CC BY
16
УДК 622.121.54
Г.Я. Полевщиков (доктор технических наук, заведующий лабораторией Института угля СО РАН)
М.С. Плаксин (младший научный сотрудник Института угля СО РАН)
Газогеомеханические процессы при проведении подготовительных выработок
Предложена зависимость для оценки структуры газоносности углеметанового пласта в зонах техногенного снижения напряжений, учитывающая три формы существования метана: растворенный в угле (абсорбированный), адсорбированный поверхностью микроструктурных элементов угля, свободный в объеме пор.
Приведены результаты анализа натурных наблюдений, объясняющие на основе полученных зависимостей периодичность динамических газопроявлений при проведении выработок по верхнему слою мощных пластов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 10-05-90001-Бел_а,и № 10-05-98009-р-сибирь_а.
Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ГАЗОНОСНОСТЬ, ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ МЕТАНА, СТРУКТУРА, ГЕОМЕХАНИКА, ПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ ВЫРАБОТКА, МОЩНЫЙ ПЛАСТ, ДЕСТРУКЦИЯ УГЛЯ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ
Процессы выделения газа в горные выработки и разработка соответствующих методов прогноза относятся к одним из основных в проблеме рудничной газодинамики. Сложность обусловлена неразрывностью связи техногенных изменений газокинетических характеристик пласта с геоме-ханическими процессами. Но в этой неразрывности есть и положительное качество - возможность оценки параметров геомеханических процессов по динамике выделения метана при ведении горных работ с целью уточнения параметров динамических газопроявлений. С этой позиции угольный пласт можно рассматривать в качестве индикатора, стремящегося снизить свой газовый потенциал соответственно разгрузке от горного давления. А непрерывно действующая система газового мониторинга шахты обеспечивает контроль интенсивности газоистощения по метанообильности горных работ.
Научным базисом изложенного подхода являются два научных открытия российских ученых:
- в 90-х годах прошлого столетия получены новые знания о свойствах углеметанового пласта, способного значительную часть метана под действием напряжений содержать в составе твердого углегазового раствора (ТУГР) [1, 2];
- в 1978 г. установлены деформационно-волновые процессы в окрестности горных выработок [3, 4].
Этими открытиями обеспечена уникальная возможность применения особенностей новых знаний о газогеомеханических процессах в период динамичного перехода промышленности на новые технологии и режимы разработки угольных месторождений.
Прежде всего, определим вытекающую из [1, 2] зависимость структуры газоносности пласта по формам существования метана от действующих напряжений. Связующим звеном является суть научного открытия - при снижении общих (литологическое давление и давление газа) напряжений необратимо снижается доля газоносности пласта, представленная метаном ТУГР. При этом увеличивают свое присутствие две другие формы существования метана - адсорбированный и свободный газ. Авторы открытия приводят примерные соотношения структуры газоносности по формам существования метана, но не дают необходимого для решения газокинетических задач уравнения газового баланса. Для его получения можно использовать результаты работы [5], в которой установлена зависимость предельной (глубины много большие глубин реальной угледобычи) газоносности углеметановых пластов Кузбасса от выхода летучих веществ. На этих глубинах под влиянием высокой температуры массива адсорбционная способность угля минимальна. Значительное повышение литологического давления снижает пустотность пласта, минимизирует и содержание свободного газа, на количество которого, приведенное к нормальным условиям, также влияет и рост температуры. Однако, по данным геологоразведки, газоносность пласта неуклонно возрастает, что можно объяснить только ростом газовой компоненты ТУГР.
Отсюда следует, что при снижении напряжений в пласте распад ТУГР формирует повышение сорбционного потенциала угля пропорционально снижению доли растворенного метана, т.е. полностью разгруженная и отвакуумированная проба угля (лабораторные условия) имеет полный сорбционный потенциал, а при газоносности пласта, близкой предельному газосодержанию ТУГР, он снижается до нуля. Тогда, зная из геологоразведочных данных природную газоносность пласта и принимая давление газа вне зоны влияния горных работ равным гидростатическому, можем определить содержание адсорбированного и свободного метана с поправкой на снижение сорбционного потенциала угля под влиянием составляющих ТУГР.
Для этого на основании закона сохранения массы газа получены следующие полуэмпириче-ские зависимости.
Структура газоносности пласта:
Хпл =ха + Хр +хСб м/т. (1)
Напряжения в пласте за зоной влияния горных работ:
аоб,0 =а0 + Р0 МПа. (2)
Напряжения в пласте в зоне влияния горных работ:
(ак + Рат ) ^ аоб,1 ^ а0 МПа. (3)
Действующее давление газа в замкнутом объеме пласта при снижении механических напряжений:
р =аоб,0 - Кза0 МПа. (4)
Содержание свободного газа:
Г0 ■Рі -(273 +15) 3 г = ^' м3/т. (5)
ее 0,ь (273 + I„л )
Содержание растворенного метана в угле:
Апл (х„л - Хее X1 + Ьпл • Рі ) - а„л • Ьпл • Рі (Апл - Хав ) 3
Х =---------------------------------------і-—----і------------ м3/т. (6)
р А„ (1+Рі)- «ть„,-Р,
Содержание адсорбированного метана:
Ха = ат ЪшРг м3/т; (7)
(1 + ьпл р)
Ът = С2 •3,9 V_°'3 • ехр(0,02 • (15 -1 |- ^ - ехр["- С2 • Реп • НТ| 1/МПа; (8)
'2 ’ ^’ V т>> у \ 2 нер
апл = Ст (-0,0012- V3 + 0,091- V2 - 2,25- V + 35,7) м3/т, (9)
3
где хпл - природная газоносность пласта, м /т;
Ха - сорбционная метаноемкость угля, м3/т;
3
Хр - содержание метана в составе твердого раствора, м /т;
Хсв - содержание свободного метана, м3/т;
оо60 - напряжения в пласте вне зоны влияния горных работ, МПа;
Р0 - давление свободного газа в микропорах вне зоны влияния горных работ, МПа;
о0 - литологическое давление, МПа; о, - напряжения в рассматриваемой зоне пласта, МПа; ок - несущая способность кромки пласта, МПа;
Р - давление газа в пласте в зоне влияния подготовительной выработки, МПа;
Рат - атмосферное давление у кромки пласта, МПа;
А - предельная газоносность пласта, м3/т;
1т - температура пласта, °С;
апл - предельная сорбционная метаноемкость угля, м3/т;
Ъпл. - коэффициент сорбции, 1/МПа;
V - выход летучих веществ, %.
Приемлемость линейности связи газоносность-напряжения в определенном диапазоне глубин подтверждает график на рисунке 1, где показано изменение газоносности пласта 3 Чертинско-го месторождений Кузбасса с ростом глубины его залегания относительно ее максимальной величины в 500 м при соответствующей максимальной газоносности 24 м3/т. На рисунке 2 приведены расчетные значения структуры газоносности пласта для этих же условий.
Рисунок 1 - Относительное изменение газоносности пласта 3 с ростом глубины его залегания
х/х 70 %
60 60 х—
50 ■
40 40
30 |
20 20 ф — — - __ _
10 ч
0
0,0 0,2 0,4 0,6 Н/Н500 1,0
ТУГР — - - сорб------------своб
Рисунок 2 - Изменение структуры газоносности пласта 3 с ростом глубины его залегания
Из выражений (1) - (3) следует, что при любом снижении вертикальных напряжений (аг ^ ак) в изолированном от внешней среды объеме геоматериала выделяющийся из распадающегося ТУГР метан не может создать давление, большее ао -ок, т.к. процесс распада остановится в связи с ростом давления газа на величину, соответствующую снижению вертикальных напряжений. Эта особенность необратимого распада ТУГР и обеспечивает количественную оценку газокинетических следствий изменений горного давления в зоне влияния горных работ, а, соответственно, и расчет показателей основных элементов газокинетического процесса, определяющих газодинамическую активность приконтурной части пласта и поступление газа в выработки.
Полученные результаты (рисунок 2) объясняют и причины низкой эффективности дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов. Без разгрузки можно ориентироваться на извлечение только свободного и некоторой части сорбированного метана (10-30%) с относительно небольшим влиянием метана в составе ТУГР в результате снижения давления свободного газа и усадки пласта в результате его газоистощения.
Влияние выработки на газогеомеханическое состояние газоносного пласта необходимо рассматривать с учетом второго научного открытия [3,4] из указанных выше. Его авторами установлено, что распределение напряжений в приконтурной части пласта имеет волнообразный характер и за зоной опорного давления расположена зона пониженных напряжений, в пределах которой подвергаются деструкции даже прочные не газоносные породы за счет реализации части энергии упругих деформаций. Как показано выше, газоносный угольный пласт, имеющий относительно меньший энергетический потенциал упругого восстановления , но , отметим , и меньшую прочность , за счет энергии своей газовой компоненты способен к значительно большему эффекту. Подтверждением этому являются результаты широкомасштабного внедрения на всех шахтах СССР (СНГ) метода текущего прогноза внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок, основанного на поинтервальном бурении шпуров и измерении скорости газовыделения и выхода бурового штыба. Обобщение этих результатов [6] позволило установить, что интервал повышенного газовыделения в шпур расположен в среднем на расстоянии от забоя около 2 м, примерно в зоне опорного давления, а интервал с повышенным выходом бурового штыба, дезинтеграции пласта, на расстоянии « 3 м.
Следствием газогеомеханических процессов в окрестности выработок являются не только слабые газодинамические явления типа выдавливаний угля с повышенным газовыделением и собственно внезапные выбросы угля и газа, но и близкие им по механизму взломы почвы при проведении выработок по верхнему слою мощных пластов. Рассмотрим последние на примере проведения штрека на одной из шахт Кузбасса.
Горно-технологические условия: глубина работ - 440 м; мощность верхнего пласта - 2,9 м; газоносность пласта - 14,5 м3/т; выемка угля - комбайном избирательного действия; крепление -анкерное; скорость проведения - 150 м/мес. В почве штрека расположен слой аргиллита мощностью 0,5-3,5 м. Ниже залегает следующий пласт угля мощностью до 6 м. Проведение штрека на расстоянии около 600 м сопровождалось периодическими повышениями притока метана, превышающими средние значения в 2-6 раз. Протяженность этих интервалов подвигания забоя составляла 10-35 м. Примерно посредине периода наблюдений штрек пересек тектоническое нарушение с амплитудой 1,3 м.
На рисунке 3 представлены поинтервальные данные среднечасовой метанообильности выработки за период наблюдений, а на рисунке 4 - расчетная схема к рассматриваемому газогеоме-ханическому процессу.
ц.м’/мин
22
О 50 100 150 200 250 300 350 1 400 450 500 550 Ьм 650
Тектоническое
нарушение
Рисунок 3 - Среднечасовая метанообильность штрека, проводимого по верхнему
слою мощного пласта
Рисунок 4 - Схема к расчету следствий газодинамического саморазрушения слабых пачек угля в нижнем слое пласта при проведении выработки по верхнему слою
На рисунке 4 показано, что зона снижения горного давления в почве выработки (парабола) захватывает и часть нижнего угольного пласта, что способно (рисунки 1-3) сформировать повышенное давление газа на междупластье с его разломом и развитием зоны деструкции по нижнему пласту (трапеция). Степень разгрузки угля от горного давления в пределах сечения параболы за-
висит от мощности междупластья. С учетом ее изменений рассчитаны графики площади нижележащего угольного пласта в пределах параболы разгрузки (рисунок 5).
Рост давления газа даже при мгновенном снижении механических напряжений в углеметановом пласте обусловлен кинетикой распада ТУГР [1, 5]. В этом случае динамика давления газа
для каждой точки зоны разгрузки от механических напряжений описывается следующим выражением:
Рг = Ро + ( - Рг )• (0,25 • (1 - ехр0,0025"* )+ 0,75(1 - ехр0,000т*))
(10)
где 4 - время от момента снижения механических напряжений, с.
Среднедействующее давления газа определялось по формуле (4) при условии:
к - = а 0( т п + 3 Ь п ) МПа, (11)
^ 0 ° сд л 7
4 Ьп
где тп - мощность междупластья, м;
Ип - глубина зоны влияния выработки в направлении почвы, м.
Вычисление длин хорд парабол разгрузки, определяющих площадь приложения давления газа на уровне контакта междупластья с нижним угольным пластом, позволило оценить величину силы ¥а, направленной к выработке (рисунок 6), при среднедействующем давлении газа.
Величина показателя прочности междупластья (рисунок 6) оценивалась по закону Кулона-Мора при угле внутреннего трения и коэффициенте сцепления, принятом по справочным данным для аргиллита [7]. Из графиков видно, что даже при этой, завышенной, прочности междупластья существует интервал условий, в которых равновесие сил не выполняется.
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 |_,т 600 650
Рисунок 5 - Площадь зоны разгрузки нижнего пласта при проведении выработки по верхнему слою на рассматриваемом участке
Г, *10°Н
О 0,5 1 1,5 2 2,5 т„ 3,5
Рисунок 6 - Изменение активных Еа и препятствующих Еп сил при взломах междупластья
с ростом его мощности
В момент разрушения междупластья резкое снижение напряжений в нижележащем угольном пласте формирует условия, благоприятные для реализации его газовой компоненты. Зона деструкции за счет саморазрушения угля в форме, близкой волне дробления при внезапном выбросе, начинает развиваться уже в пределах трапеции (рисунок 4). Приток метана в выработку возрастает до его среднечасовых значений, соответствующих верхнему графику на рисунке 3. По этим значениям метанообильности оценивалась максимальная площадь зоны деструкции нижнего пласта, газосодержание которой соответствует столь высокому притоку газа в выработку.
При анализе данных установлено, что уменьшение мощности междупластья, в данном случае до 0,5 м, приводит к снижению амплитуды всплесков метанообильности выработки, но не исключает периодичности их проявления. Этот факт указывает, что механизм газогеомеханического процесса сохраняется, но в качестве препятствующей силы выступает и прочность слоя угля в пределах зоны геомеханической разгрузки по нижележащему пласту. Таким образом, рассмотренное динамическое газопроявление имеет общий механизм с регистрируемыми уже десятки лет на шахтах Карагандинского бассейна газопроявлениями, а разработанный метод оценки условий их возникновения является существенным уточнением известного подхода, реализованного профессором В.И. Мурашевым [8] применительно к внезапным выбросам угля и газа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Диплом на открытие №9. Свойство органического вещества образовывать с газами мета-стабильные однофазные системы по типу твердых растворов / Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Васюч-ков Ю.Ф., Зверев И.В., Синолицкий В.В., Долгова М.О., Эттингер И. Л. - Акад. ест. наук. Ассоц. авт. науч. откр. от 10.11. 94, рег. №16. - М. - 3 с.
2 Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов/ Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: АГН, 2000. - 519 с.
3 Диплом на открытие № 400. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Шемякин Е.И., Курленя Л.В., Опарин В.Н., Рева В.Н., Глушихин Ф.П., Розенбаум М.А. - 1992. - Бюл. № 1. - 3 с.
4 Курленя, М.В. Проблемы нелинейной геомеханики / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // Физикотехнические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. - 1999. - №3. - С. 1226.
5 Полевщиков, Г.Я. Энергия релаксации сорбционной метаноемкости углей / Г.Я. Полевщи-ков, Т.А. Киряева // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Метан».- 2006. - С.84-90.
6 Пузырев, В.Н. Газодинамические явления в шахтах: учеб. пособие. - Кемерово: КузГТУ, 2005. - 130 с.
7 Штумпф, Г.Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: справочник / Г.Г. Штумпф, Ю.А. Рыжков, В.А. Шаламанов, А.И. Петров. - М.: Недра, 1994. - 477с.
8 Руководство по определению безопасных технологических параметров проведения подготовительных выработок по выбросоопасным зонам угольных пластов. - Кемерово: ВостНИИ, 1978. - 25 с.
GAS-GEOMECHANICAL PROCESSES DURING PREPARATION WORKS HEADING G.Ya. Polevschikov, M.S. Plaksin
Dependence is suggested in order to evaluate coal-methane seam gas content structure in the areas of technogenic reduction of stresses which takes into consideration three forms of methane existence: dissolved in coal (absorbed), adsorbed with coal microstructural elements surface, free in the pores volume.
Results of on-site observations are described which being based on the received dependencies explain periodicity of dynamic gas manifestations during heading of mine openings along the upper level of thick seams.
The work is fulfilled with partial financial support of grants RFFI No. 10-05-90001-Bel_a and No. 10-05-98009-r-sibir_a
Key words: COAL SEAM, GAS CONTENT, METHANE EXISTANCE FORMS, STRUCTURE, GEOMECHANICS, PREPARATION OPENING, THICK SEAM, COAL DESTRUCTION, GAS DYNAMIC HAZARD
Полевщиков Геннадий Яковлевич E-mail: gas [email protected] Плаксин Максим Сергеевич E-mail: gas [email protected]
