Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт
В статті наведено аналітичні дослідження процесу міграції метану з виробленого простору закритих шахт до денної поверхні по різних шляхах. На основі відомих формул розроблений новий алгоритм розрахунку часу міграції і кількості метану, що виділяється на денну поверхню. Представлено результати розрах...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/12562 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт / В.Г. Гринев, А.И. Сергиенко, А.А. Подрухин // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 74-79. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-12562 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-125622010-10-14T12:03:04Z Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт Гринев, В.Г. Сергиенко, А.И. Подрухин, А.А. Физика горных процессов на больших глубинах В статті наведено аналітичні дослідження процесу міграції метану з виробленого простору закритих шахт до денної поверхні по різних шляхах. На основі відомих формул розроблений новий алгоритм розрахунку часу міграції і кількості метану, що виділяється на денну поверхню. Представлено результати розрахунків міграції метану за даними двох закритих шахт: «Заперевальна №2» і «Куйбишевська», а також результати натурних досліджень по вимірах змісту метану в ґрунтовому повітрі в межах гірничих відведень даних шахт. Дані аналітичних і натурних досліджень є зіставними між собою. Methane migration ways from waste space of abandoned coal mines to earth surface are analysed. The new computational procedure for migration time and rate is proposed based on well-established relations. Theoretical predictions of methane emission from abandoned mines «Zaperevalnaya №2» and «Kuybyshevskaya» are presented in comparison with field methane content measurement data for allotments of these mines. Satisfactory matching is revealed. 2009 Article Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт / В.Г. Гринев, А.И. Сергиенко, А.А. Подрухин // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 74-79. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/12562 622.81 ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах |
| spellingShingle |
Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах Гринев, В.Г. Сергиенко, А.И. Подрухин, А.А. Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| description |
В статті наведено аналітичні дослідження процесу міграції метану з виробленого простору закритих шахт до денної поверхні по різних шляхах. На основі відомих формул розроблений новий алгоритм розрахунку часу міграції і кількості метану, що виділяється на денну поверхню. Представлено результати розрахунків міграції метану за даними двох закритих шахт: «Заперевальна №2» і «Куйбишевська», а також результати натурних досліджень по вимірах змісту метану в ґрунтовому повітрі в межах гірничих відведень даних шахт. Дані аналітичних і натурних досліджень є зіставними між собою. |
| format |
Article |
| author |
Гринев, В.Г. Сергиенко, А.И. Подрухин, А.А. |
| author_facet |
Гринев, В.Г. Сергиенко, А.И. Подрухин, А.А. |
| author_sort |
Гринев, В.Г. |
| title |
Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| title_short |
Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| title_full |
Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| title_fullStr |
Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| title_full_unstemmed |
Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| title_sort |
исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Физика горных процессов на больших глубинах |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/12562 |
| citation_txt |
Исследования процесса миграции метана из выработанного пространства закрытых шахт / В.Г. Гринев, А.И. Сергиенко, А.А. Подрухин // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 74-79. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT grinevvg issledovaniâprocessamigraciimetanaizvyrabotannogoprostranstvazakrytyhšaht AT sergienkoai issledovaniâprocessamigraciimetanaizvyrabotannogoprostranstvazakrytyhšaht AT podruhinaa issledovaniâprocessamigraciimetanaizvyrabotannogoprostranstvazakrytyhšaht |
| first_indexed |
2025-07-02T14:38:10Z |
| last_indexed |
2025-07-02T14:38:10Z |
| _version_ |
1836546355727695872 |
| fulltext |
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
УДК 622.81
В.Г. Гринев, А.И. Сергиенко, А.А. Подрухин
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МИГРАЦИИ МЕТАНА
ИЗ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ЗАКРЫТЫХ ШАХТ
ИФГП НАН Украины
В статті наведено аналітичні дослідження процесу міграції метану з виробленого
простору закритих шахт до денної поверхні по різних шляхах. На основі відомих
формул розроблений новий алгоритм розрахунку часу міграції і кількості метану,
що виділяється на денну поверхню. Представлено результати розрахунків міграції
метану за даними двох закритих шахт: «Заперевальна №2» і «Куйбишевська», а
також результати натурних досліджень по вимірах змісту метану в ґрунтовому
повітрі в межах гірничих відведень даних шахт. Дані аналітичних і натурних
досліджень є зіставними між собою.
Ключовi слова: метан, закрита шахта, геодинамічна зона, алгоритм розрахунку,
кількість газа, час міграції
V.G. Grinev, A.I. Sergienko, A.A. Podrukhin
STUDIES OF METHANE MIGRATION PROCESS FROM THE WASTE
SPACE OF THE ABANDONED MINES
Methane migration ways from waste space of abandoned coal mines to earth surface are
analysed. The new computational procedure for migration time and rate is proposed
based on well-established relations. Theoretical predictions of methane emission from
abandoned mines «Zaperevalnaya №2» and «Kuybyshevskaya» are presented in com-
parison with field methane content measurement data for allotments of these mines. Satis-
factory matching is revealed.
Keywords: methane, abandoned mine, geodynamical zone, computation procedure, gas
quantity, migration time
На данный момент в Донецкой области в стадии закрытия находятся бо-
лее 60 угольных шахт, а еще более десятка шахт относятся к третьей группе,
где проводятся работы по подготовке к ликвидации.
При закрытии любой шахты происходит остановка вентиляционного и
насосного оборудования, что неизбежно приводит к заполнению выработан-
ного пространства метаном и дальнейшему его вытеснению водой.
Поскольку газ метан имеет массу меньше воздуха, даже при отсутствии
водопритока метан, который накапливается в выработанном пространстве,
74
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
под действием собственного избыточного давления начинает мигрировать к
дневной поверхности различными путями.
В соответствии с методикой МакНИИ [1] основными естественными путя-
ми миграции метана из выработанного пространства на дневную поверхность
являются пласты трещиноватых горных пород (песчаники, известняки),
имеющие выход на дневную поверхность либо под наносы при моноклиналь-
ном залегании в кровле на расстоянии от 35 до 150 мощностей отрабатывае-
мого пласта угля или в замковых частях антиклинальных складок и куполов.
Но, помимо указанных, к таким путям миграции метана следует отнести
геодинамические зоны (ГДЗ), о которых известно благодаря изучению гео-
логами и геофизиками верхнего слоя Земли [2–4].
Таким образом, существующая методика не учитывает важный фактор –
геодинамическое строение горного массива. Кроме того, она не позволяет
прогнозировать количество газа метана и период его миграции к дневной
поверхности без предварительного проведения натурных исследований.
В Институте физики горных процессов НАН Украины был разработан ал-
горитм расчета, с помощью которого для каждой конкретной закрытой
угольной шахты можно приближенно определить количество метана, выде-
ляющегося на дневную поверхность по различным путям, и время его прохо-
ждения через нарушенный горный массив.
В данной работе рассматриваются случай полного заполнения метаном
выработанного пространства и варианты его миграции к дневной поверхно-
сти по пластам подработанных трещиноватых горных пород (согласно мето-
дике МакНИИ) и в пределах ГДЗ.
Прежде всего необходимо определить объем метана, который выделится
в выработанное пространство закрытой шахты из углепородного массива
при отсутствии вентиляции. Для расчета наиболее приемлемым является
подход, принятый в ИГД им. А.А. Скочинского [5]. В рассматриваемом слу-
чае предлагается определять объем метана, который выделится на 1 пог. м
выработанного пространства закрытой шахты при отсутствии вентиляции и
дегазационных скважин. Для этого необходимо определить площадь 1 пог. м
выработанного пространства fi, м
2:
1 мi if l= ⋅ , (1)
где li – ширина выработанного пространства, м.
Соответственно общее количество метана V(м3), которое выделяется из
углепородного массива по всем отработанным горизонтам, пересекаемым
ГДЗ либо проводящим пластом, на 1 пог.м выработанного пространства,
может быть рассчитано по формуле [5]:
, (2) у o
1
(
n
i i i
i
V f m x x
=
= γ −∑ )i
75
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
где γу – объемная масса угля, т/м3; xi , xоi – соответственно природная и оста-
точная газоносность i-го пласта угля, м3/т; mi – мощность i-го пласта угля
(источника метановыделения), м.
Объем газа метана, который фильтруется через трещиноватый породный
массив в пределах ГДЗ за единицу времени Q(м3), может быть определен на
основе формулы Дарси [6]:
T
PStQ K
L
Δ
=
η
, (3)
где S – площадь 1 пог. м дневной поверхности в пределах ГДЗ или проводя-
щего пласта, где выходит метан, м2; t – время фильтрации метана через тре-
щиноватый массив горных пород в пределах ГДЗ либо проводящего пласта,
с; L – путь фильтрации метана (расстояние до поверхности), м; η – динами-
ческая вязкость метана (CH4), Па·с (η = 1138·10–8 Па·с при Т = 35ºС); KT –
величина коэффициента газопроницаемости проводящего пласта либо угле-
породного массива в пределах ГДЗ, м2.
Величина коэффициента газопроницаемости KT(м2) в рассматриваемом
случае может быть определена по формуле, предложенной ИГТМ НАН Ук-
раины для углегазового массива в зоне влияния очистных работ [7]:
3
тр
12TK
αΓ δ
= , (4)
где α – коэффициент, зависящий от геометрии (извилистости) трещин; (α =
= 0,1–1); Гтр – густота (частота) трещин, м–1; δ – ширина раскрытия трещин, м.
Для случая миграции метана на дневную поверхность в пределах ГДЗ
принимаем значение α одинаковым для всех слоев горных пород, слагаю-
щих массив.
В случае, когда проводящий пласт либо зона трещиноватых пород (ГДЗ)
имеет определенный угол падения по отношению к дневной поверхности,
путь фильтрации метана L(м) от нижнего отработанного горизонта, пересе-
каемого ГДЗ, до дневной поверхности в пределах ГДЗ может быть опреде-
лен по формуле
п
sin
HL =
β
, (5)
где Hп – глубина залегания нижнего отработанного угольного пласта, пере-
секаемого ГДЗ, м; β – угол падения плоскости ГДЗ, град.
Перепад давлений метана ΔP на пути его фильтрации к дневной поверх-
ности может быть определен по формуле
2P P P1Δ = − , (6)
76
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
где P1, P2 – избыточное давление свободного метана соответственно при
выходе на поверхность и на нижнем отработанном горизонте, Па.
В данном случае выполняется расчет избыточного давления свободного
метана с учетом температурного фактора при установившемся процессе его
поступления в выработанное пространство, при котором количество выхо-
дящего метана равно количеству поступающего, при этом плотность метана
ρ(кг/м3) остается величиной постоянной.
Избыточное давление свободного газа определяется с помощью уравне-
ния газового состояния [8]:
ρP gRT= , (7)
где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль·К; T – абсолют-
ная температура, К.
В данном случае выполняется расчет значений P2 и P1 по следующим
формулам:
2 н aP gRT P= ρ + , (8)
1 ср.год aP gRT P= ρ + , (9)
где ρ – плотность метана (СН4), ρ = 0,7168 кг/м3; g – ускорение свободного
падения, g = 9,81 м/с2; Tн – абсолютная температура на нижнем отработан-
ном горизонте, К; Tср.год – среднегодовая температура на поверхности, для
условий Донбасса Tср.год = 18ºС; Pa – атмосферное давление, Па, Pa = 105 Па.
В случае, когда неизвестна абсолютная температура на нижнем отрабо-
танном горизонте, расположенном на глубине Н, она может быть рассчитана
по формуле [9]:
, (10) н г с.п.т ср.год( )tT Г H h T= − +
где Γt – геотермический градиент, ºС/м; Нг – глубина залегания нижнего от-
работанного горизонта, м; hс.п.т – глубина слоя постоянных температур, м.
Площадь 1 пог. м дневной поверхности в пределах ГДЗ либо проводяще-
го пласта, где выходит метан, S(м2) равна:
1 мВS l= ⋅ , (11)
где lВ – ширина проводящего пласта либо ГДЗ по падению, м.
Приблизительное время, в течение которого весь данный объем метана
выделится на поверхность Твыд(лет), можно определить следующим образом:
выд 365
VT
Q
=
⋅
. (12)
На основе предложенного алгоритма был выполнен расчет количества га-
за метана и времени его миграции к дневной поверхности по ГДЗ с исполь-
77
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
зованием данных по закрытым шахтам «Заперевальная №2» и «Куйбышев-
ская» (г. Донецк):
В случае шахты «Заперевальная №2» присутствуют 3 пласта-источника
со следующими параметрами:
1-й пласт: m1 = 1 м, x1 = 18 м3/т, xо1 = 8 м3/т, l1 = 500 м, f1 = 500 м2;
2-й: m2 = 0,5 м, x2 = 25 м3/т, xо2 = 8 м3/т, l2 = 2010 м, f2 = 2010 м2;
3-й: m3 = 1 м, x3 = 28 м3/т, xо3 = 8 м3/т, l3 = 2010 м, f3 = 2010 м2.
Глубина залегания нижнего отработанного горизонта H = 700 м. Угол па-
дения плоскости ГДЗ β1 = 15º.
Общее количество метана, которое выделится из углепородного массива
на дневную поверхность, составляет: V = 8,41·104 м3. Период времени, в те-
чение которого весь объем метана мигрирует на дневную поверхность гор-
ного отвода шахты, составляет: Твыд = 5,1 лет.
Аналогичным способом были выполнены расчеты для шахты «Куйбы-
шевская», где также присутствуют 3 пласта-источника со следующими па-
раметрами:
1-й пласт: m1 = 1 м, x1 = 16 м3/т, xо1 = 7 м3/т, l1 = 430 м, f1 = 430 м2;
2-й: m2 = 0,6 м, x2 = 22 м3/т, xо2 = 7 м3/т, l2 = 1000 м, f2 = 1000 м2;
3-й: m3 = 1 м, x3 = 28 м3/т, xо3 = 7 м3/т, l3 = 1000 м, f3 = 1000 м2.
Глубина залегания нижнего отработанного горизонта: H = 550 м. Угол
падения плоскости ГДЗ: β1 = 22º.
Общее количество метана, которое выделится из углепородного массива
на дневную поверхность, составляет: V = 4,57·104 м3. Период времени, в те-
чение которого весь объем метана выделится на дневную поверхность гор-
ного отвода шахты, составляет: Твыд = 4,5 лет.
На основе вышеприведенного алгоритма, были выполнены расчеты кон-
центрации метана в пробе почвенного воздуха объемом 1 л, заполнение ко-
торой происходит в течение 1 мин :
– для горного отвода шахты «Заперевальная №2» Спроб = 0,6 %;
– для горного отвода шахты «Куйбышевская» Спроб = 0,8 %.
Данные результаты расчетов подтверждены натурными замерами, где
были зафиксированы следующие значения концентрации метана в пробе
почвенного воздуха объемом 1 л:
– для горного отвода шахты «Заперевальная №2» разброс значений Спроб
составил 0,1–1,2%;
– для горного отвода шахты «Куйбышевская» разброс значений Спроб со-
ставил 0,4–1,0%.
На основе выполненных исследований можно сделать вывод, что пред-
ложенный алгоритм расчета позволит оценить ресурс метана закрытых шахт
и, в случае необходимости, разработать рекомендации по дегазации кон-
кретного горного отвода закрытой шахты. На данный момент в Украине нет
опыта утилизации метана закрытых шахт, но, учитывая опыт других стран,
78
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
можно ожидать, что исследования по данной проблеме могут быть весьма
перспективными.
1. Защита зданий от проникновения метана / Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 2001. –
61 с.
2. Воевода Б.И., Соболев Е.Г., Савченко О.В. Геодинамика и ее роль в устойчивом
развитии регионов // Наукові праці ДонДТУ: Серія гірничо-геологічна. – Вип.
45. – Донецьк, ДонДТУ, 2002. – С. 88–93.
3. Гринев В.Г., Подрухин А.А. Совершенствование методики прогнозирования ми-
грации метана на дневную поверхность из горных выработок ликвидированных
шахт // Физико-технические проблемы горного производства: сб. науч. тр. /
НАН Украины, Институт физики горных процессов. – Вып. 8. – 2005. – С. 100–
103.
4. Подрухин А.А. Методика исследования миграции метана на дневную поверх-
ность в пределах горного отвода ликвидированных шахт // Физико-технические
проблемы горного производства: сб. науч. тр. / НАН Украины, Институт физи-
ки горных процессов. – Вып. 10. – 2007. – С. 55–59.
5. Руководство по дегазации угольных шахт. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского,
1990. – 186 с.
6. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Изд. 3-е. перераб. и
доп. – М.: Недра, 1978. – 390 с.
7. Костенко В.К., Бокий А.Б. Изменение физических свойств углегазового массива
под влиянием очистных работ / Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць /
Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ,
2008. – С. 90–97.
8. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных
предприятий: учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1987. –
421 с.
9. Мильничук В.С., Арабаджи М.С. Общая геология. – М.: Недра, 1979. – 408 с.
Статья поступила в редакцию 18 мая 2009 года
79
|