Технологические схемы гидродинамического воздействия для управления состоянием уг-леносной толщи

Малашкина В.А. - профессор, доктор технических наук,

Пчелкина И.А. - аспирантка, ассистент,

кафедра «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.

© и.Н. кирилеии, 1Ю.1 . пммил 2006

УДК 622.86

В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ

Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород на основе метода гидрорасчленения вызывает в последнее время всё более широкий интерес. В процессе гидрорасчленения монолитных вмещающих пород изменяются физико-механические свойства угленосной толщи.

При расчете напряженно-деформированного состояния призабойной части угольного пласта нами были просчитаны 7 различных вариантов.

Первый вариант учитывал естественную горно-геологическую ситуацию моделируемой области до активного воздействия. Так как объектом исследования является угольный пласт, при обработке результатов расчета строились графики распределения нормальных и касательных напряжений в зависимости от расстояния до кромки очистного забоя.

Были просчитаны также варианты с обработкой песчаника основной кровли; обработкой угольного пласта; обработкой песчаника почвы; обработкой песчаника основной кровли и почвы; обработкой песчаника почвы и угольного пласта; обработкой песчаника основной кровли и угольного пласта.

Наиболее эффективным вариантом гидродинамического воздействия является совместная обработка пород основной кровли и самого угольного пласта. При этом происходит перемещение точки максимума опорного давления в глубь

угольного массива на 1-2 м и уменьшение значений действующих в угольном пласте напряжений: су/Р на 40-43 %, сх/Р на 45-50 %, тху на 35-40 %.

На основе выполненных шахтных исследований по оценке эффективности гидродинамического воздействия на монолитные песчаники основной кровли, аналитических исследований распределения напряжений в угольном пласте, лабораторных исследований по выбору жидкостей-разупрочнителей монолитных песчаников были сформулированы следующие требования к технологии гидродинамической обработки монолитных вмещающих пород с целью их разупрочнения:

^ монолитные породы основной кровли выбросоопасных угольных пластов должны разупрочняться до уровня, при котором исключается возможность зависания за крепью больших консолей пород;

^ работы по разупрочнению вмещающих пород не должны совмещаться с очистными работами и должны производиться заблаговременно;

^ при производстве работ по разупрочнению монолитных вмещающих пород недопустимо ослабление непосредственной кровли, с этой целью при небольших мощностях непосредственной кровли и малой ее устойчивости рекомендуется разупрочнять монолитные породы основной почвы;

^ работы по разупрочнению горных пород не должны оказывать негативное влияние на показатели работы очистных забоев, быть безопасными для выполнения;

^ разупрочнение породного массива должно выполняться серийным оборудованием, а удельные затраты на их выполнение должны быть минимальными.

С целью разделения во времени и пространстве работ по разупрочнению монолитных, вмещающих выбросоопасный угольный пласт пород с подготовительными и очистными работами гидрообработку породной толщи рекомендуется проводить через скважины, пробуренные с дневной поверхности.

Основными параметрами данной технологии являются:

выбор рабочей жидкости и концентраций добавок ХАВ, обеспечивающих наиболее эффективное разупрочнение монолитных пород;

выбор варианта обработки породного массива (обработка основной кровли, обработка почвы или совместная их обработка);

расположение перфорационных отверстий и выбор способа перфорации породной толщи;

режим гидродинамического воздействия, объем рабочей жидкости и выбор расстояний между скважинами;

время выдержки рабочей жидкости в массиве.

Выбор рабочей жидкости для разупрочнения монолитных

песчаников производится исходя из химического состава цемента, а также его типа. Наиболее распространенным цементирующим веществом являются глинисто-карбонатные смеси, однако встречаются песчаники, имеющие многокомпонентный химический состав цемента. Для данных пород необходимо совместное применение нескольких типов ХАВ (например растворы карбамида и НТФ, карбамида и Н^ и

др.).

Выбор варианта обработки породного массива зависит от горно-геологических и горнотехнических условий. При неустойчивых породах непосредственной кровли и технологических схемах очистных работ с индивидуальной крепью рекомендуется совместная обработка угольного пласта и пород почвы с целью снижения напряженного состояния выбросоопасного угольного пласта. Если в основной кровле выбросоопасного пласта находятся крепкие монолитные породы мощностью более 10 м и непосредственная кровля не ниже средней устойчивости, рекомендуется производить разупрочнение основной кровли, что позволит расширить область применения механизированных комплексов.

Вскрытие пласта песчаника рекомендуется проводить методом гидропескоструйной перфорации. Непосредственно перед перфорацией производится установочный каротаж. Для более равномерной обработки перфорационные отверстия необходимо располагать в центре обрабатываемого слоя монолитных вмещающих пород.

Режим гидродинамического воздействия на монолитные породы выбирается в зависимости от фильтрационных

свойств массива. При проницаемости пород, не превышающей значений 110-4 Д, рекомендуется применять режим гидрорасчленения. Этот режим рекомендуется применять при обработке высокогазоносных песчаников с целью образования новых систем трещин, позволяющих производить более эффективную дегазацию породного массива.

Темп закачки рабочей жидкости в пласт породы определяется из формулы: д = 2ПчВ^гс • АР

где Л - обрабатываемая часть пород основной кровли (почвы), м; В - коэффициент, зависящий от проницаемости пород и вязкости текучего, В = (1,5-2,0)10-4; гс - радиус скважины, м; АР - перепад давлений, МПа.

Однако, как показал опыт гидродинамического воздействия на вмещающие породы, нельзя сразу выходить на темпы нагнетания порядка 0,03-0,04 м3/с. На первой стадии процесса необходимы темпы нагнетания рабочей жидкости не более 0,003-0,007 м3/с. Это объясняется тем, что при больших темпах нагнетания в прискважинной зоне образуется небольшое количество трещин с большим зиянием, а некоторые естественные трещины могут быть закрыты. По истечении 0,5-2,0 ч нужно переходить на расчетные темпы 0,02-0,04 м3/с.

Необходимое количество рабочей жидкости, закачиваемой в породный пласт, определяется из условий заполнения породного пространства обрабатываемого массива:

О = У • тф,

где V - предполагаемый объем обрабатываемых пород, м3; тф - эффективная пористость пород, в долях единицы; то -общая или открытая пористость, в долях единицы.

Большим объемом исследований установлено, что зона гидрорасчленения представляет собой в первом приближении эллипс с радиусами И1 и ^ (большая и малая полуоси эллипса). Выражение И1/И2 принято называть эффективным радиусом гидрообработки, тогда

О = П2ф • Л • тэф,

где ИЭф - эффективный радиус обработки, м.

Учитывая результаты лабораторных исследований по изменению физико-механических свойств песчаников под воздействием ХАВ, которые показали, что при обработке песчаников И48К6 и И’6ЗН05 их открытая пористость увеличивается на 45-50%, получим:

О = 1,5П?э2ф • Л • тЭф.

С учётом коэффициента неравномерности заполнения порового пространства, зависящего от физико-механических свойств пород и параметров скважины получим:

О = 1,5 кя&ф • Л • тэф,

где к - коэффициент неравномерности. При гидрообработке пород с поверхности к = 0,2 ^ 0,4.

Расстояние между скважинами гидродинамического воздействия при обработке вмещающих пород - 150-180 м, при этом объемы закачки рабочей жидкости - 2200-3200 м3.

Схема расположения скважин гидрорасчленения по длине лавы

Расстояние между скважинами выбирается с учетом наложения обработанных зон друг на друга. Так как гидродинамическую обработку породной толщи производят совместно с гидрорасчленением выбросоопасных угольных пластов, для повышения эффективности последнего как дегазационного и регионального противовыбросного мероприятия, то выбранное расстояние в 150-180 м соответствует расстоянию между скважинами, предназначенными для гидрорасчленения пластов.

На рисунке представлено схематическое расположение скважин гидрорасчленения.

Как установлено лабораторными исследованиями, наиболее эффективно процесс разупрочнения песчаников жидкостями с добавками карбамида или НТФ протекает в первые 7-14 суток. Исходя из этого, выбирается время выдержки рабочей жидкости в пласте породы. Каждая скважина гидрорасчленения обычно используется для производства нескольких пластоопераций. Кроме основного рабочего пласта производится обработка пластов-спутников, залегающих в зоне сдвижения при отработке основного пласта, а также обрабатываются монолитные вмещающие породы.

|— Коротко об авторах-------------------------------------------

Королева В.Н. - доцент, кандидат технических наук,

Анпилогов Ю.Г. - кандидат технических наук,

Московский государственный горный университет.

----------------------------------- © К.С. Коликов, М.В. Шмидт,

Д.Л. Бокарев, 2006

УДК 622.86

К.С. Коликов, М.В. Шмидт, Д.Л. Бокарев

ТЕХНОЛОГИЯ ДВУХЭТАПНОГО ОСВОЕНИЯ ЗОН ГИДРОРАСЧЛЕНЕНИЯ С ГИДРАТАЦИЕЙ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

С октября 1996 по июнь 2000 года на поле шахты им. В.И. Ленина через скважины ГРП-15 - ГРП-22 была проведена гидропневмообработка пласта д6 с целью его заблаговременной дегазации. С декабря 1996 года велось освоение этих скважин с откачкой рабочей жидкости станками качалками СК-5, СК-6 с погружными насосами и извлечением метана в режиме самоистечения. При этом из зон обработки каждой из скважин извлечено от 150 до 600 м3 (5-13 %) закачанной воды и от 260 до 1790 тыс. м3 метана, или от 1,3 до 9,0 м3 газа на тонну обработанных запасов угля.