Разработка методики прогноза выбросоопасности и управления газодинамическим режимом призабойного массива при проведении подготовительных выработок

Индыло, Сергей Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методики прогноза выбросоопасности и управления газодинамическим режимом призабойного массива при проведении подготовительных выработок
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики прогноза выбросоопасности и управления газодинамическим режимом призабойного массива при проведении подготовительных выработок"

На правах рукописи

Индыло Сергей Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ И УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ ПРИЗАБОЙНОГО МАССИВА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 25 00 20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

ООЭ445Эаь

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

1 8 СЕН 2008

003445995

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем комплексного освоения недр РАН

Научный руководитель. доктор технических наук

ЗАХАРОВ Валерий Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор

БОБИН Вячеслав Александрович

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им А А. Скочинского».

Защита состоится «01» октября 2008 г. в Ю30 часов на заседании диссертационного совета Д 002 074 02 в Учреждении Российской академии наук - Институте проблем комплексного освоения недр РАН (УРАН ИПКОН РАН) по адресу 111020, Москва, Крюковский тупик, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УРАН ИПКОН РАН.

кандидат технических наук ФИЛИН Александр Эдуардович

Автореферат разослан «_»

2008 г

И о ученого секретаря диссертационного совета

Милетенко И В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка газоносных и выборосоопас-ных угольных пластов сопровождается различного вида газопроявлениями от обычных при выемке угля и проходке с помощью комбайнов, стругов, БВР и др до аварийных в форме газодинамических явлений (ГДЯ) Масштабы этих проявлений (объемы разрушенного и выброшенного угля и выделившегося газа, дальность отброса) зависят от целого ряда природных и технологических факторов газоносности, прочности, структуры и мощности угольных пластов и вмещающих пород, времени между производственными циклами по проходке и выемке угля, а также глубины их разработки и уровня энергетического воздействия на призабойный массив Концентрация метана в шахтной атмосфере часто лимитирует скорости проведения подготовительных выработок и нагрузки на очистной забой (газовый фактор) Нередко проведение горных выработок по газоносным пластам приводит к загазированию и взрывам газа и пыли, иногда с катастрофическими последствиями

За последние 10 лет на шахтах РФ при проведении подготовительных выработок произошло более 120 ГДЯ с выделением более 50м3 метана на 1 тонну разрушенного угля

Из выше изложенного следует, что проблема прогноза и управления газодинамическим режимом призабойного массива при разработке газоносных и выбросоопасных шахтопластов, с использованием буровзрывных способов проведения выработок, является весьма актуальной, особенно на пластах малой и средней мощности

Цель диссертационной работы Разработка методики прогноза выбросоопасных зон и управления газодинамическими режимами призабойного углепородного массива, позволяющей повысить безопасность и эффективность проведения подготовительных выработок по газоносным и выбросоопасным угольным пластам

Идея работы заключается в установлении закономерностей изменения объемов газовыделения и разрушенного угля от природных и технологических факторов и разработке на этой основе критериев прогноза выбросоопасности и управления газодинамическим режимом призабойного углепородного массива Задачи исследований:

- обосновать возможность использования выделяющегося объема газа по данным аппаратуры аэрогазового контроля в качестве универсальной характеристики оценки изменения газодинамического состояния выбро-соопасного призабойного углепородного массива, учитывающей природные и технологические факторы,

- установить закономерности изменения объемов газовыделения и разрушенного угля от природных и технологических факторов,

- разработать методику определения максимальной концентрации метана в призабойной рудничной атмосфере по данным аппаратуры контроля метана, при превышении 2,5%,

- уточнить методику прогноза газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры контроля метана,

- разработать прогнозные критерии безопасных технологических параметров проведения подготовительных выработок,

- разработать рекомендации по снижению выбросоопасности приза-бойного углепородного массива и управлению газовыделением

Методы исследований

Анализ ранее выполненных исследований по вопросам теории, прогноза и предотвращения ГДЯ и управления газовыделением, экспериментальные шахтные исследования в различных горно-геологических условиях газодинамического режима призабойного газоносного и выбросоопасного углепородного массива, привлечение методов математической статистики и теории вероятностей для обработки экспериментальных данных, проверка установленных зависимостей и критериев в шахтных условиях при проходке горных выработок

Основные научные положения, выносимые на защиту

- в качестве универсальных характеристик прогноза изменения газодинамического состояния и выбросоопасности призабойного углепородного массива могут использоваться эмпирические зависимости объемов газовыделения от массы разрушенного (выброшенного) угля, полученные в конкретных горно-геологических условиях,

- фактический объем газовыделения при циклах проходки с достаточной для прогноза выбросоопасности точностью определяется по данным аппаратуры аэрогазового контроля (особенно при превышении предела 2 5%) и дебита воздуха по разработанной методике расчета максимальной концентрации метана,

- при превышении паспортных показателей в 1,5-2,0 раза в качестве критериев оценки техногенных последствий газодинамических явлений при проходке подготовительных выработок по выбросоопас-ным угольным пластам следует использовать объемы газовыделения и массы разрушенного угля, рассчитанные по установленным эмпирическим зависимостям,

уточненная методика прогноза газообильности подготовительных выработок по данным аппаратуры аэрогазового контроля позволяет получать количественную оценку объема метана, который может выделиться в подготовительную выработку, и заблаговременно планировать профилактические противовыбросные мероприятия

Научное значение и новизна работы

- установлены эмпирические зависимости объема газовыделения

от массы разрушенного (выброшенного) угля для различных горногеологических условиях проведения подготовительных выработок,

- разработана методика определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля при превышении предела в 2 5%,

определены и статистически обоснованы критерии оценки техногенных последствий ГДЯ,

- уточнена методика прогноза газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры аэрогазового контроля

Личный вклад автора диссертации заключается в анализе и обобщении результатов ранее выполненных исследований по вопросам управления газовыделением при проведении горных выработок, определении цели и постановке задач исследования, в разработке методики исследований, в организации, руководстве и личном участии в проведении и обработке результатов шахтных экспериментов, в разработке и внедрении рекомендаций по снижению выбросоопасности призабойного углепородного массива и управлению газовыделением при проведении горных выработок

Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается

- соответствием выводов и рекомендаций современным представлением о причинах и механизме газодинамических явлений,

- высокой статистической оценкой тесноты связей, установленных зависимостей,

- представительным объемом шахтных экспериментов, охватывающих тысячи циклов проходки, в 19 подготовительных забоях 5-ти шахт, с общим подвиганием более 3300 метров,

- доверительной вероятностью установленных критериев с надежностью более 0 95,

- положительными результатами шахтных испытаний

Практическая ценность результатов исследований заключается в:

- установлении критериев оценки техногенных последствий ГДЯ на основе полученных эмпирических зависимостей объема газовыделения и массы разрушенного (выброшенного) угля,

разработке методики определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля, при превышении предела в 2 5%

- уточнении методики прогноза газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры аэрогазового контроля,

- разработке и внедрении рекомендаций по снижению выбросоопасности и управлению газовыделением при проведении горных выработок

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научном семинаре Отделения рудничной аэрологии (2001 г) и ученом совете ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского, на региональной секции комиссии по борьбе с внезапными выбросами по Восточному Донбассу (2001 г), на научных симпозиумах «Неделя горняка» МГТУ (2002-2007 г г ) На НТС ЗАО УК «Гуковуголь» (2007 г )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ в издательствах, рекомендуемых ВАК

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 126 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 96 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе представлен обзор горно-геологических условий разработки выбросоопасных угольных шахтопластов в основных месторождениях Российской Федерации и Донецко-Гундаревского района Восточного Донбасса Дан анализ применяемых способов прогноза и предотвращения газодинамических явлений Приведена формулировка задач научных исследований

Основополагающий вклад в развитие теории и практики разработки газоносных угольных пластов, опасных по газодинамическим явлениям, внесли академик А А Скочинский, профессора Г Д Лидин, А С Авершин, В В Ходот, Л Н Быков, А М Карпов, И В Бобров, И М Пе-чук, их ученики и последователи

За научно-методическую основу исследований, выполненных в диссертационной работе, приняты положения, разработанные А А Ско-чинским о том, что выбросоопасность угольных шахтопластов обусловлена комплексным взаимодействием горного давления, содержащегося в угле газа, физико-механических характеристик и структуры угля, законов гравитации (на пластах крутого падения)

К настоящему времени на шахтах основных угольных месторождений мира произошло более 30000 внезапных выбросов угля и газа, начиная с глубины 60 м и более от поверхности

На шахтах Российской Федерации впервые внезапные выбросы угля и газа зарегистрированы в Сучанском месторождении (Приморье) в 1927 году, в Кузбассе - 1943 год, Егоршино - 1944 год, Воркута - 1950 год, Восточный Донбасс - 1958 год

Первое внезапное самопроизвольное разрушение угля в Восточном Донбассе произошло 5 марта 1958 года в забое откаточного штрека №102, пласта К2Н «Лисий» шахты «Западная» ОАО «Гуковуголь» на горизонте 325 м С этого периода на шахтах района зарегистрировано

182 газодинамических явления

Распределение ГДЯ по видам и шахтам ОАО «Гуковуголь», приведена в табл 1, а горно-геологическая характеристика шахтопла-стов, склонных к газодинамическим явлениям в табл 2

Таблица 1 Газодинамические явления, произошедшие на шахтах ОАО «Гуковуголь» до 01 2007 г ____1_

Внезап- Выбросы Внезап- Внезап- Внезап- Всего

ные при сотря- ный ные вы- ные вы- газоди-

выбросы сательном отжим с сыпания с давлива- нами-

Шахта Пласт взрывании повышенным газовыделением повышенным газовыделением ния с повышенным газовыделением ческих явлений

Западная К2Н 5 2 1 1 - 9

/3 11 1 - - 13 25

Централь- 13 16 17 - 2 17 52

ная ¡2 1 49 - - 13 63

Изварин- к2н 5 - - 1 1 7

ская 1з 8 9 - 3 3 20

Донецкая к2н 1 1 1 - - 3

На пластах к2н 6 3 2 2 1 14

1'з 32 27 - 5 33 97

12 9 49 - - 13 71

Итого 47 79 2 7 47 182

Как следует из данных табл 1 и 2 на шахтах «Западная» и «Изва-ринская» произошло по 18% ГДЯ, на шахте «Центральная» - 62%, на шахте «Донецкая» - около 2% ГДЯ, к которым в данном случае отнесены внезапные выбросы угля и газа, внезапные выбросы при сотрясательном взрывании, внезапные отжимы, высыпания, выдавливания с повышенным газовыделением

В процентном отношении к общему числу явлений, происшедших на пластах К2Н, ¡2 и (з составляют соответственно 8 4, 46 1, 45 5%, в очистных забоях 28, в подготовительных - 72%

Проявление ГДЯ в ряде случаев сопровождается групповым травматизмом и значительным технологическим и экономическим ущербом Опасность ГДЯ усугубляется провоцированием взрывов метанопыле-воздушных смесей

В связи с выше сказанным нормативными документами к правилам безопасности предусматриваются различные методы прогноза выбросо-опасных зон на всех стадиях разведки, вскрытия и проведения горных выработок на газоносных угольных шахтопластах ниже зоны газового

Таблица 2 Характеристика шахтопластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа

№ п/п Шахта, шахто-пласт, геологический индекс и местное название Глубина работ, м Горно-геологические и газодинамические характеристики угольных пластов

Мощность, м Угол залегания, град Природная газоносность м3/тс б м Газообильность шахт Весовой выход летучих веществ, % Показатель степени метаморфизма, уел ед Оценка выбросоопасно-сти

1 ш Западная 13 Суходольский 730 11 1-1 8 6-35 10 SelS 29 33 02 21 6-25 9 19 44 выбросоопасность с отметки -307м по фактическому выбросу

2 К2Н - Лисий 510 0 85-0 95 7-14 9 07-9 93 47 04 23 8-25 1 20 4 выбросоопасность с отметки -112 Зм по фактическому выбросу

3 ш Центральная 13' Суходольский 737 1 1-1 5 5-15 16 99-20 6 58 1 25 4-29 0 21 8-23 1 выбросоопасность с отметки -271м по фактическому выбпосу

4 12 587 0 9-1 1 7-10 8 04-212 117 19 5-19 9 17 7 выбросоопасность с отметки -256м по фактическому

5 ш Изваринская 12 405 0 8-12 6-10 12 05 26 98 20 5-22 4 16 2 выбросоопасность с отметки - 234м по фактическому выбвосу

6 К2Н - Лисий 250 0 9-1 0 4-10 10 5 96 11 23 7 19 3 не выбросоопасный до глубины 380м

7 ш Донецкая К2Н - Лисий 535 0 85-0 95 11-13 16 8 5 12 27 08 22 94-23 00 выбросоопасность с отметки —191м по фактическому выбросу

8 Гундоровский 530 0 8-1 04 10-12 156 13 47 28 87 24 84 угрожаемый ниже глубины 380м

9 Орловский 430 0 69-1 4 9 9 1 23 92 26 81 24 81 угрожаемый ниже глубины 380м

10 ш Гундоровская Орловский 490 0 8-13 3-3 5 3 6-14 6 28 65 25 4-36 2 25 11 угрожаемый ниже глубины З80.м

выветривания

Однако эффективность применяемых методов прогноза в связи с возросшими в несколько раз скоростями проходки и отработки угольных пластов в настоящее время недостаточна Необходимость разработки и применения методов прогноза объясняется еще и тем, что площадь реальной выбросоопасности на опасных пластах не превышает, как правило 10-15% и лишь на отдельных (в основном на пластах крутого падения) составляет 25-30% общей площади отрабатываемого шахтопла-ста При достоверном выявлении таких участков можно значительно сократить затраты на выполнение противовыбросных мероприятий В настоящее время высоконадежных и технологичных способов определения мест возможного возникновения внезапных выбросов угля и газа не разработано, а прогнозируются лишь зоны, в которых проявление выбросов наиболее вероятно.

С учетом данных геолого-разведочного (регионального) и локального методов прогноза осуществляется текущий прогноз выбросоопас-ных зон, на основании которого при планировании горных работ принимается решение о необходимости применения противовыбросных (защитных) мероприятиях и методах контроля их эффективности Согласно «Инструкции » (РД 05-350-00) 2000 г к ПБ в основных угольных месторождениях РФ при проведении подготовительных выработок применяются текущие методы прогноза выбросоопасных зон в дискретном виде по поинтервальному газовыделению и выходу штыба, в Донбассе (Украина) по динамике газовыделения и т д При увеличении скорости проведения горных выработок дискретные методы текущего прогноза не отвечают технологичности, достоверности и безопасности

Из всех физических предвестников, которые могут быть использованы для прогноза выбросоопасных зон, наиболее предпочтительными, с точки зрения перспектив автоматизации, являются параметры аэрогазового и сейсмоакустического состояния призабойного массива, комплексно характеризующие напряженно-деформированное состояние призабойного массива, газосодержание, физико-механические и коллек-торские свойства угля и вмещающих пород, структуру и строение угленосной толщи и их реакцию на технологическое воздействие

Одним из примеров экспериментального обоснования объемов газовыделения как комплексной характеристики свойств и состояния призабойного массива в момент технологического воздействия являются данные рис 1 а,б,в

На рис 1а приведен график изменения концентрации метана при образовании разгрузочной щели врубмашиной в лаве пл 136 на шахте «Фащев-ская» (Донбасс) в зависимости от скорости движения комбайна по лаве

На рис 16 показано изменение концентрации метана (объема газо-

выделения) в зависимости от времени бурения опережающих скважин в лаве пл. Г3, шахта им. 50 летия СССР (Донбасс) и их расположения по длине лавы. На рис. 1в показано изменение концентрации метана при проходке конвейерного штрека комбайном ГПКС (левые два всплеска) и бурении «стартом» дегазационно - разгрузочных скважин 0 250 мм, длиной 11 м (правые 7 всплесков), пл. с16 шх. им. В.И.Ленина, Караганда.

а)

м 1,2

В)

сн,%

С,? :

150 200 250

230 400 600

1000 1200 1400

б)

сн„%

1,5 1 0,5 О

.4. /

50 100 150 200 250 300 350

Рис. 1. Изменение концентрации метана при проходке и локальных мероприятиях (заштрихованные участки - время технологического воздействия на забой)

Во второй главе представлены методы и объекты исследований проявления газодинамической активности при проведении горных выработок по выбросоопасным шахтопластам. Основные объемы исследований неравномерности газовыделения при проведении подготовительных выработок, включая внезапные выбросы угля и газа, получены на пологих выбросоопасных шахтопластах Донецко-Гундаревского района Восточного Донбасса и Донецко-Макеевского района. Горногеологические условия разработки некоторых шахтопластов Донбасса приведены в табл. 3.

Как следует из данных табл. 3 шахтные исследования и анализ горно-геологических условий проходки подготовительных и нарезных выработок проведены на 5 шахтах в 19 выработках на пластах мощностью 0,65-1,62 м с углом залегания 5-18°. Площадь сечения подготовительных выработок при проходке 8г=15,4-21,0 м2, нарезных 8Г=4,1-7,3 м2 с расходом воздуха 140-400 м3/мин.

Наблюдениями было охвачено более 1900 циклов подвигания с шагом 1,31-2,20 м, при которых произошло 29 внезапных выбросов угля и газа силой от 10 до 481 т.

Таблица 3 - Характеристика горно-геологических условий проведения исследованных выработок

Выработка Мощность, м Угол падения, град Площадь сечения, г м2 Подви-гание за цикл, м Количество ВВ на цикл, кг/ц Число циклов Дебит воздуха, м3/ мин Число ГДЯза время наблюдения Прочность угля, уе Масса внезапных выбросов, т

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Шахта им Газеты «Социалистический Донбасс» ОАО «Донецкуголь»

I восточный откаточный штрек, пл Ь8 «Прасковиев-ский» 0,69075 5 17,0 1,31 25,6 436 350-400 1 1,01,5 10

II восточный откаточный штрек, пл Ь8 0,72 5 17,0 1,7 38,1 501 320-390 1 1,01,5 345

Зии западный откаточный штрек, пл Ь8 0,70 5 16,1 1,4 42,3 414 370 2 100 70

55" бортовая выработка, пл Ь8 0,70 12,0 1,21,6 149 7 0,61,5 10, 12, 120, 50, 15, 190, 55

Шахта им МИ Калинина

Центральный уклон, пл И« 0,65 18 16,0 1,7 36,6 143 220-280 - ~1,5

Разрез 2™ восточной лавы, пл Ь8 0,67 14-17 4Д 1,8 13,8 66 200-240 -

Разрез 2ой западной лавы, пл Ь8 0,67 17 5,0 2,0 3,6 63 140-160 - 1,0

Шахта им А А Скочинского

5"" восточный конвейерный штрек, пл Ь'б «Смо-ляниновский» 1,62 8 21,0 1,5 26,0 108 270-390 9 1,01,5 230, 25, 340, 75, 130, 60, 43, 50, 80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Разрез 5й восточной лавы пл Ь'6 1,62 8 5,3-7,3 1,45 16,8 55 210-340 - 1,0-1,5

Шахта «Глубокая»

4Ь|И западный разрезной ходок, пл Ь8 0,70 10-14 5,41 2,0 23,4 55 1124 1 -1,5 40

Шахта «Западная» ОАО «Гуковуголь»

Конвейерный штрек 0354 (40), пл 1з «Суходольский» 1,44 14 15,4 2,2 20 220 3 до 1,5 149,481, 105

Конвейерный штрек 0354 (35) пл 1,44 14 15,4 2,2 12 220 3 ДО 1,5 292, 403, 186

Вспомогательный уклон 040, пл 1} 1,44 14 15,4 2,2 25 266 -

Конвейерный штрек 0402, ПЛ 13 14 15,4 2,2 -

Конвейерный штрек 601, пл К" «Лисий» 0,9 14 15,4 2,2 64 244-267 3 93, 79, 54

Конвейерный штрек 603, пл К2" 0,9 14 15,4 2,2 30 220 -

Вентиляционный уклон 6, пл К2" 0,9 14 15,4 2,2 20 200 -

Сборный вентиляционный ходок, пл К2" 0,9 14 15,4 2,2 12 -

Конвейерный уклон 6, пл К2" 0,9 14 15,4 2,2 22 220 -

Кроме этого был проведен анализ условий проявления 126 внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса, разрабатывающих пологие выбросоопасные пласты за период 1977 - 2002 г г, с целью установления зависимости объема газовыделения от количества выброшенного угля Определение количества метана, выделяющегося при ГДЯ и подвигании горных выработок проводилось в основном по диаграммам концентрации СН4 аппаратуры аэрогазового контроля и расхода воздуха В ряде случаев концентрация метана превышала предельные уровни Поэтому максимальная концентрация метана определялась аналитически и графическим методом по специально разработанной методике

В третьей главе представлены основные результаты исследования проявления газодинамической активности при проведении горных выработок по выбросоопасным пластам Проведение подготовительных выработок по выбросоопасным угольным пластам средней и малой мощности особенно в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления в настоящее время осуществляется с помощью буровзрывных работ (БВР) в режиме сотрясательного взрывания в связи с практическим отсутствием горнопроходческих комбайнов для работы в прочных породах по шкале проф М М Протодьяконова)

Глубина разработки, газоносность и коллекторские свойства угольных пластов совместно с параметрами паспортов БВР определяют количество газа, выделяющегося за каждый цикл проходки

Исследование неравномерности газовыделения при ведении горных работ показывает, что объем и продолжительность газовыделения в зависимости от ряда природных и технологических факторов подвержены значительным колебаниям Так в подготовительных забоях шахты «Западная» ОАО «Гуковуголь» на выбросоопасных пластах i3 «Сухо-дольский» и К2Н «Лисий», проводимых сечением 15,4 м2 со скоростью порядка 2,0 м/сут с помощью БВР при нормальной структуре газовыделение составляет 113,5±42 м3 (от 41,8 до 178,3 м3) средней продолжительностью 77,2±48,0 мин (до 188 мин) и максимальной концентрацией в пределах 2,5 % СН4 В зонах нарушенных структур пластов объем газовыделения составляет 1174±558 мэ (от 390 до 1875 м3) продолжительностью 552±179 мин (от 330 мин до 858 мин) и максимальной концентрацией в пределах 2,5 % СН4 В случае внезапных выбросов угля и газа объем газовыделения превышает 20000 м3 СН4 с Стах>80%

Распределение количества выброшенного угля и объемов выделившегося газа представлено на рис 2 а,б

Неравномерность газовыделения при проведение выработок по выбросоопасным шахтопластам с периодическими всплесками и внезапными выбросами угля и газа наблюдаются практически на всех шахтах на глубинах ниже зон газового выветривания

а)

б)

А, т

100 200 300 400 600 600 700 800

15 20 25 ™с м3

Рис 2 Распределение количества угля (а) и объемов метана (б), выброшенного (выделившегося) при внезапных выбросах на пологих шахтопластах Донбасса в 1977-2002 г г Так, например, на шахте им газеты «Соцдонбасс» ОАО «Донецк-уголь» при проведении наблюдений за объемами газовыделения имеет место зональное расположение повышенных газовыделений, в которых официально зарегистрировано 9 внезапных выбросов угля и газа силой 40-100 т (рис 3 и 4)

м'/цикл 250 ,

712 м'

40"

(00т

3274 м3 70т

м'/цикл

250 200 150 100 50

150 М

150 200 250 300 350 400 м

м3/цикл

250

200

150

100

50 п К-

Рис 3 Неравномерность газовыделения при проходке 3-го западного штрека на шахте им газеты «Соцдонбасс»

м/ц*л

100-, ео-

60-1 40

м /цикл 100 80 60 40 20

10 20 30 40

428 м3177 м3 952 м" 5т Ют 190т

К/

»'/цикл 698 м 636 м 100 т ?рг Эдт

80 60 40 20

м3/цикп 100 ,

8060 -40 -20 0

105

Рис 4 Неравномерность газовыделения при циклах проходки бортового штрека №55 на шахте им газеты «СоцДонбасс»

В четвертой главе представлены результаты обработки выполненных исследований

Зависимости объемов газовыделения от количества разрушенного и выброшенного угля определялись в натуральном и логарифмическом масштабах

На рис 5а представлена зависимость объема газовыделения (я, м3) от количества выброшенного угля (А, т) на пологих шахтопластах Донбасса, которая в аналитическом виде имеет вид

q=0,0155А+54,615 (1),

коэффициент корреляции г=0,95

На рис 56 (для сопоставления) представлена зависимость объема газовыделения от количества выброшенного угля на пологих шахтопластах Кузбасса, которая в аналитическом выражении имеет вид Я=74,19А-94,59 (2),

коэффициент корреляции г=0,92

На рис 5в представлено сопоставление зависимости объема газовыделения от количества выброшенного угля на шахтах Донбасса, Воркуты, Егоршино (платы крутого падения), Караганды и Кузбасса (в логарифмическим масштабе)

Из графиков наглядно видно весьма тесную зависимость объема газовыделения от количества выброшенного угля

Если использовать приведенные зависимости для практического

анализа, то можно с высокой вероятностью допустить, что при фиксированных газовыделениях (для Донбасса более 150-250 м3 за цикл проходки) имели место внезапные выбросы угля и газа, но они не были официально зарегистрированы а) б)

в)

Рис 5 Зависимость объема выделившегося газа (ц) от количества выброшенного угля(А) на пологих пластах Донбасса (а) и Кузбасса (б), на шахтах Донбасса, Воркуты, Егоршино, Кузбасса и Караганды (в) в логарифмическом масштабе

1 2 3 4 5

Обработка и анализ результатов наблюдений позволили разработать методику определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля

На рис 6 приведены

- эскиз ситуации после внезапного выброса угля и газа в забое конвейерного штрека (к/ш) 14 07 2000 г на шахте «Западная» ОАО «Гуков-уголь» силой 481 т с дальностью отброса угля на 20 м,

- диаграмма концентрации метана (нижняя часть - характерные точки А,Б,В,Г) и схема расчета максимальной концентрации метана Стах по данным аппаратуры аэрогазового контроля

Исходными параметрами для расчета Стах являются координаты точек А,Б,В, и Г на диаграмме (в логарифмическом масштабе) Линию АБ роста концентрации метана (С,%) во времени (1, мин) можно аппроксимировать уравнением вида

^0=0,398+0,851^ (3)

Линия ВГ снижения концентрации метана во времени аппроксимируется уравнением.

1бС=4,742+ 1,5991^ (4)

• — • Донбасс

• — — Воркута

■ ■ - "Егоршино

• • * - Караганда Ж "- ■ Кузбасс

1йА

Рис. 6. Эскиз ситуации после внезапного выброса на шахте «Западная» (а) и схема расчета максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля (б).

Совместное решение уравнений (3) и (4) позволяет определить максимальную концентрацию Стах, равную 80,65 об.% СН4. Зная площадь фигуры АБСтахВГ (%*мин) и количество воздуха на исходящей струе конвейерного штрека, получаем значение 20638 м^ СН4 - количество метана, выделившееся при рассматриваемом внезапном выбросе. Вместе с тем, зная координаты точек А,Б,В,Г графически получаем Стах=80%.

Исследование взаимосвязей параметров диаграмм концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля было проведено при 97 циклах проходки выработок с помощью БВР в 16 выработках 6-ти шахт Донбасса, при которых было официально зарегистрировано 19 внезапных выбросов угля и газа, 26 выбросов не было зарегистрировано и в 52-х случаях забои проходились в неопасных зонах. К числу информативных параметров диаграмм относятся:

*аг - время газовыделения над фоновым уровнем (между точками А и Г), мин;

1бв - время газовыделения с концентрацией С>2,5% (между точками Б и В), мин;

Стах - максимальная концентрация метана, %;

Ссут - среднесуточная концентрация метана, %;

Сф - фоновая концентрация метана, %;

q - количество выделившегося газа за время 1АГ, мин;

1„ - абсолютная газообильность выработок, м3/мин.

Уравнения взаимосвязи параметров диаграмм концентрации метана приведены ниже

^ Я=1,2586 ^М),5326, г=0,879 1=0,6941 1ё Ч+0,8413 (5) 1§ Ч=1,1901 1ёСтах+1,7107 г=0,872 ¡§ Стах=0,6391 18 Ч-0,9713 (6) 1,8159 Сср сут+2,9473 г=0,920 Сср,сут=0,4665 1ёЧ-1,4279 (7) ^я=0,5002 ^вв+г,4099 г=0,823 ^ 1БВ=1,3549 ч-3,3246 (8) ^ я=1,9759 ^ 1п+2,6030 г=0,909 ^ 1„=0,4184 114 (9) 1ЕСгаах=0,7411ёМ,168 г=0,706 1=0,6732 1§ Стах+4,921 (10)

1ёСшх=0,4247 1ё1БВ+0,5883 г=0,954 1ё 1БВ=2,1421 1ё Стах-1,2768 (11) 1ё Сгоах=1,3013 1е1п+0,6979 г=0,817 1ё 1П=0,5131 1ё Стах-0,4061 (12) 1ёСтах=1,2956 ^Сср>суг+0,9591 г=0,896 1ёСсрсуг=0,6198 1§Стах-0,662{ (13) 1ё 1бв=1,517 1ё 1-3,620 г=0,644 1ё 1=0,2733 1ё1ЕВ+2,315 (14)

1БВ=2,7593 1ёСсрсу[+0,7723 г=0,850 1ё Сср>сут=0,2617 1БВ-0,2985 (15) 1ё1БВ=2,714 1ё1п+0,2075 г=0,759 1П=0,2122 1ё1БВ-0,1053 (16) Ссрсуг=1,038 1п-0,1968 г=0,942 1ё 1п=0, 8556 1ё Сср>су1+0,1522 (17) Ссрсут=0,576 1« 1-1,651 г=0,794 1ё 1=1,094 ^ Ссрсут+2,644 (18) 1„=0,536 М,357 г=0,813 1=1,2338 ^ 1п+2,4428 (19)

Как следует из формул (5)-(19) между анализируемыми параметрами существует тесная корреляционная связь

Многофакторный анализ показывает, что значение я зависит, прежде всего, от ^ 1, Стах и 1БВ

В пятой главе приведены методики

- по определению максимальной концентрации метана (Стах) по данным аппаратуры аэрогазового контроля, основной смысл которой заключается в использовании координат точек А, Б, В и Г диаграмм концентрации метана По координатам точек А (СА, % - концентрации метана в т А и 1А, мин - время в т А) и Б (СБ, % - концентрации СН4 в т Б и 1Б - времени в т Б) рассчитывается уравнение восходящей линии концентрации (в логарифмическом масштабе)

1§САБ = а1+Ыё1АБ (20)

Для нисходящей линии концентрации СИ» уравнение имеет вид

1§ Свг = а, + Ы^вг (21)

Стах находится в точке пересечения восходящей и нисходящей линий концентрации, когда \ё САБ = ^ Свг, что реализуется при совместном решении уравнений (20) и (21)

- опережающей оценки выбросоопасной ситуации при проходке подготовительных выработок с помощью БВР по данным аппаратуры аэрогазового контроля (рис 7в) по времени газовыделения и С>2,5%,

- определения выбросоопасных (1) и неопасных (2) циклов проходки (рис 76) по массе выброшенного угля, (рис 7а) по объему газовыделения То есть для конкретного случая (рис 7а,б,в) равновероятность появления (или не появления) ГДЯ имеет место при q=65 м3, А=11 т и 1Бв=7,5 мин

Величина q, А, 1ЕВ следует считать минимальными значениями критериев определяющих вход забоя в выбросоопасную зону

По графикам (рис 7а,б,в) с вероятностью 0,95 при я>90 м3, А>13 т и 1бв>12,5 мин следует считать, что при данном цикле проходки произошел внезапный выброс угля и газа

а)

IV * 1 *-- —*■--*

«чЛ

ь- ж 1 V Г Г

120 160 200 240 280 320

q м

50 1бв, мин

Рис 7 Графики определения выбросоопасных (1) и неопасных (2) циклов проходки (а) по

объему газа, (б) по массе выброшенного угля, (в) по времени газовыделения с концентрацией С>2,5%

Разработанные методики позволяют количественно определять максимальную концентрацию метана (Стах) аналитически и графически по данным диаграмм концентрации метана аппаратуры аэрогазововго контроля, используя координаты характерных точек А,Б,В,Г

Выполнять графическое определение выбросоопасных и неопасных циклов проходки по массе выброшенного угля (А, т), объему газовыделения (я, м3) и времени газовыделения (1:БВ) с концентрацией метана С>2,5% при равновероятных значениях А, гБВ

Количественные значения критериев входа забоя в выбросоопаные зоны для рассмотренных горно-геологических условий и технологии отработки с вероятностью 0,75 равны q>80 м3; А>11,5 т, 1БВ>10 мин

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании результатов исследования газодинамических режимов призабойного массива даны научные и практические рекомендации по эффективному управлению газовыделением и выбросо-опасностью при проведении подготовительных выработок на угольных шахтах

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем

1 Дано научное обоснование использования объемов газовыделения по данным аппаратуры аэрогазового контроля метана в качестве универсальной характеристики изменения газодинамического состояния выбросоопасного призабойного массива, учитывающей природные и технологические факторы

2 Установлены эмпирические зависимости объема выделившегося газа от количества выброшенного (разрушенного) угля при внезапных выбросах в процессе проходческих работ по данным аппаратуры контроля метана на пологих шахтопластах Донбасса (с использованием в том числе и опубликованных данных) с высокой степенью корреляции (г=0,82-0,95) При сопоставлении для пологих пластов Кузбасса установлены аналогичные зависимости объема газовыделения от количества выброшенного угля при внезапных выбросах (г=0,73-0,92)

3 Результаты шахтных наблюдений показали неравномерность газовыделения при циклах проходки, приуроченную (как правило) к зонам геологических нарушений и пликативного изменения структуры угольных пластов, с выбросами от 10 до 480 т угля и 200 - 20000 м3 СН4

4 Разработана и опробирована методика определения максимальной концентрации метана, превышающей 2,5%, по данным с диаграмм концентрации метана системы аэрогазового контроля (в том числе графический вариант) Практическое использование методики при ГДЯ на шахте «Западная» позволило определить максимальные концентрации метана более 80%

5 Установлены эмпирические критерии фиксирования внезапного выброса угля и газа с вероятностью 0,90-0,95 по количеству разрушенного (выброшенного) угля и объему газовыделения (для исследованных условий)

6 Разработаны рекомендации опережающего определения развития внезапного выброса угля и газа в период цикла буровзрывной проходки по времени газовыделения с концентрацией метана более 2,5%

7 Уточнена методика определения абсолютной газообильности подготовительных выработок на основе данных аппаратуры аэрогазового контроля

8 Критериями прогноза входа забоя в выбросоопаные зоны для конкретных горно-геологических условий и технологии отработки с вероятностью 0,75 следует считать А, я, 1БВ критическое, количественные значения которых могут быть получены на этапе предварительной обработки данных по методике приведенной в работе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов Б М, Горин В Н, Индыло С В Анализ повышенных газовыделений при проведении подготовительных забоев по выбросоопасным шах-топластам М - МП У, «Неделя горняка- 2004», с 215-222

2 Иванов Б М , Томилин П И , Индыло С В Разрушение угля в форме внезапных выбросов при проведении на шахтах подготовительных забоев М Науч сообщ ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского №324 2003 с 197-205

3 Иванов Б М, Горин В Н, Индыло С В Исследование динамики газовыделения при проведении выработок по выбросоопасным пластам различной прочности М Науч сообщ ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского №324 2003 с 188-196

4 Иванов Б М, Малинникова О Н, Индыло С В и др Анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями в угольных шахтах М МГГУ «Неделя горняка-2006» «Безопасность» - С 123-146

5 Индыло С В Неравномерность газовыделения при ведении горных работ на выбросоопасных шахтопластах М МГГУ «Неделя горня-ка-2007» «Метан» - С 102-114

6 Иванов Б М, Филиппов Ю А, Индыло С В Сейсмоакустическое сопровождение производственных процессов и газодинамических явлений в угольных шахтах М МГГУ, ГИАБ №3,2007, с 100-104

7 Иванов Б М, Харченко А В , Индыло С В и др Влияние солнечной активности на распределение ГДЯ в угольных шахтах во времени М МГГУ, ГИАБ №3,2007, с 208-212

8 Индыло С В, Вацковский Б В Выбор эффективных средств механизации очистных работ при отработке выбросоопаснош пласта к2н шахты «Западная» ОАО Гуковуголь М МГГУ,ГИАБ№1 2007 -с238-239

Лицензия ЛР №21037 от 08 февраля 1996 г Подписано в печать с оригинал-макета 14 08 2008 г Формат 60x84 1/16 Бумага «Mega Сору Office» Печать офсетная Набор компьютерный Объем 1 пл Тираж 100 экз Заказ №151

Издание УРАН ИПЬСОН РАН 111020 г Москва, Крюковский тупик, д 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Индыло, Сергей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ ВЫБРОСООПАСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ.

1.1 Обзор горно-геологических условий проявления газодинамических явлений в основных угольных месторождениях и Донецко -Гундоровском районе Восточного Донбасса.

1.2 Способы прогноза и предотвращения газодинамических явлений, применяемые на угольных шахтах.

1.2.1 Оценка степени выбросоопасности призабойного массива нормативными способами.

1.2.2 Реакция призабойного массива на противовыбросные мероприятия.

1.2.3 Способы предотвращения ГДЯ.

1.3 Определение газообильности горных выработок и параметров их проветривания.

Выводы. Цели и задачи исследований.

2 МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПО ВЫБРОСООПАСНЫМ ПЛАСТАМ.

2.1 Объекты исследования горно-геологических условий проведения горных выработок на газоносных и выбросоопасных пластах.

2.2 Методы определения количества метана, выделяющегося при ГДЯ и подвигании горных выработок.

2.3 Анализ параметров диаграмм концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля.

Выводы.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПО ВЫБРОСООПАСНЫМ ПЛАСТАМ.

3.1 Исследование количества метана, выделившегося при подвигании горных выработок и внезапных выбросах угля и газа.

3.2 Исследование неравномерности газовыделения при ведении горных работ на выбросоопасных шахтопластах.

3.3 Сопоставление абсолютной газообильности горных выработок по данным газовых съемок и аппаратуры аэрогазового контроля.

Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ВЫБРОСООПАСНЫХ ПЛАСТАХ.

4.1 Исследование зависимости объемов газовыделения от количества разрушенного (выброшенного) угля на шахтах.

4.2 Разработка методики определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля.

4.3 Исследование взаимосвязей параметров диаграмм концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля.

4.4 Установление взаимосвязей абсолютной газообильности выработок и параметров диаграмм концентрации метана.

4.5 Установление критериев выбросоопасности по данным аппаратуры аэрогазового контроля и объему выброшенного (разрушенного) угля.

4.6 Снижение уровня газовыделения при выполнении противовыбросных мероприятий.

4.6.1 Мероприятия по предупреждению внезапных выбросов угля и газа

4.6.2 Виброимпульсное воздействие на призабойный массив.

4.6.3 Изменение уровня технологического воздействия на призабойный массив.

Выводы.

5 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ ВЫБРОСООПАСНОСТИ ПРИЗАБОЙНОГО МАССИВА И УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК.

5.1 Методика определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля.

5.2 Методика опережающей оценки выбросоопасной ситуации при проходке подготовительных забоев с помощью БВР по данным аппаратуры аэрогазового контроля.

5.3 Уточненная методика определения абсолютной газообильности горных выработок с учетом данных аппаратуры аэрогазового контроля.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики прогноза выбросоопасности и управления газодинамическим режимом призабойного массива при проведении подготовительных выработок"

Разработка газоносных и выборосоопасных угольных пластов сопровождается различного вида газопроявлениями: от обычных при выемке угля и проходке с помощью комбайнов, стругов, БВР и др. до аварийных в форме газодинамических явлений (ГДЯ). Масштабы этих проявлений (объемы разрушенного и выброшенного угля и выделившегося газа, дальность отброса) зависят от целого ряда природных и технологических факторов: газоносности, прочности, структуры и мощности угольных пластов и вмещающих пород, времени между производственными циклами по проходке и выемке угля, а также глубины их разработки и уровня энергетического воздействия на призабойный массив. Концентрация метана в шахтной атмосфере часто лимитирует скорости проведения подготовительных выработок и нагрузки на очистной забой (газовый фактор). Нередко проведение горных выработок по газоносным пластам приводит к загазированию и взрывам газа и пыли, иногда с катастрофическими последствиями.

Так, например, на шахтах России по данным Госгортехнадзора РФ смертельный травматизм от взрывов газа и пыли (на млн. тонн добычи) составил: год 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 чел./млн. 0.01 0.06 0.31 0.31 0.24 0.41 0.39 1.22

Наиболее крупные взрывы метонопылевоздушных смесей с групповым травматизмом произошли: 1992г. - шахта «им. Шевякова» (Кузбасс), 1993г. -«Центральная» (Челябинск), 1995г. - «Первомайская» (Кузбасс), «Воркутинская», 1996г. - «Батуринская» (Челябинск), 1997г. - «Баренцбург» (о. Шпицберген), «Зыряновская» (Кузбасс), 1998г. - «Центральная» (Воркута), 2004г. - «Тайжина», 2005г. - «Есаульская», 2007г. - «Ульяновская», «Юбилейная» [46, 47]. В ряде случаев первопричиной взрывов являются ГДЯ (шахта «Первомайская», Кузбасс, 1995г.).

Кроме того, за последние 10 лет при проведении подготовительных вырабоо ток произошло более 120 ГДЯ с выделением более 50м метана на 1 тонну разрушенного угля.

Из вышеизложенного следует, что проблема прогноза и управления газодинамическим режимом призабойного массива при разработки газоносных и выборо-соопасных шахтопластов является весьма актуальной в особенности на пластах малой и средней мощности и использовании буровзрывных способов проведения выработок.

Цель диссертационной работы. Разработка методики прогноза выбро-соопасных зон и управления газодинамическими режимами призабойного уг-лепородного массива, позволяющей повысить безопасность и эффективность проведения подготовительных выработок по газоносным и выбросоопасным угольным пластам.

Задачи исследований: обосновать возможность использования выделяющегося объема газа по данным аппаратуры аэрогазового контроля в качестве универсальной характеристики оценки изменения газодинамического состояния выбросоопасного призабойного углепородного массива, учитывающей природные и технологические факторы; установить закономерности изменения объемов газовыделения и разрушенного угля от природных и технологических факторов; разработать методику определения максимальной концентрации метана в призабойной рудничной атмосфере по данным аппаратуры контроля метана, при превышении 2,5%; уточнить методику прогноза газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры контроля метана; разработать прогнозные критерии безопасных технологических параметров проведения подготовительных выработок; разработать рекомендации по снижению выбросоопасности призабойного углепородного массива и управлению газовыделением.

Методы исследований

Основные научные положения, выносимые на защиту в качестве универсальных характеристик прогноза изменения газодинамического состояния и выбросоопасности призабойного углепородного массива могут использоваться эмпирические зависимости объемов газовыделения от массы разрушенного (выброшенного) угля, полученные в конкретных горно-геологических условиях; фактический объем газовыделения при циклах проходки с достаточной для прогноза выбросоопасности точностью определяется по данным аппаратуры аэрогазового контроля (особенно при превышении предела 2.5%) и дебита воздуха по разработанной методике расчета максимальной концентрации метана; при превышении паспортных показателей в 1,5-2,0 раза в качестве критериев оценки техногенных последствий газодинамических явлений при проходке подготовительных выработок по выбросоопасным угольным пластам следует использовать объемы газовыделения и массы разрушенного угля, рассчитанные по установленным эмпирическим зависимостям; уточненная методика прогноза газообильности подготовительных выработок по данным аппаратуры аэрогазового контроля позволяет получать количественную оценку объема метана, который может выделиться в подготовительную выработку, и заблаговременно планировать профилактические про-тивовыбросные мероприятия.

Научное значение и новизна работы. установлены эмпирические зависимости объема газовыделения от массы разрушенного (выброшенного) угля для различных горно-геологических условиях проведения подготовительных выработок;

-разработана методика определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля при превышении предела в 2.5%;

-определены и статистически обоснованы критерии оценки техногенных последствий ГДЯ;

-уточнена методика прогноза газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры аэрогазового контроля.

Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: соответствием выводов и рекомендаций современным представлением о причинах и механизме газодинамических явлений; высокой статистической оценкой тесноты связей, установленных зависимостей; представительным объемом шахтных экспериментов, охватывающих тысячи циклов проходки, в 19 подготовительных забоях 5-ти шахт, с общим подви-ганием более 3300 метров; доверительной вероятностью установленных критериев с надежностью более 0.95; положительными результатами шахтных испытаний.

Практическая ценность результатов исследований заключается в: установлении критериев оценки техногенных последствий ГДЯ на основе полученных эмпирических зависимостей объема газовыделения и массы разрушенного (выброшенного) угля; разработке методики определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля, при превышении предела в 2.5%. уточнении методики прогноза газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры аэрогазового контроля; разработке и внедрении рекомендаций по снижению выбросоопас-ности и управлению газовыделением при проведении горных выработок.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научном семинаре Отделения рудничной аэрологии (2001 г) и ученом совете ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского; на региональной секции комиссии по борьбе с внезапными выбросами по Восточному Донбассу (2001 г.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» МГТУ (2002-2007 г.г.). На НТС ЗАО УК «Гуковуголь» (2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ в издательствах, рекомендуемых ВАК.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Индыло, Сергей Васильевич

Выводы

В пятой главе приведены методики, имеющие научное и практическое значение:

1. Методика определения максимальной концентрации метана по данным аппаратуры аэрогазового контроля, дающая возможность более точно рассчитывать количество выделяющегося газа при циклах проходки, особенно при концентрации метана более 2,5 % (аналитический и графический варианты).

2. Методика опережающей оценки выбросоопасной ситуации при проходке подготовительных забоев с помощью БВР по данным аппаратуры аэрогазового контроля, дающая возможность в течение 7,5 -12,5 мин после сотрясательного взрывания определить, имеет ли место повышенное газовыделение (или ГДЯ) и нужно ли предпринимать необходимые меры безопасности.

3. Методика прогноза выбросоопасной ситуации по газовому фактору и объему разрушенного угля, позволяющая при разрушении угля и газовыделения в 1,5-2,0 раза превышающем паспортные значения считать, что данный конкретный забой вошел в выбросоопасную зону.

4. Уточненная методика определения абсолютной газообильности горных выработок с учетом данных аппаратуры аэрогазового контроля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании результатов исследования газодинамических режимов призабойного массива даны научные и практические рекомендации по эффективному управлению газовыделением и выбросоопасностью при проведении подготовительных выработок на угольных шахтах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Дано научное обоснование использования объемов газовыделения по данным аппаратуры аэрогазового контроля метана в качестве универсальной характеристики изменения газодинамического состояния выбросоопасного призабойного массива, учитывающей природные и технологические факторы.

2. Установлены эмпирические зависимости объема выделившегося газа от количества выброшенного (разрушенного) угля при внезапных выбросах в процессе проходческих работ по данным аппаратуры контроля метана на пологих шахтопластах Донбасса (с использованием в том числе и опубликованных данных) с высокой степенью корреляции (г=0,82-0,95). При сопоставлении для пологих пластов Кузбасса установлены аналогичные зависимости объема газовыделения от количества выброшенного угля при внезапных выбросах (г=0,73-0,92).

3. Результаты шахтных наблюдений показали неравномерность газовыделения при циклах проходки, приуроченную (как правило) к зонам геологических нарушений и пликативного изменения структуры угольных пластов, с выбросами от 10 до 480 т угля и 200 - 20000 м3 СН4.

4. Разработана и опробирована методика определения максимальной концентрации метана, превышающей 2,5%, по данным диаграмм концентрации метана системы аэрогазового контроля (в том числе графический вариант). Практическое использование методики при ГДЯ на шахте «Западная» позволило определить максимальные концентрации метана более 80%.

5. Установлены эмпирические критерии фиксирования внезапного выброса угля и газа с вероятностью 0,90-0,95 по количеству разрушенного (выброшенного) угля и объему газовыделения (для исследованных условий).

6. Разработаны рекомендации опережающего определения развития внезапного выброса угля и газа в период цикла буровзрывной проходки по времени газовыделения с концентрацией метана более 2,5%.

7. Уточнена методика определения абсолютной газообильности подготовительных выработок на основе данных аппаратуры аэрогазового контроля.

8. Критериями прогноза входа забоя в выбросоопаные зоны для конкретных горно-геологических условий и технологии отработки с вероятностью 0,75 следует считать A, q, tBB критическое, количественные значения которых могут быть получены на этапе предварительной обработки данных по методике приведенной в работе.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Индыло, Сергей Васильевич, Москва

1. «Современное состояние добычи угля в мире и перспективы ее развития» М. БГТИ, «Недра мира №1», 1998, 16с.

2. Скочинский А.А. Современные представления о природе внезапных выбросов угля и газа в шахтах и меры борьбы с ними. «Уголь», №7, 1954 г.

3. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. Госгортехнадзор, 1961 г.

4. Петросян А.Э., Иванов Б.М., Крупеня В.Г. Теория внезапных выбросов угля и газа. — М. Наука, 1983. 152с.

5. Петухов И.М., Линьков A.M. Механика горных ударов и выбросов. М., Недра, 1983.-280 с.

6. Малышев Ю.Н., Айруни А.Т. и др. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и пород. М., Недра, 1995, 352с.

7. Петросян А.Э. Выделение метана в угольных шахтах. М. Наука, 1975,188с.

8. Ходот В.В. Признаки выбросоопасности угольных пластов Донбасса. Сб. Рудничная аэрология. Издат. АН СССР. 1962.

9. Ходот В.В., Яновская М.Ф. Скорость газовыделения из угля при его разрушении. Сб. Рудничная аэрология. Издат. АН СССР. 1962.

10. Иванов Б.М., Артемьев В.Б., Юзик В.В. и др. Определение абсолютной газообильности подготовительных забоев по данным аппаратуры комплекса «Метан». М. Науч. сообщ. ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского №321. 2002. с. 49-59.

11. Малышев Ю.Н., Сагалович О.И. и др. Техногенная геодинамика. Книга 1. М., Недра, 1996. 431с.

12. Иванов Б.М., Томилин П.И., Артемьев В.Б. Исследование реакциипризабойного выбросоопасного угольного массива на виброимпульсное воздействие. М., Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, №2, 2000, с.183-184.

13. Иванов Б.М., Артемьев В.Б. и др. Исследование эффективности виброимпульсной обработки призабойного выбросоопасного угольного массива. М. Безопасность труда в промышленности. №2, 2000, с.50-52.

14. Иванов Б.М., Горин В.Н., Индыло С.В. Анализ повышенных газовыделений при проведении подготовительных забоев по выбросоопасным шахто-пластам. М. Неделя горняка МГГУ. 2003.

15. Инструкция по системе аэрогазового контроля в угольных шахтах. РД-05-429-02. Утверждена постановлением Госгортехнадзора России от 21.09.01. №43. Введена в действие с 01.07.02.

16. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс. 1989.320с.

17. Иванов Б.М., Томилин П.И., Индыло С.В. Разрушение угля в форме внезапных выбросов при проведении на шахтах подготовительных забоев. М. Науч. сообщ. ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского №324. 2003. с.197-205.

18. Иванов Б.М., Горин В.Н., Индыло С.В. Исследование динамики газовыделения при проведении выработок по выбросоопасным пластам различной прочности. М. Науч. сообщ. ННЦ ГП ИГД им.А.А.Скочинского №324. 2003. с.188-196.

19. Применение локального прогноза выбросоопасности на шахтах Донбасса / А.И.Спожакин, Б.М.Иванов и др. М., ЦПНТГО техники безопасности. - 1988. -72с.

20. Иванов Б.М., Суровцев Б.Г., Фалькович В.М. Современные методы регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов: Обзор. М., ВИЭМС, 1988.-72с.

21. Временная инструкция по прогнозу выбросоопасности угольных пластов Воркутинского месторождения / ИГД им. А.А. Скочинского, 1968. 24с.

22. Руководство по прогнозу выбросоопасности угольных пластов и отдельных зон на шахтах Донбасса / М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1970. 41с.

23. Иванов Б.М., Гаврилова М.М. Временная инструкция по прогнозу выбросоопасности угольных пластов Кузбасса. М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1970.-17с.

24. Временное руководство по прогнозу выбросоопасности угольных пластов Донбасса при геологоразведочных работах / М.: ИГД им. А.А. Скочин-ского, 1980.-57с.

25. Временное руководство по прогнозу выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин в Донецком бассейне / М.МУП СССР, 1989. 47с.

26. Опыт прогноза выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пластов Донбасса по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин / Б.М.Иванов, Б.Г.Суровцев, В.М.Фалькович. — М.: ВИЭМС, вып.7. Э.И., 1988. 50с.

27. Иванов Б.М. Промышленная проверка методов определения выбросоопасности угольных пластов на шахтах Донбасса // Технология и экономика угледобычи. 1965. - №9 - С.73-76.

28. Ходот В.В., Иванов Б.М. и др. Физические основы прогноза и предупреждения газодинамических явлений. //ФТПРПИ. 1967. - №5. - С.7-24.

29. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Строк Н.И. Новые подходы к прогнозированию и предотвращению горно-геологических осложнений в очистных выработках // Технология подземных горных работ. М.: Науч. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского. -Вып.308, 1998.

30. Николин В.И., Балинченко И.И., Симонов А.А. Борьба с выбросами угля и газа в шахтах. М.: Недра, 1981. - 304с.

31. Ольховиченко А.Е. Прогноз выбросоопасности угольных пластов. — М.: Недра.-1982.-280с.

32. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. М.(Липецк), 1997. -495с.

33. Иванов Б.М. Научные основы и комплексные методы оценки выбро-соопасных зон угольных пластов. Автореф. дисс. докт. техн. наук, М., 1994. — 54с.

34. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Технология сейсмоакустического прогнозирования газодинамических явлений (ГДЯ) в угольных шахтах //Международная конференция. Горная геофизика. С.-Пб.: ВНИМИ, 1998.

35. Захаров В.Н., Харченко А.В. Учет поправок при томографической обработке динамических параметров регистрируемых сейсмоакустических колебаний в шахтных условиях. / Труды XIII сессии РАО. М. МГУ, 2003г.

36. Иванов Б.М. Методические указания по созданию теории и методов прогноза выбросоопасности угольных пластов и контроля эффе5ктивности защитных мероприятий. -М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1977. 76с.

37. Иванов Б.М., Томилин П.И. и др. Выбор критериев прогноза внезапных выбросов угля и газа по метановыделению при сотрясательных взрываниях // Науч. сообщ. / ИГД им. А.А.Скочинского. 1983. - Вып. 217. - С.83-87.

38. Иванов Б.М., Аюров В.Д. и др. Автоматизированный способ прогноза выбросоопасных зон угольных пластов на шахтах Донбасса // ИГД им. А.А.Скочинского. 1986. - Вып. 252. - С.70-74.

39. Сергеев И.В., Иванов Б.М. Концепция борьбы с внезапными выбросам угля, породы и газа // Сб. докл. на 24-й Междунар. конф. по безопасности. — Донецк, 1991. С.445-452.

40. Булат А.Ф., Курносов А.Т. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов. Киев, Наукова думка, 1987, 200с.

41. Алексеев А.Д., Стариков Г.П., Малюга М.Ф. и др. Обработка выбросоопасных пластов водными растворами ПАВ. Юев, Тэхника, 1988. 86с.

42. Найдыш A.M., Котлов Э.С. Струговая выемка на пластах с большим газовыделением. М., Недра, 1975, 169с.

43. Алексеев А.Д. Недодаев Н.В. Предельное состояние горных пород, Киев, Наукова думка, 1982, 200с.

44. Комаров В.Б. Материалы к вопросу о внезапных выделениях гремучего газа и углекислоты в рудниках и о мерах борьбы с ними. Горный журнал, №3, 1926г.

45. Аварийность и иротивоаварийная защита предприятий угольной промышленности. М. Информ. бюллетень №12, ЦШ ВГСЧ, 1999.

46. Аварийность и противоаварийная защита организаций угольной промышленности. М. Информ. бюллетень №3, ЦШ ВГСЧ, 2007.

47. Иванов Б.М., Малинникова О.Н., Индыло С.В. и др. Анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями в угольных шахтах. М. МГГУ «Неделя горняка-2006» «Безопасность». С.123-146.

48. Индыло С.В. Неравномерность газовыделения при ведении горных работ на выбросоопасиых шахтопластах. М. МГГУ «Неделя горняка-2007» «Безопасность». С. 123-146.

49. Артемьев В.Б., Терентьев Б.Д, Юзик В.В. Выбросоопасность и фильтрационные свойства угольных пластов. Ростов-на-Дону. 2002. 272 с.

50. Томилин П.И. Разработка метода определения количества выделяющегося при ГДЯ метана для установления вида их проявления. М. ИГД им.А.А.Скочинского. Кандидатская дисс. 1988, 177с.

51. Иванов Б.М., Томилин П.И., Тонких В.И. Управление выбросоопас-ностью и газовыделением при комбайновом проведении штрека по мощному пласту. М. «Безопасность труда в промышленности», №11, 2000. С. 26-27.

52. Иванов Б.М. Давление газа в угольных пластах, опасных по внезапным выбросам. М. н/с ИГД им. А.А.Скочинского, вып. XV, 1962. С.70-77.

53. Иванов Б.М., Гаврилова М.М. Исследование характера газовыделения из шпуров, пробуренных в выбросоопасиых шахтопластах. М. Уголь, №7, 1971, 0,5 п.л.

54. Иванов Б.М., Эстрин Ю.Б. и др. Исследование характера сближения боковых пород.// Уголь Украины. 1976. - №2. - С.43-44.

55. Лукинов В.В. О связи верхней границы зоны метановых газов и первого появления выбросов // Выбросы угля, породы и газа. Киев: Наукова думка. 1976. - с.73-77

56. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. М. «Высшая школа». 1973. 287с.

57. Мордэкэй Е. и Карл А. Фокс. Методы анализа корреляций и регрессий. М. изд. «Статистика», 1966.

58. Лукомский Я.И. Теория корреляции и ее применение к анализу производства. М. Госстатиздат, 1958.

59. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М. Физматиздат, 1962.

60. Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Зональность газодинамических явлений в шахтах Кузбасса. Кемерово. КузГТУ, 1998. 226с.

61. Методика контроля эффективности противовыбросного гидрорыхления и увлажнения в подготовительных забоях. — Кемерово, ВостНИИ, 1996. -16с.

62. Вереда B.C. О геологических критериях газодинамической опасности угольных месторождений //ФТАРПИ. 1976, №2. С.82-86.

63. Указания по региональной гидрообработке ударо- и выбросоопасных пластов. Ленинград, ВНИМИ, 1990. 24с.

64. Пузырев В.Н. Состояние и перспективы решения проблемы борьбы с внезапными выбросами угля и газа на шахтах восточных районов.// Уголь, №5. 1989. С.39-44.

65. Пузырев В.Н. Увлажнение угольных пластов как метод борьбы с газовыделением и внезапными выбросами угля и газа. //Нагнетание воды в угольные пласты для повышения безопасности горных работ./М.: Недра, 1965. -С.73-90.

66. Кнуренко В.А., Рудаков В.А., Егоров П.В., Сурков А.В. Региональный прогноз выбросоопасности угольных пластов Кузбасса. Кемерово, АГН, 1977, 119с. Приложение 3. Критические глубины появления . Приложение 1 Региональные критерии.

67. Волошин Н.Е. Внезапные выбросы и способы борьбы с ними в угольных шахтах. Киев: Техника, 1985. - 127с.

68. Дмитриев A.M., Бодня Г.В. К методике определения граничных условий выбросоопасности по газовому фактору./Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1980, вып. 186. С.98-101.

69. Петросян А.Э., Яновская М.Ф., Иванов Б.М., Крупеня В.Г. Исследование процесса возникновения внезапных выбросов угля и газа.-М. Наука, 1978.-112с.

70. Петросян А.Э., Иванов Б.М. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа// Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. — М.: 1978.-С.З-61.

71. Петухов И.М., Линьков A.M. Механизм развязывания и протекания выбросов угля (породы) и газа // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа.-М.: 1978. -С.62-91.

72. Ходот В.В., Яновская М.Ф., Премыслер Ю.С. и др. Физика-химия газодинамических явлений в шахтах. М.: Наука, 1972. 140с.

73. Шатилов В.А. Зональность внезапных выбросов угля и газа в шахтах Донбасса. -М.: Госгортехиздат, 1962. 120с.

74. Зыков B.C., Егоров П.В., Потапов П.В. и др. Прогноз и предотвращение внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях угольных шахт. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2003. — 198с.

75. Зубарев Ю.П. Тектоническая обусловленность выбросоопасных зон угля и пород Донбасса// Уголь, №10. - 1984. - С.59-60.

76. Мурашов В.И., Зыков B.C., Лудзиш B.C. Состояние и проблемы борьбы с газодинамическими явлениями на шахтах России//Безопасность труда в промышленности. №12. - 1993. - С. 17-20.

77. Ольховиченко А.Е. К вопросу о природе и механизме выбросов угля и газа в выработках// Вопросы теории выбросов угля, породы и газа. Киев: Наукова думка, 1973. - С. 194-200.

78. Ольховиченко А.Е. Прогноз выбросоопасности угольных пластов. -М.:Недра, 1982.-278с.

79. Ходот В.В., Иванов Б.М., Фейт Г.Н. Внезапные выбросы угля и газа. Пути решения проблемы// Уголь. №10. - 1976. - С. 13-19.

80. Мирер С.В. О вероятных условиях возникновения выбросоопасной ситуации в очистной выработке.//Уголь. 1976. - №5. - С.32-35.

81. Христианович С.А. О волне выброса. М.: Известия АН СССР. ОТН. №12, 1953. С.1679-1688.

82. Христианович С.А. О волне дробления. М.: Известия АН СССР. ОТН. №12, 1953.-С. 1689-1699.

83. Методика прогнозирования параметров внезапных выбросов угля и газа и их влияние на устойчивость проветривания и распределение выделившегося метана по выработкам при нормальном и реверсивном режимах работы ВГП. Караганда. 1996. - 19с.

84. Бирюков Ю.М., Пименов А.А., Ходжаев. Проблемы техногенных газодинамических явлений. Калининград: КГТУ. 2005. - 200с.

85. Чеботков И.П., Заставенко П.Я. Выбор рациональной скорости бурения скважин на выбросоопасных пластах. Уголь Украины. 1971. №7. - с.44-45.

86. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М. Недра, 1979, 296 с.

87. Полевщиков Г.Я. Управление газодинамическим состоянием угольного пласта и вмещающего массива. Кемерово. РАН СО. Институт угля и угле-химии. 2004. 53 с.

88. Томилин П.И., Поташников В.А., Индыло С.В. и др. Методологические основы сертификации рамных крепей горных выработок, М. МГТУ. ГИАБ 2003, 5 с.

89. Иванов Б.М., Филиппов Ю.А., Индыло С.В. Сейсмоакустическое сопровождение производственных процессов и газодинамических явлений в угольных шахтах. М. МГГУ, ГИАБ №3, 2007, с. 100-104.

90. Иванов Б.М., Харченко А.В., Индыло С.В. и др. Влияние солнечной активности на распределение ГДЯ в угольных шахтах во времени. М. МГГУ, ГИАБ №3, 2007, с.208-212

91. Индыло С.В., Вацковский Б.В. Выбор эффективных средств механизации очистных работ при отработке выбросоопасного пласта k2H шахты «Западная» ОАО Гуковуголь. М. МГГУ, ГИАБ №1. 2007. с.238-239

92. Зыков B.C., Лебедев А.В., Сурков А.В. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам. Кемерово, Академия горных наук, КРО, 1997, 262 с.

93. Розанцев Е.С., Медведев И.Г., Попов И.Н. и др. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северовосточных месторождений страны. Кемерово, 1974. 428 с.

94. Артемьев В.Б. Исследование эффективности виброимпульсного воздействия на газоносные и выбросоопасные пласты с целью предотвращения газодинамических явлений. М. ИГД им.А.А. Скочинского. Автореферат канд. дисс. 1999. 22 с.

Информация о работе

Индыло, Сергей Васильевич
кандидата технических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.20

Диссертация

Разработка методики прогноза выбросоопасности и управления газодинамическим режимом призабойного массива при проведении подготовительных выработок - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы