СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, СПОСОБ ЛОКАЦИИ ЛОВУШЕК Российский патент 2009 года по МПК E21F5/00 

Область техники, к которой относится группа изобретений.

Изобретения относятся к подземным разработкам месторождений полезных ископаемых, преимущественно угольных пластов.

Уровень техники.

В горных выработках нередко наблюдается выделение метана и других природных газов из толщи полезного ископаемого и вмещающих его пород. Различают газовыделение обыкновенное (происходит медленно, но непрерывно из трещин и пор в угле и породе по всей свободной поверхности; оно увеличивается при отделении угля от массива); суфлярное (местное выделение газа из трещин, газовый фонтан, действующий иногда продолжительное время); внезапное (местное бурное выделение больших количеств газа за небольшой промежуток времени, сопровождающееся разрушением поверхности выработки).

Газовыделение характеризуется газовым балансом, то есть суммарным количеством выделяющегося в горной выработке газа и распределением газовыделения по источникам и (или) по системе горных выработок. Различают газовый баланс отдельной выработки, выемочного участка и шахты или рудника в целом.

Знание газового баланса является основной предпосылкой для прогнозирования газодинамических характеристик рудника или шахты; для выбора методов управления газовыделением; для выбора системы вентиляции шахты и в целом всей системы разработки полезного ископаемого.

Одним из методов установления газового баланса является газовая съемка. Газовая съемка - метод определения интенсивности выделения газов в горные выработки. Она производится отбором и последующим анализом проб воздуха для установления концентрации конкретных газов и замера количества проходящего по выработке воздуха. Различают продольные (определяют изменение концентрации и дебита газа по длине выработки), поперечные (определяют концентрацию газа по поперечному сечению выработки) и повторные съемки. Последние позволяют оценивать изменения интенсивности газовыделения во времени. (См. БСЭ, М., 1971, Т.6, С.13, 15, 16.)

Газовый баланс постоянно меняется. Он сопряжен, например, с действиями по выемке угольного пласта, причем не только из-за повышения газовыделения при дроблении угля, но и из-за увеличения обыкновенного и суфлярного; возрастания вероятности внезапных выбросов.

В.М.Колмагоров в работе «Управление геомеханическими и физическими процессами при подземной разработке угольных пластов» (Кемерово, Кузбассвузиздат, 2002, С.80, - прототип п.1 и 2 формулы) отмечает, что «...газодинамические процессы, происходящие при выемке угля, относятся к наиболее трудноуправляемым в горном деле... В результате выполненных исследований в 60-70-е годы в основном установлена природа и выявлен механизм протекания динамических и газодинамических явлений, разработаны прогностические критерии и аппаратура по прогнозированию этих явлений, а также комплекс мер по их предупреждению.

Однако в последние годы на шахтах Кузбасса зарегистрированы внезапные выбросы угля и газа с катастрофическими последствиями, что говорит о недостаточной надежности разработанных методов прогноза....»

Существенными признаками известных способов прогнозирования газодинамических процессов в угольных шахтах являются: а) определение содержания метана в угольном пласте; б) выявление типа и свойств прилежащих пород; в) установление наличия и размера выбросоопасных участков выработки.

Все эти моменты выясняют на этапе проектирования посредством разведочных скважин и шпуров, выполняемых по отработанным методикам. По результатам этих исследований принимаются решения о категорийности пласта, проходке ствола, штреков и забоя шахты; упрочнения углепородных массивов; способах и объеме вентиляции, газо- и водоудаления. Разумеется, все эти данные уточняются и дополняются в процессе последующего строительства и эксплуатации шахты.

В последние годы идет процесс интенсивного технического перевооружения шахт. В частности, в Кузбассе построена Ульяновская шахта, оснащенная современным комплексом технических средств, включающим газоанализаторы, которые введены в автоматическую систему, реагирующую на превышение заданного уровня концентрации метана, то есть ведут мониторинг содержания метана в горной выработке, так как известно, что при достижении концентрации метана 5-6% он становится взрывоопасным.

Таким образом, названные выше 3 признака прогнозирования газодинамики горной выработки нужно дополнить четвертым существенным признаком. Именно: г) ведут автоматизированный мониторинг загазованности выработки. Существенность этого признака обусловлена тем, что он предотвращает возможность превышения концентрации метана в выработке при повышении, например, производительности оборудования и т.д.

Метан CH₄, молекулярный вес 16,03 - первый член гомологического ряда предельных углеводородов. Бесцветный, не имеющий запаха газ. При температуре ниже минус 182,48°С - затвердевает; при температуре минус 161,49°С переходит в газообразное состояние. Плотность газа по отношению к воздуху при 20°С равна 0,554. Один грамм метана при 25°С и давлении 1 атм занимает объем 1520 мл.

Метан является основным компонентом природного газа (60-99%), рудничного газа, а также других газообразных продуктов анаэробного разложения органических веществ. В частности, болотный газ, газы полей орошения, газ брожения сточных вод. Его динамика в надлежащих породах просматривается отчетливо. Метан, растворившись в воде, естественными путями мигрирует в месторождения, их периферию и полости выработок, изменяя в них свою концентрацию. Метан поддерживает горение.

Двуокись углерода (углекислый газ, углерода двуокись, угольный ангидрид) - СО₂ - соединение углерода с кислородом, конечный продукт окисления углерода; бесцветный, обладающий слегка кисловатым вкусом и запахом, газ. Плотность газа 1,9768 г/л (0°С и 1 атм); t_крит=31°С, р_крит=75,2 атм. При комнатной температуре сжижается под давлением 58,46 атм и имеет плотность 0,771 кг/л.

В природе СО₂ находится в виде примеси к атмосферному воздуху в количестве 0,03 об.%; в растворенном виде - в некоторых минеральных источниках; в земной коре - в форме карбонатов (кальцит, доломит, мрамор). СО₂ образуется при разложении органических углеродосодержащих веществ, в процессах брожения, при сжигании топлива, является продуктом обмена веществ в организме, поглощается при фотосинтезе. «Глушит» горение (углекислотные огнетушители).

При содержании СО₂ в воздухе в количестве свыше 4% происходит раздражение дыхательных путей, шум в ушах, головокружение, головная боль. (Краткая химическая энциклопедия, М., 1967, С.314-315.) К этому можно добавить, что при достаточно высоких концентрациях газа человек «задыхается».

Глубина залегания отрабатываемого пласта шахты «Ульяновская» - 300 м. Взрыв метана в марте 2007 года унес жизни 110 шахтеров. Вывод Правительственной Комиссии, расследовавшей причины аварии, сводится к утверждению о «загрубении» показаний приборов, то есть преднамеренном повышении уровня концентрации метана, на который реагирует автоматика.

Однако известно, что наблюдался внезапный выброс метана. При таких обстоятельствах использовавшаяся автоматическая система не может обеспечить должного уровня безопасности ввиду кратковременности акта выброса.

Кроме того, все системные усилия по безопасному ведению работ нацелены на предотвращение превышения концентрации метана в шахте. Однако регулярно происходят выбросы углекислого газа, которые нередко сопровождаются травмами и гибелью людей, не имеющих подручных средств для его обнаружения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение полноты и надежности способа прогнозирования газодинамических процессов при подземной разработке месторождений, способа локации ловушек газа.

Указанная задача достигается тем, что известный способ прогнозирования, включающий в себя существенные признаки: а) определение содержания газа в месторождении и выработке; б) выявление типа, свойств и поведения прилежащих пород; в) установление наличия и размера выбросоопасных участков месторождения, г) ведение автоматизированного мониторинга загазованности выработки, - дополняют признаками: д) отслеживание концентрации и ее изменения растворенных газов в воде, поступающей в выработку из прилежащих структур; е) ведение локации ловушек газа путем системного анализа растворенных и взвешенных пород в воде, поступающей в выработку из прилежащих структур.

Отличительные признаки являются существенными. Их существенность следует из того факта, что газы растворяются в воде. При температуре 25°С и давлении 1 атм в 100 мл воды растворяется 9 мл метана (см. Справочник химика том 2, 1963. Л. - М., С.780-781). Как и у всех газов, растворимость метана в воде с повышением температуры уменьшается. Так, при температуре 0°С его растворимость составляет 0,0556, а при температуре 25°С - 0,0301 (см. Справочник химика, том 3, М. - Л., 1964, С.316-317), т.е. растворимость уменьшается примерно в 1,847 раза. Двуокись углерода при аналогичных условиях уменьшает свою растворимость с 1,713 до 0,759, т.е. в 2,25 раза.

Известно, что при углублении на каждые 20-45 метров внутрь земной коры (до глубины 100 км) температура в среднем повышается на один градус Цельсия. Геотермический градиент не может не влиять на растворимость газа в мигрирующей воде, в частности, может, например, вызвать «сброс» метана или двуокиси углерода, если мигрант был ими насыщен.

Установлено, что на растворимость газов влияет и давление, причем рост давления пропорционально увеличивает их растворимость. Например, азот при увеличении давления от нормального до 25 атм и температуре 25°С увеличивает свою растворимость в воде примерно в 24,34 раза. Водород при 20°С увеличивает свою растворимость, при тех же изменениях давления, в 24,7 раза, увеличение растворимости двуокиси углерода при 20°С составляет 18,6 раз (см. там же, С.316-318). Высокая растворимость двуокиси углерода и медленное ее нарастание с ростом давления обусловлено их взаимодействием. Именно: происходит образование угольной кислоты Н₂СО₃ и гидрата СО₂·8Н₂О, температура разложения которого зависит от давления (1,1 атм - минус 24 град.; 12,6 атм - 0 град.; 45,8 атм - плюс 10 град.).

Внезапные выбросы могут иметь различающийся генезис, однако их неотъемлемая составляющая - наличие структуры, аккумулирующей потенциальную энергию. В роли «аккумулятора» может выступить газ (см., например, Геологический словарь, М., 1978, т.1, С.397, статья «Ловушки нефти и газа»). В качестве примера можно предложить такую последовательность развития явления. Горные породы нередко содержат включения глины. Оказавшись на пути миграции, глина частично вымывается и образовывает полость. Ее остатки обретают пластичность. «Мигрант», попав в полость, резко снижает давление, инициируя сброс избытка растворенного в нем метана и (или) других газов, давление которых в полости ловушки нарастает. Когда давление в ловушке превышает прочность ограждающих структур, происходит «внезапный выброс».

Грунтовая вода, перемещаясь в нижние слои, испытывая изменения давления и температуры, поступает в выработку и теряет или поглощает газ, влияя на газодинамику месторождения. Учитывая объемы воды поступающей в выработку, это влияние не может не проявить себя в соответствующих ситуациях, а потому необходим его учет в газовом балансе и корректировка прогнозов выполненных по известным методикам и самих методик.

Степень насыщенности газами воды поступающей в выработку и ее изменения является очевидным параметром, выражающим вероятность внезапного выброса. Ее возрастание указывает на образование ловушки газа в опасной близости к выработке, а концентрация растворенных и взвешенных в воде компонентов пород и ее изменения характеризуют вмещающие «ловушку» породы и тем указывают ее месторасположение. Ведя системные наблюдения за изменениями концентрации газов, растворенных и взвешенных пород в воде, мы можем предвидеть, а в значимой части и предупреждать внезапные выбросы, обезвреживая ловушки или своевременно удаляя людей из выработки.

Осуществление изобретения.

Пример 1. Возвращаясь к рассмотрению аварии на шахте Ульяновской Новокузнецка, заметим, что эта шахта была введена в работу в 2002 году. Зима 2006-2007 года была снегообильной и сравнительно «мягкой». К середине марта снег растаял, и талая вода начала мигрировать в нижние слои почвы. Ее температура была примерно нулевой, то есть соответствовала максимальной растворимости метана (около 20 мл на 100 мл воды).

По мере углубления миграционных потоков температура повышалась, однако при этом менялось и давление, потому предположим, что насыщенность воды метаном сохранилась до момента проникновения в забой, давление в котором близко к нормальному, а температура 15-20°С. Понятно, что при этом происходит сброс избытка растворенного метана, то есть в атмосферу забоя привносится по 5-10 мл метана на каждые 100 мл воды или 5-10 м³ метана на 100 м³ воды.

Однако нельзя не учитывать того обстоятельства, что штреки и забой находятся на глубине 300 метров. Столб воды такой высоты оказывает давление на нижние слои около 30 атм. Понятно, что нижние слои столба могут испытывать меньшее давление, а при истечении в выработку их давление становится равным давлению в выработке, но над нею оно может достигать 20-25 атм. Проходя содержащие метан структуры, вода абсорбирует его, парциальное давление метана в породах может быть выше, чем давление воды, более чем в три раза. Таким образом, могут сложиться условия, при которых в выработку будет поступать вода, содержащая, скажем, в 20 раз большую концентрацию метана, то есть она привнесет в выработку не 5-10 м³, а все 100 или 200 м³ метана. Понятно, что при этом часть метана в непосредственной близости к выработке будет «сбрасываться», подпитывая источники обыкновенного, суфлярного и внезапного газовыделения.

Известные способы прогнозирования не учитывают объемы воды, поступающей в выработку, то есть не обеспечивают полноты учета источников метана.

Пример 2. Издается «Книга памяти шахтеров Кузбасса», в которой поименно перечислены все шахтеры, погибшие в шахтах бассейна, ведется хроника аварий и катастроф на шахтах. Возьмем четвертый том, в котором на С.109-112 дана хроника с 1976 по 1990 гг. В ней описаны 44 аварии, в которых травмированы 350 шахтеров. «Хроника...» не является полной, ибо за этот период травмированы 199926, в том числе травм с тяжелым исходом 1250, смертельных - 1942 (см. том 5, С.106), потому последующее обсуждение «Хроники...» нужно рассматривать как иллюстрацию тенденции, а не фактический материал.

Распределим представленные аварии по месяцам. Имеем, что из 44 аварий 2 произошли в январе, 3 в феврале, 3 в марте, 3 в апреле, 4 в мае, 2 в июне, 3 в июле, 1 в августе, 11 в сентябре, 1 в октябре, 5 в ноябре. Ни одна из аварий, случившихся в декабре, в «Хронику...» не включена.

Обращает на себя внимание сентябрь. На него пришлись 11 аварий из 44 (четверть) и 74 травмированных из 350 (пятая часть). По нашему мнению, это частично объяснимо тем, что сентябрь месяц в Кузбассе отличается неустойчивой погодой, дождями и ночными заморозками, следствием чего является повышение концентрации газов в выработках и прилежащих структурах.

Пример 3. Известно, что структура вмещающих пород неоднородна, более того, приходится принимать меры по их укреплению, так как они могут стать эпицентрами выбросов и заурядных обрушений. Кроме того, сравнительно низкие по прочности (пористые, глинистые, растрескавшиеся и т.п.) структуры являются естественными миграционными путями для воды и сброса растворенного газа. Отслеживая изменения концентрации газов в воде из этих структур, прогнозируют «внезапные» выбросы.

Пример 4. 25 июля 1985 г. ш.«Ягуновская» (г.Кемерово) - прорыв глины в действующие выработки - погибли 3 человека. 30 сентября 1988 г. ш.«Зиминка» (г.Прокопьевск). Прорыв глины под щитовое перекрытие - погибли 3 человека. (См. «Хронику...»). Эти примеры подтверждают реальность образования ловушек газа в глине. Велика вероятность того, что глину выдавили углекислотные ловушки.

Пример 5. «11 февраля 1989 г. ш.«Юбилейная» (г.Новокузнецк). Во время прохождения восстающей тупиковой выемочной печи с помощью комбайна К-56МГ произошел горный удар. Отслоившимся углем сорвало вентиляционные трубы, выработку загазовало. Все рабочие вышли на штрек. Подошедший горный мастер решил вынести из забоя датчик метана.... Ушел за датчиком и задохнулся. Двое рабочих пошли спасать его и тоже погибли (т.а. ВостНИИ, оп.2, д.5, а. №5)». (См. «Хронику...»).

Очевидно, что горный мастер, выслушав доклад рабочих, которые сообщили ему о том, что показания датчика метана не превышают нормы, без опасения шагнул в забой, как и двое рабочих, последовавших за ним. В забое действительно не было метана, но был углекислый газ, ловушку которого потревожили при «прохождении» выемочной печи. После «удара» рабочие, ощутив дискомфортное состояние, до заполнения газом забоя успели его покинуть. При повторном заходе люди погибли. По всей видимости, в ловушке находился угольный ангидрид в газообразной и жидкой фазах. Газообразная фаза своей энергией обеспечила «удар»; жидкая фаза, постепенно испаряясь, - заполнение забоя газом.

Шахта «Юбилейная» была принята в эксплуатацию в 1966 году с производственной мощностью 1,8 млн. тонн угля в год. Ее относят к опасным по внезапным выбросам. Способ проветривания нагнетательный.

24 мая 2007 года в 11 часов 24 минуты в лаве 16-15 этой шахты произошел взрыв метана. На участке вели работу 39 человек, из них выжил 1. Кроме этого, травмировано 6 человек с других участков, один из которых тяжело и один - смертельно. Работы в шахте ведутся на глубине около 500 метров.

Зарегистрирован «резкий скачок» концентрации метана. Сначала была волнообразная линия, показывающая содержание метана, которая вдруг резко подскочила вверх. Это не первая авария на шахте в текущем году. 12 февраля произошла вспышка метана, 6 марта - возгорание ствола шахты, 10 марта - завал тупиковой выработки. Из 327 шахтеров подвергавшихся опасности в этих авариях никто не пострадал («газета «Кузбасс, 25.05.07, C.1).

Май 2007 года в Кузбассе характеризовался непрерывными осадками. Грунтовая вода за 40 лет работы шахты «проторила» устойчивые тропинки в ее выработки, расставив на своем пути многочисленные ловушки газов. Их локация и обезвреживание в опасной близости от выработок - насущная необходимость.

Столь же необходима переоценка горной наукой роли гидрологических, геохимических и метеорологических явлений в повышении безопасности и снижении аварийности при ведении работ в подземных выработках.

Изобретения относятся к подземным разработкам месторождений полезных ископаемых, преимущественно угольных пластов. Техническим результатом является расширение арсенала средств, обеспечивающих безопасность работ в горных выработках. Способ прогнозирования включает оценку содержания газа в месторождении и выработке, типа и свойств прилежащих пород, наличия и размера выбросоопасных участков, автоматизированный мониторинг загазованности выработки. При этом отслеживают концентрацию и ее изменения растворенных газов в воде, поступающей в выработку из прилежащих структур. Способ локации ловушек газа включает оценку типа и свойств прилежащих пород, наличия и размера выбросоопасных участков. Причем локацию ловушек газа ведут путем системного анализа растворенных и взвешенных пород в воде, поступающей в выработку из прилежащих структур. 2 н.п. ф-лы.

1. Способ прогнозирования газодинамических процессов при подземной разработке месторождений, включающий оценку содержания газа в месторождении и выработке, типа и свойств прилежащих пород, наличия и размера выбросоопасных участков, автоматизированный мониторинг загазованности выработки, отличающийся тем, что отслеживают концентрацию и ее изменения растворенных газов в воде, поступающей в выработку из прилежащих структур.2. Способ локации ловушек газа, включающий оценку типа и свойств прилежащих пород, наличия и размера выбросоопасных участков, отличающийся тем, что ведут локацию ловушек газа путем системного анализа растворенных и взвешенных пород в воде, поступающей в выработку из прилежащих структур.