Формирование волновых возмущений через скважины в угольном массиве в виде вибрационных колебаний для создания в них газопроводящих трещин

- © М.В. Павленко, 2015

УДК 622.831.325.3

М.В. Павленко

ФОРМИРОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ В УГОЛЬНОМ МАССИВЕ В ВИДЕ ВИБРАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ В НИХ ГАЗОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН

Показано назначение нового способа, а именно, вибрационного воздействия на угольный пласт для увеличения трещиноватости и как следствие интенсивности газоотдачи. Так при разработке никопроницаемого газонасыщенного угольного пласта степень газоотдачи в силу физического состояния массива очень низка. Существующие способы в недостаточной степени создают условия для дегазации угольных пластов. Поэтому для увеличения эффективности из угольного массива требуется создание новых более эффективных способов для раскрытия трещин и увеличения газоотдачи из угля. Это достигается путем применения вибровоздействия на низкопроницаемый газоносный угольный пласт. Приведены результаты выполненных исследований на конкретном угольном пласте. Были предприняты вибрационные воздействия при различных схемах расположения скважин. Полученные результаты позволили подтвердить эффективность увеличения газоотдачи из угольного пласта путем использования вибровоздействия и обеспечить увеличение дегазации, что подтверждает работоспособность применяемого способа. Применяемый способ создает условия для глубокой дегазации низкопроницаемого угольного массива.

Ключевые слова: скважина, частота, амплитуда, вибрация, метаноотдача, эффективность, трещиноватость, разрушение.

Технология вибровоздействия на угольный пласт направлена на создание новых систем трещин для дальнейшего увеличение газоотдачи, а также на вовлечение в процесс обработки участки угольного пласта с низкой газопроницаемостью.

Учитывая низкую проницаемость и высокую газоносность углей, необходимо создавать новые, более эффективные способы искусственного повышения скорости газовыделения как из угольного низкопроницаемого пласта, так и из сорбированного объема угля.

Поэтому без способов, основанных на искусственном повышении проницаемости угольных пластов, невозможна интенсивная подготовка угольных пластов к безопасной очистной выемки.

Способы должны иметь необратимое воздействие на уголь, т.е. идти по пути создания в угольном пласте крупных каналов и трещин, стенки которых длительное время не будут смыкаться.

Вот для решения этой проблемы -глубокой дегазации угольных пластов требуется разработка комплексных способов раскрытия и расширения трещин и перестройки пористой структуры угля. Комплексное воздействие - схема, в своей постановке объединяющая преимущества существующих методов и устраняющая их основные недостатки.

Так в результате вибрационного воздействия образуются газопроводя-щие трещины, при этом улучшаются, прежде всего, фильтрационные свойства угольного пласта.

Воздействие на ископаемые угли механическим волновым полем представляет интерес для направленного изменения их свойств, в частности текущей газоносности. Успешное решение указанной прикладной задачи во многом определяется результатом поиска новых способов интенсификации газоотдачи из массива угля. Эта задача, по всей видимости, сопряжена с большей избирательностью в связи особенностью газоотдачи ископаемыми углями. В ходе углубления горных работ наблюдается постоянное ухудшение фильтрационных характеристик угольного массива, особенно в осложненных горно-геологических условиях.

Уголь является хрупким материалом и подвержен значительному разрушению при внешнем воздействии по сравнению с вязким материалом. Создание трещин в угольном массиве под влиянием знакопеременных воздействий реально, так уголь наиболее хрупкая форма материала, которое может произойти в кристаллических материалах. При больших степенях деформирования вероятность наступления хрупкого разрушения увеличивается. Поэтому для разрушения угля требуется лишь небольшая энергия и при этом угольное вещество ведет себя как хрупкий материал.

Вещество угля в природных условиях в отсутствии внешних воздействий находится в стабильном состоянии, т.е. все процессы преобразования структуры угля идут очень медленно, а в массопереносе преобладают процессы, подчиняющиеся законам диффузии. Замечено, что при механическом воздействии на угольный массив в системе «уголь-метан» инициируется распад на составляющие с выделением метана.

Известно, что сорбированный метан динамически удерживается углем дисперсионными силами. Дисперси-

онные силы обуславливают физический характер связи с углем, а такая связь делает возможной обратимость сорбционных процессов в угле. Так, что при внезапном изменении напряжения отличного от начального значения, структура угля теряет пространственную однородность, инициируется распад в системе «уголь-метан».

Можно сделать вывод, что техногенные процессы инициируют распад в системе «уголь-метан», напрашивается вывод о возможности в реальных условиях, изменяя уровни механических напряжений в угольном массиве, приводить систему в нестабильное состояние.

На экспериментальной установке проведены исследования вибрационного воздействия на уголь с целью изучения кинетики метанотдачи.

Варьируя параметры амплитуды и частоты решали задачу оптимального соотношения параметров частоты вибрационных колебаний и метаноотда-чи из образца угля.

Количественными характеристиками разделения системы «уголь-метан» являются величины частота и количество газа, соответствующему такому переходу.

В зависимости от соотношения частоты и амплитуды установлена определенная область эффективности вибровоздействия, которая обуславливает переход к состоянию, при котором происходит процесс разделения системы «угол-метан». Для оптимального воздействия необходима передача энергии на уголь направленную на изменение внутренней структуры угля, ее перестройку.

В процессе проведения лабораторных экспериментов наибольшая при этом максимальная газоотдача наблюдалась при частотах 30-40 Гц при амплитудах 3-3,8 мм (рис. 1). Физическая суть разработанного в настоящее время вибровоздействия основано на

Рис. 1. Метанотдача из газоносного угля при вибрационном воздействии на лабораторной установке: 1 - газовыделение из угля; 2 - амплитуда колебаний; 3 - размеры частиц в пробе угля

том, что при определенных параметрах колебаний создаваемых в массиве угля, происходит раскрытие новых систем трещин и связанное с этим, увеличение проницаемости угольного пласта.

При этом в вибрационном поле происходит существенное увеличение число трещин и их протяженность. Это приводит к увеличению проницаемости пласта и к увеличению скорости газоотдачи. Дополнительно можно утверждать, что возможно поступление дополнительного объема метана за счет уменьшения связей молекул метана с углем и, соответственно, увеличение свободного объема метана. Это можно объяснить следующим: при вибровоздействии энергия межмолекулярных связей убывает, молекулы газа преодолевают потенциальный барьер, создаваемый межмолекулярными связями и переходят в свободное состояние, что проявляется в отрыве молекул метана от поверхности угля при вибровоздействии

и переход их в свободное состояние.

Обнаружение такого перехода, приводящего к увеличению газоотдачи из угля, является прямым экспериментальным и теоретическим доказательством разделения этой системы.

Разрушение угля энергией вибрации происходит благодаря простому разрыву сплошности массива при непосредственном разрушении блоков и образование плоскостей. При этом поверхность разрушения в пределах одного блока угля сравнительно плоская. Плоские грани вновь образовавшихся трещин внутри блока угля имеют высокую отражательную способность. В пределах одного блока угля трещины могут распространяться одновременно по двум параллельным или под углом. Образовавшиеся трещины соединяются или разъединяются по линии, пересекая друг друга, либо за счет вторичного трещиноо-бразования, либо за счет сдвига с образованием ступенек скола в блоке угля. Это достигается благодаря тому,

что вибровоздействие характеризуется знакопеременным воздействием, приводящим к появлению в пласте как растягивающих, так и сжимающих усилий.

Фильтрация метана определяется проницаемостью на участке вибровоздействия в угольном массиве. Факт установления изменения проницаемости определяется путем увеличения газоотдачи из образца угля помещенного в вибрационное поле при определенном диапазоне частоты и амплитуды.

Лабораторные исследования показали, что при вибрационном воздействии в диапазоне низких частот (1-100 Гц), наблюдается максимум метаноотдачи при частоте 30-40 Гц, что объясняется увеличением трещи-новатости массива и ростом проницаемости пласта (рис. 1).

Предложена теория расчета воздействия вибрации на образец угля, представлена в виде функции параметров вибрации - частоты и амплитуды колебаний. При этом, варьируя параметры амплитуды и частоты на вибростенде, решали задачу нахождения оптимального соотношения этих параметров для передачи максимальной энергии на образец при вибрационном воздействии с целью получения наибольшего метановыделения.

При вибрационном воздействии размеры угольных частиц изменялись от 5,0 мм до 0,5 мм, что позволило изменить не только число трещин в образцах угля, но и увеличить газо-отдающую поверхность в 5-8 раз за счет изменения количества разрушенных частиц угля. Поэтому увеличение степени трещиноватости и увеличение площади вновь образовавшейся поверхности позволило увеличить в диапазоне частот 30-40 Гц максимальную газоотдачу из угля. Именно в этом случае энергия вибрации с максимальной эффективностью приво-

дит к дестабилизации системы «уголь-метан», поскольку вся энергия, выделяющаяся при неупругих соударениях частиц угля, идет на высвобождение метана из пористо-трещиноватого массива угля. Можно утверждать. Что на участке с частотой вибрации 3040 Гц наступает резонасное явление, что позволило значительно увеличить газоотдачу из угля.

Характерной чертой режима вибровоздействия является нарушение линейной зависимости роста газоотдачи в диапазоне частот 1-100 Гц (рис. 1).

Полученные в лабораторных условиях результаты по вибровоздействию на уголь, позволили продолжить промышленную апробацию этого метода на шахтном поле.

Подземные шахтные эксперименты были проведены на участке низкопроницаемого газоносного пласта «К-2» ГОАО «Шахтоуправления им. 17-го Партсъезда» ГХК «Шахтерскан-трацит».

По имеющимся данным прогнозная газоносность пласта в метановой зоне очень высокая, причем с глубиной она возрастает и в границах оценки превышает 40 м3/г.с.б.м.

Для обеспечения высокой эффективности данного воздействия на угольный массив в условиях промышленных испытаний источник вибрации помещался непосредственно в глубь угольного пласта через пробуренную скважину. Воздействие вибрации при этом осуществлялось только на угольный массив, оставляя в состоянии покоя боковые породы и, тем самым, предотвращая их разрушение.

В качестве источника вибрации использовался глубинный вибратор с направленным полем воздействия по мере перемещения его в угольный пласт. Вибрация, вызывая изменения физического состояния угольного массива, позволяет осуществлять не-

обходимое воздействие на разрушение связи системы «уголь-метан», приводящее в конечном итоге к распаду этой системы и выделению свободного метана.

Экспериментальные исследования по интенсификации метаноотдачи из угольного пласта ставили основной целью определение зависимости параметров вибрационного воздействия на характер газовыделения из массива. Время обнажения массива угольного пласта в выработке к началу бурения в период экспериментальных исследований через подземные шпуры составляло от 0,5 до 1 суток.

Область вокруг скважины вибровоздействия можно представить в виде зон: разрушения угля, появления несколько дополнительных магистральных трещин и образования значительного количества новых систем трещин. При всем многообразии цели и задачи вибровоздействия их решение сводится к выполнению следующих условий: создание дополнительных к уже имеющимся трещинам, а также прорастание на значительную глубину вновь образовавшихся трещин.

Таким образом, механизм вибровоздействия заключается в приложении волновой энергии на систему «уголь-метан», результатом которого является создание дополнительных систем трещин, разупрочнение пласта в зоне воздействия, создание дополнительных газоотдающих поверхностей.

Для создания в пробуренной скважине интенсивного вибрационного поля на конце штанги укреплялась специально изготовленная конструкция (эксцентрик), позволяющая создавать эффективное волновое поле в зоне обрабатываемого участка пласта. В подземных условиях в зоне обнажения угольного пласта измерялась его мощность, устанавливалось время обнажения массива, производился замер содержания метана в горной выработке.

Эффективность вибрационного воздействия определяется уровнем газоотдачи из скважины вибровоздействия. При этом она характеризуется проницаемостью пласта в разных направлениях, текстурой пласта, распределением напряжений в массиве, газонасыщенностью массива и т.д.

В зоне вибровоздействия проницаемость угольного пласта высока и обеспечивается за счет появления новых и расширения существующих трещин природного происхождения. Вне зоны вибровоздействия наблюдается диффузионная проницаемость пласта, зависящая от градиента давления газа в пласте. Размер зоны вибровоздействия определяется временем воздействия, а также расстоянием между скважинами воздействия.

В результате шахтных исследований установлено, что газовыделение из скважин, пробуренных по газоносному низкопроницаемому пласту, зависит от расстояния между скважиной с вибратором и газозамерной скважиной. Так, при длине скважины получено максимальное газовыделение на пласте К-2 - 1,75 л/мин, что в 5-7 раз превышает естественное газовыделение из низкопроницаемого угольного пласта, составляющее 0,25 л/мин (таблица).

Поэтому изменение газопроницаемости и увеличение метаноотдачи пласта под действием вибрационного воздействия на угольный массив -одна из наиболее важных характеристик воздействия на угольный массив.

Конечным результатом процесса вибрационного воздействия на угольный пласт является определение полноты метаноотдачи из массива.

Фактическая проницаемость угольного пласта, т.е. его способность пропускать через себя газы, значительно изменяться под действием вибровоздействий, приложенных к участку пласта. В зоне влияния в связи с пе-

Характеристика метановыделения из угольного пласта в процессе вибровоздействия через подземные скважины, пласт «К-2»

Расстояние между скважинами, м Дебит метана, л/мин Объем извлечения газа, л

0,2 1,5-1,75 7,8-9,5

0,4 1,2-1,4 5,0-6,0

0,6 0,7-0,9 3,5-4,0

0,8 0,3-0,4 1,5-2,0

1,0 0,3-0,4 1,5-2,0

1,5 0,3-0,4 1,5-2,0

1,75 0,2-0,3 1,0-1,5

Примечание: 1) схема расположения скважин - параллельная; 2) мощность пласта - 0,8 м; 3) время работы вибратора - 5 мин.

ременной величиной приложенного возмущения в виде переменных вибрационных давлений проницаемость пласта изменялась в 2-5 раз.

Приложенное внешнее активное вибрационное воздействие влияет на трещиноватость угля: наблюдается увеличение размеров трещин вокруг скважин и продолжается дальнейший рост зияния.

Для установления количественных характеристик газовыделения из массива угольного пласта в Восточном бортовом штреке по пласту К-2 в процессе вибровоздействия скважины бурились параллельно (таблица).

Осуществлено эффективное извлечение метана из газоносного низкопроницаемого угольного массива с использованием вибрационного воздействия, что позволило достичь степени дегазации 0,6-0,8. Использование воздействия волновых полей на угольный массив подтверждает возможность выполнения поставленных задач и в условиях разработки низкопроницаемого газоносного угольного пласта.

Вибрационное воздействие через скважину, проведенное испытание в промышленных условиях, позволило использовать доступное и экономичное оборудование. Заблаговре-

менная подготовка угольных пластов через скважины с использованием вибровоздействия должна осуществляться в общем случае циклически с учетом свойств конкретного угольного массива.

Поэтому можно сделать ряд выводов, что при вибровоздействии газовыделение из скважин, пробуренных по газоносному низкопроницаемому пласту, зависит от расстояния между скважинами и временем воздействия. Вибрационное воздействие, изменяет трещиноватость массива угля, при воздействии наблюдается увеличение размеров трещин вокруг скважин и установлен дальнейший рост их числа и размеров.

При проведении на шахтном поле вибровоздействия расположение скважин может иметь вид параллельных скважин и скважин, расположенных под углом, что определяется требуемой степенью дегазации угольного пласта (рис. 2).

Поставленная цель достигается образованием в угольном пласте обширной зоны равномерной искусственной трещиноватости, передача энергии вибрации на систему «уголь-метан», дальнейшим выделением свободного метана из массива угля и

Рис. 2. Технология вибровоздействия на участке пласта при параллельном (а) расположении скважин в пласте и под углом (б): 1 - лава участка; 2 - скважины вибровоздействия; 3 - вентиляционный штрек; 4 - откаточный штрек

последующей фильтрацией его по газопроводящим трещинам, соединенным в единую фильтрационную сеть к пробуренной одной или группе подземных скважин. Зона обширной искусственной трещиноватости создается путем передачи энергии вибрации через подземные пластовые скважины в пласт. Упругие волны, концентрически распространяясь от скважины по угольному пласту, создают в нем новую сеть искусственных трещин. Энергия вибрационного воздействия, распространяясь по угольному пласту, нарушает структуру массива, разупрочняя его путем развития новых более мелких трещин и метан поступает в пробуренную подземную

скважину, а далее по трубопроводу в шахтную дегазационную сеть.

Поэтому практическая реализация способа вибрационного воздействия - это возможность использования его для подготовки к дегазации газоносных низкопроницаемых угольных пластов.

Использование вибровоздействия позволило увеличить метаноотдачу из подземных скважин, пробуренных по газоносному низкопроницаемому угольному пласту, что позволяет обеспечить эффективность съема газа, и в конечном итоге увеличить темпы добычи угля и обеспечить общую нагрузку на лаву при выемке угля комбайном.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эттингер И. Л. Газоемкость ископаемых углей. - М.: Недра, 1966.

2. Аммосов И.И., Еремин И.В. Трещино-ватость углей. - М.: Из-во АН СССР, 1960. -С. 110.

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

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

4. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Разработка способа увеличения газоотдачи из никопроницаемого газоносного угольного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 4. -C. 22. EES

Павленко Михаил Васильевич - кандидат технических наук, доцент, e-mail: mihail_mggy@mail.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 622.831.325.3

WAVE EXCITATION AND GENERATION OF OSCILLATIONS IN HOLES FOR MAKING GAS DRAIN CRACKS IN COAL

Pavlenko M.V., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: mihail_mggy@mail.ru, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».

In the article the designation of a new process, namely the vibratoryimpact on the coal seam for increased fracture intensity and consequently gas recovery. So when developing low permeable gassy coal seams degree gas recovery because of the physical condition of the array is very low. Existing methods are not sufficiently provide the conditions for degassing coal seams. Therefore, to increase the efficiency of coal file requires the creation of new, more effective ways to expandcracks and increasing gas recovery of coal. This is achieved by applying avibration on low-permeability gas-bearing coal seams. In article presents the results of the research on a particularcoal seam. Were taken during vibration exposure different arrangementsof wells. The results obtained allowed confirm the effect of increasing gas recovery from coalbed through the use of vibration and provide increased degassing which confirms the efficiency of the method used. applicable method creates the conditions for deep degassing of low-permeability coal file.

Key words: keyhole, frequency, amplitude, vibration, metanode, efficiency, racture, the destruction.

REFERENCES

1. Ettinger I.L. Gazoemkost' iskopaemykh uglei (Coal gas content), Moscow, Nedra, 1966.

2. Ammosov I.I., Eremin I.V. Treshchinovatost' uglei (Coal jointing), Moscow, Iz-vo AN SSSR, 1960, pp. 110.

3. Vasyuchkov Yu.F. Fiziko-khimicheskie sposoby degazatsii ugol'nykh plastov (Physicochemical methods of coal degassing), Moscow, Nedra, 1986, 255 p.

4. Vasyuchkov Yu.F., Pavlenko M.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2007, no 4. pp. 22.