Технические
науки/10. Горное дело
Д.т.н. Сластунов С.В.
Московский государственный горный
университет
к.т.н. Ютяев Е.П., к.т.н. Шмат В.Н.
ОАО «СУЭК-Кузбасс»
Повышение эффективности пластовой
дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки
Исследованиями
в Кузнецком угольном бассейне установлено, что рост газоносности вызывал
снижение нагрузки на очистные забои по наиболее газовой группе шахт г. Кемерово
в 2,6 раза, а по шахтам Киселовского и Прокопьевского районов соответственно в
1,35 – 1,7 раза.
На
современных глубинах ведения горных работ часть разрабатываемых пластов
относятся к опасным по газодинамическим явлениям. Необходимо отметить, что
исторически работы по дегазации в значимых объемах велись в основном, в
Карагандинском и Донецком угольных бассейнах, а также на Воркутинском
месторождении. Кузнецкий угольный бассейн до недавнего времени был относительно негазовым бассейном, что в
первую очередь было связано с существенно меньшими глубинами разработки
угольных пластов и, соответственно, со значительно меньшими значениями их
природной газоносности. До последнего времени и на шахтах ОАО «СУЭК - Кузбасс»
положение было аналогичным. Значительные нагрузки на очистной забой были
достигнуты, например, на шахте «Котинская» (до 30 тыс.т/сутки) на глубинах до
300 м и при природной газоносности до 9 куб.м/т. При глубинах более 300 м и
газоносности свыше 12-14 куб.м/т актуальной задачей становится
изыскание высокоэффективных способов пластовой дегазации. Газовыделение из
разрабатываемого пласта становится лимитирующим нагрузку фактором.
Проанализирован опыт работ по
дегазации и борьбе с газом на угольных
шахтах мира и, в частности, шахтах России и СНГ [1-4]. Отмечается, что
благодаря технически грамотной инженерной
политике в практику работы многих шахт СНГ была введена комплексная дегазация
подготавливаемых к разработке угольных пластов, эффективность которой на ряде
шахт достигает 75-80%. Однако даже такая высокая эффективность комплексной
дегазации, включающей в себя не только дегазацию выработанного пространства, но
также и дегазацию разрабатываемого угольного
пласта из подземных выработок, не может обеспечить необходимый уровень
нагрузок на очистные забои и требуется применение дополнительных способов
пластовой дегазации. Во многом это связано с ограниченной эффективностью
пластовой дегазации из подземных выработок. Последнее объясняется вполне
объективными причинами: ограниченным
временем на дегазацию, связанным с недостаточным опережением очистными
работами подготовительных работ, сложностью проведения активных воздействий по
увеличению природной газопроницаемости угольного пласта ввиду близости горных
выработок и временных ограничений.
Снижение
газоносности угля в зоне отработки на выемочном участке на 1-2 м3/т
(средний показатель, подтвержденный как практикой, так и аналитическими расчетами,
лучшие показатели – до 3-4 м3/т) далеко не во всех случаях может
решить проблему необходимого снижения газовыделения из разрабатываемого пласта
для обеспечения планируемого уровня добычи угля.
Ограниченность
по размерам дегазированной зоны косвенно подтверждается и тем фактом, что в
настоящее время на шахтах, например, Карагандинского угольного бассейна,
пластовые скважины из подготовительных выработок бурятся через 2÷4 м.
В
ходе шахтных экспериментальных исследований была проведена оценка фактической
эффективности подземной пластовой дегазации в целом по исследованию динамики
газовыделения из дегазационных скважин на основном объекте настоящих
исследований – шахте им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Наиболее
интенсивное газовыделение из скважин наблюдается первые 3 месяца эксплуатации.
Подобная динамика подтверждает тот факт, что увеличение срока эксплуатации
подземных дегазационных скважин не может кардинально решить задачу
существенного повышения эффективности дегазации, так как основной съем метана осуществляется
в первые 3-4 месяца извлечения газа.
Для
достижения нагрузок на очистной забой
порядка 20 – 30 тыс.т/сутки эффективность дегазации разрабатываемого пласта во
многих случаях должна быть на уровне 50% и выше, что на сегодняшний день
предположительно может обеспечить только заблаговременная или комплексная
дегазация в варианте скважин гидрорасчленения пластов с поверхности и пластовых скважин в зонах искусственно повышенной трещиноватости.
Проанализировано
влияние газоносности, горного давления
и пластового давления метана на выбросоопасность угольного пласта.
Показано, что главную угрозу при
реализации выброса представляет энергия, которая выделяется в результате практически
мгновенной десорбции газа (до 70%).
Обоснованы пути
совершенствования основных технологических решений по пластовой дегазации
угольных пластов в условиях их интенсивной разработки. Изучено влияние глубины
залегания пласта на эффективность и технологию активного воздействия. Выявлена
роль увлажнения на процесс дегазации и выбросоопасные свойства угольных
пластов.
Уменьшение
прочности угля и повышение его пластичности при увлажнении приводит к
уменьшению концентрации напряжений в зоне опорного давления впереди очистных и
подготовительных выработок. Помимо снижения влияния горного давления в
развязывании выбросов, увлажнение угля уменьшает скорость газовыделения из
угля и тем самым снижает роль газового фактора в развитии выброса угля и газа.
Изложенное является во многом обоснованием применения в первую очередь
гидравлических способов воздействия на высокогазоносные выбросоопасные или
угрожаемые по внезапным выбросам угольные пласты, что, в частности, в настоящее
время актуально для новых выемочных участков шахты им. Кирова.
Исследованы перспективы и
технологические возможности различных схем гидровоздействия на угольный пласт в
части повышения газопроницаемости последнего. Исследованы возможности
реализации технологии извлечения метана путем
гидроимпульсного воздействия с использованием эффекта обратного
гидроудара [1,2].
С
учетом изложенного, были обоснованы комплексные технологические схемы пластовой
дегазации на первоочередных объектах шахты им. Кирова – в лавах 2460 (пласт
«Болдыревский») и 2596 (пласт «Поленовский») - заблаговременная дегазация с
поверхности, в лаве 2455 – предварительная из подготовительной выработки.
Определены основные параметры базовой технологии. Обоснован методический подход
к выбору параметров заложения скважин заблаговременной дегазации с учетом
планируемой нагрузки на очистной забой.
На
этапе представительных шахтных экспериментов было установлено, что достоверную
информацию по величине пластового давления, проницаемости и основным
сорбционным характеристикам более надежно получать при бурении скважин на
угольный пласт через породную пробку, где имеется возможность надежной
герметизации скважины на давления, составляющие не менее гидростатического.
Основные научные результаты и выводы по выполненным
исследованиям заключаются в следующем:
1.
Обоснованы параметры
дегазационной подготовки газоносных угольных пластов скважинами с поверхности
на основе циклического гидровоздействия, осуществляемого с использованием
эффекта обратного гидроудара, в частности, обоснована частота перекрытия
истекающего из скважины потока с помощью шарового клапана, а также технологическая
последовательность операции, обеспечивающая достижения поставленных целей.
2.
Научно обоснованы
методологические подходы к выбору конкретной комплексной схемы пластовой
дегазации, адекватной горно-геологическим и горнотехническим условиям отработки
угольного пласта, на основе текущего
экспериментального определения пластового давления газа в последнем и основных
сорбционных характеристик угля, позволяющих достоверно определять требуемую
глубину дегазации.
3.
Разработана методическая
документация по изучению свойств и состояния угольных пластов, в частности,
рабочая методика проведения шахтного эксперимента по определению пластового
давления, проницаемости и основных сорбционных характеристик разрабатываемого
угольного пласта для выбора эффективных технологий пластовой дегазации и
достоверной оценки предельно допустимых нагрузок на очистные забои по газовому
фактору.
4.
Разработана основная
технологическая документация на проведение
предварительной пластовой дегазации из подземных выработок и заблаговременной
дегазации угольного пласта скважинами с поверхности с использованием эффекта
обратного гидроудара. Прогнозное
извлечение метана из зон влияния скважин ГРП на момент отработки лав 2460 и
2596 может планироваться на уровне 5-7
м3/т.
Литература:
1.
Пучков Л.А., Сластунов
С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГГУ,
2002. - 383 с.
2.
Сластунов С.В., Ермак
Г.П., Шмат В.Н. Разработка основных технических решений заблаговременной
дегазационной подготовки выбросопасных угольных пластов Кузбасса. М., М.,
Горно-информационный аналитический бюллетень, № ОВ 8 «Экология,
метанобезопасность», 2011, С.109-118.
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.
4.
Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдяев В.С., Захаров В.Н., Логинов А.К.,
Ютяев Е.П. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов. М., Изд.
«Горная книга», 210, 500 с.