На главную Написать сообщение Поиск по сайту Новости публикаций Плакаты и знаки по охране труда и БЖД Видео по охране труда и технике безопасности Зарубежные средства индивидуальной защиты Юридическая консультация онлайн
В начало разделаОхрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленности

Современные представления о природе и механизме выбросов угля и газа. Размеры угольных включений

Размеры угольных включений в песчаниках Донбасса изменяются от десятков микрон до десятков сантиметров. Если из крупных включений отбор проб угля для определения Vdaf (%) не представляет сложности, то степень метаморфизма мелкорассеянной органики можно определить из-за малости навески угля только по данным об отражательной способности витринита. Результаты определения отражательной способности угольных включений размером менее 3 мм в песчаниках привели к выводу, что с уменьшением размеров включений отражательная способность увеличивается, свидетельствуя о росте темпа метаморфизма органических веществ, т. е. о росте скорости физико-химических превращений.


Полученные результаты позволили следующим образом объяснить, почему становятся возможными выбросы песчаника, происшедшие в геолого-промышленных районах Донбасса, где ранее не происходили выбросы угля и газа.


На стадии метаморфизма угольных пластов, характеризующейся М > 27,7 у.е., уровень их газоносности, обусловленный невысокой степенью метаморфизма, недостаточен для возникновения выбросов угля и газа. Но в этих же горно-геологических условиях из-за того, что темп метаморфизма мелкорассеянной органики выше, чем в угольных пластах, создаются условия, в которых метан и его гомологи в песчаниках генерируются интенсивнее. Достигается такой уровень природной газоносности, когда становятся возможными выбросы песчаников и газа. Было установлено, что выбросы песчаников и газа становятся возможными в геолого-промышленных районах, где отражательная способность витринита Ro > 0,75 у.е. В пересчёте на комплексный показатель метаморфизма это М < 28,9 у.е.


Выбросоопасность песчаников, раньше зарождаясь, раньше природой и устраняется. В геолого-промышленных районах, на шахтах, где степень метаморфизма углей характеризуется Vdaf < 18%, нет выбросов песчаников и газа. Они возможны (соответственно точки В и Г на рис. 21.2.) в интервале от Vdaf > 18% до М = 28,9 у.е.


В целом рассмотрение рис 21.2. позволяет детализировать по степени выбросоопасности угольных шахтопластов и слоев песчаников области проявлений потенциальной выбросоопасности. К областям I, II (отсутствие выбросоопасности) и III (возможны выбросы угля) добавляется область IV, в которой не происходят выбросы угля и газа, но происходят и вероятны выбросы песчаников и газа. В области V могут происходить как выбросы угля и газа, так и выбросы песчаника и газа. В области VI могут происходить только выбросы угля и газа.


Обобщённо оценить количественно увеличение темпа метаморфизма, т. е. скорости физико-химических превращений угля пластов и мелкорассеянной органики песчаников, происходившее в течение десятков миллионов лет, можно следующим образом. Точке А на рисунке 21.2 соответствует lgρ = 3,3; точке В - Vdaf = 18%; Б - М = 27,7 у.е. и Г - М = 28,9 у.е. Если исходить из того, что lgρ = 3,3 примерно соответствует Vdaf = 3,5%; М = 27,7 у.е. - Vdaf = 36%, а М = 28,9 у.е.- Vdaf = 39%, то для песчаников диапазон начала и прекращения выбросов составит ΔVdafn= 21%, а для углей - ΔVdafy=32,5%. Следовательно, для угольных шахтопластов диапазон изменения степени метаморфизма углей от возникновения до прекращения выбросов почти в 1,6 раза больше, чем для песчаников.


Многочисленные определения свойств выбросоопасных и невыбросоопасных песчаников привели к выводу о существовании между ними других чётко устанавливаемых различий, обусловленных процессами метаморфизма, в том числе, в результате физико-химических превращений органических веществ, содержащихся в песчанике. Выбросоопасные песчаники (слои песчаников) имеют более светлую окраску. Средние значения абсолютной пористости выбросоопасных песчанииков колеблется в пределах 6-10%, невыбросопасных – в пределах 4-7%. Средние значения прочностных и деформационных характеристик для выбросоопасных песчаников составляют: предел прочности на сжатие σсж = 115 МПа, на разрыв σр = 12,3 МПа, модуль упругости Еу.= 1,05?104 МПа. Для невыбросоопасных песчаников σсж = 117 МПа, σр = 12,3 МПа, модуль упругости Еу.= 0,84?104 МПа. В опасных зонах выбросоопасные песчаники характеризуется повышенными деформациями разгрузки: относительные деформации в опасных зонах составляют 183?10-4 - 319?10-4, а в неопасных - 29?10-4 – 0,5?10-4.


Первые представления о механизме выбросов угля и газа ещё в начале XX века были заимствованы в тех странах (Франция, Бельгия, Германия), в которых проблема выбросов была изучена наиболее глубоко. Считалось, что выброс зарождается в глубине угольного массива, откуда газом горная масса выбрасывается в выработки. Такое представление сохранялось практически неизменным продолжительное время - до начала пятидесятых годов.


В начале пятидесятых годов акад. С.А. Христиановичем было выполнено математическое описание принципиально нового представления механизма выбросов угля и газа, сущность которого в несколько упрощённом изложении заключалась в следующем. Впереди любого движущегося забоя под действием горного давления возникают (прорастают) микротрещины, параллельные забою. Из угля в микротрещину выделяется (десорбируется) газ и создает в ней какое-то давление. Если энергия газа достигнет предельных значений, достаточных для отрыва пластины угля, находящейся между забоем выработки и микротрещиной, произойдёт отрыв пластины. Он будет сопровождаться возникновением новой микротрещины, выделением в неё газа и т. д. Выброс угля и газа может прекращаться в том случае, если после образования очередной микротрещины запасы энергии сжатого газа окажутся меньше предельных.


Сотрудниками ИГД им. А.А. Скочинского развивающими энергетическую теорию выбросов механизм выброса был представлен почти дословно так: существующая вблизи выработки в массиве горных пород концентрация напряжений может привести в результате действия на забой к внезапному разрушению призабойной части пласта. При условии сообщения зоны разрушающегося угля с атмосферой выработки из измельчённого угля происходит быстрая десорбция находящегося там газа, который, устремляясь в сторону пониженного давления, увлекает .за собой угольную мелочь. При наличии достаточно большой зоны раздавленного угля десорбирующийся и расширяющийся газ в состоянии отбросить разрушенный уголь на значительное расстояние.


МакНИИ – ДонНТУ (В.И. Николин) считая неточным представления как акад. С.А. Христиановича, так ИГД им. А.А. Скочинского, сформулировал механизм выброса угля (породы) и газа сформулирован следующим образом. Во время отбойки угля (породы) имеет место перераспределение напряжений, сопровождающееся деформациями упругого восстановления, упругого последействия и обратной ползучести в направлении произведённой выемки, являющимися по своей природе деформациями растяжения. Если эти деформации по величине превосходят предельные значения, произойдёт отрыв пластины угля (породы), примыкающей к стенке выемки. Этот отрыв сопровождается новым (очередным) перераспределением напряжений, вновь приводящим к деформациям растяжения и т. д. и т. п. Выброс прекращается по двум причинам:

  1. очередное перераспределение напряжений сопровождается деформациями растяжения, не превосходящими предельных, т. е. исчерпана природой заложенная (сформированная) выбросоопасность;
  2. разрушенного угля (породы) в выработке оказалось так много, что теперь она препятствует (не допускает) дальнейшему увеличению объёма самопроизвольно разрушающегося пласта, без которого последующее разрушение становится невозможным.

Роль в сформулированном механизме выбросов метана, высших углеводородов и других веществ, содержащихся в угольном пласте и находящихся в макроусловиях в газообразном состоянии, двояка. Во-первых, наличие их в микропустотности угольного пласта приводит к охрупчиванию угольного пласта - повышению склонности к разрушению его участка, примыкающего к образованной полости, из-за имеющей место разгрузки. Во-вторых, последовательный отрыв пластин газоносного угольного (породного) массива сопровождается выделением в выработку газа и формирование в ней газоугольного псевдоожиженного потока, движущегося по выработанному пространству забоя и примыкыющим выработкам.