CC BY
57
_________________________________ © Н.Г. Матвиенко, С.А. Радченко
2009
УДК 622.457
Н.Г. Матвиенко, С.А. Радченко
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРТАТИВНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЙ СВОЙСТВ УГЛЯ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ЗАБОЯХ И ПРИ БУРОВЫХ РАБОТАХ
Показаны преимущества новых методов и портативных приборов для быстрой оценки в выработках степени опасности внезапных выбросов газа и угля и эффективности предварительной дегазации угольных пластов, разработанных в ИПКОН РАН. Предложены 4 портативных комплекта приборов для постоянного применения в забоях газоносных шахт вместе с имеющимися методами и приборами для прогноза выбросоопасности в целях повышения безопасности и эффективности добычи угля и метана.
Ключевые слова: буоовые работы, забои газоносных шахт, добыча угля и метана, дегазация угольных пластов.
Т} ост возможностей современной высокопроизводительной
-МГ техники для проходческих, буровых и очистных работ, увеличение выбросоопасности и метанообильности в глубоких шахтах и ухудшение горно-геологических условий снизили эффективность применения ряда нормативных методов прогноза безопасности работ по газовому фактору и оценки газокинетических свойств угля при разработке метаноносных угольных месторождений. Эти методы все меньше соответствуют современным технологиям и условиям и дают результаты слишком поздно для их использования в забоях шахт.
О сильной зависимости выбросоопасности и метанообильности от газокинетических свойств угля в призабойной зоне известно давно. Несмотря на то, что существуют много методов и средств, а также нормативных документов по прогнозу характера и интенсивности га-зовыделений в шахтах, проблема обеспечения безопасности и эффективности технологических процессов полностью не решена, в том числе из-за недостаточной надежности экспресс-оценки газо-опасности работ в забоях и сложности прогноза характера и интенсивности газовыделения в шахтах и газокинетических свойств углей.
Выполненный нами анализ показал, что причинами недостаточной эффективности применения ряда известных шахтных и ла-
бораторных методов изучения газокинетических свойств призабойных зон пластов и слагающего их угля, прогноза газовыделения и выбросоопасности являются:
1 - недостаточная точность методов замера газовыделения из шпуров, скважин и бурового штыба, особенно в зонах нарушений, из-за сложности определения объема газа, десорбированного до герметизации проб угля и бурового штыба, а также герметизации шпуров при сильном разбуривании;
2 - отсутствие точной фиксации мест отбора проб в забое и особенностей залегания и структуры пласта и угля в каждом месте, что затрудняет интерпретацию и применение данных, получаемых для каждой пробы;
3 - применение результатов изучения газодинамического состояния призабойной зоны, нарушенности и газоотдачи обычно для решения лишь одной задачи, что ведет к перерасходу и распылению сил и средств;
4 - длительность и трудоемкость оценки газокинетических свойств и нарушенности проб угля в лабораториях, особенно при долгой дегазации проб и их насыщении метаном при некоторых методах, что резко снижает практическую ценность таких исследований и делает невозможным своевременный учет их результатов в забоях, особенно при высоких темпах работ;
5 - недостаточная изученность тепловых эффектов при десорбции метана, трудности их достоверной интерпретации и правильного учета;
6 - громоздкость подавляющего большинства известных устройств для изучения десорбции и сорбции метана пробами угля и невозможность их быстрого и простого применения непосредственно в забоях угольных шахт;
7 - большие отличия условий проведения лабораторных опытов от реальных условий насыщения угля метаном и от его десорбции в забоях шахт;
8 - необходимость учета при прогнозе газовыделения специфики каждого пласта, так как российские и зарубежные исследования позволили получать пригодные для расчетов эмпирические формулы лишь для изученных в них пластов, а их применение для других пластов не всегда эффективно.
Поэтому необходимы научное обоснование и разработка новых способов и портативных устройств для повышения достовер-
ности и возможностей экспресс-прогноза в забоях опасности труда по газовому фактору и изменений свойств угля без больших затрат и изменений технологии работ в забое.
Очевидно, что при высоких темпах горных работ наиболее перспективна разработка новых методов и портативных устройств новых принципов действия, позволяющих шахтерам более быстро и просто оценить в забое газокинетические свойства угля и безопасность работ, особенно дистанционно.
Нами научно обоснованы, разработаны и испытаны в лабораторных и шахтных условиях новые технические решения, способы и портативные многофункциональные устройства для экспресс-прогноза в забоях газокинетических характеристик угля и газовы-деления из него, выбросоопасности и газоносности призабойной зоны за счет одновременного использования в забоях преимуществ шахтных и лабораторных методов исследований, позволяющие без больших затрат и изменений технологии горных работ [1-2]:
1 - быстрее, точнее и проще оценивать в забое важные характеристики бурового штыба (1 - объем газа, десорбированный штыбом до герметизации; 2 - начальную скорость газовыделения из штыба; 3 - остаточную газоносность штыба) при меньшем внедрении в опасную зону, в том числе без извлечения из скважины бурового инструмента;
2 - гораздо быстрее прогнозировать и документировать в забоях подготовительных выработок зоны повышенной газоотдачи на свежеобнаженной поверхности пласта и по длине скважин на интервалах их бурения с получением реальных и инфракрасных фотографий, что легко делать по большему снижению температуры угля или бурового штыба в результате десорбции метана по сравнению с ненарушенными зонами пласта.
Этими новыми техническими решениями, способами и устройствами являются:
1 - способ определения выбросоопасных зон и газоносности пластов в призабойной зоне [3], награжденный золотой медалью Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика», и способ определения выбросоопасных зон пласта [4];
2 - устройства для отбора и исследования газоносных образцов (рис. 1, в) [5-6], награжденные серебряной медалью Всемирного
салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика»;
Рис. 1. Комплект портативных многофункциональных устройств для постоянного применения в забоях шахт: а - тепловизор; б - радиационные термометры (слева - стационарный, справа - ручной); в - устройства для отбора и изучения газоносных образцов [ 5-6 ]; г - терминал и контроллер для передачи информации от десорбометра на поверхность через звукоулавливающую аппаратуру «ЗУА-98»
Рис. 2. Индивидуальный комплект устройств для специалистов газоносных шахт, который включает тепловизор (а) и более портативные и точные десорбометры нового принципа действия (б)
3 - другие портативные многофункциональные устройства для экспресс-оценки в забое десорбции газа углем и остаточной газоносности, облегчения отбора и доставки в лаборатории проб угля и бурового штыба, позволяющие проще и дешевле организовать быстрое массовое изучение проб угля [1];
4 - новые технические решения для быстрой предварительной визуальной оценки в забое потенциальной опасности структуры угля в призабойной зоне по газовому фактору, метановы-деления из пласта и отбитого угля, перспективности участков и скважин для добычи метана на основе комплексного использования газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана углем (по снижению температуры свежеобнаженного пласта и бурового штыба по сравнению с ненарушенной зоной в аналогичных условиях - за несколько секунд, по динамике десорбции метана штыбом - за 3 минуты, по остаточной газоносности штыба - за 15 минут) [5-8], применяя в забоях следующие четыре вида комплектов портативных устройств, показанных на рис. 1, 2 и 3:
- во-первых, комплект портативных многофункциональных устройств для постоянного применения в подготовительных и очистных забоях, особенно при буровых работах, который включает все устройства, показанные на рис. 1;
- во-вторых, индивидуальный комплект устройств для специалистов шахт, включающий тепловизор (рис. 2, а) и портативные десорбометры нового принципа действия (рис. 2, б) для визуальной оценки в забое динамики десорбции метана для малых проб штыба, собираемых прежде всего на интервалах бурения, где температура штыба ниже, за 3 минуты, а остаточную газоносность этих же проб в 2 этапа - за 15 минут и до сорбционного равновесия;
- в-третьих, самый дешевый индивидуальный комплект для ведущих бурение шахтеров: радиационный термометр (рис. 3,а) и несколько вариантов портативных многофункциональных де-сорбометров нового принципа действия (рис. 3, б), включая самый маленький и простой, который может иметь в транспортном положении объем от 100 см3 (показан на переднем плане рис. 3,
б);
- в-четвертых, самый маленький, простой, легкий и дешевый десорбометр нового принципа действия, имеющий в транспортном положении объем от 100 см3 (на переднем плане рис. 3, б), который может быть на поясе у шахтера и использоваться в качестве индивидуального средства для быстрой оценки выбросо-опасности в забое при любых буровых работах по газоносным пластам.
Это позволит быстрее, проще и надежнее вести в забоях комплексный прогноз выбросоопасности, газовыделения и перспективности участков пласта и любой скважины для добычи угольного метана при бурении за счет:
1 - предварительного поиска признаков изменений газокинетических свойств угля тепловизорами и радиацион-ными термометрами (сохраняющими в электронном виде сотни результатов очень быстрых дистанционных замеров температуры свежеобнаженной поверхности забоя и бурового штыба или инфракрасных и реальных изображений любой поверхности соответственно, которые приспособлены для соединения с компьютером) по снижению температуры свежеобнаженной поверхности пласта и бурового штыба в целях оптимизации выбора мест изучения призабойной зоны и отбора проб угля и штыба нормативными и предложенными способами и устройствами;
2 - многократного уменьшения объема проб и времени для оценки газокинетических свойств и газоносности штыба при меньшем внедрении в выбросоопасную зону, что возможно без извлечения бурового инструмента;
3 - оценки нарушенности и скорости десорбции прежде всего для более охлажденного угля нормативными методами прогноза выбросоопасности (по скорости газовыделения g, коэффициенту крепости угля £, йодному показателю ЛJ и т. д.), предложенному в ИПКОН РАН более информативному и удобному диффузионному параметру т [1, 9] и инфракрасным изображениям тепловизора (рис. 1,а и рис. 2, а) участков поверхности свежеобнаженного газоносного пласта и/или бурового штыба сразу после его получения из скважины с температурным разрешением не более 0,1 0С при сохранении их инфракрасных и реальных изображений и с быстрой передачей на поверхность этих изображений или данных о температуре более охлажденного угля;
Рис. 3. Дешевый индивидуальный комплект для шахтеров, ведущих бурение, который можно переносить на поясе: радиационный термометр (а) и десорбометр (б).
4 - меньшего внедрения в опасную зону при буровых работах за счет двухэтапного замера температуры бурового штыба (первый этап - постоянный дистанционный замер температуры штыба при его сборе, а второй этап - замер температуры самого охлажденного штыба еще 3 минуты) и визуальной оценки в забое за 3 минуты десорбции метана самым охлажденным штыбом без извлечения бурового инструмента;
5 - резкого уменьшения трудоемкости и времени изучения проб угля.
Для меньшего внедрения в опасную зону предложено собирать штыб в десорбометры нового технического уровня [1, 5-8] с послойным замером температуры штыба в десорбометре тепловизором, радиационным термометром или малоинерционными термопарами. Это позволяет определять температуру разных частей пробы и сохранять ее в базе данных, 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 одновременно 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), описанными в [1], а затем быстрее уточнять выбросоопасность и свойства угля именно в таких местах нормативными и предложенными методами для более надежного повышения безопасности работ.
В результате проведения комплекса исследований совместно с
ООО «Звукоулавливающая аппаратура» (Донецк, Украина) впервые научно и технически обоснована и подтверждена лабораторными и шахтными опытами возможность обеспечить в каждом отдельном забое постоянный более быстрый, надежный и малозатратный комплексный контроль изменений свойств и газодинамического состояния призабойной зоны пласта и экспресс-прогноз метановыделения, выбросоопасности 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 с применением разработанных десорбометров нового технического уровня и звукоулавливающей аппаратуры, например, «ЗУА-
98» (рис. 1), для оценки газобезопасности работ в забое каждые 10 минут и чаще.
Следовательно, научно обоснованные и разработанные технические решения и портативные устройства позволяют быстрее, проще, надежнее и дешевле обеспечить доступными каждой метанообильной шахте методами:
1 - повышение эффективности, безопасности и возможности применения ряда нормативных методов прогноза выбросоопас-ности за счет оптимизации выбора мест и методик замеров и отбора проб угля, определения предложенного нового более удобного диффузионного параметра т [1, 9] и комплексного использования их для повышения метанобезопасности работ;
2 - решение или уменьшение ряда проблем, не позволявших до сих пор своевременно и шире применять в забоях результаты изучения свойств угля;
3 - постоянное получение в забое гораздо быстрее и проще и передачу на поверхность каждые 10 минут или чаще следующих видов информации:
а) температур свежеобнаженной поверхности угольного пласта в любом забое на всей поверхности забоя и бурового штыба с каждого интервала бурения, что позволит немедленно обнаруживать зоны повышенной газоотдачи по их большему охлаждению по сравнению с ненарушенными зонами;
б) инфракрасных и реальных изображений поверхности свежеобнаженного забоя и бурового штыба при нужном увеличении, особенно в местах их заметного охлаждения в результате десорбции метана по сравнению с ненарушенной зоной, что позволит гораздо точнее фиксировать места отбора проб и распределение температур на поверхности угля в момент их замера;
в) информации об акустической эмиссии массива (звуковом сопровождении пластических деформаций) в приза-бойной зоне газоносного угольного пласта;
г) данных о начальной динамике десорбции метана буровым штыбом и его газокинетические характеристики, определенных предложенными наиболее быстрыми и простыми методами, которые доступны любому шахтеру;
д) информации об остаточной газоносности проб бурового штыба с каждого интервала бурения, позволяющей быстрее и точнее оценивать выбросоопасность угля на каждом интервале
бурения при минимальном внедрении в опасную зону и своевременно принимать необходимые решения;
4 - повысить потенциал и эффективность сотрудничества научных институтов и высших учебных заведений с шахтами в целях оказания им постоянного квалифицированного содействия для получения шахтами ряда преимуществ, в том числе возможностей: 1 - более точной и быстрой оценки шахтерами в любом забое безопасности работ по газовому фактору, перспективности участков и скважин для добычи метана с учетом специфики каждого пласта, именно этого забоя и технологии работ в нем; 2 -быстрого получения объективной количественной информации
об изменениях свойств угля в каждом забое; 3 - получения большого экономического эффекта.
Результаты наших научных исследований газотеплообмена в системе «ископаемый уголь - метан» и разработанные новые методы и технические решения позволяют легче обеспечить научно обоснованными методами:
1) научно обоснованную разработку современных многофункциональных устройств и систем для непрерывного наблюдения и документирования ряда параметров призабойной зоны для более надежного комплексного экспресс-прогноза свойств угля в призабойной зоне, метано- и выбрособезопасности нормативными и предложенными методами с учетом газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана углем за счет совместного применения разработанных нами методов и десорбо-метров нового технического уровня и принципа действия и имеющейся звукоулавливающей аппаратуры;
2) обеспечение специалистов и шахтеров в подготовительных забоях и при буровых работах коллективными и индивидуальными комплектами портативных устройств для экспресс-оценки газобезопасности работ и более эффективного применения нормативных методов прогноза выбросоопасности за счет быстрой визуальной оценки по охлаждению угля при десорбции и по газовыделению из бурового штыба: 1 - мест изменений свойств угля для первоочередного применения нормативных методов; 2 - газобезопасности работ в забое; 3 - перспективности участков и скважин для добычи метана;
3) более быстрое, удобное, дешевое и доступное массовое изучение свойств угля в призабойной зоне для повышения дос-
товерности, практической ценности и правильности интерпретации данных о десорбции им газов;
4) научно обоснованный учет свойств угля в призабойной зоне пласта.
Таким образом, научно обоснована и подготовлена технически возможность быстро и без больших затрат средств и труда и изменений технологии горных работ повысить газобезопасность труда в шахтах за счет постоянного совместного более эффективного применения в подготовительных забоях, особенно на выбросоопасных пластах, нормативных и предложенных экспресс-методов прогноза изменений свойств угля, выбросоопасно-сти и метановыделения, максимально используя на основе разработанных новых технических решений, методов и устройств:
- преимущества ряда известных шахтных и лабораторных методов, которые до сих пор применялись зачастую не совместно и поэтому менее эффективно и массово;
- возможности получить для забоев многофункциональные средства постоянного экспресс-контроля ряда параметров призабойной зоны пласта для более надежного комплексного экспресс-прогноза нормативными и предложенными методами свойств угля в ней, метано- и выбрособезопасности одновременно с самой дешевой и быстрой экспресс-оценкой перспективности участков и скважин для добычи метана на основе учета за 3 минуты газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана, используя тепловизоры и/или радиационные термометры и десорбометры новых видов и принципов действия.
Поэтому использование разработанных новых технических решений, способов и портативных устройств в забоях для поиска 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 и внедрения современных многофункциональных средств непрерывного контроля в забое ряда параметров призабойной зоны.
Это позволяет проще, быстрее и дешевле совместно использовать преимущества шахтных и лабораторных методов изучения свойств угля в призабойной зоне и уменьшить их недостатки, вести в забоях постоянный комплексный экспресс-прогноз
свойств угля в призабойной зоне, метано- и выбрособезопасно-сти нормативными и предложенными нами методами с учетом газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана углем.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радченко С.А. Развитие методов и разработка устройств для оценки метаноотдачи 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. 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.
4. Авторское свидетельство СССР № 1096375. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, И.А. Горбунов и др. МКИ Е 21 5/00. - 1984. - Бюл. № 21.
5. 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.
6. 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.
7. Radchenko S.A. New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples // Fuel. - 1993. Vol. 72. №. 5. - Р. 721-722.
8. Радченко С.А. Устройства для комплексного решения проблем экологии и безопасности в угольных шахтах // Экологические системы и приборы. -2007. № 4. - С. 55-59.
9. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика метанопереноса в углях // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1988. № 4. - С. 97-101. nsrj=i
Matvienko N. G., Radchenko S.A.
POSSIBILITY OF PORTABLE MEANS USE FOR EXPRESS CONTROL OF COAL PROPERTIES CHANGES IN DEVELOPMENT FACES AND AT BORING WORKS
This paper seeks to highlight the advantages of new methods and portable devices for fast evaluation in mine workings of degree of danger of gas and coal outbursts and effectiveness of pre-gas-drainage from coal seams which have been developed at the IPKON RAN. Four portable complete sets of devices have been offered for constant application in workings of gaseous mines together with available methods and devices for
outburst danger forecast for increasing safety and effectiveness of mining of coal and methane.
Key words: boring works, faces of gas containing mines, coal and methane output, degassing of coal seams.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Матвиенко Н.Г . - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН, город Москва, E-mail: [email protected]
Радченко С.А. - доктор технических наук, доцент кафедры технологии, машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, город Тула, E-mail: [email protected]
