CC BY
13
УДК 622.411.33
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ПОТЕНЦИАЛА
ВМЕЩАЮЩЕГО МАССИВА CARRYING MASSIF GAS POTENTIAL DISTRIBUTION AUTOMATED ESTIMATION METHODICAL GROUNDS
Е. Н. Козырева - канд. техн. наук, заведующий лабораторией ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
А. А. Рябцев - ведущий инженер ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
О. В. Граничева - ведущий инженер ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
М. С. Плаксин - канд. техн. наук, старший научный сотрудник ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
Е. В. Леонтьева - младший научный сотрудник ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
Р. И. Родин - младший научный сотрудник ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»РАН)
Ye. N. Kozyreva - candidate of technical sciences, laboratory head of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia A. A. Riabtsev - leading engineer of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia
O. V. Ganicheva - leading engineer of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia
M. S. Plaksin - candidate of technical sciences, senior researcher of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia
Ye. V. Leontieva - junior researcher of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia
R. I. Rodin - junior researcher of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia
Рассмотрены требования к формированию и эксплуатации электронных баз геологоразведочных данных горного отвода шахты. Изложены основы метода автоматизированнойоценкигазовыхпотенциаловвмещающегомассиваирезультаты численного моделирования их распределения по площади и глубине горного отвода и в пределах выемочных участков. Приведен алгоритм расчета и примеры построения компьютерных карт газовых потенциалов, проанализирована их изменчивость при различном порядке отработки пластов, в том числе при слоевой системе разработке, при различных размерах выемочных столбов. Полученные результаты применимы как нормативно-методическое обеспечение при планировании и развитии горных работ на угледобывающих предприятиях, для рационального планирования комплексной добычи угля и метана, а также для прогноза динамики метанообильности выемочных участков в различных горно-геологических условиях.
Работа выполнена при финансовой поддержке комплексной программы СО РАН № II.2 (0352-2015-0306).
Demands to the mine lease area computer geological survey database forming and operation are reviewed. The carrying massif gas potential automated evaluation method basics and numerical modeling results of their distribution along the area and depth of the mining lease and inside the extraction section are described. The algorithm of the calculation and examples of computer gas potential maps plotting are given, their variability was analyzed under different order of seams working out, including the layer system development, with different sizes of excavation pillars. The results are applicable as normative and methodological support in the planning and development of mining operations of coal mines, for rational planning of simultaneous coal and methane extraction, as well as for methane inflow dynamics forecast at coal extraction sections with different mining and geological conditions.
The work is fulfilled with financial support of the Russian Academy of Sciences Siberian Branch complex program No. II.2 (0352-2015-0306).
Ключевые слова; БАЗЫ ДАННЫХ, РЕСУРСЫ МЕТАНА, АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОЦЕНКА, ГОРНЫЙ БЛОК, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК
Key words; DATABASE, METHANE RESOURSES, AUTOMATED EVALUATION, MINE BLOCK, EXTRACTION SECTION
20
В современных условиях идет интенсивное развитие добычи угля на месторождениях, горно-геологические условия которых позволяют достигать высоких нагрузок (до 20 тыс. т угля в сутки с одного очистного забоя), обеспечивающих рентабельную работу шахт. Однако для повышения темпов угледобычи требуется внедрение не только современных высокопроизводительных машин и механизмов, но и соответствующих автоматизированных систем обеспечения их ритмичной и безопасной работы. Значительный резерв в повышении производительности шахт лежит в разработке оперативных методов прогноза и контроля газопроявлений, а также новых методов планирования комплексной добычи угля и метана.
Действующие в отрасли нормативные документы, разработанные в 80-х годах прошлого столетия на основе широкомасштабных осреднений как горно-геологических, так и горнотехнологических факторов, в современных условиях недостаточно адаптированы к возросшей динамике газовыделения, связанной, прежде всего, с повышением нагрузок на забои и значительным увеличением глубины разработки и площадей выемочных столбов. Сложившаяся ситуация требует принятия мер по изменению порядка планирования и развития, научно-технического и нормативно-методического обеспечения горных работ.
Для реализации этой задачи в Институте угля СО РАН (ИУ СО РАН) (сегодня входящего в ФИЦ УУХ СО РАН) разрабатываются методические [1-5] и технические [6, 7] основы единой (в рамках одного предприятия) адаптивной автоматизированной системы прогноза и контроля газопроявлений в угольных шахтах (АдАСП ГП). Ее техническая основа - непрерывно действующая на шахте автоматизированная система аэрогазового контроля. Предлагается дополнить эту систему компьютером, на который в заданном формате будет поступать оперативная информация о скорости подвигания забоя, ме-танообильности выработок в основных точках замера вентиляционной сети, а также данные дегазационных установок и вентиляционных журналов. Их обработка в непрерывном режиме выполняется соответствующими программами по методам ИУ СО РАН в неразрывном единстве с соответствующей базой геологоразведочных данных. Преимущество такого подхода заключается в том, что на основе развивающихся при ведении горных работ информационных массивов выполняется оперативная обработка геолого-
маркшейдерской информации и данных газового контроля, соответствующая возможностям действующих на шахтах электронных систем. При этом АдАСП ГП обладает качественно новым уровнем программного обеспечения - не только контроль, но и прогноз газовой обстановки как на стадии проектирования, так и ведения горных работ. Только в этом случае с достаточной степенью надежности гарантируется ритмичная работа при проведении подготовительных выработок и по мере движения очистного забоя. Наибольшая надежность достигается при работе систем отдельных участков и шахт в единой компьютерной сети с формированием общей базы данных.
Одним из модулей АдАСП ГП является метод оценки и распределения по площади и глубине горного отвода газовых потенциалов. Поэтому особое внимание уделяется обоснованию требований к формированию и эксплуатации электронных баз геологоразведочных данных горного отвода шахты.
Условия залегания пластов и свойства массива горных пород устанавливаются по данным геологоразведочных скважин, находящихся в пределах и непосредственной окрестности рассматриваемого участка месторождения. Подготовка исходных данных заключается в снятии горно-геологических данных (отметка устья скважины, стратиграфии залежи, природных значениях газоносности, зольности, влажности, выхода летучих веществ пластов) с геолого-газовых разрезов по вертикальным линиям, проходящим через устья скважин. Базы геологоразведочных данных формируются в виде электронных таблиц в заданном формате. Базы создаются по месторождениям с возможностью выбора соответствующих участков как по горному отводу, так и по выемочным столбам.
Информация по всем скважинам на рассматриваемом участке месторождения, сформированная в единую таблицу, является электронной базой геологоразведочных данных участка горного отвода для расчета газового потенциала и анализа изменчивости вмещающего массива.
Газовый потенциал вмещающего массива - природные ресурсы метана в пределах заданного контура участка горного блока. Рассчитывается на единицу площади горизонтальной поверхности или на тонну угля отрабатываемого пласта.
Расчеты выполняются для каждого рабочего пласта и пласта-спутника по всем скважинам (от дневной поверхности до нижнего пласта в свите или для интервалов глубин, задаваемых пользователем) с последующей интерполяцией
полученных значений по площади рассматриваемого горного блока. Результаты представляются в виде компьютерных карт требуемых характеристик выемочного поля шахты в целом или выемочного участка в отдельности. Анализ карт позволяет с учетом изменчивости газокинетических свойств выявить области массива с повышенным газовым потенциалом, установить особенности его газокинетической реакции на ведение горных работ, включая порядок отработки пластов в свите, а также выполнять оценку перспективности проектируемых участков по добыче угля и извлечению газа.
Алгоритм расчетов
1. С использованием данных геологоразведочных скважин рассчитываются газовые потенциалы угольных пластов. Для их нахождения все пласты прономерованы по порядку от 1 до N в каждой скважине. При этом i - порядковый номер пласта (пласта-
спутника), i = 1.....N к - порядковый номер
скважины.
2. Удельный газовый потенциал /-го угольного пласта (пласта-спутника) в прямоугольной призме с основанием 1 м2 оценивается из соотношения
мз/м2.(2)
где х. - природная метаноносность пласта, м3/т с.б.м.;
х0 - остаточная метаноносность угля, определяемая в зависимости от выхода летучих веществ, м3/т с.б.м.;
ш. - мощность пласта, м; р - плотность угля, т/м3; Ас - зольность, %; Ж/ - влажность, %;
N - количество пластов (пропластков) в скважине, шт.
3. Удельный суммарный газовый потенциал пластов (пластов-спутников) в А-той скважине: х
Г^-^Г^.мз/м*. (2)
14
4. Пересчет газового потенциала пласта (пласта-спутника) на размерность кубический метр газа на тонну угля разрабатываемого пласта выполняется по выражению
:., - . м3/т, (3)
где шр - мощность разрабатываемого пласта, м.
5. Учитываем порядок отработки пластов в свите. Поправка на предварительную отработ-
ку пластов состоит в следующем. Если пласт был предварительно отработан, то в формуле (1) величина газового потенциала этого пласта принимается равной 0. Тогда газовый потенциал, оставшийся в подработанных и надработанных пластах (Гост/1), определяется в зависимости от расстояния по нормали между разрабатываемым и /-тым пластом
где к. - разница значений глубин разрабатываемого и /-го пласта (пласта-спутника), м; Нр - глубина разрабатываемого пласта, м.
6. Расчет общего газового потенциала массива (Г) выполняется для каждого интервала глубин отдельно. Это либо сканирование по заданным горизонтам, либо газораспределение в целом для структурных составляющих массива (отрабатываемый пласт, подрабатываемый и надрабатываемый массивы).
7. Картирование результатов расчетов выполняется по координатам имеющихся на горном отводе геологоразведочных данных методом пространственного моделирования.
Пример расчетов
Ниже приведен пример расчета газового потенциала по формулам (1) - (4) и оценки его распределения, выполненные для верхней группы пластов угленосного отложения на Алардин-ском месторождении каменного угля в Кузбассе, разработка которых ведется филиалом «Шахта «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь». В пределах рассматриваемого Центрального горного блока шахты залегают 11 пластов. Коэффициент угленосности составляет 20 %. Пласты верхней группы в основном средней мощности и мощные. Отрабатываемые в настоящее время пласты 3-3а и 6 являются наиболее мощными (до 10,6 м) и для них принята система разработки наклонными слоями (НСО) с самостоятельной выемкой каждого слоя и оставлением пачки угля в кровле II слоя. Размеры выемочных участков зависят от гипсометрии, мощности пласта и расстояния между уклонами, ограничивающими поле. Длина лав по падению изменяется от 200 до 225 м, а по простиранию от 850 до 2500 м.
В пределах рассматриваемого горного блока шахты имеются данные по 72 геологоразведочным скважинам 9 разведочных линий. По этим данным сформирована электронная база геологоразведочных данных горного отвода шахты. Фрагмент исходной информации представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Фрагмент горно-геологических данных по горному блоку шахты «Алардинская»_
Скважина Пласт
Номер, № Координаты Абсолютная отметка устья Z, м Номер Мощность m, м Глубина залегания H, м Природная ме-тано-но-скость X, м3/т с.б.м. Выход летучих Vf % Зольность A , % c' Влажность W, %
Север X, м Восток Y, м
5065 4490 2230 510 1 1,33 571,6 23,4 18,2 15,4 1,7
3-3а 4,64 610,6 25,0 17,9 20,2 1,6
301 0,40 628,0 25,3 17,7 13,0 1,6
6 7,69 666,2 26,2 17,4 17,0 1,5
7 1,60 693,6 27,2 17,2 13,0 1,4
9 7,45 705,2 27,2 17,1 13,0 1,4
а) при различном порядке отработке пластов
На рисунках 1-3 представлены компьютерные карты газового потенциала массива до начала ведения горных работ и в результате последовательной отработки пластов 3-3а и 6. Из представленных карт следует, что принятый порядок отработки пластов в свите снижает газовый потенциал массива после отработки пласта 3-3а на ~30 %, а после отработки пласта 6 еще на ~35 %. Причем изменчивость газовых потенциалов очень значительна не только по площади всего горного блока, но и в пределах выемочных участков.
На рисунке 4 на примере выемочного участка 6-1-15 показаны значения газовых потенциалов по оси столба, полученные методом трассирования. Установленные особенности из-
IJOU 15» iusa isw ИМ ЭМО ЧЧ» 4И» SW» чягтш.
Рисунок 1 - Компьютерная карта газового потенциала массива (Г, м3/т) (пласты не отработаны)
10И 1WÍ TWU I5W 3*4 JW» Щ9Ч «1И
Рисунок 2 - Компьютерная карта газового потенциала массива (Г, м3/т) после отработки пласта 3-3а
■ г. Г- в"
\ \ Irl * W 1
wJI
1ИВ 2ИР ЗИП ЗИЮ чцо <ЯН ячи лччлмь
Рисунок 3 - Компьютерная карта остаточного газового потенциала массива (Г, м3/т) после отработки пласта 3-3а и I слоя пласта 6
менчивости потенциалов накладывают весьма высокие требования к планированию ведения горных работ и к мероприятиям по управлению газовыделением.
б) при различных размерах выемочных столбов
В таблице 2 представлены значения газовых потенциалов массивов в пределах выемочных участков после отработки пластов 3-3а и 6. Участки расположены в юго-восточной части рассматриваемого горного блока и имеют разные геометрические размеры. Данные из таблицы свидетельствуют об изменчивости природных свойств массива, в котором можно выделить участки, где газовый потенциал наиболее высок, либо места с пониженным газосодержанием.
Как видно, уже природные особенности затрудняют предвидение следствий технологических решений по нормативным методам, как на стадии проектирования горных работ, так и их ведения. Попытки прогноза их газокинетических следствий по некоторым средним значения при-
ведут к ошибке. Требуется учитывать изменчивость свойств газоносного геоматериала, как по длине выемочного столба, так и по длине лавы. Тем более, что современные выемочные участки проектируются с длиной лав до 300 м и с длиной выемочных столбов в несколько километров. в) при слоевой системе отработки Как следует из таблицы 2, средняя мощность пласта 6 составляет 8 + 9 м. Планируется, что он будет отрабатываться в I слой, мощностью 4,5 м, с оставлением пачки угля в кровле II слоя. При такой системе отработки и с учетом предварительной отработки пласта 3-3а значительно снижается природная газоносность подрабатываемых и надрабатываемых пластов. А с учетом неравномерного газоистощения отрабатываемого пласта и мощности пород между пластами 6 и 7, метанообильность выемочных участков по верхнему слою пласта 6 (например, лава 6-1-11) на 40 + 45 % будет определяться газоносностью самого пласта (рис. 5). При его мощности это накладывает весьма высокие тре-
Таблица 2 - Сравнительные характеристики выемочных участков на горном блоке шахты «Алардинская» и их газовых потенциалов
№ Длина Длина Сред- Значение газового потенциала Пло- Объем
лавы очистного забоя 1 , м он7 вы-емоч-ного столба Ь , м в' няя мощность пласта 6 т , м ср1 мини-маль-ное Г ., тт м3/т макси- маль- ное Г , тах м3/т Среднее Г , м3/т Общее Г, м3/ м2 щадь выемочного участка 5, м2 газа в массиве в пределах выемочного участка V, млн м3
6-1-17 225 650 8 29,6 32,9 31,8 346 146 250 50,6
6-1-11 225 1000 9 24,5 28,9 26,9 330 225 000 73,9
6-1-13 225 1540 8 27,2 36,4 32,1 350 346 500 121,0
1.Л г
ш
199 Ь9
4»
29
5(111
|Н'К1
15(0 »
Рисунок 4 - Изменчивость газового потенциала вмещающего массива по длине выемочного столба 6-1-15 при различном порядке отработки пластов: 1 - пласты 3-3а, 6 не отработаны; 2 - отработан пласт 3-3а; 3 - отработан пласт 3-3а и I слой пласта 6
Рисунок 5 - Изменчивость газового потенциала вмещающего массива по длине выемочного столба 6-1-11 при слоевой системе отработки пласта 6: 1 - отработан пласт 3-3а; 2 - отработан пласт 3-3а и I слой пласта 6
24
бования к качеству его предварительной дегазации при планировании производительности выемочных участков.
Заключение
Необходимость детализации информации о свойствах и состояниях массива горных пород, их газодинамической реакции на процессы угледобычи обусловлена высокой изменчивостью горно-геологических условий при современных технологиях. Техническим службам шахт необходимы соответствующие системы не только контроля ситуаций, но и их предвидения, что требует принципиально нового подхода к формированию и анализу горнотехнологической информации. Определение газового потенциала и его структуры относительно отрабатываемого пласта выполняется для ресурсного обоснования участков горного отвода, на которых возможна добыча метана за пределами влияния
горных работ, и для прогноза метанообильности выемочных участков по геологоразведочным скважинам. С этой целью разработаны методические основы автоматизированной оценки распределения газового потенциала вмещающего массива по площади и глубине горного отвода и в пределах выемочных участков, включающие:
создание электронной базы геологоразведочных данных горного отвода шахты;
расчеты по приведенному алгоритму; построение компьютерных карт по горному отводу и графиков по осям выемочных столбов (в том числе с дифференциацией основных источников метана при движении очистного забоя);
анализ изменчивости газовых потенциалов для прогноза динамики метанообильности выемочного участка при планировании и развитии горных работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Козырева Е.Н., Рябцев А.А. Зависимость динамики метанообильности очистного забоя от свойств отрабатываемого участка месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение МЕТАН. 2006. С. 151-159.
2. Козырева Е.Н., Брюзгина О. В. Компьютерные карты распределения газового потенциала массива для решения горных задач // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2009. № 2. С. 118-121.
3. Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н., Шинкевич М.В. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2012. № 2. С. 20-27.
4. Козырева Е.Н. Газовые потенциалы разрабатываемых участков углеметановых месторождений, особенности их распределения и реализации // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2014. № 1. С. 109-113.
5. Полевщиков Г.Я., Непеина Е.С., Цуран Е.М. Оценка газодинамической активности углемета-новых пластов физико-химическими методами // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. Отдельный выпуск. № 6. С. 259-264.
6. Альков В. И. Скважина для поинтервального гидроразрыва пласта // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2014. № 2. С. 9-12.
7. Гидроразрыв угольного пласта в шахтных условиях как панацея решения газовых проблем шахт (основы разработки и внедрения) / М.С. Плаксин [и др.] // Уголь. 2015. № 2. С. 48-50.
REFERENCES
1. Kozyreva, Ye.N., & Riabtsev, A.A. (2006). Zavisimost dinamiki metanoobilnosti ochistnogo zaboia ot svoistv otrabatyvaiemogo uchastka mestorozdenia [Coal extraction face methane inflow dynamics dependence on coal deposit section properties]. Gornyi Informatsionno-analiticheskii biulleten. Tematicheskoie prilozhenie Metan - Mining Information-Analytical Bulletin, topical addendum METHANE, 151-159. [in Russian]
2. Kozyreva, Ye.N., & Briuzgina, O.V. (2009). Kompiuternyie karty raspredeleniia gazovogo potentsiala massiva dlia resheniia gornykh zadach [Massif gas potential distribution computer maps to solve mining tasks]. Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Safety in Coal Industry Scientific Center Gerald, 2, 118-121 [in Russian].
3. Polevshchikov, G.Ya., Kozyreva, Ye.N., & Shinkevich, M.V. (2012). Povysheniie effektivnosti kompleksnogo upravleniia gazovydeleniem na vyiemochnom uchastke shakhty [Gas emission complex control efficiency increase at a mine coal extraction section]. Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Safety in Coal Industry Scientific Center Gerald, 2, 20-27 [in Russian].
4. Kozyreva, Ye.N. (2014). Gazovyie potentsialy razrabatyvaiemykh uchastkov uglemetanovykh
mestorozhdenii, osobennosti ikh raspredeleniia i realizatsii [Gas potentials of coal-methane deposits under work, their distribution and realization peculiarities]. Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Safety in Coal Industry Scientific Center Gerald, 1, 109-113 [in Russian].
5. Polevshchikov, G.Ya., Nepeina, Ye.S., & Tsuran, Ye.M. (2013). Otsenka gazodinamicheskoi aktivnosti uglemeranovykh plastov fiziko-khimicheskimi metodami [Coal-methane seams gas-dynamic activity evaluation with physico- chemical methods]. Gornyi Informatsionno-analiticheskii biulleten. Otdelni vypusk - Mining Information-Analytical Bulletin, Special issue, 6, 259-264. [in Russian].
6. Alkov, V.I. (2014) Skvazhina dlia pointervalnogo gidrorazryva plasta [A borehole for interval hydraulic seam fracturing]. Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Safety in Coal Industry Scientific Center Gerald, 2, 9-12 [in Russian].
7. Plaksin, M.S., Rodin, R.I., Riabtsev, A.A., Alkov, V.I., Leontieva, Ye.V., & Nepeina, Ye.S. (2015). Gidrorazryv ugolnogo plasta v shakhtnykh usloviiakh kak panatseia resheniia gazovykh problem shakht (osnovy razrabotki I vnedreniia) [Coal seam hydraulic fracturing in mine conditions as a panacea for solving the mine gas problems (development and implementation grounds)]. Ugol- Coal, 2, 48-50 [in Russian].
Горный-ЦОТ
Более 10 лет мы разрабатываем
и производим приборы контроля
параметров безопасности
на правах рекламы
26
