Установление взрывоопасных ситуаций на основании маркшейдерских данных

Для угольной промышленности большое социально‑экономическое значение имеет организация непрерывного автоматизированного мониторинга опасности проявления газодинамических явлений (ГДЯ) и, в частности, внезапных выбросов угля и газа при подземной добыче угля. Как правило, ГДЯ приводят к взрывам метановоздушной смеси на участках оборудованных исправной и эффективной автоматической газовой защитой (АГЗ). Очевидно, что стационарные системы АГЗ не в состоянии обезопасить персонал от ГДЯ. Однако, уже на этапе планирования и строительства, перед разработкой подземных месторождений на основании маркшейдерских данных известно опасны ли разрабатываемые пласты по газодинамическим явлениям. Исходя из маркшейдерских данных проводятся мероприятия по дегазации пластов и текущему прогнозированию ГДЯ.

Имеющиеся методы текущего прогноза различных типов ГДЯ были предложены и обоснованы несколько десятилетий назад, и основаны на использовании первичных физических величин, характеризующих разрушение газонасыщенного угольного массива: действующих механических напряжений, прочностных характеристик угля и вмещающих пород, давления газа в пласте, газоносности угля, его влажности и т. п. [1]. Эти величины измерялись, так называемыми, инструментальными методами, заключающимися в экспресс‑анализе проб газа и угля, взятых при бурении передовых разведочных скважин. В целях обеспечения безопасности необходим непрерывный контроль фактора развязывания ГДЯ. Отдельные методы непрерывного мониторинга: спектрально‑акустический, акустической эмиссии, по температуре забоя и прочие, помимо низкой точности требуют проектирования, создания, монтажа и эксплуатации принципиально новых систем в условиях очистного забоя. При этом, информацию о начале ГДЯ можно иметь, обрабатывая показания датчиков существующих систем. Покажем, что с помощью аппаратуры АГЗ можно контролировать газовый фактор выбросоопасности, характеризующий давление газа в пласте и его газофильтрационную способность. Известно [2], что давление свободного газа Р, направленное в сторону горной выработки, на расстоянии х от обнаженной поверхности выработки может быть описано следующей полуэмпирической формулой:

(1)

где m – константа, характеризующая влияние на давление газа пористости угля; G – расход газа с забоя выработки, м³/с; k₀ – коэффициент, характеризующий газопроницаемость пласта, м⁻³; ψ = 1/x_ст – константа, определяемая расстоянием x_ст от забоя до участка массива, где давление газа стабилизируется, м⁻¹:

(2)

S_з – площадь поверхности забоя выработки, м²; η – коэффициент динамической вязкости метана, Па⋅с; P_ат – давление газа на плоскости забоя, Па.

Попадая в выработку, газ смешивается с воздухом, в результате чего концентрация метана снижается. Газовыделение в выработку Х_в складывается из газовыделения с поверхности забоя, бортов выработки и отбитого угля:

(3)

где G_б и G_о.у. – расход газа с поверхности соответственно бортов выработки и отбитого угля, м³/с⋅м²; S_б и S_о.у. – соответственно, поверхность бортов выработки и отбитого угля на участке от забоя до места установки датчика метана (например, ДМТ‑4) аппаратуры автоматической газовой защиты, м².

Это газовыделение можно определить через текущее значение C_т концентрации метана в атмосфере выработки:

(4)

где Q – расход воздуха вентилятора местного проветривания (ВМП), проветривающего выработку, м³/с; C_т – текущее значение концентрации метана, замеренное датчиком метана, %; C₀ – концентрация метана в свежей струе, поступающей в выработку.

Тогда расход газа с забоя выработки:

(5)

где C_ф – фоновая концентрация метана, замеренная до начала работы комбайна, и характеризующая газовыделение из бортов выработки и отбитого, но не отгруженного угля, %, при условии, что C₀ = 0 в момент замера фоновой концентрации.

Искомое давление газа на некотором критическом расстоянии от забоя выработки х_кр, где начинается выбросоопасная зона, определится подстановкой (5) в (1):

(6)

Таким образом, концентрация метана в выработке, замеренная аппаратурой контроля метана, характеризует давление свободного газа в призабойной зоне угольного пласта и его газофильтрационную способность – параметры, определяющие газовый фактор выбросоопасности.

Важно отметить, что обеспечения контроля над выбросоопасностью разрабатываемого пласта, требует наличие в системе АГЗ анализатора метана, построенного на цифровой элементной базе. Так, как их алгоритм функционирования будет заключаться в выполнении непрерывных расчетов по формуле (6). Однако, для выполнения данных функций необязательно заменять морально устаревшие, но физически не изношенные комплексы АГЗ типа Метан и др. Возможна установка отдельно блока контроля газового фактора ГДЯ, работающего параллельно с комплектных газоанализатором. Информация с датчиков в таком случае может считываться последовательным включением измерительных каналов данного блока в токовые петли соответствующих датчиков.

Таким образом, на основании маркшейдерских данных возможна программная или аппаратная модернизация существующих систем АГЗ, позволяющая устанавливать взрывоопасные ситуации инициируемые ГДЯ.

Список использованной литературы

1. Шадрин А. В., Шадрина О. Я. Сравнительный анализ известных критериев текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов // Информационные недра Кузбасса: Труды IV Всероссийской научно‑практической конференции. – Кемерово: ООО ИНТ, 2005. – С. 84–86.
2. Глушко В. Т. Геофизический контроль в угольных шахтах. / Глушко В. Т., Ямщиков В. С., Яланский А. А.; Киев: Наукова думка, 1978. – 224 с.