CC BY
14
© С.А. Радчснко, Е.А. Соловьева, 2013
УДК 622.86:622.41:533.17
С.А. Радченко, Е.А. Соловьева
ВЛИЯНИЕ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЯ НА ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ
Обоснованы результаты научных исследований ИПКОН РАН для использования в создании более эффективных современных средств непрерывного наблюдения различных параметров разрабатываемого угольного пласта, в том числе шахтных систем комплексного контроля состояния выбросоопасного пласта, прогноза интенсивности газовыделения в горные выработки и перспективности участков пласта и скважин для добычи шахтного метана.
Ключевые слова: загазование выработок, метанообильность, разрабатываемые угольные пласты, безопасность горных работ.
Л ля инженерного решения проблем внезапных выбросов угля и газа, загазований выработок и взрывов метана в угольных шахтах большое значение имеют разработка методов достоверного прогноза, основанных на регистрации и интерпретации динамики физических параметров опасных массивов, и создание эффективных и технологичных способов предотвращения газодинамических явлений и загазований выработок [1—2].
Газовый фактор оказывает определяющее влияние на экономическую эффективность подземной добычи угля и на безопасность труда в опасных по выделению метана угольных шахтах, так как характер метановыде-ления в них разнообразен, часто оно весьма скоротечно и не всегда предсказуемо [3].
Наиболее опасными источниками метана в угольных шахтах являются разрабатываемые угольные пласты, основное выделение метана из которых происходит в подготовительных и очистных забоях. Эти выделения яви-
лись причиной свыше 72% всех аварий, связанных с метаном (взрывов газа в шахтах и внезапных выбросов угля и газа) [4].
Исследованиями многих ученых показана недостаточная точность прогноза интенсивности газовыделения в горные выработки, и прежде всего в зонах геологических нарушений, при пересечении которых метанообильность выработок может очень существенно увеличиваться (до 1,5—4 раз), что отрицательно сказывается на работе горнодобывающих предприятий и может приводить к возникновению аварийных ситуаций [5—8].
Главная трудность при решении задач повышения безопасности работ и уменьшения вероятности внезапных выбросов угля и газа за счет своевременного изменения технологии выемки угля при появлении геологических нарушений или их признаков — это отсутствие надежных методов и средств для своевременного обнаружения и прогнозирования нарушенных зон [5—8].
В [2] указывается, что:
• при углублении горных работ возрастает социальное и технико-экономическое значение решения проблемы экстремальных обычных и внезапных выделений рудничных газов при подземной добыче полезных ископаемых за счет создания и широкого применения надежных методов прогноза и эффективных способов предотвращения выделений газов;
• непосредственным показателем вы-бросоопасности угольного пласта является степень нарушенности структуры угля и применяемые в настоящее время показатели прогноза выбросо-опасности угольных пластов, такие, как начальная скорость газовыделения до, АР, А^ выход штыба, крепость, разрушаемость керна и т.п., лишь опосредованно характеризуют степень нарушенности угля, а несовершенство методик их определения снижает надежность прогноза выбро-соопасности угольных пластов, поэтому для повышения надежности методов прогноза выбросоопасности угольных пластов необходимо разработать способы непосредственной оценки степени нарушенности угольного пласта, обладающие высокой надежностью;
• выбросоопасность угольных пластов определяется тремя факторами: горным давлением, газом и физико-механическими свойствами угля, поэтому влияние газового фактора, физико-механических и структурных свойств газоносных углей необходимо учитывать только в тесной взаимосвязи как особое сочетание прочностных, деформационных, реологических, кол-лекторских и физико-химических свойств метаноносного угольного массива, определяющих его выбросо-
опасность в примыкающих к горным выработках зонах.
Однако пока в подготовительных и очистных забоях нет постоянного объективного экспресс-контроля изменения газокинетических свойств угля в призабойной зоне, хотя необходимость этого подчеркивают многие ученые.
Дело в том, что в зависимости от продолжительности экспериментов известные российские и зарубежные методы экспериментального определения газокинетических свойств угля можно разделить на 2 группы:
• во-первых, экспресс-методы определения начальной скорости газовыделения или газопоглощения, из которых наиболее распространенными уже четыре десятилетия в России, на Украине и в ряде других стран являются различные варианты метода определения условного показателя начальной скорости газоотдачи АР, предложенного И.Ё. Эт-тингером [9];
• во-вторых, длительные сорбци-онно-кинетические или десорбцион-но-кинетические эксперименты, позволяющие получить кинетическую кривую сорбции или десорбции до установления сорбционного равновесия или, по крайней мере, до момента сорбции или десорбции углем большей части газа.
Первая группа методов до сих пор позволяла относительно быстро получать только качественные характеристики скорости газоотдачи, которые очень трудно использовать для непосредственного расчета интенсивности газовыделения из угля. Вторая группа методов позволяет описывать экспериментальные десорб-ционно-кинетические кривые с помощью формул разного вида с раз-
личной точностью, однако большая длительность экспериментов, сложность определения размеров нерас-члененных трещинами микропористых частиц угля и некоторые другие недостатки этих методов мешают широкому применению их в шахтах для прогноза газовыделения из отбитого угля и разрабатываемых угольных пластов.
Таким образом, комплексное решение проблемы метана при разработке газоносных угольных месторождений (обеспечения безопасности и экономичности угледобычи, энергетического использования метана и решения экологической проблемы метана) затруднено из-за нерешенности задач надежного прогноза газоот-дающих свойств угля в призабойной зоне, перспективности каждого участка и каждой скважины для добычи метана.
В [1, 10] показано, что необходимость появления новых методов измерения физических, теплофизиче-ских и сорбционных свойств природных углей связана с развитием теории структурной трансформации газонасыщенных углей, рассматривающей уголь как полидисперсную микропористую систему, способную к адекватным изменениям структуры при различных видах внешних воздействий, и рекомендовано учитывать эти изменения при измерении свойств угля.
В связи с актуальностью указанных проблем в ИПКОН РАН выполнен комплекс высокоточных экспериментальных исследований с применением уникального научного оборудования, шахтных исследований на основе договоров о сотрудничестве с МакНИИ и производственным объединением «Ворошиловградуголь» и обработки большого количества лабораторных и
шахтных экспериментальных данных, полученных учеными России, Украины, Великобритании и США, что позволило разработать [5—8, 11—24, 26—31]:
• научные основы обеспечения в подготовительных и очистных забоях постоянной объективной комплексной экспресс-оценки выбросоопасно-сти и газокинетических свойств, на-рушенности и газоносности угля в призабойной зоне, причем при гораздо меньшем проникновении в опасную зону;
• новые способы и портативные многофункциональные устройства, позволяющие быстрее и надежнее оценивать безопасность в забоях по газовому фактору, своевременно обнаруживать нарушенные зоны и прогнозировать газовыделение из них и из отбитого угля, причем без больших финансовых и трудовых затрат, изменений технологии работ и при минимальном проникновении в выбросо-опасную зону.
Для устранения указанных выше недостатков традиционных методов и облегчения применения результатов физико-химических исследований угля в горном деле разработан и использован для обработки многочисленных экспериментальных данных для образцов углей различных фракций, стадий метаморфизма и разной нарушенности из выбросоопасных и невыбросоопасных угольных пластов России, Украины, Великобритании и США новый диффузионный параметр т [5—8, 11—20, 23—24, 26— 27], хорошо согласующийся с результатами ряда российских и зарубежных методов:
т = лГо2/36Ц с, (1)
где го — средний радиус микропористых частиц; Б — коэффициент диффузии.
Диффузионный параметр т можно вычислять на основе данных о кинетике десорбции или сорбции следующими двумя способами.
Первый способ — это вычисление диффузионного параметра т по углу наклона а или в прямолинейного начального участка сорбционно-кинети-ческой или десорбционно-кинетиче-ской кривой в координатах [Л5, а^/а0 ]:
т = 1 / /д2 а, (2)
или
т = 1 / /д2 в, (3)
где а[ — количество газа, сорбированного или десорбированного к данному моменту времени; ао — количество газа, сорбированное или десорбированное до установления сорбционного равновесия при конечном давлении газа.
Второй способ — это вычисление диффузионного параметра т по экспериментальным данным о кинетике десорбции, для описания которой в зарубежных странах, например в США, Великобритании и Австралии, наиболее широко применяют эмпирическое уравнение десорбции Айрея (4), предложенное в [25]:
V = А{1 - ехрН/ДоЛ1, мл/г; (4) где V — объем газа, выделившегося из единицы массы угля к моменту времени /, мл/г; А — количество метана, которое может десорбировать из образец до сорбционного равновесия, мл/г; /о — время десорбции 63% от величины А, мин; п — коэффициент, зависящий от трещиноватости образца (0 < п < 1).
Использованием формулы (3) для обработки более 1ооо длительных десорбционно-кинетических опытов ученых Великобритании для образцов угля разных фракций и петрографи-
ческого состава с V = 5—50 % с глубин 300—1100 метров из зон разной геологической нарушенности, выброшенной массы и пород с зольностью от 0 до 94,9 % доказано [7, 15—17, 26—27] , что:
• величина т численно равна времени, за которое образцы десорбиро-вали определенную долю метана от равновесного количества;
• можно повысить оперативность и практическую ценность метода Айрея за счет определения в нем и параметра т;
• по начальному участку сорбци-онно-кинетической или десорбцион-но-кинетической кривой можно за несколько минут просто и с высокой точностью прогнозировать долю метана, которую уголь разного фракционного состава может сорбировать или десорбировать за длительное время.
Применением формул (1) — (3) для обработки более 1500 сорбционно-кинетических опытов для углей и уг-лесодержащих пород России, Украины, Казахстана, Великобритании и США доказано, что величины т всегда численно равны времени сорбции или десорбции ими определенной доли газа от количества, сорбированного или десорбированного до сорбцион-ного равновесия. Это научно обосновало возможность быстро и просто прогнозировать кинетику десорбции метана углем на долгое время даже в забое [7, 26—27].
Анализ показал [26], что наиболее эффективно и просто совместно применять уравнение десорбции Ай-рея (4) и диффузионный параметр т при величине константы Айрея п = 0,5, когда т является постоянной величиной, не зависящей от времени Когда в формуле (4) / << /0, при
п = 0,5 т «
Обработкой результатов десорб-ционно-кинетических экспериментов для сотен образцов угля с вычислением констант десорбции Айрея ^ и п при п ф 0,5 доказано, что и в этих случаях величина диффузионного параметра т показывает время десорбции определенной доли газа, но эта доля меньше 0,63 при п < 0,5 и больше 0,63 при п > 0,5, но доля де-сорбированного за время т газа зависит от абсолютной величины параметра т.
Использование диффузионного параметра т в ИПКОН РАН позволило экспериментально определить истинные величины коэффициента диффузии метана в угле и средний размер микропористых частиц в пробах угля любой нарушенности [7—8, 14, 23—24], что считалось практически невозможным.
Важное значение для повышения точности и оперативности прогноза выбросоопасности и интенсивности газовыделения в призабойной зоне угольного пласта, ее нарушенности и газоносности имеют также выполненные в ИПКОН РАН высокоточные экспериментальные исследования теплоты сорбции и десорбции метана углями различной степени тектонической препарации при различных температурах и давлениях до 8,0 МПа [5, 7, 28—31]. В результате этих исследований были экспериментально доказаны:
• постоянство теплоты сорбции и десорбции метана в интервале давлений 8,0—0,1МПа для исследованных образцов донецких каменных углей с выходом летучих веществ от 9 до 30%, что является научным обоснованием возможности непосредствен-
ного определения количества десор-бированного из угля метана и оценки интенсивности метановыделения из разрабатываемого угольного пласта на основе контроля за изменением температуры угля;
• возможность принимать при инженерных расчетах теплоты сорбции и десорбции метана ископаемыми углями любой нарушенности постоянными в пределах шахтопла-ста при выходе летучих веществ V от 9 % до 38 %, то есть считать связь между количеством десорби-рованного метана и снижением температуры угля линейной в случаях, когда влиянием теплообмена угля с окружающей средой можно пренебречь.
Таким образом, описанный в [5— 8, 11—20, 23—24, 26—31] комплекс научных исследований ИПКОН РАН позволил научно обосновать и разработать новые способы и портативные многофункциональные устройства, способные значительно улучшить возможности обеспечения безопасности по газовому фактору при подземной разработке газоносных угольных месторождений, так как для получения количественных результатов о газокинетических свойствах угля и его газоносности в забое при минимальном проникновении в опасную зону достаточно 10 минут с использованием во много раз меньшего количества угля по сравнению с традиционными методами, а обнаруживать зоны геологических нарушений по значительному снижению температуры нарушенного угля в результате десорбции метана можно еще быстрее.
В заключениях о новизне предлагаемых технических решений указываются следующие их преимущества:
• во-первых, возможность их использования при разработке пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, во всех угольных районах страны и на любых глубинах, а также при геологоразведочных работах;
• во-вторых, возможность повысить точность оценки выбросоопасно-сти разрабатываемой зоны угольного пласта по газовому фактору и безопасность работ в угольных шахтах, точнее выявлять выбросоопасные зоны при проведении подготовительных выработок и ведении очистных работ на тонких пластах, когда бурение шпуров в угольный пласт наиболее затруднено;
• в-третьих, возможность получить надежные результаты в зонах геологических нарушений и при приближении к ним, то есть в наиболее опасных по газодинамическим явлениям зонах;
• в-четвертых, способность угля к быстрой десорбции газа определяется вне зависимости от того, какая часть газа успела десорбироваться из угля к моменту выполнения замеров (при бурении шпуров), в результате чего исчезает необходимость достигать при бурении шпуров малодегазиро-ванной зоны;
• в-пятых, возможность существенного повышения точности определения потенциальной выбросо-опасности структуры угля за счет использования диффузионного параметра т, который количественно характеризует скорость газовыделения из угля;
• в-шестых, угольная промышленность практически готова к использованию этого изобретения, так как
сорбционные установки, необходимые для определения диффузионного параметра т в лабораторных условиях, имеются в угольных бассейнах в России и за рубежом.
• в-седьмых, их внедрение позволит повысить безопасность труда при разработке выбросоопасных угольных пластов и производительность труда горнорабочих, а также получить экономический эффект при определении выбросоопасно-сти зоны;
• в-восьмых, перспективность данных изобретений, что подтверждается награждением некоторых из них золотой и серебряной медалями Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» и золотой медалью «Евро-Интеллект Восток-Запад».
Следовательно, описанные в [5— 8, 11—24, 26—31] результаты научных исследований ИПКОН РАН можно использовать для создания более эффективных современных средств непрерывного наблюдения различных параметров разрабатываемого угольного пласта, в том числе шахтных систем комплексного контроля состояния выбросоопас-ного пласта, прогноза интенсивности газовыделения в горные выработки и перспективности участков пласта и скважин для добычи шахтного метана, способных выдавать прогнозные заключения с учетом газокинетических свойств угля каждые 10 минут, причем при гораздо меньшем проникновении в опасную зону, без больших дополнительных финансовых и трудовых затрат и изменений технологии работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Ай-руниА.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. — М.: изд-во Академии горных наук, 2000. — 519 с.
2. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и породы / Ю.Н. Малышев, А.Т. Айруни, Ю.Л. Худин и др. — М.: Недра, 1995. — 352 с.
3. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, М.П. Василь-чук и др. — М.: изд-во Академии горных наук, 1997. — 463 с.
4. Малышев Ю.Н., Зверев И.В., Айру-ни А.Т. Новые высокоэффективные технологии предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов // Сб. научн. трудов МГГУ к 70-летию проф. Н.В. Ножкина. — М.: МГГУ, 1999. — С. 86—99.
5. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Совершенствование методов и средств прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольных пластов // Горный журнал. — 2007. — № 11. — С. 69—72.
6. Радченко С.А. Необходимость комплексной оценки опасности внезапных выбросов и взрывов метана в угольных шахтах // Безопасность труда в промышленности. — 2007. — № 11. — С. 67—70.
7. Радченко С.А. Новые способы и устройства для экспресс-оценки газокинетических свойств призабойной зоны угольного пласта по температуре угля и газовыделению из него: Монография. — Тула: ООО «Промпилот», 2008. — 396 с.
8. Радченко С.А. Определение коэффициентов диффузии метана в угле. Возможности повысить безопасность работ в шахтах // Инженерная физика. — 2007. — № 5. — С. 59—61.
9. Эттингер И.Л. Внезапные выбросы угля и газа и структура угля. — М.: Наука, 1969. — 160 с.
10. Бобин В.А. Новые методы измерения свойств природных газонасыщенных углей // Тез. докл. Х Международной конференции по механике горных пород. Москва, 27 сентября — 1 октября 1993 г. — М., 1993. — С. 97—98.
11. А. С. № 1096375 СССР. МКИ Е 21 5/00. Способ определения выбросоопас-ных зон угольного пласта / Эттингер И.Л., Радченко С.А., Горбунов И.А., Дорофеев Д.И., Шульман Н.В., Ковалева И.Б. — Опубл. 8.02.1984, Б. И. № 21.
12. О характеристике газопроявлений в угольном пласте по диффузии метана в образцах / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, Н.В. Шульман и др. // Сб.: Актуальные проблемы рудничной аэрогазодинамики. — М.: ИПКОН АН СССР, 1986. — С. 88—93.
13. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика метано-переноса в углях. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1988. — № 4. — С. 97—101.
14. Влияние нарушенности угля и коэффициента диффузии на начальную скорость газовыделения / Н.В. Шульман,
B.В. Лоскутников, С.А. Радченко и др. // Сб.: Геомеханика выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. — М.: ИПКОН АН СССР, 1988. —
C. 99—104.
15. Barker-Read G.R., Radchenko S.A Methane emission from coal and associated strata samples // International Journal of Mining and Geological Engineering. — 1989. — № 7. — P. 101—121.
16. Barker-Read G.R. and Radchen-ko S.A The relationship between the pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams // Mining Science and Technology. —
1989. — № 8. — P. 109—131.
17. 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. — № 8. — P. 263—284.
18. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционно-кинетичес-кого показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород // Сб.: Газопылеэлектробезопасность горных работ. — М.: ИПКОН АН СССР,
1990. — С. 60—68.
19. Radchenko S.A New methods and devices for effective sampling, preparation
and investigation of coal samples // Fuel. — 1993. — Volume 72. — № 5. — P. 721—722.
20. Матвиенко Н.Г., Радченко C.A. Спо-соб определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне. — Патент России № 2019706, МКИ E 21 F 5/00. 15.09.1994, Б. И. № 17.
21. Матвиенко Н.Г., Радченко C.A., Никитин Ю.В. Устройство для отбора и исследования сыпучего груза. Патент России № 2016391, МКИ G 01 N 1/20.
15.07.1994, Б. И. № 13.
22. Матвиенко Н.Г., Радченко C.A., Никитин Ю.В. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов. Патент России № 2034157, МКИ E 21 F 5/00.
30.04.1995, Б. И. № 12.
23. Ковалева И.Б., Шульман Н.В., Соловьева E.A. Об информативности кинетических параметров ископаемых углей // Сб.: Актуальные вопросы безопасности горных работ. — М.: ИПКОН РАН, 1994. — С. 89—104.
24. Ковалева И.Б., Соловьева E.A. Исследование влияния влажности на структурные и диффузионно-кинетические свойства природных углей // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XIII Международной научн. школы им. академика С.А. Хри-стиановича. Алушта, 15—21 сентября 2003 г. — Симферополь, Таврический нац. ун-тет, 2003. — С. 60—62.
25. AireyE.M. Gas emission from broken coal. An experimental and theoretical investigation // International Journal of Rock
Methanics and Mining Science. — 1968. — Vol. 5. — No. 6. — P. 475—494.
26. Радченко C.A., Баранов В.П. Математическое объяснение некоторых эффектов, возникающих при обработке де-сорбционно-кинетических данных // Сб.: Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. — Тула, ТулПИ, 1991. — С. 78—83.
27. Радченко C.A., Баранов В.П. Уточненный метод описания динамики газовыделения при десорбции метана из угля // Сб.: Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. — Тула, ТулГТУ, 1993. — С. 57—61.
28. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / И.Ё. Эттингер, Н.В. Шульман, И.Б. Ковалева и др. // Химия твердого топлива. — 1981. — № 5. — С. 121—124.
29. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем механических и физико-химических процессов / И.Д. Эттингер, Г.Д. Дидин, Н.В. Шульман и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1984. — № 5. — С. 65—69.
30. Повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта — причина снижения его температуры в процессе разработки / И.Д. Эттингер, С.А. Радченко, И.А. Горбунов и др. // Уголь Украины, 1981, № 10. — С. 39—40.
31. Эттингер И. Л., Маевский В. C., Рад-ченко C.A. Контроль газодинамического состояния призабойной зоны пласта // Уголь. — 1983. — № 5. — С. 8—9. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Радченко Сергей Анатольевич — кандидат технических наук, доцент кафедры машиноведения и безопасности жизнедеятельности, [email protected] Тульский государственный педагогический университет им. Д.Н. Толстого, Соловьева Елена Алексеевна - научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр Российской Академии наук, [email protected]
