CC BY
34
© В.В. Зберовский, 2002
УДК 622.831
В.В. Зберовский
О ТЕОРИИ ПОСЛОЙНОГО ОТРЫВА
ПРИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ
М
етод гидродинамического воздействия (ГДВ), разработанный в ИГТМ НАН Украины под руководством К.К. Софийского [1], отличается от известных тем, что жидкость не нагнетается в пласт, а служит «провокатором» выброса угля и газа из при-скважинной зоны в полость скважины. При этом механизм разрушения интерпретируется на основе теории послойного отрыва, что, по мнению некоторых исследователей [2], принципиально неверно. Кроме этого, в явлении разрушения пористых тел при гидродинамическом воздействии [3], по мнению автора, имеется ряд существенных несоответствий в теоретических и практических результатах исследований.
При проведении работ на больших глубинах, а все исследования горно-экспериментальных работ проводились на глубинах 830-1080 м, установлен ряд особенностей, которые разработанная теория ГДВ не объясняет [4, 5].
Рассмотрим результаты лабораторных и экспериментальных исследований и их соответствие теории послойного отрыва при ГДВ.
Первое - на основании результатов разрушения образцов угля и характера разрушения [1, стр. 63] сделан вывод об их послойном разрушении. Однако анализ результатов показывает, что разрушение образцов кубической формы 50х50х50 на две части составляет 45 %, на три части 24 % и более трех, т.е. на слои, - остальные 31 %. Такой характер разрушения можно объяснить как послойным разрушением, так и усталостным разрушением от циклических нагрузок, а также и саморазрушением под действием импульса обратного инициирования на отрыв или за счет энергии упругих деформаций [6].
Второе - горно-экспериментальные работы показали, что теория послойного разрушения при ГДВ не охватывает все процессы, происходящие в выбросоопасном массиве угля. Кроме отличительных особенностей разрушения углегазовых пластов, приведенных в работах [4, 5], которые несмотря на несо-
Таблица 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГДВ ПРИ ВСКРЫТИИ ПЛАСТОВ
блюдение критериев послойного само-поддерживающегося процесса разрушения, обосновывают эффективность гидродинамического воздействия, рассмотрим следующие.
1. В табл. 1 приведены результаты исследований ГДВ при вскрытии выбросоопасных пластов, на которых было проведено 4 и более вскрытий. Следует отметить, что и на других пластах получены аналогичные результаты (всего рассмотрено 60 вскрытий). Коэффициент извлечения угля рассчитывался по выражению:
М и „ _
масса извлеченного угля, т; -
Ки -
И
Ящіп •т-У
, где Ми -
минимальная площадь сечения пласта в зоне вскрытия с учетом 4 м за контуром выработки, м2; щ - мощность пласта, м; у - объемный вес угля, т/м3.
Показатель дегазации рассчитывался по выражению:
кп - —^------------ ,
^шп - т У *
где УИ - объем выделившегося газа, м3; % - природная газоносность, м3/т.
Как видно из табл. 1, основной критерий оценки эффективности послойного разрушения при ГДВ (извлечение угля в пределах 5-20 %) соблюдается только на 30 %.
2. Пласт щ3 - "Толстый" (шахта им. М.И. Калинина ПО "Артемуголь", участок №41/830, полосы 19,20) отнесен к особо опасным по внезапным выбросам угля и газа; коэффициент крепости угля f - 1,5-1,7; природная газоносность % - 19,1 м3/т. При проведении ГДВ с целью снижения выбросоопасности в нижней части полосы №20 через 4 скважины было проведено 366 циклов воздействия. Ни на одной из скважин послойный самоподдерживающийся процесс разрушения не проявился, т.е. энергетические условия, необходимые по теории ГДВ, не выполнены. В то же время по результатам контроля концентрации метана в откаточном штреке установлено, что через скважины выделилось 21460 м3 газа, а по контролю акустической эмиссии в массиве установлен характер разрушения, соответствующий выбросу угля и газа (ГДЯ). Эффект воздействия явно выраженный. Нижняя часть полосы отработана без проявления газодинамической активности пласта. При работе струга концентрация метана в исходящей струе воздуха из очистного забоя не превышала 0,9 %, а коэффициент эффективности дегазации составил 0,68. Но по теории ГДВ воздействие было неэффектив-
Пласт 1 н І4 — «Девятка» тз—«Толстый» 13 — «Мазурка» к8 — «Каменка» кг1- «Подпяток» Всего
Кол-во вскрытий 11 9 2 2 4 28
3 0 3 2 0 8
Коэфф. извлечения угля 0,02-0,048 0,01-0,048 0,02-0,04 0,03-0,04 0,02-0,045 0,02-0,048
(Ки ) 0,05-0,07 0 0,05-0,11 0,05-0,06 0 0,05-0,11
Показатель дегазации (кп) 0,7 - 1,8 0,7 - 1,5 0, 9 ОО 1 9 4 ,4 1 9 ,9 0, 2 1 6 4^ 0,7 - 1,9
Примечание: в числителе - количество вскрытий и значение КИ при извлечении угля менее 5%; в знаменателе - при КИ >
5%
Таблица 2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОЧНОСТИ ПЛАСТА
Пласт - т3 Полоса №19 Полоса №20
верхняя пачка 1,8 1,9 1,9 1,9 1,9 2,0 1,8 2,0 2,0 1,9 1,9 2,0
нижняя пачка 2,1 2,1 2,1 2,1 2,0 2,1 2,2 2,4 2,3 2,4 2,2 2,1
но, так как нет извлечения угля 5-20 %.
3. На этом же участке проведены измерения прочности угольного массива прочностемером ПК-1 (табл. 2). На полосе №19 в зоне предполагаемого пересечения пласта скважинами и на полосе №20 по сечению пробуренных скважин.
Приведенные в табл. 2 данные представляют среднеарифметические значения по пяти измерениям, которые проводились через 1,5 м по простиранию лавы и через каждые две посадки крепи щитового агрегата. Измерения прочностемером не позволили установить четко выраженную границу зоны разрушения (влияния) скважин. Некоторое увеличение прочности пласта на 0,1-0,3 ед. можно отнести к эффекту упрочнения массива вследствие его дегазации. По сечению лавы угольный пласт представлял более-менее равномерную структуру, без явно выраженных трещин и разрушений.
4. Измерения начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров в щитовой лаве участка №78 пласта 14н - "Девятка" на шахте "Комсомолец" ПО "Артемуголь" (табл. 3) также не позволили установить конкретные границы зоны разрушения массива через скважины.
К результатам приведенным в табл. 3 необходимо добавить, что при замерах скорости газовыделения на глубине до 1,0 м (без продувки) ее значения не превышали 1 л/мин. Контрольные шпуры бурились в предполагаемой зоне пересечения пласта скважинами по средней его части через 1,5 м по простиранию и через две посадки щита по падению.
Из приведенных результатов инструментальных измерений прочности угля, скорости газовыделения и визуального обследования 11 из 17 экспериментальных участков (11 очистных забоев - промышленные испытания способа; 2 забоя - экспериментальные участки; 4 - экспериментальные участки при вскрытии пласта промежуточным квершлагом под щитом) следует, что полости скважины или хотя бы области мягкого или разрушенного угля, обнаружены не были. При этом коэффициент извлечения угля, из расчета г = 10 м составлял 0,02-0,07, а коэффициент дегазации очистного забоя 0,64-0,88.
Третье - результаты исследований газовыделения при ГДВ (табл. 1) и ранее опубликованные, требуют ответа на вопрос, откуда берется газ? По расчетам, при % = 20-30 м3/т, в зоне влияния скважины запасы метана составляют 10-20 тыс. м3, а выделяется в 3-4 раза больше (в некоторах случаях достигает 100 Таблица 3
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАМЕРОВ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ
тыс. м3). Даже если принять снижение газоносности пласта до к = 0,5, то диаметр дегазированной зоны составит 15-20 м. При этом инструментальными измерениями установлено, что при вскрытии пластов зона глубокой дегазации (газовыделение, измеряемое прибором ПГ-2МА, равно нулю) составляет 4-6 м [1]. За 2-3 смены ГДВ и 20-25 суток последействия (свободного га-зоистечения) невозможно дегазировать такой угольный массив до степени дегазации к = 0,64-0,88. Следовательно, нужно предположить, что газ поступает (генерируется, нарабатывается) непосредственно из углегазового вещества.
Авторами работы [7] это явление описывается как термодинамическое разложение твердого углегазового раствора (ТУ-ГРа), а автором [2] как механодинамическое (быстрое) разложение молекулярного ТУГРа и атомарного твердого углеводородного раствора (ТУВРа). Дополнительное количество газа, выделяющегося из массива, в принципе не противоречит теории ГДВ, но изначально ею никак не объясняется из-за принятого механизма "послойного отрыва" (трещины разрушения образуются параллельно поверхности обнажения, т.е. по периметру сечения скважины). Одновременно с отмеченными несоответствиями результаты исследований подтверждают предположение, что при гидродинамическом воздействии в прискважин-ную зону в результате созданного в массиве градиента газового давления на границе раздела сред "уголь-газ" и непрерывного техногенного трещинообразования (приращения прискважин-ной коллекторной зоны) по газовым каналам (трещинам и порам) фильтруются газовые потоки, возникающие при генерации метана углегазовым веществом.
К вышеизложенному необходимо добавить, что выполненные горно-экспериментальные исследования проводились автором одновременно с работами по внедрению метода ГДВ на шахтах центрального района Донбасса. Они имеют малую степень официальной достоверности, так как не отражены в отчетах научно-исследовательских работ в силу того, что не воспринимаются официальной горной наукой, т.е. не подтверждают принятую теорию послойного отрыва (разрушения) пористых тел.
Автор не согласен с утвержденным явлением разрушения пористых газонасыщенных тел при гидродинамическом воздействии [3]: во-первых, из-за несоответствия теоретических и практических результатов в соотношении соответственно 30х70, во-вторых, с заявлением авторов о том, что «полученные закономерности полностью подтверждены многочисленными шахтными экспериментальными исследованиями при создании способа вскрытия ..., способа предотвращения выбросов угля и газа в нижней части полос, отрабатываемых щитовыми агрегатами .» как ответственный исполнитель промышленных испытаний способа дегазации и снижения выбросоопасности в нижней части полос, отрабатываемых
№ шпу- Кол-во Глубина Время после про- Скорость газовыде-ления,
ра замеров шпура, м дувки, мин л/мин.
1 6 2,0 0,5 0,73-1,02
3,0 1,0 1,41-2,17
2 6 2,0 0,5 0,65-1,05
3,0 1,0 1,62-2,34
3 6 2,0 0,5 0,7-1,18
3,0 1,0 1,64-2,26
4 6 2,0 0,5 0,81-1,12
3,0 1,0 1,59-2,1
щитовыми агрегатами гидродинамическим воздействием через скважины.
Попытки доказать эффект ГДВ с точки зрения газодинамического (независимого) саморазрушения с генерацией метана углегазовым веществом, а не послойным разрушением до сих пор безуспешны. Основная защищаемая идея - создание сту-
1. . Софийский К.К., Калфакчиян А.П., Воробьев Е.А. Нетрадиционные способы предотвращения выбросов и добычи угля. - М.: Недра, 1994. -192 с.
2. Шестопалов А.В. О технологии промысловой добычи метана из угольных пластов: Сб. научн. трудов НГА №5. Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 18-21.
3. Софийский К.К., Барадулин Е.Г., Мучник Э.И. и др. Явление разрушения пористых газонасыщенных тел при гидродинамическом воздействии: Сб. научн. трудов НГА Украины №3. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - С. 38-41.
4. Зберовский В.В. Особенности газодинамического саморазрушения углегазового вещества при гидродинамическом воздействии через скважины.- Сб. научн. трудов НГА №10. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2000. - С. 49-53.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------
пенчатым режимом гидродинамического воздействия неравновесного геомеханического состояния в прискважинной зоне, провоцирование и поддержание газодинамического саморазрушения с формированием коллекторной зоны - запатентована как способ шахтной добычи газа, патент Украины №21773 (приоритет от 30.01.1995 г.).
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Зберовский В.В. Обоснование метода и параметров активной дегазации выбросоопасных угольных пластов на больших глубинах.-Науковий Вісник НГА України №1, 2000. - С. 28-32.
6. Борисенко А.А. Исследование механизмов разрушения угля
энергией газа при внезапных выбросах/Выбросоопасность угольных пластов. Научн. сообщения, вып. №186.-М.: ИГД им.
А.А.Скочинского, 1980. - С. 79-83.
7. Малышев Ю.Н. Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Издательство Академии горных наук, 2000. - 519 с.
Зберовский В.В. — ИГТМ НАН Украины, г. Днепропетровск.
