CC BY
43
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ ; И . ОХРАНА ; ТРУДА» ; .
1
^ В.В. Гурьянов, М.А. Иофис,2000
УДК 622.817:622.324.5.004.82
В.В. Гурьянов, М.А. Иофис
О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ СВИТЫ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ГОРНОМ МАССИВЕ
П
оследнее десятилетие отмечено значительным ростом травматизма на угольных шахтах России и особенно от вспышек и взрывов метанопылевых смесей. За этот период взрывы метановоздушных смесей произошли на 30 шахтах, а вспышки и загорания метана - на 46 [1]. Этим, в частности, обусловлена разработка и утверждение в 1998 г. Минтопэнерго РФ крупной научно-технической программы «Метанобезопасность».
Как известно, наиболее распространенным способом борьбы с газом при подземной добыче угля является шахтная дегазация. Однако научные исследования и производственный опыт свидетельствуют, что с увеличением глубины горных работ эффективность предварительной дегазации снижается, а ее применение на больших глубинах (свыше 600-700 м) становится малоэффективным [2].
Одним из перспективных направлений решения проблемы метанобе-зопасности является разработка и освоение способов заблаговременной дегазации шахтных полей с использованием скважин с поверхности [3, 4].
Несмотря на ряд преимуществ этого способа дегазации шахт, он имеет ряд существенных недостатков. Основными из них являются сравнительно низкая эффективность (снижение природной газоносности пластов не более чем на 6-9 м3/т) и высокая стоимость и трудоемкость мероприятий по повышению проницаемости и газоотдачи угольных пластов.
Следует отметить, что в предыдущие десятилетия, исходя из низкой проницаемости неразгруженных угольных пластов (на 2-3 порядка ниже проницаемости коллекторов традиционных газовых месторождений) и нахождение метана в пластах в тесной сорбционной связи с угольным веществом, преимущественно в форме твердого углегазового раствора, основные исследования по проблеме заблаговременной дегазации шахт и добычи метана были направлены на обоснование и разработку перспективных методов искусственного повышения газоотдачи угольных пластов, основанных на применении соответствующих высокоэнергоемких техногенных воздействий на горный массив или угольный пласт
[4].
Вместе с тем научные основы и практика ведения подземных горных работ свидетельствуют о том, что использование закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния горного массива позволяет уменьшать, а иногда и ликвидировать негативные последствия сдвижения подработанных горных пород.
Как известно, отработка угольного пласта при подземной добыче угля вызывает обрушение, сдвижение и деформирование вышележащих пород; упругое восстановление и подвижки вдоль плоскостей ослабления испытывают также и породы, подстилающие пласт. Указанные деформации и перемещения пород вокруг горной выработки распределяются в соответствии с объективными законами механики горного массива, стремяще-
гося к установлению нового состояния равновесия.
В нарушаемом горными работами породном массиве в общем случае можно выделить 11 зон [5]. В подработанной толще выделяется шесть зон, различающихся степенью разрушения породных слоев и видами образующихся трещин.
В надработанной толще имеется пять зон (зона обрушения отсутствует), при этом зоны VII, УШ, IX, Х и XI по своим качественным характеристикам соответствуют зонам II, Ш, IV, V и VI подработанной толщи пород. Величины напряжений и деформаций в зонах VII-XI меньше, чем в зонах II-VI, за исключением зоны VIII.
При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляются зоны XII (в подработанной толще) и ХП-а (в надработанной).
Качественные и количественные характеристики напряженно-
деформированного состояния горного массива определяются большим количеством различных факторов. Эти факторы подразделяются на природные, управляемые и корректируемые
[5]. К природным факторам относятся: угол падения пород, глубина горных работ, строение толщи вмещающих пород, тектоника. К управляемым факторам - способ управления горным давлением, наличие и размеры целиков в выработанном пространстве, скорость подвигания очистной выработки, порядок ведения горных работ. К корректируемым факторам относятся: вынимаемая
мощность пласта (залежи), механические свойства горных пород, нару-шенность породного массива.
Проведенные исследования и производственный опыт показали, что умелое использование закономерностей изменения геомеханического состояния под- и надрабатываемого горного массива позволяет эффективно решать вопросы дегазации пластов и предупреждения газодинамических явлений [2, 5, 6].
В частности, газодинамическое состояние выбросоопасного пласта при его подработке и надработке определяется характером изменения напряженно-деформированного состояния горного массива междупластья и интенсивностью дегазации пласта по эксплуатационным трещинам, образующимся в
толще пород в результате их подработки и надработки.
Степень дегазации подрабатываемого (надрабатываемого) выбросоопасного пласта зависит от интенсивности образования системы газопроводящих трещин, их размеров, протяженности и местоположения, то есть от газопроницаемости толщи.
В основу расчета газопроводящих трещин, образующихся в толще меж-дупластья при ее подработке и надра-ботке, положена следующая физическая модель.
Сдвижение горных пород выше зоны обрушения происходит в форме последовательного прогиба слоев с разрывом и без разрыва сплошности. При изгибе подрабатываемого породного слоя в нем образуются как зоны сжатия, так и зоны растяжения. При определенных условиях в зонах растяжения в породных слоях появляются быстрозатухающие трещины разрыва, которые, как правило, между собой не соединяются, то есть не создают системы газопроводящих каналов в междупластовой породной толще между выбросоопасными и защитным пластом.
При изгибе подрабатываемых и (в значительно меньшей степени) над-рабатываемых породных слоев, залегающих за пределами зоны интенсивного развития трещиноватости пород с разрывом их сплошности, могут образоваться полости расслоения пород, которые при определенных условиях заполняются газом, десорбировавшимся из частично разгруженных от горного давления угольных пластов. Скорость десорбции метана из угля находится в тесной зависимости от величины зияния и скорости развития газопроводящих трещин эксплуатационного генезиса. Раскрытие природных и образование эксплуатационных трещин в междупластовой породной толще может повышать газоотдачу подзащитных угольных пластов на 24 порядка по сравнению с природной.
Раскрытие в породных толщах трещин и макропор и появление эксплуатационных трещин с образованием системы газопроводящих каналов нарушает состояние динамического равновесия системы «уголь-метан» в под- и надрабатываемых толщах, вызывая десорбцию метана из угля. Абсолютная величина остаточного давления метана в подзащитном угольном пласте, определяющая остаточ-
ную газоносность его угля, зависит (при прочих равных условиях) от степени газопроницаемости нарушенной эксплуатационными трещинами меж-дупластовой породной толщи.
При заблаговременной дегазации объектом внимания горняков является неразгруженная от горного давления углевмещающая толща пород, поэтому они не используют возможности управления геомеханическими процессами, а применяют дорогостоящие и трудоемкие операции по повышению проницаемости пластов и стимулированию их газоотдачи на основе вскрытия пластов скважинами с поверхности и применения различных, весьма энергоемких видов техногенных воздействий на пласт или углевмещающую толщу.
Вместе с тем, исследования, выполненные в ИПКОН РАН, по экспериментальному изучению теплот сорбции метана углем [7, 8, 9] подтверждают физическую природу их связи, не требующую высокоэнергоемких техногенных воздействий для деструкции системы «уголь-газ».
Сравнение теплот сорбции с полной энергией на реализацию различного рода газодинамических явлений (ГДЯ) показывает, что запасенной в угле потенциальной энергии вполне достаточно для осуществления ГДЯ любого типа. Выполненными в ИП-КОН РАН исследованиями [9] показано, что в пласте угольное вещество и на уровне макропор, и на уровне мик-ропор находится в сложном силовом состоянии, в формировании которого принимают участие силы, вызывающие сжатие скелета угольного вещества горным давлением, силы межмо-лекулярного отталкивания молекул сорбата в микропоре, возникающие в условиях плотной упаковки молекул сорбата за счет перекрытия их электронных оболочек и, наконец, силы препятствующие растяжению поверхности микропор в результате изменения ее удельной поверхностной энергии. При изменении силового состояния структурных элементов угольного вещества часть энергии межмолеку-лярного отталкивания молекул сорба-та может передаваться угольному скелету, а при его разгрузке от внешних сил вызвать дополнительное растяжение, и тем самым обеспечить локальное разрушение угольного вещества. Выполненные расчеты показывают, что энергия межмолекулярного
отталкивания молекул сорбата, аккумулированная в микропорах, соизмерима с энергией разрыва ван-дерваальсовых и водородных связей между структурными элементами системы «уголь-метан».
Вследствие высокой концентрации микропор в угольном веществе (порядка 1018 микропор/г угля) процессы разрушения структурных связей на уровне микропор влияют на характеристики разрушения угля на более крупных масштабных уровнях. В частности, при этом в несколько раз уменьшается значение трещиностой-кости и прочностных свойств угля за счет образования микрообластей растяжения как вблизи макропор, так и в кончиках микротрещин. Именно в этих областях может происходить макроразрушение угольного вещества, вызванное активным влиянием метана, находившегося в микропорах в сорбированном состоянии.
Это свойство сорбированного метана превращает газонасыщенный угольный пласт в активный коллектор метана, который потенциально аккумулирует достаточное количество энергии для существенного изменения своей макроструктуры в условиях заблаговременного извлечения метана.
Вышеизложенные положения позволяют выдвинуть предположение о том, что повышение проницаемости угольных пластов и их способности к газоотдаче возможно на основе использования потенциальной энергии пласта с применением менее энергоемких техногенных воздействий, таких как ультразвуковое, электровоздействие и ряд других, хорошо зарекомендовавших себя как способы повышения нефтеотдачи. Одним из таких воздействий является эффект под- и надработки угольных пластов, создаваемый за счет их усадки при откачке газа и воды из углевмещающей толщи.
Указанная посылка позволяет выдвинуть гипотезу о возможности повышения эффективности заблаговременной дегазации свиты пластов и добычи угольного метана на основе управления геомеханическими процессами, происходящими в дегазируемом горном массиве. Правомерность такого подхода вытекает из результатов выполненных в ИПКОН РАН теоретических исследований влияния отбора метана из угольных пластов на развитие деформационных
З
процессов и изменение напряженного состояния углевмещающей толщи.
В результате этих исследований было установлено, что при извлечении метана из угольных пластов, которые являются трещиновато-пористы-ми коллекторами, содержащими большое количество газа при высоком давлении (30-50 атмосфер и более) существенно снижается давление газа в зонах дегазации и в них происходит соответствующее перераспределение напряжений с образованием зон разгрузки и пригрузки. При этом в результате десорбции метана и снижении его давления в зонах дегазации (разгрузки) происходит усадка угля и соответствующее уменьшение мощности пласта. По предварительным оценкам относительное уменьшение объема угля может достигать 2-3 %. Это вызывает перераспределение напряжений в горном массиве и деформацию пород, обуславливая тем самым изменение фильтрационных параметров смежных угольных пластов свиты, т.е. имеет место эффект своеобразной подработки-надработки пластов.
Большой научный и практический интерес представляет возможность оценки влияния факторов изменения давления газа в угольном пласте и его усадки в зоне дегазации на формирование зон разгрузки и их параметры.
С целью получения предварительных ответов на указанные вопросы в рамках научно-технического проекта «Углеметан» проводятся исследования по изучению геомеханических процессов, происходящих в углевме-
щающей толще и угольных пластах при извлечении из них метана. Указанные исследования проводятся с привлечением специалистов ИПКОН РАН и ВНИМИ.
Программа этих работ предусматривает проведение следующих НИР:
• теоретические исследования изменения напряженного состояния углевмещающей толщи при извлечении метана из угольных пластов, включающих оценку усадки пласта при извлечении из него газа, модельное представление о развитии деформаций во вмещающих породах и численное моделирование перераспределения напряжений и деформаций в углевмещающей толще при извлечении газа из пласта;
• компьютерное моделирова-
ние геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще пород при извлечении метана и воды;
• лабораторные исследования
изменения напряженно-
деформированного состояния углевмещающей толщи при извлечении метана из угольных пластов, предусматривающие моделирование типовых геологических разрезов метаноугольных месторождений, особенностей структуры пород междупластья (наличие пород-мостов), различного порядка извлечения метана их пластов углевмещающей толщи (разовая и многократная «подработка» пластов, восходящий и нисходящий порядок их дегазации), различной степени «усадки» пластов при варьировании их га-зоотдачи.
Эти исследования позволят проверить правомерность выдвинутой гипотезы о наличии эффекта «подра-ботки-надработки» в углевмещающей толще при извлечении метана из угольных пластов, формировании при этом «зон разгрузки», а также получить определенные представления о структуре таких зон и их параметрах.
Вышеназванные исследования также дадут возможность определить наиболее важные вопросы, которые необходимо детально изучать применительно к условиям конкретных угольных месторождений.
На основании сопоставления результатов указанных теоретических и лабораторных исследований и их анализа будут разработаны рекомендации по решению задачи регулирования газоотдачи пластов на основе управления геомеханическими процессами при заблаговременной дегазации и добыче газа из угольных пластов. Кроме того, на основе полученных результатов будут определены направления дальнейших исследований геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще пород при заблаговременной дегазации и добыче метана в конкретных горно-геологических условиях. Тем самым появится возможность решения задачи повышения эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими и газодинамическими процессами при освоении ресурсов высокогазоносных угольных месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забурдяев В.С., Забурдяев Г.С. Способы интенсификации га-зоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях. Сборник «Современные проблемы шахтного метана». М., МГГУ, 1999,с. 106-117.
2. Малышев Ю.Н., Зверев И.В., Айруни А.Т. Новые высокоэффективные технологии предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов. Сборник «Современные проблемы шахтного метана». М., МГГУ, 1999, с. 86-99.
3. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., Недра, 1979, 271 с.
4. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., МГГУ, 1996, 441 с.
5. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. М., ИПКОН РАН, 1984, 230 с.
6. Защитные пласты. Л., Недра, 1972, 424 с.
7. Эттингер И.Л. Газоемкость ископаемых углей. М., Недра, 1966.
8. Ковалева И.Б., Кривицкая Р.М., Мучник С.В., Панкратьев Ю.Д., Эттингер И.Л. Теплоты сорбции в системе «метан-ископаемый уголь». ХТТ, 1978, № 6.
9. Бобин ВА., Зимаков Б.М., Одинцев В.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля. ФТПРПИ, 1989, №3, с. 81-90.
ш
Гурьянов В.В. —профессор, доктор технических наук, зав. лабораторией, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Иофис М.А. —профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН
НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА МГГУ
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ ВУЗОВ ГОРНОГО ПРОФИЛЯ
С.В. Ржевская Материаловедение. - 304 с.
Я.М. Радкевич, Б.И. Лактионов Метрология, стандартизация и взаимозаменяемость, 1998 - т.1 - 216 с т.2 - 268 с., т.3 - 240 с., т.3а - 208 с.
'у' В.А. Мироненко Динамика подземных вод. - 519 с.
А.М. Чумичев Техника и технология неразрушающих методов контроля деталей горных машин и оборудования. - 378 с.
М.Е. Певзнер и др. Горное дело и охрана окружающей среды. - 300 с.
М.Е. Певзнер Горное право. - 321 с.
М.Е. Певзнер Горный аудит. - 216 с.
М.Л. Харахан Курс общей физики. Часть IV. Начала термодинамики и стастистической физики. - 198 с.
Л.А. Пучков, А.Е. Воробьев Человек и биосфера: вхождение в техносферу. - 341 с.
Г.А. Доброборский В.С. Перевалов и др. Сборник задач по теоретической механике. На примерах из горной техники и технологии. - 192 с.
Ю.Н. Бобылев Физические основы электроники. - 290 с.
Ю.Ф. Васючков, Численное моделирование задач гeоmeхнологии при разра-
