Введение
Глава 1. Анализ современного состояния теории и практики локального экспресс-прогноза метановыделений при разработке угольных пластов 22
1.1. Проблема обеспечения безопасности при освоении газоносных угольных месторождений и необходимость совершенствования методов прогноза динамики газовыделения и выбросоопасности 22
1.2. Современные представления о газоносности угольных пластов и горных пород с угольными включениями и их влиянии на газообильность шахт и рудников 31
1.3. Современные представления о пористой структуре угольных пластов и отбитого угля, видах движения метана в них 34
1.4. Характеристики динамики газовыделения из угля и степени его тектонической препарации 42
1.5. Изменение температуры призабойной зоны пласта и отбитого угля как характеристика динамики десорбции газа, выбросоопасности и теплообмена в горной выработке 48
1.6. Выводы по первой главе 52
1.7. Задачи исследования 56
Глава 2. Оборудование и методики проведения лабораторных и шахтных исследований 57
2.1. Методика подготовки образцов угля для исследования 57
2.2. Оборудование и методики проведения сорбционно-калориметрических экспериментов для изучения кинетики сорбции и десорбции и теплот сорбции и десорбции при атмосферном давлении 60
2.3. Методика определения теплот десорбции при высоком давлении 65
2.4. Методики экспериментальных исследований теплообмена угля с окружающей средой при наличии и отсутствии десорбции метана 67
2.5. Обоснование выбора шахт для исследований, их характеристика и методы выполнения исследований 76
2.5.1. Шахта «Перевальская» ПО «Ворошиловградуголь», Донбасе 76
2.5.2. Методика исследований при разработке пласта К3вБераль 79
2.6. Обработка результатов английских и американских опытов 84
2.6.1. Шахты Южно-Уэльского угольного бассейна, результаты исследования образцов углей с которых обработаны автором по своей методике 85
2.6.2. Шахта «Cynheidre», Южный Уэльс, Великобритания 85
2.6.3. Образцы угля из газоносных угольных пластов США 90
2.7. Выводы по второй главе 94
Глава 3. Применение диффузионного параметра т для повышения эффективности экспресс-оценки в забоях и лабораториях газокинетических свойств угля и горных пород с включениями частиц угля 95
3.1. Диффузионный параметр х - более информативная количественная характеристика газокинетических свойств угля 95
3.2. Методики определения диффузионного параметра х 108
3.2.1. Методика определения диффузионного параметра х по начальной кинетике сорбции или десорбции метана углем 109
3.2.2. Методика определения диффузионного параметра х по константам десорбции Айрея и изучение их взаимосвязи 112
3.3. Исследование влияния нарушенности на величину х и долю метана, десорбированного или сорбированного за время х 118
3.4. Исследование влияния фракционного состава угля на кинетику десорбции метана из него 126
3.5. Исследование влияния петрографического состава угля на кинетику газовыделения из него 130
3.6. Исследование влияния зольности угля на кинетику газовыделения 131
3.7. Исследование изменения величины диффузионного параметра х в вертикальном сечении выбросоопасного угольного пласта 131
3.8. Исследование возможности использования диффузионного параметра х для углей США 137
4 3.9. Применение диффузионного параметра т для описания газовыделения из угля и углесодержащих пород мелких фракций 141
3.10. Исследование возможности использования диффузионного параметра т для описания кинетики десорбции углем разных газов 145
3.11. Взаимосвязь диффузионного параметра т с другими показателями степени геологической нарушенности образцов угля 149
3.12. Использование диффузионного параметра т для определения коэффициента диффузии метана в угле 152
3.13. Изучение сорбционной емкости угля и углесодержащих пород 155
3.13.1. Задачи и методы исследования зависимости сорбционной емкости вмещающих пород от содержания в них частиц угля 155
3.13.2. Изучение зависимости сорбционной емкости вмещающих пород от содержания в них углистых частиц 156
3.13.3. Изучение взаимосвязи изменения зольности и сорбционной емкости в сечении угольного пласта по мощности 161
3.13.4. Проверка возможности использования установленных зависимостей для других угольных пластов Великобритании 162
3.13.5. Изучение зависимости сорбционной метаноемкости и этаноемкости образцов угля различных пластов от глубины разработки 165
3.14. Выводы по третьей главе 167
Глава 4. Исследование теплоты сорбции и десорбции метана углем, его температуры и динамики теплообмена 169 .
4.1. Экспериментальное исследование теплоты сорбции и десорбции метана ископаемыми углями при различных давлениях и температурах 169
4.2. Аналитическое исследование динамики распределения температуры в частицах угля при десорбции из него метана 178
4.3. Аналитическое исследование теплообмена призабойной зоны пласта при десорбции из него метана с вмещающими горными породами 185
4.4. Исследование влияния высоких давлений на теплоту сорбции метана ископаемыми углями и их пористую структуру 192
4.5. Анализ точности экспериментальных термокинетических кривых и возможностей повысить их информативность 197
4.5.1. Анализ точности экспериментальных термокинетических кривых и возможностей ее повышения при изучении угля 198
4.5.2. Сравнение результатов, получаемых замерами температуры при десорбции и на основе микрокалориметрических экспериментов 200
4.5.3. Анализ информативности замеров температуры угля в забое 202
4.6. Лабораторные исследования динамики изменения температуры угля при десорбции метана и теплообмене с окружающей средой 204
4.7. Выводы по четвертой главе 210
Глава 5. Экспериментальные исследования газовыделения и температуры угля в зонах разной нарушенности и их взаимосвязи со свойствами образцов угля 212
5.1. Методика определения тесноты связи между шахтными и лабораторными характеристиками газоносного угольного пласта 212
5.2. Исследование взаимосвязи газовыделения из шпуров и угля и их температуры в подготовительных выработках и очистных забоях 214
5.3. Исследование газовыделения в подготовительных выработках шахт Украины и Великобритании 221
5.3.1. Результаты экспериментальных исследований на шахте «Перевальская», пласт КзВ Бераль 221
5.3.2. Результаты экспериментальных исследований на шахте «Cynheidre», пласты Big Vein и Pumpquart 226
5.4. Изучение газосодержания бурового штыба по длине скважин и метанообильности очистного забоя на шахте «Cynheidre», пласт Big Vein 232
5.5. Использование диффузионного параметра т для оценки изменения сорбционно-кинетических свойств угля в вертикальных сечениях различных угольных пластов Великобритании 238
5.6. Выводы по пятой главе 241
Глава 6. Развитие методов и разработка новых технических решений и устройств для оценки метаноотдачи углей в шахтах на основе газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана 243
6.1. Научные основы развития способов и разработки новых технических решений и устройств для экспресс-оценки в забое метаноотдачи угля на основе измерения его температуры и кинетики десорбции метана 243
6.2. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне 254
6.3. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта 260
6.4. Комплексная оценка выбросоопасности и газоносности призабойной зоны, перспективности участка и скважин для добычи метана 263
6.5. Портативные многофункциональные устройства для отбора и экспресс-исследования в забое газоносных образцов угля и пород 266
6.5.1. Научное обоснование конструкции портативных устройств 266
6.5.2. Конструкции и основные функции разработанных, изготовленных и испытанных портативных многофункциональных устройств 271
6.6. Уточненный метод описания кинетики десорбции метана из угля до установления сорбционного равновесия 273
6.7. Методика экспресс-оценки в забое удельной поверхности и среднего размера микропористых частиц угля с их последующим уточнением 277
6.8. Комплект портативных многофункциональных устройств для быстрого замера температуры и газоотдачи угля в забое, подготовки данных и проб для дальнейшего изучения на поверхности и методика его применения 280
6.9. Выводы по шестой главе 300
Заключение 305
Список использованных источников 309
Приложения
