Природа, механизм, прогноз и предотвращение опасности внезапных прорывов метана в лавы из надрабатываемых и подрабатываемых угольных пластов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.01, кандидат технических наук Костюк, Светлана Георгиевна

• Костюк, Светлана Георгиевна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Костюк, Светлана Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИСТОРИЯ ВОПРОСА.

2. ОПАСНОСТЬ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВНЕЗАПНЫХ ПРОРЫВОВ МЕТАНА В ПРИЗАБОЙНОЕ ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО ЛАВ ИЗ СОСЕДНИХ ПЛАСТОВ-СПУТНИКОВ.

2.1. Внезапные прорывы метана в лавы на шахтах Донбасса.

2.2. Внезапные прорывы метана в лавы на шахтах Кузбасса.

2.3. Масштабы газовой опасности и условия проявления внезапных прорывов метана в лавь1.

2.4. Аналогия внезапных прорывов газа и внезапных выбросов угля и газа.

3. ПРИРОДА И МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТИ ВНЕЗАПНЫХ ПРОРЫВОВ МЕТАНА В ЛАВЫ ИЗ СОСЕДНИХ ПЛАСТОВ.

4. ПРОГНОЗ ВЕРОЯТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТИ.

5. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТИ.

5.1. Механизм профилактического воздействия дегазации и увлажнения пластов-спутников.

5.2. Схемы бурения дегазационно-увлажнительных скважин, технология профилактических работ и необходимые меры безопасности.

5.3. Оборудование для буровых и профилактических работ по предотвращению газовой опасности.

5.4. О возможности локализации газовой опасности средствами вентиляции.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Природа, механизм, прогноз и предотвращение опасности внезапных прорывов метана в лавы из надрабатываемых и подрабатываемых угольных пластов»

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. На шахтах Кузбасса при разработке свит высокогазоносных пологих и слабонаклонных угольных пластов средней мощности комплексно-механизированными лавами при интенсивной добыче угля стали происходить внезапные прорывы метана в прилегающее к забою выработанное пространство через вмещающие породы из соседних надрабатываемых и подрабатываемых пластов и пропластков угля (шахты «Капитальная», «Абашевская», «Юбилейная», «Зыряновская», «Байдаевская», им. Кирова и др.). Они создают взрывоопасную атмосферу и вызывают продолжительные остановки добычных участков. Максимальный в начальный период времени приток метана составляет от 30 до 200 м3/мин. По характеру метановыделения, регистрируемого аппаратурой автоматического газового контроля путем непрерывной записи концентрации метана, они тождественны внезапным выбросам угля и газа.

Несмотря на то, что такие явления в длинных лавах наблюдаются за рубежом, например, в Англии со второй половины XIX века и регистрируются в Донбассе начиная с 1933 г., среди исследователей и производственников нет единого мнения о природе и механизме внезапных прорывов метана, а для Кузбасса не создано эффективных способов прогноза и предотвращения их опасности. В этой связи исследования роли природных и технологических факторов в зарождении и реализации опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних пластов и пропластков угля и установление на основе этих исследований основных принципов прогноза и предотвращения газовой опасности, весьма актуальны.

Диссертационная работа написана по результатам выполнения в 1995-98 гг. работ ВостНИИ (в них автор был ответственным 5 исполнителем) по отраслевой программе «Уголь России» № 7.4.4 в соответствие с проектом 0-15 «Разработка способов и средств обеспечения безопасных условий труда на угольных предприятиях России».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в изучении роли природных и технологических факторов в формировании и реализации опасности внезапных прорывов метана в призабойное пространство лав из соседних над- и подрабатываемых угольных пластов и в выявлении с учетом их основных принципов прогноза, предотвращения и локализации указанной опасности.

ИДЕЯ РАБОТЫ основана на побочном вредном эффекте опережающей защитной над- и подработки выбросоопасных зон в угольных пластах, заключающемся в формировании под и над выработанным пространством полостей-коллекторов свободного метана под давлением - источников газовой опасности для лавы защитного пласта, которые можно прогнозировать и обезвреживать способами, используемыми при разработке пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ базируются на обобщении и анализе материалов расследования внезапных прорывов метана в выработанное пространство лав на шахтах Кузбасса, публикаций о подобных авариях в других бассейнах, выявлении аналогий между этими явлениями и внезапными выбросами угля и газа из разрабатываемых пластов и возможности использования арсенала способов защиты от внезапных выбросов для прогноза, предотвращения и локализации опасности внезапных прорывов метана из соседних пластов с учетом современных научных представлений о напряженно-деформированном и коллекторно - фильтрационном состоянии газонасыщенной угольной толщи в области 6 влияния горных работ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ: выявить характерные особенности и оценить опасность внезапных прорывов метана в выработанное пространство лав из соседних пластов; выявить аналогию между этими явлениями и внезапными выбросами угля и газа в забоях разрабатываемых пластов; обосновать роль природных и технологических факторов в формировании и реализации газовой опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних пластов; разработать методику геолого-маркшейдерской паспортизации вероятных источников газовой опасности; обосновать основные принципы предотвращения и локализации газовой опасности с использованием арсенала способов защиты от внезапных выбросов угля и газа. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ: при над- и подработке выбросоопасных зон пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, сложенных тектонически нарушенным углем с высокой начальной газоотдачей -способностью сорбированного углем метана переходить в свободное состояние быстро и в больших объемах, образуются источники газовой опасности - газонаполненные полости разгрузки от горного давления - коллекторы свободного метана под давлением на контакте пластов угля и вмещающих пород или внутри пластов между пачками нарушенного и ненарушенного угля; эти источники газовой опасности образуются ниже критической выбросоопасной глубины разработки в пределах области защитной нади подработки, соответственно, на удалении до 60 м и 100 м от разрабатываемого пластов по нормали; газонаполненные полости развиваются по направлению движения 7 забоя лавы на разрабатываемом пласте, не пересекая границу зон разгрузки и опорного давления - силовой преграды на пути развития полости и стремятся отклониться в сторону выработанного пространства; при междупластье менее критической мощности (25 м при надработке) вдоль этой границы может образоваться щелевой канал прорыва метана из газонаполненной полости в призабойное выработанное пространство позади добычного комплекса вдоль лавы или в конвейерном штреке вдоль нижележащего угольного массива, который будет разрабатываться последующей нижней лавой; при большем междупластьи щелевой канал прорыва метана может образоваться по сместителю дизъюнктивного нарушения или ослабленному контакту пород с различными прочностными свойствами (например, в зоне древнего размыва), имеющих выход в выработанное пространство разрабатываемого пласта; образованию канала прорыва метана способствует динамическая нагрузка на нижележащий массив обрушившейся консоли труднообрушаемых пород кровли в виде удара кровли по нижележащей газонаполненной полости; дегазация над- и подрабатываемых пластов нерациональна, т.к. ее применение до формирования газонаполненной полости связано из-за низкой газопроницаемости неразгруженного пласта со значительным затратами времени, а после образования полости - может оказаться запоздалой. Более целесообразно заблаговременное низконапорное увлажнение таких пластов до полного водонасыщения, после которого будет исключено образование источника газовой опасности за счет блокирования сорбированного углем метана капиллярным давлением воды и пережатия фильтрующих трещин за счет набухания 8 увлажненного угля; по характеру выделения метана на выемочный участок внезапный прорыв газа аналогичен крупному внезапному выбросу угля и газа и разбавить потоки прорывающегося метана потоками свежего воздуха традиционной вентиляцией во многих случаях невозможно. Необходимо локализовать газовую опасность на начальной стадии прорыва газа путем оперативного изменения комбинированной схемы проветривания выемочного участка на прямоточную схему с отводом потоков прорвавшегося метана через обрушенные породы выработанного пространства на газоотводящую выработку и далее через вентиляционную скважину на земную поверхность с помощью газоотсасывающего вентилятора.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ: на основе физической модели напряженно-деформированного, коллекторского и газофильтрационного состояния над- и подрабатываемой угольной толщи установлено, что в области защитного действия очистных работ в пласте-спутнике формируется источник газовой опасности - полость-коллектор свободного метана, стремящегося внезапно прорваться в выработанное пространство через вмещающие породы вдоль границы зон разгрузки и опорного давления по сместителю дизъюнктива или ослабленному контакту пород с различными прочностными свойствами; доказано, что внезапные прорывы газа происходят только в период движения очистного забоя над или под выбросоопасной зоной пласта спутника, сложенного тектонически нарушенным углем, который способен при упругом восстановлении ранее сжатого горного массива превращать сорбированный псевдосжиженный метан в свободный газообразный быстро и в значительных объемах; 9 обоснованно, что опорное давление впереди и с отставанием ниже и выше забоя лавы разрабатываемого пласта является силовой преградой на пути распространения полости разгрузки-коллектора свободного метана, обогнать которую полость не может. В результате трещины прорыва газа образуются в пределах внутреннего угла выработанного пространства, ограниченного взаимно перпендикулярными линиями забоя и борта лавы; установлено, что внезапным прорывам газа из пластов-спутников способствуют небольшая мощность разрабатываемого пласта, наличие труднообрушаемых пород кровли и высокая скорость подвигания забоя, которые создают условия для интенсивной разгрузки от горного давления выше и ниже выработанного пространства и динамической (ударной) пригрузки обрушившейся консоли кровли на нижележащую газонаполненную полость; доказано, что по характеру газовыделения в начальной стадии внезапные прорывы газа аналогичны внезапным выбросам угля и газа и для их предотвращения наиболее рационально заблаговременное низконапорное противовыбросное увлажнение пластов-спутников, вызывающее эффекты блокирования сорбированного метана в мелких угольных порах капиллярным давлением воды и пережим фильтрующих газ трещин в угле за счет его набухания при проникновении воды в тонкую структуру угля.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА СОСТОИТ: в научном обосновании гипотезы внезапных прорывов метана в призабойное вырабртанное пространство длинных комплексно-механизированных лав при интенсивной разработке свит высокогазоносных пологих и слабонаклонных угольных пластов средней мощности с труднообрушаемыми породами кровли как результат

10 побочного вредного эффекта защитной над- и подработки выбросоопасных зон пластов-спутников, сложенных тектонически нарушенным углем с высокой начальной газоотдачей при разгрузке от горного давления; в обосновании расположения трещин прорыва газа в пределах внутреннего угля выработанного пространства лавы вдоль забоя и в погашаемом конвейерном штреке позади забоя воздействием опорного давления лавы, создающего силовую преграду на пути распространения газонаполненной полости разгрузки-коллектора возле или внутри пласта-спутника и отклоняющего полость в сторону выработанного пространства; в установлении аналогии внезапных прорывов газа и внезапных выбросов угля и газа по характеру газовыделения и в доказательстве, что наиболее эффективным и технологичным способом предотвращения внезапных прорывов газа является заблаговременное низконапорное противовыбросное увлажнение пластов-спутников, снижающее их газоотдачу за счет блокирования сорбированного метана в мелких угольных порах капиллярным давлением воды и пережима фильтрующих газ трещин в угле за счет его набухания при проникновении воды в тонкую структуру угля.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ, СФОРМУЛИРОВАННЫХ В РАБОТЕ, обосновывается и подтверждается: использованием в исследованиях материалов расследований всех зарегистрированных в Кузбассе аварий, связанных с внезапными прорывами метана в выработанное пространство лав из соседних пластов, опубликованных в технической литературе сведений об аналогичных авариях за пределами России, современных научных

11 представлений о напряженно-деформированном и газофильтрационном состоянии газонасыщенной угленосной толщи с большим числом, диапазоном и по разному ориентированных дефектов (трещин), последних достижений в теории внезапных выбросов угля и газа и сходных с ними газодинамических явлений и в практике их прогноза и предотвращения; отсутствием внезапных прорывов газа при отсутствии выявленных в работе природных и технологических условий формирования и реализации газовой опасности.

НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается: в научном обосновании гипотезы внезапных прорывов метана в призабойное выработанное пространство лавы как результат побочного вредного эффекта противовыбросной опережающей защитной над- и подработки выбросоопасных зон на пластах-спутниках. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается: в разработке основных принципов прогноза, предотвращения и локализации опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних пластов, заложенных в основу действующего «Руководства по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы, а также ее отдельные результаты докладывались на научных семинарах ВостНИИ «Борьба с газодинамическими явлениями и дегазация угольных пластов» (1999, 2000 гг.), на Международной научно-практической конференции «Экономические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» (КузГТУ,1999 г.), на конференции, посвященной 70-летию со дня рождения Е.А. Бобер (КузГТУ, 1999 г) и на Научно-практической конференции « НЕДЕЛЯ - ГОРНЯКА 2000»

12

МГГУ, 2000 г.),

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, учебном пособии, трех научных статьях и в практическом руководстве.

13

1 .ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Первым, кто попытался объяснить внезапные прорывы и экстремальные выделения метана в очистные выработки из вмещающих пород и увязать их с соседними подрабатываемыми и надрабатываемыми угольными пластами и пропластками, был Г. Вебер. В опубликованных в 1916-1917 гг. работах [ 1 ] он полагал, что в выработанном пространстве лавы происходит пучение почвы, при этом между нижележащими пластами и сопровождающими их породами образуются полости, и в эти полости выделяется газ. А над выработанным пространством происходит отслаивание вышележащих пластов породы и угля, и над ним также образуются полости, в которые поступает газ. Между собой полости соединены трещинами, они являются каналами, через которые приникает газа в выработанное пространство. Г. Вебер считал, что газ выделяется в полости только в области воздействия на соседние пласты очистных работ. Впоследствии такие полости стали именоваться «полостями Вебера».

Позднее, в 1955 г. была опубликована гипотеза К. Паттейского [ 2 ] о газовыделении из соседних с разрабатываемым угольных пластов: в результате оседаний пород и действия опорного давления на породы, залегающие в почве, в междупластье образуются резервуары (полости), постепенно заполняемые метаном, проникающим туда из угольных пластов; вблизи забоя образуются трещины, достигающие указанных резервуаров; из резервуаров газ по трещинам, главным образом во время падения барометрического давления, проникает в выработанное пространство.

Развивая гипотезы Г. Вебера и К. Паттейского, И.М. Печук [3-5] в 1956-1957 гг. попытался доказать, что большую роль в образовании полости (щели) играет давление газа. Он ввел понятия: «спутник» -вышележащий (нижележащий) пласт или пропласток угля, питающий газом выработанное пространство разрабатываемого пласта, и «надспутник» (подспутник) - вышележащий (нижележащий) угольный пласт или пропласток угля, питающий указанное выработанное пространство только с момента перехода очистными работами разрабатываемого пласта геологически неспокойной зоны или по истечении весьма длительного времени после отработки. И.М. Печук полагал, что физическую сущность разгрузки спутника представляет образование полости (щели) между ним и окружающими его породами под действием давления газа, находящегося в угле, и отчасти гравитационной напряженности. Когда давление газа в спутнике превышает вес залегающего над ним междупластья (при надработке) или сопротивление разрушению зависающего междупластья (при подработке) первоначально образуется щель. По мере удаления очистного забоя щель увеличивается и постепенно переходит в полость.

Если с причинами и механизмом поступления метана в выработанное пространство лавы из вышележащих пластов и пропластков с учетом гипотез Г. Вебера, К. Паттейского и И.М. Печука, на первый взгляд, более или менее все ясно - обрушение, расслоение, трещинообразование вышележащей угленосной толщи под действием гравитации; накопление свободного метана и его фильтрация по трещинам; дренаж газа через сместители дизъюнктивов и др., то для нижележащей угленосной толщи по причинам и механизму внезапных загазирований очистных выработок существуют различные мнения. Их неплохо обобщил Ю.М. Бирюков в своей диссертации [ 6 ]. Суть их вкратце сводится к следующему.

Впервые необычные газодинамические явления в длинных лавах наблюдались в Англии во второй половине XIX века. Их классифицировали как «внезапные выбросы из почвы». В бывшем СССР подобные явления начали регистрироваться в Донбассе с 1933 г., и к настоящему времени в этом бассейне их зарегистрировано более 70. ВНИМИ составлены каталоги таких явлений [ 7,8 ] . Они получили

15 наименование «динамические разломы пород почвы в горных выработках». Они происходят, в основном, на пологих пластах в лавах, вблизи забоев штреков, на сопряжении штреков с лавами. Большинство разломов наблюдалось, когда в непосредственной почве выработки залегали либо песчаный сланец, либо песчаник.

JI.A. Скляров, В.Т. Водолазский, В.В. Шерсткин так объясняют образование полости расслоения, заполненной газом. Над расслоением массив в виде плиты, защемленной по контуру, на которую со стороны полости действует равномерно распределенное давление газа, а сверху -противодавление от веса плиты. В плите возникают растягивающие напряжении, которые при достижении предела прочности на разрыв разрушают плиту в виде внезапного поднятия (разлома) почвы. Устанавливается расчетная критическая мощность плиты - примерно 0,5 от ширины выработки.

М.П. Зборщик. В.В. Осокин, А.Н. Рудь полагают, что эти явления -результат упругого восстановления мощной толщи упругих пород, прикрытой слоем пород с преобладанием в них пластических деформаций. Срез пластической породы по периметру обнажения дает свободу упругому восстановлению упругих пород, их разрыву, разрушению с выделением из них газа, разрушающего массива и перемещающего разрушенный материал.

A.A. Гурич, В.П. Кузнецов, B.C. Сидоров, H.A. Филиппов считают, что в многослойной системе пород происходит срыв сцепления между слоями при изменении напряжений в массиве в процессе подвигания выработки. На участке срыва возрастают напряжения изгиба вышележащих над полостью слоев, в полость фильтруется газ, он еще больше повышает напряжения изгиба, которые разрывают изгибающийся слой. По сути, все эти исследователи однозначно интерпретируют гипотезы Г. Вебера,

К. Паттейского и И.М. Печука, по крайней мере, не противоречат им.

16

И.М. Печук предложил следующие критические значения между-пластья Мкр , м, разрушаемые газом, накапливающимся в полости нижележащего спутника, при газовом давлении в спутнике Р0, кгс/см2 [ 3 ] : пологие и наклонные пласты при спокойном залегании

М^ = 0,5 Р0; то же, при наличии тектонических нарушений

М^ = 0,8 Р0; крутые (более 50°) пласты при спокойном залегании

Мкр = 0,5 Р0 +15; то же, при наличии тектонических нарушений

М^ = 0,8 Р0+15.

В качестве способа предупреждения внезапных и экстремальных выделений метана из вмещающих пород И.М. Печук предложил дегазацию подрабатываемых и надрабатываемых пластов - спутников скважинами, пробуренными заблаговременно из подготовительных выработок разрабатываемого пласта. Он полагал, что такая дегазация позволяет добывать метана больше, чем обычно выделяется из спутников в выработки эксплуатируемого пласта. Ее, считал И.М. Печук, нужно применять всегда там, где есть суфляры, где загазирования участков длительны. Основное положение для выбора направления скважины - точка пересечения спутника должна быть впоследствии разгружена (попасть в зону разгрузки очистных работ). Скважины герметизируются цементно-песчаным раствором и подключаются к дегазационному трубопроводу [ 3-5 ].

Из работ И.М. Печук[ 3-5 ] следует, что метод прогноза прорывов метана в лавы из пород почвы является расчетным - по мощности междупластья до пласта - спутника и природному давлению газа в пласте - спутнике на основании геологоразведочных данных, а способ их предотвращения - дегазация пласта - спутника скважинами, подключенными к дегазационному трубопроводу.

17

В последние годы на шахтах Кузбасса при разработке свит высокогазоносных пологих и слабонаклонных угольных пластов длинными комплексно-механизированными лавами при интенсивной добыче угля происходят внезапные прорывы и экстремальные (аварийные) выделения метана в прилегающее к забою выработанное пространство через вмещающие породы из соседних под- и надрабатываемых пластов и пропластков угля (шахты «Капитальная», «Абашевская», «Юбилейная», «Зыряновская», «Байдаевская», им. Кирова и др.). Эти опасные газопроявления создают взрывоопасную атмосферу и вызывают продолжительные остановки добычных участков. Максимальный во времени приток метана составляет от 30 до 200 м3/мин. По характеру метановыделения, регистрируемому на диаграммах автоматической записи концентрации метана аппаратуры автоматического газового контроля (АГК), эти газопроявления подобны внезапным выбросам угля и газа.

К сожалению, эти явления в Кузбассе, до выполнения цикла работ при участии автора и положенных в основу настоящей диссертации, детально не изучались и ни в каких источниках не описывались. Необходимо было выявить обстоятельства и причины внезапных прорывов газа по имеющимся материалам расследования аварий и свидетельствам очевидцев, оценить опасность этих явлений, дать научное обоснование их природы и механизма, предложить основные принципы их прогноза и предотвращения. Нам кажется целесообразным при выполнении поставленных задач использовать громадный опыт исследований и практических действий по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа, имеющих много общего с внезапными прорывами газа. Опять же, к сожалению, опыт исследований по Донбассу целиком перенести на условия Кузбасса невозможно по

18 следующим причинам.

В «Инструкции.» [ 9 ] для шахт Донбасса указано, что для прогноза внезапных прорывов метана в лавы из потенциальных источников газовой опасности - нижележащих пластов - спутников необходимо направить в обслуживающий шахты вычислительный центр следующие исходные данные: длина лавы и отход забоя от разрезной печи, м; выход летучих веществ из угля разрабатываемого пласта и пласта - спутника, % в пересчете на сухую беззольную массу; глубину разработки, м; расстояние по нормали до плоскости сместителя ближайшего дизъюнктивного нарушения, м; глубину зоны газового выветривания, м; расход воздуха в лаве (на добычном участке ), м3/мин; давление газа в горном массиве на данной глубине разработке, Па; выход золы в пересчете на сухую массу пласта - спутника, %; температура пород на данной глубине разработке, 0 С; литологический состав пород почвы по нормали на 60 м, а также мощность каждого слоя, м. Наиболее трудоемким и часто неточным являются замеры давления газа в горном массиве. Но ни это главное. В «Инструкции.» [ 9 ] метод прогноза и программа не раскрыты. Это не подлежащая разглашению интеллектуальная собственность научной организации другого государства, Украины. В той же «Инструкции.» [ 9 ] предусматривается дегазация источников газовой опасности скважинами на пласт - спутник, пробуренными из разрабатываемого пласта или из полевого штрека. Указано только расстояние между забоями скважин - не более 25 м. А до каких пределов осуществляется дегазация - не дано. Здесь же возникают сомнения о технологичности дегазации пластов до надработки вследствие низкой их газопроницаемости. А почему бы не попробовать нейтрализовать источники газовой опасности таким эффективным и быстрее

19 осуществимым профилактическим противовыбросным способом, как низконапорное увлажнение пластов? Учитывая значительные масштабы загазирования шахтных выработок при внезапных прорывах метана следовало бы рассмотреть вопрос управления газовыделением средствами вентиляции, например, направить метановые потоки через выработанное пространство на земную поверхность, минуя атмосферу действующих выработок и др.

Следовательно, для условий Кузбасса методы прогноза внезапных прорывов газа в лавы из соседних пластов, способы их предупреждения и локализации опасности нужно создавать заново.

20

Заключение диссертации по теме «Охрана труда (по отраслям)», Костюк, Светлана Георгиевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой решена актуальная задача по установлению роли природных и технологических факторов в формировании и реализации опасности внезапных прорывов метана в призабойное выработанное пространство лав из соседних над- и подрабатываемых угольных пластов-спутников и в выявлении с учетом этого основных принципов прогноза, предотвращения и локализации указанной опасности, обеспечивающих безопасную разработку свит высокогазоносных пологих и слабонаклонных пластов средней мощности высокопроизводительными комплексно-механизированными длинными лавами.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Доказано, что внезапные прорывы и экстремальные выделения метана в лавы через вмещающие породы - результат побочного вредного воздействия опережающей защитной над- и подработки соседних высокогазоносных и потенциально выбросоопасных пластов-спутников.

2. Выявлена роль тектонической нарушенности, газонасыщенности и начальной газоотдачи угля пластов-спутников, дизъюнктивов и ослабленных контактов вмещающих пород с различными прочностными свойствами в образовании газонаполненных полостей-коллекторов и трещин прорыва метана.

3. Выявлена роль зон разгрузки, опорного давления лавы и обрушения кровли при интенсивной разработке пласта в образовании и развитии газонаполненных полостей-коллекторов и трещин прорыва газа при над- и подработке пластов-спутников.

89

4. Выявлен механизм прорыва метана в призабойное выработанное пространство из под- и надрабатываемых пластов-спутников и предложена физическая модель этого процесса.

5. Предложены принципы геолого-маркшейдерской паспортизации вероятных источников опасности внезапных прорывов метана в лавы из под- и надрабатываемых пластов-спутников с учетом критической выбросоопасной глубины разработки, наличия разрывных тектонических нарушений, ослабленных контактов пород с различными прочностными свойствами, газонаполненных зон дробленных песчаников под экранирующими водоносными горизонтами и слоями глинистых пород, границ зон разгрузки и опорного давления и мощных слоев прочного песчаника в кровле разрабатываемого пласта, способных к динамическим пригрузкам при обрушении.

6. Обоснованы принципы и предложены схемы предотвращения опасности внезапных прорывов в лавы из надрабатываемых пластов-спутников с использованием средств дегазации и увлажнения пластов, рекомендованы схемы бурения скважин и оборудование для дегазации и увлажнения, основные параметры дегазации и увлажнения и меры безопасности при выполнении этих работ.

7. Обоснованы принципы и предложены схемы локализации опасности внезапных прорывов и экстремальных выделений метана в лавы из под- и надрабатываемых пластов-спутников аэродинамической изоляцией выработанного пространства от атмосферы действующих выработок путем оперативного трансформирования комбинированного (возвратно-прямоточного) проветривания выемочного участка с газоотсасывающим вентилятором на земной поверхности в аварийный режим прямоточного проветривания с прекращением электроснабжения лавы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Костюк, Светлана Георгиевна, 2000 год

1. Н. Weber. «Der Gebirgsdruck als Ursache fur das Auftreten von Schlagwettern, Bläsern, Gasausbrüchen und Gebirgsschlägern»// «Glückanf», 1916, Seite 1025/33, 1053/61, 1917, seite 1/9, 25/31, 49/54, 65/71, 89/96, 105/24.

2. K. Patteisky. «Das Auftreten und die Abwehr des Grubengases beim Steinkohlensbergbau» // «Gluckauf, Beiheft, August, 1955, «Beitäge dentscher Verfasser zum Gahrshundertkongress der Société l'Industrie Minerale».

3. Печук И. M. Дегазация спутников угольных пластов скважинами. -М.: Углетехиздат, 1956,- 210 с.

4. Печук И. М. Дегазация на шахтах Донбасса // Уголь. 1956. - № 12.- С. 20-25.

5. Печук И. М. Дегазация и отсасывание метана из выработанного пространства // Уголь. 1957,- № 5. - С. 25-27.

6. Бирюков Ю. М. Разработка способов предотвращения внезапных прорывов метана из почвы выработок, проводимых по мощным выбросоопасным пластам.-Канд. дисс.-М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1986.

7. Каталог динамических разломов горных пород на угольных шахтах.- Л.: ВНИМИ, 1983.- 118 с.

8. Каталог динамических разломов почвы горных выработок на угольных шахтах (дополнение к Каталогу 1983 г.).-Л.: ВНИМИ, 1986.-87 с.

9. Инструкция по прогнозу и предупреждению внезапных прорывов метана из почвы горных выработок. Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1987,29 с.92

10. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. М. : Минуглепром СССР, 1989. - 191 с.

11. Интенсификация метаноотдачи выбросоопасного угля динамическими колебаниями свободного газа в призабойной части лавы //

12. B. Н. Пузырев, Д. В. Алексеев, В. В. Иванов и др. // Управление газовыделением в шахтах : Межвузовский сборник научных трудов. -Кемерово: КузПИ, 1992. С. 35-43.

13. Пузырев В. Н., Балашова Т. А., Алексеев Д. В. О возможном явлении «гистерезиса сорбции» метана выбросоопасным углем при возбуждении колебаний давления свободного газа // Уголь. 1993. - № 6.1. C. 46-48.

14. Бородин В. А., Маничев В. М., Рязанов А. И. Кинетика роста тонкой равновесной трещины с газовой примесью // Физика твердого тела. 1990. - Т. 32. - № 12. - С. 570-578.

15. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений / Под ред. Ю. Мураками. Т. 1,2 М.: Мир, 1991. - 1013 с.

16. Хеллан К. Введение в технику разрушения. М.: Мир, 1988. - 364 с. 17. Пузырев В. Н. Текущий прогноз газодинамических явлений в подготовительных выработках угольных шахт. - Докт. дисс. - М.: МГИ, 1983.-413 с.93

17. Табаков А. Г. Результаты работ по дегазации угольных пластов на шахтах Кузбасса // Дегазация угольных пластов. М.: Госгортехиздат, 1961.-С. 74-116.

18. П.В. Потапов. Кемерово, 1998. - 132 с.

19. Прогноз, предотвращение и локализация опасности внезапных прорывов и экстремальных выделений метана в выработанное пространство: Учеб. Пособие / В.Н. Пузырев, П.В. Егоров, В.А. Рудаков, С.Г. Костюк. Кемерово: КузГТУ, 1999, - 52 с.

20. Боев А.И., Рудаков В.А., Костюк С.Г. Тектонико-газовые особенности угольных районов Кузбасса // Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию:94

21. Труды международной научно-практической конференции, т. 1. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. С. 152 - 153.

22. Егоров П.В., Пузырев В.Н., Рудаков В.А., В.А. Костюк С.Г. Классификация опасных газопроявлений в выработанных пространствах очистных забоев // «НЕДЕЛЯ-ГОРНЯКА 2000»: Научно-практическая конференция М.: МГГУ, 2000. 3 с.

23. Ход от В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Госгортехиздат, 1961.-263 с.

24. Деев Ю.В., Маркин В.А., Карьянов В.В. Метановыделение при бурении дегазационных скважин // Способы и средства создания безопасных условий труда в шахтах. Макеевка: МакНИИ, 1984.-С. 75 - 80.

25. Бобров А.И. Борьба с местными скоплениями метана в угольных шахтах. М.:Недра, 1988. - 152 с.

26. Методика оценки выбросоопасности угольных пластов с глубиной на разведуемых участках по геологоразведочным данным (составители В.Н. Пузырев, В.А. Рудаков, Л.М. Кнуренко, В.А. Кнуренко и др.). Кемерово: ВостНИИ, 1989,- 10 с.

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

28. Пузырев В.Н. Добыча метана путь повышения рентабельности и безопасности угольных шахт Кузбасса // Уголь, 1992, № 11,- С. 32-35.

29. Пузырев В.Н., Панасейко С.М., Несмашный М.С. Использование порошка алюминия при герметизации скважин цементным раствором // Уголь Украины, 1972, № 1,- С. 40-41.

30. Пузырев В.Н., Черкасов B.C. Оптимизация параметров дегазации и увлажнения выбросоопасных пластов // Уголь Украины, 1981, № 12.-С.35-36.

31. Пузырев В.Н., Шадрин A.B. Определение сейсмоакустическим методом предельного давления нагнетания жидкости для увлажнения угольного массива // Предупреждение эндогенных пожаров в шахтах: Научные труды / ВостНИИ .-Кемерово, 1986,- С. 125-131.

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

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

34. Инженерные методы расчета параметров региональных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа (руководство по применению) / Составители В.Н. Пузырев, В.Н. Хашин, B.C. Черкасов и др. /. Кемерово: ВостНИИ, 1986,- 29 с.96

35. Пузырев В.Н., Колмаков В.А. Управление газовыделением в шахтах: Учебное пособие / КузПИ,- Кемерово, 1990,- 96 с.

36. Безопасность труда в угольных шахтах: Практическое руководство / Л.П. Белавенцев, A.A. Мясников, В.Н. Пузырев и др.- М.: Недра, 1992.286 с.

37. Пузырев В.Н., Черкасов B.C. Оптимизация параметров региональных способов дегазации и увлажнения выбросоопасных и угрожаемых пластов // Эффективные способы управления газовыделением в угольных шахтах: Труды ВостНИИ / Кемерово: ВостНИИ, 1981,-С. 59-64.

38. Руководство по дегазации угольных шахт,- М.: Минуглепром СССР, 1990,- 192 с.

39. Временные рекомендации по снижению газообильности выемочных участков шахт Кузбасса поверхностными газоотсасывающими вентиляторами, установленными на устьях вентиляционных скважин /97

40. Составители В.И. Мурашев, Г.Г. Стекольщиков, В.М. Абрамов и др. / Кемерово: ВостНИИ, 1988.- 30 с.

41. Мурашев В.И., Стекольщиков Г.Г., Лудзиш B.C. Эффективность применения комбинированной схемы проветривания выемочных участков на шахтах Кузбасса // Уголь, 1990, № 7,- С. 51-53.

42. Методические рекомендации по премированию комбинированного проветривания выемочных участков с примене-нием газоотсасывающих вентиляторов / Г.Г. Стекольщиков, П.В. Егоров, А.И. Субботин и др. Кемерово: КузГТУ - АГН, 1998. - 70 с.

43. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. -Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1989,- 319 с.

44. Бирюков В.М. Новые способы предотвращения внезапных прорывов газа из почвы горных выработок. М.: ЦНИЭИуголь, 1991. - 64 с.

45. Бирюков Ю.М. Прогноз внезапных прорывов с динамическим разломом почвы выработки // Экспресс-информация. Караганда: Карагандауголь, ДНТИ, 1988. - 2 с.

46. Бирюков Ю.М. Способ борьбы с внезапными поддутиями почвы пласта при отработке лав // Экспресс-информация. Караганда: Карагандауголь, ДНТИ, 1988 - 3 с.

47. Бирюков Ю.М. Механизм внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки // Экспресс-информция. -Караганда: Карагандауголь, ДНТИ, 1988. 4 с.1. На правах рукописи

48. КОСТЮК СВЕТЛАНА ГЕОРГИЕВНА

49. ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ, ПРОГНОЗ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОПАСНОСТИ ВНЕЗАПНЫХ ПРОРЫВОВ МЕТАНА В ЛАВЫ ИЗ НАДРАБАТЫВАЕМЫХ И ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

50. Специальность: 05,26.01 «Охрана труда»^ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук1. Кемерово 2000

51. Диссертационная работа написана по результатам выполнения в 1995-98 гг. работ ВостНИИ (в них автор был исполнителем) по отраслевой программе «Уголь России» № 7.4.4 в соответствие с условий труда на угольных предприятиях России».

52. ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, учебном пособии, в трех научных статьях и в практическом руководстве.

53. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложена {«.^страницах машинописного текста, содержит 1 таблицу, 19 рисунков, список использованной литературы из 57 наименований.

54. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

55. Следовательно, для условий Кузбасса способы прогноза, предотвращения и локализации опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних пдастов нужно создавать заново. При этом следует уточнить некоторые особенности природы и механизма этих явлений.

56. В разделе 2 оценена опасность и рассмотрены характерные оео8бенности внезапных прорывов метана в призабойное выработанное пространство лав.

57. Почти во всех случаях визуально; .регистрировались трещины в почве пласта за секциями или в погашенных вентиляционных и конвейерных штреках вблизи забоя лавы. Из трещин прорыва иногда выносился пылевидный уголь.

58. Диаграммы автоматической записи концентрации метана аппаратурой АКМ в' исходящей вентиляционной струе аналогичны диаграммам при внезапных выбросах угля и газа кривые записи концентрации круто поднимаются вверх в течение нескольких минут.

59. Источниками опасности внезапных прорывов метана могут быть также газонаполненные зоны дробленых песчаников под экранирующими водоносными горизонтами иди под слоями слабопроницаемых глинистых пород (рис. 3).5$ Рг.д, МПа

60. Рис. 3. Схема формирования скопления свободного метана: 1. + земная поверхность; 2,3- соответственно водоносный горизонт и слои глины (экраны); 4- дробленые песчаники (коллекторы); 5- угольные пласты (источники метана); 6-потоки миграции метана

61. Поскольку затраты времени на увлажнение пластов-спутников менее значительны, чем на их дегазацию до надработки (подработки), увлажнение таких пластов предпочтительнее дегазации.

62. В работе приведен комплекс необходимого оборудования для выполнения указанных профилактических работ и рекомендованы необходимые меры безопасности.

63. Основные научные вздоды и практические результаты работы заключаются в следующем:,

64. Доказано, что внезапные прорывы и экстремальные выделения метана в лавы через вмещающие породы результат побочного вредного воздействия опережающей защитной под - и надработки соседних высокогазоносных и потенциально выбросоопасных пластов-спутников.

65. Выявлена роль зон разгрузки, опорного давления лавы и обрушения кровли при интенсивной разработке пласта в образовании и развитии газонаполненных полостей-коллекторов и трещин прорыва газа при над- и подработке пластов-спутников.

66. Выявлен механизм прорыва метана в призабойное выработанное пространство из под- и надрабатываемых пластов-спугников и предложена физическая модель этого процесса воздействия опережающей защитной над- и подработки соседних

67. Используя полученные автором результаты исследований, составлено «Руководство по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана», утвержденное Кузнецким управлением Госгортехнадзора России.

68. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

69. Прогноз, предотвращение и локализация опасности внезапных прорывов и экстремальных выделений метана в выработанное пространство: Учеб. пособие / В.Н. Пузырев, П.В. Егоров, В.А. Рудаков, С.Г. Костюк. Кемерово: КузГТУ, 1999. - 52 с.

70. Егоров П.В, Пузырев В.Н, Рудаков В.А., Костюк С.Г. Классификация опасных газопроявлений в выработанных пространствах очистных забоев // «НЕДЕЛЯ-ГОРНЯКА 2000»: Научно-практическая конференция (М.: МГГУ, 2000.- 3 е.).

71. ЛР № 021306 от 10.08.98 Подписано в печать. 05.2000 Тираж 75 экз. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ № Z90

72. Кузбасский государственный технический университет. 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

73. Типография Кузбасского государственного технического универси тета.650099, Кемерово, ул. Д. Бедного 4А.