CC BY
3УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев
К ВОПРОСУ О ФОРМИРОВАНИИ ЗОН, ОПАСНЫХ ПО ПРОРЫВАМ МЕТАНА НА ЗЕМНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ, ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Установлено, что механизм формирования техногенных газовых ловушек при подземной отработке угольных пластов связан с образующимися в подработанном горном массиве зонами повышенной проницаемости, предложена универсальная методика количественной оценки параметров этих зон, в качестве иллюстративного примера выполнен расчет для определенных горнотехнических условий и сформулированы условия, необходимые для возникновения внезапных прорывов метана на земную поверхность.
Ключевые слова: техногенные коллекторы газа, математическое моделирование, зоны опасные по прорывам метана, пустотность, проницаемость, градиент давлений, краевая часть пласта.
Введение. Подземные горные работы сопровождается формированием различного рода техногенных коллекторов, которые в силу их повышенной трещиноватости и пустотности являются аккумуляторами газа. Некоторые из этих коллекторов частично или полностью дренируются системами газо- и водопроводящих трещин, связанными с выработанным пространством. При закрытии шахт и остановке принудительной вентиляции и при ликвидации стволов происходит инверсия потоков газа и все ранее дренированные зоны постепенно заполняются газом. Эти зоны можно назвать зонами вторичной газоносности. Давление газа в этих зонах, как правило, невелико и зависит от конкретных горно-геологических условий. При затоплении шахты газ, скопившийся в этих зонах, начинает вытесняться в сторону земной по-
верхности, т.е. ликвидация шахт в определенном смысле способствует увеличению интенсивности миграции метана по трем типам каналов это: бывшие обводненные трещиноватые породы, геологические нарушения и ликвидированные или заброшенные горные выработки (шурфы, стволы, сбойки и т.д.). Эти угрожаемые участки, связанные с низконапорными техногенными зонами повторной газоносности, определяются путем анализа планов горных работ с учетом рекомендаций, изложенных в [1]-[2] и в соответствии с действующими нормативными документами [3]. Однако в подработанном горном массиве наряду с перечисленными опасными зонами, связанными с зонами повторной газоносности, образуются зоны повышенной проницаемости или пу-стотности, которые не являются зонами вторичной газоносности. Они не дегазируются при ведении горных работ и аккумулируют метан при достаточно высоком давлении. Существование таких зон хорошо известно, т.к. они являются весьма интересными объектами при изучении процессов попутной добычи метана при разработке газоносных угольных месторождений [4]. В рамках рассматриваемой проблемы, связанной с возможными прорывами метана на земную поверхность некоторые особенности таких высоконапорных коллекторов имеют первостепенное значение. Однако исследования, проводимые в области высоконапорных техногенных коллекторов в подавляющем большинстве случаев, имеют описательный характер. Поэтому вопросы получения количественных оценок происходящих процессов актуальны и на сегодняшний день.
Объект и цели исследований. Объектом исследований являются особенности процессов формирования устойчивых высоконапорных техногенных газовых коллекторов при отработке угольных пластов. Эти особенности позволят сформулировать необходимые и достаточные условия возникновения таких коллекторов и дать оценку степени их опасности по прорывам метана на земную поверхность.
Теория и методы исследований. Решить поставленные задачи представляется возможным, при помощи разработанных в УкрНИМИ методов оценки изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) [5)] и проницаемости [6]-[7]
массива, происходящих при его подработке с учетом возможности деформирования пород за пределом прочности. В рамках такого подхода можно учесть особенности формирования не только низконапорных зон вторичной газоносности, но и получить количественные и качественные оценки высоконапорных техногенных газовых коллекторов.
Результаты исследований. Горные породы, формирующие угленосный массив Донбасса, относятся к классу слабо проницаемых пород. Однако при подземной отработке угольных пластов на отдельных участках подработки их проницаемость увеличивается на 3-4 порядка. На рисунке 1 показана экспериментальная кривая характерная для распределения нормальных к напластованию деформаций при подработке, полученная в [8] с помощью парных глубинных реперов для условий Донбасса.
Рис. 1 - Распределение нормальных к напластованию деформаций при подработке горного массива
Кривая отвечает точке наблюдений, расположенной в подрабатываемом массиве выше места ведения очистных работ на 50м в средней части подрабатывающей лавы. Нулевая отметка на оси абсцисс отвечает положению створа с подрабатывающей лавой. Отрицательные значения х характеризуют состояние массива до подработки и указывают на расстояние от наблюдательной станции до створа с надвигающейся подрабатывающей лавой, а
положительные значения х отвечают состоянию после подработки и так же указывают на расстояние от станции до створа с подрабатывающей лавой. Согласно этой кривой, видно, что по мере отхода подрабатывающей лавы от точки наблюдений, после заметной разгрузки горных пород, происходит частичное восстановление горного давления, что отражается в формировании плоского дна мульды сдвижений. Подобные кривые характерны и для других угольных бассейнов и все они, в той или иной мере идентичны кривой (см. рис.1), так что можно говорить о единой природе процессов сдвижения горных пород при их подработке для различных регионов.
В зонах разгрузки в активной фазе сдвижения горных пород образуются зоны расслоения горных пород т.н. полости Вебера [9]. Некоторые из этих полостей существенно трансформируются с течением времени. Например, первая и самая крупная зона расслоения пород кровли образуется в центральной части подрабатывающей лавы. Затем, при отходе лавы, эта зона уплотняется (см. рис 1), а попадая в зону полных сдвижений она практически сходит на нет. При этом, ранее аккумулированный в этой зоне газ вытесняется в сторону выработанного пространства или в другие зоны с повышенной пустотностью (проницаемостью) в которых восстановление горного давления происходит не столь интенсивно.
Исключительной особенностью этих процессов является их квазистационарный характер, который заключается в том, что в системе координат, связанной с движущимся забоем подрабатывающей лавы картина рис. 1 не меняется. Это положение подтверждается успешным опытом применения при решении различных задач геомеханики т.н. углов давления [8]. Углы давлений являются своеобразной аппроксимацией скорости восстановления горного давления по мере удаления от границ выработанного пространства, в том числе и от забоя движущейся или остановленной лавы. Согласно этой аппроксимации, уровень восстановления горного давления в зонах, примыкающих к границам выработанного пространства, имеет линейный характер и не зависит от времени. Такой механизм сдвижения горных пород предопределяет возможность формирования в подработанной
толще некоторых устойчивых во времени зон повышенной пу-стотности (проницаемости), которые, как уже упоминалось выше, для газоносных месторождений являются аккумуляторами метана.
Часть из этих зон попадает в зоны влияния газо- и водопро-водящих трещин (ЗВТ), которые образуется в кровле подрабатывающего пласта [10], поэтому они дренируются выработанным пространством, а после закрытия шахт трансформируются в низконапорные зоны вторичной газоносности.
Однако, образующиеся зоны повышенной проницаемости (пустотности) значительно превосходят по размерам ЗВТ, которые не превышают 100-120 м по нормали к разрабатываемому пласту. Поэтому в подработанном массиве создаются условия для формирования своеобразных техногенных газовых ловушек, которые изолированы от выработанного пространства разрабатываемых угольных пластов [11]-[12]. Выполнить количественную оценку параметров этих газовых ловушек можно только с помощью очень трудоемких экспериментальных исследований, которые к тому же не имеют обобщающего характера и которые не всегда осуществимы, или в рамках теоретических методов, которые способны учитываеть изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) подработанного массива и его проницаемости при условии деформирования пород за пределом их прочности.
В [5]-[7] изложены теоретические предпосылки такого подхода. При этом, на первом этапе исследований предполагается использовать полуэмпирическую методику оценки НДС массива, а на втором этапе результаты этой оценки используются в качестве исходных данных в определяющих соотношениях по расчету изменений проницаемости горных пород при их деформировании за пределом прочности. Выполненные исследования показали, что устойчивые изменения проницаемости горных пород связаны с зонами знакопеременных деформаций. Данное положение иллюстрируется результатами моделирования особенностей формирования техногенных коллекторов в краевой части разрабатываемого пласта. На рисунке 2 показано распределение нормальных к напластованию деформаций растяжения. Положение крае-
вой части на рисунке характеризуется точкой с координатами х=60, у=0. Слева от этой точки находится участок нетронутого массива, а справа подработанный участок. На рисунке представлены только положительные и существенные значения деформаций растяжения, т. к. только они оказывают достаточное влияние на изменения пустотности и проницаемости массива.
Рис.2 - Распределение деформаций растяжения в краевой части пласта, по осям отложено расстояние, м: х - в плоскости отрабатываемого пласта, у - по нормали
Специфическая форма области локализации положительных деформаций в вертикальном разрезе характерна для всей протяженности краевой части пласта. Ее размеры и важнейшие параметры зависят от множества влияющих факторов, таких, как глубина разработки, угол падения пласта и т. д. Все это многообразие влияющих факторов может быть учтено в рамках предложенного подхода. На рисунке 3 показано распределение проницаемо-
Труды РАНИМИ, № 3 (41), Том 2, 2024 _Transactions of RANIMI, № 3 (4l), Vol. 2, 2024
сти, связанное с зоной положительных деформаций и учитывающее запредельный характер деформирования пород. Значения проницаемости рассчитаны в долях от проницаемости пород в нетронутом состоянии для глубины 800 м. Система координат по обеим осям рисунка 3 идентична системе координат рисунка 2.
Рис. 3 - Характеристики техногенного напорного коллектора
газа в краевой части пласта
Как видно из рисунка 3, конфигурация техногенной зоны напорных газовых коллекторов имеет выраженную направленность относительно краевой части в сторону земной поверхности. В результате такой направленности формируется градиент давления газа, который при затоплении выработанного пространства будет только увеличиваться.
Таким образом, в результате выполненных исследований установлено, что в подработанном горном массиве на участках знакопеременных деформаций, в частности, на его границах об-
разуются техногенные устойчивые зоны высоконапорных газовых коллекторов, которые имеют высокий градиент давлений, направленный под определенным углом в сторону земной поверхности. Такое сочетание факторов является необходимым условием для формирования потенциально опасных по прорывам метана на земную поверхность зон. Затопление таких зон приводит к созданию достаточных условий, при которых эта опасность становится весьма вероятной.
Заключение. В результате выполненных исследований установлено, что в подработанном горном массиве образуются высоконапорные газовые коллекторы, которые не являются зонами вторичной газоносности. Параметры этих коллекторов определяются особенностями сдвижения горных пород и изменениями их проницаемости при подработке. Количественные оценки этих параметров могут быть сделаны на основе расчетных методов, разработанных в РАНИМИ для любой горнотехнической ситуации. Специфическая конфигурация зон повышенной газоносности и направленность градиентов давлений в них позволяет классифицировать эти объекты, как потенциально высоко опасные участки по прорывам метана на земную поверхность. Эти зоны не связаны с известными угрожаемыми зонами, которые возникают на участках земной поверхности в местах выхода бывших обводненных трещиноватых горных пород или при наличии геологических нарушений и заброшенных горных выработок (шурфов, стволов, сбоек и т.д.). Как правило, местоположение высоконапорных газовых коллекторов приурочено к зонам локализации знакопеременных деформаций в подработанном горном массиве.
Исследования выполнены в рамках научной темы FRSR-2024-0001 «Изучение геомеханических и геофильтрационных процессов в подработанных обводненных массивах».
ЛИТЕРАТУРА
1. Василянский, Н. П. Предотвращение газовыделения на земную поверхность путем дегазации выработанных про-
странств. / Н. П. Василянский, В. Н. Кочерга // Сб. научных трудов, МакНИИ, 1987. - С. 27-32.
2. Айкер, Х. Управление газовыделением из закрытых шахт. / Х. Айкер, Ф. Хесбрюгге // «Глюкауф». -1984. - № 23. -С. 29-34.
3. КД 12.01.03.07-2001 «Защита зданий от проникновения метана. «Инструкция». Макеевка-Донбасс, 2002. - 126 с.
4. Лукинов, В. В. Создание энергоэффективного комплекса извлечения и использования шахтного газа метана / В. В. Лукинов, В. И. Сулаев, В. Г. Перепелица, Б. В. Бокий, И. А. Ефремов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2020. - Вип. 88. - С. 3-8.
5. Кулибаба, С. Б. Основные положения методики расчета вертикальных сдвижений и деформаций подрабатываемого горного массива // «Маркшейдерия и Недропользование» №5. - М., 2019 - С. 42-45.
6. Ходырев, Е. Д. Оценка интенсивности процессов массо-переноса в зонах существенных фильтрационных неоднородно-стей Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов // ТРУДЫ РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2023. - № 22-23. - С. 22-32.
7. Кулибаба, С. Б. Оценка свойств техногенных коллекторов метана с учетом главных составляющих деформаций горного массива в зоне полных сдвижений / С. Б. Кулибаба, Е. Д. Ходырев // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецк, 2013. - № 13 (1). - С. 218-229.
8. Теория защитных пластов. / И. М. Петухов,
A. М. Линьков, В. С. Сидоров и др. М.: Недра, 1974. - 214 с.
9. Яхеев, В. В. Методика определения площадей и объема полостей расслоения в кровле горных выработок (полостей Вебе-ра) помощью глубинных реперов // Маркшейдерский вестник. -2013. - № 4. - С. 5.
10.Норватов, Ю. А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. - Л.: «Недра», 1988. - 260 с.
11.Ходырев, Е. Д. Особенности формирования техногенных коллекторов в зонах влияния барьерных целиков / Е. Д. Ходырев,
B. В. Трофимов // ТРУДЫ РАНИМИ. - Донецк, 2023. - № 20-21 (35-36). - С. 147-155.
12.Ходырев, Е. Д. Особенности изучения процессов подземной гидродинамики при закрытии угольных предприятий / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов, М. В. Гордиенко // ТРУДЫ РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2020. - № 10-11 (25-26). -С. 55-63.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
ON THE ISSUE OF THE FORMATION OF ZONES DANGEROUS FOR METHANE BREAKTHROUGHS TO THE EARTH'S SURFACE DURING THE FLOODING OF COAL ENTERPRISES
It has been established that the mechanism of formation of technogenic gas traps during underground mining of coal seams is associated with the formation of isolated zones of increased permeability in the mined-out mountain range, an assessment of the parameters of these zones for certain mining conditions has been performed and the conditions necessary for the occurrence of sudden methane breakthroughs to the Earth's surface have been formulated.
Keywords: man-made gas reservoirs, mathematical modeling, hazardous areas for methane breakthroughs, voidness, permeability, pressure gradient, marginal part of the reservoir.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
