CC BY
57
______________________________ © С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе,
Г.М. Лупий, 2009
УДК 622.831
С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, Г.М. Лупий
ВЛИЯНИЕ ГАЗОНОСНОСТИ, ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ МЕТАНА НА ВЫБРОСОПАСНОСТЬ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Описана природа выбросов угля и газа в угольных шахтах. В расчетах использован энергетический подход, который в частности описан в работах ведущих австралийских и отечественных ученых. Сделан вывод, что главный энергетический потенциал выброса содержится в сорбированном метане, который в старте процесса выброса мгновенно переходит в свободный газ вследствие мелкодисперсного измельчения угля под действием геомеханического давления массива в комбинации с давлением газа в поровом пространстве. Ключевые слова: угольные месторождения, выбросы, газоносные углепородные формации.
Изучению природы выбросов при разработке угольных месторождений посвящено множество научных исследований, благодаря которым это опасное горно-геологическое явление достаточно хорошо изучено. Тем не менее, выбросы угля и газа еще не исключены из горной практики и поэтому задача надежного прогноза опасных участков продолжает оставаться актуальной.
Авторы статьи во время командировки в Австралию ознакомились с работами ведущих австралийских ученых в области теории и практики выбросов [1, 2] и сформировали описание этого явления, которое впрочем, не противоречит представлениям отечественных научных школ [3, 4].
Природа выбросов
Выбросы представляют собой явление внезапного разрушения поверхности угольного очистного забоя, сопровождающееся перемещением с высокой скоростью угля и газа в сторону свободной поверхности. Объем разрушенной породы в процессе выброса достигает сотен тонн угля и вмещающих пород и тысячи кубических метров газа. Выбросы меньшего объема угля и газа могут быть инициаторами более крупных выбросов и поэтому мелкие выбросы также нельзя игнорировать.
Явление выброса связывают, как правило, со слабыми, трещиноватыми угольными пластами, однако на практике зафиксировано
множество случаев выбросов в крепких монолитных углях. Выбросам предшествует обычно процесс смятия угля горным давлением. Само по себе явления смятия угля горным давлением сопровождает все очистные горные работы. Однако в явлении выброса весьма важным является содержание угольного метана в свободном или сорбированном состоянии и условия, при которых метан может резко расшириться. Явление выброса аналогично процессу физического взрыва, когда осуществляют быстрый нагрев сжиженного газа до температуры выше критической, при которой вся среда переходит из жидкого в газообразное состояние. При этом динамическая мощность расширяющегося потока достигает значений, достаточных для дезинтеграции породы. Расчеты показывают, что в ряде случаев энергия расширяющегося газа превышает энергию горного давления.
Очевидно, что смятие угля происходит при условии, когда величина горного давления вышележащих пород превосходит прочность угля при сжатии. Однако наряду с горным давлением следует учитывать давление в порах и трещинах. Это давление имеет название пластового давления, которое создается жидкостью или газом. Наличие и величина пластового давления является существенным фактором, поскольку оно приводит к появлению локальных растягивающих напряжений в структуре угля. Поскольку прочность при растяжении на порядок меньше прочности при сжатии, это вызывает рост стартовых трещины в местах концентрации растягивающих напряжений.
Где происходят выбросы
Выбросы происходят исключительно в газоносных углепородных формациях. Они чаще происходят в слабых, ослабленных трещинами породах, чем в крепких и монолитных породах. Не всегда крепкие угли с высокой газоносностью являются выбросоопасными, поскольку для начала старта процесса разрушения необходимо еще преодолеть предел прочности и вызвать рост трещин. Однако не исключена и такая ситуация, когда, несмотря на высокую крепость угля, произойдет его смятие еще более высоким горным давлением, особенно в местах концентрации напряжений, что приведет к явлению выброса.
Низкие газовые давления в призабойной части пласта приводят к понижению вероятности выброса. Этот процесс, очевидно, зависит от проницаемости угля в призабойной зоне. Здесь надо
учитывать фактор понижения проницаемости под действием опорного давления, что приводит к закрытию микротрещин и фактически к закрытию каналов дренажа свободного газа в открытое пространство. Однако дренаж газа могут сокращать также локальные геологические включения с низкой проницаемостью, что является фактором повышенной опасности и требует непрерывного мониторинга очистного забоя.
Источники энергии выброса
Выполним оценку источников энергии в газоносном угольном пласте, которые представляют потенциальную опасность в процессе выбросов.
Горное давление. Удельная потенциальная энергия угля под действием горного давления составляет
= ^-т ^+ °2у + ^ (1)
где о2; оу, ах - нормальные напряжения горного давления, Па; V -коэффициент Пуассона, Е - модуль деформации, Па.
Принимая во внимание следующие условия: о2=12 МПа; оу=10 МПа; ох=10 МПа Е=2,0 ГПа; v=0,3, в результате расчета по формуле (1) получим Ж1=0,18 МДж/м3
Энергия газа в поровом пространстве. При адиабатическом расширении газа выделяется следующая энергия ( г-1 Л
Ж
1-
Ґр Л 1 2
V р1 У
(2)
У
где Р1 и Р2 - начальное пластовое и конечное атмосферное давление газа в процессе адиабатического расширения; У1 -
относительный объем газа, занимающего поровое пространства (пористость), м3/м3; у - коэффициент адиабаты газа, у= 1,33.
Выполним оценку при условиях: Р1=4,0 МПа; Р2=0,1 МПа; К1=0,05 м3/м3. В результате расчета по формуле (2) получим Ш2=0,36 МДж/м3.
Сравнивая Ш2 с потенциалом горного давления Ш1, можно сделать вывод, что давление газа в поровом пространстве имеет энергический потенциал сравнимый или даже превышающий потенциал горного давления.
7
Энергия десорбированного газа. Рассмотрим случай, когда в результате непредвиденной горно-геологической ситуации произошло локальное мелкодисперсное измельчение угля с исходной газоносностью q. Тогда в процессе десорбции метана с поверхности сферической частицы угля радиусом а произойдет локальное нарастание давления вследствие расширения газа. Масса Мг десорбированного газа в процессе диффузии с поверхности частицы определятся из решения уравнения диффузии [1]
М„
Dn 2я2Л
V
а
(3)
где D - коэффициент диффузии, м2/с; г - время, с; а - радиус частицы, м; Мх - масса газа в частице угля (исходная газоносность угля), кг/кг.
Расчеты свидетельствуют, что в течение короткого промежутка времени г = 2 сек при коэффициенте диффузии D = 10-8м2/с из угольных частиц диаметром 2а =1 мм и пластовом давлении Р\ =4 МПа освобождается газ, при расширении которого выделяется кинетическая энергия. Расчетное значение энергии при адиабатическом расширении газа рассчитывается по формуле (2) и составляет: Ж3 = 0,9 МДж/м3.
Важно отметить, что потенциал энергии десорбированного газа 0,9 МДж/м3 настолько велик, что превышает сумму потенциалов горного давления 0,18 МДж/м3 и газа в поровом пространстве 0,36 МДж/м3.
Если в другом предельном варианте коэффициент диффузии в сто раз меньше, т.е. D = 10-10 м2/с, то при указанных выше условиях освобождается энергия 0,48 МДж/м3, что также весьма значительно.
Произведем еще один расчет для условия малой пористости угля и при образовании более крупных частицах измельчаемого угля. При коэффициенте диффузии D=10"8 м2/с, пластовом давлении 4 МПа, пористости 1%, горном давлении 12 МПа, модуле Юнга 2 ГПа, коэффициенте Пуассона 0,3 диаметре частиц 1 мм значения потенциальных энергий представлены в таблице.
Потенциальная энергия выброса
Источники энергии Значение, Относительное
МДж/м3 значение, %
Энергия горного давления 0,16 21,9
Энергия свободного газа из порового про- 0,07 9,6
странства
Энергия десорбированного газа 0,50 68,5
Суммарная энергия 0,73 100%
Таким образом, можно сказать, что главную угрозу большого выброса представляет энергия, которая выделяется в результате мгновенной десорбции газа.
Если 10% суммарной энергии выброса сообщить частицам угля в форме кинетической энергии
Е = МП . ,4,
то скорость разлетающихся частиц составит 10,6 м/с, что весьма значительно.
Методика лабораторных испытаний
Следует признать, что на современном уровне развития научной аппаратуры экспериментальные исследования кернов и разработанные методики расчетов дают надежный прогноз степени вы-бросоопасности пласта. Естественно, для этого необходимо осуществлять бурение геологоразведочных скважин с отбором кернов и проводить лабораторные испыткния.
По мнению австралийских ученых [1, 2], при испытаниях кернов хорошо проявила себя методика инициирования эффекта само-поддерживающегося разрушения керна, по аналогии с явлением выброса. На рисунке представлена схема проведения лабораторных испытаний, заимствованная из публикации [1]. Угольный керн сжимают вертикальной нагрузкой, близкой по величине горному давлению, и постепенно насыщают метаном под давлением, равным пластовому давлению. В результате подготовительных операций на первой стадии испытаний кернов происходит сорбция метана углем и полное заполнение свободным газом порового пространства угля. Затем, на второй стадии испытаний, резко сбрасывают давление газа в камере, что инициирует быстрый процесс дегазации образца. В результате проведенных испытаний керн может оставаться ненарушенным или разрушается с образованием разлетающихся
Вертикальное Вертикальное
давление давление
Насыщенный Произойдет
газом керн ли фрагментация
керна?
К описанию австралийской методики испытаний угля на выбросопасность [1]
осколков. Разрушение керна с фрагментацией на отдельности происходит вследствие перехода потенциальной энергии газа в кинетическую энергию, по аналогии с явлением выброса. Очевидно, экспериментальный факт самоподдерживающегося разрушения является индикатором выбросоопасности. В работах [1, 2] утверждается о высокой надежности прогноза выбросопасно-сти по данной методике. Во всяком случае, подтверждается, что на практике не зафиксировано ни одного выброса на угольных пластах, если его керны в лабораторных испытаниях не разрушались в форме интенсивной фрагментации.
Следует отметить, что аналогичная методика испытаний хорошо известна, и описана еще семидесятых годах прошлого века в работах советских ученых [3, С. 70-75]. В лабораторных испытаниях при разрушении угольных кернов в форме выбросов образцы обжимались не только вертикальной, но также горизонтальной нагрузкой. Затем самоподдерживающееся разрушение угля инициировалось в различных комбинациях сбрасывания давления газа и трехосной механической нагрузки.
Пути предотвращения выбросов
Исходя из представленных результатов, следует однозначный вывод об опасности, которую представляют собой высокогазонос-
ные угольные пласты. При этом главную угрозу представляет собой сорбированный в угле метан. Следовательно, для снижения газоносности кардинальным решением задачи такая дегазация угольных пластов, которая обеспечивает снижения содержания в угле сорбированного метана и понижение пластового давления газа. Таким свойством снижения газоносности путем снижения содержания сорбированного метана в угле обладает только технология заблаговременной гидравлической обработки и дегазации пласта через скважины, пробуренные с земной поверхности. Видный недостаток в виде многолетнего срока заблаговременной дегазации пласта может быть компенсирован внедрением в отечественную практику технологии промысловой добычи угольного метана, набирающей все большую популярность за рубежом.
Что касается шахтной дегазации пласта через скважины, пробуренные из подземных выработок, то этот метод вследствие кратковременности действия, менее эффективен, поскольку позволяет снизить только содержание свободного газа в поровом пространстве и практически не обеспечивает снижения газоносности угля. Другими словами шахтная дегазация пласта, конечно, снижает опасность внезапных выбросов, однако ее эффективность по сравнению с заблаговременной дегазацией существенно меньше. При шахтная дегазация снижает вероятность стартового механизма начала выброса, что также является немаловажным фактором обеспечения безопасности.
----------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ian gray. coal mine outburst mechanisms, thresholds and prediction techniques outburst mechanisms, thresholds and prediction techniques. august 2006. client : austral ian coal association research program (acarp) www. sigra. com. au
2. Gray I. "The Mechanism of and Energy Release Associated with Outbursts," Proc., Symposium on the Occurrence, Prediction, and Control of Outbursts in Coal Mines, Australasian Inst. of Mining and Metallurgy. Southern Queensland Branch, Brisbane (Sept. 1980) 111-25.
3. Иванов БМ, Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физикомеханические свойства углей выбросопасеных пластов. М.: Наука, 1979.-195 с.
4. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах/ В.В. Ржевский, Б.Ф. Братченко, А.С. Бурча-ков, Н.В. Ножкин. Под общ. ред. В.В. Ржевского. - М.: Недра, 1984.-327 с. шгЛ
Slastunov S. V., Karkashadze G. G., Lupi M. G.
COAL MINE OUTBURST MECHANISMS DEPENDENT ON GAS CONTENT IN COAL, INITIAL GAS PRESSURE AND STRAIN ENERGY
Coal mine outburst mechanism is presented in this paper. In calculation is used energy approach, which is described in researches leading Australian and domestic scientist. The Worded conclusion that main energy potential of the outburst is kept into adsorbed methane. Outburst begins of instant moves desorption of gas from fine pulverizing coal under the start action of strain energy in combinations with free gas energy in pores within the coal.
Key words: coal fields, emissions, gas-bearing carbonic formations.
— Коротко об авторах -----------------------------------
Каркашадзе Г. Г. - профессор, доктор технических наук, Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук, Лупий Г.М. -
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
