Разработка методов энергетического анализа и прогнозирования газодинамической активности углеметановых пластов Кузбасса
ВВЕДЕНИЕ
Общей тенденцией развития горнодобывающей промышленности в мире является увеличение объемов добычи полезных ископаемых и проведение горных работ на все более глубоких (часто более 1000 м) горизонтах, а также в усложняющихся горно-геологических и горно-технических условиях. Развитие горных работ по освоению новых горизонтов залегания полезных ископаемых нередко сопровождается ростом температур и уровня горного давления, сопоставимого по величине с пределом прочности пород на одноосное сжатие. Это сопряжено с возникновением катастрофических событий в виде горных ударов, внезапных выбросов породы, угля и газа, техногенных землетрясений, взрывов метана, подземных пожаров и проч., наносящих большой социально-экономический и экологический ущерб. Решение этих проблем для Кузнецкого угольного бассейна имеет особое значение [1-4].
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….. 8
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И НАУЧНОЕ ОБОБЩЕНИЕ ВАЖНЕЙШИХ ДОСТИЖЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА……..
1.1 Аналитический обзор существующих методов текущего прогноза выбросоопасности……………………………………
1.2 Развитие модельных представлений о формах содержания метана в угольных пластах…………………………………….
1.3 Развитие взглядов на «энергетическую теорию» выбросов угля и газа……………………………………………………....
1.4 Обоснование необходимости разработки методов энергетического анализа и прогнозирования выбросоопасности угольных пластов………………..……………………………...
Выводы по главе 1 и постановка задач исследований………. 43
2 ИЗУЧЕНИЕ СОВОКУПНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА…………………………………...
2.1 Изучение влияния физико-химических параметров и стадий метаморфизма природных углей на их метаноемкость…...…
2.1.1 Применение технологии big data для анализа многопараметрических данных……………………………………..…….
2.2 Изучение связи петрографического состава углей Кузбасса с их физико-химическими свойствами в процессе метаморфизма………………………………………………………...….
2.2.1 Обобщенный многопараметрический показатель количественного описания петрографических свойств углей………
2.3 Уточнение эмпирических зависимостей для параметров метаноемкости углей Кузбасса…………………………………..
2.4 Анализ взаимосвязи параметров метаноемкости и физико-химических свойств углей с выбросоопасностью угольных пластов……………………………………………………..….
2.5 Изучение энергетических показателей метаноемкости углей 84
Выводы по главе 2……………………………………………... 93
3 ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К УСТАНОВЛЕНИЮ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ФОРМ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ…………………………...
3.1 Оценка влияния сорбционных свойств углей на их метаноносность…………………………………………………………
3.2 Описание закономерностей изменения метаноносности угольных пластов по месторождениям Кузбасса………….…
3.3 Установление количественных соотношений величины сорбированного метана к газоносности угольного пласта в зависимости от глубины его залегания………………………
3.4 Сравнение установленных по данным Кузнецкого бассейна зависимостей метаноносности угольных пластов от глубины их залегания с данными по метаноносности других бассейнов и месторождений……………………………………..
3.5 Уравнение газового баланса метаноносности угольного пласта…………………………………………………………..
3.6 Интерполяция данных о газоносности пластов для электронного картирования………………………………………..
3.7 Определение показателя энергетического потенциала……... 123
3.8 Уточнение оценки ресурсов метана в Кузбассе с учетом представлений о трехфазном состоянии метана в угольном пласте…………………………………………………………....
Выводы по главе 3……………………………………………... 137
4 МЕТОДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЕМЕТАНОВЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА………………
4.1 Развитие феноменологических основ теории взаимодействия между геомеханическими, тепловыми и физико-химическими процессами в метаноносных угольных пластах Кузбасса…………………………………………………...
4.1.1 Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем геомеханических и физико-химических процессов………………………………………...
4.1.2 Постановка задач исследований напряженно-деформированного состояния и температуры угольных образцов…………………………………………………………....
4.1.3 Экспериментально - измерительная установка и методика исследований …………………………………………………..
4.1.4 Температурные измерения на поверхности образцов угля при их одноосном нагружении до разрушения………………
4.1.5 Анализ зависимостей температурных изменений испытанных угольных образцов и их сравнение с натурными данными…………………………………………………………….
4. 2 Изучение развития нелинейных деформационно-волновых процессов в угольных образцах…………………………….....
4. 2. 1 Изучение эволюции компонент полей микродеформаций и графики их сканирующих функций…………………………...
4. 2. 2 Определение скоростей микродеформаций………………….. 168
4. 2. 3 Анализ амплитудно-частотных характеристик микродеформационных волновых процессов…………..……………….....
4.3 Изучение влияния волн маятникового типа от землетрясений на газодинамическую активность угольных шахт Кузбасса…………………………………………………………….
4.3.1 Оценка скоростного диапазона маятниковых волн от землетрясений по записям метановыделения в угольных шахтах Кузбасса………………………….……………….……………..
4.3.2 Влияние землетрясений 2016 года на газодинамическую активность угольных шахт Кузбасса (Алардинская, Осинниковская) …………………………………………..…………
Выводы по главе 4……………………………………………... 183
5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ОБРАЗЦОВ УГЛЕЙ КУЗБАССА………………………………
5.1 Исследование влияния пористой структуры природных углей на газодинамическую активность угольных пластов…...
5.2 Определение остаточной газоносности угольных пластов и ее связь с растворенным в угле метаном……………...…...…
5. 3 Изучение связи величины удельной поверхности от энергетических показателей при распаде углеметанового вещества и смене метастабильных состояний……….………………….
5.4 Исследование изменений температуры и микроструктуры угольного вещества в энерго-массообменных процессах…...
5.5 Исследование состава газообразных продуктов и их материального баланса………………………………………………...
5.5.1 Исследование угля методами СВЧ-пиролиза и газовой хроматографии……………………………………………….…….
5.5.2 Исследования структуры углей до и после их нагревания методом рентгенофазового анализа………………..………...
5.5.3 Исследования структуры углей до и после их нагревания методом масс-спектрометрии………………………………….
5.6 Обсуждение результатов лабораторных экспериментов в сравнении с данными натурных наблюдений……………...…
5.7 Оператор аналитической связи между уравнениями Ленгмюра и Опарина…………………………………….…….
5.7.1 Операторного вида «аналитическое продолжение» уравнения Ленгмюра во временную область и задача поиска
калибровочных коэффициентов……………………………….
5.7.2 Определение скоростей распространения продольных и поперечных волн в угольных шахтах Кузбасса…………………
5.7.3 Определение ϑ_ε – средней скорости (по модулю) трансляционного движения «соударяющихся» геоблоков диаметром Δ (работающих «структурных отдельностей»)………………...
5.7.4 Определение калибровочных коэффициентов и 249
Выводы по главе 5……………………………………………... 252
6 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЕМЕТАНОВЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА………………
6.1 Изучение подходов к оценкам склонности угольных пластов к внезапным выбросам угля и газа…………………………….
6.2 Разработка комплексного количественного показателя газодинамической активности пласта………………………………
6.3 Применение статистической оценки результатов к эмпирическим распределениям показателя газодинамической активности углеметановых пластов………………….………….
6.3.1 Проверка гипотез о виде функций распределения………….. 270
6.3.2 Проверка резко выделяющихся результатов………………… 272
6.3.3 Определение вероятности попадания нормально распределенной случайной величины показателя газодинамической активности в заданный интервал…….………………………..
6.3.4 Определение доверительных интервалов……………………. 274
6.4 Уточнение природных ресурсов метана в масштабах угольных месторождений на стадии подготовки участка месторождения к подземной добыче угля…………………………..
6.5 Конкретизация параметров системы управления газовыделением на выемочном участке…………..……………….……
Выводы по главе 6………………………………………..……. 292
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………... 293
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………….. 297
Приложение
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Киряева, Т. А. Влияние структуры и физико-химических свойств углей на уровень выбросоопасности пластов / Т. А. Киряева // Развитие ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения месторождений полезных ископаемых / под ред. акад. РАН К. Н. Трубецкого. – М., 2012. – С. 174–176.
2. Киряева, Т. А. Влияние энергии распада углеметана на деструкцию частиц угля и развитие внезапных выбросов угля и газа / Т. А. Киряева, М. С. Плаксин и др. // ГИАБ. – 2009. – Вып. 7: Кузбасс-2 – С. 148–152.
3. Киряева, Т. А. Газодинамическая опасность угольных пластов и деструкция частиц угля как следствие энергии распада углеметана / Т. А. Киряева, М. С. Плаксин, А. А. Рябцев и др. // Вестн. Науч. центра по безопасности работ в угольн. пром-сти. – Кемерово, 2009. – № 2. – С. 20–25.
4. Киряева, Т. А. Горно-технологические особенности инновационного подхода при проведении подготовительных выработок по газоносным угольным пластам / Т. А. Киряева, М. С. Плаксин, А. А Рябцев // ГИАБ. – 2010. –№ 3. – С. 360–363.
5. Лазаревич, Т. И. Геодинамическое районирование Южного Кузбасса / Т. И. Лазаревич, В. П. Мазикин, И. А. Малый и др. – Кемерово: Весть, 2006. – 181 с.
6. Малышев, Ю. Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю. Н. Малышев, К. Н. Трубецкой, А. Т. Айруни. – М.: ИАГН, 2000. – 519 с.
7. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля и газа / В. В. Ходот – М.: Госгортехиздат, 1961. – 363 с.
8. Зыков, В. С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах / В. С. Зыков. – Кемерово, 2010. – 333 с.
9. Лебедев, А. В. Состояние и пути повышения безопасности горных работ на угольных предприятиях, разрабатывающих склонные к внезапным выбросам угля и газоугольные пласты / А. В. Лебедев, В. А. Рудаков // Безопасность угольных предприятий: сб. науч. тр. – Кемерово, 2004. – С. 6–13.
10. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточн
По интенсивности нарастания метаноносности угольных пластов с глубиной установлены четыре зависящие от марок угля зоны: 1) газового выветривания (~до 75 м); 2) интенсивного нарастания метаноносности (~до 300 м); 3) замедленного нарастания (~300-800 м); 4) стабилизации (свыше 800 м). Из рисунка 3.11 видно, что на глубине 800÷1800 м для углей всего метаморфического ряда, кроме газовых, метаноносность практически стабилизируется, и только метаноносность газовых углей продолжает нарастать. К сожалению, данных значений метаноносности углей на глубинах залегания свыше 1000−1200 м очень мало (они приведены в настоящей работе), т.к. добыча угля в рассматриваемом районе на таких глубинах в настоящее время практически не ведется.