Формализация системы критериев дегазации ликвидированных угольных шахт

© Д.К. Потресов, H.A. Агаев, 2013

УДК 622.324.5

Д.К. Потресов, Н.А. Агаев

ФОРМАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ КРИТЕРИЕВ ДЕГАЗАЦИИ ЛИКВИДИРОВАННЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Рассмотрена проблема дегазации ликвидированных угольных шахт, формализованы критерии выбора пластов.

Ключевые слова: угольный пласт, дегазация, нарушенность пласта, экранирующая порода.

Крупномасштабная реструктуризация угольной промышленности, начавшаяся в 90-х годах во всех угледобывающих регионах России, привела к закрытию большого числа нерентабельных и неперспективных угольных шахт. По данным ГУРШ, на 01.01.2010 г. ликвидировано, а также находится на стадии ликвидации 201 угледобывающее предприятие, в числе которых 186 шахт и 15 разрезов. После остановки систем проветривания шахт, все образовавшиеся подземные пустоты, за счёт выделения метана, заполняются газом. Газовыделение в нарушенном углепородном массиве продолжается в течение многих лет после окончания добычных работ, и, по мнению ряда экспертов, подтвержденному зарубежным опытом извлечения метана из закрытых шахт, этот период может оцениваться десятилетиями. По ориентировочным прогнозам объёмы метана в техногенных коллекторах могут в 2-3 раза превышать объём газа, выделившегося при добыче угля за весь период эксплуатации шахты, что в ряде случаев подтверждается мировой практикой.

Эмиссия шахтного метана по техногенным трещинам в атмосферу негативно сказывается на экологической обстановке. Известно, что метан, как парниковый газ, теплоотра-жающая способность которого в 21 раз превышает аналогичный показатель для углекислого газа, вносит существенный вклад в изменение климата Земли. Таким образом, ликвидированные угольные шахты неизбежно наносят ущерб окружающей среде.

Извлечение метана из техногенных пустот угольных шахт в период и после их ликвидации в настоящее время в России не осуществляется, что, с учётом масштабов реструктуризации угольной отрасли, вносит немалый вклад в формирование парникового эффекта. Доля угольного метана в его глобальной эмиссии на Земле оценивается до 8 %, составляя порядка 20 % от выделений метана природными источниками.

Вовлечение нетрадиционного углеводородного ресурса -метана ликвидированных угольных шахт - в энергетический баланс страны является важной народно-хозяйственной проблемой, решение которой обеспечит комплексность освоения углеметановых месторождений и снизит экологическую нагрузку на окружающую природную среду.

Анализ состояния вопроса позволил определить задачи исследований, которые заключались в обосновании основных критериев и разработке методики выбора перспективных участков извлечения метана из ликвидированных угольных шахт, разработке рекомендаций по выбору оптимальных параметров заложения метанодобычных скважин в техногенные коллекторы угольных шахт, включая глубину заложения скважин, выбор диаметра и интервалов перфорации скважин, а также в аналитической оценке динамики притока метана в техногенные коллекторы угольных шахт из окружающего углепородного массива.

При выборе участков заложения метанодобычных (дегазационных) скважин, пробуренных с поверхности в подработанный массив, необходимо установить ряд основных критериев, определяющих перспективность этих участков (в сравнении с другими рассматриваемыми в границах шахты) с точки зрения метанодобываемости. В виду того, что практический опыт извлечения метана из ликвидированных шахт в России отсутствует, научно-методическая база по данному вопросу находится в начальной стадии своего формирования. Таким образом, на первоначальном этапе представляется возможным провести лишь теоретическое обоснование критериев выбора перспективных участков заложения мета-нодобычных скважин.

Необходимо понимать, что под извлечением метана из выработанных пространств понимается технология извлечения метана из техногенного коллектора, который представлен как выработанными пространствами, так и зонами повышенной

проницаемости, образовавшимися в массиве в зоне влияния очистных работ.

Основным источником свободного метана в деформированном горными работами массиве, питающим газом сложившийся техногенный коллектор, являются те угольные пласты, которые не отрабатывались и при этом попали в область разгрузки массива от горного давления при ведении очистных работ (в зону деформаций и трещинообразования). Такие угольные пласты будут продолжительный период времени обеспечивать подпитку техногенного коллектора свободным метаном.

Для выбора перспективных участков скважинного извлечения метана из ликвидированных шахт необходимо задаться рядом определяющих критериев, в качестве которых определены следующие:

1. Максимальная удельная угленасыщенность области техногенного трещинообразования горного массива;

2. Наибольшая газоносность угольных пластов в нарушенной зоне;

3. Степень техногенной нарушенности подработанных угольных пластов, определяемая с учётом приоритетных параметров извлечения и утилизации метана;

4. Наибольшие площади отработанных участков;

5. Отсутствие (минимальное наличие) случаев выклинивания угольных пластов в районе выбираемого участка;

6. Поздние годы отработки угольных пластов;

7. Наличие и целостность экранирующих пород, препятствующих дренированию (миграции) метана на дневную поверхность;

8. Пологое залегание угольных пластов;

9. Нисходящий порядок отработки пластов;

10. Целостность пластов (низкая вероятность их разрыва при подработке), являющихся водоупорами водоносных горизонтов;

11. Низкий (незначительный) уровень затопления подземных горных выработок (в т.ч. выработанных пространств).

Участок шахтного поля, выбираемый для заложения метано-добычных скважин с поверхности, должен также удовлетворять ряду дополнительных условий, таких как:

12. Наличие незастроенной территории или соблюдение требований законодательства по минимальному расстоянию от объекта проведения работ до жилых строений;

13. Отсутствие на поверхности шахты в выбранных точках заложения скважин всевозможных водоёмов;

14. Наличие (возможность обустройства) в выбранных точках заложения скважин ровных участков для размещения буровой установки и другого оборудования для производства работ;

15. Наличие участка достаточной площади для размещения техники и всего необходимого для производства работ оборудования;

16. Наличие вблизи источников электроснабжения и водоснабжения;

17. Наличие (возможность обустройства) подъездных путей для подвоза необходимых материалов и оборудования;

18. Наличие, а также непосредственная близость объектов-потребителей каптируемого метана.

Математическое описание критериев

H

1) Нi = —0— угленасыщенность пласта (м),

Ни

где H0i - выработка пространства (м3), Иц - деформированное пространство, м2, Hi ^ max.

2) Xi = X0 + (X\ - X0) - газоносность угольного пласта, м3/т,

где Х\ - газоносность пласта при сорбционном равновесии

м3/т.

Хо - остаточная газоносность, м3/т, Xi ^ max

3) А,-- степень нарушенности пласта, A,- ^ max.

4) Pi - площадь отработанных участков, м2, Pi ^ max.

5) Mi - количество случаев выклинивания, Mi ^ min

6) N,- - год отработки пластов, N,- ^ min

7) Kj - целостность экранирующих пород, K] ^ max, при 0 целостность отсутствует

8) Z,-- угол залегания пласта, Z, > 20° - пологое залегание, Zi < 20° - наклонные.

9) Wj - порядок отработки пластов, восходящий и нисходящий, приоритет отдается нисходящим.

10) Dt = Kb4lm - растояние образования трещин от пласта при мощности Hj < 2 - масса (кг). Dj ^ min.

11) Qi = —— уровень затопленности трещин.

Di

Остальные критерии представляют собой множество булевых критериев, при ложном значении любого из них проведение работ по дегазации не представляется возможным.

B (Ci...Cn), где С - критерий, n =1,7 .

Математическая модель будет выглядеть следующим образом:

в (С,..с„)'

Ht ^ max X, ^ max A, ^ min P ^ max Mt ^ min Nt ^ min Ki ^ max -20 < Z,. < 20 Wt ^ max

Di ^ min Q, ^ min

Если хотя бы один из критериев С1.Сп принимает ложное значение то произведение множества критериев С1.Сп и системы критериев выбора угольного пласта принимает ложное значение, следовательно, на выбранном участке коллектора проводить работы по дегазации ликвидированных угольных шахт невозможно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авт. свид. № 1421883. Способ дегазации выработанного пространства / Кочетов В.Г., Пережилов А.Е., Лукаш A.C., Васильев Ю.В. - БИ № 33, 1988. Заявка № 4108201 от 05.06.86.

2. Авт. свид. № 1448078. Способ дегазации углепородного массива / Бурчаков A.C., Ярунин С.А., Лукаш A.C. и др. - БИ № 48, 1988. Заявка № 4217068/23-03 от 25.03.87.

3. Авт. свид. № 1687799. Способ дегазации углепородной толщи / Ярунин С.А., Лукаш A.C., Ильюшенко В.Г. и др. - БИ № 40, 1991. Заявка № 4711843/03 от 29.06.89.

4. Авт. свид. № 1754906. Способ дегазации подрабатываемой угленосной толщи / Бурчаков А.С., Ярунин С.А., Лукаш А.С. и др. - БИ № 30, 1992. Заявка №4756755 от 09.11.89.

5. Адилов К.Н., Ахметбеков Ш.У., Новиков Б.Я., Садчиков Б.А. Технология добычи высококондиционного метана при выемке газоугольных пластов // Современные проблемы шахтного метана. - М.: МГГУ, 1999. - С. 118-120. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Потресов Дмитрий Кириллович - профессор, доктор технических наук; Агаев Ниджат Алекберович - студент магистратуры Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru

А