Способ текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для определения выбросоопасности угольных массивов. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения выбросоопасности угольных массивов при выполнении текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа. Для этого осуществляют определение начальной скорости газовыделения g_н из контрольных шпуров, пробуренных по потенциально выбросоопасной пачке угля или их совокупности перед началом цикла работ по проведению выработки. Определяют отношения К амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, генерируемых режущим инструментом в угольный массив, в процессе проведения выработки. На основе показаний g_н и К проводят оценку выбросоопасности зоны угольного массива. При этом равномерно поинтервально определяют комплексный показатель выбросоопасности П в соответствии с выражением П=(g_н.мах/4)+(К_мах/3) и относят зону угольного массива к выбросоопасной, если П≥2, и к невыбросоопасной, если П<2. 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза внезапных выбросов угля и газа.

Известен способ текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа при проведении выработок по углю, основанный на замерах начальной скорости газовыделения и выхода буровой мелочи при поинтервальном бурении контрольных шпуров [Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. - М.: Недра, 1977, 159 с.]. При этом начальная скорость газовыделения характеризует газовый фактор выбросоопасности, а выход буровой мелочи - напряженное состояние массива.

Однако при профилактическом увлажнении угольного пласта этот способ имеет недостаточную надежность, т.к. буровая мелочь прилипает к буровой штанге и выход ее измеряется с большой погрешностью.

Кроме того, этот метод не является непрерывным и поэтому не может выявить ситуации усугубления выбросоопасности массива, возникшие в процессе ведения горных работ.

Известен способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий генерирование акустических колебаний в горном массиве работающими механизмами, непрерывное измерение их амплитуд в области высоких и низких частот и оценку выбросоопасности пласта по отношению амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний К [Авторское свидетельство СССР №1222853, кл. Е 21 F 5/00, E 21 С 39/00, 1986].

Преимуществом его является непрерывность контроля выбросоопасности в процессе ведения горных работ. Но поскольку на спектральный состав измеряемого акустического сигнала влияет напряженное состояние массива, а не концентрация и давление газа в нем, данный способ контролирует только фактор напряженного состояния. Чтобы скомпенсировать отсутствие контроля газового фактора, в качестве критериального выбрано такое максимальное значение отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний К_mах=3, которое несколько ниже самого малого значения К_mах, когда-либо замеренного при ведении горных работ перед внезапным выбросом угля и газа. Нечувствительность данного способа прогноза к газовому фактору и завышенный вследствие этого “запас надежности” определяют недостаточную точность данного способа прогноза.

Известен также способ текущего прогноза выбросоопасности в подготовительных выработках по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров [Инструкция по ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа: (РД05-350-00)/ НТЦ “Промышленная безопасность”. - М., 2000, с. 149-156]. Способ включает визуальный осмотр забоя выработки, выявление слагающих пласт угольных пачек, определение с помощью прочностномера прочности каждой пачки угля мощностью более 0,2 м и отнесение ее к потенциально выбросоопасной, если прочность окажется менее 75 условных единиц, поинтервальный прогноз выбросоопасности по начальной скорости газовыделения g_н из контрольных шпуров, пробуренных по потенциально выбросоопасной пачке угля или их совокупности, и отнесение зоны к выбросоопасной, если на каком-либо интервале контроля максимальное значение начальной скорости газовыделения g_н.max≥ 4 л/мин, и к неопасной, если g_н.max<4 л/мин.

Однако данный способ не контролирует фактор напряженного состояния выбросоопасности. Чтобы компенсировать отсутствие контроля напряженного состояния пласта, в качестве критериального взято такое значение максимальной начальной скорости газовыделения g_н.max=4 л/мин, которое несколько ниже самого малого значения g_н.max, когда-либо замеренного при бурении контрольных шпуров перед внезапным выбросом угля и газа на угольных шахтах восточных районов России.

Поскольку стоимость противовыбросных мероприятий высока, как высока и стоимость мероприятий по ликвидации последствий внезапного выброса угля и газа, точность текущего прогноза выбросоопасности должна быть очень высокой.

Задача изобретения - повысить точность текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов.

Это достигается тем, что в способе текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа, включающем определение начальной скорости газовыделения g_н из контрольных шпуров, пробуренных по потенциально выбросоопасной пачке угля или их совокупности, перед началом цикла работ по проведению выработки; определение отношения К амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, генерируемых режущим инструментом в угольный массив, в процессе проведения выработки, и на основе показаний g_н и К оценку выбросоопасности зоны угольного массива, предлагается равномерно поинтервально определять комплексный показатель выбросоопрасности П в соответствии с выражением П=(g_н.max/4)+(К_mах/3) и относить зону угольного массива к выбросоопасной, если П≥ 2, и к невыбросоопасной, если П<2.

_н достигают 70-80% предельных напряжений на сжатие σ _сж, т.е. σ_н≈ (0,7-0,8)σ _сж, в массиве начинают раскрываться (расти) трещины, ориентированные преимущественно вдоль оси максимальных действующих напряжений, т.е. параллельно плоскости забоя выработки. В трещины выделяется метан, содержавшийся в порах и микротрещинах, давление которого превышает атмосферное. Под действием горизонтальной компоненты напряжений и давления газа блоки угля выдавливаются в выработку и при нарушении устойчивого состояния призабойного пространства может произойти газодинамическое явление, в том числе внезапный выброс угля и газа.

Условие развязывания выброса можно записать в следующем виде:

где F_А - активные силы, стремящиеся выдавить блоки угля в выработку, a F_П - пассивные силы, препятствующие этому. Поскольку активные силы представлены горизонтальной компонентой напряжений σ _Г и давлением газа в трещинах P_Г, а пассивные силы - силами трения поверхностей движущихся блоков о неподвижные поверхности, например, кровлю и почву пласта, условие развязывания внезапного выброса угля и газа (1) можно записать в следующем виде:

Из (2) видно, что разрушение массива может происходить как под действием лишь одного фактора - газового либо напряженного состояния, так и в результате их совместного действия. Поэтому необходимо контролировать и учитывать оба эти фактора.

Газовый фактор достаточно надежно контролируется по начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров, поскольку между начальной скоростью газовыделения и давлением газа в массиве существует функциональная зависимость (см., например, В.Н.Пузырев. Научные основы и метод текущего прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках угольных шахт. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. Кемерово, 1981, с. 84-98).

Рассматривая режущий орган действующего в забое выработки рабочего инструмента (комбайна, буровой штанги, отбойного молотка и пр.) как источник широкополосного акустического сигнала, получили следующее соотношение для показателя выбросоопасности К акустического метода контроля массива в виде отношения высокочастотной части спектра к низкочастотной:

где f_в и f_н - частоты среза соответственно фильтров верхних и нижних частот, Гц; α ₀ - затухание на частоте f₀, м^-1; σ _np и σ _m - соответственно предельное и текущее значения тангенциальных напряжений в массиве, МПа; β - коэффициент пропорциональности, определяемый свойствами массива; x - расстояние от источника до приемника звука, м.

Из (3) видно, что акустический метод контролирует именно напряженное состояние массива, и с ростом напряжений показатель выбросоопасности К возрастает.

В качестве комплексного показателя выбросоопасности П предлагаемого способа текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа взяли сумму отношений максимального значения начальной скорости газовыделения g_н.max, замеренного на каком-либо интервале при бурении контрольного шпура, и показателя акустического прогноза выбросоопасности K к их предельным значениям, равным соответственно g_{н.max. пред}=4 л/мин и К_пред=3, а именно:

При обосновании критерия выбросоопасности для предлагаемого показателя прогноза исходили из следующих соображений. Поскольку прогноз выбросоопасности осуществляется по двум параметрам контролируемым в разное время, предполагается, что не контролируемый в данное время параметр может иметь предельное значение. Соответствующе слагаемое в выражении (4) поэтому предположительно равно единице. При достижении контролируемого параметра предельного значения соответствующее слагаемое в выражении (4) также становится равным единице. Отсюда критерий выбросоопасности имеет следующий вид:

При таком принципе определения критерия выбросоопасности “запас” в устойчивости массива по одному из факторов выбросоопасности используется для компенсации “дефицита” устойчивости массива по другому фактору выбросоопасности.

На чертеже изображены максимальные значения начальной скорости газовыделения g_н.max (А), отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний К_mах (Б) и показателя выбросоопасности П (В), описываемого выражением (4), полученные при проведении вентиляционного штрека 370бис на ОАО “Шахта “Первомайская” в течение 40 суток эксперимента.

Из чертежа видно, что максимальные значения показателей газового фактора и фактора напряженного состояния выбросоопасности не всегда совпадают при обработке одной и той же зоны пласта. Имеют место случаи, когда один из показателей выбросоопасности превышает критериальное значение, установленное экспериментально, в то время как другой показатель существенно меньше критериального значения. Это подтверждает, что вклады обоих факторов выбросоопасности в показатель выбросопасности можно суммировать и за счет этого повысить точность текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов.

Способ реализуется следующим образом.

Текущий прогноз внезапных выбросов угля и газа начинают с визуального осмотра забоя выработки в остановленном забое, при котором выявляют слагающие пласт угольные пачки. Затем определяют с помощью прочностномера, например типа П-1, прочность каждой пачки угля мощностью более 0,2 м и относят ее к потенциально выбросоопасной, если прочность окажется менее 75 условных единиц. Далее по потенциально выбросоопасной пачке бурят поинтервально контрольные шпуры и измеряют начальную скорость газовыделения g_н из них. По результатам измерений определяют g_н.max и относят контролируемую зону пласта к выбросоопасной по газовому фактору, если на каком-либо интервале контроля g_n.max≥ g_{н.mах.пред}, при g_{н.mах.пред}, равном, например, 4 л/мин. Если зона пласта отнесена к выбросоопасной по газовому фактору при первом определении показателя выбросоопасности в данной выработке, в ней применяют локальный способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Если при первом определении показателя выбросоопасности зона пласта по газовому фактору отнесена к невыбросоопасной, в ней разрешается ведение горных работ по углю, с началом которых проводят акустический контроль выбросоопасности, например, аппаратурой АК-1. При этом замеренное при бурении контрольных шпуров значение g_н.max используют для расчета первого слагаемого в выражении (4), определяющем комплексный показатель выбросоопасности. Критерий выбросоопасности (5) при последующем контроле показателя К преобразуется в критерий выбросоопасности по напряженному состоянию в следующем виде:

где к_тек - текущее значение показателя выбросоопасности акустического контроля состояния массива.

При акустическом контроле аппаратура АК-1 улавливает акустические колебания, генерированные в угольный массив работающими механизмами, проводит непрерывное измерение их амплитуд в области высоких и низких частот и определение их отношения, которое используют в качестве текущего значения показателя выбросоопасности по напряженному состоянию К_тек. Это значение непрерывно сравнивают с предельным в соответствии с критерием (6) и при достижении предельного значения останавливают забой и проводят локальные противовыбросные мероприятия. Если К_тек не достигает предельного значения, определямого критерием (6), то горные работы по проведению выработки продолжают на расстоянии 4 м от его положения в момент первого прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров.

После того, как с момента первого прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения выработка прошла 4 м, забой вновь останавливают для проведения очередного цикла прогноза по начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров. При этом максимальное значение показателя выбросоопасности по напряженному состоянию К_max, замеренное при проходке четырехметрового участка выработки, используют для расчета второго слагаемого в выражении (4), определяющем показатель выбросоопасности. Критерий выбросоопасности (5) при последующем контроле начальной скорости газовыделения g_н преобразуется в критерий выбросоопасности по начальной скорости газовыделения в следующем виде:

Очередной цикл текущего прогноза выбросоопасности в подготовительных выработках по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров включает визуальный осмотр забоя выработки, выявление слагающих пласт угольных пачек, определение с помощью прочностномера прочности каждой пачки угля мощностью более 0,2 м и отнесение ее к потенциально выбросоопасной, если прочность окажется менее 75 условных единиц, поинтервальный прогноз выбросоопасности по начальной скорости газовыделения g_н из контрольных шпуров, пробуренных по потенциально выбросоопасной пачке угля или их совокупности, и отнесение зоны к выбросоопасной, если на каком-либо интервале контроля максимальное значение начальной скорости газовыделения g_н.max превысит предельное значение, определяемое критерием (7). Если g_н.max не достигает предельного значения, определяемого критерием (7), то замеренное при бурении контрольных шпуров значение _н.max вновь используют для расчета первого слагаемого в выражении (4), определяющем показатель выбросоопасности, и горные работы по проведению выработки продолжают на расстоянии следующего четырехметрового участка при непрерывном прогнозе акустическим методом в соответствии с ранее описанным алгоритмом.

Процесс текущего прогноза выбросоопасности при попеременном прогнозе по начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров и акустическим методом продолжают в соответствии с описанной технологией.

Для осуществления предлагаемого способа применяют серийно выпускаемое оборудование: для измерения прочности угля - прочностномер П-1; для измерения начальной скорости газовыделения - ручное электросверло, комплект витых составных штанг общей длиной до 6,5 м, герметизатор скважины и измеритель начальной скорости газовыделения ИГ-1; для акустического контроля выбросоопасности - прибор АК-1, состоящий из подземного блока, анализирующего блока, самописца и магнитофона. Связь анализирующего блока с подземным осуществляется по свободной паре телефонного кабеля. Подземный блок устанавливается в борт выработки на удалении от забоя в 5 м. При удалении подземного блока на 40 м от забоя он вновь переносится к забою на удаление в 5 м. Величина отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний К индицируется стрелочным прибором, установленным на лицевой панели анализирующего блока, и регистрируется самописцем.

Формула изобретения

Способ текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа, включающий определение начальной скорости газовыделения g_н из контрольных шпуров, пробуренных по потенциально выбросоопасной пачке угля или их совокупности, перед началом цикла работ по проведению выработки; определение отношения К амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, генерируемых режущим инструментом в угольный массив, в процессе проведения выработки, и на основе показаний g_н и К оценку выбросоопасности зоны угольного массива, отличающийся тем, что равномерно поинтервально определяют комплексный показатель выбросоопасности П в соответствии с выражением П=(g_н.мах/4)+(К_мах/3) и относят зону угольного массива к выбросоопасной, если П ≥ 2, и к невыбросоопасной, если П < 2.

РИСУНКИ

Рисунок 1