Спосіб визначення ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта

Реферат: Спосіб визначення ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта, згідно з яким із свердловини по глибині відбирають вугільні проби заданого об'єму двох фракцій діаметром 0,40,5 мм і 1,0-1,6 мм, встановлюють залежність кількості метану, що десорбований, від часу протягом проведення вимірювань для кожної вугільної фракції. По встановленій залежності будують криву, що описує кінетику десорбції метану, розкладають її на складові процесу десорбції метану з вугілля, на криві: фільтраційну і дифузійну. Визначають по кривих параметри фільтрації D f і дифузії D d і вводять критерій ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта K як відношення параметра фільтрації D f до параметра дифузії D d . Вважають, що при UA 104370 C2 (12) UA 104370 C2 K  5 - ділянка пласта викидонебезпечна, при K  5 - ділянка пласта невикидонебезпечна. Забезпечується підвищення оперативності і достовірності прогнозу ступеня викидонебезпечності. UA 104370 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вугільної промисловості і може бути використаний при розробці викидонебезпечних вугільних пластів і загрозливих за викидами шахтопластів при проведенні гірських виробок по пласту для визначення його викидонебезпечних ділянок. Знання ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта: невикидонебезпечний чи викидонебезпечний, необхідно для забезпечення безпеки ведення робіт. Залежно від ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта використовують різні технологічні прийоми, пов'язані із застосуванням спеціальних методів прогнозу і ведення підготовчих і очисних робіт. Наприклад, на загрожуючих пластах по початковій швидкості газовиділення (Правила ведения горных работ на пластах склонных к газодинамическим явлением. СОУ 10.1.00171088.011 2005. - 230 с.) прогнозують безпечну глибину виїмки вугілля або застосовують постійно противикидні заходи. При визначенні ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта як «викидонебезпечно», окрім вживання противикидних заходів додатково обмежують об'єм видобутку вугілля. Відомий спосіб оцінки викидонебезпечності привибійної частини вугільного пласта описаний в патенті України на корисну модель № 27952, публ. 26.11.2007, МПК (2006) E21F 5/00. Спосіб включає поінтервальне буріння шпурів у напрямі проведення виробки, вимірювання початкової швидкості газовиділення, визначення критерію викидонебезпечності. В інтервалі падіння початкової швидкості газовиділення продовжують вимірювання швидкості газовиділення не менше 3 хвилин, беручи відлік через інтервал в 30 секунд. Визначають часовий критерій викидонебезпечності Кв і, якщо Кв більше чи дорівнює 5, прогнозують небезпеку привибійної частини пласта по викидах вугілля і газу. Допускають виймання вугілля на глибину інтервалу падіння мінус незнижуване випередження не менше 1 м, а якщо Кв менше 5, шпур добурюють на величину чергового інтервалу, вимірюють початкову швидкість газовиділення, потім визначають Кв доти, поки в черговому інтервалі не буде отриманий Кв більший чи рівний 5. Відомий спосіб дозволяє проводити оперативну оцінку викидонебезпечності привибійної частини вугільного пласта в шахтних умовах. Вирішувана даним способом задача є актуальною, проте об’єктивність вибраного в способі критерію викидонебезпечності К в викликає сумніви. В даному способі не враховується важливий фактор, а саме кінетика десорбції метану, яким не можна нехтувати. Враховуючи кінетику десорбції метану інтервал падіння має не прямо t пропорційну залежність, а експоненціальну типу qt=qне- , де час вимірювання t рівний трьом 3 хвилинам. В цьому випадку критерій викидонебезпечності явно буде більше 5, оскільки q t>10 , незалежно від ступеня викидонебезпечності. До недоліків способу так само можна віднести і те, що при бурінні шпура по вугільному пласту його діаметр при переході із зони узагальненого розтягування, розташованої на відстані 0,9-1,5 м від поверхні вибою в зону зсуву або стиснення може зростати в 1,5-2 рази, що істотно впливає на достовірність вимірювань і визначення критерію викидонебезпечності. Найближчим до способу, що заявляється, по технічній суті є спосіб визначення викидонебезпечності вугільних пластів, описаний в авторському свідоцтві СРСР № 1788286, публ. 15.01.1993, МПК E21F5/00. Спосіб включає буріння в ділянки вугільного пласта свердловин, відбір із них проб вугілля, визначення по них вмісту фізично зв'язаних вологи і метану, розрахунок показника викидонебезпечності і визначення по ньому ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта. Для розрахунку комплексного показника викидонебезпечності В у даному способі використовують такі дані як відстань від поверхні вибою виробки до зони з максимальною швидкістю газовиділення lк, яка в розрахунковій формулі знаходиться в знаменнику, точне визначення якої практично неможливе. Це дає право говорити про відсутність достовірності отриманих результатів даного способу. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу визначення ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта шляхом проведення оцінки ступеня викидонебезпечності безпосередньо в шахтних умовах з урахуванням кінетики десорбції метану, а саме його параметрів дифузії і фільтрації, що дозволить підвищити оперативність і достовірність прогнозу ступеня викидонебезпечності. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі визначення ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта, який полягає в бурінні свердловин в ділянку вугільного пласта і відбір проб вугілля, визначенні по них змісту метану, розрахунку показника викидонебезпечності і визначенні по ньому ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта новим є те, що з свердловини по глибині відбирають вугільні проби заданого об'єму двома фракціями діаметром 0,4-0,5 мм і 1,0-1,6 мм, встановлюють залежність кількості метану, що десорбований, від часу протягом проведення вимірювань для кожної вугільної фракції. По встановленій залежності будують криву, що описує кінетику десорбції метану. Розкладають її на складові процесу десорбції метану з вугілля, на криві: фільтраційну і дифузійну, та визначають 1 UA 104370 C2 5 10 15 по них параметри фільтрації Df і дифузії Dd. Вводять критерій ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта K як відношення параметра фільтрації Df до параметра дифузії Dj, D K  f і вважають, що при K≤5 - ділянка пласта викидонебезпечна, при K>5 - ділянка пласта Dd невикидонебезпечна. Заданий чи визначений об'єм вугільних фракцій, необхідний для оцінки кількості десорбованого метану, за інших рівних умов функціонально залежить від маси вугілля. Виконання цієї умови дає можливість вживання розрахункової формули для визначення кінетики десорбції метану - ефективної дифузії, і таким чином підвищує достовірність отриманого результату. Встановлення залежності кількості метану, що десорбований із кожної з двох фракцій, необхідне для визначення кінетики десорбції метану - ефективної дифузії Di(t), яка використовується для прогнозу ступеня викидонебезпечності (Греков С.П., Березовский А.А., Кошовский Б.И., Смоланов И.Н. Метановыделение из частиц угля в закрытых объемах. Горноспасательное дело. - Донецк. - 2002. - С. 56-65). Розрахункова формула ефективної дифузії Di(t) була приведена в роботі Щербань А.Н., Цирульников А.С. Методика визначення газопроникності вугільних пластів. К.: АН УРСР, 1956. - 35 с.: 2 R1 ln Q 2  R 2 ln Q1 2 ,  Q2  6t Q    1 де R1, R2 - розмір фракцій; Q1, Q2 - кількість метану, що десорборваний; Т - час вимірювання (20-30 хвилин з інтервалом 1 хвилина). Побудова кривої, що описує кінетику десорбції метану і розкладання її на дві складові процесу десорбції метану з вугілля, на фільтраційну і дифузійну криві, і визначення по них параметрів фільтрації Df і дифузії Dd (див. Алексеев А.Д. Физика угля и горных процессов, - К.: Наукова Думка. - 2010. - 422 с.) необхідні для підвищення достовірності визначення викидонебезпечності ділянки вугільного пласта, оскільки відношення параметра фільтрації Df до параметра дифузії Dd є критеріальний. Критерій був встановлений і введений за наслідками фактичного прояву викидонебезпечності ділянки вугільного пласта. Так: при K>5 викиди відсутні при будь-якій технологічній дії, при K≤5 відбуваються викиди вугілля і газу. Запропонований спосіб визначення ступеня викидонебезпечності ділянки вугільного пласта був випробуваний на 2-й західній лаві ухильного поля центральної панелі h6' "Смоляніновській" шахти "ім. О.О. Скочинського". Приклад виконання. Для проведення досліджень способу використовувався пристрій для вимірювання тиску і газоносності вугільного пласта, описаний в патенті України № 96884, публ. 12.12.2011, Бюл. № 23, МПК (2011.01) E21F5/00, G01L7/00, E21F7/00. Спочатку визначали тиск метану в кюветі пристрою, для чого пробурювали свердловину на глибину 0,8 м і опрацьовували, тобто бурова штанга проверталася без просування вперед до повного виходу подрібненого вугілля (бурового подрібнення). Після цього продовжували буріння свердловини до глибини 1,0 м і збирали подрібнене вугілля, яке висипається з свердловини, в касету із 4 сит з вічками 0,4; 0,5; 1,0 і 1,6 мм. Відсіяне вугілля фракцією 0,4-0,5 мм і 1,0-1,6 мм поміщали в два пробовідбірника об'ємом 3 20 см кожний. Для відбору наступної проби вугілля пробурювали свердловину на глибину 1,8 м, і 2,8 м. Подальші дії такі ж, як і у разі підготовки першої проби. Час на всі операції від початку буріння свердловини на глибинах 1,0-3,0 м до заповнення пробовідбірника не перевищував 15 хвилин. Проводили вимір наростання кількості метану в кюветах пристрою і фіксували показання через кожні 60 с для кожної з фракцій, отриманих з одного інтервалу буріння. Результати вимірювань представлені в таблиці 1. За даними таблиці 1 визначали кількість метану, отриманого з одного грама вугілля по формулі: Qмі=Qкі/m, 3 де Qкі - кількість метану в кюветі на і хвилині, м /кг; m - маса метану для певної фракції і типу вугілля постійні, оскільки постійні об'єм кювети і щільність його набивання. Кількість метану, накопиченого на i-й хвилині визначали по формулі: Qi=(Qм1800-Qмі)/Qм1800, 3 де Qм1800 - кількості метану в кюветі в кінці вимірювань, м /кг. Розрахунок по вказаних формулах проводився для кожної фракції на кожному інтервалі буріння. D i t   20 25 30 35 40 45 50 55 2 UA 104370 C2 Потім визначали кінетику десорбції метану - ефективну дифузію Di(t), ефективну дифузію метану на і-й хвилині, по формулі: 2 R1 ln Qi 2  R 2 ln Qi1 2 ,  Qi 2  6 t ln  Q    i1  де R1, R2 - середній радіус частинок фракції в 1,0-1,6мм і 0,4-0,5мм відповідно R1=1,3 мм і R2=0,45 мм; t - час виміру в секундах; Qi1, Qi2 - кількості метану накопиченого на і-й хвилині для фракції в 1,0-1,6 мм і 0,4-0,5 мм відповідно. Результати визначення ефективного коефіцієнта дифузії метану були занесені в таблицю 2. За отриманими даними з таблиці 2 будувалася крива, що описує кінетику десорбції метану Dеф=f(t) (див. фіг. 3, крива 1), яка апроксимується по виразу (див. фіг. 3 крива 2) y=aexp(-x/b)+cexp(-x/d), яка розкладалася на 2 складові: у=аехр(-х/b) фільтраційна складова (крива 3), a=Df; y=cexp(-x/d) дифузійна складова (крива 4), c=Dd, тобто розкладають її на складові процесу десорбції метану з вугілля: на фільтраційну і дифузійну криві. Визначення коефіцієнта К, проводилося на всіх трьох інтервалах буріння як відношення параметра фільтрації Df до параметра дифузії Dd, K  D f . За наслідками проведених Dd вимірювань K=Df/Dd