СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫБРОСООПАСНЫХ ЗОН В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ
METHOD OF DETERMINING OUTBURST SITES IN COAL BEDS

Изобретение относится к области горного дела, а именно к подземной разработке угольных пластов, склонных и опасных по внезапным выбросам угля и газа. Оно может быть использовано при проведении подготовительных выработок по угольным пластам.
Известен способ прогноза выбросоопасности при вскрытии угольного пласта (Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. - М., 1989), включающий бурение разведочных скважин при приближении забоя вскрывающей выработки к угольному пласту на расстояние не менее трех метров по нормали для измерения газового давления и отбора проб угля. Выбросоопасность пласта определяют по трем - четырем пробам. Давление газа измеряют не менее чем в двух скважинах, пробуренных на расстоянии не менее трех метров. Наблюдение за давлением газа проводят в течение нескольких суток до установления его максимального значения.
Недостатком способа является то, что показатель выбросоопасности определяют в двух - трех точках впереди забоя вскрывающей выработки и по нему оценивают выбросоопасность всего забоя и окружающей его зоны, что снижает достоверность способа.
Известен способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах (Патент на изобретение №2447289, МПК E21F 5100, опубликовано 10.04.2012, Бюллетень №10), наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату, включающий поинтервальное бурение скважины в забое подготовительной выработки глубиной не менее 5,5 м с шагом не более 1,0 м, измерение начиная с расстояния 0,5 м на каждом интервале выхода буровой мелочи и начальной скорости газовыделения. Суть его состоит в том, что каждому типу газодинамических явлений соответствует своя область значений начальной скорости газовыделения и выхода буровой мелочи. Зона считается выбросоопасной, если:
max
max
1. Показатель R>0, где R=(i-4)(S-1,6)-6,
где R - показатель, определяющий тип газодинамического явления;
max
i - начальная скорость газовыделения;
max
S - выход буровой мелочи.
2. Начальная скорость газовыделения в течение одной минуты резко падает.
n
Для условий разработки угольного пласта по величинам газового давления и температуры угольного пласта с помощью равновесной кривой фазового состояния устанавливают возможность существования в угольном массиве газовых гидратов. Затем в пробуренной скважине измеряют удельное электрическое сопротивление (УЭС) угольного массива и строят график зависимости УЭС от расстояния вдоль оси скважины. По этому графику определяют ширину зоны угольного пласта, содержащую газовые гидраты природного газа. Определяют показатель выбросоопасности R с учетом естественной влажности угольного пласта и ширины зоны угольного пласта, содержащей газовые гидраты.
Повышение удельного электрического сопротивления на участке угольного пласта может указывать на наличие зоны трещиноватости. Для того чтобы исключить влияние трещиноватости, необходимо измерить скорость продольных волн, которая при этом уменьшается. Однозначность интерпретации результатов измерения удельного электросопротивления никак не учитывается в изобретении, принятом за прототип.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения выбросоопасных зон в угольных пластах.
n
Способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах, включающий поинтервальное бурение скважины в забое подготовительной выработки глубиной не менее 5,5 м с шагом не более 1,0 м, измерение начиная с расстояния 0,5 м, на каждом интервале выхода буровой мелочи и начальной скорости газовыделения, определение возможности существования в угольном пласте твердых растворов природного газа по типу газовых гидратов, после чего в пробуренной скважине измеряют удельное электросопротивление угольного пласта и строят график зависимости удельного электросопротивления угольного пласта от расстояния вдоль оси скважины, с помощью которого определяют ширину зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов природного газа, далее определяют показатель выбросоопасности R с учетом ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов и естественной влажности угольного пласта, отличающийся тем, что на исследуемом участке угольного пласта на расстоянии 0,75÷1,25 м от первой скважины бурят вторую скважину, после чего определяют скорость упругих волн в массиве между скважинами, для чего помещают в обе скважины пьезодатчики, которые перемещают с шагом 0,15÷0,25 м одновременно в обеих скважинах, причем участки угольного пласта, на которых удельное электросопротивление больше в 50÷100 раз удельного электросопротивления соседних участков, содержат твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, если скорость упругих волн в них составляет порядка 2,0÷2,5 км/с.
Заявляемый способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах поясняется чертежами, где на фиг.1 показана равновесная кривая фазового состояния системы «вода - природный газ»; на фиг.2 - график зависимости удельного электросопротивления (УЭС) угольного пласта от расстояния вдоль оси скважины вглубь угольного массива; на фиг.3 - схема измерения скорости продольных упругих волн; на фиг.4 - зависимость показателя выбросоопасности от ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов.
Способ осуществляют следующим образом. В шахтных условиях осуществляют поинтервальное бурение скважины глубиной не менее 5,5 м с шагом не более 1,0 м и измеряют на каждом интервале выход буровой мелочи и начальную скорость газовыделения.
Для условий разработки угольного пласта по величинам газового давления и температуры угольного пласта с помощью равновесной кривой фазового состояния (фиг.1) устанавливают возможность существования в угольном массиве твердого раствора природного газа по типу газовых гидратов. Область над кривой - область существования газовых гидратов, область под кривой - область раздельного существования воды и природного газа.
1
2
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>50</mn><mo>−</mo><mn>100</mn></mrow>
Затем в пробуренной скважине измеряют УЭС угольного массива и строят график зависимости УЭС от расстояния вдоль оси скважины (фиг.2). По этому графику определяют ширину зоны угольного пласта, содержащую твердый углегазовый раствор по типу газовых гидратов: на протяжении зоны отжима угля значение УЭС уменьшается не более чем на 30%, а по мере выхода за зону влияния выработки принимает некоторое постоянное значение ρ. В зоне угольного пласта, содержащей раствор природного газа по типу газовых гидратов, УЭС угольного пласта будет равно ρ. Если отношение
, то эта зона содержит твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов. Однако подобное возрастание отношения удельных сопротивлений может быть обусловлено увеличением трещиноватости массива.
Для однозначного определения ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, на этом участке дополнительно бурят вторую скважину на расстоянии 0,75-1,25 м от первой, в которые помещают излучатель и приемник продольных упругих волн и, перемещая их одновременно с шагом 0,15-0,25 м, измеряют скорость продольных упругих волн в массиве способом, показанным на фиг.3. Если скорость продольных упругих волн не уменьшается и составляет величину порядка 2,0-2,5 км/с, то эту зону относят к содержащим твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов.
n
Определяют показатель выбросоопасности R с учетом естественной влажности угольного пласта и ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов. Для этого определяют число молей газа, содержащегося в гидратном состоянии в угольном пласте:
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>у</mi><mi>г</mi><mi>л</mi><mi>я</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>ε</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>и</mi><mi>д</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>ы</mi></mrow></msub><mi>n</mi></mrow></mfrac><mi>β</mi></mrow>
,
угля
где V - объем угля, в котором распределены кристаллы газовых гидратов;
ε - влажность;
гидрата
ρ - плотность кристаллогидратов;
β - гидратонасыщенность;
воды
µ - молярная масса воды;
n - число молекул воды, приходящихся на одну молекулу газа в элементарной ячейке гидрата.
Затем по уравнению Ван-дер-Ваальса, с учетом числа молей газа ν, находящихся в гидратном состоянии в зоне угольного пласта рассчитывают прирост значения давления Р вследствие высвобождения газа из гидратного состояния:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mi>ν</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>b</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mi>a</mi><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mi>ν</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
где R - газовая постоянная;
Т - температура пласта;
а и b - коэффициенты Ван-дер-Ваальса для данного газа;
пор
V - объем порового пространства;
ν - число молей газа, содержащегося в газовых гидратах.
a
n
Определяют показатель выбросоопасности как соотношение активных сил F, стремящихся развязать внезапный выброс, и пассивных сил F, препятствующих этому (Мурашев В.И. Механизм развязывания внезапных выбросов угля и газа в горных выработках / Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа / Под ред. А.Э. Петросяна, А.П. Куликова, Г.К. Васючкова. - М.: Недра, 1978), по формулам
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>0</mn><mn>3</mn></msubsup><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>β</mi><mi>h</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>β</mi><mi>h</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>β</mi></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>β</mi><mi>h</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>β</mi><mi>x</mi></mrow></msup></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>β</mi><mi>h</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>П</mi><mi>S</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>k</mi><mn>0</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>k</mi><mn>0</mn><mo>'</mo></msubsup><mi>ν</mi><mo>'</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>ρ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
,
a
где F - активные силы;
0
m - пористость массива вне зоны влияния выработки;
β - параметр, зависящий от свойств угля и глубины разработки;
h - величина отжима угля на кромке забоя после выемки очередной заходки;
0
P - давление газа в угольном пласте;
Р - давление газа на кромке забоя;
x - протяженность зоны влияния подготовительной выработки на напряженное состояние угольного массива;
n
F - пассивные силы;
П - периметр выработки, пройденной по угольному массиву;
S - площадь обнаженного угольного массива в сечении выработки;
<mrow><msubsup><mi>k</mi><mn>0</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- коэффициент сцепления угля на кромке забоя нарушенного участка пласта;
ν' - параметр, зависящий от угла внутреннего трения угля.
ρ - угол внутреннего трения нарушенного участка пласта.
n
n
После этого делают заключение о выбросоопасности данного участка угольного пласта: если R>0, то участок угольного пласта выбросоопасный. Если показатель R<0, то участок угольного пласта не выбросоопасный.
Пример конкретного выполнения способа определения выбросоопасных зон в угольных пластах. Осуществляют поинтервальное бурение скважины глубиной не менее 5,5 м с шагом не более 1,0 м и измеряют на каждом интервале выход буровой мелочи и начальную скорость газовыделения.
0
Далее определяют величину газового давления и температуру угольного пласта: газовое давление в угольном пласте составляет Р=26 атм, температура угольного пласта T=280 К при естественной влажности угольного пласта 1,5% и природной пористости 5%. С помощью равновесной кривой фазового состояния (фиг.1) определяют фазовое состояние системы «угольная матрица - поровая влага - природный газ». В данном случае система «угольная матрица - поровая влага - природный газ» находится в точке 1 (фиг.1) над кривой фазового состояния, следовательно, в угольном пласте газ и влага находятся в твердом состоянии. В противном случае (если по параметрам система находится ниже кривой фазового состояния, например, в точке 2) существование газовых гидратов невозможно.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>5100</mn></mrow><mrow><mn>70</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>73</mn></mrow>
Затем в пробуренной скважине определяют УЭС угольного пласта. Строят график зависимости УЭС от расстояния вдоль оси скважины (фиг.2). УЭС угольного пласта на расстоянии 3,4-4,1 м от забоя выработки превышает значение УЭС, характерное для зоны нетронутого массива и отношение
, следовательно, данная зона угольного пласта содержит твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, а ее ширина составляет 0,7 м.
Для однозначного определения ширины зоны угольного пласта на этом участке дополнительно бурят вторую скважину на расстоянии 0,75-1,25 м от первой, в которые помещают пьезодатчики, закрепленные на резиновых камерах, соединенных с ручным насосом. Стенки скважин по возможности смазывают солидолом для улучшения контакта между стенками скважин и пьезодатчиками. В камеры накачивают воздух до давления порядка 1,0-1,5 атм для того, чтобы пьезодатчики вплотную примыкали к стенкам скважин. Измеряют скорость продольных упругих волн. Скорость продольных упругих волн составила 2,3 км/с, следовательно, эта зона содержит твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов.
Рассчитывают показатель выбросоопасности с учетом естественной влажности угольного пласта и ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов. Для этого определяют число молей газа, содержащегося в гидратном состоянии в угольном пласте:
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3,5</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,015</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>883</mn></mrow><mrow><mn>0,018</mn><mo>⋅</mo><mn>17</mn></mrow></mfrac><mn>0,019</mn><mo>=</mo><mn>189</mn></mrow>
моль.
пор
3
Затем по уравнению Ван-дер-Ваальса, с учетом числа молей газа ν, находящихся в гидратном состоянии в зоне угольного пласта шириной 0,7 м, рассчитывают значение прироста давления Р вследствие высвобождения газа из гидратного состояния. Объем порового пространства: V=0,175 м. Получаем:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8,31</mn><mo>⋅</mo><mn>279</mn></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn>0,175</mn></mrow><mrow><mn>189</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>3,3</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>0,14</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,175</mn></mrow><mrow><mn>189</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>24,3</mn></mrow>
атм.
0
То есть давление в пласте возрастет при высвобождении газа из гидратного состояния от P=25 атм до 49,3 атм.
n
Рассчитывают показатель выбросоопасности: R>0, следовательно, участок угольного пласта выбросоопасный.
n
Затем для данного угольного пласта строят график зависимости показателя выбросоопасности R от ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, для различной естественной влажности пласта (фиг.3):1-0,5%; 2-1%; 3-1,5%; 4-2%; 5-3%.
Далее заключение о выбросоопасности данного участка угольного пласта делают с учетом ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, и естественной влажности угольного пласта по фиг.3.
Заявляемый способ выявления выбросоопасных зон в угольных пластах позволяет повысить надежность определения выбросоопасных зон в угольных пластах за счет того, что учитывает дополнительный фактор в виде наличия твердых растворов природного газа по типу газовых гидратов, диссоциация которых вносит основной вклад в газовый баланс при внезапных выбросах угля и газа, и позволяет однозначно интерпретировать результаты измерения удельного электросопротивления.