книги из ГПНТБ / Карагодин Л.Н. Способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа

Интенсивное нагнетание, вызывающее изменение фильтрацион­ ных характеристик угольного пласта, приводит к предварительной его дегазации. В этом случае давление и темп нагнетания могут превышать естественную способность пласта принимать жидкость.

Нагнетание при давлении, превышающем вертикальную состав­ ляющую напряжений от веса вышележащих пород, вызывает гид­ роразрыв и гидроразмыв пласта.

Нагнетание воды в угольные пласты оказывает существенное влияние на их влажность, на газовыделение, давление газа, на­ пряженность и др. [23, 24, 25, 26]. Характеристика изменения этих показателей в результате увлажнения угольного массива и при его отработке приведена в табл. 7.

выбросоопасность пласта, определяется давлением, темпом и про­ должительностью нагнетания.

Скорость нагнетания воды во времени остается практически по­ стоянной величиной и лишь при прорывах воды в выработку или в соседнюю скважину может резко возрастать. Скорость движения воды по пласту в процессе нагнетания изменяется и через 50— 60 мин после увлажнения снижается более чем в 6 раз. На режим нагнетания воды в угольный пласт в значительной степени влияют как степень газонасыщеиности угля, так и анизотропные свойства пласта. Это значит, что если при нагнетании воды в скважину, про­ буренную по тонкому пласту, анизотропию можно не учитывать,

то при увлажнении пласта большой мощности с этим свойством пласта приходится считаться и добиться равномерного распреде­ ления влаги в данном случае можно лишь за счет использования сил самодвижения жидкости.

Накопленные данные позволяют считать наиболее рациональ­ ным медленное нагнетание воды, но в течение длительного време­

проведения) само по себе не позволяет достичь требуемого уровня влажности угольного пласта, поскольку перемещение воды в этом случае происходит в результате фильтрации по сравнительно круп­ ным трещинам и порам; Проникновение жидкости в мелкие поры возможно лишь при взаимодействии ее с углем, что обеспечивается только за счет сил самодвижения воды в угольном массиве.

Известно, что самодвижение жидкости может происходить под действием химических, физико-химических и механических сил.

стов О. И. Черновым. С точки зрения особенностей проявления сил самодвижения последние разграничены на капиллярное движение и собственно диффузию. О. И. Чернов показал, что движение фрон­ та жидкости в угле под действием капиллярных сил подчиняется зависимости

где х — расстояние, пройденное жидкостью за время t; г — радиус наиболее крупных капилляров, по которым происходит заметный перенос жидкости; а, ц — поверхностное натяжение и вязкость жидкости; '0 — краевой угол смачивания угля жидкостью; ак — ка­ пиллярная постоянная.

Капиллярное движение жидкости происходит со скоростью, в 30—40 раз превышающей скорость диффузии. Влажность угля увеличивается в результате как капиллярного, так и диффузион­ ного вида движения. При небольшом времени (^<40—50 суток) оба вида самодвижения практически не увеличивают размеры увлажненной фильтрационным переносом зоны, а способствуют равномерному распределению влаги.

Экспериментальными замерами, проведенными на пласте Кеме-, ровском в Кузбассе, выявлено, что скорость. самодвижения воды составляет от 0,045 до 0,150 м/сутки.

По данным О. И. Чернова [23], для равномерной пропитки угля время выдержки пласта перед началом подвигания забоев должно быть не менее 2,5—3,7 месяца. Увеличение продолжительности вы­

Г а з о в ы д е л е н и е при увлажнении зависит от режима нагне­ тания воды и может как увеличиваться, так и снижаться. Характер газовыделения зависит от того, каким образом проникающая в пласт вода воздействует на угольный массив — изменяет макро­ структуру угля или не нарушает заметным образом целостности пласта. Обычно при закачке воды в увлажнительную скважину газовыделение из соседних контрольных скважин резко снижается или полностью прекращается.

Время, за которое происходит спад газовыделения, связанный с увлажнением, зависит от целого ряда факторов и может быть различным. К таким факторам относятся длина увлажнительных скважин, глубина герметизации, давление газа и газопроницае­ мость пласта, режим нагнетания.

Д а в л е н и е г а з а в пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа, достигает весьма больших значений, причем зачастую на небольшом удалении от обнажения угольного массива.

Исходя из предпосылки, что в процессе увлажнения вытеснения

теристик угольного массива, следует полагать, что и давление газа каких-либо изменений претерпевать не будет. Это подтверждается данными, полученными О. И. Черновым при проведении экспери­ ментальных работ на шахтах «Коксовая», «Центральная», им. Во­ рошилова в Кузбассе. Давление газа после увлажнения возрастает значительно медленнее, чем до увлажнения, но во всех случаях не превышает природного газового давления в пласте.

Учитывая, что для данной работы основной интерес представля­ ет динамика происходящих процессов, постараемся выявить харак­ тер изменения давления газа непосредственно в процессе увлаж­

жинах возрастает примерно, в 10 раз по сравнению с первона­ чальной его величиной (11 кгс/см2 ) и в последующем постепенно снижается. Подобные же результаты были получены и на шахтах Донбасса. На пласте Дерезовка давление в скважинах, удаленных на 15 м от нагнетательной скважины, за 100 ч нагнетания возросло до величины, близкой к давлению нагнетаемой воды, т. е. до 150 кгс/см2 . После окончания цикла нагнетания давление начало постепенно снижаться и за 16—17 суток снизилось до первона­ чального уровня —42—44 кгс/см2 .

Значительный интерес представляет выявление пределов изме­

ли, что в процессе нагнетания воды напряжения постепенно увели­ чиваются, причем это увеличение зависит от давления нагнетания и фильтрационных свойств угольного массива.

На графике (рис. 29), отражающем изменение давления в гндродатчнка.х п давления воды во времени, прослеживается доста­ точно четкая связь между этими двумя исследуемыми факторами, хотя напряжения в процессе нагнетания и увеличиваются на незна­

работ, мы ограничимся здесь лишь краткой ссылкой на основные результаты [29, 30]. Так, по данным О. И. Чернова (табл. 8 и 9), возрастание влажности угля на 6,5% приводит к уменьшению пре­ дельной прочности угля на сжатие асж на 45 кгс/см2 , в то время как модуль упругости с приростом влаги на 4,6% уменьшается на 0,76 (кгс/см2 ) -103.

Г. Е. Пановым изучалось воздействие увлажнения на прочност­ ные показатели углей при различном давлении воды. Проведенные исследования показали, что прочностные показатели угля, увлаж­ ненного при различном давлении, снижаются неодинаково. Так,

С возрастанием влажности закономерно изменяются в более •благоприятную сторону также и такие характеристики угля, как коэффициент сцепления, угол внутреннего трения, объемная проч­ ность угля при боковом давлении.

Таким образом, в результате изучения степени и скорости из­ менения напряженно-деформированного состояния и газофильтра­ ционных свойств угольного массива при взаимодействии его с во­ дой установлена длительность всех протекающих процессов в си­ стеме «уголь — газ — вода». При увлажнении угольного пласта свойства и факторы проявляют себя по-разному. Если одни из них (напряжения в пласте, давление газа) имеют колебания лишь в

сначалом движения забоя выработки.

§5. ИЗМЕНЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕЙ

ПРИ НАГНЕТАНИИ ВОДЫ

При увлажнении угольного пласта и породы степень их дефор­ мируемости во времени (без возрастания напряжений), вызывае­ мой объемными силами, изменяется, т. е. изменяется ползучесть угля и породы. Если скорость проявления деформаций ползучести сухого (неувлажненного) угля примерно постоянна, то после увлажнения она повышается (до 30%) и в. течение первых 5 ч до­ стигает наибольших значений, после чего постепенно затухает, приближаясь к скорости ползучести сухого угля.

Имеющиеся данные позволяют сравнить интенсивность ползуче­ сти углей различной степени влажности. Вместе с тем подобные эксперименты, несмотря на всю их достоверность, обладают суще­ ственным недостатком — приложение нагрузки и деформирование угля происходят только после того, как уголь получит определен­ ное количество влаги. При этом не контролируются этап проник­ новения воды в уголь, заполнение трещин и пор. Очевидно, что динамика проникновения воды в уголь сложна, в ходе протека­ ния самого процесса в угольном массиве наблюдаются определен­ ные изменения. Для выявления этих изменений в лабораторных условиях была разработана специальная методика, предусматрн-

вающая предварительное нагружение образца с последующей за­ ливкой его водой.

Методически эксперименты проводились в следующей последо­ вательности.

В металлическую колбу помещался изготовленный из керна образец угля высотой 42 мм и диаметром 42 мм. Колба устанав­ ливалась на механический 10-тонный пресс, затем создавалась оп­ ределенная нагрузка, не превышающая 0,6—0,8 от разгружающей.

К штоку, передающему нагрузку на образец угля от плунжера пресса, крепились два индикатора часового типа с ценой деления шкалы 0,002 мм, позволяющие замерять деформации в осевом на­ правлении. В некоторых опытах измерялись также и боковые (поперечные) деформации образца.

Через 2—3 мин после установления нагрузки на образец в кол­ бу заливали воду и приступали к снятию отсчетов по индикаторам и по шкале нагрузок пресса.

Выявлено, что ползучесть увлажняемого угля, предварительно получившего нагрузку, имеет характерные особенности, отличаю­ щие этот процесс от деформирования как сухого, так и заранее увлажненного угля. Прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что развитие процесса ползучести связано с величиной пред­ варительного нагружения на образец, при этом в определенном ин­ тервале нагрузок (25—1400 кгс) ползучесть имеет отрицательные значения, при возрастании интервала нагрузок до 1700—2000 кгс деформации ползучести в первый период своего развития положи­ тельны, а в дальнейшем стремятся уменьшиться до отрицательных значений.

Отрицательная ползучесть (деформации набухания) проявля­ ется не только в осевом направлении, но и по образующей образца. Характерно, что интенсивность развития деформации в попереч­ ном направлении и осевом неодинакова, в первом случае она зна­ чительно больше. Эта разница зависит от величины постоянной на­ грузки, возрастая с уменьшением последней.

Отрицательные деформации ползучести появляются одновре­ менно с возрастанием первоначально приложенной нагрузки на образец, что фиксируется измерительным устройством пресса. Ве­ личина дополнительно возникшей нагрузки достигает 5—50 кгс.

Заливка воды после стабилизации нагрузки приводит к изме­ нению знака деформаций, после чего нагрузка начинает постепен­ но возрастать, стремясь к первоначальной величине. В некоторых случаях прирост нагрузки, связанный с заливкой воды, превышает ее первоначальное падение, связанное с ползучестью образца угля.

Из анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что существует вполне определенная величина нагрузки, позволяющая уравновесить силы набухания угля. Эта величина может быть при­ нята за давление набухания угля.

Появление отрицательных значений деформаций ползучести, проявляющихся с определенной закономерностью и связанных с

заливкой образца угля водой, позволило высказать предположение об активизации сил самодвижения воды в капиллярах при дейст­ вии механической нагрузки на образец, влекущей за собой умень­ шение пористости угля.

В дальнейших опытах заливка образцов водой производилась не сразу после нагружения образца, а спустя некоторое время, от

Результаты экспериментов показывают, что заливка образцов водой приводит к снижению скорости ползучести и ее резкому спаду. По абсолютной величине отрицательные деформации ползу­ чести превосходят первоначально накопленные деформации сухого угля и тенденции к возвращению в первоначальное состояние даже через 70—500 ч не имеют. В процессе опытов исследовалась ползу­ честь угля не только при впуске воды в колбу, но и при ее выпу­ ске (сливе). Выпуск воды способствует вновь изменению знака проявления ползучести на положительный. В некоторых опытах прослеживались многократные колебания деформаций ползучести на одном и том же образце при последовательных впусках и выпу­ сках воды. Подобный эффект проявлялся даже спустя более чем 550 ч от начала опыта (например, в 39-м опыте, где деформации ползучести возросли при выпуске воды на 50% от установившихся).

Если силы капиллярного самодвижения в образце угля дейст­ вительно столь велики, то они должны проявляться в разной степе-

ни в зависимости от остаточной газоносности этого образца. По­ этому для еще более полного изучения процесса ползучести, свя­ занного с периодом выпуска воды, были проведены следующие опыты.

Образцы из той же партии, отобранные из пласта Волковского, предварительно насыщались метаном под давлением 21—30 кгс/см2

ния деформаций ползучести при заливке воды не изменился (см. рис. 30), они также неуклонно продолжали возрастать. Следова­ тельно, наличие в мелких трещинах и порах газа препятствовало проявлению сил самодвижения воды. Для определения газонасы­ щенности образцов угля было проведено их термовакуумирование, которое показало, что уголь, специально насыщенный метаном, пе­ ред опытом содержит 12,44 см3 / г газа, в то время как содержание

первоначально приложенной механической нагрузки, причем газо­ носность угля при этом имеет немаловажное значение. Можно счи­ тать, что для эффективного использования сил самодвижения жид­ кости необходимо предварительное дренирование газа из уголь­ ного пласта до определённого значения газоносности. Учитывая, что принудительное нагнетание воды в пласт связано с раскры­ тием водой крупных трещин и пор, процесс изменения прочностных свойств массива в целом должен опережать процесс набухания угля, связанный с длительным периодом контактирования воды с углем.

§ 6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ НАГНЕТАНИЯ

При нагнетании воды через глубокие скважины задачу о рас­ пространении воды в пласте с определенными ограничениями мож­ но интерпретировать как плоскую [31].

Область насыщения угля водой в каждый момент времени t,

Для принятой схемы фильтрации выведем основные уравнения,

Предварительно рассмотрим жесткий режим фильтрации, т. е. движение несжимаемой жидкости в недеформируемой пористой среде.

откуда в результате интегрирования будем иметь

2я»А(Яс —/>,,) T i ^ ) X I n ' i d r L ~ 0 , 5 ) + 0 , 5 ] ' ( I L 7 )

Из уравнения (II. 5) найдем объем воды, нагнетаемой в пласт через одну скважину за время t,

оо

При выводе расчетных формул рассматривался жесткий режим фильтрации (движение неупругой жидкости в недеформируемой пористой среде). Поскольку в практике режим фильтрации явля­ ется упругим, интересно оценить точность приведенных выше фор­ мул в сравнении с формулами упругого режима. Дл я этого вос-