способ автоматизированного текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа

Формула изобретения

1. Способ автоматизированного текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа, включающий генерирование акустических колебаний в горном массиве работающим механизмом, непрерывное автоматическое измерение их амплитуд в области высоких и низких частот и оценку фактора напряженного состояния выбросоопасности угольного пласта показателем К акустического прогноза выбросоопасности, равным отношению амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, путем определения текущего значения К_m показателя выбросоопасности акустического прогноза, отличающийся тем, что дополнительно непрерывно автоматически контролируют концентрацию С метана в атмосфере выработки и периодически измеряют прочность q угля наиболее перемятой пачки угольного пласта на забое выработки и эти параметры используют для автоматической корректировки предельного текущего значения показателя акустического прогноза выбросоопасности в соответствии с выражением

где - масштабный коэффициент измерительного тракта прибора;

- критическое значение показателя выбросоопасности акустического прогноза в отсутствие действия газового фактора;

Q - расход воздуха на проветривание выработки, м³/с;

C_m и С_ф - соответственно текущее и фоновое значения концентрации метана в атмосфере выработки у забоя, %;

₂(q) - функция прочности, определяемая в соответствии с выражением - по прочности q угля в наиболее перемятой пачке, Па, причем q=100 - h - прочность угля, определяемая прочностномером, h - глубина внедрения конуса прочностномера в массив, мм;

D_к - корректирующий параметр для учета газового фактора выбросоопасности, Па·с^-1/2·м ^-3/2;

при этом, текущее значение К_m показателя выбросоопасности акустического прогноза сравнивают с предельным значением показателя выбросоопасности акустического прогноза и, если K_m< , зону угольного пласта относят к невыбросоопасной, а если К_m , зону угольного пласта относят к выбросоопасной.

2. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что критическое значение К_кр показателя акустического прогноза выбросоопасности в отсутствие действия газового фактора устанавливают в зависимости от планируемого запаса надежности равным 4,5-6.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что корректирующий параметр D_к для учета газового фактора выбросоопасности определяют в соответствии с выражением

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза внезапных выбросов угля и газа.

Внезапный выброс угля и газа происходит в призабойной зоне пласта, ослабленной наличием пачки (или нескольких пачек) перемятого угля, под действием локально завышенных по каким-либо причинам сил горного и газового давления. Поэтому текущий прогноз внезапных выбросов угля и газа заключается в определении таких зон в угольном пласте, которые характеризуются либо возросшей нарушенностью (перемятостью) угля, либо возросшими напряжениями непосредственно в краевой части пласта (фактор напряженного состояния выбросоопасности), либо возросшим давлением газа и газоносностью угля (газовый фактор выбросоопасности), либо всевозможными комбинациями указанных причин (факторов выбросоопасности). При этом выбросоопасность оценивается показателем выбросоопасности, который определяется как функция неких параметров, характеризующих факторы выбросоопасности или их комбинации.

Известен способ текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа при проведении выработок по углю, основанный на замерах начальной скорости газовыделения и выхода буровой мелочи при поинтервальном бурении контрольных шпуров [Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа (Приложение к разделу 5 главы II “Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах”. - М.: Институт горного дела им. А.А.Скочинского, 1989. С. 38-41]. При этом начальная скорость газовыделения характеризует газовый фактор выбросоопасности, а выход буровой мелочи — фактор напряженного состояния выбросоопасности.

Однако этот метод прогноза достаточно трудоемок и продолжителен, поэтому ограничивает скорость ведения подготовительных выработок, а для прогноза выбросоопасности в очистных выработках практически неприменим.

Кроме того, этот метод не является непрерывным и поэтому не может выявить ситуации усугубления выбросоопасности массива, возникшие в процессе ведения горных работ между циклами прогноза.

Известен способ текущего прогноза выбросоопасности в подготовительных выработках по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров [Инструкция по ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа: (РД 05-350-00)/ НТЦ “Промышленная безопасность”. - М., 2000. - С. 149-152].

Способ включает визуальный осмотр забоя выработки, выявление слагающих пласт угольных пачек, определение с помощью прочностномера прочности q каждой пачки угля мощностью более 0,2 м и отнесение ее к потенциально выбросоопасной, если прочность окажется менее 75 условных единиц, поинтервальный прогноз выбросоопасности по начальной скорости газовыделения g _н из контрольных шпуров, пробуренных по потенциально выбросоопасной пачке угля или их совокупности, и отнесение зоны к выбросоопасной, если на каком-либо интервале контроля максимальное значение начальной скорости газовыделения g_н.mах 4 л/мин, и к неопасной, если g_н.max < 4 л/мин.

Однако данный способ не контролирует фактор напряженного состояния выбросоопасности. Чтобы компенсировать отсутствие контроля фактора напряженного состояния пласта, в качестве критериального взято такое значение максимальной начальной скорости газовыделения g_н.max=4 л/мин, которое несколько ниже самого малого значения g_н.max , когда-либо замеренного при бурении контрольных шпуров перед внезапным выбросом угля и газа на угольных шахтах восточных районов России. Этим обусловлен излишне большой запас надежности способа прогноза и его экономическая неэффективность.

Известен способ контроля состояния массива в призабойной части выбросоопасного угольного пласта по газовыделению из отбитого угля и с обнаженной поверхности забоя, определяемому по концентрации метана в атмосфере выработки, регистрируемой аппаратурой контроля метана (АКМ) [Авторское свидетельство СССР № 1500788, кл. Е 21 F 5/00, 1989].

Способ включает определение удельного газовыделения со свежеобнаженной поверхности забоя и из отбитого угля при выемке угля в неопасных зонах пласта, устанавливаемых другим нормативным методом прогноза выбросоопасности, установление по ним показателя выбросоопасности и его критического значения, оценку состояния зон массива в последующих циклах выемки путем сравнения показателя выбросоопасности с его критическим значением и отнесение зоны пласта к опасной, если определенный показатель выбросоопасности окажется равным или больше критического значения.

Однако данный способ не контролирует фактор напряженного состояния выбросоопасности и наличие перемятых угольных пачек в пласте. Кроме того, показатель выбросоопасности определяется после завершения каждого цикла выемки угля и снижения концентрации метана до фонового уровня, замеренного перед началом работ по проведению выработки. Этим обусловлена недостаточная надежность и оперативность прогноза. Чтобы исключить ошибки прогноза, критическое значение показателя выбросоопасности устанавливают с запасом, приводящим к завышенному количеству спрогнозированных выбросоопасных зон, и обусловленными этим дополнительными расходами на противовыбросные мероприятия.

Известен также способ акустического прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий генерирование акустических колебаний в горном массиве работающими механизмами, непрерывное измерение их амплитуд в области высоких и низких частот и оценку выбросоопасности пласта по отношению К амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, которое является показателем выбросоопасности данного способа прогноза выбросоопасности [Авторское свидетельство СССР № 1222853, кл. Е 21 F 5/00, Е 21 С 39/00, 1986].

Преимуществом его является непрерывность контроля выбросоопасности в процессе ведения горных работ. Но поскольку на спектральный состав измеряемого акустического сигнала влияет напряженное состояние массива, а не концентрация и давление газа в нем, данный способ контролирует только фактор напряженного состояния выбросоопасности. Чтобы скомпенсировать отсутствие контроля газового фактора выбросоопасности и наличие перемятых угольных пачек в пласте, в качестве критериального выбрано такое максимальное значение К_кр.mах =3 отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, которое несколько ниже самого малого значения К_mах, когда-либо замеренного при ведении горных работ перед внезапным выбросом угля и газа. Нечувствительность данного способа прогноза к газовому фактору выбросоопасности и наличию перемятых пачек угля определяет завышенный “запас надежности” этого способа прогноза выбросоопасности и, как следствие, недостаточную точность и экономическую эффективность.

Поскольку стоимость противовыбросных мероприятий и мероприятий по ликвидации последствий внезапного выброса угля и газа высока, а продолжительность прогноза сдерживает темпы ведения горных работ, точность и оперативность текущего прогноза выбросоопасности должны быть достаточно высокими.

Задача изобретения - повысить точность и оперативность текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов.

Это достигается тем, что при осуществлении способа текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа, включающего генерирование акустических колебаний в горном массиве работающим механизмом, непрерывное автоматическое измерение их амплитуд в области высоких и низких частот и оценку фактора напряженного состояния выбросоопасности угольного пласта показателем К акустического прогноза выбросоопасности, равным отношению амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, путем определения текущего значения К_т показателя выбросоопасности акустического прогноза, дополнительно непрерывно автоматически контролируют концентрацию С метана в атмосфере выработки и периодически измеряют прочность q угля наиболее перемятой пачки угольного пласта на забое выработки и эти параметры используют для автоматической корректировки предельного текущего значения K_т, предпоказателя акустического прогноза выбросоопасности в соответствии с выражением

где К_м - масштабный коэффициент измерительного тракта прибора;

К_кр - критическое значение показателя выбросоопасности акустического прогноза в отсутствии действия газового фактора;

Q - расход воздуха на проветривание выработки, м³/с;

С_т и С_ф - соответственно текущее и фоновое значения концентрации метана в атмосфере выработки у забоя, %;

₂(q) - функция прочности, определяемая в соответствии с выражением по прочности q угля в наиболее перемятой пачке, Па, причем q=100-h - прочность угля, определяемая прочностномером, h - глубина внедрения конуса прочностномера в массив, мм; d_к - корректирующий параметр для учета газового фактора выбросоопасности, Па· с^1/2· м^-3/2; при этом текущее значение K _т показателя выбросоопасности акустического прогноза сравнивают с предельным значением K_т , предпоказателя выбросоопасности акустического прогноза, и если K_т < K_т, предзону угольного пласта относят к невыбросоопасной, а если К_т К_т, пред зону угольного пласта относят к выбросоопасной.

А также критическое значение К _кр показателя акустического прогноза выбросоопасности в отсутствии действия газового фактора устанавливают в зависимости от планируемого запаса надежности прогноза равным 4,5-6.

Причем корректирующий параметр d_к для учета газового фактора выбросоопасности определяют в соответствии с выражением

Проведение выработки в горном массиве или выполнение других работ, связанных с механическим воздействием на призабойное пространство выработки например бурение разгрузочных или дегазационных скважин, вымывание полостей и т.п., приводит к созданию или дополнительному развитию в призабойном пространстве выработки системы трещин, разбивающих угольный пласт на блоки. На эти блоки в сторону обнаженной поверхности выработки действуют силы, стремящиеся выдавить их в выработку. На некотором расстоянии от забоя выработки возникает критическая ситуация, которая может привести к развязыванию внезапного выброса угля и газа. Критерий устойчивости массива в общем виде можно записать следующим образом:

В этом условии в числителе приведены активные (инициирующие), а в знаменателе пассивные (препятствующие) силы развязывания газодинамического явления (ГДЯ), причем первое слагаемое в числителе F_г.д соответствует силе горного давления, второе слагаемое F_г - силе газового давления, третье F_т - силе тяжести, а знаменатель F_c.в. _т - силам сцепления и внутреннего трения угля в массиве. В горизонтальных выработках силой тяжести пренебрегаем, т.к. она действует перпендикулярно направлению движения блоков.

Нарушение устойчивости происходит, если левая часть выражения (1) становится равной единице или превышает ее.

Установлено, что показатель К акустического прогноза выбросоопасности функционально связан с отношением предельного и текущего значений средних напряжений, действующих в призабойном пространстве горной выработки, а концентрация метана в атмосфере выработки, замеренная вблизи ее забоя, характеризует давление газа, газопроницаемость и газоносность в массиве. При этом предельные напряжения, определяющие механическую устойчивость массива, могут быть выражены через параметр прочности q, определяемый экспресс-методом прочностномером П-1. Воспользовавшись этими закономерностями, критерий устойчивости массива (1) удается выразить через критическое К_кр и текущее K_т значения показателя акустического прогноза выбросоопасности, текущее C_т и фоновое С_ф значения концентрации метана в атмосфере выработки, замеренные вблизи забоя выработки, и функцию f₂ (q) прочности угля следующим образом:

В левой части этого выражения первый член характеризует выбросоопасность по фактору напряженного состояния массива, а второй член - по газовому фактору.

Поскольку текущие значения K_т показателя акустического прогноза выбросоопасности и концентрации метана C_т в атмосфере выработки можно непрерывно автоматически регистрировать соответственно аппаратурой акустического прогноза (контроля), например, типа АК-1 и аппаратурой контроля метана (АКМ), фоновое (установившееся на достаточно стабильном уровне через некоторое время после прекращения работ, сопровождающихся воздействием на угольный пласт) С_ф значение концентрации метана в атмосфере выработки, характеризующее, в основном, газовыделение из бортов выработки и отбитого угля, также можно измерить аппаратурой АКМ перед началом ведения горных работ, а прочность угля можно достаточно оперативно периодически оценивать прочностномером, например, типа П-1 конструкции ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского, текущий прогноз внезапных выбросов угля и газа можно осуществлять автоматически.

Из (2) предельное текущее значение K_т, предпоказателя акустического прогноза выбросоопасности определится следующим образом:

При таком способе текущего прогноза выбросоопасности, как видно из выражения (3), предельное текущее значение показателя акустического прогноза выбросоопасности периодически корректируется в зависимости от прочности наиболее перемятой пачки угля и непрерывно автоматически корректируется в зависимости от текущего значения концентрации метана в атмосфере выработки в процессе ведения горных работ. Этим достигается требуемая точность и быстродействие прогноза.

На фиг.1 изображены рассчитанные зависимости предельного текущего значения K_т.пред показателя акустического прогноза выбросоопасности от текущего значения C_т концентрации метана в атмосфере выработки и прочности q угля. На фиг.2 изображены полученные при проведении вентиляционного штрека 370 бис на ОАО “Шахта “Первомайская” зависимости во времени прочности q наиболее перемятой пачки угля, максимальных текущих значений С_mах концентрации метана в атмосфере выработки и значений показателя акустического прогноза выбросоопасности соответственно: К_норм=3 - предельного в соответствии с действующим нормативным документом [Инструкция по ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа: (РД 05-350-00)/ НТЦ “Промышленная безопасность”. - М., 2000. - С.165-168], K_т.max - максимальных текущих, замеренных аппаратурой АК-1, и К _тпред - предельных текущих, рассчитанных в соответствии с выражением (3). В этом эксперименте фоновое С_ф значение концентрации метана в атмосфере выработки равнялось 0,2-0,25%.

Из рисунков видно, что, во-первых, выбросоопасные пласты характеризуются большой изменчивостью прочности, напряженного состояния и концентрации метана в атмосфере выработки, во-вторых, непрерывная корректировка предельного значения показателя акустического прогноза выбросоопасности в соответствии с изменениями прочности угля и концентрации метана в атмосфере выработки позволяет существенно повысить точность прогноза.

Способ реализуется следующим образом.

Автоматизированный текущий прогноз внезапных выбросов угля и газа начинают с определения корректирующего параметра D_к для учета газового фактора выбросоопасности путем сопоставления контролируемых значений прочности угля q, фонового С_ф и текущего C_т значений концентрации метана в атмосфере выработки вблизи забоя с результатами прогноза выбросоопасности другим, например нормативным, методом прогноза по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров. На протяжении нескольких циклов прогноза регистрируют прочность угля q, фоновое С_ф и текущее С_т значения концентрации метана в атмосфере выработки вблизи забоя, подаваемое в забой в единицу времени количество воздуха Q, а также начальную скорость газовыделения из контрольных шпуров. Из зарегистрированных данных отбирают значения, замеренные в зоне пласта, при вхождении в которую максимальное значение начальной скорости газовыделения g_н.mах приближается к своему предельному значению в 4 л/мин или несколько превышает его. Для них рассчитывают функцию ₂(q) прочности угля по результатам измерения прочности угля q прочностномером П-1 по формуле

а затем корректирующий параметр d_к для учета газового фактора выбросоопасности в соответствии с выражением

Условие (5) получено из выражения (2) в предположении, что второй член в левой части выражения (2) равен половине единицы. Это возможно, когда оба фактора выбросоопасности: фактор напряженного состояния массива и газовый фактор одинаково влияют на выбросоопасность и предельные значения обоих членов левой части выражения (2) равны между собой и половине единицы.

Рассчитанный таким образом параметр d_к используют в последующем для определения в автоматическом режиме предельного текущего значения К_т.пред показателя акустического прогноза выбросоопасности для данного забоя в соответствии с выражением (3), в котором критическое значение К_кр показателя выбросоопасности акустического прогноза в отсутствие действия газового фактора устанавливают в зависимости от планируемого запаса надежности в пределах 4,5-6. Причем, если угольный пласт по предыдущему опыту его отработки не является особо выбросоопасным, то значение К_кр устанавливается равным 6. Если же угольный пласт является особо выбросоопасным, то для повышения запаса надежности прогноза значение К_кр может принимать меньшие значения вплоть до 4,5. Значение К_кр =6 выбрано исходя из следующих соображений. Способ акустического прогноза выбросоопасности контролирует только один фактор выбросоопасности - фактор напряженного состояния массива. Поэтому при экспериментальном определении предельного значения К_норм=3 показателя акустического прогноза выбросоопасности, регламентируемого действующим нормативным документом [Инструкция по ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00)/ НТЦ “Промышленная безопасность”. - М., 2000. - С.165-168], второй фактор выбросоопасности, газовый, мог иметь любое значение от минимального до предельного. Следовательно, критическое значение К_кр показателя выбросоопасности акустического прогноза в отсутствии действия газового фактора можно взять равным удвоенной величине предельного значения К_норм=3 показателя акустического прогноза выбросоопасности, регламентируемого действующим нормативным документом.

Значение К_м масштабного коэффициента измерительного тракта прибора берут из паспортных данных (технических характеристик) аппаратуры акустического прогноза выбросоопасности.

Периодически, например через 4-5 м проведения выработки, осматривают забой выработки, визуально выявляют слагающие пласт угольные пачки мощностью от 0,2 м и более, измеряют прочностномером П-1 прочность q угля этих пачек и наименьшее из замеренных значений прочности используют для расчета функции прочности в соответствии с выражением (4).

Далее сравнивают текущее значение K_т показателя выбросоопасности акустического прогноза с непрерывно корректируемым в соответствии с измеряемым текущим значением C_m концентрации метана предельным значением К_т..пред показателя выбросоопасности акустического прогноза и если К_т < К_т..пред , зону пласта относят к

невыбросоопасной, а если К_т К_т..пред, зону пласта относят к выбросоопасной.

Для осуществления предлагаемого способа применяют серийно выпускаемое оборудование: для измерения прочности угля - прочностномер П-1; для измерения начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров - ручное электросверло, комплект витых составных штанг общей длиной до 6,5 м, герметизатор скважины и измеритель начальной скорости газовыделения ИГ-1; для акустического прогноза (контроля) выбросоопасности - прибор АК-1, состоящий из подземного блока, анализирующего блока, самописца и магнитофона. Связь анализирующего блока с подземным осуществляется по свободной паре телефонного кабеля. Подземный блок устанавливается в борт выработки на удалении от забоя в 5 м. При удалении подземного блока на 40 м от забоя он вновь переносится к забою на удаление в 5 м. Величина К показателя акустического прогноза выбросоопасности, равного отношению амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустических колебаний, индицируется стрелочным прибором, установленным на лицевой панели анализирующего блока, и регистрируется самописцем. Значение масштабного коэффициента измерительного тракта для этого прибора К_м 10.

Концентрация метана измеряется аппаратурой контроля метана и передается на поверхность шахты, например, телеметрической системой автоматического газового контроля “Метан”.

Расход воздуха измеряется датчиком расхода воздуха ИСВ-1, показания которого с помощью телеметрической системы передаются на поверхность шахты.

Для автоматизации обработки результатов измерений используется, например, “Система газоаналитическая шахтная многофункциональная “Микон 1 Р”. На ее входы подаются сигналы с телеметрической системы “Метан” (пропорциональные концентрации С метана) и аппаратуры АК-1 (пропорциональные показателю К выбросоопасности акустического прогноза). Система “Микон IP” регистрирует данные, записывает их на магнитный носитель и обрабатывает в соответствии с заданным алгоритмом.

Алгоритм расчета состоит в определении предельных значений К _т.пред показателя выбросоопасности акустического прогноза в соответствии с выражением (3) по мере поступления данных о концентрации метана и отнесении зоны пласта к невыбросоопасной, если К_т < К_т.пред, а если К _т К_т.пред, зону пласта относят к выбросоопасной.

Пример. В результате нескольких циклов прогноза выбросоопасности по структуре пласта и начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров выявлен вход забоя в выбросоопасную зону (начальная скорость газовыделения превысила значение в 4 л/мин). При этом в пласте обнаружена перемятая пачка угля мощностью более 0,2 м. При определении ее прочности прочностномером П-1 глубина внедрения конуса прочностномера составила h=40 мм. Расход воздуха на проветривание выработки, замеренный датчиком расхода воздуха ИСВ-1, составил 240 м³/мин. Фоновое значение концентрации метана у забоя выработки, замеренное АКМ, составило 0,25%. Перед прогнозом выбросоопасности во время работы проходческого комбайна текущее значение концентрации метана в атмосфере выработки у забоя достигло величины в 1,5%, после чего аппаратура газовой защиты отключила электрооборудование в забое, но концентрация метана продолжала нарастать до значения 2%, после чего стала снижаться до фонового значения. Таким образом, принимаем С _т=2%. Масштабный коэффициент измерительного тракта прибора АК-1, установленный по техническому описанию прибора, К_м 10. Пласт не относится к особо выбросоопасным, поэтому выбираем критическое значение показателя выбросоопасности акустического прогноза в отсутствии действия газового фактора К_кр=6.

При этих условиях по формуле (4) определяем значение функции прочности угля ₂(q)=0,51 МПа, а по формуле (5) находим значение D_к=0,97 МПа· с^1/2 м^-3/2 корректирующего параметра для расчета газового фактора.

Вносим найденные значения ₂(q) и D_к, а также значения С_ф, К_кр, К_м и Q в формулу (3) алгоритма расчета предельных значений К_т.пред показателя выбросоопасности акустического прогноза. После этого прогноз выполняется в автоматическом режиме. При этом в соответствии с формулой (3) с изменением текущего значения С_т концентрации метана будет изменяться и предельное текущее значение K_т.пред показателя акустического прогноза выбросоопасности. Например, ряду значений С_т: 0,25%; 0,75%; 1,25%; 1,75% будет соответствовать ряд значений K_т.пред: 6,0; 5,0; 4,4; 3,8.