Технические науки/ 10. Горное дело

Егорова Е.А.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Россия

Анализ методов прогнозирования зон повышенного газовыделения

Практика отработки угольных пластов показывает наличие зон аномального газовыделения, которые имеют геологическое или техногенное происхождение. Аномальные зоны газоносности, как правило, приурочены к тектоническим нарушениям, которые могут обеспечивать как условия для дегазации пласта, так и аккумуляции метана.

Для повышения эффективности дегазации и безопасности ведения горных работ важное значение имеет прогноз зон повышенного газовыделения. Ранее анализ горно-геологических условий осуществлялся в первую очередь для прогнозирования и выделения зон, опасных по проявлениям газодинамических явлений (ГДЯ).

Анализ причин аварий, вызванных ГДЯ позволяет сделать вывод о недостаточной эффективности методов прогноза выбросоопасности и защитных мероприятий, либо о несоответствии их конкретным горно-геологическим условиям, так как внезапные выбросы угля и газа происходят на ранее неопасных шахтопластах, а также при полностью выполненных (или в процессе выполнения) защитных мероприятиях [1].

Одной из причин неудач прогнозирования выбросоопасности угольных пластов может быть то, что все применяемые в настоящее время методы прогноза (за исключением текущего прогноза по амплитудно-частотным характеристикам искусственного сигнала) физически не обоснованы, а получены чисто статистическим путем. Это приводит к тому, что при обосновании прогноза учитываются только действующие в данной ситуации факторы и при любом изменении ситуации, прогноз перестает адекватно отражать ситуацию.

Прогноз метанообильных зон в угольном пласте может быть осуществлен на основе создания информационной модели геологического объекта по данным разведочных скважин, которая позволяет систематизировать и обрабатывать разрозненные данные об объекте и рассматривать его целиком или любой его фрагмент. Для этой цели используются программы обработки геологической информации и визуализации залегания угольного пласта и вмещающих пород, а также различные методы оценки напряженно-деформированного состояния угольного пласта и вмещающих пород [2].

В углепородном массиве существуют зоны повышенных и пониженных напряжений, что приводит к изменению пластового давления и проницаемости в этих зонах. Природное стремление к восстановлению равновесия выражается в перетоке газа из зоны повышенных давлений в зоны пониженных давлений. Это одно из основных условий формирования зон скопления метана, его нахождения и миграции, являющееся реакцией на изменение тектонических напряжений и литологического состава.

Можно выделить 4 группы факторов, влияющих на обстановку в зоне ведения работ [3]:

- геологические: глубина, формы залегания пласта и взаимное расположение пласта и вмещающих пород, геометрические характеристики пласта, тектонические нарушения,…;

- физико-механические свойства угольного пласта и вмещающих пород;

- напряженно-деформированное состояние массива горных пород;

- технологические факторы: способы подготовки шахтных полей, технология ведения работ по обеспечению безопасности, способы выемки угля,…и.т.д.

Состав и строение углей предопределены условиями их образования. Геометрия пласта и вмещающих пород определяет перераспределение напряжений, существующих внутри массива. Состав угля или пород и их физико-механические характеристики зависят от исходного материала и условий образования в геологических временных масштабах.

Локальные неоднородности структуры угольного пласта в значительной степени связаны с тектоникой, формой, составом и взаимным расположением вмещающих пород. Необходимо отслеживать быстрые переходы в структуре всего массива горных пород, содержащего угольный пласт. Такими параметрами являются:

- локальные аномалии пласта – изгибы, флексуры, тектонические нарушения, размывы, нарушения мощности и прочие;

- геометрические пространственные характеристики пласта – глубина залегания, угол падения, мощность;

- форма и расположение вмещающих пород – мощность пород непосредственной и основной кровли и почвы, форма и расположение по отношению к пласту слоев крепких пород.

Геологические факторы отражают форму, но не внутреннее строение пласта, однако они позволяют судить о состоянии пласта и оценивать ситуацию.

Физико-механические факторы характеризуют свойства пород и углей, их структуру, т.е. прочностные параметры (хрупкость, твердость), пористость, зернистость, газоносность, влажность и прочие, а также их интегральные характеристики, которые используются при оценке НДС массива, такие как модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Под геомеханическими факторами понимается напряженно-деформированное состояние (НДС) массива горных пород. НДС массива зависит от его геометрии, геологических нарушений и слагающих массив пород.

Для предварительного прогноза следует построить геологические характеристики выбранного участка горного массива – карты изогипс почвы пласта, изомощностей пласта, карты расстояний до включений в почве и кровле и карты мощностей включений. Далее следует построить вертикальный разрез вдоль оси выработки. Для выделения опасных зон следует обратить внимание на аномалии залегания. Из гипсометрического плана и разрезов можно судить о плавности залегания пласта. Локальное увеличение или уменьшение расстояний между изогипсами говорит об изменении угла падения пласта. По карте изомощностей можно сделать заключение о том, как меняется мощность пласта на участке и отследить зоны ее аномального изменения. Обычно зоны аномального газовыделения приурочены к зонам эндогенной трещинноватости, антиклинальным складкам и участкам утонения пласта.

На основе полученных разрезов необходимо рассчитать НДС массива. Распределение, направление и величина отношения осей эллипсов главных напряжений позволяют судить о наличии в массиве трещиноватых областей и направлении развития трещин. Оценка НДС массива уточняет прогноз, сделанный по геометрическим характеристикам. Он позволяет обозначить границы влияния неоднородностей массива.

Компьютерная репродукция гонного массива по скважинным наблюдениям и количественная оценка НДС с учетом всех известных признаков строения массива и физико-механических свойств пород являются составными элементами общей базы данных, создаваемых с целью прогноза метанообильных зон.

При высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев все геомеханические процессы, происходящие в массиве горных пород, связанные с проявлениями горного давления, деформациями, разрушением, газовыделением, приобретают более резкий динамичный характер, повышается риск возникновения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, разломов почвы с выбросом газа и других динамических явлений.

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.

Качество прогноза существенно возрастает, если на начальном этапе он согласуется с данными регионального прогноза по геологоразведочным данным. В качестве такого критерия можно использовать показатель газодинамической деструкции пласта, учитывающий значения энергии полураспада углеметана [4]. Этот показатель обобщает влияние глубины залегания, газоносности, выхода летучих веществ и прочности угля, обеспечивая тем самым количественное зонирование углеметанового пласта по потенциальной склонности к саморазрушению. Этот метод также может рассматриваться как доразведка выемочного столба для выявления газодинамически активных зон при ведении горных работ.

Углеметановый пласт способен содержать значительную часть метана под действием напряжений в составе твердого углегазового раствора (ТУГР) [5]. При снижении общих (литологическое давление и давление газа) напряжений необратимо снижается доля газоносности пласта, представленная метаном ТУГР. При этом увеличивают свое присутствие две другие формы существования метана – адсорбированный и свободный газ.

Особенность необратимого распада ТУГР и обеспечивает количественную оценку газокинетических следствий изменений горного давления в зоне влияния горных работ, а, соответственно, и расчет показателей основных элементов газокинетического процесса, определяющих газодинамическую активность приконтурной части пласта и поступление газа в выработки.

Таким образом, прогноз зон повышенного газовыделения в угольном пласте должен включать в себя анализ геологической информации и оценку напряженно-деформированном состояния угольного пласта и вмещающих пород с учетом газокинетических характеристик пласта с протекающими в нем геомеханическими процессами.

Литература

1. Малинникова О.Н. //Условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, УРАН ИПКОН РАН, 2011

2. Халманов Х.Ж., Бабалиев А.М., Момын М.К., Милехин Д.И., Митюхин Д.Г. // О методике прогноза метанообильных зон в угольном пласте // ГИАБ, 2000, №7, с. 180-183

3. Бабалиев А.М., Баймухаметов С.К., Бирюков Ю.М., Иощенко С.М., Милехин Д.И., Митюхин Д.Г., Момын М.К., Халманов Х.Ж. // Методика заблаговременного прогноза зон потенциально опасных по газодинамическим явлениям с помощью АРМ «Геолог» // Департамен по углю ОАО «Испат - Кармет», Караганда, 2000

4. Киряева Т.А., Плаксин, М.С. Рябцев, А.А., Родин Р.И. // Газодинамическая опасность угольных пластов и деструкция частиц угля как следствие энергии распада углеметана // Вестник На-учного центра по безопасности работ в угольной промышленности, 2009, №2, с. 20-24.

5. Малышев, Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. // Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов // М.: АГН, 2000. – 519 с.