Разработка методов определения угрожаемых и опасных участков по газу на горных отводах ликвидируемых шахт тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.01, кандидат технических наук Кравченко, Александр Иванович

• Кравченко, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кравченко, Александр Иванович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Общие проблемы ликвидации угольных шахт

1.2 Анализ факторов, влияющих на процесс выделения газов из выработанных пространств ликвидируемых шахт на земную поверхность

1.2.1 Влияние интенсивности затопления выработанных пространств на выделение газов из ликвидируемой шахты

1.2.2 Влияние барометрического давления и депрессии естественной тяги на выделение газов из ликвидируемых шахт

1.3 Управление газовыделением на поверхность из ликвидируемых

1.4 Динамика газовыделения из недр ликвидируемых шахт

1.5 Процессы миграции газов к поверхности

1.5.1 Исследование сдвижения толщи пород, процессов сдвижения и разрыхления слагающей толщи пород как возможных путей миграции газов к поверхности

1.5.2 Миграция газов к поверхности

1.6 Контроль за газовой ситуацией

1.7 Цель и задачи исследований

2 ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТИ

2.1 Способы ликвидации шахт

2. 2.Метод оценки вредного влияния на окружающую среду в пределах горных отводов при ликвидации шахт различными способами 26 2.2.1 Общая характеристика рассматриваемых шахт и принятый способ ликвидации

2.2.2 Газовыделение и его распределение по сети горных выработок в период ликвидации шахт

2.2.3 Коллекторы и объемы метановоздушной смеси в них перед ликвидацией шахт

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫДЕЛЕНИЯ ВРЕДНЫХ ГАЗОВ НА ЗЕМНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

3.1 Математическая модель миграции шахтных газов на поверхность

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЫДЕЛЕНИЯ РУДНИЧНЫХ ГАЗОВ НА ЗЕМНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

4.1 Процесс затопления шахты и его влияние на интенсивность выделения газов из выработанных пространств на земную поверхность

4.2 Влияние изменений атмосферного давления на динамику выделений рудничных газов на поверхность

4.2.1 Влияние изменений атмосферного давления на динамику выделений рудничных газов на поверхность в условиях шахты "Западная"

4.2.2 Влияние изменений атмосферного давления на динамику выделений рудничных газов на поверхность в условиях шахты "Южная"

4.2.3 Влияние изменений атмосферного давления на динамику выделений рудничных газов на поверхность в условиях шахты им. Калинина

4.3 Влияние депрессии естественной тяги на динамику выделений рудничных газов на поверхность

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов определения угрожаемых и опасных участков по газу на горных отводах ликвидируемых шахт»

Актуальность работы. Одним из основных направлений реструктуризации угольной отрасли, осуществляемой в настоящее время, является закрытие нерентабельных и неперспективных угольных шахт.

Не имея достаточных научно обоснованных проработок, процесс закрытия шахт выявил целый ряд проблем, связанных с обеспечением безопасности при ликвидации и после ликвидации угольных предприятий.

К таким проблемам, в первую очередь, необходимо отнести разработку мероприятий по предотвращению проникновения вредных шахтных газов в жилые и производственные помещения, расположенные на горных отводах ликвидируемых шахт, в период и после их ликвидации, а также в действующие шахты, имеющие общие границы и аэродинамические связи с ликвидируемыми.

Решение этих вопросов имеет особую важность, поскольку непосредственно связано не только с угрозой жизни и здоровью населения, проживающего как на горных отводах ликвидируемых шахт, так и в непосредственной близости к ним. Это обусловлено тем, что до настоящих исследований отсутствовала необходимая нормативная база, позволяющая комплексно решать ряд вопросов, связанных с процессами сдвижения, эндогенной пожароопасно-сти и динамики метановыделения.

В этом и заключается актуальность настоящей работы, т.к. отсутствие нормативных документов приводит к выдаче научно необоснованных рекомендаций и созданию опасных и аварийных ситуаций.

Диссертационная работа выполнена на основе НИОКР по тематическим планам ВостНИИ 1994 -2000 гг. в рамках отраслевых планов Компании "Росуголь" и отраслевой программы "Уголь России". Автор принимал участие в выполнении 4 таких работ в качестве ответственного исполнителя.

Целью работы является разработка метода определения угрожаемых и опасных по газу участков, комплексно учитывающего горно-геологические условия, процессы сдвижения, эндогенную пожароопасность и данные газодинамического мониторинга.

Идея работы состоит в использовании закономерностей выхода газов на земную поверхность по сложной геомеханической среде, сформировавшейся в результате многолетнего протекания процессов обрушения и сдвижения горного массива в процессе эксплуатации шахты, для выявления угрожаемых и опасных участков на период ее ликвидации.

Задачи исследований:

- установить закономерности выхода газов на поверхность шахты на основе горно-геологической и горнотехнической документации;

- установить степень влияния депрессии естественной тяги на динамику выделения рудничных газов на поверхность;

- исследовать влияние изменений атмосферного давления на динамику выделения рудничных газов на поверхность;

- изучить влияние скорости затопления шахты на интенсивность выделения газов из выработанных пространств на земную поверхность;

- исследовать динамику концентраций почвенных газов на горных отводах ликвидируемых шахт;

- разработать математическую модель истечения газовоздушной смеси из выработанных пространств на поверхность в зависимости от геологических свойств подработанного (нарушенного) горного массива и атмосферных факторов;

- разработать "Методику установления мест, угрожаемых и опасных по выделению метана на земную поверхность горного отвода шахт" и "Инструкцию о порядке контроля за выделением газов на земную поверхность при ликвидации (консервации) шахт".

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы теоретический и экспериментальный методы исследований, включающие анализ и научное обобщение опыта решения проблемы выхода газов на поверхность шахты с компьютерной интерпретацией результатов исследований и статистической обработки полученной информации.

Объектами исследований являются поверхности горных отводов ликвидируемых шахт.

Научные положения, представленные к защите:

- формирование коллекторов движения газов из выработанных пространств шахты на поверхность обусловлено газоносностью горного массива, системой горных выработок, процессами сдвижения массива и временем отработки шахты;

- скорость затухания концентрации опасного газа в коллекторе уменьшается с возрастанием объема пустот горного массива и увеличивается с увеличением амплитуды и частоты колебания барометрического давления на поверхности;

- выделение газов из ликвидируемой шахты к поверхности происходит из выработанных пространств выемочных участков, отработанных в последние 5-7 лет до начала ликвидации шахты в местах поверхности, определяемой по углам разрывов;

- снижение концентраций газов, выходящих на поверхность горного отвода шахт, ликвидированных полным затоплением, до минимальных значений происходит в течение 10 и более лет. На этом основании не следует ожидать скорого прекращения выделений газов на поверхность земли на подработанных участках.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении размеров участков, угрожаемых по выходу газов на поверхность ликвидированных шахт, по углам разрывов от выработанных пространств выемочных участков, отработанных в последние 5-7 лет до начала ликвидации шахты;

- в определении многократно подработанной краевой части толщи вмещающих пород как наиболее вероятных путей выхода газов на земную поверхность;

- в разработке математической модели миграции шахтных газов на поверхность;

- в разработке научно обоснованного мониторинга за выделением газов на земную поверхность при ликвидации (консервации) шахт.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, базируется на статистической обработке большого числа замеров концентраций газов, характеризующих опасные участки по выходу газов на поверхность ликвидируемых шахт, и подтверждается соответствием прогнозных оценок по выделению опасных участков фактически установленным.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей выделения газов на поверхность ликвидируемых шахт в зависимости от горно-геологических и горнотехнических показателей, позволивших разработать методы определения угрожаемых и опасных участков по газу на горных отводах ликвидируемых шахт.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по обеспечению безопасности рабочих, занятых на работах, связанных с ликвидацией шахты, и населения, проживающего как на горных отводах ликвидируемых шахт, так и в непосредственной близости к ним.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований реализованы при разработке ТЭО ликвидации 36 шахт Кузбасса.

Основные положения диссертации использованы также при разработке "Инструкции о порядке контроля за выделением газов на земную поверхность при ликвидации (консервации) шахт" (1998 г.).

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях: "Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию" (г. Кемерово, 1999), "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2000), технических советах ГУРШ (1999-2000 гг.), ЗАО "Гипроуголь" (1997-2000 гг.), ОАО "Кузбассгипро-шахт" (1998-2000 гг.), а также на шахтах, подлежащих ликвидации.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит 149 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 14 таблиц, список использованной литературы из 57 наименований и 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Охрана труда (по отраслям)», Кравченко, Александр Иванович

132 Выводы

1 Выполнена оценка возможности поступления вредных газов и уточнены границы зон, опасных по выделению газов на дневную поверхность через горный массив в условиях шахт "Южная", "Западная" и им. Калинина.

2 Установлена закономерность поступления вредных газов на дневную поверхность через горный массив.

3 Установлены критерии для выявления участков земной поверхности, угрожаемых и опасных по выделению метана.

4 Разработан метод определения участков земной поверхности, угрожаемых и опасных по выделению метана.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научная задача по разработке метода установления мест, угрожаемых и опасных по выделению метана на земную поверхность горного отвода шахт.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 Разработана "Методика установления мест, угрожаемых и опасных по выделению метана на земную поверхность горного отвода шахт".

2 Определены места и периодичность контроля за выделением вредных газов на земную поверхность горного отвода шахт в период и после ликвидации шахт.

3 Депрессия естественной тяги в период и после затопления шахты не оказывает существенного влияния на интенсивность выделения газов на земную поверхность. В то же время она должна учитываться в период прекращения проветривания и ликвидации горных выработок, выходящих на земную поверхность.

4 Установлено, что определяющим фактором изменения концентраций газов, выделяющихся на поверхность земли в период после затопления шахты до установленной отметки, является градиент атмосферного давления. Поэтому после прекращения проветривания шахты, в период и после ее затопления частоту контроля за выделением газов необходимо устанавливать в зависимости от изменения параметров (частота и амплитуда колебаний) атмосферного давления.

5 В ликвидируемых шахтах после затопления, для периодов года с резкими колебаниями атмосферного давления (осень, весна), в случае сохранения тенденции падения градиента атмосферного давления свыше 6 мм рт. ст./сут в течение более трех часов, частота контроля должна увеличиваться до ежедневного на все время угрожаемого периода плюс одни сутки.

6 Интенсивность затопления шахты, отрабатывающей пологие и наклонные пласты, оказывает влияние на динамику изменения концентраций газов, выделяющихся на поверхность горного отвода шахты.

7 Процесс выделения вредных газов в условиях шахты, поддерживающей уровень воды на определенной отметке, во многом зависит от периодичности включения в работу водоотливных установок, что, несомненно, должно учитываться при подготовке графика отбора проб воздуха.

8 Выделения вредных газов на земную поверхность происходят, в основном, на участках горного отвода шахты, под которыми произведена отработка угольных пластов не позднее 5-6 лет перед ликвидацией шахты и где мощность наносов не превышает 25 м.

9 Наибольшую опасность по выделению вредных газов на поверхность имеют краевые части угрожаемых участков, выделенных на плане поверхности на стадии разработки проекта ликвидации шахты.

10 Выделение вредных газов на земную поверхность происходит в зоне влияния горных выработок, выходящих на земную поверхность, а также в геологические и технические скважины, и в зоне их влияния.

11 Скорость снижения концентраций газов, выделяющихся на поверхность, зависит от объема коллектора и колебания барометрического давления на поверхности (чем больше объем коллектора и чем меньше колебания барометрического давления, тем медленнее снижается концентрация вредных газов, мигрирующих на поверхность).

12 Прогнозирование ситуации с изменением концентраций газов, выходящих на поверхность земли, позволяет установить сроки, по прошествии которых ограничение в использование поверхности шахт может быть снято или существенно снижено.

Основные положения, методы исследований, результаты проведенных экспериментов, выводы и практические рекомендации диссертационной работы опубликованы в следующих четырех научных работах.

1. Сирош М.К., Тимошенко A.M., Кравченко А.И. Оценка проявления газового фактора и пожароопасности при ликвидации шахт способом затопления // Предупреждение травматизма и аварий в угольных шахтах и на разрезах: Сб. науч. тр./ ВостНИИ.-Кемерово, 1999. - С. 10-15.

2. Мурашев В.И., Тимошенко A.M., Кравченко А.И. Проблемы борьбы с выделениями рудничных газов при ликвидации угольных шахт // Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию: Труды международной научно-практической конференции. -Т. 1,- Кемерово, 1999. - С. 163-168.

3. Сирош М.К., Ремезов A.B., Кравченко А.И. Управление газовыделением средствами вентиляции и дегазации при бесцеликовой отработке угольных пластов в условиях Ленинского района Кузбасса // Предупреждение травматизма и аварий в угольных шахтах и на разрезах: Сб. науч. тр./ ВостНИИ.-Кемерово, 1999. - С. 1-10.

4.Тимошенко A.M. Кравченко А.И. Беляев В.И. Исследование условий формирования газовой опасности на горных отводах ликвидированных шахт Кузбасса // Безопасность угольных предприятий: Сб. науч. тр./ ВостНИИ. -Кемерово. -2000.-С. 18-25.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кравченко, Александр Иванович, 2000 год

1.Кевин Оньонз. Экологические последствия закрытия британских угольных шахт // Экологические проблемы угледобывающей отрасли при переходе к устойчивому развитию: Труды международной научно-практической конференции -Т.1. -Кемерово, 1999. -С. 155-163.

2. S.Kershaw. Предупреждение или устранение эмиссии газа на поверхность закрывшихся шахт / Российско-Британский Центр. -М., 2000. -22 с.

3. Петросян А.Э. К вопросу об удалении газа из выработанных пространств // Сборник трудов по дегазации угольных пластов. -М.: Госгортехиз-дат, 1961.

4. Исследовать динамику газовыделения на земную поверхность и разработать рекомендации по контролю газовой опасности на поле шахты "Черкасовская" в период ее затопления: Отчет о НИР / ВостНИИ. -Кемерово, 1997.

5. Цыбулько В.И. Результаты экспериментальных наблюдений за колебаниями атмосферного давления на поверхности и в шахте // Тр. Днепропетровского ин-та геотехн. механики. -Днепропетровск, 1971. -№2. -С. 122-126.

6. Соколов Э.М., Рыжикова И.Г., Круль Л.А. Газовый режим выработанных пространств // Строительные машины и агрегаты. -Тула, 1975.-С. 121-135.

7. Баймухаметов C.K. Влияние атмосферного давления на газовыделение в пределах выемочного участка // Тр. Карагандинского политехнического института. -Т. IY. -Караганда, 1979.

8. Мясников A.A., Богатырев В.Д., Бонецкий В.А. Влияние колебаний давления воздуха на аэродинамический режим выработанного пространства // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1980. -№3. С.85-89.

9. Эйкер X. Процесс газовыделения из стволов остановленных шахт и управление им // Глюкауф. -1988. -№10. -С. 30-34.

10. Зборщик М.П. Охрана выработок глубоких шахт в выработанном пространстве -Киев: Техника, 1978. -176с.

11. Канлыбаева Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве. По данным наблюдений в Карагандинском бассейне. -М.: Наука, 1968. -106 с.

12. Канлыбаева Ж.М. Пути повышения точности замера сдвижения пород в массиве методом радиоактивных изотопов // Горное давление и сдвижение пород на рудниках Казахстана. -Алма-Ата, 1969.

13. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождения. -М.: Недра, 1981.-297 с.

14. Ермеков М.А. О вероятной стационарности процесса вековой миграции газов из угольных месторождений к земной поверхности // Способы управления газовыделением на шахтах Карагандинского бассейна. -Вып. 2. -М.: Недра, 1971-С. 6-9.

15. Ермеков М.А. О видах миграции газов в недрах угольных месторождений // Способы управления газовыделением на шахтах Карагандинского бассейна. -Вып. 2. -М.: Недра, 1971. -С. 3-6.

16. Забигайло В.Е., Широков А.З. Проблемы теологии газов угольных месторождений / Академия наук УССР; Институт геотехнической механики. -Киев, 1972.-172 с.

17. Портола В.А. Влияние подземных пожаров на состав атмосферы // Экологические проблемы угледобывающей отрасли при переходе к устойчивому развитию: Труды международной научно-практической конференции -Т.2. -Кемерово, -1999.-С. 156-163.

18. Кузнецов C.B. ,Трофимов В.А. Природа и механизм формирования газопроницаемых зон в угольных пластах // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1999. -№1.-С. 21-27.

19. Портола В.А. О газовых аномалиях над источниками подземных газовыделений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1996, -№ 6. -С. 110-117.

20. Печук И.М. Защита помещений от проникновения метана // Безопасность труда в промышленности. -1959. -№3. С. 6-8.

21. Мясников A.A., Павлов А.Ф., Бонецкий В.А. Повышение эффективности и безопасности горных работ. -М.: Недра, -1979. -216с.

22. Ванжа Ю.П., Фрянов В.Н., Колмаков В.А. Исследование закономерностей интеграции реологических и газодинамических процессов углевме-щающего горного массива // Горный журнал. -1995. -№2.- -С.76-78.

23. Ванжа Ю.П., Фрянов В.Н., Колмаков В.А. Исследование зоны дегазации при разработке свиты угольных массивов // Горный журнал. -1992. -№6. С.20-24.

24. Ванжа Ю.П., Фрянов В.Н., Колмаков В.А. Метод расчета деформационно-фильтрационных параметров массива горных пород // Горный журнал.-1995.-№1.-С.49-54.

25. Портола В.А., Киренберг А.Г. Надповерхностный способ оценки газовой ситуации в выработанном пространстве // Безопасность труда в промышленности. -1996. -№12.-С.31-33.

26. Громов В.В. Высота зоны обрушения над залежами ограниченных размеров пологого и наклонного падения // Сдвижение горных пород: Тр. ВНИМИ. -Сб. 100. -Л., 1976. -С. 88-93.

27. Трифонов A.B. Опыт подработки бесстыковых железных дорог в Донбассе // Совершенствование методов маркшейдерского и гидрологического обеспечения горнодобывающих предприятий: Тр. ВНИМИ. -JL, 1989. -С. 125-128.

28. Инструкция по защите зданий от проникновения метана / МакНИИ. -Макеевка, 1986. -60с.

29. Инструкция о порядке контроля за выделением газов на земную поверхность при ликвидации (консервации) шахт / ВостНИИ. -Кемерово, 1998. -35с.

30. Айруни А.Т., Йофис М.А. Повышение эффективности дегазации вы-бросоопасных угольных пластов при их подработке и надработке // ФТПРПИ. -1980. -№3. -С. 74-80.

31. Ушаков К.З. Рудничная вентиляция: Справочник. -М.: Недра,-1988. -С 113-118.

32. Исследование механических свойств горных пород Донецкого бассейна. -М.: Углетехиздат, 1951.

33. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. -М. :Углетехиздат, 1947. -244с.

34. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. -М. : Недра, 1980. -360с.

35. Борисов A.A. Расчеты горного давления в лавах пологих пластов. -М. : Недра, 1964. -278с.

36. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. -Новосибирск:1. Наука, 1990. -292с.

37. Мурашев В.И. и др. Состояние и проблемы борьбы с газодинамическими явлениями на шахтах России / В.И. Мурашев, B.C. Зыков, B.C. Лудзиш // Безопасность труда в промышленности. -1993. -№12. -С. 17-20.

38. Мурашев В.И. и др. Методические указания по классификации газодинамических явлений наугольных шахтах. -М., 1991. -16с. -(ЦБНТИ).

39. Егоров П.В. и др. Прогнозирование опасных газопроявлений в шахтах Ленинского района Кузбасса. -Кемерово, 2000. -138с.

40. Егоров П.В. и др. Региональный прогноз выбросоопасности угольных пластов Кузбасса. -Кемерово, 1997. -120с.

41. Егоров П.В. и др. Выбросоопасность на гидрошахтах Кузбасса. -Кемерово, 2000.-152с.

42. Авершин С.Г. Горные удары. -М.: Углетехиздат, 1955. -233с.

43. Канлыбаева Ж.М., Клиновицкий. Ф.И. Сдвижение горных пород при повторных подработках в условиях Карагандинского бассейна // Труды ИГД АНКазССР. -Т. 14. -Алма-Ата: 1964.-С. 71-81.

44. Канлыбаева Ж.М. Величина наибольшего оседания в Карагандинском бассейне // Труды ВНИМИ. -Сб. 29. -М.: Углетехиздат, -1954.

45. Канлыбаева Ж.М., Жукова С.Г. О величине шага обрушения на шахтах Промышленного и Саранского участков Карагандинского бассейна // Изв.АН КазССР, серия "Горное дело". -1961. -Вып. 1 (14).

46. Potts Е. Current investigations in rock mechanics and strata control. Fourth international conference strata control and rock mechanics. N. Y., Columbia Univerity. N. Y., -1964.

47. Слесарев В.Д. Разработка свиты пластов. -М.: Углетехиздат, 1948.

48. Ефремов К.А., Суркова М.Н. Случаи проникновения метана в жилые помещения в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса // -Труды Вос-тНИИ. Т. XI. М.: -Недра, 1969. -С. 17-22.140

49. Вермов Г.П. Проникновение метана в здания и сооружения в различных районах Донбасса // Уголь Украины. 1958. -№4

50. Печук И.М.Проникновение газов по трещиноватым породам в помещения и выработки. -Киев: Изд-во АН УССР, 1962.

51. Печук И.М, Карагодин J1.H. Газовыделение на поверхность // Сборник научных статей. №3 / МакНИИ. Макеевка, 1959.

52. Кузьмин В.И. Влияние глубины разработки пластообразных залежей на характер и параметры процесса сдвижения земной поверхности. Сб. LXXXIX -ВНИМИ, -Л., -1973.

53. Правила безопасности в угольных шахтах. -Самара, 1995.-245с.

54. Руководство по контролю за загрязнением атмосферы. Госкомгидро-мет СССР. 01.07.91.