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

к.т.н. Ютяев Е.П.

ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Дегазация угольных пластов к их интенсивной отработке - основа системного решения проблемы метанобезопасности угольных шахт

В разработанной ведущими учеными МГГУ концепции обеспечения метнобезопасности угольных шахт России изложен системный подход к принятию основных проектных решений по комплексному решению обеспечения метанобезопасности угольных шахт России, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, что предопределяет разработку основных требований к технологии угледобычи, системам вентиляции, дегазации, утилизации и использования шахтного метана, а также к системе мониторинга безопасности [1].

Принципиальные требования к системам заблаговременной и предварительной дегазации шахтных полей включают в себя:

- обеспечение необходимого снижения газовыделения в горные выработки при ведении очистных и подготовительных работ (с эффективностью 75-80% и выше при увеличении срока дегазации), достигаемого как за счет необходимого уровня извлечения метана из угольных пластов (до 50% и более от природной газоносности), так и за счет искусственного повышения остаточной газоносности угля вследствие блокирования метана водой в мельчайших порах и трещинах пласта;

- существенное снижение выбросоопасности дегазируемых пластов;

- снижение пылеобразующей способности угля в дегазируемых зонах.

Принципиальные требования к системам дегазации шахтных полей на стадии эксплуатации (дегазация массива, разгруженного горными работами) сводятся к следующим:

- обеспечение метанобезопасности ведения работ по добыче угля за счет требуемого снижения газообильности горных выработок и предотвращения загазирований шахтной атмосферы, что позволяет существенно повысить производительность добычи угля;

- обеспечение кондиционных дебитов газовоздушных смесей за счет создания системы контроля и управления дебитами и концентрациями метана в дегазационных;

- окупаемость затрат на производство работ по извлечению и использованию метана;

- безопасность работ как с точки зрения надежности и устойчивости функционирования всего технологического комплекса системы извлечения газа, так и с точки зрения обеспечения санитарно-гигиенических и экологических нормативов.

Один из основных принципов концепции отработки высокогазоносного месторождения - попутное извлечение угольного метана на всех стадиях освоения угольного месторождения с учетом изменения фильтрационных свойств газоносного углепородного массива под влиянием горных работ.

Добыча газа может начинаться заблаговременно, за 5-10 лет до начала ведения горных работ. При этом схема расположения и параметры заложения скважин должны определяться с учетом плана будущих горных работ по добыче угля. Это позволит при выемке угля снизить опасность взрывов метана за счет существенной дегазации рабочих пластов. Эта стадия дегазационных работ требует существенных «длинных» инвестиций и требует технико-экономического обоснования.

Ведение горных работ в период эксплуатации шахты приводит к разгрузке углепородного массива и увеличению метаноотдачи из углесодержащих газонасыщенных пород. На этом этапе целесообразно использовать комплексные методы извлечения метана, сочетающие скважины с поверхности, ранее используемые для заблаговременной дегазации, и подземные скважины, объединенные в единую систему. При разгрузке массива дебиты скважин возрастают в десятки раз, но при этом увеличиваются подсосы воздуха из горных выработок, и концентрация газа снижается, что требует специальных мер для поддержания кондиционных параметров извлекаемой газовоздушной смеси.

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 (в дальнейшем, для краткости, ЗДП) и реализуемого через них гидрорасчленения пласта различными инженерными воздействиями 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 0,3-0,4, что далеко не всегда может обеспечить дегазация, осуществляемая из горных выработок на стадии подготовки и отработки выемочного участка, особенно, если она проводится без применения инженерных воздействий, направленных на повышение проницаемости дегазируемого угольного пласта.

Эффективность такой подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 10-20%, что подтверждает представительный многолетний опыт работ в основных угольных бассейнов РФ и б.СССР, 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.

Известно, что в угольном пласте до 90 - 98 % всего угольного метана находится в сорбированной (или в общем случае, 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 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.

Этот 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 (чаще менее) их удовлетворительную эксплуатацию (профилактика, ремонт, замеры дебитов и концентраций, ликвидация утечек, слив воды и др.). К сожаленю, очень часто до 30% подземных пластовых скважин по различным причинам имеют нулевой дебит и только формально закрывают вопрос с пластовой дегазацией, которую шахты обязаны проводить в условиях газоносности разрабатываемого пласта выше 13 м³/т с.б.м. по действующим нормативным и руководящим документам [7], инструкции по дегазации [8] и постановлению Правительства РФ от 25.04.2011 г. № 315 г.

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, обеспечивающая существенное повышение проницаемости последних и характеризующаяся большим потенциальным резервом времени для обеспечения требуемой эффективности пластовой дегазации. Применение этой технологии сдерживается в основном вследствие существенных материальных затрат на ее реализацию и необходимым резервом времени (3 и более лет до начала очистных работ) на ее эффективную реализацию. Длинные инвестиции, необходимые для ее применения – это существенный негативный фактор как материального, так и морального свойства, связанного в основном с тем, что приходится решать задачи дальней перспективы, тогда как актуальны, насущны и требуют неотлагательного решения проблемы самого ближайшего периода, редко превышающего 1-2 года ( выемочный участок, находящийся в отработке и следующий).

В более или менее благоприятных горно-геологических условиях проблема пластовой дегазации может решаться из подземных выработок. Технология подземной пластовой дегазации достаточно широко применяется на ряде шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс». Это обусловлено сравнительно невысокой природной газоносностью разрабатываемых в настоящее время угольных пластов, залегающих на относительно небольшой глубине. Нужно заметить, что все рекордные показатели по добыче угля достигались на угольных пластах с газоносностью 9 и менее м³/т.

Для правильного и взвешенного решения проблемы пластовой дегазации и связанной с этим необходимостью обеспечения метанобезопасности и снятия ограничений на предельно допустимые нагрузки на очистной забой по газовому фактору нужна достоверная и научно обоснованная 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 (Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Васючков Ю.Ф., Стефлюк Ю.М., Полчин А.И., Логинов А.К., 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 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 [2].

Вышеназванная методика предусматривает определение в лабораторных условиях газоносности угля по отобранным кусочкам угля в процессе бурения дегазационных пластовых скважин, основных сорбционных характеристик угля 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 [3-6].

Необходимо отметить, что ЗДП является также в определенной степени способом снижения выбросоопасности угольных пластов. Для ряда шахт это также актуальный аспект в самой ближайшей перспективе.

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.

На шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» в настоящее время применяется пластовая дегазация, осуществляемая исключительно из подземных выработок. Эта технология не всегда имеет удовлетворительную эффективность, особенно в условиях постоянно повышающихся нагрузок на очистные забои и требует также своего совершенствования и модернизации. На шахте им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» испытаны несколько новых технологий интенсификации газовыделения из подземных пластовых скважин, в частности, различные технологические схемы пневмовоздействия на угольные пласты, в частности, схема реверсивного автопневмогоздействия [9] и пневмовоздействие в циклическом режиме.

Технология реверсивного автопневмогоздействия базируется на периодическом расчетном режиме перекрытия устья дегазационной скважины, что обеспечивает повышение давления метана в окрестности скважины в зоне дезинтеграции, возникшей в процессе бурения скважины, и сопровождается проникновением газа вглубь угольного массива и повышения тем самым его проницаемости. Последующая дегазация угольного пласта приводит к усадке угольных матриц и, соответственно, также способствует увеличению проницаемости угля. Механизм реверсивного автопневмовоздействия на пласт (АПВ) заключается в следующем. После закрытия скважины притекающий из массива газ создает избыточное давление, которое монотонно поднимается до величины пластового давления газа в неразгруженном от горного давления массиве и устанавливается на этой величине. В прискважинной зоне дезинтеграции пласта в процессе бурения возникали новые мельчайшие трещины и фильтрующие поры, в общем случае не связанные между собой в единую систему, ориентированную к скважине. Это объясняется тем, что образование новых каналов было связано с фактором изменения напряженного состояния массива вокруг буримой скважины, а не с процессом проникновения в массив текучего воды или газа). В процессе повышения давления в скважине накапливающийся метан под избыточным давлением фильтруется в прискважинной зоне, проникая во вновь образовавшиеся каналы в зоне дезинтеграции и связывая их в единую систему, ориентированную к скважине, которая в последствие после открытия скважины будет функционировать как газоотводящая. Вновь созданная дополнительная система мельчайших фильтрующих пор и трещин имеет дополнительные поверхности обнажения угольного пласта, которые под действием пластового давления формируют в конечном итоге дебит пластовой скважины, т.е. определяет основной показатель, характеризующий эффективность пластовой дегазации.

На начальный момент шахтного эксперимента по апробации данной разновидности технологии пневмовоздействия на пласт через 1 сутки после открытия экспериментальной скважины замер дебита газа ротаметром показал величину дебита – 25 л/мин (0,025 м³/мин). Замер дебита газа через 1 и 2 месяца соответственно показали практически то же самое значение.

На данном участке подземной пластовой дегазации расстояние между дегазационными скважинами составляло 15 м. Зону сравнения составили 5 скважин, функционирующих по извлечению метана более 1 года, 5 скважин – около 4 месяцев и 5 скважин практически свежих (менее 1 месяца). На 12 скважинах дебит не превышал 2-3 л/мин.

Таким образом, в реализованном шахтном эксперименте после открытия экспериментальной скважины и сброса давления было установлено, что дебит метана в 5 - 10 раз превышает дебиты соседних скважин. Работы по замерам дебитов продолжаются для получения общей объективной и представительной оценки эффективности процесса интенсификации газовыделения из пластовых скважин в режиме АПВ. Проведенные к настоящему времени испытания на 5 скважинах подземной пластовой дегазации подтвердили порядок приведенных выше цифр об эффективности изучаемого технологического решения по интенсификации газовыделения из угольного пласта на стадии его предварительной дегазации.

Таким образом, установлено, что при закрытии скважин при росте пластового давления происходит частичное пневморасчленение угольного пласта вокруг скважины, что существенно повышает газопроницаемость угольного пласта и, как следствие, увеличивает дебит скважин в несколько (в пять и более) раз.

Циклическое закрытие и открытие пластовых скважин в установленном режиме является важной технологической операцией, являющейся основой новой технологии интенсификации газовыделения из пластовых скважин – технологии автопневмовоздействия на угольный пласт за счет внутренней энергии газонасыщенного массива угля.

На этой же шахте проводятся испытания другой технологической схемы прямого циклического пневмовоздействия, заключающегося в циклическом нагнетании и выпуске воздуха в расчетном режиме. В настоящее время ведется набор представительной информации по эффективности данной технологии.

На этапе шахтных экспериментов было установлено, что достоверную информацию по величине пластового давления, проницаемости и основным сорбционным характеристикам более надежно и достоверно получать при бурении скважин на угольный пласт через породную пробку, где имеется возможность надежной герметизации скважины, расчитанной на давления, составляющие не менее гидростатического.

В ходе шахтных экспериментов была проведена оценка эффективности подземной пластовой дегазации по исследованию динамики газовыделения из дегазационных скважин.

Исследованная динамика изменения газовыделения из пластовых скважин, пробуренных по пласту «Болдыревский» из подготовительных выработок показывает, что существенное изменение дебита (с примерно 3,5 ÷ 14 г/мин (в среднем 5 г/мин) до 2 г/мин) происходит в первые 6 месяцев эксплуатации скважин, затем дебит стабилизируется на некоем фоновом уровне. 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.

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. В сложных горно-геологических и горнотехнических условиях (например, глубина более 350 метров, природная газоносность более 15 м³/т, нагрузки на очистные забои более 15 тысяч тонн в сутки) может быть предусмотрена заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов к безопасной и эффективной разработке скважинами с поверхности, которая 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.

3. Разработан и реализован в натурных шахтных условиях ряд технологических схем интенсификации извлечения метана на стадии предварительной пластовой дегазации, осуществляемой из подготовительных выработок, которые могут в ряде более благоприятных, но тем не менее сложных горно-геологических и горнотехнических условиях обеспечивать достижение необходимых высоких нагрузок на очистные забои по газовому фактору.

Список использованных источников

1. Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг. М., МГГУ, 2006.

2. 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

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

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

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

6. 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.

7. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). М., ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007, Выпуск 14.

8. Инструкция по дегазации угольных шахт, М.,2010 г.

9. Шмат В.Н. Разработка технологии пластовой дегазации выбросоопасных пластов в условиях их интенсивной и безопасной отработки// ГИАБ, 2012, № 4. Депон рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга».