Введение к работе
Актуальность работы. Предупреждение газодинамических явлений -одна из сложных задач обеспечения безопасности при подземной разработке угольных пластов. До сегодняшнего времени она остается актуальной для угольных месторождений Кузбасса. Существующие методы регионального и текущего прогноза и предупреждения внезапных выбросов угля и газа не позволяют однозначно решать поставленную задачу.
При подземной разработке угольных пластов в ряде случаев происходят различные газодинамические явления, в том числе внезапные выбросы угля и газа. Данные явления сопровождаются выбросом сотен тонн измельченного угля и десятков тысяч кубометров природного газа. В ряде случаев они сопровождаются не только разрушением горных выработок, машин и механизмов, но и смертельным травмированием горнорабочих.
Проблема внезапных выбросов для угольных месторождений Кузбасса начинает остро вставать при достижении определенных глубин, значение которых колеблется для разных пластов от 250 до 550 м.
Несмотря на то, что угольный пласт с определенной глубины отнесен к угрожаемым или опасным по внезапным выбросам угля и газа, выбросы происходят нерегулярно и не на всей территории шахтного поля, а в определенных точках. И это связано с дополнительными факторами, которые до сих пор не учитывались ни при разработке теории внезапных выбросов, ни при разработке методов их предупреждения.
Для существующих глубин разработки на шахтах Кузбасса характерны термодинамические параметры, предполагающие наличие в угольных пластах твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов, которые при определенных условиях могут интенсивно диссоциировать и участвовать в образовании выбросоопасных ситуаций, поэтому задача разработки метода оценки выбросоопасности угольных пластов с учетом влияния твердых растворов природных газов является актуальной.
Объектом исследований являются краевые зоны выбросоопасных угольных пластов.
Предметом исследований является влияние диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов на выбросоопасность в краевых зонах угольных пластов.
Целью работы является исследование влияния диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов при определенных термодинамических условиях на выбросоопасность краевых зон угольных пластов для повышения точности текущего прогноза.
Идея работы состоит в том, что природный газ в угольных пластах при определенных термодинамических параметрах может находиться в связях по типу газовых гидратов, которые при диссоциации могут выделять дополнительно большие объемы свободного газа и тем самым влиять на формирование выбросоопасных ситуаций.
Для достижения поставленной цели в рамках данной диссертационной работы должны быть решены следующие задачи исследования:
-
Оценить вклад диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов в газовый баланс внезапного выброса угля и газа и их влияние на формирование выбросоопасных ситуаций.
-
Изучить закономерности диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов при понижении давления газа в угольном пласте.
-
Разработать методику выявления в угольных пластах зон, содержащих твердые растворы природных газов по типу газовых гидратов.
-
Разработать способ определения потенциально выбросоопасных зон в угольных пластах.
Методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя:
анализ и обобщение производственных данных о внезапных выбросах угля и газа в шахтах;
лабораторные исследования зависимости электросопротивления системы «угольная матрица - поровая влага - газ» от термодинамических параметров (температуры и давления);
статистические методы обработки экспериментальных данных;
численное математическое моделирование.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
При термодинамических условиях, обеспечивающих существование метана в виде твердого раствора по типу газового гидрата, при интенсивном трещинообразовании в некоторой зоне краевой части массива происходит диссоциация газовых гидратов, что вызывает в данной зоне повышение газового давления в 2 - 3 раза и играет основную роль в развитии внезапного выброса, а доля газа, полученного при диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов, составляет около 50% от общего объема выброшенного газа.
-
Скорость подвигания границы разложения твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов повышается с 3,5 до 5,3 м/с при понижении естественной влажности угольного пласта с 3,0 до 1,0 % и по порядку величины совпадает со скоростью «волны дробления» при внезапном выбросе угля и газа.
-
При отрицательных температурах удельное электрическое сопротивление (УЭС) твердых растворов природных газов в 1,25 - 1,50 раза ниже, чем УЭС в системе «угольная матрица - лед» при давлении 0,15 МПа, а при по-
ложительных температурах УЭС твердых растворов природных газов примерно в 1,5 - 2,0 раза выше, чем УЭС системы «угольная матрица - влага».
4. Наличие твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов в угольном массиве устанавливается по величине термодинамических параметров, а объем выделившегося газа при диссоциации - по соотношению УЭС и влажности массива.
Научная новизна работы:
установлена зависимость давления газа в краевой зоне угольного пласта от объема газа, выделяющегося при диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов;
установлена зависимость скорости диссоциации газовых гидратов от естественной влажности угольного пласта;
получена закономерность изменения удельного электрического сопротивления твердых растворов природных газов в угольной матрице в зависимости от давления и температуры;
разработан способ определения потенциально выбросоопасных зон в угольных пластах с учетом ширины зоны с твердым раствором природных газов по типу газовых гидратов.
Отличие от ранее выполненных работ заключается в том, что при оценке выбросоопасности угольных пластов дополнительно учитывается диссоциация твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов, влияющая на величину активных сил.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
применением основных положений классической термодинамики, механики сплошных сред и статистической обработки экспериментальных данных;
использованием стандартных методик и приборов для определения физических свойств системы «угольная матрица - поровая влага - природный газ».
Личный вклад автора заключается:
в постановке задач, обработке и анализе результатов теоретических и лабораторных исследований, направленных на выявление влияния диссоциации газовых гидратов на формирование выбросоопасных ситуаций в угольных пластах;
в разработке математической модели для установления зависимости давления газа в краевой зоне угольного пласта от объема газа, выделяющегося при диссоциации газовых гидратов;
в разработке и испытании способа измерения удельного электрического сопротивления твердых растворов природных газов в угольной матрице;
в разработке методики определения ширины зоны угольного пласта, содержащей газовые гидраты.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей диссоциации твердых растворов природных газов по типу газовых гидратов в краевых зонах угольных пластов при подземной разработке месторождений, расширяющих представления о механизме внезапных выбросов угля и газа.
Практическое значение работы заключается в разработке способа определения потенциально выбросоопасных зон в угольных пластах с учетом ширины зоны с твердым раствором природных газов, что позволяет повысить точность прогноза внезапных выбросов и обеспечить безопасность при подземной отработке пластов, угрожаемых и опасных по внезапным выбросам угля и газа.
Реализация работы. Результаты работы будут переданы в качестве дополнения к действующей «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа» после согласования в установленном порядке для использования в ОАО «НЦ ВостНИИ» и в других научных учреждениях и организациях, а также используются при чтении курсов лекций «Физика твердого тела» и «Термодинамика» в Кузбасском государственном техническом университете.
Апробация работы. Основные положения и выводы работы в период ее выполнения докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (26 - 30 января 2009 г., Москва, МТУ); IV Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (9 - 12 февраля 2010 г., Екатеринбург, ИГД УрО РАН); VI Российско-китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (27 - 30 сентября 2010 г., Кемерово, Куз-ГТУ); в ОАО «НЦ ВостНИИ» и др.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано
11 научных работ, в том числе 6 - в ведущих рецензируемых научных жур
налах и изданиях ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит.из введения, четырех глав, заключения. Содержит 114 страниц текста, 28 рисунков,
12 таблиц, список литературы из 105 наименований.
