Создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния, разработка методов их предотвращения и оценки эффективности при подземной разработке угольных месторождений

Объекты исследования – угольный пласт, образцы угля, процессы и способы их дегазации, методы контроля физического состояния; геомеханическое состояние пласта и методы прогноза выбросоопасности. Цель работы – создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния с разработкой методов их предотвращения и оценкой эффективности при подземной разработке угольных месторождений для обеспечения безопасности ведения горных работ. Задачи этапа 2021 года: - обосновать и разработать экспериментально-аналитический метод определения устойчивости пластовых дегазационных скважин методом акустического зондирования; - разработать методику определения критерия выбросоопасности угольного пласта для спектрально-акустического метода с использованием результатов инструментального метода текущего прогноза по начальной скорости газовыделения и выхода буровой мелочи. Разработать модель геомеханического состояния углепородного массива при прохождении пластовой выработки ослабленной «слабой пачкой»; - исследовать газодинамические свойства углей по термобарическим, сорбционным и газокинетическим характеристикам при газовыделении из природного и искусственно насыщенного газом угля. Методы исследования: эхолокационное зондирование дегазационных скважин, численное моделирование эхолокационного мониторинга в процессе ведения очистных работ; метод конечных элементов; анализ и обобщение влияния учета основных факторов выбросоопасности на достоверность текущего прогноза существующими геомеханическими и геофизическими методами; экспериментальные исследования параметров, определяющих основные факторы выбросоопасности; аналитическое обоснование метода экспериментального определения критерия выбросоопасности; метод граничных элементов, метод характеристик; инновационный горно-экспериментальный метод по отбору пластовых проб; технический, петрографический, гранулометрический, адсорбционно-структурный анализ углей. Краткая характеристика основных результатов 2021 г. Научно обоснован подход к определению устойчивости пластовых дегазационных скважин на основе разработки и исследования численных геомеханических моделей, построенных с использованием данных периодического эхолокационного мониторинга в процессе ведения очистных работ. Предложенный экспериментально-аналитический метод может быть использован при разработке и обосновании систем дегазации угольных шахт. Представлена численная схема для изучения контактного взаимодействия расширяющихся под действием внутреннего давления пакерных уплотнителей со стенками скважины c учетом их трения, а также напряженно-деформированного состояния горной породы в окрестности скважины. Результаты используются при выборе параметров и технических средств шахтного гидроразрыва для проведения работ по интенсификации процесса дегазации из подземных горных выработок через дегазационные необсаженные скважины. Предложен новый вариант разрывного клапана, обеспечивающий устойчивое возникновение поперечных относительно оси скважины трещин. Выполнена оценка влияния на достоверность прогноза неучета отдельных факторов выбросоопасности, разработана методика определения критерия выбросоопасности, выполнен анализ амплитудно-частотных характеристик акустических помех, генерируемых работающим оборудованием, не являющимся источником акустического излучения, зондирующего массив. Построены эпюры вертикальных напряжений вдоль кровли пласта и определены параметры опорного давления в окрестности очистной выработки. Проведены сравнительные оценки результатов, полученных в рамках разработанной модели с результатами ранее разработанных и существующих моделей. Впервые разработанная модель геомеханического состояния массива горных пород, вмещающего угольный пласт с непрочным прослойком и пройденную по нему очистную выработку со слоем обрушенных пород позади неё, обеспечивает качественное проведение всесторонних исследований и получение достоверной информации о напряжённом состоянии. Показано, что наличие в угольном пласте непрочного прослойка пород влияет на увеличение максимума опорного давления и уменьшение протяжённости предельно напряжённой зоны по сравнению с состоянием структурно однородного пласта около пластовой выработки. Экспериментально по пробам природного угля установлено количественное превышение природной газоносности пласта над лабораторной метаноноёмкостью. Подтверждено, что выбросоопасные пласты обладают высокой изменчивостью физико-механических свойств и минимальными прочностными характеристиками, что позволяет получить новые знания о природе угля, как сложной системы «уголь-метан», обладающей большим разнообразием газокинетических характеристик. Полученные результаты рекомендуется применять при планировании рационального развития горных работ на угольных шахтах и обеспечении нормальной шахтной атмосферы. Полученные результаты относятся к перечню критических технологий РФ в части «Технологии поиска, разведки, разработки месторождений полезных ископаемых и их добычи». Выполненные экспериментальные и теоретические исследования по созданию многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния, разработке методов их предотвращения и оценке эффективности, применимы в областях обеспечения безопасности горных работ при подземной разработке угольных месторождений.