Технические науки/10. Горное дело

Д.т.н. Сластунов С.В.

Московский государственный горный университет

К.т.н. Стефлюк Ю.М., инж. Полчин А.И.

Угольный департамент АО «АрселорМиттал Темиртау»

Совершенствование пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения их эффективной и безопасной отработки в Карагандинском угольном бассейне

Подземная разработка угля постоянно связана с увеличением глубины отработки угольных пластов. Эта тенденция характерна как для Карагандинского угольного бассейна, так и для основных угольных бассейнов России. Имеет место постоянный рост нагрузок на очистной забой. С ростом нагрузки на очистной забой резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков. Так, при нагрузке на лаву до 2000 т/сут газообильность выемочного участка в Карагандинском бассейне составляет 40-50 м³ /мин, а при нагрузке свыше 3000 т/сут достигает уже 120 – 160м³/мин. При этом только комплексная дегазация позволяет вести горные работы с такими нагрузками.

Необходимо отметить, что даже при эффективности комплексной дегазации 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м³ /мин и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Отметим, что достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации на шахтах Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» 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 указанной эффективности комплексной дегазации 75-80% для нагрузок на очистной забой более 3-4 тыс. т требуется применение пластовой дегазации с эффективностью более 0,3, что далеко не всегда может обеспечить пластовая дегазация, осуществляемая из горных выработок на стадии подготовки и отработки выемочного поля.

Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 3-5 тыс. т/сут возможно за счет заблаговременного извлечения метана из угольного пласта и существенного снижения газоносности последнего.

Мировой опыт также подтверждает целесообразность подобного подхода. На многих газообильных шахтах США применяется дегазация с поверхности с использованием технологии гидроразрыва, а также подземная пластовая дегазация в зонах ГРП, при этом следует особо отметить, что до начала ведения горных работ из угольных пластов извлекается около 70% газа.

Применение заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) скважинами с поверхности при высоких нагрузках на очистной забой предопределяется тем фактом, что эффективность подземной пластовой дегазации (ППД) ограничивается величиной, как правило, не более 0,2 и не обеспечивает снятия ограничений на предельно допустимую нагрузку на очистной забой по газовому фактору.

Недостаточная техническая эффективность ППД вполне объективно обусловлена ограниченным временем на дегазацию угольного пласта из подземных выработок, связанным с недостаточным опережением очистных работ подготовительными и низкой эффективностью дегазации неразгруженного от горного давления угольного пласта, обусловленной отсутствием активных воздействий на массив угля для повышения его природной проницаемости. Ключевым моментом эффективности любых схем пластовой дегазации является характер газопереноса в угольном пласте. Схематично этот процесс можно представить в качестве комбинации движения газа по законам диффузии (в частности, по закону Фика) и вязкого течения 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 (до 90 - 98%), сорбционных характеристик угля (в частности, коэффициентов Ленгмюра).

Для получения достоверных данных по указанным показателям нами была разработана методика их определения на стадии экспериментальных работ на шахте. Опытные работы на шахте им. Ленина проводились с участием австралийской компании «Сигра».

Экспериментальные пластовые скважины бурились по пласту на расстоянии 4 и 8 м друг от друга, герметизировались, в скважине устанавливался пакер, после чего определялась динамика роста газового давления в скважинах до величины Р_пл. Зависимость давления газа в скважине от времени, а также определение газоносности угля по исследованиям угольной мелочи (штыба) и кривые сорбции газа на угле в лабораторных условиях позволяют определять проницаемость, коэффициенты диффузии, пластовое давление и коэффициенты Ленгмюра. Потери газа при транспортировке угля для исследования его газоносности с момента отделения от массива до его помещения в исследовательскую канистру определялись экстраполяцией.

Также оценивалось расхождение между данными расчета процесса диффузии и эксперимента при описании процесса сорбции. В проведенных исследованиях расхождение не превышало 8 - 10%. В результате выполненных экспериментальных работ (более 100 замеров) были определены, в числе прочих характеристик и показателей, величина текущей газоносности пласта Д₆ на выемочном участке, составившая 18,41 м³/т (ошибка 0,09 м³/т), коэффициент диффузии–1,5 х 10^-12 м²/c, проницаемость – 0,008 мД, пластовое давление – 4,5 МПа, что было учтено и использовано в дальнейших расчетах при проектировании заблаговременной и предварительной дегазации пласта Д₆.

На поле шахт им. Ленина и «Казахстанская» широко применяется заблаговременная дегазационная подготовка пласта Д₆ к безопасной и интенсивной отработке на базе гидравлического расчленения пласта через скважины с поверхности.

Применение в качестве дополнительного рабочего агента также воздуха для целей эффективной дегазации обосновывается также целями повышения фазовой проницаемости угольного пласта для газа.

Предполагаемый эффект по углублению дегазации базируется в числе прочего на использовании эффекта тепловой десорбции.

Обоснована методика выбора основных технологических схем пластовой дегазации.

В настоящее время ведется оценка эффективности работ по ЗДП на шахте «Казахстанская». Подготовка данного шахтного поля осуществляется с 2000 г. За этот период пробурено и освоено более 40 скважин ГРП.

Основные выводы и рекомендации:

• 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 4 - 5 лет до начала ведения горных работ в зонах интенсивной дегазации.

• Доказана целесообразность и обоснованность применения технологии ЗДП для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности, выбросоопасного 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.

• Скважина гидрорасчленения является инженерным объектом, функционирующим в течение длительного промежутка времени, составляющего до 10-15 лет (опыт шахт им. Ленина, «Казахстанская»), на протяжении которого решаются различные задачи, обусловленные развитием горных работ в зоне сформированного техногенного коллектора.

• Разработана и реализована на шахте им. Ленина методика шахтных экспериментальных работ по определению основных фильтрационных и газокинетических характеристик угольного пласта. В результате выполненных экспериментальных работ были определены в числе прочих характеристик и показателей величина текущей газоносности пласта Д₆ на выемочном участке, составившая 18,41 м³/т (ошибка 0,09 м³/т), коэффициент диффузии – 1,5 х 10^-12 м²/c, проницаемость – 0,008 мД, пластовое давление – 4,5 МПа, что было учтено и использовано в дальнейших расчетах при определении основных технологических параметров процессов пластовой дегазации.

• Установлены эффективные параметры комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения, в частности темп и объем нагнетания воды при реализации базовой технологии гидрорасчленения, объем воздуха при реализации вспомогательного пневмовоздействия для достижения эффективной заблаговременной подготовки углегазоносного массива к безопасной и интенсивной отработке.

• Научно обоснована методика выбора технологии пластовой дегазации и обоснованы методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем пластовой дегазации угольных пластов, в частности, для условий интенсивной отработки особовыбросоопасного пласта Д₆ на поле шахты «Казахстанская».

• Реализация методики определения эффективности заблаговре-менной дегазационной подготовки запасов выбросоопасного пласта Д₆ путём его гидрорасчленения через скважины ГРП на поле шахты «Казахстанская» позволяет оценить эффективность отдельных технологических схем ЗДП и способов интенсификации газовыделения, а также на начальном этапе оценочных работ подтвердить эффективность ЗДП по снижению газообильности подготовительных выработок.

Литература:

• Сластунов С.В., Мухамеджанов Д.Ж., Стефлюк Ю.М. Реальность и мечты на тему угольного метана (Проекты и прожекты в области углеметановых проблем в Карагандинском угольном бассейне). //Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. ОВ № 8 «Экология, метанобезопасность». -С. 9-22.

• 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. «Уголь», № 1, 2013.

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

• Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С.Проблемы реализации концепции метанобезопасности на угольных шахтах России// Уголь, 2009, №1, С.26-30