Спосіб визначення викидонебезпечності вугільних пластів

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения выбросоопасности угольных пластов. Известен способ прогноза выбросоопасности угольных пластов [1], включающий бурение скважины до пересечения пластов, определение мощности отдельных пачек пласта, отбор проб герметичными керноотборниками и определение по ним выхода летучи х ве ществ, газоносности и разрушаемости. По полученным данным рассчитывают комплексный показатель выбросоопасности. Недостатком данного способа является низкая точность, т. к. не учитывается природная влажность, которая в значительной степени определяет физико-химические и упругие характеристики пласта и процессы массопереноса метана. Кроме того, не учитывается напряженное состояние призабойной зоны пласта, а определение газоносности пласта путем отбора проб керноотборниками всегда дает заниженное значение, поскольку происходит естественная дегазация угля во время самого бурения, извлечения и герметизации. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является способ определения выбросоопасности угольных пластов [2], включающий бурение скважин, отбор угля из скважин, определение методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в пробах угля процентного содержания адсорбированного метана (Пм) и процентного содержания адсорбированной воды (Пв) и по их отношению определение критерия газодинамической активности угольного пласта К=Пм/Пв. Причем при К=0,003-0,008 - пласт относят к неопасным по газодинамическим явлениям, а при К≥0,025 для угля марки "Ж", "К" и "ОС"; К≥0,015 для угля марки "Т"; К≥0,01 для угля марки "ПА" пласт относится к опасным по газодинамическим явлениям. Недостатком данного способа является то, что не учитывает такие основные факторы выбросоопасности, как прочность и напряженное состояние угольного пласта. Основная задача изобретения заключается в том, чтобы повысить достоверность определения выбросоопасности угольных пластов путем учета основных факторов выбросоопасности и влияния величины подви-гания забоя горной выработки. Данная задача решается тем, что в способе определения выбросоопасности угольных пластов, включающем бурение в угольный пласт скважин, отбора из них проб угля, определение по этим пробам содержания физически связанной влаги и метана, расчет показателя выбросоопасности и определение по нему состояния пласта, в процессе бурения скважины дополнительно определяют расстояние от поверхности забоя выработки до зоны с максимальной скоростью газовыделения, среднюю прочность угля на сжатие по ряду замеров на протяжении 25 м подвигания забоя выработки, максимальную метанонасыщенность угля при давлении 4-5 МПа и рассчитывают комплексный показатель выбросоопасности по формуле где Qmax - максимальная газонасыщенность угля при давлении 4-5 МПа: W - содержание физически связанной влаги, %; Rcж - прочность угля на сжатие, т/м ; Ιο - величина подвигания забоя, м; Iк - расстояние от забоя выработки до зоны с максимальной скоростью газовыделения, g - средняя плотность пород, т/м 3; Η - глубина разработки, м; причем при В0 - к выбросоопасным. Физико-механические основы первого безразмерного показателя основаны на том факте, что при разрушении угля Абсорбирующий метан способствует росту трещин все х размеров, вплоть до микротрещин и пор. Адсорбированная вода на поверхности пор и трещин ослабляет межчастичные связи твердого угольного вещества, вызывает пластические деформации в микроскопических локальных зонах, окружающих устья зарождающихся и развивающихся трещин. Такой механизм взаимодействия адсорбированной воды с углем интегрально выражается в повышении неупруги х де формаций угля в больших объемах за счет снижения доли упругих деформаций в условиях напряженного состояния. Таким образом, количественное соотношение противоположно действующи х составляющи х водометановой смеси отражает прежде всего способность угля накапливать упругую энергию или, наоборот, снижать ее уровень, кроме того, количественное содержание метана в угле отражает потенциальную энергию метана, который, как фактор давления, обеспечивает условие разрушения отрывом. Второй безразмерный параметр характеризует предельное напряженное состояние и прочность угля, а в целом условие разрушения сдвигом. Третий безразмерный параметр характеризует градиент изменения газонасыщенности и напряжений в призабойной части пласта, и учитывает влияние технологии выемки на выбросоопасность. Чем меньше это соотношение, тем менее опаснатехнология выемки при прочих равных условиях. Таким образом, полученный критерий характеризует процесс разрушения призабойной зоны пласта с учетом флюидонасыщенности и горного давления и может рассматриваться как обобщающее условие возникновения внезапного выброса. Для отнесения пластов к выбросоопасным или невыбросоопасным проводят их опробование, заключающееся в том, что на протяжении 25 м подвигания забоя очистной или подготовительной выработки с интервалом 1,5 м бурят скважины в глубь пласта по стандартной методике (см. Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. М., "Недра", 1989) принимается, что интервал опробования свойств пласта на протяжении 26 м подвигания выработки в соответствии с "Инструкцией..." считается достаточным для оценки выбросоопаености. В процессе бурения определяют расстояние от поверхности забоя до зоны с максимальной скоростью газовыделения. Прочность угля на сжатие Rсж определяют в забое выработки экспрессметодом прочностномером II-I по нормативной методике. Из скважины отбирают штыб в количестве 0,5-0,8 кг, помещают его в герметические емкости и доставляют в лабораторию, оборудованную установками ЯМΡ и газонасыщениями, После доставки угольных образцов в лабораторию, часть угля ислользуют для определения влажности на установке ЯМР по методике ДонФТИ АН Украины или ГОСТ 11041-82. Для газонасыщения отбирают 100-150 г угля, измельчают до частиц размером менее 0,5 мм и высушивают до полной потери адсорбированной влаги по ГОСТ 11041-82. Угли считают подготовленными к проведению сорбционных исследований при полном отсутствии узкой линии на спектре ЯМР. После этого пробу угля загр ужают в сорбционную колбу. Сверху уголь закрывают металлической сеткой и тонким слоем ваты, что препятствует потере угля при его дегазации. Далее уголь дегазируют с помощью вакуумного насоса в течение 2-3 часов при температуре 20-30°С. Дегазацию производят для того, чтобы убрать из пор и трещин воздух, потому, что после выпаривания влаги дегазация, очевидно, не нужна. Там полностью отсутствует метан, так как нет узкой линии спектра ЯМР. За тем подают метан до рабочего давления 4-5 МПа. Установление сорбционного равновесия (в течение 3-5 суток) определяют по постоянному давлению в системе. После чего рассчитывают максимальную метанонасыщенность угля в соответствии с Методическими указаниями по определению содержания сорбированного и свободного метана в ископаемых угля х. Маккеевка-Донбасс, 1977 г. При этом имеют в виду, что при характерном для выбросоопасных пластов давлении газа 4-5 атм. всегда достигается азонасыщение угля на 90-95%. Затем по формуле где Qmax- максимальная газонасыщенности угля при давлении газа 4-5 МПа, %; W - содержание физически связанной влаги, %; Рсж - прочность угля на сжатие, т/м 2; Ιο - величина подвигания забоя, м; Iк - расстояние от забоя выработки до зоны с максимальной скоростью газовыделения, м; g - средняя плотность пород, т/м 3; Η - глубина разработки, м, рассчитывают комплексный показатель выбросоопаености. Способ опробован на шихте им. Калинина ПО "Артемуголь", пл. Каменка, 960 м. Подвигание забоя - 0,9 м. Расстояние от поверхности забоя до зоны с максимальной скоростью газовыделения -2,1 м. Максимальная метанонасыщенность угля при давлении 4-5 МПа - 1,9%. Содержание физически связанной влаги-0,72 %. Прочность угля на сжатие - 12,3 кг/см 2. Комплексный показатель выбросоопаености равен: Следовательно, зона пласта является выбросоопасной и 21.04.90 г. произошел выброс. Использование предлагаемого способа позволяет с высокой степенью достоверности оценить выбросоопасность угольного пласта. Структура предлагаемого показателя выбросоопаености дает возможность устанавливать способы предотвращения выбросов: при высоком содержании метана дегазация; при низкой влажности -увлажнение; при низкой прочности - упрочнение угольного массива; при высоком соотношении изменение способа выемки и управления горным давлением. Таким образом, правильное определение выбросоопаености, а, следовательно, и способов предотвращения выбросов, вопервых, устраняет экономические потери, возникающие в случае отработки невыбросоопасных пластов по технологии выбросоопаености; во-вторых, значительно повысить безопасность ведения горных работ.