Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ

Реферат: Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ належить до гірничої промисловості. Спосіб включає буріння шпуру по викидонебезпечному прошарку, визначення параметрів природного газовиділення під час буріння не виймаючи бурового поставу зі шпуру, визначення швидкості виходу штибу із шпуру і віднесення ситуації до такої, що є викидонебезпечною, у випадку перевищення швидкості початкового газовиділення допустимого рівня. В процесі буріння розбавляють природний газ всередині шпуру газом, що є хімічно нейтральним до природного, при цьому забезпечують режим, в якому транспортується не більше 3-5 % штибу у підвішеному стані. Вимірюють концентрацію отриманої суміші на виході із шпуру, швидкість природного газовиділення визначають за залежністю, що враховує концентрацію природного газу у суміші на виході із шпуру та швидкість витрат хімічно нейтрального газу. Досягається надійність прогнозу газодинамічних явищ, контроль викидонебезпечності вугілля та газу та безпека підземних робіт. UA 115962 C2 (12) UA 115962 C2 UA 115962 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гірничої промисловості і може бути використаний для контролю викидонебезпечності вугілля та газу та підвищення безпеки гірничих робіт. Відомий спосіб поточного прогнозу раптових викидів вугілля і газу згідно з патентом РФ 2231649, МПК E21F5/00, опубл. 27.06.2004, в основі якого лежить визначення початкової швидкості газовиділення зі шпуру. Спосіб включає буріння шпуру діаметром 42 мм. Під час буріння реєструють високочастотну та низькочастотну амплітуди акустичної емісії, що генерується ріжучим інструментом бура. Після досягнення довжини шпуру 1,0 м буріння зупиняється, буровий інструмент витягують, а в шпур вводиться газовий затвор (герметизатор), яким герметизується камера довжиною 0,5 м. На герметизаторі встановлюється трубка, до якої приєднується витратомір у вигляді дифманометра, і не пізніше 2 хвилини після закінчення буріння вимірюється швидкість газовиділення. Викидонебезпечність пласта визначають за комплексним параметром, який обчислюється як добуток початкової швидкості газовиділення на співвідношення амплітуд акустичної емісії. Недоліком способу аналога є низька точність вимірювання швидкості газовиділення, оскільки під час виконання кожного виміру необхідно виймати бур і вставляти герметизатор. Тому процес вимірювання починають після зупинки буріння з затримкою на проміжок часу, що може досягати 2 хвилини. За цей час реальна швидкість суттєво знижується, що призводить до похибки визначення швидкості газовиділення, темпи падіння якого найбільші безпосередньо після зупинки процесу буріння. Це обумовлює зниження достовірності оцінки викидонебезпечності вугільного пласта. Найбільш близьким аналогом способу, що заявляється, є спосіб прогнозування небезпеки газодинамічних явищ в масиві гірських порід згідно з патентом РФ 2382202, опублікованому 20.02.2010 в Бюл. № 3. Згідно зі способом, бурять шпур по викидонебезпечному пласту за допомогою обертального свердління з попередньою герметизацією гирла шпуру і визначають параметри газовиділення безперервно під час буріння та після його зупинки не виймаючи бурового поставу зі шпуру. При цьому визначають швидкість газовиділення, вагову кількість штибу, та поточну глибину шпуру. Періодично зупиняють процес буріння та визначають швидкість падіння темпів газовиділення зі шпуру. На основі вказаних вимірювань оцінюють викодонебезпечність пласта. Недоліком способу є необхідність герметизації шпуру під час його буріння, що підвищує трудомісткість реалізації і знижує точність визначення швидкості газовиділення. Для можливості герметизації шпуру спочатку свердлять шпур більшого діаметра більшою коронкою, наприклад діаметром 90 мм на глибину 0,5 м. Потім змінюють бурову коронку, в розширене гирло вставляють герметизатор і продовжують свердлити шпур діаметром 42 мм. Під час свердління бокова поверхня підшипника герметизатора треться об шевронні ущільнення. Від тертя шевронні ущільнення розігріваються і починають виділяти гази, які змішуються з газом, що виділяється зі шпуру, а потім потрапляють у загальний потік та реєструються витратоміром. З іншого боку тертя призводить до зносу шевронних ущільнень і погіршення герметизації шпуру. Це призводить до просочування газу. Таким чином виникає невизначеність при вимірах газу, яка знижує точність результатів вимірів параметрів газовиділення. Ще більша похибка виникає у результаті відбору штибу, з яким втрачається і не обліковується значна частка газу. Аналіз результатів вимірювання початкової швидкості метановиділення зі шпуру свідчить (графіки на рис. 5.10 з монографії Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах/ В.В. Ржевский и др. - М.: Недра, 1984. - 327 с), що коефіцієнт варіації початкової швидкості метановиділення перевищує 45 % (ймовірність становить 68 %), що обумовлено необхідністю герметизації шпуру і негативними наслідками її недосконалості. До того ж крок визначення початкової швидкості не може бути меншим за 0,5 м, що суттєво загрубляє результати випробувань. Це означає, що з ймовірністю 95 % похибка визначення початкової швидкості природного газовиділення сягає 90 %, а у 5 % випадків вона буде навіть більшою. Отже у 5 % випадків існуючі способи визначення викидонебезпечності приводять до прийняття хибної гіпотези про відсутність викидонебезпеки у той час, коли вона реально існує. Суттєві ознаки найближчого аналога, які співпадають з ознаками об'єкта, що заявляється є наступні: 1) буріння шпуру по викидонебезпечному пропластку; 2) визначення параметрів природного газовиділення під час буріння та після його зупинки не виймаючи бурового ставу зі шпуру; 3) визначення швидкості виходу штибу із шпуру. 1 UA 115962 C2 5 10 Задачею винаходу є удосконалення відомого способу за рахунок введення нових операцій та їх послідовності, що дозволяє підвищити точність вимірювання початкової швидкості газовиділення, а отже підвищує безпеку підземних робіт. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі поточного прогнозу газодинамічних явищ, який включає буріння шпуру по викидонебезпечному прошарку, визначення параметрів природного газовиділення під час буріння не виймаючи бурового поставу зі шпуру, визначення швидкості виходу штибу із шпуру, згідно з винаходом, в процесі буріння розбавляють природний газ всередині шпуру газом, що є хімічно нейтральним до природного, при цьому забезпечують режим, в якому транспортується не більше 3-5 % штибу у підвішеному стані, вимірюють концентрацію отриманої суміші на виході із шпуру, а швидкість природного газовиділення визначають за залежністю Cg Va Vg  100  Cg , V 3 де g - швидкість природного газовиділення, см /с; Cg - концентрація природного газу у суміші на виході із шпуру, %; Va - швидкість витрат хімічно нейтрального газу, см3/с. Необов'язково, але доцільно, як хімічно нейтральний газ використовувати повітря. Необов'язково, але доцільно, концентрацію газоповітряної суміші підтримувати в діапазоні 40-90 %. Необов'язково, але доцільно, які хімічно нейтральний газ використовувати вуглекислий газ. Необов'язково, але доцільно, як хімічно нейтральний газ використовувати азот. У способі введені нові операції а саме: - у процесі буріння розбавляють природний газ всередині шпуру газом, що є хімічно нейтральним до природного. Це дозволяє з високою точністю визначити кількість природного газу по концентрації газової суміші, тому що хімічно нейтральний газ подають у шпур з трубопроводу, балона або компресором і його кількість вимірюється з високою точністю; - забезпечують режим, в якому транспортується не більше 3-5 % штибу у підвішеному стані. Це мінімізує похибку вимірювання концентрації газової суміші і виходу штибу, тобто зберігає високу точність вимірювань на гирлі шпуру завдяки тому, що основна маса штибу вивантажується зі шпуру і падає вниз під дією тяжіння, а не видувається зі шпуру у підвішеному стані; - вимірюють концентрацію отриманої суміші на виході із шпуру. Це означає, що замість вимірювання швидкості газовиділення вимірюють концентрацію, а отже герметизація шпуру не потрібна, і тому всі похибки, пов'язані з недосконалістю герметизації та просочуванням газу, відкидаються; - швидкість природного газовиділення визначають за залежністю Cg Va Vg  100  Cg , V 3 де g - швидкість природного газовиділення, наприклад метану, см /с; Cg - концентрація природного газу у суміші на виході із шпуру, %; Va - швидкість витрат хімічно нейтрального газу, см3/с. У вказану залежність входять величини, які вимірюють з високою точністю, що забезпечує мінімальну похибку визначення можливості газодинамічного явища. Отже спосіб дозволяє вимірювати швидкість природного газовиділення на основі моніторингу швидкості подачі хімічно нейтрального газу в шпур і концентрації газової суміші, для чого немає потреби виконувати його герметизацію. Для прямих вимірів початкової швидкості газовиділення треба врахувати весь природний газ, що виділяється з масиву. Цю задачу практично неможливо виконати зважаючи на проблеми просочування газу через недосконалі герметичні ущільнення і природну тріщинуватість викидонебезпечного масиву гірських порід. Натомість концентрацію газоповітряної суміші можна точно виміряти у малому об'ємі безпосередньо біля гирла шпуру, тобто у об'ємі, який складає кілька процентів від усього об'єму природного газу, який виділяється. Точність таких вимірювань забезпечується ще й тим, що природний газ і хімічно нейтральний газ, який подають у вибій шпуру, якісно перемішуються, доки вийдуть зі шпуру, тому що хімічно нейтральний газ подають у вибійну частину шпуру. Це гарантує стабільність концентрації, а отже знижує похибку її вимірювань. Подальше зниження   15 20 25 30 35 40 45 50   2 UA 115962 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 похибки вимірювань досягається уникненням режиму транспортування основної маси штибу у підвішеному стані і дотриманням концентрації газової суміші в оптимальному діапазоні 40-90 %. Вказані нові операції та їх нова послідовність удосконалюють відомий спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ, що дозволяє виконати непряме вимірювання швидкості газовиділення і позбавитись необхідності герметизації шпуру. Отже технічним результатом є зменшення трудомісткості реалізації способу і збільшення точності визначення швидкості газовиділення завдяки уникненню проблем просочування природного газу через недосконалість герметизації. Це сприяє підвищенню безпеки підземних робіт завдяки збільшенню надійності прогнозу газодинамічних явищ під час підземної розробки родовищ корисних копалин. Суть нового способу поточного прогнозу газодинамічних явищ пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображено буріння шпуру, на фіг. 2 наведено варіант конструкції пристрою, що підвищує надійність вимірів початкової швидкості газовиділення, на фіг. 3 - графіки випробування початкової швидкості газовиділення, на фіг. 4 - режими виконання способу при різних рівнях витрат повітря. Позицією 1 на фіг. 1 позначено оголення викидонебезпечного вугільного пласта 2, позицією 3 - шпур, 4 - бурильну коронку, 5 - бурову штангу, 6 - електросвердло, 7 - обтюратор, 8 - канал всередині бурової штанги 5, 9 - повітря, 10 - витратомір, 11 - шахтний інтерферометр для вимірювання концентрації природного газу. На фіг. 2 позицією 12 позначено ковпак, що має отвір 13 для вставлення трубки шахтного інтерферометра 11, 14 - отвір для вставлення бурового інструмента, 15 - отвір для виходу штибу, 16 - дюбель. На фіг. 3 позиція 17 вказує на графік витрат повітря для розбавлення природного газу, що виділяється в шпурі, 18 - графік варіації концентрації природного газу у газоповітряній суміші біля гирла шпуру, 19 - графік початкової швидкості газовиділення у мілілітрах за секунду, 20 - пунктирною лінією вказаний безпечний рівень початкової швидкості газовиділення у мл/сек., 21 - графік початкової швидкості газовиділення у літрах за хвилину. На фіг. 4 позицією 22 позначено графік залежності між швидкістю газовиділення і концентрацією метану у газоповітряній суміші за умов витрат повітря з розрахунку 200 мл/сек., позицією 23-50 мл/сек. і позицією 24-10 мл/сек. Позиція 25 позначає межу, лівіше якої штиб переходить у підвішений стан, позиція 26 відповідає межі, правіше якої чутливість способу помітно зменшується. Приклад виконання способу, що заявляється, наведений для наступних умов. Викидонебезпечний вугільний пласт відпрацьовувався на глибині 900 м. Метаноємність пласта становила 15 м куб на тонну сухої беззольної маси. Підготовча виробка проходила прохідницьким комбайном з темпами 10 м на добу. Як заходи попередження раптових викидів вугілля та газу застосовували гідророзпушування масиву попереду прохідницького вибою через свердловини довжиною 5 м. Таку технологію застосовували на ділянках, де прогноз давав небезпечний стан з огляду на високу ймовірність раптового викиду вугілля та газу. Висновок щодо небезпечного стану масиву гірських порід робився у разі перевищення початкової швидкості газовиділення понад 4,2 дм куб на хвилину або 60,2 см куб./сек. Мінімально допустиме випередження небезпечної зони повинно бути 2,5 м. Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ виконується так. На пласкому оголенні 1 викидонебезпечного вугільного прошарку 2 бурили шпур 3 діаметром 40 мм коронкою 4, яка нагвинчена на бурову штангу 5, що обертається електричним свердлом 6. Під час буріння через обтюратор 7 і внутрішній канал 8 розбавляли у вибійній частині шпуру 3 природний газ повітрям 9, витрати якого вимірювали дифманометром 10. Штиб (на кресленніне показаний) вивантажували за допомогою гвинтового гребня (на кресленні не показаний), що встановлений на буровій штанзі 5. Режим вивантаження штибу регулювали швидкістю подачі повітря так, щоб у підвішеному стані знаходилось не більше 3-5 % штибу. Під час буріння періодично, через кожні 2 хвилини, вимірювали шахтним інтерферометром 11 типу ШИ-12 концентрацію метану у газоповітряній суміші, яка виходить зі шпуру 3. У моменти замірів концентрації метану фіксували глибину шпуру по сумарній довжині бурових штанг, що заглибились у шпур. Одночасно вимірювали ємністю 1 дм куб вихід штибу. Швидкість природного газовиділення визначали за залежністю Cg Va Vg  100  Cg , V 3 де g - швидкість природного газовиділення метану, см /с; Cg - концентрація природного газу у суміші на виході із шпуру, %; Va - швидкість витрат повітря, см3/с.  55  3 UA 115962 C2 Таблиця 1 Результати випробування способу прогнозу газодинамічних явищ у шахтних умовах Глибина шпуру, м 1 1,25 1,52 1,73 15 20 25 30 35 23 35 39 56 60 74 85 104 см куб./сек 15,2 24,2 26,9 53,5 літрів на хвилину 0,9 1,5 1,6 3,2 52 49,4 105 50,8 3,0 2,25 2,54 2,75 3,04 3,25 3,5 3,75 10 51 45 42 42 2,04 5 Витрати повітря, см куб/сек 52 45 46 49,4 45 46 43 58 64 63 59 64 62 65,5 110 130 126 135 129 140 139 71,8 80,0 78,3 71,1 80,0 75,1 81,6 4,3 4,8 4,7 4,3 4,8 4,5 4,9 Концентра дія Вихід штибу, Початкова швидкість газовиділення метану, % см куб/сек У таблиці 1 наведено результати випробувань способу прогнозу газодинамічних явищ в шахтних умовах. При витратах повітря 40-50 мл/сек. у підвішений стан переходило не більше 4 % штибу (найтонші його фракції). Це дозволило виконати виміри концентрації газової суміші й швидкості виділення штибу з похибкою, яка не перевищила у даному експерименті 9 %. На фіг. 3 відображена динаміка варіації показників буріння. Видно, що на глибині 2,18 м фактична швидкість метановиділення перевищила допустимий рівень. Отже на глибині від підготовчого вибою більше ніж 2,18 м на поточний момент виконання випробувань масив є небезпечним з точки зору раптових газодинамічних явищ, зокрема раптового викиду вугілля та газу. Оскільки глибина небезпечного стану масиву менша за мінімально допустиму (2,18 м менше ніж 2,5 м), необхідно було виконати гідророзпушування масиву. Виконання способу без додаткового пристрою так, як вказано на фіг. 1, дозволяє отримати результати з похибкою, що не перевищує 13 %. У разі використання додаткового пристрою, що зображений на фіг. 2, похибка вимірювань початкової швидкості газовиділення знижується до 58 %. Суттєво, що отвори 13 і 14 у ковпаку 12 мають бути більшими у 1,2-1,3 разу, ніж інструменти, які у них вставляють. Діаметр отвору 15 має бути у межах 70-150 мм. За таких умов газоповітряна суміш має змогу практично без перешкод виходити у шахтну атмосферу, тобто аеродинамічним опором вільному виходу газоповітряної суміші можна нехтувати. Це також сприяє збереженню високої точності вимірів. З другого боку ковпак 12 повністю перешкоджає змішуванню газоповітряної суміші біля гирла шпуру з атмосферою гірничої виробки, що забезпечує максимально можливу точність вимірювання концентрації метану у газоповітряній суміші. На відміну від способу аналога спосіб, що заявляється, має меншу похибку (у 1,4-1,7 разу) за рахунок відсутності недоліків (просочування), що пов'язані з недосконалістю герметизації шпуру. Коефіцієнт варіації показників газовиділення від трендових кривих не перевищує 13 %, що дозволяє більш детально вивчити закон зміни початкової швидкості газовиділення, а отже підвищити точність і надійність результатів прогнозу газодинамічного явища. Повністю небезпечна технологія виконання способу прогнозу газодинамічних явищ реалізується у разі, коли як хімічно нейтральний газ використовують вуглекислий газ або азот. Проте й повітря може бути цілком безпечним у разі змішування його з метаном. Такі умови досягаються при помірних витратах повітря для розбавлення метану, як видно з графіку на фіг. 4. При витратах повітря у межах 30-50 мл/сек. концентрація метану у газоповітряній суміші більше за 40 % і становить у середньому 50-70 %, але не перевищує 90 %. Величина граничної концентрації у 40 % більша. ніж у два рази за максимальну границю концентрації, коли суміш може вибухнути. Крім того, лівіше межі 25 усередині шпуру виникає режим підвішеного транспортування штибу у бік його гирла (штиб починає видуватись), що збільшує похибку вимірювань. Правіше межі 26 похибка вимірювань початкової швидкості газовиділення зростає з причини зменшення чутливості методу, бо крива 24 стає надто крутою. Таким чином вказаний 4 UA 115962 C2 5 діапазон концентрацій 40-90 % є оптимальним з точки зору мінімізації похибки вимірювань, тобто підвищення їх точності. Швидкість виносу штибу використовують як додатковий показник ймовірності газодинамічного явища. Чим вище швидкість виносу штибу, тим більше ймовірність газодинамічного явища. Узгодженість швидкостей виносу штибу і початкової швидкості газовиділення підвищує надійність прогнозу газодинамічного явища. Це дозволяє виконати прогноз газодинамічного явища з високою достовірністю, що гарантує високий рівень безпеки підземних гірничих робіт. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 1. Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ, який включає буріння шпуру по викидонебезпечному прошарку, визначення параметрів природного газовиділення під час буріння не виймаючи бурового поставу зі шпуру, визначення швидкості виходу штибу із шпуру і віднесення ситуації до такої, що є викидонебезпечною, у випадку перевищення швидкості початкового газовиділення допустимого рівня, який відрізняється тим, що в процесі буріння розбавляють природний газ всередині шпуру газом, що є хімічно нейтральним до природного, при цьому забезпечують режим, в якому транспортується не більше 3-5 % штибу у підвішеному стані, вимірюють концентрацію отриманої суміші на виході із шпуру, а швидкість природного газовиділення визначають за залежністю Vg  CgVa 100  Cg  , 3 де Vg - швидкість природного газовиділення, см /с; C g - концентрація природного газу у суміші на виході із шпуру, %; 3 Va - швидкість витрат хімічно нейтрального газу, см /с. 25 30 2. Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ за п. 1, який відрізняється тим, що як хімічно нейтральний газ використовують повітря. 3. Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ за п. 1, який відрізняється тим, що концентрацію газоповітряної суміші підтримують в діапазоні 40-90 %. 4. Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ за п. 1, який відрізняється тим, що як хімічно нейтральний газ використовують вуглекислий газ. 5. Спосіб поточного прогнозу газодинамічних явищ за п. 1, який відрізняється тим, що як хімічно нейтральний газ використовують азот. 5 UA 115962 C2 6 UA 115962 C2 7