Прогноз зон повышенного газовыделения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------- © К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев,

2005

УДК 622.41:533.17

К. С. Коликов, Ю.Н. Бобнев

ПРОГНОЗ ЗОН ПОВЫШЕННОГО ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ

~П ходе отработки угольных пластов отмечаются зоны ано-

-Я-М мального повышенного газовыделения в горные выработки. Повышение эффективности и безопасности отработки запасов угля может быть обеспечено на базе прогноза этих зон.

Как отмечалось ранее, следует выделять зоны повышенного га-зовыделения геологического и техногенного происхождения.

Для выделения зон повышенного газовыделения геологического происхождения нами использованы положения «Методики прогноза горно-геологических условий выбросоопасных угольных пластов» [1] по прогнозу зон повышенной трещиноватости. Последовательность выполнения прогноза следующая: используя графоаналитический метод, выявляют закономерности изменения мощности пласта и выделяют зоны резких изменений мощности угольного пласта. С учетом изменчивости мощности наиболее прочных пород кровли и почвы, определяющих неравномерность распределения горного давления, выделяют зоны повышенной трещиноватости -участки потенциально повышенного газовыделения. Для этого используются результаты как геолого-разведочных, так и горных работ, включающих результаты наблюдений при проведении горных выработок и бурении эксплуатационных скважин.

На плане горных работ также должны быть нанесены изогипсы пласта, фактическая и прогнозируемая нарушенность.

Затем наносятся изомощности угольного пласта, непосредственной и основной кровли. Выделяют зоны резких изменений мощности пласта. Выделяются участки пород основной кровли, создающие дополнительную концентрацию напряжений.

По изменчивости мощности слоя наиболее прочных пород, являющихся индикатором прочностных возможностей угленосной

толщи, осуществляется прогноз зон развития малоамплитудной на-рушенности. Применение графического метода заключается в построении изолиний мощности наиболее прочных пород в кровле и в почве пласта и определения расстояния между ними (Р). В условиях Карагандинского бассейна этот интервал обычно не превышает 30-60 м.

Наименее нарушенным и наиболее прочным участкам пласта будут соответствовать площади с высоким значением N и низким показателем Р; площади со средними значениями показателей соответствуют промежуточной нарушенности; площади с низким показателем N и высоким Р соответствуют участкам, где вероятность проявления нарушений наиболее высокая, как и трещиноватость.

В соответствии с этой методикой был осуществлен анализ горно-геологических условий залегания угольных пластов К10 и К12 южного блока ш. «Стахановская». Анализ мощности угольных пластов К10 и К12 показывает, что выделить зоны интенсивности изменения мощности возможно только для пласта К10. Пласт К12 является значительно более устойчивым, общая мощность его изменяется от 8,15 до 9,75, т.е. при средней величине 8,93 м стандартное отклонение не превышает 0,52. С учетом того, что именно пласт К12 имеет определяющее значение в формировании газового баланса лавы, фактор изменения мощности пласта можно не учитывать.

Исходная информация для анализа расположения наиболее прочных пород кровли и почвы представлена в табл. 1. Как показывает анализ данных, представленных в табл. 1, для условий пласта К10 эти величины являются достаточно стабильными. Так, суммарная мощность песчаников с пределом прочности на сжатие 580-640 кг/см3 в основном изменяется от 26,6 до 36 м и при средней величине 30 м стандартное отклонение составляет 2,69. Исключение составляет скважина №11209, где суммарная мощность прочных пород снижается до 21,4 м в основном в результате уменьшения мощности песчаника в кровле пласта. Отношение суммарной мощности прочных слоев к расстоянию между ними в основном изменяется от

2 до 3. Исключение составляют скважины № 15195, 15200, а минимальное значение по скважине № 11209 равно 1,41.

Более дифференцированная картина наблюдается при анализе условий пласта К12. Мощность песчаников в кровле пласта изменяется от 10,6 м до 26,6 м, а в почве - от 12 м до 23 м.

Таблица 1

Данные по расположению наиболее прочных пород в кровле и почве пластов К10 и К12

№ сква- жины Пласт К 10 Пласт К12

Мощность слоя в 2 N10 Расстояние от 2 N10 РЕ Мощность слоя, м Расстояние, м 2 N12 РЕ

кровле N почве N. кров ли Рк поч- вы Рп между слоями в кро вле в поч- ве общая от кров- ли от поч- вы между слоями

15227 23 13 36 4 6,4 13,2 2,73 21 23 44 29,6 5 43 1,02

15359 19,2 12,6 31,8 8,2 2,4 15,4 2,06 12,4 19,2 31,6 64 6,4 79 0,4

15114 18 14,8 32,8 4,3 3,2 11,2 2,93 20,6 18 38,6 2,2 7,8 19,4 1,99

15111 14,2 14 28,2 0,4 9,2 12,6 2,24 10,6 14,2 24,8 4,6 0,6 15,2 1,63

15088 19,6 8,6 28,2 2,8 6,2 11,4 2,47 26,6 19,6 46,2 12,2 9,4 36,8 1,25

15195 22 7,2 29,2 4 9,2 15,6 1,87 16,4 22 38,4 15,8 6,4 29,6 1,3

11209 12 9,2 21,4 6,2 7,4 15,2 1,41 14,6 12 26,6 18,4 7,2 34,8 0,77

2402 16,4 11,6 28 1,8 6,3 10,8 2,59 17,4 16,4 33,8 7,2 6,6 22,6 1,5

15220 13,5 13 26,5 5,8 6,2 16,2 1,63 11,3 13,5 24,8 14,0 6,8 29,2 0,85

8553 16,8 12,6 29,4 4,2 6,5 13,2 2,23 18,2 16,8 35 9,4 4,6 23,8 1,47

15142 19,6 11,2 30,4 1,2 7,8 11,1 2,74 20,7 19,6 40,3 8,7 5,8 24,4 1,65

11215 15,3 13,6 28,9 4,8 5,2 12,2 2,37 16,5 15,3 31,8 6,7 4,1 19,7 1,61

183

Расстояние от кровли изменяется от 2,2 до 29,6 м, а от почвы - от 0,6 м до 9,4 м. Отношение суммарной мощности к расстоянию между ними изменяется от 0,77 до 1,99. Аномальное значение по скважине № 15359 равное 0,4, согласуется с предположением о повышенной трещиноватости при утолщении пласта в зонах приуроченных к сбросам, т.к. скважина находится в непосредственной близости от сбросов № 68 и № 69. Здесь отмечается максимальная мощность пласта (10,4 м), что на 15 % превышает среднюю.

Анализируя гипсометрию угольного пласта необходимо отметить наличие незначительной складки антиклинального характера, ось которой субпараллельна сбросу № 67 и проходит в непосредственной близости от пересечения пласта скважиной № 15220. Как известно, именно с осями складок связывают интенсивное трещи-нообразование [2].

Рассмотренные факторы создают потенциальные зоны повышенного газовыделения. Хотя четкого критерия выделения зон повышенной трещиноватости нет, используемая методика позволяет оценить качественную картину. С учетом этого необходимо выделить зону, приуроченную к скважинам № 11209 и № 15220 (см. рисунок). Величина газовыделения предопределяется в основном не столько природной трещиноватостью, сколько проницаемостью пласта, т.е. сохранностью трещин в раскрытом состоянии, что соответствует наиболее прочным участкам. Поэтому зоны повышенного газовыделения будут соответствовать участкам с максимальной величиной отношения мощности прочных пород к расстоянию между ними.

Зоны повышенного газовыделения техногенного происхождения в основном определяются газовыделением из спутников при формировании куполов обрушения. Взаимосвязь между обрушением пород кровли и газовыделением в лаву отмечалась многими авторами [3, 4]. Установлено, что при осадках кровли газовыделение увеличивается в 1,4-2,2 раза, а его продолжительность при первичных посадках достигает 13-24 суток, а при вторичных 2-13 суток. Характер метановыделения зависит от структуры вмещающих пород.

Анализ использовавшихся подходов решения данной задачи позволяет выделить два основных способа установления взаимосвязи между осадками пород кровли и величиной газовыделения:

© ■ кусты скважин на спутник с повышенным газовыделеннем;

^Х^Т], зона повышенного газовыделения пластовых скважин;

^ ■ места отбора проб для определения газокиие тических параметров

Горно-геологические условия и зоны повышенного газовыделения

• статистический, позволяющий на основе обработки данных по газовыделению установить зависимость от времени;

• расчетный прогноз осадок пород кровли с последующим анализом динамики газовыделения.

На шахтах Промышленного участка были проведены детальные наблюдения за газовыделением в вертикальные скважины при подвигании очистного забоя на 150-350 м [5].

Замеры проводились регулярно примерно через 10 м подвига-ния лавы. Изменение концентрации метана в извлекаемой смеси на устье скважины имели явно выраженный периодический характер.

При этом по мере удаления линии очистного забоя от скважин амплитуда колебаний уменьшалась. С целью установления параметров периодических процессов, результаты наблюдений на скважинах были обработаны методом спектрального анализа и сериальной корреляции. Применение двух методов позволило с достаточной надежностью исследовать процессы газовыделения в скважины.

В общем случае характер изменения газовыделения в скважину описывается зависимостью:

С = А ■ е~р{-Ь~Ь2 ? + D ■ Ь (1)

Ьп

где А, Р, D - коэффициенты; Ьп - период изменения концентрации метана, м; Ьо - расстояние между скважиной и линией очистного забоя, при котором из скважины начинается рост газовыделения, м; Ь2 - расстояние, при котором достигается первый максимум концентрации метана в извлекаемой смеси, м. Вторая составляющая данного выражения и определяет зависимость газовыделения от осадок кровли.

Параметры Ь определяются экспериментально для конкретных условий, для условий пласта К12 ш. ''Стахановская'' их значения составили: Ь0 = 15 м; Ь2 = 44 м.

Аналогичный анализ газовыделения, выполненный для газодренажного уклона и пластовых скважин, подтвердил возможность использования данной зависимости. В качестве аргументов данной зависимости (1) были исследованы время эксплуатации газодренажных уклонов и скважин и расстояние от уклона до подрабатывающей лавы. Величины, определенные по методу наименьших квадратов коэффициентов для уклона № 1 представлены в табл. 2.

Для обработки были использованы данные с момента начала влияния подработки, при этом первый замер газовыделения через газодренажный уклон не учитывался, так как он характеризует не газовыделение из пласта, а результат газонакопления в уклоне.

Сопоставление коэффициентов корреляции показывает, что динамика газовыделения с большей точностью описывается зависимостью от расстояния до лавы. Данная зависимость может быть использована для оценки возможного срока эксплуатации газодренажных выработок, при этом необходимо ограничиться нижним значением величины газовыделения.

Таблица 2

Коэффициенты динамики газовыделения

Источник газовы- В зависимости от времени Коэффициент

деления А Р Dx10+2 корреляции

Уклон Пластовые скважины: 13,5 96 -0,05 -177 0,56

правые 4,86 110 -0,05 8,54 0,66

левые 5,196 106 -0,05 5,46 0,55

Источник газовы- В зависимости от расстояния до лавы Коэффициент

деления А Lo Р Dx10+2 корреляции

Уклон Пластовые скважины: 10,05 62 -0,01 -120,6 0,74

правые 3,189 68 -0,01 -0,9 0,68

левые 3,943 68 -0,01 32,9 0,67

Если за нижний предел газовыделения, при котором еще целесообразна эксплуатация данного источника, принять для уклонов и пластовых скважин соответственно 1,5 и 1,0 м /мин, то эта величина будет наблюдаться при отходе подрабатывающей лавы соответственно на 860 и 680 м.

Учитывая скорость подвигания очистного забоя, можно определить срок эксплуатации газодренажных выработок и скважин. В аналогичных горно-геологических условиях при длине лавы 150180 м и нагрузке на забой 1500 т/сутки, суточное подвигание забоя составит 1,5-2 м. В этом случае срок службы газодренажного уклона и скважин будет соответственно не менее 14 и 11 месяцев.

Из-за резкого снижения эффективности традиционных способов дегазации и широкого перехода шахт бассейна на восходящий порядок отработки пластов в свите значительно расширяется возможная область использования газодренажных выработок для управления газовыделением участка. Поэтому большой интерес представляет анализ результатов эксплуатации данного способа в условиях шахты "Стахановская" для оптимизации параметров, определения области применения и оценки эффективности.

Максимальный эффект наблюдался при подработке первого газодренажного уклона, эффективность остальных уклонов значи-

тельно ниже. Одной из основных причин незначительного увеличения газопроницаемости угленосной толщи является, по-видимому, наличие экранирующего слоя песчаника.

Кроме того, при анализе данного вопроса необходимо учитывать динамику распространения зон опорного давления и формирования над и под ними зон повышенного горного давления. В работах [6, 7] влияние таких факторов как глубина, длина лавы, прочность пород, пытаются описать одним трудно определяемым коэффициентом концентрации напряжений, а изменение напряжений в зоне опорного давления и в зонах ПГД во времени рассмотрено в общих чертах с позиции ползучести пород.

На самом деле ширина лавы является одним из важнейших параметров, определяющим уровень напряжений в вышележащей угленосной толще в активной фазе сдвижения пород, когда еще не получена опора на почву отработанного участка лавы всем столбом до земной поверхности. Период этот для скорости отработки лав 24-К^-Ю и 23-К^-Ю 40-60 м/мес составляет в соответствии [8] до 16 месяцев.

Фактический порядок и время работы по проходке дренажных уклонов и взаимосвязь с отработкой пласта К10 с вышеприведенных позиций наиболее неблагоприятны для дегазации пласта К12 над лавой 25 К10-Ю.

Необходимо учесть, что при наличии обводненных глинистых и аргиллитовых прослоев в угольной пачке, а также подстилающей аргиллитовой почве пласта, условия дренирования метана осложнены тем, что при повышении горного давления пластичные размокающие глинистые породы тампонируют газопроводящие трещины.

Второй способ для условий шахты ''Стахановская'' апробирован с использованием рекомендаций ''Временного руководства по расчету первичного и последующего шагов обрушения непосредственной и основной кровли''. С учетом структуры вмещающих пород южного блока при определении периодичности обрушения следует рассматривать наличие двух слоев: непосредственной и основной кровли.

Первичный шаг обрушения пород непосредственной кровли определяется по формуле (2):

г

/ чFкHрVv -рн

пер = 36(1 + sшa) р——+ 10,5(1 + sma)e кр (2)

где а - угол падения пласта, град; V - средняя скорость подвигания очистного забоя, м/сут; Fкрн - средневзвешенный коэффициент крепости пород в десятиметровой зоне кровли; D - длина лавы по падению пласта, м; ^ - размер зоны активного расслоения кровли.

и т-3 М • п• а ...

hn = 36 • 10 ъ —р------^-------г------ (3)

р р (1 + п)(1 + sina )v • ¥

где М - мощность пород непосредственной кровли, м; п - количество расслоений в одном метре пород кровли; а - коэффициент, учитывающий вдавливание крепи в почву пласта; Ф - количество стоек на 1 м2 обнажения кровли, шт; т) - отношения начального распора крепи к ее рабочему сопротивлению; г - протяженность зоны опорного давления впереди лавы, определяемая по формуле:

ъ = 11^Х2 (4)

где х - расстояние от забоя до области максимальных напряжений, м.

Для условий лавы 26- К^-10 ш. ''Стахановская'' эти величины составляют:

а= 8 град; V = 1,3 м/сут; Fкрн = 4,2; М = 4,3 м; п = 4; f = 0,72; а = 0,9; Ф= 1,2; т = 0,25; х = 3,8 м; D = 180 м.

Подставив эти величины в формулу (3) определим величину зоны активного расслоения кровли:

3 4 3 • 4 • 09

^ = 36 • 10-3 • 26,8 ---------?------Ч/---------^-----------= 2,9 м

0,72(1 + 0,25)(1 + 0,14) • 1,3 • 1,2

Первичный шаг обрушения пород непосредственной кровли составит:

I-- 2,9

4 2/13 -0,7—

гпнер = 36(1 + 0,14) ’ Л-1 +10,5(1 + 0,14)е 42 = 21,6м

V180

Определение первичного шага обрушения пород основной кровли осуществляется по формуле (5):

гпер = 36(1 + Sinа) +10,5^(1 + Sinа)e Гкр (5)

4о

где Fкр0 - крепость пород основной кровли, 5,8; его величина составит

гп°ер = 36(1 + 0,14) +10,^71,3(1 + 0,14)е

2,9 -0,7-

*пер-^,„,.., ___ +10,5^1,3(1 + 0,14)е 58 = 31,2м

■\j180

Последующий шаг обрушения пород непосредственной кровли определяется по формуле (6) и составит:

ьр

-0,^^нг

г1н = 10,5 (1 + sina)e Р'кр = 7 м (6)

Последующий шаг обрушения пород основной кровли определим в соответствии с рекомендациями «Временного руководства» по формуле (7):

М т

гн = 1,7 — + 0^к2р + 0,1Мок -7,5 (7)

т

где т - мощность угольного пласта, 1,9 м; Мок - мощность пород основной кровли, 14^18 м..

Для рассмотренных условий шаг обрушения пород основной кровли составит 18^18,4 м.

Зоны максимальных прогибов, обеспечивающих наибольшее раскрытие и, как следствие, сохранность трещин будут наблюдаться при совпадении обрушения пород непосредственной и основной кровли. При прогнозе зон повышенного газовыделения необходимо учитывать, что вблизи массива амплитуда опускания пород кровли имеет минимальные значения по длине лавы.

Сопоставление расчетных данных периодичности обрушения пород кровли с фактическим газовыделением в лавы южного блока показывает их недостаточную корреляцию. Основной причиной на наш взгляд является влияние на периодичность обрушения темпов подвигания очистного забоя, изменения свойств и состава вмещающих пород, наличие зон ПГД. В этих условиях расчетные методы прогноза зон повышенного газовыделения должны быть дополнены текущими наблюдениями за конвергенцией пород кровли и почвы, принципы которых изложены в работе [4]. Величина опускания кровли на границе призабойного пространства в процессе от-

работки столба может превышать минимальные значения в 2,5-3 раза и определяется это величиной динамической составляющей опорного давления, которая усиливает статическую. Следует отметить, что зоны повышенного газовыделения сохраняют высокую проницаемость продолжительное время и соответствуют участкам, имеющим максимальную величину прогиба.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Методика прогноза горно-геологических условий выбросоопасных угольных пластов. - Караганда: 1989. - 70 с.

2.Букринский В.А., Михайлова А.В. Изучение связи трещиноватости с тектоническими структурами горных пород. - М.: МИРЭиГЭ, 1963. - 98 с.

3.Резник Л.Г., Турилин С.А. Исследование метановыделения при осадках основной кровли // Совершенствование технологии очистных и подготовительных работ на шахтах Донбасса. - Донецк, 1983. - №4. - С. 184-188.

4. Черняк И.Л., Ярунин С.А. Управление состоянием массива горных пород -М.: Недра, 1995. - 395 с.

5.Мукаев М.Т. Разработка технологии интенсивной подготовки и отработки пологих газоносных угольных пластов на глубоких горизонтах шахт: Дисс. ... канд. техн. наук. - М.: МГИ. 1988. - 136 с.

6.Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - 230 с.

7.Петросян А.Э. и др. Научные основы расчета параметров горных выработок по газовому фактору. - М.: Недра, 1969.

8.Инженерные методы расчета параметров региональных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Методические рекомендации. - Кемерово: ВостНИИ. 1986.

Коротко об авторах -----------------------------------------

Коликов К.С. - доктор технических наук, доцент, Московский государственный горный университет,

Бобнев Ю.Н. - УД АО «МИТТАЛ СТИЛ ТЕМИРТАУ».

-А