Научное обоснование и разработка безопасных методов ведения горных работ в соляных породах в условиях газовыделений и газодинамических явлений Полянина, Генриетта Даниловна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Полянина, Генриетта Даниловна. Научное обоснование и разработка безопасных методов ведения горных работ в соляных породах в условиях газовыделений и газодинамических явлений : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.26.01 / Ленингр. горн. ин-т им. Г. В. Плеханова.- Ленинград, 1990.- 40 с.: ил. РГБ ОД, 9 90-4/982-5

Введение к работе

Актуальность проблемы. В СССР разрабатывается несколько месторождений калийных солей - Верхнекамск'ое, Старобинскоа, Калушское и др., разведано подземными горными выработками Ин-дерское борно-калийное месторождение. Ведение горных работ на этих месторождениях осложнено газопроявлениями. При освоении новых шахтных полей с изменившимися горногеологическими и технологическими условиями разработки появились непредвиденные опасности, связанные с природными газами соляных пород: газодинамические явления из вмещающих пород, повышенные выделения ядовитых газов в тупиковых механизированных забоях и т.д. Эти газопроявления опасны для здоровья и жизни забойных горнорабочих возможностью отравления газами, травмирования породой при её выбросах, вспышек и взрывов газовоздушных смесей. Из-за остановок забоев снижается производительность комбайновых комплексов, расходуются средства на ликвидации последствий выбросов и обрушений, ухудшаются технико-экономические показатели работы рудников.

При анализе состояния решения проблемы обеспечения безопасных условий труда в условиях газопроявлений выяснено, что недостаточно изучены особенности газоносности соляных пород, применяются различные методы её определения, не изучена газоносность пород новых месторождений и шахтных полей; не выявлены причины загазования тупиковых механизированных забоев ядовитыми газами и для них не разработаны меры по обеспечению безопасных условий труда; существующие методы прогноза и предотвращения газодинамических явлений из кровли сильвинитовых пластов недостаточно эффективны, а для условий выбросоопасного кар-наллитового пласта и соляных пород Индерского месторождения до наших исследований вообще не были разработаны.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной крупной научной проблемы обеспечения безопасных условий труда при отработке газоносных и опасных по газодинамическим явлениям соляных пластов, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1965-1989 г.г. автором и при её участии, а с 1972

по 1989 г.г. - под её руководством. С 1981г. исследования проводились в рамках КНЇЇІ Минвуза РСФСР " Человек и окружающая среда " (1981-ЄЗг.г. - темы 2.7.31 и 2.7.32; 1984-85г.т«

- темы 3.2.1.6 и 3.2.1.12$ 1985-90г.г. - темы 03.01.04.27 и
03.02,02.20; 1987г. - темы - 03.02.03.12 и 03.02.03.13;
І988Г,- тема 03.02.01.44); »№ ГР 81029272, 81087263,
01860062189, 018660049995 и др.

^: Цель работы -' повышение безопасности горных работ в соляных породах в условиях природных газовыделений и газодинамических явлений.

Основная идея работы заключается в использовании выяв-лвнных особенностей газоносности соляных пород и газодина-цических явлений в калийных рудниках для разработки комплекса мер борьбы с опасными газовыделениями, методов прогноза и предотвращения внезапных выбросов и газодинамических обрушений.

/'"Задачи исследований:

научить факторы, определяющие газоносность соляных пород; -разработать методы определения газоносности;

изучить газоносность пород новых шахтных полей и распределение газов в массиве;

исследовать-природные газовыделения}

* разработать безопасные методы ведения горных работ в условиях повышенных выделений ядовитых газов;

- изучить фактические данные по газодинамическим явлениям в
калийных рудниках;

. - выявить особенности и изучить механизм газодинамических явлений;

- обосновать и разработать методы прогноза газодинамических
.явлений;/";:'"', ':-( ^:-у v^:'^;'.'..'.' -Ї.'.Д'.;/; ^:''j.:4'"V ' ".'''.'...'

-обосновать и разработать методы предотвращения газодинамических явлений. /'".;'':';".''. -'''':'' .:-^^ :-^:;_v'

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий изучение,; алализ и обобщение результатов исследований, выполненных по изучаемой проблеме, фактических ,''. данных рудников по гаэовыделениям и газодинамическим явлениям, лабораторные и шахтные эксперимента, приборные и инотру--- -^;'-^:-'--.' ; ;:-'; .--.^--4 - 'V/;.-;-" ''''' _ '

ментальные измерения и наблюдения, научное планирование экспериментов и статистическая обработка их результатов, теоретические исследования, участив в расследованиях случаев газодинамических явлений, опытные и опытно-промышленные испытания рекомендованных мероприятий, их технико-экономическая оценка. Основные защищаемые научные положения

1. Газы в соляных породах находятся в локализованных
скоплениях трех видов: в порах { в кристаллах и между ними),
между слоями и в геологических"трещинах и кавернах.

Неравномерность газоносности ярко выражена, различна и связана с особенностями строения соляного массива. Обычная газоносность однородного массива обусловлена рассеянными перовыми газами (0,1 - 2 м³/ы³); повышенная газоносность выброео- . опасных участков связана с гнездовыми скоплениями поровых газов (3-40 м³/м³); газоносность слоистого массива определяется слоевыми скоплениями газа ( до 100 м³), трещиноватого массива - очаговыми скоплениями (до 2000 ц³ и более).

Максимальное,количество сероводорода содержится в порах кристаллов пестрого сильвинита Верхнекамского месторождения. Загазование тупиковых комбайновых выработок сероводородом происходит вследствие мелкого измельчения руды, недостаточного количества воздуха и его запыленности, способствующей удержаний газа в воздухе, неэффективности нагнетательного способа проветривания и др.причин.
Безопасные условия труда в тупиковых комбайновых выработках с повышенным выделением сероводорода могут быть обеспечены комплексом мер: технологических (расположением подготовительных выработок в менее газоносных слоях, уменьшением длины камер и др.), вентиляционных (применением комбинированного способа проветривания и др.) и специальных (применением изолирующе-регулирующих ограждений в призабойном пространстве и пылегаэопоглотителей в отсасывающих трубопроводах). .'

4. В калийных, рудниках наибольшую опасность представляют две группы газодинамических явлений: внезапные выбросы породы и газа из разрабатываемого пласта и газодинамические обрушения ( и явления комбинированного типа) из вмещающих пород.

Потенциально выбросоопасные участки массива представляют собой газопородные агрегаты, характеризующиеся повышенной пористостью, газоносностью и упругостью и при пониженной прочности высокими уровнями напряженно-деформированного состояния й внутренней энергии, обеспечивающих возможность саморазрушения и выброса породы.

Опасными по .газодинамическим разрушениям являются участки слоистой кровли, содержащие слоевые скопления газа, являющиеся разрушающей пригруэкой в условиях ярко выраженной ани-оотропии газодинамических и деформационных свойств. Другой фактор, определяющий возможность разрушения соляного слоя -наличие высоких горизонтальных сжимающих напряжений под глинистым слоем.

5. Критерием прогноза газодинамических явлений должен быть комплексный показатель, учитывающий уровень напряженного состояния участка, сформированный под действием всех влияющих факторов, либо показатель, коррелирующий со степенью выбросоопасности пород. Этим требованиям для прогноза выбросоопасности удовлетворяют критерии и основанные на их использовании акустический и радиометрический методы, а также методы, использующие геологические признаки; для прогноза газодинамических обрушений - критерии, оценивающие состояние приконтурного массива по характеристикам импульсов акустической эмиссии, и использующий эти критерии сейсмо-акустический метод.

6. Способы предотвращения газодинамических явлений должны целенаправленно воздействовать на результирующий фактор опасности - уменьшать уровень напряженно-дефорлшрованно- . го состояния и внутренней энергии опасного участка.

Этим требованиям при предотвращении выбросов удовлетворяют предварительное нагнетание воды в пласт в режиме гидрорыхления (гидроразрыва), либо торпедирование, либо создание опережающих разгрузочных щелей по контуру будущей выработки; при предотвращении газодинамических обрушений кровли -одновременное с проведением выработки создание в кровле вертикальной разгружающе-дегазационной щели с помощью комбайна, оснащенного щелерезом.

- б -

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием обоснованных физических моделей реальным процессам эагаэо.вания тупиковых забоев и развития газодинамических явлений, сопоставимостью теоретических представлений и результатов экспериментальных исследований ( более 1400 определений газоносности, 2000 акустических и радиометрических измерений, 150 опытов по разрушению образцов при нагнетании воды и рассола и др.; расхождение теории и практики не превысило 10-20 %), положительными результатами опытных и опытно-промышленных испытаний методов . прогноза и предотвращения газодинамических явлений и комплекса мер по борьбе с сероводородом в тупиковых забоях, принятыми и используемыми в производстве результатами по обеспечению безопасных условий труда; включением результатов исследований в нормативные документы, являющиеся дополнениями к "Правилам безопасности ...", положительными результатами их внедрения на предприятиях производственных объединений "Уралкалий" и "Сильвинит", Индерской геолого-разведочной экспедиции. Научная новизна работы заключается в следующем:

установлены особенности распределения и нахождения газов в соляных породах, различная качественная и количественная неравномерность газоносности, зависящая от геологического строения массива;

разработана классификация природных газов, позволяющая объяснить причины опасных гаэовыделении и газодинамических явлений;

установлены причины повышенных выделений сероводорода и за-газования тупиковых забоев и обоснован комплекс технологических, вентиляционных и специальных мероприятий по обеспечению безопасных условий труда;

разработана новая классификация газодинамических явлений на основе их механизма и с учетом технологических факторов, показывающая необходимость дифференцированного подхода при выборе мер борьбы с ними; '

разработаны физические модели газодинамических явлений, позволяющие обоснованно выбирать критерии и методы прогноза и

предотвращения этих явлений;

обоснованы критерии и разработаны новые методы прогноза вы-бросоопасности соляных пород (радиометрический, акустический и геологический) и сейсмоакустический метод прогноза газодинамических обрушений кровли;

обоснованы критерии и предложены способы предотвращения газодинамических явлений, направленные на уменьшение уровня напряженно-деформированного состояния и внутренней энергии опасных участков массива: впервые для предотвращения выбросов соляных пород разработан метод нагнетания воды в пласт в режиме гидроразрыва и обоснована возможность применения торпедирования и опережающих разгружающих, щелей по контуру будущей выработки: для предотвращения газодинамических обрушений разработан новый метод, заключающийся в создании в кровле выработки одновременно с её проведением вертикальной ргагрузочно-дега-зационной щели.

Личный вклад автора:

основная идея работы, постановка всех задач исследований и разработка методологии и методик их решения;

разработка теоретических полонений исследования вопросов га-.зоносности соляных пород (давления, фазовых состояний, сорбции);

классификация природных газов;

разработка принципов и комплекса мероприятий по обеспечению нормальных санитарно-гигиенических условий труда в тупиковых забоях в условиях выделений ядовитых газов;

классификация газодинамических явлений;

разработка физических моделей газодинамических явлений;

обоснование методов прогноза газодинамических явлений, методическое обеспечение при их исследовании и участие в шахтных исследованиях;

обоснование принципов и способов предотвращения газодинамических явлений, методическое обеспечение при их исследовании и участие в шахтных исследованиях;

идеи технологических решений с использованием разработанных способов предотвращения газодинамических явлений.

Практическое значение работы;

разработаны методики определения газоносности соляйых пород, нашедшие применение при изучении газоносности пород пяти новых шахтных полей в течение 20-тк лет. Данные по газоносности используются при расчете вентиляция и разработке мероприятий по безопасному ведению горных работ; ' ' .

установлены причины загазования тупиковых выработок серово-. дородом и разработан комплекс мер по обеспечению безопасных условий труда;

выявлены две группы различных по природе, наиболее распространенных и опасных газодинамических явлений (внезапные выбросы и газодинамические обрушения) и показана необходимость применения неодинаковых методов их прогноза и предотвращзния;

разработаны радиометрический и акустический методы и аппаратура для прогноза выбросоопасности, а также геологический метод (йндерское месторождение), разработан сейсмоакустическнй метод для прогноза газодинамических обрушений;

обоснованы и разработаны эффективные и технологичные способы предотвращения выбросов породы и газа и газодинамических обрушений.

Реализация работы., Разработанные методики определения газоносности пород использованы при изучении газоносности-пород пяти новых шахтных полей в течение 20-ти лет. Полученные данные используются при расчете вентиляции и обосновании мероприятий по безопасному ведению горных работ (напріжр, при обосновании возможности применения комбайнов и др;) и г-клюта-лись в нормативные документы, являющиеся дополнением к "Правилам безопасности ... " - "Временную инструкцию по безопасной отработке пластов, опасных по внезапным выбросам соли и газа, на Верхнекамских рудниках" 1973; "Временную инструкцию по безопасной отработке пластов, опасных по газодинамическим явлениям" 1973; "Специальные мероприятия по безопасному ведз-нию горных работ на Верхнекамском иесгорождзнии. в условиях газового режима" .1983. ..._.' ' . - '.; ''*; "'' '-' ':''_

Рудниками ПО "Сильвинит" йспользуртся. "Методика_.' определения газосбильности выработок по сероводороду":и "Рёкомен-' '-'--.''.;- -9.- ^:r;vv-v^;>-\''-- '; '' ^л

д&ции по определению производительности комбайновых комплексов в условиях выделения природных ядовитых газов", часть рекомендаций по обеспечению безопасных условий труда в условиях повышенных выделений сероводорода.

Разработанные методы прогноза применялись на Индерсиом и Верхнекамском месторождениях и находят применение в настоящее время в зависимости от конкретных ситуаций.

Технологические решения по безопасной отработке пластов, опасных по газодинамическим явлениям, включающие разработанные меры их профилактики, приняты к внедрению (раэгружающе-дегазационны щели) или находятся в стадии шахтных испытаний (по карналлиту).

Результаты исследований в течение 20-ти лег используются в Пермском политехническом институте при подготовке будущих горных инженеров для работы на калийных рудниках страны. "'.'Л Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований доложены и обсуждены на конференциях и совещаниях: на Всесоюзных научных конференциях вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов по физике горных пород и процессов:;eZ967, 1969, 1971, 1974, 1977, 1987 г.г.); Всесоюзных конференциях по проблемам охраны труда (г.Иваново, 1969 и г.Казань, г.Кишинев, 1974); Всесоюзной конференции по борьбе с внезапными выбросами угля, пород и газа (г.Донецк, 1972); Всесоюзных совещаниях по комплексному освоению богат-: ств йндерскогр района (п.Индер Гурьевской обл. 1971 и 1973г.rj .Всесоюзных солевых совещаниях (г.Новосибирск, Академгородок, 1974 и 1979 г.г,, г.Лиманчик, 1984г.); Всесоюзный научно-технической конференции "Исследование, прогноз и контроль проявлении горного давления" (г.Ленинград, 1982 г.); на ІУ и У Всесоюзных семшарах по горной геофизике (г.Борясоми, 1987 г., г.Телави, 1989 г,)} на Всесоюзном совещании работников Госгор-технадзора СССР с участием научно-исследовательских организаций (г.Березники» 1987.г*); Всесоюзной конференции по измерению напряжений вмассиве .(г,Новосибирск,~1987 г;),(Фруное, 1988 г..); Всесоюзной, конференции по механике горных пород (г.Фрунзе, J989 г.)і на координационных совещаниях по проблеме газодинамических явлений и аэрологии калийных рудников

(г.г.Ленинград, Березники, Соликамск - с І97Г - 1988 г.г.), на технических совещаниях производственных объединений "Урал-калий", "Сильвинит", калийных производственных рудоуправлений (Березники, Соликамск, 1967-1989 г.г.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 30 работах, включающих 3 монографии, I конспект лекций и 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, б разделов и заключения, изложена на 364 страницах машинописного текста, включая 102 рисунка, 41 таблицу и библиографический список из 280 наименований.

Работа выполнена на кафедре разработки месторождений полезных ископаемых Пермского политехнического института. В выполнении работы в разные периоды участвовали сотрудники и аспиранты кафедры, а также студенты. Всем им автор выражает иснреннш благодарность.