Оценка запасов и объемов накопления метана в техногенных газовых коллекторах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 5

© К.Д. Ли, 2002

УДК 622.817.47 + 622.324.5

К.Д. Ли

ОЦЕНКА ЗАПАСОВ И ОБЪЕМОВ НАКОПЛЕНИЯ МЕТАНА В ТЕХНОГЕННЫХ ГАЗОВЫХ КОЛЛЕКТОРАХ

В

процессе ведения очистных работ вокруг горной выработки образуется зона разгрузки, которая имеет вид эллипсоида и охватывает угленосную толщу на определенном расстоянии от разрабатываемого пласта [1]. По восстанию и падению эта зона ограничивается углами разгрузки, а по простиранию начинается на некотором расстоянии позади очистного забоя и продвигается вслед приблизительно с одинаковой с ним скоростью. Протяженность зоны активной газоотдачи смежных угольных пластов в основном определяется шагом обрушения основной кровли и в первом приближении ее можно принять равной 4-6-кратной его величине.

Высота зоны разгрузки Нр представляет собой предельное значение радиуса дегазирующего влияния под- или над-работки и равно расстоянию по нормали между разрабатываемым и смежным пластами, при котором метановыделе-ние из последнего равно нулю. Согласно [2] для условий подработки угольных пластов Нр определяется по формуле: Нр = ку.к-тв-(1,2+^ а), м, (1)

где кук - коэффициент, зависящий от способа управления кровлей, ку.к=40- для условий Карагандинского бассейна; тв - вынимаемая мощность разрабатываемого пласта, м; а -угол падения пласта, град.

При этом,

Нр<0,51л^у, (2)

где 1л - длина лавы, м; у - угол разгрузки, град.

При надработке пологих и наклонных угольных пластов Нр = 35 м при тв до 3,5 м, и Нр = 50 м - при тв более 3,5 м. При угле падения более 450 и тв более 3,5 м Нр = 100 м.

Как известно [3], основной эффект надработки и особенно подработки угольных пластов заключается в частичной разгрузке от горного давления угольного и породного массивов, возникновении растягивающих усилий, раскрытии тектонических, эндогенных и кли-важных трещин и макропор и образовании эксплуатационных трещин, что повышает газоотдачу смежных угольных пластов на 2-4 порядка по сравнению с природной. При этом происходит образование практически единой газопроводящей системы.

Кроме того, следует учитывать, что по мере удаления от разрабатываемого пласта степень дегазации смежных пластов уменьшается и для инженерных расчетов можно принять, что зона влияния под- или надработки в пределах области активной дегазации

вмещающих толщ распространяется по нормали от границ очистной выемки. Между дегазируемым и недегазируемым угольными массивами смежного пласта не существует постоянной и четкой границы, так как степень дегазации смежного угольного пласта по восстанию и падению у верхней и нижней границ очистного забоя увеличивается постепенно, а границы дегазирующего влияния во времени расширяются, в результате чего в зону частичной дегазации попадает угольный массив, залегающий по восстанию выше и по падению ниже плоскости, нормальной к напластованию пласта у границ очистного забоя. В тоже время угольный массив между этими нормальными плоскостями и плоскостями, ограниченными углами обрушения, дегазируется в меньшей степени. Поэтому при инженерных расчетах зон дегазации следует брать средние размеры дегазируемой площади на смежных пластах.

Институтом ИПКОН разработана методика определения запасов метана в техногенных газовых коллекторах, образовавшихся при отработке угольных пластов в пределах выемочных полей, участков.

В первую очередь определяют запасы метана в угленосной толще до начала отработки в пределах расчетной области разгрузки, высота которой определяется по формулам (1) и (2).

Общие запасы метана в ТГК равны:

Q сн4=Ош^сп+Овп., тыс. м3, (3)

где Qпл. - запасы метана в разрабатываемом угольном

пласте,

Qпл=А•Х, (4)

здесь А - запасы угля в пределах выемочного столба, тыс. т; Х - природная газоносность разрабатываемого пласта, м3/т; Qсп. - запасы метана в смежных угольных пластах в пределах зоны разгрузки:

^сп= 'К&т , (5)

1

где Qсш - запасы метана в 1-м смежном пласте, тыс. м3,

Qспi Аст •Хспъ (6)

где Асп1 - запасы угля в 1-м смежном пласте, тыс. т; Хсп1 - природная газоносность 1-го смежного пласта, м3/т; к - количество смежных пластов в пределах зоны разгрузки; Qвп - запасы метана во вмещающих породах.

Ош= 2 АП1 ■ ХП1 ■ у П1, (7)

1

где п - количество слоев вмещающих пород в пределах зоны разгрузки; Ап1 - объем вмещающих угольный пласт пород в 1-м слое, тыс. м3; Хп1 - природная газо-

носность 1-го слоя вмещающих пород; гш - объемный вес породы 1-го слоя, т/м3.

Затем определяют количество метана, которое было извлечено при отработке угольного пласта в пределах выемочного столба.

Q СН4=Qуг.+Qпров.+Qдег, тыс. м , (8)

где Qyг. - количество метана, извлеченного с добытым углем;

Оуг=А'-Х\ (9)

где А' - количество угля, добытого при отработке выемочного столба, тыс. т; Х' - газоносность угля, выданного за пределы выемочного участка, м3/т; Qпров. -количество метана, удаленного вентиляцией за пределы выемочного участка,

Qпров= Qв•с, (10)

где Qв. - общее количество воздуха, поданное для проветривания очистного забоя в период отработки выемочного столба, тыс. м3; с - средняя за период отработки выемочного столба концентрация метана на исходящей струе выемочного участка; 0,ег- количество метана, извлеченного из разрабатываемого пласта и выработанного пространства средствами дегазации за период отработки выемочного столба.

Тогда, запасы метана в пределах техногенного газового коллектора, образовавшегося при отработке выемочного столба, составят:

^ СН4= Q СН4- Q'сн4, тыс. м3, (11)

При этом, с учетом технической возможности извлечения метана современными средствами извлекаемые запасы метана в техногенном газовом коллекторе составят (0,6-0,7) Q0 сн4.

Ориентировочную оценку запасов метана в техногенном газовом коллекторе можно провести следующим образом: определяют запасы метана в угленосной толще до начала отработки пласта по формулам (3-7).

Согласно [4] при разработке угольных пластов средствами дегазации извлекается 10-15 % метана в пределах дегазирующего влияния, 20 % - удаляется вместе с добытым углем, 35-30 % - выбрасывается в атмосферу вентиляцией.

Таким образом, в недрах остается около 30 % от общего количества метана.

При этом извлекаемые запасы составят при условии использования современных технических средств и передовых технологий дегазации при соблюдении требований к охране недр и окружающей среды примерно 20 % от общих запасов метана.

По предлагаемой нами методике выполнен расчет запасов метана в техногенном газовом коллекторе, образовавшемся при отработке лав 42-47-К^-1,2-З на поле шахты им. Костенко УД ОАО "Испат-Кармет".

Результаты расчетов показывают, что из ТГК, образовавшегося при отработке пласта К12 на западном крыле шахты им. Костенко, можно извлечь около 68

млн м метана. При расчетном дебите газа в 5,0 м3/мин из одной скважины этих запасов хватит на 6 лет непрерывной работы в случае одновременного извлечения метана через четыре скважины.

Укрупненный расчет запасов метана в старых выработанных пространствах в пределах поля б. шахты им. 50-летия Октябрьской революции показывает, что они составляют порядка 400 млн м3. При расчетном дебите газа в 10,0 м3/мин из одной скважины и нахождении в одновременной работе четырех скважин можно в течении двадцати лет ежегодно извлекать около 20 млн м3 метана с концентрацией 60-70 %.

Объемы накопления метана в старых выработанных пространствах можно рассчитать путем суммирования газовыделения из отдельных источников.

Основными источниками выделения и последующего накопления метана в выработанном пространстве являются: эксплуатационные потери угля в оставленных пачках по площади очистных работ, смежные угольные пласты и пропластки, газоносные вмещающие породы в пределах зоны разгрузки.

Суммарное количество газа, выделяющегося из оставленных угольных пачек за период отработки выемочного столба, равно:

Qyп= (Х-Х0>Ауп, тыс. м3, (12)

где Х, Х0 - соответственно природная и остаточная газоносность угля разрабатываемого пласта, м3/т; Ауп -суммарные потери угля в выработанном пространстве, тыс. т.

Общее количество метана, выделяющегося из смежных пластов в выработанное пространство разрабатываемого пласта, определяется по формуле:

@сп - 2^™ (хп - Х°ст)1 -Щ/Нр)•

Ас

тыс. м

(13)

где тп - мощность 1-го смежного пласта, м; уп - объемный вес угля 1-го смежного пласта, т/м3; Х°сп1 - остаточная газоносность 1-го смежного пласта после продолжительной его под- или надработки, т/м3; Н1 -расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до 1-го смежного пласта, м.

Общее количество газа, которое выделится из газоносных вмещающих пород за период отработки выемочного столба, равно:

2п-2

тп

Хп

1

Нп

Н,

• Апг -Уп1, тыс. м3, (14)

где тп - мощность 1-го слоя вмещающих пород, м; Нп -расстояние по нормали от разрабатываемого пласта до 1го слоя вмещающих пород, м.

Общее количество метана, выделяющегося в выработанное пространство разрабатываемого пласта за период отработки выемочного столба, составит:

Q= йуп+ Я.сп+ Я.п = (Х-Х°) Ауп +

в

т

в

у—ст_. {хспі _ Х°спі)' {і _ Ні/Нр)' Аспі

і —в П — •

+ у —пьХ

¿.и лп

і —в

г \

і _ Нпі Н„

' Апі ' 7пі

(15)

Результаты расчетов показывают, что основное количество метана в выработанное пространство выделяется из смежных угольных пластов (около 50 %), га-

зовыделение из оставленных угольных пачек и вмещающих пород примерно одинаковое и составляет в среднем 25%. Данная структура газовыделения в выработанное пространство обусловлена тем, что до начала отработки пласта кі2 были отработаны вышележащие пласты кі3, к14.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колмаков В.А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. - М.: Недра, 1981.

2. Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания

действующих угольных шахт. - М.: Недра, 1975.

3. Петухов ИМ., Линьков А.М., Фельдман И.А. и др. Теория защитных пластов. -М.: Недра, 1976.

4. Временные методические указания к геолого-экономической оценке и подсчету запасов метана в угольных пластах. - М.: Недра, 1987.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ли К.Д. - кандидат технических наук, ЗАО «ИПКОН» МОН РК.