Прогноз та керування газовиділенням із вироблених просторів відпрацьованих лав у вугільних шахтах

Размещено на Allbest.ru

Размещено на Allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук

Прогноз та керування газовиділенням із вироблених просторів відпрацьованих лав у вугільних шахтах

Антощенко Микола Іванович

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

УДК 622.411.33:622.817.47

Дніпропетровськ - 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт в гірничій промисловості (МакНДІ) і Донбаському гірничо-металургійному інституті (ДГМІ).

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор

Бондаренко Володимир Ілліч,

проректор з наукової роботи Національного гірничого університету, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Агафонов Олександр Васильович,

директор Донецького експертно-технічного центру Держнаглядохоронпраці України;

доктор технічних наук, професор

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ Микола Феофанович,

професор кафедри аерології та охорони праці

Національного гірничого університету, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

доктор технічних наук, професор

Медведєв Едуард Миколайович,

завідувач кафедри безпеки життєдіяльності Макіївського економіко-гуманітарного інституту,

Міністерство освіти і науки України.

Провідна організація: Донецький національний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, кафедра охорони праці та аерології.

Захист відбудеться “9” грудня 2004 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розіслано “7” листопада 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент

А.А. Колб.

Загальна характеристика роботи

Стан i актуальність проблеми. У відповідності із законодавством України про охорону праці, забезпечення безпеки на промислових об'єктах, в тому числі й вугільних шахтах, є невід'ємною частиною державної політики в галузі охорони життя і здоров'я людей, національного багатства і навколишнього природного середовища.

При загальному зниженні видобутку вугілля, на жаль, не припинились аварії, пов'язані з вибухами газу у шахтах. Створення безпечних умов з газового фактору на робочих місцях залишається актуальною проблемою. Підтвердженням цьому є низка аварій, що сталися на шахтах Донбасу в останні роки.

Аналіз літературних джерел і практика проведення гірничих робіт показують, що до цього часу недостатньо вивченими залишаються газовиділення із вироблених просторів раніше відпрацьованих лав. За деяких умов такі газопроявлення є аномальними, оскільки можуть в 2-3 рази перевищувати звичайні метановиділення у виробки діючих виїмкових дільниць. Внаслідок недостатнього вивчення, на стадії проектування провітрювання виробок виїмкових дільниць і шахт у цілому, не враховується можливість аномальних газопроявів, пов'язаних з такими газовиділеннями. З цієї причини можуть створюватися умови реальної загрози вибухів метаноповітряних сумішей. Здійснювані заходи не завжди дають бажаний результат, оскільки через відсутність методичних рекомендацій на практиці складно встановити безпосереднє джерело і місце газовиділень у виробленому просторі. Створення безпечних умов зв'язано з ефективною дегазацією таких джерел і застосуванням схем провітрювання виїмкових дільниць з урахуванням розміщення і напрямку загально шахтних потоків повітря в гірничих виробках.

У зв'язку з цим розкриття особливостей газопроявів із вироблених просторів відпрацьованих лав і розробка наукових основ прогнозу метановиділень із цього джерела, запобігання загазовування гірничих виробок є актуальною науково-технічною проблемою, розв'язання якої дасть можливість суттєво підвищити безпеку проведення гірничих робіт.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана за програмами “Розробити і впровадити ефективні технологічні схеми дегазації супутників при виїмці пластів стовповими системами і високим навантаженням на вибій” у відповідності до планів науково-дослідних робіт МакНДІ і ДГМІ і зазначена у звітах про НДР №76023857, 76073857, 307405, 170101000-104, ДР№ 0100U001272, які виконувалися автором як керівником чи відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розкриття механізму газовиділення із вироблених просторів відпрацьованих лав і розробка наукових основ прогнозу метановиділення у вугільних шахтах, встановлення факторів, що визначають ефективність схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць під час активізації зрушування порід.

Для досягнення поставленої мети слід вирішити такі завдання:

- виконати аналіз сучасних уявлень про процеси утворення газу у вугільних родовищах і формах знаходження метану у вугіллі і породах. Розглянути умови і причини, які спричиняють газовиділенню у гірничі виробки і дегазаційні свердловини;

- розробити дерево укрупнених проблем, що дозволить запропонувати концепцію подальшого розвитку наукових основ для вирішення завдання безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів;

- виконати теоретичні дослідження щодо встановлення залежності газовиділення від параметрів зрушування і напруженого стану підроблених пластів і вугленосних порід і на основі одержаних результатів розробити модель, що якісно характеризує процеси зрушування порід і газовиділення при розвитку очисних робіт;

- дослідити газовиділення з вироблених просторів відпрацьованих лав при зрушуванні порід над загальним з експлуатованою лавою виробленим простором;

- провести експериментальну оцінку газовиділень, викликаних первинними і вторинними зрушуваннями порід;

- вдосконалити класифікацію схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць з урахуванням особливостей процесів газовиділення із вироблених просторів відпрацьованих лав;

- розробити основні положення прогнозу метановиділення у вугільних шахтах, які враховують особливості утворення в відпрацьованих породах зон з різним напруженим станом.

Об'єкт дослідження - процес газовиділення із вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих виїмкових дільниць.

Предмет дослідження - особливості й характеристики процесу газовиділення з вироблених просторів відпрацьованих лав, викликані вторинними зрушуваннями порід (активізацією), які можуть бути використані для вдосконалення прогнозу метановиділення у вугільних шахтах і розробки ефективних заходів безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використані теоретичні і експериментальні методи, які базуються на теорії про форми знаходження газу у вугіллі, умови і фактори порушення природної рівноваги системи газ-вугілля, зрушування порід при проведенні гірничих робіт, експериментальне визначення режимів провітрювання і дегазації виїмкових дільниць у шахтних умовах з обробкою даних методами математичної статистики.

Ідея роботи полягає в розкритті механізму газовиділення із вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих виїмкових дільниць при розвитку очисних робіт в двох взаємно перпендикулярних напрямках з урахуванням особливостей порушення природного стану рівноваги системи газ-вугілля зближених пластів і утворенні в відпрацьованих породах зон з різним напруженим станом, об'єми і положення яких в просторі достовірно визначаються розмірами очисних виробок і параметрами мульд зрушування земної поверхні.

Основні наукові положення і результати, їх новизна.

Наукові положення:

1. На відміну від існуючих гіпотез залежність газовиділення із вироблених просторів відпрацьованих лав визначається активізацією зрушування порід над спільним виробленим простором діючої і зупинених очисних виробок.

2. Максимальна ефективність дегазації (до 90%) досягається в зонах активізації зрушування порід при розташуванні свердловин попереду діючої лави і над очисним вибоєм зупиненої суміжної дільниці. Буріння свердловин тільки попереду лави забезпечує ефективність 38,8 - 43,9%, а в зонах погашення порожнин розшарування після проходу очисного вибою - не більше 5,0-12,4%.

3. Ефективне керування газовиділенням із відпрацьованих просторів за рахунок зміни напрямків витоків повітря можливе, якщо межа міцності на одноосне стиснення порід безпосередньої і основної покрівлі перевищує гірничий тиск на підошву пласта, що розробляється, в 3,6-6,3 рази, керування газовиділенням не можливе коли межа міцності менше ніж гірничий тиск.

4. Збільшення швидкості просування очисного вибою з 0,9 до 4,3 м/доб не призводить до переміщення зони максимального газовиділення у бік виробленого простору. Вона має постійне положення відносно очисного вибою.

Наукові результати:

1. Розроблена якісна модель газовиділення, яка враховує порушення природної рівноваги системи газ-вугілля зближених пластів у всій відпрацьованій товщі від пласта, що розробляється, до земної поверхні при послідовному переході вугленосних порід з одного напруженого стану в інший над рухомим очисним вибоєм чи дискретному збільшенні виробленого простору на довжину експлуатованої лави. Це дозволило вперше теоретично обґрунтувати і експериментально підтвердити залежність рівня газовиділення із зон з різним напруженим станом порід від ступеня розвитку очисних робіт, встановити вісім зон можливого газовиділення, виявити сім характерних періодів процесу газовиділення в свердловини і виробки при віддаленні очисного вибою від розрізної печі, розробити схему зміни газовиділення в зонах впливу ціликів вугілля, залишених на зближених пластах.

2. Досліджене формування зон можливого газовиділення при активізації зрушування порід над виробленим простором з урахуванням параметрів мульд, що утворилися на земній поверхні і розмірів очисних виробок. Для визначення співвідношення відпрацьованості порід над виробленими просторами діючих і відпрацьованих виїмкових дільниць запропоновані аналітичні залежності, що враховують глибину робіт, потужність пласта, що розробляється, кут його падіння, склад і властивості вугленосних порід, ступінь метаморфізму.

3. Встановлена корелятивна залежність між кількістю газу, що виділився із вироблених просторів відпрацьованих лав і об'ємами мульд зрушування земної поверхні, спричинених відпрацюванням чергової виїмкової дільниці. Парні коефіцієнти кореляції між цими факторами склали відповідно для різних методик визначення параметрів зрушування 0,87 і 0,90. Надійність їх визначення дорівнює 95%.

4. Виявлені відмінні особливості газовиділення при активізації зрушування порід і встановлені умови виникнення, які дають можливість класифікувати його як окремий (особливий) вид метановиділення у вугільних шахтах. Вперше експериментально визначено рівні газовиділення із зон з різним напруженим станом порід при активізації їх зрушування.

5. В умовах безціликової виїмки вугілля експериментально проведено кількісну оцінку впливу окремих факторів на ефективність дегазаційних свердловин: гасіння вентиляційної виробки позад очисного вибою (до 40%), вид вентиляційного струменя повітря (6,8-12,1%), напрямки витоків повітря через вироблені простори (3,9-7,4%). Це дає можливість при виборі схем дегазації враховувати дванадцять факторів замість чотирьох, які використовуються зараз.

6. Створена концепція, яка узагальнює процеси всього циклу порушення природного стану відпрацьованих пластів і порід і відновлення їх вихідного стану (повного чи часткового) і розвиває наукові основи для розв'язання завдань безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів. Такими завданнями є прогноз газовиділення із вироблених просторів лав, що експлуатуються і відпрацьовані, вибір раціональних схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць, керування витоками повітря через вироблені простори.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються: застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих чи обґрунтованих припущень, об'ємом і тривалістю (більше десяти років) шахтних експериментів, позитивними результатами перевірки рекомендованих заходів боротьби з газом у виробничих умовах, виданням кількох галузевих нормативних документів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони використані як методологічна основа при розробці нормативних документів, рекомендацій, пропозицій, технічних рішень і способів, які підвищують безпеку відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Розроблені схеми провітрювання і дегазації виїмкових дільниць при активізації зрушування порід. Вони впроваджені в умовах шахти ім. газети “Известия” ДХК “Донбассантрацит”, а саме:

- схема дегазації зупиненої виїмкової дільниці;

- схема дегазації зближених пластів, що попадають в зону активізації зрушування порід попереду очисного вибою;

- схема попередньої дегазації зближених пластів і вміщуючих порід у зонах впливу вугільних ціликів;

- схеми провітрювання виїмкових дільниць, що виключають виділення метану в дільничні виробки при активізації зрушування порід.

В умовах шахт “Алмазна” і “Хрустальна” ДХК “Донбасантрацит” використано схему буріння свердловин з поверхні для добування газу поза зоною безпосереднього впливу очисних робіт з використанням ефекту активізації зрушування порід, що дало можливість експлуатувати котельню шахти “Алмазна” протягом тридцяти років. Вказані впровадження схем провітрювання і дегазації підтверджуються актами ДХК “Донбасантрацит” від 9.10.2002 р.

Загальні методологічні положення прогнозу газовиділення із вироблених просторів лав, що експлуатуються або вже відпрацьовані, вибору схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць і їх класифікації розглянуті МакНДІ і були запропоновані для використання при підготовці до видання нових нормативних документів.

Результати виконаних досліджень спрямовані на досягнення соціального і матеріального ефекту, внаслідок забезпечення безпечних умов відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну та практичну частини роботи. Зміст дисертації викладено автором особисто.

В працях, опублікованих у співавторстві, індивідуальна участь дисертанта полягає в: аналізі сучасних уявлень про форми знаходження газу у вугіллі і породах, розробці дерева нерозв'язаних наукових проблем відпрацювання газоносних вугільних пластів і обґрунтування напрямів досліджень [2- 4, 24, 31], узагальненні літературних даних зміни параметрів зрушування відпрацьованих порід [5, 19, 32, 33] і земної поверхні [35], розробці моделі газовиділення і обґрунтуванні її окремих положень при розвитку гірничих робіт [1, 5-7, 13-15, 17, 18, 21, 23, 26, 31, 33, 34], постановці завдань, виборі об'єктів дослідження, проведенні і організації всіх шахтних експериментів і аналізі отриманих результатів [1, 5, 6, 8, 10, 13-19, 21, 23, 26, 29, 31-34], розробці методу оцінки стану дегазаційних систем і виборі заходів щодо підвищення ефективності їх експлуатації [1], установленні можливості ефективної попередньої дегазації в зонах впливу вугільних ціликів [14].

Апробація роботи. Результати досліджень, основні наукові і прикладні положення дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній конференції “Безпека життєдіяльності на порозі XXI століття” (Алушта: МАНЕБ, ДГМІ, 1999); міжнародному екологічному симпозіумі “Перспективні інформаційні технології і проблеми керування ризиками на порозі нового тисячоліття” (Санкт-Петербург, МАНЕБ, 2000); міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності - 2000” (Феодосія: МАНЕБ, ДГМІ, 2000); міжнародній конференції “Стратегія виходу з глобальної екологічної кризи” (Санкт-Петербург, МАНЕБ, 2001); міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності 2001” (Міжгір'я , Закарпаття, ДГМІ, 2001); міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності” (Затока, Одеська область, Алчевськ, 2002); міжнародній конференції “Білі ночі - 2003” (Санкт-Петербург, Росія, 2003), а також на науково-методичних семінарах кафедри охорони праці і навколишнього середовища ДГМІ і на розширеному засіданні науково-технічної Ради відділу рудникової аерології МакНДІ.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в монографії, 30 статтях спеціалізованих наукових журналів і збірників, 7 доповідях і тезах конференцій і трьох авторських свідоцтвах, усього в 41 науковій праці (з них 14 індивідуальні).

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і містить 289 сторінок основного тексту, 66 рисунків (з них 35 на окремих сторінках), 38 таблиць (з них 33 на окремих сторінках), список використаних літературних джерел із 191 найменування і 11 додатків. Загальний об'єм складає 489 сторінок.

1. Основний зміст роботи

газовиділення вугілля шахта дегазація

У вступі обґрунтована наукова проблема і актуальність тематики роботи, напрям досліджень, сформульована мета і завдання, вказана наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, а також викладена загальна характеристика дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу стану сучасних уявлень про форми знаходження газу у вугіллі і породах [2-4, 24] і причин виділення метану в гірничі виробки. Розглянуті джерела і умови, що спричиняють газопрояви у вугільних шахтах [25].

При відпрацюванні вугільних пластів в певних умовах із них може бути видалений майже весь газ [31], але частково розвантажені від гірничого тиску зближені пласти протягом тривалого часу є потенційними джерелами метановиділення в гірничі виробки. З розвитком гірничих робіт і активізацією зрушування вугленосних порід потенційні джерела газовиділень переходять в розряд реальних, які не враховуються при розробці заходів щодо безпечного відпрацювання газоносних пластів.

На основі зроблених висновків, з урахуванням прийнятої концепції розкриття особливостей газовиділення із вироблених просторів і розвитку наукових основ прогнозу метановиділення у вугільних шахтах, сформульовано завдання необхідних досліджень.

У другому розділі виконаний аналіз теоретичних розробок і експериментальних даних, відомих із літературних джерел, що вказують на зв'язок процесу газовиділення із зрушуванням гірничих порід.

На основі узагальненої схеми зрушування і формування зон з різними напруженими станами порід під впливом очисних виробок встановлено, що для розкриття механізму газовиділення слід враховувати такі положення:

- порушення природної рівноваги систем газ-вугілля зближених пластів або газ-порода відбувається в усій відпрацьованій товщі при розмірі очисної виробки понад 0,1...0,3 глибини ведення робіт, що підтверджується утворенням мульд зрушування на земній поверхні;

- під впливом рухомого очисного вибою породи покрівлі зазнають в часі послідовно різні види механічного впливу (стиснення, розтягнення, розвантаження від гірничого тиску, його відновлення тощо);

- кожній стадії розвитку очисних робіт відповідають певні розміри зон впливу у вугленосних породах і кількість вугілля зближених пластів, що потрапляють в ці зони. Можливість виділення газу із вказаних зон залежить від мережі горизонтальних і вертикальних тріщин, що взаємно пересікаються. Поява тріщин визначається механічними властивостями порід, величиною і видом напружень, що виникають під дією очисної виїмки;

- умови виділення газу із зон порушеного природного стану вугленосних порід і зближених пластів визначаються ступенем розвитку очисних робіт в двох взаємно перпендикулярних напрямках, відповідно у бік посування очисного вибою і послідовного (чи іншого) відпрацювання лав у шахтному полі.

Для розробки науково обґрунтованого підходу до розрахунку рівня газовиділень із зближених пластів розглянуті зміни характеристик мульд зрушування з розвитком гірничих робіт над виробленим простором експлуатованих і раніше відпрацьованих очисних дільниць. На основі аналізу експериментально одержаних маркшейдерських замірів про зрушування земної поверхні при розвитку гірничих робіт, відомих із технічної літератури, запропонована спрощена схема [12, 26] формування плоского дна мульди і активізації зрушування порід. Спрощення полягало в заміні криволінійних меж мульди зрушування прямими відрізками, а також розміри мульди в головному перетині прийняли такими, що дорівнюють ширині виробленого простору. Такі припущення не вплинули на суть процесів, що аналізуються, але дали можливість спростити геометричну побудову при послідовному відпрацюванні кількох лав. Про можливість таких допущень свідчать високі парний коефіцієнт кореляції (r=0,99) і корелятивне відношення (R=0,99) між площами перетину мульд зрушування, визначеним за фактичними даними і розрахованим за спрощеним рівнянням з урахуванням запропонованої схеми формування плоского дна мульди.

За допомогою спрощеної схеми розвитку процесу зрушення порід над виробленими просторами лави, що експлуатується, і відпрацьованої лави отримано аналітичні рівняння (табл. 1). Вони дозволяють для кожного конкретного випадку відпрацювання чергової виїмкової дільниці розрахувати зміни параметрів мульд зрушування над загальним відпрацьованим простором і виділити геометричні розміри, відповідно до яких можна судити про ступінь зрушеності відпрацьованої товщі над очисною виробкою що експлуатується, і відпрацьованими. Це дає можливість оцінити очікувані об'єми газовиділення із зон зрушення природного стану системи газ-вугілля відпрацьованих зближених пластів.

Після відпрацювання першої в шахтному полі лави утворюється мульда зрушування над виробленим простором цієї виїмкової дільниці. Тому газовиділення з відпрацьованих пластів і порід можливо тільки із зон над виробленим простором експлуатованої лави, що відповідає відношенню, яка дорівнює одиниці, площі мульди в головному перетині (S_n) до площі мульди (S_в) над загальним виробленим простором (рис. 1).

Відпрацювання другої і наступних лав спричиняє процеси активізації зрушування порід і призводить до утворення мульди зрушування над загальним виробленим простором шириною В. В міру збільшення розмірів виробленого простору відпрацьованих лав зменшується частка впливу експлуатованої очисної виробки на геометричні розміри мульди зрушування. Такий вплив підтверджується експериментальними даними.

В міру розвитку очисних робіт змінюються співвідношення параметрів мульди зрушування над виробленим простором лав, що експлуатуються і відпрацьовані. Це свідчить про можливу зміну співвідношення газовиділення із виробленого простору експлуатованої і відпрацьованих лав. Якщо виходити із залежності газовиділення від параметрів зрушування порід, то із збільшенням розмірів виробленого простору лав, що відпрацьовуються, слід чекати зростання газовиділення із цього джерела. Така тенденція зміни газового балансу повинна спостерігатися до повного відпрацювання земної поверхні.

Таблиця 1. Залежності для визначення площі мульди (її частин) в головному перетині при розвитку очисних робіт в напрямку відпрацювання виїмкових дільниць

№ п/п	Стадія відпрацювання порід	Черговість відпрацювання очисних виробок, (i=1…n…i)	Площа мульди чи окремих її частин в головному перетині
			Загальна площа мульди SВ над виробленим простором шириною В	Частина площі мульди, зумовлена відпрацюванням чергової очисної виробки, Sn(Si)	Частина площі мульди, спричиненої активізацією зрушування порід над загальним виробленим простором при відпрацюванні наступної лави, ()	Частина площі мульди, зумовлена активізацією зрушування порід над виробленим простором експлуатованої лави, ()	Частина площі мульди, спричинена активізацією зрушування порід над виробленим простором відпрацьованих лав, ()
1	2	3	4	5	6	7	8
1.	До повного відпрацювання, ВВподр	1	(1)	---	---	---	---
		n	(2)	(4)	(6)	(8)	(10)
2	Після повного відпрацювання, ВВподр	i	(3)	(5)	(7)	(9)	(11)

Умовні позначення:

В - загальна ширина виробленого простору експлуатованих і відпрацьованих лав;

В₀ - ширина виробленого простору відпрацьованих лав;

В_подр - мінімальна ширина виробленого простору, при якому утворюється плоске дно мульди;

i - максимальне осідання земної поверхні відповідно після відпрацювання 1-ої, n-ої та i-ої лав;

₀ - глибина плоского дна мульди після повного підпрацювання земної поверхні;

максимальне осідання земної поверхні за умов першочергового підпрацювання відповідно n-ої або i-ої лави;

L₁, L_n, L_i відповідно довжина 1-ої, n-ої та i-ої лав.

Після утворення плоского дна мульди активізація зрушування порід відбувається тільки над частиною виробленого простору відпрацьованих лав, що безпосередньо прилягають до виробленого простору лави, яка експлуатується. Площа частини мульди (S_i), що утворилась під впливом експлуатованої лави, згідно з рівнянням (5), прямо пропорційна її довжині. Коефіцієнтом пропорційності є глибина плоского дна мульди зрушування (₀). На цій стадії розвитку очисних робіт довжина експлуатованої лави є головним параметром, який визначає співвідношення площ мульд зрушування над виробленими просторами діючої і відпрацьованої лав (рис. 2). Від співвідношення цих площ залежить можливий рівень газовиділення із розглянутих джерел.

Виявлені особливості зрушування порід над виробленими просторами лав, що експлуатуються і відпрацьовуються [12, 14] та експериментальні дані про процеси газовиділення [1, 5-10, 13, 15-19, 21, 23, 27, 28, 32-34] дали можливість розробити модель [30] , що якісно характеризує зміни газовиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини із відпрацьованих пластів і порід.

Модель пов'язує процеси газовиділення із зрушуванням порід та їх напруженим станом в усій відпрацьованій товщі від пласта, що розробляється, до земної поверхні. Вона враховує весь цикл порушення і відновлення повного чи часткового природного стану пластів і порід.

З позиції розвитку чи згасання процесів зрушування виділені сім характерних періодів газовиділення.

Проміжок часу між початком газовиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини (t₁) для конкретних умов залежить від параметрів і способу охорони свердловини. В свердловинах, пробурених до близько розташованих пластів, газ з'являється раніше в порівнянні з метановиділенням в свердловини, пробурені до більш віддалених пластів [18]. Викликано це послідовним розвантаженням шарів порід і зближених пластів в напрямку від розроблюваного пласта до земної поверхні.

Початок виділення газу в конкретну свердловину можливий лише за певних розмірів очисної виробки (віддалення вибою від розрізної печі на відстань Д₁). Зона розвантаження порід від гірського тиску (III₁) в цей період розвитку гірничих робіт визначається кутами (₁) повних зрушувань).

Розташування і розміри зон впливу очисної виробки в цей період визначаються геометричними параметрами очисної виробки (Д₁), довжиною двох напівмульд (2L₁) на земній поверхні, глибиною проведення гірничих робіт (Н) і граничними кутами (д₁).

Максимальна величина зрушування земної поверхні (з¹_max) залежить як від геометричних параметрів (Д₁, L₁, ₁, H), так і від товщини пласта, що розробляється (m), кута його падіння і властивостей міцності вугленосних порід. Значення (з¹_max) відображає, в якійсь мірі, порушеність відпрацьованих порід і зближених пластів. В сукупності з фізичними властивостями і параметрами, що характеризують процеси зрушування порід і їх напружений стан, за її величиною можна робити висновок про можливості утворення газопровідних тріщин в зонах впливу очисної виробки.

Із зони повних зрушувань порід, що визначається розміром виробки Д₁ і кутами ₁ (див. рис. 4), метановиділення відбувається тільки в гірничі виробки тріщинами, що взаємно пересікаються. Надходження газу із цієї зони в свердловини неможливо внаслідок відсутності в зонах I₁ і II₁ вертикальних тріщин, що з`єднують їх із зоною III₁. Виділення газу в свердловини відбувається тільки горизонтальними тріщинами розшарування на контактах породних шарів і зближених вугільних пластів з різними фізико-механічними властивостями. При наступному віддаленні очисного вибою від розрізної печі і відсутності гідравлічного зв'язку між зонами I₁, II₁ і III₁, (проникністю порід у вертикальному напрямку в зонах I₁, II₁ можна знехтувати) і продовженні розвитку процесів зрушування порід, спостерігається зростання газовиділення як у гірничі виробки, так і в дегазаційні свердловини (див. рис. 3). Збільшення кількості каптованого метану свердловинами не приводить до зменшення його надходження в гірничі виробки. В деяких випадках відбувається попередня дегазація відпрацьованих пластів і порід, розташованих в зоні тріщин, паралельних нашаруванню. В період часу t₂ газовиділення збільшується як у свердловини, так і в гірничі виробки. Тривалість цього періоду складає від кількох діб до кількох місяців [18] і залежить від гірничо-геологічних умов і швидкості посування очисного вибою.

Аеродинамічний зв'язок свердловин із зоною повних зрушувань з'являється після відходу очисного вибою від розрізної печі на відстань Д₂ і збільшенні кута повних зрушувань до значення ₂. Це призводить до перерозподілу метану, що виділяється із зони III₂, між дегазаційними свердловинами і гірничими виробками. Посилення дегазації в цей період (t₃) викликає зниження газовиділення в гірничі виробки.

При відході очисного вибою від розрізної печі на відстань Д₃ відбувається повне відпрацювання земної поверхні і сумарне метановиділення у виробки і свердловини досягає свого максимального значення. Досягнення максимуму спричинено потраплянням в зону повних зрушувань III₃ всіх шарів порід і зближених пластів, розташованих в проміжку від пласта, що розробляється, до земної поверхні. В цей період закінчується формування двох напівмульд на земній поверхні довжиною L₃ кожна. Одна залишається практично без змін над розрізною піччю, а друга подібно хвилі переміщується над очисним вибоєм з однаковою з ним швидкістю. Максимальне зрушування земної поверхні (з³_max) дорівнює глибині плоского дна мульди (з₀) і свідчить про максимальне порушення природного рівноважного стану систем газ-вугілля у всіх відпрацьованих пластах від того, що розробляється, до земної поверхні. Можливість надходження метану із відпрацьованих пластів і порід у свердловини і виробки визначається утворенням сполучених між собою газопровідних тріщин. Знаючи вид напруженого стану (стискання, розтягнення, згин), фізико-механічні властивості порід, їх граничні і практичні деформації в зонах впливу очисної виробки, глибину робіт і товщину пласта, що розробляється, можна розрахувати висоту можливого поширення вертикально орієнтованих тріщин.

Висота поширення тріщин, що взаємно пересікаються, в більшості випадків значно менша від глибини проведення гірничих робіт. З цієї причини із зони III₃ газовиділення в гірничі виробки можливо тільки з її частини, безпосередньо розташованої над виробленим простором. В свердловини газ може поступати із більш віддалених від пласта, що розробляється, областей зони III₃, що характеризується меншими значеннями відносних деформацій, які не можуть викликати розриви суцільності відпрацьованих порід у вертикальному напрямі, але призводять до розшарування пластів порід на їх контактах. Канали свердловин об'єднують в єдину аеродинамічну систему горизонтально орієнтовані тріщини, розміщені на різному віддаленні від пласта, що розробляється. За рахунок такого зв'язку відводиться додаткова кількість метану, який не надходив би в гірничі виробки при відсутності дегазаційних свердловин. Ефективна дегазація таких пластів на даному етапі розвитку гірничих робіт можлива також свердловинами групи 2, пробуреними безпосередньо в зони зрушування порід над рухомим очисним вибоєм.

Відхід очисного вибою від розрізної печі на відстань більш ніж Д₃ призводить до утворення плоского дна мульди зрушування на земній поверхні і появи нової зони III²₃ ущільнення (відновлення гірничого тиску) порід. В результаті ущільнення зменшується проникність порід, що раніше знаходились в розвантаженій зоні. Горизонтальні тріщини на контакті шарів породи закриваються. Посування очисного вибою вже не викликає зрушування порід над розрізною піччю. Ефективність дегазації відпрацьованих пластів і порід свердловинами групи 1 знижується. Тривалість метановиділення (t₄) в свердловини цієї групи визначається процесами ущільнення порід і десорбції метану із зближених пластів на стадії затухання [6].

Розвиток процесу газовиділення на даному етапі гірничих робіт відбувається тільки в зонах (III³_3, IV_3, V₃) безпосереднього впливу посування очисного вибою. З цієї причини вибір місця розташування дегазаційних свердловин групи 2 і розрахунок їх параметрів слід проводити з урахуванням постійного переміщення зазначених зон в породах, що відпрацьовуються і їх послідовний перехід із одного напруженого стану в інший.

Рівень і характер газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини групи 2 із зон безпосереднього впливу рухомого очисного вибою (III³_3, IV_3, V₃) залежить від швидкості його посування і тривалості процесів зрушування і ущільнення порід після їх відпрацювання. Вплив цих факторів є визначальним протягом всього часу (t₅) наступної експлуатації виїмкової дільниці. Після зупинки очисного вибою протягом часу t₆ припиняється газовиділення в свердловини, а через t₇ - в гірничі виробки.

В глибоких шахтах процеси газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини можуть дещо відрізнятися від наведеної моделі. Головна відмінність полягає у можливості утворення зони ущільнення (відновлення гірського тиску) ще до появи плоского дна мульди зрушування на земній поверхні.

Після відпрацювання в шахтному полі першої виїмкової дільниці над очисною виробкою в відпрацьованих породах утворюються зони різного напруженого стану. Вони суттєво впливають на умови відпрацювання чергової виїмкової дільниці за газовим фактором.

В горизонтальній площині зона можливого виділення газу біля зупиненого очисного вибою визначається розмірами фігури M'B'C'n. Площа цієї зони значно менша від загальної області впливу очисної виробки 1(фігура A¹ B¹ C¹ D¹). Після зупинки очисного вибою газовиділення із зони M'B'C'n починає зменшуватися. Якщо ж після зупинки першої лави зрушування порід не закінчилось, а до експлуатації введено нову лаву, то процес газовиділення набуває свого подальшого розвитку. Газовиділення активізується як біля зупиненого вибою 1, так і в зонах спільного впливу очисних виробок 1 і 2. Позаду очисного вибою 2 зона можливого газовиділення під впливом двох суміжних очисних виробок визначається розмірами фігури heGS, а попереду - фігурою elnrRG. За рахунок дискретного збільшення розмірів загального виробленого простору на величину виробки 2 розширюються зони можливого газовиділення із відпрацьованих пластів і порід.

При відпрацюванні суміжних лав в залежності від ступеня відпрацьованості порід можливі різні варіанти утворення зон газовиділення. Якщо до введення в експлуатацію чергової виїмкової дільниці повне відпрацювання не було досягнуто в двох взаємно перпендикулярних напрямках, то газовиділення можливі по всьому контуру виробленого простору. Утворення таких зон викликано збільшенням розмірів мульд зрушування і зміною ступеня відпрацьованості порід.

Про збільшення ступеня відпрацьованості порід можна судити за змінами профілю мульди зрушування в головних перетинах. За простяганням пласта ці зміни визначаються положеннями мульд 5 і 6, а в хрест простягання -3 і 4.

На формування зон можливого газовиділення при відпрацюванні суміжних лав впливає і період часу (якщо він є) між завершенням очисних робіт в лаві 1 і їх початком в лаві 2. При достатньо великому проміжку часу між експлуатацією виїмкових дільниць породи в зоні mbcl ущільнюються за рахунок відновлення гірського тиску, і їх напружений стан практично не відрізняється від стану порід в зоні amld. З цієї причини відпрацювання суміжної очисної виробки в даному випадку не буде викликати суттєвих додаткових газовиділень із зони mbcl.

Ущільнення порід в зонах abcd і dhpf впливає на режим провітрювання за рахунок зміни їх проникності для витоку повітря через вироблені простори діючих і відпрацьованих виїмкових дільниць. При достатньому ущільненні відпрацьовані породи стають практично непроникними для витоку повітря. Вплив цього фактору особливо сильно має проявлятися в глибоких шахтах.

Розроблена модель газовиділення показала, що кожній стадії розвитку гірничих робіт в двох взаємно перпендикулярних напрямках відповідає певний характер газовиділення в гірничі виробки і свердловини. Прийнявши робочу гіпотезу про залежність газовиділення від ступеня відпрацьованості порід і пластів, з її допомогою можна розв'язати низку важливих проблем гірничого виробництва:

- прогнозувати метановиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини;

- прогнозувати газовиділення на денну поверхню;

- виявляти можливість видобутку свердловинами “додаткового” газу, який не виділяється в гірничі виробки;

- вибирати схеми провітрювання і дегазації з урахуванням зрушування й ущільнення порід;

- розраховувати зміни газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини при експлуатації очисних вибоїв у зонах впливу ціликів вугілля, залишених на зближених пластах.

Теоретичні дослідження визначили завдання й спрямованість шахтних експериментів для підтвердження прийнятих положень і гіпотез.

В третьому розділі представлені результати експериментів, проведених на дев'яти шахтах п'яти виробничих об'єднань (холдингових компаній), що відпрацьовували пласти вугілля всього ряду метаморфізму (починаючи з марок Д і закінчуючи антрацитами).

Основна частина спостережень за газовиділеннями в гірничі виробки і дегазаційні свердловини проведена на шахті ім. газети “Известия” ДХК “Донбасантрацит” протягом восьми років при відпрацюванні антрацитових пластів l₂^в і l₃.

Шахтні експерименти полягали у вимірюванні витрат газу у висхідних вентиляційних потоках повітря з періодичністю 15 діб. Пункти замірів розміщались як у виробках діючих виїмкових дільниць, так і за їх межами, в тому числі і у виробках зближених пластів, з якими міг виникнути аеродинамічний зв'язок після відпрацювання порід і активізації їх зрушування. Розташування пунктів замірів вибиралось і корегувалось з урахуванням розвитку гірничих робіт і зміною схем провітрювання як окремих виїмкових дільниць, так і шахтного крила в цілому. Заміри витрат газу в дегазаційних свердловинах проводились з однаковою періодичністю із замірами в гірничих виробках.

Умовами проведення шахтних експериментів охоплювались можливі варіанти виникнення активізації зрушування порід і відповідні їм процеси газовиділення при відпрацюванні одного [8-10, 13, 20, 29, 32, 36] чи кількох [14, 38] пластів свити.

Газовиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини, викликані активізацією зрушування порід, спостерігались також на дільницях 1-ої північної лави пласта lшахти “Краснолиманська” колишнього виробничого об'єднання “Добропіллявугілля”, 20-ої західної лави пласта m₃ шахти “Чайкіне” ДХК “Макіїввугілля”, 11-ої північної лави пласта l₃ шахтоуправління “Алмазне” і 6-ої східної лави пласта lшахти “Хрустальна” ДХК “Донбасантрацит” [8, 13].

При розробці методики розрахунку параметрів дегазаційних свердловин і вимог до місця їх розташування використано результати експериментів, проведених на шахтах “Краснолиманська” (4-а південна лава пласта l₇, 3-я і 5-а північні лави пласта l₃), № 13-біс колишнього виробничого об'єднання “Радянськвугілля” (6-а і 7-а панельні лави пласта l₇), ім. 50-річчя СРСР колишнього виробничого об'єднання “Краснодонвугілля” (лава № 12 пласта і₃), ім. О.О. Скочинського ДХК “Донецьквугілля” (3-я східна лава пласта h₇). “Хрустальна” (2-а східна лава пласта l), “Чайкіне” (16-а, 19-а, 20-а західні і 3-я східна лави пласта m₃), ім. Поченкова ДХК “Макіїввугілля” (6-а і 7-а східні стовпи пласта m₃) [5, 17].

Особливості газовиділень, викликані активізацією зрушування порід, вивчались в умовах:

- розробки одного пласта спареними лавами;

- розробки одного пласта суміжними очисними виробками;

- розробки кількох пластів свити;

- ведення очисних робіт в зонах впливу ціликів вугілля, залишених на зближених пластах.

Процеси зрушування порід і пов'язані з ними газовиділення набувають свого розвитку чи затухання протягом часу, що обчислюється місяцями чи роками. З цієї причини для встановлення впливових факторів при статистичній обробці результатів експериментів використані середньомісячні дані. Встановлені особливості газовиділення, викликані повторними зрушуваннями порід:

- газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини на дільницях спарених лав суттєво відрізняються між собою через різне розташування дільничних виробок відносно вироблених просторів відпрацьованих лав. В різні періоди відпрацювання лав середньомісячні газовиділення на дільницях відрізнялись між собою в 1,23,0 рази;

- результатами шахтних експериментів та їх аналізом підтверджено одне з основних теоретичних положень про залежність рівня газовиділень від розвитку очисних робіт в двох взаємно-перпендикулярних напрямках;

- практикою проведення гірничих робіт підтверджено наявність тріщин і порожнин, заповнених газом, над границями ціликів вугілля і доведена можливість їх ефективної попередньої дегазації свердловинами до безпосереднього вторинного відпрацювання. За два місяці із одної свердловини виділилось 180 тис. м³ метану. Позитивний досвід дозволяє рекомендувати аналогічні схеми буріння свердловин в зонах максимальної тріщинуватості порід в умовах активізації їх зрушування;

- підтверджена практична функціональна залежність газовиділення від видобутку вугілля для одиничних лав (r=0,92ч0,96). Вплив цього фактору суттєво знижується (r=0,62) при відпрацюванні наступних в свиті пластів і виділенні основної кількості газу (більше 80%) за межами експлуатованої дільниці. Це вказує на підвищенні значення повторних процесів зрушування порід;

- встановлено, що при відстані між розроблюваним і зближеним пластами менш ніж тридцятикратної потужності, відбувається повна дегазація відпрацьованого антрацитового пласта, оскільки його остаточна газоносність (0,17ч3,62 м³/т) нижче ніж в зонах газового вивітрювання;

- вперше проведено експериментальну оцінку газовиділень із зон погашення порожнин позаду очисного вибою експлуатованої лави. Частина газовиділень, викликаних повторним зрушуванням порід над виробленим простором раніше відпрацьованої суміжної лави, дорівнює 25% від загального метановиділення на виїмковій дільниці. Таку ж частину складають газовиділення при активізації зрушування порід позаду діючого очисного вибою. Газовиділення, викликані первинними зрушуваннями порід, за умов, що вивчалися, змінювались в межах 20ч50%;

- доведено, що через зміни напряму витоків повітря через вироблені простори відпрацьованих лав, можна скоротити на 25% надходження газу у висхідний потік повітря із очисного вибою на сполученні його з вентиляційною виробкою.

Проведені шахтні експерименти підтвердили, що запропоновані схеми утворення зон в відпрацьованих породах і формування плоского дна мульди зрушування на земній поверхні разом з теоретичною моделлю можуть бути використані як методологічна основа розрахунку газовиділень із зон над виробленими просторами експлуатованих і відпрацьованих лав.

Четвертий розділ присвячений узагальненню результатів шахтних експериментів і перевірці теоретичних положень і гіпотез, прийнятих при розробці моделі газовиділення.

Накопичений досвід і теоретичні дослідження [27-29, 32, 35-38] дали можливість систематизувати газовиділення при активізації зрушування порід [11], що суттєво підвищує рівень обґрунтування вибору схем провітрювання і дегазації і забезпечує ефективність заходів щодо безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Процеси метановиділення залежать від параметрів зрушування вугленосних порід і наявності газопровідних каналів в них, що зв'язують зближені пласти і гірничі виробки. Це свідчить про необхідність проведення прогнозу газовиділень із зближених пластів з урахуванням двох процесів - зрушування порід і десорбції метану із вугілля зближених пластів.

Це припущення перевірене шляхом порівняння результатів шахтних замірів газовиділень в гірничі виробки і дегазаційні свердловини з об'ємами мульд зрушування при розвитку гірничих робіт по пласту lшахти ім. газети “Известия”. Розрахунок параметрів мульд зрушування проведений за двома різними методиками. Перша була запропонована Борзих А.П. і Горовим Є.П., а друга наведена в “Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях, М.: Недра, 1981.- 288с. ”.

Кореляційний аналіз показав, що загальний об'єм газовиділень із вироблених просторів відпрацьованих лав в одних геологічних умовах визначається в основному об'ємом частини мульди зрушувань, викликаним відпрацюванням наступної суміжної лави. Високі коефіцієнти парної кореляції (r=0,87ч0,90) між цими параметрами для різних методик розрахунків об'ємів мульд зрушування показали пряму пропорційну залежність кількості виділеного метану із вироблених просторів від об'ємів мульд зрушування, викликаних відпрацюванням наступної суміжної лави.

Проведені тривалі шахтні спостереження за газовиділеннями із вироблених просторів відпрацьованих очисних виробок і схема утворення мульд на земній поверхні під впливом зрушування відпрацьованих порід дали можливість розробити загальні теоретичні положення прогнозу газовиділень із зближених пластів, що враховують розвиток гірничих робіт, як за простяганням, так і за підніманням (падінням) пластів.

В п'ятому розділі викладені теоретичні і практичні основи вибору схем провітрювання виїмкових дільниць при наявності газовиділень, викликаних активізацією зрушування порід. Враховуючи різноманітні умови виникнення газовиділень, пов'язаних з повторними зрушуваннями порід, дані пропозиції щодо класифікації схем провітрювання.

Досвід застосування прямоточних схем провітрювання при значних газовиділеннях із вироблених просторів відпрацьованих лав [10, 20] показав відсутність їх переваг в порівнянні з іншими схемами. Це визначило необхідність перегляду принципів вибору схем провітрювання виїмкових дільниць при наявності таких газовиділень. Класифікацію схем провітрювання виїмкових дільниць запропоновано доповнити умовами примикання дільничних виробок до вироблених просторів відпрацьованих лав і можливістю керування витоками повітря.

Критерієм оцінки можливості керування витоками повітря через вироблений простір пропонується використати співвідношення межі міцності порід покрівлі на одноосьове стискання і тиск, що діє на підошву пласта, який розробляється, після повного відпрацювання земної поверхні.

За рахунок керування напрямком витоку повітря через вироблені простори відпрацьованих лав досягнуто високу ефективність застосування схем провітрювання в умовах шахти ім. газети “Известия” [9]. При глибині проведення робіт 300 м тиск на підошву пласта, після повного відпрацювання оцінюється у 75 кг/см². Покрівлею пласта lє аргіліт. Його межа міцності в умовах, що розглядаються, дорівнює 272 ч 470 кгс/см². Межа міцності порід безпосередньої і основної покрівлі в даному випадку перевищує тиск порід в зоні повного відпрацювання в 3,6ч6,3 рази. Це сприяє збереженню техногенної тріщинності тривалий час і дозволяє керувати напрямком витоків повітря через вироблений простір відпрацьованих лав.

Така можливість керування витоками повітря виключається в глибоких шахтах. Наприклад, в умовах шахти ім. О.Ф. Засядька (Н=1500 м) безпосередня і основна покрівлі пласта l представлені аргілітами і алевролітами. Межі їх міцності на одноосьове стискання відповідно дорівнює 510 і 352 кгс/ см², що порівняно з тиском відпрацьованих порід (375 кгс/см²) на вказаній глибині. Керування витоками повітря в таких умовах через вироблений простір відпрацьованих лав стає практично нездійсненим завданням, так як проходить закриття техногенних тріщин і ущільнення порід покрівлі після попадання їх в зону під плоским дном мульди зрушування.

На основі проведених досліджень зроблені висновки [22], що є базовими при проектуванні провітрювання очисних виробок при виділенні газу, викликаного активізацією зрушування порід:

- прямоточні схеми провітрювання є найбільш ефективними при відпрацюванні тільки першої лави на пласті, коли немає вироблених просторів суміжних лав. За наявності вироблених просторів раніше відпрацьованих лав і виникнення умов для газовиділення із цього джерела у виробки діючої експлуатованої дільниці, прямоточні схеми провітрювання з повним відокремленим розбавленням шкідливості втрачають таку перевагу;

- схеми провітрювання з послідовним розбавленням шкідливості при приляганні дільничної виробки з висхідним вентиляційним струменем повітря до вироблених просторів відпрацьованих лав і напрямку витоків повітря від дільничної виробки слід відносити до схем з частковим розбавленням шкідливості за джерелами надходження. В деяких випадках такі схеми провітрювання мають суттєві переваги перед схемами, що віднесені до схем з повним відокремленим розбавленням шкідливості за джерелами;

...