CC BY
35
Оригинальная статья
УДК 622.831.3:622.41 1.332:533.17 © С.Б. Алиев, В.С. Портнов, Р.К. Атыгаев, Е.Н. Филимонов, С.Б. Иманбаева, 2020
Изучение факторов, влияющих на выбросоопасность угольного пласта Д6
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-6-50-54
АЛИЕВ С.Б.
Доктор техн. наук, профессор, академик НАН РК, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия, е-mail: [email protected]
ПОРТНОВ В.С.
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
АТЫГАЕВ Р.К.
Канд. техн. наук, специалист УСШМД УД АО «АрселорМиттал Темиртау», 101407, г. Темиртау, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ФИЛИМОНОВ Е.Н.
Канд. техн. наук, специалист УСШМД УД АО «АрселорМиттал Темиртау», 101407, г. Темиртау, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ИМАНБАЕВА С.Б.
PhD докторант специальности
«Геология и разведка месторождений
полезных ископаемых» КарГТУ,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан,
е-mail: [email protected]
Установлены закономерности изменения физико-механических свойств углей и вмещающих пород от глубины залегания пласта Д6 К потенциально выбросоопасным относятся угли с брекчиевидной, линзовидной, землисто-зернистой тектоническими структурами и имеющие мелко-кусковатую текстуру прочностью менее 75 у.е. Общим характером изменения крепости, влажности и начальной удельной скорости газовыделения является уменьшение их значений с ростом глубины залегания углей. Предел прочности на сжатие и растяжние, плотность вмещающих пород долин-ской свиты с глубиной растут, а их пористость и влажность снижаются. Определено, что при показателе выбросоопас-ности, равном 10,5±1,17, вскрытие угольного пласта является опасным. Основным влияющим фактором на выбросоопасность угольного пласта Д6 является газовое давление. Ключевые слова:угольный пласт, вмещающие породы, крепость и влажность, скорость газоотдачи, выбросоопасность, глубина залегания.
Для цитирования: Изучение факторов, влияющих на выбросоопасность угольного пласта Д6 / С.Б. Алиев, В.С. Портнов, Р.К. Атыгаев и др. // Уголь. 2020. № 6. С. 50-54. 001: 10.18796/0041-5790-2020-6-50-54.
ВВЕДЕНИЕ
Промышленная угленосность Карагандинского бассейна связана с ашлярикской, карагандинской, долинской и тентекской свитами. Наиболее угленосными и ценными являются пласты карагандинской и долинской свит, а также нижние пласты тентекской.
Угленосность отложений нижнего мезозоя, связанная с дубовской свитой, достигает максимального значения на западе Карагандинского (Дубовское месторождение) и в восточной части Верхне-Сокурского (Кумыскудукское месторождение) угленосных районов. Верхний горизонт Дубовского месторождения содержит только пропластки угля, а нижний состоит из пяти пластов сложного строения с рабочей мощностью 2,5-4,5 м. На Кумыскудукском месторождении верхний горизонт мощностью 20 м состоит из маломощных линз угля (0,1-1,5 м), а нижний (мощностью до 40 м) представлен пятью пластами угля мощностью от 2 до 12 м.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Метаноносностъ угленосной толщи в Карагандинском бассейне обусловливает высокую газообильность шахт [1].
Глубина зоны газового выветривания в бассейне колеблется от 40 до 300 м. Минимальная ее величина харак-
Таблица 1
Физико-механические свойства вмещающих пород долинской свиты
Породы Предел прочности, МПа Пористость, % Влажность, % Плотность, г/см3
На сжатие На растяжение
Песчаники 20,8 - 58,1 1,9 - 4,3 8,7 - 16,9 3,2 - 6,2 2,31 - 2,51
Алевролиты 15,3 - 42,2 0,9 - 2,5 10 - 19,9 3,6 - 8 2,25 - 2,5
Аргиллиты 11,3 - 30,9 0,7 - 1,6 10,9 - 22,7 4,2 - 11 2,2 - 2,46
терна для пластов ашлярикскои свиты и нижних пластов карагандинской свиты. Чаще всего она колеблется в пределах 100-200 м и только на шахтах Тентекского района возрастает до 250-300 м. Природная метаноносность интенсивно увеличивается с глубины 200 м ниже зоны газового выветривания, достигая 15-20 мЗ/т и более. С этой глубины возможны внезапные выбросы угля и газа, увеличиваются интенсивность и число выбросов. Опасными по внезапным выбросам угля и газа считаются пласты
К18, К12, К|0, К7, Д6.
К газодинамическим явлениям, проявляющимся при ведении работ по пласту Д6, относятся; внезапные выбросы угля и газа; выдавливания (отжимы), обрушения (высыпания) угля с повышенным газовыделением; прорывы газа с динамическим разломом почвы выработок; выбросы угля и газа при взрывных работах.
В очистных забоях внезапные выбросы не наблюдались, что является результатом применения предварительной дегазации угольного массива с помощью пластовых дегазационных скважин, позволяющих каптировать 4-6 мЗ метана из 1 т запасов угля. На глубине 400-450 м от поверхности, при снижении природной газоносности угля в среднем на 5 мЗ/т, газовое давление в угольных пластах уменьшается до 0,5-0,9 МПа. Минимальное же давление газа, при котором происходят выбросы в Карагандинском бассейне, составляет 1,1 МПа [3].
Для вмещающих пород долинской свиты с глубиной предел прочности (сжатие, растяжение), плотность возрастают, а их пористость и влажность уменьшаются. Крепость углей зависит от петрографического состава и колеблется от 0,47 до 2 по шкале проф. М.М. Протодьяконова [4].
Физико-механические свойства вмещающих пород долинской угольной свиты приведены в табл. 1.
Объект исследования
Пласт Д6 «Кассинский» имеет средную мощность 3,85 м, средний угол падения 13°, газоносность изменяется в пределах от 7 до 25 м3/т. Юрские угли, к которым относятся угли пласта Д6, являются типично бурыми, высокометаморфизо-ванными, марки Бз. Влажность углей составляет в среднем 17-25%, зольность рядового угля - 16-21%. По составу золы они близки к карбоновым. Угли малосернистые (0,5-0,8%), средне- и многофосфористые (0,01-0,08%), с повышенным содержанием углерода (73%) и водорода (5,4%). Выход летучих веществ составляет 43-53%. Угли обладают высокой теплотой сгорания (28,1-29,7 МДж/кг), а низшая теплота -15-17,6 МДж/кг в пересчете на горючую массу.
Методы прогноза
К методам прогноза выбросоопасности угольных пластов относятся: региональные геолого-геофизические методы, сейсмакустический прогноз в месте вскрытия, теку-
Таблица 2
Критические глубины появления внезапных выбросов угля и газа
Район Участок Критическая глубина, м
Карагандинский Промышленный 350
район Саранский 200
Шерубай-Нуринский Караджаро-Шаханский 350
Долинский 230
Южный и Центральный 270
Тентекский Тентекский 230
щие методы проводимые при проведении подготовительных выработок.
По результатам регионального прогноза установлены критические глубины пластов (табл. 2), с которых осуществляют прогноз выбросоопасности [5].
При подходе забоя вскрывающей выработки к выбро-соопасному пласту, на безопасном по нормали расстоянии, бурят шпуры для измерения манометром природного давления газа в пласте, отбора проб угля и установления показателей, используемых при прогнозе выбросоопасности пласта в месте вскрытия по показателю П :
П.. =ДРш
6140-Г
п
•3
ТП1Т1
(1)
р [р ' г.тах "V г. шах
где kPw - показатель начальной скорости газоотдачи угля с учетом естественной влажности для метрового интервала шпура с наименьшим значением коэффициента крепости, у.е.; Рг.тах - максимальное давление газа в пласте в месте его вскрытия, кгс/см2;^ - наименьшее значение коэффициента крепости угля по метровым интервалам шпура.
Максимальное давление газа в скважине, не изменяющееся в течение суток, принимают за давление газа в пласте в месте его вскрытия. В расчет принимают максимальное замеренное давление газа на глубине проведения выработки. При Пв > 10,5 зона пласта в месте вскрытия является опасной.
Величину АР^ определяют по формуле:
АР = АР ■ К (2)
где АР - начальная скорость газоотда чи угля, оп ределяет-ся в лабораторных условиях, у.е.; ^ - коэффициент, учитывающий влияние влажности угля на показатель АР, определяется по формуле:
К, = 1,4 - 0,9
(3)
где Ш - минимальная величина естественной влажности угля, %.
Определение начальной скорости газоотдачи и коэффициента крепости угля осуществляют в соответствии с требованиями [5] .
Текущий прогноз производится по результатам визуального осмотра забоя с определнием типа тектонической структуры угольных пачек пласта.
К потенциально выбросоопасным тектоническим структурам относятся угли 11-У типов. Второй тип характеризуется с брекчиевидной тектонической структурой с мелкокусковым слабоустойчивым углем разнообразной формы; третий тип имеет линзовидную (мелколинзовидную) тектоническую структуру с разлинованными углями с затуш-неванной слоистой трещиноватостью; четвертый тип - это землисто-зернистая тектоническая структура с мелкозернистым, частично перетертым, неустойчивым углем; а пятый тип тектонических структур характеризуется землистой структурой перетертого угля (угольная мука).
Пачка угля считается нарушенной при коэффициенте крепости угля менее 0,8 по М.М. Протодьякон ову или по прочности менее 75 у.е. Такие тектонические структуры характерны для зон геологических нарушений; повышенного горного давления (ПГД), при переходе створов с краевыми частями целиков или остановленных забоев; зон с изменением тектонической структуры угольных пачек; при уменьшении или увеличении мощности пласта; при проведении выработок вдоль геологических нарушений и при их пересечении; при вскрытиии и отходе от выбросоопасных пластов со стороны почвы в зонах вблизи среднеамплитудных разрывных геологических нарушений.
Классификация тектонических структур приведена в работе [5], в которой деление на пять классов выполнено по
их размерам: очень крупные разрывные тектонические нарушения (более 1000 м), крупные (100-1000 м), средние (15-100 м), мелкие (3-15 м) и очень мелкие (п*0,1-3 м).
На вышеперечисленных участках, помимо стандартного метода текущего прогноза по начальной скорости газовыделения и выходу бурового штыба из контрольных шпуров, дополнительно проводят оценку выбросоопасно-сти по динамике газовыделения во времени в контрольных шпурах. на пластах мощностью 3 м и более, в зонах разрывных геологических нарушений с амплитудой, равной и более мощности пласта, дополнительно проводят оценку выбросооопасности по комплексному показателю:
6140-/3
В = ДР_
(4)
где Др - средневзвешенный показатель начальной скорости газоотдачи угля, характеризующий пласт на всю его обнаженную мощность, с учетом природной влажности угля, у.е.;/ - коэффициент крепости угля, установленный по керновой пробе; Рг - давление газа в угольном пласте на глубине проведения выработки, кгс/см2, которое определяется манометрами в шпурах [5].
При невозможности проведения таких измерений его величина расчитывается по формуле:
Рг = 0,01(Н - Н0) + 0,1,МПа, при Н < 600, (5)
Рг = 0,006(Н - Н0)11 + 0,1, МПа, при Н > 600, (6)
где Н0 - глубина зоны газового выветривания, м; Н- глубина проведения выработки, м.
а 0,60
, 0,50
0,40
* h * *
• t * f* • * * " ■ • * * • V 1 > •
• t ■ * * *
300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 650,00 700,00
Глубина, м
18
в 8,00
^ 6,00 .п
I-
и
g 4,00 £
а
^ 2,00 0,00
ft ■
300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 650,00 700,00
Глубина, м
•
• * • * * * *
J .: ^ > * j • i ■ * * • * » *
• •i » * Л» •*
300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 650,00 700,00
Глубина, м
Рис. 1. Изменение крепости (а), начальной
удельной скорости газоотдачи (б)
и влажности (в) пласта Д6 в зависимости
от глубины залегания пласта на шахтах
УД АО «АрселорМиттал Темиртау».
Цветными точками представлены
данные по различным шахтам:
синие - «Шахтинская»,
зеленые - им. Ленина,
красные - «Казахстанская»
Fig. 1. Change in fortress (a), initial specific gas
recovery rate (b) and humidity (c) of D6
formation, depending on the depth
of the formation at the mines of the Coal
Department Arcelor Mittal Temirtau JSC.
Colored dots represent data for various mines:
blue - "Shakhtinskaya",
green - to them. Lenin,
the Reds - "Kazakhstanskaya"
б
14
10
6
При отсутствии данных о естественной влажности угля, она определяется по формуле:
W = 1,5 +3,17е - °,°0375(Н - 130).
(7)
При В > 10,5 зона пласта является потенциально опасной по выбросам, при В < 10,5 - неопасной [5].
На рис. 1, а представлены результаты определения крепости угля пласта Д6, отобранного при проведении выработок на глубине от 360 до 520 м по пласту Д6 на шахте «Шахтинская» (точки синнего цвета). Крепость угольных пачек изменяется в пределах от 0,38 до 0,56 у.е. Здесь же (зеленые точки) представлены результаты определения крепости угля, отобранного на глубинах от 412 до 680 м на шахте им. Ленина. Диапозон ее изменения от 0,36 до 0,57 у.е. Результаты определения крепости угля, отобранного на глубинах 350-640 м на шахте «Казахстанская», показаны красным цветом, их крепость изменяется в пределах 0,33-0,49 у.е.
На рис. 1, б сохранена цветовая гамма точек, где приведены результаты определения начальной скорости газоотдачи угля ДР по пробам, отобранным на шахтах «Шахтинская», им. Ленина и «Казахстанская». Из рисунка следует, что начальная скорость газоотдачи угля на шахтах «Шахтинская» и им. Ленина составляла 10-16 у.е., на шахте «Казахстанская» - 12-15 у.е.
Результаты определения минимальной величины естественной влажности угля показаны на рис. 1, в. Средняя влажность угольных пачек пласта Д6, по результатам исследований на шахтах «Шахтинсая» и «Казахстанская», соответственно уменьшается с глубиной от 3,5% (на глубине 350 м) до 1,5% (520 м), и 3,5% (350 м) до 2,5% (650 м). Изменение средней влажности углей на шахте им. Ленина слабо коррелируется с глубиной, однако общая тенденция ее снижения сохраняется. Общим трендом влажности является ее уменьшение 1,7% на каждые 100 м глубины.
По результатам исследования характеристик угольных пачек пласта Д6 установлена закономерность изменения комплексного показателя выброопасности от глубины залегания пласта (рис. 2, цветовая гамма сохранена). Пробы, отобранные с глубины около 460 м на всех шахтах, пока-зыают выбросоопасность шахт (В > 10,5 ±1,17).
Обсуждение результатов
Крепость угольных пачек пласта Д6 всех шахт Тентекско-го региона снижается с ростом глубины на 0,11 у.е. на каждые 100 м. Средние значения изменяются на шахте «Шахтинская» - от 0,43 (на глубине 520 м) до 0,52 у.е. (360 м), на шахте им. Ленина - от 0,44 (680 м) до 0,52 у.е. (412 м) и на шахте «Казахстанская» - от 0,41 (640 м) до 0,44 у.е. (350 м). Средняя начальная удельная скорость газоотдачи на всех шахтах находится в пределах от 12 до 15 у.е. Снижение этого показателя с глубиной залегания пласта Д6 составляет около 2 у.е. на 100 м.
Средние значения естественной влажности угля изменяются на шахте им. Ленина от 1 до 7,5%, на шахте «Шахтинская» - от 2,5 до 3,5% и на шахте «Казахстанская» - от 2,5 до 3%, причем, если на шахтах «Шахтинская» и «Казахстанская» отмечается устойчивая тенденция к уменьшению влажности с увеличением глубины залегания пласта Д6, то на шахте им. Ленина эта зависимость слабо выражена.
*
В = 0,0357Н - 10,2
*
ii V ^ * 1 , *
• Чт 1* * #
• 5- ' > •
+ • / * »
300,00 400,00 500,00
Глубина работ
600,00
700,00
Рис. 2. Комплексный показатель В, полученный при локальном прогнозе выбросоопасности пласта на шахтах Тентекского региона. Цветными точками представлены данные по различным шахтам: синие - «Шахтинская», зеленые - им. Ленина, красные - «Казахстанская»
Fig. 2. Comprehensive indicator B obtained from a local forecast of reservoir hazard at the mines of the Tentek region. Colored dots represent data for various mines: blue - "Shakhtinskaya", green - to them. Lenin, the Reds - "Kazakhstanskaya"
Комплексный показатель В с глубиной залегания пласта растет (опасные значения 10,5±1,17 возникают с глубины 480 м). Эта зависимость описывается уравнением В = 0,0357Н - 10,2 при г = 0,82 и £ = ±1,17.
Поскольку крепость, скорость начального удельного газовыделения и влажность угольных пачек слабо зависят от глубины залегания пласта Д6, то можно сделать вывод, что определяющим факторам, оказывающим наибольшее влияние на величину В в пределах глубин 300-700 м, является газовое давление, которое линейно зависит от Н.
Аномальные значения/, Ш, ДР соответствуют зонам смещения, перемятия и другим видам геологических нарушений. Этот факт вызывает необходимость проведения геологических исследований на предмет их детального изучения, особенно в части изучения закономерности распределения метана с выявлением зон повышенных концентраций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлены закономерности изменения основных влияющих факторов - крепости угольных пачек, начальной удельной скорости газоотдачи и влажности угля на комплексный показатель выбросоопасности от глубины залегания угольного пласта Д6 Тентекского региона. Показано, что опасное значение комплексного показателя выбросоопасности, равное 10,5±1,17, возникает с глубины 480 м при условии, что отсутсвует вляние осложняющих геологических факторов, которые также подлежат детальному исследованию, особенно в части распределения метана в пласте.
Методика исследования и полученные результаты используются для прогнозирования выбросоопасных участков при прооектировании новых горизонтов угольных шахт и при проведении горных работ на действующих шахтах.
Список литературы
1. Дрижд H.A., Баймухаметов С.К., Тоблер В.А. и др. Карагандинский угольный бассейн: справочник. М.: Недра, 1990, 299 с.
2. Газообильность каменноугольных шахт СССР. Комплексное освоение газоносных угольных месторождений // А.Т. Айруни, Р.А. Галазов, И.В. Сергеев и др. Под ред. Г.Д. Лидина. М: Наука, 1990. 213 с.
3. Проблемы разработки метаноносных угольных пластов, промышленного извлечения и использования шахтного метана в Карагандинском бассейне / А.Т. Айруни,
Г.М. Презент, С.К. Баймухаметов и др. М: Издательство АГН, 2002. 320 с.
4. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М.: Горная книга, 2002. С. 59-62.
5. Некоторые аспекты изучения газоносности пласта К10 в условиях шахты «Абайская» / Е.Н. Филимонов, В.С. Пор-тнов, В.В. Егоров и др. Караганда: КарГТУ, 2015. 95 с.
6. Методические указания по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Караганда: 2012. 177 с.
GEOLOGY
Original Paper
UDC 622.831.3:622.411.332:533.17 © S.B. Aliev, V.S. Portnov, R.K. Atygaev, E.N. Filimonov, S.B. Imanbaeva, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 6, pp. 50-54 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-6-50-54
Title
THE STUDY OF FACTORS AFFECTING THE OUTBURST HAZARD OF A COAL SEAM D6 Authors
Aliev S.B.1, Portnov V.S.2, Atygaev R.K.3, Filimonov E.N.3, Imanbaeva S.B.2
1 Research Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow, 111020, Russian Federation
2 Karaganda State Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan
3 "ArcelorMittal Temirtau" JSC, Temirtau, 101407, Republic of Kazakhstan
Authors' Information
Aliev S.B., Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Academician of the National Academy of Sciences Republic of Kazakhstan,
Senior Researcher, e-mail: [email protected]
Portnov V.S., Doctor of Engineering Sciences, Professor of Geology
and exploration of mineral deposits department,
e-mail: [email protected]
Atygaev R.K., PhD (Engineering), specialist USSHMD of Coal department, e-mail: [email protected]
Filimonov E.N., PhD (Engineering), specialist USSHMD of Coal department, e-mail: [email protected]
Imanbaeva S.B., PhD doctoral student of specialty"Geology and exploration of mineral deposits", e-mail: [email protected]
Abstract
The regularities of changes in the physicomechanical properties of coals and host rocks from the depth of the D6 bed are established. Potentially outliers are coals with breccia, lenticular, earthy-granular tectonic structure and having a fine-grained texture with a strength of less than 75 cu. The general character of changes in strength, humidity and initial specific rate of gas evolution is a decrease in their values with increasing depth of coal. The compressive and tensile strength, the density of the host rocks of the Valley Formation grows with depth, and their porosity and humidity decrease. It was determined that with an outburst hazard of 10.5 ± 1.17, opening a coal seam is dangerous. The main contributing factor to the outburst hazard of the D6 coal seam is gas pressure.
Keywords
Coal seam, Enclosing rocks, Strength and humidity, Gas recovery rate, Outburst hazard, Occurrence depth.
References
1. Drizhd N.A., Baymukhametov S.K., Tobler V.A. et al. Karagandinskiy ugol'nyy basseyn: Spravochnik. [Karaganda Coal Basin: Directory.] Moscow, Nedra Publ., 1990, 299 p. (In Russ.).
2. Ayruni A.T., Galazov R.A., Sergeev I.V. et al. Gazoobil'nost' kamennougol'nykh shakht SSSR. Kompleksnoye osvoyeniye gazonosnykh ugol'nykh mestorozh-deniy [Gas abundance of coal mines of the USSR. Integrated development of gas-bearing coal deposits]. Ed. by G.D. Lidin. Moscow, Nauka Publ., 1990, 213 p. (In Russ.).
3. Ayruni A.T., Present G.M., Baimukhametov S.K. et al. Problemy razrabotki metanonosnykh ugol'nykh plastov, promyshlennogo izvlecheniya i ispol'zovaniya shakhtnogo metana v Karagandinskom basseyne [Problems of developing methane-bearing coal seams, industrial extraction and use of mine methane in the Karaganda basin]. Moscow, AGN Publ., 2002, 320 p. (In Russ.).
6. Puchkov L.A., Slastunov S.V. & Kolikov K.S. Izvlecheniye metana iz ugol'nykh plastov [Coal Bed Methane Extraction]. Moscow, Gornaya kniga Publ., 2002, pp. 59-62. (In Russ.).
4. Filimonov E.N., Portnov V.S., Egorov V.V. et al. Nekotoryye aspekty izucheniya gazonosnosti plasta K10 v usloviyakh shakhty "Abayskaya" [Some aspects of studying the gas content of the K10 layer in the conditions of the "Abayskaya" mine]. Karaganda, KarGTU Publ., 2015, 95 p. (In Russ.).
5. Metodicheskiye ukazaniya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na plas-takh, opasnykh po vnezapnym vybrosam uglya igaza [Guidelines for the safe conduct of mining operations on formations hazardous for sudden emissions of coal and gas]. Karaganda, 2012, 177 p. (In Russ.).
For citation
Aliev S.B., Portnov V.S., Atygaev R.K., Filimonov E.N. & Imanbaeva S.B. The study of factors affecting the outburst hazard of a coal seam D6. Ugol'- Russian Coal Journal, 2020, No. 6, pp. 50-54. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902020-6-50-54.
Paper info
Received January 15,2020 Reviewed February 14,2020 Accepted March 23,2020
