Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы, цель и задачи исследования 16
1.1 Проблемы угольного метана при подземной разработке газоносных месторождений 16
1.1.1 Тенденции совершенствования подземной добычи угля в России 16
1.1.2 Метанообильность угольных шахт России 25
1.2 Анализ методов прогноза ресурсов и объемов выделения угольного метана в шахтах 28
1.3 Анализ рациональных способов извлечения метана угольных месторождений 34
1.4 Анализ параметров и эффективности способов дегазации угольных шахт 37
1.5 Цель, задачи и методы исследования 50
Выводы 51
2 Исследование газодинамических процессов в угольных пластах и очистных забоях 55
2.1 Исследование газодинамических процессов на участках пласта с различным напряженно-деформированным состоянием массива 56
2.2 Исследование газоотдачи не разгруженных от горного давления угольных пластов в пробуренные вкрест пласта скважины 58
2.3 Исследование закономерностей выделения метана из угольных пластов в подготовительные выработки 61
2.4 Исследование закономерностей выделения метана из угольных пластов в скважины предварительной дегазации 78
2.5 Исследование динамики изменения газоносности угольного пласта вблизи подготовительной выработки и дегазационной скважины 83
2.6 Исследование степени дегазации разрабатываемого пласта подготовительной выработкой и дегазационной скважиной 88
2.7 Особенности скважинной дегазации угольных пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа 91
2.8 Обоснование методов определения показателей газоотдачи угольных пластов в скважины и параметров предварительной дегазации 98
2.9 Исследование интенсивности метановыделения в очистных забоях 105
2.9.1 Исследование газоносности пласта и динамики ее изменения вблизи очистного забоя 105
2.9.2 Исследование интенсивности метановыделения в очистных забоях от среднесуточной и сменной добычи угля 111
Выводы 121
3 Разработка скважинных способов интенсивного извлечения метана из неразгруженных угольных пластов 124
3.1 Исследование динамики и показателей истечения метана из угольных массивов в пластовые перекрещивающиеся скважины 125
3.1.1 Схемы дегазации пласта с использованием перекрещивающихся скважин 125
3.1.2 Динамика и показатели истечения метана из угольных пластов в перекрещивающиеся скважины 131
3.2 Оценка эффективности способов дегазации разрабатываемых уголь
ных пластов перекрещивающимися скважинами 142
3.2.1 Шахты Содружества независимых государств (СНГ) 142
3.2.2 Шахты Китая 148
3.3 Влияние крепости угля на продуктивность перекрещивающихся скважин 156
3.4 Результаты промышленного внедрения способа дегазации с использованием перекрещивающихся скважин 160
Выводы 164
Разработка способов газогидроимпульсного воздействия на угольный массив 168
4.1 Обоснование параметров воздействия на пласт угля импульсами высокого давления для повышения его проницаемости 168
4.2 Разработка способов и средств газогидроимпульсного воздействия на массив угля 171
4.3 Результаты стендовых испытаний газогенератора импульсов высокого давления 177
4.3.1 Результаты стендовых испытаний газогенератора импульсов высокого давления конструкции ФЦДТ «Союз» 177
4.3.2 Результаты стендовых испытаний скважинного газогенератора импульсов высокого давления конструкции ОАО «Корпорация «Компомаш» 181
4.4 Предложения по способам подготовки угольных пластов к безопасной отработке по газовому фактору на основе дегазации с предваритель ным гидроимпульсным воздействием на массив угля через пластовые скважины 190
Выводы 191
Разработка способов и обоснование параметров комплексной дегазации угольных пластов на участках ведения очистных работ 195
5.1 Условия применения и варианты способов комплексной дегазации на высокопроизводительных выемочных участках 195
5.2 Влияние скорости подвигания очистного забоя на эффективность подземных способов дегазации сближенных пластов и выработанных пространств 203
5.3 Особенности, режимы и параметры наземной дегазации разгружаемых от горного давления сближенных пластов угля и выработанных пространств 210
5.4 Способы и параметры извлечения кондиционных по метану газовоздушных смесей из угольных шахт 221
5.5 Оптимизация задачи определения параметров дегазации при очистной выемке угля 233
Выводы 243
6 Методические основы проектирования дегазации высокопроизводительных угольных шахт 249
6.1 Концепция ведения дегазационных работ на угольных шахтах 249
6.2 Технологические требования к дегазационным системам угольных шахт 253
6.3 Методические основы определения исходных данных для проектирования дегазации угольных шахт 255
6.3.1 Эффективность дегазации 255
6.3.2 Дегазация разрабатываемых угольных пластов 258
6.3.3 Дегазация сближенных угольных пластов 260
6.4 Оценка ресурсов угольного метана и объемов его извлечения на дейст вующих и ликвидируемых шахтных полях 263
6.4.1 Исходные данные 263
6.4.2 Оценка ресурсов метана на горных отводах действующих шахт.. 264
6.4.3 Определение объемов извлечения дегазационного метана 279
6.4.4 Ресурсы метана на горных отводах ликвидируемых шахт 281
6.5 Реализация результатов исследования способов и параметров интен
сивного извлечения кондиционных по метану газовоздушных смесей... 282
6.5.1 Реализация результатов исследования в нормативных и методических документах 282
6.5.2 Рекомендации по выбору способов и определению параметров дегазации угольных пластов на высокопроизводительных выемочных участках (на примере лав 24-48 и 25-90 шахты им. СМ. Кирова) 286
6.6 Экономический эффект от внедрения новых разработок 312
Выводы 321
Заключение 325
Список использованных источников
- Метанообильность угольных шахт России
- Исследование закономерностей выделения метана из угольных пластов в скважины предварительной дегазации
- Динамика и показатели истечения метана из угольных пластов в перекрещивающиеся скважины
- Результаты стендовых испытаний газогенератора импульсов высокого давления
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения безопасных условий труда на угольных предприятиях России и других стран СНГ за последние годы приобретает все более острый характер Интенсивная отработка угольных пластов сопровождается обильными метановыделениями в горные выработки, что при нарушении проветривания формирует условия для загазирования подготовительных и очистных забоев, повышает вероятность воспламенений и взрывов метановоздушной смеси Особые опасения вызывают крупные аварии с групповыми несчастными случаями, о чем свидетельствуют взрывы метановоздушных смесей, произошедшие в последние годы на шахтах России, Украины и Казахстана Вместе с тем содержащийся в угольных месторождениях метан является одним из видов экологически чистых минерально-сырьевых ресурсов Его целесообразно извлекать из углегазовых месторождений попутно с добычей каменного угля Это наиболее экономичный способ добычи угольного метана
В Российской Федерации из 89 действующих шахт 80% отнесены к опасным по метану, из них 48% шахт являются наиболее метанообильными и только 25% шахт работают с дегазацией угольных пластов н выработанных пространств Дегазационными системами шахт извлекается 475 м3/мин метана, что составляет 25% выделяющегося метана в шахтах РФ, или третью его часть в шахтах с дегазацией Объемы использования каптируемого метана не превышают 40 млн м3 в год, а в атмосферу Земли ежегодно выбрасываются 1,25-1,3 млрд м3 угольного метана
В последние годы коэффициент извлечения метана из угольных месторождений РФ средствами дегазации не превышает 0,25 В Кузбассе он составляет в среднем 0,15-0,17, а на шахтах с дегазацией - 0,23-0,26 В Воркуте этот показатель значительно выше и достигает 0,39-0,43 по шахтам ОАО «Воркутауголь» На шахтах ОАО «Воркутауголь» метан извлекается только средствами дегазации, а на шахтах Кузбасса на долю дегазации приходится 24% всего метана, извлеченного средствами дегазации и газоотсоса Дегазационными установками на российских шахтах каптируется только 1750 м3/мин метановоздушной смеси при средней концентрации в ней метана - 27% Объемы извлечения метана средствами дегазации на добычных участках составляют 250 млн м3/год (9,5 м3/т) и даже при существующей технике и технологиях дегазации могут быть повышены в 1,5-1,7 раза в Кузнецком бассейне и в 1,2-1,3 раза в Воркутском месторождении, что позволит довести объемы каптируемого метана в очистных забоях до 150-170 м3/мин в шахтах Кузбасса и до 285-310 м3/мин - в шахтах Воркуты В перспективе в Кузбассе возможно трехкратное, а в Воркуте - двукратное увеличение съема метана средствами дегазации Коэффициент извлечения метана на шахтах с дегазацией может быть повышен до 0,35-0,40 в Кузбассе и до 0,45-0,50 в Воркуте
Из числа ликвидируемых шахт извлечение и использование метана целесообразно только на шахтах, закрытие которых предусмотрено «сухим» или «комбинированным» способами К их числу относятся шахты «Капитальная», «Зыряновская», «Байдаевская», «Полысаевская» и «Западная» Однако опыта извлечения и утилизации метана закрываемых шахт в России пока нет
Целью работы является научное обоснование технологических решений по извлечению метана из угольных пластов при подземной разработке газоносных угольных месторождений на основе установления закономерностей выделения метана в горные выработки и скважины при высокоинтенсивной отработке газоносных пластов угля, разработки новых способов и обоснования параметров извлечения метана для повышения безопасности горных работ по газовому фактору, проектирования дегазации угольных шахт и прогноза ресурсов эмиссионного метана
Идея работы заключается в комплексном учете природных, горнотехнических и газодинамических факторов, особенностей и показателей метановы-деления при высокоингенсивной отработке газоносных пластов угля, закономерностей и показателей их газоотдачи в горные выработки, скважины и дегазационные системы шахт режимов и параметров извлечения средствами дегазации кондиционных метановоздушных смесей, пригодных для утилизации
Методы исследования включали анализ литературных и фондовых материалов, патентные исследования, изучение газоносности и газопроницаемости угольного массива, теоретические и экспериментальные исследования газодинамических процессов, протекающих в массиве горных пород, вмещающем угольные пласты, наблюдения процессов газовыделения в горные выработки, скважины и дегазационные системы, стендовые исследования режимов и параметров газогидроимпульс-ного воздействия на горный массив, оптимизацию выбора способов и определения параметров дегазации источников метановыделения Данные обширных шахтных наблюдений и экспериментов, проведенных с применением апробированных методик, обрабатывались методами математической статистики, а соответствие зависимостей фактическим данным проверялось методами корреляционного анализа
Основные научные положения, выносимые на защиту
Газодинамические процессы, протекающие в угольном пласте и количественно оцениваемые интенсивностью выделения метана из массива угля в скважины, подготовительные и очистные выработки, существенно связаны с природными свойствами пласта, перераспределением вертикальной составляющей горного давления в углепородном массиве и производительностью очистных забоев Точки перегиба на кривой интенсивности газовыделения являются границами перехода газо-содержащего массива угля из одного напряженного состояния в другое Местоположение максимума на кривой газовыделения определяет область наиболее интенсивного выделения метана в горные выработки и скважины относительно линии очистного забоя Основными факторами, определяющими ее координаты, являются величина междупластья и скорость движения очистного забоя
Величина интенсивности метановыделения в скважину в зоне природной проницаемости угольного пласта определяется временем начала процесса истечения газа, газосодержанием в прилегающем к скважине угольном массиве, газоотдачей пласта, характеризуемой величиной начального удельного метановыделения и скоростью его снижения во времени Начальное метановыделение в дегазационные скважины пропорционально начальному метановыделению из пласта в подготовительную выработку и зависит от метаноносности и мощности пласта, а скорость его снижения во времени - от глубины залегания пласта, его мощности и выхода летучих веществ Скорость возрастания во времени обратной величины удельного мета-
новыделения в подготовительные выработки и дегазационные скважины на участках исследуемого пласта с природной проницаемостью практически одинакова, что позволяет прогнозировать динамику метановыделения в скважины по ее показателю для подготовительной выработки и наоборот
Протяженность границы зоны дренирования или внутренней изогазы - изо-газы, соответствующей нормативной (либо исследуемой) газоносности с учетом необходимой степени дегазации неразгруженного пласта выработкой или скважиной, зависит от продолжительности процесса дренирования и коэффициента, учитывающего газодинамическое состояние угольного пласта
Увеличение интенсивности и объемов каптируемого из пласта метана и степени его дегазации, достигаются применением способа, основанного на бурении перекрещивающихся скважин, одна серия которых параллельна очистному забою, вторая ориентирована на него Эффективность данного способа дегазации пласта вне зоны влияния очистного забоя возрастает по сравнению с традиционной схемой при параллельных забою скважинах (при равном объеме бурения) - в 1,5-2 раза, а с учетом отвода метана ориентированными на лаву скважинами из разгружаемой от горного давления зоны пласта - в 2-2,5 раза Наиболее эффективной областью применения этого способа являются пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа, характеризующиеся пониженной крепостью угля
Газогидроимпульсный способ воздействия на неразгруженный угольный массив для повышения его проницаемости и газоотдачи в скважины обеспечивает формирование новых и развитие имеющихся в пласте трещин по всей длине скважины при следующих параметрах - величине давления в импульсе до 100-150 МПа и скорости его нарастания 100-200 МПа в первые десятки миллисекунд
Эффективность дегазации сближенных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок или с земной поверхности, зависит от параметров системы разработки, схемы проветривания выемочного участка и скорости подвигания очистного забоя Отрицательное влияние высокой скорости подвигания лавы на эффективность дегазации сближенных пластов устраняется путем применения разработанного способа, основанного на использовании сбоечной скважины, соединяющей оставляемые в выработанном пространстве дегазационные скважины с газопроводом, который прокладывается в выработке очередного выемочного столба
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются
соответствием установленных для различных угольных бассейнов России и ряда угольных месторождений мира закономерностей выделения метана в горные выработки и дегазационные скважины фундаментальным представлениям о характере протекания процессов газовыделения в пористых угленосных средах,
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований газодинамических процессов, протекающих в угольных пластах, с фактическими значениями интенсивности газовыделения в шахтах (погрешность не более 10-15%),
представительными шахтными экспериментами и наблюдениями за объемами и интенсивностью метановыделения в горные выработки и дегазационные скважи-
ны (250 выемочных участков и 70 подготовительных забоев на более чем 70 шахтах РФ и угольных месторождений мира)
- практикой реализации новых разработок по технологии и параметрам дегаза
ции угольных пластов, включенных в отраслевые нормативно-методические доку
менты (2002 г и 2006 г ), планы технического развития производства на шахтах
объединений «Донецкуголь» «Луганскуголь», «Донбассантрацит», «Караганда-
уголь» и «Воркутауголь», проекты дегазации выемочных участков на шахтах ОАО
ОУК «Южкузбассуголь» и ОАО «СУЭК»
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем
установлены зависимости и параметры протекания газодинамических процессов в неразгруженном угольном пласте, вскрытом подготовительной выработкой или дегазационной скважиной, зависимости изменения начального удельного мета-новыделения в скважины предварительной дегазации и темпа его снижения во времени от метаноносности, мощности и глубины залегания пласта, выхода летучих веществ,
определены параметры процессов извлечения метана из угольных пластов в зонах различного напряженного состояния массива в процессе очистной выемки угля, что позволяет определить границы зоны опорного давления, зон начала и максимума газовыделения из угольных пластов в зависимости от местоположения и скорости подвигания очистного забоя,
установлены зависимости объемов извлечения метана из пластовых скважин в периоды дегазации и отработки выемочного участка с учетом показателей газоотдачи пласта, его мощности, параметров дегазируемого участка пласта, времени его обури-вания, дегазации и отработки,
определено, что обратная величина газовыделения в подготовительные выработки и дегазационные скважины возрастает во времени, постоянна для конкретного пласта и характеризует его газопроницаемость в условиях залегания, а произведение этой величины на интенсивность начального газовыделения определяет скорость снижения газовыделения во времени,
разработан метод построения зон различной степени дегазации пласта подготовительной выработкой или скважиной, базирующийся на измерениях в пласте природного газового давления и изменении его величины в процессе дегазации массива угля и на определении коэффициента, учитывающего газодинамическое состояние пласта,
- установлены зависимости эффективности дегазации сближенных пластов
скважинами пробуренными из горных выработок и/или с земной поверхности, от
параметров систем разработки, схемы проветривания выемочных участков, рас
стояния между пластами и скорости подвигания очистного забоя Эффективность
традиционных способов дегазации сближенных пластов снижается при увеличении
скорости подвигания очистного забоя и смещении в выработанное пространство за
счет этого зоны максимального газовыделения Отрицательное влияние высокой
скорости подвигания очистного забоя на эффективность дегазации сближенных
пластов устраняется новым способом дегазации с использованием сбоечных дре-
нажно-транспортных скважин,
- разработаны методы определения показателей газоотдачи угольных пластов в
дегазационные скважины и метод оптимизации задачи выбора способов дегазации
угольных пластов и выработанного пространства, основанный на закономерностях
газовыделения в дегазационные системы и обеспечивающий целесообразную с эко
номической точки зрения эффективность дегазации,
- разработаны методические основы проектирования дегазации выемочных
участков и угольных шахт, учитывающие закономерности метановыделения в
скважины, опыт применения скважинных способов интенсивного извлечения кон
диционных по метану смесей, прогнозные объемы ресурсов шахтного метана, объ
емы его извлечения и рационального использования
Научное значение работы состоит в обосновании прогнозных ресурсов шахтного метана, установлении влияния природных и горнотехнических факторов на интенсивность истечения метана из угольных пластов в дегазационные системы участков и шахт, в разработке методов определения исходных данных и оптимальных параметров способов и схем дегазации, повышающих безопасность ведения горных работ и производительность очистных забоев по газовому фактору при высокоинтенсивной отработке угольных пластов, снижающих себестоимость добываемого угля и обеспечивающих извлечение пригодных для утилизации кондиционных по концентрации метана газовоздушных смесей
Практическое значение работы:
обоснованы методы определения параметров извлечения метана при высокоинтенсивной отработке газоносных угольных пластов, которые являются составной частью отраслевых нормативно-методических документов по проектированию и применению дегазации угольных шахт (2002, 2006 г г ),
разработаны технические решения по выбору способов и определению оптимальных параметров дегазации шахт для извлечения кондиционных по метану газовоздушных смесей, пригодных для рационального их использования,
разработаны и внедрены технологические схемы интенсивного извлечения метана из разрабатываемых угольных пластов на основе применения перекрещивающихся скважин, обеспечивающие прирост объемов каптированного метана в 1,5-2,5 раза относительно традиционных схем предварительной дегазации разрабатываемых пластов,
- оценены ресурсы шахтного метана на полях метанообильных шахт России с
учетом применяемых технологий добычи угля при использовании различных спо
собов извлечения метана из основных его источников
Реализация результатов работы
Реализация результатов работы в угольных шахтах осуществлялась в процессе опытно-промышленных испытаний новых технологических решений, включенных в отраслевые нормативно-методические документы («Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах», 2000 г , «Положения по дегазации угольных шахт», 2006 г, «Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт», РД-15-09-2006)
Внедрены методы комплексной дегазации высокопроизводительных выемочных участков, включающие известные методы дегазации сближенных пластов и новые методы дегазации разрабатываемых пластов
За счет внедрения разработанных способов и параметров интенсивного извлечения метана на газообильных шахтах Кузнецкого бассейна и Воркутского месторождения в период после 1991 г получен экономический эффект на 8 шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» в 2001 г в размере 198,7 млн руб , на шахте «Чертинская» (ОАО «Сибирьуголь») за период 1990-2001 г г - 20 млн руб, на 6 шахтах ОАО «Воркутауголь» за 1999-2001 г г - 306,8 млн руб, при этом отмечена динамика роста экономического эффекта 1999 г — 48,4 млн руб , 2000 г - 106,5 и 2001 г — 151,9 млн руб В 2002 г экономический эффект от реализации новых способов и параметров интенсивного извлечения метана составил на шахтах ОАО «Воркута-уголь» 126,3 млн руб , на шахтах ОАО ОУК «Южкузбассуголь» - 208,5 млн руб
Эффект от внедрения новых способов дегазации на шахтах бывшего СССР (1987-1988 г г ) и Российской Федерации (1999-2001 гг) составил 1865 млн руб Результаты диссертации отражены в работе «Разработка и промышленное внедрение комплекса высокоэффективных методов прогноза газовыделения и новых способов интенсивного извлечения мегана в шахтах и рудниках России», отмеченной Премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2004 г
Апробация работы Основные результаты научных исследований докладывались на многочисленных международных и российских научно-технических конференциях и симпозиумах, совещаниях надзорных служб и органов исполнительной власти, заседаниях Ученых советов и семинарах ИГД им А А Скочинского и ИПКОН РАН, VII Всесоюзной научной школе «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (г Симферополь, 1990 г ), Координационном совещании по рассмотрению итогов выполнения Комплексной программы «Метан угольных пластов» (г Москва, 1992 г), Конференции по проблемам экологии в горном деле (г Москва, 1993 г), «Неделе горняка» (1997-2007 гг) Отраслевом совещании по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации шахт (г Кемерово, 1994 г), III Всемирном конгрессе по экологии в горном деле (г Москва, 1999 г), Второй Международной конференции «Сокращение эмиссии метана» (г Новосибирск, 2000 г), Отраслевом совещании-семинаре «Обеспечение пылегазового режима угольных шахт» (г Кемерово, 2001 г), Конференции «Человек на севере в XXI веке горное дело, ТЭК, экология, народонаселение» (г Воркута, 2001 г), Совещании «Опыт использования попутного газа (метана) на угольных шахтах Воркуты с целью повышения эффективности дегазации» (г Воркута, 2002 г), Научных симпозиумах и конференциях по угольному и шахтному метану в США (Алабама, 1993, 1995, 1997, 1999 г г), Австралии (1995 г ), Индии (1997 г ), Международном форуме «Рациональное природопользование» (г Москва, 2005 г), Научно-практической конференции «Обеспечение охраны труда и промышленной безопасности на предприятиях ОАО «СУЭК» (г Ленинск-Кузнецкий, февраль-март 2006 г )
Результаты работы на разных этапах ее выполнения экспонировались на ВДНХ СССР (серебряная и две бронзовые медали), VIII Международной выставке-ярмарке (диплом Кузбасской ярмарки 2001 г) и удостоены (в соавторстве) Премии Совета Министров СССР (1984 г ) Премии Правительства Российской Федерации (2004 г) и Премии Кузбасса (2007 г )
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 150 рецензируемых научных работах, в том числе в 10 монографиях, 20 брошюрах, 50 научных статьях, 2 нормативных и 8 методических документах, 50 авторских свидетельствах и 10 патентах РФ на изобретения
Объем и структура. Диссертация содержит введение, 6 глав, заключение, список литературы из 213 наименований, 80 рисунков, 80 таблиц
В диссертации изложены результаты научных исследований, выполненных автором в 1985-2006 г г В исследованиях на различных этапах принимали участие сотрудники лаборатории газообильности и дегазации шахт ННЦ ГП - ИГД им А А Скочинского и лаборатории геоинформационных систем геотехнологий ИПКОН РАН, а в проведении шахтных наблюдений и экспериментальных работ - работники угольных компаний Кузбасса, Воркуты, Донбасса и Казахстана, ФЦДТ «Союз» и ОАО «Корпорация «Компомаш», которым автор выражает искреннюю признательность за помощь в работе
Метанообильность угольных шахт России
Многолетними исследованиями, проведенными в различных угольных бассейнах России и других стран СНГ, изучены вопросы генезиса газов угольных месторождений, их химический состав, условия миграции газов в угленосных отложениях, установлены основные физико-химические факторы, обусловливающие коллекторские свойства углей и пород, а также решены многие вопросы выделения газов в горные выработки шахт [76-80]. Результаты труда ученых и геологов нашли отражение в нормативном документе «Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах» [81].
Угленосные отложения в угольных бассейнах и месторождениях России, так же как и в углегазовых месторождениях других стран мира, характеризуются преимущественно неравномерным распределением газоносности. Наиболее ярко это прослеживается в Донецком угольном бассейне, где геологические условия были весьма разнообразны для образования газосодержащих отложений. Угленосность и степень метаморфизованности углей крайне изменчивы. Восточный Донбасс отличается тем, что в нем наблюдается довольно резкое изменение метаморфизма углей в направлении с севера на юг. Здесь распространены угли марок Д и Г, встречаются слабометаморфизованные антрациты и преобладают угли средних стадий метаморфизма [80]. С ростом метаморфизма углей возрастает газоносность угольных пластов. Угольные пласты, сложенные углями марки Г, имеют максимальные значения газоносности до 12 м /т с.б.м, а пласты с марками углей К-ОС - до 15-32 м3/т с.б.м (таблица 1.11). Таблица 1.11- Метаноносность угольных пластов
Исследованиями, выполненными в Донецком бассейне, установлено, что в зависимости от основного фактора - метаморфизма угольного вещества - природная метаноносность равномерно увеличивается в пластах, сложенных бурыми и каменными углями, а также антрацитами групп А]0 - Ап, достигая в последних 42 м3/т с.б.м. В пластах, состоящих из высокометаморфизованных антрацитов групп Ап - AH, она снижается до нуля независимо от их положения в угленосной толще. Эта зависимость метаноносности угольных пластов и антрацитов от стадии метаморфизма угольного вещества изложена в монографиях [12, 80].
В наших исследованиях в качестве основной величины принята по геологическим понятиям остаточная газоносность угольных пластов, определенная геологоразведочными партиями. Она названа природной и используется как для оценки ресурсов метана, так и для определения потенциально возможных объемов его извлечения. Что касается газоносности угленосных отложений, изученной геологами применительно к каменноугольным месторождениям России, то она, наряду с метаноносностью пластов угля, учитывается при оценке геологических ресурсов метана [9-12, 51, 82-85], которые при нынешнем развитии технологии и техники не могут быть рентабельно извлечены.
Влияние петрографического состава углей на метаноносность угольных пластов проявляется в газовых, жирных и коксовых углях, метаноемкость которых увеличивается по мере повышения содержания в них фюзинита. Петрографический состав длиннопламенных, тощих и более метаморфизованных углей на их метаноносность оказывает менее заметное влияние. Повышенное содержание микрокомпонентов группы витринита способствует увеличению числа трещин в угле и повышению его газопроницаемости [80], а также снижению сорбционной метаноемкости углей, в то время как более высокое содержание фюзинита увеличивает их сорбционную метаноемкость [50, 51, 86]. Однако этот вопрос слабо изучен, поэтому целесообразно использовать фактические данные геологической разведки на конкретных шахтных полях с выделением газоносности изучаемых пластов угля [12, 49, 50].
Влияние глубины залегания пластов угля и марки углей на фактическую метаноносность пластов Кузнецкого бассейна при различной глубине верхней границы метановых газов прослеживается по данным, приведенным в таблице 1.12.
Исследование закономерностей выделения метана из угольных пластов в скважины предварительной дегазации
Анализ метанообильности вентиляционного и конвейерного штреков 3-1-27 свидетельствует о наличии на поле лавы 3-1-27 двух зон, которые характерны тем, что от уклонов 3/3 оба штрека имели невысокую метанообильность (рисунки 2.12 и 2.13), а затем метановыделение в них стало резко возрастать. Причем, если зона интенсивного выделения метана в вентиляционный штрек 3-1-27 отмечена с горизонтальной отметки более 260 м от уклонов 3/3, то в конвейерный штрек 3-1-27 - более 380 м. В первом случае (вентиляционный штрек) протяженность интенсивного метановыделения составила 450 м и проходка вентиляционного штрека была приостановлена 12 января 2000 г. из-за высокой метанообильности (10,8 м /мин), при которой вентиляторы фирмы «КОРФМАН» (Германия) и СВМ-8 (Россия) не смогли в рабочую смену снизить концентрацию метана ниже 1% даже при расходе воздуха 1200 м3/мин. Во втором случае (конвейерный штрек) протяженность зоны повышенного метановыделения достигла 310 м, а затем метанообильность забоя стала снижаться при его приближении к барьерному (фланговому) целику угля.
Обработка материалов наблюдений в зонах повышенного метановыделения в конвейерный и вентиляционный штреки 3-1-27 показала, что интенсивность начального метановыделения из пласта 3-За в эти выработки составила по декадным замерам Go =3,3-4,5 м /(м -сут), К-фактор, т.е. тангенс угла наклона прямой 1/G = (p(t), - (5,5... 6,2)-10"3 м2/м3, а темп снижения интенсивности метановыделения во времени - 0,021-0,025 сут"1. По материалам единичной газовоздушной съемки, выполненной 10 декабря 1999 г., показатели газоотдачи пласта составили: G0 = 4,0 м3/(м2-сут), К = 2-Ю"3 м2/м3, А = 0,008 сут"1 (рисунок 2.14).
Ранее выполненными исследованиями на шахтах Донбасса, Карагандинского бассейна и Кузбасса [48, 50, 102, 106-108] установлено, что на участках угольных пластов, не подверженных влиянию очистных работ (см. рисунок 2.2), газовыделение в скважину во времени описывается уравнением где gi - удельное газовыделение, т.е. газовыделение сім длины скважины и 1 м мощности пласта, м /(м -сут); g0 - интенсивность начального газовыделения, соответствующая началу плоско-параллельного течения газа в скважину, м /(м -сут); а - коэффициент, характеризующий темп снижения газовыделения во времени, сут" ; tj - продолжительность дренирования пласта скважиной с момента окончания ее бурения, сут.
В зоне пригрузки пласта газовыделение в скважину протекает по экспоненциальным зависимостям [48, 106].
Протяженность зон пригрузки и разгрузки в разрабатываемых угольных пластах определяется экспериментально по местоположению точек 2" и 3" (см. рисунок 2.2), либо путем установки в контрольных скважинах гидравлических датчиков, с помощью которых фиксируются расстояния от датчика до очистного забоя [109], т.е. местоположение начала прироста давления жидкости в гидродатчиках (начало зоны пригрузки) и его снижения (зона разгрузки).
Экспериментальными работами установлено, что область повышенного горного давления на угольных пласт (зона пригрузки) расположена в интервале 15-80 м от забоя лавы, область пониженного давления (зона разгрузки) - до 15-30 м от призабойного пространства лавы. Чем меньше противодавление, оказываемое гидродатчиком на стенки дегазационной скважины, тем с большего расстояния вскрытый скважиной массив угля начинает реагировать на изменение горного давления как в пригружаемой, так и в разгружаемой зоне пласта [106, 109]. Кривая изменения интенсивности газовыделения из угольного пласта в скважину, приведенная на рисунке 2.15, свидетельствует о весьма существенном влиянии горного давления на процесс истечения метана в скважину, функционирующую в зоне влияния очистного забоя. В зоне разгрузки пласта дебит метана из скважины возрос в несколько раз, что свидетельствует об очень высокой газопроницаемости угольного массива в этой части пласта.
Результаты исследования газоотдачи угольных пластов в дегазационные скважины, функционирующие в зоне природной газопроницаемости, и численные значения показателей газоотдачи пласта go и а приведены в таблице 2.6 [50].
Применительно к участку «прирезки» на поле шахты «Алардинская» прогноз показателей газоотдачи пластов угля в дегазационные скважины выполнен тремя методами: по материалам газовоздушных съемок, проведенных в тупиках подготовительных выработок; по фактическим данным метановыделения в дегазационные скважины; по установленным экспериментально зависимостям изменения величины начального метановыделения в скважины и темпа его снижения во времени от основных природных факторов.
Экспериментальные исследования заключались в проведении газовоздушных и дегазационных съемок на поле выемочного участка 3-1-27 (пласт 3-За). Газовоздушная съемка выполнена в тупике вентиляционного штрека 3-1-27. Кроме того, обработаны материалы декадных замеров воздуха и концентрации метана при проходке конвейерного и вентиляционного штреков 3-1-27 по верхнему слою пласта 3-За. Схема расположения выработок и дегазационных скважин показана на рисунке 2.16.
Динамика и показатели истечения метана из угольных пластов в перекрещивающиеся скважины
Способ предварительной пластовой дегазации получил наибольшее распространение на мощных и средней мощности пластах при столбовых системах разработки. Эффективность пластовой дегазации по традиционной схеме бурения скважин обычно не превышает 20-30 %. С увеличением глубины разработки наблюдается тенденция к снижению эффективности пластовой дегазации, что обусловлено главным образом снижением проницаемости пластов.
Широко распространено мнение о заметном влиянии разгружающего действия скважин на эффективность дегазации [149, 150]. Однако опыт использования скважин разного диаметра показывает, что съем газа растет существенно медленнее роста диаметра скважин, в то время как площадь зоны разгрузки увеличивается пропорционально диаметру. Сразу же после окончания бурения скважины изобары имеют форму концентрических окружностей с осью, совпадающей с осью скважины. С течением некоторого промежутка времени граница зоны дренирования пласта скважиной достигает почвы и кровли пласта и изобары деформируются. Если мощность пласта значительно меньше расстояния между скважинами, то после достижения границей зоны дренирования почвы и кровли пласта она деформируется в направлении соседних скважин, а изобары постепенно приобретают форму вытянутых эллипсов. В этом случае линии тока газа к скважине параллельны плоскости напластования и движение газа в этой части пласта можно считать одномерным и плоско-параллельным. Диаметр скважины на этой стадии дегазации почти не оказывает влияния на процесс миграции газа. Следовательно, при дегазации участков, на которых мощность пласта значительно меньше расстояния между скважинами, диаметр скважины влияет на дебит газа преимущественно в начале процесса дегазации, когда движение газа к скважине преимущественно плоско-радиальное.
При дегазации мощных пластов движение газа к скважине сохраняет радиально симметричный характер достаточно долго, поэтому влияние диаметра скважин на дебит метана может оказаться более существенным. При этом, естественно, влияние диаметра скважины на ее дебит тем значительнее, чем больше разница в проницаемости прискважинной зоны и нетронутого массива. Влияние повышенной проницаемости прискважинной зоны на дебит метана оценено 132 степенью расхождения теоретических результатов с экспериментальными данными [151,152]. Суммарный дебит метана Q с единицы длины скважины определялся по формуле t Q=$g(T)dT, (З.і) о где g - дебит метана из скважины на момент времени Т ; t — продолжительность дегазации.
Рост сжимающих напряжений вызывает быстрое изменение проницаемости, а разгрузка пласта значительно повышает эффективность дегазации. Весьма перспективными являются схемы дегазации неразгруженных разрабатываемых пластов, использующие эффект повышения проницаемости в призабойной части пласта. Впереди забоя очистной выработки образуется сеть трещин. Для оценки величины проницаемости в зоне влияния забоя и изучения характера миграции газа использованы натурные данные в сопоставлении с результатами решения соответствующих теоретических задач. Проницаемость призабойной части пластов, определенная по газовыделению в шпуры, в не опасных по внезапным выбросам угля и газа зонах составляет величину порядка 10"1 — 10 мД [153].
Проницаемость призабойной части пласта на несколько порядков превосходит проницаемость пласта вне зоны влияния очистного забоя и применение дегазации пласта в этой зоне является целесообразным. В то же время опыт применения дегазации пласта показал, что при использовании традиционной схемы пластовой дегазации скважинами, пробуренными параллельно забою лавы, такие скважины в большинстве случаев отключаются от газопровода, как только они попадают в зону влияния очистного забоя. Необходимость отключения скважин вызывается тем, что рабочая часть скважины и ее устье попадают в зону повышенной трещиноватости одновременно. Вследствие этого разгерметизация устья скважин происходит в тот самый момент, когда рабочая часть скважины попадает в зону передовой дегазации. Схемы интенсивной дегазации пласта скважинами, ориентированными в сторону очистного забоя, устраняют упомянутый недостаток: рабочая часть скважин 133 определенное время находится в зоне эффективной дегазации, а устья скважин располагаются вне зоны интенсивного трещинообразования. Поскольку трещины в зоне влияния забоя лавы ориентированы преимущественно в направлении, параллельном забою лавы, то в призабойной части пласта проницаемость в этом направлении максимальна. Если бурить скважины с разворотом в сторону очистного забоя, то линии тока газа к скважинам в зоне влияния забоя будут параллельны линии забоя. В этом случае газ будет мигрировать к скважинам в направлении, вдоль которого фильтрационное сопротивление минимально. Теоретическими исследованиями установлено, что увеличение проницаемости на два порядка эквивалентно снижению расстояния между скважинами на порядок [151]. Однако на практике это положение не проверено.
Испытания схемы пластовой дегазации скважинами, пробуренными с разворотом на очистной забой, выполненные на шахте «Сокурская» (г. Караганда, выбросоопасный пласт К7) показали, что воздух практически не подсасывался через вскрытые забоем лавы рабочие части скважин. Во всяком случае концентрация метана в смеси, каптируемой развернутыми на забой скважинами, не снижалась после начала подработки скважин очистным забоем. Это объясняется тем, что вблизи от очистного забоя скважины «запечатываются» углем или происходит зажим краевой части пласта [151].
При отсутствии на шахтах РФ современной буровой техники наиболее эффективен и прост в реализации способ дегазации перекрещивающимися скважинами, включающий в себя проведение скважин параллельно очистному забою и ориентированных на него по а.с. № 1439266. При одновременной дегазации подготавливаемого к отработке выемочного поля, когда перекрещивающиеся скважины проводят за контур будущей подготовительной выработки, и готового к выемке столба на последнем применим способ дегазации с использованием сквозных скважин, например, по а.с. №1453046 [155].
Результаты стендовых испытаний газогенератора импульсов высокого давления
Коэффициенты q и 0 определены по материалам 7 шахт, отрабатывавших 8 угольных пластов на 15 выемочных участках с применением параллельно-одиночных и перекрещивающихся скважин в интервале Z от 20 до 115 т/м.
При плотности бурения скважин, охватывающих дегазацию запасов угля, например 20 и 80 т/м, с помощью перекрещивающихся скважин газоносность мощного выбросоопасного пласта может быть снижена соответственно на 5 и 1,5 м3/т. Параллельные забою лавы скважины в аналогичных условиях могут снизить газоносность пласта соответственно на 1,5 и 0,6 м /т (рисунок 3.13). При этом первичными исходными данными для определения эффективности дегазации угольных пластов скважинами являются газоносность и показатели газоотдачи массива угля в подготовительные выработки и дегазационные скважины [12, 25, 48, 50,93,103,112, 156].
Исследования по дегазации неразгруженных угольных пластов параллельно-одиночными и перекрещивающимися скважинами проведены совместно российскими и китайскими учеными и специалистами на шахтах «Дзюлишань» (угольный бассейн Дзяо- Цзуо) и № 8 (Пиндиншань).
Бассейн Дзяо-Цзуо площадью 350 км2 является одним из основных поставщиков антрацитов в Китайской Народной Республике. В бассейне работают 9 шахт и одна находится в строительстве. В угленосных отложениях пермского и карбонового периода содержится 11-14 угольных пластов общей мощностью до 14 м. Основными рабочими пластами являются пласты I и II. Средняя мощность разрабатываемых пластов - 5-6 м, углы падения - 8-16. Газоносность пластов составляет 15-20, а максимальная - 30 м /т [103, 157].
Применяемая на шахтах система разработки — длинные столбы по простиранию с разделением пласта на слои. Метод управления кровлей - полное обрушение. Схема проветривания выемочных участков - возвратноточная на вентиляционный штрек, пройденный в массиве угля. В шахтах выделяется около 80 млн.м /год метана, из которых каптируется около 13 млн.м , что составляет 16%.
При большой газообильности и высокой вероятности внезапных выбросов проходка выработок осуществляется с применением барьерной и предварительной дегазации.
Совместные российско-китайские исследования в условиях шахты «Дзюлишань» состояли в определении показателей газоотдачи пласта II і, его природной газоносности, способа и параметров интенсификации процесса дегазации пласта при отработке верхнего слоя на участке 13051.
Наши предложения по способу дегазации неразгруженных пластов перекрещивающимися скважинами, опробованному в угольных бассейнах СНГ, реализованы на шахте «Дзюлишань». По фактическим данным о метановыделении в горные выработки и отдельные дегазационные скважины, функционировавшие на участке лавы 13061, определили метаноносность и показатели газоотдачи особо выбросоопасного антрацитового пласта IIі мощностью 5,6 м. При этом специалисты треста «Дзяо-Цзуо» предоставили российским ученым сначала данные единичных замеров дебита метана по 6 скважинам, функционировавшим от 14 до 54 суток на выемочном участке 13061, а после определения показателей газоотдачи пласта - еще по пяти скважинам, которые считались контрольными и были в работе от 20 до 36 суток (см. рисунок 3.14). Контрольная выборка расхода метана по пяти скважинам (7 измерений дебита метана) и суммарный дебит метана из 195 скважин (полезная длина 12187 м) через 30 суток после окончания буровых работ на участке подтвердили, что предложенный нами метод определения показателей газоотдачи пласта можно применять в условиях шахт КНР.
Показатели газоотдачи пласта Пі составили: начальное метановыделение g0 = 0,27 м /(м -сут); скорость снижения метановыделения во времени - а = 0,06 сут" . Достоверность показателей газоотдачи пласта II \ оценена по формуле ft _ hmnNc , So j a(t6+r)+l т I440(t6+r) а Ш ат+1 } м3/мин (3.3) и показала, что дебит метана из 195 скважин, общая протяженность которых 13650 м, а полезная длина (за вычетом глубины герметизации, равной 7,5 м)-12187 м, составил 2,02 м/мин против измеренного 1,91 м/мин.
Отклонение рассчитанного значения от фактически измеренного равно 5,8%. Показатели газоотдачи (g0 =0,27 м /(м -сут) и а =0,06 сут" ) были приняты для выполнения дальнейших проектных работ по дегазации пласта на выемочном участке лавы 13051.
Специалисты треста «Дзяо-Цзуо», шахты «Дзюлишань» и ученые Фушуньского филиала ЦНИУИ выбрали опытный участок на выемочном поле 13051, выделили на нем три зоны и составили проект дегазации. В нем дополнительно предусматривалось провести сравнение эффективности дегазации пласта IIj перекрещивающимися и одиночно-параллельными скважинами (рисунок 3.15).
1 Выемочное поле лавы 13051 было обурено на 74,6% перекрещивающимися скважинами (132 скважины из 177), а в центральной зоне протяженностью 167 м выделены участки пласта для сравнения эффективности упомянутых схем дегазации.
В таблице 3.3 в качестве примера приведены результаты дегазации мощных выбросоопасных пластов Карагандинского бассейна и пласта Пі на шахте «Дзюлишань» по традиционной (а) и новой (Ь) схемам дегазации. Данные этой таблицы свидетельствуют о существенном превосходстве схемы дегазации неразгруженных пластов перекрещивающимися скважинами над традиционной схемой дегазации пласта параллельно-одиночными скважинами. Однако и этот способ не во всех случаях может обеспечить необходимую степень снижения метаноносности пласта до величины, при которой исключаются газодинамические явления, опасные для шахтеров. Коэффициент интенсификации метановыделения, благодаря использованию новой схемы дегазации на выбросоопасных пластах, составил 1,7-2,8, в то время как необходимое его значение в выбросоопасных зонах должно достигать 5,5 (см. таблицу 3.4) в соответствии с российскими положениями нормативных документов.
