Термодинамика природной системы «уголь–газ»

Термодинамика природной системы «уголь–газ»

В роботі наведені результати досліджень, які пов’язані з вивченням фізико-механічних, газодинамічних властивостей газоємних пластів та методів контролю та оцінки структурної порушенності вугілля у викидонебезпечних зонах....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
1. Verfasser: Маевский, В.С.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2008
Schriftenreihe:Физико-технические проблемы горного производства
Schlagworte:
Физика угля и горных пород
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108023
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Термодинамика природной системы «уголь–газ» / В.С. Маевский // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2008. — Вип. 11. — С. 18-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-108023
record_format dspace
spelling irk-123456789-1080232016-10-29T03:03:00Z Термодинамика природной системы «уголь–газ» Маевский, В.С. Физика угля и горных пород В роботі наведені результати досліджень, які пов’язані з вивченням фізико-механічних, газодинамічних властивостей газоємних пластів та методів контролю та оцінки структурної порушенності вугілля у викидонебезпечних зонах. In work results of researches which are connected with studying physicomechanical, gas of dynamic properties gas of containing coal seams and a quality monitoring and an estimation structural infringement coal at emission dangerous zones are resulted. 2008 Article Термодинамика природной системы «уголь–газ» / В.С. Маевский // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2008. — Вип. 11. — С. 18-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108023 622.831: 537.86 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Физика угля и горных пород
Физика угля и горных пород
spellingShingle Физика угля и горных пород
Физика угля и горных пород
Маевский, В.С.
Термодинамика природной системы «уголь–газ»
Физико-технические проблемы горного производства
description В роботі наведені результати досліджень, які пов’язані з вивченням фізико-механічних, газодинамічних властивостей газоємних пластів та методів контролю та оцінки структурної порушенності вугілля у викидонебезпечних зонах.
format Article
author Маевский, В.С.
author_facet Маевский, В.С.
author_sort Маевский, В.С.
title Термодинамика природной системы «уголь–газ»
title_short Термодинамика природной системы «уголь–газ»
title_full Термодинамика природной системы «уголь–газ»
title_fullStr Термодинамика природной системы «уголь–газ»
title_full_unstemmed Термодинамика природной системы «уголь–газ»
title_sort термодинамика природной системы «уголь–газ»
publisher Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate 2008
topic_facet Физика угля и горных пород
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108023
citation_txt Термодинамика природной системы «уголь–газ» / В.С. Маевский // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2008. — Вип. 11. — С. 18-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv AT maevskijvs termodinamikaprirodnojsistemyugolʹgaz
first_indexed 2025-07-07T20:50:42Z
last_indexed 2025-07-07T20:50:42Z
_version_ 1837022778864173056
fulltext Физика угля и горных пород 18 УДК 622.831: 537.86 ТЕРМОДИНАМИКА ПРИРОДНОЙ СИСТЕМЫ «УГОЛЬ–ГАЗ» д.т.н. Маевский В.С. (ИФГП НАНУ) В роботі наведені результати досліджень, які пов’язані з вивченням фізико- механічних, газодинамічних властивостей газоємних пластів та методів контро- лю та оцінки структурної порушенності вугілля у викидонебезпечних зонах. THERMODYNAMICS OF NATURAL SYSTEM «COAL–GAS» Maevsky V. S. In work results of researches which are connected with studying physicomechanical, gas of dynamic properties gas of containing coal seams and a quality monitoring and an estimation structural infringement coal at emission dangerous zones are resulted. Перспективы развития горной промышленности связаны с освоением глубоких горизонтов и интенсификацией производственных процессов, ко- торые осложняются выбросами угля и газа, проявляющимися при воздейст- вии на пласты: взрывных работ; узко- и широкозахватной механизированной выемки угля; породопогрузочной техники при уборке горной массы; выемки угля отбойным молотком; при оформлении забоев ручным инструментом после взрывных работ: бурения шпуров и скважин; обрушении угля на пла- стах крутого падения, а также при выполнении противовыбросных меро- приятий, связанных с образованием разгрузочных пазов и щелей, высокона- порным нагнетанием воды в пласт, вымыванием пласта. Всего за столетний период, начиная с 1906 г. в России, а затем в СССР произошло более 10 тыс. выбросов угля, породы и газа [1]. В Донбассе на 108 шахтах разрабатывается 266 опасных и 330 угрожае- мых шахтопластов, на которых происходит в среднем 5 выбросов угля и газа в год на один миллион тонн добытого угля. Практически все выбросы при- урочены к зонам геологических нарушений и структурной нарушенности угля. Выбросы угля и газа снижают темпы проведения выработок, требуют дополнительных затрат на ликвидацию их последствий и на создание безо- пасных условий труда, имеют отрицательные социальные последствия. По- вышение безопасных условий труда, включающих применение методов про- гноза, предотвращения выбросов и контроля их эффективности при разра- ботке выбросоопасных пластов, сдерживается недостаточной разработанно- стью теоретических представлений о свойствах и состоянии системы «уголь–газ», являющихся следствием геологической истории существования угольных пластов, тектонических воздействий и напряженно-деформиро- ванного состояния массива в области влияния горных выработок. Решение проблемы выбросов угля и газа должно базироваться на иссле- дованиях особенностей свойств и состояния угольных пластов в выбросо- опасных зонах на фоне общих закономерностей изменений их структурных Физика угля и горных пород 19 и газодинамических характеристик в процессе метаморфизма в геологиче- ской истории существования углевмещающего массива. В известных гипотезах о метаморфизме угля, происходящем в естествен- ных условиях под воздействием температуры, давления и фактора време- ни,выделяются два основных этапа - доинверсионный, уровень которого оп- ределяется глубиной погружения пласта до начала складкообразования и постинверсионный, происходящий на современной глубине залегания пла- стов. Причем считается, что направление метаморфизма, заданное на доин- версионном этапе, сохраняется. Оценка термодинамической устойчивости углей различной степени ме- таморфизма производится по коэффициенту термической устойчивости χ, являющегося функцией внутренней энергии и энтропии угля, определяемого по уравнению: χ = Т/СР, кДж/кг⋅град, где Т – температура, К; СР – теплоем- кость угля при постоянном давлении. Расчеты показывают, что он имеет два минимальных значения в диапазо- нах температур 300–350 К и 670–870 К, характерных для современных глу- бин залегания пластов и интенсивной активации угля при их нагревании, сопровождающимся потерей массы в виде газообразных продуктов. По- скольку потеря массы углей всех стадий метаморфизма имеет практически существенное значение при температуре 700 К, а максимальные температу- ры, которым подверглись угли марок Г, Ж, ОС, А на доинверсионной стадии составили 340–360, 370–390, 390–420, 570–620 К соответственно, то указан- ное несоответствие может быть объяснено с позиций термофлуктуационной модели, при которой активация химических связей с образованием радика- лов имеет случайный характер вследствие флуктуации энергии в микрообъ- еме по длине химической связи [2]. Образующиеся свободные радикалы определяют перестройку угольного вещества, состав и количество газа в замкнутой системе "уголь-газ" в про- цессе метаморфизма, о чем свидетельствует повышенное содержание легко диффундируемого гелия в составе газов высокометаморфизированных углей при низкой их газоносности. Рассматривая процесс метаморфизма с позиций термофлуктуационной перестройки угольного вещества, основанный на ра- дикальном механизме, было сформулировано основное положение термоди- намики системы «уголь-газ», заключающееся в том, что перегруппировка атомов и молекул и перемещение разнообразных комплексов этих молекул приводит их к такому стабильно-равновесному расположению, при котором энергии взаимодействия молекул, образующих рассматриваемую систему, а следовательно, и ее свободная энергия, имеют минимальное значение при соответствующих внешних воздействиях (давление, температура, химиче- ская активность компонентов и т.д.), т.е. состояние массива является термо- динамически равновесным, при котором вcе внутренние параметры (плот- ность, концентрация, размер структурных элементов и т.д.) есть функция внешних параметров. Физика угля и горных пород 20 На основании изложенного можно заключить, что на глубине максималь- ного погружения угольных пластов в доинверсионный период сформирова- лась равновесная термодинамическая система, характеризуемая внешними параметрами – температурой, давлением и внутренней структурной органи- зацией на атомном, молекулярном и надмолекулярном уровнях. В процессе инверсии углевмещающего массива и денудации земной поверхности изме- няются температура и напряженное состояние угольного пласта от гидро- статического до неравнокомпонентного, которые должны сопровождаться структурной перестройкой угля, являющейся регрессивной по отношению к уровню структурной организации, достигнутой на доинверсионном этапе. Комплексным показателем тенденции к структурной перестройке уголь- ного вещества в зависимости от глубины залегания пластов, является изме- нение в нем количества разорванных химических связей, т.е. свободных ра- дикалов, определяемых как концентрация (N) парамагнитных центров (ПМЦ) на спектре электронно-парамагнитного резонанса [3]. Изменение концентрации ПМЦ, полученной на образцах углей, отобран- ных из пластов через породный прослой величиной 3 м при их вскрытии по- левыми выработками и расчетные значения величин касательных напряже- ний в зависимости от глубины ведения горных работ совпадают по своему характеру и имеют экстремальные значения на глубинах порядка 500 м. Величины касательных напряжений, действующих в массиве, рассчиты- вались с учетом влияния нагрузки на коэффициент Пуассона. Моделирование воздействия касательных напряжений на структуру угля осуществлялось путем его пластического деформирования через фильеру, диаметр которой определяет степень деформации угля: при малом уровне деформаций концентрация ПМЦ возрастает относительно первоначальной, а при большей (более 25%) – снижается. В реальных условиях наибольший уровень структурной перестройки угольного вещества достигается в выбросоопасных зонах, приуроченных к геологическим нарушениям. Исследования изменений концентрации ПМЦ в пробах угля, отобранных на различных расстояниях от полостей выброса, показывают, что при приближении к выбросоопасной зоне она возрастает при 10–12 м, достигает максимального значения в интервале 5–7 м, а с двух метров до полости и в выброшенном угле снижается концентрации до 30% относительно максимальных значений [4] . Изменение микроструктуры угля в выбросоопасных зонах обуславливает отклонение выхода летучих веществ угля, что характеризует степень его ме- таморфизма от среднего по пласту: в выбросоопасных высокометаморфизо- ванных углях уровень метаморфизма ниже, чем в невыбросоопасных, а в выбросоопасных зонах пластов средней и низкой стадии метаморфизма - выше, что позволяет говорить о генерировании углем газа в этих зонах. Так, для угольных пластов с выходом летучих 20–30% отклонение составляет 2%, что в пересчете на метан определяет дополнительное его количество (около 0,03 м³/кг угля) выделяющегося из угля [5]. Физика угля и горных пород 21 Существующая методика оценки выбросоопасности угольных пластов базируется на определениях критических значений выхода летучих веществ, газоносности и глубины ведения горных работ. Вместе с тем, для угольной промышленности Донбасса известна целая гамма пластов, для которых вы- шеуказанные параметры превышают критические значения, однако прояв- ление выбросоопасности при ведении на них горных работ отсутствует, не- смотря на пересечения геологических нарушений, в которых на соседних пластах имели место выбросы угля и газа. Это свидетельствует о необходи- мости учета физико-механических свойств угля в формировании выбросо- опасных зон, как одного из основных общепринятых показателей, характе- ризующих выбросоопасность. Склонность угольных пластов к формированию выбрососпасных зон ус- танавливалась путем сравнений динамических физико-механических свойств угля выбросоопасных и невыбросоопасных пластов, определение которых проводилось по скоростям распространения в них продольных и поперечных упругих волн, вдоль (||) и поперек (┴)естественного напласто- вания, по которым рассчитывались значения динамических модулей упруго- сти (Е), сдвига (G), объемного сжатия (К) и коэффициент Пуассона (μ) вы- бросо- и невыбросоопасных пластов различной степени метаморфизма. Оценка существенности различия выделенных параметров проводилась по критерию Фишера с надежностью 0,99 и позволила определить группы информативных показателей свойств угля, разделяющих выбросоопасные и невыбросоопасные пласты. Vdaf > 30% – K|| ∂ E|| ∂ G|| ∂ Vdaf = 20–30% – E|| ∂ G|| ∂ μ|| ∂ Vdaf = 10–20% – E|| ∂ G|| ∂ μ|| ∂ В выделенных группах модули упругости выбросоопасных пластов в го- ризонтальной плоскости меньше, а коэффициент Пуассона больше, чем у невыбросоопасных почти на 30%. Оценка прочностных свойств угля, показателем которых является харак- теристическая температура Дебая (θ,°К), определяемая по значениям дина- мических параметров угля показывает, что склонность угля к разрушению вдоль напластования для выбросоопасных пластов меньше, чем для невы- бросоопасных (табл. 1). Таблица 1 Значение θ для углейVdaf., % Выбросоопасных пластов Невыбросоопасных пластов > 30 20–30 10–20 168 176 136 168 230 150 Физика угля и горных пород 22 При выходе летучих Vdaf = 10–20% значения характеристической темпе- ратуры для выбросоопасных пластов приближается к θ графита в межслое- вой плоскости (91 К), обладающей наименьшей прочностью. Таким образом, пониженные значения модулей упругости, сдвига и по- вышенный коэффициент Пуассона выбросоопасных угольных пластов сви- детельствуют об их повышенной склонности к разрушению в плоскости на- пластования. Угольные пласты, склонные к газодинамическим проявлениям, являются высокогазоносными, в которых газ физически связан с углем, т.е. находится в сорбированном состоянии. Для установления особенностей состояния газа и его воздействия на скелет угля использованы основные положения теорий флуктуационного электромагнитного поля (дисперсионные силы) и капил- лярных явлений [6]. Из условия равенства химических потенциалов свобод- ного (ϕсв) и сорбированного газа (ϕсорб), полученных соответственно из тер- модинамических и дисперсионных представлений установлено, что равно- весная толщина сорбированного слоя газа зависит от температуры и давле- ния (табл. 2). Таблица 2 Влияние давления (Р) и температуры (Т) на толщину сорбированного слоя ме- тана (СН4) и углекислого газа (СО2) Толщина сорбированного слоя газа, Å, при температуре Т, К Т = 300 Т = 290 Т = 280 Т = 270 Т = 250 Т = 230Р, МПа СН4 СО2 СН4 СО2 СН4 СО2 СН4 СО2 СН4 СО2 СН4 СО2 0,1 8,17 8,66 8,29 8,86 8,41 9,08 8,54 9,33 8,85 9,96 9,18 – 1,0 9,27 10,56 9,44 11,00 9,61 11,55 9,80 12,25 10,25 14,80 10,84 – 2,0 9,80 11,82 9,99 12,57 10,20 13,64 10,44 15,34 11,00 – 11,77 – 3,0 10,19 13,08 10,40 14,36 10,65 16,67 10,93 24,70 11,60 – 12,57 – 4,0 10,52 14,60 10,77 17,07 11,04 27,95 11,36 – 12,15 – 13,35 – 5,0 10,85 16,78 11,09 24,71 11,40 – 11,75 – 12,68 – 14,16 – 6,0 11,10 21,25 11,39 – 11,74 – 12,14 – 13,22 – 15,05 – При перекрытии сорбированных слоев газа возникает расклинивающее давление (эффект Дерягина), обуславливающее деформацию набухания при газонасыщении, составляющую в среднем по 35 выбросоопасным шахто- пластам 1,16·10–3 отн.ед. В стесненных условиях расклинивающее давление газа в углях вызывает дополнительные внутренние напряжения (напряжения «набухания»), величина которых, определенная по методу изменения элек- тросопротивления, достигает 35,0 МПа при давлении газонасыщения 3,0 МПа. Влияние давления газонасыщения на величину напряжений набухания име- ет практически существенное значение до 2,5 МПа. На цилиндрических образцах, приготовленных путем прессования уголь- ной фракции из этих же углей и имитирующих разрушенный и спрессован- ный уголь в зонах геологических нарушений, деформации набухания соста- Физика угля и горных пород 23 вили 1,31·10–2 отн.ед., что более, чем на порядок превышает деформации ненарушенного угля. При этом модули деформаций набухания (α), опреде- ляемые как отношение деформаций набухания к давлению газонасыщения, составляют 0,58·10–3 и 0,65·10–2 МПа–1 соответственно для ненарушенных и нарушенных углей. Исходя из единства природы и механизма выбросов га- зоносных углей и песчаников были проведены исследования модулей упру- гости выбросо- и невыбросоопасных песчаников, которые оказались соот- ветственно равными 2,15·104 МПа и 4,83·104 МПа [7]. Газонасыщение выбросоопасных песчаников также сопровождается уменьшениями модуля упругости (Е), деформации объема (εV) и увеличени- ем напряжений набухания (табл. 3). Таблица 3 Давление газонасыщения, МПаФизико-механические харак- теристики песчаника 0 0,6 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 12,5 13,5 Е, 104 МПа 2,15 1,8 1,75 1,85 1,74 1,98 1,51 1,53 1,51 εV, 105 МПа 124 115 114 100 92 81 73 67 58 Напряжения набухания, МПа 0 5.8 11,7 16,9 22,5 23,0 23,0 – – Основываясь на полученных результатах, а также учитывал особенности свойств и состояния массива в выбросоопасных зонах и проявляющихся в незначительных размерах отжатого и дегазированного участков пласта в об- ласти влияния выработок, отсутствии конвергенции вмещающих пород, ав- тором выдвинуто понятие об «эффекте самоэкранировки выбросоопасных зон», заключающемся в том, что до достижения сил горного давления в при- забойной части пласта уровня напряжений набухания в системе «уголь-газ», величина которых обуславливается нарушенностью угля и его газоносно- стью, воздействие вмещающих пород на пласт не проявляется, а деформи- руемость угля определяется его упругим восстановлением в выработанное пространство с образованием разгруженной зоны. Моделирование процессов деформирования газонасыщенных горных по- род при разгрузке проводилось на специальных стендах, которые позволяли изменять напряженно-деформированное состояние газонасыщенных образ- цов угля и породы путем снятия одной компоненты напряжений с одновре- менной регистрацией деформации. Изучалось влияние напряженного со- стояния, газонасыщенности и динамики изменения нагрузки на величину деформаций по направлению снятия напряжений. Установлено, что разгруз- ка сопровождается появлением растягивающих деформаций, величина кото- рых возрастает с повышением напряженного состояния и давления газона- сыщения. Скорость разгрузки позволяет регулировать величину деформаций растяжения от критических, сопровождающихся разрушением угля и поро- ды при динамическом сбросе напряжений до величины, соответствующей их упругому восстановлению при плавном снятии нагрузки. Физика угля и горных пород 24 В реальных условиях переход выбросоопасных пластов в состояние, ха- рактерное для призабойной части выработок, сопровождается появлением деформаций в сторону выработанного пространства и в общем случае опре- деляется суммарными значениями упругой, пластичной и остаточной де- формациями. Поскольку с течением времени имеет место непрерывный переход упру- гих деформаций в остаточные вследствие релаксационных процессов, то разгруженный массив характеризуется остаточными деформациями растя- жения, определяющими разрыхление массива и его дегазацию, т.е. форми- рование в призабойной части пласта разгруженной зоны, безопасной по га- зодинамическим проявлениям. Комплексным показателем термодинамических процессов, происхо- дящих в системе «уголь-газ», является температура, как показатель тепло- вых эффектов при ее деформации и дегазации. Конечная температура угля при переходе из объемно-напряженного состояния в состояние полной раз- грузки в общем случае подчиняется зависимости: Т = Т0 + ΔТσ + ΔТх, где Т0 – геостатическая температура массива на глубине залегания пласта; а ΔТσ, ΔТх, – приращения температур при механическом деформировании и дегаза- ции соответственно [8]. Поскольку практически весь газ в угольном пласте находится в сорбированном состоянии (до 95 %), то изменение температуры вследствие дегазации определяется процессом десорбции и описывается уравнением: ΔТх = Q(Х0 – Хост)/Суγ, где Q – интегральная теплота десорбции метана из угля; Су – теплоемкость угля; γ – объемный вес угля; Х0, Хост природная и остаточная газоносность пласта соответственно. Экспериментальными определениями теплоты десорбции метана из углей различных стадий метаморфизма установлено, что она является практически постоянной величиной равной ≈ 20 кДж/моль для углей с Vdaf = 9–30 % в ин- тервале давлений от 0,1 до 5 МПа, что обуславливает снижение температуры угля на 9 К относительно начальной. Механическое нагружение дегазированных образцов угля вплоть до его разрушения сопровождается изменением его температуры в пределах от 2·10–2 до 2 К. Переход массива из естественно-напряженного состояния в состояние полной разгрузки на поверхности забоя в основном определяет изменение температуры вследствие десорбции газа. Абсолютные значения температу- ры угля будут определяться разницей между начальной и остаточной газо- носностью пласта, т.е. количеством десорбированного метана. Процесс дега- зации угля характеризуется газокинетическими параметрами, тесно связан- ными со структурными особенностями его строения. Поскольку, в общем случае, остаточная газоносность угля может бить определена по уравнению Хвыд = Х0 – Хост, Физика угля и горных пород 25 где Хост = Х0exp(–t/τ); t – время от начала процесса десорбции, с; τ – кинети- ческий параметр десорбции, с, то относительное изменение количества вы- делившегося газа будет определяться временем и кинетическим параметром. Для определения кинетического параметра десорбции разработан опера- тивный метод, заключающийся в том, что образец угля насыщается газом под давлением 5,0 МПа при непрерывном контроле концентрации ПМЦ. Взаимодействие молекул газа с радикалами угля приводит к снижению концентрации ПМЦ, Уравнение изменения концентрации ПМЦ за время на- блюдения 10–12 мин имеет вид: N = Nk + (N0 – Nk)exp(–t/τ), где N, N0, Nk – текущее, начальное и конечное значения концентрации ПМЦ соответственно. Значения кинетического параметра десорбции, полученные для более 100 шахтопластов Донбасса, изменяются в пределах от 160 до 1000 сек. Расчет- ное относительное количество десорбированного газа составляет от 70 до 95% от природной газоносности. При этом установлено, что по мере приближе- ния к выбросоопасной зоне (шахта им.газеты Социалистический Донбасс, пласт h10, 5-й западный конвейерный штрек), значение кинетического па- раметра десорбции снижается от 223 до 170 сек при одновременном увели- чении иодного показателя степени нарушенности угля (ΔJ) с 2,0 до 3,9 мл/г. Установление газокинетических параметров угля позволяет с одной сто- роны объяснить проявление так называемых «запоздалых» выбросов, а с другой стороны регламентировать скорость подвигания горных выработок по выбросоопасным пластам (время последовательной выемки угля при челноковой схеме разработки должно составлять не менее трех часов после окончания очередного цикла работ). Взаимосвязь тепловых эффектов с кинетическими параметрами и струк- турной нарушенностью угля предопределяет возможность использовать из- менения температуры угольных пластов для контроля их значений в зонах различной выбросоопасности. Общепринято, что в призабойной части пласта можно выделить области предельно-напряженного состояния, включающие зону отжима и упругого состояния угля, характеризующиеся воздействием напряжений от макси- мальных до пластовых. В области предельно-напряженного состояния про- исходит разрушение угля, поскольку уровень напряжений превышает пре- дельно допустимую нагрузку. Разрушение на границе областей интенсифи- цируется к поверхности забоя и сопровождается трением по поверхностям трещин, которое инициирует дальнейшее местное растрескивание (дробле- ние) угля и дегазацию массива Термодинамический анализ указанных процессов позволил установить: разрушение угля и внутреннее трение обуславливают выделение тепла; уп- ругая разгрузка угля, дегазация массива, включающая десорбцию газа, его адиабатическое расширение и фильтрацию, сопровождается снижением температуры угля. В зависимости от существенности влияния каждого из указанных факторов изменяется температура угля в призабойной части пласта. Физика угля и горных пород 26 Бурение контрольного шпура, оказывающего возмущающее воздействие на массив, сопровождается выходом штыба, температура которого по длине шпура отражает газодинамическое и напряженное состояние массива в при- забойной части пласта и характеризуется следующей закономерностью: от груди забоя в глубину массива температура штыба возрастает, достигает максимума, а затем снижается. Практическая апробация данного способа проводилась на особо выбросоопасных пластах h7, h8, h10 в очистных и подготовительных выработках шахт ПО «Донецкуголь». Температура проб штыба с 0,5-метрового участка шпура является информативным показателем и позволяет устанавливать влияния: защитной отработки - температура по длине шпура практически не изменяется; бутовых полос - максимальное значение температуры достигается на глубине до 2-х метров и превышает ее значение на груди забоя на 1,5 K; снижение температуры на 3-х метровой глубине составляет примерно 1 K, на общем фоне повышенной (более чем на 1,5 К) температуры по сравнению с центральной частью лавы. В выбро- соопасных зонах снижение температуры штыба составляет до 5 К, а ее мак- симум достигается на глубине до 1,5 метров. Сравнение характера изменений температуры проб штыба по длине шпу- ра с нормативным способом определения размеров зоны разгрузки по дина- мике начальной скорости газовыделения свидетельствует об их идентично- сти и о возможности использования способа определения зоны разгрузки по динамике температуры проб штыба, а именно - за величину зоны разгрузки принимается расстояние от груди забоя до интервала, на котором рост тем- пературы проб штыба сменяется падением. Аналогичный характер измене- ния имеет температура стенок шпура, определяемая поинтервально, однако способ по динамике температуры штыба предпочтителен, так как он менее трудоемок и более оперативный [9]. Комплексным показателем изменения температуры поверхности забоя вследствие газодинамических процессов с учетом влияния структурных из- менений в угле является его радиационная температура, подчиняющаяся за- кону Стефана-Больцмана и регистрируемая по интенсивности инфракрасно- го излучения (ИК – излучения). Для угольных пластов в зонах, склонных к выбросам угля и газа и харак- теризующихся нарушенной структурой, установлено изменение параметров, определяющих интенсивность ИК-излучения: – электрофизических – при переходе от нарушенных участков угля к не- нарушенным концентрация парамагнитных центров, обуславливающих из- менение диэлектрических свойств возрастает; – коллекторских – угли с нарушенной структурой характеризуются по- вышенной пористостью и просветностью; – газодинамических - начальная скорость газоотдачи в углях с нарушен- ной структурой выше, чем в ненарушенных, т.е. процесс десорбции газа протекает более интенсивно; Физика угля и горных пород 27 – геодинамических - в выбросоопасных зонах, приуроченных к участкам угольного массива со структурной нарушенностыо, отсутствует конверген- ция вмещающих пород, что приводит к разрушению призабойной части пла- ста от деформаций упругого восстановления. Совокупное и однонаправленное изменение указанных свойств и состоя- ния массива позволило научно обосновать возможность использования теп- лового (ИК) излучения забоя угольного пласта для контроля его структур- ной нарушенности. Для углей различной степени нарушенности, т.е. различ- ной склонности к выбросоопасности, изменение интенсивности ИК- излучения относительно ненарушенных участков пласта превышает 5 %. С учетом изменения абсолютной температуры поверхности угольного пласта в выбросоопасных зонах вследствие десорбции газа снижение интенсивности ИК-излучения достигает 15 %, что предопределяет его использование в ка- чества самостоятельного комплексного параметра при оценке состояния приэабойной части выбросоопасных пластов [10]. На основании выполненных исследований были определены исходные требования к средствам измерений радиационной температуры забоев угольных пластов (ИК – пирометры) для прогноза зон геологических нару- шений и параметров контроля их структурной нарушенности, из которых основными являются: диапазон контролируемых отклонений температуры ±5°К; погрешность – 4 %; время срабатывания – не более 10 с; продолжи- тельность непрерывной работы – 6 ч. Пирометр позволяет определять ра- диационную температуру забоя угольного пласта с расстояния до 1,5 м от него с поверхности забоя площадью 0,3 м². Время проведения контроля со- стояния массива по длине 250-метровой лавы составляет менее 2 ч. Температура окружающей среды, существенно изменяющаяся по длине горных выработок, является основным фактором, влияющим на радиацион- ную температуру, В качестве показателя, определяющего радиационную температуру угля, было выбрано отклонение температуры угля от темпера- туры воздуха в выработке в точке измерения. Взаимосвязь между отклоне- ниями абсолютной и радиационной температуры угля от температуры воз- духа определяется выражением: ΔТабс = 0,98ΔТрад + 0,96, где: ΔТабс, ΔТрад – отклонения абсолютной и радиационной температур угля от температуры воздуха, К, соответственно. Определение отклонений радиационной температуры по длине очистной выработки проводится через 3–5 метров. При наличии геологического на- рушения в лаве устанавливают зону его влияния по пониженным значениям радиационной температуры. Для дизъюнктивных мелкоамплитудных нару- шений изменения радиационной температуры в зоне их действия описыва- ются уравнением: ΔТрад = –1,4 – 0,335/L, где L – расстояние от плоскости сместителя, м, при этом влияние нарушения на структурную нарушенность угля может достигать 20 м. Физика угля и горных пород 28 Определение размеров зоны влияния геологических нарушений на вы- бросоопасных пластах позволяет целенаправленно применять проти- вовыбросные мероприятия. Прогноз геологических нарушений по радиационной температуре осуще- ствляется путем анализа результатов изменений в последовательных циклах выемки. Устойчивое снижение радиационной температуры на исследуемых участках свидетельствует о приближении к геологическому нарушению, прогнозирование мелкоамплитудных геологических нарушений по радиаци- онной температуре забоя позволяет устанавливать их наличие с расстояния до 12 метров [11]. В подготовительных выработках на значения радиационной температуры забоя существенное влияние оказывает воздушная струя, омывающая забой и определяющая неравномерность распределения температуры по его по- верхности. Для исключения неравномерности обдува производят измерения радиационной температуры угля и вмещающих пород в смежных точках над- или под угольным пластом через 0,5–0,6 м, по их разности устанавли- вают значения отклонений радиационной температуры, которые усредняют и принимают за окончательное значение радиационной температуры в дан- ном цикле проходки. Установлено, что значения радиационной температуры коррелируют с газоносностью Х и величиной зоны разгрузки ℓз.р.: ΔТрад = 0,86 – 6,87·10–2Х/ℓз.р. (ℜ = 0,825) При внедрении в выбросоопасную зону значения радиационной темпера- туры снижаются более, чем на 1°К, в неопасных зонах снижение температу- ры отсутствует. Выводы. 1. Созданы научные основы релаксационной термодинамики газо- насыщенных угольных пластов, заключающиеся в том, что перестройка угольного вещества в геологической истории существования горного массива (с учетом инверсии угольных пластов, денудации земной поверхности, текто- нических воздействий) определяется радикальным термофлуктуационным процессом на отдельных химических связях с созданием равновесной систе- мы «уголь-газ» при соответствующих внешних воздействиях - горное давле- ние, температура, фактор времени. Если на доинверсионном этапе геологиче- ской истории существования массива на максимальной глубине погружения пластов основным фактором, определяющим структурную перестройку угля, являлась температура, то в процессе инверсии пластов в зону влияния земной поверхности и на современных глубинах, структурная перестройка угля опре- деляется наличием касательных напряжений в массиве горных пород. Направленность структурных преобразований в зоне влияния касатель- ных напряжений является регрессивной по отношению к уровню структур- ной организации системы «уголь-газ», достигнутому на глубине максималь- ного погружения пластов. Физика угля и горных пород 29 2. Доказано, что в зонах геологических нарушений и структурной нару- шенности угля, формирующих выбросоопасность, структурные преобразо- вания определяют уменьшение степени метаморфизма в углях с выходом летучих веществ менее 15 %, а в углях средней и низкой степени метамор- физма (Vdaf > 15 %) – увеличение. Переход от неопасных к выбросоопасным участкам пласта определяется непрерывным изменением структурных пре- образований, заключающемся в том, что под действием касательных напря- жений возрастает нарушенность угля, которая достигая критической вели- чины, формирует вследствие рекомбинации разорванных связей новую, ди- намически неустойчивую, систему. 3. Созданы способы контроля величины зоны разгрузки в призабойной части выбросоопасных угольных пластов, базирующиеся на определении начальной скорости газовыделения, определяемой при поинтервальном ее измерении в призабойной части пласта, и на измерении температуры проб штыба на каждом интервале бурения, позволяющие устанавливать разгру- женную и дегазированную зону по динамике их изменения, при этом рост или стационарность указанных показателей сменяется падением, что свиде- тельствует о внедрении контрольного шпура за пределы зоны разгрузки. 4. Созданы научные основы методов прогноза мелкоамплитудных геоло- гических нарушений и участков структурной нарушенности угля по радиа- ционной температуре забоя угольного пласта, базирующиеся на изменениях излучательной способности и абсолютной температуры. 5. Разработаны средства и метод измерения радиационной температуры забоев в условиях изменения температуры воздушной струи по длине гор- ных выработок. Проведены промышленные испытания серийных образцов измерителя радиационной температуры, результаты которых одобрены и утверждены в установленном порядке. 6. Разработан способ прогноза геологических нарушений и зон их влия- ния по длине очистного забоя по радиационной температуре, который по- зволяет устанавливать их наличие впереди забоев выработки на расстоянии до I2м. Способ прошел промышленные испытания. Результаты испытаний положительные и утверждены Междуведомственной комиссией. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Волошин Н.Е., Вайнштейн Л.А., Брюханов А.М., и др. Выбросы угля, породы в шахтах Донбасса в 1906–2006 гг. (Справочник). – Донецк: СПД Дмитренко, 2007. – 908 с. 2. Маевский В.С. Термодинамическая устойчивость выбросоопасных угольных пластов, I // Создание безопасных условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. трудов. Макеевка–Донбасс. – МакНИИ. – 1986. – C. 64–69. 3. Маевский В.С. Термодинамическая устойчивость выбросоопасных угольных пластов П//Создание безопасных условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. трудов. Макеевка–Донбасс. – МакНИИ. – 1987. – С. 33–39. Физика угля и горных пород 30 4. Маевский В.С. , Поляшов А.С. Термодинамическая устойчивость выбросоопас- ных угольных пластов, III // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах: Сб. научн. трудов. Макеевка–Донбасс. – МакНИИ. – 1990. – С. 92–100. 5. А.С. 1082970 СССР, МКИ Е 21F5/00. Способ определения выбросоопасности зон угольных пластов / Большинский М.И., Маевский В.С., Тимофеев Э.И. – Опубл. 1984. – Бюл. № 12. 6. Маевский В.С. К вопросу о фазовых превращениях в порах ископаемых углей // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах. – Сб. научн. трудов. Макеевка–Донбасс. – МакНИИ. – 1990. – C. 75–79 (ДСП). 7. Маевский В.С., Большинский М.И. Влияние газонасыщения на физико–меха- нические свойства горных пород // Способы и средства безопасного ведения взрывных работ, совершенствование проветривания угольных шахт: Сб. научн. трудов. Макеевка–Донбасс. – МакНИИ. – 1980. – C. 62–66. 8. А.с. 648742 СССР, МКИ Е21F5/00. Способ определения зоны разгрузки уголь- ного пласта/Маевский В.С., Николин В.И., Большинский М.И., Рубинский А.А., Воронков Н.И. – Опубл.1979. – Бюл. № 7. 9. А.с. 972142 СССР, МКИ Е21F5/00. Способ контроля выбросоопасности уголь- ного пласта / Маевский В.С., Самойленко О.Н. – Опубл. 1982. Бюл. № 41. 10. А.с. 1114797 СССР, МКИ Е21F5/00. Способ контроля выбросо – опасности при выемке угля / Маевский В.С., Николин В.И., Большинский М.И., Рубинский А.А., Воронков Н.И. – Опубл.1984. Бюл.№ 35. 11. Маевский В.С. Термодинамика выбросоопасных угольных пластов и тепловые методы контроля их газодинамического состояния и структурной нарушенно- сти: Автореф. дисс… докт. техн. наук: 05.15.11 / Институт проблем комплекс- ного освоения недр АН СССР. – Москва. – 1991. – 35 с.

Ähnliche Einträge