МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

(МакНДІ)

Сятковський Сергій Леонідович

УДК 622.411.33:622.817.47

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ПРОГНОЗУ ГАЗОВИДІЛЕННЯ
НА ВИЇМКОВИХ ДІЛЬНИЦЯХ АНТРАЦИТОВИХ ШАХТ

Спеціальність 05.26.01 – “Охорона праці”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України (МакНДІ) і Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (ДонДТУ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Антощенко Микола Іванович, Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ), професор кафедри охорони праці і навколишнього середовища

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, с.н.с.

Греков Святослав Павлович, науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи та пожежної безпеки (НДІГС “Респіратор”) Міністерства вугільної промисловості України (м. Донецьк), ведучий науковий співробітник;

- кандидат технічних наук

Крутенко Станіслав Олександрович, Держпромгірнагляд України (м. Київ), начальник управління з організації держнагляду та обліку травматизму;

Провідна установа - Донецький національний технічний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра охорони праці та аерології.

Захист відбудеться “15”червня 2007 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий “11” травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.834.01

к.т.н., с.н.с. В.Р. Алаб’єв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. При загальному зниженні видобутку вугілля в Донбасі, на жаль, не припинилися аварії, що пов'язані з вибухами газу у вугільних шахтах. Складні гірничогеологічні умови вугільного родовища Донбасу обумовили наявність великої кількості небезпечних і шкідливих супутніх гірничому виробництву факторів, які приводять до високого рівня травматизму. На шахтах України за останній 20-річний період відбулося 38 аварій із груповим травматизмом, у тому числі через вибухи газу - 30 аварій. У результаті цих катастроф травмовано 1239 чоловік, через вибухи газу 970 чоловік (78,3% від загальної чисельності травмованих), у тому числі смертельно травмовано всього 881 чоловік, а через вибухи газу - 710 чоловік (73,2%). Тенденція до збереження такої статистики спостерігається і зараз.

Приведені факти свідчать, що в даний час є актуальними науково-дослідні роботи, які спрямовано на створення безпечних умов відпрацьовування газоносних вугільних пластів.

Аналіз літературних джерел і практика ведення гірничих робіт показують, що сучасний прогноз газовиділення на виїмкових дільницях вугільних шахт, у тому числі й антрацитових, не враховує газовиділення із суміжних лав; дотепер відсутні теоретичні та експериментальні дослідження динаміки газовиділення з вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих виїмкових дільниць.

У зв'язку з цим теоретичні дослідження процесів газової динаміки і встановлення їх відповідності фактичним спостереженням є актуальною науково-технічною задачею, рішення якої дозволить удосконалити прогноз газовиділення на виїмкових дільницях вугільних шахт і підвищити безпеку ведення гірничих робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до планів науково-дослідних робіт МакНДІ і ДонДТУ, відповідно до “Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах” затвердженої Постановою КМУ від 06.07.02 р. №939 за науково-дослідною роботою № 1710202150 “Розроблення методики прогнозу небезпеки загазованості у разі обвалювання порід основної покрівлі в зонах геологічних порушень і заходи щодо запобігання загазування гірничих виробок” (№ ДР 0102U007404). У зазначеній роботі автор брав участь у якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення закономірностей динаміки газовиділення при розвитку очисних робіт, що викликані зрушуванням гірських порід та інтенсивністю видобутку вугілля, які можуть бути використані для удосконалювання прогнозу газовиділення на виїмкових дільницях антрацитових шахт та забезпечення безпеки ведення гірничих робіт.

Поставлена мета визначила необхідність рішення наступних задач:

- виконати аналіз стану сучасного прогнозу газовиділення на виїмкових дільницях;

- виконати дослідження з установлення зв’язку динаміки газовиділення з процесами зрушування гірських порід;

- установити ступень впливу інтенсивності видобутку вугілля на нерівномірність газовиділення в вихідних вентиляційних струменях антрацитових шахт;

- установити ступень впливу видобутку вугілля на газовиділення з вироблених просторів діючих та зупинених виїмкових дільниць антрацитових шахт;

- установити ступінь впливу метаморфізму вугілля на вид залежності газовиділення від інтенсивності видобутку вугілля.

Об'єкт дослідження – процес газовиділення при відпрацьовуванні газоносних вугільних пластів.

Предмет дослідження – особливості та характеристики процесу газовиділення, що викликані розвитком очисних робіт у межах виїмкової дільниці й всього шахтного поля, які можуть бути використані для удосконалювання прогнозу метановиділення у вугільних шахтах.

Методи дослідження. Під час виконання дисертаційної роботи використано теоретичні й експериментальні методи, що базуються на теорії про форми перебування газу в вугіллі, експериментальному визначенні параметрів динаміки газовиділення в шахтних умовах, з обробленням даних методами математичної статистики.

Ідея роботи полягає у визначенні залежності максимального рівня газовиділення від розвитку очисних робіт на виїмковій дільниці (відхід очисного вибою від розрізної печі) і в межах усього шахтного поля (вплив раніше відпрацьованих лав).

Основні наукові положення, що виносяться на захист, та їх новизна.

1. Модель газовиділення, що дозволила вперше обґрунтувати зв'язок його динамічних характеристик при розвитку очисних робіт в межах шахтного поля з процесами зрушування гірських порід. Встановлено, що динаміка росту газовиділення на виїмковій дільниці залежить не тільки від величини відходу очисного вибою від розрізної печі, але й від геометричних розмірів раніше відпрацьованих суміжних лав.

2. Вперше встановлено, що при відпрацьовуванні антрацитових пластів більшим абсолютним значенням газовиділення відповідають більш високі коефіцієнти нерівномірності. Це обумовлено фізико-механічними властивостями вміщуючих порід і зміною інтенсивності їх зрушування з ростом темпу видобутку вугілля.

3. Вперше виявлено, що збільшення загальної ширини виробленого простору експлуатованої та відпрацьованої лав викликає зменшення відстані між очисним вибоєм і розрізною піччю, при якій досягається максимальне газовиділення. Ця відстань залишається практично постійною для одних гірничо-геологічних умов після повного підпрацьовування порід (утворення плоского дна мульди зрушування на земній поверхні).

4. Вперше встановлено, що при відпрацьовуванні антрацитових пластів на глибинах до 300 м довжина лав у діапазоні 190-460 м не впливає на рівень газовиділення. Головним фактором, що впливає, у цьому випадку є середньомісячний видобуток вугілля (коефіцієнт кореляції r= 0,95?0,99).

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджена застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з обліком загальноприйнятих чи обґрунтованих допущень, обсягом шахтних експериментів, позитивними результатами перевірки рекомендованих заходів боротьби з газом у виробничих умовах.

Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні їх як методологічної основи при розробці нормативних документів, рекомендацій, пропозицій, технічних рішень і способів, які підвищать надійність прогнозу газовиділення на виїмкових дільницях і безпеку виїмки газоносних вугільних пластів.

Результати дисертаційної роботи використано при розробці “Положення щодо розробки заходів запобігання раптовим загазуванням гірничих виробок у зонах геологічних порушень (СОУ-П 10.1.00174088.010-2005).- Мінвуглепром, Макіївка-Донбас, 2005”.

Апробацію результатів роботи виконано в умовах шахти “Краснокутська” ДП “Донбасантрацит”, що дозволило підвищити ефективність боротьби з газовиділенням при відпрацьовуванні 202-ї і 203-ї лав пласту l4 (акт впровадження № 3-1/186 від 01.08.2003 р.).

Результати виконаних досліджень спрямовано на досягнення соціального ефекту, внаслідок забезпечення безпечних умов відпрацьовування газоносних вугільних пластів.

Особистий внесок здобувача полягає в рішенні науково-прикладної задачі, яку пов'язано з удосконалюванням прогнозу газовиділення виїмкових дільниць вугільних шахт. У працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: [1] - аналіз літературних даних, статистичне оброблення експериментальна даних, постановка задачі, вибір способів дослідження; [2, 3, 7] - установлення факторів, які впливають на зміну газовиділення; [4] - вивчення динаміки абсолютної багатогазовості дільниці і встановлення її відповідності ідеалізованим тимчасовим рядам; визначення закону розподілу дебіту метану у вихідних вентиляційних струменях повітря; [5] - аналіз невирішених проблем і розроблення системного підходу до виявлення небезпечних властивостей пластів; [6] - вивчення параметрів розподілу тимчасових рядів видобутку вугілля і їх вплив на рівень газовиділення; [8] - установлення ступеня впливу розвитку очисних робіт на максимальне газовиділення; [9] - розроблення теоретичної моделі динаміки газовиділення при розвитку очисних робіт; [10] - виявлення умов, за якими процеси газової динаміки виїмкових дільниць можна умовно вважати стаціонарними.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Результати досліджень, основні наукові й прикладні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичній конференції “Перспективи розвитку вугільної промисловості на порозі XXI століття” (МАНЕБ, ДГМІ, Ровеньки, 2000 р.); Міжнародному екологічному симпозіумі “Перспективні інформаційні технології і проблеми керування ризиками на порозі нового тисячоріччя” (Санкт-Петербург, МАНЕБ, 2000 р.); Міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності - 2000” (Феодосія: МАНЕБ, ДГМІ, 2000 р.); Міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності - 2001” (Міжгір'я, Закарпаття, ДГМІ, 2001 р.); Міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності” (Затока, Одеська область, ДГМІ, 2002 р.); Міжнародній конференції “Білі ночі - 2003” (Санкт-Петербург, 2003 р.); Міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності” (Гурзуф: МАНЕБ, ДГМІ, 2004 р.), а також на науково-методичних семінарах кафедри охорони праці і навколишнього середовища ДонДТУ і на засіданні науково-технічної ради відділу рудникової аерології МакНДІ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, з них дев'ять у виданнях, що входять у перелік ВАК України, чотири - матеріали науково-практичних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 127 найменувань на 14 сторінках і містить 154 сторінки основного тексту, у тому числі, 25 рисунків (з них 10- на окремих сторінках), 13 таблиць (з них 8 - на окремих сторінках), а також 7 додатків на 268 сторінках окремою книгою.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений аналізу вивченості газової динаміки при відпрацьовуванні вугільних пластів і стану сучасного прогнозу газовиділення на виїмкових дільницях вугільних шахт, форм перебування газу в вугіллі і породах, причинах виділення метану в гірничі виробки. Розглянуто джерела та умови, що спричиняють газопрояви у вугільних шахтах.

Питаннями газової динаміки у різний час займалися Скочинський О.О., Воронін А.І., Комаров В.Б., Воронов П.І., Романов В.С., Єфремов К.А., Колотовкін Л.Д., Аннєнков Б.А., Осипов С.М., Касімов О.І., Іотенко Б.Н., Пигида Г.Л., Бусигін К.К., Ушаков К.З. та ін.

Практично усі відомі наукові праці присвячено вивченню газовиділення в межах виїмкових дільниць. Поряд з цим дотепер відсутні дослідження, за рідкісним винятком, які було би присвячено вивченню рівня газовиділення в межах усього шахтного поля.

Здійснив аналіз існуючого прогнозу газовиділення з обліком природної і залишкової газоносності вугілля й порід виявлено невідповідність прийнятих рішень практиці ведення гірничих робіт і встановлено, що при прогнозі газовиділення на діючій виїмковій дільниці не враховується вплив ступеню розвитку очисних робіт на формування газового балансу виїмкових дільниць.

На підставі аналізу виділено ряд особливостей, які визначають стан питання, поставлені задачі досліджень і виконано наукове обґрунтування напрямку роботи.

У другому розділі розглянуто загальні принципи рішення задач газової динаміки, які пов'язано з прогнозом газовиділення на виїмкових дільницях вугільних шахт.

Зміна рівня газовиділення пов'язана з порушенням системи газ-вугілля зближених пластів при зрушуванні вміщуючих порід. Характерна зміна динаміки абсолютної багатогазовості дільниці не відповідає жодному з наявних ідеалізованих тимчасових рядів. Для визначення статистичних параметрів процесу газовиділення необхідно розглядати окремі його реалізації за характерні періоди розвитку очисних робіт. Такими періодами відповідно є початок робіт з видобутку вугілля, стабільне навантаження на очисний вибій, зменшення і припинення видобутку вугілля. Цим періодам розвитку очисних робіт відповідають ріст, досягнення максимуму і зниження газовиділення.

На підставі теоретичних положень про залежність газовиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини від параметрів зрушування підпрацьованих порід, а також результатів шахтних експериментів, розроблено модель зміни газовиділення від його початкового до максимального значень при віддаленні очисного вибою від розрізної печі (рис. 1).

Початковим є газовиділення у виробки виїмкової дільниці (Iв.н.) після проведення розрізної печі та монтажу в неї устаткування. Воно визначається рівнем газовиділення з оголених поверхонь пласту, що розробляється, підготовчих виробок і розрізної печі.

Рис. 1. Сполучені схеми збільшення газовиділення у часі (а) і розвитку процесу зрушування порід (б) при віддаленні очисного вибою від розрізної печі:

0 - початок відліку часу та лінійного розміру виробленого простору після проведення розрізної печі; 1, 2, 3, 4 - положення очисного вибою відповідно до початку очисних робіт, початку зрушування земної поверхні, досягнення максимальної підпрацьованості порід і після утворення плоского дна мульди зрушування на земній поверхні; 5 - підготовча виробка, з якої пробурено дегазаційні свердловини (6) до зближеного підпрацьованого пласту (7); 8, 9, 10 - вертикальні перерізи мульд зрушування земної поверхні, відповідно до положень вибою 2, 3, 4; д0 - граничний кут зрушування порід і земної поверхні; ш', ш - кути повних зрушувань, відповідно до положення очисного вибою (2) і наступному його віддаленні від розрізної печі; m - потужність пласта, що розробляється; Н - глибина ведення очисних робіт; hтр - висота поширення вертикальних і горизонтальних тріщин; з2, з3 - максимальне зрушування земної поверхні відповідно до перебування очисного вибою в положенні 2 і 3; з0 - глибина плоского дна мульди зрушування земної поверхні (з0 = з3); tн - період часу між закінченням проведення розрізної печі та початком очисних робіт; Дt - період часу між початком очисних робіт і газовиділенням у дегазаційні свердловини; tm - час досягнення максимального газовиділення з підпрацьованих пластів і порід; Iв.н. - газовиділення у виробки до початку ведення очисних робіт; , Iдег, Iуч - відповідно криві газовиділення з підпрацьованих пластів і порід у виробки, дегазаційні свердловини і сумарне на виїмковій дільниці; ,, - відповідно максимальне газовиділення у виробки, дегазаційні свердловини і сумарне на виїмковій дільниці.

Після початку очисних робіт спостерігається ріст загального газовиділення у виробки за рахунок додавання метану з відбитого вугілля і свіжооголеної поверхні очисного вибою, підпрацьованих (надпрацьованих) порід і зближених пластів.

Під час зняття перших декількох смуг вугілля починається ріст газовиділення з підпрацьованих пластів і порід під впливом зрушування безпосередньої й основної покрівлі. У цей період спостерігається збільшення газовиділення у виробки за рахунок розвантаження безпосередньої покрівлі і близькорозташовуваних (на відстані декількох метрів) пропластків вугілля. Газовиділення в дегазаційні свердловини після зняття декількох смуг вугілля не відбувається. Це обумовлено розташуванням у більшості випадків газоприймальної частини свердловин, з метою зниження підсмоктувань повітря, поза зоною безладного обвалення порід.

При відході очисного вибою від розрізної печі на відстань 0,1…0,3 глибини ведення робіт у процесах газовиділення і зрушування беруть участь усі підпрацьовані пласти і породи. Це підтверджується появою мульд зрушування на земній поверхні. Їх параметри можна розрахувати за діючими нормативними документами чи визначити маркшейдерськими вимірами. При такому відході очисного вибою від розрізної печі та наявності газопровідних тріщин можна чекати газовиділення в дегазаційні свердловини незалежно від відстані між газозабірними частинами свердловин і пластом, що розробляється. У загальному випадку газовиділення в дегазаційні свердловини повинно починатися при перебуванні очисного вибою в проміжку між його положеннями 1 і 2 (див. рис. 1). Подальше віддалення очисного вибою від розрізної печі (до положення 3) викликає збільшення газовиділення як у виробки, так і в дегазаційні свердловини. Це пов'язано зі збільшенням зони повних зрушувань, у якій підпрацьовані породи і зближені пласти знаходяться в найбільш розвантаженому стані. Про ступінь можливого збільшення газовиділення при посуванні очисного вибою в проміжку між його положенням 2 і 3, можна судити за зміною геометричних розмірів зон повних зрушувань (відповідно АВС і АВ'С').

При знаходженні очисного вибою в положенні 3 слід очікувати максимальне газовиділення як у свердловини (), так і в гірничі виробки (). Це викликано максимальними розмірами для конкретної лави зони АВ'С', з якої можливо надходження газу. Подальше посування очисного вибою викликає повну підробку порід і утворення плоского дна мульди зрушування на земній поверхні.

Поява плоского дна мульди свідчить про початок процесу ущільнювання порід у зоні ДВ'ИК під впливом власної ваги, що сприяє закриттю техногенних тріщин у зазначеній зоні. Це приводить до скорочення газовиділення як у виробки, так і в свердловини, які пробурено над розрізною піччю.

Після ущільнення порід у зоні ДВ'ИК (відновлення вихідного природного стану повного чи часткового) активне газовиділення походить із порід і зближених пластів, що знаходяться в зоні їх зрушування КИL під впливом очисного вибою, що рухається.

Якщо виходити з геометричних розмірів, то загальна кількість газу, що виділився, у період до формування плоского дна мульди буде характеризуватися площею АВ'С', яка у два рази більше площі ДКИL. Таке співвідношення може бути змінено під впливом тривалості процесів ущільнення порід і десорбції газу з вугілля зближених пластів. Ці процеси, у свою чергу, залежать від фізико-меха-нічних властивостей порід, ступеня метаморфізму вугілля та швидкості посування очисного вибою.

На рівень газовиділення впливає також черговість відпрацьовування лав за рахунок дискретного збільшення ширини виробленого простору на довжину експлуатованої лави і поява додаткового газовиділення з зон активізації зрушування порід. Під впливом зазначених факторів слід очікувати зміну параметрів газовиділення на виїмковій дільниці при різній підпрацьованості порід над виробленими просторами зупинених суміжних лав. Розроблена модель дозволяє ув’язати зміну газовиділення в часі з геометричними розмірами очисних виробок. Наприклад, для конкретних гірничо-геологічних умов можна прогнозувати газовиділення у виробки і свердловини, якщо будуть відомі наступні залежності:

?t = ?1(lmin), (1)

tm = ?2(lmax), (2)

де lmin, lmax - відстань між очисним вибоєм і розрізною піччю відповідно при досягненні зрушування земної поверхні (з2=15 мм) й утворенні плоского дна мульди зрушування.

Значення (lmin, lmax) можливо визначити за діючими нормативними документами. Знаючи швидкість посування очисного вибою легко знайти параметри ?t та tm і розрахувати загальну кількість газу, що може виділитися з порушених обсягів вугілля і порід.

Розроблена модель дає представлення про процеси газовиділення і зрушування порід, що відбуваються, і дозволяє розраховувати окремі параметри, що необхідні для прогнозу газовиділення.

Випадковий характер шахтних газодинамічних процесів визначає й випадковий характер його динамічних характеристик. Фундаментальною характеристикою випадкового процесу є закон розподілу випадкової величини, що встановлює ймовірність появи того чи іншого її значення.

На практиці, незважаючи на велику різноманітність наявних видів розподілу, особлива увага приділяється нормальному закону. Основною характеристикою такого розподілу, є щільність імовірності випадкової величини Х, що описується рівнянням:

, (3)

де mx - математичне очікування величини Х;

ух - її середньоквадратичне відхилення.

Головною умовою нормальності розподілу дебіту метану у вихідних вентиляційних струменях повітря є сталість середнього рівня газовиділення. У цьому випадку буде забезпечуватися сталість математичного очікування (mx) і середньоквадратичного відхилення (ух). У свою чергу, незмінність середнього рівня газовиділення можливо при постійних видобутку і гірничо-геологічних умовах відпрацьовування вугільного пласту. Через мінливість даних параметрів у шахтних умовах, можна припустити, що повна відповідність нормальному закону розподілу дебіту метану можна очікувати в рідких випадках.

До наступного часу залишалась невивченою залежність середньоквадратичного відхилення дебіту метану при зміні середнього рівня газовиділення (математичного очікування).

Від зміни співвідношення цих характеристик залежить імовірність перевищення заданого рівня газовиділення (концентрації метану) у гірничій виробці, а, отже, і створення безпечних умов за газовим фактором. Так, наприклад, за зміною співвідношення математичного очікування й середньоквадратичного відхилення можна судити про коефіцієнт нерівномірності газовиділення:

- при збільшенні математичного очікування й постійному середньоквадратичному відхиленні коефіцієнт нерівномірності буде зменшуватися. Таке співвідношення передбачалося при розробці діючих нормативних документів;

- якщо середньоквадратичне відхилення збільшується швидше, ніж зростає математичне очікування, коефіцієнт нерівномірності буде збільшуватися;

- при інших співвідношеннях темпів зміни mx і ух слід очікувати зменшення коефіцієнта нерівномірності.

Виходячи з теоретичного аналізу слідує, що для створення безпечних умов за газовим фактором, необхідно знати не тільки середнє значення газовиділення, але й прогнозувати можливі закони розподілу. До наступного часу нормативними документами враховується тільки один можливий варіант співвідношення mx і ух із трьох. Крім цього не вивчені можливі зміни інших параметрів розподілу.

З наведеного випливає необхідність проведення шахтних експериментів з метою встановлення:

- відповідності нормальному закону розподілу дебіту метану при постійному навантаженні на очисний вибій в одних гірничогеологічних умовах;

- залежності середньоквадратичного відхилення та інших параметрів розподілу при зміні видобутку вугілля.

У третьому розділі представлено результати шахтних експериментів, які підтверджують теоретичні положення про формування параметрів тимчасових рядів газовиділення та впливаючих факторів.

Спостереження за газовиділенням у гірничі виробки і дегазаційні свердловини проведено при відпрацьовуванні антрацитового пласта l2в 6-ю, 7-ю, 8-ю і 9-ю західними лавами шахти ім. газети “Известия” ДП “Донбасантрацит”. Виїмка пласту l2в потужністю 0,9 м механізованими комплексами МК-97 стовпами за підняттям, виконувалась комбайном 1К-101. Газовиділення відбувалося, в основному, з вироблених просторів, очисних вибоїв, що діють і зупинених. Їх частка в загальному газовому балансі шахти досягала 90% і більш. На всіх дільницях застосовувалася дегазація зближених пластів свердловинами, які пробурено назустріч очисному вибою. Виміри витрат газу у вихідних струменях і дегазаційних свердловинах робили загальноприйнятими способами (за нормативними документами) з періодичністю 1?5 доби протягом біля трьох років. Видобуток вугілля фіксувався кожну добу.

До аналізу залучено також дані по інших об'єктах, які є відомими з літературних джерел.

Для визначення параметрів випадкового процесу газовиділення, виявлення закону розподілу дебіту метану у вихідних вентиляційних струменях було виконано додаткові експерименти при відпрацьовуванні 9-ої західної лави пласта l. До аналізу було залучено дані безупинного запису апаратурою газового контролю концентрації метану у вихідному вентиляційному струмені повітря з очисного вибою після посадки основної покрівлі і досягнення максимального рівня газовиділення з виробленого простору з кроком квантування 30 хвилин. За правилами безпеки у вугільних шахтах, датчики було встановлено в 10-20 м від очисного вибою біля стінки, протилежної виходу з лави, посередині висоти виробки. Виміри кількості повітря робили періодично. На підставі цих даних отримано значення абсолютного газовиділення. Спостереження продовжувалося біля десяти місяців при експлуатації дільниці та було продовжено після зупинки очисного вибою.

У результаті аналізу встановлено, що тимчасові ряди розподілу газовиділення для одних гірничогеологічних умов істотно відрізняються між собою. У першу чергу такі відмінності викликано різними темпами видобутку вугілля при відпрацьовуванні лав, а також необхідністю регулювання кількості повітря, що подається на виїмкові дільниці в міру розвитку і загасання очисних робіт.

Час роботи виїмкової дільниці 9-й західної лави розділили на характерні періоди з урахуванням рівня видобутку вугілля. Збереження стабільного навантаження протягом місяця дозволило розглядати процеси газової динаміки за цей період як для окремої виїмкової дільниці. З іншого боку відпрацьовування пласта в даному випадку за окремі періоди можна прийняти як експлуатацію декількох дільниць з різним видобутком за одними гірничогеологічними умовами. Зміна середнього видобутку в різному ступені впливало на зміну мінімального, середнього і максимального рівня газовиділення. Це в остаточному підсумку визначило відмітні ознаки розподілу дебіту метану за кожен характерний період відпрацьовування виїмкової дільниці.

Зміна характеристик розподілу дебіту метану від рівня видобутку вугілля ілюструється графіками (рис. 2). Зниження середньодобового видобутку вугілля з 907 до 0 т привело до зниження середнього абсолютного рівня газовиділення в три рази, а стандартне відхилення при цьому зменшилося в п'ять разів. Така непропорційна зміна статистичних характеристик визначила відповідне відхилення фактичних параметрів розподілу дебіту метану стосовно нормального закону.

Рис. 2. Розподіл дебіту метану (Ii) у вихідному вентиляційному струмені повітря 9-ої західної лави шахти ім. газети “Известия” ДП “Донбасантрацит”:

1, 2, 3 – теоретичні криві нормального розподілу, які розраховано відповідно до середньодобового видобутку вугілля 907, 425 і 0 т;

у1, у2, у3 – стандартні відхилення дебіту метану для нормального закону розподілу, відповідно до середньодобового видобутку вугілля 907, 425 і 0 т;

0,?, ^ – фактичні експериментальні дані розподілу, відповідно до видобутку вугілля 907, 425 і 0 т.

Встановлено, що при збільшенні рівня газовиділення зростає правобічна асиметрія. Це приводить до частого й істотного перевищення поточними значеннями концентрації метану верхньої позитивної границі “трьох сигм”, яку розраховано в припущенні відповідності нормальному закону розподілу.

Зниження середньодобового видобутку вугілля менш 200 т привело до появи незначної лівосторонньої асиметрії і до виходу за нижню (негативну) границю “трьох сигм” деяких поточних значень дебіту метану.

Відсутність правобічної і поява лівосторонньої асиметрії свідчать, що максимальна відповідність нормальному закону розподілу з урахуванням величини 3у може досягатися в одних гірничотехнічних і гірничогеологічних умовах при забезпеченні видобутку вугілля на деякому постійному рівні. Відхилення видобутку вугілля у бік його збільшення чи зменшення викликає відповідно правосторонню чи лівосторонню асиметрію фактичного розподілу дебіту метану у вихідних вентиляційних струменях повітря виїмкових дільниць.

Для зручності порівняння між собою рядів розподілу видобутку вугілля і дебіту метану, статистичні параметри розділили на чотири групи і визначили коефіцієнти кореляції між ними. До першої групи віднесли мінімальні, максимальні і середні значення середньодобового видобутку вугілля і дебіту метану. В другу групу параметрів рядів розподілу виділили структурні середні - середню арифметичну, моду і медіану. Середню арифметичну віднесено одночасно до першої і другої груп параметрів, тому що вона є важливою статистикою, і в сукупності з модою і медіаною, у значній мірі, характеризує форму розподілу. У третій групі розглянуто параметри, що характеризують міру мінливості (стандартне відхилення і коефіцієнт варіації). До параметрів четвертої групи віднесли асиметрію й ексцес, що характеризують форму розподілу вибірок.

Формування рядів середнього і максимального рівня газовиділення у вихідному вентиляційному струмені повітря виїмкової дільниці кореляційно пов'язано з параметрами рядів розподілу мінімального, середнього і максимального видобутку вугілля (r=0,80?0,96). Ряд розподілу мінімального рівня газовиділення формується в більшому ступені під впливом процесів десорбції метану з під- і надпрацьованих пластів і вміщуючих порід.

Параметри рядів розподілу видобутку вугілля - середня арифметична, мода і медіана, впливають на формування аналогічних параметрів рядів розподілу дебіту метану (r=0,82?0,95).

Параметри асиметрії й ексцесу для рядів розподілу видобутку вугілля корельовано між собою (r=0,89). Для рядів дебіту метану взаємний зв'язок менш значний (r=0,62). Це свідчить про різний характер кривих розподілу видобутку вугілля і дебіту метану, що додатково підтверджується низькими значеннями коефіцієнтів кореляції між цими параметрами рядів розподілу (r=-0,16?-0,60). Асиметрія розподілу дебіту метану носить, як правило, правобічний характер. Лівостороння асиметрія розподілу дебіту метану з'являється при зменшенні видобутку вугілля чи припиненні очисних робіт.

Четвертий розділ присвячено вивченню в шахтних умовах залежності динаміки газовиділення від ступеня розвитку очисних робіт і інтенсивності видобутку вугілля.

Для встановлення основних факторів, що впливають на газовиділення з підпрацьованих зближених пластів у межах виїмкової дільниці за зміною декількох гірничотехнічних і гірничогеологічних параметрів проведено статистичну обробку середньомісячних експериментальних даних про газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини.

Експерименти, які проведено і їх аналіз показали, що газовиділення в межах усього шахтного поля з вироблених просторів діючих і відпрацьованих лав прямопропорційні, за іншими рівними умовами, видобутку вугілля. Причому зі зміною видобутку вугілля співвідношення між газовиділенням із зазначених джерел залишалися практично постійними.

З безлічі відомих методів прогнозу газовиділення в даний час у нормативних документах застосовуються тільки два. У першому випадку передбачається прямопропорційна залежність абсолютного газовиділення від видобутку. Попередньо за природною і залишковою газоносністю вугілля і порід розраховується відносна багатогазовість очисної виробки і виїмкової дільниці. Потім з урахуванням величини планованого видобутку вугілля визначають очікуване абсолютне газовиділення.

Другий метод заснований на експериментальному вимірі абсолютного газовиділення, що відповідає визначеному рівню видобутку вугілля, з наступним корегуванням на зміну довжини лави, видобутку вугілля, системи розроблення і газоносності при збільшенні глибини ведення робіт.

Зіставивши результати експериментальних даних у різних гірничогеологічних умовах і їх збіжність з розрахунковими значеннями газовиділення встановлено, що в загальному випадку залежність газовиділення (I) від видобутку вугілля (А) описується залежністю

I = k·An + I0, (4)

де: n - коефіцієнт, що враховує міцністні властивості підпрацьованих порід. Для антрацитового вугілля (шахта ім. газети “Известия” ДП “Донбасантрацит”) n=1, для вугілля марок Г (шахта “Краснолиманська” ВО “Добропольєвугілля”) n=0,6;

k - коефіцієнт пропорційності, який характеризує гірничогеологічні умови;

I0 - газовиділення, що не залежить від видобутку вугілля.

Для забезпечення безпечних умов відпрацьовування газоносних вугільних пластів важливим практичним і науковим питанням є прогнозування темпів росту метановиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини при збільшенні геометричних розмірів вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих виїмкових дільниць.

До аналізу залучили, як дані власних експериментів, так і відомості, які отримано при відпрацьовуванні 1-ої, 1- ої бис, 2-ої, 3-ої, 4-ої, 5-ої і 41-ої західних лав пласту l2в шахти ім. газети “Известия” ДП “Донбасантрацит”, відомі з літературних джерел.

Зі збільшенням ширини виробленого простору зупинених лав досягнення максимального газовиділення в дегазаційні свердловини відбувалося на меншій відстані (lmax) очисного вибою від розрізної печі (рис. 3).

Розташування експериментальних даних відносно прямої, яка осереднює, після повної підпрацьованості порід свідчить про випадковий і незначний вплив інших факторів на зміну розглянутого параметру (lmax). Отже, в умовах повної підпрацьованості порід над сусідніми виробленими просторами щодо конкретних гірничо-геологічних умов lmax є постійною величиною.

Зі збільшенням ступеню підпрацьованості порід над відпрацьованими лавами зменшується, за іншими рівними умовами, не тільки відстань lmax, але й абсолютне значення максимального газовиділення в дегазаційні свердловини (рис. 4).

Незважаючи на великий діапазон зміни факторів, що впливають, (газоносність, швидкість посування очисного вибою, добовий видобуток вугілля) установлено тісну залежність максимального газовиділення в дегазаційні свердловини від загальної ширини виробленого простору відпрацьованих і експлуатованих лав, що підтверджується величиною коефіцієнта парної кореляції (r=-0,95) і його значимістю (tr=6,38>3).

За співвідношенням максимального газовиділення в усі свердловини виїмкової дільниці і свердловини, які пробурено над розрізною піччю, можна судити про ефективність цієї групи свердловин. За іншими рівними умовами (охороні свердловин ціликами вугілля і буравленні їх у зону первинних зрушувань порід) частка метану, що відводиться свердловинами, які пробурено над розрізною піччю росла за мірою збільшення розмірів виробленого простору. Так для першої лави, що відпрацьовується, вона складала 39%, а для другої і третьої - відповідно 59 і 84%.

Рис. 3. Залежність відстані між розрізними печами й очисними вибоями (lmax) від загальної ширини виробленого простору експлуатованої й відпрацьованих лав (В) при яких досягалося максимальне газовиділення в свердловини (шахта ім. газети “Известия” ДП “Донбасантрацит”, пласт l2в):

? - експериментальні дані; 1, 2, 3 - порядок (послідовність) відпрацьовування лав у шахтному полі до повного підпрацьовування земної поверхні; 4 - відпрацьовування лав відбувалося після повного підпрацьовування порід суміжними виїмковими дільницями; 5 - границя, що розділяє загальний вироблений простір на дві частини. Одна частина відповідає експлуатації лав до повного підпрацьовування порід, друга - після утворення плоского дна мульди зрушування; 6 - розташування дільничних ухилів 4-ої західної лави; 7 - крива, яка осереднює, для всіх експериментальних даних; 8 – пряма, яка осереднює, для лав, що примикають до вироблених просторів з повною підпрацьованістю порід понад ними; lп.п.=420 м - ширина виробленого простору при якому наступила повна підпрацьованість порід; lо.л.=390 м - ширина виробленого простору відпрацьованих лав перед початком експлуатації 4-ої західної лави; l4=200 м – довжина 4-ої західної лави.

У період досягнення максимального газовиділення при експлуатації інших лав розглянутої групи частка газу, що відводиться свердловинами, дорівнює 100%. Збільшення ефективності свердловин розглянутої групи викликано зменшенням відстані між очисним вибоєм і розрізною піччю, при якій досягалося максимальне газовиділення з 455 м (перша лава) до її середнього значення (94 м) для інших лав, які розташовано у зоні впливу повного підпрацьовування порід.

При повної підпрацьованості порід над виробленими просторами відпрацьованих виїмкових дільниць, охороні свердловин ціликами вугілля і буравленні їх у зону первинних зрушувань порід, можливе забезпечення необхідної ефективності дегазації в період досягнення першого максимального газовиділення тільки свердловинами, які пробурено над розрізною піччю.

Рис. 4. Залежність максимального газовиділення в свердловини виїмкової дільниці (Imax) від загальної ширини виробленого простору експлуатованої і відпрацьованих лав (В) при відпрацьовуванні газоносного пласту l2в шахти ім. газети “Известия” ДП “Донбасантрацит”:

? - експериментальні дані; 1 – пряма, яка осереднює; r - парний коефіцієнт кореляції; tr – значимість коефіцієнту кореляції.

При відпрацьовуванні газоносних антрацитових пластів на виїмкових дільницях відбувається періодично ріст і зменшення газовиділення, що пов'язано з циклічністю зрушування підпрацьованих порід. Зміна сумарного газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини свідчить про те, що вторинні і наступні максимуми газовиділення можуть перевищувати перший максимум, який зв'язано з відходом очисного вибою від розрізної печі. Цей експериментальний матеріал спростовує існуючу думку про досягнення у всіх випадках абсолютного максимального газовиділення тільки при первинних посадках покрівлі. Можливе співвідношення першого максимального газовиділення з наступними залежить від ступеня розвитку очисних робіт у шахтному полі, інтенсивності його відпрацювання, геологічної будівлі та властивостей порід покрівлі, характеру її первинного обвалення і наступних зрушувань.

Проведені дослідження показали, що для успішної боротьби з газом при відході очисного вибою від розрізної печі необхідно враховувати ступінь розвитку очисних робіт, як на виїмковій дільниці, так і у всьому шахтному полі, а також розташування свердловин у первинних чи вторинних зонах зрушування при відпрацьовуванні суміжних виїмкових дільниць.

На підставі отриманих наукових результатів розроблено загальні принципи і порядок прогнозу газовиділення на виїмкових дільницях вугільних шахт. Пропонований порядок прогнозу газовиділення при відпрацьовуванні вугільних пластів принципово відрізняється від відомих методів. У першу чергу ці відмінності пов'язано з урахуванням зміни напруженого стану породно-вугільного масиву при веденні очисних робіт і ув'язуванню процесів зрушування порід і газовиділення з підпрацьованих вугільних пластів. Це дозволило врахувати вплив розвитку очисних робіт на зміну газовиділення в межах усього шахтного поля.

У додатках приведено матеріали про умови проведення шахтних спостережень, отримані експериментальні дані і документи, що підтверджують впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень вирішено актуальну науково-технічну задачу з удосконалювання прогнозу газовиділення на виїмкових дільницях антрацитових шахт, виявленню головних факторів, що визначають динаміку газовиділення з підпрацьованих зближених пластів і вміщуючих порід у гірничі виробки і дегазаційні свердловини, установленню залежностей між параметрами рядів розподілу факторів, що впливають, і газовиділення.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації роботи полягають у наступному:

1. Розроблено модель газовиділення, що дозволила вперше обґрунтувати зв'язок його зміни при віддаленні очисного вибою з процесами зрушування гірських порід.

Динаміка росту газовиділення на виїмковій дільниці залежить не тільки від величини відходу очисного вибою від розрізної печі, але й від геометричних розмірів раніше відпрацьованих суміжних лав. Таким чином, необхідно враховувати розвиток очисних робіт у двох взаємо-перпендикулярних напрямках, що визначає ступінь підпрацьованості порід.

На рівень газовиділення впливає також черговість відпрацьовування лав за рахунок дискретного збільшення ширини виробленого простору на довжину експлуатованої лави і поява додаткового газовиділення зі зон активізації зрушування порід. Під впливом зазначених факторів слід очікувати зміну параметрів газовиділення на виїмковій дільниці при різній підпрацьованості порід над виробленими просторами зупинених суміжних лав.

Розроблена модель дає не тільки представлення про процеси газовиділення й зрушування порід, що відбуваються, але й дозволяє, у загальному виді, розраховувати окремі параметри, що необхідні для розробки мір безпеки при розвитку очисних робіт.

2. Виявлено особливості динаміки газовиділення з вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих лав, що викликано зрушуванням порід при розвитку очисних робіт у шахтному полі, до наступного часу які не враховувалися при прогнозі:

- для антрацитових пластів співвідношення частки газовиділення з вироблених просторів діючих і зупинених дільниць залишається постійною при зміні видобутку вугілля;

- при відпрацьовуванні антрацитових пластів на глибинах до 300 м довжина лав у діапазоні 190-460 м практично не робить впливу на газовиділення. Головним фактором, що впливає, у цьому випадку є інтенсивність видобутку вугілля;

- зміна схем і режимів провітрювання виїмкових дільниць не викликають істотного впливу на середньомісячне газовиділення з вироблених просторів;

- збільшення загальної ширини виробленого простору експлуатованої і