CC BY
50
2. Гречухин В.В. Петрофизика угленосных формаций. - М.: Недра, 1990, 360 с.
3. Черников А.Г. Роль геохронологического фактора в термобарической модели преобразования углей. В сб. IX Всесоюзного угольного совещания, Ростов-на-Дону, 1991 г. кн.1, с. 205-207.
|— Коротко об авторах---------------------------------------
Черников Александр Георгиевич - кандидат геолого-минерало-гических наук, заведующий сектором, ОАО «ПРОМГАЗ».
------Ф
^--------
----------------------------- © Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова,
2006
УДК 622.86
Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова
МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МЕТАНООБРАЗОВАНИЯ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ*
Решение проблем интенсификации газоотдачи угольных пластов при промышленном извлечении угольно-
го метана а также прогноза и предотвращения газодинамических явлений в шахтах требует проведения комплекса натурных и модельных исследований по изучению особенностей геомеханических и термодинамических процессов, протекающих в угольных пластах в окрестности скважин и горных выработок. Это вызвано тем, что угольные пласты представляют собой трещиновато-пористую флюидонасыщенную сорбционно активную геофизическую среду блочного строения, находящуюся в объемном неравнокомпонентном напряженном состоянии. Такая геофизическая среда не может быть адекватно описана классическими методами линейной механики сплошных сред и геомеханики. Поэтому создание научно-обос-нованных методов интенсификации газоотдачи угольных пластов, прогноза и предотвращения газодинамических явлений возможно только на основе накопления соответствующей базы данных комплексных натурных и модельных экспериментальных исследований и применения методов нелинейной геомеханики. В настоящей статье используются результаты экспериментальных исследований, полученные авторами в течении ряда лет и пополняемые в настоящее время [1-6].
Анализ полученных экспериментальных результатов показывает, что в качестве первой особенности напряженно-деформированного состояния призабойной зоны угольных пластов следует отметить высокую изменчивость (в особенности на выбросоопасных участках) ее основных параметров (размеров области подъема и спада напряжений, коэффициента концентрации напряжений), наблюдаемую на одном и том же угольном пласте по мере подвигания забоя горной выработки. Второй особенностью очевидно следует отметить проявление различных температурных и газодинамических эффектов, сопровождающих геомеханические процессы, протекающие на стадиях упрочнения и разупрочнения угольного массива в призабойной зоне или в окрестности скважины.
На рис. 1 показаны типичные графики изменения напряжения, температуры и давления газа, определенные экспе-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 05-05-65065)
риментально в призабойной зоне угольного пласта. Измерения проводились по выбросоопасному пласту И10 в комбайновой лаве шахты «Красный Октябрь» Центрального района Донбасса на глубине разработки 790 м с применением скважинных гидравлических датчиков горного давления типа ДД-1 и ПГД-2 и смонтированными с ними датчиками температуры на основе терморезисторов КМТ. Применявшиеся датчики горного давления за счет первоначального распора в 3-5 МПа входят в плотный контакт с окружающим массивом и являются «жесткими». Модуль их упругости превышает модуль упругости угля, что обеспечивает возможность достаточно надежного контроля процессов возникновения роста и спада дополнительных напряжений в угольном пласте. При оценке напряжений принималось, что начальное напряженное состояние в осадочных горных породах и в особенности в угольных пластах вне зоны влияния горных работ в Центральном районе Донбасса на глубине 700-800 м от поверхности распределено по закону близкому к гидростатическому (с1 = с2 = с3). Напряжения в угольном пласте определялись по формуле
a = —gyH, МПа
^0
где Ст| - показания гидравлического датчика, МПа; с0 - первоначальный распор датчика, МПа; д - ускорение свободного падения, м/с2; у - плотность налегающей толщи пород, кг/м3; Н - глубина залегания пласта, м.
Изучение экспериментально полученных эпюр напряженного состояния призабойных зон угольных пластов показывает, что в них в первом приближении можно выделить несколько
Расстояние в глубь пласта, м
Рис. 1. Изменение напряжений в, температуры t и газового давления Р в призабойной зоне пласта Бабаковского М0 (лава, горизонт 790 м)
участков, отличающихся напряженным состоянием, деформационными процессами, структурой, термодинамическими и газодинамическими процессами.
Для приведенных на рис. 1 экспериментальных данных, в качестве первого можно выделить участок, расположенный в глубине массива на расстоянии более 17 м от поверхности забоя, находящийся вне зоны влияния горной выработки на напряженное состояние угольного пласта. На этом участке напряженное состояние принимается за начальное, равное геостатическому: ст^) = дуИ. Температура угольного пласта стабильна и соответствует 240С. Притока газа и его избыточного давления в измерительной, загерметизированной гидравлическим датчиком полости скважины (начальный диаметр 50 мм, протяженность 0,3-0,5 м), не отмечается. Это подтверждает известное положение впервые выдвинутое академиком С.А. Христиановичем и развиваемое его школой, о том, что нетронутый угольный пласт фактически не газопроницаем [7].
Второй участок находится в пласте на расстоянии 17-10 м от обнаженной забоем поверхности. В этой зоне начинается постепенное возрастание напряжений. Дополнительные
напряжения, зафиксированные датчиками, составляют Аст17-10 = 26,57-19,75 = 6,82 МПа. Температура массива на этом участке также возрастает на 2 градуса с 24 до 26 0С. Как показали наши экспериментальные исследования [5, 6] возрастание температуры при упругом сжатии угля составляет обычно 0,05 - 0,08 град/МПа. Тогда расчетное повышение температуры при упругом сжатии должно составлять АТупр = Аст17-10-0,05(0,08) = 0,34 (0,55) 0С. Так как фактическое изменение температуры на этом участке составляет 2 градуса, то дополнительное возрастание на 1,7-1,5 0С должно быть объяснено другими причинами. Наиболее вероятной причиной заметного повышения температуры пласта является процесс сорбции углем метана. Для повышения температуры на 1,5 0С необходимо, чтобы уголь сорбировал дополнительно 0,60,8 см3/г метана. В этой области из-за дополнительных деформаций уже возможно как поступление небольших количеств метана из прилегающего к скважине массива угля, так и образование метана в результате механохимических реакций, происходящих в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия твердого вещества [8], что подтверждается и повышением давления газа в загерметизированной полости скважины на 4,7 ати.
Третий участок находится в пласте на расстоянии 10-6 м от поверхности забоя. На этом участке концентрация напряжений резко возрастает, достигая на отметке 6м максимума, который превышает исходное напряженное состояние в 2,8 раз (ст1тах = 2,7 ст1(и)). Этот участок интересен несколькими происходящими в нем процессами.
Во-первых, здесь происходит резкое возрастание потенциальной энергии упругого сжатия пласта. Оценочные расчеты показывают, что она возрастает с величины
Ж = — = 19,8 3 = 0,03, МДж/м3 2 Е 2 • 7 -103
в зоне исходного состояния нетронутого массива до
55 32 3
= 2 ^ 3 = 0,22, МДж/м3, то есть увеличивается более
чем в 7 раз, резко увеличивая опасность гео- и газодинамических явлений.
Во-вторых, возрастание напряжений продолжает сопровождаться повышением температуры массива еще на три градуса АТ10-6 = 29-26 = 3 0С. При упругом сжатии пласта изменение температуры могло бы составить АТупр = Аст10-6- 0,05 (0,08) = 1,27 (2,02) 0С. Следовательно, продолжается «дополнительное» повышение температуры угольного пласта вызванное сорбцией метана, образованного в результате механохимических процессов из вещества угля.
В-третьих, давление газа в загерметизированной полости скважины достигает максимума на расстоянии 7,1 м от забоя, то есть спад давления газа начинается еще до достижения напряжениями максимального значения. Это свидетельствует о возникновении зоны дилатансии в угольном пласте, которая начинает проявляться при достижении напряжением значений 07-08 от ст1тах, то есть на участке 8-5 м в глубине массива. Для зоны дилатансии характерно трещиннообразо-вание (разупрочнение) и образование метана [5, 6]. Кроме того, падение давление указывает на то, что начавшееся образование системы наведенных трещин, которые могут служить фильтрационными каналами, обеспечивает начало фильтрации метана из измерительной полости скважины в сторону забоя уже с расстояний меньше 7 м от плоскости обнажения пласта.
Четвертый участок находится в пласте на расстоянии 6-0 м от поверхности забоя.
На этом участке наблюдается резкий спад напряжений, неупругое деформировние и понижение температуры угольного массива. Напряжения падают с максимальных до некоторого минимального значения. Причиной падения напряжений является достижение угольным массивом предельного состояния ст1тах и снятие бокового отпора со стороны забоя ст3, резко снижающего несущую способность краевой части пласта. Падение напряжений сопровождается понижением температуры массива с 29 до 19,5 0С (на расстоянии 1,6 м от плоскости забоя), то есть АТ6-16 = 9,5 0С. Охлаждение краевой части угольного пласта вызвано уменьшением нагрузки, расширением свободного и десорбированного метана и, в основном, самим процессом десорбции (как наиболее энерго-
емким из всех перечисленных). Расчеты показывают, что при таком падении температуры и напряжений должно было десорбироваться от 2,7 до 3,9 см3/г метана.
Модельные исследования предельно-напряженного состояния и процессов разрушения угля в призабойной зоне пласта выполнялось на лабораторной установке объемного сжатия (ст1>ст2=ст3) [4, 6]. Исследовались 25 образцов угля из пластов Смоляниновский и Бабаковский И10 (Донбасс) в различных условиях бокового сжатия ст2=ст3 и соответственно низких и высоких уровней напряженности при достижении предела прочности ст1тах.
Проведенные лабораторные эксперименты показали, что температура угольного образца начинает заметно повышаться при достижении значений напряжения ст1 приблизительно 0,7-0,8 предела прочности образца ст1тах, что соответствует переходу от упругого деформирования к упругопластическому и началу частичного трещинообразования. Повышение температуры продолжается после достижения напряжением ст1 предела прочности ст1тах, т.е. в запредельной области деформирования, которая сопровождается потерей несущей способности образца и трещинообразованием. Для метанонасыщенных образцов разрушение зависит от вида напряженного состояния, причем предел прочности угольного образца определяется условием ст1тах > 3,3 • ст3.
По диаграмме напряжение - деформация определялась энергия, которую сообщил пресс образцу при его деформации и разрушении [5, 6]. Проведенные расчеты показывают, что энергия, полученная от пресса, при высоких уровнях напряженности при достижении предела прочности угля меньше энергии, затраченной на нагревание образца. Объяснить аномальное нагревание метанонасыщенных угольных образцов можно, только предположив, что в угле с начала процесса трещинообразования (0,7-0,8 ст1тах) происходит “дополнительная” сорбция метана.
В опытах с образцами, насыщенными гелием, энергия, затраченная на нагревание образца, также превысила всю энергию, которую образец получил от пресса, т.е. повышение
температуры происходит за счет десорбции метана, образующегося только в результате деструкции вещества угля.
Зависимость изменения температуры угля от максимальных напряжений сжатия с1тах показана на рис. 2. Эксперименты, проведенные на угле насыщенном гелием (обозначены квадратиками), не выделяются из общей закономерности. На рис. 2 видно, что при разрушении образцов угля изменение температуры тем больше, чем выше предельно достигаемое напряжение с1тах, после которой происходит разрушение. При низких________________________________________________
1,0О
6,0
5.0
4.0
3.0
2.0
1,0
0,0
10 20 30 40 50 60
Рис. 2. Повышение температуры угля при достижении предела прочности э1таж в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия (з1>з2=з3)
уровнях напряженности (условно при с1тах < 30 МПа), при которых разрушение происходит более хрупко и область пластических деформаций мала или вообще отсутствует, изменение температуры мало, следовательно, и метанообразо-вание не велико. При разрушении образцов угля при высоких уровнях напряженности (с1тах > 30 МПа) температура заметно возрастает и образование метана, определяемое по нагреванию образца, также может быть существенным.
Выводы
Изменение температуры угольного пласта является информативным показателем оценки состояния его призабойной зоны или зоны в окрестности скважины. Этим показате-
лем четко выделяются зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки от горного давления и дегазации.
Тот факт, что изменение температуры в лабораторных экспериментах с метаном и гелием происходит по одним и тем же зависимостям, говорит о том, что во всех опытах сорбировался метан, образовавшийся в результате механохи-мической деструкции угля.
Натурные и лабораторные эксперименты, а также расчеты показывают, что повышение температуры более чем на 1,5-20С в условиях объемного сжатия с высокой степенью вероятности вызвано сорбцией метана, образующегося в результате механо-химических процессов деструкции наиболее слабых зерен угля.
Уровень напряжений оказывает существенное влияние на механо-химические процессы, протекающие в угле. Это влияние требует дальнейшего изучения для более полного понимания механизма формирования очагов опасности газодинамических явлений и развития новых способов промышленного извлечения метана.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фейт Г.Н., Гайко Э.И., Денисенко С.М., Канцан П.М. Некоторые результаты натурных исследований температуры угольных пластов впереди очистного забоя // Тепловой режим глубоких угольных шахт и металлических рудников. Материалы Международного симпозиума. - Киев. Наукова думка. - 1977. -С.131-134.
2. Гайко Э.И., Фейт Г.Н. Влияние закладки выработанного пространства на выбросоопасность угольных пластов //Безопасность труда в промышленности. - 1983. - № 1. -С.54-57.
3. Фейт Г.Н., Гайко Э.И., Горбунов А.К. Влияние способов управления горным давлением на выбросоопасность угольных пластов в Центральном районе Донбасса// Вопросы предотвращения внезапных выбросов: Науч.сообщ./ Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского. М., - 1987. -С.107-114.
4. Фейт Г.Н. Предельные состояния и разрушение углей выбросоопасных пластов Науч.сообщ./ Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского. М., - 1987. - Вып. 252. - С.104-113.
5. Малинникова О.Н. Условия образования метана из угля при разрушении. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -Вып.5. М.: МГГУ. - 2001. - С.95-99.
6. Малинникова О.Н., Фейт Г.Н. Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях
объемного напряженного состояния. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. - 2004. -№ 8. - С.196-200.
7. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об измерении давления газа в угольных пластах. ФТПРПИ, - 1988. - № 3. - С.3-23.
8. Болдырев В.В. Исследования по механохимии твердых веществ. Вестник РФФИ. - 2004. -№ 3. - С.38-59.
і— Коротко об авторах------------------------------------------
Фейт Г.Н. - профессор, доктор технических наук,
Малинникова О.Н. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
