CC BY
28
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© О.В. Ковалев, Ю.В. Шувалов, И.Ю. Тхориков, 2001
УДК 622.831.32.322
О.В. Ковалев, Ю.В. Шувалов,
И.Ю. Тхориков
ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБЫЧИ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
К
онкурентоспособность предприятий на рынке угля, как показывает практика, не может однозначно определяться реализацией традиционных мер по совершенствованию параметров систем разработки и способов подготовки шахто-пластов на базе внедрения современных механизированных очистных и проходческих машин. Данный факт обусловлен рядом причин, и прежде всего наличием в угленосных толщах метана, осложняющего разработку угольных пластов и наносящего значительный вред окружающей среде. Данный агент - метан, как известно, создает в атмосфере парниковый эффект, аналогичный воздействию на нее диоксида углерода, негативно влияющего на биосферу Земли. Однако эффект этот, по данным исследования западных ученых, может до 25 раз превышать таковой для углекислого газа. Выполненные оценки потенци-ально-воз-можной эмиссии метана в угольных регионах показывают возможность значительных его поступлений в атмосферу, что предопределяет необходимость значительных, в перспективе, инвестиций на компенсацию рассматриваемого негативного фак-
тора. Последнее детерминировано вытекает из результатов оценки глобального состояния экосистемы Земли и, в частности, оценки развития человеческой цивилизации, существенно предопределенной динамикой экосистем любого уровня - в том числе и регионального (конференция в Рио-де-Жанейро, 1992 г.). Региональный аспект, как отмечалось - это также и аспект динамики экосистем на площадях горных отводов угольных предприятий.
Приведенные данные говорят о целесообразности выполнения исследований по данной проблеме и рассмотрения их в качестве составной части общей программы комплексного извлечения энергоресурсов и повышения безопасности подземных горных работ. Комплексная составляющая программы позволяет решать как вопросы обеспечения необходимого уровня технико-экологичес-кой безопасности шахт, так и стабилизации их финансово-
экономической ситуации за счет вовлечения в промышленный оборот дополнительного энергоносителя - метана. Запасы этого энергоносителя на угольных месторождениях РФ и стран СНГ, исследователи оценивают в объ-
13 3
еме около 5 • 10 м .
Таким образом, проблема извлечения метана может и должна рассматриваться как самостоятельная, с учетом оцениваемых его запасов, с одной стороны и как комплексная, с другой. Последнее связано с решением проблемы эффективного каптажа метана на шахтных полях и решением, за счет этого, вопросов повышения технической и экологической безопасности ведения здесь подземных горных работ.
Комплексный подход требует рассмотрения двух основных вопросов. Во-первых, это цикл задач об извлечении метана параллельно с ведением горных работ на шахтах необходимо требующий досконального предварительного подсчета его ресурсов как по пластам и пропласткам, так и в толще вмещающих пород. Такой подсчет должен быть конкретизирован для геологических условий той или иной шахты. Подлежат рассмотрению и анализу зоны возможного повышенного газосодержания: элементы антиклинального строения толщи пород, участки дизъюнктивных нарушений, расположенных в зонах сжатия и др. Аналогично потребуют анализа и зоны пониженного газосодержания, например, в некоторых типах дизъюнктивных нарушений, на участках обводненного массива и т.п. Во-вторых, помимо перечисленных геологических требований к постановке комплексной проблемы, необходим учет конкретных горно-технических условий, характерных для каждого подземного предприятия. В общих чертах такие условия сводятся к выполнению требований пространственно-временной оценки геомехани-ческих состояний и газодинамических свойств массива, закономерно меняющихся в процессе ведения горных работ на шахтопла-стах месторождения. Такие изменения существенно определяют газоотдачу конкретных участков массива, а соответственно и эф-
фективность забора из них метана. Как известно, газоотдача из самого пласта и надработанного массива обуславливает наличие в рудничной атмосфере порядка 40 % объемов поступающего в выработки метана. Остальной метан поступает обычно из подработанной толщи. Вопросы расчета газоотдачи для условий подработки пластов (вмещаю-щего массива) решаются достаточно однозначно, а при надработке - требуют постановки специальных исследований. Методически такие исследования должны обеспечить возможность получения количественных соотношений изменчивости механических состояний массива при техногенном на него воздействии, и связанных с ней газодинамическими характеристиками углей и пород. Решение такой задачи позволит обеспечить максимальное извлечение метана из массива (пластов) без искусственной его активации по газоотдаче (например, за счет предварительного гидроразрыва и проч.), а соответственно, выявить рентабельность затрат на его извлечение.
Задачами таких исследований, в целом, является выявление механизмов повышения «газоотда-чи» земных недр в функции различных ретроспективных горно-геологи-ческих ситуаций, характерных для периода нормальной работы шахты, а также периода, включающего и момент ликвидации угольного предприятия.
Кратко остановимся на содержательной части упомянутых исследований и прикладном использовании их результатов. Генетически присущий угленосной толще метан, без техногенного воздействия на массив, не может быть классифицирован как негативный (в рассмотренном плане) фактор. Такая характеристика его возникает лишь в процессе эксплуатации месторождений, то есть в процессе добычи угля и, как след-
ствие - в результате возмущения массива, сказывающегося не только в течении всего срока службы шахт, но и в некоторой перспективе. Отсюда вытекает необходимый комплекс исследований, задачами которого является изучение механизмов повышения «газоот-дачи» земной поверхности в функции различных ретроспективных гор-но-геологи-ческих ситуаций, характерных для работающей шахты. Параметр «газоотдача», как очевидно, предопределен изменчивостью геомеханического состояния техногенно-возму-
щаемого массива и, достаточно синхронно, соответствующей
изменчивостью фильтрационных свойств горных пород. В общей постановке изучение таких механизмов - задача нетривиальная. Целесообразные решения в обобщенном виде (пригодном для целого класса процессов, а не для условий локализованных частностей) могут быть получены двумя путями: аналитическим, либо экспериментальноаналитическим.
Отметим, что необходимо получить решение, отражающее взаимовлияние НДС и коллекторских свойств массива, рассматривая его как объект, представленный гетерогенной трещиноватопористой средой, насыщенной флюидами и, в том числе, газом, находящемся как в свободном, так и в сорбированном состояниях.
Аналитический подход требует рассмотрения и решения всего комплекса уравнений, описывающих геомехано-газодинамическое состояние массива, являющегося гетерогенной средой, представленной обычно следующими фазами: твердой («скелет» пород, угля), газообразной, которую возможно отнести к трещинам и мак-ропорам («свободные» газы) и газообразной, относимой к микро-порам. В такой постановке, известный комплекс уравнений требуемый для получения и решения
конкретной геомехано-
газодинами-ческой задачи будет включать уравнение геомеханиче-ского состояния (равновесия) твердой фазы квазиупругого массива, уравнение движения газа в макро-порах и трещинах, уравнение движения газа в микропорах, геометрические и др. уравнения для твердой фазы, уравнения состояния (физические уравнения) для твердой и газообразной фаз.
Задавая некоторые граничные и начальные условия, возможно обеспечить конкретизацию решения рассматриваемой задачи. Однако получение замкнутого решения будет необходимо предопределено для исследуемого объекта, как заданной геометрией его контура и условий на нем, так и специальными (в значительной мере априорными) представлениями о истинном напряженно-деформированным состоянии объекта. Возникающие в связи с этим трудности получения количественных показателей исследуемых процессов, в том числе математического характера, говорят об ограниченности использования чисто аналитических подходов к решению рассматриваемой проблемы. В тоже время, рациональным следует считать выполнение проверочных аналитических оценок для отдельных «узлов» комплексного алгоритма решения данных вопросов. Следует констатировать, что возможность получения замкнутых решений, отражающих связь НДС пород и их коллекторских свойств, предопределена эклектическим типом их результатов. Последнее не всегда отвечает требованиям практических задач, нуждающихся в установлении достаточно четких количественных соотношений между указанными свойствами.
Для решения задач оценки фильтрационных процессов в дегазируемом массиве, в большей степени целесообразным и практически оправданным, следует
считать подход, базирующийся на экспериментально-аналитическом принципе определения интересующих нас количественных показателей изучаемых процессов.
Такой подход позволяет субпозиционно подойти к решению проблемы, объединяя феноменологический принцип оценок процессов фильтрации газа в массиве с методами численной (экспери-мен-тальной) оценки геомехани-ческого состояния пород, обусловленного теми или иными техногенными процессами в недрах и их посттехногенным воздействием на вмещающий пласты массив. В этом случае очевидна и необходимость пространственно-временной синхронизации в изучении данных процессов. Последнее может быть достигнуто за счет их постадийно-го рассмотрения в течении времени работы шахты, включая и момент ее ликвидации.
Геомеханическое состояние массива горных пород, определяемое указанными выше факторами, которому в «пространстве-времени» отвечают соответствующие филь-трационные процессы, может быть оценено на основании численных решений. Таковые, с высокой точностью отражения адекватных состояний изучаемого объекта, возможно получить применяя известный метод граничных элементов (ГЭ), который в общей постановке сводится к решению граничного интегрального уравнения или его матричного аналога вида:
А х Р = R ,
где А - матрица преобразования единичных усилий в напряжения, действующие в произвольных точках пространства; Р - матрица искомых усилий на участках; R -вектор граничных усилий на участках.
Для решения рассматриваемых выше задач по оценке геомехани-ческого состояния объекта наиболее удобно применение метода
разрывных смещений (МРС), как варианта метода ГЭ.
Оценка параметров фильтрационных процессов во взаимосвязи с отмеченным механическим состоянием пород, определяющая возможный каптанаж метана, в рамках рассматриваемого подхода может быть выполнена, постулируя ряд практически реальных (в феноменологическом плане) допущений. Например, плановый характер фильтрации газа в слоистом массиве достаточно предопределен условиями развития «генеральных» зон трещинообразования в надраба-тываемых толщах пород при их деформировании. Основной фильтрующийся поток газа может быть отнесен к трещиноватой (макропористой) среде, превалирующе определяющей эффективную ее пористость. Движение газа в таких средах будет достаточно отвечать условиям его ламинарного течения. Очевидно, что в рамках рассматриваемой проблемы возможно не учитывать диффузионный перенос газа, характерный для микропористой части коллектора. В такой постановке фильтрационные процессы, на базе которых оценивается возможный каптаж метана из надрабаты-ваемых недр, будут характеризоваться зависимостями:
уравнением фильтрации (Дарси):
и =-----gradP ;
И
уравнением состояния фильтрующегося газа:
Р = Ro * Т * р;
уравнением сохранения массы фильтрующегося (свободного) газа:
=л,.(ри),
где и - средняя объемная скорость фильтрации; к - коэффициент проницаемости массива; ц - динамическая вязкость метана; Р - давление газа; R0 - удельная газовая постоянная; Т - температура пород; р -
плотность газа (в функции «Р»); п0 -трещинная пористость массива.
Возможный дебит метана следует оценивать при соответствующе заданных граничных и начальных условиях.
Разработанная нами методика решения подобных задач принципиально содержит следующие, поэтапно решаемые положения:
• анализ и обобщение геологической и горно-техни-ческой ситуаций на оцениваемом участке шахтного поля;
• разработка горно-
технических моделей и расчетных схем для оценки напряженно-деформированных состояний (НДС) массива и его изменчивости в функции пространственновременных аргументов, определяемых технологией ведения горных работ по добыче угля;
• решение задач о НДС массива с использованием численного метода граничных элементов (его модификации - метода разрывных смещений или других);
• оценка изменчивости фильтрационных свойств массива в функции его НДС (параметров НДС);
• оценка дебитов скважин в характерных «точках» массива;
• разработка оптимальной системы управления газозабором (откачкой метана) из угольных пластов и массива.
Рассмотренная методика полностью отвечает проблематике повышения безопасности горных работ по аэрологическому фактору в выработках отрабатываемых пластов, т.к. дает возможность существенно рационализировать процесс дегазации метана из надраба-тываемых толщ, обеспечить нормализацию проветривания выемочных участков, снизить вероятность загорания и взрывов метана в выработках, выработанных пространствах и т.д.
Изучение процессов газоотдачи надработанными толщами угольных месторождений, позволило
применительно к конкретным условия (например Воркутского месторождения) получить инженерные зависимости для количественной оценки всех основных параметров исследуемых процессов.
Так для практических оценок изменений эффективной пористости угля в массиве, а также изменения коэффициента проницаемости угля в тех же точках массива получено:
п = По + 52-10-4- |стср I; где +стср - в кг/см2; п0 (%) и 3,0; 1,5 < п < 3,5 (%) при V < 15 %; (V - коэффициент вариации);
Кср и К0ср + 104-10-3- |стср I;
где К0ср - цО; 30 < Кср< 65 (цО)
при V < 30%.
Последняя зависимость получена в результате анализа частного варианта общего соотношения Г = Ф(ст), а именно - соотношения Кср = ф(аср) (где Г - параметр, отражающий, в частности, коллекторские характеристики пород; ст - соответствующий указанным характеристикам средний уровень действующих в породах напряжений). При этом для углей марок «К» и «Ж» при условии стср ^ 0 (разгрузка массива) значения параметра «К0ср» близко к ~ 60 |лВ.
На основании предложенного подхода, по специальному алгоритму, разрабатывается система эффективного управления дегазацией метана из надрабатываемых толщ уг-
лесодержащего массива в процессе непосредственной подземной отработки пластов.
В целом можно констатировать, что вопросы комплексного извлечения энергосырья на угольных месторождениях, представляют собой значительную научную и практическую проблему. Своевременное ее решение будет способствовать как улучшению состояния технической и экологической безопасности шахт, так и повышению их конкурентоспособности на рынке угля, в том числе, и за счет использования добытого метана в инфраструктуре регионов угольных месторождений.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ковалев Олег Владимирович — профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт.
Шувалов Юрий Васильевич — профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт.
Тхориков Игорь Юрьевич — кандидат технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт.
