Реферат: Внезапный выброс угля и газа и явление «круги на полях» вызваны аналогичными механизмами, возникающими в горной породе

ВНЕЗАПНЫЙ ВЫБРОС УГЛЯ И ГАЗА И ЯВЛЕНИЕ « КРУГИ НА ПОЛЯХ » ВЫЗВАНЫ АНАЛОГИЧНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ, ВОЗНИКАЮЩИМИ В ГОРНОЙ ПОРОДЕ.


Наталья Анатольевна Солодовник · Анатолий Борисович Солодовник

(Solodovņika Nataļja · Solodovņiks Anatolijs)

Рига, Латвия, e-mail: nyos@nyos.lv


Резюме.

Механизм, порождающий мгновенный выброс угля и газа в полость забоя из монолита угля, аналогичен механизму, создающему над монолитом горной породы « круги на полях ».

Основное отличие упомянутых механизмов в том, что в механизме внезапного выброса угля и газа макропространство представлено полостью забоя в монолите горной породы (уголь), а в механизме аналога («круги на полях») макропространство представлено атмосферным пространством (земная атмосфера) над поверхностью (поверхность раздела) монолита (земли) горной породы.

Кроме того, микроструктуру монолита угля, в котором возникает мгновенный выброс угля и газа в полость забоя, отличает от монолита горной породы, над которой возникают « круги на полях », частичная упорядоченность распределения в монолите угля полостей заполненных газом микроячеек.

В локальной области монолита угля, при мгновенном изменении в нём напряжения (механического), мгновенно возникают исходные микротрещины и порождённые ими полуоткрытые или открытые микроканалы.

^ Полости полуоткрытых микроканалов и полости исходных микротрещин заполнены газом (метаном) давление которого достигает 40 атм. и более.

При приближении полости забоя к полости исходной микротрещины разрушается угольная перемычка между полостью микротрещины и полостью забоя.

При этом высокоскоростной газовый поток из полостей микроканала и исходной микротрещины устремляется в полость забоя, вырывая из стенок микроканала твёрдые микрочастицы, подхватывая кускообразный и порошкообразный уголь из разрушенной угольной перемычки, и перемещая их в полость забоя.

Полости полуоткрытых микроканалов и полости исходных микротрещин, давление газа в которых достигает 40 атм. и более, являются источником газа, который при выбросе в забой создаёт превышение удельного газовыделения над удельным газосодержанием угольного пласта.

Мгновенный газоперенос (массоперенос) в монолите угля представляет собой высокоскоростной газовый поток из полостей полуоткрытого микроканала или исходной микротрещины в полость забоя, который возникает при образовании микропрохода из полости полуоткрытого микроканала в полость забоя или при разрушении угольной перемычки между забоем и микротрещиной.

Монолиты угля, в которых весьма вероятен выброс угля и газа, отличает от монолитов, в которых выброс маловероятен, существенно меньшая величина порогового значения потенциала Νh* .

Газоистощение монолита угля в ближайшей окрестности поверхности забоя создают полости открытых микроканалов, содержащиеся в монолите угля в указанной окрестности.


1.Введение


Внезапный выброс горной породы (газоносные уголь, песчаник, калийные соли и другие) и газа является наиболее сложным динамическим явлением возникающим при ведении горных работ. Внезапный выброс породы и газа часто вызывает гибель людей и уничтожение горного оборудования.

Горным породам, в которых происходят внезапные выбросы породы и газа, присущи высокая газоносность, высокое давление газа в породе, пренебрежимо малая газопроницаемость, внезапность и кратковременность (1-2 сек.) процесса выброса горной породы и газа (1).

В горных породах, подвергнутых воздействию ручного, буровзрывного или механизированного способов разработки, мгновенно изменяются механические напряжения.

Мгновенное изменение механических напряжений в горной породе сопровождается мгновенным возникновением, раскрытием и закрытием микротрещин и трещин, дроблением породы.

При мгновенном образовании, раскрытии и закрытии микротрещин и трещин и при дроблении горной породы возникают электрические токи, формируются электромагнитные поля, излучаются электромагнитные волны в широком диапазоне частот.

Трещины рассекают горные породы на большие части - монолиты.

Характерные продольные линейные размеры трещины сопоставимы с характерными линейными размерами, по крайней мере, одного из монолитов, имеющего общую поверхность с трещиной.

Монолит горной породы разрушается (дробится) при увеличении (росте) линейных размеров одной или нескольких микротрещин до размеров трещины. При превращении растущей микротрещины в трещину одна или несколько замкнутых линий на поверхности растущей микротрещины совпадают с замкнутыми линиями на внешней поверхности монолита горной породы.


^ 2.Микроструктура газоносной горной породы.


Гетерогенную микроструктуру монолитов газоносных горных пород образуют микрочастицы твёрдой компоненты, микроплёнки капиллярно-разобщённой воды и множество полостей микроячеек, упорядоченно или частично упорядоченно распределённых между микрочастицами твёрдой компоненты и микроплёнками капиллярно-разобщённой воды, а также полости микротрещин.

Полости микроячеек заполнены газом (метаном), давление (Pм) которого может превышать 40 атмосфер

(2).

Характерная величина поперечного сечения полостей микроячеек в монолите горной породы на два (и более) порядка меньше характерной величины поперечного сечения полостей трещин, пронизывающих горную породу.


Изменение напряжений в локальной области монолита газоносной горной породы может порождать мгновенный (микросекунда и менее) разрыв гетерогенной микроструктуры монолита. При мгновенном разрыве гетерогенной микроструктуры монолита в ней мгновенно возникает полость микротрещины.

Условия в полости мгновенно возникающей микротрещины близки к условиям вакуума.

Мгновенное возникновение полости микротрещины, с условиями близкими к вакууму, мгновенно создаёт мгновенный скачок давления газа на противоположных поверхностях участка газонепроницаемой стенки, отделяющего полость образующейся микротрещины от полости соседней микроячейки (3).

Мгновенное возникновение скачка давления на противоположных поверхностях участка газонепроницаемой стенки создает на этом участке стенки ударную волну, которая (при определённых величинах скачка давления и соответствующего ему малого (мгновенного) промежутка времени способна вызвать разрушение стенки на этом участке и создать сквозной микропроход (пробой) в полость соседней микроячейки или микротрещины.

Полость мгновенно образовавшейся микротрещины в дальнейшем заполняется газом, который, в процессе физической и химической десорбции, выделяется в полость из стенок микротрещины, а также газом, который может поступать в полость микротрещины из полостей микроячеек, если они соединены микропроходами с полостью микротрещины.


Микропроход между полостью исходной микротрещины и полостью примыкающей к ней исходной микроячейки мгновенно возникает при условии, что:

мгновенное возникновение полости исходной микротрещины, с условиями близкими к условиям вакуума, мгновенно создало скачок давления газа на противоположных поверхностях участка газонепроницаемой стенки, отделяющего полость образующейся исходной микротрещины от полости заполненной газом исходной микроячейки;

величина мгновенного скачка давления газа и малый промежуток времени (мгновение), в течение которого он возник, достаточны для образования ударной волны способной разрушить участок стенки, разделяющий полости исходной микротрещины и исходной микроячейки.

Газ из полости микроячейки (исходной), которую сквозной микропроход (пробой) мгновенно соединил с полостью исходной микротрещины, мгновенно перемещается в полость исходной микротрещины. При этом давление газа в полости иходной микроячейки мгновенно падает. На противоположных поверхностях участка газонепроницаемой стенки, отделяющей исходную микроячейку от соседней, заполненной газом, микроячейки мгновенно возникает новый скачок давления газа.

Если величины нового скачка давления газа и малого промежутка времени (мгновение), в течение которого он возник, достаточны для образования ударной волны способной разрушить участок стенки между полостями указанных микроячеек, то между полостями этих микроячеек также возникает микропроход (пробой).

Процесс распространения микропроходов (пробой) между соседними микроячейками по описанной схеме прекратится в случае:

если величины мгновенного скачка давления газа и малого промежутка времени (мгновение), в течение которого возник этот скачок, недостаточны для образования ударной волны способной разрушить участок стенки между полостями соседних микроячеек;

если очередной микропроход соединит полость микроячейки с полостью трещины или пространством окружающим поверхность монолита.

Мгновенное возникновение микропроходов (пробой) между микроячейками, вызванное мгновенным возникновением исходной микротрещины, происходит в ограниченном числе микроячеек. Количество (3) микроячеек, полости которых соединены микропроходами с исходной микротрещиной, является функцией количества исходных микроячеек, величины потенциала в исходной микроячейке и порогового значения потенциала в монолите газоносной горной породы. Величина потенциала в исходной микроячейке является функцией величины скачка давления газа и малого промежутка времени, в течение которого возник этот скачок давления на участке стенки между полостями микротрещины и исходной микроячейки. Пороговое значение потенциала является физической характеристикой свойств монолита угля.

При вышеописанном процессе возникновения микропроходов (между исходной микротрещиной и исходной микроячейкой, между исходной микроячейкой и соседней с ней микроячейкой, а также между последующей цепочкой соседних микроячеек) в монолите возникает заполненный газом микроканал или сеть микроканалов, имеющих начало в полости исходной микротрещины (3).

Микроканал или сеть микроканалов в монолите являются закрытыми , если они не соединены микропроходами с трещиной или внешней поверхностью монолита горной породы.

Микроканал или сеть микроканалов в монолите являются полуоткрытыми, если они соединены микропроходом с трещиной или с внешней поверхностью монолита горной породы.


Стенки микроячеек состоят из газонепроницаемых микрочастиц твёрдой компоненты горной породы и микроплёнок капиллярно-разобщённой воды.

Микроячейки, в зависимости от наличия или отсутствия в их стенках микропроходов, подразделяются на открытые и замкнутые.

Полость замкнутой микроячейки изолирована газонепроницаемой стенкой от полостей соседних микроячеек, микротрещин, микроканалов и сетей микроканалов в монолите горной породы.

Полость открытой микроячейки отличается от полости замкнутой микроячейки только тем, что она соединена микропроходами, пронизывающими её газонепроницаемую стенку, с полостями соседних микроячеек или микротрещин или микроканалов или сетей микроканалов в монолите горной породы.

Микротрещины, в зависимости от наличия или отсутствия в их стенках микропроходов, подразделяются на открытые и замкнутые.

Полость замкнутой микротрещины изолирована газонепроницаемой стенкой от полостей соседних микроячеек, микротрещин, микроканалов и сетей микроканалов в монолите горной породы.

Полость открытой микротрещины отличается от полости замкнутой микротрещины только тем, что она соединена микропроходами, пронизывающими её газонепроницаемую стенку, с полостями соседних микроячеек или микротрещин или микроканалов или сетей микроканалов в монолите горной породы, или с пространством вокруг внешней поверхности монолита.


Газ, заполняющий полость замкнутой микроячейки, изолирован газонепроницаемой стенкой от газа, заполняющего полости соседних микроячеек, микротрещин, микроканалов и сетей микроканалов в монолите горной породы.

Газ, заполняющий полости закрытого микроканала или закрытой сети микроканалов в монолите, изолирован газонепроницаемой стенкой от газа, заполняющего полости соседних микроячеек, микроканалов и сетей микроканалов в монолите горной породы, а также изолирован от пространства окружающего внешнюю поверхность монолита.

Газ, заполняющий полости полуоткрытого микроканала или полуоткрытой сети микроканалов в монолите, изолирован газонепроницаемой стенкой от газа, заполняющего полости соседних микроячеек, микротрещин, микроканалов и сетей микроканалов в монолите, и не изолирован от газа, заполняющего пространство вокруг внешней поверхности монолита, с которыми полуоткрытый микроканал или полуоткрытая сеть микроканалов соединены микропроходом.


^ 3.Поровое пространство и газопроницаемость газоносной горной породы.


Сумма объёмов полостей замкнутых микроячеек и микротрещин, а также объёмов полостей закрытых микроканалов и сетей микроканалов, содержащихся в монолите горной породы, образует замкнутое поровое пространство монолита горной породы.

В кратковременном (1-2 сек.) массопереносе газа при выбросах газа и угля, газа и песчаника, газа и соли из монолитов газоносных горных пород (газоносные уголь, песчаник, калийные соли и другие) участвует только газ (метан) (1), который до выброса был частью газа, заполнявшего замкнутое поровое пространство монолита горной породы.

Сумма замкнутых поровых пространств монолитов горной породы образует замкнутое поровое пространство горной породы.

Сумма объёмов полостей полуоткрытых микроканалов и сетей микроканалов, содержащихся в монолите горной породы, образует полуоткрытое поровое пространство монолита горной породы.

Сумма объёмов полостей замкнутого и полуоткрытого поровых пространств монолита горной породы образует поровое пространство монолита горной породы.

Сумма объёмов полуоткрытых поровых пространств монолитов горной породы образует полуоткрытое поровое пространство горной породы.

Сумма объёмов полостей трещин, пронизывающих горную породу, образует открытое поровое пространство трещин в горной породе.

Открытое поровое пространство трещин в горной породе образует открытое поровое пространство горной породы.

Замкнутое, полуоткрытое и открытое поровое пространство горной породы в совокупности образуют поровое пространство горной породы.

Поровое пространство горной породы заполнено газом.

Горная порода газопроницаема в целом, настолько, насколько газопроницаемо открытое поровое пространство горной породы.

Коэффициент газопроницаемости горной породы пропорционален произведению характерных величин площади поперечного сечения полостей трещин и отношения объёма открытого порового пространства горной породы к объёму горной породы.


^ 4.Газоносный уголь и внезапный выброс угля и газа .


Внезапные выбросы, возникающие при подземной добыче угля, получили название «внезапный выброс угля и газа».

При мощных внезапных выбросах часть угля в пласте дробится до частиц порядка микрона и меньше.

Раздробленный порошкообразный уголь, называемый "бешеной мукой", ведет себя подобно жидкости (4).

Несмотря на многолетние интенсивные исследования внезапных выбросов угля и газа, механизм этого явления до сих пор неясен (5).

Появляются заявления о том, что в изучении механизма внезапных выбросов угля и газа «горно-технологический подход, по-видимому, исчерпал себя» (5).

Газоносный пласт угля в земных глубинах, в котором могут происходить внезапные выбросы, представляет собой пористую среду, пустоты (полости) которой заполнены водой и газом (метаном).

Пустотность газоносного угольного пласта может составлять от 0,002 до 0,1 м3/т. (1)

Исходя из пустотности, пористость (φ) угля (отношение объёма всех полостей в горной породе к объёму горной породы) составляет от 0,001 до 0,15 (от 0,1% до 15%.).

Поровое пространство газоносного угольного пласта состоит из заполненных газом (метаном) полостей замкнутых и открытых микроячеек и микротрещин, полостей трещин и микропроходов. Исходя из изображений микроструктуры метанонасыщенного каменного угля, приведённых в работе (4), можно оценить характерные величины размера микроячеек (Df), поперечного сечения (Sf) и объёма полостей (Vf) микроячеек в газоносном угле:

Df = 2,00·10-5 см.;

Sf =3,14·10-10 см2.;

Vf = 4,19·10-15 см3. .

Газонепроницаемые стенки микроячеек в газоносном угле образованы микрочастицами твёрдой компоненты угля и микроплёнками воды. Газообразный метан, заполняющий поровое пространство в пласте газоносного угля, составляет небольшую часть (5-10% вес.) всего метана, содержащегося в пласте угля. В пласте газоносного угля основную часть метана (до 95% вес.)- в состоянии физической адсорбции и в состоянии хемосорбции (химической адсорбции)- содержат микрочастицы твёрдой компоненты угля и микроплёнки воды, образующие стенки микроячеек (1). Удельное газосодержание в газоносном пласте угля (включая газообразный метан, метан в состоянии физической адсорбции и в состоянии хемосорбции) достигает 30-40 м3/т (1).

Коэффициент (Kф) газопроницаемости газоносного пласта угля ничтожно мал 0,0003 - 0,05 мД. (1,6).

Порядки величин коэффициента (Kф) газопроницаемости, открытой пористости (φт)- определяемой отношением открытого порового пространства горной породы к объёму горной породы- и порядок характерной величины суммарной площади поперечного сечения полостей трещин (т) связаны соотношением:


Kф~ (т)·(φт).


Согласно этому соотношению открытая пористость (φт) пласта угля, характеризуемого величинами Kф≤ 5·10-2 мД., (т)>(10·Sf)~3,14·10-9 см2., не превышает 0,032%.

Иными словами, объём открытого порового пространства пласта угля (горной породы), мал по сравнению с объёмом порового пространства пласта угля (горной породы).

Уголь имеет следующие прочностные свойства (1):

0,90...7,6 МПа - на одноосное сжатие;

0,13...1,52 МПа –на сдвиг;

0,05...0,28 МПА-на разрыв.

Непосредственно в процессе выброса газа и угля принимает участие только газ (метан ) (1), заполнявший до выброса поровое пространство пласта угля, в том числе, газ, заполнявший поровое пространство разрушенной при выбросе части пласта угля.

В окрестности горной выработки (за исключением небольшой зоны (до 15 м.) газового выветривания вокруг неё) газ (метан), содержащийся в микроячейках газоносного пласта угля, сохраняет газообразное состояние в течение десятков лет. Удельное газосодержание пласта газоносного угля в окрестностях горной выработки (за исключением упомянутой небольшой зоны газового выветривания) практически не меняется в течение десятков лет.

Границу между газоносной частью пласта угля и зоной газового выветривания принято называть «газовым барьером».

Природа существования газового барьера неизвестна (7).

Внезапные выбросы газа и угля в забой происходят во время разрушения призабойной части газоносного пласта угля ручным, буровзрывным или механизированным способами.

Во время воздействия на призабойную часть газоносного пласта угля ручным, буровзрывным или механизированным способами в пласте газоносного угля возникают мгновенные изменения напряженного состояния, которые порождают частичное или полное разрушение призабойной части угля.

В некоторых газоносных угольных пластах частичное или полное разрушение призабойной части угля ручным, буровзрывным или механизированным способами перерастает во внезапный выброс газа и угля в забой.

После внезапных выбросов газа и угля в призабойной части газоносного пласта угля остаются полости, имеющие грушевидную или кармановидную форму и размеры от нескольких метров до десятков метров (8).

Удельное газовыделение (400-500 м3/т) из угля, разрушенного при внезапных выбросах газа и угля, значительно превышает удельное газосодержание (40 м3/т) пласта газоносного угля (1, 9, 10 ).

Высказываются предположения о том, что такое превышение вызвано геологическими, геохимическими, геофизическими процессами, фильтрацией метана из земных  глубин, а также, такими особенностями физико-химических процессов при внезапных выбросах газа и угля, как :

мгновенный метаморфизм;

автокатализ;

цепные химические реакции;

разложение газовых гидратов;

и др. (5).

Наряду с подобными предположениями, появляются утверждения о том, что, опираясь только на традиционные представления о механизме газодинамических выбросов угля и газа, невозможно дать ответ на вопрос об источнике большей части выделяющегося газа (метана) и о причинах предполагаемой интенсивной десорбции в период (1-2 сек.) зарождения и развития выброса. (11).

^ 5. Традиционные представления о механизме внезапного выброса угля и газа .


Традиционные представления о механизме внезапного выброса угля и газа могут быть сведены к двум сценариям (12):

Сценарий «кармана» предполагает, что однородность пласта прочного газоносного угля нарушает локальный объём непрочного, наполненного многочисленными микротрещинами, газоносного угля.

Полости микротрещин в локальном объёме угля заполнены газом.

Множество полостей микротрещин, заполняющих локальный объём непрочного газоносного угля, образует в пласте прочного газоносного угля заполненный газом карман (резервуар).

В угольном пласте карман (резервуар) окружён обширной оболочкой прочного газоносного угля.

Перемычка из прочного газоносного угля отделяет забой от заполненного газом кармана (резервуара).

При приближении забоя к заполненному газом карману (резервуару) толщина перемычки из прочного газоносного угля между забоем и карманом (резервуаром) уменьшается вплоть до толщины, при которой разность давлений газа в кармане и воздуха в забое создаёт в перемычке напряжение достаточное для её разрушения.

При внезапном разрушении перемычки возникают потоки газа и разрушенного угля в забой, т.е. происходит внезапный выброс газа и разрушенного угля из кармана (резервуара) и разрушенной перемычки в забой.


Сценарий «динамического процесса» предполагает, что продвижение забоя при ведении горных работ в газоносном угольном пласте изменяет распределение и величины напряжений в пласте угля перед забоем. Изменение напряжений создаёт в части газоносного угольного пласта перед движущимся забоем микротрещины, параллельные забою.

Возникновение и раскрытие микротрещин сопровождается десорбционными явлениями, в результате которых из твёрдых стенок микротрещин выделяется газообразный метан, заполняющий газом полости микротрещин.

Если давление газа в полостях микротрещин перед забоем превысит величину давления достаточную для разрушения угля, то произойдёт внезапный отрыв пластины газоносного угля от пласта, разрушение пластины, перемещение газа и разрушенного угля в забой.

Раскрытие микротрещин и отрыв пластины газоносного угля изменяют распределение и величины напряжений в уцелевшей части газоносного пласта угля перед забоем и могут способствовать созданию перед забоем новых микротрещин параллельных забою.

Возникновение и раскрытие новых микротрещин может вызвать отрыв и разрушение новых пластин газоносного угля, перемещение газа и разрушенного угля в забой, и т.д.

Лавинообразное развитие описанного процесса способно создать потоки газа и разрушенного газоносного угля в забой, и, тем самым, вызвать внезапный выброс газа и угля в забой.


Традиционные представления о механизме внезапного выброса угля и газа оставляют без ответа вопрос об источниках газа и механизме массообмена, которые , несмотря на кратковременность процесса выброса и ничтожную газопроницаемость газоносного угольного пласта, создают превышение удельного газовыделения (при выбросе газа и угля) над удельным газосодержанием угольного пласта.

Кроме того, традиционные представления о механизме внезапного выброса угля и газа оставляют без убедительного обоснования вопрос о характеристиках, отличающих пласты угля, в которых вероятен выброс угля и газа от пластов в которых выброс маловероятен.

Необходимо обоснование механизма возникновения и существования вблизи горной выработки зоны газоистощения и газового барьера.

Неясен механизм образования «бешенной муки».


^ 6. Подобие и отличие механизмов возникновения «кругов на полях»,

и внезапного выброса угля и газа .

Описание механизма физического процесса, в котором использованы исходные характеристики подобные исходным характеристикам внезапного выброса угля и газа, может быть применено для обоснования механизма внезапного выброса угля и газа.

Исходными характеристиками внезапного выброса угля и газа являются:

макропространство (объём полости забоя), заполненное воздухом, давление которого сопоставимо с атмосферным давлением на поверхности земли;

монолит горной породы, состоящий из твёрдой компоненты и полостей микроячеек, распределённых в твёрдой компоненте;

поверхность раздела между монолитом горной породы и макропространством;

полости микротрещин, мгновенно возникающие в монолите горной породы;

потоки газа, мгновенно возникающие между полостью микротрещины в монолите горной породы и макропространством;

полости микроячеек, заполненные газом (воздухом, метаном и др.) и микроплёнками капиллярно-разобщённой воды и изолированные одна от другой стенками из твёрдой компоненты монолита горной породы и микроплёнками капиллярно-разобщённой воды;

кратковременность массопереноса в монолите горной породы;

мгновенное возникновение изменений на поверхности раздела и в макропространстве;

характерные размеры изменений на поверхности раздела и в макропространстве.


Существует мнение (9) о том, что «Наиболее близким аналогом выброса угля и газа, ..., является вулканизм.».

Согласно определению (13) -«... Вулканизм, совокупность процессов и явлений, связанных с перемещением магмы (вместе с газом и паром) в верхней мантии и земной коре, изменением её в виде лавы или выбросом на поверхность при вулканических извержениях .».

Среди исходных характеристик внезапного выброса угля и газа отсутствует основная характеристика вулканизма - перемещающаяся магма.

Существует аналог, описание механизма которого включает исходные характеристики подобные всем вышеперечисленным исходным характеристикам внезапного выброса угля и газа.

Таким аналогом механизма внезапного выброса угля и газа, является, описанный в работе (3), механизм физического явления, получившего в России название «круги на полях» (14).

В Англии это физическое явление получило название «crop circles», во Франции - «les agroglyphes», в Германии - «kornkreise».

Основное отличие механизма аналога («круги на полях») от механизма внезапного выброса угля и газа в том, что в механизме внезапного выброса угля и газа макропространство представлено полостью забоя в монолите горной породы (уголь), а в механизме аналога («круги на полях») макропространство представлено атмосферным пространством (земная атмосфера) над поверхностью (поверхность раздела) монолита (земли) горной породы.


^ 7. Источники газа и механизм массобмена при внезапном выбросе угля и газа .


Принимая во внимание упомянутый аналог и всё вышесказанное, можно определить источник газа и механизм массообмена внезапного выброса угля и газа.

Источником газа и механизмом массообмена, которые создают превышение удельного газовыделения при выбросе газа (метана) и угля над удельным газосодержанием угольного пласта, а также образуют механизм возникновения и существования вблизи горной выработки зоны газоистощения и газового барьера, соответственно, являются:

объём газа, заполняющий закрытый микроканал (закрытую сеть микроканалов) в монолите угля, который, при возникновении микропрохода из микроканала в забой (или при разрушении перемычки из газоносного угля между забоем и микротрещиной), мгновенно превращается в полуоткрытый микроканал (полуоткрытую сеть микроканалов);

механизм мгновенного газопереноса (массопереноса) из полости мгновенно возникшего полуоткрытого микроканала в объём, разрушающейся, в том числе, при внезапном выбросе угля и газа, части монолита угля.

Если объём полости закрытого микроканала, мгновенно соединённого микропроходом с полостями в разрушающейся части монолита угля, существенно превышает объём заполненных газом полостей в разрушающейся части монолита угля, то в объём разрушающейся части монолита угля из полости этого микроканала мгновенно устремляется поток газа, суммарный объём которого (в условиях забоя) на порядок превышает объём (в условиях забоя) газа, выделившегося из полостей разрушающейся части монолита угля.

Мгновенный высокоскоростной поток газа, устремляющийся из мгновенно возникшего полуоткрытого микроканала в полость забоя, вырывает и уносит твёрдые микрочастицы из стенок микроканала, проносится сквозь объём разрушающейся части монолита угля, подхватывая и перенося в полость забоя куски и частицы разрушающейся части монолита угля. В результате возникает мгновенный выброс газа и угля в забой.

В целом, при мгновенном выбросе, количество газа (газообразного метана), мгновенно поступившего в полость забоя, из мгновенно образовавшегося полуоткрытого микроканала, может существенно превысить количество газа (метана), который в газообразном состоянии и в состоянии физической адсорбции и хемосорбции содержался в объёме перемещённой в полость забоя разрушенной части монолита угля.

Поэтому, при таком мгновенном выбросе угля и газа величина удельного газовыделения на порядок превысит удельное газосодержание.

В дальнейшем, после мгновенного выброса, в разрушенную часть монолита угля будет поступать газ (газообразный метан), образующийся из метана, содержащегося в состоянии физической адсорбции и в состоянии хемосорбции в стенках упомянутого полуоткрытогомикроканала.

Поступление из полуоткрытого микроканала в разрушенную часть монолита угля газа, который образуется из метана, содержащегося в состоянии хемосорбции в стенках упомянутого полуоткрытого микроканала, будет достаточно длительным процессом.

Если разрушение части монолита угля при продвижении забоя не сопровождается образованием микропрохода между забоем и закрытым микроканалом, расположенным в неразрушенной части монолита угля, то при последующем (после упомянутого разрушения) возникновении такого микропрохода газ, заполнявший полость этого микроканала, через микропроход устремится в забой. При этом поток газа перемещает в полость забоя только твёрдые микрочастицы вырванные потоком из стенок микроканала и не перемещает сколь - либо существенное количество разрушенного угля.


^ 8. Система уравнений, описывающая размер и конфигурацию закрытого и полуоткрытого микроканалов в монолите угля .


Механика образования микроканалов и сетей микроканалов (каналов), мгновенный массоперенос газа в полостях микроканалов и сетей микроканалов в горной породе (мел) описаны в работе (3).

В указанной работе (3) сформулирована система уравнений, описывающих одномерные траектории пробоя, распространение которого в микроструктуре с упорядоченнным распределением полостей микроячеек создает микроканал (канал) в монолите горной породы.

Частично упорядоченное распределение в микроструктуре монолита угля множества полостей микроячеек отличает монолит угля от, рассматриваемой в работе (3), горной породы с упорядоченным распределением множества полостей микроячеек.

Частичная упорядоченность распределения в микроструктуре угля множества микроячеек порождает случайные процессы, которые могут быть учтены в упомянутой системе уравнений путём придания случайных свойств величинам φi и βi. Эти величины характеризуют i – ую особую узловую точку траектории пробоя в монолите угля между прямолинейными отрезками RniиRn(i+1).

Систему уравнений, описывающую одномерную траекторию в микроструктуре с частично упорядоченным распределением полостей микроячеек, отличают от аналогичной системы уравнений, применимой в случае микроструктуры с упорядоченным распределением полостей, случайные величины (1-2•RANDφ(i))•φ00(i) и (1-2•RANDβ(i))•β00(i).

Принимая во внимание сказанное, можно систему уравнений, описывающих траектории пробоя, создающего микроканал (канал) в монолите угля, записать в виде:


ns= Int[(1-1/ζ)s•(Νzm/ζ)], где ζ>1, z ≤ s , s = 0,1,2,3, …, Νzm≤Ν01;

Rns= (Df) • [(ns/φf)1/3];

x(s+1) = xs+ (-1)s•Rns•cos(φ0+φ1+φ2+…+φs)•cos(βs);

y(s+1) = ys+ (-1)s•Rns•sin(φ0+φ1+φ2+…+φs)•cos(βs);

s

z(s+1)=zs+ Rni • sin (βi);

i=0

i

ni=3ns;

s=0

Νh*≤(Νzm- ni)<2•Νh*;

где

(x(s+1))2+(y(s+1))2≥(r0)2 при z(s+1) ≤ (-h0) ;

(x(s+1))2+(y(s+1))2≥(ρ0)2 при (-z0)≤z(s+1)≤(z0) ;

φi= φ00(i)• χφi , (i=1,2,3, … , s) ;

Int[(1-1/ζ)s•(Νzm/ζ)] – означает округление числа [(1-1/ζ)s•(Νzm/ζ)] с недостатком до ближайшего целого числа;

RAND(i) – i-я, равномерно распределённая в итервале [0,1], случайная величина;

βi= β00(i)• χβi , (i=1,2,3, … , s);


 1, в случае упорядоченного распределения множества полостей микроячеек в

 монолите горной породы;

χφi =

 (1-2•RANDφ(i)) , (i=1,2,3, … , s), в случае частично упорядоченного

 распределения множества полостей микроячеек

 в монолите горной породы (уголь).

 ^ 1, в случае упорядоченного распределения множества полостей микроячеек в

 монолите горной породы;

χβi =

 (1-2•RANDβ(i)) , (i=1,2,3, … , s), в случае частично упорядоченного

 распределения множества полостей микроячеек

 в монолите горной породы (уголь).

φf=φ-φт – пористость монолита угля (отношение объёма порового пространства монолита угля к объёму всего монолита угля);

Df – средний размер микроячеек в монолите угля;

RANDβ(i) – i-я, равномерно распределённая в итервале [0,1], случайная величина;

Νzm–потенциал (натуральное число или нуль) i-ой узловой точки траектории пробоя, z-номер цикла, при котором пробой распространяется на i-ую микроячейку, центр которой совпадает с i-ой узловой точкой, m- номер i-ой микроячейки в z- ом цикле (для одномерной траектории z=0);

Νh*- пороговое значение (натуральное число или нуль) потенциала, такое, что при величине потенциала (Νzm) меньшей, чем указанное пороговое значение, распространение пробоя из микроячейки, характеризуемой потенциалом (Νzm), невозможно и микропроход из указанной микроячейки в соседнюю микроячейку не возникает;

x0 , y0, z0– декартовы ортогональные координаты начальной особой узловой точки, рассматриваемого одномерного участка траектории пробоя, в монолите угля;

x(s+1) , y(s+1) , z(s+1) – декартовы ортогональные координаты (s+1) – ой особой узловой точки траектории пробоя в монолите угля;

r0–радиусзабоя;

(-h0)– координата передней поверхности (границы)забоя по оси z;

ρ0 –радиусмикротрещины;

(z0), (-z0)– наибольшая и наименьшая координаты поверхности (границы) микротрещины на оси z.

Система уравнений позволяет определить неизвестные функции x(s+1) , y(s+1) , z(s+1).

В системе уравнений независимыми параметрами являются:

ζ , Νzm , Df, φf, x0 , y0, z0, φ0,φ00(i) , β0, β00(i), r0 , h0, ρ0 , Νh*.

Решение указанной системы уравнений позволяет определить размер и конфигурацию траекторий пробоя в монолите угля, описывающих свойства закрытого и полуоткрытого микроканалов, и тем самым оценить величину объёма газа в полостях микроканалов , который способен создать:

превышение удельного газовыделения при выбросе газа (метана) и угля над удельным газосодержанием угольного пласта;

зоны газоистощения и газовый барьер вблизи горной выработки.

Параметры r0 , h0 характеризуют расположение и размеры забоя в угольном пласте.

Параметры x0 , y0 , z0являются координатами точки (исходной микроячейки) на по