Технические науки/10. Горное дело

к.т.н. Ермак Г.П.

Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ

д.т.н. Сластунов С.В.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

к.т.н. Мазаник Е.В.

ООО «СУЭК – Кузбасс»

К вопросу о дегазации угольных пластов, подлежащих интенсивной отработке. Проблемы и решения

Для ряда шахт России и СНГ ряд последних разработок в виде технических предложений и техно-рабочих проектов заключаются в рекомендации в ближайшей перспективе применении заблаговременной дегазации шахтных полей и выемочных участков с использованием скважин, пробуренных с поверхности, и реализуемого через них гидрорасчленения пласта различными инженерными воздействиями как основного этапа дегазационной подготовки газоносных угольных пластов к интенсивной и безопасной разработке.

На многих угольных шахтах, ведущих в настоящее время интенсивную отработку газоносных угольных пластов, применяется целый комплекс мероприятий по дегазации углегазоносного массива. 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.

Эффективность подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 10-20%, что подтверждает многолетний представительный опыт работ в Карагандинском бассейне, являющимся наиболее развитом в плане применения способов пластовой дегазации, 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, главным образом, низкой эффективностью дегазации низкопроницаемого, неразгруженного от горного давления, угольного пласта. Ключевым моментом эффективности любых схем пластовой дегазации является характер газопереноса в блочно-трещиноватой структуре угольного пласта. Схематично этот процесс можно представить в качестве комбинации движения газа по законам диффузии внутри блоков (в частности, по закону Фика) и вязкого течения по фильтрующим порам и трещинам внутри блоков (по закону Дарси). Скорость протекания этих процессов существенным образом зависит от величин газопроницаемости угольного пласта К и коэффициента диффузии D, а также пластового давления Р_пл и сорбционных характеристик угля.

В угольном пласте до 95 % всего угольного метана находится в сорбированной (связанном) состоянии. Перевод его в свободное состояние и процесс миграции к скважине весьма длителен, требует значительных временных и энергетических затрат для существенного целенаправленного изменения состояния и свойств углегазонасыщенного массива.

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 пластов, характеризующаяся существенным повышением проницаемости последних, а также большим потенциальным резервом времени для обеспечения требуемой эффективности пластовой дегазации.

Представляет интерес методология 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 рядом специалистов (Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Ютяев Е.П., Лупий М.Г., Никитин С.Г. и некоторых др.), с участием авторов настоящей статьи, разработаны и апробированы современные математические модели и получены аналитические зависимости для определения дебитов пластовых скважин и оценкигазоотдачи 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, фактическая газоносность угля и некоторые другие. Ни один из этих параметров до последнего времени на шахтах России достоверно экспериментально не определялся как в процессе ведения горных работ, так и в соответствующих лабораториях. Нами совместно со специалистами ОАО «СУЭК – Кузбасс» разработана современная методика проведения комплекса газодинамических исследований на объектах применения пластовой дегазации, позволяющая объективно решать два ключевых 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 [1].

Вышеназванная методика предусматривает определение в лабораторных условиях газоносности угля по отобранным по соответствующей технологии кусочкам угля в процессе бурения дегазационных пластовых скважин, а также основных сорбционных характеристик угля (констант Ленгмюра) и коэффициента диффузии. Кроме этого, в натурных условиях в шахте предусматривается определение на стадии бурения скважин пластового давления (по кривой роста давления в закрытой и загерметизированной скважине) и коэффициента газопроницаемости угольного пласта (по динамике нарастания пластового давления).

В настоящее время с сожалением можно резюмировать следующее.

Первое: для подлежащих разработке объектов (шахтных полей, выемочных участков) 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%. Практика уточнения этого показателя в лабораторных условиях на основе исследования отобранных в шахте кернов или угольной мелочи в настоящее время нет. Обеспечение нормативного нижнего предела газоносности угольного пласта в 13 м³/т с.б.м. [2,3] в такой ситуации является чистой условностью, т.к. проектирование дегазации носит недостоверный характер.

Второе: 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 крайне опасная 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 3-4м³/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 [4,5].

Необходимо отметить, что ЗДП является также в определенной степени способом снижения выбросоопасности угольных пластов. Известно, что в средних условиях порядка 80% энергии, реализуемой при выбросе угля и газа, приходится на свободный и сорбированный газ.

Известна мировая практика (Австралия, США и др.) ограничения допустимой газоносности выбросоопасных угольных пластов, подлежащих подземной разработке, на уровне 8-9 м3/т [6,7].

Дополнительным резервом повышения эффективности пластовой 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, особо выбросоопасного пласта Д₆ шахт им. Ленина и «Казахстанская». На шахте им. Ленина съем метана в зонах ЗДП составил 6 - 9 м³/т, а на шахте «Казахстанская» - 5 - 7 м³/т, что существенно больше возможного снижения газоносности при применении подземной пластовой дегазации из подготовительных выработок.

Литература:

1. 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

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

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

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

5. 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.

6. А. Сагафи, Д. Дж. Уильямс Безопасная разработка в условиях выбросоопасности и точность измерения газоносности. Центр CSIRO, Отдел Энергетических технологий, почт.ящик 136, NorthRede, NSW 1670, Australia,a.sagafi@det.csiro.au, d.williams@det.csiro.au

7. Лама Р.Д. Безопасные пороговые значения газоносности против выбросов при разработке пластов Були. – Межд. Симпозиум по управлению и контролю высоких эмиссий газа и выбросов в подземных угольных шахтах. – Австралия, С. 175-189, 1995.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобнауки РФ

в рамках Государственного задания № 20114/97, НИР 1190