Особенности газодинамики горных выработок в зонах заблаговременной дегазации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 5

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© К.С. Коликов, В.И. Тонких, 2001

'-ч ---

УДК 622.817.9:661.184.35:553

К.С. Коликов, В.И. Тонких

ОСОБЕННОСТИ ГАЗОДИНАМИКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНАХ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ

Р

ассматривая данный вопрос необходимо учитывать специфические особенности пласта d6, который в пределах шахты им. Ленина с глубины 250 м от поверхности отнесен к опасным, а с глубины 320 м - к особовыбросоопасным по газодинамическим явлениям [1]. Защитных пластов пласт d6 не имеет. Общая его мощность колеблется в пределах 5 - 7 м. Пласт имеет сложное строение и может быть разделен на два слоя. Уголь верхнего слоя мощностью 3,4 - 4,0 м полосчатый, полу-блестящий, крепостью 0,5 - 0,7 с эндокливажом вертикального падения, сухой, на разлом хрупкий. Уголь нижнего слоя мощностью до 1,0 - 2,0 м сажистый, крепостью от 0,2 до 0,4, жирный не-смачиваемый. Верхний и нижний слой разделяет глинистый водонепроницаемый аргиллит мощностью до 0,2 м. Коэффициент изменчивости прочности угля нижнего слоя в 5 раз выше, чем верхнего слоя. Низкие прочностные свойства и высокая начальная скорость газоотдачи угля нижнего слоя пласта d6 обуславливает его повышенную опасность в отношении газодинамических явлений.

Природная газоносность пласта d6 изменяется в пределах 14-28 м3/т. Отличительной особенностью пласта на поле шахты им. Ленина является высокое содержание свободного газа при разгруженном от горного давления состоянии. По данным кернового опробования ПО «Центрказгеология» от 32 до 74 % газа пласта d6 находится в свободном состоянии, причем в 57 % скважин содержание свободного газа превышает 50 %. Начальная скорость газоотдачи угля нижнего слоя пласта значительно выше, чем

верхнего слоя. Среднее значение начальной скорости газоотдачи наиболее выбросоопасных перемятых пачек нижнего слоя составляет 20,5 у.е., а максимальное - до 28 у.е.

В неразгруженном состоянии пласт имеет низкую газопроницаемость по сравнению с другими выбросоопасными пластами Карагандинского бассейна. Коэффициент газопроницаемости пласта Д6 изменяется с глубиной от 0,0060 до 0,0033 мД.

Из-за высокой газодинамической активности угля нижнего слоя проходку подготовительных выработок стали вести по верхнему слою пласта, в том числе и с частичной прической пород кровли. Однако, при проведении подготовительных выработок по верхнему слою, начали происходить газодинамические явления, которые в настоящее время квалифицируются как внезапные прорывы газа с динамическим разломом почвы выработки.

Для их предотвращения была разработана технология, основанная на бурении газодренажных скважин большого диаметра (0 250 мм) и в дальнейшем все подготовительные выработки по пласту d6 проводились только при обязательном выполнении этого мероприятия. Эта технология позволила значительно снизить вероятность внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки. Основным недостатком, кроме не технологичности, является высокая интенсивность газовыделения при бурении газодренажных скважин, зачастую приводящая к загазиро-ванию подготовительных забоев.

В этих условиях наиболее перспективным является заблаговременная дегазация угольного пласта d6 через скважины, пробуренные с поверхности. Эффективность этого регионального способа предотвращения газодинамических явлений достигается за счет следующих основных факторов:

• снижение газоносности и пластового давления при извлечении метана на поверхность;

• существенное повышение проницаемости пласта в результате активного воздействия.

В результате воздействия угольный пласт приобретает ярко выраженные свойства блочно

трещиноватой среды и можно выделить несколько областей, отличающихся характером и величиной раскрытия трещин: область разрыва, область расчленения и область фильтрации. На равномерность и эффективность обработки пласта и последующей дегазации определяющее влияние оказывает геометрия трещин первых двух зон, поскольку проницаемость этих областей значительно превосходит проницаемость оставшейся части угольного пласта.

Развитие системы трещин в угольном пласте под воздействием нагнетаемой с высоким темпом рабочей жидкости имеет ряд отличительных особенностей. Во-первых, развитие трещин происходит в естественно-трещиноватой среде, причем густота естественных трещин существенно выше, чем прорастающих. Во-вторых, механизм развития трещин внутреннего давления в угольном пласте отличается от механизма, разработанного в теории гидроразрыва нефтяных и газовых месторождений. Основное отличие заключается в локализации трещин в относительно тонком слое мягкого материала, зажатого высокомодульными породами.

Геометрия раскрываемой системы трещин определяется, прежде всего свойствами среды и взаимодействием между прорастающими трещинами. Установлено, что при расстоянии между трещинами больше двух их диаметров, взаимное влияние выражено мало. Однако, когда трещины расположены ближе, их взаимное влияние может оказаться решающим.

В зоне обработки, на расстоянии 30-60 м от скважины, зияние трещин гидрорасчленения от 1 до 25 мм, что позволяет их визуальное обнаружение при ведении горных работ. В неосвоенных и плохо освоенных скважинах эта часть зон расчленения может быть склонной к повышенному газовыделению в забой подготовительной выработки или в прогнозный шпур, в результате вскрытия трещин с движущимся к скважине потоком газа.

В периферийных частях зон гидрорасчленения трещины имеют, как правило, меньшее зияние и визуально при горных работах не обнаруживаются. Однако их наличие проявляется в виде достаточно высоких единичных замеров начальной скорости газовыделения с метрового интервала в прогнозные шпуры, существенно отличающихся от средних значений этого показателя по зоне воздействия.

В ходе проведения шахтных исследований по оценке эффективности заблаговременной дегазации одними из основных задач являлось:

• оценка снижения газодинамической активности нижней пачки пласта;

• определение способа оценки выбросоопас-ности в зонах заблаговременной дегазационной подготовки.

Последнее связано в первую очередь с тем, что при проведении разведочного ходка в зоне скважины № 6 на первом этапе оценки заблаговременной дегазации как противовыбросного мероприятия прогноз по критерию Rl показал повышение доли выбросоопасных значений, хотя косвенные показатели подтвердили улучшение газодинамической обстановки. Так, несмотря на то, что к моменту проведения выработки из обработанного участка извлечено 2223 тыс. м3 метана, на начало проведения выработки и до ее подхода к створу скважины №6 дебит метана из скважины на поверхность составлял 1,3 м3/мин. Это сказалось на результатах прогноза выбросоопасно-сти по показателю Rl. На участке сравнения этот показатель изменялся в пределах — 2,0^31,5 и в 25 % из общего количества замеров превышал критическое значение. В зоне скважины №6 показателя выбросоопасности изменялся в пределах от — 4 до 42 и в 64 % случаях он превышал критическое значение. 0бусловлено это высокой (до 30 л/мин) начальной скоростью газовыделения с метровых интервалов прогнозного шпура при пересечении трещин расчленения, по которым газ с периферии зоны двигался к скважине № 6.

снижению вероятности внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки оценивалась по изменению прироста газовыделения при бурении газодренажных скважин большого диаметра (0 250 мм). Результаты представлены на рис. 1. Как видно, вне зон гидрорасчленения бурение газодренажных скважин сопровождается значительным приростом газовыделения, Таблица обуславливающим основное количество загазирований подготовительных забоев. Вне зон гидрорасчленения этот показатель составил 1,95 + 0,55 м3/мин., а в зоне скважины ГРП-6 он равнялся 0,3 + 0,1 м3/мин, то есть снижен на 85 %. Это снижение неравномерности газовыделения позволило обеспечить безопасные условия при бурении скважин и проходке. Если вне зоны скважины № 6 в конвейерном

бремсберге 25-Д6-1В и в разведочном ходке (на участке 230-280 м) зафиксировано соответственно 42 и 12 превышений концентрации на исходящей струе выработки, то в зоне скважины №6 таких превышений отмечено не было.

ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ БУРЕНИИ ГАЗОДРЕНАЖНЫХ СКВАЖИН И РАБОТЕ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА

Максимальное га-зовыделение из одной скважины 0 250 мм, м3 Удельное газовыделение из разрушаемого в забое угля, м3/т Расстояние до скважины ГРП-6, м

40 1,85 320

80 2,22 280

100 1,29 265

65 1,39 240

15 0,90 205

5 0,56 168

5 0,49 144

3 0,28 86

3 0,20 60

3 0,00 56

3 0,32 54

4 0,35 64

2 0,07 68

0 0,15 90

2 0,69 100

24 1,75 108

15 0,95 134

16 1,42 156

35 2,70 170

28 2,70 192

В таблице представлены результаты замеров газовыделения при бурении газодренажных скважин 0 250 мм и прироста газовыделения при разрушении угля проходческим комбайном на различных расстояниях от скважины ГРП-6.

Газовыделение из скважин 0 250 мм вне зон гидрорасчленения составляло 30-100 м3, а в зоне ГРП-6 оно снижено до 2-5 м3.

Проведенные исследования свидетельствуют, что заблаговременная дегазация значительно снижает вероятность внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки. Причем расчленение оказало свое влияние как на верхнюю ненарушенную часть пласта Д6, так и на его нижнюю перемятую пачку, обладающую значительно более низкой проницаемостью.

В результате снижения выбросоопасности и газоносности пласта, снижения газопроявлений в подготовительный забой темпы проходки в зонах влияния скважин гидрорасчленения значительно выше. Так 450 м в зоне влияния скважин гидрорасчленения ГРП-5 и ГРП-12 конвейерного бремсберга 301 -Д6-1В пройдены за 7 месяцев со средним темпом 65 м/мес, то последующие 400 м пройдены более чем за год, причем в отдельные месяцы из-за сложной газовой обстановки темпы проведения выработки составляли 10-30 м/мес. В дальнейшем было

принято решение о прохождении парных выра-

боток вне зон гидрорасчленения.

Институтом КО ВостНИИ для условий шахты им. Ленина для контроля эффективности противовыбросных мероприятий при высоких значениях начальной скорости газовыделения предложен показатель динамики газовыделе-ния, представляющий собой отношение величины скорости газовыделения через 5 мин после первого замера (gt5) к величине начальной скорости газовыделения (gt0) с того же интервала. В настоящее время этот показатель является в бассейне нормативным для нарушенных участков. В качестве критического значения этого показателя принято соотношение, равное 0,65 (при gt5/gt0< 0,65 - опасно).

На рис. 2 приведены значения динамики газо-выделения на различных расстояниях от скв. № 6, которые свидетельствуют, что этот показатель в пределах зоны превышает критическое значение и в большинстве случаев равен 1. Вне зоны воздействия имели место достаточно много случаев, когда gt5/gt0< 0,65, причем такие случаи наблюдались как до бурения скважин в контуре выработки, так и после бурения 3-х скважин.

Таким образом, проведенные исследования позволили подтвердить эффективность заблаговременной дегазации по отношению к слабой низкопроницаемой пачке угля.

При прогнозе выбросоопасности по критерию

R1 опасные значения в недостаточно освоенных

зонах определяются повышенным газовыделени- опасности необходимо определять показатель

ем в прогнозные шпуры из трещин расчленения. динамики газовыделения.

В этом случае для корректной оценки выбросо-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =-

/ 7

Коликов Константин Сергеевич - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Инженерная защита окружающей среды», Московский государственный горный университет.

Тонких Василий Иннокентьевич - инженер, Угольный департамент ОАО «Испат-Кармет».

^^