Технические науки/10. Горное дело

Д.т.н. Сластунов С.В.

Московский государственный горный университет

к.т.н. Ермак Г.П.

Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору

Проблемы дегазационной подготовки угольных пластов к интенсивной и безопасной разработке

Причиной большинства несчастных случаев со смертельным исходом на угольных шахтах России являются масштабные и разрушительные по своим последствиям аварии, вызванные вспышками и взрывами метановоздушной смеси и угольной пыли.

Настоящая статья посвящена рассмотрению проблемы эффективной дегазации угольных шахт при высокоинтенсивной отработке газоносных угольных пластов. Необходимость исследований в этом направлении обусловлена имеющими место случаями взрывов метановоздушных смесей на участках с высокими нагрузками на лавы, когда интенсивная добыча угля приводит к обильным метановыделениям, эффективность пластовой дегазации недостаточна, а средствами вентиляции по ряду причин не удается поддерживать нормативные параметры рудничной атмосферы.

Для ряда шахт России и СНГ ряд последних разработок в виде технических предложений и техно-рабочих проектов, выполненных МГГУ, а в последний период и НМСУ «Горный», заключаются в рекомендации в самой ближайшей перспективе применении заблаговременной дегазации шахтных полей и выемочных участков с использованием скважин, пробуренных с поверхности и реализуемого через них гидрорасчленения пласта различными инженерными воздействиями (в дальнейшем, для краткости, ЗДП) как неизбежного этапа дегазационной подготовки газоносных угольных пластов к интенсивной и безопасной разработке.

Обосновываются эти предложения следующим образом.

Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере обусловлена эффективной дегазацией выработанного пространства. В то же время, с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Так, для условий ряда шахт даже при эффективности комплексной дегазации 75-80% для современных нагрузок на очистной забой требуется применение пластовой дегазации с эффективностью не менее 0,2-0,4, что далеко не всегда может обеспечить дегазация, осуществляемая из горных выработок на стадии подготовки и отработки выемочного участка.

Эффективность подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 10-20%, что подтверждает представительный многолетний опыт работ в Карагандинском бассейне, как наиболее развитом в плане применения способов пластовой дегазации, а также опытом последних работ в Кузбассе.

Этот показатель вполне объективно обусловлен ограниченным временем на дегазацию угольного пласта из подземных выработок, связанным в ряде случаев с недостаточным опережением фронта очистных работ подготовительными работами и низкой эффективностью дегазации иизкопроницаемого, неразгруженного от горного давления, угольного пласта. Ключевым моментом эффективности любых схем пластовой дегазации является характер газопереноса в блочно-трещиноватой структуре угольного пласта. Схематично этот процесс можно представить в качестве комбинации движения газа по законам диффузии внутри блоков (в частности, по закону Фика) и вязкого течения по фильтрующим порам и трещинам внутри блоков (по закону Дарси). Скорость протекания этих процессов существенным образом зависит от величин газопроницаемости угольного пласта К и коэффициента диффузии D, а также пластового давления Р_пл и, с учетом того факта, что основная масса газа находится в сорбционном объеме, сорбционных характеристик угля.

В угольном пласте до 90 - 98 % всего угольного метана находится в сорбированной (связанном) состоянии. Перевод его в свободное состояние и процесс миграции к скважине весьма длителен, требует значительных временных и энергетических затрат для существенного изменения состояния и свойств углегазонасыщенного массива.

Существует также энергетический барьер, заключающийся в необходимости существенных энергетических затрат на активацию метана, находящегося в угольных пластах незначительно в виде свободного газа, большая же часть – в виде сорбированного, растворенного или в ином виде связанного газа.

Энергетический барьер предопределяет уровень энергетических затрат, которые необходимо понести в процессе дегазации угольного пласта, в частности, на бурение скважин (с образованием зоны дезинтеграции вокруг последней), на повышение проницаемости угольного пласта в зоне влияния скважины (в основном, за счет трещинообразования), десорбцию метана в этой зоне и перенос его в низкопроницаемом коллекторе к скважине и далее на поверхность. При проведении пластовой дегазации из подземных выработок без активных воздействий на углегазоносную толщу эти затраты минимальны, но и достигаемый эффект по снижению газоносности ограничен. В принципе, он может быть несколько повышен путем проведения активных воздействий (например, поинтервальный гидроразрыв, газо-гидроимпульсное воздействие и др.), однако эти локальные технологии крайне редко применяются ввиду оперативной сложности их реализации в стесненных подземных условиях, большой вероятности прорывов воды в горные выработки, сложностью герметизации скважин и, основное, недостатком времени на достаточно кропотливую и масштабную работу непосредственно на месте ведения основных горных работ. Как правило, времени хватает только на бурение подземных пластовых скважин и более или менее их удовлетворительную эксплуатацию (профилактика, ремонт, замеры дебитов и концентраций, ликвидация утечек, слив воды и др.). Существенно большие возможности в части преодоления временного и энергетического барьеров имеют региональные технологии, в частности, технология заблаговременной дегазации угольных пластов скважинами с поверхности с гидрорасчленением (гидроразрывом) пластов, характеризующаяся существенным повышением проницаемости последних, а также большим потенциальным резервом времени для обеспечения требуемой эффективности пластовой дегазации.

В настоящее время разработана методика выбора основных технологических схем и параметров пластовой дегазации в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Важным фактором, влияющим на выбор технологии пластовой дегазации является ожидаемая эффективность дегазации на базе газодинамических исследований объекта пластовой дегазации - конкретного угольного пласта или его участка. Это связано с тем, что в настоящее время работами многих специалистов (Васючков Ю.Ф., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Стефлюк Ю.М., Полчин А.И., Логинов А.К., Ютяев Е.П.,Мазаник Е.В., Лупий М.Г., Иванов Ю.М., Волков М.А., Шмат В.Н., Никитин С.Г. с участием авторов настоящей статьи и некоторых др.) разработаны и апробированы современные математические модели и получены аналитические зависимости для определения дебитов пластовых скважин и газоотдачи угольных пластов, однако эти зависимости включают в себя такие необходимые газокинетические и фильтрационные параметры, показатели свойств и состояния угольных пластов как пластовое давление, проницаемость пласта, коэффициент диффузии, сорбционные характеристики и некоторые другие. Ни один из этих параметров до последнего времени достоверно не определялся ни в шахте при ведении горных работ, ни в соответствующих лабораториях как в России, так и в основных угольных бассейнов б. СССР. Нами совместно с вышеназванными специалистами ОАО «СУЭК – Кузбасс» и Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» (Караганда) разработана современная методика проведения комплекса газодинамических исследований на объектах применения пластовой дегазации, позволяющая объективно решать два основных вопроса: получать достоверный прогноз предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору и обосновано проектировать процесс дегазации с получением корректной оценки ее ожидаемой эффективности [1].

Вышеназванная методика предусматривает определение в лабораторных условиях газоносности угля по отобранным кусочкам угля в процессе бурения дегазационных пластовых скважин, основных сорбционных характеристик угля (констант Ленгмюра) по изотермам сорбции тех же измельченных образцов угля и коэффициента диффузии. Кроме этого, в натурных условиях в шахте необходимо на стадии бурения пластовых скважин определять пластовое давление (по кривой роста давления в закрытой и загерметизированной по отработанной технологии скважине) и по динамике нарастания давления коэффициент газопроницаемости угольного пласта.

В настоящее время с сожалением можно резюмировать следующее.

А) для подлежащих разработке объектов дегазация проектируется в условиях отсутствия ключевой исходной горно-геологической информации, в частности, газоносности угольных пластов. Этот показатель, определяемый на стадии ведения геологоразведочных работ, может иметь ошибку до 30%. Практики уточнения этого показателя на основе отбора кернов или угольной мелочи в лабораторных условиях в настоящее время нет. Нормативные ссылки на нижний предел допустимой газоносности в 13 м³/т с.б.м. в такой ситуации является чистой проформой, т.к. проектирование дегазации носит недостоверный характер.

Б) полностью отсутствует реальная оценка эффективности применения предварительной пластовой дегазации, осуществляемой в настоящее время на ряде шахт из подготовительных выработок. Мы имеем только прогнозную, или расчетную эффективность, выполненную в проекте. Отсутствует корректировка проектной величины предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору.

Создается парадоксальная ситуация: недостоверный прогноз газообильности горных выработок и необоснованные проектные решения по пластовой дегазации при невозможности корректировки их ввиду полного отсутствия данных об эффективности проводимых дегазационных работ.

В соответствие с разработанной методикой выбора технологии пластовой дегазации можно обоснованно определять целесообразность применения всех известных технологических решений по пластовой дегазации. В тех случаях, когда необходимое снижение газоносности составляют 3-4 м³/т и более, обосновано рекомендовать к применению заблаговременную дегазационную подготовку (ЗДП) шахтных полей к безопасной и интенсивной отработке на базе гидрорасчленения угольных пластов скважинами с поверхности в той или иной модификации [2-5].

Необходимо отметить, что ЗДП является также в определенной степени способом снижения выбросоопасности угольных пластов. Дополнительным резервом повышения эффективности заблаговременной дегазации является применение всего комплекса работ – скважины с поверхности и подземные скважины из подготовительных выработок, пробуренные в зону искусственно повышенной трещиноватости пласта

В настоящее время технология ЗДП применяется для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности, особовыбросоопасного пласта Д₆ шахт им. Ленина и «Казахстанская». На шахте им. Ленина съем метана в зонах ЗДП на ряде скважин составил 6 - 9 м³/т, а на шахте «Казахстанская» - 5 - 7 м³/т, что существенно больше возможных съемов при применении подземной пластовой дегазации из подготовительных выработок.

К основным выводам можно также отнести следующее:

1.Разработанная методика экспериментального определения основных свойств и состояния углегазоносного массива, подлежащего интенсивной отработке, позволяет корректно и обоснованно определять предельно допустимые нагрузки на очистной забой по газовому фактору, выбирать и научно обосновано рекомендовать для каждого перспективного шахтного поля и выемочного участка необходимую технологию пластовой дегазации, которая обеспечит достижение с учетом газового фактора стратегических показателей по нагрузкам на очистные забои в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

2.Высокоинтенсивная безопасная разработка газоносных угольных пластов невозможна без обеспечения глубокой дегазации разрабатываемых пластов. Заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов к безопасной и эффективной разработке скважинами с поверхности может обеспечивать необходимую эффективность по снижению газообильности горных выработок при применении данной технологии за 3 - 5 лет до начала ведения горных работ в зонах интенсивной дегазации.

Литература:

1.Сластунов С.В., Ермак Г.П. Обоснование выбора и эффективная реализация способов дегазации при интенсивной отработке газоносных угольных пластов – ключевой вопрос обеспечения метанобезопасности угольных шахт. М., «Уголь», №1, 2013

2.Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГГУ, 2002. - 383 с.

Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006).М., ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007.

Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Документы по безопасности, надзоргной и разрешительной деятельности в угольной промышленности. Выпуск 22. Москва, ЗАО НТЦ ПБ, 2012

3.Пучков Л.А., Сластунов С.В. (МГГУ), Логинов А.К., Ютяев Е.П., Мазаник Е.В. (ОАО «СУЭК-Кузбасс»), Предпосылки промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе. М., ГИАБ, тематическое приложение БЕЗОПАСНОСТЬ,отдельный выпуск №6, 2008.