Совершенствование управления напряженным состоянием выбросоопасной угленосной толщи для высокоэффективной и безопасной отработки угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Ю.Г. Анпилогов, В.Н. Королева, 2012

УДК 622.831

Ю.Г. Анпилогов, В.Н. Королева

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ ВЫБРОСООПАСНОЙ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Рассмотрена заблаговременная региональная подготовка шахтных полей на основе изменения свойств и состояния угленосной толщи, в частности вмещающих пород, путем гидродинамического воздействия через скважины, пробуренные с поверхности. Ключевые слова: региональная подготовка, выбросоопасность, гидродинамическое воздействие, безопасность.

При разработке высокогазоносных и выбросоопасных угольных пластов и невозможности их зашиты подработкой-надработкой, что особенно характерно для пластов пологого падения, единственной возможностью их эффективной и безопасной разработки остается заблаговременная региональная подготовка на основе изменения свойств и состояния угленосной толши путем гидродинамического воздействия через скважины, пробуренные с поверхности. При этом тем или иным воздействиям могут быть подвергнуты не только угольные пласты, но и вме-шаюшие породы, свойства и состояние которых необходимо изменить, поскольку (по мнению большинства отечественных и зарубежных ученых) определяюшими условиями возникновения внезапных выбросов, являются упругие силы сжатого газа и горных пород, а также физико-механические свойства угля.

Исследованиями ученых Московского государственного горного университета (МГГУ) доказано, что для предотврашения внезапных выбросов необходимо управлять напряженным

состоянием угольного пласта путем перераспределения в нем напряжений за счет изменения прочностных, деформационных и фильтрационных свойств угля, а также и вмешаюших пород на основе гидрорасчленения через скважины, пробуренные с поверхности (ГРП).

Впервые в угольной промышленности гидрорасленение песчаника основной кровли особовыбросоопасного угольного пласта Ь'6 было произведено на поле шахты им. А.А.Скочинского в Донбассе по проекту, разработанному учеными МГГУ. В табл. 1 приведены показатели процесса гидрорасченения песчаника через скважины №1, 3, 5 и 6, а в табл. 2 - показатели процесса гидрорасченения глинистых сланцев основной кровли на поле шахты им. К.А. Румянцева.

Для анализа изменения проявлений горного давления в очистном забое при гидрорасчленении песчаника основной кровли проводились сле-дуюшие исследования:

1. Оценка физико-механических свойств пород непосредственной и основной кровли (рабочая влажность, предел прочности на сжатие и растяжение).

Таблица 1

Показатели процесса гидрорасчленения

№№ СКВ. Наименование индекса породы и их мощность Глубина, м Давление, МПа Темп нагнетания, м3/с Рабочая жидкость Объем закачки, м3

11Ш1 тах 111111 тах

№1 ЬбЗИ°5 948 17 23,3 0,00 0,05 вода 1000

т=16 м 3 2

№3 ЬбБИ°5 1015 18 34,0 0,00 0,03 вода 1000

т=14 м 5 3

№6 Ь4БЬ6 1135 22 28,0 0,00 0,04 вода 350

т=63 м 7 2

№6 ь4БЬ6 110° 20 33,0 0,00 0,05 вода 1000

т=63 м 7 0

Таблица 2

Показатели гидрорасчленения глинистых сланцев основной кровли (шахта им. Румянцева)

№№ СКВ. Наименование вмещающих пород и их мощность, м Глубина вскры тия, м Давление на забое скважины, МПа Темп нагнетания, м3/с Рабочая жидкость Объем закачки, м3

тш тах т1п тах

2 Песчаный сланец 850 21, 35,0 0,02 0,03 вода 800

т=18 0 1 3

3 Песчаный сланец 780 20, 22,5 0,01 0,03 вода 2500

т=20 0 8 5

3 Песчаный сланец 820 19, 22,0 0,01 0,03 вода 1000

т=20 0 8 5

3-й западный кон в. штрек

Д1.....7 - места бурения дегазационных скважин с отбором керна песчаника,

АВ - линия замеров конвергенции пород непосредственной кровли и динамики гээовыделения из шпуров; КМ - участок замеров смещения контура выработки Схема расположения замерныгх станций

3-й западный н/лод штрек

Рис. 1 178

Таблица 3

Физико-механические характеристики вмещающих пород

Наименова- Предел проч- Количе- Предел проч- Количе- Влаж- Количе- Устойчи-

ние пород ности на ство ности на ство ностъ, % ство вость

сжатие, замеров растяжение, замеров замеров

Осж, МПа Яраст, МПа

Песчаник 54,6-82,8 71,4 15 7,0-9,2 7,5 12 0,57 8 -

Песчаный 19,7- 39 30-36 16 1,02 14 -

сланец 106,0 52,9 34

Глинистый 23,9-75,0 43 26-36,2 25 1,48 16 среднеус-

сланец 46,8 30 тойчивая

Глинистый 18,9-51,8 17 24-36 14 1,20 12 устойчи-

сланец 32,7 28 вая

«кучеряв-

чик»

Песчаный 13,5-103,4 21 28-38 18 1,18 18 -

сланец 56,8 32

Песчаник 46,2-180,1 112,6 28 5,6-9,4 8,0 19 0,63 12 -

2. Измерение конвергенции пород непосредственной кровли (величины и скорости смешения) измерительными стойками типа СУИ-11).

3. Определение характеристик опорного давления (изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород по замерам скорости газовыделения из контрольных шпуров).

4. Определение шага посадки основной кровли (момент обрушения пород основной кровли фиксировался двумя способами: по изменению концентрации метана в исходяшей струе воздуха участка; по замерам смешений элементов арочной крепи).

На рис. 1 показано расположение замерных станций и линий наблюдения за параметрами, характеризую-шими проявления горного давления в очистном забое.

В непосредственной кровле угольного пласта залегает глинистый сланец мошностью 1,8—3,4 м, далее над

ним песчаный сланец мошностью до 6 м, а выше залегает выбросоопасный песчаник Ь68И05 мошностью от 8 до 15 м. Непосредственная кровля относится к кровлям средней устойчивости. В почве пласта залегает песчаный сланец - «кучерявчик» мошностью до 1 м, далее песчаный сланец мошно-стью 0,6-13,5 м, который постепенно переходит в выбросоопасный песчаник Ь48Ь6, мошность которого до 69 м. Физико-механические характеристики вмешаюших пород представлены в табл. 3.

Изменение влажности и прочности песчаника Ь68И05 в зависимости от расстояния до оси скважины показано на рис. 2 и 3. Доверительная вероятность исследований 85 % при 10 % точности измерения. Коэффициент вариации не превышал 23 %. Незначительное увеличение влажности и снижение прочности в зоне гидрорасчленения - результат того, что жидкость после гидрорасчленения

Ось сквг №3

-so

(Г„,МПз

-4D

50

Ось скв. №3

Рис. 2, 3. Изменение влажности и прочности песчаника Ь 6$Н°5 в зависимости от расстояния до оси скважины

песчаника была откачена из скважины с целью предотвращения проникновения жидкости из основной кровли в непосредственную кровлю, чтобы не вызвать потерю ее устойчивости и не нарушить работу очистного оборудования.

Изучение физико-механических свойств пород непосредственной кровли пласта h6 в зоне и вне зоны влияния гидрорасчленения позволило сделать вывод о том, что гидрорасчленение монолитных пород основной кровли, при правильно выполненных технологиченских параметрах способа, практически не влияет на

состояние непосредственной кровли в очистном забое. В табл. 4 показано изменение физико-механических свойств пород непосредственной кровли пласта Ь'6 по трем лавам, работавшим в зонах гидрорасчленения .

Из таблицы видно, что влажность пород непосредственной кровли увеличилась в среднем с 1,31 % до 1,37 %, не отмечалось также значительного снижения прочностных свойств (осж уменьшилось всего на 1 %, а ораст - на 2 %о), что не может привести к существенной потере устойчивости кровли.

На рис. 4 представлены графики изменения скорости смещения, а также абсолютных величин смещений в зоне и вне зоны гидрорасчленения. Измерение конвергенции пород непосредственной кровли позволяет судить о влиянии длины зависающей консоли основной кровли на динамику движения пород непосредственной кровли. Снижение скорости конвергенции пород непосредственной кровли на 38-40 % в зоне гидрорасчленения основной кровли свидетельствует о значительной разгрузке угольного массива.

Важными характеристиками напряженного состояния массива являются параметры опорного давления. Положение точки максимума опорного давления можно определить по изменению скорости газовыделения из контрольных шпуров.

Таблица 4

Прочностные свойства пород непосредственной кровли пласта Ъ 6 в зонах и все зон скважин гидрорасчленения (шахта им. А.А. Скочинского)

Место отбора Влажность Предел прочности Предел прочности

проб на сжатие осж на растяжение сраст

Среднее Коли- Среднее Количество Среднее Количество

значе- чество значение, замеров значение, замеров

ние, % замеров МПа МПа

3 зап. лава ЦП 1,51 15 30,4 25 4,5 21

(нижняя) в зоне

скв.№3 (7Т)

то же вне зоны 1,73 17 30,7 56 3,9 42

1 зап. лава ЦП 1,48 16 34,7 15 4,7 16

(нижняя) в зоне

скв.№2 (5Т)

то же вне зоны 1,44 13 36, 4 14 5,0 18

2 обр. зап. ла- 1,29 18 28,8 20 3,6 18

ва ЦП в зоне

скв.№2 (5Т)

то же вне зоны 1,16 16 30,3 17 3,8 27

Средняя величина

В зонах гидро- 1,37 32,0 4,2

расчленения

Вне зон гидро- 1,31 32,3 4,3

расчленения

ЛИ х 10г, М V х 10е, м3/с

3-

2-

1 -

4,5

3,0

1,5

4

3 / / \ _

/ '' /у // \ \ \ \

у /у \ N N Оч

10

10

I, м

1

С) 7^5 ££ЁГ 1 х 10",с

Рис. 4. Изменение скорости смешения, а также абсолютных величин смешений в зоне и вне зоны гидрорасчленения: 1, 2 — график изменения скорости и абсолютных величин смещений в зоне ГРП, 3, 4 — график изменения скорости и абсолютных величин смещений вне зоны ГРП

д х 10", м3/с

2

1

О 2 4 6

Рис. 5. Изменение начальной скорости газовыделения дн по длине контрольных шпуров в зоне и вне зоны гидрорасчленения: 1 — в зоне гидрорасчленения пород основной кровли; 2 — в необработанной зоне

На рис. 5 представлен график изменения начальной скорости газовыделения дн по длине контрольных шпуров в зоне и вне зоны гидрорасчленения, построенный по средним значениям величины дн по каждому интервалу.

Кривая изменения начальной скорости газовыделения вне зоны гидродинамической обработки пород основной кровли имеет два ярко выраженных максимума. График изменения начальной скорости газовыделения в зоне обработки пород основной кровли отличается значительным сглаживанием первого максимума и переносом его вглубь массива угля. Первый максимум в необработанной зоне равен

1.4-10-4 м3/с и находится на расстоянии 3 м от забоя, второй максимум —

2.5-10-4 м3/с находится в 7 м от забоя. В обработанной зоне величины начальной скорости газовыделения значительно ниже: первый максимум — 182

0,5-10-4 м3/с находится на расстоянии 4 м от очистного забоя, второй — на 7 м, но его величина всего 1,1-10-4 м3/с.

Анализируя графики на рис. 5 можно отметить, что в зоне влияния скважины, через которую проведено гидрорасчленение песчаника основной кровли ЬбЗН°5, произошла значительная разгрузка массива, а также его дегазация.

Одним из основных показателей эффективности гидрорасчленения монолитных горных пород основной кровли является изменение шага обрушения основной кровли, размеры которого во многом определяют параметры опорного давления. На рис. 6 приведен график изменения смещений контура выработки по длине конвейерного штрека. По максимальным значениям величин смещений определялись моменты обрушения пород основной кровли.

ûh, м

А 1 створ [СКВ. №3 i

у f ¡4 / 1 1 / 1 / 1 1 1 1 1 Г 1 1 Л f 1 j i Д i L > ï f /1 H Л il / rH М/ h

N \ 1 1 I 1 1 > 24 1 31 J. 1 1 / 1 1 1 ' 1 29 J, 2 l/l 1 1 >.J 25 1 28 \ 1 1 26 1 il/ Г 1 71 M 1 i: Г \r , 141\ 1 : VI i A i i ï | i M i 1 - l l ! i ! '! 1 ! 1 ^и'У'.ЛЙ1!.21 H 24 30 I

0 100 200 300 I., м

Рис. 6. Изменение смешений контура выработки по длине конвейерного штрека

0сн.*10'3,м5

1 створ cm. №3 i 1 i 1 k h

/ 1 / [ ! t / i / [ / / i M /'1 /il /il /11 / Л1 1 i V 1 1 [ i 1 ! > 1 /1 f\ J . / Nf i Л/1 (И» i i t Î i i i i i 1 l{ l/v/i 4 1 1 1 1 1 L W]VjV| i i ; i i !. i < i 1 l : l i 1 4/pf 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 rr

_ i [ I i i i 26 1 1 1 1 1 [ 1 [ 1 I 1 1 1 20 ' 31 i i i i i i i i i i i i 29 30 29 1 1 1 1 1 1 22 ] 21 l l ■ l l 1 1 l | t l . i i 1 t i ; 1019 Ц21 1 1 1 1 1 1 .ч!?6. 1 1 1 1 1 1 11 I22 ! ! | 30

.....1.......

О 100 200 300 L, м

Рис. 7. Изменение количества выделившегося метана на исходящей струе 3-й западной нижней лавы Ц.П. шахты им. A.A. Скочинского

В необработанной зоне шаг обрушения пород основной кровли составил 26—32 м. Величины смешений

контура выработки достигали 1 м, тогда как в зоне влияния скважины, через которую был обработан песчаник

Ь68И05, при максимальных величинах смещения до 0,7 м шаг обрушения был 9—16 м.

На рис. 7 представлен график изменения количества выделившегося метана на исходящей струе 3-1 западной нижней лавы Ц.П. шахты им. А.А.Скочинского.

Максимальные значения выделившегося метана указывают на моменты обрушения пород основной кровли, представленных в данных условиях газоносным песчаником. В присква-жинной зоне наблюдалось заметное снижение количества выделяющегося метана, что указывает на частичную дегазацию угленосной толщи скважиной гидрорасчленения.

Изменения шага обрушения, выполненные двумя способами, показали достаточно высокую сходимость результатов. Расхождения составляли не более 10 %.

Таким образом, проведенный комплекс исследования показал, что при гидрорасчленении пород основной кровли происходит значительное изменение основных параметров, характеризующих напряженное состояние выбросоопасного пласта. Изменение напряженного состояния выбросо-опасного угольного пласта, значительная его разгрузка и дегазация послужили основанием для отмены в 3-ей западной лаве ц.п. локальных проти-вовыбросных мероприятий (гидрорыхление) на участке после подработки скв. №3. До перехода створа скв. №3

очистными работами в лаве выполнялись все противовыбросные мероприятия, а также осуществлялся контроль за их эффективностью. После подработки скважины на участке длиной 90 м по простиранию проводилась лишь выемка ниш в режиме сотрясательного взрывания. На рис. 1 зона отмены противовыбросных мероприятий заштрихована. Возможность отмены противовыбросных мероприятий в зоне влияния скв. №3, через которую было проведено гидрорасчленение песчаника основной кровли пласта Ь6, указывает на высокую эффективность данного способа управления напряженным состоянием выбросоопас-ного угольного пласта. Однако гидрорасчленение пород основной кровли не всегда возможно, особенно на пластах с неустойчивыми породами непосредственной кровли, что требует дополнительных исследований.

Таким образом, установлено, что в зоне гидрорасчленения песчаника основной кровли Ь68И05 его влажность увеличилась на 20-22 %, прочность (осж) снизилась на 27-29 %о; шаг обрушения основной кровли уменьшился на 45-40 % и составил: в зоне ГРП -9-16 м, вне зоны - 26-32 м; точка максимума опорного давления переместилась вглубь массива на 0,8-1,2 м; скорость конвергенции пород непосредственной кровли уменьшилась на 38-40 %, что послужило основанием для отмены в зоне ГРП локальных ПрОТИВОВЫбрОСНЫХ МерОПрИЯТИЙ. ГГТТг!

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Анпилогов Юрий Григорьевич - доцент,

Королева Валентина Николаевна — доктор технических наук, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru.