Содержание к диссертации
Введение
1 Уточнение особенностей сорбционной метаноемкости каменных углей и их связи с выбросоопасностью пластов 11
1.1. Основные представления о физико-химических причинах содержания метана в угольных пластах 11
1.2. Уточнение зависимости сорбционной метаноемкости углей от выхода летучих веществ
1.3. Анализ влияния основных свойств углей на их сорбционную метано- емкость 22
1.4. Изучение влияния глубины залегания пластов в точке отбора проб угля на сорбционную метаноемкость угля 36
2. Исследование зависимости метаноносности угольных пластов от глубины залегания и выхода летучих веществ 38
2.1. Исходные положения 38
2.2. Установление зависимости метаноносности угольных пластов Кузбасса от глубины залегания и выхода летучих веществ 42
2.3. Оценка взаимной обусловленности содержания растворенного и сорбированного метана в пластах угля 52
2.4. Проверка установленной зависимости для оценки максимальной метаноносности пластов для условий других бассейнов 55
3. Исследование энергетических показателей изменений метастабильных состояний газонасыщенного угля и газоносного пласта 60
3.1. Обоснование показателей устойчивости систем уголь-метан 60
3.2. Анализ релаксационной способности метаноемкости угля 63
3.3. Анализ релаксационной способности метаноносности угольного пласта 65
4. Разработка метода количественной оценки склонности каменноугольных пластов к саморазрушению за счет энергии содержащегося в них метана ... 69
4.1. Общие положения 69
4.2. Обоснование метода 73
4.3. Анализ газокинетических следствий частичной надработки углемета-новых пластов
Заключение 87
Список использованных источников
- Уточнение зависимости сорбционной метаноемкости углей от выхода летучих веществ
- Установление зависимости метаноносности угольных пластов Кузбасса от глубины залегания и выхода летучих веществ
- Анализ релаксационной способности метаноемкости угля
- Анализ газокинетических следствий частичной надработки углемета-новых пластов
Введение к работе
Актуальность работы. Уровень решения научно-технических задач, связанных с оценкой состояния массива горных пород, в значительной мере определяет себестоимость добычи угля, производительность и безопасность труда. Сложность постановки и решения этих задач существенно возрастают при наличии газа в количествах и состояниях, достаточных для интенсификации геомеханических процессов.
Резко возросшие в последние годы скорости подвигания очистных забоев и значительный рост размеров выемочных столбов:
резко интенсифицировали динамику газопритоков из пласта и отбиваемого угля;
значительно усилили влияние изменения свойств пласта на площади выемочного столба, а, тем более, выемочного поля;
ранее приемлемые погрешности в оценках метанообильности комплексно-механизированных участков вышли за пределы резервов системы управления газовыделением даже на пластах, газоносностью которых ранее практически пренебрегали;
наиболее привлекательны запасы коксующихся углей, но разработка таких пластов в Кузбассе уже с глубины 150 м от поверхности сопряжена с наиболее грозными природно-технологическими явлениями - внезапными выбросами угля и газа.
Технический прогресс в угледобыче требует решений качественно нового уровня - количественной оценки потенциальной газодинамической активности углеметановых пластов с выделением зон различных видов и уровней опасности газопроявлений и пространственным представлением результата. Существующие методы оценки свойств и состояний углеметанового пласта не обеспечивают решения столь широкого круга задач рудничной аэрогазодинамики с
единых позиций, а как свидетельствует мировой опыт, горноэкспериментальный путь инженерных решений сопровождается авариями.
Изложенное указывает на высокую актуальность разработки метода оценки газодинамической активности углеметановых пластов по геологоразведочным данным, имеющего важное научное и практическое значение. Решению этой задачи соответствуют условия Кузнецкого бассейна, горнотехнологические особенности которого достаточно многообразны.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР Института угля и углехимии СО РАН по программе 25.2. по проекту 25.2.4. Гос.
^ per. № 0120. 0 405555 и хозяйственным договорам № 110-26-2002; №230-Г-
НИИ-03 гос. контракт № 36.6656.11.0293 0293/2-ИУУ; №110-38-2003; №04001/05; №3/03-04.
Цель работы - разработать метод оценки газодинамической активности углеметановых пластов по геологоразведочным данным для совершенствования управления газопроявлениями при ведении горных работ.
Идея работы - газодинамическая активность пласта в зонах технологи
ческого влияния связана с неустойчивостью состояний системы «уголь-метан»,
\ ^ изменяющей свои свойства под влиянием метаморфизма.
Задачи исследований. Исходя из анализа состояния вопроса и поставленной цели, при выполнении работы решались следующие задачи:
уточнить особенности сорбционной метаноемкости каменных углей различных стадий метаморфизма и их связь с выбросоопасностью углеметановых пластов Кузбасса;
установить зависимость максимальной газоносности каменноугольных пластов от глубины их залегания и выхода летучих веществ;
установить, с использованием критериев устойчивости систем, особенности изменений энергетических показателей метастабильных состояний газонасыщенного угля и газоносного пласта;
разработать метод количественной оценки склонности каменноугольных пластов к саморазрушению за счет энергии содержащегося в них метана.
Методы исследований. В качестве методической основы настоящей работы использован аппарат условных вероятностей и метод рандомизации, позволившие выделить основные признаки и установить эмпирические зависимости, характеризующие свойства и состояния системы уголь-метан. При анализе показателей их устойчивости использовались методические положения теории устойчивости систем. Обобщение результатов выполнено с привлечением методов геоинформатики, в части пространственного представления свойств и газодинамических характеристик углеметановых пластов.
Научные положения, выносимые на защиту:
Интервал метаморфизма наиболее выбросоопасных углеметановых пластов характеризуется постоянством величины предельной сорбционной ме-таноемкости углей при изменяющемся коэффициенте сорбции.
Градиент роста и предел изменения максимальной метаноносности каменноугольных пластов с увеличением глубины залегания зависят от выхода летучих веществ.
Уровень газодинамической активности углеметановых пластов имеет связь с энергией релаксации метаноносности и метаноемкости при смене метастабильных состояний.
Склонность каменноугольных пластов к саморазрушению за счет энергии содержащегося в них метана характеризуется отношением энергии релаксации метаноносности к показателю прочности угля.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
- использованием представительного объема статистических и горнотех
нологических данных (установление особенностей сорбционной метаноемкости
по 728 пробам углей, установление особенностей метаноносности пластов по
15233 пластопересечениям 323 пластов 10 свит на 11 месторождениях Кузбас
са, разрабатываемых 17 шахтами);
- согласованностью результатов анализа и обобщения с известными
представлениями о свойствах и состояниях массивов газоносных горных пород;
применением современных методов обработки больших информационных массивов;
сходимостью количественных оценок газодинамической активности уг-леметановых пластов с фактическими данными.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые установлено, что градиент устойчивых изменений начальной интенсивности сорбции метана углем по мере роста предельной сорбционной метаноемкости углей s при избыточном давлении газа скачкообразно меняет свое значение с 1,5 1/МПа на 2,0 1/МПа в точке s = 12 см3/г, что согласуется с критическими глубинами выбросоопасности пластов;
впервые установлены значения предельной метаноносности угольных пластов и коэффициента метаноносности, а также их связь с выходом летучих веществ, причем, предельная метаноносность много больше соответствующей предельной сорбционной метаноемкости, а коэффициент метаноносности значительно меньше коэффициента сорбции;
впервые для всего ряда каменных углей установлено, что значения энергии релаксации при смене метастабильных состояний метаноносности и метаноемкости угля с ростом выхода летучих веществ изменяются по параболиче-
ским зависимостям с вершиной, соответствующей углям средней стадии метаморфизма;
- впервые получен основанный на отношении энергии релаксации мета-
ноносности пласта к прочности угля интегральный показатель газодинамиче
ской активности, позволяющий на основании геологоразведочных данных оце
нивать склонность различных зон пласта к саморазрушению и выполнять кар
тирование уровней и видов газодинамической опасности.
Личный вклад автора состоит:
в уточнении зависимости сорбционной метаноемкости каменных углей от выхода летучих веществ;
в установлении эффекта бифуркации параметров сорбционной метаноемкости углей Кузбасса и их связи с выбросоопасностью пластов;
в установлении эмпирической зависимости максимальной метанонос-ности каменноугольных пластов от глубины залегания и количественной оценке отличий показателей физико-химических связей в природных углеметано-вых геоматериалах и искусственно насыщенных метаном углях;
в разработке основанного на значениях релаксации энергии системы уголь-метан метода и оценке склонности двухкомпонентной среды к разрушению твердой составляющей.
Практическое значение работы. Результаты исследования позволяют:
количественно оценивать уровень газодинамической активности пласта или его участка с выделением вида газодинамической опасности;
выполнять картирование углеметановых пластов по их природной газодинамической активности;
рассчитывать предельную метаноносность каменных углей и с учетом ее значений аппроксимировать данные газового опробования при построении карт газоносности и геолого-газовых разрезов.
Реализация работы. Основные положения работы реализованы при разработке рекомендаций по повышению эффективности по газовому фактору очистных работ на выемочных участках № 567 ОАО" Шахты "Чертинская" (хоз. дог. № 3/03-04 от 26 июля 2004 г) и № 2587 ОАО "Шахта им. СМ. Кирова" (хоз. дог. № 3/03-04 от 1 ноября 2004 г).
Апробация работы. Основные результаты исследований:
включены в качестве важнейших научных результатов в отчеты "Важнейшие итоги деятельности РАН в 2003 году" и "Основные научные результаты СО РАН в 2003 г";
докладывались и обсуждались: на научных конференциях: "Молодые ученые Кузбассу. Взгляд в XXI век" (Кемерово, 2001, 2002); Международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов" (Новокузнецк, 2003); научной конференции "Молодые ученые Кузбассу" (Кемерово, 2003); III региональной научно-практической конференции (Кемерово, 2004); VIII Всероссийской научно-практической конференции "Научное творчество молодежи (Томск, 2004); Международной конференции к 60-летию Горно-геологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела СО РАН " Проблемы и перспективы развития горных наук" (Новосибирск, 2004); Научно-технической конференции к 75-летию со дня рождения профессора И.И. Медведева "Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых" (Пермь, 2004); VI международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2004).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях и докладах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 97 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 1 таблицу и 54 рисунка, список использованной литературы из 101 наименования.
Уточнение зависимости сорбционной метаноемкости углей от выхода летучих веществ
Рост газодинамической активности пластов неуклонно связывается с повышением скорости газовыделения из насыщенного метаном угля. В начале второй половины прошлого века И.Л. Эттингером был разработан и широко применялся в горной практике способ прогноза выбросоопасности, основанный на измерении скорости десорбции метана. Но его низкая оперативность, особенно на фоне значительной изменчивости свойств выбросоопасных пластов, потребовала поиска более совершенных методов оценки газодинамического состояния их приконтурной части и более удаленных зон.
За прошедшие десятилетия были разработаны более совершенные методы анализа экспериментальных данных и особенно резко возросли технические возможности обработки больших информационных массивов. С их использованием в настоящей работе выполнены уточнения основных эмпирических зависимостей на известном экспериментальном материале о сорбционных свойствах углей, отобранных на пластах Кузбасса. Информационной базой этого этапа исследований служил изданный ВостНИИ в 1968 г, каталог [25], который содержит данные по 728 пробам углей разрабатываемых месторождений Кузбасса. Диапазоны изменения значений достаточно полно охватывают свойства каменных углей Кузнецкого бассейна: 0,7% W 9%; 1,3% П 30%; 7% Vdaf 45%; 30 м Н 1050 м (W - аналитическая влажность, %; П - пористость, %; Vdaf - выход летучих, %; Н - глубина залегания пласта в точке отбора пробы, м). Сорбционная метаноемкость измерялась в диапазоне установившихся давлений метана 0,1+4 МПа.
Из представленных на рисунках 1.1 и 1.2 результатов видно, что математические положения графиков показателей сорбции метана углем от выхода летучих существенно отличаются от ранее установленных. Причиной столь сильных изменений является ограниченность методических и вычислительных возможностей того периода.
На полученных зависимостях явно выделяется интервал Vdaf (17 - - 33%), в котором предельная сорбционная метаноемкость каменных углей остается постоянной, а коэффициент сорбции продолжает изменяться. Согласно теории устойчивости систем подобное поведение свидетельствует о существовании некой переходной области, в которой система меняет характеристики устойчивости. Точку смены градиентов устойчивых изменений называют точкой бифуркации. Это качество связи отражается (в соответствии с рисунком 1.3) графиком изменения начальной интенсивности сорбционной метаноемкости (первая производная уравнения Ленгмюра при Р=0) с ростом предельной сорбционной метаноемкости каменных углей. Из рисунка видно, что смена градиентов устойчивых изменений с v/! на \/2 происходит в точке акр=12 см /г. Здесь параметры метаноемкости не включают ее значения при давлении газа менее 0,1 МПа, поскольку они относятся к той части, которая не способна выделиться в динамическом режиме. Процесс десорбции при давлениях газа ниже атмосферного протекает в режиме диффузии и газ не может активизировать газодинамическое явление.
Установленные особенности поведения эмпирических зависимостей согласуются с выбросоопасностью основных стратиграфических структур Кузбасса. В правой части рисунка 1.3 представлены сведения о минимальных значениях выбросоопасных глубин, полученные на основании опыта разработки 15 месторождений бассейна. Интервалу бифуркации соответствуют свойства углей геологических структур, включающих пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа. Наибольшая газодинамическая активность пластов на блюдается при смене градиентов в точке бифуркации. В этих условиях горной практикой установлено снижение выбросоопасной глубины подземных горных работ до 150 м. Вне интервала смены градиентов устойчивых изменений параметров сорбционной метаноемкости выбросоопасная глубина в 2 и более раз больше.
Минимальное значение газоносности угольных пластов, при которой за-регистрирован внезапный выброс (10 м /т) и установлена граница ее выбросо-опасных значений ( 12 м3/т), соответствуют значениям предельной сорбционной метаноемкости, при которых начинается отклонение значений начальной интенсивности от прямой \\f\ (10 см /г) и лежит точка бифуркации (12 см /г).
Для углей различных подсерий и свит величина бифуркации начальной интенсивности сорбционной метаноемкости различна. Параметры сорбции молодых углей ерунаковской подсерий по мере метаморфизма устойчиво возрастают с градиентом изменения \/i=l,5 1/МПа и весьма незначительно представлены в интервале смены градиента устойчивых изменений начальной интенсивности сорбционной метаноемкости (пунктирные линии на рисунке 1.3 от наименований подсерий отражают среднестатистические величины начального градиента). Более метаморфизированные угли ильинской подсерий распределяются своей большей частью в пределах этого интервала, а некоторая их часть характеризуется бифуркацией параметров сорбции. Средне метаморфизированные угли верхнебалахонской подсерий практически полностью имеют бифуркацию параметров. Угли нижнебалахонской подсерий своей большей частью характеризуются устойчивым градиентом изменения сорбционных свойств, но уже равным н/2=2,0 1/МПа.
В начале 40-х годов В. Т. Пальвелевым [47] разработана установка для определения действительной плотности угольных образцов в газовой среде. Десятилетие спустя Ю.С. Премыслер [55], не изменяя основного принципа, конструктивно усовершенствовала установку В.Т. Пальвелева и провела на ней большой объем определений. Основное значение результатов, полученных Ю.С. Премыслер, заключается в том, что они укрепили веру исследователей в правильности исходного предположения о наличии свободного газа в угольных пластах и стали как бы экспериментальной основой этого предположения. М.М. Дубинин отмечает: "Газ (обычно гелий), применяющийся для измерения объема пор, в малой степени адсорбируется углем, в связи с чем в объем пор входит больший объем газа (отвечающий давлению и температуре газа в сосуде), чем объем самих пор" [21, с. 273]. Исходя только из геометрических размеров этих микропор, как это сделано в классификации, предложенной М.М. Дубининым [20], невозможно объяснить разные емкостные свойства угля по отношению к сорбции в нем различных газообразных сорбатов. Поэтому целесообразно в основу классификации положить принцип, учитывающий возможное фазовое со х стояние поглощенного в порах газа [14]. Тогда принадлежность пор, состав ляющих общее сорбционное пространство углей, определяется не только их геометрическими размерами, а и физикой процесса поглощения в них молекул сорбата. У В.А. Бобина [14] поры подразделены на пять групп в зависимости от формы существования находящихся в них молекул газа. В предлагаемой им классификации пор природных сорбентов, микропорой называется такой элементарный объем сорбционного пространства, в котором поглощаемый газ находится только в сорбированном состоянии.
Установление зависимости метаноносности угольных пластов Кузбасса от глубины залегания и выхода летучих веществ
Изложенные представления заставляют более подробно рассмотреть известные из геологоразведочной информации данные о метаноносности угольных пластов. Для этого сформирована база геологоразведочных данных по 11 месторождениям Кузбасса, охватывающая все стратиграфические структуры бассейна (15233 пластопересечений). Ее общие закономерности подчиняются известным особенностям.
Уменьшение с глубиной залегания пластов абсолютного и относительного количества азота и увеличение содержания метана (свыше 80 %) приводят к формированию зоны метановых газов, и на больших глубинах весь газ представлен практически только метаном с незначительной примесью диоксида углерода, азота и редких газов [4]. В зоне метановых газов из угольных пластов выделяются только метан, его гомологи и водород (если они содержатся в угольных пластах). Процесс поглощения газов из шахтного воздуха углями с высокой природной метаноносностью затруднен вследствие интенсивного выделения метана. Только по мере снижения интенсивности метановыделения газы воздуха получают возможность проникновения в уголь.
С учетом этого из созданной базы геологоразведочных данных были исключены данные, соответствующие глубинам менее 75 м и имеющие природ-ную метаноносность менее 3 м /т. Окончательная выборка данных (в соответствии с рисунком 2.2) содержит информацию по 13900 пластопересечениям. Ее предварительный анализ позволяет отметить наличие двух границ. Верхняя граница соответствует предельному газосодержанию некоторого углеметаново-го пласта, а нижняя - минимальному значению. Принято считать, что причиной . значительного относительного снижения метаноносности является геологическая нарушенность месторождения, в результате которой пласт получает фильтрационную связь с дневной поверхностью.
Изменение газоносности углеметановых пластов Кузбасса с глубиной залегания Согласно гипотезе ТУГР, в основе фильтрации метана из пласта к дневной поверхности лежит снижение геостатических напряжений, обусловливающие распад ТУГР с формированием новой сорбционной поверхности и ростом давления свободного газа, выше гидростатического. При этом часть метана переходит в сорбированное состояние, а избыток сбрасывается согласно законов фильтрации. Сорбированная часть метана при высоких напряжениях минимальна, в пределе равна нулю, а при малых напряжениях она значительно больше и в пределе равна метаноемкости угля в сорбционной колбе. Наблюдаемое исследователями несоответствие метаноемкости углей и метаноносно-сти пластов обусловлено изменением сорбционного потенциала угля в процессе распада ТУГР. В тоже время распад раствора протекает с выделением энергии, часть которой может расходоваться на разрушение угля. Тогда количество свободного метана при неизменном гидростатическом давлении может возрасти благодаря росту трещиноватости. Причем, газосодержание раствора определяется его напряженным состоянием, но не обязательно в настоящий геологический период, а в истории тектогенезиса массива горных пород после окончания активной углефикации.
Особое значение для безопасного ведения горных работ имеют условия устойчивости и распада гомогенного твердого углегазового раствора, состояние которого определяется тензором механических напряжений ок, температурой Т и концентрацией (объемом) газа Хт. В одной области значений этих параметров состояние системы однородное, в другой - неоднородное [2, 57, 61]. Граница между областями определяется состоянием f (oki, Т, Хт)=0, зависящим от особенностей системы. Внезапное изменение тензора механических напряжений или температуры приводит к неустойчивости однородного состояния ТУГР. С течением времени пространственная неоднородность исходной системы твердого раствора исчезает и формируется состояние с двумя термодинамическими равновесными фазами [2, 57, 37, 40]. В природных условиях наиболее быстрым изменениям подвержен параметр aki.
Исходя из основ газодинамики месторождений, можно утверждать, что при явно не нулевой газопроницаемости массив горных пород вполне способен пропустить к дневной поверхности весь метан, переходящий в свободное состояние при спровоцированном тектоникой распаде углеметанового вещества. Тогда, остаточная газоносность будет определяться метаном ТУГР в соответствии с остаточными значениями соответствующего компонента тензора напряжений, сорбированным метаном при действующем гидростатическом давлении и фактической сорбционной метаноемкости с весьма небольшим количеством свободной фазы. Косвенным подтверждением этому служат данные о газоносности пластов в зонах их тектонической бифуркации (в соответствии с рисунками 2.3, 2.4).
На представленных рисунках кружками выделены значения газоносности пласта при пересечении его скважинами второй раз, а треугольниками - третий. Видим, что далеко не всегда в следующем пластопересечении газоносность меньше, чем в предыдущем, и близка к границе минимальных значений для всей свиты. С определенной долей надежности можно допустить, что величина газоносности пласта за вычетом сорбированной и свободной фаз соответствует остаточным напряжениям в массиве, сформировавшимся после того тектонического процесса, который минимизировал газоносность пласта. Но только в том случае, если после этого активность метаморфизма была относительно небольшой.
Анализ релаксационной способности метаноемкости угля
Графическое отображение (в соответствии с рисунками 3.2 и 3.3) результатов вышеизложенного подхода на основе установленных выше (гл. 1) зависимостей для насыщенных метаном проб углей позволяет отметить следующее.
Величина давления релаксации сорбционной метаноемкости с ростом метаморфизма угля плавно снижается (в соответствии с рисунком 3.4). Причем наиболее выбросоопасные свиты угольных пластов характеризуются относительно меньшими величинами этого показателя. В тоже время, угли наиболее выбросоопасных свит верхнебалахонской подсерии имеют заметно меньшее давление релаксации, нежели более древней нижнебалахонской подсерии. Угли некоторых слабо и невыбросоопасных свит ерунаковской и ильинской подсерии характеризуются линиями трендов, совпадающими с наиболее выбросо-опасной верхнебалахонской подсерией, но все точки лежат в зоне значительно большего выхода летучих.
Значения емкости релаксации (в соответствии с рисунком 3.3) изменяются более динамично.Имея определенную плавность снижения на соответствующем точке бифуркации интервалу выхода летучих, они резко изменяются за его пределами. Количественные значения для угленосных свит бассейна свидетельствуют, что склонность угля к газоотдаче в зоне потенциально опасной ме-таноемкости согласуется с фактической выбросоопасностью.
Столь существенное несоответствие динамики функций давления и емкости релаксации заставляет перейти к их комплексной оценке на основе энергетического показателя (в соответствии с рисунком 3.4). Его большая объективность обеспечивает более явное разделение проб углей на группы по этому признаку, чем в предыдущих случаях. Результат вполне определенно разделяет стратиграфические структуры бассейна по их газодинамической активности и свидетельствует, что разрабатываемые исследователями в предшествующие годы методы на базе теории сорбции имели пусть качественное, но достаточно верное основание. Л кольчугинская серия балахонская серия Выбросоопасная глубина, м
Обобщая результаты этой части исследований можно заключить, что особенности условий и процессов формирования и геологического преобразования угольных месторождений, обуславливая единые тенденции в изменениях физико-химических свойств углей, приводят к достаточно сложным закономерностям. Выявление и количественное определение этих закономерностей возможно путем отражения их совокупного влияния с помощью показателей релаксации параметров [56] состояний углеметановой среды.
Результаты применения теории устойчивости систем для оценки особенностей метастабильных состояний искусственно насыщенного метаном угля позволяют при аналогичном анализе природной системы "уголь-метан" (ТУГР) использовать в качестве основной характеристики непосредственно энергию релаксации метаноносности. Так же, как и в предыдущем случае, оценка вы 66 поднялась по предельным значениям метаноносности, когда ее величина определяется только растворенным метаном, а содержание других его фазовых состояний пренебрежимо мало. Полученные результаты (в соответствии с рисунком 3.5) указывают на существенно иную, по сравнению с метаноемкостью, связь.
Прежде всего, отсутствует интервал свойств углей, в пределах которого энергия релаксации относительно стабильна (в соответствии с рисунком 3.4). Более того, именно на этом интервале выхода летучих веществ имеем максимальные значения показателя. Если привлечь данные о бифуркации параметров сорбционной метаноемкости на этом интервале свойств (в соответствии с рисунком 1.3), то очевиден вывод: максимальному энергетическому потенциалу пластов соответствует крайняя неустойчивость сорбционного потенциала углей. Даже при небольшом градиенте изменения выхода летучих веществ в направлении к обнаженной поверхности пласта, его разгрузка от горного давления с последующим распадом ТУГР способна спровоцировать саморазрушение в режиме "домино".
Полученный показатель имеет и вполне самостоятельное значение. Без привлечения сведений об особенностях сорбционной метаноемкости он четко разделяет (в соответствии с рисунком 3.5) стратиграфические структуры Куз басса согласно их газодинамической активности. При этом его величина на по рядок больше энергии релаксации метаноемкости, и в целом ряде случаев ко личественных оценок последней допустимо пренебрегать. . В тоже время, величина энергии релаксации является лишь показателем энергетического потенциала среды, соответствующим гипотетической возможности такой смены ее метастабильных состояний, при которой метаноносность снижается в два раза (см. п. 3.1). По этой причине он всегда меньше реальной энергии распада ТУГР и может использоваться только для сопоставления свойств углеметановых пластов и их участков по газодинамической активности. Однако его размерность в энергетических величинах позволяет проводить сравнения и с другими соответствующими характеристиками среды и процессов при решении различного рода задач геомеханики. В этих случаях достаточ . - но выделить критическое значение по интересующему, например, газодинами ческому состоянию пласта, тогда можно судить и об изменениях его состояний в определенной зоне.
Учитывая непрерывность установленной зависимости можно заключить, что сопровождающие распад ТУГР процессы развития микротрещин и роста количества свободного и сорбированного метана характерны не только для вы-бросоопасных зон угольных пластов, а имеют место на всех высокогазоносных пластах.
Анализ газокинетических следствий частичной надработки углемета-новых пластов
Переход на многокилометровые длины выемочных столбов и длины лав в сотни метров наряду с высокими скоростями подвигания забоев внесли столь существенные изменения в геомеханические следствия горных работ, что использование наработанного ранее опыта, заложенного в действующие нормативные документы, стало проблематичным. Обострилась потребность применения более точных знаний о физических процессах в горном массиве и выработках, т.к. при кратном росте технологических режимов добычи угля ранее пренебрежимо малые погрешности в расчетах попутного извлечения газовой составляющей углеметанового месторождения заводят технологии в тупиковые ситуации.
Известно, что отработка пласта приводит к интенсивной разгрузке надра батываемого массива с соответствующей реализацией его газового потенциала. Если мощность междупластья невелика, то происходит сток газа в выработан ное пространство разрабатываемого пласта и последующая отработка нижеле жащего вполне продуктивна. Однако с ростом мощности междупластья и рос том скорости подвигания очистного забоя газоистощение надрабатываемого пласта оказывается недостаточным. Тогда, согласно результатам настоящего исследования, газодинамическая ситуация при отработке нижележащего пласта может даже усугубиться за счет активизации углеметанового раствора. Исходным материалом для данного этапа работы являлся разработанный специалистами ОАО "Шахта им. СМ. Кирова" "Проект комбинированного проветривания выемочного участка при отработке лавы № 2587". Попытка реализации этого проекта привела к резкому обострению газовой опасности на выемочном участке. Достаточно отметить, что превышение допускаемой концентрации метана возникало уже после начала выемки угля комбайном через 1-2 мин.
Однако обращает на себя внимание высокая изменчивость свойств угля пласта Поленовского (в соответствии с рисунками 4.8-4.10). При средних зна у чениях мощности 1,72 м, газоносности 12,1 м/т и выхода летучих веществ 41,5 % столь существенные изменения, например, выхода летучих указывают на очень неустойчивое газокинетическое состояние углеметанового пласта. На ходясь по степени метаморфизма у границы каменных и бурых углей, он имеет весьма низкую сорбционную способность и, согласно общепринятым в руднич ной аэрогазодинамике положениям теорий сорбции и фильтрации, должен был , значительную часть своего газосодержания выделить в период отработки пла ста Болдыревского в его выработанное пространство. Однако уже при отходе лавы № 2587 от монтажной камеры, явно за зоной повышенного горного давления (ПГД) метанообильность очистного забоя создала серьезные затруднения в его проветривании. Формально, отмеченные особенности соответствуют нормативам, т.к. регламентированная ими величина зоны защитной надработки составляет 35 м, а среднее значение мощности междупластья около 50 м. Но в период установления этого нормативного параметра длины лав были в несколько раз меньше. Увеличение длины объективно должно приводить к соответст вующему росту глубины защитного влияния и, следовательно, нуждается в уточнении.
Высокая изменчивость мощности пласта на площади выемочного поля (в соответствии с рисунком 4.9) указывает на возможность активного участия горного давления в провоцировании газодинамических процессов при ведении всех видов горных работ от бурения скважин до очистных. В этих условиях призабойная часть пласта, меняя свое напряженно-деформированное состояние, оказывается столь неравномерно нагруженной по длине лавы, что может рассматриваться в виде отдельных целиков с различной несущей способностью.
Разрушение наиболее слабой части приводит к перегрузкам в соседних и т.д. Процесс подобен в некоторой мере "истиранию" пласта с интенсификацией его распада на твердую и газовую составляющие.
Изменчивость мощности по оси выемочного столба также приводит к неравномерности изменения напряженно-деформированного состояния. Наличие на некотором расстоянии от плоскости забоя зоны угля с низкой прочностью вызывает скачкообразное перемещение зоны максимальных напряжений при разрушении целика прочного угля с соответствующим ростом газопроницаемости и, следовательно, газопритока из приконтурной части пласта.
Изменение геостатических напряжений в надрабатываемом массиве вслед за перемещением очистного забоя протекает достаточно плавно. Газоприток на действующий выемочный участок из этого источника меняется по мере роста площади выработанного пространства, а величина его градиента зависит от сближенности с разрабатываемым пластом надрабатываемых пластов-спутников. В сечении по оси выемочного столба фронт разгрузки принято определять прямыми, проведенными под углом около 75 к плоскости отрабатываемого пласта.
В диссертации на основе изучения свойств углегазоносных массивов горных пород, особенностей взаимосвязей угля и метана решена задача разработки метода количественной оценки по геологоразведочным данным газодинамической активности углеметановых пластов для совершенствования управления газопроявлениями при ведении горных работ.
1. Экспериментально установлена бифуркация параметров сорбционной метаноемкости углей, заключающаяся в смене, по мере роста предельной сорб-ционной метаноемкости углей (7 см /г а 17 см /г), градиента устойчивых изменений начальной интенсивности сорбционной метаноемкости с V/i=l,5 1/МПа на \j/2=2,0 1/МПа. В точке бифуркации акр=12 см3/г сосредоточены свойства пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа с глубины 150 м. На участках устойчивых изменений начальной интенсивности глубина критической границы выбросоопасности возрастает в несколько раз.
2. Эмпирические зависимости предельной метаноносности и коэффици ента метаноносности от выхода летучих веществ имеют вид парабол с верши нами при Vdaf = 25 %. Для значений предельной метаноносности здесь расположен максимум, а коэффициента газоносности минимум. В диапазоне Vdaf = 10-42 % предельная метаноносность изменяется от 31 м3/т до 86 м3/т, а коэффициент метаноносности от 0,03 1/МПа до 0,12 1/МПа. При равном выходе летучих веществ предельная метаноносность превышает предельную сорбционную метаноемкость в 2,5- 5,0 раз, а коэффициент метаноносности меньше коэффициента сорбционной метаноемкости в 20-35 раз.
