Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты

Малинникова, Ольга Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты"

На правах рукописи

МА^ _ ^оьА Ольга Николаевна

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ

Специальность: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2011

2 ИЮН 2011

4848702

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем комплексного освоения недр РАН (УРАН ИПКОН РАН), отдел геотехнологических проблем комплексного освоения недр, лаборатория геоинформационных систем геотехнологий и в Федеральном государственном предприятии Национальном научном центре горного производства - Институте горного дела им. A.A. Скочинского (ФГУП ННЦ ГП- ИГД им. A.A. Скочинского), | лаборатория внезапных выбросов угля и газа

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Захаров Валерий Николаевич

Иофис Моисей Абрамович Чирков Сергей Ефимович Радченко Сергей Анатольевич

Ведущая организация - Московский государственный горный университет

Защита состоится "22." 2011 г. в Ю30 часов на заседании диссерта-

ционного совета Д 002.074.02 при Учреждении Российской академии науЛ Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Мост, Крюковский тупик, 4. ^^

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр РАН.

Автореферат разослан" / ^ " 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт.техн.наук Милетенко И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В Российской Федерации, как и во всех других угледобывающих странах, при разработке газоносных угольных пластов происходят различные газодинамические явления (ГДЯ): внезапные выбросы угля, пород и газа, горные удары, отжим призабойной части угольных пластов, выдавливания угля, внезапные поднятия пород почвы горных выработок, обрушения горных пород и угля, суфлярные выделения газа и т.п. Кроме того, на угольных шахтах происходит значительное количество взрывов метанопылевоздушных смесей, в том числе сопутствующих газодинамическим явлениям, и приводящим, как правило, к большому количеству жертв.

Проведенный анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями позволяет сделать вывод о недостаточной эффективности методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, либо о несоответствии их конкретным горно-геологическим условиям, так как внезапные выбросы угля и газа происходят на ранее неопасных шахтопластах, а также при полностью выполненных (или в процессе выполнения) защитных мероприятиях.

С переходом на более глубокие горизонты большее значение приобретает характер перераспределения горного давления в массиве угля, изменяются очаги формирования выбросоопасной ситуации в сторону глубинного пластичного разрушения угля впереди забоя, меняются условия нахождения газа в угле, внезапные выбросы становятся более мощными по количеству выброшенного угля и газа, приходящихся на один выброс.

В настоящее время в Кузбассе более 80% шахтопластов, на которых зарегистрированы горные удары, относятся к опасным или угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа. Поэтому современная стратегия решения проблемы обеспечения безопасности ведения горных работ должна предусматривать решение вопросов надежного прогноза различных типов газодинамических явлений, происходящих в шахтах, опасность которых в перспективе будет возрастать в связи с углублением горных работ и интенсификацией технологических процессов.

Все это требует новых научных подходов к разработке и применению способов и средств прогноза ГДЯ и защитных мероприятий по предотвращению их проявления в угольных шахтах, которые позволили бы в значительной мере повысить безопасность ведения горных работ на шахтах, разрабатывающих опасные по ГДЯ угольные пласты.

В связи с этим актуальным остается дальнейшее развитие теории возникновения этих опасных явлений с целью разработки надежных методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, адекватных конкретным горногеологическим условиям залегания угольных пластов, их напряженно-деформированному и газодинамическому состоянию и условиям ведения горных работ. Для этого необходимы дальнейшие исследования роли газа и горного давления, изучение термодинамических, физико-химических и других процессов, участвующих в подготовке очага и развязывании внезапного выброса, выявление таких очагов, объяснение их привязки к геологической и техногенной на-

рушенности, определение запасов энергии угольного пласта, которая может реализоваться в виде внезапного выброса, областей, обладающих запасами энергии достаточными для развязывания газодинамических явлений.

Целью работы является развитие методологии прогнозирования газодинамических явлений, основанной на закономерностях формирования очагов вы-бросоопасности в призабойной зоне угольных пластов для повышения безопасности и эффективности ведения проходческих и очистных работ.

Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей формирования зон концентрации геоэнергии с учетом термодинамических и механохимических процессов образования дополнительных объемов метана при развитии очага выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта для создания эффективных методов прогноза газодинамических явлений при техногенном воздействии на углепородный массив.

Методы исследований: В работе применен комплекс методов, включающий: автоматизированные методы обработки цифровых изображений; статистические методы обработки результатов натурных экспериментов, включающие корреляционный, спектральный и мультифрактальный анализ, методы математического моделирования напряженно деформированного состояния и мест накопления энергии сейсмоакустических волновых полей в угольных пластах и вмещающих породах; лабораторные и шахтные экспериментальные исследования процессов, происходящих в углепородном массиве.

Основные задачи исследований:

1. Выполнить количественную оценку газопроницаемости и способности к газоотдаче угольного пласта в зависимости от величины горного давления и степени тектонической нарушенности угля.

2. Исследовать структурные особенности углей из выбросоопасных и не-выбросоопасных пластов методами мультифрактального анализа для получения количественной оценки склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям по структурному фактору

3. Выполнить экспериментальные исследования закономерностей изменения термодинамического состояния газонасыщенного угля в процессе его разрушения при трехосном неравнокомпонентном нагружении.

4. Определить условия формирования областей с аномальными запасами геоэнергии в призабойной зоне угольного пласта (очагов газодинамических явлений) при техногенном воздействии.

5. Установить энергетические критерии оценки потенциальной (природной) выбросоопасности для прогнозирования газодинамических явлений в пределах шахтного поля по данным геологоразведки, и реальной выбросоопасности очистных и проходческих забоев с учетом технологии ведения горных работ.

Основные положения, представленные к защите:

1. Взаимосвязь показателей прочности, трещиноватости и газопроницаемости углей различных степеней тектонической нарушенности, позволяющая

количественно оценить способность угля к газоотдаче и газопроницаемость с учетом его трещиноватости, блочного строения, напряженного состояния и тектонической нарушенности и провести классификацию угольных пластов по их способности к газоотдаче при дегазации.

2. Угли из выбросоопасных и невыбросоопасных пластов имеют отличия в структуре на микроуровне, которые выявляются при мультифрактальной параметризации цифровых изображений их поверхности и позволяют провести оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору.

3. Механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений (минимальное главное напряжение а3 > 5^7 МПа). Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением Ст] значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (коэффициент спада напряжений в запредельной области в > 0,75).

4. Природно-техногенный очаг выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта формируется в области влияния геологической и техногенной нарушенности, в том случае, когда затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя, и характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и механохимическим процессом генерирования дополнительного метана из угля в условиях высоких напряжений объемного сжатия и сдвиговых деформаций.

5. Метод прогноза потенциальной (природной) опасности внезапных выбросов и горных ударов, основанный на определении соотношения запасов энергии газа и горного давления угольного пласта позволяет определить опасность и тип газодинамического явления, а при дополнительном учете технологии ведения горных работ - определить реальную выбросоопасность очистных и проходческих забоев, выбрать безопасную для данных условий скорость подвигания забоя и эффективные мероприятия по предотвращению выбросоопасной ситуации.

Достоверность основных положений, представленных к защите, подтверждается: обоснованностью и корректностью поставленных задач, непротиворечивостью полученных результатов и выводов; представительным объемом выборок при статистической обработке информации; соответствием выводов теоретических и лабораторных исследований шахтным экспериментам; успешно проведенной опытно-промышленной проверкой разработанного в соавторстве «Руководства по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ».

Научная новизна работы

Основная часть результатов данной работы на момент публикации имела приоритетный характер и была получена впервые. Было установлено:

- взаимосвязь прочности, трещиноватости (тектонической нарушенности) и газопроницаемости угольных пластов, основанная на статистической связи введенного показателя прочности угля по кавернометрии с нарушенностью и физико-механическими свойствами угля и экспериментально полученной зависимости коэффициента газопроницаемости от горного давления и тектонической нарушенности угля.

- структурная организация элементов поверхности углей может быть представлена мультифракталом с соответствующем ему спектром фрактальных размерностей, причем угли из выбросоопасных пластов имеют больший набор структурных элементов и, следовательно, в 1,5+2 раза более широкий спектр соответствующих им фрактальных размерностей, чем угли из невыбросоопас-ных пластов.

- механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений, при минимальном главном напряжении аз > 5+7 МПа. Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением Ст| значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (коэффициент спада напряжений в запредельной области в > 0,75).

- разрушение угля при внезапном выбросе угля и газа происходит с разрывом наиболее слабых связей в "бахроме" угля, в том числе отрывается большое количество метильных групп -СН3. Эти химически активные радикалы, объединяясь с атомами водорода, образуют метан, причем дополнительно образованные объемы метана по оценкам реальных выбросов составляют 40+50 м3/т.

- в процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в несколько (иногда в 7+10) раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля.

- образование природно-техногенного очага опасности динамических явлений характеризуется возрастанием концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта в несколько раз (до 10), ме-ханохимическим процессом генерирования дополнительных объемов метана из угля (до 8 м3/т) и связано с неоднородным залеганием пласта (зона влияния геологического нарушения, зона ПГД и т.п.).

- энергия колебательного движения призабойной части углепородного массива от техногенного воздействия на угольный пласт локализуется преимущественно в самом пласте и по величине соизмерима с энергией упругого деформирования (энергией горного давления) пласта и эффективной энергией газа.

- изменение температуры угольного пласта является информативным показателем состояния его призабойной зоны. Данным показателем четко выделяются зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки и дегазации. Повышение температуры угля более чем на 1,5-3°С в зоне концентрации опорного давления вызвано сорбцией «дополнительного» метана, образовавшегося в ре-

зультате механохимических процессов деструкции наиболее слабых связей в угле.

- геоэнергетические критерии потенциальной (природной) выбросоопас-ности угольного пласта и реальной выбросоопасности части пласта или забоя горной выработки с учетом технологии ведения горных работ.

Практическая ценность работы

- предложена методика оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, основанная на мультифрактальной параметризации цифровых изображений поверхностей углей;

- разработана классификация угольных пластов по способности к газоотдаче, основанная на экспериментально установленной статистической взаимосвязи показателей прочность - трещиноватость - газопроницаемость;

- разработан единый метод прогноза потенциальной выбросо- и удароопас-ности угольных пластов по геоэнергии массива, позволяющий определить параметры, дающие наибольший вклад в создание ситуации, опасной по динамическим явлениям, и провести обоснованный выбор адекватных противовыбросных мер на стадии подготовки шахтного поля или горизонта;

- разработан метод прогноза выбросоопасности, позволяющий оценить реальную выбросоопасность участка пласта или забоя горной выработки, с учетом технологии ведения горных работ; оценить безопасную скорость подвигания забоя при данных горно-геологических условиях разработки пласта; при данной скорости подвигания и горно-геологических условиях оценить необходимую величину зоны разгрузки в призабойной области пласта; дать рекомендации о необходимой степени дегазации угольных пластов различной степени выбросоопасности для предотвращения газодинамических явлений в горных выработках в зависимости от применяемой технологии ведения горных работ;

- результаты работы вошли в «Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ»;

- результаты работы используются в разработанной геоинформационной системе мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных reo- и газодинамических явлений.

Личный вклад автора состоит в развитии основной идеи, постановке целей и задач, в расчетах и обработке материалов при создании метода количественной оценки и классификации угольных пластов по метанодобываемости; в проведении исследований и расчетов при создании методики оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, в разработке метода расчета эффективной энергии газа; а также в участии при подготовке, проведении и обработке результатов лабораторного эксперимента; в исследовании механохи-мического процесса метанообразования при разрушении угля; в разработке критериев геоэнергетического метода прогноза потенциальной (природной) опасности внезапных выбросов; в обработке результатов шахтного эксперимента; в

разработке прогностической модели образования природно-техногенного очага опасности динамических явлений в призабойной зоне угольного пласта и расчетах выбрособезопасных параметров ведения горных работ.

Реализация результатов работы.

1. Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ. Утверждено Кузнецким управлением Госгортехнадзора России 12.08.1998 г. Ротапринт ВостНИИ. Люберцы-Кемерово. - 1999. «Руководство...» успешно прошло промышленные испытания на шахте «Аларда» при разработке пластов 1 и 3-3а на участке между разведочными линиями XIII -XVIII и на шахте «Чертинская» на пластах 3, 4, 5 на участке между разведочными линиями 0-3 и рекомендовано к внедрению на шахтах Кузбасса.

2. Методика применения мультифрактального анализа цифровых изображений поверхности угля для прогноза выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору используется в учебном процессе Московским государственным горным университетом и Московским государственным университетом геодезии и картографии.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на: Х1-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт-Петербург, 9-11 сентября 1997г; - Международной конференции «Горная геофизика, ВНИМИ, С-Пб., 1998 г.; Международном симпозиуме по горной технологии - 98. Безопасность и охрана труда в угледобывающей промышленности. Китай, Чунцин, 1998; Международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в XXI век. Москва, 2000г.»; IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». СИБРЕСУРС - 2001. Кемерово. 2001; научном симпозиуме "Неделя горняка в 2000 -2002,2004,2006-2011 г.г.; Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». Новосибирск. 2001; 2006, 2009 г.г.; Международной научной школе им. академика С.А. Христиановича в 2004-2010 г.г.; Международной научно-практической конференции ОЕОШРОСАБ в 2002 г., 2005 - 2008 г.г.; 2-ой Международный Северный социально-экологический конгресс «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения » Воркута, - 2006; сессиях российского акустического общества XVII (2007 г.) и XVIII (2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в том числе 15 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента, 1 руководство, 32 печатных работы опубликовано в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 160 наименований, изложена на 270 страницах машинописного текста содержит 22 таблицы и 90 рисунков.

Автор выражает глубокую благодарность за научно-методические консультации и содействие в подготовке диссертации члену-корреспонденту РАН А.Д.

Рубану, профессорам, докторам технических наук В.В. Кудряшову, В.А. Бобину, С.С. Кубрину, B.C. Забурдяеву и всему коллективу лаборатории геоинформационных проблем геотехнологий.

Особую благодарность автор выражает научному консультанту профессору, доктору технических наук В.Н. Захарову за советы и содействие при подготовке диссертации, а также профессору, доктору технических наук Г.Н. Фейту за многолетнее плодотворное руководство и сотрудничество.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Внезапные выбросы угля и газа за последние 40 лет имели место практически во всех основных угольных месторождениях страны. В последние годы отмечается тенденция увеличения числа и мощности внезапных выбросов угля и газа на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов, а также газодинамических явлений (ГДЯ) переходных форм, внезапных обрушений, выдавливаний, выбросов из угольных пачек, не находящихся в сечении горной выработки, из почвы при пластах большой мощности и др. Эти явления сопровождаются обильным газовыделением и угрозой загазирования горных выработок, выносом угольной мелочи, т.е. приводят к последствиям, характерным для внезапных выбросов угля и газа. Загазирование горных выработок ведет к взрывам газопы-левоздушных смесей, иногда с катастрофическими последствиями. В ряде случаев первопричиной взрывов являются газодинамические явления. На шахтах Кузбасса, Печорского и Карагандинского бассейнов только за период 1986-2008 г.г. произошло 162 газодинамических явления, в том числе 24 внезапных выбросов угля и газа со средней интенсивностью 226 т выброшенного угля и 118 м3/т выделившегося газа.

Изучение газодинамических явлений продолжается многие годы. Существенный вклад в решение проблемы прогноза и борьбы с газодинамическими явлениями внесли ученые A.A. Скочинский, В.В. Ходот, Г.Д. Лидин, А.Т. Айруни, А.Д. Алексеев, М.С. Анциферов, И.В. Бобров, Ю.Ф. Васючков, В.Н. Захаров, А.Н. Зорин, Б.М. Иванов, М.А. Иофис, C.B. Кузнецов, A.M. Линьков, В.Н. Ни-колин, А.Э. Петросян, И.М. Петухов, В.Н. Пузырев, А.Д. Рубан, К.Н. Трубецкой, Г.Н. Фейт, С.А. Христианович, О.И. Чернов, С.Е. Чирков, И.Л. Эттингер, М.Ф. Яновская и др.

Угольная промышленность в современных условиях поставлена перед необходимостью резкого увеличения темпов подвигания подготовительных выработок до 10-20 м/сутки и нагрузок на лавы до 10 и более тысяч тонн угля в сутки. При высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев все геомеханические процессы, происходящие в массиве горных пород, связанные с проявлениями горного давления, деформациями, разрушением, газовыделением, приобретают более резкий динамичный характер, повышается риск возникновения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, разломов почвы с выбросом газа и других динамических явлений. К сожалению, в настоящее время все еще нет ни единой теории возникновения газодинамических

явлений, ни достаточно надежных методов их прогноза, адекватно учитывающих современные требования промышленности.

Одной из причин неудач прогнозирования выбросоопасности угольных пластов может быть то, что все применяемые в настоящее время методы прогноза (за исключением текущего прогноза по амплитудно-частотным характеристикам искусственного сигнала) физически не обоснованы, а получены чисто статистическим путем. Это приводит к тому, что при обосновании прогноза учитываются только действующие в данной ситуации факторы и при любом изменении ситуации, прогноз перестает правильно работать.

Исследованиями структурных особенностей выбросоопасных угольных пластов посвящено большое количество работ. Это работы В.В. Ходота, И.Л. Эттингера, А.Д. Алексеева, А.Т. Айруни, Д.В. Ван-Кревелена, М.Ф. Яновской, Ю.С. Премыслер, Н.В. Шульман, Т.М. Хренковой, В.А. Бобина, Г.Д. Фролкова, И.Б. Ковалевой, Е.В. Ульяновой и др. Сейчас установлено, что большинство (90 - 95%) явлений внезапных выбросов и горных ударов, происходящих в забоях горных выработок, привязано к местам мелкоамплитудных тектонических нарушений, но в подавляющем большинстве (примерно 95%) геологические нарушения не опасны по выбросам. Эти факты вызвали новый интерес к исследованиям связи тектонической нарушенности и структуры угля с его выбросоопасно-стью.

Интересные работы проведены Г.Д. Фролковым с сотрудниками, Н.Д. Русь-яновой и др., в которых наличие выбросоопасных зон в угольном пласте объясняется различными механохимическими преобразованиями структуры угля в этих местах. Кроме того, исследование структуры угля связано с концепцией иерархической нарушенности геоматериалов, что открывает возможности для использования фрактальных методов, поэтому появился ряд работ (Бунин И.Ж., Одинцев В.Н., Алексеев А.Д. и др.), в которых структура угля исследуется методами фрактального анализа.

Исследования термодинамического состояния призабойной зоны угольного пласта посвящены работы Н.Е. Волошина, П.А. Рейпольского, М.А. Розенбаума, Г.Н. Фейта, B.C. Маевского, И.А. Рыженко, И.Я. Еремина, С.А. Радченко и др., в которых отмечается статистическая связь изменения температуры призабойной зоны с выбросоопасностью, но пока нет теории, объединяющей и объясняющей весь экспериментальный материал.

В связи с этим задача дальнейших исследований, связанных с выбросоопасностью угольных пластов и методами прогноза внезапных выбросов, особенно в высокопроизводительных шахтах, остается одной из наиболее актуальных проблем, требующих решения в современных условиях подземной разработки угольных месторождений.

го состояния и тектонической нарушенное™ и провести классификацию угольных пластов по их способности к газоотдаче при дегазации.

В соответствии с современными представлениями, начало которым было положено в работах академика М.А.Садовского, массив горных пород рассматривается как блочная геосреда, наделенная иерархией структурных уровней. Основная масса метана находится в связанном (адсорбированном, абсорбированном, растворенном и т. д.) состоянии в блоках. При равновесном состоянии количество его определяется величиной концентрации (давления) свободного газа в трещинах и макропорах в соответствии с законами сорбции. При истечении метана по трещинной системе угольного пласта в скважину или выработку происходит приток его с периферии области влияния скважины (выработки), а также приток метана к трещинам из блоков. Истечение метана по трещинам происходит в режиме фильтрации и может быть описано уравнениями, основанными на законе Дарси, а движение газа в блоках- уравнениями, основанными на законе Фика, применимом для описания диффузии.

Структура (нарушенность) угля в наибольшей степени определяет его способность к газоотдаче. Обнаружение участков пластов с «выбросоопасной» структурой обычно сводится к выявлению углей и углистых аргиллитов, для которых характерна повышенная скорость выделения поглощенного ими газа при уменьшении газового давления в системе «газ-уголь».

Во внезапном выбросе угля и газа принимает участие только тот метан, который успевает за время протекания выброса выйти из блоков в трещины разрушающегося угля. Для оценки этой части газа был введен показатель Ь30, определяющий способность угля к газоотдаче за 30 секунд. В расчетах использовались эффективные коэффициенты диффузии, определенные по экспериментальной кинетике газовыделения.

Количественная оценка доли метана, выделяющегося из блоков угля при его разрушении за время, сопоставимое со средним временем внезапного выброса (30 с), рассчитанное по уравнению диффузии для углей различной степени нарушенности приведено на рис. 1.

Тектоническая нарушенность

1 -1 степень

2 - III степень

3 - V степень

В сильно нарушенных углях (V степень) может принять участие в выбросе до 12 % всего содержащегося в угле метана, а в ненарушенном угле (I степень) эта величина может составить только 1+3% (рис.1).

6(t)

0.15

0.1

0.05

1 1 I 1 1 3

—---1 1 1 1 1

t, С

0 5 10 15 20 25 30

Рис. 1 Кинетика метановыделения из углей различной степени нарушенности

В результате сопоставления степени тектонической нарушенности углей У, с рассчитанным по уравнению диффузии количеством выделяющегося за 30 с газа при начальном давлении 4 МПа из частиц угля размером 0,75 см (разрушение до этого размера характерно для начальной стадии выброса по результатам лабораторного эксперимента), было получено линейное уравнение регрессии (с коэффициентом корреляции г = 0,9)

Ь30 = 0,035-У - 0,019, (1)

Аналогично, методом линейной регрессии в результате обработки геологоразведочных данных по пластопересечениям Донбасса и Кузбасса получено выражение (г = 0,85)

Ь30 = 0,165 -0,15(2) где /к - величина, характеризующая прочность угля, определенная по данным геологоразведки через кавернометрию угля, как отношение диаметра скважины с1СК„ к максимальному диаметру, измеренному в скважине с1тах, то есть /к = (1ст Соотношение (2) позволяет определять Ь30 (часть газа, которая может выделиться из угля за время протекания внезапного выброса) по данным геологоразведки.

Как было показано ранее многими исследователями, горное давление почти не влияет на диффузию метана в угле, то есть десорбция и диффузия происходят одинаково в нагруженном и разгруженном от горного давления угле. Расчеты, выполненные по уравнению диффузии, показали, что при падении давления газа в фильтрационном объеме, из структурных блоков слабо нарушенного угля (I -II степень нарушенности) практически весь метан (более 90 %) десорбируется и выйдет в трещины за несколько (3^-5) суток, а из нарушенного угля еще быстрее. Поэтому при дегазации и добыче метана из угольных пластов скорость выхода метана из угля полностью определяется возможностями фильтрационной системы угля, которая зависит от системой трещин и горного давления.

Газопроницаемость угля в зависимости от его трещиноватости (тектонической нарушенности) может быть определена по формуле Ромма, применяемой в нефтегазовой и угольной промышленности

кТ=А^ = АЪЧ, (3)

где А - численный коэффициент, зависящий от геометрии системы трещин; Ь -ширина, раскрытие трещины, мм; 1 - суммарная длина трещин, мм; 5 - площадь шлифа в мм2; Ь -удельная длина трещин, мм'1.

В формуле Ромма (3) используется величина зияния трещин Ьт полученная на образцах угля, разгруженных от горного давления, но известно, что при увеличении горного давления происходит уменьшение фильтрационного объема угля, при этом трещины и макропоры уменьшаются вплоть до полного смыкания краев. Одновременно с уменьшением зияния трещин Ьт еще быстрее падает коэффициент газопроницаемости кт, в соответствии с формулой Ромма зависящий от Ьт

Для практических оценочных расчетов на основе вышесказанного, а также экспериментальных данных, предлагается для глубин больше 400 м коэффициент газопроницаемости определять в первом приближении следующим образом:

где к - коэффициент газопроницаемости, скорректированный с учетом сжимающего действия горного давления для глубин Н > 400 м (т.е. о > 10 МПа); кт -коэффициент трещиной газопроницаемости угля, мД, разгруженного от горного давления, определяется по формуле Ромма (3).

По результатам исследований физико-механических свойств углей различной степени тектонической нарушенности с учетом уравнений (1) и (2) составлена таблица 1, позволяющая связать нарушенность (трещиноватость) углей с его механическими и газодинамическими свойствами.

Таблица ]

Механические и газодинамические свойства углей различной нарушенности

Показатель Значения показателей

1 II III IV V

Удельная длина трещин, Ь, мм"1. 0,50 1,05 1,66 2,28 3,60

Среднее расстояние между микротрещинами в аншлифе, И, мм 4,00 1,90 1,32 0,88 0,56

Среднее зияние трещин, 6, мм 0,027 0,015 0,010 0,006 0,004

Коэффициент газоотдачи, Ь30 0,026 0,040 0,090 0,130 0,130

Расчетный коэффициент газопроницаемости, кт, мД 16,8 6,04 2,84 0,78 0,39

Коэффициент газопроницаемости, к„ мД 0,17 0,06 0,03 0,008 0,004

Показатель прочности по проч-ностномеру П-1, 83 76 53 34 34

Сопротивление сдвигу, Я3, кгс/см2 16,9 6,2 5,8 2,3 -

Показатель прочности по кавер-нометрии,^ 0,85 0,73 0,44 0,28 0,28

Модуль Юнга, Е, МПа 1002 847 475 270 270

Для усредненных по степени нарушенности величин зависимость средних коэффициентов проницаемости к0 от зияния трещин представлена на рисунке 2.

Выполненные исследования позволяют провести классификацию угольных пластов по метаноотдающей способности, для расчетов дегазации угольных пластов (таблица 2). Физической основой классификации является экспериментально установленная взаимосвязь показателей прочности, трещиноватости и газопроницаемости углей различных степеней тектонической нарушенности.

К' мД 0,20

0,15 0,10 -0,05 0,00

Ь, мм

1-1-1-1-1

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

Рис. 2.

Зависимость коэффициента проницаемости от зияния трещин и степени нарушенности угля

Таблица 2.

Показатель I тип Высокая газоотдача 11 тип Средняя газоотдача III тип Низкая газоотдача

Степень тектонической нарушенности I II Ш-1У

Показатель прочности по каверномет-рии ,/* >0,85 0,85-0,70 <0,70

Показатель прочности по прочностно-меру П-1, д >83 83-73 <73

Коэффициент трещинной газопроницаемости, кт, мД > 16,7 16,7-6,0 <6,0

Коэффициент фактической (природной) газопроницаемости, к (к=к^100\ мД >0,17 0,17-0,06 <0,06

2. Угли из выбросоопасных и невыбросоопасных пластов имеют отличия в структуре на микроуровне, которые выявляются при мультифрак-тальной параметризации цифровых изображений их поверхности и позволяют провести оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору.

Нарушенность углей часто демонстрирует пространственную вариабельность параметров структуры, зависящую от положения и размера рассматриваемых областей в пределах исследуемой поверхности угля, поэтому при применении методов фрактального анализа к описанию структуры углей одной фрактальной размерности может быть недостаточно. К таким структурам применим мультифрактальный подход.

В данной работе для анализа структурной неоднородности ископаемого угля используется мультифрактальный анализ цифровых изображений поверхно-

сти образцов угля, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа ШОЬ ¡БМ 5910-ЬУ в режиме регистрации вторичных электронов. Оценка и анализ мультифрактальных характеристик данных изображений (пример одного из анализируемых изображений приведен в первом столбце таблицы 3) осуществлялись с помощью программного пакета «Фрактал-ПК».

Таблица 3.

Пример обработки изображения поверхности угля

Во втором и третьем столбцах приведены: гистограмма значений интенсивности пикселей, отвечающих за структурные элементы поверхности углей на полутоновом изображении и зависимости статистических моментов мультиф-рактальной меры от масштабного параметра е в двулогарифмических осях. При правильном выборе границ скейлингового диапазона значения коэффициента корреляции при оценке наклонов графиков в последнем столбце, как правило, больше 0,99, что говорит о степенном поведении моментов меры и, следовательно, о корректно проведенном мультифрактальном анализе данного изображения.

Сделанные расчеты показали, что угли из выбросоопасных пластов характеризуются более широким набором структурных неоднородностей, то есть большим разбросом фрактальных параметров, и, как следствие описываются более широким спектром фрактальных размерностей, по сравнению с углями невыбросоопасных пластов, обладающих более узким спектром фрактальных размерностей (рис. 3).

На рисунке 3 видно, что в качестве критерия разделимости углей на выбро-соопасные и невыбросоопасные по структурному фактору может быть использован показатель разброса фрактальных свойств снимков поверхности угольных образцов

А* = ^тах ~атп • (5)

По результатам проведенных исследований разработана методика оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, основанная на мультифрактальной параметризации цифровых изображений поверхности углей, включающая следующие основные этапы:

Выделенная область

Гистограмма

Наклоны

1п(ерз)

ЦерБ)

1) получение с помощью сканирующего электронного микроскопа цифровых изображений поверхности исследуемых угольных образцов;

2) выделение характерных участков сканерных изображений угольных образцов;

3) расчет мультифрактальных характеристик для каждой области интереса;

4) исследование полученных мультифрактальных характеристик и принятие решения о степени выбросоопасности исследуемых углей.

Рис.3. Графики скейлинг-спектров исследованных образцов углей: 1 — выбросоопасные угольные пласты, 2 — невыбросоопасные угольные пласты

Проведенные исследования показали, что для углей применим мультифрак-тальный подход к решению задачи обнаружения особенностей структуры вы-бросоопасных углей, в основе которого лежит предположение, о том, что поверхность угля обладает стохастической геометрией и представляет собой сложное сплетение фрактальных подмножеств, каждое из которых, характеризуется своим значением фрактальной размерности.

3. Механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений (минимальное главное напряжение а3 > 5^-7 МПа). Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением а, значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (коэффициент спада напряжений в запредельной области « > 0,75).

При проведении лабораторного эксперимента образцы цилиндрической формы диаметром 40 мм и длиной 60 мм выпиливались из кусков угля и помещались в герметичный патрон с эластичными боковыми стенками, позволявши-

ми изолировать образец от сжимавшей его жидкости, а затем устанавливались в герметичную камеру высокого давления. Каждый образец предварительно ва-куумировался не менее суток, затем насыщался газом в течение 24-72 часов при заданном давлении Р до 5 МПа (с равным противодавлением жидкости в камере). Осевая нагрузка Ст1 создавалась прессом независимо от боковой нагрузки о3 с максимальным усилием до 100 МПа, боковое обжатие образца ст2 = а3 осуществлялось гидравлическим, способом с усилием до 20 МПа.

При проведении экспериментов автоматически записывалась диаграмма: осевая нагрузка - осевая деформация, а также непрерывно регистрировались: боковое напряжение о"2=о"3, давление газа в камере Р и изменение температуры угольного образца АТ. Испытания проводились при различных значениях боковых напряжений и давлений газа. Пресс выключали, когда запредельные кривые деформирования становились горизонтальными. Была выполнена серия экспериментов на образцах угля средней стадии метаморфизма из особо выбросо-опасных угольных пластов Ливенский (Ью) и Прасковеевский (Ь8) Донецкого бассейна. Типичная диаграмма напряжение - деформация - температура представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Экспериментальный график зависимости "напряжение - деформация - температура" в условиях объемного сжатия Как видно из экспериментальных графиков, температура угольного образца начинает заметно повышаться при достижении значений напряжения сг/ приблизительно 0,7+0,8 предела прочности образца сг1тах, что соответствует переходу от упругого деформирования к упругопластическому и началу частичного трещинообразования. Повышение температуры продолжается после достижения напряжением Ст] предела прочности о!тш, т.е. в запредельной области деформирования, которая сопровождается потерей несущей способности образца и трещинообразованием.

В результате лабораторных экспериментов по разрушению газонасыщенных угольных образцов при всестороннем неравнокомпонентном сжатии установлено, что повышение температуры угля по затратам энергии Q в большинст-

ве случаев существенно превышает всю энергию затраченную прессом на деформирование и разрушение образца IV (рис. 5а) и тем больше, чем более пластичным является разрушение (рис. 56), то есть чем больше величина С0 = &осп/<?1тах- (отношение остаточной прочности к предельной).

у = 0.01х + 0.96 Я = 0.87

ЛТ, к 5

у = 0,036е42х К = 0,7

-100

100

300

0,6 0,7 0,8 0,9

"" я 1

Газонасыщение: метан, В - гелий Рис. 5. Изменение температуры угля при разрушении в зависимости от: а) разности энергий затраченной на нагревание и полученной от пресса; б) хрупкости разрушения 5 = о-0сп/ст,тах

Объяснить аномальное нагревание угольных образцов можно, только предположив, что в угле при достижении предела упругости происходит дополнительная сорбция метана. Для выяснения природы метана, который мог бы участвовать в этом процессе, была проведена дополнительная серия опытов по деформированию и разрушению образцов угля насыщенных гелием. Как видно из рисунка 5а, и в этом случае энергия, затраченная на нагревание образца, также превысила всю энергию, которую образец получил от пресса, т.е. происходит сорбция метана, образующегося в процессе разрушения угля. Тот факт, что изменение температуры в экспериментах с метаном и гелием происходит по одним и тем же зависимостям, говорит о том, что во всех опытах сорбировался метан, образовавшийся в результате разрушения угля.

Полученные в результате лабораторного эксперимента условия образования метана из угля при его разрушении:

• образование метана происходит при пластическом разрушении угля в условиях высоких напряжений, то есть при а3У сг/ < 0,33 и сг3> 5^7 МПа;

• образование метана начинается при достижении осевой нагрузкой на уголь <7/ значений 0,7-Ю,8 от разрушающей нагрузки сг1тах, то есть с началом пластического деформирования угля,

• при увеличении сг, в области упругости угля (сг( < 0,7^0,8 от <Т;т£Н) температура образца повышается на (5+8)-10°, К/МПа, дополнительный метан не образуется;

• количество образовавшегося метана V (м3/кг) тем больше, чем выше прочность угля сг,„1£В:

v = —[0,05(crlmax -Р) + 0,43]- (6)

где: - С - теплоемкость угля, Дж/(кг.К); q - дифференциальная теплота сорбции, Дж/кг; .[а, maxi Р] = МПа.

Выражение (6) получено в результате статистической обработки лабораторного эксперимента, но точность его невелика, коэффициент корреляции этого выражения г = 0,7 и оно не учитывает всех параметров, влияющих на процесс образования метана.

Для выяснения природы появления огромных дополнительных количеств метана при выбросе исследовались статистические свойства нескольких выборок содержащих представительные количества данных по внезапным выбросам угля и газа. Если предположить, что основное газовыделение при внезапном выбросе происходит из разрушающегося угля, то количество газа Q должно быть пропорционально объему (количеству) выброшенного угля S или некоторому линейному размеру полости выброса / в кубе. То есть Q ~ I3 ~ S. В том случае, если основные количества газа выделялись из массива, окружающего полость выброса, то газовыделение было бы пропорционально площади поверхности полости выброса или характерному размеру полости в квадрате Q~ I2 ~ S(2/3), т.е. количеству выброшенного угля в степени 2/3.

В таблице 4 приведены коэффициенты уравнений регрессии для этих двух вариантов газовыделения рассчитанных по выборке внезапных выбросов на пласте h8, шахты "Имени 60-летия Советской Украины", Донбасс и для внезапных выбросов в других регионах, хотя нигде больше не удается собрать столь представительную выборку по одному шахтопласту.

Таблица 4

Коэффициенты уравнений регрессии для двух вариантов газовыделения при внезапных выбросах

Места внезапных выбросов угля и газа Кол-во внезапных выбросов Q = a-S+b Q = + d

а Ъ с d

Пласт Ь8, ш. "Им. 60-летия Советской Украины", Донбасс 108 44.6 260.0 323.9 -1697.9

Кузнецкий угольный бассейн 103 63.4 500.6 491.7 -2303.7

Печерский угольный бассейн 189 56.3 1664.3 432.4 -744.6

Карагандинский угольный бассейн 51 53.3 2030.1 465.8 -881.6

Егоршинское месторождение 122 120. 226.6 544.5 -1066.2

Как видно из приведенных в таблице 4 результатов можно утверждать, что основной объем газа при выбросе выделяется непосредственно из разрушающегося угля, участвующего в выбросе, поскольку во втором уравнении отрицатель-

ный знак перед свободным членом с1, большим по модулю, противоречит физическому смыслу задачи. Коэффициент Ь соответствует фоновому газовыделению. Дополнительные количества газа при выбросе (сверх газоносности) составляют в среднем 30+70 м3/т.

Аналогично, противоречит физическому смыслу и уравнение множественной линейной регрессии, учитывающее оба процесса <2 = + + с (где а, Ь, с - численные коэффициенты), поскольку отрицательным получается коэффициент Ь.

По результатам исследований, проведенных М.Ф.Яновской и Т.М. Хренко-вой методом ИК спектроскопии по содержанию углерода в различных структурных группах угля до и после выброса, нами составлена таблица позволяющая оценить количество метана <3, которое может образоваться в результате внезапного выброса (таблица 5) по уменьшению количества метальных групп в угле после выброса, если предположить, что содержание углерода в ароматических группах не меняется в процессе выброса.

Таблица 5.

Оценка количества метана, которое может образоваться в результате внезапного выброса

Место отбора пробы Содержание углерода, % от Сы а м3/т

-сна„ -СН3

Ш. Юнком, пл. Мазур до выброса 11.2 3.1 51.1

пыль из выброса 14.1 0.1

Ш.Кондратьевка, пл.Александровский до выброса 11.6 2.4 36.7

из выброса 5.3 0.1

На возможность образования метана непосредственно в процессе выброса впервые обратил внимание Р.Л. Мюллер. По его оценкам при энергии активации в 35 ккал/моль (147 кДж/моль) можно получить весьма значительные выделения метана (около 58 м3/т), образованного из оторвавшихся от бахромы угля радикалов и атомов водорода. Автор отмечает, что этот процесс термодинамически оправдан и происходит тем интенсивнее, чем гуще бахрома в веществе угля.

Действительно, энергия отрыва метильной группы от молекулы угля 297 385 кДж/моль. Энергия связи водорода в угле от 8-40 кДж/моль. То есть, процесс образования метана требует энергии активации от 305 425 кДж/моль и выше. Но при этом энергия диссоциации молекул метана 430 кДж/моль, эта же энергия выделяется при присоединении атома водорода к метильной группе с образованием молекулы метана. Кроме того к образованию метана и его гомологов может приводить не только отрыв метальных групп, но и любых других радикалов углеводородов, с дальнейшим их химическим взаимодействием друг с другом и с водородом.

4. Природно-техногенный очаг выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта формируется в области влияния геологической и техногенной нарушенное™, в том случае, когда затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя, и характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и меха-нохимическим процессом генерирования дополнительного метана из угля в условиях высоких напряжений объемного сжатия и сдвиговых деформаций.

Изучение закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород впереди забоев горных выработок и формирования в нем зон с различными физическими свойствами производилось ИГД им. A.A. Скочинского на протяжении ряда лет. В призабойной зоне пластов определялись динамика и характер изменения напряженного состояния угольного пласта и давления газа в пласте при помощи гидравлических датчиков давления типа ДДС-1 и ПГД-2 с одновременным определением физико-механических свойств угля прочностномером П-1. Эти исследования дополнялись измерениями начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров, сейсмоакустиче-ской активности и температуры угольных пластов в призабойной зоне. В частности было показано, что характерной особенностью выбросоопасных и ударо-опасных участков угольных пластов является высокая изменчивость коэффициента концентрации напряжений к и размеров области предельно-напряженного состояния 4 в призабойной зоне массива по мере подвигания забоя горной выработки (таблица 6).

Таблица б

Параметры напряженного состояния в опасных и неопасных зонах

Зона/параметры k=GmJvo /k(m=l-2 м) Grad а

Опасная 1,8-4,7 1-3 1,2-2,5

Неопасная 1,2-1,5 4-9 0,3-0,8

По результатам шахтных и лабораторных исследований составлена схема формирования опасной ситуации и возникновения очага газодинамического явления, представленная на рис.б, где приведено экспериментально определенное условие прочности и разрушения газонасыщенного угля средней стадии метаморфизма в объемном напряженном состоянии в зависимости от величины и соотношения действующих главных максимального эффективного о>' и минимального эффективного сг/ напряжений.

На основании проведенного лабораторного эксперимента было установлено, что разрушение начинает происходить при выполнении условия

а3У а,'= С <0,33,

а при выполнении условия

67, ■/ (У,' <0,13,

оно происходит уже в 100% случаев. При С > 0,33 разрушение не происходит и возможно развитие процесса дальнейшего роста концентрации напряжений. То

есть зависимость разрушающего напряжения о!тах от <г3 можно представить в виде соотношения

а,,„ах > За3. (7)

ах\ МПа

разрушения

А - напряжения в структурно однородной зоне; В - напряжения в зоне геологического нарушения; С - напряжения в краевой части пласта после подвигания забоя

а - "эффективное" напряжение

о = а- Р, где а - внешнее напряжение, приложенное к твердому веществу угля; Р - давление газа

Рис. б. Экспериментальный график - диаграмма прочности и о}\ МПа разрушения угля в координатах главных эффективных напряже-20 ний сг/ и о3\

Это означает, что в условиях геологических или техногенных нарушений, где затруднено деформирование призабойной части массива в сторону забоя, происходит возрастание напряжения а3, действующего со стороны забоя, что влечет за собой увеличение прочности угля и создание условий для еще более сильного возрастания нормальных к угольному пласту напряжений вблизи обнажения пласта забоем (точка В), рис.6. В результате этих процессов изменения напряженного состояния пласта происходит резкое увеличение опасности возникновения газодинамических явлений (относительно структурно однородной зоны, точка А). Точка С - напряжения в краевой части массива после подвигания забоя горной выработки, то есть снятия бокового (03) сжатия массива по оси ориентированной в сторону забоя. Состояние массива в точке С является характерной точкой бифуркации, определяющей по какому сценарию пойдет дальше развитие процесса разрушения - обычного трещинообразования и отжима или лавинного самоподдерживающегося разрушения, характерного для геодинамических явлений.

Экспериментально установлены критериальные условия, определяющие возможность возникновения лавинного разрушения. Это, во-первых, запас реализуемой удельной потенциальной геоэнергии (упругой энергии сжатия угля при горных ударах и суммы упругой энергии сжатия и энергии выделяющегося газа при внезапных выбросах угля и газа) должен быть выше 0,3+0,5 МДж/м3. Во-вторых, характерная скорость сброса бокового напряжения не должна быть ниже 1+3 МПа/с.

На рисунке 7 приведены измеренные в шахтных условиях и рассчитанные на их основе величины: горное давление - а, отклонение температуры угля от температуры нетронутого массива - АТ и газоносность угля - X. Исследования выполнялись на выбросоопасном пласте Ь]0 горизонта 790 м в забое очистной выработки шахты Красный Октябрь (Донбасс).

О, МПа; X, м3/т, ДТ, °С

Рис. 7. Формирование очага опасности газодинамического явления На приведенном графике можно выделить несколько участков, отличающихся напряженным состоянием, деформационными процессами, структурой, термодинамическим и газодинамическим состояниями.

Первый участок находится в глубине пласта на расстоянии более 17 м от поверхности забоя, вне зоны влияния горной выработки. Расчетная потенциальная энергия упругого сжатия угля и эффективная энергия газа, способного принять участие во внезапном выбросе, равны соответственно 1¥у - 0,115 МДж/м3 и IV,, = 0,312 МДж/м3.

На втором участке (17-10 м от забоя) начинается постепенное возрастание напряжений и температуры пласта. Ла = 6,8 МПа, Л Т= 2°С, при этом расчетное повышение температуры за счет увеличения напряжения сжатия пласта составляет 0,3°С, а 1,7°С - за счет дополнительной сорбции углем 0,6 - 0,8 см3/г метана. Потенциальная энергия сжатия угольного пласта и эффективная энергия газа на

этом участке увеличиваются до 1¥у = 0,216 МДж/м3 и IV, = 0,340 МДж/м3 соответственно.

На третьем участке (10 - 6 м от и забоя) начинает формироваться очаг опасности газодинамического явления. На этом участке концентрация напряжений резко возрастает, достигая на отметке 6 м максимума, который составляет 55,3 МПа. При этом температура угольного массива повышается еще на три градуса, в том числе за счет дополнительной сорбции еще 1,1 см3/г метана, образованного из вещества угля в результате механохимических процессов. Потенциальная энергия сжатия угольного пласта и эффективная энергия газа возрастают соответственно до величины Шу - 0,848 МДж/м3 и IV, = 0,467 МДж/м3.

Четвертый участок (3-6 м от забоя) также может быть отнесен к зоне формирования очага опасности возникновения газодинамического явления. На этом участке с глубины 6 м начинается спад напряжений и с глубины 5 м понижение температуры и газоносности угольного пласта. Причиной начала падения напряжений является достижение угольным массивом предельного состояния а]тах и уменьшение бокового отпора о3 со стороны забоя, снижающего несущую способность краевой части пласта. Охлаждение этой области угольного пласта вызвано уменьшением нагрузки, расширением свободного и десорбированного метана и, в основном, процессом десорбции метана (как наиболее энергоемким из всех перечисленных). На этом участке потенциальная энергия сжатия угольного пласта падает до величины 1¥у = 0,346 МДж/м3, а эффективная энергия газа продолжает возрастать до величины 1¥г = 0,508 МДж/м3.

Пятый участок находится в краевой части пласта, прилегающей к забою горной выработки. Он в значительной мере уже разгружен от горного давления, в нем продолжаются процессы десорбции и развиваются процессы дегазации пласта. По техническим причинам (комбайновая выемка пласта в лаве) не удавалось измерить напряжения пласта и температуру пласта ближе, чем 1,6 м от поверхности забоя. Как видно из графика, на расстоянии 1,6 м от поверхности забоя напряжения снизились до 2,7 МПа, а температура - до 19,7°С. Расчеты показывают, что это означает снижение газоносности до 23,5 м3/т. Пятый участок пласта является «буферной зоной», снижающей выбросоопасность краевой части пласта.

Из графиков рисунка 7 видно, что в угольном пласте впереди движущегося забоя в зоне влияния горной выработки формируется очаг опасности газодинамического явления, центр которого находится в пласте на расстоянии 6 м от забоя, а примерные границы проявления на расстоянии 3-10 м от забоя.

Проведенные исследования показали, что в призабойной зоне угольного пласта может образоваться техногенный очаг выбросоопасности, который хорошо определяется по изменению температуры от зоны концентрации напряжений до груди забоя. Образование природно-техногенного очага опасности динамических явлений характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта и механохимиче-ским процессом генерирования дополнительного количества метана из угля в

условиях высоких напряжений объемного сжатия и деформирования. Расчеты, выполненные для различных пластов Донбасса показали, что в очаге выбросо-опасности может образовываться до 8 м3/т метана перед очистным забоем и до 5+6 м3/т перед подготовительным. Этого дополнительного метана достаточно, чтобы ситуация, с учетом возросшей нарушенности пласта, стала опасной по внезапным выбросам угля и газа.

5. Метод прогноза опасности внезапных выбросов и горных ударов, основанный на определении соотношения запасов энергии газа и горного давления угольного пласта позволяет определить потенциальную (природную) опасность и тип газодинамического явления, а при дополнительном учете технологии ведения горных работ - реальную выбросоопасность очистных и проходческих забоев, выбрать безопасную для данных условий скорость подвигания забоя и эффективные мероприятия по предотвращению выбро-соопасной ситуации.

Условия проявления выбросоопасности в Донбассе первоначально рассматривались на примере особо выбросоопасных пластов Ь8 и Ь10 в Донецко-Макеевском районе, как наиболее выбросоопасном. Для получения критерия потенциальной выбросоопасности угольных пластов Донецко-Макеевского района Донбасса по запасам энергии газа \Уг и энергии упругого восстановления угольного пласта (горного давления) 1¥у была создана специальная выборка из данных по подработанным пластопересечениям с известной выбросоопасно-стью. К опасным по внезапным выбросам отнесены пластопересечения расположенные не далее 350 м от места выброса, к неопасным - пластопересечения расположенные на неопасных пластах или в неопасных зонах выбросоопасных пластов.

Статистическая обработка выборки показала, что энергетическим критерием, разделяющим пластопересечения на потенциально опасные и неопасные по внезапным выбросам угля и газа является выражение, имеющее следующий вид:

В„ = ((¥,, + 0,331ГУ)-0,18 (8)

При значении показателя В„< 0 угольный пласт является неопасным по газодинамическим явлениям, при Вп > 0 опасным.

Для определения геомеханической энергии (\Уг, Шу) и природной опасности угольных пластов по газодинамическим явлениям используются следующие исходные геологоразведочные данные: X - газоносность угольного пласта, м3/т; глубина пластопересечения Н, м; данные кавернометрии в месте пересечения пласта скважиной, с1тах, с1т1П, йст, мм; температура пласта, 1°С; данные технического анализа угля: выход летучих зольность угля А и влажность IV, %. Перечисленные геологоразведочные данные являются стандартными и имеются на всех разведанных участках шахтных полей.

На основе установленных экспериментальных зависимостей между показателями кавернометрии /к и физико-механическими свойствами углей (глава 2) определяется коэффициент газоотдачи угля за среднее время протекания выбро-

са 30 с Ьзо и модуль упругости угля Е. По экспериментальным зависимостям с использованием данных технического анализа (У1^, А, IV) рассчитывается плотность и пористость угля П. Используя комплекс вышеперечисленных данных определяется эффективная энергия газа 1Уг (как максимальная работа, которую он может совершить при расширении свободного и десорбирующегося газа за 30 с) и энергия горного давления Жу.

IVг = ЛИ-Х-Ь^-й-Т] (9)

где: АН - удельная максимальная работа, которую может совершить 1 кг газа при расширении в соответствующих термодинамических условиях (определяется по данным газоносности, температуры пласта и технического анализа угля), Дж/кг; с/, Т] - соответственно плотности угля и метана в газовой фазе, кг/м3

Для Кузбасса получена эмпирическая зависимость, позволяющая производить расчет энергии газа Шг экспресс методом по формуле:

IV, = (9,3-Х-0,01) -Х-Ъго-й (10)

Энергия горного давления (упругого восстановления пласта) определяется по формуле:

= (кстср)2 'у 2 Е

(И)

где к - коэффициент концентрации напряжений; <тср - среднее напряжение, МПа, принимаемое равным давлению налегающей толщи пород сгср = ¿уН (£ - ускорение свободного падения, м/с2; у - объемная масса пород, кг/м3 (в расчетах принимается у=2,5-103 кг/м3), Н - глубина от поверхности, м); Е - модуль упругости угля, МПа.

Критерий потенциальной выбросоопасности (8) проверялся для условий Кузбасса на 47 подработанных пластопересечениях и показал прекрасную работоспособность. Ошибок первого рода (отнесение опасной ситуации в категорию «неопасно») не было. Ошибки второго рода (в данном случае они состояли в отнесении пластопересечений на угрожаемом пласте к категории «опасно», так что это могло и не быть ошибкой) составили 8,3%.

Анализ показывает, что опасность горного массива по различным типам газодинамических явлений и характер протекающих в них физических процессов определяется как общими запасами геоэнергии в массиве, так и величиной соотношения энергии упругого восстановления угля (породы) и эффективной энергии газа. Как показано на рис. 8 на выбросоопасном пласте 5 шахты «Чертин-ская» эффективная энергия газа \Уг в несколько раз превышает энергию упругого восстановления угля, в то время как на пласте 3 шахты «Аларда», опасном по горным ударам (и одновременно угрожаемом по внезапным выбросам угля и газа) энергия упругого восстановления угля в зоне ПГД, где и происходят горные удары, существенно превышает эффективную энергию газа.

О -I-1-1-1-1-1

150 250 350 450 550 650

Глубина, м

2, 3 - шахта Аларда, пласт 3; 1,4- шахта Чертинская, пласт 5.

1,2- энергия газа; 3,4 - упругая энергия (3 - в зоне ПГД, к=2).

Данные усреднены в интервалах по 50 м.

Рис.8. Изменение геоэнергии с глубиной.

Наблюдения показали, что газодинамические явления на этих и других шахтах начинают происходить с глубин разработки, на которых суммарная геоэнергия пласта (W¿ + Wy) достигает некоторого достаточно высокого уровня

(энергетического барьера) превосходящего « 0,4 МДж/м3 и обеспечивающего возможность возникновения лавинного самоподдерживающегося процесса разрушения. Таким образом, опасность горного массива по различным типам газодинамических явлений и характер протекания в них физических процессов определяется как общими запасами геоэнергии в массиве, так и величиной соотношения энергии упругого восстановления угольного пласта и эффективной энергии газа.

На рисунке 9 показана экспериментальная диаграмма определения опасности внезапных выбросов и горных ударов по геоэнергии массива, на которой приведены фактические результаты оценки эффективной энергии газа W¡ и энергии горного давления Wy, по данным, определенным вблизи мест проявления 15 внезапных выбросов и 5 горных ударов, произошедших с 1985 по 1997 годы на шахтах Кузнецкого бассейна, относящихся к наиболее опасным по внезапным выбросам и горным ударам («Первомайская», «Березовская», «Бирюлинская», «Чертинская», «Аларда»).

Разработанный метод может быть применен при прогнозе потенциальной опасности внезапных выбросов и горных ударов на шахтах одновременно опасных по внезапным выбросам и горным ударам.

• - внезапные выбросы, х - горные удары Рис. 9. Диаграмма определения опасности внезапных выбросов и горных ударов по геоэнергии массива.

Потенциальная выбросоопасность угольных пластов может быть существенно снижена правильным выбором технологии ведения горных работ. Фактическая выбросоопасность забоев горных выработок с учетом параметров технологии выемки угольного пласта:

В = ОГг + О.ЗЗШу) ■ У1к - 0,18 (12)

где: /о. сменная скорость подвигания забоя (м/смену) или глубина заходки (м);

4 - величина зоны разгрузки и дегазации в призабойной части пласта (м).

При значении показателя В < О забой горной выработки не опасен, при В > 0 забой выбросоопасен. Опасные по внезапным выбросам значения критериев установлены на основе выполненного комплекса экспериментальных исследований, включавших физическое моделирование процессов разрушения угля, проведения натурных наблюдений в шахтах, а также обработку данных по внезапным выбросам, произошедшим на шахтах Донецкого и Кузнецкого бассейнов.

Анализ выражения (12) показывает, что соотношение между глубиной заходки при выемке и длиной зоны разгрузки впереди забоя, определяемое параметром У1к, существенно влияет на устойчивость призабойной зоны пласта и играет решающую роль в создании выбросоопасной ситуации на угольных пластах, обладающих потенциальной выбросоопасностью. Снижение глубины заходки благодаря применению узкозахватной или струговой выемки или увеличение протяженности зоны разгрузки в пласте впереди забоя путем обработки массива различными локальными или региональными защитными средствами могут существенно уменьшить выбросоопасность.

Варьируя исходные физические параметры, входящие в критерий выбросо-опасности (12), можно выбирать наиболее безопасные технологии и определять эффективные параметры способов предупреждения внезапных выбросов для конкретных горногеологических условий.

Пример прогнозирования изменения выбросоопасности по глубине залегания пласта с учетом параметров технологии выемки (скорость подвигания) показан на примере расчетов сделанных для условий проведения горных работ по пласту XXI шахты "Первомайская" (рис.10).

Длина зоны разгрузки 5 м. Скорости подвигания забоя: 1-1; 2-1,7; 3- 2,5; (м/смену); 4 - потенциальная выбросоопасность Вп-Данные усреднены в интервалах по 50 м).

Рисунок 10. Зависимость выбросоопасности в очистном забое от глубины разработки и скорости подвигания. Шахта "Первомайская", пласт XXI. Потенциальная (максимальная) выбросоопасность пласта В„ (соответствует выбросоопасности, возникающей при мгновенном подвигании забоя буровзрывным способом на величину l0 > h, например при вскрытии пласта квершлагом), реальная выбросоопасность угольного пласта существенно зависит от безразмерного показателя yik, зависящего в свою очередь от технологии ведения горных работ. Как видно из рисунка 10, пласт XXI на шахте Первомайская при скорости подвигания забоя подготовительной выработки 2,5 м/смену становится выбросоопасным уже с глубины 370 м, а при скорости подвигания 1,7 м/смену -только с глубины 530 м.

Наиболее выбросоопасными являются квершлаги и подготовительные выработки, проходимые взрывным способом, для которых показатель /<//* близок к 1. Для очистных выработок значение показателя /</4 обычно изменяется в пределах 0,5...0,1, что снижает их выбросоопасность относительно квершлагов на тех же пластах в 2-10 раз и более.

Полученные оценки выбросоопасности забоев по критерию В = f(Wa Wy, li/lh) могут уточняться и корректироваться в процессе ведения горных работ. Для этого используются данные текущего прогноза выбросоопасности и прочности угля в забое.

Варьируя исходные физические параметры, входящие в критерий выбросоопасности (12), можно выбирать наиболее безопасные технологии и определять эффективные параметры способов предупреждения внезапных выбросов для конкретных горногеологических условий.. Например номограмма, построенная на основании критерия (12), дает возможность определить безопасную глубину

выемки в зависимости от выбросоопасности забоя для четырех значений зоны разгрузки: 7, 5, 3 и 1 м, рис.11.

8 т

0,2

0,8

0,4 0,6

Выбросоопасность забоя 1, 2, 3,4 для = 1, 3, 5 и 7 м соответственно.

Рисунок 11 - Номограмма определения безопасной глубины выемки (сменной скорости подвигания забоя) Используя критерий (12) можно дать рекомендации о необходимой степени дегазации ДХ угольных пластов различной степени выбросоопасности для предотвращения газодинамических явлений в горных выработках в зависимости от применяемой технологии ведения горных работ. На рис. 12 приведен пример определения необходимой дегазации пласта 5 шахты "Чертинская" в зависимости от глубины разработки и скорости подвигания подготовительного забоя.

650

Глубина, м

Скорости подвигания забоя (10): 1 -1,0; 2 -1,7; 3 - 2,5 м/смену при величине зоны разгрузки в краевой части пласта 1к=5 м Рисунок 12 - Необходимая по выбрособезопасности дегазация пласта в зависимости от глубины разработки и скорости подвигания подготовительного забоя. Шахта «Чертинская», пласт 5

Кроме основных запасов энергии (газа и упругого восстановления пласта),

которая может аккумулироваться в призабойной зоне пласта и реализовываться в виде работы внезапного выброса, в некоторых случаях необходимо учитывать и дополнительные источники энергии техногенного происхождения.

Так при проходке подготовительных выработок буровзрывным способом помимо того что выбросоопасность выработки близка к потенциальной, поскольку показатель в критерии (12) 1(/]к близок к максимальному значению - 1, при проведении взрывов происходит дополнительный приток энергии в приза-бойную область пласта, проявляющийся колебаниями массива при распространении акустической волны.

Оценка такого притока энергии в призабойную зону угольного пласта от буровзрывных работ проводилась по данным регистрации сейсмоакустических колебаний горных пород в конвейерном штреке на пласте ¡3 «Суходольский» мощностью 1,44 м шахты «Западная», объединения «Гуковуголь». На расстоянии 1 м от груди забоя, по нашим оценкам эта энергия может быть от 0,44 до 0,61 МДж/м3, Тогда как энергия упругого восстановления угольного пласта в призабойной зоне при коэффициенте концентрации напряжения к = 1,5 составляет \¥у - 0,48 МДж/м3, а эффективная энергия газа 1Уг = 0,30 МДж/м3.

То есть, дополнительная энергия, полученная призабойной зоной пласта от буровзрывных работ соизмерима с энергией упругого деформирования (энергией горного давления) пласта и эффективной энергией газа, что резко повышает выбросо- и удароопасность пласта, а найденные величины смещений (до 1 мм) способствуют разрушению угля с разрывом наиболее слабых внутримолекулярных связей в угле и образованию дополнительного метана.

Компьютерное моделирование колебаний пласта от случайных воздействий техногенного характера (взрывание, работающие комбайн, отбойный молоток и др.), проведенное с использованием программного комплекса АШУБ, показва-ет, что происходит накопление энергии упругих колебаний массива в угольном пласте. Причем в призабойной зоне пласта эффект накопления энергии выражен сильнее, поскольку колебания угольного пласта существенно превышают по амплитуде колебания вмещающих пород (рис. 13).

Во вмещающих породах, также как и в угольном пласте, наибольшая амплитуда колебаний в направлении нормальном к пласту (вертикальная составляющая при пологом залегании пласта) наблюдается в зоне концентрации напряжений, при этом амплитуда колебаний в пласте приблизительно в 4 раза превосходит амплитуду колебаний в кровле пласта. Развитию колебаний в горизонтальном направлении вблизи забоя препятствует наличие границы уголь - выработанное пространство, но и в этом случае амплитуда колебаний в угольном пласте вдвое превышает амплитуду колебаний вмещающих пород. То есть энергия от взрыва аккумулируется именно в угольном пласте, преимущественно в призабойной зоне.

Y,y.e.

D 200 400 бОО BOQ ÍOOO

100 300 500 700 900

FREQ

1 - призабойная зона пласта; 2 - в глубине пласта Рисунок 13. Амлитудно-частотные характеристики колебаний угольного пласта в нормальном к пласту направлении

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований решена крупная научная проблема обоснования формирования природно-техногенных очагов выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта и разработки метода прогноза опасности внезапных выбросов угля и газа, учитывающего природную выбросоопасность угольного пласта и технологию ведения горных работ. Эта проблема имеет большое экономико-технологическое и социальное значение для увеличения интенсификации производства и повышения безопасности горных работ в угольной отрасли.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Определен коэффициент газоотдачи, позволяющий по геологоразведочным данным или физико-механическими свойствами угля оценить часть газа, которая успевает выделиться из разрушающего угля за время выброса. Для сильно нарушенных углей это до 12 % всего метана, для ненарушенных - 2+3 %. По результатам исследований составлена таблица взаимосвязи тектонической нарушенности углей с их физико-механическими свойствами.

На основе установленной статистической взаимосвязи показателей проч ность - трещиноватость - газопроницаемость для углей различной тектониче ской нарушенности составлена классификация угольных пластов по способно сти к газоотдаче при дегазации или добыче метана из неразгруженных пластов Выполненные исследования показывают, что фактическая проницаемость нена рушенных углей (I степень нарушенности) в неразгруженном угольном пласте i

50-И00 раз выше проницаемости нарушенных углей (1У-У степень нарушенно-сти).

3. В результате экспериментальных исследований закономерностей изменения термодинамического состояния газонасыщенного угля при трехосном не-равнокомпонентном нагружении установлено, что в процессе разрушения угля происходит образование дополнительных объемов метана. При этом:

- образование метана начинается при достижении главным максимальным напряжением о-! значений 0,7^0,8 от прочности угля Ст|1пах, то есть при достижении предела упругости угля и продолжается при потере устойчивости и в запредельной области деформирования;

- образование метана происходит при пластическом разрушении угля в условиях высоких напряжений, то есть при соотношении главных эффективных напряжений ст37 Ст]' < 0,33, главное минимальное напряжение с3 > 5-^7 МПа и коэффициент спада напряжений в запредельной области от 0,75 до 1;

- количество образовавшегося метана тем больше, чем более пластичным является процесс разрушения.

В процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и

газа:

- основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в несколько (иногда в 7-И0) раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля;

- разрушение происходит на внутримолекулярном уровне, молекулы вещества угля теряют значительную часть алифатических СН3- групп, оторванные радикалы (СН3- группы) химически активны и, объединяясь с водородом, образуют молекулы метана.

атруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону абоя (нет обычного отжима), происходит возрастание боковых напряжений, [ействующих со стороны забоя, что создает условия для еще более сильного ¡озрастания нормальных к угольному пласту напряжений вблизи обнажения шаста забоем, резкого увеличения упругой энергии сжатия угля и эффективной нергии угольного метана. В условиях высоких объемных напряжений и частич-юго разрушения угля в зоне концентрации напряжений происходят механохи-гические процессы генерирования дополнительных объемов метана из вещества

угля, причем уровень напряжений оказывает существенное влияние на механо-химические процессы, протекающие в угле.

Таким образом, в зоне влияния геологической и техногенной нарушенности в призабойной зоне угольного пласта создается природно-техногенный очаг вы-бросоопасности с повышенными, относительно мест спокойного залегания пласта, значениями концентрации напряжений и газонасыщенности. То есть, очаг выбросоопасности характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и эффективной энергии газа.

5. Разработан единый метод прогноза потенциальной (природной) выбросоопасности и удароопасности угольных пластов и забоев горных выработок, основанный на определении геоэнергии массива. Метод может быть применен при прогнозе динамических явлений на шахтах одновременно опасных по внезапным выбросам и горным ударам и использован при создании системы мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных геодинамических явлений.

Разработан инженерный геоэнергетический критерий выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок, позволяющий определять необходимые параметры воздействия на горный массив, обеспечивающие предотвращение газодинамических явлений и безопасное проведение горных выработок. Рассмотрены конкретные примеры применения критерия в условиях Кузбасса.

На основе геоэнергетического критерия разработан метод прогноза опасности газодинамических явлений и выбора эффективных мероприятий по их предотвращению. Метод позволяет выделять неопасные и выбросоопасные зоны в угольных пластах, прогнозировать выбросоопасность забоев с учетом скорости их подвигания и типа горной выработки, рассчитать эффективные параметры способов предупреждения газодинамических явлений.

Метод прогноза вошел в «Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ», утвержденное Кузнецким управлением Госгортехнадзора России 12.08.1998 г. Метод прошел промышленные испытания и рекомендован к применению на шахтах Кузбасса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо

тах:

Статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Малинникова О.Н. Условия образования метана из угля при разрушенш Горн.Инф.-аналитич.бюлл. -Вып.5. М.: МГГУ.-2001.-С.95-99.

2. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Геолого-физические критерии прогноза пе{ спективности дегазации угольных пластов для промышленного извлечени метана/ Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -Вып.5. М.: МГГУ. - 2001. - С.80-84.

3. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Зыков B.C., Рудаков В.А. Прогноз опасност внезапных выбросов и горных ударов по энергии массива / Физике техн.пробл. разработки полезн. ископаемых. - 2002. -№ 1. - С.67-70.

4. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Гурьянов В.В., Матвиенко Н.Г. Разработка метода оценки метаноотдающей способности угольных пластов по комплексу геолого-физических показателей. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -Вып.6. М.: МГГУ. -2002. -С.

5. Малинникова О.Н., Фейт Г.Н. Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях объемного напряженного состояния/ Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -Вып.8. М.: МГГУ. -2004.-С. 196-200.

6. Иванов Б.М., Малинникова О.Н., Индыло C.B., Колесов A.B. Анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями в угольных шахтах. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. —/Тематическое приложение БЕЗОПАСНОСТЬ. М.: МГГУ,- 2006. -С.133-146.

7. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Механохимические процессы метанообразова-ния в угольных пластах в условиях высоких напряжений. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -/Тематическое приложение МЕТАН. М.: МГГУ. - 2006. -С. 137-144.

8. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Особенности и закономерности геомеханических и физико-химических процессов формирования очагов опасности газодинамических явлений в шахтах. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -/Тематическое приложение МЕТАН. М.: МГГУ. - 2007 - С.192-205.

9. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Причины повышенного метановыделения при внезапных выбросах угля и газа в шахтах. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -/Тематическое приложение МЕТАН. М.: МГГУ. - 2008 - С.206-211.

10. Малинникова О.Н. Оценка количества метана, дополнительно образующегося в пласте, при подготовке очага внезапного выброса. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -/Тематическое приложение МЕТАН. М.: МГГУ. - 2008 - С.138-145.

11. Малинникова О.Н., Захаров В.Н., Филиппов Ю.А., Ковпак И.В. Геопространственное моделирование взаимодействия высотных зданий и сооружений с массивом горных пород. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. /Отдельный выпуск № 11 -М.: МГГУ.-2008-С. 59-66.

12. Малинникова О.Н., Одинцев В.Н., Трофимов В.А. Оценка условий метаноот-дачи угля на микроструктурном уровне. МЕТАН: Отдельный выпуск / Горн. Инф.-аналитич. бюлл. М.: Мир горной книги. - 2009. -№ 11. - С. 189-204.

13. Малинникова О. Н., УчаевДм. В., У чаев Д. В. Мультифрактальная оценка склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям// Горн, инф.-аналитич. бюлл. Тематическое приложение БЕЗОПАСНОСТЬ. — М.: МГГУ, 2009. — Вып. 12. — С. 214—233.

14. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Геолого-физический метод оценки перспективности добычи метана из угольных пластов / Наука и техника в газовой промышленности, 2009. - №3. С. 43-48.

15. Трубецкой К.Н., Рубан А.Д., Викторов С.Д., Малинникова О.Н., Одинцев В.Н., Кочанов А.Н., Учаев Д.В. Фрактальная структура нарушенное™ камен-

ных углей и их предрасположенность к газодинамическому разрушению. Доклады академии наук. - 2010. -Т. 431. - № 6. - С. 1-4.

Статьи в прочих научных изданиях:

16.Малинникова О.Н., Фейт Г.Н. Эффект дополнительной сорбции метана в при-забойной зоне угольного пласта/ Науч.сообщ.//ИГД им.А.А.Скочинского, М. -1997. - Вып. 305. - С. 36-44.

17.Г.Н.Фейт, О.Н.Малинникова Прогноз опасности газодинамических явлений в шахтах по геоэнергии массива/ Труды XI Российской конференции по механике горных пород: С.-Петербург, 9-11 сент. 1997 г. - С.461-465.

18. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Рудаков В.А. Результаты оценки геоэнергии угольных пластов и прогноз опасности газодинамических явлений на шахтах Кузбасса и Донбасса// «Горная геофизика», Международная конференция, ВНИМИ, СПб, - 1998. - С.258-261.

19. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Рудаков В.А. Геоэнергетический способ прогноза опасности внезапных выбросов и выбора эффективных мероприятий по их предотвращению/ Международный симпозиум по горной технологии - 98. Безопасность и охрана труда в угледобывающей промышленности. Китай, Чунцин, 1998, С.46-50.

20. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Рудаков В.А. Прогноз опасности внезапны выбросов угля и газа в шахтах Кузбасса по геоэнергии массива/ Экологиче ские проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчи вому развитию. Труды международной научно-практической конференции Кемерово, 1999, т.2, С. 191-195.

21. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Геоэнергетические критерии управления на пряженным и газодинамичнским состоянием массива для предотвращени внезапных выбросов/ Науч.сообщ.//ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, М. 1999. -Вып. 311.- С.210-216.

22. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Зыков B.C., Рудаков В.А. Руководство по оп ределению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забое горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ/ Ро тапринт ВостНИИ. Люберцы-Кемерово. - 1999.

23.Малинникова О.Н. Образование метана при разрушении угля/ Механика гор ных пород. Науч. сообщ.//ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, М. - 1999. Вып. 313. - С.149-156.

24. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Единый метод прогноза внезапных выбросов горных ударов по геоэнергии массива. Науч.сообщ./ННЦ ГП-ИГД им. А.А Скочинского, М. - 2000. - Вып. 315. - С. 144-150.

25. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Прогноз опасности геодинамических явлений шахтах при увеличении глубины горных работ/ Освоение недр и экологи1 проблем - взгляд в XXI век. Межд.конф. -М., 2000, С. 189-191.

26. Малинникова О.Н., Фейт Г.Н., Захаров В.Н. Разработка геолого-физическо модели формирования и оценки опасности геодинамических и газодинамиче ских явлений в зонах ведения горных работ/ VI международная научно

практическая конференция "GEOINFOCAD 2002" г.Салоу, Испания. 11-18 мая 2002 г. Материалы конференции. С.

27. Малинникова О.Н., Яновская М.Ф. Два энергетических режима сорбции метана природным углем. Науч.сообщ./ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского, М. -2002.-Вып. 321. - С.87-93.

28. Малинникова О.Н. Кинетика газовыделения (диффузия) метана из структурных блоков. Науч.сообщ./ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского, М. - 2002. -Вып. 321. - С.94-99.

29. Малинникова О.Н. Образование дополнительного газа при разрушении угля. /Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках/Материалы XIV Международной научной школы им. академика С.А.Христиановича. - Симферополь. - 2004. С.86-88.

30. Малинникова О.Н., Захаров В.Н., Исаков 3. Геоинформационная система мониторинга reo- и газодинамических процессов в углепородных массивахЛХ Международная научно-практическая конференция GEOINFOCAD 2005 14-21 мая 2005 г., Материалы конференции. - 2005. - С.32-36.

31. Малинникова О.Н. Образование очага выбросоопасности при ведении горных работ /Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках//Материалы XV Международной научной школы им. академика С.А.Христиановича. - Симферополь. -2005. С.163-165.

32. Малинникова О.Н. Образование техногенного очага выбросоопасности. На-уч.сообщ./ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского, М. - 2005. - Вып. 331. - С.191-197.

3. Малинникова О.Н. Оценка количества газа, образующегося при разрушении угля. 2-ой Международный Северный социально-экологический конгресс/ Освоеное минеральных ресурсов севера: проблемы и решения// Труды 4-ой Международной научно-практической конференции (Воркута, 12-14 апреля 2006 г.), Воркута, - 2006. - Том 1. С. 225-230.

4. Малинникова О.Н. Возможность оценки опасности reo и газодинамических явлений в угольных шахтах по аэрокосмическим снимкам. /X Международная научно-практическая конференция. GEOINFOCAD 2006 20-29 мая 2006 г., Материалы конференции,- 2006. - С.63-66.

5. Малинникова О.Н. Связь выбросоопасности с температурой угольного пласта. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках//Материалы XVI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь. - 2006. С.179-181.

6. Малинникова О.Н. Применение программного комплекса ANSYS к решению задач геомеханики. XI Международная научно-практическая конференция. «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки со-

стояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости», Материалы конференции. Португалия 2007. С.24-30.

37.Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Термодинамические и механохимические процессы в угольном пласте при образовании техногенного очага опасности динамических явлений. В сб.: Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Т.1. - Новосибирск, 2007, С.250-254.

38.Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Энергетическая модель развития геомеханических и физико-химических процессов при возникновении газодинамических явлений в угольных пластах / Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках/Материалы XVI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь. - 2007. с. 295-300.

39. Малинникова О.Н., Фейт Т.Н. Связь термодинамических процессов с выбро-соопасностью угольных пластов при ведении горных работ. Деформировани и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных по родах и выработках//Материалы XVI Международной научной школы им академика С. А. Христиановича. - Симферополь. - 2007. С. 191-194.

40. Малинникова О.Н., Захаров В.Н., Рубан А.Д., Иванов Б.М. Оценка механиз мов и параметров протекания внезапных выбросов угля и газа на основе реги стрируемой сейсмоакустической информации. XIX сессия Рсссийского аку стического общества / Геоакустика. - 2007. С. 307-311.

41. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Особенности разрушения призабойной зонь угольных пластов на стадии подготовки и развития газодинамических явле ний. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамически явления в горных породах и выработках//Материалы XVII Международно научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь. - 2008 С.314-316.

42. Захаров В.Н., Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Аверин А.П. Энергия колебани горных пород в зонах ведения горных работ при отработке угольных место рождений подземным способом. XX сессия Рсссийского акустического обще ства / Физиическая акустика. Нелинейная акустика. Распространение и ди фракция волн. Геологическая акустика. М.: ГЕОС. -2008. - Т.1. - С. 309-312.

43. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Прогнозирование зон высокой метаноотдач при разработке угольных пластов и промышленной добыче угольного метан на шахтах. Геотехшчуа механка Межвщ.зб.наук.праиь / 1н-т Геотехшчнс мехашки ¡м. М.С. Полякова HAH Укра'Ши. - Дшпропетровськ, 2008. - Вып.8( -С. 53-55.

44. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Малинникова О.Н., Фейт Г.Н.Развитие теории технологии прогноза очагов газодинамических явлений в техногенно изме няемом массиве. Труды Межд.конф. «Геодинамика и напряженное состояни недр Земли». Новосибирск. - 2009.

45. Малинникова О. Н., Учаев Дм. В., Учаев Д. В. Методика применения мул! тифрактального анализа для обнаружения особенностей структуры углей вь

бросоопасных пластов по их цифровым изображениям. Сб.статей по итогам международной научно-техн. конф. посвященной 230-летию основания МИИГАиК -Выпуск 2. В 2-х частях. -4.1. -М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. -С 23-27. (Приложение к журналу Изв.вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», № 6)

46. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Оценка влияния скорости подвигания забоя на выбросоопасность угольных пластов. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках/Материалы XVII Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь. - 2009. С.310-314.

47. Захаров В.Н., Малинникова О.Н., Харченко A.B. Акусто-вибрационные процессы в призабойной зоне при ведении горных работ. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках//Материалы XVII Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь. - 2009. С.116-120.

48. Малинникова О.Н. Образование «дополнительного» метана при техногенном воздействии на угольный пласт. Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды/ЛГруды конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (28 ию-ня-2 июля 2010 г.). В 3-х т. Т.П. Геотехнологии. - Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2010. - С. 185- 190.

1атенты

9. Патент № 2054554, зарегистрирован 20.02.96 г. Способ разработки выбросо-опасных пластовых месторождений полезных ископаемых. С.И. Мультанов, Г.Н. Фейт, В.Д. Аюров, О.Н. Малинникова

0. Патент Украины № 19119 UA, зарегистрирован. 25.12.97, Бюл. № 6. Способ определения выбросоопасности угольных пластов. Алексеев А.Д., Фейт Г.Н., Стариков Г.П., Смирнова Г.Г., Малинникова О.Н., Ревва В.Н.

1. Патент РФ № 2372487, зарегистрирован 10.11.09 г. Способ дегазации угольного пласта. Рубан А.Д., Забурдяев Г.С., Захаров В.Н., Забурдяев B.C., Бобин В.А., Малинникова О.Н., Филиппов Ю.А.

Подписано в печать 05,05.2011. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5 усл. печ. л. Тираж 80 экз. Заказ №101 Цена договорная Издательство МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, доктора технических наук, Малинникова, Ольга Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ОПАСНОСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИЧИН ВЫ-БРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ.

1.1. Общие сведение о методах прогноза опасности газодинамических явлений применяемых в шахтах.

1.2. Исследование связи структуры (нарушенности) угля с его выбро-соопасностью.

1.3. Исследования связи механохимических процессов в угле с его выбросоопасностью и возможностью образования метана из угля при разрушении.

1.4. Анализ работ по исследованию связи термодинамического состояния призабойной зоны угольного пласта с его выбросоопасностью

Выводы и постановка задач исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБНОСТИ К ГАЗООТДАЧЕ УГЛЕЙ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ НАРУШЕННОСТИ.

2.1. Кинетика выделения метана из структурных блоков угля различной нарушенности.

2.2. Определение коэффициента газоотдачи Ьз0.

2.3. Оценка влияния тектонической нарушенности угля на его выбро-соопасность.

2.4. Оценка зависимости газопроницаемости от величины горного давления для нарушенного угля.

2.5. Оценка способности угольных пластов к метаноотдаче по комплексу геологоразведочных данных.

Выводы.

3. ПРИМЕНЕНИЕ МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ УГЛЕЙ ВЫ-БРОСООПАСНЫХ ПЛАСТОВ.

3.1. Мультифрактальный анализ цифровых изображений поверхностных структур.

3.2. Использование мультифрактального анализа для оценки склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям.

3.3. Алгоритмическая реализация процедуры мультифрактального анализа изображений.

3.4. Методика применения мультифрактального анализа для обнаружения особенностей структуры угля выбросоопасных пластов по их цифровым изображениям.

3.5. Экспериментальная апробация предложенной методики.

Выводы.

4. ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УГОЛЬ-ГАЗ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

4.1 Методика проведения лабораторных экспериментов.

4.2. Энергетика процесса разрушения угля в лабораторном эксперименте

4.3. Условия образования «дополнительного» метана при разрушении угля.

4.4. Анализ статистических данных по газовыделениям при внезапных выбросах угля и газа.

4.5. Результаты исследования выброшенного угля методом ИКспектроскопии.

Выводы.

5. ОБРАЗОВАНИЕ ОЧАГА ВЫБРОСООПАСНОСТИ В ПРИЗА

ВОЙНОЙ ЗОНЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА.

5.1. Влияние напряженно-деформированного состояния призабойной зоны на выбросоопасность угольного пласта.

5.1.1. Методика проведения шахтного эксперимента.

5.1.2. Формирование напряженно-деформированного состояния

5.2. Возникновение очага выбросоопасности при изменении напряженно-деформированного состояния призабойной зоны угольного пласта.

5.3. Примеры формирования очагов выбросоопасности в шахтных условиях

5.3.1. Пласт Бабаковский.

5.3.2. Пласт Подмазур.

5.3.3. Изменение температуры в призабойной зоне подготовительной выработки пласта Толстый шахты Юнком.

5.3.4. Изменение температуры в призабойной зоне подготовительной выработки пласта Уманский шахты "Красный Профинтер".

Выводы.

6. ПРОГНОЗ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ И ГОРНЫХ УДАРОВ ПО ГЕОЭНЕРГИИ МАССИВА

6.1. Работа газа при различных условиях его расширения.

6.2. Методика расчета энергии газа по геолого-геофизическим данным

6.3. Энергия газа как показатель выбросоопасности угольного пласта.

6.4. Пример использования газового показателя выбросоопасности Ah в региональном прогнозе.

6.5. Роль учета неидеальности газа и неидеальности процесса расширения газа.

6.6. Определение природной выбросоопасности участков угольных пластов.

6.7. Единый прогноз опасности внезапных выбросов и горных ударов

Выводы.

7. ПРОГНОЗ ВЫБРОСООПАСНОСТИ ЗАБОЕВ ОЧИСТНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ.

7.1. Определение выбросоопасности забоев очистных и подготовительных выработок с учетом скорости их подвигания.

7.2. Определение безопасной глубины выемки (сменной скорости подвигания) забоя.

7.3. Определение необходимой степени дегазации угольного пласта.

7.4. Определение опасной по внезапным выбросам газоносности угольного пласта.

7.5. Дополнительные источники энергии.

7.6. Применение разработанного метода прогноза в автоматизированной системы прогнозирования безопасности горных работ по фактору риска внезапных выбросов и горных ударов.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты"

Актуальность проблемы. В Российской Федерации, как и во всех других угледобывающих странах, при разработке газоносных угольных пластов на современных глубинах происходят газодинамические явления (ГДЯ), вызывающие аварии и наносящие значительный технологический, экологический и социальный ущерб.

К газодинамическим явлениям относятся внезапные выбросы угля и газа, происходящие на угольных шахтах России с 1906 года; горные удары, известные в России на угольных шахтах Кизеловского бассейна с 1944 года; динамические разломы почвы (кровли), как разновидность горных ударов; а также различные сочетания упомянутых ГДЯ.

С увеличением глубины разработки и скорости подвигания горных выработок опасность по ГДЯ возрастает, что резко обостряет проблему безопасности ведения горных работ, прежде всего из-за мало управляемого внезапного повышения газовыделения и опасности взрывов метанопылевоздуш-ных смесей, а также усложняет возможности своевременного прогнозирования ГДЯ и обеспечения профилактических мероприятий, и в конечном итоге приносит большой экономический ущерб угольным предприятиям.

Статистика показывает, что на шахтах Восточного Донбасса за 19582004 г.г. произошло 182 газодинамических явления, в том числе 47 внезапных выбросов угля и газа, 77 внезапных выбросов при сотрясательном взрывании, 48 внезапных выдавливаний с повышенным газовыделением, в единичных случаях регистрировались динамические разломы почвы горных выработок.

На шахтах Кузбасса за 1943-2005 годы произошло 268 внезапных выбросов угля и газа, 175 горных ударов, более 156 обрушений и высыпаний. На шахтах Воркуты и Печорского угольного бассейна с 1950 г. по 2000 г. -более 250 внезапных выбросов угля и газа, имеют место горные удары и внезапные динамические разломы почвы горных выработок с повышенным газовыделением.

Кроме того, на угольных шахтах происходит значительное количество взрывов метанопылевоздушных смесей, в том числе сопутствующих газодинамическим явлениям, среди них в последние годы наиболее крупные взрывы метановоздушных смесей с групповыми травматизмом произошли: 1997 г. «Баренцбург» (О. Шпицберген), «Зыряновская» (Кузбасс), 1998 г. - ш. «Центральная» (Воркутауголь), 2003 г. - «Зиминка» (Кузбасс), апрель 2004 г. - ш. «Тайжина» (Кузбасс), 2006 и 2007 гг., «Ульяновская» и «Юбилейная» (Кузбасс), 2007. Много человеческих жизней унес последний взрывы в Кузбассе на шахте «Распадская» (2010 г.).

Проведенный анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями, позволяет сделать следующие выводы.

- на шахтах Восточного Донбасса, Воркуты, Кузбасса в 30% случаев нарушаются параметры способов прогноза и предотвращения;

- при проведении горных выработок с помощью сотрясательного взрывания (в ряде случаев даже при вскрытии угольных пластов) не применяются способы прогноза выбросоопасных зон и защитные мероприятия, равно как и способы контроля эффективности защитных мер;

- причины аварий на шахтах кроются в неэффективности или неприменении методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, либо в несоответствии их конкретным горно-геологическим условиям, так как внезапные выбросы угля и газа происходят на ранее неопасных шахтопластах, а также при полностью выполненных (или в процессе выполнения) защитных мероприятиях.

В связи с этим актуальным остается дальнейшее развитие теории возникновения и развития этих опасных проявлений горного давления для разработки надежных методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, адекватных конкретным горно-геологическим условиям залегания угольных пластов, их газодинамическому и термодинамическому состоянию и условиям ведения горных работ. Для этого необходимы дальнейшие исследования роли газа, горного давления, и других факторов в подготовке очага и развязывании внезапного выброса, выявление таких очагов, определение запасов энергии угольного пласта, которая может реализоваться в виде внезапного выброса, областей, обладающих запасами энергии достаточными для развязывания газодинамических явлений.

Целью работы является развитие методологии прогнозирования газодинамических явлений, основанной на закономерностях формирования очагов выбросоопасности в призабойной зоне угольных пластов для повышения безопасности и эффективности ведения проходческих и очистных работ.

Основные положения, представленные к защите:

1. Взаимосвязь показателей прочности, трещиноватости и газопроницаемости углей различных степеней тектонической нарушенности, позволяющая количественно оценить способность угля к газоотдаче и газопрони8 цаемость с учетом его трещиноватости, блочного строения, напряженного состояния и тектонической нарушенности и провести классификацию угольных пластов по их способности к газоотдаче при дегазации.

2. Угли из выбросоопасных и невыбросоопасных пластов имеют отличия в структуре на микроуровне, которые выявляются при мультифрактальной параметризации цифровых изображений их поверхности и позволяют провести оценки вы-бросоопасности угольных пластов по структурному фактору.

3. Механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений (минимальное главное напряжение ст3 > 5-^7 МПа). Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением С] значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (модуль спада напряжений в запредельной области э > 0,75).

4. Природно-техногенный очаг выбросоопасности в призабойной зоне угольного пласта формируется в зоне влияния геологической и техногенной нарушенности, в том случае, когда затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя, и характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и механохимическим процессом генерирования дополнительного метана из угля в условиях высоких напряжений объемного сжатия и сдвиговых деформаций.

5. Метод прогноза потенциальной (природной) опасности внезапных выбросов и горных ударов, основанный на определении соотношения запасов энергии газа и горного давления угольного пласта, позволяет определить опасность и тип газодинамического явления, а при дополнительном учете технологии ведения горных работ - определить реальную выбросоопасность очистных и проходческих забоев, выбрать безопасную для данных условий скорость подвигания забоя и эффективные мероприятия по предотвращению выбросоопасной ситуации.

Достоверность основных положений, представленных к защите подтверждается: обоснованностью и корректностью поставленных задач, непротиворечивостью полученных результатов и выводов; представительным объемом выборок при статистической обработке информации; соответствием 9 выводов теоретических и лабораторных исследований шахтным экспериментам; успешно проведенной опытно-промышленной проверкой разработанного в соавторстве «Руководства по определению степени (категории) выбро-соопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ».

Научная новизна работы

- взаимосвязь прочности, трещиноватости (тектонической нарушенно-сти) и газопроницаемости угольных пластов, основанная на статистической связи введенного показателя прочности угля по кавернометрии с нару-шенностью угля и его физико-механическими свойствами и экспериментально полученной зависимости коэффициента газопроницаемости от горного давления и тектонической нарушенности угля.

-структурная организация элементов поверхности углей может быть представленна мультифракталом с соответствующем ему спектром фрак-тальнных размерностей, причем угли из выбросоопасных пластов имеют больший набор структурных элементов и, следовательно, в 1,5-К2 раза более широкий спектр соответствующих им фрактальных размерностей, чем угли из невыбросоопасных пластов.

- механохимический эффект образования метана наблюдается при разрушении угля сдвигом в условиях неравнокомпонентного сжатия и высоких напряжений, при минимальном главном напряжении а3 > 5-^-7 МПа. Эффект начинает фиксироваться при достижении максимальным главным напряжением а] значений 0,7-0,8 от предела прочности угля и тем сильнее, чем более пластичным является процесс разрушения (модуль спада напряжений в запредельной области б > 0,75).

- разрушение угля при внезапном выбросе угля и газа происходит с разрывом наиболее слабых связей в бахроме угля, в том числе отрывается большое количество метальных групп -СН3. Эти химически активные радикалы, объединяясь с атомами водорода, образуют метан, причем дополнительно образованные объемы метана по оценкам реальных выбросов составляют 40-50 м3/т.

- в процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в 5-К0 раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля

- образование природно-техногенного очага опасности динамических явлений характеризуется возрастанием концентрации потенциальной энергии упругого сжатия в призабойной зоне угольного пласта в несколько раз (до 10), механохимическим процессом генерирования дополнительных объемов о метана из угля (до 8 м /т) и связано с неоднородным залеганием пласта (зона влияния геологического нарушения, зона ПГД и т.п.).

-энергия колебательного движения призабойной части углепородного массива от техногенного воздействия на угольный пласт локализуется преимущественно в самом пласте и по величине соизмерима с энергией упругого деформирования (энергией горного давления) пласта и эффективной энергией газа.

-изменение температуры угольного пласта является информативным показателем оценки состояния его призабойной зоны. Данным показателем четко выделяются зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки и дегазации. Повышение температуры угля более чем на в зоне концентрации опорного давления вызвано сорбцией «дополнительного» метана, образовавшегося в результате механохимических процессов деструкции наиболее слабых связей в угле.

- геоэнергетические критерии потенциальной (природной) выбросо-опасности угольного пласта и реальной выбросоопасности части пласта или забоя горной выработки с учетом технологии ведения горных работ.

Практическая значимость работы

Разработана методика, оценки выбросоопасности угольных пластов по структурному фактору, позволяющая выявить угли не склонные к разрушению в виде газодинамических явлений.

Предложена классификация угольных пластов по способности к газоотдаче, для применения при оценке эффективности дегазации или при выборе участков промысловой добычи метана из угольных пластов.

Разработан единый метод прогноза потенциальной выбросо- и ударо-опасности угольных пластов по геоэнергии массива, позволяющий определить параметры, дающие наибольший вклад в создание ситуации, опасной по динамическим явлениям, и провести обоснованный выбор адекватных про-тивовыбросных мер на стадии подготовки шахтного поля или горизонта.

Разработан метод прогноза выбросоопасности, позволяющий оценить реальную выбросоопасность участка пласта или забоя горной выработки, учесть влияние технологии ведения горных работ на выбросоопасность; оценить безопасную скорость подвигания забоя, оценить необходимую величину зоны разгрузки в призабойной области пласта; дать рекомендации о необходимой степени дегазации угольных пластов.

Результаты работы вошли в «Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ», а также используются в геоинформационной системе мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных reo- и газодинамических явлений.

Реализация результатов работы

Руководство.» успешно прошло промышленные испытания на шахте

Аларда» при разработке пластов 1 и 3-3а на участке между разведочными

12 линиями XIII - XVIII и на шахте «Чертинская» на пластах 3, 4, 5 на участке между разведочными линиями 0-3 и рекомендовано к внедрению на шахтах Кузбасса.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на:

- Х1-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт-Петербург, 9-11 сентября 1997г;

- Международной конференции «Горная геофизика, ВНИМИ, С-Пб., 1998 г.;

- Международном симпозиуме по горной технологии - 98. Безопасность и охрана труда в угледобывающей промышленности. Китай, Чунцин, 1998;

- Международной конференции Освоение недр и экологические проблем - взгляд в XXI век. Москва, 2000г.;

- IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». СИБРЕСУРС - 2001. Кемерово. 2001;

- научном симпозиуме "Неделя горняка в 2000- 2002, 2004, 2006-2011 г.г.

- Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». Новосибирск. 2001, 2006, 2009;

- Международной научной школе им. академика С.А.Христиановича в 2004-2010 г.г.

- Международной научно-практической конференции ОЕОШТЮСАГ) в 2002, 2005-2008 г.г.

- 2-ой Международный Северный социально-экологический конгресс «ОСВОЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ СЕВЕРА: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ» Воркута, - 2006;

- XVII (2007 г.) и XVIII (2008 г.) сессиях Российского акустического общества,

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в том числе 15 печатных работ, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента, 1 руководство, 32 печатных работы опубликовано в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 160 наименований, изложена на 270 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 90 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Малинникова, Ольга Николаевна

Выводы

1. Разработан инженерный геоэнергетический критерий, позволяющий давать оперативную оценку напряженного и газодинамического состояния угольных пластов и определять необходимые параметры воздействия на горный массив, обеспечивающие предотвращение газодинамических явлений и безопасное проведение горных выработок. Рассмотрены конкретные примеры применения критерия в условиях Кузбасса.

На основе геоэнергетического критерия разработан физически обоснованный способ прогноза опасности газодинамических явлений и выбора эффективных мероприятий по их предотвращению. Способ позволяет выделять неопасные и выбросоопасные зоны в угольных пластах, прогнозировать выбросоопасность забоев с учетом скорости их подвигания и типа горной выработки, рассчитать эффективные параметры способов предупреждения газодинамических явлений. Способ прошел промышленные испытания и применяется на шахтах Кузбасса.

2. Разработанные критерии управления напряженным и газодинамическим состоянием массива могут быть использованы в автоматизированной системе контроля и управления геодинамической безопасностью высокопроизводительных забоев. Практика ведения горных работ и теоретические исследования показывают, что увеличение скоростей проходки и отработки угольных пластов с применением высокопроизводительной техники увеличивает опасность возникновения газодинамических явлений.

3. Степень влияния скорости подвигания забоя на выбросоопасность и удароопасность горной выработки определяется напряженным состоянием, газоносностью и физико-механическими свойствами разрабатываемых угольных пластов. Количественная оценка такого влияния может быть выполнена на основе предлагаемой геомеханической модели, расчетных формул и номограмм, приведенных выше.

4. Применение автоматизированных систем контроля и прогноза выбросоопасности с использованием установленных закономерностей позволит оптимизировать безопасные скорости проходки в различных горногеологических условиях и повысить эффективность выбора параметров воздействия на горный массив при предотвращении газодинамических явлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы:

1. Определен коэффициент газоотдачи, позволяющий по геологоразведочным данным или физико-механическими свойствами угля оценить часть газа, которая успевает выделиться из разрушающего угля за время выброса. Для сильно нарушенных углей это до 12 % всего метана, для ненарушенных - 2-КЗ %. По результатам исследований составлена таблица взаимосвязи тектонической нарушенности углей с их физико-механическими свойствами.

На основе установленной статистической взаимосвязи показателей прочность - трещиноватость - газопроницаемость для углей различной тектонической нарушенности составлена классификация угольных пластов по способности к газоотдаче при дегазации или добыче метана из неразгруженных пластов. Выполненные исследования показывают, что фактическая проницаемость ненарушенных углей (I степень нарушенности) в 50-И 00 раз выше проницаемости нарушенных углей (IV-V степень нарушенности).

2. Впервые установлена связь мультифрактальных свойств оптически регистрируемой нарушенности углей и их предрасположенности к газодинамическим явлениям. Разработана методика применения мультифрактального анализа цифровых изображений поверхности угля, позволяющая провести разделение углей выбросоопасных и невыбросоопасных угольных пластов. Отличительной особенностью предложенной методики является практически полная автоматизация процедуры до экспертного анализа и простота, позволяющая сравнительно легко охарактеризовать сложность структуры вещества угля, обуславливающую склонность угольных пластов к газодинамическим явлениям.

3. В результате экспериментальных исследований закономерностей изменения термодинамического состояния газонасыщенного угля при трехосном неравнокомпонентном нагружении установлено, что в процессе разрушения угля происходит образование дополнительных объемов метана.

Полученные в результате лабораторного эксперимента условия образования метана: образование метана начинается при достижении главным максимальным напряжением cii значений 0,7-Ю,8 от прочности угля aimax, то есть при достижении предела упругости угля и продолжается при потере устойчивости и в запредельной области деформирования; образование метана происходит при пластическом разрушении угля в условиях высоких напряжений, то есть при соотношении главных эффективных напряжений ст37 erf < 0,33, главное минимальное напряжение аз > 5-5-7 МПа и коэффициент спада напряжений в запредельной области от 0,75 до 1; количество образовавшегося метана тем больше, чем более пластичным является процесс разрушения.

В процессе разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа:

- основное количество метана (отнесенное к единице выброшенного угля), часто превышающее газоносность угольного пласта в несколько (иногда в 7ч-Ю) раз, выделяется непосредственно из разрушающегося и выбрасываемого угля;

- разрушение происходит на внутримолекулярном уровне, молекулы вещества угля теряют значительную часть алифатических СНз- групп, оторванные радикалы (СН3- группы) химически активны и, объединяясь с водородом, образуют молекулы метана.

4. Предложена и подтверждена гипотеза механизма объясняющего приуроченность внезапных выбросов к мелкоамплитудным геологическим нарушениям. Показано, что в зоне влияния геологической или техногенной нарушенности затруднено деформирование призабойной части угольного массива в сторону забоя (нет обычного отжима), происходит возрастание боковых напряжений, действующих со стороны забоя, что создает условия для еще более сильного возрастания нормальных к угольному пласту напряжений вблизи обнажения пласта забоем, резкого увеличения упругой энергии сжатия угля и эффективной энергии угольного метана. В условиях высоких объемных напряжений и частичного разрушения угля в зоне концентрации напряжений происходят механохимические процессы генерирования дополнительных объемов метана из вещества угля, причем уровень напряжений оказывает существенное влияние на механохимические процессы, протекающие в угле.

Таким образом, в зоне влияния геологической и техногенной нарушенности в призабойной зоне угольного пласта создается природно-техногенный очаг выбросоопасности с повышенными, относительно мест спокойного залегания пласта, значениями концентрации напряжений и газонасыщенности. То есть, очаг выбросоопасности характеризуется резким ростом концентрации потенциальной энергии упругого сжатия и эффективной энергии газа.

5. Разработан единый метод прогноза потенциальной (природной)

251 выбросоопасности и удароопасности угольных пластов и забоев горных выработок, основанный на определении геоэнергии массива. Метод может быть применен при прогнозе динамических явлений на шахтах одновременно опасных по внезапным выбросам и горным ударам и использован при создании системы мониторинга, обеспечивающей безопасность горных работ в шахтах по всему спектру возможных геодинамических явлений.

Разработанные критерии управления напряженным и газодинамическим состоянием массива используются в автоматизированной системе контроля и управления геодинамической безопасностью высокопроизводительных забоев.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Малинникова, Ольга Николаевна, Москва

1. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М.: Наука. - 1987.

2. Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. — М.: Недра, 1981. 335 с.

3. Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Гуменник К.В., Калугина H.A., Фельдман Э.П. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана // Журнал технической физики. 2007. — Т.77. - Вып.4. — С.65-74.

4. Алексеев А. Д., Василенко Т. А., Кириллов А. К. Моделирование распределения пор по размерам при деформировании пористых материалов // Физика и техника высоких давлений 2008. Т. 18. - № 1 - С. 110-119.

5. Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. Предельное состояние горных пород. -Киев.: Наукова думка, -1982. 197 с.

6. Алексеев А.Д., Ульянова Е.В. Васильковский В.В., Дегтярь С.Е. Влияние нарушенности угольного пласта на кинетику выхода метана/ ГИАБ, Тематич.прилож. «Метан»: МГГУ 2008. - Отдельный вып. 4. - С.54-65.

7. Алесеев А.Д., Ульянова Е.В., Трачевский В.В., Иващук Л.И., Зимина C.B., Борщ Т.В., Шпак А.П. Преобразование структуры ископаемых углей в геомасштабном техногенезе// Физико-технические проблемы горного производства, 2010. Вып. 13. - С. 48-59.

8. Алексеев А.Д., Зайденварг В.Е., Синолицкий В.В., Ульянова Е.В. Радиофизика в угольной промышленности. - М.: Недра, 1992. - 184 с.

9. Астахов A.B., Белый A.A., Широчин Д.Л. Метаморфический ряд ископаемый углей и фрактальные параметры их структуры // Химия твердого топлива. — 2000. №4. — С. 15-24.

10. Базаров И.П., Геворкян Э.В., Николаев П.Н. Термодинамика и статистическая физика. Теория равновесных систем. М.: МГУ, 1986. -310 с.

11. Берд Г. Молекулярная газовая динамика. М.: Мир, 1981. -320 с.

12. Бирюков Ю.М., Пименов A.A., Ходжаев Р.Р. Проблемы техногенных газодинамических явлений. Калининград, КГТУ, 2005. - 200 с.

13. Бич Я.А., Золотых С.С., Шванкин М.В. Разработка мощных пологих пластов, подверженных горным ударам. М.: «Недра». — 1994. -170 с.

14. Бобин В.А. К вопросу об оценке способности высокогазоносных угольных пластов к газоотдаче с учетом их макроструктуры и особенностей залегания/ Горн. Инф.-аналитич. бюлл. Вып.5. М.: МГГУ. - 2001. - С. 108112.

15. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. М.: Ротапринт ИПКОН АН СССР, 1987. 135 с.

16. Болдырев В.В. Исследования по механохимии твердых веществ / Вестник РФФИ. 2004. - № 3 (37). - С.38-59.

17. Борисенко A.A., Внезапные выбросы на шахтах Воркутского месторождения и новое в практике борьбы с ними. — Сыктывкар, 1967. -48с.

18. Бутягин П.Ю.//Успехи химии. 1971. -Т.Н. - С. 1935-1958.

19. Бутягин П.Ю. Некоторые проблемы механохимии полимеров// Механоэмиссия и механохимия твердых тел. Фрунзе: АН СССР ИФХ АН Киргизской ССР, ИФиМ. 1974. - С.33-39.

20. Ван-Кревелен Д.В., Шуер Ж. Наука об угле. М.: Госгортехиздат, 1960. 303 с.

21. Васючков Ю.Ф. К методике определения параметров процесса гидрорасчленения пласта для его дегазации /ГИАБ. Тематическое приложение «Метан»// Сб.научн.трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка 2006». М.: Изд. МГГУ. - 2006. - С. 257-267.

22. Васючкова Г.К., Фейт Г.Н. Исследование газопроницаемостивыбросоопасных углей высокой степени тектонической нарушенности.254

23. Прогноз и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах». Науч. сообщ./Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. — 1982. Вып. 209. - С. 23-27.

24. Влияние механохимических процессов на возникновение выбросов// Петросян А.Э., Яновская М.Ф., Крупеня В.Г., Брызгалова Н.И / Уголь Украины. 1986. - N 4. - С.39-40.

25. Волошин Н.Е. Борьба с внезапными выбросами угля и газа на шахте № 7/8 им. Калинина треста "Куйбышевуголь'7/ Борьба с внезапными выбросами в угольных шахтах/ М.: "Госгортехиздат". - 1962. С.56-67.

26. Временное руководство по прогнозу выбросоопасности угольных пластов Донецкого бассейна при геологоразведочных работах. — М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1980. -58 с.

27. Встовский Г. В., Колмаков А. Г., Бунин И. Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. — Москва-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — 116 с.

28. Временная методика автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности при проведении нисходящих подготовительных выработок на крутых пластах / B.C. Зыков, B.C. Черкасов, В.А. Рудаков и др. Кемерово: ВостНИИ, 1997. - 10 с.

29. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. Новосибирск, «Наука», Сибирское отд-ние. -1990. - 295 с.

30. Гайко Э.И., Фейт Г.Н. Влияние закладки выработанного пространства на выбросоопасность угольных пластов //Безопасность труда в промышленности. 1983. - № 1. -С.54-57.

31. Денисенко С.М. К вопросу оценки выбросоопасности угольных пластов по температурному фактору//Способы и средства разработки выбросоопасных угольных пластов Науч.сообщ./Ин-т горн.дела им. АА. Скочинского. -М.:-1979.-Вып. 182.-С. 29-31.

32. Докукин A.B., Кусов Н.Ф., Фейт Г.Н. и др. Снижение выбросоопасности при динамическом воздействии на угольный массив. М. Наука, 1985. — 184с.

33. Дрындин В.А., Михина Т.В., Митрофанов Д.В. Экспериментальные исследования геофизических параметров и микроструктуры угля выбросоопасных зон угольных пластов // Горн.информ.аналит.бюллетень/ М.: МГГУ. -N 7. -2000. С.210-211.

34. Жекамухов М. К., Жекамухова И. М. К проблеме внезапных выбросов угля и газа в шахтах // Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО в РОССИИ». -№ 45. С. 526-538 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/045.pdf.

35. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений. М.: ФГУП ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского, 2002. -172 с.

36. Зборщик М.П., Назименко В.В. О роли механоэмиссии в механизме газодинамических явлений / Уголь Украины. 1985. - N 1. - С.32-34.

37. Иванов Б.М., Яновская М.Ф., Брызгалова Н.И., Хренкова Т.М., Кричко И.Б. Показатель процесса механодеструкции в угольном пласте// ХТТ, 1988.-№2.-С.78-81.

38. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов. М.: Наука, 1979. 195 с.

39. Иванов-Шиц Н.К., Вьюшков Л.Ю., Гринштейн Б.П., Трегубов А.Н. Выявление новых прогностических признаков динамических явлений в сейсмоакустических сигналах/ Науч. сообщ ИГД им. А.А.Скочинского, вып.242. — М.: 1985, С.77-79.

40. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00) М., НТЦ «Промышленная безопасность», 2001.

41. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Караганда, 1995.

42. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. М.: Ротапринт ИПКОН АН СССР, 1984. 231 с.

43. К вопросу изучения химического строения углей из опасных и неопасных по выбросам пластов//Яновская М.Ф., Брызгалова Н.И., Хренкова Т.М., Хрусталев Ю.А., Кирда B.C. / Химия твердого топлива. 1986. - № 1. — С.20-22.

44. Карманский А.Т. Изучение газо-гидродинамического состояния пород и угля. «Уголь», 1994, № 7, С.45-47.

45. Кириллов А. К., Поляков П. И. Методы определения пористости ископаемых углей // Bîctî Донецького ирничого шституту. Донецк, 2005. - № 2. - С. 18-21.

46. Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Зональность газодинамических явлений в шахтах Кузбасса /Пол ред. П.В. Егорова. — Кемерово: КузГТУ, 1998. — 227 с.

47. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. Зависимость кинетики сорбции метана от структуры угля // ФТПРПИ. 2006. - № 2. - С.28-35.

48. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. К вопросу о взаимосвязи диффузно-кинетических параметров угля с динамикой газовыделения из пластов/ Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -Вып.7. М.: МГГУ. 1999. - С.75-78.

49. Кузнецов C.B., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. М.: Наука. - 1978. - 122 с.

50. Кузнецов C.B., Трофимов В.А. Газодинамика угольного пласта. Численный алгоритм. Частные и приближенные решения // ГИАБ. 2008. - Вып. 4 (Метан). - С.304-324.

51. Кэй Д., Лэби Т. Справочник физика — экспериментатора. Изд.иностранной литературы. М., 1949.

52. Лебедев В.В., Хренкова Т.М., Голденко Н.Л. Образование парамагнитных центров при измельчении угля/ Химия твердого топлива. 1978. — № 5. — С.15-18.

53. Левитан В.Б. Механизм внезапных выбросов угля и газа/ Разработка месторождений полезных ископаемых//Респ.межведомственный нучно-техн.сб. Рудничная вентиляция и техника безопасности. Киев: Техника. — 1977. -78-80.

54. Логинов А.К. Проверка на прочность/ Уголь, 2010. № 5. - С.58-63.

55. Лоскутников В.В., Шульман Н.В., Эттингер И.Л. Квантово-механический подход к физической химии газоносных ископаемых углей/ ХТТ. 1987. -№ 1.-С.З-10.

56. Мавор М.Дж., Робинсон Дж.Р. Анализ исследований газовых пластов коллекторов и полостей скважин. Международный симпозиум по вопросам метана угольных пластов. Т. 1. 1993. С. 233-246.

57. Маевский B.C., Кремнев О.Г. Об использовании температуры пластов при оценке их выбросоопасности //Уголь Украины. -1982.- № 7. С. 38-40.

58. Маевский B.C., Рейпольский П.А., Качко В.Ю. Особенности измерений температуры на выбросо- и удароопасных пластах//Уголь Украины. -1989.-№ 12. С. 32-33.

59. Мазикин В.П. Итоги работы и перспективы развития угольной отрасли Кузбасса/ Уголь, 2010. № 5. - С. 17-20.

60. Макаров П.В., Трубицин A.A., Ворошилов С.П. Самоподобие разрушения углей и эволюция нагружаемых твердых тел // Уголь. 2006. №10. - С.55-58.

61. Малинников В. А., Никольский А. Е., Учаев Д. В., Учаев Дм. В. Мультифрактальная параметризация геопространственных структур // Труды Международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК. М.: МИИГАиК, 2004. - С. 163-167.

62. Малышев Ю.Н., Айруни А.Т., Худин Ю.Л., Болыпинский М.И. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и пород. М.:Недра.-1995.-352 с.

63. 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.

64. Малышев Ю.Н., Сагалович О.И., Лисуренко A.B. Техногенная геодинамика: Кн. 1 Аналитический обзор. Актуальные проблемы. М.: Недра, 1996.-430 с.

65. Массаротто П., Рудольф В., Гольдинг С. Новое оборудование по определению 3-Д проницаемости помогает решать проблемы выделения метана. « Сокращение эмиссии метана». Доклады II Международной конференции. Новосибирск. Изд-во СОР АН. 2000. С.392-402.

66. Мегеря В.М. Поиск и разведка залежей углеводородов, контролируемых геосолитонной дегазацией Земли. М.: Локус Станди, 2009. - 256 с.

67. Метан в угольных пластах. A.A. Скочинский, В.В. Ходот и др. М.: Углетехиздат, 1958. 256 с.

68. Методика выявления выбросоопасной угольной пачки при текущем прогнозе выбросоопасности /Зыков B.C., Фейт Г.Н. — Кемерово, ВостНИИ.-1992.

69. Механохимические превращения углей при метаморфизме как ведущий фактор внезапных выбросов// Фролков Г.Д., Малова Г.В., Французов С.А., Фролков А.Г. / Уголь. 1998. - № 7. - С.60-64.

70. Мирер C.B., Масленников Е.В., Хмара О.И. A.c. 1222853 СССР (23.10.84) Способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов и устройство для его осуществления/ Б.И. № 13. — 1986.

71. Мирер C.B., Хмара О.И., Масленников E.B. Методика и аппаратура для акустического контроля выбросоопасности угольных пластов / Науч. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского,. — М.: 1988, С.20-24.

72. Миррер C.B., Хмара О.И., Масленников Е.В. О контроле выбросоопасности забоев по спектральным характеристикам акустических сигналов/ Науч. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского,. -М.: 1987, С.52-61.

73. Мирер C.B., Хмара О.И., Обрезан A.M. Метод и аппаратура для текущего акустического контроля выбросоопасности угольных пластов. Уголь, № 6, 1995, С. 53-54.

74. Мирер C.B., Хмара О.И., Шадрин A.B. Спектрально-акустический прогноз выбросоопасности угольных пластов/ ННЦ ГП ИГД им. А.А.Скочинского, Кемеровский государственный университет. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. — 92с.

75. Морев A.M., Скляров A.A. и др. Внезапные разрушения почвы и прорывы метана в выработки угольных шахт. — М.: Недра, 1992, 176 с.

76. Мучник C.B. О роли хемосорбции метана на ископаемых углях /Физ.-техн. пробл.разраб. полезных ископаемых. — 1975. — № 5. — С. 140-141.

77. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. Липецк, 1997.-496 с.

78. Одинцев В.Н. Фрактальный подход к исследованиям деформаций пород под влиянием горных выработок/ Горный информационно-аналитический бюллетень 2004. - № 5. - С. 203-206.

79. Одинцев В.Н., Бунин И.Ж. Фрактальное разрушение и эффект «памяти» горных пород /Горный информационно-аналитический бюллетень 2003. -№2. - С. 119-123.

80. Патент РФ № 2027016 (1995.01.02) Антонов А.В., Новиков Г.И., Хейфец А.Г., Ходжаев P.P., Зыков B.C., Полевщиков Г.Я. Способ оценки выбросоопасности призабойной части массива при механизированной выемки угля/

81. Пейс Е. Термодинамика адсорбции и экспериментальные измерения // Межфазовая граница газ твердое тело. М.: Наука, 1970. -С.98-114.

82. Полевщиков Г.Я. Разработка адаптивных методов предупреждения и локализации динамических газопроявлений при проведении выработок по угольным пластам. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово. 1998.

83. Пузырев В.Н., Рудаков В.А. и др. Внезапные прорывы и экстремальные выделения метана в лавы из надрабатываемых и подрабатываемых высокогазоносных пластов. Кемерово, 1998, 94 с.

84. Пучков JI.A., Сластунов C.B., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М: Изд.МГГУ, 2002, 383 с.

85. Рейпольский П.А. Изменение температуры в напряженном угольном массиве //Уголь Украины. -1987.- № 12. С. 34-35.

86. Рейпольский П.А., Розенбаум М.А. Исследование изменения температуры в массиве на выбросоопасных пластах//Уголь Украины. -1978.- № 10. С. 41-43.

87. Розенбаум М.А., Трофимов В, Д. Экспериментальные исследования параметров состояния угольного массива в зоне опорногодавления//Известия высших учебных заведений. Горный журнал. М.-1977. С. 60-63.

88. Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. М., Недра. 1966.

89. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Хмара О.И. Контроль и прогнозирование состояния забоев опасных по газодинамическим явлениям// Межд. конф. т. 1: Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках. Болгария, Варна. - 1998.-С. 174-181.

90. Русьянова Н.Д. Углехимия. М.: Наука, 2000. - 316 с.

91. Русьянова Н.Д., Максимова Н.Е. ХТТ. 1988. №1. С.9

92. Рыженко H.A., Еремин И.Я., Рыженко А.И. О текущем прогнозе выбросоопасности пластов по начальной скорости газовыделения в шпур//Уголь Украины. -1989.- № 6. С. 34-36.

93. Рыженко И.А., Еремин И.Я. Прогноз выбросоопасности призабойной части пластов по температурному режиму//Уголь Украины. -1988.- № 3. С. 3637.

94. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойствах дискретности горной породы / Изв. АН СССР. Физика Земли. 1982. № 12. -С. 3-18.

95. Саранчук В.И., Айруни А.Т., Ковалев К.Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля. Киев: Наукова думка, 1988. - 192 с.

96. Скочинский A.A. Современное состояние изученности проблемы внезапных выбросов угля и газа в шахтах / Научные исследования в области борьбы с внезапными выбросами угля и газа. Углетехиздат. 1958. -С. 5-15.

97. Смолякова С.Н. О метаноемкости ископаемых углей Донбасса// Вопросы безопасности в горном деле. — 1952. № 6. — С. 87-145.

98. Соболев В.В. К вопросу о природе образования выбросоопасных углей// Сб.науч.тр. НГУ. 2003. - № 17, т. 1. - С.374-383.

99. Соболев В.В. Комплекс физико-химических явлений инициирующих выбросы угля и образование газа// Науковий вісник НГА України. 2000. -№ 4. - С.46-48.

100. Скипочка С.И., Паламарчук Т.А. Механизмы метаногенерации в угольных пластах/ Техническая механика. Межведомственный сборник научных трудов// Днепропетровск. 2008. - Вып. 80. -С.122-130.

101. Снижение выбросоопасности при динамическом воздействии на угольный массив /A.B. Докукин, Н.Ф. Кусов, Т.Н. Фейт и др. М: Наука, 1985. - 184 с.

102. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра. -1979.-391 с.

103. Трубецкой K.H., Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение комплексного освоения недр// Горн. Журн. 1999. -№11. - С.25-29.

104. Трубецкой К.Н., Иофис М.А. Управление геомеханическими процессами при освоении недр //11 -th International congress of the International society for mine surveying, Poland, Cracow, Sept. 4-9, 2000. Cracow, 2000. - P.23-26.

105. Труфанов B.H., Гамов М.И., Рылов В.Г., Майский Ю.Г., Труфанов A.B. Углеводородная флюидизация ископаемых углей Восточного Донбасса. — Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, 2004. 272 с.

106. Ульянова Е.В. Влияние валентности включений железа на выбросоопасность и метаноносность угольных пластов / Матеріали міжнародної конференції «Форум гірників — 2007». Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2007. — Т.1. - С.100-106.

107. Ульянова E.B., О.Н. Разумов, А.П. Скоблик Железо и его связь с накоплением метана в углях / Физико-технические проблемы горного производства. -Донецк: ООО «Норд Компьютер». 2006. - В.9. - С.20-31.

108. Фейт Г.Н. Геомеханические аспекты решения проблемы прогноза и предотвращения геодинамических явлений при добыче полезных ископаемых. III Всемирный конгресс по экологии в горном деле. Труды конгресса. Том 1. Москва, 1999. -С. 198-208.

109. Фейт Г.Н. К теории потери устойчивости и разрушения при внезапных выбросах угля и газа//Вопросы внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах: Науч.сообщ./Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. 1981. - Вып. 195. -С. 19-26.

110. Фейт Г.Н. Метод прогноза выбросоопасности угольных пластов по физическим показателям //Физико-техн. пробл. разработки полезн. ископаемых. 1968. - № 2. С. 23-26.

111. Фейт Г.Н. Предельные состояния и разрушение углей выбросоопасных пластов. Науч.сообщ./ Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского. М., 1987. -Вып. 252.-С. 104-113.

112. Фейт Г.Н. Прочность и лавинное самоподдерживающееся разрушение газоносного напряженного угольного пласта/ Механика горных пород. Науч.сообщ.//Ин-т горн.дела им. А.А.Скочинского. — 1999. Вып. 313/99. С. 63-69.

113. Фейт Г.Н., Гайко Э.И., Денисенко С.М., Канцан П.М. Некоторые результаты натурных исследований температуры угольных пластов в зоне влияния горных выработок. Науч.сообщ./Ин-т горн.дела им. АА. Скочинского.-М.:-1977.-Вып. 157.-С. 141-144.

114. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Зыков B.C., Рудаков В.А. Прогноз опасности внезапных выбросов и горных ударов по энергии массива / Физико-техн.пробл. разработки полезн. ископаемых. 2002. -№ 1. - С.67-70.

115. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Рудаков В.А. Результаты оценки геоэнергии угольных пластов и прогноз опасности газодинамических явлений на шахтах Кузбасса и Донбасса// «Горная геофизика», Международная конференция, ВНИМИ, СПб, 1998. - С.258-261.

116. Физико-химия газодинамических явлений в шахтах. В.В.Ходот и др. -М.: Наука.-1973.- 140 с.

117. Фролков Г.Д., Фандеев М.И., Малова Г.В., Фролков А.Г., Французов С.А., Соболев В.В. Влияние природной механоактивации на выбросоопасность углей./ Шахтинский центр ВостНИИ/ 1997. http://vostnii.must.ru/outbursts ru.htm#3#3.

118. Фролков Г.Д., Малова Г.В., Французов С.А., Фролков А.Г. Механохимические превращения углей при метаморфизме как ведущий фактор внезапных выбросов / Уголь. — 1998. № 7. - С.60-64.

119. Фролков Г.Д., Фролков А.Г. О механохимической природе выделений угольного метана. / Шахтинский центр ВостНИИ / http://vostnii.must.ru/metanru.htm.

120. Фролков Г.Д., Фролков А.Г. Механохимическая концепция выбросоопасности угольных пластов. // Уголь. 2005. - № 2. - С. 18 - 22.

121. Ходжаев P.P. Разработка автоматизированного метода прогноза выбросоопасных зон в подготовительных забоях шахт Карагандинского бассейна. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1992.

122. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Госгортехиздат, 1961. 363 с.

123. Хренкова Т.М. Механохимическая активация углей. М.: Недра 1993. - 176 с.

124. Хренкова Т.М., Голденко Н.Л. Исследование продуктов механодеструкции газового угля, применяемого в процессе гидрогенизации. ХТТ. — 1978. -№5.-С. 43-45.

125. Хренкова Т.М., Кирда B.C. Механическая активация углей / Химия твердого топлива. 1994. - № 6. - С.36-42.

126. Хренкова Т.М., Кирда B.C. Ступенчатое механическое воздействие на остаточный газовый уголь. В кН.: Тез.докл. X Юбилейного симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел, Ростов -на-Дону, - 1986. -С. 165.

127. Христианович С.А. Свободное течение грунтовой массы, вызванное расширением содержащегося в порах газа высокого давления. Волна дробления//Препринт № 153. Ин-т проблем механикиАН СССР. - 1980. -87 с.

128. Христианович С.А., Салганик Р.Л. Внезапные выбросы угля (породы) и газа. Напряжения и деформации//Препринт № 153. Ин-т проблем механикиАН СССР. - 1980. - 87 с.

129. Чаплыгин H.H., Забурдяев B.C., Новикова И.А. Результаты исследования газодинамических процессов в метаноносном угольном массиве вблизи призабойного пространства лавы / Горн. Инф.-аналитич. бюлл.// Тематическое приложение МЕТАН. 2006. - С. 165-174.

130. Чирков С.Е. 1973. О влиянии горного давления и водонасыщения на показатели вязкости горных пород. Научн. сообщ. ИГД им. Скочинского: Горное давление и крепление горных выработок Вып. 103: С.61 -66.

131. Чирков С.Е.Развитие способов испытаний механических свойств горных пород в условиях трехосного напряженного состояния// ГИАБ. -2004. № 2.

132. Чирков С.Е., Присташ В.В. Энергоемкость разрушения горных пород различными способами// Науч.сообщ./ННЦ ГП -ИГД им. А.А.Скочинского, -2001.-Вып. 319.

133. Шадрин A.B., Зыков B.C. (ВостНИИ). Акустическая эмиссия выбросоопасных пластов. Обзорная информация, ЦНИЭИуголь. -М., 1991. 42с.

134. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Кулаков Г.И. К вопросу о классификации горных ударов. ФТПРПИ. - 1986. -№ 5. - С.3-11.

135. Штеренберг Л.Е., Яблоков B.C. Особенности строения угольных пластов Донбасса, подверженных внезапным выбросам/ Научные исследования в области борьбы с внезапными выбросами угля и газа. М.: Углетехиздат, 1958.-С 367-387.

136. Эппель Л.И., Радченко С.А., Горбунов И.А., Дорофеев Д.И. Повышенноеметановыделение в выбросоопасных зонах пласта причина снижения еготемпературы в процессе разработки//Уголь Украины. -1981.- № 10. С. 39/41.

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

138. Эттингер И.Л. Внезапные выбросы угля и газа и структура угля. М.: Недра, 1969.-160 с.

139. Эттингер И.Л. Растворимость и диффузия метана в угольных пластах // ФТПРПИ. 1987. - № 2. - С.79-90.

140. Эттингер И.Л. Физическая химия газоносного угольного пласта. М.: Наука, 1981.-104 с.

141. Эттингер И.Л., Н.В. Шульман Распределение метана в порах ископаемых углей. М.: Наука. 1975. - 112 с.

142. Яновская М.Ф., Коган Г.Л. О модели пористой структуры ископаемых углей. Хим. тверд, топлива, 1968, № 5, С.26-32.

143. Яновская М.Ф., Премыслер Ю.С. Номограммы для расчета газовыделения при разрушении угля. М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1967. 171 с.

144. Delert H.H. Untersuchungen zum Chemischen Aufbau von Steinkohlen und Maceralen. Brennstoff- Chemie, 1967, v.48, N 11, s. 331-339.

145. Hanson D.R. Rock Stability analysis by acoustic spectroscopy. Mining Engineering, Vol. 37, No 1, January 1985, p. 54-60.

146. J. Gunter Etude de la liaison gaz — charbon Revue de l'lndustrie Minerale/ Vol 47, № 10, 693, 1965.

147. A.Marzec Cjfl mine hydrogen / Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана/ Сб.докладов рабочего совещания, ВНИМИ, 20-22 сентября 2006 г. С. 402-405.

148. Oclert Н.Н. Chemical characteristics of the thermal decompositions of bituminous coal. Fuel, 1968, v. 47, N 6, p. 433-448

149. Oclert H.H. Infrarotspektroskopishe Gruppenanslyse an Jesten aromatischen Vielstoffgemischen. Fresencus z.analit.Chemic, 1967, v.231, N 2, s. 81-105.

150. Renyi A. Probability theory. Elsevier Science Publishers В. V. (North-Holland), Amsterdam, 1970.

151. Shyi-Long Lee and Chung-Kung Lee, Heterogeneity of Surfaces and Materials as Reflected in Multifractal Analysis // Heterogeneous Chemistry Reviews. -1996. -V. 3. P. 269-302.

152. Van Krevelen D.W. Typology chemistry physics and constitution. Amsterdam-London-New York-Princeton: Elsevier Publishing company, 1961. 514 p.

153. O. Zmeskal, M. Vesely, M. Nezadal, and M. Buchnicek. " Fractal analysis of image structures, HarFA," Harmonic and Fractal Image Analysis (2001).166. http://www.fch.vutbr.cz/lectures/imagesci/

Информация о работе

Малинникова, Ольга Николаевна
доктора технических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.20

Диссертация

Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы