Способ прогноза выбросоопасности горных пород

(5 Ц 5 Е 21 Г 5 00 Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам 1 ййВЭМОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН,,",А"ф К ПАТЕНТУ(46) ЗОЛОЮ Бюл Йя 39-40(73) Кирбитов Виктор Михайлович(54) СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД(57) Изобретение относится к области горного де -ла, в частности к оценке выбросоопасных угольныхпластов или их участков. Цепь изобретения. - повышение 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, 2002062Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано в горнодобывающей и углехимических отраслях,По существующим представлениямпроцессы, проявляющиеся в виде выбросовугля, связаны с механохимической деструкцией угля под воздействием, высокого горного давления. Различия в условиях ивеличине давления на разных участках пласта влияют на эффективность деструкции,которая максимально проявляется в выброшенном угле. При деструкции в материалеугля происходят фазовые и химические изменения. Частные показатели этих изменений используют при оценке склонностейугля к выбросу; так, механический показатель (МП) учитывает изменения соотношения между углеродом - СНар ароматическихи метильных групп (МП = СНар-СНз), известно использование показателей изменения содержания влаги угля, степени еговодонасыщения, 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 исследуемыхучастков, определение в них содержания воды и свойств при атмосферном давлении иустановление выбросоопасности участковпласта по изменению полученных показателей (3).Недостатком прототипа является низкая достоверность прогноза.Целью изобретения является повышение достоверности прогноза выбросоопасности путем учета резкого изменениясвойств пород, содержащих химически связанную воду при давлениях, близких к критическим,Сопоставительный анализ показывает,что известное техническое решение оценивает склонность углей к динамическому разрушению по изменению содержания воды,а в заявляемом решении вь 1 бросоопаснастьоценивают по совместному изменению состояния и содержания воды и органическойсоставляющей, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию"Новизна". Известные технические решения оценивают опасность участка пласта поизменению частных показателей свойствили содержания органической составляюшей угля и воды, а заявляемое техническоерешение основывает эту оценку на общемсвойстве выбросоопасных углей, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию "Существенные отличия".Обоснования и доказательства существенного отличия заявляемого способа.5 На выбросы угля и вмещающих породвлияют 4 главных фактора; их способность накапливать и высвобождать энергию, геологические характеристики, порядок отработки шахты, физические свойства угля и "0 пород, однако общее физическое свойствовыбросоопасных углей в настоящее время формулировки не имеет.Накопление запаса потенциальнойэнергии в пласте создают гравитационные 15 силы, Оценкадавления, способного вызватьвыброс, проведена в эксперименте с целью проверки гипотезы: различные формы проявления горного давления (горные удары, выбросы и т,п.) являются следствием высо кого давления ВД) и деформации сдвигаЩС), ВД+ ДС. Под воздействием давления до 1,0-1,5 кбэр и последующей деформацией сдвига со скоростью ЗО в секунду происходило локальное взрывное разрушение 25 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 ЗО кбар), в пласте проявляются сдвиговые деформации, При достижении деформациями сдвига критических значений уголь в локальных областях приобретает высокую активность и подвижность своих элементов, З 5 происходит выброс с участием твердофазных и химических реакций.В эксперименте по взрыванию угля воспроизведены условия изменения физических свойств и последующего взрывного 40 разложения твердых тел в процессе деформирования при высоких давлениях, установленные П,Бриджменом.Излучение этих явлений, происходящихпри одноосном сжатии кристаллогидратов 45 под высоким давлением, выявило существование критических давлений, при которьх происходит или обводнение вещества, или механическое взрывание его при наборе или сбросе давления, Критическое давление 50 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 коэффициентаэкструкции.В условиях механического взрыва протекают все типы реакций, свойственные органическим и неорганическим веществам,Характер протекания экзотермических реакций в твердых телах под воздействиемвысоких давлений в сочетании с деформацией сдвига и при механическом взрывеобъясняют существованием явления твердофазной детонации, которое, по-видимому, проявляется в процессахминералообразования, землетрясения ит.д,Таким образом, в существующих представлениях о выбросоопасности угля отсут. ствует общий показатель в видесовокупности физических или химическихсвойств, составляющий качественное отличие, позволяющее отличать опасный уголь,Оценки склонности к выбросу часто основывают на изменении свойств или содержанияприсутствующих в угле воды и органическойсоставляющей, но эти оценки не учитываютсовокупных изменений свойств этих компонентов при критических явлениях, характеризующих выброс. Критические явленияпри взрыве твердь 1 х тел изучены и учитываются в понимании природы выброса, нопредставления о свойствах угля под давлением, приближенному к критическому давлению взрыва, отсутствуют.Теоретические доказательства существования общего свойства выбросоопасныхуглей состоят в следующем:1. Сочетание давления с деформациейсдвига снижает значение критического давления взрыва твердого тела. В отсутствиедеформации сдвига уголь, испытывающийгорное давление 0.9 - 1,5 кбар, не взрывается, очевидно, потому, что его компонентыимеют более высокое, чем 1,5 кбар значениекритического давления.2. Под давлением свыше 1,5 кбар состояние компонентов угля может приближаться к критическому. Критические точкимногофазной системы характеризуютсякритическими параметрами и критическимсоставом, в них происходит распад вещества на фазы. При приближении к критическойточке 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 в составе ассоциатов макромолекулы угля), резкоеизменение свойств угля должно происходить при параметрах давления, близких илиравных критическим в тройных точках водыи модификаций льдов. Критические давле 45 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(С 20 а) 2 Н 20 в состоянии поставки и М 9304) 7 Н 20. предварительно подсушенный (30 мин при 50 С) для исключения обводнения под давлением. Оптимальные условия сушки кристаллогидратов в термостате определяли предварительно: при температуре 75.ф.5 С время сушки составляло 1 ч для соли магния и 2 ч - для соли цинка, Уголь сушили 15 мин при 150+5 С ния в первых трех тройных точках составляют 2045, 3420 и 6175 ат. В областях этих давлений должны. происходить; распад органической составляющей на фазы, увеличе ние содержания воды вследствие частичнойдегидратации кристаллогидратов и деструкции макромолекул угля, самоохлаждение угля вследствие эндотермического хаоактера дегидратации кристаллогидратов.10 Такие изменения должны максимальнопроявляться у выбросоопасных углей и ьмещающих их пород, т,к, эти изменения характеризуют поведение угля под давлением, приближенным к критическому давлению 15 взрыва (выброса).П р и м е р ы. Сжатие материала производят в контейнере высокого давления, заполненном 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 иподвергают 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 оболоч 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 пластапо общему признаку.В 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 40 50 опасности его участа,(аналогично с условиями определения влаги углей по ГОСТ 11014-81), С учетом возможности "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 о, эа результат брали среднее из двух определений, отличающихся не более, чем на 0,3 абс.,ь, Содержание свободной воды определяли по формуле: гп 1В/= - ,п 1где щ 1 - потеря массы и гп - масса образца.Определение количественного содержания органической составляющей углей, подвергнутых сжатию, проведено в ИНФОУ АН УССР,Для определения навеску массой 10 г измельчают, переносят в бумажный патрон и помещают в прибор для зкстракции по Грефе, зкстрагируют кипящим СС 14 в течение 10 ч, переносят экстракт в предварительно взвешенную колбу, в вакууме водоструйного насоса при 85-90 ОС отгоняют растворитель, взвешивают остаток с колбой и определяют выход экстракта,Результаты определения изменения содержания воды в органической составляющей, спланированы на ЭВМ и показаны на графиках фиг.1-6, где ЧЧ - содержание свободной воды или экстракта (вес. Д), Р - давление, атм.На фиг.1 показано изменение под давлением содержания свободной воды в М 9304)пН 20; на фиг.2 - тоже. для Ъ(С 20 а 2 Н 20,Фазовые переходы в кристаллической решетке М 9 ЯОа 7 Н 20 происходят подиными давлениями.На фиг.З кривые относятся к углю пластов: 1 - особо выбросоопасного. пз - "Прасковиевский" до выброса, 2 - особо выбросоопасного, пв - "Прасковиевский" после выброса, 3 - невыбросоопасного участка пласта "Песчанка",На фиг,4 показано изменение под давлением выхода экстракта, кривая 1 - для угля особо выбросоопасного пласта пэ "Праскровиеский", 2 - для выбросоопасного пла 10 15 20 25 ста п 1 о "Ливенский" и 3 - для угля невыбросоопасного пласта Са шахты "Ясиновскаяглубокая",По данным ИНФОУ выход экстракта органической составляющей угля особо выбросоопасного пласта пв "Прасковиевский" (ш-та "Соц,Донбасс" ) иэ проб, отобранных на невыбросоопасном участке, на опасном, (за 2 ч до выброса, происшедшего 14.08.90 г.,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 (13.07,90 г 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.П р и м е р 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 М. 1 - угол особо выбросоопасногопласта "Прасковиевский", М 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 выбросоопасные угли, аналогично. Величины значений показателей свойств выбросоопасных углей, определенные после воздействия упомянутых давлений, принимают за общий показатель опасности пласта и используют для оценки2002062 П р и м е р 2, Оценка опасности участкапласта угля по общему показателю опасности (т.е, по величине значения показателясвойства или содержания компонента выбросоопасного угля, определенному после 5воздействия давления области Р 1 т + 220 и600-800 атм,2.1 По изменению температуры максимумаскорости потери массы угля (Трах) до и послеего сжатия, 10Определение производят на дериватографе ОДМОМ при скорости подъема температуры 2,5 С/мин и конечной температуренагрева 180 С. Для определения взяты на "двух шахтах пробы особо выбросоопасного 15пласта "Прасковиевский", проба из эоны выброса и для сравнения с ними - проба изучастка безопасного пласта "Песчанка",Безопасным значением показателей по определяемому свойству для участков пласта 20 "Прасковиевский" служат значения Тмх, равные 50 и 59 С, общими показателями опасности служат значения Тх, равные 44 и 48 С, соответствующие предвыбросному состоянию угля, Изменение Тмах от 50 до 25 44 С и от 59 до 480 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, 30Определяли по ГОСТ 11014-81 потерю массы углем пласта Ьв "Прасковиевский" (шта "Соц.Донбасс" ). Пробы отбирали из зон опорного давления и зон выбросов (07.06 и 21,06,88 г. 4 эап,откат. штрек) 35 Безопасным значением показателя пласта по определяемому свойству является 1,2000, а общий показатель опаснос 1 и 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 значение 12,96- 14,34 (давление областей 600 - 800 и Ртт бар), Состояние участка может быть оценено как безопасное при значении его 6,74 - 9,54;4.Методы определения частных показателей выбросоопасности, например, спектральные (по изменению концентрации или валентности Ре, Мп, К, Б 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 показателей2002062 Авторское свидетельство СССРМ 609914, кл. Е 21 С 39/00, 1975,Авторское свидетельство СССРМ 368400, кл, Е 21 С 39/00, 1969.5 Формула изобретения1. 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 пасного участка пласта дополнительно определяют в интервале давлений от атмосферного до критического давления в тройных точках воды и модификации льдовРтт . 220 атм содержание воды, и/или ор. 25 Ф 000 2000 ЗООО 4000Фи. 6000 700 Ратнможет способствовать повышению надежности прогноза,(56) Б,М,Иванов и др. Показатель процессамеханодеструкции в угольном пласте, - Химия твердого топлива. 1988, М 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 Ртт - 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.12002062 О ООО актор С.Кулаков Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Заказ 31 кий комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 10 Производственно-из Ю,% 3,00 Составитель Техред М.М