Комплексная экспресс-оценка газоотдачи угля и пород в призабойной зоне пласта для повышения безопасности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © Н.Г. Матвиенко, С.А. Радченко, 2014

УЛК 622.457

Н.Г. Матвиенко, С.А. Радченко

КОМПЛЕКСНАЯ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ГАЗООТДАЧИ УГЛЯ И ПОРОД В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ ПЛАСТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

Описаны новые методы и портативные приборы для быстрой, удобной и дешёвой оценки в горных выработках степени опасности внезапных выбросов газа и угля, повышенного газовыделения в выработки и эффективности предварительной дегазации угольных пластов, которая основана на измерении температуры угля и пород на поверхности забоя, температуры бурового штыба из скважин и десорбции газа из него и метаносодержания угля. Их применение является одним из самых перспективных, дешёвых и доступных для шахт направлений повышения безопасности и эффективности добычи угля и метана в России и других странах.

Ключевые слова: безопасность метанообильных шахт, выбросо-опасные угольные пласты, десорбция, измерение температуры угля.

Вмире давно известны и используются различные качественные и количественные характеристики динамики газовыделения из образцов угля и углесодержаших горных пород и призабойной зоны, определяемые в шахтах и лабораториях. Однако они имеют ряд недостатков, поэтому использование большинства из них в шахтах уменьшается, особенно при увеличении темпов горных работ.

Например, известно [1], что:

• для обеспечения безопасной работы в опасных подготовительных и очистных забоях и снижения затрат на дорогостояшие противовыбросные мероприятия в угольных шахтах используют различные по принципу действия и степени надёжности эмпирические методы прогноза выбросоопасности, которые в известной степени субъективны и в ряде случаев приводят к ошибкам в оценке «опасно — безопасно», а единых универсальных методов прогноза и контроля до сих пор нет;

• применение методов прогноза по одному-двум показателям (величинам природной газоносности или природного давления

137

газа в пласте, значению остаточного содержания его в угле через определенные промежутки времени, выходу буровой мелочи) не обеспечивает требуемой надёжности;

• в 95-97% случаев прогноз выбросоопасности даётся не менее чем за 1 метр в глубь массива до входа забоя в опасную зону, но в 3-5% случаев опасные газопроявления могут возникнуть при работе на первом метре.

В [2] указывается, что непосредственным показателем выбросоопасности угольного пласта является степень нарушенности структуры угля и что:

• применяемые в настоящее время показатели прогноза выбросо-опасности угольных пластов, такие, как начальная скорость газовыделения до, условный показатель начальной скорости газоотдачи ДР, скорость сорбции йода Д1, выход штыба, крепость, разрушаемость керна и т.п., лишь опосредованно характеризуют степень нарушен-ности угля;

• несовершенство методик определения указанных показателей снижает надёжность прогноза выбросоопасности угольных пластов и поэтому нужны более совершенные способы непосредственной оценки степени нарушенности пласта.

В зависимости от необходимых затрат времени до получения результата известные российские и зарубежные методы экспериментального определения газокинетических свойств угля можно разделить на 2 группы:

• во-первых, экспресс-методы определения начальной скорости газовыделения или газопоглощения, из которых наибольшее распространение за последние четыре десятилетия в России, Украине и в ряде других стран получили различные варианты метода определения условного показателя начальной скорости газоотдачи АР, предложенного И.Л. Эттингером [3];

• во-вторых, длительные сорбционно-кинетические или десорб-ционно-кинетические эксперименты, позволяющие получить кинетическую кривую сорбции или десорбции до установления сорбци-онного равновесия или, по крайней мере, до момента сорбции или десорбции углем большей части газа.

Первая группа методов до сих пор позволяла относительно быстро получать только качественные характеристики скорости газоотдачи, которые очень трудно использовать для непосредствен-

138

ного расчета интенсивности газовыделения из угля. Вторая группа методов позволяет описывать экспериментальные десорбционно-кинетические кривые с помощью формул разного вида с различной точностью, однако большая длительность экспериментов, сложность определения размеров нерасчлененных трещинами микропористых частиц угля и некоторые другие недостатки этих методов мешают широкому применению их в шахтах для прогноза газовыделения из отбитого угля и разрабатываемых угольных пластов.

Анализ показал, что до сих пор актуальны следующие проблемы:

1) в угольных шахтах выработки и скважины первой очереди проходки, а также буровые и взрывные работы наиболее опасны по газовому фактору;

2) половина геологических нарушений, в которых имеют место опасные выделения метана и загазования выработок, обнаруживается лишь при проходке;

3) прогноз интенсивности газовыделения в горные выработки недостаточно точен, и прежде всего в зонах геологических нарушений, при пересечении которых метанообильность выработок может очень существенно увеличиваться (в 1,5-4 раза и более), что снижает безопасность и может создавать аварийные ситуации;

4) неожиданное вскрытие выработками нарушенных зон может вызывать различные интенсивные газопроявления, в том числе весьма скоротечные и не всегда предсказуемые, что увеличивает угрозу взрывов метана;

5) при бурении скважин и при наличии пробуренных скважин происходят внезапные выбросы угля и газа, причём в подготовительных выработках выбросов намного больше по сравнению с очистными на пологих и крутых пластах.

Описанные в [4-7] результаты исследования газокинетических свойств угля по простиранию и мощности многих угольных пластов ряда стран, выполненные с использованием экспериментальных данных ряда российских и зарубежных учёных, показали большую изменчивость скорости газоотдачи угля по простиранию и мощности большинства исследованных пластов даже на малом расстоянии. Этим доказано, что при используемых в настоящее время нормативных методах прогноза выбросоопасности интервал отбора образцов угля (бурового штыба) и замера различных показателей нарушенности призабойной зоны угольного пласта в ряде случаев является слишком

139

большим для того, чтобы своевременно выявлять угли нарушенной структуры и обеспечивать минимальное проникновение в выбросо-опасную зону. Причина этого — отсутствие научно обоснованных методов и технических средств, позволяюших минимизировать проникновение в опасную зону за счёт быстрого и доступного определения её границ без изменения технологии буровых работ и без сушественного замедления их выполнения.

Целью «текушего» прогноза выбросоопасности является точное установление безопасных зон, поэтому её достижение при нормативных методах прогноза выбросоопасности обеспечивают за счёт многократного завышения плошади выбросоопасной части угольного пласта для проведения противовыбросных мероприятий, что значительно усложняет и удорожает его разработку [8].

Однако российская и зарубежная практика показывает, что даже в этом случае не всегда удается спрогнозировать газодинамические явления при разработке газоносных угольных месторождений, особенно приуроченные к мелкоамплитудным геологическим нарушениям, и предотвратить внезапные выбросы угля и газа и взрывы метана, приводяшие к гибели людей и к экономическому ушербу.

Вышеизложенное показывает необходимость разработки и массового внедрения новых простых, наименее затратных и доступных для любой шахты методов постоянной визуальной экспресс-оценки газокинетических свойств угля и его нарушенности и газоносности в забое в целях повышения безопасности работ.

Поэтому нами научно обоснованы и разработаны новые экспресс-методы и портативные устройства нового принципа действия, которые позволяют быстро, удобно и при минимуме затрат труда и денег постоянно получать в забоях количественные характеристики газокинетических свойств угля, его нарушенности и газоносности в призабойной зоне и сразу использовать их для повышения безопасности работ в газовых шахтах, особенно в подготовительных выработках [4-6, 9-10], причём при меньшем проникновении бурового инструмента в опасную зону, а при использовании некоторых технических средств — и дистанционно.

Научной основой для их разработки стали научные и практические выводы, полученные с применением уникального комплекса экспериментального научного оборудования ИПКОН РАН, и обработка результатов более 2000 сорбционно-кинетических и десорбционно-

140

кинетических опытов для образцов углей и углесодержащих горных пород из многих пластов и шахт России, Украины, Великобритании и США, полученных учёными этих стран, и шахтных экспериментов при разработке выбросоопасных угольных пластов, и прежде всего описанные ниже.

1. Доказано большое сходство сорбционно-кинетических свойств и методов физико-химических исследований углей России, Украины, Великобритании и США различных стадий метаморфизма, зольности, тектонической нарушенности и разного петрографического состава при глубинах от 400 до 1100 метров [4-7].

2. Предложен новый диффузионный параметр т, величина которого численно совпадает с временем десорбции постоянной доли от общего количества газа, десорбированного углем или горной породой с угольными включениями до равновесия, являющийся информативным количественным показателем динамики десорбции метана и этана из них. Его преимущества по сравнению с известными критериями — быстрота и простота получения количественных характеристик десорбции (скорости десорбции и времени десорбции части газа, достигающей 63% от всего десорбированного до равновесия газа, и коэффициента диффузии метана в угле), которые можно одновременно использовать для прогноза метановыделения из угля в горные выработки и выбросоопасности [4-7].

3. Предложенный новый количественный диффузионный параметр т хорошо согласуется с данными о тектонической нарушенности проб и динамике газовыделения из них, получаемыми другими методами, и может применяться для описания десорбции метана, этана и других газов из угля и горных пород с угольными включениями, упрощения интерпретации этих экспериментальных данных и расширения области и масштабов их применения в горном деле [4-7].

4. Показана возможность принимать при инженерных расчетах постоянной для участка шахтного поля в зонах любой геологической нарушенности величину коэффициента диффузии метана в угле Д, периодически определяя её экспериментально для этого участка шахтного поля по разработанной в ИПКОН РАН методике с применением предложенного диффузионного параметра т [4].

5. Научно обоснована возможность быстро и малозатратно повысить безопасность разработки газоносных угольных месторождений, используя диффузионный параметр т для более точной количе-

141

ственной экспресс-оценки в забоях газокинетических характеристик угля, геологической нарушенности, выбросоопасности и возможной эффективности дегазации каждого участка пласта [4-7, 9].

6. Дифференциальная и интегральная теплота сорбции и десорбции метана углем постоянна в пределах шахтопласта в зонах любой геологической нарушенности при содержании летучих вешеств V от 9 до 30% при давлениях до 8,0 МПа, но для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма она изменяется в широких пределах (15-28 кДж/моль), а ее зависимости от иг, сорбционной емкости и глубины залегания угля не обнаружено. То есть научно обоснована возможность непосредственного определения количества десорби-рованного из угля метана и оценки интенсивности метановыделения из разрабатываемого угольного пласта на основе контроля за изменением температуры угля в забое [4, 11-13].

7. Величина снижения температуры угля при десорбции метана прямо пропорциональна количеству выделившегося метана в случаях, когда теплообменом с окружаюшей средой можно пренебречь. При теплообмене призабойной зоны пласта с вмешаюшими породами его охлаждение максимально в его центре, а в местах контакта с породами почвы и кровли оно может быть до нескольких раз меньше из-за подвода тепла из них. Поэтому результаты замера температуры угля в призабойной зоне и бурового штыба надо анализировать с учётом расположения мест замеров и отбора проб, теплоты десорбции метана, влажности и времени теплообмена угля с окружаюшей средой, скорости подвигания забоя [4, 11-13].

8. Показано, что величину снижения температуры угольного пласта за счёт десорбции из него газа можно использовать как критерий интенсивности метаноотдачи из него при разработке пласта и его выбросоопасности [12-13].

9. Научно обоснована и подтверждена шахтными и лабораторными экспериментами возможность быстрого и простого определения в подготовительных и очистных забоях зон повышенного газовыделения, выбросоопасных и нарушенных зон в угольных пластах по величине их охлаждения в результате десорбции метана из угля, в том числе с меньшим проникновением бурового инструмента в опасную зону или дистанционно, без больших затрат труда и денег [4, 12-13].

10. Совместный учет кинетики десорбции метана углем по предложенному диффузионному параметру т и снижению температуры

142

угля в призабойной зоне и бурового штыба в результате десорбции повышает точность и быстроту оценки газокинетических свойств углей в зонах любой нарушенности и является основой оперативных способов количественного экспресс-прогноза выбросоопасности призабойной зоны и метаноносности угля в ней, метаноотдачи угля в призабойной зоне и отбитого угля, а также перспективности участков пласта и скважин для дегазации и добычи метана. В выбросоопасных и нарушенных зонах диффузионный параметр т меньше в несколько раз, а охлаждение угля за счет десорбции метана значительно больше, чем в ненарушенных зонах пласта [4-7, 12-13].

11. Угольные включения в породе имеют те же сорбционные характеристики, что и уголь из соседних пластов. Сорбционную емкость углесодержащих пород можно принимать прямо пропорциональной содержанию в них частиц угля, а диффузионный параметр т пригоден для описания кинетики десорбции метана образцами угля фракции до 60 мм и углесодержащими породами любой зольности и степени тектонической препарации. Это повышает достоверность и оперативность прогноза сорбционной метаноемкости и скорости газоотдачи углей и горных пород с угольными включениями [4-7].

12. Научно обоснованы, разработаны и испытаны в лабораторных и шахтных условиях новые комплексные способы и портативные многофункциональные устройства, позволяющие быстро и просто повысить надежность, оперативность, практическую ценность и информативность исследований угля и горных пород с угольными включениями за счёт более точного экспресс-определения в забое начальной кинетики десорбции метана из бурового штыба, количественных характеристик газовыделения и геологической нарушен-ности угля на основе одновременных замеров метановыделения из штыба и его охлаждения [4-7, 9-10, 12-13].

Вышеизложенное позволило разработать научно обоснованные новые технические решения и портативные устройства для повышения безопасности по газовому фактору при подземной разработке газоносных угольных пластов на основе организации в забоях, особенно в подготовительных выработках, комплексного экспресс-прогноза выбросоопасности, газовыделения и возможной эффективности дегазации для каждого участка и скважины за счёт быстрой, простой и удобной визуальной оценки газоотдачи угля и вмещающих пород по изменению их температуры и десорбции из

143

штыба в целях: во-первых, быстрого обнаружения в забоях зон с аномальными свойствами и своевременного прогноза и устранения опасности; во-вторых, создания условий для постоянного сбора и анализа комплекса экспериментальных данных о динамике газовыделения в забоях и влияющих на него факторах без больших финансовых и трудовых затрат шахт и научных организаций.

Для организации такого постоянного комплексного экспресс-прогноза в забоях, доступного для любой шахты, необходимы следующие мероприятия.

1. Использование серийно выпускаемых взрывобезопасных тепловизоров, позволяющих получать и записывать тысячи изображений в электронном виде:

• температуры угля и пород на свежеобнажённой поверхности забоя;

• температуры собираемого бурового штыба со всех интервалов бурения.

Например, тепловизор «Testo 875-1i» весом 900 грамм работает от батареек или аккумулятора при температурах от -15 до +40 °C, имеет температурную чувствительность < 50 мК и одновременно сохраняет как термограмму, так и реальный цифровой снимок, и может обеспечивать автоматическое распознавание и визуализацию критических температур непосредственно на дисплее тепловизора.

2. Отбор проб угольной мелочи или бурового штыба, температура которых заметно ниже по сравнению с её величинами в ненарушенных зонах пласта, для:

• быстрой визуальной оценки в забое газокинетических свойств и остаточной газоносности, используя описанные выше методы и портативные устройства;

• герметизации и сохранения этих проб без контакта с воздухом и их рассева по фракциям при доставке на поверхность, если это нужно для исследований.

Это можно обеспечить разработанными простыми портативными десорбометрами нового принципа действия [4, 9-10], которые позволяют визуально оценивать в забое динамику десорбции метана для каждой из многих малых проб штыба, собираемых прежде всего на интервалах бурения, где температура штыба ниже, за 3 минуты, а остаточную газоносность этих же проб в 2 этапа — за 15 минут и до сорбционного равновесия. Новый способ герметизации проб

144

и простой визуализации в выработках объёма выделяющегося газа позволяет доставлять в лабораторию лишь отдельные контрольные пробы бурового штыба, а информацию о всех других получать прямо в выработке. За 3 минуты можно оценивать количество десорби-рованного штыбом газа (по величине его охлаждения в результате десорбции газа и по определённому визуально количеству газа, десорбированного штыбом после герметизации) и, зная количество загерметизированного штыба, получать в выработке величины предложенного количественного диффузионного параметра т по методике, описанной в [4-6, 9], и сразу использовать их для оценки нарушенности угля и прогноза выбросоопасности и газовыделения.

Это позволит повысить безопасность работ в забоях за счет возможностей:

1) обнаруживать потенциально опасные места по снижению температуры;

2) быстро визуально оценивать в забоях газокинетические свойства и остаточную газоносность проб, отобранных прежде всего в «подозрительных» местах, где температура поверхности угля в забое или бурового штыба ниже обычной;

3) проверять потенциально опасные места, где температура угля или бурового штыба ниже обычной, нормативными методами прогноза выбросоопасности.

Особенно эффективным, экономически выгодным и полезным для повышения безопасности по газовому фактору будет применение тепловизоров и разработанных экспресс-методов и портативных многофункциональных устройств совместно с сейсмопрогнозом, так как это позволит очень быстро, просто и дешево:

1) получать в забоях, особенно в подготовительных выработках, наглядную визуальную и количественную информацию об интенсивности десорбции метана из угля и горных пород с угольными включениями и об их остаточной газоносности в любых местах на поверхности забоя и по длине скважин или шпуров, в том числе в электронном виде, удобном для быстрой передачи, хранения и анализа;

2) быстро, просто и наиболее дёшево получать непосредственно в горных выработках объективные количественные газокинетические характеристики отобранных проб, позволяющие объективно оценивать степень тектонической препарации угля, и за счёт этого

145

своевременно определять с гораздо большей точностью расположение даже самых мелких геологических нарушений в пласте, которые опасны по внезапным выбросам угля и газа и по повышенному газовыделению в горные выработки (это очень важно, так как в [8] показано, что внезапные выбросы угля и газа обычно происходят на небольшой части выбросоопасного угольного пласта — в среднем менее 1% отрабатываемой площади, а на отдельных участках — до 5%, причём примерно такова же и та доля угольного пласта, которая нуждается в профилактической обработке при условии, что эта обработка эффективна, а средства диагностики точно указывают на опасную часть пласта);

3) постоянно получать в забоях более полную достоверную информацию о газокинетических свойствах угля в разрабатываемых угольных пластах для своевременного принятия мер по обеспечению безопасности по газовому фактору и для совершенствования прогноза внезапных выбросов угля и газа, метановыделения и возможной эффективности применения конкретных скважин для дегазации.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, М.П. Васильчук и др. — М.: изд-во Академии горных наук, 1997. — 463 с.

2. Методы! прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и породы / Ю.Н. Малышев, А.Т. Айруни, Ю.Л. Худин и др. — М.: Недра, 1995. — 352 с.

3. Эттингер И.Л. Внезапные выбросы угля и газа и структура угля. — М.: Недра, 1969. — 160 с.

4. Радченко С.А. Развитие методов и разработка устройств для оценки ме-таноотдачи углей в шахтах на основе газокинетических и тепловых эффектов десорбции метана. — Лис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. — М., УРАН ИПКОН РАН, 2008. — 369 с.

5. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционно-кинетиче-ского показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород // Газопылеэлектробезопасность горных работ. — М.: ИПКОН АН СССР, 1990. — С.60-68.

6. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Совершенствование методов и средств прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольных пластов // Горный журнал. — 2007. — № 11. — С. 69-72.

7. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples // International Journal of Mining and Geological Engineering. — 1989. — № 7. — P. 101-121.

146

8. Деглин Б.М. Блеск и нищета прогнозирования // Уголь Украины. — 2004. — № 10. — С. 31-35.

9. Патент РФ № 2019706. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г. МКИ Е 21 Р 5/00. — 1994. — Бюл. № 17.

10. Патент РФ № 2034157. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов / Радченко С.А., Матвиенко Н.Г., Никитин Ю.В. МКИ Е 21 Р 5/00. — 1995. — Бюл. № 12.

11. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / И.Л. Эттингер, Н.В. Шульман, И.Б. Ковалева и др. // Химия твердого топлива. — 1981. — № 5. — С. 121-124.

12. Повышенное метановыделение в выбросоопасных зонах пласта — причина снижения его температуры в процессе разработки / И.Л. Эттингер, С.А. Радченко, И.А. Горбунов и др. // Уголь Украины, 1981, № 10. — С. 39-40.

13. Изменение температуры угольного пласта как показатель происходящих в нем механических и физико-химических процессов / И.Л. Эттингер, Г.Д. Лидин, Н.В. Шульман и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1984. — № 5. — С. 65-69. гагсга

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Матвиенко Николай Григорьевич — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, elena-sol@mail.ru

Радченко Сергей Анатольевич — доктор технических наук, профессор кафедры технологии и сервиса ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого», radchenko.s.a.tula@mail.ru

147