CC BY
20
УДК 622.411.33:533.15.016.25
В.И. Беляев, А.М. Тимошенко
ОАО «НЦ ВостНИИ»
Исследование путей фильтрации метана из призабойной зоны разрабатываемого пласта
Приводятся результаты экспериментальных исследований путей движения метана из призабойной зоны разрабатываемого пласта с помощью запуска индикаторного газа в скважины, пробуренные по пласту, и его улавливания в скважинах, пробуренных в породы кровли.
Установлено, что часть метана из разрабатываемого пласта через породы кровли поступает в выработанное пространство, минуя очистную выработку
Массоперенос метана в угольных и породных пластах отличается сложностью и наличием глубоких внутренних взаимосвязей. Последнее обусловлено природой формирования пор и трещин, условиями накопления и сохранения в них метана и многообразием последствий воздействия горных работ на фильтрационные свойства пластов.
По современным представлениям, основными путями фильтрации газа в угольных пластах и вмещающих породах являются трещины эндогенного и экзогенного происхождения (трещинная проницаемость) [1],[2].
Определяющая роль трещинной проницаемости в угле доказана многочисленными исследователями [3]-[6] и др.
В условиях естественного залегания ископаемые угли и вмещающие породы находятся в условиях всестороннего сжатия. Несмотря на наличие в угле многочисленных систем тектонических трещин, природная газопроницаемость нетронутых разработкой угольных пластов довольна низка и в зависимости от физико-механических свойств и условий залегания изменяется в пределах 10-18-10-23 м2. При этом из-за ярко выраженной слоистости угольный пласт обладает анизотропией проницаемости; в плоскости по напластованию она наибольшая, перпендикулярно напластованию - наименьшая. Фильтрационная анизотропия пласта численно может быть выражена кинематическим показателем анизотропии аф, равным отношению фильтрационных характеристик по нормали к напластованию и в плоскости пласта. По данным исследований О.И.Чернова [7], для большинства пластов Кузбасса наиболее вероятным является значение аф = 0,25.
При ведении очистных работ под действием геомеханических процессов, связанных с появлением сил горного давления, фильтрационные свойства угольных пластов и вмещающих пород в окрестности очистной выработки в значительной степени изменяются.
Для удобства дальнейших рассуждений, не нарушая существенно качественной и количественной сторон явления, заменим существующие в пласте фильтрующие трещины двумя эквивалентными системами, расположенными по напластованию и нормально к нему, параллельно плоскости забоя, и имеющими раскрытие, соответственно, Ь] и Ь2 и густоту Г1 и Г2, при этом имеют место соотношения [6]:
Ь = 3
1
XЬ 3 Г , 0088
,=1
X Г,
(1)
I=1
Ь2 =3
1
XЬ 3 Г , втс , вт8
^^^ II I I
I=1
г I
X Г,
I=1
Г : =Х Г
СОБ0
Г 2 =Х Г , ^П^
(2)
(3)
где
Г Ь с, , 8 п
густота ,-той действительной системы трещин, 1/м; раскрытие ,-той системы трещин; углы ,-той системы трещин с направлением осей Х и У; количество систем трещин.
Компоненты тензора проницаемости по осям Х и У будут иметь вид:
Ь3Г,. ... Ь3¿2
К- = 12
Л1Г' —-
чЖу у -
у 12
(4)
Максимальное изменение зияния трещин Л Ь под действием изменения внешней нагрузки ЛР может быть выражено согласно [6] по формуле:
2ЛРI(1 - у2)
Л Ь = ■
Е
(5)
где
I
- ширина трещины; У - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга для вещества угля. Таким образом, для призабойной зоны пласта будем иметь:
Ь1 =Ь 01 +
Ь2 = Ь 02 +
2 Ар- у I (1 -у2)
Е
2 ЛРх I (1 -у2) Е '
(6)
где
зияние трещин в среде, не тронутой горными работами (природное зияние), по осям Х и У;
изменение нормальных напряжений по осям Х и У, которые являются функциями Х.
Подставляя (6) в (4), получаем выражения для значений компонент проницаемости:
Ь01, Ь02 Лрх, Ару
,=1
,=1
К.
К,
Г 1
12
Г
01 + 2 Да у
12
02
+ 2 да
(1 -у2) l
Е
(1 -У2) l '
Е
Пренебрегая природным зиянием трещин по сравнению с приобретенным за счет изменения напряженного состояния призабойной зоны, получим:
Кх = 3
2 Да )Г 1(1 -у2)з =2(ГЯ-а, ) 3Г
(1 -у2)3;
Е
Е
2 да 3 Г
2 (уН-ах )3Г2
(1 -у2)3 = f--Е —L (1 -у2)3
(8)
Таким образом, для показателя фильтрационной анизотропии аф [7] получим выражение:
К
аФ = —
ф К
уН-а уН-а
Г
3 2
У
Г
(9)
Отношение Г2/Г1 можно считать равным показателю природной анизотропии пласта аф ,
то есть
аФ = а ф
Y Н-а х (х)
Y Н-а у(хX
• (10)
^ у (х)J
Из выражения (10) можно оценить изменение фильтрационной анизотропии в призабойной зоне пласта на различных расстояниях от забоя. Непосредственно у забоя а х=0, а y =а з ,
тогда
где
где
i и А
у Н
уН-а
(11)
аз
аф (0) = аф
вертикальные напряжения на забое, зависящие от свойств угля и обычно характеризуемые коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова. По данным В.И. Мурашева [8]:
3,6
(12)
а
f
з 1 + g -7,28 ( f - 0,75) МПа средневзвешенный коэффициент крепости угля.
Для пластической зоны пласта при отсчете координаты х от забоя в глубь массива имеем
ау (х) = а3 +■
КК уН-а
L
■х :
ах(х) = Кк YН~а3 х
(13)
(14)
х
3
Тогда
где ь
Кк
Используя (15), можно определить показатель анизотропии для любой точки пластической
зоны.
Как показывают расчеты, величина аф при средних значениях природного показателя 0,250,5 может оказаться больше единицы для значительной части пластической зоны, то есть на расстоянии порядка нескольких метров от забоя проницаемость вкрест напластования будет больше, чем по напластованию пласта.
Породы ложной и непосредственной кровли (слой к]) имеют прочностные характеристики, близкие к характеристикам пласта. Это следует и из того, что характер разрушения и разгрузки этой части кровли мало отличается от условий, в которых находится пласт, поскольку этот слой обрушается непосредственно за крепью. То есть увеличение проницаемости и изменение фильтрационной анизотропии в этой части кровли впереди забоя аналогичны соответствующим изменениям в пласте.
Таким образом, призабойная часть пласта совместно с зоной интенсивного разрушения пород представляет собой достаточно хороший проводник газа, выделяющегося из пласта вкрест к наслоению пласта, откуда далее по трещинам непосредственной и части основной кровли он может поступать в направлении выработанного пространства в более отдаленные его части. При значительном отжиме пласта и значительной мощности слоя к] этот поток может превосходить поток газа в забой через поверхность забоя.
Для подтверждения приведенных выше рассуждений о путях миграции метана из приза-бойной зоны разрабатываемого пласта в выработанное пространство был проведен натурный эксперимент в шахте в условиях изменения напряженно-деформированного состояния призабойной зоны разрабатываемого пласта и вмещающих пород, заключающийся в имитации выделяющегося метана гелием. Для достижения поставленной цели была разработана методика, предусматривающая порядок подготовки оборудования и проведения экспериментальных работ в шахте.
Натурное моделирование проводилось в лаве 18-166 шахты им. Кирова ПО «Ленинск-уголь». Лава 18-166 длиной 232 м расположена в уклонном поле №5 пласта Толмачевского. Выемочный столб длиной 1250 м ограничен с одной стороны предохранительными целиками шириной 40 м и с другой стороны - неотработанной частью пласта. Угол падения пласта 4°, мощность 2,2 м. Коэффициент крепости угля 0,7.
Непосредственная кровля пласта представлена алевролитами средней крепости ( = 3) мощностью 4,6 м. Основная кровля - крупными алевролитами (/ = 4) мощностью 19 м и крепкими песчаниками (/ = 7) мощностью 9 м. Глубина разработки в месте проведения эксперимента 301 м.
Выемка угля в лаве производилась комбайном КВБ-3РАС, призабойная крепь - механизированная типа «Глиник». Скорость подвигания очистного забоя 3,5 м/сут.
у Н (1 - ККх / Ь ) + р3 х / Ь
а ф (х) = а
ф ф уН (1 - ККх / Ь)-р3(1 - х / Ь)
длина псевдопластической зоны; коэффициент концентрации напряжений;
Способ проветривания выемочного участка - всасывающий с подачей свежей струи по конвейерной печи и исходящей по вентиляционной печи. Для снижения газообильности выемочного участка применялся изолированный отвод метана из выработанного пространства через три газодренажные фланговые скважины диаметром 375 м с помощью двух последовательно включенных вентиляторов ВМЦГ-7.
Для проведения эксперимента из диагональной печи в 17,5 м от конвейерной печи 18-166 заранее были пробурены три скважины диаметром 45 мм: №1 - по углю длиной 15 м на расстоянии 0,5 м от почвы пласта; №2 - длиной 15 м по контакту пласта с породами кровли; №3 - в породы кровли под углом 20° к углу залегания пласта длиной 15 м. На момент проведения эксперимента устья скважин находились в 19,5 м от забоя лавы, забои скважин - в 4,5 м.
Приемная скважина №3 была загерметизирована пневматическим герметизатором ГСП на глубину 0,5 м от устья, так как установить герметизатор на большом расстоянии не представилось возможным из-за частичного ее пережатия. Объем загерметизированной части скважины составил 0,095 м3.
После герметизации скважины №3 из нее был произведен отбор и анализ пробы газа на хроматографе «Поиск-1», который показал, что скважина заполнена чистым метаном.
Скважины №1 и №2, предназначенные для запуска индикаторного газа, герметизировались механическим герметизатором ГТ-45 на глубину 5 м. Объем загерметизированной части скважин составлял 0,064 м . В скважины №1 и №2 поочередно запускался газ-индикатор гелий. Запуск индикаторного газа производился через редуктор из двухлитрового баллона, начальное давление в котором составляло 15 МПа. Регулировкой расхода гелия в пусковых скважинах поддерживалось постоянное избыточное давление, равное 0,2 МПа, до момента появления индикаторного газа в приемной скважине. Затем подача гелия в пусковую скважину прекращалась. На протяжении всего эксперимента давление в пусковой скважине контролировалось манометром.
Из приемной скважины №3 с помощью специального насоса с интервалом в 30 с отбирались пробы газа в резиновые камеры, которые анализировались на переносном хроматографе «Поиск-1».
Минимальные расстояния от точки запуска до приемной скважины №3 составляли для скважины №1 - 4,1 м; до скважины №2 - 2,4 м.
На первом этапе эксперимента запуск индикаторного газа производился в скважину №2, пробуренную на контакте пласта с кровлей. В приемной скважине №3 гелий с концентрацией 0,02% был обнаружен в четвертой пробе, то есть через 2 мин с момента запуска. После обнаружения гелия подача газа из баллона в скважину №2 была прекращена. Динамика изменения концентрации индикаторного газа в приемной скважине №3 и падения давления в пусковой скважине №2 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты эксперимента при запуске гелия в скважину №2
Время от начала эксперимента, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Давление в пусковой скважине №2, МПа 0,20 0,20 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,20 0,11
Концентрация гелия в приемной скважине №3, % 0 0,020 0,025 0,03 0.035 0,035 0,03 0,025 0,20 0,015
На втором этапе запуск гелия производился в скважину №1 аналогичным образом. Гелий в приемной скважине №3 был обнаружен через 10 мин после начала эксперимента. Его концентрация в данной пробе составила 0,011%. Динамика изменения концентрации гелия в скважине №3 и падения после прекращения подачи газа в пусковой скважине №1 приведены в таблице 2.
Таблица 2 -Результаты эксперимента при запуске гелия в скважину №1
Время от начала эксперимента, мин 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Давление в пусковой скважине №2, МПа 0,20 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12
Концентрация гелия в приемной скважине №3, % 0 0,011 0,015 0,015 0,02 0,015 0,013 0,012 0,011 0,01
Таким образом, проведенный в шахтных условиях эксперимент показал, что в окрестности очистного забоя в зоне разгрузки пласта угольный пласт и породы кровли обладают достаточно высокой проницаемостью вкрест их напластования, приобретенной в результате геомеханических процессов. Эксперимент подтвердил высказанную выше и обоснованную аналитически гипотезу о возможности перетока части метана из разгруженной зоны разрабатываемого пласта в выработанное пространство по системам трещин в породах кровли, минуя очистную выработку.
Этим явлением может быть объяснен и тот факт, что при высоких нагрузках на очистной забой при отработке высокогазоносных угольных пластов с применением комбинированной и прямоточной схем проветривания выемочного участка фактическая газообильность очистного забоя оказывается значительно ниже ожидаемой, рассчитанной в соответствии с нормативными документами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Ермеков, М.А. О видах миграции в недрах угольных месторождений/ М.А. Ермеков // Вопросы борьбы с газом, угольной пылью и подземными пожарами на шахтах Карагандинского бассейна. - М.: Недра, 1967. - Вып.26. - С.27-32.
2 Тарасов, Б.Г. Прогноз газообильности выработок и дегазации шахт / Б.Г.Тарасов. -М.: Недра, 1973. - 208 с.
3 Баренблатт, Г.И. О закономерностях движения жидкости в трещиноватых средах // Опыты разработки нефтяных и газовых месторождений / Г.И. Баренблатт, Т.П. Желтов, И.Н. Кочина. - М.: Госточтехиздат, 1963.
4 Еремин, Н.В. Газопроницаемость и трещиноватость некоторых углей Кузбасса/ Н.В. Еремин, Р.Н. Питин, К.И. Чередкова // Подземная газификация углей. - М.: Госгортехиздат. - 1958. -№4. -С.15-19.
5 Ломидзе, Г. Фильтрация в трещиноватых горных породах/ Г. Ломидзе. -М.: Госэнергоиз-дат, 1951. -127 с.
6 Ромм, Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород/ Е.С. Ромм. - М.: Недра, 1966. -283 с.
7 Чернов, О.И. Метод изучения фильтрационной анизотропии угольного пласта/ О.И. Чернов, В.С. Черкасов, Я.Г. Шлямовичус // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1972. - №3. - С. 64-70.
8. Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханических процессов: автореф. дис. ... докт.техн.наук / В.И. Мурашев. - М., 1980. - 35 с.
