Применение десорбометрии при контроле эффективности защитного действия

Для разработки нового способа контроля эффективности был использован прибор ДШ-1 и метод десорбометрии МакНИИ [2]. Экспериментальные исследования сорбционных показателей угольных пластов выполнялись в следующей последовательности. В каждом из забоев производилось бурение шпуров в направлении подвигания забоя выработки диаметром 42-43 мм на глубину 3-5 м. Определение показателей десорбции производилось по динамике выделения газа из буровой мелочи, получаемой в процессе бурения стандартным угольным резцом РУ без разделения пробы на фракции по её размерам. Пробу угля отбирали в конце каждого метра бурения и помещали в штыбоприемник емкостью 33 см³ десорбометра ДШ-1 и герметизировали крышкой. Отсчет по шкале микроманометра с пределами измерений от 2 до 300 мм рт. ст. производился через 10 с, продолжительность измерения давления на каждом из интервалов составляла 40 с. Десорбционный показатель рассчитывался как разность между конечным и начальным измерениями давления.

В первую очередь был проведен анализ влияния конструктивных параметров прибора и методики проведения измерений на ошибку характеристики интенсивности десорбции с точки зрения системы идеального газа в герметичном свободном объеме десорбометра. Следует отметить, что анализ влияющих факторов, выполненный на данном техническом уровне прибора ДШ-1, без учета ряда термодинамических параметров десорбции является неполным, но, основываясь на полученных результатах, можно выдвинуть следующие требования к прибору:

– обеспечение герметичности десорбометра во время измерения;

– относительная ошибка измерения давления не должна превышать более 10 % во всем диапазоне;

– свободный объем десорбометра должен быть не менее 6,5×10-6 м³ (6,5 см³) при среднеквадратическом отклонении величины объема пробы mV = 0,2×10-6 м³ (0,2 см³) или V = 0,5×10-4 м³ (50 см³) при mV = 0,5×10-6 м³ (0,5 см³) во всех сериях экспериментов;

– конструкция прибора должна минимизировать теплообмен пробы угля с окружающей средой.

На шахте им. А.Ф. Засядько были проведены измерения интенсивности десорбции (рис. 1) в 4-й западной лаве пл. l₄ (в защищенной зоне) и в монтажном ходке лавы (в незащищенной зоне). Горно-геологиче­ские характеристики объекта исследований приведены в табл. 1. Результаты измерений представлены на рис. 2 (с учетом контроля герметичности десорбометра).

Даты бурения шпуров для отбора проб:

1 – 22.06.07; 2 – 26.06.07; 3 – 03.07.07;
4 – 12.07.07; 5 – 18.07.07

– зона повышенного горного давления от краевой части 8-й западной лавы на защитном пласте l₁, незащищенная зона

Рисунок 1 – Выкопировка с плана горных работ

При этом средние коэффициенты корреляции для групп экспериментальных измерений в различных геомеханических зонах составляли не менее 0,97.

Следовательно отсутствие герметичности приводит к резким падениям давления, несоответствующим зависимости (1). Поэтому коэффициент корреляции может служить оценкой надежности результатов измерений с использованием критического значения, определяемого по уровню значимости с учетом точности и объема измерений. Разработанный метод контроля герметичности прибора во время измерения был внесен в руководство по эксплуатации разрабатываемого десорбометра нового поколения ДЭШи УХЛ5 конструкции МакНИИ.

В соответствии с [2] защитное действие опережающей разработки следует считать эффективными, если

где Р_i – единичные определения прогностического параметра для проб, которые отобраны на незащищенных участках пласта;

По результатам обработки данных (таблица 2) видно, что при любом значении k выполняется условие (2), т.е. критерий и методика в целом могут быть применимы в данных условиях.

Одним из недостатков рассмотренной методики является отсутствие вероятностной оценки надежности критерия в условии (2). Выходом из этого может быть проведение контроля эффективности за счет сравнения интенсивности десорбции на участках зон:

– с эффективной надработкой (подработкой), где была проведена оценка эффективности надежным методом, например, по показателю степени метаморфизма, учитывающего газоносность [3, п. 2.1.3; С. 19];

– с оцениваемой эффективностью.
Таблица 2 – Результаты обработки измерений интенсивности десорбции (∆Р) на шахте им. А.Ф. Засядько, пласт l₄

В качестве характеристики интенсивности десорбции газа из буровой мелочи можно использовать показатель степени β в аппроксимирующей функции (1). Характеристика интенсивности десорбции β остается постоянной в течение 15 – 20 минут, следовательно менее зависит от времени отбора и герметизации пробы.

Буровую мелочь отбирают с помощью мензурки с фиксированным объемом, помещают в прибор и берут не менее четырех отсчетов давления через 10, 20, 30, 40 с после герметизации пробы. Время заменяется условными значениями t_i/10 c, т.е. на 1, 2, 3, 4. Полученные данные аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида (1).

Значения интенсивности десорбции группируются в две выборки из участков зон контролируемой и эффективной надработки (подработки). Сравнение средних параметров интенсивности десорбции в зонах эффективной и контролируемой эффективности проводится с использованием статистик Стьюдента и Фишера-Снедекора. Надработка или подработка считается эффективной, если обе статистики не показали существенного различия интенсивности десорбции в различных зонах. В противном случае влияние подработки или надработки считается неэффективным.

Например, полученные данные разделены на две выборки для соответствующих геомеханических зон (рисунок 2). В результате статистической обработки данных были получены наблюдаемые значения критериев (табл. 3). Критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости α = 0,05 составляет t_кр(17; 0,05) = 2,11 [4], Фишера-Снедекора при α = 0,05 равняется F_кр(14; 3; 0,05) = 8,71 ([4]). Таким образом, t_набл = 5,4 > t_кр , F_набл = 17 > F_кр , что свидетельствует о значимом отличии параметров интенсивности десорбции газа в разных зонах и отсутствии защиты на участке проведения экспериментальных работ в монтажном ходке 4-й западной лавы (таблица 3).

Применение способа оценки эффективности, основанного, например, на контроле газоносности участков угольного пласта в различных геомеханических зонах, наряду с текущим десорбометрическим контролем эффективности даст возможность сочетать простоту, оперативность с надежностью установленных критических значений при статистической обоснованности методов и возможностью вероятностной оценки надежности принимаемого решения.