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.