Газодинамические явления в угольных шахтах в фокусе теории трансформации угольного вещества


                В.А. Бобин






ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ В ФОКУСЕ ТЕОРИИ ТРАНСФОРМАЦИИ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА



            монография




Vyacheslav A. Bobin


Gas-dynamic phenomena in coal mines in the focus of the theory of transformation of coal matter (monograph) 2021




Москва

ПЕРВОЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
2021

УДК 622.333
ББК 33.18
Б72

Рецензенты:
     Ефимов Н.Н. - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
     Лобов Б.Н. - главный научный сотрудник ООО НПП «Донские технологии», профессор, доктор технических наук.



     Бобин В.А.
Б72 Газодинамические явления в угольных шахтах в фокусе теории трансформации угольного вещества: монография / В.А. Бобин -Москва: ПЕРВОЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО, 2021. -196 с.

     ISBN: 978-5-91292-347-0
     doi: 10.18334/9785912923470

     В монографии на основе теории структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества получены зависимости изменения прогнозных параметров от количественных характеристик структурной нарушенности угля. Эти зависимости представляют собой научную основу концепции структурной нарушенности угольного вещества при прогнозировании газодинамических явлений в шахтах, которые позволяют прогнозировать всю группу генетически взаимосвязанных газодинамических явлений (Г ДЯ) по параметрам, определяющим структурную нарушенность угля.
     Монография предназначена для работников научно-исследовательских и проектных институтов, прямо или косвенно занимающихся вопросами прогнозирования и предотвращения генетически взаимосвязанных газодинамических явлений в угольных шахтах России.
     Табл. - 12, ил. - 54, список лит. - 100 назв.

ISBN 978-5-91292-347-0                             © Бобин В.А., 2021
© Оформление, дизайн обложки
                                Первое экономическое издательство, 2021

СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ............................................8

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА.................................15

 1.1. Научное представление о природной системе «уголь - метан»..........................................15
 1.2. Классификация нанопор природной системы «уголь - метан»..........................................18
 1.3. Критерий развития процесса трансформации природной наноструктурной системы «уголь - метан»..................21
 1.4. Роль минерал-включений в формировании молекулярных транспортных каналов в газонасыщенной системе
 «уголь - метан»...................................25
 1.5. Иерархическая модель макроструктуры природной системы «уголь - метан»...........................28
 1.6. Сорбционные частицы - основа зерновой макроструктуры природной системы «уголь - метан».................31
 1.7. Модель формирования открытой и закрытой пористости в газонасыщенном угольном веществе.........................35
 1.8. Основные положения теории структурной трансформации газонасыщенной природной системы «уголь - метан».........39
ГЛАВА 2. ТРАНСФОРМАЦИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.......................................41

 2.1. Параметры, определяющие макроструктуру призабойной зоны угольного пласта....................................41
 2.2. Процесс разрушения газонасыщенного угольного пласта.44

3

 2.3. Гидрорезание угольного пласта как способ разгружающе-дегазирующего воздействия.............................52
 2.4. Идентификация зон разрушения макроструктуры угольного пласта......................................59
ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ...............................74

 3.1. Принципы выявления потенциально опасных ГДЯ по давлению газа и газоносности на уровне угольного месторождения.74
 3.1.1. Геодинамическая характеристика южного крыла ГА ЦРД ...75
 3.1.2. Закономерности изменения давления и газоносности с глубиной залегания угольного месторождения............79
 3.1.3. Физико-математические модели газоистощенияугольных пластов...............................................85
 3.1.4. Методика выявления потенциально опасных по газодинамическим явлениям площадей (зон) угольного месторождения.......................................92
 3.2. Принципы выявления потенциально опасных ГДЯ направлений разработки угольных пластов отдельного шахтного поля по
 напряженно-деформированному состоянию угольных пластов 95
 3.2.1. Взаимосвязь напряженного состояния и давления газав замерной скважине...................................96
 3.2.2. Экспериментальная лабораторная проверка теоретически полученных закономерностей установления давления
 в замерной скважине...................................100
 3.2.3. Методика выделения потенциально опасных по ГДЯ направлений разработки угольного пласта...............105
 3.3. Принципы выявления потенциально опасных по ГДЯ участков угольного пласта по величине природной газоносности, определенной экспресс-методом.........................108
 3.3.1. Закономерности выделения метана из природных углей ....110

4

 3.3.2. Экспресс-метод определения природной газоносности.116
 3.3.3. Методика выявления потенциально опасных по ГДЯ участков угольного пласта......................119
ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО СПОСОБА ТЕКУЩЕГО ПРОГНОЗА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ........................125

 4.1. Зависимость величины структурного параметра угля от значения его коэффициента крепости.......................125
 4.2. Определение характера зависимости между размером фракции и величиной выхода бурового штыба................143
 4.3. Аналитическая зависимость между размером фракции и величиной начальной скорости газовыделения
 из бурового штыба..............................148
ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИ
ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ГДЯ.......................................157

 5.1. Существующие методы текущего прогноза газодинамических явлений в угольных шахтах...............157
 5.2. Метод текущего прогноза опасных генетически взаимосвязанных ГДЯ в подготовительных выработках по величинам структурного и прочностного параметров угля....164
 5.3. Способ текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа, внезапных высыпаний и внезапного отжима угля в подготовительных забоях угольных шахт по величине выхода бурового штыба.................................168
 5.4. Универсальный способ прогнозирования генетически взаимосвязанных газодинамических явлений
 в подготовительных выработках угольных шахт....173
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................179

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................187

5

        Аннотация


     В монографии на основе теории структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества получены зависимости изменения прогнозных параметров от количественных характеристик структурной нарушенности угля. Эти зависимости представляют собой научную основу концепции структурной нарушенности угольного вещества при прогнозировании газодинамических явлений в шахтах, которые позволяют прогнозировать всю группу генетически взаимосвязанных газодинамических явлений (ГДЯ) по параметрам, определяющим структурную нарушенность угля.
     Монография предназначена для работников научноисследовательских и проектных институтов, прямо или косвенно занимающихся вопросами прогнозирования и предотвращения генетически взаимосвязанных газодинамических явлений в угольных шахтах России.
     Табл. - 12, ил. - 54, список лит. - 100 назв.

6

        Abstract


      In the monograph, on the basis of the theory of structural transformation of gas-saturated coal matter, the dependences of the change in the predicted parameters on the quantitative characteristics of the structural disturbance of coal are obtained. These dependencies represent the scientific basis for the concept of structural disturbance of coal matter in predicting gas-dynamic phenomena in mines, which allows predicting the entire group of genetically interrelated gas-dynamic phenomena according to the parameters that determine the structural disturbance of coal.
      The monograph is intended for employees of research and design institutes who are directly or indirectly involved in forecasting and preventing genetically interrelated gas-dynamic phenomena in coal mines in Russia.
      Tab. - 12, illustr. - 54, list of literat. - 100 names.

7

        ВВЕДЕНИЕ



     Анализ газодинамических явлений (ГДЯ) в целом по Российской Федерации показывает, что наибольшую долю среди них составляют внезапные выбросы угля и газа (37%), далее в этом ряду идут внезапные высыпания (обрушения) (29%), суфляры (18%), внезапные выдавливания (отжимы) (10%) и, наконец, горные удары (6%).
     В свою очередь, для Кузбасса картина несколько иная, а именно: наибольшую долю (56%) составляют внезапные высыпания, далее - внезапные выбросы угля и газа (23%), внезапные выдавливания (11%) и горные удары (10%).
     Среди факторов, определяющих опасность угольного пласта в отношении ГДЯ, кроме горного давления и сорбированного газа, -структурная нарушенность угля, причем именно этот параметр определяет большинство используемых на практике показателей опасности пласта по ГДЯ.
     Поэтому целью исследований является обоснование концепции структурной нарушенности угольного вещества при прогнозировании газодинамических явлений в шахтах, которая позволила бы прогнозировать всю группу генетически взаимосвязанных ГДЯ (внезапные выбросы угля и газа - ВВ; внезапные отжимы (выдавливания) -ВО; внезапные высыпания угля - ВВУ) по параметрам, определяющим структурную нарушенность угля.
     Значительные разработки в области текущего прогноза ГДЯ нашли воплощение в работах М.С. Анциферова, И.В. Боброва, А.Е. Ольховиченко, В.В. Ходота, О.И. Чернова, В.Н. Пузырева и многих других исследователей.
     Впервые взгляд на взаимосвязь ГДЯ был высказан в работе В.Н. Пузырева, где отмечено, что рассматриваемые ГДЯ (внезапные выбросы угля и газа, внезапные высыпания угля и внезапные выдав

9

ливания (отжимы) угля) могут переходить из одного состояния в другое при определенных природных и технологических условиях.
     Это, в свою очередь, позволило разработать метод текущего прогноза, который обладает рядом несомненных преимуществ по сравнению с ранее существовавшими методами прогноза. К этим преимуществам относятся, во-первых, его физичность, так как в основе метода заложена оценка газодинамической реакции пласта на внедрение в него микровыработки, во-вторых, универсальность, так как в процессе оценки используются неизменные критерии и технические средства, в-третьих, оперативность, так как прогноз параметров осуществляется непосредственно в забое проводимой выработки.
     Строго говоря, и этот метод не лишен недостатков, так как, во-первых, отсутствует взаимосвязь между параметрами, определяющими газовую активность пласта и его устойчивость, во-вторых, отсутствует связь критических значений параметров от глубины разработки угольного пласта, его газоносности и других величин, и в-третьих, по разработанной автором номограмме невозможно однозначно прогнозировать тип ГДЯ.
     Последний недостаток обусловлен главным образом отождествлением давления газа в угольном пласте с давлением газа в замерной манометрической скважине, что противоречит представлениям о формах существования газа в угле.
     В России проблема деформирования и разрушения газонасыщенных материалов с дефектами разрабатывалась в работах академика С.А. Христиановича и его учеников, а также в работах С.В. Кузнецова, А.М. Линькова, О.И. Чернова, Н.М. Осипенко и М.А. Иофиса. Эти разработки, а также разработки зарубежных авторов относятся к случаю разрушения угля свободным газом, находящимся в макропорах угля, и не учитывают растворенный в угле метан. Не учитывают находящийся в виде твердого раствора метан и существующие производственные методы прогноза и предотвраще

10

ния внезапных выбросов угля и газа, что объясняется как отсутствием соответствующей теории, описывающей влияние растворенного газа на процесс разрушения угольного вещества, так и неразработанностью соответствующих экспериментальных методик.
     Впервые это свойство сорбированного газа было изучено при исследовании микроскопических процессов, когда была решена задача инициирования процесса разрушения угля за счет сорбированного метана. При этом разработана физико-математическая модель процесса трансформации микроструктуры угля за счет взаимодействия сорбированных в микропорах молекул метана, основу которой составляет описание процесса поведения молекул метана на коротких дистанциях, представляемое в виде потенциала Леннарда-Джонса.
     При этом разработана физическая модель микроструктуры угля, которая на молекулярном уровне состоит из ядер (кристаллитов), обладающих структурой графита, и боковой бахромы, состоящей из кислородсодержащих групп. Боковая бахрома играет роль перемычки, связывающей первичные элементы между собой, а кристаллиты придают жесткость и скрепляют всю систему. Несовершенная упаковка кристаллитов и образованных ими молекулярных слоев приводит к микропористости, причем слои и кристаллиты связаны между собой водородными связями, силами Ван-дер-ваальса и иногда структурными (ковалентными) мостиками.
     Находящиеся в микропорах молекулы сорбата взаимодействуют между собой, и при их плотной упаковке в микропорах это молекулярное взаимодействие является взаимодействием отталкивания, которое особенно проявляет себя в условиях разгрузки угольного скелета от сжимающих усилий, вызванных горным давлением.
     Для этого случая, когда силы, вызывающие сжатие скелета угля горным давлением, равны нулю, получено математическое уравнение, определяющее силовой критерий разрыва связей между слоями и

11

кристаллитами угольного вещества. Этот критерий определяет условие, когда силы межмолекулярного отталкивания превысят силы, препятствующие растяжению поверхности микропоры, при этом сила межмолекулярного отталкивания выражается математически через первую производную от межмолекулярной энергии отталкивания.
     Физически критерий разрыва связей (энергетический) реализуется тогда, когда приращение потенциальной энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата превысит соответствующую энергию диссоциации вандерваальсовых, водородных и межатомных связей. При этом энергия межмолекулярного отталкивания оценивается энергией парных взаимодействий всех молекул сорбата, находящихся в микропоре.
     Обобщая результаты этого направления исследований, необходимо отметить, что впервые теоретически удалось показать способность растворенного в угле метана в процессе изменения термодинамических и силовых (напряженно-деформированных) условий существования природной системы «уголь - метан», во-первых, снижать трещиностойкость угля за счет разрыва микроструктурных связей, а во-вторых, в ходе изменения своего фазового состояния непосредственно участвовать в развитии макротрещин, трансформируя, таким образом, макроструктуру угля.
     Для достижения цели работы использовалась основная идея теории структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества, которая состоит в том, что структурная нарушенность угля в пласте является результатом деструкции его микро- и макроструктуры за счет потенциальной энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбированного метана в микропорах, реализующейся при изменении напряженно-деформированного состояния угольного пласта.
     В процессе работы над монографией были реализованы исследования в области изучения микро- и макроструктуры газонасыщен

12

ного угольного вещества, которые позволили установить аналитические зависимости между структурными и энергетическими параметрами микропористого угля, разработать физические принципы новой классификации пор в угле, ввести, описать и оценить размеры нового физического объекта макроструктуры угольного вещества, названного сорбционной частицей, а также выявить ее влияние на скорость газовыделения из угля. Результаты этих исследований представлены в первой главе монографии.
     В ней же подробно описаны все явления, сопровождающие процесс трансформации микроструктуры газонасыщенного угольного вещества при внешних термодинамических воздействиях. Введено новое физическое понятие для сорбированного в угольном веществе газа, а именно: упругость сорбированного газа, которая, как показывают исследования, является начальной движущей силой процесса трансформации его микро- и далее макроструктуры. Кроме того, найдены количественные значения динамических параметров угольного вещества, знание которых позволяет целенаправленно изменять газодинамические характеристики угля при воздействии на уголь с помощью виброволнового воздействия.
     Во второй главе монографии нашли свое отражение вопросы трансформации макроструктуры угольного пласта при различного рода технологических воздействиях на угольный пласт.
     Научные результаты, представленные в третьей главе, обобщают исследования в области прогнозирования и предотвращения опасных газодинамических явлений в угольных шахтах, что позволило создать методологические основы прогнозирования опасных ГДЯ как при разведке, так и при разработке угольных месторождений на всех этапах освоения по комплексным параметрам, определяющим напряженно-деформированное состояние, давление газа и газоносность угольных пластов, склонных к такого вида опасным явлениям.

13