CC BY
8
© С.А. Радченко, 2008
С.А. Радченко
ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ УГРОЗЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ЗАГАЗОВАНИЙ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПРИ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЕ СВОЙСТВ УГЛЯ И КОМПЛЕКСНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОБОРУДОВАНИЯ
Ж"Ж"елью выполненного автором во время обучения в аспирантуре и докторантуре ИПКОН РАН и научной стажировки в Лидском университете Великобритании комплекса высокоточных экспериментальных исследований газотеплообмена для системы «ископаемый уголь - газ» и обработки по новой методике данных многочисленных экспериментов ряда ученых России, Украины, Великобритании и США является научное обоснование и разработка новых способов и устройств для повышения безопасности и эффективности комплексного освоения угле-метановых месторождений без больших затрат средств и труда и изменений технологии работ за счет обеспечения:
1 - количественной экспресс-оценки в забоях газокинетических свойств призабойной зоны пласта, отбитого угля и бурового штыба, их нарушенности и газоносности методами, позволяющими значительно уменьшить проникновение бурового инструмента в выбросоопасную зону;
2 - повышения оперативности, информативности и практической ценности шахтных и лабораторных исследований угля и содержащих угольные частицы горных пород;
3 - научного обоснования перспективных направлений и методов создания с использованием в основном уже имеющегося оборудования 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, способных выдавать прогнозные заключения для отдельных подготовительных
146
и очистных забоев с учетом газокинетических свойств и газоносности угля каждые 10 минут.
Главной причиной трудностей повышения безопасности и экономической эффективности работ в шахтах и уменьшения вероятности внезапных выбросов угля и газа за счет своевременного изменения технологии выемки угля при появлении геологических нарушений или их признаков является отсутствие надежных методов и средств для своевременного обнаружения и прогнозирования нарушенных зон и интенсивности газовыделения из угля в приза-бойной зоне пласта и при его транспортировке по выработкам с учетом газокинетических свойств и газоносности угля и содержащих угольные частицы горных пород [1-6].
В результате до сих пор актуальны следующие проблемы, на которые уже давно указывают многие российские и зарубежные ученые:
1 - в угольных шахтах выработки и скважины первой очереди проходки, а также буровые и взрывные технологические операции наиболее опасны по интенсивным проявлениям взрывчатых газов;
2 - половина геологических нарушений, в которых имеют место опасные выделения метана и загазования выработок, обнаруживается лишь при проходке;
3 - прогноз интенсивности газовыделения в горные выработки недостаточно точен, и прежде всего в зонах геологических нарушений, при пересечении которых метанообильность выработок может очень существенно увеличиваться (в 1,5-4 раза и более), что отрицательно сказывается на работе горнодобывающих предприятий и может создавать аварийные ситуации;
4 - неожиданное вскрытие выработками нарушенных зон может вызывать различные интенсивные газопроявления, в том числе весьма скоротечные и не всегда предсказуемые, что увеличивает угрозу взрывов метана;
5 - в процессе бурения скважин, а также при наличии пробуренных скважин происходят внезапные выбросы угля и газа, причем в подготовительных выработках плотность выбросов значительно выше по сравнению с очистными как на пологих, так и на крутых пластах;
6 - дебит дегазационных скважин и концентрации каптируемого метана часто недостаточны для комплексного решения проблем безопасности.
147
Особенно опасны резкие увеличения метанообильности выработок при пересечении забоями зон геологических нарушений и газодинамические явления при горных работах на больших глубинах, так как в глубоких шахтах количество гомологов метана в газовой смеси, выделяющейся из угля и пород, достигает иногда 10-20 %, поэтому их содержание в шахтной атмосфере может значительно повысить взрывоопасность газовой смеси в результате снижения температуры воспламенения и нижнего предела взрываемости [7].
Однако в [8] показано, что:
- критерии опасности при прогнозировании ее в шахтах известными методами сформулированы так, что потенциально опасные зоны составляют не менее 10-20 % общего подвигания забоя, т. е. необходимую надежность прогнозов «безопасно» обеспечивают 10-кратным и более запасом по отношению к реально возможной доле выбросопасных зон в угольном пласте;
- для полноценного функционирования шахтная система контроля состояния выбросоопасного пласта не может получать данные реже одного раза в 10 минут и соответственно каждые 10 минут необходимо выдавать прогнозные заключения, а при невыполнении этого требования система контроля выбросоопасности (по любому параметру) не справится со своей задачей;
- прогноза, имеющего такую оперативность, до настоящего времени не было, за исключением прогноза по акустической эмиссии массива (звукового сопровождения пластических деформаций).
Указанные выводы о необходимой частоте получения информации из забоя для полноценного функционирования шахтной системы обеспечения безопасности по газовому фактору и об отсутствии до настоящего времени надежных оперативных методов объективного контроля за состоянием призабойной зоны угольного пласта можно считать справедливыми и для шахтных систем прогноза опасности загазования горных выработок и взрывов метана, нару-шенности и газоносности угля в призабойной зоне.
Следовательно, для безопасного освоения угле-метановых месторождений и инженерного решения проблемы борьбы с метаном, авариями и внезапными выбросами угля и газа, поиска перспективных участков для его добычи необходим комплексный подход к решению всех перечисленных проблем на основе организации постоянного количественного экспресс-прогноза нарушенности и газокинетических свойств угля во всех забоях и применения новые
148
способов и устройств, быстрого учета его результатов в каждом забое.
В мире известны и давно используются различные качественные и количественные характеристики динамики газовыделения из образцов угля. Однако до сих пор не удавалось найти эффективный способ их комплексного быстрого, простого и удобного использования непосредственно в забоях для количественной экспресс-оценки основных газокинетических факторов, которые являются наиболее значимыми при оценке газоотдачи угольных пластов и степени их выбросоопасности по газовому фактору.
Выполненные автором высокоточные экспериментальные исследования сорбции и десорбции метана ископаемыми углями при различных давлениях и температурах одновременно с возникающими при этом тепловыми эффектами (включая определение интегральных и дифференциальных теплот сорбции и десорбции, динамики тепловыделения и теплопоглощения при сорбции и десорбции метана соответственно и изменения температуры угля на его поверхности и на различной глубине внутри образцов угля) с использованием двух специально созданных уникальных комплексов научного оборудования в ИПКОН РАН и Лидском университете Великобритании, обработка результатов более 1500 экспериментов для углей многих шахт России, Украины, Великобритании и США, полученных рядом ученых этих стран, аналитические исследования и шахтные эксперименты при разработке выбросоопасных угольных пластов [2-6, 9-26] позволили сделать ряд новых научных выводов, имеющих важное значение для более массового и результативного применения шахтных и лабораторных исследований газокинетических и сорбционных свойств углей газоносных пластов и углесодержащих горных пород в целях повышения безопасности и экономической эффективности работ в шахтах, том числе следующие:
1. Доказано большое сходство сорбционно-кинетических свойств и методов физико-химических исследований углей России, Украины, Великобритании и США различных стадий метаморфизма, зольности, степени тектонической нарушенности и разного петрографического состава, образцы которых отбирались на глубинах от 400 до 1100 метров [2-6, 18-26].
2. Предложенный автором новый количественный диффузионный параметр т [2-3, 5-6, 12, 15-20, 22-26] хорошо согласуется с
149
данными о тектонической нарушенности образцов и динамике газовыделения из них, получаемыми другими методами, и может использоваться для описания десорбции метана, этана и других газов из угля и горных пород с угольными включениями, упрощения интерпретации этих экспериментальных данных и расширения области и масштабов их практического применения в горном деле.
3. Применение диффузионного параметра т дает ряд преимуществ по сравнению с широко используемым за рубежом уравнением Айрея [27], особенно при величине константы Айрея п = 0,5, когда величины т и константы Айрея ^ совпадают с точностью ± 0,5% и имеют четкий физический смысл, являясь временем диффузионной релаксации процесса десорбции газа углем [2-3, 5-6, 12, 15-20, 22-26].
4. Показана возможность принимать при инженерных расчетах постоянной для участка шахтного поля в зонах любой геологической нарушенности величину коэффициента диффузии метана в угле Б, периодически определяя ее экспериментально для этого участка шахтного поля по разработанной в ИПКОН РАН методике с применением диффузионного параметра т [5-6].
5. Научно обоснована возможность быстро и малозатратно повысить безопасность разработки газоносных угольных месторождений, используя диффузионный параметр т и установленные автором зависимости для более точной количественной экспресс-оценки в забоях газокинетических характеристик угля, геологической нарушенности, выбросоопасности призабойной зоны и перспективности участков пласта и скважин для добычи метана [2-6, 9-26, 28-29].
6. Экспериментально доказано постоянство теплоты сорбции и десорбции метана в интервале давлений 8,0-0,1 МПа для исследованных образцов донецких каменных углей с выходом летучих веществ от 9 до 30 %, что может служить научным обоснованием возможности непосредственного определения количества десорби-рованного из угля метана и оценки интенсивности метановыделе-ния из разрабатываемого угольного пласта на основе контроля за изменением температуры угля [2, 4, 6, 9-10].
7. Экспериментально доказана возможность принимать при инженерных расчетах теплоты сорбции и десорбции метана ископаемыми углями любой нарушенности постоянными в пределах
150
шахтопласта при выходе летучих веществ УГ от 9 % до 38 %, то есть считать связь между количеством десорбированного метана и снижением температуры угля линейной в случаях, когда влиянием теплообмена угля с окружающей средой можно пренебречь [2, 4, 6, 9-10, 13, 28-29].
8. В результате исследования температурной зависимости скорости сорбции метана ископаемыми углями разных стадий метаморфизма и различной нарушенности оценены величины энергии активации этого процесса (от 11 до 45 кДж/моль) [6, 9].
9. Установлено, что движение метана в ископаемом угле подчиняется законам движения сорбата в сорбенте [6, 9].
10. Установлено наличие тесной связи между величиной снижения температуры угольного пласта на расстоянии 2,0-2,5 м от забоя и сорбционно-кинетическими характеристиками угля, слагающего пласт [6, 10].
11. Показано, что величину снижения температуры угольного пласта за счет десорбции из него газа можно использовать как критерий интенсивности метаноотдачи из него при разработке и его выбросоопасности [2, 4, 6, 10, 13-14, 28-29].
12. Экспериментально доказано, что величина снижения температуры угольного пласта в призабойной его части зависит от скорости проведения выработок в нарушенных зонах пласта и практически не зависит от скорости проведения выработок в ненарушенных зонах пласта [6].
13. Экспериментально установлена довольно тесная взаимосвязь величины диффузионного параметра т с тремя измеряемыми в горных выработках величинами, характеризующими интенсивность десорбции метана в призабойной зоне разрабатываемого угольного пласта: 1 - с начальной скоростью газовыделения из шпуров длиной 3,5 м; 2 - с величиной снижения температуры стенок шпуров длиной 2,5 м; 3 - со среднесменной концентрацией метана в воздухе подготовительной выработки [6].
14. Экспериментальные лабораторные исследования динамики изменения температуры угля при десорбции метана и теплообмене с окружающей средой в сорбционных капсулах и на выполненных в натуральную величину моделях подготовительной выработки, шпура, скважины и конвейера показали практически аналогичные результаты: быстрое и значительное изменение температуры в очень тонком поверхностном слое угля и очень медленное изменение его
151
температуры на большей глубине, что необходимо учитывать при использовании тепловых эффектов в системе «ископаемый уголь - метан» [6, 21].
15. Научно обоснована и подтверждена шахтными и лабораторными экспериментами возможность быстрого и простого определения в подготовительных и очистных забоях зон повышенного газовыделения, выбросоопасных и нарушенных зон в угольных пластах по величине их охлаждения в результате десорбции метана из угля, в том числе с меньшим проникновением бурового инструмента в опасную зону или дистанционно [2, 4, 6, 10, 13-14].
16. Научно обоснованы, разработаны и испытаны в лабораторных и шахтных условиях новые комплексные способы и портативные многофункциональные устройства, позволяющие быстро и просто повысить надежность, оперативность, практическую ценность и информативность исследований угля за счет более точного экспресс-определения в забое начальной кинетики десорбции метана из бурового штыба, количественных характеристик газовыделения и геологической нарушенности угля на основе одновременных замеров метановыделения из штыба и его охлаждения [2, 4, 6, 10-26, 28-33].
17. Научно и технически обоснована возможность и необходимость снабдить шахтеров в забоях простыми, удобными и дешевыми портативными устройствами для индивидуальной оценки выбросоопасности и нарушенности призабойной зоны пласта, то есть средствами индивидуальной защиты нового типа для своевременного определения угрозы внезапных выбросов угля и газа, загазований выработок и взрывов метана. Это позволит своевременно прогнозировать опасность в забое и для ее устранения изменять технологию горных работ или подавать в забой большее количество воздуха [2, 6, 22-24, 28-33].
18. Разработан уточненный метод описания динамики газовыделения при десорбции метана из угля до установления сорбцион-ного равновесия [6, 26].
Таким образом, участие автора в комплексе научных исследований ИПКОН РАН по направлению «Развитие теоретических основ и методов борьбы с рудничными газами и пылью» и его научная стажировка в Лидском университете Великобритании позволили научно обосновать и подтвердить лабораторными и шахтными экспериментами новые возможности повышения эффективности
152
экспресс-оценки газокинетических свойств угля в забоях и лабораториях и практического использования их результатов для улучшения вентиляции горных выработок, снижения травматизма и экономического ущерба от аварий, повышения экономической и экологической эффективности подземной разработки газоносных угольных месторождений за счет:
- заблаговременного и текущего прогнозирования повышенного метановыделения в те или иные горные выработки и выбросо-опасности призабойной зоны на различных этапах разработки газоносных месторождений, соответствующего перераспределения потоков воздуха и своевременного проведения противовыбросных мероприятий;
- более оперативной оценки выбросоопасности на каждом интервале бурения скважин и шпуров во всех забоях и уменьшения за счет этого глубины внедрения в выбросоопасный угольный массив в процессе выполнения противовыбросных мероприятий, а также любых других буровых работ;
- более эффективного комплексного использования и совершенствования методов, устройств и систем для осуществления текущего прогноза выбросоопасности и интенсивности газовыделения в призабойной зоне разрабатываемого угольного пласта, и прежде всего технических средств для замера интенсивности газовыделения из шпуров и изучения бурового штыба, а также систем сейсмоакустического прогноза выбросопасности, особенно в подготовительных выработках, причем без значительных дополнительных финансовых и трудовых затрат и изменений применяемых в угольных шахтах технологий проходческих и очистных работ. - СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: изд-во Академии горных наук, 2000. - 519 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. Радченко С.А. Необходимость комплексной оценки опасности внезапных выбросов и взрывов метана в угольных шахтах // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 11. - С. 67-70.
4. Радченко С.А. Научное обоснование методов экспресс-оценки выбро-соопасности и газоносности призабойной зоны пласта по температуре угля // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 5. - С. 29-32.
153
5. Радченко С.А. Определение коэффициентов диффузии метана в угле. Возможности повысить безопасность работ в шахтах // Инженерная физика. -2007. - № 5. - С. 59-61.
6. 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.
7. Мурич А.Т., Худяков М.Я. Новые проблемы в обеспечении безопасных условий труда в глубоких шахтах // Уголь Украины. - 1989. - № 2. - С. 34-35.
8. Деглин Б.М. Блеск и нищета прогнозирования // Уголь Украины. -2004. - № 10. - С. 31-35.
9. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / И. Л. Эттингер, Н. В. Шульман, И. Б. Ковалева и др. // Химия твердого топлива. - 1981. - № 5. - С. 121-124.
10. 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.
11. Формирование в земной коре углеметановых месторождений и механизм миграции метана через угольные пласты / Эттингер И.Л., Лидин Г.Д., Радченко С.А. и др. - Тез. докл. II Всесоюзн. совещ. «Природные газы Земли и их роль в формировании земной коры и месторождений полезных ископаемых». - М.: МГРИ, 1982. - С. 61-63.
12. Эттингер И.Л., Шульман Н.В., Радченко С.А. Сорбционно-кинетические характеристики угля, позволяющие прогнозировать газодинамические свойства пласта и метанообильность горных выработок. - Тез. докл. Всесоюзн. научн. конф. вузов СССР с участием научно-исслед. ин-тов. - М.: МГУ, 1982. - С. 5.
13. Эттингер И.Л., Маевский В.С., Радченко С.А. Контроль газодинамического состояния призабойной зоны пласта // Уголь. - 1983. - № 5. - С. 8-9.
14. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем механических и физико-химических процессов / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, Н.В. Шульман и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1984. - № 5. - С. 65-69.
15. 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.
16. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика метанопереноса в углях. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1988. - № 4. - С. 97-101.
17. Влияние нарушенности угля и коэффициента диффузии на начальную скорость газовыделения / Н. В. Шульман, В. В. Лоскутников, С. А. Радченко и др. // Сб.: Геомеханика выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. - М.: ИПКОН АН СССР, 1988. - С. 99-104.
18. 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.
154
19. Barker-Read G.R. and Radchenko 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.
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. - № 8. - P. 263-284.
21. 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.
22. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционно-кинетического показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород // Сб.: Газопылеэлектробезопасность горных работ. - М.: ИПКОН АН СССР, 1990. - С. 60-68.
23. Radchenko S.A. New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples // Fuel. - 1993. - Volume 72. - № 5. - P. 721722.
24. 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. Международного симпозиума 1517 сентября 1993 г., Мурманская обл., Апатиты, Кольский научный центр, 1994. - С. 21-22.
25. Радченко С.А., Баранов В.П. Математическое объяснение некоторых эффектов, возникающих при обработке десорбционно-кинетических данных // Сб.: Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула, ТулПИ, 1991. - С. 78-83.
26. Радченко С.А., 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.
27. Airey E.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.
28. А.С. № 1096375 СССР. МКИ Е 21 5/00. Способ определения выбросо-опасных 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.
29. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Способ 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.
30. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., 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.
31. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., 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.
32. Радченко С.А. Устройства для комплексного решения проблем экологии и безопасности в угольных шахтах // Экологические системы и приборы. -2007. - № 4. - С. 55-59.
155
33. Радченко С.А. Портативные устройства для повышения безопасности буровых и проходческих работ на углеметановых месторождениях // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2007, № 11. - М.: изд-во Московского гос. горного ун-та, 2007. - С. 322-329. ГГШ
— Коротко об авторе -
Радченко С.А. - кандидат технических наук, доцент кафедры машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, Тула.
Л.М. Васильев, Н.А.Дзоз, Ю.А. Жулай, П.Ю. Моисеенко
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАВИТАЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Т"Хредставлена инженерная методика определения динамических параметров пульсирующего потока жидкости за
© Л.М. Васильев, Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай, П.Ю. Моисеенко, 2008
156
