Способ идентификации выбросоопасного участка угольного шахтопласта

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЫБРОСООПАСНОГО УЧАСТКА УГОЛЬНОГО ШАХТОПЛАСТА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Способ идентификации выбросоопасного участка угольного шахтопласта, включающий отбор проб из шахтопласта, измерение физико-химических характеристик проб, отличающийся тем, что пробу разделяют на анализируемые элементы, измеряют дисперсию физико-химических характеристик по элементам проб и из сопоставления значений дисперсии с вероятностью внезапного выброса угля и газа определяют границы опасной зоны в пределах шахтопласта. 2. Способ по. 1, отличающийся тем, что измеряют дисперсию парамагнитных характеристик в анализируемых пробах. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измеряют дисперсию интенсивности сигнала парамагнитных центров с 2,00270,0002. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют дисперсию концентрации водорода. 3557 1 Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано в угольной промышленности при прогнозировании выбросоопасности угольных пластов. Известен способ прогнозирования выбросоопасности, заключающийся в определении перед вскрытием угольных пластов одиннадцати показателей, характеризующих три главных фактора, обусловливающих выбросоопасность напряженное состояние, заключенный в угле газ и физико-механические свойства. В числе показателей определяются выход летучих веществ, зольность, скорость газоотдачи, содержание газов, разрушаемость керна, давление газа, скорость газовыделения в скважину, мощность пласта, число угольных пачек 1. Из полученных данных рассчитываются по формулам значения четырех сложных параметров и, в зависимости от их величины и сочетания, делается заключение о выбросоопасности или неопасности пласта в месте вскрытия. Способ чрезвычайно сложен по технике исполнения и трудоемок. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ прогнозирования выбросоопасности угольного пласта, заключающийся в регистрации сигналов поглощения электронного парамагнитного резонанса по пробам угля, отбираемым при бурении шпуров из штыба на глубине последнего интервала зоны разгрузки на каждом интервале подвигания выработки, но не более расстояния до зоны опорного давления. Оценку выбросоопасных зон производят сравнением полученных сигналов с сигналами поглощения ЭПР по пробам угля, отобранным в невыбросоопасных зонах в аналогичных горнотехнологических условиях, и, если за интервалом, на котором наблюдается увеличение концентрации парамагнитных центров (ПМЦ) не менее чем на 40 , следует снижение концентрации ПМЦ более чем на 30 , расстояние до выбросоопасной зоны не превышает двух метров 2. Способ является трудоемким и обладает невысокой достоверностью. Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности и экспрессности, снижение трудоемкости идентификации выбросоопасного участка угольного шахтопласта. Для этого в способе идентификации выбросоопасного участка угольного шахтопласта, включающем отбор проб из шахтопласта, измерение физико-химических характеристик проб, которые разделяются на анализируемые элементы, измеряют дисперсию физико-химических характеристик по элементам проб и из сопоставления значений дисперсии с вероятностью внезапного выброса угля и газа определяют границы опасной зоны в пределах шахтопласта. Физической основой способа является обнаруженная авторами закономерность изменения физикохимических свойств угля в процессе его метаморфизма, приводящая к формированию для углей средней степени метаморфизма особо опасного критического состояния, которое при разработке шахтопласта может проявиться во внезапном выбросе угля и газа. На фиг. 1 показана модель метаморфизма каменного угля. Как видно из фиг. 1, существенным для процесса метаморфизма потенциально выбросоопасных углей является переход от сравнительно однородной-структуры с незначительной долей очагов -фазы 1 (по размерам и концентрации) через стадию максимальной гетерогенности 2 (с соизмеримой концентрацией - и -фаз) к квазиоднородной -фазе с отдельными вкраплениями -фазы 3 (высокая степень метаморфизма). Результаты выполненных исследований структуры таких углей и моделирования процессов зарождения, развития, достижения предельной гетерогенности и постепенного ее затухания иллюстрируются фиг. 2. На фиг. 2 показано изменение доли общего количества -фазы в -матрице на однородной стадии 1 развития углеродсодержащей структуры, переход ее к гетерогенному состоянию 2 (с соизмеримыми долями- и -фаз в веществе) и выход снова на квазиоднородное состояние угля 3, которое можно рассматривать как -матрицу с -вкраплениями. Кривая 1 соответствует изменению количества -фазы , кривая 2 -фазы . Исследования показали, что шахтопласты, содержащие угли, достигшие критической стадии гетерогенности 2, характеризуются максимальной склонностью к внезапным выбросам угля и газа. Было установлено,что процесс внезапного выброса возникает в разрабатываемом пласте как цепная газодинамическая реакция только при сочетании указанного особого физико-химического состояния угля, наличия катализаторов цепной реакции (например, ионов марганца и железа) и провоцирующего реакцию фактора. На стадии 1 процесс внезапного выброса маловероятен. Несмотря на наличие в этой структуре источников газовыделения за счет химической деструкции -фазы, цепная реакция невозможна из-за газодинамической вязкости квазиоднородной -матрицы. В такой среде первичная порция газа образующаяся за счет провоцирующего фактора не может приобрести необходимую энергию для стимулирования лавинного умножения газопотоков. На стадии 3 процесс цепной реакции также маловероятен по причине резкого уменьшения в структуре угля доли -фазы как источника дополнительного газовыделения, хотя структура -фазы и допускает высокую подвижность газовых компонент. На стадии 2 гетерогенная структура угольного вещества, содержащая соизмеримые количества - и фаз, обладает необходимым и достаточным сочетанием физико-химических свойств, обеспечивающих мак 2 3557 1 симальную вероятность внезапного выброса. Только в такой структуре сочетается достаточное количество источников газовыделения (-фаза) и высокая газопроницаемость гетерогенной среды. Под действием фактора, провоцирующего локальное газовыделение, первичная порция газа приобретает энергию достаточную, чтобы при наличии катализаторов вызвать процессы цепной механо-химической деструкции угольного вещества со всеми атрибутами внезапного выброса массы угля, бешеной муки и газа. Исследованиями авторов установлено, что стадии 2, соответствующей критическому состоянию угля с максимальной вероятностью внезапного выброса, закономерно соответствует и максимальная дисперсия основных физико-химических свойств, отражающих структурные особенности вещества данной критической степени метаморфизма. На фиг. 3 приведены кривые распределения , соответствующие различным состояниям углеродного вещества (квазигомогенному (1, 3) и гетерогенному (2. На фиг. 4 в качестве иллюстрации показана зависимость величины дисперсии физико-химических свойств углеродсодержащего вещества в процессе его физико-химического структурирования. Кривая соответствует дисперсии количества -фазы . Из фиг. 3 и 4 следует, что критическому состоянию угля с максимальной гетерогенностью его микроструктуры (наличию соизмеримых количеств - и -фаз) закономерно соответствует и макроскопическая неоднородность распределения физико-химических свойств по пробе угля с реальными размерами, что обеспечивает принципиальную доступность выполнения таких измерений для установления вероятности внезапного выброса, что и положено в основу предлагаемого способа и его вариантов. Итак, максимальной выбросоопасности соответствуют шахтопласты, в которых уголь в пределах макроскопической пробы предельно неоднороден, а наименьшей - пласты, в которых уголь однороден. Существенно и то, что предлагаемый в качестве нового критерия выбросоопасности параметр макроскопической неоднородности пробы угля из шахтопласта является лучшим совокупным критерием, отражающим не только фактор особого физико-химического строения, склонного к выбросу угля, но и автоматически учитывает наличие катализатора как второго структурного фактора выбросоопасности. Установлено, что процессы метаморфизма (темп геологического времени) в таких шахтопластах протекают быстрее, что также напрямую увеличивает микрогетерогенность угольного вещества, а следовательно, и его макроскопическую неоднородность. Таким образом, предложенный способ обеспечивает возможность идентификации выбросоопасного участка угольного шахтопласта с большей достоверностью при значительном сокращении времени прогнозирования. Знание выбросоопасного участка угольного шахтопласта позволяет рационально организовать разведку угольных месторождений, технологию разработки и радикально повысить уровень безопасности. Техническое решение поясняется следующими примерами. Регистрация спектров ЭПР проводилась на радиоспектрометре фирмы(Польша) при частоте модуляции постоянного магнитного поля 100 кГц. Пример 1. Отбирают пробу угля высокой степени метаморфизма (антрацит) в шахте, являющегося невыбросоопасным. Газовыделение отсутствует, что является показателем невыбросоопасности /1/. Пробу разделяют на анализируемые элементы и измеряют дисперсию интенсивности сигнала парамагнитных центров с 2,00270,0002. Она составляет 0,095 отн. ед. По данному значению дисперсии уголь относят к неопасным. Пример 2. Отбирают пробу бурого угля (низкая степень метаморфизма, Ирша - Бородинское месторождение), являющегося невыбросоопасным. Газовыделение отсутствует, что является показателем невыбросоопасности /1/. Аналогично примеру 1 измеряют дисперсию интенсивности сигнала парамагнитных центров с 2,00270,0002. Она составляет 0,08 отн. ед. По данному значению дисперсии уголь относят к неопасным. Пример 3. Отбирают пробу угля марки К (коксующийся) в шахте Донецкого угольного бассейна. Скорость начального газовыделения 7,38 л/мин, выше критического значения (45 л/мин), что свидетельствует о наличии выбросоопасности /1/. Аналогично примерам 1-2 измеряют дисперсию интенсивности сигнала парамагнитных центров с 2,00270,0002. Она составляет 0,2 отн. ед. По данному значению дисперсии уголь относят к опасным. Выброс вероятен. Пример 4. Отбирают две пробы угля в шахте Донецкого угольного бассейна. Проба 1 была взята из выбросоопасного участка (имелись случаи выброса). Проба 2 была взята из невыбросоопасного участка. Методом ИК-спектроскопии регистрируют оптическую плотность полосы 908 см-1 характерной для неплоских колебаний СН-связей винильных групп 2, что коррелирует в конечном счете с концентрацией водорода. Аналогично примерам 1-3 измеряют дисперсию оптической плотности полосы 908 см-1 для 1-ой и 2-ой проб. Дисперсия для 1-й пробы в 2,5 раза превышает аналогичное значение для 2-ой пробы. По данным значениям дисперсии уголь в первой пробе относят к опасным, выброс вероятен. Уголь во второй пробе относят к неопасным. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.