2015-05-12
691
Интенсивное развитие и концентрация горных работ на уголь- ных шахтах все более ограничиваются природными факторами, кото- рые усложняют и удорожают производство и создают опасность для рабочих. Они проявляются в угольных пластах и вмещающих их поро- дах, обладающих способностью аккумулировать опасные силы.
Основоположником научной школы рудничной аэрологии и борьбы с опасностями при разработке угольных месторождений явля- ется выдающийся ученый, академик А.А. Скочинский (1874-1960гг.). По его определению к основным опасностям в шахтах относятся: га- зовыделение; пылеобразование; газодинамические и динамические явления (выбросы угля, породы, газа, горные удары); эндогенные по- жары.
Все они проявляются при проведении выработок и добыче угля, и приводят к изменению первоначального состояния угольного пласта и вмещающих пород.
В этой части нашей дисциплины рассматриваются способы и средства для предотвращения выбросов угля и газа, породы, горных ударов.
Основой научно обоснованных мероприятий или воздействий на пласт и породы является тщательное изучение закономерностей
проявления опасностей, физических и механических процессов, про- исходящих в толще при разработке пластов. Управлять состоянием массива можно: технологией работ, специальными способами.
В связи с тем, что источники основных опасностей и вредностей в шахтах разнообразны, свойства пластов угля и вмещающих пород разнообразны и сложны, нельзя добиться устранения всех опасностей каким-нибудь одним инженерным воздействием, поэтому в МГИ вы- двинуто предложение о многостадийном воздействии на массив. Оно включает гидравлическое воздействие на пласт, его дегазацию, микро- биологическую обработку и физико-химическое укрепление с целью блокировки оставшегося газа, упрочнения пород, угля.
20.2 Газовая статика месторождений угля
В газовой статике рассмотрены коллекторские свойства угля с тем, чтобы ответить на вопросы: где, в каком состоянии находится газ в угле, по каким путям и каким образом он движется?
Сведения о выделениях горючих газов в подземных выработках приведены в изданном еще в 1656 году труде "О горном деле" извест- ного немецкого ученого Георга Бауэра, а в 1686 году английский писа- тель Роберт Плот впервые применил название "гремучий газ" к мета- новоздушной смеси, которое вошло затем и в русскую горнотехниче- скую терминологию. В 1868 г. Д.И. Менделеев установил, что основ- ным компонентом рудничного газа является метан.
Исследования по вопросам борьбы с выделением метана в угольных шахтах приобрели особую значимость когда начался про- цесс восстановления и реконструкции угольных шахт и вопросы обес-
печения безопасных условий труда шахтеров были выдвинуты в ряд важнейших проблем дела.
Рост нагрузки на очистной забой привел к тому, что средства вентиляции оказались недостаточными для борьбы с газом, возникла необходимость дегазации шахт. Широко началось изучение газоносно- сти пластов, динамики выделения газа, разрабатывались нормативные документы.
20.2.1 Коллекторские свойства углей
При превращении первичной растительной массы в торф и уголь, в процессах метаморфизма угля выделялось большое количест- во газа. Ориентировочными подсчетами установлено, что за период углефикации первичной растительной массы могло выделиться более 600 м3метана на 1 т угля, а в процессе метаморфизма вещества от длиннопламенного угля до антрацита – до 240 м3метана на 1 т. Сохра- нение газа в угле данного пласта зависело от газопроницаемости сре- ды, окружавшей уголь, занимаемых свободным газом объемов и сорб-
ционной способности угля.
В угле и породах метан находится в двух состояниях: в свобод- ном виде; в виде сорбированного газа.
Различают три формы связи с твердой фазой: адсорбция, когда газ концентрируется на поверхности твердой фазы под действием сил поверхностного натяжения; абсорбция, когда газ находится в виде рас- твора молекул в твердой фазе; хемсорбция – метан химически связан с твердой фазой.
Основная масса метана находится в угле и в породах в состоя-
нии адсорбции.
Количество метана, содержащегося в единице массы угля (по-
роды) в естественных условиях, называется метаноносностью.
Максимальное же количество метана, которое может содер- жаться в единице массы угля (породы) при определенных давлении и температуре называется метаноемкостью угля.
Газоносность угольных пластов определяется объемом и рас- пределением пор и трещин, а газодинамические явления, кроме этого, зависят еще от формы пор и трещин и характера связи между ними; все это определяет скорость диффузии и фильтрации в порах и трещи- нах, а также проницаемость угольных пластов.
Пустоты в угле генетически и морфологически разделяют на два класса: стереопор и трещин. Стереопоры, т.е. пустоты, образуемые кристаллитами, мицеллами и их агрегатами, характеризуются близо- стью размеров во всех трех измерениях; у трещин один размер может отличаться на несколько порядков величин от двух других размеров. Ниже в таблице 20.1 приведена классификация пустот.
Микропоры при очень малом объеме (размеры их соизмеримы с размерами молекул газа; так диаметр молекул метана – 4,4А0 или 0,00044 мкм) являются областью проявления сорбционных сил и опре- деляют возможные запасы гaзa в угле.
Поры размером более 100 ангстрем (0,01 мкм) вместе с трещи- нами образуют сложную систему фильтрующего объема, где имеют место различные виды движения газа от диффузии до турбулентной фильтрации.
Таблица 20.1 – Классификация пустот в породах
| Название пустоты | Диаметр, мкм | Процессы, происходящие в порах при течении флюида |
| микропоры | менее 0,003 | фольмеровская диффузия и в твердом теле |
| переходные | 0,003–0,1 | кнудсеновская диффузия |
| субмакропоры | 0,1–1 | свободная диффузия, медлен- ная ламинарная фильтрация |
| макропоры и трещины | 1–200 | интенсивная ламинарная фильтрация |
| видимые трещины | более 200 | ламинарная и турбулентная фильтрации |
Дарси
В трещинах и макропорах движение газа описывается законом
V = K
m
× d p
dx
, (20.1)
где V – скорость газового потока;
К – коэффициент газопроницаемости;
μ – вязкость газа;
dp
– градиент давления.
dx
Для описания диффузии в более тонких порах – закон Фика
dn = - ДF dс, (20.2)
dt dx
где n – количество газа, диффундирующего за время t через площадь сечения F;
dc – изменение концентрации газа в направлении потока;
dx
фузии.
Д – коэффициент диффузии, который зависит от вида диф-
Например, для свободной диффузии
Д = const
T 2,5
×
, (20.3)
qo 2 M
T + C
На рисунке 20.1 показано движение частиц газа при различных видах диффузии, на котором:
1 – свободная диффузия, когда ширина поры больше свободного пробега молекулы (величина свободного пробега молекулы 1000 ангс- трем или 0,1 мкм);
2 – кнудсеновская или молекулярная диффузия, когда ширина поры меньше свободного пробега молекулы;
3 – фольмеровская диффузия, когда ширина поры значительно меньше длины свободного пробега молекулы и молекулы диффунди- руют вдоль стенок пор в направлении меньшей плотности адсорбци- онной пленки;
4 – диффузия в твердом теле, когда адсорбционные поля накла- дываются одно на другое.
Таким образом, в угольных пластах процессы массопереноса га- зов сложны, пористость и трещиноватость являются важнейшими ха- рактеристиками, с которыми связаны емкостные и фильтрационные, т.е. коллекторские свойства углей.
1 2 3 4
>0,1 мкм <0,1 мкм <0,003 мкм
Рисунок 20.1 – Виды диффузий
Угли ненарушенной структуры имеют более 50% микропор, со- держание переходных – 30–40%; сильно нарушенные имеют увели- ченное количество субмакропор.
У большинства углей поверхность микропор – десятки и сотни квадратных метров в 1 г, переходных пор 10 м2/г; субмакропор – 0,2 м2/г. Таким образом, адсорбция в макропорах мала, а в переходных
– ее надо учитывать; основная же масса сорбированного газа находит- ся в микропорах.
Микропористость углей дает минимум в области углей средних стадий метаморфизма, а макропористость дает максимум, что показано на рисунке 20.2 (кривая 2).
Эти закономерности необходимо учитывать при анализе газо- емкости и газопроницаемости углей. Такая закономерность обуслов- лена тем, что угли средних стадий метаморфизма обладают макси- мальной частотой эндогенных трещин. Если метаморфизм ведет к упорядочению структуры и уплотнению вещества угля, то тектониче-
ские силы разрушают структуру и разрыхляют уголь. Тектоническая нарушенность стирает особенности пористой структуры угля, сло- жившиеся в результате метаморфизма.
S, м2·103
г
0,1
0.02
0 10 20 30 40
Vг, %
Рисунок 20.2 – Зависимость площади пор от степени метаморфизма угля
Сорбционный объем угля практически не зависит от всесторон- него сжатия, так как в микропорах силы отталкивания между молеку- лами газа возрастают обратно пропорционально 9-й степени расстоя- ния между центрами молекул и препятствует сжатию в большей сте- пени, чем в порах большего размера. С увеличением давления фильт- рующий объем пор уменьшается, особенно уменьшается объем макро- пор, т.е. движение газа в пласте вне влияния горной выработки должно происходить преимущественно в переходных порах, где возможна кнудсеновская диффузия.
Так как трещиноватость нарушает структуру и изменяет свойст-
ва угля как коллектора газа, проанализируем влияние ширины трещин на фильтрационные свойства углей. Ниже приведена классификация пор и трещин (классификация углей по степени нарушенности).
Таблица 20.2 – Классификация углей по степени нарушенности
| Угли | Ширина трещин, мм | Расстояние между трещинами, мм |
| I – ненарушенные | 0,027 | |
| II – слабо нарушенные | 0,015 | 1,9 |
| III – сильно нарушенные | 0,010 | 1,2 |
| IV – раздробленные | 0,005 | 0,88 |
| V – перемятые | 0,004 | 0,56 |
Анализ показывает, что нарушенность связана с появлением большего числа трещин зиянием менее 2 мкм.
Для расчета проницаемости по Е.С. Ромму для угля при двух системах трещин
где
l = 2
L
K = 17,1×106 l × в 3, мД, (20.4)
– удельная длина трещин;
в – ширина трещин;
L – расстояние между трещинами.
Учитывая то, что ширина трещины входит в кубе в формулу (20.4), можно объяснить парадоксальный факт, что более нарушенные пласты имеют меньшую газопроницаемость (от 1 до 350 мД).
20.2.2 Зональность газоносности пластов
Донбасс по метаноносности угольных пластов можно разделить на три области, из которых в первой, пространственно совпадающей с распространением различных каменных углей вплоть до слабомета- морфизованных антрацитов, метаноносность угольных пластов с глу- биной увеличивается до 40 м3/т. Вторая область представлена дегази- рованными угольными пластами. Она обхватывает районы высокоме- таморфизованных антрацитов восточного района Донбасса и характе-
ризуется практически отсутствием метана в угольных пластах до изу- ченной глубины (1600м) и возможно на всей глубине их залегания.
В пределах третьей (переходной) области, протянувшейся узкой полосой между I и П областями, где на относительно малых глубинах распространены антрациты, переходящие с глубиной в пласты высо- кометаморфизованных антрацитов, метаноносность угольных пластов по мере углубления горных работ вначале возрастает до 40 м3/т, а за- тем с дальнейшим углублением, снижается до 5–10 м3/т.
20.3 Газовая динамика
Различают три вида выделения метана в горные выработки: обыкновенное, суфлярное, внезапные выбросы.
Рассмотрим обыкновенное газовыделение. Метан в выработки выделяется из:
– обнаженной поверхности угольного пласта;
– из отбитого угля;
– из выработанного пространства;
– из обнаженной поверхности боковых пород.
Газовая обстановка в шахте складывается в результате суммар- ного действия различного рода источников, объединенных той или иной пространственной схемой и выделяющих газ в режиме, опреде- ляемом технологической схемой разработки и проветривания. Газовая динамика угольных шахт является основой для разработки способов управления газовым режимом выработок. Обильными источниками метана являются подготовительные выработки и очистные.
Газовыделения из всех источников истощаются по затухающим кривым одного вида (рис. 20.3), описываемым уравнением
где q(t) – удельная объемная скорость выделения метана,м3/м2; q0 – начальная удельная объемная скорость выделения метана; ni – коэффициент, характеризующий крутизну снижения
кривой, с-1.
Этот коэффициент имеет различные значения для обнаженной поверхности, отбитого угля.
g(t) g0
t
Рисунок 20.3 – Зависимость газовыделения от времени
20.3.1 Выделение метана с поверхности угольного пласта
В очистном забое газовыделение с обнаженной поверхности за- боя зависит от скорости образования свежих поверхностей. Удельный дебит газа определяется по приведенной выше формуле (20.5). Показа- тель степени равен 0,04 – 0,05 1/ч. Удельный дебит газа в лаве заметно уменьшается лишь за достаточно большой интервал времени (десятки часов).
20.3.2 Выделение метана из отбитого угля
Площадь поверхности отбитого угля зависит от размеров частиц и фракционного состава объема отбитого угля. Для средних условий суммарная площадь поверхности частиц отбитого угля, содержащихся в 1 м3,составляет 3000 м2. Между площадями поверхностей отбитого угля и обнажения пласта в лаве существует соотношение
Sотб = 3000× s × r, (20.6)
где s – поверхность обнажения пласта, м2;
r – ширина захвата, м.
Показатель степени в экспоненциальной формуле (20.5) для от- битого угля равен 0,8–0,9 1/ч, чему соответствует постоянная времени равная 1,1–1,2 часа. Следовательно, спустя 2–3 часа с момента отбойки угля газовыделение из отбитого угля практически прекращается.
Итак, удельный дебит газа из отбитого угля примерно на три порядка меньше, чем с обнаженной поверхности, а уменьшение интен-
сивности газовыделения из отбитого угля в 15-20 раз быстрее, чем че- рез площадь обнажения пласта в лаве.
Дебит газа в лаве не возрастает беспредельно с увеличением на- грузки на забой, а стремится к некоторому конечному пределу, при- чем, чем выше нагрузка, тем меньше становится приращение дебита газа при дальнейшем ее увеличении.
В общем дебите газа из разрабатываемого пласта большую до- лю составляет газ, выделяющийся из поверхности обнажения пласта в лаве. При увеличении темпа подвигания лавы доля газа из отбитого угля возрастает. Темп снижения газовыделения с обнаженной поверх- ности пласта выше, чем темп увеличения газовыделения из отбитого угля, поэтому темп общего газовыделения будет снижаться и особенно интенсивно при скорости подвигания лавы до 4–5 м/сутки, а затем практически стабилизируется.
Характер изменения газового давления в угольном пласте опре- деляется характером изменения в нем горного давления. Ускоренная дегазация происходит в зоне отжима; в зоне упругих деформаций (опорное давление) дегазация пласта замедляется. В очистную выра- ботку газовыделение происходит только из зоны пониженных напря- жений.
20.3.3 Газовыделение метана из выработанного пространства
Выделение метана происходит в призабойное пространство очистного забоя, в вентиляционные выработки из сближенных пла- стов, обрушившихся пропластков угля в выработанное пространство, из боковых пород. В выработанном пространстве происходит разгруз-
ка в почве и кровле, образуются трещины, полости расслоения, часть пород обрушается. Интенсивное выделение будет из зон I, П,Ш схемы сдвижения пород и частично из зоны IV в кровле и из зоны разгрузки в почве пласта. Процесс газовыделения длительный, максимум выделе- ния, находится в 60–120 м позади лавы.
В последнее время на больших глубинах разработки наблюда- ются значительные газовыделения из боковых пород.
Лекция 21
