БИБЛИОТЕКА АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ПРОГНОЗА УЧАСТКОВ ПОВЫШЕННОГО ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Коликов К.С.(МГГУ), Бобнев Ю.Н. (УД АО "Миттал Стил Темиртау") Практика отработки угольных пластов показывает наличие зон аномального газовыделения, которые имеют геологическое или техногенное происхождение. Следует отметить, что прогноз последних связан не только с решением вопросов повышения эффективности управления газовыделением, но и безопасностью отработки, т.к. эти зоны имеют тесную взаимосвязь с устойчивостью пород кровли. Ведь с посадками пород кровли связано не только изменение газовыделения, но и во многом вывалы пород непосредственной кровли, которые значительно ухудшают технико-экономические показатели и безопасность отработки запасов угля.
Для повышения эффективности и безопасности отработки запасов угля необходимо осуществлять прогноз зон повышенного газовыделения. Развитие этого направления требует в первую очередь анализа способов прогноза и выделения зон, опасных по газодинамическим явлениям. В основе большинства из них лежит прямая или косвенная оценка свойств и состояния угольных пластов и вмещающих пород - газоносности, скорости газоотдачи, физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния и т.д.
Систематическое изучение горно-геологических условий начато после первого выброса угля и газа, который произошел в Донбассе в 1906 году при вскрытии пласта на глубине 728 м от дневной поверхности. И в дальнейшем изучение горно-геологических условий было в основном связано с вопросами выбросоопасности.
Последний период, несмотря на то, что проблема газодинамических явлений в условиях интенсивного роста добычи имела важное народнохозяйственное значение, не характеризуется существенным прогрессом в разработке методов прогноза и способов предупреждения газодинамических явлений в шахтах.
Основные задачи изучения геологических условий заключались в исследовании тектонической структуры, разработке классификаций различных тектонических нарушений, определении природной газоносности и основных факторов, определяющих распределение газов в угленосной толще, в установлении особенностей состава и строения выбросоопасного угольного пласта и вмещающих пород.
К середине 60-х годов был выполнен обширный комплекс исследований, в результате которых были освещены некоторые вопросы геологических условий проявления выбросов. В ряде работ этого периода были предложения по использованию в целях прогноза внезапных выбросов геологических и геофизических показателей выбросоопасности угольных пластов. Однако отсутствие систематических и комплексных исследований геологических факторов выбросоопасности не привели к разработке теоретических основ прогнозирования условий возникновения внезапных выбросов угля и газа в шахтах.
Для отдельных районов Донбасса были составлены региональные прогнозы по таким признакам угольных пластов, как степень метаморфизма углей, зональность в распределении физико-механических свойств пласта в пределах складчатых и других тектонических структур, трещиноватость, литологическая или фациальная принадлежность вмещающих пород и по ряду других признаков.
Перспективным направлением в разработке методов прогноза внезапных выбросов было разработанное в ИГТМ НАНУ комплексное направление в изучении геологических условий и факторов выбросоопасности угольных пластов и пород и реализованное на ряде шахт Донбасса.
К недостаткам методик этого направления исследований выбросоопасности угольных пластов, в силу которых они не получили широкого применения, нужно отнести:
Аномальные зоны газоносности, как правило, приурочены к тектоническим нарушениям, которые могут обеспечивать условия, как дегазации пласта, так и аккумуляции метана. При оценке потенциальной газоотдачи угольных пластов определяющими являются газоносность и газопроницаемость углей, которая во многом зависит от напряженно-деформированного состояния пласта. Газоносность и кинетика газоотдачи угля определяются такими факторами, как степень метаморфизма, глубина залегания, петрографический состав, горно-геологические условия.
В пределах шахтного поля и тем более одной лавы степень метаморфизма, глубина залегания и петрографический состав достаточно стабильны. Поэтому из факторов, определяющих неравномерность газовыделения, наиболее важными, на наш взгляд являются горно-геологические условия.
Характер влияния крупных нарушений может быть оценен на основе анализа газообильности подготовительных выработок на вышезалегающих пластах или горизонтах. Однако для корректной оценки необходим учет напряженно-деформированного состояния углепородного массива. Для этого целесообразно применять методы геодинамического районирования. Следует отметить, что зоны повышенного газовыделения наблюдаются и в отсутствии тектонических нарушений. В этом случае задача прогнозирования зон повышенного газовыделения фактически трансформируется в задачу выделения зон повышенной проницаемости угля. Проницаемость угольных пластов в основном определяется их трещиноватостью, которая формируется как в процессе генезиса углей, так и в результате тектонической и других видов деятельности.
Эндогенная трещиноватость определяется содержанием витринита и степенью метаморфизма, поэтому в пределах шахтного поля не позволяет выделить зоны повышенного газовыделения. В связи с этим с нашей точки зрения наибольший интерес представляют способы, позволяющие выделить трещиноватость второго типа. Неоднократно отмечалось, что песчаники, являясь более прочными в сравнении с другими породами кровли и почвы, концентрируют напряжения в массиве. Влияние прочных пород на трещинообразование и напряжения в пласте определяет в итоге неравномерное распределение и выделение газа.
Большое влияние также оказывает малоамплитудная и пликативная нарушенность, которые не выявляются геологоразведочными работами. Их идентификация возможна геофизическими методами, которые являются достаточно трудоемкими, дорогостоящими и требуют определенных горнотехнических условий. При этом надежность прогноза оставляет желать лучшего.
Кроме того, все процессы, происходящие в угольных пластах и вмещающих породах, отражаются на мощности пластов. Изменения мощности следует рассматривать с двух позиций. Во-первых, с точки зрения условий угленакопления, во-вторых, как результат разрывных и пликативных нарушений:
Зоны повышенной трещиноватости чаще всего приурочены к складкам антиклинального характера и зонам мелкоамплитудной нарушенности.
В связи с этим с нашей точки зрения наибольший интерес представляют способы, позволяющие выделить трещиноватость второго типа. К этим способам следует отнести: геодинамическое районирование; методы морфоструктурного анализа; оценку геомеханических и газодинамических свойств; по геологоразведочным и геофизическим данным; теорию флюидизации; сейсмоакустические методы.
Оценка геомеханических и газодинамических свойств является модификацией ранее разрабатывавшейся программы по оценке выбросоопасности угольных пластов на основе результатов геологоразведочных и геофизических работ.
На основе установленных экспериментальных зависимостей между показателем кавернометрии и физико-механическими свойствами углей, устанавливаемых в ходе геологоразведочных работ, определяются прочность угля, его коэффициенты газоотдачи и газопроницаемости.
Возможность выделения зон повышенной газоотдачи и оценки их размеров определяется количеством и качеством исходной информации. Так, при наличии информации по 40-50 скважинам одного шахтного поля усреднение значений газоносности и газопроницаемости производится в 50 метровых интервалах глубин.
Шаг оценки газопроницаемости составляет 0,1 мД.
Апробация данного метода в условиях шахт им. В.И.Ленина, ''Сокурская'', ''Стахановская'' не позволила однозначно выделить зоны повышенного газовыделения в первую очередь из-за недостаточного объема исходной информации, т.к. кавернометрия проводилась далеко не на всех ранее бурившихся геологоразведочных скважинах.
В настоящее время проводятся исследования и подготовка данных по оценке способности к газоотдаче углей. Ускорить отработку способа возможно за счет дополнительной оценки прочностных и газодинамических свойств углей непосредственно в забоях горных выработок, что позволит получить более подробную информацию по объекту и при наличии протяженных зон повышенной газопроницаемости выделить их. Данная информация представляет, с нашей точки зрения, интерес не только в вопросах заблаговременного извлечения угольного метана, но и для оптимизации параметров предварительной и текущей дегазации.
Направление прогноза зон повышенного газовыделения с использованием основ теории флюидизации наибольшее развитие и распространение получило в Северно-Кавказском Центре (СКЦ) ВШ РФ.
Для выделения рассматриваемых зон необходима информация по тектонике участка и содержанию в угле Са, Мn, Ва и других компонентов, которое определяется в ходе геохимических исследований месторождения. Данная информация по большинству шахтных полей бассейна либо недостаточно подробна, либо отсутствует.
Сейсмоакустические исследования достаточно успешно применяются в газовой промышленности и позволяют выделить зоны с повышенной пористостью (~10%) и содержанием газа. Наиболее широко распространена сейсмическая разведка профилями с двухмерным отображением результатов. В последнее время получили развитие способы, обеспечивающие трехмерную интерпретацию полученных данных. Их надежность и разрешающая способность значительно выше, однако высокая стоимость препятствует широкому распространению способа при отработке угольных пластов.
В условиях угольных месторождений перспективы этого способа, с нашей точки зрения, связаны с комплексным подходом, предусматривающим использование сейсморазведки, в первую очередь для выявления нарушенности угольных пластов в интересах повышения эффективности и безопасности горных работ с последующим анализом данных для выявления зон повышенной газоотдачи.
Однако этот способ имеет ряд ограничений по горно-геологическим условиям. Так в массиве должны отсутствовать отработанные пласты или срок их отработки должен превышать 10-15 лет.
Кроме того, существующие методики выделения зон повышенной проницаемости неадаптированы для условий угольных месторождений, пористость которых значительно ниже, что автоматически снижает его надежность и достоверность.
Для выделения зон повышенной трещиноватости могут быть использованы положения "Методики прогноза горно-геологических условий выбросоопасных угольных пластов" [7] по выявлению зон повышенной трещиноватости, базирующиеся на установлении закономерностей изменения мощности пласта и выделении зоны резких изменений мощности угольного пласта. С учетом изменчивости мощности наиболее прочных пород кровли и почвы, определяющих неравномерность распределения горного давления, выделяют зоны повышенной трещиноватости - участки потенциально повышенного газовыделения. Для этого используются результаты как геолого-разведочных, так и горных работ, включающих результаты наблюдений при проведении горных выработок и бурении эксплуатационных скважин.
По изменчивости мощности слоя наиболее прочных пород, являющихся индикатором прочностных возможностей угленосной толщи, осуществляется прогноз зон развития малоамплитудной нарушенности. Применение графического метода заключается в построении изолиний мощности наиболее прочных пород в кровле и в почве пласта и определения расстояния между ними. В условиях Карагандинского бассейна этот интервал обычно не превышает 30-60 м.
Величина газовыделения предопределяется в основном не столько природной трещиноватостью, сколько проницаемостью пласта, т.е. сохранностью трещин в раскрытом состоянии, что соответствует наиболее прочным участкам. Поэтому зоны повышенного газовыделения будут соответствовать участкам с максимальной величиной отношения мощности прочных пород к расстоянию между ними.
В соответствии с этой методикой был осуществлен анализ горно-геологических условий залегания угольных пластов К10 и К12 южного блока ш. "Стахановская". Анализ мощности угольных пластов К10 и К12 показывает, что выделить зоны интенсивности изменения мощности возможно только для пласта К10. Пласт К12 является значительно более устойчивым, общая мощность его изменяется от 8,15 до 9,75, т.е. при средней величине 8,93 м стандартное отклонение не превышает 0,52. С учетом того, что именно пласт К12 имеет определяющее значение в формировании газового баланса лавы, фактор изменения мощности пласта можно не учитывать.
Более дифференцированная картина наблюдается при анализе условий пласта К12. Мощность песчаников в кровле пласта изменяется от 10,6 м до 26,6 м, а в почве - от 12 м до 23 м. Расстояние от кровли изменяется от 2,2 до 29,6 м, а от почвы - от 0,6 м до 9,4 м. Отношение суммарной мощности к расстоянию между ними изменяется от 0,77 до 1,99. Аномальное значение по скважине № 15359 равное 0,4, согласуется с предположением о повышенной трещиноватости при утолщении пласта в зонах приуроченных к сбросам, т.к. скважина находится в непосредственной близости от сбросов № 68 и № 69. Здесь отмечается максимальная мощность пласта (10,4 м), что на 15% превышает среднюю.
Анализируя гипсометрию угольного пласта необходимо отметить наличие незначительной складки антиклинального характера, ось которой субпараллельна сбросу № 67 и проходит в непосредственной близости от пересечения пласта скважиной № 15220. Как известно, именно с осями складок связывают интенсивное трещинообразование.
Рассмотренные факторы создают потенциальные зоны повышенного газовыделения. Хотя четкого критерия выделения зон повышенной трещиноватости нет, используемая методика позволяет оценить качественную картину. С учетом этого необходимо выделить зону, приуроченную к скважинам № 11209 и № 15220. В соответствии с этой методикой был также осуществлен анализ горно-геологических условий залегания угольного пласта d6 восточного крыла шахты им. Ленина. Зона повышенного газовыделения охватывает участки скважин заблаговременной дегазации № 11 и № 12, которые являлись одними из наиболее продуктивных среди 14 обработанных.
Ещё одним из направлений прогнозирования газодинамически опасных зон является оценка напряженно-деформированного состояния углепородного массива. Особый интерес это представляет для подготовительных работ. Большое количество факторов ее определяющих делают практически невозможным получить аналитическое решение данной проблемы. Общепризнанно, что основными определяющими факторами являются горное и газовое давление.
Для повышения безопасности горных работ участки повышенной газодинамической активности должны быть заблаговременно дегазированы. Данный подход был использован на западном крыле пласта d6 шахты "Казахстанская", где выбор мест заложения скважин был осуществлен совместно с институтом прикладной математики МОН РК на основе оценки НДС пласта.
Расчет НДС выполнялся с использованием метода граничных элементов, который обеспечивает значительное сокращение времени расчета по сравнению с МКЭ. Применялась следующая последовательность действий:
Результаты расчета выдаются в виде эллипсов главных напряжений. Наименее устойчивым является участок массива, где наблюдается максимальная разница в длинах осей.
Анализ НДС выполненный специалистами института прикладной математики показал, что напряженно-деформированное состояние угольного пласта на рассматриваемом участке достаточно однородно. Коэффициент геостатичности составляет около 2. Отмечаются небольшие изменения углов наклона эллипсов главных напряжений. В ряде случаев отмечается снижение коэффициента геостатичности до 1, приуроченное к почве пласта. Исключение составляют зона скважины №30, где коэффициент геостатичности достигает 3, часть зоны скважины №23 по восстанию от скважины, где в результате быстрого уменьшения горизонтальной составляющей коэффициент геостатичности достигает 10. В зоне скважины №25 при аналогичном характере коэффициент геостатичности увеличивается с 2 до 3. В настоящее время осуществляется освоение скважин заблаговременной дегазации, расположенных на данном участке, результаты которого позволят оценить перспективы использования данного метода.
|