CC BY
17
© К.Н. Адилов, С.М. Горбунов,
В.А. Александров, К.Д. Ли, 2002
УДК 622.847
К.Н. Адилов, С.М. Горбунов,
В.А. Александров, К.Д. Ли
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ГАЗОУГОЛЬНОГО МАССИВА НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАНОВЫХ КОЛЛЕКТОРОВ В УСЛОВИЯХ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ И БРОСОВЫХ УЧАСТКОВ
При обрушении газоугольного массива после выемки пласта разные куски породы и угля имеют разные по величине поровые каналы и различную макропористость, способствующие эффективности их газоотдачи. Чем крупнее куски, тем больше размеры макропор и тем выше макропористость. Установлено, что содержание мелких классов более 40 % по объему понижает пористость смеси до пористости мелких классов и резко снижает размеры пор.
Проведенные в шахтных условиях экспериментальные исследования в выработанных пространствах лав, разрабатывающих пласты к12 - Верхняя Марина, к10 - Феликс и д по кус-коватости обрушенных пород непосредственной кровли, показывают, что их размеры, влияющие на газоотдачу и десорбцию метана, имеют различную степень разбросанности. Последняя в значительной мере зависит от физико-механических свойств, высоты свода обрушения, расстояния между пластами и про-пластками и др.
Вероятностно-статистические исследования процессов гео-механической дезинтеграции обрушенной массы пород и оставляемых в кровле угольных пачек и пропластков проводились в пределах свода обрушения раздельно при обрушении пород непосредственной и основной кровли.
Экспериментальные исследования фракционного состава обрушенных пород непосредственной кровли проводились: а) по пласту к12 - в пределах 2,0-3,5 м по верхнему слою, в пределах 6-7 м по нижнему слою; б) по пласту к10 - в пределах 1,8-3,5 м по верхнему слою, в пределах 2,5-6,0 м по нижнему слою; в) по пласту д6 - в пределах 2,5-3,2 м по верхнему слою, в пределах 2,3-3,1 м по нижнему слою.
Геомеханические процессы дезинтеграции газоугольного массива в выработанном пространстве имеют четко выраженный характер обрушения и сводообразования пород в зависимости от направления выемки и системы разработки.
Исследование размеров обрушенных кусков пород и газоугольных пропластков целесообразно проводить вероятностностатистическими методами. Адекватность процессов дезинтеграции при этом связана с определенным уровнем достоверности оценки степени крупности обрушенной горной массы.
При моделировании геомеханических процессов дезинтеграции газоугольного массива, преимущественно имеющих стохастический характер, часто приходится рассматривать системы двух-, трехмерных случайных величин. Например, при моделировании обрушения породных и угольных пачек в выработанном пространстве, сдвижения породного массива и др. функция двух-, трехмерного пространственно - геометрического распределения системы случайных величин имеет вид:
F(Xl,X2,Xз)=
=р ((X1<X1XX2<X2XX3<X3)), (1)
где х1, х2, х3 - соответственно линейные размеры кусков и частиц обрушенной пачки как случайные по длине, ширине и высоте; Х1, Х2, Х3 - соответственно система случайных величин в трехмерном пространстве..
Плотность распределения системы случайных величин как 3-я смешанная частная производная, взятая один раз по х1, х2 и х3 будет:
а3 F (хь х 2, х 3) 8x18x28х
/ ( хЬ х 2, х 3) =
3
(2)
Процессы геомеханической дезинтеграции газоугольного массива в значительной степени зависят от системы разработки, глубины ведения горных работ, а также физикомеханических свойств и горно-геологических условий залегания пластов. С глубиной разработки увеличивается высота свода обрушения, изменяются линии сдвижения горного массива. Соответственно изменяются пространственно-геометри-ческие параметры техногенного газового коллектора I класса, особенно в активной зоне дезинтеграции, определяемой геомеханиче-скими процессами.
Влияние геомеханических процессов на интенсивность га-зовыделения из массива в первую очередь определяется макропористостью. Макропористость нарушенного массива определяется размерами кусков, частиц угля, породы (гранулометрического состава), их формой и степенью уплотнения. При массовом обрушении массива в процессе горных работ разные куски породы и угля имеют разные по величине поровые каналы и различную макропористость. В процессе геомеханической дезинтеграции газоугольного массива значительно снижаются размеры пор. В свою очередь, при дезинтеграции газоугольного массива до мелких классов на 2-3 порядка и более увеличивается газоотдающая поверхность обрушенных частиц, и, следовательно, повышается газоотдача горной массы.
В реальных условиях обрушенная горная масса состоит из кусков и частиц различного размера и соответственно различной газоотдающей поверхности. Учитывая большой разброс кусковатости, газоотдающая поверхность оценивается эффективным и эквивалентным диаметром, то есть средневзвешенным из частиц, составляющих пористую среду обрушенной горной массы в выработанном пространстве.
Экспериментальными исследованиями определен эффективный диаметр частиц обрушенных пород. Были изучены фракционные составы обрушенных пород в выработанных пространствах лав: а) по пластам к12- Верхняя Мариана и к10- Феликс, шахты им. Костенко; б) по пласту шахты им. Ленина. При этом обнажен-
ная часть обрушенного массива рассматривается в пределах мощности пород непосредственной кровли - порядка 1,9-3,7 м. В зависимости от структуры угольно-породных пачек обрушае-мая кровля делится на несколько слоев. В каждом слое для ситового анализа производится отбор пробы весом до 20 кг. Эти пробы просеиваются на ситах с ячейками 3, 5, 10, 20, 50, 70 мм.
Определены плотности и функции распределения вероятностей фракционного состава горной массы в нижних слоях обрушенных пород непосредственной кровли. При этом установлено, что максимальная плотность распределения f ^) наблюдается в пределах фракций 0-3, 3-5 и 5-10 мм. Содержание мелкой фракции до 20 мм наибольшее (до 45-55 %) в нижнем слое. Чем выше слой, тем доля этой фракции ниже (до 10-15 %). Тогда как содержание крупных фракций (свыше 60 мм) в нижнем слое минимальное (10-15 %), а в верхнем слое - максимальное (40-50 %).
Проведенные статистические и экспериментальные исследования геомеханических процессов дезинтеграции по пластам к12, к12, д позволяют обосновать стохастическую модель обрушения породно-угольного массива, описываемого системой случайных величин обрушенных кусков и частиц согласно (1) и (2).
В зависимости от характера распределения обрушенных кусков и макрочастиц с размерами не менее 1,0 мм и их свойств по высоте свода установлены функции и плотности распределения вероятностей размеров - длины и ширины. В пределах свода обрушения для породно-угольных кусков имеют место функции нормального, логарифмически-нормального и экспоненциального распределений (рисунок, а).
Соответственно статистические модели газоотдающей поверхности породно-угольных кусков - функции и плотности распределения вероятностей их также являются нормальными, логарифмически-нормальными и экспоненци-
альными (рисунок, б). Независимо от форм статистической модели, крупность кусков пород и угля в среднем, не считая мелких частиц (менее 3,0 мм) диспергированной породноугольной массы, отличается от значений эффективного или эквивалентного диаметра не более чем на 15-25 %.
Экспериментальными исследованиями установлено парциальное распределение образовавшихся макро- и диспергированных частиц в процессе дезинтеграции обрушенной породноугольной массы. При стадии уплотнения оно составляет: а) при двухслоевой разработке пласта к12 - 96-97 % макрочастиц и 3-4 % диспергированных; б) при разработке пласта к10 - соответственно 97-99 % и 1-3 %; в) при двухслоевой разработке пласта д - соответственно 95-97 % и 4-5 %. Газоотдача с обрушенной массы при разработке: а) пласта к12 - 3-4 м3/т; б) пласта к10 - 2-4 м3/т; в) пласта д - 3-5 м3/т.
Шахтные исследования, выполненные Казахским научноисследовательским институтом безопасности труда в горной промышленности (КазНИИ БГП), показывают, что скорость фильтрации воздуха через выработанное пространство составляет 0,02-0,04 м/сек. При низкой скорости воздуха концентрация метана в газовом коллекторе резко возрастает и достигает 80-100 %. Проведенный анализ результатов экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы.
1. В образовавшемся куполе над выработкой происходит формирование малого газового коллектора с высоким содержанием метана, нередко достигающем 90100 %. Наименьшая концентрация метана наблюдается в непосредственной близости над выработкой и наибольшая - у вершины купола.
2. Выполненные исследования позволяют утверждать, что в выработанных пространствах лав, в которых скорость движения воздуха весьма небольшая, могут формироваться газовые коллекторы с высоким содержанием метана.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------
Адилов К.Н. — доктор технических наук, ЗАО «ИПКОН» МОН РК. Горбунов С.М. — кандидат технических наук, ЗАО «ИПКОН» МОН РК. Александров В.А. — кандидат технических наук, ЗАО «ИПКОН» МОН РК. Ли К.Д. — кандидат технических наук, ЗАО «ИПКОН» МОН РК.
