Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям
У статті приведена методика прогнозу газоносності гірничих виробок за геолого-геомеханічними чинниками та результати досліджень за даною методикою.
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33003 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям / П.С. Пащенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-33003 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-330032012-05-27T14:15:08Z Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям Пащенко, П.С. У статті приведена методика прогнозу газоносності гірничих виробок за геолого-геомеханічними чинниками та результати досліджень за даною методикою. The method of prognosis of gas-abundance of the mining making on geological and geomechanical factors and results of researches on this method are resulted in the article. 2009 Article Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям / П.С. Пащенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33003 [622.411.332:533.17:551.24.02].001.18 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
У статті приведена методика прогнозу газоносності гірничих виробок за геолого-геомеханічними чинниками та результати досліджень за даною методикою. |
| format |
Article |
| author |
Пащенко, П.С. |
| spellingShingle |
Пащенко, П.С. Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям Геотехническая механика |
| author_facet |
Пащенко, П.С. |
| author_sort |
Пащенко, П.С. |
| title |
Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям |
| title_short |
Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям |
| title_full |
Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям |
| title_fullStr |
Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям |
| title_full_unstemmed |
Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям |
| title_sort |
методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2009 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33003 |
| citation_txt |
Методика прогнозирования газообильности горных выработок по геолого-геомеханическим критериям / П.С. Пащенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT paŝenkops metodikaprognozirovaniâgazoobilʹnostigornyhvyrabotokpogeologogeomehaničeskimkriteriâm |
| first_indexed |
2025-07-03T13:28:57Z |
| last_indexed |
2025-07-03T13:28:57Z |
| _version_ |
1836632598637445120 |
| fulltext |
"Геотехническая механика"
УДК [622.411.332:533.17:551.24.02].001.18
П.С. Пащенко, мл.научн.сотр.,
(ИГТМ НАН Украины)
МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГАЗООБИЛЬНОСТИ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК ПО ГЕОЛОГО-ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
У статті приведена методика прогнозу газоносності гірничих виробок за геолого-
геомеханічними чинниками та результати досліджень за даною методикою.
METHOD OF PROGNOSIS GAS-ABUNDANCE OF THE MINING
MAKING ON GEOLOGICAL AND GEOMECHANICAL CRITERIA
The method of prognosis of gas-abundance of the mining making on geological and geome-
chanical factors and results of researches on this method are resulted in the article.
Донецкий угольный бассейн является энергетической базой угледобывающей
отрасли Украины. Большинство шахт бассейна газоносны, причем с увеличением
глубины добычных работ содержание метана в выработках увеличивается, что
прямо или косвенно влияет на: скорость проходки, изменение метанонасыщенно-
сти горных выработок в отрабатываемом массиве, безопасность работы шахте-
ров. Указанные условия и существующие методы прогноза рассчитаны на разра-
ботку неглубоко залегающих угольных пластов с нагрузкой на лаву до
1000 т/сутки и не учитывают повышение объемов метановыделения с увеличени-
ем глубины. Решение этих проблем связано с комплексной разработкой способов
прогнозирования зон скопления метана в углепородном массиве, прогнозом газо-
обильности горных выработок, оптимизацией предварительной и текущей дега-
зации. Поэтому выполнение указанного комплекса горно-геологических задач по
прогнозу зон скопления метана, газообильности горных выработок и последую-
щей дегазации является актуальной научно-практической задачей для угледобы-
вающей отрасли Украины.
Проведенные ранее исследования позволили выделить ряд геологических
факторов, с помощью которых наиболее достоверно можно выделить зоны
скопления метана на участке шахтного поля [1]. Предложенный комплекс
геологических факторов включает ряд новых способов, разработанных в
ИГТМ НАН Украины, на которые получены патенты Украины [2, 3] и усо-
вершенствованные способы прогноза газа – метана, которые ранее применя-
лись для прогноза выбросоопасности горных пород [4].
При изучении геомеханических параметров основой послужила теория
сдвижения горного массива и земной поверхности, предложенная ВНИМИ,
которая изложена в работах А.Н. Медянцева, М.А. Иофиса и др. [5-8]. Про-
цесс сдвижения рассматривается как расслоение пород толщи, которое про-
должается до тех пор, пока не буде восстановлено равновесие всех слоев над-
работанного горного массива. При этом образуется три зоны: беспорядочного
обрушения; прогиба пород с образованием трещин разрыва; прогиба пород
без разрыва сплошности.
Авторы работы [6] предлагают схему разуплотнения толщи горных пород
Выпуск № 82
подвергшихся макродеформационным процессам при выемке угля из полого-
го одиночного угольного пласта (рис. 1). В подработанной толще пород фор-
мируется шесть зон:
I – зона обрушения, которая располагается непосредственно над очистной
выработкой и распространяется на высоту до 6m (m – вынимаемая мощность
пласта);
II – зона прогиба, характеризующаяся возникновением в породах секущих
(по нормали) трещин и трещин по напластованию пород, образующих систе-
му сквозных водо- и газопроводящих трещин с незначительным аэродинами-
ческим сопротивлением;
III – зона прогиба с образованием системы трещин со значительным аэро-
динамическим сопротивлением в пределах этой зоны;
IV – зона прогиба с возникновением отдельных трещин, не образующих
единую систему водо- и газопроводящих трещин;
V – зона прогиба без разрыва сплошности пород;
VI – зона повышенных напряжений и деформаций сжатия, расположенная
над угольным массивом.
Рис. 1 - Схема деформирования подработанного массива горных пород
и форма мульды сдвижения над выработанным пространством при выемке
пологого угольного пласта одиночной лавой [6]
Для лучшего представления влияния каждой из зон, рассмотрим схему
сдвижения и деформаций подработанного массива горных пород. Сдвижение
горного массива пород начинается обычно с прогиба кровли пласта. По мере
увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растет, в
сдвижение вовлекаются все большее число слоев, происходит сдвиг их по
"Геотехническая механика"
плоскостям напластования, в толще появляются секущие трещины и трещины
расслоения, при этом слои непосредственной кровли разбиваются обычно на
отдельные блоки и обрушаются. В процессе сдвижения происходит измене-
ние объема пород: в зоне повышенного (опорного) давления они уплотняют-
ся, а в зоне обрушения разрыхляются и, увеличиваясь в объеме, заполняют
выработанное пространство, создавая подпор вышележащим слоям.
Модель сдвижения пород представленная на рис. 1, хорошо иллюстрирует
формирование зон деформаций над выработанным пространством, что позво-
ляет оценить ее с позиции дренирования газа. Наибольший приток газа в лаву
будет происходить из I и II зоны за счет его выделения из разрушенных, раз-
рыхленных и расчлененных на блоки пород. Зона III, после формирования зон
I и II, в начале прогибается, и лишь затем в ней формируются трещины. Газ
из этой зоны может попадать в выработанное пространство и увеличивать
фоновое значение концентрации метана. Зона IV является зоной аккумуляции
газа, и ее формирование во времени происходит позже.
Анализ проведения дегазационных мероприятий на шахтах Донбасса по-
казывает [9], что по фактору влияния на аэрогазодинамическую обстановку
работающей шахты газ подработанной угленосной толщи можно условно
разделить на две части: «быстрый газ» - метан, увеличивающий газообиль-
ность работающей лавы иногда в 2 и более раз, который поступает из I и II
зон, и «медленный газ» - метан, содержащийся в III и IV зонах, который мед-
ленно дренирует в выработанное пространство, повышая фоновую концен-
трацию.
Проведенные исследования и анализ литературных данных послужили ос-
новой для разработки методики прогноза газообильности по геолого-
геомеханическим факторам, которая заключается в следующем.
Как показывает опыт [10], при прочих одинаковых условиях газообиль-
ность горных выработок изменяется главным образом в зависимости от ско-
рости подвигания угольных забоев, которая в условиях одного и того же за-
боя может изменяться в больших пределах, и при наблюдениях за газообиль-
ностью горных выработок не удается уловить ярко выраженную закономер-
ность. Поэтому необходимые для инженерных расчетов аналитические зави-
симости получаются лишь в тех случаях, когда анализ газообильности выра-
боток основан на предположении, что скорость подвигания забоя данной вы-
работки по простиранию или падению пласта постоянна. Допустимость же
равномерности подвигания забоев оправдывается тем, что каждая шахта име-
ет заданную планом суточную производительность, которая предусматривает
соответствующую суточную нагрузку на очистной забой и суточную скорость
подвигания забоев, и в проекты шахт должны закладываться научно обосно-
ванные оптимальные параметры, обеспечивающие ритмичную работу шахты
и отдельных ее участков.
Для расчета газообильности горных выработок, принимаем, что сдвиже-
ние горного массива можно выразить в виде «условных» блоков. Выделение
«условных» блоков производим следующим образом. Исходя из того, что га-
Выпуск № 82
зообильность лавы зависит от скорости подвигания очистного забоя прини-
маем, среднюю скорость проходки равную l, м/сут. Величину блока принима-
ем равную месяцу отработки лавы D, сут. Тогда среднюю величину «условно-
го» блока можно выразить в виде уравнения:
,lDB (1)
где B – средняя величина «условного» блока, м; D – количество суток, сут; l –
средняя скорость проходки, м/сут.
Расчет количества «условных» блоков посадки рассчитываем следующим
образом, если длина столба составляет L, м, тогда:
,
B
L
N (2)
где N – количество «условных» блоков.
Таким образом, при проседании первого «условного» блока разуплотнение
горного массива происходит на высоту h1, проседание второго «условного» бло-
ка, согласно закономерности формирования мульды сдвижения, вызывает разуп-
лотнение массива на высоту h2 = h1 + Δh, следующего блока на h3 = h1 + 2Δh и
т.д. до максимального значения мощности разуплотнения hmax. Следовательно,
формулу высоты разуплотнения можно записать в таком виде:
hmax = h1 + (ni – 1)Δh, (3)
где ni – количество «условных» блоков, при которых достигается максималь-
ное разуплотнение массива.
Для расчета Δh принимаем, что h1 – соответствует зоне II (M2, м), а hmax -
зоне III (M3, м) [6]. Тогда Δh, м расчитывается следующим образом:
Δh = (hmax – h1) / (ni - 1) (4)
Для расчета М2 и М3 воспользуемся формулами:
,
..
2
2
acn
отр
KE
mC
M (5)
,
..
3
3
aрn
отр
KE
mC
M (6)
где С2, С3 – коэффициенты, учитывающие зависимость горизонтальных де-
формаций слоев в различных зонах, изменяющиеся в пределах соответствен-
"Геотехническая механика"
но 0,1 - 0,2; 0,2 – 0,3; mотр – вынимаемая мощность пласта, м; Еn.c. – предель-
ные относительные деформации сжатия, при которых происходит разрушение
горных пород; которые для песчаников, алевролитов и аргиллитов изменяют-
ся от 0,010 до 0,012; Еn.р. – предельно относительные деформации растяжения,
при которых горные породы начинают терять сплошность и в них начинают
появляться трещины; для алевролитов и аргиллитов – 0,006 – 0,008, песчани-
ков – 0,003-0,004, углей – 0,002-0,003 и известняков – 0,005 -0,008; ∆Ка – по-
правочный безразмерный коэффициент, учитывающий влияние угла падения
пород на развитие деформаций в массиве.
Поправочный коэффициент ∆Ка определяется по формуле:
16,075,0
75,0
aK , (7)
где a – угол падения пород; ρ – переводной коэффициент равный 57º.
Следовательно, вышесказанное можно представить в виде следующей
схемы, представленной на рисунке 2. Тогда коэффициент влияния разуплот-
нения над отрабатываемой лавой принимает вид:
изв
i
разуп k
h
h
К
max
. , (8)
где hi – величина разуплотнения исследуемого і-того «условного» блока, м;
hmax – величина максимального разуплотнения углепородного массива, м; kизв
– коэффициент извлекаемости, который составляет 0,6 – 1.
Как указывалось выше, на скопление углеводородов в горном массиве
влияют геологические факторы: усредненные локальные структуры, зоны
трещиноватости пород, палеопотоки. Для оценки влияния геологических фак-
торов вводим безразмерный коэффициент Кг, который рассчитывается по
формуле:
i
птрслу
г
n
ККК
К
....
, (9)
где Ку.л.с. – коэффициент влияния усредненных локальных структур на газо-
обильность горных выработок; Ктр. – коэффициент влияния трещиноватости
на газообильность горных выработок; Кп. – коэффициент влияния палеопото-
ка на газообильность горных выработок; ni – количество показателей, участ-
вующих при расчете коэффициента Кг.
Выпуск № 82
Рис. 2 - Схема выделения «условных» блоков для отрабатываемой лавы
Таким образом, если представить углепородный массив без каких либо
факторов, влияющих на газообильность горных выработок, он будет равен
единице. Тогда коэффициент влияния усредненных локальных структур при-
нимает вид:
/
...... 1 слуслу КК , (10)
где К
/
у.л.с. – коэффициент влияния усредненных локальных структур для опре-
деленного исследуемого участка лавы («условного» блока).
Согласно выводам в работе [11], минимальный изгиб пликативных нару-
шений (отношение высоты складки к ее длине), при котором формируется
суфляры, составляет 1/50 для антиклинальных складок и 1/35 для синкли-
нальных. Тогда, расчет коэффициента К
/
у.л.с. выполняется следующим обра-
зом:
100
/
/
/
...
l
L
К слу , (11)
где L
/
- расстояние от начала лавы до середины исследуемого «условного»
блока, м; l
/
- превышение усредненных локальных структур для исследуемого
«условного» блока, м.
Коэффициент трещиноватости (Ктр.) определяется следующим образом,
аналогично с усредненными локальными структурами массив представляется
в виде единицы, следовательно, данный коэффициент принимает вид:
/
1 тртр КК , (12)
где К
/
тр - коэффициент влияния трещиноватости углепородного массива для
определенного исследуемого участка лавы («условного» блока).
Исходя из геологических построений (карты трещиноватости углепород-
"Геотехническая механика"
ного массива) для каждого исследуемого «условного» блока рассчитывается
коэффициент влияния трещиноватости, т.е. в каждом условном блоке количе-
ство изолиний трещиноватости может изменятся, следовательно, необходимо
рассчитать среднюю трещиноватость для исследуемого условного блока, то-
гда коэффициент К
/
тр можно выразить в виде формулы:
i
i
тр
i
III
К
...21/
. , (13)
где I1, I2 … Ii – значения изолиний, попадающие на площадь исследуемого
«условного» блока; ii – количество изолиний, попадающее на площадь иссле-
дуемого «условного» блока.
Коэффициент влияния палеопотока (Кп.) определяется следующим обра-
зом. Аналогично с усредненными локальными структурами и трещиновато-
стью пород массив представляется в виде единицы, следовательно, данный
коэффициент принимает вид:
/
1 пп КК , (14)
где К
/
п. – коэффициент влияния палеопотока для исследуемого «условного»
блока.
Исходя из геологических построений (карты палеопотоков) для каждого
исследуемого «условного» блока принимается коэффициент влияния палео-
потока. То есть в каждом «условном» блоке определяется значение изолинии
изменения палеопотока, при котором должно выполняться следующее усло-
вие: так как карты палеопотоков строятся для наиболее мощных песчаников
расположенных в кровле угольного пласта и их влияние на газообильность
горных выработок формируется при разуплотнении углепородного массива,
по геологическому разрезу (каротажной диаграмме скважины) снимается рас-
стояние до почвы песчаника, которое должно соответствовать условию:
hi < hп или hi > hп, (15)
где hi - величина разуплотнения исследуемого і-того «условного» блока, м;
hп – расстояние от разрабатываемого угольного пласта до почвы песчаника,
по которому строилась карта палеопотоков, м.
На следующем этапе исследований необходимо рассчитать плотность газа
в углепородном массиве. Формулы для расчета газа в углях и породах прини-
маются в соответствии с [9].
По данной методике проводились исследования по прогнозу газообильно-
сти горной выработки на одной из шахт Донецкого-Макеевского района. Для
этого по каротажным диаграммам или геологическим разрезам скважин, рас-
положенных наиболее близко к исследуемому участку, выполняем расчет газа
Выпуск № 82
в породах для каждой литологической разности по известным формулам до
величины максимального разуплотнения пород. Произведя пересчет газа на
метры кубические в минуту из пород кровли и угольного пласта для заданной
площади выделенного исследуемого «условного» блока, получаем
117,33 м
3
/мин.
Далее производится расчет коэффициента влияния геологических факто-
ров по формулам (9), (10), (12), (13), (14).
На следующем этапе производим расчет газообильности горной выработ-
ки. Произведенные расчеты плотности запасов метана в породах и угле
(117,33 м
3
/мин) умножаем на коэффициент влияние геологических факторов
для каждого «условного» блока. Далее полученный результат умножаем на
коэффициент разуплотнения углепородного массива для каждого «условно-
го» блока. Результаты расчета прогнозируемой и фактической газообильно-
сти представлены в таблице 1.
Значение корреляции между фактической и расчетной газобильностью для
лавы исследуемой шахты составило r = 0,84 (рис. 3)
Таблица 1 - Расчетная и фактическая газообильность горной выработки
исследуемой шахты
«Условные»
блоки
Газооби-
льность
горной
выработ-
ки с уче-
том гео-
логи-
ческих
факторов,
м
3
/мин
Газообиль-
ность гор-
ной выра-
ботки с
учетом
геомехани-
ческих
факторов,
м
3
/мин
Расчетная
газооби-
льность
горной
выработ-
ки
м
3
/мин,
Фактиче-
ская газо-
обиль-
ность гор-
ной выра-
ботки
м
3
/мин,
Разность
показа-
телей га-
зовыде-
ления,
м
3
/мин
Отличие
от фак-
тическо-
го, %
1 158,39 49,10 49,10 65,30 16,19 32,90
2 160,74 72,33 72,33 69,60 -2,73 3,70
3 168,95 68,59 68,59 63,80 -4,79 6,90
4 171,30 86,33 86,33 73,80 -12,53 14,50
5 168,95 94,44 94,44 81,00 -13,44 14,20
6 168,95 101,37 101,37 80,00 -21,37 21,10
7 170,12 85,74 85,74 79,10 -6,64 7,70
8 168,95 69,94 69,94 61,10 -8,84 12,60
9 172,47 63,98 63,98 - - -
10 160,74 61,08 61,08 - - -
11 163,08 35,87 35,87 - - -
Среднее - - - - - 14,20
Как видно из таблицы 1, отличие расчетных значений газообильности от
фактических составляет в среднем для всей лавы около 14 %. Высокий коэф-
фициент корреляции r = 0.84, может быть приемлемым для прогноза газо-
обильности горных выработок. Учитывая то, что на показатели газообильно-
сти влияют различные схемы вентиляции, а так же то, что ошибка замеров
"Геотехническая механика"
дебита метана в вентиляционных потоках может составлять до 20 %, выпол-
ненную прогнозную оценку по предложенной модели с учетом геологических
и геомеханических факторов можно считать удовлетворительной.
Данные исследования проводились при финансовой поддержке гранта
Президента Украины.
r = 0,84
45
50
55
60
65
70
75
80
85
20 40 60 80 100 120
Фактическая газообильность, м3/мин
Р
а
с
ч
е
тн
а
я
г
а
зо
о
б
и
л
ь
н
о
с
ть
,
м
3
/м
и
н
Рис. 3 - Значения коэффициента корреляции между расчетной и фактической
газообильностью для лавы исследуемой шахты
Список литературы
1. Пащенко П.С. Геологические факторы образования зон скопления метана на примере шахт Донецко-
Макеевского района / Геотехническая механика. – 2008. - № 80. – С. 345 – 351.
2. Патент Украины № 34472 E21F 7/00. Спосіб визначення зон тріщинуватості у вуглепородному масиві.
От 11.08.2008. Бюл. № 15.
3. Патент Украины № 41696 E21F 7/00 G01V 9/00. Спосіб визначення зон скупчення метану у стратиг-
рафічному інтервалі на шахтах та ділянках розвідки. От 10.06.2009. Бюл. № 11.
4. . Забигайло В.Е., Лукинов В.В., Широков А.З. Выбросоопасность горных пород Донбасса. – К.: Нау-
кова думка, 1983. – 288 с.
5. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общей ред. В.А.
Букринского, Г.В. Орлова. - М.: Недра, 1984. -247с.
6. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. – М.: Недра, 1985. –
248 с.
7. Черняк И.Л., Якунин. Управление состоянием массива горных пород. М.: Недра, 1995. – 396 с.
8. Медянцев А.Н., Полонский В.И. Расчет границы влияния подземных выработок на земную поверх-
ность при неполной подработке. - Изв. Северо-Кавказкого научного центра высшей школы, 1974. - № 4.-С.
17-19.
9. Лукинов В.В., Фичев В.В., Клец А.П. Принципы оценки ресурсов извлекаемого метана из подрабо-
танной толщи / Геотехническая механика. – 2002. - № 32. – С. 30 – 40.
10. Петросян А.Э. Выделение метана в угольных шахтах. – М.: Наука, 1975, - 188 с.
11. М. А. Фролов, А.И. Бобров. Суфлярные выделения метана в угольных шахтах. М., Недра, 1971, - 160 с.
Рекомендовано до публікації д.геол.н. В.А. Барановим 14.08.09
|