Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки

Наведені результати досліджень по визначенню закономірностей взаємовпливу джерел газу в шаруватому масиві порід, оцінці умов формування метановміщуючих порожнин і виявленню основних причин нестабільності газовиділення в гірничі виробки вугільних шахт. The results of researches to determine regulari...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Геотехническая механика
Date:	2010
Main Authors:	Слащева, Е.А., Иконников, М.Ю., Яровая, Т.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33531
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки / Е.А. Слащева, М.Ю. Иконников // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 191-197. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33531
record_format	dspace
spelling	Слащева, Е.А. Иконников, М.Ю. Яровая, Т.И. 2012-05-28T15:58:45Z 2012-05-28T15:58:45Z 2010 Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки / Е.А. Слащева, М.Ю. Иконников // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 191-197. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33531 622.831.312:622.817.4 Наведені результати досліджень по визначенню закономірностей взаємовпливу джерел газу в шаруватому масиві порід, оцінці умов формування метановміщуючих порожнин і виявленню основних причин нестабільності газовиділення в гірничі виробки вугільних шахт. The results of researches to determine regularity the mutual influence of gas sources in a stratified rock massif and estimation to conditions of forming of containing methane voids and identify underlying causes of instability gas emission in the mine workings of coal mines. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки Investigation of the process of forming containing methane voids and identification of causes of instability gas emission in mine workings Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки
spellingShingle	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки Слащева, Е.А. Иконников, М.Ю. Яровая, Т.И.
title_short	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки
title_full	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки
title_fullStr	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки
title_full_unstemmed	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки
title_sort	исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки
author	Слащева, Е.А. Иконников, М.Ю. Яровая, Т.И.
author_facet	Слащева, Е.А. Иконников, М.Ю. Яровая, Т.И.
publishDate	2010
language	Russian
container_title	Геотехническая механика
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
format	Article
title_alt	Investigation of the process of forming containing methane voids and identification of causes of instability gas emission in mine workings
description	Наведені результати досліджень по визначенню закономірностей взаємовпливу джерел газу в шаруватому масиві порід, оцінці умов формування метановміщуючих порожнин і виявленню основних причин нестабільності газовиділення в гірничі виробки вугільних шахт. The results of researches to determine regularity the mutual influence of gas sources in a stratified rock massif and estimation to conditions of forming of containing methane voids and identify underlying causes of instability gas emission in the mine workings of coal mines.
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33531
citation_txt	Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки / Е.А. Слащева, М.Ю. Иконников // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 191-197. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT slaŝevaea issledovanieprocessaformirovaniâmetanosoderžaŝihpolosteiivyâvleniepričinnestabilʹnostigazovydeleniâvgornyevyrabotki AT ikonnikovmû issledovanieprocessaformirovaniâmetanosoderžaŝihpolosteiivyâvleniepričinnestabilʹnostigazovydeleniâvgornyevyrabotki AT ârovaâti issledovanieprocessaformirovaniâmetanosoderžaŝihpolosteiivyâvleniepričinnestabilʹnostigazovydeleniâvgornyevyrabotki AT slaŝevaea investigationoftheprocessofformingcontainingmethanevoidsandidentificationofcausesofinstabilitygasemissioninmineworkings AT ikonnikovmû investigationoftheprocessofformingcontainingmethanevoidsandidentificationofcausesofinstabilitygasemissioninmineworkings AT ârovaâti investigationoftheprocessofformingcontainingmethanevoidsandidentificationofcausesofinstabilitygasemissioninmineworkings
first_indexed	2025-11-26T01:40:01Z
last_indexed	2025-11-26T01:40:01Z
_version_	1850604253546020864
fulltext	Выпуск № 91 191 УДК 622.831.312:622.817.4 Е.А. Слащева, канд. техн. наук (ИГТМ НАН Украины) М.Ю. Иконников, канд. техн. наук (НГУ) Т.И. Яровая, инж. (Днепрогипрошахт) ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАНОСОДЕРЖАЩИХ ПОЛОСТЕЙ И ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН НЕСТАБИЛЬНОСТИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ Наведені результати досліджень по визначенню закономірностей взаємовпливу джерел газу в шаруватому масиві порід, оцінці умов формування метановміщуючих порожнин і ви- явленню основних причин нестабільності газовиділення в гірничі виробки вугільних шахт. INVESTIGATION OF THE PROCESS OF FORMING CONTAINING METHANE VOIDS AND IDENTIFICATION OF CAUSES OF INSTABILITY GAS EMISSION IN MINE WORKINGS The results of researches to determine regularity the mutual influence of gas sources in a strati- fied rock massif and estimation to conditions of forming of containing methane voids and identify underlying causes of instability gas emission in the mine workings of coal mines. На высокопроизводительных шахтах Донбасса разработку угольных пластов ведут, как правило, столбовыми системами с управлением кровлей полным об- рушением. Загазирование лав и вентиляционных штреков на шахтах, опасных по газу, происходит, в основном, при наличии больших объемов выработанных пространств по всей длине выемочных столбов и интенсивной отработке очи- стных забоев. Наиболее опасными являются трудноуправляемые колебания со- держания метана в горных выработках, вызванные посадками основной кровли, технологическими процессами в лаве, недостаточной эффективностью дегаза- ционных мероприятий, суфлярами, нарушениями вентиляционного режима ре- гуляторами расхода воздуха и сложными фильтрационными процессами при разрушении породного массива [1, 2]. Вследствие этого, в горных выработках по пути движения вентиляционной струи происходят скачки содержания мета- на, нарушающие установившийся газовый режим добычных участков. Методы борьбы с газом часто недостаточно эффективны, поскольку они не учитывают реальное геомеханическое состояние газонасыщенных пород участка, их тре- щиноватость и способность десорбировать метан [3]. Поэтому весьма важной предпосылкой для повышения безопасности горных работ является решение проблем, связанных с определением условий формирования метаносодержащих полостей в породном массиве, оценкой его способности к дегазации и выявле- нием основных причин нестабильного характера газовыделения в горные выра- ботки. Как известно, при ведении горных работ над выработками выемочного уча- стка под действием высоких напряжений формируется нарушенная зона, в ко- торой происходят сложные взаимозависимые геомеханические и газодинамиче- ские процессы (сдвижения, разгрузки, расслоения, дегазации газонасыщенных пород и другие), обуславливающие интенсивность поступления газа на добыч- 192 "Геотехническая механика" ной участок. Чаще всего в зону обрушения попадают несколько источников выделения метана, основными из которых, как правило, являются пористые песчаники и угольные пропластки [4, 5]. Зоны разрушенных пород над вырабо- танными пространствами и выработками являются потенциальными метаносо- держащими полостями, формирование которых определяется горным давлени- ем и зависит от горно-геологических и горнотехнических параметров. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние нарушенного горны- ми работами породного массива и взаимодействие двух источников выделения газа (пористых песчаников) на примере горно-геологических условий пласта m3 опасной по газу угольной шахты им. А.Ф. Засядько. Два мощных пласта газо- насыщенного песчаника находятся в основной кровле угольного пласта: первый шестиметровый слой песчаника на расстоянии ≈18 м от пласта, а второй три- дцатиметровый слой – на расстоянии ≈50 м. Вынимаемая мощность угольного пласта 1,6-2,0 м, глубина разработки 1300 м. Моделирование включало опреде- ление напряженно-деформированного состояния породного массива и анализ зон неупругих деформаций по длине выемочного столба, в которых наиболее интенсивно происходят деформационные и фильтрационные процессы. Физи- ко-механические свойства модели задавались по геологическим данным с уче- том коэффициентов структурного ослабления и длительной прочности. Исполь- зована деформационная упругопластическая модель с учетом разупрочнения пород за пределом прочности. Расчеты проведены на вычислительном ком- плексе ИГТМ НАН Украины «ГЕО-РС (v.5.0.)». Параметры зоны опорного давления определены по напряженному состоя- нию угольного пласта впереди лавы. Как показано на рис. 1, а, зона динамиче- ского опорного давления распространяется на расстояние до 70 м и более впе- реди очистного забоя и имеет максимальные значения напряжений (до 130 МПа, коэффициент концентрации напряжений k=2,3) на расстоянии 9-21 м. Несмотря на то, что исходные условия для двух слоев газонасыщенных пес- чаников основной кровли в зоне опорного давления сходны, их напряженное состояние и степень разрушения по длине выемочного столба существенно от- личаются (рис. 1). По мере подвигания очистного забоя прочные слои песчани- ка взаимодействуют друг с другом в противофазе (рис. 1, а). Если нижний слой впереди очистного забоя еще не разрушен, то он воспринимает основную на- грузку консоли основной кровли, и, наоборот, при разрушении первого слоя песчаника нагрузка передается на вышележащий слой. Верхний более мощный слой песчаника впереди лавы разрушается циклично и до уровня плюс 21 м на- пряжения в нем возрастают до 205 МПа (k=3,7). В зоне максимума опорного давления и на уровне лавы (от нуля до минус 14 м) основную нагрузку несет тридцатиметровый слой песчаника, так как ближний шестиметровый слой пес- чаника уже частично разрушен, при этом максимальные главные напряжения в нем наблюдаются на уровне плюс 7 м от линии очистного забоя и составляют 98 МПа (k=1,8). То есть, впереди очистного забоя в зоне повышенного горного давления коэффициент концентрации максимальных главных напряжений дос- тигает 1,8÷3,7, вследствие чего за счет смыкания трещин и пор проницаемость Выпуск № 91 193 породного массива снижается. а) б) – угольный пласт m3; – первый от угольного пласта слой песчаника основной кровли; – второй от угольного пласта слой песчаника основной кровли; Рис. 1 – Характер разрушения и взаимодействия газонасыщенных слоев песчаника основной кровли по поперечному сечению выемочного столба: а – значения максимальных главных напряжений; б – разрушения газонасыщенных слоев песчаника основной кровли. В выработанном пространстве на расстоянии ≈20-40 м за очистным забоем происходит дальнейшее оседание верхнего слоя песчаника, при этом он опус- кается на нижележащие породы и уплотняет нижний слой песчаника, а восста- новленная нагрузка передается на вышележащие породы. Напряжения в первом слое песчаника возрастают, во втором – падают (рис. 1, а). На рис. 1, б, представлены графики, на которых степень разрушения масси- ва упорядочена по степени раскрытия трещин. Нулевому значению соответст- вует упругая деформация (газ находится только в порах), единице – неупругая деформация в области неравнокомпонентного сжатия (газ находится в порах и системах микротрещин), двум – разрыв сплошности в зоне растяжения (газ свободно перемещается по системам магистральных трещин). С точки зрения 194 "Геотехническая механика" анализа фильтрационных процессов наиболее влиятельные зоны открытых трещин (разрывов сплошности), так как по ним происходит движение метана, а главными движущими силами его фильтрации в массиве является давление свободного газа, содержащегося в крупных порах, трещинах, местах геологиче- ских нарушений закрытого типа, и изменяющееся напряженное состояние газо- носного массива. Как показано на рис. 1, б, зоны открытых трещин расположе- ны над выработанным пространством и, частично, в газонасыщенном песчани- ке основной кровли впереди очистного забоя. Развитие трещин в первом слое песчаника начинается на расстоянии от забоя 35-50 м впереди лавы. Во втором слое песчаника на расстоянии 50-70 м начинают распространяться вертикаль- ные трещины, разделяя его на блоки по 12-28 м. В выработанном пространстве обрушение первой пачки песчаника происходит на расстоянии минус 7-22 м от лавы. Происходит резкое падение напряжений, раскрытие существующих и об- разование новых трещин. Анализ характера развития процесса разрушения источников газовыделения в кровле очистного забоя и формирование зон различной проницаемости пока- зал, что со стороны угольного пласта в зоне опорного давления породы кровли находятся в состоянии переуплотнения и слабопроницаемы, а в интервале 24- 35 м за лавой они, напротив, имеют максимальный коэффициент разуплотнения и значительные разрушения, поэтому их газопроницаемость очень велика. Это способствует либо аккумуляции газа в пределах зоны неупругих деформаций, либо его миграции в направлении областей более низкого давления. На практи- ке наиболее интенсивный процесс газовыделения наблюдается в сторону выра- ботанного пространства на уровне проекции забоя лавы или на некотором уда- лении за лавой, что соответствует наибольшим разрушениям пород основной кровли. Величиной, характеризующей способность участков породного массива к газоотдаче, является газоприток в дегазационные скважины, который зависит от расстояния скважины до очистного забоя. При этом эффективность их рабо- ты зависит от вовлечения в дегазацию тех или иных источников газовыделения. Анализ содержания метана в дегазационных скважинах (рис. 2) убедительно подтвердил данные численных экспериментов. Дебит метана и его концентра- ция имеют ярко выраженный нестационарный скачкообразный характер, на- блюдаются всплески содержания метана в массиве над вентиляционным штре- ком на сопряжении работающей лавы и отработанного пространства. За лавой содержание метана в дегазационных скважинах растет в 6-11 раз по причине активизации газовыделения из подрабатываемых пластов-спутников и песчани- ков основной кровли, что составляет порядка 75 % от общего объема выделив- шегося газа. Общая тенденция повышения содержания метана в скважинах при приближении очистного забоя свидетельствует о наличии его значительных объемов в породах кровли над вентиляционным штреком. Метан, который на- ходится под давлением в горных породах впереди очистного забоя, является потенциально опасным и может просачиваться в лаву, выработанное простран- ство или вентиляционный штрек. Выпуск № 91 195 – содержание метана в скважинах; – линейная фильтрация по двум точкам значений содержания метана; – тенденция общего изменения средних значений содержания метана Рис. 2 – Изменение содержания метана в дегазационных скважинах вдоль вентиляционного штрека в зависимости от расстояния до очистного забоя Напряженно-деформированное состояние первого слоя газонасыщенного песчаника основной кровли характеризуется неравномерностью по длине вы- емочного столба (рис. 3). После прохода лавы над вентиляционным и конвей- ерным штреками возникают концентрации напряжений, вызванные прогибом и разрушением консоли основной кровли. Вместе с тем, зоны повышенного гор- ного давления над вентиляционным и конвейерным штреками существенно от- личаются. Над конвейерным штреком слой песчаника еще не разрушен и имеет низкую газопроницаемость. Над вентиляционным штреком на сопряжении с ранее отработанной лавой наблюдаются нестабильное скачкообразное измене- ние напряжений и блочное неравномерное разрушение слоя песчаника, что вы- зывает неритмичную и интенсивную десорбцию метана в горные выработки. В процессе распространения трещиноватых зон существенно изменяется и про- цесс газовыделения, так как в дегазацию дополнительно вовлекаются пласты- спутники, а в нарушенных породах междупластья возникают коллекторы газа метана. При разрушении нижележащих подработанных породных слоев метан из нарушенных газоносных источников начинает мигрировать в выработанное пространство, создавая в массиве техногенные потоки различных направлений и интенсивности. Рассмотрим эволюцию процесса дегазации с позиции ранее отмеченных особенностей формирования зон разгрузки и повышенной газоотдачи. При от- работке угольного пласта метан десорбируется из газоносных слоев и по мик- ро- и макротрещинам, преимущественно горизонтального направления, мигри- рует из зоны динамического опорного давления (7-20 м впереди лавы) в зону очистных работ и выработанное пространство (от плюс 7-20 м до минус 20- 40 м). 196 "Геотехническая механика" Р и с. 3 – Н ап р я ж ен н о е со ст о я н и е сл о я г аз о н ас ы щ ен н о го п ес ч ан и к а о сн о в н о й к р о в л и и н ес та б и л ь н ы й х ар ак те р г о р н о го д ав л е н и я п р и о тр аб о тк е п л ас та m 3 ш ах ты и м . А . Ф . З ас я д ь к о ( го р и зо н т 13 00 м ) Выпуск № 91 197 Разрушение песчаников приводит к формированию газонаполненных пустот с повышенным газовым давлением. Полости в зонах неупругих деформаций за- полняются газом, который затем выделяется в выработанное пространство при посадках и неритмичных разрушениях основной кровли. Вследствие уплотне- ния пород и возникновения разницы давлений газ по вертикальным трещинам и трещинам контура обрушения поступает в горные выработки. Разрушение га- зонасыщенных песчаников в основной кровле угольного пласта происходит скачкообразно, что существенно влияет на нестабильность газового режима выемочного участка и приводит к всплескам содержания метана в горных вы- работках, которые особо опасны на сопряжениях лавы. Таким образом, в результате проведенных исследований установлены зако- номерности изменения напряженно-деформированного состояния слоистого породного массива и взаимного влияния источников газовыделения, преиму- щественно пористых песчаников, при отработке угольного пласта m3 в сложных горно-геологических условиях АП «Шахта им. А.Ф. Засядько» с учетом неуп- ругих состояний горных пород в областях сжатия и растяжения. Особенность газодинамического взаимодействия между собой пластов газоносного песчани- ка заключается в том, что на неразрушенных участках они являются мощными концентраторами напряжений и препятствиями для фильтрации метана, а на разрушенных – основными источниками газовыделения и поступления метана в горные выработки. Скачкообразные изменения давления газа в метаносодер- жащих полостях, вызванные интенсивными разрушениями сближенных пла- стов и высокопористых песчаников, являются одной из основных причин не- стабильного характера выделения метана в горные выработки. Результаты исследований необходимы для обеспечения целостности и эф- фективности работы дегазационных скважин в условиях высокой газонасы- щенности массива горных пород, повышения эффективности и безопасности дегазационных мероприятий в целом, прогноза всплесков выделения метана в горные выработки. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булат, А.Ф. Концепция комплексной дегазации углепородного массива для условий шахты им. А. Ф. Засядько / А.Ф. Булат // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2002. – Вып. 37. – С. 10-17. 2. Усаченко, Б. М. Свойства пород и устойчивость горных выработок / Б.М. Усаченко. – Киев: Наук. думка, 1979. – 136 с. 3. Практический опыт повышения эффективности угледобычи и безопасности труда в сложных горно- геологических условиях / И.Н. Слащев, С.А. Курносов, Е.А. Слащева и др. // Научный вестник НГУ. – Днепро- петровск: РИК НГУ, 2009. – № 11. – С. 20-25. 4. Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков / А. Ф. Булат, С. А. Курносов, И. Н. Слащев и др. // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. – Вып. 59. – С. 10-21. 5. Особенности методического подхода к изучению процессов сдвижения углепородного массива для про- гнозной оценки направления миграции метана / С.А. Курносов, И.Н. Слащев, И.А. Ефремов и др. // Геотехниче- ская механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2006. – Вып. 67. – С. 288-292.

Исследование процесса формирования метаносодержащих полостей и выявление причин нестабильности газовыделения в горные выработки

Institution

Similar Items