Способ прогноза выбросоопасности горных пород

 

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

1й4964ММ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ (21) 5000389/ОЗ (22) 14.0891 (46) ЗОЛОЮ Бюл Йя 39-40

{75) Павлов В.И.

{73) Кирбитов Виктор Михайлович (54) СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изобретение относится к области горного де— ла, в частности к оценке выбросоопасных:угольных пластов или их участков. Цепь изобретения. — по(в) RU (1ц 2002062 С1 (5Ц 5 ЕИ F5 ОО вышение достоверности отличения выбросоопасных пластов и оценки опасности их участков за счет использования общего свойства выбросоопасных уг— лей. Выбросоопасный пласт отличают по наличию максимумов на графике зависимости содержания воды и/или свойств компонентов при сжатии вследствие совместных фазовых переходов воды и органической составляющей под давлением, близким или равным критическому в тройных точках воды и льдов. бил.

2002062

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано в горнодобывающей и углехимических отраслях, По существующим представлениям процессы, проявляющиеся в виде выбросов угля, связаны с механохимической деструкцией угля под воздействием. высокого горного давления. Различия в условиях и величине давления на разных участках пласта влияют на эффективность деструкции, "0 которая максимально проявляется в выброшенном угле. При деструкции в материале угля происходят фазовые и химические изменения. Частные показатели этих изменений используют при оценке склонностей угля к выбросу; так, механический показатель (МП) учитывает изменения соотношения между углеродом — СНар ароматических и метильных групп (МП = СНар . -СНз), известно использование показателей измене- 20 ния содержания влаги угля, степени его водонасыщения, относительной влагоемкости, показателей изменения содержания газа и летучих компонентов и т.д.

Общий показатель выбросоопасности, учитывающий изменения в составе угля, отсутствует, Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, включающий отбор проб образцов исследуемых Э0 участков, определение в них содержания воды и свойств при атмосферном давлении и установление выбросоопасности участков пласта по изменению полученных показателей (3). 35

Недостатком прототипа является низкая достоверность прогноза.

Целью изобретения является повышение достоверности прогноза выбросоопасности путем учета резкого изменения 40 свойств пород, содержащих химически связанную воду при давлениях, близких к критическим, Сопоставительный анализ показывает, . что известное техническое решение оцени- 45 вает склонность углей к динамическому разрушению по изменению содержания воды, а в заявляемом решении выбросоопасность оценивают по совместному изменению состояния и содержания воды и органической 50 составляющей, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию

"Новизна". Известные технические решения оценивают опасность участка пласта по изменению частных показателей свойств 5 -> или содержания органической составляюшей угля и воды, а заявляемое техническое решение основывает эту оценку на общем свойстве выбросоопасных углей, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию "Существенные отличия". Обоснования и доказательства существенного отличия заявляемого способа.

На выбросы угля и вмещающих пород влияют 4 главных фактора; их способность накапливать и высвобождать энергию, геологические характеристики, порядок отработки шахты, физические свойства угля и пород, однако общее физическое свойство выбросоопасных углей в настоящее время формулировки не имеет.

Накопление запаса потенциальной энергии в пласте создают гравитационные силы, Оценка давления, способного вызвать выброс, проведена в эксперименте с целью проверки гипотезы: различные формы проявления горного давления (горные удары, выбросы и т.п.) являются следствием высокого давления {ВД) и деформации сдвига (ДС), ВД+ ДС. Под воздействием давления до 1,0-1,5 кбар и последующей деформацией сдвига со скоростью 30 в секунду происходило локальное взрывное разрушение образца угля особо выбросоопасного пласта, отобранного на глубине 1200 м, где давление составляет 0,9-1,5 кбар. Природу выбросов объясняют тем, что дополнительно к высокому горному давлению (0,9 — 1,5 кбар), в пласте проявляются сдвиговые деформации. При достижении деформациями сдвига критических значений уголь в локальных областях приобретает высокую активность и подвижность своих элементов, происходит выброс с участием твердофазных и химических реакций.

B эксперименте по взрыванию угля воспроизведены условия изменения физических свойств и последующего взрывного разложения твердых тел в процессе деформирования при высоких давлениях, установленные П.Бриджменом.

Излучение этих явлений, происходящих при одноосном сжатии кристаллогидратов под высоким давлением, выявило существование критических давлений, при которых происходит или абводнение вещества, или механическое взрывание его при наборе или сбросе давления, Критическое давление взрыва зависит от химической природы вещества, не зависит от его температуры и снижается при сочетании давления сжатия с деформацией сдвига.

Взрыв твердых веществ под воздействием высокого давления в сочетании с деформацией сдвига характеризуется зависимыми параметрами критических значений давления и деформации сдвига, толщины, его массы и коэффициента экструкции.

2002062

B условиях механического взрыва протекают все типы реакций, свойственные органическим и неорганическим веществам, Характер протекания экзотермических реакций в твердых телах под воздействием высоких давлений в сочетании с деформацией сдвига и при механическом взрыве объясняют существованием явления твердофазной детонации, которое, по-видимому, проявляется в процессах минералообразования, землетрясения и т.д.

Таким образом, в существующих представлениях о выбросоопасности угля отсут. ствует общий показатель в виде совокупности физических или химических свойств, составляющий качественное отличие, позволяющее отличать опасный уголь, Оценки склонности к выбросу часто основывают на изменении свойств или содержания присутствующих в угле воды и органической составляющей, но эти оценки не учитывают совокупных изменений свойств этих компонентов при критических явлениях, характеризующих выброс. Критические явления при взрыве твердых тел изучены и учитываются в понимании природы выброса,,но представления о свойствах угля под давлением, приближенному к критическому давлению взрыва, отсутствуют.

Теоретические доказательства существования общего свойства выбросоопасных углей состоят в следующем:

1. Сочетание давления с деформацией сдвига снижает значение критического давления взрыва твердого тела. В отсутствие деформации сдвига уголь, испытывающий горное давление 0.9 — 1,5 кбар, не взрывается, очевидно, потому, что его компоненты имеют более высокое, чем 1,5 кбар значение критического давления.

2. Под давлением свыше 1,5 кбар состояние компонентов угля может приближаться к критическому. Критические точки многофазной системы характеризуются критическими параметрами и критическим составом, в них происходит распад вещества на фазы. При приближении к критической точке все свойства вещества резко изменяются и наблюдается ряд особенностей поведения вещества.

3. Приняв за основу критического састава угля совместное содержание в нем органической составляющей и воды (свободной, кристаллизационной, находящейся B составе ассоциатов макромолекулы угля), резкое изменение свойств угля должно происходить при параметрах давления, близких или равных критическим в тройных точках воды и модификаций льдов. Критические давле45 ски (масса 0,9 — 1,2 г) после его сушки в термостате, 2 мин охлаждения закрытого бюкса с навеской на воздухе и последующего охлаждения к эксикаторе до комнатной температуры.

Для определения использовали угли разной степени выбросоопасности (фракция 1,0 — 1,5 мм), Еп(СрО ) .2Н20 в состоянии поставки и MQSO< ) 7Н20, предварительно подсушенный (30 мин при 50 С) для исключения обводнения под давлением. Оптимальные условия сушки кристаллогидратов в термостате определяли предварительно: при температуре 75 С время сушки составляло 1 ч для соли магния и 2 ч — для соли цинка, Уголь сушили 15 мин при 150 5ОC ния в первых трех тройных точках составляют 2045, 3420 и 6175 ат. В областях этих давлений должны. происходить: распад органической составляющей на фазы, увеличе5 ние содержания воды вследствие частичной дегидратации кристаллогидратов и деструкции макромолекул угля, самоохлаждение угля вследствие эндотермического характера дегидратации кристаллогидратов.

10 Такие изменения должны максимально проявляться у выбросоопасных углей и ьмещающих их пород, т.к. эти изменения характеризуют поведение угля под давлением, приближенным к критическому давлению

15 взрыва (выброса).

Пример ы. Сжатие материала производят в контейнере высокого давления, заполнен ном рабочей жидкостью и установленным на прессе.

20 Перед сжатием 6 — 9 г исследуемого материала помещают в эластичную оболочку, исключающую диффузию через нее рабочей жидкости. компактируют материал и герметизируют оболочку в вакууме водоструйного

25 насоса, переносят образец в контейнер и подвергают сжатию при скорости набора давления 450 кг/см /с, выдержке при за- . данном давлении в течение 10 с и сбросе давления до атмосферного за 10 с. С оболоч30 ки извлеченного из контейнера образца удаляют остатки рабочей жидкости, вскрывают оболочку и извлекают из нее материал для навески. Каждый образец сжимают и выдерживают под одним заранее заданным давлением.

Примеры осуществления способа.

1. Отличение выбросоопасного пласта по общему признаку.

B исследуемом материале (до его сжатия) и в материале каждого образца (после сжатия) определяют содержание свободной воды весовым методом по потере массы взвешенной на аналитических весах наве2002062

30 бодной воды или экстракта (вес.%), Р— давление. атм.

На фиг.1 показано изменение под давле- 35 нием содержания свободной воды в MgS04) пН20; на фиг.2 — та же, для Zn(Cz04)) 2Н20.

Фаэовые переходы в кристаллической решетке MgSO4 7Н20 происходят подиными давлениями. 40

На фиг.3 кривые относятся к углю пластов: 1 — особа выбросоопасного. hg — "Прасковиевский" до выброса, 2 — особо выбросоопасного, ha — "Прасковиевский" после выброса, 3 — невыбросоопасного уча- 45 стка пласта "Песчанка".

На фиг,4 показано изменение пад давлением выхода экстракта, кривая 1 — длл угля особо выбросоопасного пласта пэ "Праскравиеский", 2 — длл выбросоопаснага плаопасности пласта и используют для оценки

50 опасности его участка, (аналогично с условиями определения влаги углей по ГОСТ 11014-81), С учетом возможкости "импеданса" дегидратации (12) навеску размещали тонким слоем в бюксе из алюминия, высота и диаметр которого составляет 35 мм.

Массу.,навески до и после сушки определяли с точностью до 0,001 г, результаты вычисляли с точностью до 0,01%, эа результат брали среднее из двух определений, отличающихся не более, чем íà 0,3 абс.%.

Содержание свободной воды определяли по формуле:

m1

W= —, m где m 1 — потеря массы и m — масса образца.

Определение количественного содержания органической составляющей углей, подвергнутых сжатию, проведено в ИНФОУ АН УССР.

Длл определения навеску массой 10 г измельчают, переносят в бумажный патрон и помещают в прибор длл экстракции по

Грефе, экстрагируют кипящим CCI4 в течение 10 ч, переносят экстракт s предварительно взвешенную колбу, в вакууме водоструйного насоса при 85-90ОС отгоняют растворитель, взвешивают остаток с колбой и определяют выход экстракта.

Результаты определения измененил содержания воды в органической составляющей, спланированы на ЭВМ и показаны на графиках фиг.1-6, где W — содержание сво10 15

25 ста Ь1а "Ливенский" и 3 — для угля невыбросоопасного пласта С4 шахты "Ясиновскаяглубокая".

По данным ИНФОУ выход экстракта органической составляющей угля особо выбросоопасного пласта Ьз "Праскавиевский" (ш-та "Соц.Донбасс" ) иэ проб, отобранных на невыбросаопасном участке, на опасном, (за 2 «14.08.90г., 700 т), и отобранных из материала выброса составил соответственно: 0,14; 0,4 и 6,58%.

Выход экстракта из угля выбросоопасного пласта "Ливенский" (ш-та "Им.Калинина" ) составлял до выброса 0,01 и 0,22 после выброса (13.07.90г„100 т).

На фиг,5 — 6 показано изменение содержания свободной воды в пробах угля из пластов разной степени выбросоопасности, отрабатываемых на шахте "Им.юных коммунаров", все пробы отобраны на горизонте

826 м. На фиг.5 кривые относятся к пластам:

1 — "Подмазур", 2 — "Андреевский", верхний, 3 — "Андреевский", нижний, особо выбросоопасный. На фиг.6 кривые относятся 1 — к пласту "Мазур", нижняя пачка, неопасный, 2 — "Мазур", верхняя пачка, опасный.

Пример ы 1,2, Изменение температуры образцов угля до и после их сжатия (точность +.1 С, замеры через 15-20 с после сжатия, среднее значение для 3 образцов).

Температура образцов и среды до сжатия составляла 19 С.

Образец № 1 — угол особо выбросоопасного пласта "Прасковиевский", ¹ 2 — неопасного

"Песчанка".

По приведенным на фиг.3-6 и в примере 1,2 результатам, выбросоопасные угли максимально увеличивают содержание свободных воды и органики и максимально изменяют физическое свойство под давлением. близким или равным критическому в тройных точках (Рп) и области 600 — 800 атм.

Изменение свойств пород,. вмещающих выбросаопасные угли, аналогично.

Величины значений показателей свойств выбрасоопасных углей, определенные после воздействия упомянутых давлений, принимают за общий показатель

2002062

Пример 2. Оценка опасности участка пласта угля по общему показателю опасности (т.е, llo величине значения показателя свойства или содержания компонента выбросоопасного угля, определенному после 5 воздействия давления области P T + 220 и

600-800 атм, 2.1 По изменению температуры максимума скорости потери массы угля (T<»<) po и после его сжатия. 10

Определение производят на дериватографе ОД-102МОМ при скорости подъема температуры 2,5 С/мин и конечной температуре

HBlp8BB 180 С. Для определения взяты:на " двух шахтах пробы особо выбросоопасного 15 пласта "Прасковиевский", проба из эоны выброса и для сравнения с ними — проба из участка безопасного пласта "Песчанка", Безопасным значением показателей по апределяемому свойству для участков пласта 20

"Прасковиевский" служат значения Т»>, равные 50 и 59 С, общими показателями опасности служат значения Т », равные 44 и 48 С, соответствующие предвыбросному состоянию угля, Изменение Т»> от 50 до 25

44 С и от 59 до 48,С свидетельствует о входе в зону очага. потенциального выброса, меньшие изменения — о подходе к ней.

2.2. По изменению потери массы углем до и после его сжатия. 30

Определяли по ГОСТ 11014-81 потерю массы углем пласта hg "Прасковиевский" (шта "Соц.Донбасс" ). Пробы отбирали из зон опорного давления и зон выбросов (07.06 и

21.06.88г. 4 эап,откат. штрек) 35

Безопасным значением показателя пласта по определяемому свойству является

1,20%, а общий показатель опасности его имеет значение 1,96%. Изменение значения показателя пробы угля участка от 1,20 до 1,93-1,96% свидетельствует о возрастании опасности выброса, 2.3. По изменению выхода экстракта органической составляющей угля до и после его сжатия, Особо выбросоопасный уголь пл. Ьэ(Ш-та

"Соц.Донбасс", 5 эап,конв,штрек), Общий показатель опасности пласта по определяемому свойству имеет зна ение 12,9614,34% (давление областей 600 — 800 и Рп бар).

Состояние участка может быть оценено как безопасное при значении его 6,74 — 9,54%.

Методы определения частных показателей выбросоопасности, например, спектральные (по изменению концентрации или валентности Fe, Мп, N, S в их соединениях.

ПМц и др.), сейсмоакустические, ядерные и др. в настоящее время основаны на использовании зависимых параметров. Параметры давления фазовых переходов воды и модификаций льдов имеют независимый характер, они для выбросоопасных пород определяют свойства, максимально приближенные к наблюдаемым при выбросе. Эти свойства обнаруживаются любыми известными методами контроля состояния физических и химических свойств, значения их показателей могут быть использованы в качестве общих показателей выбросоопасности. Использование общих показателей

2002062

Авторское свидетельство СССР

М 609914, кл. Е 21 С 39/00, 1975, Авторское свидетельство СССР

М 368400, кл, Е 21 С 39/00, 1969.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий отбор проб образцов исследуемых „ участков, определение в них содержания воды и характеристик свойств при атмосферном давлении и установление выбросоопасности участков по изменению полученных показателей, отличающийся 15 тем, чтО, с целью повышения достоверности прогноза путем учета резкого изменения свойств пород, содержащих химически связанную воду при давлениях, близких к критическим, в образцах из невыбросоо- 20 пасного участка пласта дополнительно определяют в интервале давлений от атмосферного до критического давления в трОйных точках Воды и модификации льдОВ

Ртт 220 атм содержание воды, и/или ор-25

2Э

2з

22 о

Ф 000 2000 ЗООО 40OO SOOO 6000 7000

Фса/ может способствовать повышению надежности прогноза, (56) Б.M.Èâàíoâ и др. Показатель процесса механодеструкции в угольном пласте. — Химия твердого топлива. 1988, M 2, с.78 — 81. ганической составляющей, и/или температурных, и/или акустических, и/или энергетических свойств, сравнивают показатели и считают породу выбросоопасной по наличию экстремальных значений величин показателей при давлении Р„220 и/или 600 - 800 атм, а экстремальные значения величин считают базой для установления выбросоопасности участка.

2.Способ по п.1, отличающийся тем, что для установления выбросоопасности участка по изменению показателя содержания воды и/или органической. составляющей определяют разность измеренных при атмосферном давлении показателей невыбросоопасных зон и участка и при величине последней от 2 до 40 величины показателя базы считают участок невыбросоопасным.

Э! °

° ФФ

° ° Э

i ° °

Ф ° Ф ° ° ° °

И у е

Ю gl . If Я jt / li JIJ

УЮУ юлю

2002062

2002062

2,5

2.00

1,50

0,50

Р,АТИ

Корректор М.Максимишинец

Редактор С.Кулакова

Заказ 3162

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Ю,%

3,00

Составитель В.Павлов

Техред M. Моргентал

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5