CC BY
23
УДК 622.121.54
М.С. Плаксин (младший научный сотрудник УРАН Институт угля и углехимии СО РАН)
A.А. Рябцев (ведущий инженер УРАН Институт угля и углехимии СО РАН)
B.А. Сухоруков (д-р техн. наук, профессор ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»)
Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана
Приведены результаты совершенствования методов регионального и локального прогнозов газодинамической активности пластов и обоснования необходимых значений коэффициента их дегазации.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН №60 2010 г. и проекта РФФИ 10-05-98009 р_сибирь_а.
Ключевые слова: ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ, ДЕСТРУКЦИЯ УГЛЯ, РЕГИОНАЛЬНЫЙ И ЛОКАЛЬНЫЙ ПРОГНОЗЫ, УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
Из опыта горных работ известно, что проведение выработок по газоносным угольным пластам сопровождается динамическими притоками метана. Их причиной является реализация энергии углегазоносного массива, провоцируемая технологическими операциями в условиях неравномерности свойств и напряженно-деформированного состояния.
Наиболее опасные газодинамические явления в шахтах - внезапные выбросы угля и газа. Это быстропротекающие лавинообразные процессы разрушения угольного пласта и выноса измельченного угля газом в выработку. По своей природе они носят характер катастроф, характеризующихся большими объемами разрушений пласта, выделением значительного количества метана, а также повышенным травматизмом горнорабочих.
Выбросы угля и газа известны более 160 лет, и до настоящего времени проблема внезапных выбросов является одной из важнейших для угольной промышленности многих стран. Первые внезапные выбросы угля и газа в Кузбассе зарегистрированы в горных выработках шахты «Северная» в 1943 году. В настоящее время зарегистрировано более 700 случаев внезапных выбросов угля и газа на шахтах России.
Основой предупреждения этих природно-технологических явлений являются:
- региональный прогноз - оценка газодинамической опасности пластов в пределах месторождений и горных отводов шахт;
- локальный прогноз - установление критических выбросоопасных глубин ведения горных работ в пределах выемочных полей.
Для их выполнения наиболее удобно использовать обобщенный критерий, учитывающий совокупное влияние основных факторов, определяющих газодинамическую опасность. В этом качестве достаточно удобен показатель газодинамической деструкции [1], обобщающий влияние глубины залегания, газоносности, выхода летучих веществ и прочности угля и тем самым обеспе-
чивающии количественное зонирование углеметанового пласта по потенциальной склонности к саморазрушению:
Г . „ \ 0,830
К = 0,05
АН
.1 (1 + ВН )
(1)
где А - предельная метаноемкость, м3/т; Н - глубина залегания пласта, м;/- коэффициент крепости угля по М.М. Протодьяконову; В - коэффициент метаноносности, 1/МПа.
Региональный прогноз
Разрабатываемый метод регионального прогноза позволяет на стадии оценки перспективности месторождения сделать заключение о влиянии газового фактора на уровень выбросоопас-ности пластов. Суть метода заключается в следующем.
Ведение горных работ по пласту приводит к снижению в нем напряжений. Следствием этого является распад углеметанового вещества - твердого углегазового раствора. Энергия распада твердого раствора формирует новую удельную поверхность в твердой компоненте угля [2] и, как следствие, обусловливает диспергирование угля за фронтом волны снижения напряжений до частиц, способных перемещаться в потоке расширяющегося газа. Соответствие значений показателя Пд природно-технологическим условиям видно на рисунке 1.
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Б000 6500
Рисунок 1- Карта значений показателя газодинамической активности Пд пласта 3 Чертинского месторождения
Отметим, что изолинии показателя не только количественно отображают ранее известные качественные тенденции, но и соответствуют фактической выбросоопасности по силе внезапных выбросов угля и газа (рисунок 2) на Чертинском и Березово-Бирюлинском месторождениях Кузбасса.
А ш. Чертинская ■ ш. Первомайская Р (Пд)
Рисунок 2 - Зависимость массы выброшенного угля Р от показателя газодинамической
активности в зоне выброса На рисунке 1 пунктирная изолиния соответствует газоносности 9 м /т - именно той величине, которая принята в 2007 году для угольной промышленности России как безопасная. Из карты на рисунке 3,а видно, что для данных условий она, безусловно, занижена. Фактически допускаемая газоносность по фактору выбросоопасности для этого пласта составляет около 17 м3/т.
При большей газоносности требуется ее снижение до определенного уровня, т.е. необходима предварительная дегазация пласта по фактору предотвращения внезапных выбросов. По установленной зависимости (1) можно определить допускаемую газоносность пласта и, соответственно, необходимые значения коэффициента дегазации (рисунок 3,б). Отметим, что эти значения достаточно близки к технически достижимым.
Разность значений природной и допускаемой газоносности пласта определяет ресурс использования попутного метана, каптаж которого обязателен по условию безопасного ведения горных работ. Затраты на его извлечение входят в себестоимость добываемого угля, и стоимость дальнейших работ по использованию газа, например в целях производства тепло- и электроэнергии, минимизируется. Следовательно, целенаправленные действия по предотвращению опасности наиболее грозных природно-технологических явлений в угольных шахтах средствами дегазации являются оправданными и в экономическом плане комплексного использования природных ресурсов. Заблаговременное определение ресурсных показателей создает основу мотивации инвестиций в совершенствование технологий подземной отработки высокогазоносных угольных пластов, в которых сосредоточены основные запасы Кузнецкого бассейна.
О - места внезапных выбросов угля и газа Б - сила выброса по углю, т Q - количество выделившегося газа, куб. м. ▲ - геологоразведочные скважины
Рисунок 3 - Карты газоносности (а) и необходимых значений коэффициента дегазации (б) пласта 3 Чертинского месторождения
Локальный прогноз
По картам регионального прогноза (рисунок 1) стоят графики локального прогноза по трассам проведения подготовительных выработок (рисунок 4), характеризующие линейные изменения показателя газодинамической деструкции, что и служит основой для выявления опасных интервалов подвигания забоя и проектирования соответствующих технологических решений. Поскольку карты этого показателя строятся по геологоразведочным данным, полученным при небольшой плотности сетки скважин, картина прогнозируемой опасности требует уточнения. Например, большая часть мелкоамплитудных геологических нарушений, всегда сопутствующих внезапным выбросам, регистрируется уже в процессе проведения выработки. Для их заблаговременного выявления в настоящее время активно развиваются соответствующие методы геофизики, но их широкое (для каждого подготовительного забоя) применение с необходимой для горной практики разрешающей способностью следует отнести на отдаленную перспективу. Однако отличительной особенностью следствий тектонических процессов любого масштаба является изменение коэффициента крепости угля в зонах их влияния и газокинетических свойств пласта, вследствие чего изменяются не только значения показателя (1), но и динамика метанообильности выработки. В части показателя (1) эта ситуация отражена на рисунке 4, где выработка пересекает три нарушения различной протяженности
Рисунок 4 - Влияние изменений свойств пласта на значения показателя газодинамической деструкции Кд по трассе проведения подготовительной выработки
Чем выше газодинамическая активность приконтурной части пласта, тем больше скорость реализации его газовой компоненты и выше метанообильность выработки. При проведении выработки в качестве показателя уровня газодинамической активности приконтурной части пласта принято отношение фактической суточной метанообильности выработки к количеству газа, содержащегося в пласте в пределах сечения выработки на интервале суточного подвигания забоя.
Перспективность предложенного метода можно оценить в сравнении изменений доли реализации газового потенциала зоны пласта по трассе проведения подготовительных выработок, оконтуривающих выемочный столб, с картой зон нарушенности пласта, полученной НЦ ВостНИИ методом электрометрии. Из рисунка 5 следует, что принятый критерий не только выделил интервалы повышенной нарушенности в выработках (верхний график), но и те участки, которые не были выявлены методом электрометрии (нижний график).
Деля реализации галевеге потенциала отрабатываемого пласта при проведении кои в (керно го штрека 351
■т —I—
Доля реализации газового потенциала отрабатываемого пласта при проведении вентиляционного штрека 351
- нар) игаиш гш данным чнектрометрн«
- тона ПГД
- дн 1ъюнктнвные нарушения
Рисунок 5 - Доля реализации газового потенциала при проведении вентиляционного и конвейерного штреков № 351 и карта коэффициента крепости угля в оконтуренном ими выемочном столбе
□ □
□
Таким образом, совместное применение методов регионального и локального прогнозов при условии единства их физической основы позволяет повысить надежность прогноза и контроля ситуаций, а также может рассматриваться как доразведка выемочного столба для выявления газодинамически активных зон при ведении горных работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Оценка следствий газодинамической деструкции углеметановых геоматериалов / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, Е.С. Селюкина, В.Б.Фенелонов, М.С. Мельгунов // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: материалы конференции (с участием иностранных ученых). - Новосибирск, 2008. - С.7.
2 Газодинамическая опасность угольных пластов и деструкция частиц угля как следствие энергии распада углеметана / Т.А. Киряева, М.С. Плаксин, А.А. Рябцев, Р.И. Родин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2009. -№2. - С. 20-24.
EVALUATION OF METHANE CONTAINING COAL SEAMS GAS-DYNAMIC ACTIVITY AT MINING WORKS AND PLANNING OF ASSOCIATED METHANE EXTRACTION
M.S. Plaksin, A.A. Riabtsev, V.A. Suk-horukov
The results of regional and local forecast of coal seams gas-dynamic activity and justification of the necessary gas extraction factor are presented.
The work is done with financial support of SO RAN integration project No. 60, 2010, and project RFF1 10-05-98009 r_sibir_a.
Key words: GAS-DYNAMIC HAZARD, COAL DESTRUCTION, REGIONAL AND LOCAL FORECASTS,SPECIFIC SURFACE.
Плаксин Максим Сергеевич e-mail: gas coal@icc.kemsc.ru Рябцев Андрей Александрович e-mail: gas coal@icc.kemsc.ru Сухорукое Владимир Афанасьевич Tel/тел. (83843)74-89-91
