студент группы ГФ-1-06
Научный руководитель: ,
доц.
Московский государственный горный университет
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПОСТРОЕНИЯ МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА НА ШАХТАХ ВОРКУТСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
THE DEVELOPMENT OF ALGORITHM TO CONSTRUCTION OF MECHANICS-MATHEMATICAL’S MODEL FOR BLOW OF COAL AND GAS AT MINES VORKUT’S COALFIELD
В угледобывающей промышленности наиболее актуальным является прогнозирование внезапных выбросов с целью их предотвращения. На сегодняшний день риск производственного травматизма, человеческих жертв, материального ущерба от газодинамических явлений велик.
Как правило, в отечественной теории применяют теорию однородной среды. Но в однородной среде часть энергии, которая бы могла превратиться в кинетическую составляющую летящих кусков, отсутствует. Однако такой избыток, приводящий к динамическому явлению типа внезапного выброса, может проявляться в неоднородной среде, исследование которой сопряжено с трудностями. Угли содержат зачастую значительные количества газов, состав которых в разных породах не одинаков. Проведение выработки вызывает движение газа в область пониженного давления – в выработанное пространство, что делает необходимой вентиляцию для исключения опасности, связанной с возможностью отравления людей или образования взрывоопасных смесей [2].
С ростом глубины количество и давление газа в газосодержащих породах растут, обостряя проблему вентиляции. Одновременно с этим увеличивается опасность газодинамических явлений типа выбросов угля и газа.
Таким образом, наиболее целесообразным является применение теории порово-трещинного и блочного строения углесодержащего массива [1].
Внезапный выброс угля и газа (ВВУГ) – динамическое явление, возникающее в следствие быстрого изменения напряженного состояния насыщенного газом угольного пласта вблизи горной выработки, сопровождается частичным или полным разрушением угля, взвешенного в газе [2].
Запоздалые выбросы – выбросы, которые могут возникнуть спустя несколько минут или и даже часов после отбойки части горного массива.
Характеристикой ВВУГ является его интенсивность, измеряемая количеством выброшенного угля и дальностью его отброса. Горные выработки при этом заваливаются углём на десятки метров и заполняются газом, а в пласте образуется полость, которая на мощных пластах часто имеет форму типа «лисий хвост».
Нами рассмотрена следующая задача. При очистных работах происходит обрушение консоли («тяжёлых» пород кровли), наносится удар по почве. От места удара распространяется упругая волна и доходит до границы тектонического блока или геологического нарушения, в первоначальном положении удерживаемого горизонтальными составляющими напряжения, осуществляя его сдвиг. Волна, отражаясь от сместителя, достигает угольного забоя. В краевой части по законам физики происходит переворот фазы сжатия волны в фазу растяжения, и за счёт послойного разрушения угля и его выноса газом образуется полость выброса. Составляющие напряжения и их направления, а также процесс обрушения консоли представлены на рис. 1.
Рис. 1 Схема взаимодействия дополнительных технологических и пластовых напряжений с инициированием сейсмоакустической эмиссии
Схематически задача представляется следующим образом:
Триггер – спусковое устройство, которое может сколь угодно долго находиться в одном из двух состояний устойчивого равновесия и скачкообразно перемещаться из одного состояния в другое под действием внешнего сигнала. Проще говоря, триггер – это возбудитель; в нашем случае, триггер представлен обрушившейся консолью. Волна идёт на вибратор (тектоническое нарушение или граница блока), затем, отражаясь, достигает забоя, где собственно и происходит запоздалый выброс. Упругая волна передаётся в результате колебаний резонирующих блоков, которые начинают колебаться, входя в резонанс с другими и передавая им энергию – происходит цепной процесс. Резонирование замедляет реализацию разрушения, поэтому выброс носит запоздалый характер.
Вокруг геологического нарушения (сместителя) образуется зона повышенного горного давления, которую можно определить компьютерным способом. За счёт переворота волны и отрыва этой волной части пласта (на его краевом участке), возникают растягивающие напряжения. Энергия волны суммируется в зоне напряжённо-деформированного состояния, т. е. происходит суперпозирование, и в забой, где может находиться персонал, поступает волна газа и разрушенного до состояния «бешеной муки» угля.
Физическая сущность рассматриваемой задачи объясняется законом сохранения энергии. Энергию рассчитываем в результате суммирования наблюдаемых сейсмических событий, когда достигается предельное значение, сопровождающееся выбросом.
Решение поставленной задачи представлено на примере шахты Комсомольская .
Исходные данные:
Несущая способность секции крепи sсекц.=0.5 МПа, длина лавы lл=260 м; секций – 260 шт.; прочность угля на сжатие sсжу=8 МПа; давление метана в пласте Рсн4=1.5 МПа; несущая способность лучших зарубежных крепей МК =2.0 МПа; угол внутреннего трения tgf=0.31; мощность выбросоопасного пласта Мощный m=4м.
1. Расчёт несущей способности МК лавы:
sл=260*0.5=130МПа.
2. Примем, что при ударе консоли о почву в сейсмику идёт 10% энергии:
sлс=0.1*130=13 МПа.
3. Расчёт давления на фронте упругой волны от удара консоли при встрече со сместителем при действии на шахте гравитационного горного давления:
Примем:
sв:sгмх:sгмn=25:20:10;
(sлс-sгмn)lл*lл/2=(sбл-sгмх)R*R/2, откуда sбл=22.25 МПа.
4. Переход к сейсмике:
sт. бл.=0.1*22.25=2.225.
С учётом тектоники имеем:
sт. бл. с=20+2.225=22.225МПа.
5. Расчёт устойчивости блока по границе сместителя:
t=sгор.*tgf+С, С=0.
в естественном состоянии |t|=20*0.3=6 МПа.
с сейсмикой tс=22.225*0.3=6.7 МПа.
Вывод: блок выпадет с образованием упругой волны.
6. Расчёт давления на фронте упругой волны от выпадения блока в зоне лавы:
(sтект. бл.-sгмn)lт. бл*lт. бл./2=(sсж.-sгмх)*R*R/2.
Ответ: sсж.=54.3МПа; sсж.=5.43 МПа.
7. Расчёт выбросоопасности:
для sсекц. кр.=0.5 МПа: 5.43-0.5>0.6(8-1.5); 4.9>3.9.
для sсекц. кр.=2.0 МПа; 5.43-2.0<0.6(8-2.0); 3.43<3.9.
8. Расчёт энергии удара консоли:
Эконс.=132*A;
энергии выброса:
Эвыбр.=(5.43-0.5)2*A, A=Vоб./(2Еу)*106, Дж.
9. Расчёт периода допуска персонала в лаву:
Dt=132/4.92=7 шт.
* При движении лавы на sгмх имеет место sлc-sгмх=13-20.
На предприятиях угольных месторождений существуют следующие методы определения выбросоопасных пластов: ежесменное бурение шпуров в лаве и в подготовительной выработке с определением:
- начальной скорости газовыделения (<6 л/мин);
- выхода бурового штыба;
- давления газа (<6 атм).
Энергию измеряют три сенсора, каждый из которых определяет составляющие упругой волны: продольную, поперечную и поверхностную.
Помимо горизонтальной составляющей напряжения, необходимо учитывать давление метана, содержащегося в порах угля. Критический коэффициент рекомендуем принять К=0,6. Расчёт производится по формуле (1):
Ds=К*(|sсж|-Р), (1)
где Ds - горизонтальная составляющая напряжения, МПа;
К – критический коэффициент выбросоопасности;
|sсж| – предельное напряжение при сжатии, МПа;
P – давление метана, МПа.
На производстве имеют место запоздалые выбросы угля и газа, которые не подчиняются существующим нормативам.
Новизна идеи заключается в том, что предложена новая модель, предусматривающая состояние угля как порово-трещиновой среды, а массив имеет блочное строение.
Работа носит классификационный практический характер и выполнена автором лично.
Является теоретическим обоснованием равенства энергии консоли и суммы энергий от динамических явлений. Для практической реализации представленной идеи следует геофоном фиксировать энергию от падения и удара консоли о почву и сумму энергий от ряда событий внезапных выбросов угля и газа. По закону сохранения энергии эти значения должны быть равны.
Из разработанного алгоритма следуют выводы о том, что эффективными мероприятиями по снижению экономического эффекта от обрушения кровли являются способы разупрочнения консоли, применение крепей повышенной несущей способности (более 1,3 МПа), снижение остаточной газоносности угольных пластов до значения менее 8 м3/т, а также использование сейсмоакустического прогноза, встроенного в лавное оборудование. Существующие способы разупрочнения труднообрушаемых пород кровли на шахтах Воркутского месторождения (подработка, гидрорыхление, гидромикроторпедирование), как показывает практика, в ряде случаев имеют эффективность. Но её можно повысить путём своевременной обработки пластов и пород с поверхности, применив вертикальные скважины с горизонтальными окончаниями, при помощи колтюбингового оборудования.
Инвестирование в науку, заимствование и модернизация зарубежной техники и технологий (США, Польша, Голландия), как снижение газового фактора, применение мощных крепей и сейсмомониторинг, позволит в кратчайшие сроки в несколько раз повысить эффективность и безопасность подготовительных и очистных работ.
Литература
1. Николаевский и флюидодинамика. – М.: Недра, 1996. –447 с.
2. , Линьков горных ударов и выбросов. – М.: Недра, 1983. – 280 с.
Аннотация
Настоящая работа носит классификационный практический характер. Автором рассмотрена актуальная проблема внезапных выбросов угля и газа и предложена математическая модель для их прогнозирования.
Выводы сделаны на основании физических законов.
Ключевые слова
внезапные выбросы угля и газа, триггер, энергия консоли, порово-трещинновый механизм, резонирование, метан
