РАЗДЕЛ 2
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ МЕТАНА ИЗ ПОДРАБОТАННОГО УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА В СКВАЖИНЫ
2.1. Механизм и условия формирования зональной дезинтеграции подработанного горного массива
При ведении очистных и подготовительных работ геодинамические процессы охватывают всю вышележащую толщу горных пород, иногда достигая земной поверхности в границах мульды сдвижения, площадь которой всегда больше площади выемки угольного пласта или породы [49].
Зоны фильтрации метана в породах кровли разрабатываемого пласта формируются по мере увеличения площади выработанного пространства. После выемки угля происходит обрушение пород ложной кровли, слои непосредственной кровли прогибаются, расслаиваются, в них возникают секущие трещины, приводящие к образованию блоков, которые также обрушаются, заполняя выработанное пространство разрыхленной породой, что создаёт подпор вышележащей основной кровле. Основная кровля прогибается, в ней формируются трещины расслоения и отдельные секущие трещины, преимущественно в нижней части основной кровли. Над породами основной кровли формируется зона разуплотнения с отдельными трещинами расслоения.
Процессы сдвижения горных пород приводят к перераспределению напряжений в массиве [50, 51]. В зонах опорного давления породы уплотняются, а в зонах обрушения - разрыхляются. В настоящей работе рассматривается геомеханическая модель лишь в определённый момент времени от начала выемки угля до обрушения - "посадки" пород основной кровли и формирования зоны разуплотнения и расслоения над основной кровлей, поскольку именно в этот период происходит основное поступление метана в лаву и выработанное пространство.
По характеру и степени деформирования горных пород подрабатываемой толщи в ней выделяются 4 основные зоны [52]: зона І - беспорядочного обрушения горных пород; зона ІІ - упорядоченного обрушения и проседания горных пород; зона ІІІ - разуплотнения горных пород и активных трещин расслоения и секущих вертикальных; зона ІV - зарождения трещин расслоения и секущих трещин (рис. 2.1).
1 - поверхностная дегазационная скважина
Рис. 2.1. Зоны разуплотнения подработанного горного массива (І - ІV)
Такая модель формирования зон деформаций над выработанным пространством позволяет оценить её с позиций процессов фильтрации метана. Наибольший приток газа на выемочный участок будет из І и ІІ зон за счёт его выделения из разрушенных, разрыхленных и расчленённых на блоки пород. Зона ІІІ после формирования зон І и ІІ вначале прогибается, и лишь затем в ней формируются трещины. Газ из этой зоны может попадать в выработанное пространство и выработки участка и увеличивать общую газообильность участка. Зона ІV является зоной аккумуляции газа, а её формирование по времени происходит позже [53].
Анализ проведения дегазационных мероприятий на шахтах Донбасса показывает, что по фактору влияния на аэрогазодинамическую обстановку работающей шахты метан подработанной угленосной толщи можно условно разделить на две части: "быстрый газ" - метан, увеличивающий газообильность работающего участка иногда в 2 и более раз, который поступает из І и ІІ зон, и "медленный газ" - метан, содержащийся в ІІІ и ІV зонах, который медленно фильтруется в выработанное пространство, повышая концентрацию метана на исходящей струе участка. Исходя из этого, дегазационные мероприятия также необходимо разделять по извлечению метана из зон: в первую очередь - из І и ІІ и затем - из ІІІ и ІV.
Рассмотрим процессы фильтрации "быстрого" и "медленного газа" из подработанного углепородного массива в скважины, пробуренные с поверхности (см. рис. 2.1), оценим извлекаемые ресурсы метана, места заложения и конструкции скважин.
2.2. Расчёт фильтрационных параметров коллектора - углепородного массива, подработанного горными выработками
Одной из основных задач исследования параметров процессов фильтрации газа в подработанном углепородном массиве является оценка параметров коллектора, содержащего метан. Традиционно коллекторами в нетронутом горными работами массиве считаются песчаники, так как именно они обладают коллекторскими свойствами, существенно превышающими коллекторские свойства других пород. В результате подработки породы, залегающие над отрабатываемым угольным пластом, разуплотняются, расслаиваются, нарушаются трещинами, вследствие чего углепородный массив приобретает новые коллекторские свойства. Процессы расслоения и трещинообразования в подработанном углепородном массиве рассмотреть трудно, так как вскрывая эти породы геологоразведочными скважинами невозможно получить информацию о трещиноватости, которая формируется в результате образования трещин отрыва, а не сжатия, и такие трещины не отличимые от обычных трещин раскола керна на части. Разуплотнение керна, происходящее без нарушения сплошности, отражается в изменении его коллекторских свойств (табл. 2.1 и 2.2). В разгруженном песчанике увеличивается абсолютная, открытая и эффективная пористость и увеличивается проницаемость.
Исследованиями, проведенными Г.Д. Лидиным [54] и В.Е. Забигайло [55] установлено, что с увеличением значений открытой пористости песчаников их газопроницаемость увеличивается по логарифмической зависимости. Учитывая, что часть открытых пор в песчанике заполнена влагой, а его газопроницаемость контролируют поры, заполненные газом, эта зависимость, по нашему мнению, будет носить более контрастный характер, если вместо открытой пористости будет использован показатель коэффициента эффективной пористости, отражающий только ту часть пор, которая заполнена газом.
Для проверки этого положения были использованы результаты замеров открытой и эффективной пористости и газопроницаемости песчаников по кернам геологоразведочных скважин на поле шахты им. А.Ф. Засядько, выполненных в ПО "Укруглегеология" (табл. 2.3). Результаты анализа показали, что между значениями коэффициентов открытой пористости kоп и газопроницаемости kпр существует зависимость (2.1), изображ