Использование вибрации как способа управления газодинамическим состоянием угольного массива

Таблица 2

Экологическая эффективность переработки шахтного метана

Показатели Ед. изм. Нагреватель воздуха Комплекс КЭПМ-П

Объем утилизированного метана 3 млн. м в год 2,50 3,72

Объем замещенного угля, т/год 2280 4600

Сокращение эмиссии парниковых газов (в пересчете на 36200 57290

СО2) , в том числе: снижение эмиссии метана т/год 30000 44640

Снижение эмиссии СО2 при замещении угля 6200 12650

Сокращение других выбросов, т/год 65 131

В том числе: частиц летучей золы и угольной пыли 58 117

Частиц серы (в пересчете на SO2) 7 14

Цена тонны эквивалента СО2 У.е. Oi 0,6 до 30 От 0,6 до 30

Дополнительный экономический эффект (при min. Стоимости) у.е. 21700 34370

Экологический эффект при промышленной переработке шахтных метановоздушных смесей (табл. 2) достигается за счет: ликвидации выбросов в атмосферу парникового газа - метана; сокращения выбросов двуокиси углерода и других загрязняющих веществ при замене угля в теплоэнергетике шахты на более экологичный метан; сокращения выбросов загрязняющих веществ и за счет автономного получения электрической энергии на газе.

Даже при обычном сжигании метана в факеле обеспечивается значительное снижение выбросов парниковых газов. Так одна тонна С02 образуется при сжигании 512 м3 СН4, которые при выбросе в атмосферу эквивалентны 7,16 т С02. Следовательно, сжигание каждой 1000 м3 метана эквивалентно снижению выбросов С02 на 12 т.

Результаты оценки экологической эффективности промышленной переработки шахтного метана в нагревателе воздуха показывают, что снижение эмиссии парниковых газов составляло 36200 т в год, что, даже при минимальной цене тонны эквивалента двуокиси углерода 0,6 у.е., могло принести дополнительно экономический эффект в размере 22 тыс. у. е.

Оценка экологической эффективности и сокращения вредных выбросов в атмосферу при переработке шахтного метана в комплексах КЭПМ-П мощностью 1 МВт по электрической энергии доказывает, что при развитии системы торговли квотами на выбросы парниковых газов и интегрировании в эту систему выбросов метана может быть обеспечена финансовая основа для широкомасштабной реализации проектов по утилизации этого ценного природного сырья.

__ Коротко об авторах ____________________________

Шмидт М.В. — кандидат технических наук, НТЦ «Комир».

© Ю.Ф. Васючков, М.В. Павленко, 2004

УДК 534.232

Рис. 1. Кинетика метаноотдачи из

образца угля при различных виброча- ВиСЮЧКОв, ПибЛСНКО

стотах

________________________ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИБРАЦИИ КАК

СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ УГОЛЬНОГО МАССИВА

Семинар № 5

~П ажным направлением в области уве-

-Я-М личения безопасности добычи угля является возможность извлечения угольного метана из связанного состояния в трещиновато-пористой структуре угля.

Природная пористость одного и того же угольного пласта на одинаковой глубине изменяется незначительно и при прочих равных условиях практически постоянна. Однако, величина природной газопроницаемости ископаемых углей, зависящая от многих факторов, для разных угольных пластов и вмещающих пород различна, поэтому она колеблется в широких пределах и обычно составляет 0,1-0,001 мд.

Высокопроизводительная разработка газоносных низкопроницаемых угольных пластов без применения специальных мероприятий по снижению выделения метана из разрабатываемых угольных пластов практически не осуществима. В связи с этим задача повышения производительности, безопасности труда и увеличения нагрузки на очистной забой решается комплексно с позиций совершенствования технологии, улучшения технико-экономических показателей и одновременного решения проблемы борьбы с газом с применением новых, более эффективных методов воздействия.

Газопроницаемость угля является важным фактором в процессе дегазации угольного пласта и определяется, в основном, проницаемостью эндогенных и экзогенных трещин, а также макропор и находится в обратной зависимости от величины внешней нагрузки [1].

Многие пласты обладают крайне низкой трещинной пористостью и проницаемостью. В результате, наиболее эффективный способ заблаговременной дегазации угольного массива данного месторождения значительно усложняется за счет необходимости проведения дополнительных, весьма сложных технологических процессов.

Перспективность данного способа определяется возможностью физическим способом

изменить состояние угольного массива используя вибрационное воздействие.

Моделирование указанного процесса до начала проведения производственного эксперимента позволяет проанализировать влияние каждого из факторов, как в отдельности, так и в целом, и сделать вполне однозначные выводы о роли каждого из них. Методы теории подобия и моделирования наиболее удобно использовать при решении поставленных задач, решении которых подчас осуществить в натурных условиях крайне сложно.

В результате лабораторных работ были получены зависимости метаноотдачи от частоты и амплитуды вибрационного воздействия, которые затем были экспериментально оценены в шахтных условиях.

Весь комплекс лабораторных работ проведен на экспериментальной установке в МГГУ в условиях замкнутой системы [2, 3], что позволяет изучить воздействие вибрационного поля на систему “уголь-метан”. Целью исследований являлось увеличение метаноотдачи из газоносного низкопроницаемого угольного пласта, при вибровоздействии.

Так при частоте вибровоздействия в диапазоне 30-40 Гц количество выделяющегося газа из образцов угля оказалось максимальным (рис. 1). Аналогично величина метаноотдачи наблюдается и при изучении кинетики газовы-деления при более высоких частотах в диапазоне 50-100 Гц. Однако, интенсивность и объем метановыделения при этом значительно снижался, это видно из характерного изменения кривой. Можно предположить, что оптимум энергии вибрационного поля в этих случаях находится в определенном диапазоне частот и это приводит к возникновению высоких значений относительных деформаций, попадающих в нелинейную область локальной связи “напряжение-деформация”.

Таким образом, лабораторные эксперименты свидетельствуют о росте скорости выделе-

Рис. 2. Скорость газоотдачи из угольного пласта по длине шпура: Ь - длина шпура, м; д - газовыделение, л,/мин; 1 -расстояние между шпурами 20 см; 2 -

расстояние между шпурами 40 см; 3 -

расстояние между шпурами 60 см; 4 -

расстояние между шпурами 80 см; 5 -

расстояние между шпурами 100 см; 6 -

расстояние между шпурами 120 см

ния газа из угольного образца в поле упругих колебаний, что объясняется улучшением коллекторских свойств угля, при наложении вибрационных полей.

Следовательно, при частоте 30-40 Гц процесс метаноотдачи характеризуется более высокой энергией активации.

Под воздействием вибрации снижается структурное сцепление молекул метана и угля. Кроме того, вибровоздействие сложно влияет на структуру угля. С одной стороны происходит уплотнение кристаллической структуры угля, с другой стороны разу-прочняются связи между блоками и мицеллами углйЭнергия вибрационных полей изученных частот (10-100 гц) и приводящих к распаду системы «уголь-метан» обусловлена определенной амплитудой, частотой, т.е. волновыми колебаниями.

Особенностью полученной зависимости является наличие максимума метаноотдачи при определенной частоте вибрационного воздействия. Следовательно, существует определенный режим внешнего механического воздействия, при котором устойчивость системы «уголь-метан» в условиях активного вибрационного воздействия минимальна. Такое поведение характерно в диапазоне установленных частот для этой системы при вибрационном воздействии, приводящей к ее распаду.

В результате обработки параметров де-сорбционных кривых, зарегистрированных при указанных частотах, получена область максимального значения метановыделения из образца угля. Это связано с наличием максимума распределения энергии вибрационного поля в микропористой структуре угольных частиц. Поскольку энергии вибрационного воздействия, необходимой для отрыва молекул метана от угля требуется меньше, чем той, которая поступает, следовательно, можно полагать, что остальная часть энергии идет на дополнительное разрушение угля и стимуляцию

метановыделения из него в процессе этого воздействия.

Таким образом, экспериментально наблюдаемое увеличение метановыделения при вибрационном процессе, обусловлено поглощением колебательной энергии и затратой ее на отрыв молекул метана.

Полученные результаты нуждались в натурных проверках при отработке газоносного низкопроницаемого угольного пласта для разработки технологии вибровоздействия. В связи с этим возникла необходимость выполнения экспериментальной работы в шахтных условиях.

Технологически задача ставилась так, чтобы была достигнута следующая цель:

- необходимая эффективность воздействия на источники газовыделения в массиве или на газоносный пласт по подготовленному к отработке участку шахтного поля;

- равномерность дегазации выемочного участка в пространстве и во времени;

- разделение работ по вибровоздействию и добыче угля;

- повышение газоотдачи отдельных источников путем направленного вибрационного воздействия на угольный массив;

- получение кондиционного метана.

На поле шахты ГОАО ш/у им. 17 Партсъез-да ГХК «Шахтерскантрацит», где был проведен поисковый эксперимент, отличительной особенностью выбранного объекта является небольшая глубина разработки угольного пласта, относительно низкая его проницаемость 0,01-0,001 мд, высокая газоносность (40 м3/т и более), небольшие нагрузки на очистные забои (до 200-500 т/смену).

Природная пористость угольного пласта на глубине проведения указанных работ изменя-

ется незначительно и при прочих равных условиях практически постоянна. В зоне влияния горных работ пористость угля изменяется в зависимости от характера давления окружающего породного массива в диапазоне 3-4 % до 5 %.

Приложенное вибрационное воздействие, в разной степени влияет на дифференциальную пористость угля: с увеличением размеров трещин вокруг шпура при вибровоздействии имеет место уменьшение концентрации напряжений вокруг него, вследствие этого наблюдается уменьшение относительной деформации мелких пор по сравнению с крупными и дальнейшее увеличение размеров последних.

В зоне влияния в связи с переменой величиной приложенного возмущения в виде переменных вибрационных колебаний проницаемость пласта увеличилась на 2-3 порядка. Это установили по интенсивности газовыделения из контрольных скважин. Кроме того, это привело к ликвидации некоторых локальных участков напряжений в угольном массиве. Поэтому изменение газопроницаемости пласта под действием изменяющегося переменного воздействия на угольный массив является одной из наиболее важных характеристик при вибрационном воздействии.

В угольном пласте образовалась обширная зона равномерной искусственной трещиноватости. Энергии вибрации была наложена на систему «уголь-метан». Далее процесс осуществлялся с последующей фильтрацией метана из угля по газопроводящим трещинам в единую фильтрационную сеть к пробуренным подземным шпурам. Зона обширной искусственной трещиноватости создается путем передачи энергии вибрации через подземные пластовые шпуры и параллельного возбуждения в пласте упругих волн отражения высокой интенсивности от боковых пород на угольный пласт. Упругие волны, распространяясь концентрически от шпуров с расположенным в нем вибратором по угольному пласту, создают в последнем равномерную сеть искусственной трещиноватости. Энергия вибрационного воздействия, распространяясь по сети трещин в угольном массиве, нарушает структуру угольного массива, и метан выделяется из микро- и переходных пор угольного вещества и далее по сети образовавшихся трещин через параллельно пробуренные подземные шпуры.

На экспериментальном участке пласта эффективность работы пластовых шпуров оцени-

валась по увеличению дебита на различных расстояниях между ними (рис. 2). При этом были проведены замеры дебита пластовых шпуров во времени. Как показали замеры, в результате вибровоздействия на угольный пласт произошло увеличение газоотдачи пласта с

0,25 л/мин до 1,5-1,75 л/мин. Это объясняется результатом увеличения трещиноватости массива, его проницаемости и интенсификацией процесса десорбирования газа в зоне воздействия.

Увеличение газоотдачи из низкопроницаемого угольного пласта в процессе вибрационного воздействия через подземные шпуры на угольный массив пласта К2 на поле шахты № 17 ГХК «Шахтерскантрацит», осуществлялось за счет изменения природных свойств угольного массива, а именно:

а) изменение газодинамического состояния пласта оценивалось изменением метаноотдачи из газоотдающих шпуров угольного массива по мере приближения к шпуру с вибратором за счет воздействия энергии вибрации на систему «уголь-метан»;

б) изменение фильтрационных характеристик - за счет увеличения степени трещиноватости в зоне обработки, при этом увеличивается скорость фильтрации и диффузия газа;

в) изменение механических характеристик угля - при этом уменьшается его прочность, значительно (в 2-5 раза) увеличивается трещиноватость по всему объему обрабатываемого участка массива.

В ненарушенном угольном массиве фильтрующие трещины угольного массива обладают высоким сопротивлением для фильтрации газа и сравнительно низкопроницаемы, поэтому газопроницаемость угольного пласта в значительной степени зависит от целостности массива [3, 4]. Субмакропоры, макропоры и трещины являются областью относительно интенсивного движения метана по угольному пласту. В то же время вибрационное воздействие, дополнительно вызывающие увеличение размеров этих пор и трещин, приводят к увеличению фильтрационного объема и, как следствие, увеличение газопроницаемости угля. Вследствие необратимости происходящих в процессе вибровоздействия явлений на угольный пласт, газопроницаемость массива на отдельных участках вибровоздействия, в силу определенной нарушенное™ массива, значительно превышает (иногда в 4-5 раз) природную газопроницаемость угольного массива.

При вибрационной обработке угольного пласта значительно повышается фильтрационная способность газоносного низкопроницаемого угольного массива (в пределах радиуса влияния вибрационного шпура), вследствие образования нескольких систем трещин, полостей расслоения и зон растяжения обрабатываемого угольного массива.

При проведении вибрационного воздействия по угольному пласту в угольном массиве на участке воздействия происходит перераспределение горного давления, приводящее к изменению его напряженного состояния. В непосредственной близости от стенки скважины вибровоздействия уголь раздавливается и теряет свою однородную способность.

Таким образом, проведенные натурные эксперименты показали, что вибровоздействие на угольный пласт изменяет состояние газоносного низкопроницаемого угольного пласта в сторону увеличения газоотдачи.

Важно приложение технологии вибровоздействия может иметь место в процессе гидрорасчленения угольного пласта для интенсификации метаноотдачи угольного массива. Дебит метана из скважин гидровоздействия определяется проницаемостью трещин и скоростью газоотдачи угольных блоков.

Поведение системы «уголь-метан» мало изучено. От этого зависит как выбор технологических параметров воздействия, так и оценка первоначального состояния угольного массива, на момент выполнения вибровоздействия.

Сформулируем основные положения интеграции процесса вибровоздействия в технологию гидрорасчленения угольного пласта через скважину с дневной поверхности:

- угольный пласт, с природной пористостью и начальным уровнем пластового давления сначала взаимодействует с жидкостью, поступающей через скважину в угольный пласт;

- в процессе вибровоздействия знакопеременные колебания, осуществляемые через рабочую жидкость, способствуют раскрытию и расширению трещин угольного массива;

- изменение трещино-порового объема при таком воздействии предполагается значительным, т.к. в процессе пульсации при вибровоздействии коэффициент газопроницаемости угля увеличивается;

- процесс раскрытия трещин в угольном массиве происходит в рамках модели, где давления воздействия на пласт знакопеременны, а

зияния вновь образовавшихся пластовых трещин постоянно увеличиваются.

Как показали проведенные исследования на скважине № 4447 на поле шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» процесс вибровоздействия на угольный пласт при использовании разработанных в МГГУ конструкции, виброустановка характеризовался значительной амплитудой и фиксированной частотой воздействия - на основании лабораторных экспериментов частота принята 25-30 Гц (по условиям использования технических средств).

С целью изучения влияния виброколебаний на столб жидкости через скважину № 4447 проводились исследования с использованием различных по весу дебалансов, воздействие которых характеризовалось различной энергией, что, в свою очередь, создавало колебания, характеризующиеся различными значениями амплитуды.

При значительном усилии воздействия на поршень (зависит от веса дебаланса) в процессе вибровоздействия, характер подачи жидкости в пласт может значительно отличаться от значений, ранее полученных при меньшем усилии воздействия, т.е. при варьировании веса дебаланса установлено, что результаты получаются различные. Изменяется амплитуда, изменяется темп подачи жидкости в массив, следовательно, изменяется приемистость пласта.

Необходимо отметить, что в данном случае волновой импульс, полностью сформировавшись в скважине гидровоздействия, вызывает изменения в угольном массиве. Область воздействия на угольный пласт принята достаточно широкая, соответствующая области проникновения жидкости, а характер распределения давления в трещино-поровом пространстве массива был симметричен радиусу воздействия на угольный пласт. Поэтому при более длительном воздействии и большей амплитуде в определенный момент (резонанс) давление на пласт, может носить пиковый характер.

Таким образом, при распространении волнового давления в жидкости, когда временное воздействие импульса достаточно велико: (^ > Ьх/Сж), достигается повышенная приемистость угольного массива, где Сж - скорость движения волны в жидкости, Ьх -расстояние до границы зоны обработки пласта при вибровоздействии. За расчетную область обработки пласта принят эллипс, на границах, которого будут определены следующие значения:

Р0 _ Ргст; рх_ Ьв в + Кпр.Н. Рвибр;

Рх Ргст + Кпр.К. Рвибр

где Кпр.н., К пр.к. - коэффициент пропорциональности зависящий от расстояния до скважины воздействия в начальный период и конечный период воздействия, Кпр.н = 1-0,8; Кпр.к. = 0,1-0,3; Ргст- гидростатическое давление, МПа; РВИ6Р -давление вибрации, МПа.

Создание мощного вибрационного воздействия на угольный пласт стимулирует значительный рост сети трещин в пласте, что в конечном итоге позволит увеличить приток газа к скважине.

Практическая оценка эффективности вибровоздействия через скважину с дневной поверхности производилась по изменению коэффициента приемистости после воздействия, определяемого при гидродинамических испытаниях.

Вибровоздействие через скважину с дневной поверхности при проведении экспериментальных работах заключалась в чередовании воздействия через скважину в течении 10-50 часов, выдержке в течении 10-20 часов и в последующем изменении параметров вибровоздействия (частоты и амплитуды), обеспечивающих равномерность обработки присква-жинной зоны и получение высокой степени метаноотдачи из угольного пласта.

Размещение вибратора на устье скважины гидровоздействия обусловлиается тем, что в процессе гидровоздействия использовалось статическое давление создаваемое столбом жидкости в скважине, плюс избыточное пульсирующее давление создаваемое вибратором, что позволяло создавать знакопеременные давления на массив. Это вызвало образование требуемой степени трещиноватости угольного массива.

После проведенного гидровоздействия для повышения эффективности дегазации и усиления процессов десорбции газа из трещино- по-рового пространства возможно применение метода вибровоздействия, способствующего созданию дополнительной системы трещин и многократного увеличения метаноотдачи путем повышения проницаемости пласта.

Необходимо отметить, что в данном случае волновой импульс, полностью сформировавшись в скважине гидровоздействия, вызывает изменения в угольном массиве. Поэтому в этом случае, область воздействия

на угольный пласт принята достаточно большой, соответствующей области проникновения жидкости по трещинам и порам в угольный массив. Поэтому при более длительном воздействии и большей амплитуде в определенный момент (резонанс) давление на пласт, может носить пиковый характер.

Мероприятия, применяемые для снижения природной метаноносности угольного пласта: вибрационная обработка угольных пластов и применение рациональных схем технологии вибровоздействия - дают возможность значительно снизить поступление метана из угольного пласта в горные выработки. Применение способа вибрационного воздействия на газоносный низкопроницаемый угольный пласт и извлечение кондиционного метана через вертикальные скважины на поверхность должно обеспечивать комплексное решение задачи подготовки выемочного поля по газовому фактору и высокоэффективной отработки запасов.

Выводы

1. Управление газовыделением может осуществляться с использованием вибрационного воздействия на газоносный низкопроницаемый угольный пласт, на основе предложенного, теоретически и экспериментально обоснованного метода вибровоздействия на угольный массив, что приводит к передаче энергии вибрации на уголь, создает значительную систему трещин в зоне воздействия и приводит к увеличению проницаемости пласта для последующей интенсивной газоотдачи из угольного массива.

2. В процессе вибрационного воздействия на газоносный низкопроницаемый

угольный массив формируется и развивается зона активной метаноотдачи, которая зависит от мощности пласта и расстояния между шпурами воздействия. Достигнуто увеличение степени дегазации угольного массива, через подземные шпуры при использовании вибрационного воздействия на газоносный низкопроницаемый угольный пласт,

применение вибровоздействия на угольный пласт позволило увеличить газоотдачу в 3-5 раз.3. Достигнуто увеличение поглощения жидкости угольным массивом при вибрационном воздействии через скважину гидровоздействия с дневной поверхности, что позволило увеличить приемистость жидкости в 2-3 раза.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айруни А.Т., Иофис М.А., Зенкович Л.М. Научные основы определения газопроницаемости горных массивов при изменяющихся фильтрационных параметрах // Прогноз и предотвращение газопроявлений при подземной разработке полезных ископаемых: Сб. ст./ИПКОН АН СССР. - М., 1982. - С. 158-170.

2. ВасючковЮ.Ф., Павленко М.В. Влияние вибрации на состояние системы уголь-метан. ГИАБ, - М.: Изд-во МГГУ, № 4, 1998.

3. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Метод интенсификации газоотдачи с использованием волновых полей. ГИАБ, - М.: Изд-во МГГУ, №4, 1998.

4. Эттингер И.Л., Шулъман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. - М.: Наука, 1975. - 111 с.

5. Эттингер ИЛ. Газоемкость ископаемых углей. -М.: Недра, 1966.

__ Коротко об авторах

Васючков Юрий Федорович — профессор, доктор технических наук, Павленко Михаил Васильевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.

© В.Ф. Буслаев, А.И. Дьяконов, Т.А. Овчарова, 2004

УДК 662.74

В. Ф. Буслаев, А.И. Дьяконов, Т.А. Овчарова

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСОВ ГАЗА ГЕНЕРАЦИИ УГЛЕЙ ПЕЧОРСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Семинар № 5

ш ш риродный газ занял прочное третье -Ж.-1 место в мировом потреблении энергетических ресурсов. По данным Всемирного энергетического совета такое соотношение будет сохраняться по крайней мере до 2020 г. [1].

Одним из географически и экономически благоприятных регионов России для транспорта и добычи газа является Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция

(ТПНГНП), имеющая мощную нефтегазовую инфраструктуру.

В связи с завершающей стадией разработки уникального Вуктыльского ГКМ добыча газа из других месторождений, например, из Западно-Соплесского,

Югидского, Печорогородского не может восполнить необходимые объемы потребления газа Республики Коми. Решение вопроса о роли угленосных формаций как генераторов и как мест накопления (аккумуляторов) углеводородов в земной коре может открыть

новые перспективы в увеличении ресурсов углеводородных газов. В настоящее время угленосные толщи считаются не только важнейшими мощными газогенерирующими формациями в земной коре, но и крупнейшими кладовыми углеводородных газов, к которым нужно только подобрать эффективный технологический ключ.