Способ прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации - RU2567878C2

Чертежи

Описание

Область техники

Данное изобретение относится к способу прогнозирования опасности выброса газа, конкретнее - к способу прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, который можно использовать в очистных забоях угольных шахт.

Предпосылки создания изобретения

Риск выброса угля и газа представляет собой одну из главных опасностей, которые приводят к тяжелым травмам и смертям в угольных шахтах. Точное прогнозирование выброса угля и газа может эффективно предотвращать аварии. В настоящее время большинство способов прогнозирования опасности выброса угля и газа являются способами, которые основаны на одном показателе и в которых используется один показатель, такой как количество выбуренной горной породы S, коэффициент десорбции газа K или Δh2 выбуренной породы, начальная интенсивность эмиссии газа q из буровой скважины и т.п., или используется эмпирическая формула, полученная суммированием этих показателей с целью выполнения прогноза. Вследствие сложных геологических уровней в угольных шахтах эти показатели не могут всесторонне отражать опасность выброса угля и газа; кроме того, эти показатели не могут обеспечить истинного интегрального прогноза. Следовательно, они не могут использоваться для точного прогнозирования опасности выброса угля и газа, и часто происходят аварии, связанные с выбросом угля и газа, вероятность которых была недооценена, и они создают большие помехи безопасной добыче в угольных шахтах. Исследования показывают, что рыхлое и битуминозное угольное тело достигает адсорбционного равновесия при определенном давлении газа; когда давление газа резко уменьшается, адсорбционное равновесие может быть нарушено, следовательно, становится возможным прогнозировать опасность выброса угля и газа посредством критического разрывного давления газа в угольном теле, и интегральное прогнозирование можно осуществить, воспользовавшись первоначальным давлением газа в угольном пласте, влиянием добычи угля и коэффициентом десорбции газа в выбуренной горной породе, с тем чтобы увеличить точность прогноза.

Краткое изложение сущности изобретения

Техническая проблема: Целью данного изобретения является создание способа прогнозирования опасности выбора угля и газа посредством объединения различной информации на основе параметров газа, который объединяет исходное давление газа в угольном пласте, критическое разрывное давление газа для образца угля, влияние добычи угля и коэффициент десорбции газа в выбуренной породе, с тем чтобы собрать исчерпывающую информацию об опасности выброса угля и газа и получить более точные результаты прогнозирования.

Техническая схема: способ прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, раскрытый в данном изобретении, включает:

a) измерение исходного давления газа P в угольных пластах в зоне добычи угля и максимального сконцентрированного напряжения σ_max в подошве выработки в угольном теле перед забоем и измерение критического разрывного давления газа и критического предела прочности на сжатие образцов угля, полученных в месте добычи;

b) бурение скважины длиной не менее 10 м в угольном теле перед очистным забоем в направлении разработки месторождения, измерение коэффициента десорбции газа в выбуренной породе один раз через каждый метр по всей длине скважины и запись коэффициента десорбции K₁ на расстоянии 1 м, коэффициента десорбции K₂ на расстоянии 2 м, коэффициента десорбции K₃ на расстоянии 3 м и т.д., соответственно до тех пор, пока коэффициент десорбции не стабилизируется, и этот установившийся коэффициент десорбции берется в качестве максимального коэффициента десорбции K_max; измерение общего количества выбуренной породы на каждом метровом отрезке пробуренной скважины, запись общего количества выбуренной породы S₁ на расстоянии 1 м, общего количества выбуренной породы S₂ на расстоянии 2 м, общего количества выбуренной породы S₃ на расстоянии 3 м, и т.д., соответственно, и наибольшее значение из значений общего количества выбуренной породы принимается в качестве максимального количества выбуренной породы S_max;

c) расчет давления газа P₁ на расстоянии 1 м, давления газа P₂ на расстоянии 2 м, давление газа P₃ на расстоянии 3 м и т.д., по формуле:

расчет напряжения на подошве выработки σ₁ на расстоянии 1 м; напряжения на подошве выработки σ₂ на расстоянии 2 м; напряжения на подошве выработки σ₃ на расстоянии 3 м и т.д.; соответственно по формуле

d) построение кривой распределения давления газа в угольном теле перед очистным забоем в туннеле и прямой линии критического давления газа, необходимого для разрушения угольного тела при помощи устройства, прогнозирующего опасность выброса угля и газа, путем объединения различной информации, или построение их вручную, при этом значения давления газа и значение напряжения на подошве выработки получены в разных местах, при этом расстояние от очистного забоя до точки пересечения кривой распределения давления газа и прямой линии критического давления газа при разрыве угольного тела представляет собой полученную на основании параметров газа критическую глубину бурения; далее, построение кривой распределения напряжений в подошве выработки в угольном теле перед очистным забоем и прямой линии критической прочности при сжатии угольного тела, при этом расстояние от очистного забоя до первой точки пересечения между кривой распределения напряжений в подошве выработки и прямой линией критической прочности при сжатии вблизи очистного забоя представляет собой полученную на основании напряжений в подошве выработки критическую глубину бурения; наименьшее значение из критической глубины бурения, полученной на основании параметров газа, и критической глубины бурения, полученной на основании напряжения на подошве выработки, принимается в качестве критической глубины бурения;

если глубина бурения в одной операции в туннеле меньше, чем критическая глубина бурения, то результат прогнозирования будет “безопасно”; если глубина бурения больше или равняется критической глубине бурения, то результат прогнозирования будет “опасно”; тем самым завершается прогнозирование опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, основанной на напряжениях в подошве выработки.

Положительные эффекты: при помощи описанной выше технической схемы выполнения интегральное прогнозирование, в котором используется множество факторов, включая исходное давление газа в угольных пластах, напряжение на подошве выработки в исходных горных породах, критическое давление газа при разрыве образца угля; механическая прочность угольного тела, воздействие от добычи угля, коэффициент десорбции газа в выбуренной горной породе и количество выбуренной породы, с тем чтобы преодолеть недостатки неполного сбора информации и неточного прогнозирования, свойственные методам прогнозирования, использующим один показатель, и увеличить точность прогноза. Данный способ может осуществить прогнозирование опасности выброса угля и газа на основании параметров газа и на основании напряжения на подошве выработки, его можно использовать как для битуминозного угля, так и для антрацита; при прогнозировании путем объединения различной информации информация, используемая при прогнозировании, становится более обширной, и, следовательно, результат прогнозирования становится более точным. Таким образом, способ, раскрытый в данном изобретении, может в значительной степени гарантировать безопасную добычу в угольных шахтах. Кроме того, такие параметры, как исходное давление газа в угольных пластах, критическое давление газа для разрыва образца угля, напряжение в исходных горных породах и механическая прочность угольного тела измеряются в начале операции; необходимо измерить только плановые параметры для прогнозирования (например, количество выбуренной породы, коэффициент K₁ в вырубленной породе или Δh₂ и т.п.) во время стандартного процесса прогнозирования для того, чтобы выполнить прогнозирование при объединение различной информации; процесс прогнозирования прост и удобен, и точность прогноза высока.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему способа прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, раскрытого в данном изобретении, на которой:

1 - очистной забой в туннеле; 2 - угольное тело; 3 - кривая распределения давления газа; 4 - прямая линия критического давления газа при разрыве; 5 - критическая глубина бурения, полученная на основе параметров газа; 6 - буровая скважина; 7 - кривая распределения напряжений на подошве выработки; 8 - прямая линия критической прочности на сжатие; 9 - критическая глубина бурения, полученная на основе напряжений на подошве выработки.

Подробное описание вариантов выполнения

Как показано на Фиг. 1, в способе прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, предложенном в данном изобретении, давление газа в угольных пластах в зоне добычи угля измеряется многократно, и максимальное значение из значений, полученных при измерениях, принимается в качестве исходного давления газа P в угольных пластах; кроме того, максимальная концентрация напряжений на подошве выработки σ_max в угольном теле 2 измеряется методом разрыва гидравлическим давлением, методом релаксации напряжений (например, для полых объемов), или другими методами, которые могут обнаружить напряжение на подошве выработки, более того, в зоне добычи берутся образцы угля и измеряется критическое давление разрыва образцов угля и критическая прочность на сжатие образцов угля. Буровая скважина 6 длиной не менее 10 м бурится в направлении разработки в угольном теле 2 в туннеле перед очистным забоем, и коэффициент десорбции газа в выбуренной породе или другие показатели, которые могут отражать давление газа или его количество, измеряются через каждый метр на всей длине скважины; при этом записывается коэффициент десорбции K₁ при бурении на расстояние 1 м, коэффициент десорбции К₂ при бурении на расстояние 2 м, коэффициент десорбции К₃ при бурении на расстояние 3 м и т.д., соответственно, до тех пор пока коэффициент десорбции не стабилизируется; в процессе контроля коэффициента десорбции газа можно измерять через каждые 2 м длины скважины, если его изменения невелики, стабильное значение коэффициента десорбции берется в качестве максимального индекса десорбции K_max; кроме того, измеряется общее количество выбуренной породы или других показателей, которые могут отражать изменение напряжения на подошве выработки на каждом отрезке длиной 1 м, и записывается количество выбуренной породы S₁ на расстоянии 1 м, количество выбуренной породы S₂ на расстоянии 2 м, количество выбуренной породы S₃ на расстоянии 3 м и т.д., соответственно, максимальное значение из записанных значений количества выбуренной породы принимается в качестве максимального количества выбуренной породы S_max. Если максимальный коэффициент десорбции K_max или максимальное количество выбуренной породы S_max превышает критические значения, определенные в “Правилах по предотвращению и контролю выбросов угля и газа”, это указывает на то, что существует опасность выброса; если опасность выброса отсутствует, прогнозирование следует продолжить следующим образом. Вследствие того что коэффициент десорбции газа в выбуренной породе увеличивается при увеличении давления газа и уменьшается при уменьшении давления газа, имеется зависимость между коэффициентом десорбции газа в вырубленной породе и давлением газа, иначе говоря, максимальному коэффициенту десорбции газа K_max выбуренной породы соответствует максимальное исходное давление газа P в угольных пластах; затем по следующей формуле:

вычисляется давление газа P₁ при бурении на расстоянии 1 м; давление газа Р₂ при бурении на расстоянии 2 м, и давление газа Р₂ при бурении на расстоянии 3 м и т.д. Вследствие того что количество выбуренной породы отражает величину напряжения на подошве выработки (количество выбуренной породы увеличивается с увеличением напряжения на подошве выработки и уменьшается при уменьшении давления на подошве выработки), и максимальное количество выбуренной породы S_max соответствует максимальному напряжению на подошве выработки σ_max по следующей формуле:

вычисляется напряжение на подошве выработки σ₁ при бурении на расстояние 1 м, напряжение на подошве выработки σ₂ при бурении на расстояние 2 м, напряжение на подошве выработки σ₃ при бурении на расстояние 3 м и т.д. По точкам вычерчивается кривая 3 распределения давления газа в угольном теле 2 перед очистным забоем 1 в туннеле и прямая 4 критического давления газа для разрыва угольного пласта при помощи устройства для прогнозирования опасности выброса угля и газа, которое может объединять различную информацию, или они вычерчиваются вручную, по полученным значениям давления газа и значениям напряжения на подошве выработки в различных местах, при этом расстояние от очистного забоя 1 до точки пересечения между кривой 3 распределения газа и прямой линией 4 критического разрывного давления газа представляет собой критическую глубину бурения 5, полученную на основе параметров газа; кроме того, вычерчивается кривая 7 распределения напряжений на подошве выработки в угольном пласте 2 перед забоем 1 и прямая линия 8 критической прочности на сжатие угольного тела 2, при этом расстояние от очистного забоя 1 до первой точки пересечения между кривой 7 распределения напряжений на подошве выработки и прямой линией 8 критической прочности на сжатие около очистного забоя 1 представляет собой критическую глубину бурения 9, полученную на основании напряжений; берется меньшее значение из критической глубины бурения 5, полученной на основе параметров газа, и критической глубины бурения 9, полученной на основе напряжений.

Если длина бурения при одной операции в туннеле меньше, чем критическая длина бурения, то результат прогнозирования будет “безопасно”; если длина бурения больше или равна критической длине бурения, результат прогнозирования будет “опасно”, таким образом заканчивается прогнозирование опасности выброса угля и газа, основанное на объединении различной информации, полученной на основе напряжений на подошве выработки. Поскольку интегральное прогнозирование выполняется с учетом многих факторов, включая исходное давление газа в угольных пластах, напряжение на подошве выработки в первоначальных горных породах, критическое давление газа при разрыве образца угля, механическую прочность угольного пласта, влияние добычи угля, коэффициент десорбции газа выбуренной породы, количество выбуренной породы и т.п., в процессе используется более обширная информация об опасности выброса угля и газа и становится возможным осуществить прогнозирование опасности выброса, основанное на параметрах газа и напряжениях на подошве выработки, и, следовательно, становится возможным увеличить точность прогноза опасности выброса угля и газа.

Реферат

Изобретение относится к способу прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, который можно использовать в очистных забоях угольных шахт. Способ реализуется путем создания прогностической модели, которая объединяет множество показателей и требует определения ряда показателей, включая исходное давление газа в угольном пласте, исходное напряжение горной породы, влияние разработки, коэффициент десорбции газа выбуренной породы, количественный показатель выбуренной породы и им подобные и их объединения с целью прогнозирования опасности выброса угля и газа. Благодаря способу прогнозирования, объединяющему различную информацию, информация об опасности выброса угля и газа может быть полной и становится возможным осуществить прогнозирование опасности выброса газа и породы, преодолеваются недостатки, связанные с неполнотой информации при использовании одного показателя и неточностью прогноза, и увеличивается точность прогноза опасности выброса угля и газа. 1 ил.

Формула

Способ прогнозирования опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, включающий:
a) измерение исходного давления газа Р в угольных пластах в зоне добычи угля и максимального сконцентрированного напряжения σ_max в подошве выработки в угольном теле (2) перед забоем (1) и измерение критического разрывного давления газа и критического предела прочности на сжатие образцов угля, полученных в месте добычи;
b) бурение скважины длиной (6) не менее 10 м в угольном теле (2) перед очистным забоем (1) в направлении разработки месторождения, измерение коэффициента десорбции газа в выбуренной породе один раз через каждый метр по всей длине скважины и запись коэффициента десорбции K₁ на расстоянии 1 м, коэффициента десорбции К₂ на расстоянии 2 м, коэффициента десорбции K₃ на расстоянии 3 м и т.д., соответственно до тех пор, пока коэффициент десорбции не стабилизируется, и этот установившийся коэффициент десорбции берется в качестве максимального коэффициента десорбции K_max; измерение общего количества выбуренной породы на каждом метровом отрезке пробуренной скважины, запись общего количества выбуренной породы S₁ на расстоянии 1 м, общего количества выбуренной породы S₂ на расстоянии 2 м, общего количества выбуренной породы S₃ на расстоянии 3 м, и т.д., соответственно, и наибольшее значение из значений общего количества выбуренной породы принимается в качестве максимального количества выбуренной породы
c) расчет давления газа P₁ на расстоянии 1 м, давления газа P₂ на расстоянии 2 м, давление газа P₃ на расстоянии 3 м и т.д. по формуле:

,
расчет напряжения на подошве выработки σ₁ на расстоянии 1 м; напряжения на подошве выработки σ₂ на расстоянии 2 м; напряжения на подошве выработки σ₃ на расстоянии 3 м и т.д. соответственно по формуле

;
d) построение кривой (3) распределения давления газа в угольном теле (2) перед очистным забоем в туннеле и прямой линии (4) критического давления газа, необходимого для разрушения угольного тела при помощи устройства, прогнозирующего опасность выброса угля и газа, путем объединения различной информации, или построение их вручную, при этом значения давления газа и значение напряжения на подошве выработки получены в разных местах, при этом расстояние от очистного забоя (1) до точки пересечения кривой (3) распределения давления газа и прямой линии (4) критического давления газа представляет собой полученную на основании параметров газа критическую глубину бурения (5); далее построение кривой (7) распределения напряжений в подошве выработки в угольном теле (2) перед очистным забоем (1) и прямой линии (8) критической прочности при сжатии угольного тела (2), при этом расстояние от очистного забоя (1) до первой точки пересечения между кривой (7) распределения напряжений в подошве выработки и прямой линией (8) критической прочности при сжатии вблизи очистного забоя (1) представляет собой полученную на основании напряжений в подошве выработки критическую глубину бурения (9); наименьшее значение из критической глубины бурения (5), полученной на основании параметров газа, и критической глубины бурения (9), полученной на основании напряжения на подошве выработки, принимается в качестве критической глубины бурения;
если глубина бурения в одной операции в туннеле меньше, чем критическая глубина бурения, то результат прогнозирования будет “безопасно”; если глубина бурения больше или равняется критической глубине бурения, то результат прогнозирования будет “опасно”; тем самым завершается прогнозирование опасности выброса угля и газа посредством объединения различной информации, основанной на напряжениях в подошве выработки.