Волошин А. И., члeн.–корр. НАН Украины, Рябцев О. В., канд. техн. наук (ИГТМ НАН Украины, НИЦ «Экология–Геос»), Коваль А. И., канд. техн. наук (ГП «Свердловантрацит»)
Источник: О механизме формирования полостей расслоения, содержащих метан / Волошин А. И., Рябцев О. В., Коваль А. И., // Уголь Украины. – 2011. – №1.
Описаны основные теоретические положения, на которых базируется современное представление о механизме возникновения и динамике развития полостей расслоения, и основные особенности сдвижения слоистого горного массива. Приведена оценка горнотехнических и горно – геологических факторов, влияющих на особенности формирования полостей расслоения и на условия добычи угля в газонасыщенном массиве горных пород.
Наиболее эффективным мероприятием по снижению выделения метана в горные выработки шахт является дегазация угольных пластов и коллекторов природных скоплений свободного газа [1]. Для снижения газовыделения и получения попутного продукта (газа–энергоносителя) в процессе ведения очистных работ используют технологии дегазации с помощью скважин, пробуренных с поверхности или из подземных выработок. Одно из решающих условий эффективности этих технологий — скважины должны попадать в зоны повышенной газоотдачи. Известно [2], что к таким зонам относятся полости расслоения (пустоты Вебера и трещины расслоения), формирующиеся при сдвижении слоистого газонасыщенного углепородного массива, находящегося под влиянием очистных работ.
Факты расслоения пород кровли выработок горнякам известны издавна, и были установлены экспериментально опытами М. Фойоля в 1886 г. В дальнейшем разработка методов и методик определения условий и параметров механизма их возникновения, динамики развития не получили должного продолжения. Исключение составляют работы [5], в которых рассмотрены некоторые качественные закономерности указанных процессов.
Механизм формирования полостей расслоения в породном массиве определяется качественными и количественными показателями напряженно–деформированного состояния подработанной толщи слоистых пород и динамикой его изменения во времени и пространстве. Поэтому к определяющим процессы формирования и развития полостей расслоения горнотехническим параметрам и факторам относятся те, которые характеризуют сдвижение слоистого разномодульного горного массива. Однако необходимо учитывать, что процесс образования полостей расслоения имеет характерные особенности, адекватные специфическим условиям ведения горных работ, другими словами является имманентной характеристикой конкретного добычного участка, взаимоувязанной со всем комплексом горнотехнических факторов, производственных условий и временем.
Известные к настоящему времени результаты немногочисленных исследований, посвященных изучению некоторых аспектов образования полостей расслоения в горном массиве, находящемся в зоне влияния горных работ, имеют в основном характер методологических и аналитических обобщений [5 – 10]. Поэтому опубликованные данные позволяют оценить только качественную сторону этого вопроса, которая сводится к следующему.
Длина лавы определяет нормальную нагрузку на слои от веса зависающих пород и величину их опусканий, от которых зависит форма образующихся полостей расслоения. При длине лавы до 120 – 150 м полости расслоения на контактах слоев появляются по всей ее длине и простираются почти вдоль всего отрабатываемого столба. Если длина лавы увеличивается, полости образуются вначале вблизи забоя лавы, затем на некотором удалении от него они закрываются. Полость может сохраняться недалеко от контура выработки и иметь небольшую ширину. В случае возрастания скорости подвигания лавы размеры полостей, которые возникают позади очистного забоя, увеличиваются по ширине и высоте. Когда способ управления кровлей с полного обрушения изменяется на закладку, опускания пород надугольной толщи уменьшаются, что сопровождается сокращением объема полостей расслоения.
При изменении формы и расположения очистного забоя по отношению к элементам залегания модифицируются и формы полостей расслоения, образующихся в плоскости напластования. Выработанное пространство, примыкающее к отрабатываемому столбу, вызывает кратковременное образование полости вблизи кромки забоя лавы и целика, примыкающего к одной из сторон отрабатываемого столба, а зоны повышенного горного давления, расположенные в пределах отрабатываемого столба, резко меняют характер формирования полости расслоения. Надработка или подработка угольного пласта, как правило, приводит к увеличению ширины зоны опорного давления и тем самым уменьшает размеры формирующейся полости.
Таким образом, чтобы определить размеры и расположение границ полостей по отношению к контуру выработки, необходим прогноз для конкретных условий и технологических параметров ведения очистных работ.
Из–за различной жесткости слоев пород в подрабатываемом массиве предполагается развитие полостей расслоения вслед за подвиганием лавы и закрытие их на некотором расстоянии от линии забоя.
При отработке одиночной лавы в подрабатываемом горном массиве образуется полость вслед за подвиганием лавы на небольшом расстоянии от линии забоя (8 – 25 м) и .«близи выемочных штреков. Полость расслоения как бы передвигается вслед за подвиганием лавы и закрывается на некотором расстоянии от линии забоя. Полость максимальной высоты располагается над серединой выработки и между смежными слоями определяется как разность максимальных опусканий этих слоев. Полости появляются в том случае, когда у смежных слоев жесткость верхнего слоя больше нижнего. Позади лавы в выработанном пространстве опускания пород кровли увеличиваются, а размеры полости по высоте уменьшаются и затем над серединой выработки слои смыкаются, но вдоль штреков полости сохраняются. Давление метана в полости возрастает, и он вытесняется к границам очистных работ.
Процесс формирования полостей изменяется, если лава примыкает к выработанному пространству, они располагаются в выработанном пространстве по границе очистных работ. После отработки первого столба с течением времени подработанные породы над серединой выработанного пространства опускаются, полость закрывается. При отработке второй лавы полость формируется по границам очистных работ и движется вслед за забоем. Если ширина выработанного пространства увеличивается до двукратной длины лавы, то полость над серединой выработанного пространства закрывается.
Если лава примыкает с двух сторон к выработанному пространству, то формируются две полости. Одна из них расположена по падению пласта (лава движется по простиранию) у границ очистных работ, вторая перемещается вслед за забоем лавы. При повышении скорости подвигания забоя высота полости расслоения над серединой выработки увеличивается, а ширина ее за счет смещения границ опорной зоны в сторону выработанного пространства уменьшается. Так, с увеличением длины лавы вначале площадь полости в рассматриваемом сечении увеличивается, затем уменьшается до полного закрытия полости.
Из выполненного анализа можно констатировать следующее:
– на формирование полостей расслоения существенное влияние оказывают технологические параметры (длина лавы, скорость подвигания очистного забоя, расположение отрабатываемого столба по отношению к выработанному пространству);
– полости расслоения образуются ниже породымоста, их максимальная высота зависит от соотношения жесткостей породы–моста и нижележащих слоев;
– полости расслоения, расположенные выше одиночной породы–моста, не образуются, распределение нормальных нагрузок над этим слоем породы близко к состоянию нетронутого массива;
– в момент, когда лава отходит от разрезной печи, размеры полости при прочих равных условиях зависят от скорости подвигания забоя лавы.
Учитывая рассмотренные особенности формирования полостей расслоения в горном массиве, количественные показатели этого процесса необходимо вычислять применительно к каждому конкретному добычному участку на основании фактических стратиграфических колонок с учетом технологических параметров ведения очистных работ, в том числе фактора времени.
Условия угледобычи в газонасыщенном горном массиве в общем случае принципиально отличаются от негазонасыщенных массивов двумя аспектами.
Первый заключается в различии деформирования и разрушения газонасыщенных пород и осадочных, не содержащих метан, поскольку прочностные характеристики газонасыщенных пород ниже аналогичных показателей негазонасыщенных. Это обстоятельство следует учитывать при прогнозе напряженно – деформированного состояния массива и динамики его изменения во времени.
Второй аспект определяется необходимостью осуществления дополнительной технологической операции дегазации угольных пластов и вмещающих пород, а также выработанного пространства. Дегазационные работы должны быть взаимоувязаны с процессом сдвижения слоистого массива и с факторами, обусловливающими условия возникновения и развития полостей расслоения в окружающем горном массиве. Они сводятся к следующему [2 – 4,]. Газопроницаемость пластов резко возрастает при их подработке. Повышенное газовыделение из подработанных пластов фиксируется в зонах сдвижения надугольной толщи позади очистного забоя. Сдвижение горных пород над очистной выработкой происходит в виде последовательного изгиба плит, нежестко защемленных по контуру. Нормальные нагрузки на уровне слоев пород распределяются неравномерно. Изгиб слоев сопровождается горизонтальными подвижками, размеры которых зависят от мощности пласта, жесткости слоя, способа управления кровлей. Эти подвижки изменяются по длине лавы в направлении продольной оси штреков и по надугольной толще. Максимальные горизонтальные подвижки наблюдаются в средней части лавы вблизи разрабатываемого пласта. По мере приближения к сопряжениям со штреками лавы и удаления от пласта эти подвижки уменьшаются.
Если породы толщи неоднородны, после подработки ниже породы – моста образуются полости расслоения, в которых скапливается метан. Они простираются над выработанным пространством до границы опорной зоны. Над выработанным пространством возможность смыкания полостей в значительной степени зависит от длины лавы и скорости подвигания забоя. Для отсоса метана дренажные скважины следует размещать вблизи границы полостей. Поэтому, чтобы выбрать схему дегазации и рационального расположения скважин, надо знать основные параметры сдвижения пород кровли и их изменения в зависимости от принятой технологии ведения работ в конкретных геологических условиях.
Таким образом, если известна картина распределения нормальных нагрузок и установленных мест расположения характерных точек сдвижений, можно рационально расположить скважины для дегазации пластов при подработке и надработке и обеспечить надежность их эксплуатации. В случае подработки вышележащих пород очистными работами различают зоны, определяющие области применения дегазации сближенных пластов и выработанных пространств: первую — беспорядочного обрушения, которая распространяется на пологом и наклонном падении на расстояние 4–6 т., от разрабатываемого пласта (где т — мощность пласта, м); вторую — прогиба пород с разрывом их сплошности и образованием вертикальных трещин, распространяется на расстояние 20–30 га; третью — прогиба горных пород без разрыва их сплошности.
Если породы верхнего слоя прочнее пород нижнего, то при подработке образуются пустоты Вебера, на личие которых может повысить эффективность дегазации сближенных пластов при условии: время до закрытия полостей 10–15 сут от момента их образования больше срока службы дегазационных скважин. В случае столбовой системы разработки с бурением скважин навстречу очистному забою в неустойчивых породах срок службы скважин снижается до 10 сут, иногда и менее.
Существующие технологии добычи угля и извлечения метана предусматривают, что в горные выработки и дегазационные скважины выделяется только часть газа, содержащегося в угольных пластах и газонасыщенных породах в зоне разгрузки. Значительная его доля сорбируется в частично подработанных или надработанных угольных пластах и пропластках, а также находится в свободном состоянии в породах, трещинах, полостях и в выработанном пространстве.
Анализ результатов научных исследований и опыт работ на шахтах показывают, что мероприятия по снижению газовыделения в горные выработки должны осуществляться с использованием технологии комплексной дегазации, в состав которой могут быть включены и, при необходимости, выполняться в различных сочетаниях известные способы подземной и поверхностной дегазации.
Определенное внимание надо обращать на извлечение метана из зон его скопления (коллекторов), образовавшихся вследствие геомеханических процессов, происходящих в подработанном (надработанном) очистными работами горном массиве. К таким коллекторам относятся в том числе полости расслоения. Поскольку формирование во времени и пространстве полостей расслоения в подработанной надугольной толще находится в тесной взаимосвязи с характером и интенсивностью сдвижения пород над забоем лавы и позади него, эффективность скважинной дегазации, количественные и технологические параметры дегазационных систем необходимо определять с учетом закономерностей геомеханических процессов, происходящих в углепородном массиве.
Над выработкой ограниченной ширины при наличии неравножестких слоев образуются полости расслоения, размеры которых уменьшаются по мере удаления от контура выработки. В результате этого нормальные нагрузки на каждый слой от веса зависающих пород распределяются неравномерно, изменяясь от максимальных до нуля у границы полостей расслоения. С увеличением пролета выработки опускание пород над выработанным пространством возрастает, полости расслоения могут исчезнуть. Часть веса подработанных пород передается на почву пласта. Нормальные нагрузки распределяются неравномерно. Они достигают максимальных значений, уменьшаясь по мере приближения к точкам перегиба слоя и вновь увеличиваясь над серединой выработки.
В зоне выработанного пространства по мере опускания подработанных слоев пород на почву происходит частичное обрушение породы или полное восстановление нагрузок. Для сравнительно однородной надугольной толщи изменение нагрузок над выработанным пространством имеет практически линейный характер. При наличии неоднородных пород, если в надугольной толще залегают мощные песчаники (породы – мосты), нагрузки в зоне выработанного пространства восстанавливаются с различной интенсив-ностью. Вблизи забоя лавы вначале восстанавливаются нагрузки от веса опустившихся тонких слоев, расположенных ниже породы – моста. По мере удаления от забоя лавы интенсивность их восстановления возрастает, что объясняется особенностью характера передачи нагрузок породой – мостом. Он принимает на себя большие нагрузки со стороны вышележащей толщи. На контакте породы–моста с нижележащими породами возникает пустота расслоения и образуется плита на двух опорах. Она передает нагрузку от веса зависающих пород на сравнительно малую площадь. Вследствие этого над выработанным пространством по оси выработки нагрузка превышает собственную массу надугольной толщи в 1,3–1,5 раза.
Натурные измерения показали, что с течением времени деформации возрастают. Это проявляется в увеличении опусканий пород как над выработанным пространством, так и над массивом. Зона влияния выработки расширяется, точки перегиба осей слоев пород смещаются к границам очистных работ, уменьшаются пролеты зависающих над массивом пород. За счет расширения опорной зоны и уменьшения веса зависающих над массивом пород рост деформаций сопровождается снижением нагрузок в опорной зоне и увеличением их над выработанным пространством. Устойчивым и одним из основных источников метановыделения в газовых шахтах являются газовые коллекторы (угольные пласты, пропластки и метаноносные породы), залегающие на некотором расстоянии выше и ниже разрабатываемого пласта и попадающие в зоны разгрузочного влияния выемочных выработок. Доля таких газовых коллекторов в газовом балансе добычного участка может составлять 50–80 %, а газообильность достигать 30–100 м3/т и более [2]. Для снижения газовыделения и получения попутного продукта (газа метана) в процессе ведения очистных работ проводят дегазацию скважинами, пробуренными из подземных горных выработок на выше или нижележащие газовые коллекторы. Несмотря на успешное развитие различных способов извлечения метана скважинами с поверхности, дегазация разгружаемых спутников скважинами из подземных выработок остается базовым методом регулирования газового состояния углепородного массива.
Поскольку формирование во времени и пространстве зон повышенной газоотдачи находится в тесной зависимости от характера и интенсивности сдвижения пород над забоем лавы и позади него, то возможности данного способа дегазации и параметры дегазационных систем должны определяться с учетом закономерностей этого процесса.Особенности сдвижения горных пород при подземной разработке предлагается сформулировать следующим образом:
– развитие сдвижения подработанной толщи происходит в виде последовательного изгиба тонких плит, нежестко защемленных по контуру выработки с подвижками слоев пород относительно один другого по контактам напластования;
– основной вид нарушения сплошности горного массива — расслоение его по контактам напластования;
– в случае образования вертикальных трещин характер изгиба слоев породы сохраняется;
– по контактам напластования пород, различных по литологическому составу, силы сцепления малы, и ими можно пренебречь;
– при подработке слоев пород наблюдается их свободное опускание, при надработке — свободное поднятие;
– максимальное опускание каждого слоя породы определяется вынимаемой мощностью пласта и способом управления кровлей;
– с течением времени происходит расширение опорной зоны и уменьшение массы зависающих над массивом пород;
– максимальная нагрузка над выработанным пространством для однородной по составу надугольной толщи не превышает собственной массы пород, и эта нагрузка изменяется от забоя к оси выработки по линейному закону.
Вышеприведенные особенности сдвижения массива горных пород стали основой для решения горнотехнических задач четвертого направления Технологии.
Выводы. Обобщая результаты исследований о современном состоянии работ в области изучения условий и факторов, которые определяют механизм формирования и динамику развития полостей расслоения горных пород как потенциальных коллекторов метана при сдвижении слоистого разномодульного горного массива в зоне влияния очистных работ, можно констатировать следующее. Образование полостей расслоения при сдвижении пород вокруг очистной выработки следует прогнозировать, принимая во внимание физико–механические свойства слоев, слагающих массив горных пород, а также горнотехнические факторы и условия, которые прямо или косвенно влияют на особенности ведения горных работ на конкретном добычном участке [17]. Извлечение метана из полостей расслоения обосновывается следующим: достигаются значительные дебиты дегазационных скважин; увеличивается до 80 – 100 м расстояние между скважинами; срок службы скважин составляет от двух – трех месяцев до нескольких лет; каптируется газ высокого качества; снижается вероятность суфлярных выделений газа; предотвращаются пиковые газовыделения на выемочном участке; извлекаются потенциальные объемы метана в полостях–ловушках, формируемых при ведении горных работ и не питающих выработки газом; повышается на 30–70 % производительность очистных забоев в условиях неизменных параметров вентиляции, снижается на 2–3 % себестоимость угля по шахте (с учетом затрат на дегазационные работы).
Булат А. Ф., Кияшко Ю. И., Гажелюи Л. И. Опыт и перспективы промышленной добычи шахтного метана в Украине // Геотехническая механика. – 2004. – Вып. 48.
Четвертаков В. В. О целесообразности использования пустот Вебера и трещин расслоения для извлечения шахтного газа // Сб. науч. тр. НГА Украины. – 1999. – № 7. – Т. 3.
СавенкоЛ. В. О полостях вблизи спутников // Уголь Украины.— 1958. – № 6.
СавенкоЛ. В. О дегазации спутников угольных пластов // Дегазация угольных пластов. – М.: Госгортехиздат, 1961.
Слесарев В. Д. Вопросы управления кровлей. – М.: ОНТИНКТП, 1935.
Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. – М.: Недра, 1980.
Кузнецов Т. Н., Будько И. Н., Васильев Ю. И. Моделирование проявлений горного давления. – Л.: Недра, 1968.