Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МЕТОД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАММА-МЕТОДА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗОН С ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООТДАЧЕЙ

Муллагалиева Л.Ф. 1 Баймухаметов С.К. 1 Портнов В.С. 1 Юров В.М. 1 Мадишева Р.К. 1
1 Карагандинский технический университет
Зоны с повышенной газоотдачей представляют собой в большинстве случаев и зоны внезапных выбросов угля и метана в шахтах при вскрытии угольных пластов. 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. 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. Полученное в работе уравнение можно использовать для измерения удельного газовыделения с0 и тем самым по ее значению определять зону повышенной газоотдачи, способной к внезапному выбросу угля и метана. Если относительный параметр Jотн < 0,61 (мкР/час), то в угольном пласте в Карагандинском бассейне высок риск внезапных выбросов угля и газа, то есть он входит в зону с повышенной газоотдачей. 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.
гамма-метод
гамма-излучение
газовыделение
прибор
детектор
индикатор
угольный пласт
выброс угля и газа
метан
1. Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е. Внезапные выбросы и взрывы метана: прогнозирование и предотвращение. Ростов н/Д.: Логос, 2005. 248 с.
2. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е. Внезапные выбросы метана: теоретические основы. М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с.
3. Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А. Физическая кинетика системы угольный пласт – метан: массоперенос, предвыбросные явления // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 3. С. 46–65.
4. Булгаков Ю.Ф., Овчаренко В.Л. Проблемы безопасной разработки выбросоопасных пластов. Донецк, 2015. 84 с.
5. Колесниченко И.Е., Колесниченко Е.А., Любомищенко Е.И., Колесниченко Е.И. Механизм внезапных выбросов метана в угольных пластах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 1. С. 108–120.
6. Портнов В., Юров В., Рева М., Маусымбаєва А., Иманбаєва С. Наноструктуры в поверхностных слоях угольного вещества // Вестник Киевского национального университета имени Тараса Шевченко. Геология. 2021. № 4 (95). С. 54–62.
7. Портнов В.С., Юров В.М., Маусымбаева А.Д., Талерчик М.П., Желаева Н.В. Использование геофизических методов исследования скважин для обнаружения зон с повышенной газоотдачей // Автоматика. 2014. № 1. С. 25–28.
8. Портнов В.С., Филимонов Е.Н., Ахматнуров Д.Р., Мусин Р.А., Маусымбаева А.Д. Оценка газоносности пласта К10 в условиях Шерубайнуринского участка на основе данных фактического газовыделения // Комплексное использование минерального сырья. 2016. № 2. С. 3–10.
9. Очкур А.П. Гамма-методы в рудной геологии. М.: Недра, 1976. 320 с.
10. Зубкова В.В., Еджеевич П., Гебска У. Влияние температуры нагревания на изменение удельного электросопротивления твердых остатков термической деструкции спекающихся углей // Кокс и химия. 2000. № 9. С. 16–22.
11. Зейнуллин А.А., Хасен Б.П., Ожогин Т.В., Крысин А.В., Лис С.Н. Ключевые параметры углей карагандинского бассейна для добычи метана угольных пластов // Геология и охрана недр. 2016. № 2 (59). С. 12–23.

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.

missing image file

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

Шахта

Год ВВУГ

Глубина

отработки, м

Количество выброшенной горной массы, т

Объем выделившегося метана, м3

Дальность отброса горной массы, м

Удельное

газовыделение,

м3/т

Шахтинская

1971

300

15

660

5,2

44

им. Ленина

1976

410

550

36 000

50

66

им. Ленина

1978

427

61

9 800

11

161

им. Ленина (при проходке ствола)

1978

435

380

27 933

5,5

73

им. Ленина

1983

350

145

10 000

18

69

им. Ленина

1985

317

50

2 040

20,2

41

Казахстанская

1989

466

110

10 000

12

91

Казахстанская

1989

478

1 200

250 000

104

208

им. Ленина

1995

545

640

550 000

66

860

им. Ленина

1998

580

3 250

1 300 000

236

650

Тентекская

2008

542

1 087

414 085

107

381

Тентекская

2009

485

1 076

74 763

95

107

Казахстанская

2012

524

370

29 524

36

79,8

Казахстанская

2020

636

842

161 645

84

192,1

Средние значения

 

429

698

205 465

60,7

215,9

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.

missing image file

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]

Номер

пробы

Скважина

Угольный

пласт

Глубина

отбора проб

Технический анализ

Влажность

W, %

Зольность

Аº, %

Выход

летучих

Vdaf, %

Удельный

вес d,

г/см3

9

Т5

К10

426

1,36

10,7

23,4

1.48

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]

Пласт

Интервал глубин, м

Газопроницаемость,

м2/т

К10

400

2,60

600

0,31

800

0,09

К12

400

4,72

600

0,59

800

0,15

Д1–Д5

400

9,95

600

1,28

800

0,32

Д6

400

6.61

600

0,85

800

0,22

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.


Библиографическая ссылка

Муллагалиева Л.Ф., Баймухаметов С.К., Портнов В.С., Юров В.М., Мадишева Р.К. МЕТОД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАММА-МЕТОДА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗОН С ПОВЫШЕННОЙ ГАЗООТДАЧЕЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2022. – № 7. – С. 100-104;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=39240 (дата обращения: 18.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674