязи снижения температуры призабойной зоны газоносного пласта, отбитого угля и бурового штыба с интенсивностью метановыделения из них необходимо знать влияние давления свободного метана на изменение теплоты десорбции метана из угля. Если теплота десорбции постоянна в интервале давлений, имеющих место при разработке газоносных угольных пластов, то связь между интенсивностью метановыделения из угля и снижением его температуры будет линейной.
Такую возможность доказали высокоточные опыты в ИПКОН РАН, показавшие постоянство теплоты сорбции и десорбции метана углями разных стадий метаморфизма и разной нарушенности при различных давлениях и температурах, а также возможность использовать постоянную величину теплоты десорбции метана для каждого шахтопласта в зонах любой нарушенности при выходе летучих веществ УГ от 9 до 30 % [1, 5-7, 9-10].
Изучение теплообмена призабойной зоны пласта и бурового штыба при десорбции метана позволило научно обосновать и разработать новые технические решения для повышения надежности способов прогноза выбросоопасности и газоотдачи призабойной зоны и угля за счет учета температуры угля в забое, не требующие больших затрат и совместимые с современными технологиями разработки углеметановых месторождений [1-10].
Во-первых, разработан более точный и быстрый способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне [11], позволяющий точнее и гораздо быстрее определять газовыделение из бурового штыба любой нарушенности на основе измерения его охлаждения за счет десорбции метана до момента герметизации пробы и еще несколько минут, который награжден золотой медалью Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель - Эврика» (рисунок). Результаты расчета процесса теплообмена пласта К3в Бераль на шахте «Перевальская» с вмещающими породами и величины его охлаждения в различных сечениях
Остаточ- | Количество тепла | Снижение температуры ~
ная газоносность, м3/т.г.м. н - т нн угля, кДж пласта, °С
отбираемого из угольного массива при переходе метана из сорбированного состояния в свободное перешедшего в угольный пласт до замера тем- пе-ратуры окружающей породы в случае теплообмена с породами среднее в случае отсутствия нагревания от пород
в местах контакта пласта с породами среднее для пласта
15 2620 938 0,52 1,86 2,09
11 6120 2220 1,21 4,31 4,87
8 8751 3165 1,72 6,17 6,97
5 11364 4045 2,20 8,02 9,05
2 13985 5075 2,75 9,85 11,14
Во-вторых, предложен способ повышения надежности прогноза выбросоопасности и газоотдачи призабойной зоны пласта и угля при использовании нормативных способов и устройств и отборе проб за счет их применения прежде всего в местах с более низкой температурой угля по сравнению с ненарушенными зонами пласта в аналогичных условиях (особенно когда уголь в забое не увлажняют), визуально обнаруживая эти места повышенной газоотдачи за несколько секунд тепловизором или радиационным термометром [1].
В-третьих, предложен комплексный экспресс-метод прогноза выбросоопасности и перспективности участков угольного пласта и скважин для добычи метана при буровых работах за счет постоянного дистанционного измерения температуры штыба для выявления участков повышенной газоотдачи при меньшем внедрении в выбросоопасную зону и при очень малых дополнительных финансовых и трудовых затратах [1].
Для правильной интерпретации температуры свежеобнаженной поверхности забоя в разгруженной зоне или бурового штыба, особенно при малой скорости подвигания забоя, необходимо учитывать теплообмен охлаждающегося в результате десорбции угольного пласта с вмещающими горными породами, так как охлаждение пласта наименьшее в местах их контакта. Это видно из таблицы, в которой приведены результаты расчета температуры в призабойной зоне пласта К3В Бераль
Стационарный
прибор-анализатор
Прибор для отбора и исСледования проб
1 Г
Компьютер
Поверхность земли
Отбор и исследование проб в горной выработке
Штыб для исследования
Использование полученной информации на всех этапах горных работ
Блок-схема (а) и принципиальная схема (б) комплексного способа экспресс-оценки выбросоопасности призабойной зоны угольного пласта
мощностью 0,8 м и газоносностью 18 м3/т по методике А.Ф. Воропаева [12], разработанной с учетом допущений, что: 1 - тепловой поток от кровли и почвы пласта распространяется только в нормальном направлении к пласту, а в других направлениях тепловой поток отсутствует; 2 - дегазация угольного пласта начинается в 4 м от груди забоя.
Установлено, что рост влажности угля до 10 % повышает его удельную теплоемкость на 23 %, а коэффициент теплопроводности
- на 176 %. Количество тепла, отдаваемое породами пласту, растет при росте влажности угля и длительности теплообмена, а также при уменьшении остаточной газоносности угля, то есть при росте перепада температур между пластом и породами.
Относительный приток тепла к угольному пласту от горных пород в зонах любой нарушенности примерно одинаков и зависит в основном от времени теплообмена и влажности угля, хотя абсолютная величина теплового потока увеличивается пропорционально снижению температуры пласта. Например, при времени теплообмена х = 32 часа сухой угольный пласт успевает получить от горных пород 21-28 % от всего количества тепла, отобранного от него в результате десорбции метана, при х = 16 часов - 16-20 % тепла, а при влажности 10 % - соответственно 37 % и 26 % тепла. Поэтому количество тепла, фактически определяющее снижение температуры пласта к моменту ее измерения, весьма значительно при любой возможной влажности угля [1, 13].
Таким образом, установлено, что снижение температуры угля при десорбции из него метана прямо пропорционально количеству выделившегося метана в случаях, когда теплообменом с окружающей средой можно пренебречь, а при теплообмене угольного пласта с вмещающими породами его охлаждение наибольшее в центральной части пласта. В местах контакта пласта с породами почвы и кровли охлаждение может быть до нескольких раз меньше за счет подвода тепла из них. Поэтому результаты замеров температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба следует анализировать с учетом расположения мест замеров и отбора проб, теплоты десорбции метана, влажности и времени теплообмена угля с окружающей средой, скорости подвигания забоя.
Научно обоснована необходимость постоянного осмотра свежеобнаженной поверхности разрабатываемого газоносного уголь-
ного пласта и бурового штыба в подготовительных и очистных забоях тепловизором и радиационным термометром для предварительной оценки размера и расположения потенциально опасных по газовому фактору зон по более значительному снижению температуры угля в этих зонах (как правило, более нарушенных) в результате повышенного газовыделения (особенно, когда уголь в забое не увлажняют) с быстрой отправкой инфракрасных и реальных изображений таких зон и результатов измерений их температуры на поверхность для анализа в целях более эффективного выбора мест для определения показателей выбросоопасности и нарушенности угля нормативными и предложенными методами.
Для меньшего внедрения в опасную зону предложено собирать штыб в описанные и показанные в [1, 14-17] и награжденные серебряной медалью Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель - Эврика» и в другие десорбометры нового технического уровня и принципа действия, которые могут иметь объем в транспортном положении от 100 см2, с немедленным очень быстрым послойным замером температуры бурового штыба в десорбометре или перед загрузкой в него тепловизором, радиационным термометром или малоинерционными термопарами. Это позволяет очень быстро измерять температуру разных частей пробы и сохранять ее в базе данных (что испытано одним из авторов при проведении опытов в ИПКОН РАН и Лидском университете Великобритании [1, 18-22]) и сразу обнаруживать вход в опасную зону по снижению температуры штыба в местах повышенной газоотдачи (по сравнению с типичной на этом интервале бурения в ненарушенной зоне) и прекращать бурение в «подозрительных» местах на 3 минуты для лучшего изучения этого штыба сразу двумя видами разработанных десорбометров разного принципа действия (используя в них пробы штыба до 50 и до 600 см3 соответственно для замера десорбции газа и охлаждения штыба), а затем быстрее уточнять выбросоопасность и свойства угля именно в таких местах нормативными и предложенными методами для повышения безопасности прежде всего буровых и проходческих работ в забоях.
Таким образом, выполненным нами в ИПКОН РАН комплексом высокоточных исследований систем «ископаемый уголь - метан» и «углесодержащие породы - метан» развиты научные основы и установлены перспективные направления разработки и совер-
шенствования способов повышения оперативности и информативности изучения десорбции метана из угля, в том числе в забое, раннего обнаружения выбросоопасных зон, прогноза метановыделения и перспективности участков и скважин для добычи метана.
В результате установлен ряд причин недостаточной надежности локального экспресс-прогноза выбросоопасности и мета-новыделений в шахтах нормативными методами и устройствами, применяемыми в России и за рубежом. Научно обоснована необходимость и возможность повысить надежность, быстроту и безопасность прогноза выбросоопасности и метаноотдачи призабойной зоны пласта и отбитого угля разных фракций любой нарушенности нормативными методами без больших дополнительных затрат и изменений технологии проходческих и буровых работ в метанообильных шахтах за счет:
- оптимизации выбора мест их применения в забоях и отбора проб за счет предварительного экспресс-поиска признаков изменений свойств угля и его повышенной газоотдачи, например, по его более сильному охлаждению в результате десорбции метана, для увеличения эффективности применения нормативных и разработанных технических решений, методов и устройств именно в нарушенных местах угольного пласта и для уменьшения внедрения в опасные зоны, так как газокинетические свойства углей в пластах значительно изменяются на малом расстоянии по их простиранию и мощности;
- ускорения исследования проб угля при их отборе и их подготовки для изучения в лаборатории с помощью разработанных новых устройств.
Впервые научно и технически обоснована и подтверждена лабораторными и шахтными экспериментами (совместно с ООО «Звукоулавливающая аппаратура», Донецк, Украина) возможность обеспечить в каждом отдельном подготовительном забое и при бурении скважин по газоносным угольным пластам постоянный более быстрый, надежный и малозатратный комплексный контроль изменений свойств и газодинамического состояния призабойной зоны пласта и экспресс-прогноз метановыделения, выбросоопасно-сти и перспективности участков и скважин для добычи метана на основе совместного замера и использования в забое газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана и акустической эмиссии массива, применяя разработанные десорбометры нового техни-
ческого уровня и звукоулавливающую аппаратуру, например, «ЗУА-98», для оценки газобезопасности работ в забое каждые 10 минут и чаще.
Таким образом, в результате 30-летних комплексных лабораторных и шахтных исследований авторов в Институте проблем комплексного освоения недр РАН (шахтные исследования выполнялись совместно с МакНИИ, ПО «Ворошиловградуголь» и ООО «Звукоулавливающая аппаратура») научно обоснованы и разработаны новые технические решения, способы и портативные устройства нового технического уровня и принципа, позволяющие наиболее быстро и просто повысить эффективность применения нормативных методов прогноза выбросоопасности, метановыделения и добычи метана в шахтах России и других угледобывающих стран без больших затрат и изменений технологии горных работ доступными для любой шахты простыми и недорогими средствами за счет:
- обеспечения шахтеров в забоях несколькими видами портативных устройств для быстрой, простой и удобной визуальной оценки по охлаждению угля при десорбции и по десорбции газа из бурового штыба: 1 - мест изменений свойств угля для первоочередного применения в них нормативных методов; 2 - безопасности работ по газовому фактору; 3 - перспективности участков и скважин для добычи метана;
- научно обоснованного учета свойств угля в разрабатываемом пласте;
- более оперативного, удобного, дешевого и массового изучения свойств угля в призабойной зоне современными методами для повышения достоверности, правильности интерпретации и практической ценности данных о десорбции метана из бурового штыба, скважин и призабойной зоны пласта.
Поэтому их применение в забоях для более быстрого и надежного прогноза зон повышенной газоотдачи является одним из самых перспективных, малозатратных и доступных направлений повышения безопасности, эффективности и экологичности комплексного освоения углеметановых месторождений за счет:
- научно обоснованной разработки современных многофункциональных средств непрерывного наблюдения в забое ряда параметров призабойной зоны для более надежного комплексного экспресс-прогноза свойств угля в призабойной зоне, метано- и выбро-
собезопасности нормативными и предложенными методами с учетом газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана на основе совместного применения разработанных методов и десор-бометров нового технического уровня и принципа действия и звукоулавливающей аппаратуры, которую легко приспособить для совместной работы с такими десорбометрами и за счет этого значительно повысить ее возможности, эффективность использования и конкурентоспособность на рынке;
- лучшего использования технических достижений и потенциала сотрудничества шахт с научными институтами и высшими учебными заведениями в целях оптимизации и повышения результативности противовыбросных, вентиляционных и дегазационных мероприятий, получения каждой шахтой большого экономического эффекта.
Следовательно, описанным выше 30-летним комплексом экспериментальных, аналитических и шахтных исследований ИПКОН РАН по направлению «Развитие теоретических основ и методов борьбы с рудничными газами и пылью» с использованием экспериментальных данных для углей России, Украины и Великобритании научно обоснованы методы создания более надежных и оперативных портативных комплексных систем для постоянного экспресс-прогноза в отдельном забое выбросоопас-ности, газовыделения из угля и перспективности участков пласта и скважин для добычи шахтного метана при меньшем внедрении в опасную зону с быстрым замером температуры угля разработанными на уровне изобретений и испытанными способами и устройствами без значительных дополнительных финансовых и трудовых затрат и изменений технологии горных работ при бурении скважин и шпуров и проходке, в том числе без извлечения бурового инструмента.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радченко С.А. Развитие методов и разработка устройств для оценки метаноот-дачи углей в шахтах на основе газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана. - Дисс. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. - М.: УРАН ИПКОН РАН, 2008. -377 с.
2. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Совершенствование методов и средств прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольных пластов // Горный журнал. -2007. № 11. - С. 69-72.
3. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Метод и аппаратура для экспресс-исследования газоносных образцов пород // Геохимия газов в кристаллических породах и эндогенных процессах: Тез. докл. межд. симпозиума 15-17 сентября 1993 г., Апатиты, Кольский научный центр. - 1994. - С. 21-22.
4. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционно-кинетического показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород // Газопылеэлек-тробезопасность горных работ.- М.: ИПКОН АН СССР, 1990. - С. 60-68.
5. Повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта - причина снижения его температуры в процессе разработки / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, И.А. Горбунов и др. // Уголь Украины. - 1981. № 10. - С. 39-40.
6. Определение степени выбросоопасности по изменению температуры пласта / И.А. Горбунов, Д.И. Дорофеев, И.Л. Эттингер, С.А. Радченко // Уголь Украины. -1983. № 1. - С. 32.
7. Эттингер И.Л., Маевский В.С., Радченко С.А. Контроль газодинамического состояния призабойной зоны пласта // Уголь. - 1983. № 5. - С. 8-9.
8. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем механических и физико-химических процессов / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, Н.В. Шульман, С.А. Радченко и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1984. № 5. - С. 65-69.
9. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / И.Л. Эттингер, Н.В. Шульман, И.Б. Ковалева, С.А. Радченко и др. // Химия твердого топлива. - 1981. № 5. - С. 121-124.
10. Радченко С.А. Научное обоснование методов экспресс-оценки выбросоопас-ности и газоносности призабойной зоны пласта по температуре угля // Безопасность труда в промышленности. - 2007. № 5. - С. 29-32.
11. Патент РФ № 2019706. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г. МКИ E 21 F 5/00. - 1994. - Бюл. № 17.
12. ВоропаевА.Ф. Тепловое кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. - М.: Недра, 1979. - 192 с.
13. Эттингер И.Л., Радченко С.А., Мельников В.В. О влиянии теплофизических характеристик угля на динамику изменения его температуры // Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1985. - С. 155-163.
14. Патент РФ № 2016391. Устройство для отбора и исследования сыпучего груза / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ G 01 N 1/20. - 1994. - Бюл. № 13.
15. Патент РФ № 2034157. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ E 21 F 5/00. - 1995. -Бюл. № 12.
16. Radchenko S.A New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples // Fuel. - 1993. Vol. 72. №. 5. - Р. 721-722.
17. Радченко С.А. Устройства для комплексного решения проблем экологии и безопасности в угольных шахтах // Экологические системы и приборы. - 2007. № 4. -С. 55-59.
18. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The influence of geological disturbance of the gas-dynamic behaviour of coal and associated strata. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1988. - Р. 15-25.
19. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The relationship between pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams // Mining Science and Technology. - 1989. No. 8. - P. 109-131.
20. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Gas emission from coal and associated strata: interpretation of quantity sorption-kinetic characteristics // Mining Science and Technology. -1989. No. 8. - P. 263-284.
21. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples // International Journal of Mining and Geological Engineering. - 1989. No. 7. -P. 101-121.
22. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. An experimental investigation of coal/air heat transfer. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1990. - P. 193-202. EHH
Matvienko N. G., Radchenko S.A.
ACCOUNT OF COAL TEMPERATURE IN A FACE FOR INCREASE OF RELIABILITY OF WAYS OF EJECTION-RISK AND GAS OUTPUT OF CLOSE TO FACE ZONE AND COAL FORECAST
New methods and portable devices have been developed for fast, handy and cheap evaluation in mine workings of degree of danger of gas and coal outbursts and effectiveness of pre-gas-drainage from coal seams which are based on measuring of coal temperature, gas emission from cuttings and methane content of coal by using cuttings from boreholes. Their application in workings is one of the most perspective, cheap and accessible for mines directions of increasing safety and effectiveness of mining of coal and methane in mines of Russia and other countries.
Key words gas-danger works, gas emission from coal, emission risk, methane fullness.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Матвиенко Н.Г. - доктор технических паук, профессор, главный научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения педр РАН, E-mail: [email protected] Радченко С.А. - доктор технических паук, доцепт кафедры технологии, машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого, E-mail: [email protected]________________!_________________________________
