Способ изучения остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов в шахтах
METHOD FOR STUDYING THE RESIDUAL GAS CONTENT OF COAL SEAMS BEING DEVELOPED IN MINES

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам отбора проб угля в шахтах и методикам определения газоносности разрабатываемых угольных пластов.
В настоящее время имеется несколько нормативных документов, предусматривающих методики изучения газоносности угольных пластов в шахтах. К ним относятся:
1. Методика определения газоносности разрабатываемых угольных пластов, утвержденная в ИПКОН РАН (2012 г.).
Данная методика предназначена для определения потенциальной газоносности угольных пластов и для оценки эффективности дегазационных мероприятий на основе изучения кинетики десорбции газа из образцов угля, полученных бурением из подземных горных выработок на глубине залегания пласта. Методика позволяет также проводить оценку эффективности попутного извлечения газа из угольных пластов.
При разработке Методики по определению газоносности разрабатываемых угольных пластов использованы материалы, содержащиеся в «Инструкции по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах» /М., Изд-во «Недра», 1977/, Патенте РФ №2015348, «Способ определения газоносности пласта» /Кемерово, 1994/, «Временной методике определения газоносности угольных пластов в процессе ведения горных работ на шахтах Кузбасса» /Кемерово, 2009/, Австралийский Стандарт AS 3980-1999.
2. Руководство по безопасности «Рекомендации по определению газоносности угольных пластов». Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 9 августа 2016 г. №333. Москва ЗАО НТЦ ПБ 2016. Выпуск 48.
Руководство содержит рекомендации по порядку отбора угольных проб при бурении скважин в горных выработках угольных шахт; порядку определения объема газа, выделившегося из отобранных угольных проб; порядку расчета природной и остаточной газоносности угольных пластов.
Результаты расчетов природной и остаточной газоносности рекомендуется использовать при прогнозе газообильности подготовительных выработок и выемочных участков и оценке эффективности применения мер, направленных на снижение природной газоносности угольных пластов.
3. ГОСТ Р ИСО 18871-2018. Национальный стандарт РФ, М. Стандартинформ 2018. Горное дело «Метод определения содержания метана в угольных пластах».
Подготовлен Закрытым акционерным обществом «Межведомственная комиссия по взрывному делу при Академии горных наук» (ЗАО «МВК по ВД при АГН») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии международного стандарта (ISO 18871-2015 «Methodofdeterminingcoalbedmethanecontent», IDТ) и идентичен по содержанию данному международному стандарту.
Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 269 «Горное дело». Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 5 июня 2018 г. N9 313-ст.
В соответствии с требованиями нормативных документов «Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах», 1977 г., «Инструкция по дегазации угольных шахт», 2011 г. природная газоносность угольных пластов действующих, строящихся и реконструируемых шахт определяется по данным углегазового опробования керногазонаборниками при геологоразведочных работах, для действующих шахт уточняется по данным фактического газовыделения в горные выработки разрабатываемых пластов.
В качестве дополнительных методов изучения газоносности разрабатываемых пластов на действующих шахтах рекомендуется применять методы, обозначенные в п. 1, п. 2, п. 3. Эти методы разработаны на основании изучения зарубежного опыта исследований газоносности угольных пластов в США, Китае, Австралии и по своему содержанию они практически не отличаются от зарубежных аналогов, где применяется единая методика изучения газоносности как на стадии геологоразведочных работ, так и в шахтах.
1
2
3
3
3
В соответствии с вышеобозначенными методиками отбор проб угля предусматривается с использованием керноотборников, кусочков отбитого угля в забоях шахт, угольного шлама с последующим описанием проб и перекладыванием их в герметические сосуды (канистры). При этом пробы угля некоторое время (15-20 минут) находятся в контакте с атмосферным воздухом и происходит частичная дегазация проб. Процедура дегазации проб производится в шахтах и в специализированной лаборатории. Определяются объемы потерянного газа (Q), десорбированного газа (Q), остаточного газа (Q). На основании этих данных производится расчет потенциальной (остаточной) газоносности по каждой пробе в расчете на массу угля (м /т, м/т с. б.м.).
Объем потерянного газа (Q1) определяется графически-расчетным путем. При этом учитывается время с момента отбора пробы угля керноотборником, ее подъема на устье скважины, герметизации в канистре и помещения в термостат для последующей дегазации. Достоверность расчетов потерянного газа многих зарубежных и отечественных исследователей вызывает сомнение, так как исследуемые угольные пласты могут отличаться разной степенью метаморфизма, петрографического состава, степенью трещиноватости каждой пробы и газоотдачи, а методика расчета потерянного газа единая.
Несмотря на наличие выше перечисленных методик, проблема изучения остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов в шахтах и оценке эффективности дегазационных мероприятий остается актуальной до настоящего времени.
В 2019 г. в Минэнерго России Координационным советом "Международного Центра по изучению и распространению передового опыта дегазации, добычи и утилизации метана угольных месторождений" начата разработка федеральной программы "Метан угольных месторождений (оценка, извлечение, утилизация, использование)".
В разделе III "Геотехнологии извлечения метана углегазовых месторождений России" п. 25 предусмотрена "Разработка методики прогноза остаточной газоносности угольных пластов действующих шахт".
Во исполнение пункта 6 перечня поручений Заместителя Председателя Правительства Российской Федерации А.В. Новака от 10.03.2021 №АН-П51-2824 Минобрнауки России совместно с Минэнерго России, Российской академией наук и другими заинтересованными федеральными органами исполнительной власти формируют проект комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла "Метанобезопасность при разработке угольных месторождений" (далее - кнтпМетанобезопасность). Проект программы Минэнерго планируется включить в кнтпМетанобезопасность.
Учитывая современные требования угольной отрасли в повышении эффективности дегазации при разработке угольных месторождений, определяемой на основании получения достоверных данных остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов, предлагается новый способ изучения остаточной газоносности угольных пластов в шахтах, основанный на многолетнем отечественном опыте изучения газоносности угольных пластов при геологоразведочных работах, в шахтах, начиная с 80-х годов прошлого века и по настоящее время. (Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР.Т.2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. М., Недра, 1979, Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири. Том II. - М.: ООО "Геоинформцентр", 2003)
Основными недостатками известных способов изучения газоносности разрабатываемых угольных пластов являются:
- частичная дегазация проб угля при контакте с атмосферным воздухом в процессе их отбора и помещения в герметические сосуды (канистры);
- продолжительность вторичной дегазации составляет (в зависимости от петрографического состава угля и его степени газоотдачи) от нескольких недель до 1-3-х месяцев, что значительно увеличивает стоимость лабораторных исследований.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении достоверности определения остаточной газоносности угольных пластов, для оценки эффективности дегазационных мероприятий на основе изучения газоносности образцов угля, отобранных шахтными керногазонаборниками (ШКГН) при бурении из подземных горных выработок на глубине залегания пласта, а также снижении стоимости проведения исследований.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что способ изучения остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов в шахтах включает отбор углегазовых проб шахтным керногазонаборником, извлечение его из скважины, после чего керноприемник с пробой отделяют от керногазонаборника и герметизируют специальными заглушками, дополнительно отбирают пробу угля из забоя шахты, затем отобранные пробы угля в керноприемниках проходят первичную дегазацию в шахтовых условиях до полного извлечения свободного газа, производят вторичную дегазацию в лабораторных условиях на стационарной термовакуумной дегазационной установке на трех режимах дегазации до полного извлечения газа, после чего проводят дополнительные лабораторные исследования проб угля и газа после дегазации, по отобранным дополнительно пробам угля проводят изотермическое тестирование для определения сорбционной метаноемкости угольных пластов, согласно изобретению остаточную газоносность проб угля в керноприемниках определяют как объем извлеченного газа при первичной, вторичной дегазации и после дробления, остаточная газоносность пласта определяется соотношением суммарного объема газа по стадиям дегазации и веса угольных проб, по результатам изотермического тестирования рассчитывают объем Ленгмюра, сорбционную метаноемкость пласта при термобарических условиях залегания пласта, а по соотношению сорбционной метаноемкости и остаточной газоносности рассчитывают остаточную газонасыщенность пласта.
Способ изучения остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов в шахтах осуществляют следующим образом. Углегазовые пробы отбирают в процессе бурения подземных дегазационных скважин на начальном этапе дегазационных мероприятий и по их завершении.
Углегазовые пробы отбирают шахтным керногазонаборником типа (ШКГН 76, 96), который является упрощенной конструкцией керногазонаборников типа КГН 3-70/76 (без колокола). Дополнительно в конструкцию ШКГН установлены центраторы на керноприемную часть. Конструкция ШКГН позволяет отбирать пробы при бурении скважин с подземных горных выработок в любом направлении (горизонтальные, наклонно-направленные).
Шахтным керногазонаборником (ШКГН) отбирают углегазовые пробы в керноприемник длиной 0,45-0,50 метров. После отбора проб ШКГН извлекают из скважины, керноприемник с пробой отделяют от керногазонаборника и герметизируют специальными заглушками. При этом исключен контакт отобранной пробы угля с атмосферным воздухом. Затем дополнительно отбирают пробу угля из забоя шахты (в виде кусочков отбитого угля до 1 килограмма) для исследований сорбционной метаноемкости разрабатываемого угольного пласта.
Отобранные пробы угля в керноприемниках проходят первичную дегазацию в шахтовых условиях до полного извлечения свободного газа.
В соответствии с заявляемым способом лабораторную обработку углегазовых проб в керноприемниках(вторичная дегазация) производят на стационарной термовакуумной дегазационной установке на трех режимах дегазации до полного извлечения газа:
- при температуре 20°С;
- при термовакуумировании с нагревом пробы в водяной ванне до 80°С;
- после дробления пробы в шаровой мельнице при 80°С и вакуумировании.
Вторичная дегазация составляет 5-7 дней.
После дегазации проводят дополнительные лабораторные исследования проб угля и газа (технический анализ, компонентный состав газа). По отобранным дополнительно пробам угля проводят изотермическое тестирование для определения сорбционной метаноемкости угольных пластов в соответствии с патентом РФ №2590981 (МПК G01N 15/08, G01N 7/04, опубл. 10.07.2016, бюл. №19).Способ исследования сорбционных свойств углей осуществляют в следующей последовательности. Устанавливают необходимую для исследования температуру, измеренный объем газа закачивают под давлением 1 МПа с последующим увеличением давления с интервалом 1 МПа. После чего определяют объем абсорбированного газа, по измеренным объемам при каждом значении давления рассчитывают газоемкость на тонну и на сухую беззольную массу с учетом влажности и зольности. Затем по полученным данным строят линейную функцию с указанием формулы для обеих кривых. Из формулы определяют коэффициенты для расчета объема Ленгмюра и давления Ленгмюра. Полученные значения используют в уравнении адсорбции для определения сорбционной газоемкости. Строят график зависимости измеренных и рассчитанных значений объема адсорбции от значений давления.
3
3
Остаточную газоносность проб угля в керноприемниках определяют как объем извлеченного газа при первичной, вторичной дегазации и после дробления, т.е. прямым методом без использования дополнительных расчетных коэффициентов. Остаточная газоносность пласта определяется соотношением суммарного объема газа по стадиям дегазации и веса угольных проб (м/т, м/т с. б.м).
По результатам изотермического тестирования рассчитывают объем Ленгмюра, сорбционную метаноемкость пласта при термобарических условиях залегания пласта, а по соотношению сорбционной метаноемкости и остаточной газоносности рассчитывают остаточную газонасыщенность пласта (%). Показатели остаточной газонасыщенности пласта характеризуют степень дегазации и эффективность дегазационных мероприятий.
Способ изучения остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов в шахтах позволит:
- за счет повышения качества углегазового опробования повысить достоверность определения остаточной газоносности угольных пластов;
- определить остаточную газонасыщенность угольных пластов по показателям сорбционной метаноемкости и их остаточной газоносности для определения степени дегазации пластов при строительстве основных и вспомогательных горных выработок и эффективности дегазационных мероприятий;
- значительно снизить стоимость проведения исследований за счет сокращения продолжительности вторичной дегазации углегазовых проб.
Апробация способа изучения остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов в шахтах проведена в 2021 г. на одной из шахт Кузбасса, а на 2022 г. планируется проведение исследований остаточной газоносности на семи шахтах одной из ведущих угледобывающей компании Кемеровской области.