Влияние скважин НГРП на выбросоопасное состояние угольного пласта К-10 при отработке восточного крыла шахты "Сокурская"

В соответствии с современными представлениями и действующими нормативными документами для обеспечения безопасных условий разработки опасных пластов необходимо проведение заблаговременной поверхностной предварительной дегазации, причем проведение этих мероприятий должно планироваться за несколько лет до начала добычи угля. Помимо поверхностной дегазации на опасных участках должна проводиться горизонтальная дегазация угольных пластов за 1,0-1,5 км до начала добычи угля в очистном забое. В «Инструкции…» [1, пункт 4.2.3] рекомендуется: «Для интенсификации процесса дегазации угольных пластов с низкой проницаемостью…, с целью сокращения сроков дегазации применять гидроразрыв пласта через скважины, пробуренные из подземных выработок…». Мероприятия по предварительной дегазации и добыче метана должны планироваться во взаимосвязи с технологией разработки месторождения, с учетом сдвижения подработанного массива и образованием куполов внутри массива до достижения земной поверхности, на стадии отработки защитных пластов.

Однако применение гидрорасчленения пласта на стадии предварительной дегазации может оказать весьма негативное воздействие на угольный пласт, привести к образованию выбросоопасных участков на больших территориях и даже привести к невозможности дальнейшей безопасной эксплуатации месторождения. Примером может служить ситуация, возникшая на восточном крыле шахты «Сокурская», после реализации проекта заблаговременного гидрорасчленения пласта К-10 скважинами нагнетательного гидрорасчленения пласта (НГРП) с поверхности.

Восточное выемочное поле бывшей шахты «Сокурская» по пласту К-10 имеет размеры по простиранию - 1030 м, по падению - от 700 до 900 м. Глубина разработки составляет 530-690 м. Суммарные промышленные запасы превышают 4 млн. тонн высококачественного коксующегося угля. На данном участке находится основная перспектива развития шахты «Саранская» (сейчас это ее запасы). Отработка запасов восточного поля по пласту К-10 решает сразу две важные задачи - подработку более мощного высокогазоносного и опасного пласта К-12 и надработку не менее опасного и газоносного пласта К-7. Тем самым создаются все условия для высокопроизводительной работы лав, концентрации горных работ и безопасных условий труда.

В период 1985-1991 гг. с дневной поверхности для заблаговременной дегазации свиты угольных пластов были пробурены скважины для гидрорасчленения. Всего было пробурено 18 скважин НГРП (рисунок).

Расстояние между скважинами составляет 180-200 м, глубина от 690 м (в первом ряду скважины № 12-15) до 780 м в последнем ряду (скважины № 22-27). На реализацию данного проекта были затрачены большие средства, которые не принесли ожидаемого результата. За пять лет освоения с 18 скважин НГРП было каптировано всего порядка 2 млн. м3 метана (таблица 1). Многие скважины оказались практически неосвоенными. Максимальный дебит на скважине № 24 составил 518 тыс. м3 метана. При последующей отработке участка, во время ведения подготовительных работ (с 1987 по 1994 гг.) по оконтуриванию выемочного поля восточного крыла в районе неосвоенных скважин произошло сразу 6 газодинамических явлений (выбросы угля и газа) с разрушением крепления горных выработок и обильным выделением метана.

Если учесть, что на шахте за период с 1952 по 1980 годы произошло всего шесть случаев газодинамических явлений (ГДЯ), причем значительно менее опасных и по объему выделившегося метана и без нарушения крепления, более похожих на высыпание в районе геологического нарушения, то усматривается связь происшедших событий с выполненными дегазационными работами.

Имеются все основания предположить, что основной причиной происшедших ГДЯ является воздействие гидрорасчленения на состояние пласта К-10 в районе неосвоенных скважин НГРП. Для подтверждения выдвинутой гипотезы проведем анализ данных событий на основе имеющихся материалов.

Обратим особое внимание на абсолютное совпадение во времени всех ГДЯ с началом освоения скважин НГРП (начиная с февраля 1987 г., а также точное совпадение их в пространстве - все ГДЯ произошли либо в зоне действия скважин НГРП или же на площади их обработки. За период с февраля 1987 г. и до окончания подготовительных работ по оконтуриванию восточного крыла шахтного поля (май 1994 г.) произошло шесть ГДЯ [2].

Рассмотрим их в хронологическом порядке.

1) ГДЯ, которое произошло на строящемся стволе (ЦОВС), не было взято на учет, а в происшедшем обвинили подрядчиков в некачественной заливке бетонного крепления ствола. 23 июня 1987 г. в 10 час. утра произошло обрушение (вывал) на отметке -100… -115 м в районе пласта К-9 (весь вывал находился между слоями крепкого песчаника) в строящемся стволе ЦОВС в объеме 370 м3 породы и угля, с выделением метана. Забой ствола находился ниже вывала на 28 м. Буровзрывных работ на момент вывала не производилось. Наиболее вероятной причиной послужили работы по закачке воды на скважинах НГРП № 12 и 19, обработка пластов К-7 и К-10 (т.е. ближайших к стволу скважин). Радиус действия составил 230-260 м. Сам вывал произошел со стороны действующих скважин НГРП № 12 и 19.

скважина дегазация шахта горный

Таблица 1 - Данные по скважинам НГРП на шахте «Сокурская»

Выкопировка с плана горных работ по пласту К-10. Восточный блок, шахта «Сокурская»

2) Для более эффективного освоения скважин НГРП было принято решение пробурить в центре четыре скважины № 12, 13, 18 и 19 дополнительно еще одну - МД-1 № 5587. До этого произвели гидрорасчленение по всем вышеперечисленным скважинам. При закачке воды в скважину МД-1 произошло сильное ГДЯ, в результате которого «качалка» подпрыгнула и скважина сразу вышла из строя. Этот случай, произошедший в июле 1987 г., также не был принят к учету, так как не подходил ни к одному из ранее известных случаев. Другую скважину МД-2 № 5555 не стали больше испытывать, из-за опасения повторения предыдущих событий.

3) 7 марта 1991 г. в 5 час. 45 мин. в 6 восточном дренажном штреке пласта К-10 произошло ГДЯ с разрушением крепления и выбросом угля и газа в горную выработку. Основная причина, по нашему мнению, заключается в закачке воды в это время в скважину НГРП № 25 (радиус действия составил 200 м). 18 марта 1991 г ее ликвидировали (засыпали), на что имеется акт. А в ноябре 1991 г. вообще были прекращены все работы по освоению скважин НГРП. Начиная с этого времени, произошло еще три ГДЯ, но уже в зоне неосвоенных скважин НГРП.

4) 10 февраля 1992 г. в 20 час. 20 мин. в забое 6 восточного центрального вентиляционного бремсберга пласта К-10 произошло ГДЯ с выдавливанием крепления до 0,8 м и выбросом угля и газа в горную выработку. Причину этого ГДЯ и последующих двух поподробнее рассмотрим ниже.

5) 5 марта 1993 г. в 5 час. 15 мин. в забое 6-го восточного дренажного штрека пласта К-10 произошло ГДЯ с разрушением крепления и выбросом угля и газа в горную выработку.

6) 11 февраля 1994 г. в 2 час. 10 мин. в забое 6 восточного конвейерного штрека пласта К-10 произошло ГДЯ с разрушением крепи и выбросом угля и газа. Примечательно, что в это же время в одном створе находился и нижний забой 6-го восточного дренажного штрека пласта К-10, где также произошел выброс, но значительно меньшей силы и без разрушения крепления.

Мощность разрабатываемого пласта К-10 на восточном крыле сравнительно выдержана и равна 3,2 метра. Непосредственная кровля пласта К-10 сложена слабыми породами с большим количеством прослойков, склонных к расслаиванию с крепостью аргиллита на сжатие до 20 МПа (200 кг/см2) и характеризуется как неустойчивая кровля. Почва пласта К-10 на данном выемочном поле сложена весьма крепкими алевролитами усж = 35 МПа (350 кг/см2) и характеризуется как прочная. По данным геологоразведочных работ, на оцениваемом участке природная газоносность составляет 19-20 м3/т. По отдельным пробам на газ величина природной газоносности оказалась даже несколько выше: на скважине № 20050 - 21,3 м3/т; скважине № 14969 - 23,7 м3/т.

Данные, приведенные в таблице 2, свидетельствуют о том, что заблаговременную дегазацию пластов скважинами НГРП осуществить не удалось, так как объем откачанной воды значительно меньше общего объема закачанной воды.

Таблица 2 - Объемы закачанной и откачанной воды по скважинам НГРП

Во всех без исключения случаях при обследовании забоев, где произошли указанные ГДЯ, угольный пласт имел высокую степень трещиноватости. Кровля пласта или же район контакта кровли и пласта были нарушены, перемяты угольные и породные пачки. Два ГДЯ приурочены к геологическим нарушениям, где вероятность их образования намного выше, чем в ненарушенном пласте.

При подходе к местам возникновения ГДЯ проходка сопровождалась обильным газовыделением. Такое состояние пласта наблюдалось практически во всех местах неосвоенных скважин НГРП. Начиная с 1991 года (после первого ГДЯ, происшедшего в шахте) проходка выработок с восточной стороны стала производиться с противовыбросными мероприятиями. При этом предполагалось проводить восточный дренажный штрек пласта К-10 со значительным опережением от конвейерного штрека и бурить уже из него дегазационные разведочные скважины длиной 22-27 м и диаметром 80 мм с расчетом перебура контура будущего конвейерного штрека не менее чем на 4 метра, и проведения здесь дегазации пласта.

При бурении данных опережающих дегазационных скважин было отмечено высокое газовыделение в выработку во время бурения, повышенный выход штыба. Снаряд в скважине постоянно «зажимало», из скважины «выплевывало» буровую мелочь и воду, а иногда и сам снаряд.

Из четырех последних ГДЯ два произошли не в зоне геологического нарушения, а два приурочены к ним. Во всех без исключения случаях пласт имел высокую степень трещиноватости. Такое состояние пласта наблюдалось во многих местах в районе действия скважин НГРП.

Эти данные подтверждают принятую гипотезу о высокой степени выбросоопасности пласта в районе действия неосвоенных скважин НГРП. Изучив представленный материал, сопоставив результаты как во времени, так и в пространстве, можно констатировать факт: основными причинами всех газодинамических явлений на восточном крыле шахтного поля шахты «Сокурская» являются выбросоопасные зоны неосвоенных скважин НГРП по пласту К-10 и прямое воздействие гидрорасчленения на состояние этих пластов. Нетронутый массив (разрабатываемый угольный пласт, находящийся на большом удалении от зон ПГД, скважин НГРП и ведения БВР), не представляет такой опасности, как в зонах негативного влияния техногенной деятельности человека.

Так, например, на шахте «Сокурская» все подготовительные забои по любому из трех разрабатываемых пластов (К-12, К-10 и К-7) в нетронутом массиве отличались высокой скоростью проходки (до 180 п.м./месяц), более низким газовыделением (проходка велась с одним вентиляционным ставом до 500 м), с хорошей устойчивостью горных выработок и низкой степенью выбросоопасности даже в зоне геологических нарушений.

В соответствии с «Методикой определения параметров гидрорасчленения угольных пластов для условий Карагандинского бассейна» [3], утвержденной техническим директором ПО «Карагандауголь» 29.07.87 г., эффективный радиус (Rэф) гидравлического воздействия скважин НГРП равен 120-140 м. Для построения выбросоопасных зон для условий шахты «Сокурская» эффективный радиус гидравлического воздействия (Rэф) примем равным 150 м (несколько большим по сравнению с [3] (приложение 12), так как данные скважины оказались неосвоенными). На рисунке схематично показана граница «зоны влияния» скважин НГРП, внутри которой можно выделить площади от воздействия на пласт только одной скважины (это крайние районы), есть зоны двойного наложения, имеются зоны тройного наложения скважин НГРП и есть даже зоны наложения четырех скважин сразу. В результате выявлены и классифицированы следующие зоны выбросоопасности: угрожаемая (от воздействия только одной скважины); опасная (от воздействия 2 скважин); особоопасная (от воздействия 3 скважин НГРП) и сверхкатегорийная зона от воздействия 4 и более скважин.

Как видно из выкопировки с плана горных работ (рисунок), все три последних ГДЯ произошли именно в особоопасных зонах, указанных нами на плане, а ГДЯ на скважине МД-1 произошло в сверхкатегорийной критической зоне. Площадь всей опасной зоны составляет 960 тыс. м2, в том числе площадь особоопасной зоны - 250 тыс. м2 и площадь критической зоны - 60 тыс. м2.

Если некоторая площадь (по 10 м в стороны от пройденных выработок) по внезапным выбросам была нейтрализована (дегазировалась, разрядилась от концентрации напряжений), то в дальнейшем предстоит сделать очень многое, чтобы избежать аналогичных ГДЯ в оставшихся особо выбросоопасных зонах как по пласту К-10 , так и по пластам К-12 и К-7.

После ГДЯ № 3 и 4 темпы проходки резко упали с 189 п.м./месяц в нетронутом массиве (в течение 9 месяцев) и 140 п.м./месяц в защищенной зоне и зоне пассивного ПГД (в течение 3 месяцев) до 78 п.м./месяц - в зоне неосвоенных скважин НГРП (в течение 15 месяцев). Было потеряно порядка 10 месяцев времени подготовки горизонта.

На момент закрытия выработок 6 горизонта (на 01.01.95 г.) состояние пройденных горных выработок в нетронутом массиве - отличное (по наблюдениям в течение 5 лет, шаг крепления через 0,75 п.м.). Состояние же горных выработок в зоне неосвоенных скважин НГРП - удовлетворительное (по наблюдениям в течение 1-1,5 года при шаге крепления 0,5 п.м.). Потери по высоте составили от 0,5 до 1 м, а по сечению - до 4 м2.

Существенно ухудшились экономические показатели. Резко возросли затраты в первую очередь на проведение противовыбросных мероприятий в зонах неосвоенных скважин НГРП, что также повлияло на темпы проходки. Одна бригада работала в двух оснащенных проходческими комбайнами забоях, где один забой всегда работал по проходке, а другой - стоял на «профилактике». При бурении разгрузочных скважин (до 12 скважин на один куст) в выработку выделялось дополнительно большое количество метана, что влекло за собой дополнительные меры по увеличению объема поступающего в забои воздуха. Для примера, если в забоях нетронутого массива до 500 п.м. выработки проходилось с одним вентиляционным ставом, то в зонах неосвоенных скважин до 350 п.м. выработки проходились уже с двумя ставами диаметром D = 800 мм.

Помимо экономических показателей также резко ухудшились условия безопасности работы в забое.

Все полученные опасные зоны от вредного влияния неосвоенных скважин НГРП будут иметь место и по другим неосвоенным пластам свиты: К-12 и К-7 при освоении этих пластов. А это значит, что в будущем предстоит понести немало дополнительных затрат на противовыбросные мероприятия, что повлечет за собой уменьшение темпов проходки, а вместе с ним отодвигаются сроки пуска горизонта в эксплуатацию.

Анализ опыта применения скважин НГРП в нетронутом горном массиве на восточном крыле шахты «Сокурская» и работы подготовительных забоев в зоне неосвоенных скважин позволяет сделать следующие выводы:

- применение скважин НГРП в нетронутом массиве неэффективно, большинство скважин имели практически нулевой каптаж метана;

- огромные затраты на бурение, освоение скважин НГРП, а также материалы, потребление электроэнергии и транспортные расходы потрачены впустую;

- как показали дальнейшие события, шахте нанесен большой ущерб в виде образованных выбросоопасных зон на всех трех пластах свиты: К-10, К-12, К-7;

- в результате проведенных мероприятий и их последствий под угрозу поставлена перспектива развития шахты, так как могут произойти значительные срывы сроков пуска горизонта и пуска лав на этом крыле шахтного поля;

- на ликвидацию последствий этих работ предстоит потратить огромные дополнительные средства либо вообще отказаться от разработки данного участка.

Трудно указать хотя бы на один положительный результат от внедрения скважин НГРП на восточном крыле шахтного поля. Из-за большой трещиноватости пласта, вызванной гидрорасчленением (особенно по пласту К-10), значительно ухудшатся условия безопасности работы людей в забоях при ведении подготовительных, а в будущем и очистных работ. Будут образовываться купола обрушения, которые потребуют дополнительных затрат в подготовительных забоях и лавах на их закладку или бурение шпуров с установкой шильев, и как результат - резкое снижение темпов проходки и угледобычи.

Скважины могут также привести и к затоплению горных выработок при подходе к ним. По нашим оценкам, на вышележащих горизонтах восточного крыла шахты находится порядка 170 тыс. м3 воды.

И, наконец, еще один аргумент не в пользу скважин НГРП. При сравнении ее с простой ВДС (вертикальной дегазационной скважиной) - это ее стоимость и производительность. Для примера - 4 ВДС, пробуренные в лаве 53К-7-ЮЗ выдали 20 млн. м3 метана за 1,5 года, а 18 скважин НГРП - за 5 лет освоения всего 2 млн. м3 метана.

Вопреки существующему мнению о том, что гидродинамическое воздействие на угольный пласт приносит только положительный эффект и направлен против возникновения и развития внезапных выбросов угля и газа при ведении подготовительных и очистных работ в зонах влияния скважин НГРП [4], существуют условия, при которых данный способ, напротив, может способствовать образованию выбросоопасных зон. Практика применения скважин НГРП на шахте «Сокурская» показала, что применение гидрорасчленения пласта эффективно только в непосредственной близости от очистного забоя и должно рассматриваться в единой технологической схеме с добычей угля. На стадии предварительной дегазации, при обработке нетронутых угольных массивов этот метод имеет отрицательные последствия, приводит к образованию выбросоопасных зон и проблемам при дальнейшей отработке месторождения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа // МУП СССР. М.: Недра, 1977. 159 с.

2. Обстоятельства и причины аварий, произошедших на шахтах Карагандинского угольного бассейна (1978 - 2004 гг). Караганда: ЦНТИ, 2004.

3. Методика определения параметров гидрорасчленения угольных пластов для условий Карагандинского бассейна / ПО «Карагандауголь». Караганда, 1987.

4. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Гос. науч.-техн. изд-во литературы по горному делу, 1961. 364 с.

Размещено на Allbest.ru