Технические
науки/10. Горное дело
Д.т.н. Коликов К.С.
Московский
государственный горный университет,
Россия
Никитин С.Г.
Ростехнадзор, Россия
Особенности
заблаговременной дегазационной подготовки выбросоопасных угольных пластов
Основой технологии заблаговременной дегазационной подготовки является гидрорасчленение угольных пластов, предложенное проф.
Н.В. Ножкиным. Работы по данному направлению были начаты в Карагандинском и
Донецком бассейнах в 1961г., исследования показали, что в результате
гидрорасчленения проницаемость угольного пласта повышается на 2-3 порядка. В
ходе внедрения способа прошли испытания различные технологические схемы
воздействия (пневмообработка, пневмооттеснение, циклическое
гидропневмовоздействие, воздействие с использованием сжиженного и газообразного
азота и ряд других), при обработке угольных пластов использовались
поверхностно- и химически-активные вещества. Радиус воздействия в основном
составлял 120-140 м, в ряде случаев водопроявления отмечены на расстоянии до
400 м.
Первоначально работы акцентировались на снижении
газоносности угольных пластов и газообильности горных выработок. В ходе
опытно-промышленного внедрения было установлено, что гидрорасчленение не только
приводит к снижению газообильности и запыленности горных выработок, но и
позволяет изменить характер напряженного состояния призабойной части пласта.
После 1973
г. одним из важнейших направлений стало снижение выбросоопасности.
Принципиальное отличие заключается в том, что в случае дегазационной подготовки
с целью снижения газообильности горных выработок достижение цели возможно за
счет снижения фазовой проницаемости при сохранении природной газоносности.
В случае дегазационной подготовки выбросоопасных
пластов этого явно недостаточно как в связи с природными особенностями
выбросоопасных участков шахтопластов, так и в силу необходимости изменения
газодинамического и напряженного состояния. Причем в ряде случаев не только
непосредственно угольных пластов, но и вмещающих пород.
Специфическими дополнительными требованиями
являются [ 1 ]:
-
глубокая
дегазация угольных пластов и вмещающих пород;
-
равномерная
обработка на значительных площадях (до 150 м);
-
обработка
участков с мелкоамплитудными нарушениями;
-
снижение
способности угля и вмещающих пород к накоплению потенциальной энергии.
Последнему до сих пор уделяется недостаточно
внимания. Только в последние годы стали использовать дополнительное увлажнение
угольного пласта для снижения способности угля к накоплению потенциальной
энергии при заблаговременной дегазационной подготовке особо выбросоопасного
пласта d6 (ш. «Казахстанская», Карагандинский бассейн), которое
осуществляется после дегазации и непосредственно перед ведением горных работ.
Основные особенности процесса гидрорасчленения
выбросоопасных пластов:
·
необходимость
обязательного извлечения газа на поверхность с целью максимального
использования эффекта увеличения гидропроводности и газопроницаемости до начала
ведения горных работ;
·
направленность
изменений прочностных и деформационных свойств угольного пласта и вмещающих
пород, обеспечивающих разгрузку массива как до начала, так и в процессе ведения
горных работ;
·
возможность
выбросов в скважину гидрорасчленения в процессе обработки и освоения скважин.
Так на скв. № 15 шахты им. Ленина (Карагандинский бассейн) в ходе освоения было
зафиксировано более 30 газодинамических проявлений. Данная особенность в
дальнейшем позволила на ряде скважин реализовать технологию гидродинамического
воздействия с использованием геоэнергии.
По результатам ведения горных работ в зонах
активного воздействия на глубинах до 400 – 450 м способ показал достаточно
высокую эффективность. Так съем метана в зонах комплексной дегазации достигал 7
- 9 м3/т, газообильность подготовительных выработок в зависимости от
срока освоения была снижена на 30 – 60%, скорость их проведения увеличилась в
1,3 – 1,9 раза. На ряде участков подготовительные выработки по выбросоопасным
пластам проводились без локальных противовыбросных мероприятий. Дебит отдельных
скважин в Карагандинском бассейне достигал 2 – 3 м3/мин, а срок их
эффективной эксплуатации – 3 – 5 лет.
Дебиты скважин по газу на шахтах Донецкого
бассейна характеризовались значительными кратковременными начальными значениями
(до 1500-2500 м3/сут) и стабильными значениями порядка 350-500 м3/сут
в течение 2-3 лет. За этот период было отработано более 3,3 млн. т запасов (760
м подвигания очистных забоев), из которых 20% отработано без применения локальных
противовыбросных мероприятий. Следует отметить, что если в Карагандинском
бассейне гидрорасчленению подвергались в основном мощные пласты (до 10 м), то в
Донецком, как правило, до 2 м, при этом снижение мощности не приводит к
аналогичному снижению дебита. На наш взгляд это объясняется тем, что
формируемая при гидрорасчленении система трещин зависит от мощности пласта.
Раскрытие нескольких систем трещин различной
гидроправодности (или раскрытие одной системы, но с разной проводимостью по
площади, например, при переходе ее в зону повышенного горного давления)
возможно путем проведения гидрорасчленения в несколько последовательных циклов
с использованием в каждом цикле жидкостей различной вязкости.
Одной из отличительных особенностей
выбросоопасных пластов является приуроченность выбросоопасных зон к местам
геологических нарушений. Вследствие этого гидрорасчленение выбросопасных
пластов обычно осложняется гидросбойками с геологическими нарушениями, что
приводит к падению давления закачиваемой жидкости и, как следствие, к
уменьшению равномерности обработки. Поэтому использование гидрорасчленения как
регионального противовыбросного мероприятия требует разработки технологических
приемов, обеспечивающих выполнение проектных объемов закачки и равномерность
обработки.
Выполненная оценка роли горного давления, энергии газа в поровом пространстве, энергии
десорбированного газа в соответствии с подходом изложенным в работе [ 2
] для условий особо выбросоопасного пласта d6 ш.«Казахстанская»
показала, что потенциал энергии десорбированного газа составляет 0,48 МДж/м3
и превышает сумму потенциалов горного давления и газа в поровом пространстве.
Снижение газоносности и газового давления при заблаговременной дегазации
приводит к резкому снижению роли газа. Так потенциал газа в поровом
пространстве при снижении газового давления на 40-60 % снижается на 70-80%.
Практически аналогичные результаты имеет оценка потенциала энергии
десорбированного газа. Общий потенциал энергии в зонах заблаговременной
дегазации можно оценить в интервале 0,35-0,41 МДж/м3.
В работе [ 3 ] отмечается, что одним из двух
экспериментально установленных критериальных условий, определяющим возможность
возникновения лавинного разрушения, являются запас реализуемой удельной
потенциальной геоэнергии (суммы упругой потенциальной энергии угля и
потенциальной энергии выделяющегося газа при внезапных выбросах угля и газа) должен быть выше 0,3¸0,5 МДж/м3.
С учетом того, что на глубинах действующих
забоев газовое давление составляет 2,5-3,5 МПа заблаговременная дегазация
обеспечивает снижение потенциальной энергии до безопасных уровней.
Ещё
одна особенность заблаговременной дегазации связана с прогнозом выбросоопасности.
В ряде случаев, особенно при проведении выработок в зонах недостаточно
освоенных скважин отмечались отдельные опасные значения R1. В тоже время контроль
по динамике газовыделения из прогнозных шпуров во времени (qt5/qt0)
показывал неопасные значения (0,7 ÷ 1,0). Вне зон этот показатель имел опасные значения и
составлял (0,2 ÷ 0,5). Такой характер, как
правило, объясняется вскрытием прогнозными шпурами трещин гидрорасчленения, по
которым метан поступает из пласта к скважинам.
Литература:
1. Ярунин С.А Разработка метода
гидрорасчленения выбросоопасных угольных пластов. Дисс. …докт.техн.наук. - М.:
1982. МГИ, -436с.
2. Сластунов С.В.,
Каркашадзе Г.Г., Лупий Г.М. Влияние газоносности, горного давления и пластового
давления метана на выбросоопасность угольного пласта// ГИАБ. 2010. ОВ «Метан».
С. 37-44.