Разработка метода расчета остаточных ресурсов метана в отработанных горных отводах шахт

Актуальность работы. В процессе реструктуризации угольной промыш-енности Кузбасса закрыты десятки шахт. В связи с этим обострился целый ком-лекс социальных и экологических вопросов. Причиной некоторых из них являет-я сохранение в отработанных горных отводах значительных ресурсов метана, [родолжающиеся десятки лет и интенсифицирующиеся в период затопления тхты газокинетические процессы в массиве горных пород создают ряд опасно-гей при выделении метана на земную поверхность, требуя специальных мер по правлению газовыми потоками. В то же время вполне естественен возникающий нтерес в отношении энергетической значимости остаточных ресурсов метана как горном отводе закрытой шахты, так и на отработанных участках действующей.

Совокупность реальных технологических объектов всегда может быть размена на группы по соответствующим комплексам признаков их относительных эеимуществ или недостатков. С позиций настоящей работы наибольший интерес эедставляет группа наиболее неблагополучных по напряженности газовой об-ановки при ведении горных работ шахт, поскольку значимость именно остаточ-лх ресурсов метана наиболее вероятна. Выделение этой группы может сушест-:нно сократить объемы дальнейших работ по расчету распределения и условиям ¡-влечения метана, отбору наиболее перспективных метанодобывающих участ.

В.

Остаточное газосодержание прошедших этапы неоднократной разгрузки и вижений нерабочих угольных пластов на отработанных участках горного отво-можно с достаточным приближением принять соответствующим их сорбцион-1м характеристикам. Однако это приближение может рассматриваться лишь в честве некоторой асимптоты газокинетической функции. В то же время значи-аьное снижение относительной метанообильности высокопроизводительных емочных участков создает основание для предположений о соответствующем хранении ресурсов метана в массиве после окончания горных работ. Для лощения надежности разрабатываемого метода необходимо установить их обосованность с учетом кинетики газоистощения массива. Это уточнение позволит ценивать техногенную структуризацию ресурсов метана на основе газового ба-анса горного отвода.

Одним из основных затруднений анализа структуры газового баланса мас-ива горных пород при оценке газокинетических следствий отработки угольных ластов является несоответствие результатов расчетов, основанных на положени-к теории сорбции, фактическим данным о природной газоносности угольных ластов. По этой причине до настоящего времени слабо развиты методы диффе-знциации газовых ресурсов по их основным физико-технологическим признакам, соответственно, расчета, например, интенсивности эмиссии газа через массив эдрабатываемых горных пород. Для дальнейшего развития методов необходи-о, используя современные представления об углеметановой среде, изыскать эдход, обеспечивающий устранение указанного несоответствия и на этой основе сработать алгоритмическую последовательность, отвечающую заданным усло.

1ЯМ.

Таким образом, определение неблагополучных шахт по напряженности га-•вой обстановки при ведении горных работ, исследование закономерностей пе-?распределения ресурсов метана в процессе добычи угля и обоснование возмож-лх объемов извлечения газа являются актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с планами научных исследований Ин-итута угля и углехимии СО РАН на 1999;2002 гг. и по договорной работе: 107-Г-ПЛ МЭ-18 с РосНИИГД «Разработать методику оценки ресурсов метана отработанных горных отводах шахт и обоснования мест заложения метанодо-геающих скважин» .

Целью работы является разработка метода расчета остаточных ресурсов: тана в отработанном горном отводе угольной шахты по геологоразведочным и хнологическим данным для обоснования целесообразности добычи метана в юмышленных целях и определения эмиссии метана угольных пластов в атмо.

•еру.

Идея работы заключается в выделении группы шахт с наиболее значимымлиянием газового фактора с последующей структуризацией метановых ресурсов 1а участках горных отводов по физическим и технологическим признакам на ос-юве газового баланса и закономерностей распределения свойств и состояний [ассива газоносных горных пород.

Задачи исследований. Исходя из анализа состояния вопроса и поставлен-ой цели, при выполнении работы решались следующие основные задачи:

— разработать метод ранжирования шахт по напряженности газовой обстанов-и при ведении горных работ;

— установить влияние скорости подвигания очистных забоев на формирова-ие остаточных ресурсов метана;

— обосновать согласующуюся с газовым балансом массива горных пород ки-етику техногенного перераспределения ресурсов метана, приводящую к соот-зтствующей положениям теории сорбции структуре остаточных ресурсов.

Методы исследований. В работе использованы методы математической гатистики и корреляционного анализа при ранжировании горных отводов шахт э напряженности газовой обстановкиматематического моделирования распре-гления свойств и состояний массива газоносных горных пород при подсчете гео-эгических ресурсов метана и их перераспределения в процессе добычи угля- >афической интерпретации данныханализа и обобщения результатов исследо.

1НИЯ.

Научные положения, выносимые на защиту: ранжирование шахт по напряженности газовой обстановки при ведении гор-.IX работ обеспечивается энтропийным анализом основных горнотехнологиче-:их показателейснижение относительной метанообильности выемочного участка с ростом орости подвигания очистного забоя интенсифицирует формирование остаточ-IX ресурсов метанаизменение состояния углеметановых пластов от природного до определяю-гп остаточные ресурсы метана системы «сорбат-сорбент» обусловливает кинеику структурных составляющих газового баланса и их распределения по глубине алегания.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и ре-омендаций обеспечивается:

— использованием представительного объема статистических (11-летний пе-иод работы 78 шахт) и горнотехнологических (4 шахты, 89 геологоразведочных кважин, 10 выемочных участков) данных по рассматриваемым физическим про-гссам;

— согласованностью физических и математических моделей с общепринятыми эедставлениями о свойствах и состоянии массива газоносных горных пород, га-жинетических следствиях формирования и развития зон их разгрузки и сдвиже-лй при различном порядке отработки свит пластов с полным обрушением кровли тя шахт с пологим и крутым залеганием пластов при размерах рассматриваемых >рных блоков от 0,98 до 1,9 км и глубине их отработки до 510 м;

— применением современных аналитических методов исследований и обработ-{статистических данных;

— положительным опытом промышленной апробации «Методики оценки ре-рсов метана в отработанных горных отводах шахт и обоснования мест заложе-гя метанодобывающих скважин» на примерах горных отводов 4-х шахт.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— ранжирование совокупности шахт по напряженности газовой обстановки здовая добыча угля, абсолютная метанообильность, количество зарегистриро-нных загазований горных выработок и воспламенений метана) с помощью по-зателя энтропии формирует четыре устойчивые группы, состав которых прак-чески не меняется с введением экономических факторов (цена продажи, себе-эимость добычи угля);

— увеличение скорости подвигания очистных комплексно-механизированных 5оев при неизменном периоде сдвижений и слеживаемости горных пород обу-эвливает рост эмиссии метана через горный массив и динамику ее изменения еле окончания горных работ;

— совместное рассмотрение свойств пласта как твердого углеметанового рас-вора до разгрузки от горного давления и как системы «сорбат-сорбент» после нее беспечивает алгоритмическое описание техногенного перераспределения струк-уры ресурсов метана с выявлением отклонений от принципа суперпозиции по тубине залегания угольных пластов и изменения величины остаточных ресурсов э времени.

Личный вклад автора состоит:

— в установлении основных показателей и разработке метода ранжирования: ахт по напряженности газовой обстановки при ведении горных работ;

— в установлении закономерностей влияния скорости подвигания очистных 1боев на эмиссию метана через горный массив из зоны ведения горных работ в: мосферу;

— в установлении закономерностей техногенного перераспределения структу->1 ресурсов метана, формирования и изменения во времени их остаточных значе—ш в отработанном участке горного отвода шахты.

Практическое значение работы. Результаты исследований позволяют:

— выделить первоочередные объекты (шахты или геолого-промышленные рай-1ы) с позиций перспективности комплексных технологий добычи угля и метана ш отработанные участки горных отводов для самостоятельного газодобываю-его промысла;

— установить изменение во времени остаточных ресурсов метана и объемов о возможного извлечения;

— определить эмиссию метана в атмосферу через массив горных пород в перии после окончания горных работ;

— оценить динамику вытеснения газа при затоплении шахты;

— повысить обоснованность проектных решений по защите зданий и сооруже—й на поверхности от проникновения метана.

Реализация работы. Результаты выполненных исследований явились освой для создания «Методики оценки ресурсов метана в отработанных горных водах шахт и обоснования мест заложения метанодобывающих скважин» (Кеерово, ИУУ СО РАН, 2002) — получили номинацию в конкурсе молодежных про-ктов СО РАН им. М. А. Лаврентьева «Исследование взаимосвязи пространствен-ого распределения газового потенциала участка углеметанового месторождения параметров газокинетического паттерна массива при отработке угольного плата с полным обрушением кровли» (Новосибирск, СО РАН, 2002) — включены в от-етные материалы о деятельности Сибирского отделения Российской Академии аук в 2000 г. и за 1997;2001 гг.- вошли в основные результаты работ по регио-альной научно-технической программе «Сибирь» за 2001 г.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и эсуждались на Научной сессии молодых ученых «Вступая в XXI век» (Кемерово, 300), на Областной научной конференции «Молодые ученые Кузбассу. Взгляд в I век» (Кемерово, 2000), на Всероссийской научно-практической конференции 'егиональные проблемы перехода к устойчивому развитию: Ресурсный потенци-[ и его рациональное использование в целях устойчивого развития" (Кемерово,)01), на научно-технической конференции «Шахтный метан: прогноз, управле-1е, использование» (Кемерово 2002), на международной научно-практической щференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию ольной промышленности» (Кемерово 2002).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 статьи докладах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 141 ранице машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 15 блиц и 45 рисунков, список использованной литературы из 57 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основе выполненных исследований содержится решение дачи расчета остаточных ресурсов метана в отработанных горных отводах шахт, леющей существенное значение для рудничной аэрогазодинамики в области га-кинетических процессов в массивах горных пород и выработанном пространстве.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в сле-гющем:

1. Разработан основанный на энтропийном анализе метод ранжирования ахт, но напряженности газовой обстановки при ведении горных работ по фактом: годовой добычи угля, абсолютной метанообильности, количества зарегист-[рованных загазований горных выработок и воспламенений метана. Применениетода для анализа условий работы 78 шахт Кузбасса за период 1990;2000 гг. ¡-еспечило разделение предприятий на четыре группы: I (?/>0,05 Нит) — 7 шахт- (0,05>Ц>0,02 Нит)-31 шахтаIII (0,02 >?/>-0,02 Нит) — 28 шахтIV (?/<-0,02 тг) — 12 шахт. Из них к 2001 г. закрыты как неперспективные (по группам): I — 0 — II — 35%- III — 57%- IV — 58%. Удовлетворительная сходимость результатов счетов и отраслевых решений позволила с использованием метода проанализи->вать выборку из 34 закрытых шахт и выделить из них 18 шахт, где возможны 'статочно значимые остаточные ресурсы метана.

2. Рост скорости подвигания очистных забоев с 2 до 10 м/сут обусловливает еличение общей величины эмиссии метана через горный массив в атмосферу на -35%, а ее максимальной амплитуды в 1,5 раза. Причем соответствующие вы-ким скоростям подвигания очистных забоев геометрические размеры выемоч-го столба способствуют реализации этой составляющей ресурсов преимущест-нно за время отработки столба и непосредственно после ее окончания.

3. Соблюдение газового баланса при оценках структуры ресурсов обеспечи-ется условием: в процессе разгрузки от горного давления углеметановый пласт ряет пропорциональную часть своей метаноносности, но не ниже суммарной личины метаноемкости угля как сорбата, и удельного объема метана в поровом остранстве угля как коллектора при соответствующем давлении свободного гато В результате пласт может как увеличить свое газосодержание в 1,3−1,7 раза на убинах до 100 м, так и снизить его в 2−3 раза на глубинах более 700 м. Нели—йность процесса сорбции требует при выполнении расчетов шага дискретиза-т по глубине 25−30 м, в пределах которого некоторое время после окончания |рных работ остаток геологических запасов углеметанового вещества может >1ть донорским или дотационным, что временно нарушает принцип суперпози-1и в изменении с глубиной остаточных ресурсов метана.

4. Количественная оценка остаточных газовых ресурсов на отработанных [астках 4-х углеметановых месторождений Кузбасса посредством их структури-ции по основным физическим и технологическим признакам свидетельствует о щественной неравномерности распределения величин как по площади участка, к и по глубине (до 77% от распределения геологических ресурсов). В пределах рных отводов формируются отдельные зоны, где остаточное содержание газа.

3 3 стигает 0,17 м /м, что обусловливает величины эмиссионных потоков в период топления шахты до 79,3 тыс. м3/сут-км2.

При крутом залегании пластов остаточная величина ресурсов на 30% -ньше, чем на пологом.

В части метанодобычи наиболее перспективен из рассмотренных участок 1хты «Байдаевская», в горном блоке которого площадью 1,9 км² и глубиной до 0 м сохранилось на данный период времени 318 млн. м3 метана.

5. Сопоставление полученных для 4-х шахт значений структурных состав-ющих газового баланса с результатами ранжирования шахт на основе горнотех-логических показателей подтвердило предположение об их взаимосвязи: сни-:нию показателя энтропии с 0,14 до -0,01 Нит соответствует повышение вели-ны доли эмиссии метана за период ведения горных работ в газовом балансе рного блока с 26 до 44%.