Актуальные вопросы обеспечения угольных шахт средствами автоматизированного мониторинга внезапных выбросов угля и газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «КемГУ»

Актуальные вопросы обеспечения угольных шахт средствами автоматизированного мониторинга внезапных выбросов угля и газа

М.В. Дегтярева

Газодинамические явления (ГДЯ) на угольных шахтах и, в частности, наиболее сложные из них - внезапные выбросы угля и газа опасны своими катастрофическими последствиями. Так, внезапные выбросы, происшедшие на шахтах «Первомайская» в 1995 г., «№12» в 1997 г., «Красногорская» в 2000 г., «Коксовая» и «Абашевская» в 2001 г., привели к гибели 24 человек и большому материальному и моральному ущербу.

Благодаря накопленному опыту в области борьбы с газодинамическими явлениями, а также закрытию старых глубоких угольных шахт, на которых происходили эти явления, ситуация с выбросоопасностью заметно улучшилась. Однако известны случаи, когда наблюдались внезапные выбросы небольшой силы, но были скрыты, т.к. удалось избежать травматизма, и расследования по ним не проводились.

Существование угрозы проявления внезапных выбросов заставляет уделять внимание этому виду явлений и, в частности, повышению оперативности и достоверности способов их прогноза. В последние годы в связи с применением высокопроизводительной техники резко возросли скорости проведения горных выработок, и поэтому применяющиеся в России методы прогноза, основанные на непосредственном измерении параметров, характеризующих основные факторы выбросоопасности, в процессе бурения контрольных шпуров из-за больших временных затрат стали нетехнологичными. Появилась потребность в разработке и внедрении новых методов, не мешающих ведению горных работ. Для ее удовлетворения необходимо решить ряд вопросов технического и организационного плана, которые рассматриваются в данной работе.

Обоснование технических решений обеспечения угольных шахт средствами автоматизированного мониторинга внезапных выбросов угля и газа

Анализ преимуществ и недостатков известных методов текущего прогноза выбросоопасности

Выбросоопасность угольных пластов, влажность которых менее 6%, определяется тремя основными факторами: напряженным состоянием, давлением свободного метана в пласте и газоносностью угля, размерами и прочностью наиболее перемятой угольной пачки [1].

В Кузбассе в настоящее время 27 шахт отрабатывают пласты с мероприятиями по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа. Большинство противовыбросных мероприятий, которые включают в себя прогноз выбросоопасности, а в опасных зонах - способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа и контроль их эффективности, к настоящему времени не обеспечены методами автоматизированного контроля.

Так, например, в Кузбассе наиболее широко применяется метод текущего прогноза выбросоопасности по структуре пласта и начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров. В этом методе оценка давления газа производится по начальной скорости газовыделения из шпура, а влияние на выбросоопасность горного давления и прочности угля дополнительно может быть оценено путем учета объема штыба, выбуренного с соответствующего интервала контроля. Метод продолжителен и трудоемок, что сдерживает темпы ведения подготовительных выработок и не позволяет использовать его в лавах. Кроме того, поскольку метод учитывает только газовый фактор выбросоопасности, достоверность прогноза невысока.

Не обеспечены методами автоматизированного контроля также способы борьбы с внезапными выбросами и контроль эффективности их применения. Выполнение этих мероприятий либо отсутствует, либо осуществляется по устаревшим методикам, либо с помощью приборов, неадекватно оценивающих характер влияния на горный массив противовыбросных мероприятий. Так, например, известные способы противовыбросной гидрообработки пласта различаются интенсивностью развития трещин. Однако методов и средств контроля развития трещин в процессе гидрообработки на шахтах нет. Поэтому нормативными документами рекомендуется весьма приблизительно определять требуемую величину давления нагнетания жидкости для каждого способа гидрообработки в зависимости от веса вышележащих пород. В результате гидрообработка пласта часто бывает недостаточно эффективной и в настоящее время для предотвращения газодинамических явлений (ГДЯ) не применяется, равно как и для борьбы с угольной пылью и другими вредными и опасными факторами.

Следует также отметить, что поскольку метод текущего прогноза выбросоопасности по структуре пласта и начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров продолжителен, то он, как правило, применяется в ремонтную смену. При прогнозе «не опасно» разрешается проходка на глубину 4 м до выполнения следующего цикла прогноза. Однако высокие суточные скорости проведения подготовительных выработок современным оборудованием (более 10 м/сут) требуют выполнения нескольких циклов прогноза за сутки. Так как это существенно снижает темпы ведения работ, на практике вопреки нормативным документам часто ограничиваются одним циклом прогноза в сутки и работают за пределами разведанной зоны, несмотря на опасность развязывания ГДЯ.

Известно, что ниже критической глубины действительно выбросоопасные зоны составляют менее 5% суммарной протяженности проводимых подготовительных выработок [1]. Достаточно редкая регистрация реально выбросоопасных зон снижает производственную дисциплину службы прогноза и предотвращения газодинамических явлений, что в конечном итоге приводит к авариям с тяжелыми последствиями.

Обусловленный возможной тяжестью последствий выброса достаточно высокий «запас надежности» упрощенного метода прогноза по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров приводит к увеличению объема работ по выполнению способов борьбы с выбросами. Это сопровождается ростом дополнительных финансовых затрат. Осуществление широко применяемого способа борьбы с ГДЯ - бурения разгрузочных скважин - сопровождается увеличением стоимости проходки примерно на 30%.

В очистных выработках на шахтах Кузбасса прогноз выбросоопасности вообще не ведется, т.к. на достигнутых глубинах выбросы в них происходили редко, а прогноз «по шпуру» не применим из-за большой продолжительности его выполнения вдоль всей лавы. Если же с увеличением глубины ведения горных работ выбросы начнут проявляться и в очистных выработках, то методов и средств их текущего прогноза, адаптированных для условий Кузбасса, кроме метода контроля газовыделения в выработку с помощью аппаратуры контроля метана, характеризующегося завышенным «запасом надежности», нет.

За рубежом (в частности, в Украине) для автоматизированного прогноза ГДЯ широко применяется метод акустической эмиссии (АЭ). Однако достоверность прогноза этим методом также недостаточна. Его применение обусловлено отсутствием на сегодняшний день более надежного метода прогноза, особенно в лавах. Но поскольку метод АЭ не мешает ведению горных работ и позволяет анализировать ситуацию по всей длине очистной выработки, он применяется, а разработчики продолжают искать более надежные критерии выбросоопасности, нежели аномальное увеличение «шумности» при приближении забоя к опасной зоне.

Известен также газоаналитический метод прогноза по концентрации метана в атмосфере выработки вблизи опасного по выбросам забоя, измеренной аппаратурой контроля метана (АКМ). Однако этот метод также показал низкую надежность прогноза, так как контролирует преимущественно лишь один фактор выбросоопасности - газовый. Этим обусловлена необходимость большого «запаса надежности» при установлении критического значения показателя прогноза, чтобы не допустить ошибку первого рода - внезапный выброс.

В 90-е годы прошлого века разрабатывался также метод прогноза по температуре забоя или газа в шпуре. Метод предназначен преимущественно для оценки газового фактора выбросоопасности. Однако он не доведен до стадии внедрения.

На шахтах Донбасса нашел применение метод прогноза по амплитудно-частотным характеристикам пласта (другое современное название метода - спектрально-акустический).

Сущность метода заключается в том, что анализируется спектральный состав шумов, излученных в горный массив режущим органом горного оборудования (комбайна, струга, буровой коронки, отбойного молотка) и прошедших через контролируемую призабойную зону. Коэффициент затухания б акустических колебаний (звука) в твердом теле в первом приближении прямо пропорционален частоте сигнала f и обратно пропорционален средним напряжениям в массиве у [2, 4]:

,

где 0 - затухание на некоторой частоте f0 при отсутствии напряжений (в разгруженном состоянии); пр и т - соответственно предельное и текущее значения средних напряжений в массиве; - коэффициент пропорциональности, определяемый свойствами массива.

Из этого выражения видно, что с ростом напряжений коэффициент затухания на высоких частотах уменьшается сильнее, чем на низких (рисунок 1). Таким образом, измерив отношение амплитуд акустических сигналов на высоких АВ и низких АН частотах, получим, что с ростом напряжений растет это отношение, которое принимаем за показатель выбросоопасности метода К:

.

Экспериментально это положение впервые было установлено С.В. Мирером на шахтах Украины, в дальнейшем получило подтверждение на ряде шахт Кузбасса, Воркуты и Караганды, что явилось обоснованием спектрально-акустического метода прогноза выбросоопасности. Однако из выражений (1) и (2) видно, что этот метод контролирует напряженное состояние массива, а давление газа в пласте никак не влияет на распространение звука по горному массиву. Из этих выражений видно также, что один из основных факторов выбросоопасности - прочность перемятой угольной пачки - непосредственно также не учитывается спектрально-акустическим методом (косвенно прочность угля учтена величиной предельных напряжений в выражении (1)).

Рисунок 1 - Иллюстрация влияния средних напряжений на амплитуду А спектрального состава акустических шумов работающего горного оборудования

Таким образом, этот метод контролирует преимущественно один фактор выбросоопасности - напряженное состояние. Однако он позволяет осуществлять контроль выбросоопасности в процессе ее формирования - при ведении горных работ, в отличие от прогноза «по шпуру», при котором выбросоопасность контролируется в остановленном забое, как правило, в ремонтную смену. Другие описанные выше методы автоматизированного прогноза выбросоопасности также контролируют преимущественно один фактор выбросоопасности: метод АЭ - напряженное состояние, газоаналитический и температурный - газовый фактор.

Проблема мониторинга отработки выбросоопасных угольных пластов с целью обеспечения выбрособезопасности остро стоит не только в России (Кузбассе, Печорском угольном бассейне и на шахтах Ростовской области), а также на шахтах Украины, Казахстана, Австралии, ЮАР и ряда других государств.

Обоснование комплексного метода автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности

Поскольку в Кузбассе в настоящее время методы автоматизированного прогноза ГДЯ не применяются, необходимо разрабатывать и начать внедрять способы и средства прогноза, основанные на применении новых информационных технологий получения и обработки информации о состоянии горного массива, не мешающих ведению горных работ.

Для выполнения этого проекта в Кемеровском государственном университете имеется научный задел, заключающийся в аналитическом обосновании применения для прогноза внезапных выбросов (и других типов ГДЯ) комплексного метода. Комплексный метод прогноза реализуется путем обработки в непрерывном режиме средствами вычислительной техники данных спектрально-акустического и газоаналитического контроля основных факторов выбросоопасности: напряженного состояния массива и давления газа в пласте [2-4]. Учет третьего основного фактора производится путем периодического замера прочности перемятой пачки и ввода этих данных в алгоритм расчета.

Для реализации метода необходимо, чтобы при контроле напряженного состояния спектрально-акустическим методом контролируемая зона угольного пласта находилась на трассе прохождения акустических колебаний от источника (работающего оборудования) до приемника (геофона). Это реализуется следующим образом [4].

При контроле выбросоопасности в лаве датчики (геофоны) устанавливаются впереди лавы в короткие шпуры, пробуренные по углю из вентиляционного и конвейерного штреков (используются, как правило, два комплекта аппаратуры). При движении комбайна вдоль лавы акустические колебания от его режущего органа проходят по призабойному пространству к геофонам, и напряженное состояние оказывает влияние на их спектр.

При контроле выбросоопасности в подготовительной выработке геофон устанавливается в борт выработки в шпур, пробуренный по углю, на расстоянии примерно 5 м от забоя (схема расположения комбайна и оборудования спектрально-акустического контроля показаны на рисунке 2). В этом случае напряжения, действующие в призабойном пространстве впереди выработки на глубине нескольких метров, оказывают влияние на спектральный состав акустических колебаний, достигших геофона, поскольку пространственные размеры акустической волны не могут быть меньше половины длины волны, а она для рабочего диапазона частот составляет не менее нескольких метров.

Рисунок 2 - Схема расположения оборудования для осуществления спектрально-акустического контроля горного массива (прогноза выбросоопасности) в подготовительной выработке

После того, как забой удалится от геофона примерно на 25 м, геофон переносится в сторону забоя на расстояние 5 м от него и т.д.

При прогнозе выбросоопасности по результатам бурения по углю геофон также устанавливается в борт выработки на удалении от устья скважины примерно на 5 м так, чтобы акустическая волна при распространении от буровой коронки до геофона проходила по контролируемому участку массива.

Данный метод защищен тремя патентами РФ [5-7]. Осуществлены также работы по разработке блок-схемы системы автоматизированного мониторинга выбросоопасности и моделированию отдельных узлов устройства с помощью электронной системы моделирования радиотехнических устройств «Electronics workbench».

Состав разрабатываемого оборудования для автоматизированного текущего прогноза выбросоопасности

Полный комплект оборудования включает:

· Стационарную аппаратуру, имеющую подземную и наземную части (рисунок 2). Подземная часть осуществляет прием акустических колебаний, генерируемых работающим оборудованием, их первичную обработку и передачу на поверхность. Наземная часть включает вычислительный комплекс, связанный с помощью локальной вычислительной сети с вычислительным комплексом аппаратуры контроля метана.

· Переносную аппаратуру, предназначенную для накопления экспериментальной информацию в шахте для уточнения параметров стационарной системы мониторинга перед ее установкой. Показатель выбросоопасности в этом случае будет определяться с помощью палетки, учитывающей также концентрацию метана у забоя и прочность перемятой пачки угля. (Возможен вариант ввода данных о концентрации метана и прочности угля в микроконтроллер в «ручном режиме».) Данный прибор будет также полезен для локального прогноза выбросоопасности.

Предполагается оснастить систему также блоками регистрации АЭ, что необходимо для контроля интенсивности развития трещин под действием нагнетаемой в пласт воды.

Таким образом, система позволит осуществлять автоматизированный мониторинг всего комплекса мероприятий по обеспечению выбрособезопасности и предотвращения других видов ГДЯ, включающего текущий прогноз опасности проявления ГДЯ, управление параметрами профилактической гидрообработки угольных пластов и контроль эффективности выполненных мероприятий. Дополнительно с помощью этой системы можно было бы реализовать метод дифференцированного прогноза различных типов ГДЯ [3].

Алгоритмы определения критерия выбросоопасности

Нами разработаны два алгоритма расчета критерия выбросоопасности для двух моделей развязывания выброса (двух этапов развития выбросоопасной ситуации). Первый этап - начало развития трещин, при котором происходит создание блочной структуры угля в призабойном пространстве. Второй этап - когда под действием сил горного и газового давления происходит выдавливание в выработку блока (куска) угля, что приводит к потере устойчивости массива и инициированию волны дробления, направленной в глубь массива - развязыванию выброса.

Алгоритм определения критерия выбросоопасности на этапе развития блочной структуры пласта

Первая модель развития выброса рассматривает этап его подготовки - достижение напряжениями примерно 70% от предела прочности угля. При таких напряжениях в пласте начинают развиваться трещины и формируется блочная структура угля в призабойном пространстве.

Критерий выбросоопасности (начала развития трещин), определенный через показатель Ккр спектрально-акустического метода контроля с учетом поправок, учитывающих давление газа в пласте по показаниям концентрации метана аппаратурой АКМ, и прочности угля q, определенной прочностномером, определяется следующим выражением [4]:

.

Здесь коэффициенты Ккр,0 (показатель опасности при отсутствии газа в пласте) и Dк (параметр, учитывающий свойства пласта и вид режущего органа) определяются опытным путем (ноу-хау разработчика); f1(q) рассчитывается по результатам измерения прочности q наиболее слабой угольной пачки пласта по формуле ; текущее значение Ст концентрации метана в атмосфере выработки и фоновое значение Сф, замеренное перед началом ведения горных работ, измеряются аппаратурой АКМ; Q - расход воздуха ВМП, проветривающего выработку, м3/с.

Как видно из формулы (3), критериальное значение показателя выбросоопасности, определенное спектрально-акустическим методом, корректируется в зависимости от газового фактора и прочности угля. Это позволяет повысить точность прогноза и снизить объем и стоимость противовыбросных мероприятий в зонах, где реальной опасности нет или она незначительна. угольный шахта выбросоопасность температурный

Алгоритм определения критерия выбросоопасности на этапе потери устойчивости массива

Вторая модель развития выброса рассматривает этап выдавливания блока (кусков) угля под действием сил горного и газового давления - явления, с которого начинается процесс формирования полости выброса под действием волны дробления.

Силовой критерий выбросоопасности (выдавливающие блок угля силы превышают препятствующие выдавливанию силы), определенный через показатель Кт.пред спектрально-акустического метода контроля, с учетом поправок, учитывающих давление газа в пласте и прочность угля, определяется следующим выражением [7]:

,

где Км - масштабный коэффициент измерительного тракта прибора; Ккр.0.ист - истинное (до введения масштабного коэффициента) критическое значение показателя выбросоопасности спектрально-акустического прогноза в отсутствие действия газового фактора; Q - расход воздуха на проветривание выработки, м3/с; Ст и Сф - соответственно текущее и фоновое значения концентрации метана в атмосфере выработки у забоя, %; - функция прочности, определяемая по прочности q угля в наиболее перемятой пачке; - корректирующий параметр для учета газового фактора выбросоопасности.

при таком автоматизированном прогнозе текущее значение Кт показателя выбросоопасности акустического прогноза сравнивают с предельным значением Кт,пред показателя выбросоопасности. Если Кт < Кт, пред, зону угольного пласта относят к невыбросоопасной, а если Кт ? Кт, пред, зону угольного пласта относят к выбросоопасной.

Метрологическое обеспечение метода

· Проверка работоспособности измерительного тракта прибора до спуска в шахту осуществляется путем подачи на вход системы (стационарной или переносного прибора) к клеммам, к которым подключается геофон, контрольного сигнала, соответствующего определенному значению показателя выбросоопасности.

· Проверка работоспособности измерительного тракта прибора при установке геофона осуществляется путем постукивания металлическим предметом, например штангой электросверла, по стойкам крепи по мере их удаления от места установки геофона для уточнения радиуса его действия. При недостаточном радиусе действия проводятся работы по улучшению контакта геофона с углем или увеличению глубины шпура, в который устанавливается геофон.

· Проверка достоверности прогноза проводится не реже одного раза в 10 дней и заключается в сравнении результатов прогноза, сделанных аппаратурой автоматизированного мониторинга выбросоопасности и «прямым» методом по начальной скорости газовыделения и выходу штыба при бурении контрольного шпура.

Обоснование организационных решений обеспечения угольных шахт средствами автоматизированного мониторинга внезапных выбросов угля и газа

Для реализации проекта нужны организационные мероприятия, направленные на создание условий для производства оборудования и внедрения методов автоматизированного мониторинга выбросоопасности угольных пластов и их внедрения и эксплуатации на шахтах.

Поставлять оборудование могло бы специально созданное или уже существующее малое (или среднее) инновационное предприятие (МИП), специализирующееся на разработке и внедрении оборудования для мониторинга опасности проявления ГДЯ и рабочих методик его применения, обучении работников шахт эксплуатации средств и методик, выполнению метрологического сопровождения оборудования и проведению ремонтных работ.

На шахтах, внедряющих автоматизированный мониторинг выбросоопасности, необходимо создать специализированное подразделение, персонал которого должен пройти специальное обучение навыкам работы с данным методом контроля состояния горного массива.

Авторы выражают благодарность доктору технических наук, профессору А.А. Трубицыну за ценные замечания, высказанные при обсуждении работы.

Библиографический список

1 Шадрин, А.В. Критерии выбросоопасности, применяемые и разрабатываемые для угольных шахт Кузбасса / А.В. Шадрин, П.В. Егоров, С.Е. Трусов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2003. - №4. -С.14-20.

2 Шадрин, А.В. Автоматизированный мониторинг противовыбросных мероприятий при разработке угольных пластов: дис. … д-ра техн. наук: 25.00.20 / Александр Васильевич Шадрин; Кузбасский гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2004. - 356 л.

3 Шадрин, А.В. Автоматизированный дифференцированный прогноз различных типов газодинамических явлений в угольных шахтах / А.В. Шадрин, А.О. Чугулев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. - №2. - С. 45-60.

4 Шадрин, А.В. Акустический двухчастотный метод контроля напряженного состояния горного массива / А.В. Шадрин, М.В. Дегтярева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. -№1.2. -С. 55-59.

5 Пат. 34202 Российская Федерация, МПК Е21F5/00. Аналитическая шахтная многофункциональная система / Шадрин А.В., Рудаков В.А., Трусов С.Е.; заявитель и патентообладатель Кемеровский гос. ун-т. -2003121807/20; заявл. 15.07.2003; опубл. 27.11.2003, Бюл. №33.

6 Пат. 2231649 Российская Федерация, МПК Е21F5/00. Способ текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа / Шадрин А.В.; заявитель и патентообладатель Кемеровский гос. ун-т. -2002130097/03; заявл. 10.11.2002; опубл. 27.06.2004, Бюл. №18.

Аннотация

В работе рассматривается современное состояние обеспечения угольных шахт Кузбасса средствами прогноза выбросоопасности. Отмечается, что в связи с внедрением в последние годы на шахтах высокопроизводительной проходческой и очистной техники метод текущего прогноза выбросоопасности по структуре пласта и начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров из-за большой продолжительности осуществления сдерживает технологический процесс. Решение проблемы видится во внедрении автоматизированного метода прогноза выбросоопасности, основанного на контроле основных факторов, определяющих выбросоопасность пласта, геофизическими методами, не мешающими ведению горных работ.

Рассматриваются известные геофизические методы текущего прогноза выбросоопасности: акустической эмиссии, газоаналитический, спектрально-акустический и температурный. Делается вывод о том, что для надежного прогноза выбросоопасности необходим комплексный метод, позволяющий контролировать напряженное состояние пласта - спектрально-акустическим методом, газовый фактор выбросоопасности - газоаналитическим (с помощью аппаратуры контроля метана в горных выработках). Необходимо также учитывать прочность наиболее перемятой угольной пачки.

Для разработки и внедрения этого метода рассматриваются необходимые технические решения (состав оборудования, включающий комплект стационарной и переносной аппаратуры, алгоритмы расчета показателя выбросоопасности, метрологическое обеспечение метода) и организационные вопросы (обучение, метрология, ремонт и т.п.).

Ключевые слова: Факторы выбросоопасности, текущий прогноз, действующие напряжения, давление газа, прочность угля, автоматизированный мониторинг, критерий.

Размещено на Allbest.ru