Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки
Розглянуто питання, пов'язані з дослідженням фільтрації газу при розробці вугільних шарів. Issues of gas filtration during coal mining are examined.
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12564 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки / Р.В. Дегтярь, П.И. Поляков // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 59-66. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859947641656311808 |
|---|---|
| author | Дегтярь, Р.В. Поляков, П.И. |
| author_facet | Дегтярь, Р.В. Поляков, П.И. |
| citation_txt | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки / Р.В. Дегтярь, П.И. Поляков // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 59-66. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Розглянуто питання, пов'язані з дослідженням фільтрації газу при розробці вугільних шарів.
Issues of gas filtration during coal mining are examined.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:15:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
УДК 622. 831
Р.В. Дегтярь, П.И. Поляков
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОЯВЛЕНИЯ
ГАЗОВОГО ДАВЛЕНИЯ В «ГАЗОВЫХ ЛОВУШКАХ»
НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ РАЗРАБОТКИ
ИФГП НАН Украины
Розглянуто питання, пов'язані з дослідженням фільтрації газу при розробці вугіль-
них шарів.
Ключовi слова: фільтрація газу, вугільні шари, газонасиченість
R.V. Degtyar, P.I. Polyаkov
STUDY OF PRESSURE EFFECTS IN GAS TRAPS MASSIF AT DEEP
MINING
Issues of gas filtration during coal mining are examined.
Keywords: gas filtration, coal seams, gas saturation
Современная газоносность угленосных толщ в значительной мере
сформировалась путем пространственного перераспределения углемета-
морфогенных газов. Природная газоносность угленосных отложений
представлена газами угленосных толщ и газами фильтрационными,
привнесенными в угленосные отложения из более глубоких зон. Это ме-
няет представления о роли природных газов угленосных формаций. Им
отводится активная роль в формировании тепловых потоков, контроли-
рующих процессы метаморфизма и газогенерации. Природные газы на-
ходятся в сорбированном, водорастворимом и свободном состояниях.
Основными факторами, определяющими метаноемкость углей и пород,
являются температура (снижает сорбционные свойства), давление (по-
вышает сорбцию), степень и тип метаморфизма, влажность, степень вос-
становленности и петрографический состав углей. Газоносность углей
Донбасса изменяется в чрезвычайно широких пределах – от 5 до 45 м3/т
с.б. м. В ряде случаев доля сорбированного газа в углях и углистых по-
родах достигает 90–95%. Сорбированные газы содержатся в глинистых
породах (аргиллиты), обладающих тонкой поровой структурой. В благо-
59
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
приятных геологических условиях эти породы включают углеводороды
в свободной фазе.
В трещиновато-пористом массиве за счет его деформации формируются
зоны разгрузки. Образуются фильтрационные области с повышенной про-
ницаемостью. Вопрос о пористости углей имеет важное практическое значе-
ние, поскольку касается проблем газоемкости и газоносности угольных пла-
стов, решение которых позволит производить оценку давления газа на очи-
стной забой.
Изучение физических процессов, связанных с давлением и фильтрацией
газа в массиве горных пород, представляет теоретический и практический
интерес. Этим определяется необходимость развития экспериментальных и
аналитических методов оценки газового давления в массиве горных пород
на больших глубинах. Термодинамика изменения газового состояния горно-
го массива оказывает влияние на разрушающие процессы в массиве горных
пород. Оценка скоплений свободных углеводородных газов в «ловушках»
различных типов отрабатываемых выемочных столбов является приоритет-
ным направлением.
Цель работы – исследование физических процессов проявления газового
давления в «газовых ловушках» на больших глубинах.
Общая прогнозная оценка газоносности пород основывается на изучении
газоносности углевмещающих пород и получения сведений о:
– коллекторских свойствах и величине газоносности основных разновид-
ностей углевмещающих пород и общих тенденций изменения показателей
коллекторских свойств и газоносности по площади и на глубину;
– возможных типах коллекторов, способных аккумулировать газ и оказы-
вать влияние на газовыделение из пород в горные выработки;
– наличии «ловушек газа» на основе анализа литолого-фациальных осо-
бенностей угленосных отложений, учета тектонической структуры и гидро-
геологических особенностей объекта;
– возможном влиянии различных геологических факторов на газонос-
ность углевмещающих пород.
Генезис, фильтрация, формы нахождения природных газов, образование
скоплений углеводородов в угленосных отложениях обусловили специфику
формирования природной газоносности угленосных толщ. Фильтрация к по-
верхности глубинных газов закономерно приводит к образованию в угле-
носных толщах зон вертикальной газоносности. По мере удаления от по-
верхности метановой зоны наблюдается рост содержания метана до 70–95%.
На больших глубинах отмечается уменьшение содержания метана до 80–85%
за счет роста доли тяжелых углеводородов (ТУ). На ряде шахт («Октябрь-
ский Рудник», им. А.Ф. Засядько, «Комсомолец» и др.) утяжеление углево-
дородов на глубинах 1000–1300 м вызывает появление жидких углеводоро-
дов типа легких нефтей и газоконденсатов. Углеводороды находятся в поро-
дах с пониженными фильтрационными характеристиками. Данные газы дос-
60
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
таточно прочно удерживаются в поровом пространстве капиллярными сила-
ми и гидростатическим давлением. При вскрытии поровых пространств очи-
стными работами газы постепенно и длительно выделяются в горные выра-
ботки шахт.
Результаты исследований нарушенности угольного массива при участии
больших объемов газонасыщенности в работах [1–3] поставили на первое
место вопросы физики горных процессов в газонасыщенных угольных пла-
стах при ведении очистных работ. Использование основополагающего зако-
на Дарси о фильтрационных процессах в несплошных средах [4–6], а также
закономерностей фильтрации быстрого и медленного газа, отмеченных в
работах [7–8], позволяет оценить уровень газового давления в массиве гор-
ных пород. Для углепородного массива проницаемость, в силу наличия
сложной системы эндогенных и экзогенных трещин, различна в разных на-
правлениях.
В подавляющем большинстве геолого-промышленных районов Донбасса
присутствуют значительные природные скопления (концентрации) свобод-
ных углеводородных газов – «ловушек газа». Такие «ловушки» представля-
ют наибольшую опасность при выемке угля. Вскрытие их приводит к авари-
ям, сопровождающимся гибелью людей (шахты Краснолиманская, Красно-
армейская-Западная №1, им. А.Ф. Засядько и др.).
Преобладание слабопроницаемых аргиллитов и алевролитов обусловило
развитие региональных и локальных покрышек и газоупоров, препятствую-
щих дегазации угленосных отложений. Стратиграфические ловушки образу-
ются при перекрытии более древних коллекторов залегающими непроницае-
мыми образованиями. Структурные ловушки (антиклинальные, сводовые)
формируются в сводовой части положительных пликативных структур: ли-
нейных антиклинальных складках, брахиантиклиналях, куполах, структурных
выступах. Тектонические (дизъюнктивные) ловушки тесно связаны с зонами
развития дизъюнктивной тектоники и развиты практически повсеместно.
Экранирующий эффект достигается за счет стыковки по плоскости сбра-
сывателя проницаемых и непроницаемых пород, цементации зон трещино-
ватости в процессе выклинивания нарушенных зон в связи с затуханием раз-
рывов и переходом их в межслоевые дислокации. В условиях моноклиналь-
ного залегания угленосных толщ этот тип ловушек приурочен к дизъюнкти-
вам (по отношению к простиранию пород) сбросового и надвигового типа. В
местах изгибов разрывных нарушений в пределах отдельных тектонических
блоков этот тип ловушек образован несколькими дизъюнктивами. Литоло-
гические ловушки получили широкое распространение в условиях монокли-
налей на крыльях пликативных структур в регионах развития крупной
складчатости. Они связаны с изменением мощности, выклиниванием или
фациальным замещением пластов-коллекторов.
В ряде угленосных районов Донбасса развитие ловушек происходит за
счет экранирования проницаемых горизонтов-коллекторов эффузивными
61
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
покровами и интрузивными телами. Чаще всего имеем дело с комбиниро-
ванными ловушками, образование которых обусловлено действием различ-
ных геологических факторов.
Геологоразведочные и дегазационные работы показали, что литологиче-
ские ловушки на данном этапе технического развития относятся к трудноиз-
влекаемым. Такие ловушки располагаются в интервале глубин 220–1800 м и
имеют пластовые давления на уровне гидростатических. В Донбассе четко
выражена природная газовая зональность. Ниже зоны газового выветрива-
ния расположена переходная газоводонасыщенная зона, сменяющаяся глу-
бинной зоной распространения углеводородных газов. В настоящее время
средняя глубина добычи угля превышает 800 м. Большинство шахт ведут
очистные работы в газовой зоне. В переходной газоводонасыщенной зоне
угольные пласты газонасыщены. Характерная особенность пород-коллекторов –
пониженное давление и соответственно малые дебиты газа. Постоянным
фактором, осложняющим разработку угольных месторождений, является
газоносность углей 5–45 м3/т (в отдельных случаях до 150 м3/т) и вмещаю-
щих пород 0,3–4 м3/м3. Среднее содержание газа составляет 10–20 м3/т. Уг-
леносные отложения имеют исключительное значение для газообразования
и газонакопления. Углегазоносные отложения характеризуются высокой га-
зоносностью на глубинах 350–400 м, пластовым давлением свободных газов
в «ловушках», близким гидростатическому, и многообразием форм этих
«ловушек».
Большое разнообразие структурных элементов горного массива, различ-
ные системы трещин в совокупности образуют общую систему пористой
среды. Важнейшей характеристикой последней является объемное содержа-
ние микропор и переходных пор в единице объема среды mi. Различают по-
ристость: абсолютную (полную) – учитываются все поры; открытую – рас-
сматриваются поры, которые соединены между собой и заполнены извне
газом без изменения их фазового состояния.
Сформировавшийся к настоящему времени взгляд на пористую структуру
угля не позволяет дать ответы на ряд вопросов. К ним относится в первую
очередь вопрос о максимальной величине давления газа в угле. Причина со-
стоит в том, что до сих пор исследователи не учитывали закрытые поры,
удельный объем которых в углях на порядок превышает удельный объем
всех прочих пустот. Это обусловлено несплошной структурой угольного
вещества. Открытые поры соединяются системой трещин и каналов, что по-
зволяет метану достаточно быстро проникать внутрь угольной массы и
столь же быстро покидать ее. Закрытая пористость углей определяется сис-
темой полостей различных размеров и конфигураций, не связанных транс-
портными каналами с внешней поверхностью угольного пласта. Поступле-
ние метана в такие полости (или эвакуация из них), может осуществляться
исключительно путем твердотельной диффузии, что обусловливает значи-
тельную продолжительность этого физического процесса.
62
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
В трещиновато-пористом горном массиве формируются фильтрационные
области с повышенной проницаемостью. Разнообразные структурные тре-
щины образуют систему порового пространства массива. Важнейшей харак-
теристикой трещиновато-пористого горного массива служат объемные мик-
ропоры и переходные поры в единице объема среды mi.
Существенное влияние в проявлении давления газа оказывает газовая про-
ницаемость. С уменьшением проницаемости ухудшаются условия фильтрации
газа из угольного пласта [4–6]. Уголь характеризуется 28% закрытой и 6% от-
крытой пористости [8], что отличает его от большинства других коллекторов
газа. Вследствие такой высокой пористости часть газа находится в угле в ад-
сорбированном состоянии. Изменение проявления горного давления вблизи
очистного забоя вызывает не только движение свободного газа в сторону забоя
лавы, но и десорбцию газа во всей области градиента давления. Процесс газо-
выделения поддерживается в основном изменением градиента давления. Дви-
жение газа происходит двумя потоками: по субмакро- и макропорам трещин,
разделяющих блоки по микроканалам сообщающихся друг с другом блоков.
Основная масса газа находится в сорбированном состоянии. Фильтрационный
закон устанавливает связь между скоростью фильтрации и изменением давле-
ния газа в окрестности трещиновато-пористой среды, вызывающей фильтраци-
онное движение. Это изменение определяется градиентом давления газа. На
рис. 1 представлен график экспериментальных замеров давления газа в дегазаци-
онных скважинах, пробуренных с поверхности впереди 12-й восточной и 23-й
западной лав пласта ш. «Суходольская – Восточная» ОАО «Краснодонуголь». 1
3i
Рис. 1. Давление газа в угольных пластах в зависимости от глубины разработки
шахты «Суходольская-Восточная» ОАО «Краснодонуголь» по данным шахтных
замеров в скважинах: Δ – 12-й восточной, ○ – 23-й западной лавы пласта 1
3i
63
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
Рис. 2 из работы [8] подтверждает полученные нами результаты натурно-
го измерения давления газа в угольных пластах в зависимости от глубины
ниже зоны газового выветривания и выбросоопасности. Из этого рисунка
видно, что верхний предел давлений в пласте находится на уровне 10 МПа
(100 атм.).
Рис. 2. Давление газа в зависимости от глубины ниже зоны газового выветривания:
Δ – выбросоопасные, ○ – невыбросоопасные пласты
Оценка величины расхода газа в порах G (т/с) возможна по формуле
м
ат
S k dРG P
P d
γ
=
η
г
x
, (1)
где S – площадь фильтрации газа, м2; γм – удельный вес метана в горном
массиве, т/м3; η – вязкость метана, т·с/м2; Рат – давление горных пород в
массиве, МПа; Рг – газовое давление в массиве горных пород, МПа; k – га-
зопроницаемость пород в массиве, 1/м3.
Давление газа в горной породе Рг i (МПа) можно определить по формуле
( )4
г
2
i i k ki
i i
ik
m dP m
x dt=
∂ ρ⎛ ⎞υ
= + ρ⎜ ⎟∂⎝ ⎠
∑
r
, (2)
где mi – объемное содержание микропор и переходных пор в единице объе-
ма среды, м3; ρi – средняя плотность пород горного массива, т/м3; ijυ
r – ком-
понента скорости перемещения газа, м/мин.
Кривая 2 рис. 3 отражает распределение давления газа, вычисленное по
формуле (2). В качестве исходных приняты следующие данные: ширина ла-
вы – 4 м; мощность пласта – 1,3 м; коэффициент сцепления угля – 0,01 МПа;
64
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
коэффициент трения угля по почве и кровле – 0,4; пористость угля – 35 %;
плотность угля – 0,0013 т/м3; плотность метана – 0,7168·10–6 т/м3; вязкость
метана – 11·10–11 т⋅с/м2; давление горных пород в массиве – 125 МПа; расход
газа в призабойной части забоя – 3·10–8 т/с; газопроницаемость – 1081/м3
.
Рис. 3. Оценка давления газа в
пласте ш. «Суходольская-
Восточная» ОАО «Краснодон-
уголь» впереди лав: 1 – 12-й
восточной, 2 –23-й западной
1
3i
Полученные нами расчетные величины давления газа (рис. 3) имеют хо-
рошую сходимость с экспериментальными замерами (рис. 1) в массиве гор-
ных пород на больших глубинах.
На основании вышеизложенного материала можно сделать следующие
выводы:
1. Сорбционные свойства угля практически не влияют на величину газо-
вого давления в диапазоне Р ≥ 50 МПa. Данный вывод не распространяется
на диапазон Р < 50 МПа, в котором изменяется давление газа в непосредст-
венной близости от очистного забоя в зоне разгрузки.
2. С увеличением трещиноватости и нарушением структуры угля в окре-
стности очистного забоя на больших глубинах возрастает давление газа. На-
рушенность угля связана с концентраторами напряжений в угольном пласте
и внезапной его разгрузкой в местах дизъюнктивных нарушений – «газовых
ловушек». Предложенный метод позволяет оценить давление газа и образо-
вание опасных концентраций метана при ведении очистных работ.
3. Если бы общая пористость угля как коллектора газа была представлена
только открытыми порами, то выделение газа носило бы мгновенный харак-
тер. Из закрытых пор газ выходит путем твердотельной диффузии, так как
процесс диффузии более продолжителен во времени, чем процесс десорб-
ции. Образование опасных концентраций газового давления может происхо-
дить на некотором удалении от источника метановыделения.
4. Метан является носителем огромных запасов внутренней энергии. Си-
лы газового давления скованы в местах дизъюнктивных нарушений – «газо-
65
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
вых ловушках» вследствие их тонкопористой структуры и низкой газопро-
ницаемости. Разрушение угля, вызванное горным давлением пород в про-
цессе ведения очистных работ, способно освободить внутреннюю энергию
газа и направить ее на работу внезапного выдавливания. Рост абсолютного и
относительного выделения метана в выработки шахт требует обоснованного
выбора и удешевления эффективных мероприятий по снижению метановы-
деления.
1. Христианович С.А., Кузнецов С.В. О напряженном состоянии горного массива
при проведении очистных работ // Сб. горн. давл. – Л. – 1965. – № 59. – С. 95–111.
2. Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и ме-
тоды ее определения. – М.: Наука, 1978. – 122 с.
3. Хапилова Н.С. К расчету консольно-зависающей кровли при горных выработ-
ках // Изв. АН СССР. Мех. тв. тела. – 1970. – № 5. – С. 146–152.
4. Подильчук Ю.Н. К теории деформирования газонасыщенных пористых сред //
Прикладная механика. – 1976. – 12, №12 . – С. 42–47.
5. Эттингер И.Л., Ламба Е.Г., Адамов В.Г. Роль газа как понизителя прочности
каменных углей // Доклады АН СССР. – 1954. – 99, № 6.
6. Biot M.A. Theory of еlasticiti and concolidation for a porous anisotropic solid //
J. Appl. Phys. – 1955. – V. 26. – № 2. – P. 182–185 (рус. перевод: Био М. Теория
упругости и консолидации анизотропной пористой среды / Механика // Сб. пе-
рев. и обзоров иностр. период. лит. – 1956. – № 1 (35). – С. 140–146.
7. Ирисов С.Г. Оценка газоносности и выбросоопасности призабойной зоны по
показателям десорбции // РМПИ. – 1982. – №12. – С. 41–45.
8. Василенко Т.А., Поляков П.И., Слюсарев В.В. Исследование влияния высокого
давления на систему «уголь – газ» // Физика и техника высоких давлений. –
2000. – 10, № 4. – С. 133–135.
Статья поступила в редакцию 26 марта 2009 года
66
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-12564 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:15:10Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дегтярь, Р.В. Поляков, П.И. 2010-10-13T13:45:11Z 2010-10-13T13:45:11Z 2009 Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки / Р.В. Дегтярь, П.И. Поляков // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 59-66. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12564 622. 831 Розглянуто питання, пов'язані з дослідженням фільтрації газу при розробці вугільних шарів. Issues of gas filtration during coal mining are examined. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физика горных процессов на больших глубинах Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки Study of pressure effects in gas traps massif at deep mining Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки Дегтярь, Р.В. Поляков, П.И. Физика горных процессов на больших глубинах |
| title | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки |
| title_alt | Study of pressure effects in gas traps massif at deep mining |
| title_full | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки |
| title_fullStr | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки |
| title_full_unstemmed | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки |
| title_short | Исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки |
| title_sort | исследование физических процессов проявления газового давления в «газовых ловушках» на больших глубинах разработки |
| topic | Физика горных процессов на больших глубинах |
| topic_facet | Физика горных процессов на больших глубинах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12564 |
| work_keys_str_mv | AT degtârʹrv issledovaniefizičeskihprocessovproâvleniâgazovogodavleniâvgazovyhlovuškahnabolʹšihglubinahrazrabotki AT polâkovpi issledovaniefizičeskihprocessovproâvleniâgazovogodavleniâvgazovyhlovuškahnabolʹšihglubinahrazrabotki AT degtârʹrv studyofpressureeffectsingastrapsmassifatdeepmining AT polâkovpi studyofpressureeffectsingastrapsmassifatdeepmining |