автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Совершенствование метода прогноза метаноносности угольных пластов для обеспечения безопасных условий труда в шахтах

Па правах рукописи

Грибанов Евгений Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОГНОЗА МЕТАНОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ТРУДА В ШАХТАХ

Специальность 05. 26. 03. «Промышленная и пожарная безопасность (горная отрасль)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2004

Работа выполнена Б Государственном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Колмаков Владислав Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Беспятов Геннадий Александрович

кандидат технических наук, доцент Мащенко Иван Давы-дович

Ведущая организация: Кузбасский головной институт

по проектированию угледобывающих и углеперабатывающих предприятий ОАО «Кузбассги-прошахт».

Защита состоится И июня 2004, в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет», Кемерово 650026 Весенняя 28, факс 8(384-213616-87).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Государственного образовательного высшего профессионального учреждения «Кузбасский государственный технический университет».

Автореферат разослан мая 2004 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, \JZnJ2

доктор технических наук, профессор (ГииЗ!*''**-') Ю. В. Лесин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Систематическое изучение газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей Кузнецкого бассейна было начато в 1954 году. Метаноносностью угольных пластов занимались следующие учёные и специалисты: А.Т. Айруни; Г.А. Беспятов; A.M. Дмитриев; Н.В. Дорошкевич; А.И. Дьячков; В.И. Ермаков; М.А. Ермеков; К.А. Ефремов; В.А Колмаков; А.И. Кравцов; Р.М. Кривицкая; Н.Н. Куликова; Г.Д. Лидин; А.А. Мясников; И.Д. Мащенко; А.Э. Петросян; И.М. Печук; Ю.С. Премыслер; В.Н. Пузырёв; Б. Г.Тарасов; О.В. Тендер; В.И. Ткач; О.И. Чернов; И.Л. Эттингер; В.В. Ходот и другие. Из анализа работ следует, что недооценка своевременных исследований газоносности при геологоразведочных работах на уголь приводит в процессе эксплуатации к несоответствию газового режима шахт, их вентиляционных возможностей реальной ме-танообильности и соответственно к дополнительным работам по их реконструкции, стоимость которых во много раз превышает затраты, связанные с изучением газоносности угольных месторождений. Поэтому актуальным направлением в области повышения достоверности прогноза метаноносности угольных пластов является выявление закономерностей и зависимостей изменения метаноносности угольных пластов, использование которых на этапе геологоразведочных работ позволяет уменьшить ошибки при составлении карт прогноза природной газоносности. Важно также знать не только мета-ноносность в любой точке угольного пласта, но и основные её составляющие. Основными составляющими природной метаноносности являются «активный» метан, который может выделиться при стандартных условиях, и «пассивный» метан, который не выделяется при стандартных внешних условиях. Установить зависимость этих величин от горно-геологических факторов является важной задачей, которую нужно решить на этапе геологоразведочных работ.

Цель работы. Усовершенствовать метод прогноза природной метаноносности в угольном пласте по геологоразведочным данным на основе полученных зависимостей изменения объёма метана в угольном пласте для повышения безопасности ведения горных работ в шахтах.

Основная идея работы заключается в использовании уточненных

объёмов метана, получаемых на разных стадиях дегазации угольного керна, для более достоверного прогноза метаноносности угольных пластов.

Задачи исследования:

- установить закономерности изменения объёмов метана, выделяющегося на различных этапах дегазации угольного керна;

- оценить в полном газовом балансе угольной пробы долю метанонос-ности, которая может выделиться при стандартных внешних услови-

ях;

- установить характер варьирования изменчивости метаноносности угольного пласта по мощности;

- определить тип зависимости, которая описывает процесс изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;

- разработать методики определения поверхности метановой зоны, расчёта градиента природной метаноносности, объёмов «активного» метана в угольном массиве.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического анализа и математической статистики, исследование операций. Для первичной обработки данных керногазового опробования использовались методы корреляционного анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- при прогнозировании метаноносности необходимо учитывать, что ме-таноносность складывается из двух частей, одна из которых способна выделяться из угольного пласта при атмосферном давлении, другая только в условиях вакуума;

- объём метана, который может выделиться из угольного массива при атмосферном давлении, возрастает, а доля остаточной метаноносности в общей метаноносности убывает с глубиной залегания угольного пласта;

- неравномерность распределения природной метаноносности угольного пласта по его мощности связана с глубиной залегания пласта и стадией метаморфизма угля;

- изменение метаноносности угольного пласта с глубиной его залегания описывается логарифмической параболой;

- выполненные исследования позволяют оценить объём содержащегося в угольном пласте метана, выделяющегося при изменении внешнего давления от пластового до атмосферного.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- достаточным объёмом первичного материала, использованного для получения достоверных зависимостей;

- корректным использованием методов математической статистики и исследования операций;

- достаточной сходимостью получаемых результатов с фактическими данными;

- пошаговым контролем получаемых результатов;

- использованием в работе только достоверных материалов газового опробования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определена зависимость между объёмами «активного» и «пассивного» метана в угольном керне;

- определён коэффициент разброса значений природной метаноносности по толще угольного пласта;

- выявлены критерии для зависимостей, используемых при описании изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;

- предложены новые зависимости изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;

- разработан метод определения поверхности метановой зоны, и градиента природной метаноносности по геологическим данным.

Личный вклад автора состоит в разработке методов и выявлении закономерностей, увеличивающих достоверность результатов прогноза природной метаноносности, и включает:

- в выделении в газовом балансе керногазовой пробы объёмов «активного» и «пассивного» метана;

- в нахождении связи между объёмами «активного» и «пассивного» ме-танов и её зависимости от других горно-геологических факторов;

- в установлении коэффициента неравномерности метаноносности по толще угольного пласта;

- в нахождении зависимости изменения природной метаноносности от глубины залегания угольного пласта;

- в создании основ оценки объёмов «активного» метана в угольном пласте.

Практическая ценность работы заключается в разработке новых подходов к оценке природной метаноносности угольных пластов на основе использования объёмов «активного» метана, разработке методик определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным.

Реализация работы. Основные научные результаты исследований и практические рекомендации автора включены во «Временную методику исследования газоносности угольных пластов», используемую трестом «Куз-бассуглеразведка» и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедицией для составления карт прогноза метаноносности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались в тресте «Кузбассуглеразведка» (г. Кемерово, 1993); на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1999); на кафедре «Аэрология, охрана труда и природы» (г. Кемерово 2003); на научно-практической конференции «Безопасность предприятий угольных регионов» (г. Кемерово, 2000).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений (130 страниц текста, 15 рисунков, 25 таблиц, список литературы - 75 источников).

Автор выражает глубокую признательность за методическую помощь научному руководителю, заслуженному деятелю науки и техники докт. техн. наук проф. В. А. Колмакову.

Выполнение работы было бы невозможно без помощи и участия коллектива тематической партии треста «Кузбассуглеразведка», которым автор выражает свою благодарность.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ.

В диссертационной работе рассмотрены следующие вопросы:

Во введение рассмотрены основные проблемы определения природной метаноносности по геологоразведочным данным. Обоснованы задачи и методы их решения.

В главе 1 дается анализ состояния вопроса по прогнозу метаноносности угольных пластов. Рассмотрена методика исследования метаионосности угольных пластов. Обоснованны объекты исследования. Рассмотрены методы и способы получения исходных данных. Обоснованы цель и задачи работы.

В главе 2 приведены результаты исследования распределения «активного» и «пассивного» метана в угольном пласте. Определены зависимости: изменения доли «активного» в общей метаноносности угольного пласта; неравномерности значений природной метаносности по толще угольного от глубины залегания и выхода летучих веществ; зависимости метаноёмкости угля от стадии метаморфизма при атмосферном давлении.

В главе 3 приведены результаты исследования характера изменения природной метаноносности угольной толщи, проведён анализ зависимостей используемых для описания этого процесса.

В главе 4 разработан и обоснован метод прогноза объёмов «активного» метана в угольном пласте, предложены методики определения градиента природной метаноносности и поверхности метановой зоны по геологоразведочным данным.

В заключение обобщены основные положения диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. При прогнозировании метаноносности необходимо учитывать, что метаноносность складывается из двух частей, одна из которых способна выделяться из угольного пласта при атмосферном давлении, другая только в условиях вакуума. Для обоснования возможности разделения метаноносности угля на две составляющие были проведены ис-

следования по определению природной метаноносности при керногазовом опробовании. При существующей технологии определения природной метаноносности угольных проб выделяются следующие пять режимов дегазации керна, что можно представить выражением

где Укал' объём газа, поступающего в «колокол» при перебуривании

угольного пласта и подъёме керногазонаборника, при этом внешнее давление изменяется от пластового до атмосферного, см3;

Км~ объём газа из керноприёмника, выделяемого керном.при внешнем постоянном давлении и комнатной температуре, замер объёма газа происходит на буровой сразу же после подъёма керна, при этом замеряется скорость дегазации, сбор газа прекращается при уменьшении объёмной скорости газоотдачи до 100 см3/час. После этого керноприёмник герметизируется, доставляется в газовую лабораторию, см3;

объём газа выделяемого при лабораторной дегазации пробы, когда внешнее давление равно одной атмосфере, а температура -комнатная. В этот объём входит свободный газ, находящийся в кер-ноприёмнике, выделившийся после окончания второго этапа дегаза-

3

ции, см ;

объём газа, полученного из угольного керна при термовакуумной дегазации, внешнее давление 10-15 мм рт. ст. и температура 80 °С, см3;

объём газа, выделившегося при термовакуумиой дегазации керна после его дробления, внешние параметры те же, что и на предыдущем этапе, см3;

масса сухого беззольного керна, г.

Общей чертой первых трёх режимов дегазации угольного керна, является то, что внешнее давление при выделении газа из керна равно атмосферному. То есть эта часть метана, содержащегося в угле, выделяется при стандартных внешних условиях (температура около 20 °С, давление атмосферное). Поэтому эта часть газового баланса газоносности угля названа «активным» метаном. Остальная часть газоносности, которая не может выделиться из угля при стандартных внешних условиях, - «пассивным» метаном.

■*лол = -**ак *пас > (2)

где полная метаноносность угольной пробы, м3/т;

активная метаноносность, м3/т;

хпас " пассивная метаноносность, M3/T.

В табл. 1 в качестве примера приведены данные изменения «активного» и «пассивного» метана с глубиной залегания угольного пласта «Распадская».

Таблица 1

Глубина, м Газоносность пласта, мл/т

общая величина «активного» метана величина «пассивного» метана

фактическая рассчитанная по формуле (6)

173,2 8,4 9,3 4,0 5,3

174,6 8,6 9,3 4,0 5,3

181,3 13,1 9,7 4,2 5,5

202,7 7,9 10,8 4,8 6,0

249,6 15,2 13,1 5,9 7,2

260,6 11,6 13,6 6,2 7,4

283,6 16,8 14,6 6,7 7,8

316,6 173 15,9 7,5 8,4

346 18,4 17 8,1 8,9

416,8 19 19,1 9,3 9,7

417,2 19,8 19,1 9,4 9,7

418,2 20,1 19,1 9,4 9,7

511,1 20,6 21 10,7 10,3

525,1 20,9 21,2 10,9 10,3

Из анализа табл. 1 видно, что с изменением глубины залегания пласта изменяется соотношение между объёмами «активного» и «пассивного» метана.

2. Объём метана, который может выделиться из угольного массива при атмосферном давлении, возрастает, а доля остаточной метаноносно-сти в общей метаноносности убывает с глубиной залегания угольного пласта. Выделение основных факторов, влияющих на соотношение между «активным» и «пассивным» метаном, позволило определить закономерность, которая связывает указанное соотношение с глубиной залегания и степенью метаморфизма угля. В качестве показателя степени метаморфизма использовалась отражательная способность витринита в иммерсионном масле. Для получения закономерности использован большой объем статистического материала по угольным регионам Кузбасса — 1185 достоверных проб. В результате получена следующая зависимость:

где полная метаноносность угольной пробы, м3/т;

активная метаноносность, м3/т;

А - глубина залегания угольного пласта, м;

Я°- отражательная способность витринита в иммерсионном масле, %.

Или, вводя коэффициент, который показывает долю «активного» метана в общей метаноносности угля

можно установить закономерность изменения этого коэффициента, которая представлена в табл. 2.

'Таблица 2.

Изменения ка от глубины и степени метаморфизма угля

Глубина, м Степень метаморфизма угля

II II-III III-IV IV IV-V VI

Отражательная способность витринита,%

0,795 0,92 1,22 1,395 1,62 2,245

50 0,41 0,40 0,38 0,36 0,35 0,30

150 0,43 0,42 0,40 0,39 0,37 0,33

250 0,46 0,45 0,43 0,41 0,40 0,35

350 0,48 0,47 0,45 0,44 0,42 0,37

450 0,50 0,49 0,47 0,46 0,44 0,40

550 0,52 0,51 0,49 0,48 0,46 0,42

Из анализа таблицы №2 следует, что диапазон изменения указанного коэффициента заключён в интервале от 0,3 до 0,52.

3. Неравномерность распределения природной метаноносности угольного пласта по его мощности связана с глубиной залегания пласта и стадией метаморфизма угля. Исследования значений природной метано-носности позволили установить, что значения природной метаноносности даже для одного пласта в двух рядом находящихся точках заметно различается. Для того чтобы установить степень возможного различия, проведены исследования. Это позволило выделить основные факторы, влияющие на отношение между максимальным хм и средним х^ значениями метаноносно-сти по подсечению угольного пласта геологоразведочной скважиной. Этими основными факторами являются глубина отбора пробы и выход летучих веществ. Большой объём фактического материала (943 пробы по 206 подсече-ниям пластов разведочными скважинами на 35 шахтопластах Кузбасса) позволил выделить зависимость, которая связывает указанное отношение и факторы:

где - коэффициент разброса значений природной метаноносности; Хм - максимальное значение метаноносности по подсечению, см3/г;

ср

среднее значение метаноносности по подсечению, см3/г;

глубина отбора пробы, м;

есть функции от , то есть

а = 1,7862-10"3 (у^У - 0,1363+3,03009

Ь = )= -3,0169-Ю"6 •(кЛ,/12 + 2,9751-10"4 -V** -8,1137-уМ.

10

-з

• выход летучих вещ

Представленный рисунок показывает изменение этого коэффициента при выходе летучих веществ равном 19%.

Рис1 Изменение коэффициента неравномерности от глубины при выходе летучих веществ 19%

Диапазон изменения этого коэффициента для условий Кузнецкого бассейна составляет от 1,05 до 2,04. Расчётные данные, полученные по предло-жеииой зависимости, и эмпирические значения имеют минимальные различия, что подтверждает высокий индекс детерминации Л2=0,89.

4. Изменение метаноносности угольного пласта с глубиной его залегания хорошо описывается логарифмической параболой, это позволяет более точно прогнозировать её возможные значения. Проведен анализ восьми зависимостей, используемых для описания процесса изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта. В диссертации сформулированы основные требования, предъявляемые к функции, описывающей этот процесс. Точность описания каждой из восьми рассматриваемых зависимостей реального процесса изменения природной метанонос-

ности с глубиной залегания угольного пласта проверена на данных, взятых из материалов отчётов, хранящихся в фондах треста «Кузбассуглеразведка». Точность аппроксимации проверялась по средней сумме квадратов отклонений между значениями, получаемыми по соответствующей формуле и эмпирическими значениями. Все опытные данные о метаноносности угольных пластов взяты без учёта коэффициента потерь 1,25.

Анализ рассмотренных и полученных по каждой зависимости результатов позволяет утверждать, что изменение метаноносности с глубиной залегания угольного пласта лучше всего описывает

х-е-г-е

где х- природная метаноносность, м3/т;

к - глубина залегания угольного пласта, м; а,Ь,с- эмпирические коэффициенты. Только она в полной мере удовлетворяют всем условиям, которые накладываются на эту зависимость, исходя из их физического смысла. На рис. 2 и представлен график изменения природной метаноносности по шахтопласту Кузбасса

(6)

Рис. 2 Изменение метаноносности от глубины по пласту "ГУ-У поля шахты "Томская" Из анализа графика видно, что указанная зависимость хорошо описывает реальный процесс изменения природной метаноносности со средним индексом детерминации Я2 = 0,89.

5. Выполненные исследования позволяют оценить объём содержащегося в угольном пласте метана, выделяющегося при изменении внешнего давления от пластового до атмосферного. На рис. 3 показано изменение полной метаноносности, «активного» и пассивного метана от глубины залегания угольного пласта.

О 100 200 300 400 500 600

0бласть1 Область 2

Рис. 3 Изменение полной метаноносности, «активного» и пассивного метана от глубины залегания угольного пласта «6-6а» поля шахты «Распадская» Из рис. 3 видно, что в указанном диапазоне глубин две основные области соотношения величин газоносности. В первой из них лсд ^ хпас, во второй наоборот .«о < хпас.

В качестве примера приведен сравнительный расчёт газообильности выемочного участка и расхода воздуха по регламентированному и предложенному методам.

1. По регламентированному методу.

- Расчёт газообильности:

где - относительная газообильность разрабатываемого пласта, м3/т;

хпол > хо - соответственно природная и остаточная газоносность, м3/т; к - эмпирические коэффициенты, учитывающие технологию добычи угля.

- Расчёт расхода воздуха:

100-е.,-1440

где - расход воздуха по регламентированному методу, м3/т;

добыча угля, т/сут; - допустимая концентрация газа, %, -коэффициент неравномерности газовыделений.

2. По предлагаемому методу. - Расчёт газообильности:

пол

пас

(9)

где Чпр ' относительная газообильность разрабатываемого пласта, м3/т; хпас " пассивная метаноносность, м3/т;

кр - коэффициент разброса значений природной метаноносности.

- Расчёт расхода воздуха: где: расход воздуха по предлагаемому методу, м/т.

"ИР

Результаты расчётов газообильности и расхода воздуха сведены в табл. 3.

Таблица 3.

(10)

Параметры Глубина, м

200 300 400 500

Яр, м3/т 8,3 13,4 17,8 18,5

Чпр > 8,2 9,75 11,6 12,3

(2р, м3/мин 926 1230 1640 1700

е„р,мз/мин 886 970 1100 1150

Ъпр/ /Ър 0,96 0,80 0,67 0,68

Из табл. 3 видно, что при регламентированном методе расход воздуха больше, чем при предлагаемом методе в среднем на 20-25 %. Это объясняется тем, что по регламентированному методу остаточная газоносность в пределах любой глубины горных работ является постоянной, а фактически это переменная величина.

В работе предложены методика определения поверхности метановой зоны, методика расчёта градиента природной метаноносности и изложен метод нахождения объёмов «активного» метана, содержащегося в ограниченной области угольного пласта. Основой для разработанных методик являются закономерности и зависимости, полученные в данной работе. В методе нахождения объёма «активного» метана используют как основу: зависимость, которая наиболее точно описывает процесс изменения природной метано-носности с глубиной залегания угольного пласта, а также полученные в работе коэффициенты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, содержатся решения задач прогнозирования выделения метана в горные выработки газообильных угольных шахт, имеющей существенное значение для обеспечения безопасности ведения горных работ.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что общую метаноносность угольного пласта можно разделить на две составляющие: «активный» и «пассивный» метан. При этом доля «активного» метана в угольном пласте изменяется в зависимости от глубины залегания и стадии метаморфизма; определено, что, зная количество «активного» метана, можно более точно прогнозировать объёмы и характер возможных метановыделений в горные выработки; выявлено, что основными факторами, влияющими на расчёт количества метана, который можно извлечь из угольного пласта при поверхностной дегазации, является природная метаноносность и доля в ней «активного» метана.

2. Установлено, что, зная долю «активного» метана для керногазовой пробы, имеющей потери метана на каком-либо режиме дегазации, можно восстановить полную метаноносность пробы, что позволяет использовать в анализе более 50 % процентов проб, которые ранее были из него исключены как недостоверные. Поскольку количество таких проб по некоторым шах-топластам бывает более 30 %, то это позволяет в среднем повысить точность прогноза природной метаноносности в среднем на 20 % при тех же затратах на проведение геологоразведочных работ.

3. Установлено, что, используя коэффициент неравномерности метаносно-сти, который показывает величину отношения максимальной метанонос-ности к средней при подсечении угольного пласта геологоразведочной скважиной, можно оценить максимальную метаноносность угольного пласта и выделить в нём зоны, склонные к внезапным выбросам угля и газа.

4. В результате проведенного анализа зависимостей изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта установлено, что более точно прогнозирует природную метаноносность угольного пласта в зонах недостаточного опробования логарифмическая парабола

5. Разработана методика определения поверхности метановой зоны по геологоразведочным данным на основе зависимостей, используемых в работе, что позволяет уже на этапе разведочных работ выделить безопасные зоны для ведения горных работ. Разработана методика нахождения градиента природной метаноносности, что позволяет определять его на этапе геологоразведочных работ достаточно точно.

6. Результаты исследования взаимосвязи «активного» и «пассивного» метана, примененные в тресте «Кузбассуглеразведка», позволили при том количестве газового опробования повысить точность прогноза природной метаноносности на 25 %, что принесло значительный экономический эффект.

7. Использование предлагаемого метода позволяет снизить расход воздуха при обособленном разжижении метана в среднем на 20-25 % при сохранении безопасных условий ведения горных работ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гоголин В. А., Грибанов Е. Н. Карасёв А. В. Оценка скорости газоотдачи метана образцами угля // Математическое моделирование: Тез. докл. III сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике, посвященной памяти С. А. Соболева. - Новосибирск, 1998 г.

2. Грибанов Е. П., Колмаков В.А. Соотношение между «активным» и «пассивным» метаном в угольном керне // Информационно-математические модели горных предприятии: Сб.- Кемерово, 1994г. -С. 37-40.

3. Грибанов Е. Н., Уткин Ю. С. Аппроксимация скорости газоотдачи угольного керна // Вопросы аэрологии, охраны труда и природы: - Сб. науч. тр. - Кемерово, 1985г. - С. 11-13.

4. Колмаков В. А., Грибанов Е. Н. Исследование зависимости природной метаноносности от глубины залегания угольного пласта // Управление газовыделением в угольных шахтах :Сб. науч. тр. Кемерово, 1990г.-С. 7-15.

5. Колмаков В. А., Грибанов Е. Н. Определение газового давления в подготовительных выработках // Прогноз и управление газопереносом в массивах шахт / Кузбас. политехи, ин-т. Кемерово, 1992г. - С. 135-141.

6. Колмаков В. А., Грибанов Е. Н. Влияние глубины отбора проб и стадии метаморфизма угля на точность определения природной газоносности // Совершенствование технологических процессов при подземной разработке месторождений: Сб. - Кемерово, 1992г. - С. 90-94.

7. Колмаков В. А. Грибанов Е. Н. Метод прогноза «активного» метана в угольном пласте по геологоразведочным данным // Вопросы безопасности труда на горных предприятиях: Сб. - Кемерово, 2003 г. - С. 2227.

Подписано в печать 29.04.04. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ ГУ Кузбасский государственный технический университет Кемерово, ул. Весенняя, 28 Типография ГУ Кузбасского государственного технического университета, 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

»118 8 9

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОГНОЗУ МЕТАНОНОСНО-СТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1. Методика исследования метаноносности угольных пластов

1.2. Основные факторы влияющие на метаноносность угольных 21 пластов

1.2. Методика исследования стадий дегазации угольного керна

1.3. Выбор объектов исследования

Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ «АКТИВНОГО» И 32 «ПАССИВНОГО» МЕТАНА В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ

2.1. Исследование соотношения между активным и пассивным мета- 32 ном в угольном керне

2.2. Определение зависимости значений природной метаносности по толще угольного от глубины залегания и выхода летучих ве- 36 ществ

2.3. Исследование зависимости метаноёмкости угля от стадии метаморфизма при атмосферном давлении

Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ИЗМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ МЕТАНОНОСНОСТИ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ

3.1. Изучение зависимости природной метаноносности угольного 51 пласта от глубины залегания

3.2. Анализ и оценка соответствия теоретических зависимостей фактическим условиям изменения природной метаноносности

Выводы

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ОБЪЁМОВ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТАНА В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ

4.1. Определения верхней границы метановых газов по геологоразведочным данным с использованием полученных зависимо- 77 стей

4.2. Определения градиента природной метаноносности по геоло-# горазведочным данным

4.3. Выбор критериев достоверности данных керногазового опробования по метаноносности угольных пластов

4.4. Расчет объема «активного» метана, содержащегося в ограниченной области угольного пласта ^

4.5. Сравнительный расчёт метановыделения из разрабатываемого пласта и расхода воздуха для проветривания участка.

Ф Выводы

Актуальность работы. Систематическое изучение газоносности ф угольных пластов при разведке шахтных полей Кузнецкого бассейна было начато в 1954 году. Метаноносностью угольных пластов занимались следующие учёные и специалисты: А.Т. Айрунщ Г.А. Беспятов; A.M. Дмитриев; Н.В. Дорошкевич; А.И. Дьячков; В.И. Ермаков; М.А. Ермеков; К.А. Ефремов; В.А. Колмаков; А.И. Кравцов; P.M. Кривицкая; Н.Н. Куликова; Г.Д. Лидин; А.А. Мясников; И.Д. Мащенко; А.Э. Петросян; И.М. Печук; Ю.С. Премыслер; В.Н. Пузырёв; Б. Г. Тарасов; О.В. Тендер; В.И. Ткач; О.И. Чернов; И.Л. Эттингер; В.В. Ходот и другие. Из анализа работ следует, что недооценка своевременных исследований газоносности при геологоразведочных работах на уголь приводит в процессе эксплуатации к несоответствию газового режима шахт, их вентиляционных возможностей реальной метанообильности и соответственно к дополнительным работам по их реконструкции, стоимость которых во много раз превышает затраты, связанные с изучением газоносности угольных месторождений. Поэтому актуаль-^ ным направлением в области повышения достоверности прогноза метаноносности угольных пластов является выявление закономерностей и зависимостей изменения метаноносности угольных пластов, использование которых на этапе геологоразведочных работ позволяет уменьшить ошибки при составлении карт прогноза природной газоносности. Важно также знать не только метаноносность в любой точке угольного пласта, но и основные её ф составляющие. Основными составляющими природной метаноносности являются «активный» метан, который может выделиться при стандартных условиях, и «пассивный» метан, который не выделяется при стандартных внешних условиях. Установить зависимость этих величин от горногеологических факторов является важной задачей, которую нужно решить на этапе геологоразведочных работ.

Цель работы. Усовершенствовать метод прогноза природной метано-носности в угольном пласте по геологоразведочным данным на основе полученных зависимостей изменения объёма метана в угольном пласте для повышения безопасности ведения горных работ в шахтах.

Основная идея работы заключается в использовании уточненных объёмов метана, получаемых на разных стадиях дегазации угольного керна, для более достоверного прогноза метаноносности угольных пластов.

Задачи исследования:

- установить закономерности изменения объёмов метана, выделяющегося на различных этапах дегазации угольного керна;

- оценить в полном газовом балансе угольной пробы долю метаноносности, которая может выделиться при стандартных внешних условиях;

- установить характер варьирования изменчивости метаноносности угольного пласта по мощности;

- определить тип зависимости, которая описывает процесс изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;

- разработать методики определения поверхности метановой зоны, расчёта градиента природной метаноносности, объёмов «активного» метана в угольном массиве.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического анализа и математической статистики, исследование операций. Для первичной обработки данных керногазового опробования использовались методы корреляционного анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- при прогнозировании метаноносности необходимо учитывать, что ме-таноносность складывается из двух частей, одна из которых способна выделяться из угольного пласта при атмосферном давлении, другая только в условиях вакуума;

- объём метана, который может выделиться из угольного массива при атмосферном давлении, возрастает, а доля остаточной метаноносности в общей метаноносности убывает с глубиной залегания угольного пласта;

- неравномерность распределения природной метаноносности угольного пласта по его мощности связана с глубиной залегания пласта и стадией метаморфизма угля;

- изменение метаноносности угольного пласта с глубиной его залегания описывается логарифмической параболой;

- выполненные исследования позволяют оценить объём содержащегося в угольном пласте метана, выделяющегося при изменении внешнего давления от пластового до атмосферного.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- достаточным объёмом первичного материала, использованного для получения достоверных зависимостей;

- корректным использованием методов математической статистики и исследования операций;

- достаточной сходимостью получаемых результатов с фактическими данными;

- пошаговым контролем получаемых результатов;

- использованием в работе только достоверных материалов газового опробования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определена зависимость между объёмами «активного» и «пассивного» метана в угольном керне;

- определён коэффициент разброса значений природной метаноносности по толще угольного пласта;

- выявлены критерии для зависимостей, используемых при описании изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;

- предложены новые зависимости изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта;

- разработан метод определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологическим данным.

Личный вклад автора состоит в разработке методов и выявлении закономерностей, увеличивающих достоверность результатов прогноза природной метаноносности, и включает:

- в выделении в газовом балансе керногазовой пробы объёмов «активного» и «пассивного» метана;

- в нахождении связи между объёмами «активного» и «пассивного» ме-танов и её зависимости от других горно-геологических факторов;

- в установлении коэффициента неравномерности метаноносности по толще угольного пласта;

- в нахождении зависимости изменения природной метаноносности от глубины залегания угольного пласта;

- в создании основ оценки объёмов «активного» метана в угольном пласте.

Практическая ценность работы заключается в разработке новых подходов к оценке природной метаноносности угольных пластов на основе использования объёмов «активного» метана, разработке методик определения поверхности метановой зоны и градиента природной метаноносности по геологоразведочным данным.

Реализация работы. Основные научные результаты исследований и практические рекомендации автора включены во «Временную методику исследования газоносности угольных пластов», используемую трестом «Куз-бассуглеразведка» и Северо-Кузбасской геологоразведочной экспедицией для составления карт прогноза метаноносности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались в тресте «Кузбассуглеразведка» (г. Кемерово, 1993); на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1999); на кафедре «Аэрология, охрана труда и природы» (г. Кемерово 2003); на научно-практической конференции «Безопасность предприятий угольных регионов» (г. Кемерово, 2000).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений (130 страниц текста, 15 рисунков, 25 таблиц, список литературы - 75 источников).

6. Результаты исследования взаимосвязи «активного» и «пассивного» метана, примененные в тресте «Кузбассуглеразведка» позволили при том количестве газового опробования повысить точность прогноза природной метаноносности на 25%, что принесло значительный экономический эффект.

7. Использование предлагаемого метода позволяет снизить расход воздуха при обособленном разжижении метана в среднем на 20-25% при сохранении безопасных условий ведения горных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основе проведённых автором исследований данных керногазового опробования угольных пластов, разработан метод прогноза «активного» метана в угольном пласте по геологоразведочным данным и осуществлено статистическое обоснование основных закономерностей изменения объёма «активного» метана в угольном пласте, представляющее собой новое решение научно-технической задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение для повышения безопасности работ в шахтах.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что общую метаноносность угольного пласта можно разделить на две составляющие: «активный» и «пассивный» метан. При этом доля «активного» метана в угольном пласте изменяется в зависимости от глубины залегания и стадии метаморфизма; определено, что зная количество «активного» метана можно более точно прогнозировать объёмы и характер возможных метановыделений в горные выработки; выявлено, что основными факторами влияющий на расчёт количества метана, которого можно извлечь из угольного пласта при поверхностной дегазации является природная метаноносность и доля в ней «активного» метана;

2. Установлено, что, зная долю «активного» метана для керногазовой пробы имеющей потери метана на каком-либо режиме дегазации, можно восстановить полную метаноносность пробы, что позволяет использовать в анализе более 50% процентов проб, которые ранее были из него исключены как недостоверные. Поскольку количество таких проб по некоторым шах-топластам бывает более 30% то это позволяет в среднем повысить точность прогноза природной метаноносности в среднем на 20% при тех же затратах на проведение геологоразведочных работ;

3. Установлено, что используя коэффициент неравномерности метаносности, который показывает величину отношения максимальной метаноносности к средней при подсечению угольного пласта геологоразведочной скважиной, можно оценить максимальную метаноносность угольного пласта, и выделить в нём зоны склонные к внезапным выбросам угля и газа;

4. В результате проведенного анализа зависимостей изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта, установлено, что более точно прогнозирует природную метаноносность угольного пласта в зонах недостаточного опробования логарифмическая парабола x = c-ha-ebh

5. Разработана методика определения поверхности метановой зоны по геологоразведочным на основе зависимостей используемых в работе, что позволяет уже на этапе разведочных работ выделить безопасные зоны для ведения горных работ. Разработана методика нахождения градиента природной метаноносности, что позволяет определять его на этапе геологоразведочных работ достаточно точно, по установленных в работе зависимости изменения природной метаноносности с глубиной залегания угольного пласта.

1. Батурин С. А. Проблемы механики горных пород. Сб. - Алма-Ата, изд. Наука, 1966г.

2. Болдырев П. И., Аксененко М. И. Физико-механические свойства песчаников и алевролитов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.-Сб. Сопротивляемость горных пород разрушению. Изд. Ак. Наук СССР, 1962г.

3. Буянов К. В. Определение газоносности угольных пластов по данным буровых скважин при разведке .- Безопасность труда в горной промышленности. №2,1935г. с. 8-15.

4. Временная инструкция по определению и прогнозу газоносности (ме-таносности) угольных пластов при проведении геологоразведочных работ. М., Недра, 1966г. с. 66.

5. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т. 1.-Угольные бассейны и месторождения европейской части СССР. М., Недра, 1979г. с. 627.

6. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т. 2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. М., Недра, 1979г. с. 454.

7. Гречухин В. В. Геофизические методы исследования угольных скважин. М.,Недра, 1970г. с. 552.

8. Гречухин В. В. Изучение угленосных формаций геофизическими методами. М.,Недра, 1980г. с. 360.

9. Гросман С. О. Предварительные данные о распределении метана в некоторых угольных пластах Кузбасса. Безопасность труда в горной промышленности, 1936г., №7 -с. 22-26.

10. Дахнов В. И. Электрические и магнитные методы исследования скважин. М., Недра, 1967г.

11. Динеев А. И. Новые методы определения метаноносности угольных пластов. В книге: Рудничная аэрология и безопасность труда в шахтах. М.,Углетехиздат, 1949г. - с. 307-314.

12. Дорошкевич Н. В. Методика и техника опробования угольных пластов на газоносность. Изд. Томского политехи, ин-та им. С. М. Кирова, т.99. Вопросы геологии Кузбасса, №2. Томск, изд. Томского ун-та -с. 368-376.

13. Дорошкевич Н. В. Некоторые данные по изучению газоносности углей Кузнецкого бассейна. Изв. вузов. Геология и разведка. 1960г., № 10, -с. 75-80.

14. Дорошкевич Н. В. Методика отбора и обработка проб углей на газоносность в Кузнецком бассейне. В книге: Методы определения газоносности пластов и прогноза газообильности шахт. М.,Госгортехиздат, 1962г.-с. 52-60.

15. Ермеков М. А. О методике установления закономерности нарастания метаноносности на угольных месторождениях . Изв. АН КазССР, Сер. геолог. №4, 1965г.-с. 10-25.

16. Ермеков М. А. О характере нарастания метаноносности угольных пластов Карагандинского бассейна с глубиной.- В книге: Вопросы борьбы с газом, угольной пылью и подземными пожарами на шахтах Карагандинского бассейна. М., 1966г. с. 180-185.

17. Ескина В. Н., ЗагоруйкаН. Г. ,ТимеркаеваВ. С. Алгоритм направленного таксометрического поиска информативных подсистем признаков.-В книге: Выслительные системы. Новосибирск, 1974г., вып. 59 с. 49-70.

18. Ефремов К. А., Дорошкевич Н. В. Методика составления карт прогноза газоносности угольных пластов по материалам разведки шахтных полей Кузбасса. В книге: Материалы по методике разведки полезных ископаемых. М., 1962г., - с. 484-491.

19. Ефремов К. А. Метод составления карт прогноза газоносности угольных пластов. М., Госгортехиздат, 1961 г. с. 104.

20. Ефремов К. А., Суркова М. Н. Прогноз газоносности угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района до горизонта-600м.- В книге: Вопросы в угольных шахтах. М., Тр. ВостНИИ, т. 10, 1969г. с. 62-68

21. Ефремов К. А., Бархатова В. И., Адаменко И. А. Определение газоносности угольных пластов при разведочных работах в Кузбассе. В книге: Вопросы безопасности в угольных шахтах. М., 1959г., т. 1-е. 131147.

22. Закономерности распределения метана в угольных месторождениях. М., Наука, 1973г.-с. 148.

23. Инструкция по прогнозу метанообильности угольных шахт СССР. П. Изд. ИГД им. А. А. Скочинского , 1968г. с.20.

24. Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах. М., Недра, 1977г.-с. 96.

25. Итенберг С. С. Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин. М., Недра, 1972г. с. 312.

26. Каталог метаноемкости углей Кузбасса. Издание второе дополненное. Кемерово, ВостНИИ, 1968г. с. 32.

27. Колмаков В. А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. М., Недра, 1981г.

28. Зб.Колмаков В.А., Грибанов Е.Н. Влияние глубины отбора проб и стадии метаморфизма угля на точность определения природной газоносности. Сб.: Совершенствование технологических процессов при подземной разработке месторождений. Кемерово, 1992г. - с. 90-94.

29. Колмаков В. А. Грибанов Е. Н. Исследование зависимости природной метаноносности от глубины залегания угольного пласта.- Сборник научных трудов «Управление газовыделением в угольных шахтах» г. Кемерово, 1990г. — с. 7-15.

30. Колмаков В. А., Грибанов Е. Н. Определение газового давления в подготовительных выработках. В кн.: Прогноз и управление газопереносом в массивах шахт. Изд-во Кузбас. Политехи, ин-та, Кемерово, 1992г. -с. 135-141.

31. Колмаков В. А. Грибанов Е. Н. Метод прогноза «активного» метана в угольном пласте по геологоразведочным данным. Сб.: Вопросы безопасности труда на горных предприятиях. Кемерово, 2003 г. - с. 22-27.

32. Комаров И. С. Накопление и обработка информации при инженерно-геологических исследованиях. М., Недра, 1972г. — с. 296.

33. Косенко Б. М. Причины снижения метаноносности каменных углей и антрацитов. В книге: Геологическая конференция « Степановские чтения». Тезисы докладов. Артемовск, 1967г. - с. 43-46.

34. Кравцов А. И., Вольпова J1. С. Изменение природной метаноносности угольных пластов с глубиной залегания. Уголь, 1971г., №12, с. 51-54.

35. Кравцов А. И. Влияние геологических условий на газоносность угольных месторождений. М., Углетехиздат, 1950г. с. 176.

36. Кузьмин В. И. Драсноперов М. П. Методы построения геологических разрезов. М., Недра, 1975г. с.63.

37. Мельников Н. В. Минеральное топливо. М., Недра, 1975г. с. 104.

38. Метропольский А. К. Техника статистических вычислений. М., 1971г.

39. Модели и применения. Исследование операций. Т 2. Изд-во «МИР», Москва, 1981г.-с. 677.

40. Мохова А. А. Влияние степени метаморфизма на газоносность угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. Технология добычи угля подземным способом. Реф. Сб. ЦНИЭИ, №6,1976г. -с. 29-30.

41. Петросян А. Э. Выделение метана в угольных шахтах. М,, изд. Наука, 1975г.-с. 54-55.

42. Печук И. М. Вентиляция и борьба с газом на шахтах и борьба с газом на шахтах Кузбасса. М., УглетехиздатД946г. с. 148.

43. Попов В. В. Комплексная интерпретация результатов геофизических исследований в углеразведочных скважин. М., Недра, 1976г. с. 112

44. Попов В. В. Комплексная интерпретация геофизических измерений с применением ЭЦВМ в связи с переходом на бескерновое бурение,- В книге: Состояние и внедрение геофизических методов исследования скважин угольных месторождений. М., 1974г. с. 108-113.

45. Пустовойт В. П. Изменение метаноносности угольных пластов с увеличением глубины их залегания. Москва, 1976г. с. 24.

46. Pay М. В., Чернышев С. И. Трещиноватость и свойства трещиноватых пород. М., Недра, 1970г.

47. Розин Б. Б. Теория распознавания образов в экономических исследованиях. М., Статистика, 1973г. с. 224.

48. Ромм Е. С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. М., Недра, 1966г.

49. Таран Н. П. Метаноемкость углей Кузнецкого бассейна. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело, М., ЦНИЭИуголь, 1966г., №12 с. 51-54.

50. Таран Н. Г. Некоторые данные об изменении сорбционной метаноем-кости углей с глубиной Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса.-В книге: Борьба с газом, внезапными выбрасами и пожарами в угольных шахтах. Кемерово., тр. ВостНИИ, т. 17,1972г. с. 39-47.

51. Тарасов Б. Г., Колмаков В. А. Газовый барьер угольных шахт. М., Недра, 1978г.

52. Тарасов Б. Г. Прогноз газообильности выработок и дегазации шахт. М., Недра, 1973г.

53. Тендер О. В. Новые представления о закономерностях изменения газоносности угольных пластов балахонской серии Кузбасса. Известия высших учебных заведений, Геология и разведка. М., № 5, 1975г.- с. 120-126.

54. Тендер О. В. Исследования природной газоносности угольных пластов Осиновского района Кузбасса. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. М., ЦНИЭИуголь, 1974г., №10 - с. 14-15.

55. Тимеркаев В. С. Методы решения задач распознования образов комбинированного типа. Авт. Дис., Ташкент, 1975г. с. 16.

56. Токарева Э. Г. Оценка представительности проб для определения газоносности угольных пластов в Карагандинском бассейне. Изв. вузов, Геология и разведка, 1971г., №6 -с. 156-159.

57. Фалькович В. М. Органические включения в углевмещающих породах и их влияние на величину метаноемкости и газоносности пород. Рудничная аэрология. Научные сообщения, вып. 206., М., 1982г. с. 39-47.

58. Хамин В. Н., Лидзим В. С. Некоторые особенности проявления внезапных выбросов на шахтах Прокопьевского месторождения Кузбас-са.Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №2, 1974г. с. 100-107.

59. Чернов О. И., Пузырев В. Н., Розанцев Е. С. О внезапных выбросах угля и газа на шахтах Караганды. Безопасность труда в промышленности, № 4,1961г. - с. 4-6.

60. Чернов О. И., Пузырев В. Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М., Недра, 1979г.

61. Эттингер И. Л., Шулеман Н. В. Распределение метана в порах ископаемых углей. М., Недра, 1975г.

62. Эттингер И. Л, Основные факторы, определяющие газоемкость угле при атмосферном давлении. Изв. АН СССР, ОТН, 1952г., №3 - с. 423432.

63. Яновская М. Ф. Применение кварцевых сорбционных весов для изучения сорбционной емкости ископаемых углей. Труды Института горного дела. Т. 2., М., 1955г. - с. 150-156.

64. Hoffman E. Abhangigkeit der Ausgasung von petrographischer Gebuge-zusammensetzung und Inkohlungsgrad bei Ruhrkohlen. « Gluckauf», 1935, N 12. S. 128 -135.