ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗГРУЗКИ И СДВИЖЕНИЙ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД НА ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАНА ИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА

-------------------------------- © Г.Я. Полсвщиков, М.В. Шинкевич,
Е.Н. Козырева, О.В. Брюзгина, 2008
УДК 622.121.54
Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, Е.Н. Козырева,
О.В. Брюзгина
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗГРУЗКИ И СДВИЖЕНИЙ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД НА ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАНА ИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА *
Семинар № 4
Исследования и разработка методов расчета выделения метана из разрабатываемого пласта и отбитого угля является одной из основных задач рудничной аэрогазодинамики. Ее решение непосредственно связано с изучением напряженно-деформированного и газодинамического состояний призабойной части пласта. Однако в общепринятых моделях на всех стадиях геомеханиче-ского процесса степень участия газовой компоненты ограничена рассмотрением поведения свободного газа в деформирующейся среде. Но в последние десятилетия получены новые знания о свойствах и состояниях углеметанового пласта, как твердого углегазового раствора [1]. Они указывают на более глубокое взаимодействие газа с твердой составляющей пласта при разгрузке от горного давления. При этом фронт зоны изменений состояния пласта связан не только с его механическими, но и газокинетическими свойствами, адекватно изменяющимися под влиянием геомеханических процессов во вмещающем массиве.
При современных тенденциях роста длин лав и выемочных столбов ука-
занные особенности заставляют более полно рассмотреть геомеханические следствия отработки угольных пластов. Прежде всего, это относится к оценке связи нагрузки на призабойную часть пласта с развитием зоны сдвижения подрабатываемого массива, т.к. натурными наблюдениями динамики метанообильности выемочных участков установлена [2] волнообраз-ность ее изменений по длине выемочного столба. Этот газокинетический эффект указывает на существование более глубоких связей между процессами в массиве горных пород, нежели это предусматривают известные методы расчетов напряженно-деформированного состояния призабойной части пласта. Следствием этому являются затруднения при проектировании и эксплуатации систем управления газовыделением.
В представляемых результатах исследований рассматриваются процессы только в подрабатываемом массиве, поскольку преимущественно ими обусловлены значительные изменения напряженно-деформированного и газодинамического состояний призабойной части пласта. К основной
“Работа выполнена с финансовой поддержкой по междисциплинарному интеграционному проекту СО РАН № 89.
О 120 240 360 480 600 720 840 960
Отход лавы от монтажной камеры, м
Рис. 1. Изменения динамической составляющей фактической метанообильности выемочного участка и сдвижения подрабатываемого массива на Шелканском месторождении Кузбасса: 1 - разрабатываемый пласт; 2 - угленосная толща; 3 - пустые породы; 4 - значения динамической составляющей метанообильности выемочного участка; 5 - верхняя граница угленосной свиты; 6 - контуры сводов сдвижений
особенности этих процессов следует отнести их связь с развитием фронта разгрузки и сдвижений массива.
Необходимая информация о процессах сдвижений может быть получена по фактическим данным метанообильности выемочного участка [2] (рис. 1). Достаточно принять: "В массиве заложены пластины-индикаторы, однозначно реагирующие на снижение напряжений - углеметановые пласты. При напряжений они выделяют газ, непрерывно контролируемый технологической системой мониторинга шахты".
При выполнении натурных наблюдений влияния изменчивости свойств углегазоносного массива горных пород и скорости подвигания забоя исключались путем оценки доли реализации распределенного по длине выемочного столба газового потенциала массива и приведения режима подви-гания забоя к постоянной скорости в 1 м/сут.
Установлено, что периоды полуволн газокинетического паттерна составляют сотни метров, многократно превышая максимально возможные размеры консолей основной кровли и, тем самым, указывая на связь параметров, а, следовательно, и состояний слоев пород с процессами развития зон сдвижений. При этом, амплитуда и длина полуволн динамической составляющей метанообильности выемочного участка пропорциональны отношению разности отметок глубин залегания разрабатываемого пласта и верхней границы свиты к глубине залегания разрабатываемого пласта. Учитывая неизменность газокинетических свойств массива за пределами фронта разгрузки, можем заключить -горное давление на нижележащие слои определяется плотностью пород и разностью отметок контура свода и залеганием соответствующего слоя. Эта особенность достаточно логично объясняет неравномерность шагов
обрушения основной кровли по длине выемочного столба и их зависимость от скорости подвигания очистного забоя. Скорость развития фронта сдвижений, при постоянной скорости подвигания, связана с затухающими, с удалением от разрабатываемого пласта, особенностями геомеханического процесса.
Согласно данным о динамике ме-танообильности можем принять, что геометрия фронта сдвижений имеет вид полуволн, в пределах которых и выделяются зоны беспорядочного и крупноблочного обрушений с вышележащей зоной полных сдвижений и разгрузки (рис. 2). При расчетах гео-механического состояния призабойной части разрабатываемого пласта величина горного давления эквивалентна разности отметок между контуром свода полных сдвижений и глубиной разработки.
В пределах этого основного свода существуют вложенные гармоники [3], т.к. шаги обрушений основной и непосредственной кровли, периоды крупноблочных обрушений существенно различаются. Этим гармоникам, согласно принципу суперпози-
Рис. 2. Принимаемая схема разгрузки и сдвижений подрабатываемого массива горных пород
ции, соответствуют вложенные своды. Формирование каждого следующего вышележащего свода проявляет себя к моменту окончания отработки двух нижележащих - вложенных.
Для расчета контура свода сдвижений применяем одно из выражений для нахождения параболы, параметрами которой являются: И! -высота свода, м; Ь - протяженность свода сдвижений, м; 0 < 1 < Ь - текущая координата, м; у - угол полных сдвижений, град.
(
4Hl
h =
i - L
L,
\
Li
m;
Lj= 2 Hj ctg у, m.
Предварительно определяются параметры распространяющегося до поверхности внешнего свода сдвижений из условия Hj = Hp, где Hp - глубина разработки углеметанового пласта. Последующие, вложенные своды сдвижений находятся путем делении параметров внешнего свода на 2j, где 1 < j < imax - степень вложенности сводов сдвижений. Значение jmax соответствует условию Lj ~ Li, где Li -устойчивый пролет основной кровли.
С приведенными уточнениями общепринятых геомеханических моделей регистрация весьма значительных поднятий кровли впереди очистного забоя [4] приобретает большее физическое понимание, поскольку их количественные значения обусловлены
предварительной разгрузкой части массива в пределах опережающего лаву свода. Иными словами, консоль восстанавливает напряжения в вышележащих слоях с их частичной деформацией с обратным знаком. Для удобства дальнейшего изложения введем термин - зона опережающей разгрузки. За пределами этой зоны газокинетические свойства углеметанового пласта остаются равными природным, если рассматриваемая площадь выемочного столба находится вне влияния горных работ на смежных пластах. Но в ее пределах механическое давление на пласт становится меньше литологического с соответствующими газокинетическими следствиями.
При решении задачи расчета кинетики метановыделения из разрабатываемого пласта использовалась выдвинутая в 80-х годах А.Т. Айруни и И.Ё. Эттингером [1, 5] и получившая экспериментальные подтверждения в 90-х гипотеза: углегазовая среда находится в состоянии твердого углегазового раствора (ТУГР). Снижение напряжений приводит к появлению в системе новой фазы - свободного метана, а "нулевая" газопроницаемость пласта есть следствие перекрытия каналов фильтрации агрегатами ТУГР.
Их необратимый распад в результате разгрузки обеспечивает как ус
Рис. 3. Изменение фазовых состояний метана в пласте при его метаноносности 25 м3/т в горнотехнологических условиях, формирующих расстояние до максимума нормальныгх напряжений 2 м
тойчивый рост газопроницаемости, так и газоистоще-ние пласта под действием градиента давления свободной газовой фазы к забою. Весьма интересной особенностью ТУГР является возможность формировать в процессе распада объем газа, превышающий способность угля, как сорбента, к его поглощению даже при максимально возможном давле-нии свободной фазы, равном гидростатическому. С учетом этого качества установлены изменения структуры фазовых состояний метана в углеметановых пластах в зонах их техногенной разгрузки от горного давления (рис. 3).
Полученный результат стал основой для расчетов динамики метано-выделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля, являющейся наиболее значимым параметром газокинетического паттерна массива газоносных горных пород. Он количественно определяет известные в горной практике эффекты повышения производительности дегазационных пластовых скважин при приближении к ним очистного забоя, а также условия перетока метана из расположенной за зоной повышенных напряжений и, соответственно, пониженной проницаемости, части пласта в выработанное пространство через вмещающие породы.
Интеграция методов механики горных пород и рудничной газодинамики уточняет периодические изменения, при отработке длинного вы-
Рис. 4. Результаты расчетов вторичных шагов обрушения L2 основной кровли, расстояния от плоскости забоя до максимума напряжений Хм и поступления в призабойный объем метана Q в процессе отработки выемочного столба протяжен-
ностью Lв
при скорости
емочного столба, вторичных шагов обрушения основной кровли, давления на крепь, фазовых состояний метана и газокинетических процессов в углеметановом пласте (рис. 4).
Практическая значимость приведенных уточнений динамики метано-обильности очистного забоя становится очевидной, если учесть, что современные технологии обеспечивают производительность выемки угля в десятки тонн в минуту. Обусловленные этим притоки метана из разрабаты-
подвигания забоя 1 м/сут
ваемого пласта и отбитого угля приобретают значения, выходящие за пределы возможностей системы управления газовыделени-ем, снижая эффективность горных работ. Поскольку неотъемлемым ее элементом является газовая безопасность шахт, то изложенные результаты повышения надежности прогноза метанообильности можно рассматривать как одно из возможных решений принципиально важной задачи рудничной аэрогазоди-наимки.
1. Распад твердых углегазовых растворов / Алексеев А. Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. // Физико-технические горные проблемы. 1994, №3, -с. 65-75.
2. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Полевщи-ков Г.Я., Козырева Е.Н. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 11. С. 117-120.
3. Зайденварг В.Е. Геомеханическое обоснование и реализация направлений по-
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
вышения эффективности ведения подземных горных работ: Дис... д-ра техн. наук: -М. 1994- 33 с.
4. Канлыбаева Ж. М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве. Изд-во "Наука", 1968 - 108 с.
5. Растворы метана в угольных пластах / Эттингер И.Ё. // Химия твердого топлива. 1984. №4. С. 28-35. 1333
— Коротко об авторах
Полевщиков Г.Я. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, Шинкевич М.В. - ведущий программист,
Козырева Е.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Брюзгина О.В. - ведущий инженер,
лаборатория газодинамики угольных месторождений, ИУУ СО РАН.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.