СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УЧАСТКОВ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНОМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ РАЙОНОВ УГОЛЬНЫХ БАССЕЙНОВ
METHOD FOR DEGASSING AREAS OF COAL SEAM IN STRUCTURALLY HETEROGENEOUS ROCK MASS OF SEISMIC ACTIVE REGIONS OF COAL BASINS

Способ относится к горному делу и может быть применен при дегазации угольных пластов в сейсмически активных районах, где массив горных пород включает геологические нарушения разрывного типа.
Известен способ предварительной дегазации неразгруженных угольных пластов до начала проходческих работ, включающий определение расстояний между скважинами, бурение восстающих или нисходящих скважин за контуры будущей выработки, подсоединение скважин к вакуумному насосу и производство дегазации пласта (Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Выпуск 22. - М.: ЗАО Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности, 2012. - 250 с.)
Недостатком данного способа является малая производительность (дебит, расход) дегазационных скважин, неоптимальная их длина и количество, так как скважины бурятся на равных расстояниях между ними по длине выемочного столба без учета повышенной трещиноватости массива горных пород в окрестности геологических разрывов, трещин и локальных коллекторов метана.
Известен «Способ дегазации неразгруженных пластов» (RU 2442899, МПК E21F 7/00, опубл. 20.12.2012), при котором осуществляется вскрытие неразгруженных угольных пластов путем бурения скважин, которые должны максимально пересекать макротрещины, микротрещины и нанотрещины.
Недостатком известного способа является то, что дегазационные скважины располагаются равномерно без учета интенсивности трещиноватости на локальных участках угольного пласта, например в зонах геологических нарушений. Следовательно, указанный способ приводит к большому количеству дегазационных скважин, так как не учитывается пространственное положение локальных коллекторов метана, например в зонах геологических разломов.
Другим недостатком способа является расположение скважин, которые должны пересекать максимальное количество трещин без учета направления вектора главного горизонтального напряжения, что приводит к разрушению стенок скважин, механической суффозии частиц, которые закупоривают поперечное сечение скважин, и снижению газопроницаемости угольного пласта.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Способ дегазации разрабатываемого угольного пласта» (RU 2133344, МПК E21F 7/00, опубл. 20.07.1999), включающий выбор выемочного блока и выемочного столба в блоке, проходку оконтуривающих выработок, бурение скважин, их герметизацию и подключение к устройству отсоса с возможностью изменения вакуума.
Недостатком указанного способа является наличие оконтуривающих выемочный столб подземных выработок, бурение скважин в зоны повышенной трещиноватости без учета устойчивости стенок скважин между выработками и зонами повышенной трещиноватости, необходимость остановки забоев в период бурения дегазационных скважин, так как количество и положение скважин оперативно меняется и зависит от газообильности выработок.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении безопасности работы персонала и улучшении технико-экономических показателей шахты за счет снижения газообильности выработок и внеплановых остановок забоев по газовому фактору при отработке газоносных угольных пластов в сейсмически активных районах.
Из подготовительных выработок ранее подготовленного соседнего выемочного столба осуществляют проведение пучков скважин направленного бурения таким образом, чтобы оси скважин пересекали поверхности геологических нарушений разрывного типа или поверхности соседних неоднородных блоков по нормали, а в пределах между поверхностями структур скважины оси скважин располагаются параллельно вектору главного горизонтального максимального напряжения. Такое расположение скважин обеспечивает максимальную газоотдачу частично разрушенного пласта в зоне влияния геологических нарушений разрывного типа и устойчивость стенок скважин между соседними геологическими нарушениями разрывного типа. Возможность использования геологических нарушений разрывного типа в качестве основных источников газа, как основных природных каналов флюидов, подтверждается статистическими данными о пространственном распределении очагов внезапных выбросов угля, породы и газа (см. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, B.C. Забурдяев [и др.]. - М.: Горная книга, 2010. - 500 с). Неравномерное расположение скважин после пересечения геологических нарушений разрывного типа обеспечивает расширение площади участка дегазируемого пласта и увеличение периода дегазации с использованием неразрушенных скважин.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема дегазации разрабатываемого пласта в пределах выемочного столба, частично оконтуренного подготовительными выработками, на фиг. 2 - схема расположения скважин направленного бурения в центральном выемочном блоке.
В подготовительных выработках 1 проводят ниши 2, в которых устанавливают буровое оборудование и осуществляют бурение пучка 3 скважин 4 направленного бурения. Скважины 4 располагают таким образом, чтобы в зоне 5 пересечения скважин 4 и геологических нарушений разрывного типа 6 оси скважин были ориентированы нормально поверхности геологических нарушений разрывного типа 6, а вне зоны 5 направление скважин 4 не должно отклоняться от вектора главных максимальных горизонтальных напряжений 7 более ±30 градусов. Скважины 4 герметизируют и подключают к устройству отсоса метана.
Обеспечение повышенного дебита скважин при пересечении геологических нарушений разрывного типа и других аномальных зон достигается за счет накопления флюидов в природных структурах разрывного типа.
В качестве конкретного примера применения изобретения выбран центральный выемочный блок действующей шахты Кузбасса (фиг. 2), включающий три выемочных столба отрабатываемого угольного пласта. Верхний выемочный столб отработан, средний выемочный столб находится в стадии отработки, нижний выемочный столб в стадии подготовки. По результатам геофизических исследований и анализа цифровой модели местности в пределах шахтного поля выявлены геодинамические активные структуры разрывного типа 6.
В зоне влияния геодинамических структур возможны относительные смещения крыльев складок до 3-4 м и формирование коллекторов метана (см. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, B.C. Забурдяев [и др.]. - М.: Горная книга, 2010. - 500 с).
1
max
По результатам анализа закономерностей распределения трещин и рекомендаций (см. Направление главного вектора горизонтальных напряжений в углепородном массиве и устойчивость подготовительных выаботок / Е.А. Разумов, В.Г. Венгер, Е.Ю. Пудов, С.И. Калинин // Горный журнал. - 2022. - №1. - С. 119-124) было определено направление вектора 7 максимальных горизонтальных напряжений σ=σ (фиг. 1, фиг. 2).
Из подготовительных выработок 1 выемочных столбов до оконтуривания их снизу другими подготовительными выработками были проведены пучки 3 скважин 4 направленного бурения так, чтобы они пересекали по нормали геологические разрывы, а вне зон влияния этих разрывов оси скважин 4 совпадали в пределах ±30° с направлением вектора 7 главного горизонтального напряжения. После герметизации и подключения скважин 4 к вакуумному насосу проведена дегазация нижнего выемочного столба.
Возможность формирования локальных коллекторов газа на пересечении трещин и зон влияния геологических разрывных нарушений, а также на участках расщепления или слияния пластов, границах линзообразных слоев песчаника в кровле пласта, границах зон разрушения пород кровли и почвы отработанного пласта подтверждена многими результатами исследований, которые систематизированы в монографиях: Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, B.C. Забурдяев [и др.]. - М.: Горная книга, 2010. - 500 с; Беспятов Г.А. Синергетика выбросоопасной горной среды / Г.А. Беспятов, В.Н. Вылегжанин, С.С. Золотых. - Новосибирск: Наука, 1996. - 191 с.
Вне зоны влияния подземных выработок природное состояние угольного пласта и горных пород в зонах геологических разломов остается неизменным. Однако, при возникновении природных подвижек земной коры, происходит миграция флюидов, в том числе глубинного метана в виде интенсивных восходящих потоков из нижележащих горизонтов, по структурным разломам. Следовательно, в зонах влияния этих разломов равновесие напряжений и давления метана нарушается. При пересечении дегазационными скважинами или подготовительными выработками этих зон под влиянием градиента давления газа происходит механическая суффозия, движение мелкодисперсных частиц угля и выдавливание их в скважину или выработку. Поэтому дегазационная скважина должна пересекать зону разломов по кратчайшему расстоянию, то есть перпендикулярно поверхности геологических нарушений разрывного типа. В этом случае, в зоне влияния геологических нарушений разрывного типа, по длине скважины возникает трехфазное состояние газа в трещиноватой среде: свободный, сорбированный и гидратированный газ (см. Беспятов Г.А. Синергетика выбросоопасной горной среды / Г.А. Беспятов, В.Н. Вылегжанин, С.С. Золотых. - Новосибирск: Наука, 1996. - 191 с). При большой длине участка скважины в зоне влияния разлома происходит перекрытие скважины мелкодисперсным углем, глинистыми частицами. Поэтому проведение дегазационной скважины вдоль зоны разлома не рационально.
При отработке соседних выемочных столбов под влиянием дополнительных техногенных процессов и повышенного горного давления происходит изменение по швам нарушений разрывного типа давления газа, жидкости, напряженно-деформированного состояния. Наличие участков скважин направленного бурения в пределах геологических разломов при изменении давления метана и вакуума приводит к интенсификации выделения газа, что подтверждается на практике.
По результатам натурных измерений установлено, что угольный пласт и вмещающие его породы в окрестности геологического нарушения разрывного типа частично разрушены, по результатам численного моделирования установлено, что остаточная прочность угля и пород в этой зоне составляет 62% от первоначальной прочности. Следовательно, угольно-породный массив в окрестности геотектонической структуры характеризуется повышенной трещиноватостью и является потенциальным коллектором газа.
Поэтому расположение для извлечения метана пучка дегазационных скважин направленного бурения в зонах влияния геотектонической структуры приведет к повышению выделения метана в скважины.
Таким образом, расположение пучка скважин нормально поверхности геологических нарушений разрывного типа, при минимальной длине участка каждой скважины в зоне его влияния способствует максимальной газоотдаче.
Повышенная устойчивость подготовительных выработок, ориентированных параллельно вектору главных горизонтальных сжимающих напряжений, подтверждается опытом работы отечественных и зарубежных шахт (см. Геомеханика на угольных шахтах / Г.И. Коршунов, А.К. Логинов, В.М. Шик, В.Б. Артемьев. - М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. - 388 с), так как боковое давление в выработке меньше по сравнению с давлением по оси выработки. Этот принцип используется на угольных шахтах при выборе оптимального направления подготовительных выработок, оконтуривающих длинные выемочные столбы. Указанная закономерность устойчивости выработок доказана при бурении и эксплуатации дегазационных скважин. Установлено, что в скважинах, пробуренных перпендикулярно вектору максимальных горизонтальных напряжений, происходит разрушение угля на контуре скважин, возникает поток мелкодисперсных частиц угля, которые частично или полностью закупоривают поперечное сечение скважин. Следствием этой механической суффозии является кольматирование трещиноватой среды в окрестности скважины.
Следовательно, рекомендуется проводить дегазационные скважины вне зон влияния этих геологических нарушений таким образом, чтобы оси скважин совпадали в пределах ±30° с направлением вектора максимального горизонтального напряжения.