Проблема совершенствования технологии пластовой дегазации в условиях интенсивной разработки

© Е.П. Ютяев, 2015

УДК 622:063.543:622.411.33 Е.П. Ютяев

ПРОБЛЕМА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАСТОВОЙ ДЕГАЗАЦИИ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОЙ РАЗРАБОТКИ

Изложены основные принципы выбора технологии пластовой дегазации для интенсивной и безопасной отработки угольных пластов, пути совершенствования технологии пластовой дегазации. Приведены первые результаты апробации новых технологических решений. Методология расчета параметров технологии базируется на уравнениях массопереноса метана в дифференциальных уравнениях в частных производных. Разработана компьютерная программа расчёта, позволяющая прогнозировать притоки метана в очистной забой, использующая ограниченное количество базовых исходных данных физических свойств и технологических параметров системы разработки. Б частности, представлены результаты расчётов, позволяющие установить влияние технологических параметров системы разработки на производительность добычи угля. Ключевые слова:допустимые нагрузки, углегазоносный массив, выбор технологии дегазации.

Выделяющийся в горные выработки метан - основной сдерживающий фактор угледобычи. В настоящее время в РФоколо 50 шахт (47%)- это сверхкатегорийные по газу и опасные по внезапным выбросам угля и газа. Абсо-лютнаяметанообильностьна ряде шахт превышает 150 м3/мин. Недопустимого уровня достиг за последние годы травматизм от взрывов газа и пыли. Проблема метанобезо-пасности 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.

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 Кемероваболее, чем в 2,5 раза.

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 в целом, так и его призабойной части.

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 куб.м/т. Еще большие нагрузки на шахте «Талдинская - Западная» были также достигнуты при невысокой газоносности. При глубинах более 300 м и газоносности свыше 12-14 куб.м/т актуальной задачей становится изыскание высокоэффективных способов пластовой дегазации, так как газовыделение из разрабатываемого пласта (газовыделение с поверхностей обнажения угольного пласта и отбитого угля) становится лимитирующим нагрузку фактором [6, 7].

Былпроанализирован 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 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 г0 на участке скважины длиной Н определяется по формуле:

О = -2пНК . М

ц ИгТ ' 1пуЯ0

где К — проницаемость, м2; ц — динамическая вязкость газа, Па^с; М — молекулярный вес метана, кг/моль; Иг- универсальная газовая постоянная, Иг=8,31 Дж/(молыК); Т — абсолютная температура газа, К; Р^ — пластовое давление, Па; Р0 — давление на контуре скважины, Па; у — постоянная Эйлера, у = 1,781.

г2 К Р + Р

И = а = К . ;

0 4аГ цП 2

где а — пьезопроводность, м2/с; П - пористость среды; I - 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 бассейнапла-стовые 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 (табл. 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 Э=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 табл. 2.

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.

Таблица 1

Требуемая глубина дегазации в зависимости от нагрузки и прогнозного газовыделения разрабатываемого пласта

Газовыделение из пласта, м3/мин Коэффициент дегазации при нагрузках на лаву А, т/сут

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

1 0,01

2 — — — 0,135 0,31 0,425 0,5

3 — — 0,23 0,42 0,54 0,62 0,67

Таблица 2

Потенциальная энергия выброса

Источники энергии Значение, Относительное

МДж/м3 значение, %

Энергия горного давления 0,16 21,9

Энергия свободного газа из порово- 0,07 9,6

го пространства

Энергия десорбированного газа 0,50 68,5

Суммарная энергия 0,73 100%

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 «МИ-СиС») 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 «Поле-новский».

По результатам апробации усовершенствованной методики выявлены выемочные участки, на которыхобеспечение планируемых шахтой им. Кированагрузок 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 Ёенгмюра 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 углегазо-носного 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 «СУЭК - 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.

Выполнена оценка эффективности базовой технологии подземной пластовой дегазации, осуществляемой из подготовительных выработок по исследованию динамики газовыделения из дегазационных скважин. Задачей замеров дебита метана из пластовых скважин являлось отследить изменение газоотдачи угольного пласта в зависимости от времени функционирования скважин. Замеры производились на 15 выбранных скважинах.

Динамика изменения дебита подземных пластовых скважин во времени представлена на рисунке.

Исследованная динамика изменения газовыделения из пластовых скважин, пробуренных по пласту «Болдыревский» из подготовительных выработок показывает, что существенное изменение дебита (с 5 м3/мин до 2 м3/мин) происходит в первые 3-4 месяца эксплуатации скважин, затем дебит стабилизируется на некоем сравнительно низком фоновом уровне. 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 начальные 3-4 месяца извлечения газа.

Основные выводы по выполненным исследованиям заключаются в следующем:

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

Время. мес

Динамика изменения дебита подземных пластовых скважин во времени

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.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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 C.B. Заблаговременная де дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., изд-во МГГУ, 1996. — 441 с.

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

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

6. Мазаник E.B. 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 C.B., 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. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Ютяев Евгений Петрович — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУЭК-Кузбасс», mazanikev@lnk.suek.ru.

UDC 622:063.543:622.411.33

THE PROBLEM OF IMPROVING THE TECHNOLOGY OF THE RESERVOIR DEGASSING IN THEIR INTENSIVE DEVELOPMENT

Uteaev E.P., Director General of «SUEK-Kuzbass», doctor of Sciences, mazani-kev@lnk.suek.ru, Russia.

The paper describes the basic principles of choice of technology degassing reservoir for intensive and safe mining of coal seams, improving the technology of the reservoir degassing. The first results of testing of new technological solutions. The methodology calculation of parameters of technology is based on mass transfer of methane equations as differential equations in partial derivatives. We have designed computer software for such estimations. While using limited basic initial data of physical properties and technological parameters of mining system it allows forecasting methane inflow into stope. In particular we have presented the estimation results allowing establishing the influence of coal gas content and stope length on coal mining capacity

Key words: permissible load, pleasoning array, choice of technology degassing reservoir.

REFERENCES

1. Nozhkin N.V. Zablagovremennaja degazacija ugol'nyh mestorozhdenij (Early degassing of coal deposits). Moscow: Nedra, 1979, 271 p.

2. Vasjuchkov Ju.F. Fiziko-himicheskie sposoby degazacii ugol'nyh plastov (Physico-chemical methods of degassing of coal seams). Moscow: Nedra, 1986. 255 p.

3. Slastunov S.V. Zablagovremennaja de degazacija i dobycha metana iz ugol'nyh mestorozhdenij (Early degassing and methane extraction from coal deposits). Moscow, izd-vo MGGU, 1996. 441 p.

2. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Kolikov K.S. Izvlechenie metana iz ugolnyh plastov (Extraction of methane from coal seams). Moscow, izd-vo MGGU, 2002. 383 p.

3. Zaburdjaev V.S. i dr. Metodichekie osnovy proektirovanija degazacii na dejstvu-jushhih i likvidiruemyh shahtah (Methodological basis for the design of degassing on existing and liquidated mines). Moscow, NNC GP - IGD im. A.A.Skochinskogo, 2002. 316 p.

4. Mazanik E.V. Sovershenstvovanie tehnologii degazacii ugol'nyh shaht na osnove zablagovremennoj pojetapnoj skvazhinnoj podgotovki shahtnyh polej (Improving the technology of underground coal mines through pre-staged in-situ preparation of the mine fields) Diss. na soisk. uch. stepeni k.t.n v po special'nosti 05.26.03 «Promyshlennaja i pozharnaja bezopasnost'». Moscow, MGGU, 2010.

5. Lupij M.G. Obosnovanie tehnologii kompleksnoj degazacii vyemochnyh uchastkov pri vysokointensivnoj razrabotke gazonosnyh ugolnyh plastov (Rationale technology integrated degassing excavation sites with high-intensity development of gas-bearing coal seams). Diss. na soisk. uch. stepeni k.t.n v po special'nosti 05.26.03 «Promyshlennaja i poz-harnaja bezopasnost'». Moscow, MGGU, 2010.

6. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S. Metodika rascheta dopustimoj nagruzki na ochistnoj zaboj po gazovomu faktoru (Method of calculating the allowable load on the longwall face on the gas factor). Sb. nauchn. trudov po materialam simpoziuma «Nedelja gornjaka-2009». Moscow, Izd.MGGU, 2009. pp. 151-159.