Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Важнейшая характеристика угольных пластов связывается со степенью их газоотдачи. Зоны с повышенной газоотдачей представляют собой в большинстве случаев и зоны внезапных выбросов угля и метана в шахтах при вскрытии угольных пластов. На сегодняшний день насчитывается около 150 теорий, которые делают попытки объяснения механизма внезапных выбросов угля и метана [1–4]. Первый внезапный выброс угля и газа был зафиксирован в 1812 г. в Англии. В недавней работе [5] предложен механизм внезапных выбросов угля и метана, который состоит из двух составляющих. Первая из них представляет собой геодинамический процесс в области опорного давления. В этой зоне происходит повышение силового воздействия на угольный пласт, а более точно, на его надмолекулярную структуру, то есть на наноструктуру угля [6]. Вторая из них представляет собой энергетический процесс, который состоит из увеличения тепловой энергии, испускаемой атомами угольного вещества. Проявление внезапного выброса угля и метана обнаруживается в угольном пласте, который содержит аномальную метаноемкость (опять же в наноструктуре угля), т.е. зону с повышенной газоотдачей.

В настоящей работе излагается термодинамический подход для получения уравнения, которое позволяет использовать гамма-метод в скважинах для измерения удельного газовыделения и обнаружения зон с повышенной газоотдачей.

Рис. 1. Схема зондов радиометрии скважин [7] 1 – детекторы гамма-излучения (Г), тепловых (Т) и надтепловых (Н) нейтронов; источники: 2 – гамма-излучения; 3 – быстрых нейтронов; 4 – вещество, хорошо поглощающее гамма-кванты (Pb, Fe и т.п.); 5 – водородсодержащее вещество, рассеивающее и поглощающее нейтроны (парафин, полиэтилен и т.п.); УТ – ускорительная трубка генератора нейтронов; ВБ – высоковольтный блок; ЭС – электронная схема прибора

Таблица 1

Средние значения параметров при внезапных выбросах угля и газа при проведении подготовительных выработок на шахтах Карагандинского угольного бассейна

Материалы и методы исследования

Здесь мы изложим результаты использования гамма-метода в различных модификациях [7]. Использование гамма-метода в скважинах с помощью прибора, который имеет детектор гамма-излучения и схему электроники (рис. 1).

Эта схема питает индикатор, который служит для усиления принятых сигналов и передачу их кабелем на поверхность. Чаще всего используют многоканальные приборы, в которых помимо гамма-метода регистрируют и сигналы с нейтронного гамма-метода. Середина детектора отмечает точку записи ГМ. На измерения, осуществляемые при помощи модуля гамма-каротажа, рабочая среда скважины оказывает относительно небольшое влияние, так как измерения обычно осуществляются в скважине калиброванного диаметра и при сравнительно низких объемах бурового раствора при смещении бурильной колонны.

В табл. 1 излагаются результаты нашей работы [8], которую мы будем использовать дальше при анализе процесса внезапных выбросов угля и газа (ВВУГ).

Результаты исследования и их обсуждение

Использовать гамма-метод для исследования угольных месторождений можно по той причине, что коэффициенты, по которым происходит ослабление гамма-излучения, и коэффициенты, по которым происходит преобразование первичных излучений во вторичные, линейно зависят от плотности угольного пласта. При этом важную роль играет и содержание в нем полезного для исследования компонента. Диффузионное приближение предполагает явную зависимость рассеяния в веществе гамма-излучения [9]:

J / J0 = Jотн = const ∙ ρ / Re–ξ, (1)

где ρ – плотность вещества, ξ = μρR, μ – коэффициент ослабления гамма-излучения; R – протяженность зонда. В случае (R→0) выражение (1) имеет вид [9]:

J / J0 ≈ const ∙ (1 / μэф), (2)

где μэф = μ / ρ. В случае селективного гамма-метода вместо (2) мы имеем [9]:

μ = σф ∙ ρ ∙ NA / A, σф = соnst ∙ Z4эф / Е3γ , (3)

где А – атомный вес элемента; NA – число Авогадро; Zэф – эффективный атомный номер исследуемого угольного пласта; qi – процентное содержание i-го элемента в угле; Zi – атомный номер элемента в таблице Менделеева; Еγ – энергия гамма-излучения источника.

Параметр Zэф предназначен для сравнения угольных пластов по их гамма-лучевому отличию. Особенно это актуально для углей разной степени метаморфизма, который выделяет угольные пласты по их маркам (Б, Д, К, Ж и т.д.). Кроме этого по Zэф определяется содержание того или иного химического элемента, который содержится в угольном пласте. Однако результаты подробного анализа, которые получаются при использовании детекторов гамма-метода, осложняются их зависимостью от геометрии и структуры зондов (рис. 1). Проявляется также зависимость от физико-химических свойств угольного пласта, в частности от содержания влаги, которые образуют флюидно-метасоматическое преобразование угля на участке тектонического нарушения [7]. Но поскольку сам гамма-метод не чувствует процессы рассеяния излучений, которые происходят на микроуровне из-за значительной величины энергии Еγ гамма-квантов, превосходящей энергию магнитных диполей в угле, то функция отклика из нашей работы [7] примет вид

1 – Jотн = –В(CFe / G0Eγ), (4)

где В = (kТ)2/С, С = 2ΔS/k – постоянная для данного элемента и источника гамма-излучения; ΔS – изменение энтропии при квантовом переходе из возбужденного состояния в основное, равное ΔS = NЕ2γ / 2kT2, где N – среднее число атомов элемента в горной породе или руде; G0 – энергия Гиббса горной породы или руды.

Окончательно, модифицируя [7], для газоносности угольного пласта имеем

c0 = χ ∙ (1 – Jотн). (5)

Полученное уравнение (5) будем применять для использования гамма-метода в скважинном каротаже. При этом условие постоянства энергии зонда будет соблюдаться. Покажем это. Прежде всего воспользуемся работой [10] (рис. 2) и определим зольность пласта К10 (табл. 1) на шахте «Абайская» по параметру Jотн. Затем воспользуемся работой [11], где зольность пласта К10 указана в табл. 2.

Рис. 2, а, показывает, что относительный параметр Jотн спадает от зольности по экспоненте, т.е. Jотн = ехр(-Аº). Разлагая экспоненту в ряд и ограничиваясь первыми двумя членными, будем иметь

Аº = 1 – Jотн. (6)

Сравнивая рис. 2, а, и 2, б, видим, что относительный параметр Jотн связан с электрическим сопротивлением ρК через зольность Аº линейным образом, типа Jотн (мкР/час) = φ ρК (Ом м), где коэффициент φ осуществляет соотношение размерностей величин.

Рис. 2. Графики корреляционной связи относительного параметра Jотн (а) и электрического сопротивления ρК (б) с зольностью угольных пластов Аº, %, [10]

Таблица 2

Результаты технического анализа (неполные данные) [11]

Теперь обратимся к табл. 1 и возьмем значение глубины h = 410 м и удельного газовыделения с0 = 66 м3/т для пласта К10, тогда по рис. 2, а, при Аº = 10,7 % мы получим (1–Jотн) = 0,38. Тогда в формуле (5) коэффициент χ = 1,7 102 и выражение (5) имеет вид

c0 = 1,7 ∙ 102 ∙ (1 – Jотн) (7)

Уравнение (7) можно использовать для измерения удельного газовыделения с0 и тем самым по ее значению определять зону повышенной газоотдачи, способной к внезапному выбросу угля и метана. Теперь, подставляя в это уравнение относительный параметр Jотн для угольного пласта К10, получим

Jотн ≈ 0,61 мкР/час (8)

Таким образом, если относительный параметр Jотн < 0,61 (мкР/час), то угольный пласт в Карагандинском бассейне опасен к внезапным выбросам угля и газа, то есть он входит в зону с повышенной газоотдачей. Теперь сравним табл. 1 из взрывоопасных зон с результатами из невзрывоопасных зон, представленных в табл. 3.

Таблица 3

Значения газопроницаемости угольных пластов по напластованию угольных пластов невзрывоопасных зон Карагандинского бассейна [11]

Наибольшими значениями газопроницаемости по напластованию угольных пластов невзрывоопасных зон имеют пласт К12 и пласты долинской свиты Д1, Д5 и Д6. В Карагандинском бассейне глубина зоны газового выветривания составляет 50–230 м. На этих глубинах газоносность угольных пластов достигает 25–30 м3/т, а газоносность пород – 4–6 м3/т.

Сравнение табл. 1 и табл. 3 показывает, что угольные пласты взрывоопасных зон почти в 25–30 (пласт К10) больше, чем у невзрывоопасных зон Карагандинского бассейна. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что вероятной причиной образования зон с повышенной газоотдачей считается, на наш взгляд, образование флюидизации ископаемых углей. Наряду с этим нужно учитывать и напряженно-деформированное состояние между угольным пластом и окружающей его породой.

Заключение

Описан экспериментальный метод использования гамма-метода для обнаружения зон с повышенной газоотдачей. Использование гамма-метода в скважинах с помощью прибора, который имеет детектор гамма-излучения и схему электроники. Эта схема питает индикатор, который служит для усиления принятых сигналов и передачу их кабелем на поверхность. Беря в качестве функции отклика Ф относительную интенсивность рассеянного гамма-излучения Jотн с энергией Еγ, получаем уравнение, которое можно использовать для измерения удельного газовыделения с0.. В результате получено, что если относительный параметр Jотн < 0,61 (мкР/час), то угольный пласт в Карагандинском бассейне опасен к внезапным выбросам угля и газа, то есть он входит в зону с повышенной газоотдачей.

Глубина угольных шахт и их простирание могут изменять сам механизм процесса выброса угля и газа. Изменяться может и процесс разрушения угольных пластов, включая их кровлю. Изменяться может и сам процесс газовыделения. Многие эти процессы пока не учитываются ни при исследовании угольных пластов, ни при их добыче, поскольку каждый угольный пласт отличается даже от близлежащего степенью метаморфизма, мощностью пласта, влажностью и т.д.

Результаты проведенных исследований показывают, что их нужно обязательно сопоставлять с другими методами, проведенными в скважинах того же типа. Это могут быть методы акустического каротажа, методы электрического каротажа и пр.