Особенности распределения газового потенциала участка углеметанового месторождения, разрабатываемого открытым способом

© Г.Я. Полевщиков, E.H. Козырева, Т.А. Киряева, 2004

УДК 622.411.33:533.17

Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, Т.А. Киряева

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ПОТЕНЦИАЛА УЧАСТКА УГЛЕМЕТАНОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ, РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ

Семинар № 12

Современный уровень знаний в области геомеханики свидетельствует, что процессы распада углеметанового вещества едины как для подземных, так и для открытых горных работ, и формируют достаточно сопоставимые техногенные газокинетические следствия. Единство причинно-следственных связей позволяет проводить исследования свойств и состояний газоносных геоматериалов путем объединения результатов наблюдений и известных закономерностей при двух способах разработки, что представляет не только научный интерес, но и практическую значимость.

Общим для открытого и подземного способов признаком является интенсивная разгрузка от горного давления надрабатываемого массива. Отличительными - частичное восстановление напряжений в нем в результате формирования отвалов (открытый способ) или просадки подрабатываемых очистным забоем пород (подземный способ) и продолжительность существования пониженных напряжений.

Принимая величину снятия напряжений в пласте, соответствующей глубине горных работ нетрудно видеть, что в процесс газового дренирования вовлекаются огромные массы газоносного угля. Эти изменения с учетом угленосности месторождения формируют газовые потоки к поверхности, интенсивность и продолжительность существования которых зависит от объемов метана, отторгаемого средой. Интегральной газокинетической характеристикой следствий этих процессов является потенциально возможный объем эмиссии метана, рассчитываемый как разность величин газоносностей до и после разгрузки. Наиболее явно эти процессы имеют место при разработке месторождений открытым способом, т.к. их

основной особенностью является несравненно большая длительность разгрузки массива газоносных горных пород.

Различные гипотезы существования углеметанового вещества взаимно противоречивы и все специалисты и нормативные методические разработки отрасли используют представления и эмпирические зависимости, увязанные с теорией сорбции. Благодаря широкой экспериментальной адаптации их надежность достаточно высока и позволяет решать все основные задачи горной практики. Однако в основе этого подхода имеется принципиально важное несоответствие фактических и расчетных, на основе теории сорбции и лабораторных экспериментов, значений газосодержания угольных пластов.

Примером этого несоответствия могут служить данные по Березово-Бирюлинскому и Чертинскому месторождениям Кузбасса (рис. 1).

Рис. 1. Изменение фактической и расчетной метано-носностей от глубины залегания пласта: • - фактическая метаноносность (Березово-Бирюлинское месторождение); - фактическая метаноносность (Чертинское ме-

сторождение); - - расчетная метаноносность

Расчетные значения метаноносности пласта устанавливались по следующим зависимостям: =хл +Хсв,

_ аЬР . „ _ тоРТн

1 + ЬР ’ Х“ р у Рн (273 + Г).

а = 10 + 98/Уг, приУг < 22%, а = 13,2 + 0,059Уг, приУг > 22%;

Ь = 3,6 - 0,03УЛ/,

где X„ - сорбционная метаноемкость, м 3 /т; Хсв - количество свободного газа в трещинно-поровом объеме угля, м 3 /т; а - предельная

сорбционная метаноемкость, см 3 /г; Ь - коэф-

г

фициент сорбции, 1/МПа; V — выход летучих, %; т0 = 0,1 - пустотность угля; Т н = 293 К; 1 -

0 п Ру = 1 3 температура среды, С, у = 1,3- плотность уг-

3 Р

ля, т/м н = 0,1 МПа.

Из сопоставления графиков видно несоответствие этих значений природной газоносности пластов в пределах глубин реальной угледобычи. Учитывая фактические данные о кинетике газовыделения при подземной разработке, этот вывод тем более непреложен, поскольку нарушается закон сохранения массы газа и, следовательно, задача оценки остаточных ресурсов метана в горном отводе становится неразрешимой.

Устранение этого несоответствия возможно путем привлечения выдвинутой в конце 80-х годов проф. Айруни А.Т. гипотезы о твердом углеметановом растворе (ТУГР). Согласно ее положениям, метаносодержание угля является следствием не только давления свободного газа, но и давления вмещающих пород. Тогда становится возможным установить, с учетом геомеханиче-ских напряжений, более точную эмпирическую зависимость между газокинетическими свойствами пласта и глубиной его залегания. Однако для полноты решения необходимо совместить эти представления с закономерностями процессов сорбции. Основанием этому является несомненность существования сорбционных свойств угля по отношению к метану и, следовательно, сохранение им этих свойств независимо от места и условий пребывания. Это дополнение не претендует на уточнение физико-химической модели ТУГР и вводится с целью обеспечения реша-бельности задач неравновесной фильтрации метану по углеметановому пласту с явно выра-

женным градиентом напряжений.

В результате разгрузки от горного давления, но при сохранении изменяющегося по гидростатическому закону давления свободного газа, будем иметь (рис. 1) интенсивное выделение метана правее точки пересечения линий трен-дов и его поглощение веществом угля левее этой точки. В процессе фильтрации метана под действием поддерживаемого сублимацией ТУГР градиента давления газа по полностью или частично разгруженному массиву в сторону обнаженной поверхности может установиться новое метастабильное состояние углеметановой среды, при котором процесс распада ТУГР и, как следствие, фильтрация газа, прекращается на соответствующем остаточным напряжениям уровне. Дальнейшее снижение давления газа, вплоть до нулевого, не может провоцировать сублимации раствора. Следует считать естественным, что давление свободного газа не может превышать действующих напряжений, т.к. при любой интенсивности их падения оно будет сдерживать распад раствора аналогичным механическим напряжениям образом.

Изложенный подход позволяет при решении данного класса задач выполнить закон сохранения массы газа, что обеспечивается условием: в процессе разгрузки от горного давления углеметановый пласт теряет свои свойства твердого раствора прямо пропорционально снижению механических напряжений с возможностью соответствующего снижения метаноносности за счет фильтрации газа к свободной поверхности, но не ниже суммарной величины метаноемкости угля, как сорбата, и удельного объема метана в паровом пространстве угля, как коллектора, при действующем давлении свободного газа. На основании этого можем записать %Т = 1„Р - %,- X» ,где Хг -

часть газоносности пласта, обусловленная действующими нормальными напряжениями, м3/т; %пр - природная газоносность пласта, м3/т.

Поскольку количество свободного и сорбированного газа определено по факторам давления и температуры свободного газа, а в качестве характеристик свойств непосредственно угля приняты выход летучих и пустотность, то согласно гипотезе ТУГР значение %т полностью определяется действующими напряжениями. Следовательно, используя достаточно представительный объем данных газового оп-

Рис. 2. Зависимость отношения объема "растворенного" в угольном пласте газа к сорбционной метано-емкостиугля от глубины залегания

робования при геологоразведке углеметановых месторождений нетрудно вычислить вид и параметры искомой взаимосвязи. При этом на данном уровне знаний о природных свойствах системы уголь-метан целесообразно, на наш взгляд, сохранить представления максимально близкие теории сорбции. Для этого можно, используя особенности аппроксимирующей сорбционную кривую дробно-линейной функции, записать

%пР = ibP Ф(а). е-°'02(15-' ) +Хсв, где ф(ст) - функция связи величины предельной сорбционной метаноемкости угля и нормальных напряжений, 1/МПа; а -величина нормальных напряжений, МПа.

Оценка приемлемости изложенного подхода проводилась с использованием баз геологоразведочных данных, сформированных на основании геолого-газовых разрезов по 57 разведочным линиям Березово-Бирюлин-ского, Ленинского и Чертинского месторождений, и Кедровско-Крохолевской синклинали (Хоро-шеборский участок) Кузбасса. Общее количество данных включает 341 скважину и 1805 пластопересечений. Оценка проводилась вне зон выявленных геологических нарушений и только по рабочим пластам в диапазоне изменения их свойств и условий залегания: мощность 211 м; угол падения 1-45°; глубина до 925 м; влажность 2-6 %, зольность 2-50 %; выход летучих 14-43 %.

В качестве основного аргумента искомой функции связи принят выход летучих веществ. Сложность его применения связана с изменением по глубине залегания пласта. В связи с линейно-

стью этого изменения все пласты характеризовались двумя показателями:

- значение выхода летучих, полученное экстраполяцией данных на отметку данных дневной поверхности;

- тангенс угла наклона к горизонту графика изменения выхода летучих. Достаточно надежная корреляционная связь аргументов искомой функцииполучена только с абсолютными значениями выхода летучих. Установлено, что функция связи (рис. 2) величины отношения природной газоносности, без свободного газа, к сорбционной метаноемкости угля и нормальных напряжений, рассчитываемых по литологическому давлению, аппроксимируется многочленом второго порядка.

Установленную зависимость удобно характеризовать величиной градиента ее изменения

grad = А-а + АТ

Хл

где А й - градиент изменения (коэффициент растворимости), м3/(т МПа) А т - константа растворимости, м3/т.

Авторы считают возможным в обозначениях указанных здесь величин отразить инициалы автора гипотезы ТУГР проф. Айруни А. Т.

Для исследованного диапазона горногеологических данных получено по месторождениям Кузбасса: Березово-Бирюлинское

4Й = 7,4 * 10~6 м3/(Г  МПа) Ат = 9,1* 10 6 м3/ Т Ленинское

Ай = 6,5 *10~6 м3/(Т  МПа) Ат = 5,4*10~6 мъ / Т Чертинское

4 = 8,7 * 10~6 мг/(Т  МПа) Ат = 8,3*10 6 ж3/ Т

Кедровско-Крохолевская

Ат = 6,7 *10~6 мъ/(Т  МПа) Ат = 8,7*10~6 ж3/ Т

синклиналь.

Установленные эмпирические закономерности позволили вычислить изменения газоносности пластов на разрабатываемом "Кед-ровским" углеразрезом Хорошеборском участке Кедровско-Крохолевской синклинали и рассчитать распределение газового потенциала массива горных пород до и в процессе ведения горных работ. Их влияние на остаточные ресурсы метана в массиве устанавливалось по величине снижения литологического давления в результате вскрышных работ.

Коротко об авторах