CC BY
116
© М.В. Шмидт, Д.Л. Бокарев, 2006
УДК 622.86
М.В. Шмидт, Д.Л. Бокарев
ПРАКТИКА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ШАХТИНСКОМ РЕГИОНЕ КАРАГАНДИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Угольный пласт Д6 «Кассинский» в Карагандинском бассейне наиболее опасен по газодинамическим явлениям. Всего на шахтах этого бассейна зарегистрировано 52 внезапных выброса угля и газа и 22 внезапных прорыва газа с динамическим разломом почвы выработки. Пять наиболее интенсивных внезапных выбросов угля и газа произошло на пласте Д6 на шахтах им. Ленина и «Казахстанская». Подавляющее большинство внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки также произошло при ведении подготовительных горных работ по пласту Д6 на шахте им. Ленина (21 внезапный прорыв газа).
Угольный пласт Д6 в пределах шахтного поля шахты им. Ленина с глубины 250 м от поверхности отнесен к опасным, а с глубины 320 м - к особовыбросоопасным по газодинамическим явлениям. Защитных пластов пласт Д6 не имеет. Его мощность колеблется в пределах 5-7 м. Пласт имеет сложное строение и может быть разделен на два слоя. Уголь верхнего слоя мощностью 3,4-4,0 м полосчатый, полубле-
стящий, крепостью 0,5-0,7 с эндокливажом вертикального падения, сухой, га разлом хрупкий. Уголь нижнего слоя мощностью 1,0-2,0 м сажистый, крепостью от 0,2 до 0,4, жирный несмачиваемый. Верхний и нижний слой разделяет глинистый водонепроницаемый аргиллит мощностью до 0,2 м.
Природная газоносность пласта Д6 изменяется с глубиной в пределах 14-28 м3/т с.б.м. Отличительной особенностью пласта Д6 на поле шахты им. Ленина является высокое содержание свободного газа при его разгрузке от горного давления. По данным кернового опробования ПО «Центрказ-геология» от 32 до 74 % газа пласта Д6 находится в свободном состоянии, причем в 57 % скважин содержание свободного газа превышает 50 %. В тоже время пласт Д6 в неразгруженном состоянии имеет низкую газопроницаемость по сравнению с другими выбросоопасными пластами Карагандинского бассейна. Коэффициент газопроницаемости пласта Д6 изменяется с глубиной от 0,0060 до 0,0033 мД.
Начальная скорость газоотдачи угля нижнего слоя плата Д6 значительно выше, чем верхнего слоя. Среднее значение начальной скорости газоотдачи наиболее выбросоопасных перемятых пачек нижнего слоя пласта Д6 составляет 20,5 у.е., а максимальное - до 28 у.е. Прочностные свойства угля (коэффициент крепости и прочность угля) нижнего слоя пласта Д6 примерно в 1,5 раза ниже, а коэффициент изменчивости прочности угля нижнего слоя в 5 раз выше, чем верхнего.
Низкие прочностные свойства и высокая начальная скорость газоотдачи угля нижнего слоя пласта Д6 обуславливает его повышенную опасность в отношении газодинамических явлений.
На шахте им. Ленина накоплен большой опыт ведения горных работ по особовыбросоопасным пластам. В различное время при проведении подготовительных выработок были использованы следующие технологические схемы:
• проведение подготовительной выработки по нижней части пласта Д6 с гидроотжимом призабойной части пласта;
• то же, с бурением в забой газодренажных скважин 0 60 -100 мм.
Проведение выработок по нижнему слою пласта сопровождалось существенным снижением темпов из-за сложной
газовой и выбросоопасной обстановки. После того, как произошло несколько внезапных выбросов угля и газа, проходку подготовительных выработок стали вести по верхнему слою пласта Д6 в том числе и с частичной присечкой пород кровли.
Проведение подготовительных выработок по верхнему слою пласта Д6 осуществляли:
- с бурением газодренажных скважин 060 мм и гидроотжимом призабойной части пласта;
- с бурением из ниш длинных дегазационных скважин 0 60 - 80 мм;
- с бурением дегазационных скважин под контур выработки (из параллельной выработки).
Однако, при проведении подготовительных выработок по верхнему слою пласта Д6, начали происходить газодинамические явления, которые в настоящее время квалифицируются как внезапные прорывы газа с динамическим разломом почвы выработки.
Разломы почвы происходят в призабойной части подготовительных выработок и сопровождаются интенсивным га-зовыделением. Высота разломов почвы составляет от 0,4 до 3,0 м. Протяженность до 6-16 м. Максимальное поднятие почвы, как правило, наблюдается под проходческим комбайном на расстоянии 6-10 м от забоя. Поверхность почвы выработки в месте разлома, как правило, разбита крупными трещинами, ширина которых составляет 0,05-0,40 м. Образованные трещинами блоки ослаблены более мелкими трещинами, а их поверхность неровная. Иногда уголь покрыт угольной мелочью из нижней пачки пласта. Разрывные трещины расположены вдоль стенок выработки.
Внезапные прорывы газа с динамическим разломом почвы выработки происходят в зоне действия проходческого комбайна только во время его работы, что свидетельствует о влиянии работы комбайна на формирование опасной ситуации. При увеличении площади обнажения в почве выработки (сопряжения выработок, ниши около забоя и др.) возрастает вероятность этих газодинамических явлений.
С увеличением глубины разработки и газоносности пласта вероятность этих явлений увеличивается. Прорывы газа происходят без предупредительных признаков, только в ред-
ких случаях, за несколько секунд до этого явления, происходит колебание почвы. Прогноз выбросоопасности по верхнему слою (в забое выработки) не выявляет опасности по внезапным прорывам газа, а противовыбросные мероприятия, производимые в забое выработки (гидроотжим, бурение с промывкой и др.), не устраняют этих явлений.
Внезапные прорывы газа с динамическим разломом почвы выработки предположительно имеют следующий механизм. Под действием напряженно-деформированного состояния в почве выработки формируется зона вертикальных деформаций растяжения, способствующая образованию трещин. В слое перемятого угля этот процесс интенсифицируется, особенно на участках под работающим комбайном. Рост трещин приводит к интенсивному притоку в них метана и повышению газового давления. При определенных условиях активные силы превышают прочность угля на отрыв и крепкая пачка, отделенная от перемятого газонасыщенного слоя разрушается с внезапным прорывом газа.
Избежать этого газодинамического явления можно за счет разгрузки пласта от газа.
При анализе рассмотрен опыт проведения подготовительных выработок на протяжении около 10 километров. При этом с бурением газодренажных скважин диаметром 60 мм, длиной 12,5 м из-за комбайна под забой выработки пройдено 4 км. Средняя скорость проходки составила 62,3 м/мес. При данном варианте зарегистрировано 9 внезапных прорывов газа. Частота их проявления составила 2,25 на 1000 м выработки. С бурением из ниш скважин длиной 80 - 100 м, диаметром 60 -80 мм пройдено 5,75 км выработок со средним темпом 72 м/мес. Частота внезапных прорывов газа составила 1,56 на 1000 м проходки.
На основании накопленного опыта для условий шахты им. Ленина в 1985 году была создана технология, основанная на бурении газодренажных скважин большого диаметра (0 250 мм) и в дальнейшем все подготовительные выработки по пласту Д6 проводились только при обязательном выполнении этого мероприятия.
Внедрение этой технологии позволило значительно снизить вероятность внезапных прорывов газа с динамическим
разломом почвы выработки. В настоящее время эффективность газодренажных скважин по предотвращению внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки в условиях пласта Д6 сомнений не вызывает. Газодренажные скважины снижают горное давление, увеличивают газопроницаемость пласта и способствуют его дегазации. В результате бурения этих скважин область горного давления отодвигается вглубь массива. Однако это мероприятие является основной причиной загазирования подготовительных выработок. Статистика показывает, что на шахте им. Ленина до 55 % загазирований вызвано бурением газодренажных скважин. Продолжительность этих загазирований колеблется в пределах 1-15 мин., и в среднем составляет 3-5 мин. Концентрация метана достигает 2,5 %. Количество дополнительно выделившегося газа составляет 2-5 м3/мин, а при выбросах штыба в процессе бурения достигает 13 м3/мин. Объем выделившегося газа при бурении серии газодренажных скважин может достигать 3200 м3.
Способы, основанные на оптимизации процесса бурения скважин (рациональные скорости бурения, профилактические остановки при бурении и др.) позволяют несколько снизить интенсивность газовыделения. В соответствии с нормативным документом скорость бурения не должна превышать 0,5 м/мин, а при повышении концентрации метана в забое за счет выбросов газа в процессе бурения предусматриваются профилактические остановки на 15-20 мин.
Основным недостатком этой технологии являются низкие темпы проведения подготовительных выработок, составляющие до 40-60 м/мес. На наиболее опасных участках пласта темпы снижаются до 20-30 м/мес.
Повышение темпов проходческих работ может быть обеспечено предварительным или заблаговременным извлечения метана. В частности, на шахте им. Ленина в зоне проведения промежуточного бремсберга 22-Д6-1В вдоль разрывного нарушения была осуществлена дегазация скважинами, пробуренными через 2-4 м. В зоне пластовой дегазации с 1 тонны запасов было извлечено 5,7 м3 метана. При проведении подготовительной выработки газовыделение в газодренажные скважины было снижено и случаев загазирований
забоя при бурении этих скважин не отмечалось. Однако область применения данного способа незначительна, т.к. требует направленного бурения пластовых скважин длиной до 200 м. В настоящее время на шахтах бассейна отсутствует технология и оборудование для эффективного бурения таких направленных скважин.
На поле шахты им. Ленина внедрена технология заблаговременной дегазации угольного пласта через скважины гидрорасчленения (ГРП), пробуренные с поверхности.
При оценке влияния гидрорасчленения на снижение склонности пласта к газодинамическим явлениям были систематизированы результаты текущего прогноза выбросо-опасности. Всего в зонах гидрорасчленения и на сравниваемых участках пласта Д6 было проведено более 5 км подготовительных выработок. Наибольшее снижение показателя выбросоопасности достигнуто в зонах скважин гидрорасчленения ГРП-10 и ГРП-2, где не отмечалось опасных значений этого показателя. В зонах скважин гидрорасчленения ГРП-12, ГРП-9, ГРП-4, ГРП-5 значения показателя выбросоопасности в среднем значительно снижены, однако в зонах этих скважин имели место отдельные значения Я > 0, обусловленные пересечением прогнозным шпуром магистральных трещин гидрорасчленения, продолжавших фильтровать газ.
Анализ полученных данных показывает, что между величиной съема метана из зоны гидрорасчленения и снижением показателя Я нет прямой связи. Так, в зоне скважины ГРП-6, из которой было извлечено наибольшее количество метана, и его съем составил 6,9 м3/т, отмечались весьма высокие значения Я.. Относительно высокие значения показателя вы-бросоопасности в зонах гидрорасчленения обусловлены повышенной трещинной проницаемостью массива и фильтрацией по магистральным трещинам газа от периферии зоны воздействия к скважине ГРП В частности, на скважине ГРП-6, несмотря на то, что на момент проведения выработки на поверхность было уже извлечено 2223 тыс. м3 метана, дебит газа оставался на весьма высоком уровне и составлял 1,3 м3/мин.
Действующей инструкцией по безопасному ведению горны работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и
газа при проведении выработок в зонах тектонических нарушений или при повышенной техногенной трещиноватости пласта для уточнения прогноза по показателю Я используется динамика газовыделения из прогнозного шпура, оцениваемая по показателю д(в/Яю- В зоне ГРП-6 этот показатель имел значения 0,8-1,0, а вне зон гидрорасчленения составлял 0,3-0,6, т.е. имел опасные значения. С учетом дополнительного контроля выбросоопасности по показателю динамики газовыделения, в зонах скважин гидрорасчленения бурения серий газодренажных скважин в забой выработки не производилось. Вне зон гидрорасчленения это мероприятие выполнялось.
Использование заблаговременной дегазации позволило предварительно снизить газоносность пласта и обеспечить безопасность проведения подготовительной выработки с темпом до 60-80 м/мес.
|— Коротко об авторах----------------------------------------
Шмидт М.В. - кандидат технических наук,
Бокарев Д.Л. - инженер,
НТЦ «Комир».
------------------------------- © Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов,
2006
УДК 622.86
Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов
ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ДЕГАЗИРУЕМЫХ ЗАПАСОВ
УГЛЯ ПО ДИНАМИКЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ
Согласно современным представлениям процесс дегазации угольного пласта реализуется в совокупности двух физических процессов: диффузии в монолитных матрицах угля и фильтрации по трещинам, которые имеют аэродинамическую связь со скважиной. Схематически этот механизм изображен на рис. 1 и включает следующие особенности:
