Технические науки/10

Технические науки/10. Горное дело

к.т.н. Ютяев Е.П., к.т.н. Лупий М.Г.

ОАО «СУЭК – Кузбасс»

д.т.н. Сластунов С.В.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Совершенствование технологии дегазации разрабатываемых пластов в условиях их интенсивной отработки

Увеличение глубины ведения горных работ сопровождается ростом газоносности и выбросоопасности разрабатываемых угольных пластов. Исследованиями в Кузбассе установлено, что рост газоносности вызывал снижение нагрузки на очистные забои по наиболее газовой группе шахт Кемерова более, чем в 2,5 раза.

Выделяющийся в горные выработки метан – основной сдерживающий фактор угледобычи. В настоящее время в РФ около 50 шахт (47%)– это сверхкатегорийные по газу и опасные по внезапным выбросам угля и газа. Абсолютная метанообильность на ряде шахт превышает 150 м³/мин. Проблема метанобезопасности включает в себя достаточно много аспектов, одним из которых является разработка эффективных технологий пластовой дегазации. По оценкам специалистов для рентабельной угледобычи эффективность дегазации должна находиться на уровне не менее 50-60%. Именно пластовая дегазация во многих случаях является ключевым моментом обеспечения безопасных условий угледобычи при высоких нагрузках на очистные забои.

На современных глубинах ведения горных работ часть разрабатываемых пластов относятся к опасным по газодинамическим явлениям. Современные способы предотвращения газодинамических явлений в значительной мере основаны на дегазации как угольного пласта.

Исторически работы по дегазации в существенных объемах велись в основном, в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах, а также на Воркутинском месторождении [1-5]. По сравнению с названными объектами, Кузбасс 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 аналогичное. 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 около 9 м³/т. Еще большие нагрузки на шахте «Талдинская – Западная» были также достигнуты при невысокой газоносности. При глубинах более 300 м и газоносности свыше 12-14 м³/т актуальной задачей становится изыскание эффективных способов пластовой дегазации, так как газовыделение из разрабатываемого пласта (газовыделение с поверхностей обнажения угольного пласта и отбитого угля) становится лимитирующим нагрузку фактором [6,7].

Был проанализирован опыт работ по борьбе с газом, применения способов дегазации на угольных шахтах мира и, в частности, шахтах России и СНГ. Можно констатировать, что благодаря технически грамотной инженерной политике в практику работы многих шахт СНГ была введена комплексная дегазация подготавливаемых к разработке угольных пластов и выемочных участков, эффективность которой на ряде шахт достигает 70-80%. Однако даже такая высокая эффективность комплексной дегазации, включающей в себя не только дегазацию выработанного пространства, но также и пластовую дегазацию, не может обеспечить необходимый уровень нагрузок на очистные забои и требуется применение дополнительных способов собственно пластовой дегазации. Во многом это связано с ограниченной эффективностью пластовой дегазации, осуществляемой из подземных выработок. Последнее объясняется вполне объективными причинами: ограниченным временем на дегазацию, сложностью проведения активных воздействий по увеличению природной газопроницаемости низкопроницаемого угольного пласта и низкой скоростью газоотдачи угля.

Для выявления основных факторов, влияющих на фильтрацию свободного метана из угольного пласта и вмещающих пород в скважину, может быть проанализирована теоретическая модель фильтрации газа в осесимметричной постановке задачи и с соответствующими граничными условиями [6].

В данной модели дебит метана из скважины радиусом r₀ на участке скважины длиной H определяется по формуле:

, кг/c (1)

где K - проницаемость, м²; μ - динамическая вязкость газа, Па·с; M- молекулярный вес метана, кг/моль; R_г- универсальная газовая постоянная, R_г=8,31 Дж/(моль·К); T - абсолютная температура газа, К; P_∞ - пластовое давление, Па; P₀- давление на контуре скважины, Па; g - постоянная Эйлера, g = 1,781.

; (2)

a - пьезопроводность, м²/с; П- пористость среды; t- время, с.

Снижение газоносности угля в зоне отработки на выемочном участке на 1-2 м³/т (средний показатель по России и СНГ, подтвержденный как представительными фактическими результатами, так и аналитическими расчетами, в том числе и по обозначенной выше модели) далеко не во всех случаях может решить проблему необходимого снижения газовыделения из разрабатываемого пласта для обеспечения планируемого уровня добычи угля. Как показали расчеты, радиус эффективного воздействия скважин на изменение газоносности не разгруженного от горного давления, разрабатываемого пласта ограничивается, в лучшем случае, несколькими метрами.

Ограниченность по размерам дегазированной зоны косвенно подтверждается и тем фактом, что в настоящее время на шахтах, например, Карагандинского угольного бассейна пластовые скважины предварительной пластовой дегазации из подготовительных выработок бурятся через 2÷4 м [4].

Выполненной для условий шахты «Котинская» расчет требуемого уровня пластовой дегазации [7] в зависимости от нагрузки и величины газовыделения из разрабатываемого пласта (таблица 1) показывают, что, например, при газовыделении из разрабатываемого угольного пласта 3 м³/мин для достижения нагрузки на очистной забой 20 000 т/сут эффективность дегазации разрабатываемого пласта должна быть не менее 0,42, что на сегодняшний день может обеспечить только заблаговременная или комплексная дегазация в варианте пластовые скважины в зонах гидрорасчленения. Достичь такой эффективности пластовой дегазации из подземных выработок при применении традиционной технологии не представляется возможным без применения усовершенствованных технологий.

Можно проанализировать влияние газоносности, горного давления и пластового давления метана на выбросоопасность угольного пласта и произвести расчет составляющих энергии при реализации выброса. При коэффициенте диффузии D=10^-8 м²/с, пластовом давлении 4 МПа, пористости 1%, горном давлении 12 МПа, модуле Юнга 2 ГПа, коэффициенте Пуассона 0,3 диаметре частиц 1 мм значения потенциальных энергий представлены в таблице.

Таблица – Потенциальная энергия выброса

Источники энергии	Значение, МДж/м³	Относ. значение, %
Энергия горного давления	0,16	21,9
Энергия свободного газа из порового пространства	0,07	9,6
Энергия десорбированного газа	0,50	68,5
Суммарная энергия	0,73	100%

Приведенный расчет показывает, что основная энергия, реализующаяся при выбросе угля и газа, связана с газовым фактором (до 75-80%) – в первую очередь, потенциально, с газоносностью угольного пласта.

Вышесказанное однозначно предопределяет, что высокоинтенсивная безопасная разработка высокогазоносных угольных пластов невозможна без обеспечения глубокой дегазации разрабатываемых пластов.

Можно предположить, что в ближайшей перспективе эффективная комплексная и заблаговременная дегазация явятся важнейшим фактором обеспечения метановой безопасности при отработке угольных пластов, а также обеспечат существенный уровень извлечения метана, пригодного для полезного использования

Выбор объектов шахтных исследований предлагаемых технологических решений по совершенствованию пластовой дегазации из подземных выработок осуществлялся в соответствие с разработанной в МГГУ (ныне Горный институт НИТУ «МИСиС») при участии автора методики расчета предельно допустимых нагрузок на очистной забой по газовому фактору [8]. Отличительной особенностью разработанной методики являлось то, что ряд параметров угольного пласта определялся в ходе шахтных экспериментальных работ. Основным определяемым опытным путем параметром являлось, в частности, пластовое давление метана в пласте. Шахта им. С.М. Кирова явилась первым объектом исследований пластового давления в период 2010-2014 гг. В расчетах использован диапазон пластовых давлений газа, измеренных в ходе шахтных испытаний. Расчеты выполнены для действующих перспективных объектов разработки, в том числе по пластам «Болдыревский» и «Поленовский».

По результатам апробации усовершенствованной методики выявлены выемочные участки, на которых обеспечение планируемых шахтой им. Кирова нагрузок проблематично. Очевидно, что в таких условиях необходимо предусмотреть реализацию технических решений, устраняющих проблему повышенного газовыделения из разрабатываемого пласта. В неблагоприятном по газовому фактору положении предположительно находятся лавы 2455, 2459, 2460 по пласту «Болдыревский», а также лавы 2594, 2595 по пласту «Поленовский».

Были выполнены шахтные эксперименты по определению фильтрационных параметров газоносного угольного пласта «Болдыревский» на шахте им. С.М. Кирова. Величина пластового давления метана, коэффициент проницаемости угольного пласта и параметры сорбции Ленгмюра в значительной мере определяют газоносность выемочного участка и знание этих параметров необходимо для оптимального планирования работы выемочного участка с высокими нагрузками на очистной забой. Кроме того, указанные параметры представляют интерес при решении актуальных задач дегазации угольных пластов. Полученные фактические данные по указанным свойствам и характеристикам легли в основу разработанных технологических проектов на предварительную дегазацию угольных пластов на поле шахты им. Кирова.

В самый последний период времени на шахте им. Кирова апробированы и исследованы несколько новых технологий по совершенствованию предварительной пластовой дегазации, осуществляемой из подготовительных выработок:

·автопневмовоздействие на угольный пласт, использующее эффект повышения проницаемости прискважинной зоны пластовых скважин за счет собственной газовой энергии углегазоносного массива;

·пневмовоздействие на пласт в режиме фильтрации;

·циклическое гидроимпульсное воздействие с использованием эффекта гидроудара.

Работы по первым двум направлениям были проведены сотрудниками Горного института НИТУ «МИСиС» (МГГУ), по третьему – сотрудниками НМСУ «Горный» (С.-Петербург) с участием специалистов Управления по дегазации и утилизации ОАО «СУЭ/К – Кузбасс», шахты им. Кирова и автора настоящей публикации. Проведенные испытания подтвердили работоспособность новых технологических решений, а по первому направлению высокую эффективность в части существенного увеличения дебитов дегазационных скважин и суммарного извлечения метана из них.

Основные выводы по выполненным исследованиям заключаются в следующем:

1. Разработан, обоснован и подтвержден механизм автопневмовоздействия на пласт из подготовительных горных выработок для повышения его газопроницаемости и газоотдачи.

2. Разработана и апробирована основная технологическая документация на проведение пневматического и гидроударного воздействия на пласт из подземных выработок.

3. Научно обоснованы методологические подходы к выбору комплексной схемы пластовой дегазации, адекватной горно-геологическим и горнотехническим условиям отработки угольного пласта, осуществляемому на основе текущего экспериментального определения пластового давления газа и основных сорбционных характеристик угля, позволяющих достоверно определять требуемую глубину дегазации.

Литература

1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. – М.: Недра, 1979, 271 с.

2. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. – М.: Недра, 1986,-255 с.

3. Сластунов С.В. Заблаговременная де дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., изд-во МГГУ, 1996.- 441 с.

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

5. Забурдяев В.С. и др. Методичекие основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах.-М., ННЦ ГП – ИГД им. А.А.Скочинского, 2002.-316 с.

6. Мазаник Е.В. Совершенствование технологии дегазации угольных шахт на основе заблаговременной поэтапной скважинной подготовки шахтных полей Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н в по специальности 05.26.03 –«Промышленная и пожарная безопасность». М., МГГУ, 2010.

7. Лупий М.Г. Обоснование технологии комплексной дегазации выемочных участков при высокоинтенсивной разработке газоносных угольных пластов. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н в по специальности 05.26.03 –«Промышленная и пожарная безопасность». М., МГГУ, 2010.

8. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Сб. научн. трудов по материалам симпозиума "Неделя горняка-2009". М. Изд.МГГУ, 2009г. С. 151-159.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобнауки РФ в рамках Государственного задания НИТУ "МИСиС" по соглашению № 14.BBB.21.0142