Способ определения зон выхода газа на поверхность при подработке горного массива очистным забоем

 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к подземной разработке месторождений полезных ископаемых, и может быть использовано при решении вопросов проветривания выемочных участков, безопасной эксплуатации сооружений на подрабатываемых горных массивах и т.д. Техническим результатом изобретения является повышение точности и оперативности определения зон выхода газа на дневную поверхность по динамике газообильности выемочного участка, а также возможность принимать своевременно меры по исключению загазирования сооружений в опасных зонах на поверхности. Для этого в процессе оценки исследуют изменения относительной газообильности выемочного участка с выделением ее динамической составляющей. Строят графики изменения динамической составляющей по длине выемочного столба. Определяют периоды ее изменения. Для каждого периода устанавливают координаты ее нулевых и максимальных значений и определяют углы газовой разгрузки как углы между направлением от очистного забоя в сторону выработанного пространства и прямыми, соединяющими нулевое значение динамической составляющей с точкой выхода на поверхность нормали к пласту, проходящей через максимум динамической составляющей. Зоны выхода газа на поверхность определяют по достижению равенства между углами газовой разгрузки в каждом периоде. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к подземной разработке месторождений полезных ископаемых, и может быть использовано при решении вопросов проветривания выемочных участков, безопасной эксплуатации сооружений на подрабатываемых горных массивах и т.д.

Известен способ прогноза газовыделений в горные выработки и на поверхность, включающий проведение геофизических исследований горного массива с помощью аппаратуры для шахтной сейсмо- и электроразведки с целью выявления в углеродном массиве потенциально опасных зон, тектонических нарушений, трещин, связанных с подработкой и т.д. (Руководство по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана. ВостНИИ, Кемерово, 2000 г., с.5-9, 16-23).

Основным недостатком известного способа является его высокая трудоемкость. Кроме того, способ имеет невысокую точность, в частности из-за того, что не все выявленные трещины являются газопроводящими.

Выемка угольных пластов с полным обрушением кровли приводит к нарушению состояния равновесия пород и их сдвижению, проявляющемуся в образовании на земной поверхности мульды сдвижения. Сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности при неблагоприятных условиях могут вызвать повреждения в объектах, расположенных в зоне влияния подземных разработок, а также увеличение водопроницаемости и газопроводимости пород над выработанным пространством.

Известен способ определения таких зон на поверхности, включающий анализ сдвижения толщи пород и земной поверхности путем проведения инструментальных наблюдений, определение границ зоны влияния подземных разработок по величине горизонтальных и вертикальных деформаций и мониторинг контролируемых параметров, в частности газовыделения на поверхность и с помощью шпуров и скважин - в приповерхностном слое (Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М.: Недра, 1981 г., с.5-15).

К основному недостатку известного способа следует отнести недостаточную точность прогноза, т.к. интенсивное газовыделение на поверхность может опережать по времени деформации земной поверхности, фиксируемые инструментально, что может привести к катастрофическим последствиям.

Предложен способ определения зон выхода газа на дневную поверхность, включающий оценку активизации сдвижения горных пород и основанный на учете изменений относительной газообильности выемочного участка.

Сущность способа заключается в том, что в процессе оценки исследуют изменение относительной газообильности выемочного участка с выделением ее динамической составляющей, строят графики изменения динамической составляющей по длине выемочного столба, определяют периоды ее изменения, для каждого периода устанавливают координаты ее нулевых и максимальных значений и определяют углы газовой разгрузки как углы между направлением от очистного забоя в сторону выработанного пространства и прямыми, соединяющими нулевое значение динамической составляющей с точкой выхода на поверхность нормали к пласту, проходящей через максимум динамической составляющей, а зоны выхода газа на поверхность определяют по достижению равенства между углами газовой разгрузки в каждом периоде.

Предложенный способ позволяет с достаточно высокой точностью и оперативно, т.е. по мере подвигания очистного забоя, определять зоны выхода газа на дневную поверхность по динамике газообильности выемочного участка, что дает возможность принимать своевременно меры по исключению загазирования сооружений, находящихся в опасных зонах на поверхности.

Для осуществления способа необходимы следующие данные по выемочному участку:

длина выемочного столба L, м;

глубина залегания пласта по длине выемочного столба в процессе проведения мониторинга Н, м;

суточная добыча угля А, т/сут;

суточный приток метана на выемочный участок I, м³/сут;

удельные, на тонну добываемого угля, ресурсы метана в зоне влияния выемочного участка (З_у, м³/т) и подрабатываемого массива (З_п, м³/т).

На основании геологических и технологических данных и проводимого в процессе работы очистного забоя мониторинга газовой ситуации определяют по известным формулам такие газокинетические показатели, как относительная газообильность по длине выемочного столба (P_i) и ее квазистатическую (Р_к,j) и динамическую (Р_д,i) составляющие.

С использованием полученных данных строят графики изменения указанных газокинетических характеристик по длине выемочного столба, определяют периоды изменения динамической составляющей относительной газообильности по длине выемочного столба и устанавливают для каждого периода координаты точек ее нулевых и максимальных значений.

Изменение относительного газопритока в выработанное пространство (P_i) характеризует газокинетический паттерн массива горных пород - динамику реализации газового потенциала массива горных пород в метанообильности выемочного участка.

Квазистатическая составляющая характеризует развитие газокинетических процессов преимущественно в формирующихся вслед за движущимся забоем зонах разгрузки и частичного восстановления напряжений без существенного изменения фильтрационной анизотропии среды. По динамике и величине квазистатического изменения газовыделения относительно распределения ресурсов газа в надрабатываемом массиве по длине выемочного столба оценивают преимущественно влияние надработки.

Динамическая составляющая отражает следствия интенсивных геомеханических процессов непосредственно в подрабатываемом массиве, резко меняющих его фильтрационные особенности. Ее амплитуда связана с долей газового потенциала подрабатываемого массива в структуре газового баланса выемочного участка, а протяженность периода - с достижением сводом дезинтеграции подрабатываемого массива дневной поверхности.

Участки роста газовыделения относят к зоне интенсивного развития газогеомеханических процессов в подрабатываемой толще пород с соответствующим ростом нагрузок на вентиляционную систему участка, на средства поддержания кровли и т.д. Существенное смещение по глубине ведения горных работ центра массы подрабатываемых пластов в направлении к разрабатываемому меняет форму зависимости Р_д,i с выпуклой на вогнутую, свидетельствуя о замыкании газокинетических процессов в подрабатываемом массиве непосредственно на выемочный участок с соответствующим ростом доли газового потенциала в относительной метанообильности участка и сближением протяженности периода динамической составляющей с шагом обрушения основной кровли. Положение в пространстве зоны газовой разгрузки подрабатываемого массива газоносных горных пород (зоны выхода газа на поверхность) может определяться по величине углов газовой разгрузки - углов между направлением от очистного забоя в сторону выработанного пространства и прямыми, соединяющими нулевые значения динамической составляющей относительной газообильности с точкой выхода на поверхность или в связанный с поверхностью газовый коллектор нормали к разрабатываемому пласту, проходящей через максимум динамической составляющей, в рассматриваемом периоде.

Сущность предложенного способа определения зон выхода газа на поверхность при подработке горного массива очистным забоем при полном обрушении кровли поясняется примером и чертежами, где на фиг.1 показан график изменения величины относительной газообильности, на фиг. 2 - график изменения квазистатической составляющей относительной газообильности, на фиг.3 - график изменения динамической составляющей относительной газообильности по длине выемочного столба.

Пример.

Исходные данные по выемочному участку, включающие геологические и технологические сведения, а также данные мониторинга газовой ситуации в процессе выемки угля, приведены в таблице, где:

L - длина выемочного столба (расстояние от монтажной камеры до очистного забоя в процессе отработки), м;

Н - глубина залегания пласта по длине выемочного столба, м;

З_y,i - удельные ресурсы газа (метана) в зоне влияния выемочного участка, м³/т;

З_п - то же в зоне подрабатываемого массива, м³/т;

m - мощность пласта, м;

l_о.з. - длина очистного забоя, м;

I_i - суточный приток газа на выемочный участок, м³/сут;

А_i - суточная добыча угля, т/сут;

A₁ - добыча угля при подвигании очистного забоя на 1 м, т/м;

V - скорость подвигания забоя, м/сут.

По исходным данным определяют значение газокинетического показателя выемочного участка в пределах отработанной длины столба (Pi)

где α=0,8 - коэффициент снижения метанообильности участка с ростом производительности забоя.

Аппроксимируют, например, степенной зависимостью и строят график 1 изменения величины P_i по длине выемочного столба, а по минимальным значениям Р_i по длине выемочного столба строят график 2 изменения квазистатической составляющей относительной метанообильности, который в приведенном примере выражается математической зависимостью Р_к,i=0,651·L^0,1614_i.

Величины динамической составляющей относительной газообильности по длине выемочного столба определяют как разницу Р_д,i = Р_i – p_к,i , при этом при значениях Р_д,i <0 принимают Р_д,i = 0.

Строят график 3 изменения Р_д,i по длине выемочного столба. На графике 3 имеются два периода I и II, которые характеризуются следующими координатами минимальных и максимальных значений:

Период I: L_I,min - 40 м и 400 м, H_I,min - 0 м.

L_I,max - 220 м, H_I,max - 260 м.

Период П: L_II,min - 410 м и 810 м, H_II,min - 0 м.

L_II,max —610 м, Н_II,max — 233 м.

Углы газовой разгрузки ϕ в каждом периоде определяются как углы между осью координат L (направление от очистного забоя в сторону выработанного пространства) и прямыми 4, соединяющими нулевые значения динамической составляющей с точками 5 выходов на поверхность нормалей 6 к разрабатываемому пласту, проходящих через максимумы динамической составляющей в каждом периоде. В приведенном примере углы газовой разгрузки для периода I составляют ϕ_I,н = ϕ_I,к = 55°, а для периода II - ϕ_II,н = ϕ_II,к = 49 °, (где ϕ_н и ϕ_к соответственно углы газовой разгрузки в начале и конце каждого периода изменения динамической составляющей относительной газообильности выемочного участка). В рассматриваемом случае в отработанном участке выемочного столба имели место выходы на поверхность газов в зонах, приуроченных к отметкам 5, после отработки 220 и 610 м длины выемочного столба. При проведении газового мониторинга по длине очистного забоя можно получить контуры зон газовыделения на поверхности по падению и простиранию пласта.

Анализ экспериментальных данных показывает, что близость величин углов газовой разгрузки ϕ_н и ϕ_к в периоде является признаком достижения сводом сдвижений пород дневной поверхности, при ϕ_н >> ϕ_к соотношение длины лавы и глубины разработки обеспечивает формирование устойчивого свода, не достигающего дневной поверхности, при ϕ_н << ϕ_к рассматриваемая зона имеет существенную геологическую нарушенность.

Полученные на предыдущих этапах отработки выемочного столба значения, характеризующие углы газовой разгрузки, могут быть использованы для прогноза на последующих этапах, а накапливаемая совокупность данных позволяет прогнозировать и уточнять показатели ожидаемой опасности загазирования поверхности и газовой ситуации на выемочном участке без проведения достаточно затратных геодезических и геофизических методов контроля процессов сдвижения подрабатываемого массива горных пород.

Формула изобретения

Способ определения зон выхода газа на поверхность при подработке горного массива очистным забоем с полным обрушением кровли, включающий оценку активизации сдвижения толщи пород и земной поверхности, отличающийся тем, что в процессе оценки исследуют изменение относительной газообильности выемочного участка с выделением ее динамической составляющей, строят графики изменения динамической составляющей по длине выемочного столба, определяют периоды ее изменения, для каждого периода устанавливают координаты ее нулевых и максимальных значений и определяют углы газовой разгрузки как углы между направлением от очистного забоя в сторону выработанного пространства и прямыми, соединяющими нулевое значение динамической составляющей с точкой выхода на поверхность нормали к пласту, проходящей через максимум динамической составляющей, а зоны выхода газа на поверхность определяют по достижению равенства между углами газовой разгрузки в каждом периоде.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3