Общая постановка проблемы

Деформации устья дегазационной скважины рассмотрено как функцию деформаций пород кровли подготовительной выработки, с которой эта скважина пробурена. Установлена зависимость необходимой глубины герметизации скважины от уровня утечек метана и ведличины деформации. Обоснованы мероприятия по обеспечению устойчивости скважины.

Введение

Энергетическая независимость Украины неразрывно связана с развитием угольной отрасли. Практически все отечественные месторождения каменного угля характеризуются высокой газоносностью, находятся на значительных глубинах и разрабатываются подземным способом. В связи с этим высокопроизводительная подземная добыча угля невозможна без дегазации спутников и газоносных песчаников, из которых поступает в рабочее пространство действующего забоя от 30 до 80% дополнительного взрывоопасного газа [1 - 2].

Наибольшая часть взрывоопасного шахтного метана улавливается через подземные дегазационные скважины, которые бурят из подготовительных выработок. К сожалению, в условиях украинских угольных шахт основная доля метана каптируется дегазационными скважинами после подработки, расслоения и разрушения массива горных пород позади действующей лавы. На рис. 1 приведены типичные результаты мониторинга газовыделения из дегазационных скважин по данным [2 - 4]. Положительными числами обозначено расстояние до скважины впереди лавы, отрицательными после прохода лавы. Скважины отличались углом разворота относительно оси выработки, из которой они были пробурены. Видно, что независимо от параметров дегазационных скважин дебит газа впереди лавы до ее подхода на 10 м является несущественным и составляет в среднем 0,5 м3/мин. Лишь после прохода лавы и подработки массива дегазационная скважина стала каптировать значительное количество метана, причем максимум составил 4-5 м3/мин после отхода лавы на 30-40м. При последующем отходе лавы от скважины интенсивность газоулавливания начала затухать и на удалении 100м от очистного забоя упала до 1-2 м3/мин.

Рис. 1. График дебета метана

Очень похожая динамика газоотвода регистрируется на угольных шахтах Германии [5] (рис. 2). Максимум интенсивности улавливания метана наблюдается после подработки толщи и удаления лавы на расстояние 30м. Наиболее активная стадия газовыделения наблюдается до отхода лавы на 120м.

Интегрируя скорость газовыделения на рис. 1 и 2, можно показать, что более 90% газа улавливается дегазационными скважинами позади лавы. Геомеханическая причина такого эффекта объясняется расслоением и разрушением подработанной толщи позади движущейся лавы в зоне активных сдвижений. Это содействует интенсивному газовыделению благодаря раскрытию сообщающихся пор, раскрытию существующих и образованию новых трещин в массиве горных пород. Указанный геомеханический эффект сопровождается десорбцией газа и увеличением интенсивности его фильтрации в сторону выработанного пространства благодаря возрастанию проницаемости массива на несколько порядков. Так согласно [1, 6] проницаемость угленосного массива на глубинах 600-1000м составляет доли дарси в то время как после его подработки она может увеличиться до тысяч и десятков тысяч милидарси.

Рис. 2. Динамика газоотвода

В зоне активных сдвижений действуют два противоречивых геомеханических фактора: с одной стороны разрушение подрабатываемой толщи содействует активизации десорбции и фильтрации газа, а с другой разрушению дегазационных скважин, которые пробурены именно в область активных сдвижений, где процесс разрушения пород является наиболее интенсивным. Поскольку дегазационные скважины бурятся из подготовительных выработок, находящихся под негативным влиянием горного давления, наибольшему разрушению подвержены устья скважин. В связи с этим главное внимание исследователей должно быть уделено изучению процесса совместного разрушения вмещающих подготовительную выработку пород и устья дегазационной скважины, которое находится в области влияния подготовительной выработки. Решение этой задачи описывается в настоящей статье.