Возможные пути повышения эффективности извлечения метана из угленосной толщи

© В.Н. Королева, А.А. Захарова, 2011

УДК 622.232

В.Н. Королева, А.А. Захарова

ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ

Рассмотрена проблема повышения эффективности извлечения метана из неразгруженных от горного давления угольных пластов при их гидродинамической обработке через скважины, пробуренные с поверхности, за счет увеличения проницаемости угля при использовании в качестве рабочих агентов водных растворов химически- и поверхностно-активных веществ, в частности комплексонов.

Ключевые слова: угольные пласты, извлечение метана, проницаемость, ком-плексоны.

Современное состояние подземной разработки угольных месторождений характеризуется увеличением глубины разработки и ухудшением природных и горнотехнических условий горных работ, в частности, увеличением газообильности горных выработок вследствие роста природной газоносности пластов и вмещающих пород.

Метан, выделяющийся в горные выработки снижает безопасность и ухудшает комфортность труда шахтеров, сдерживает добычу угля, повышает его себестоимость, а вынос метана на поверхность приводит к негативным экологическим последствиям. Этот метан при разработке месторождений извлекается на поверхность, как с вентиляционной струей, так и различными способами дегазации.

Извлечь метан из неразгруженного массива можно только после изменения его свойств и состояния путем активных (силовых) воздействий, выбор которых определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями.

Основой для таких воздействий является способ гидрорасчленения угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности. При гидрорасчленении угольных пластов и вмещающих пород ставятся задачи интенсификации извлечения метана из пласта, управления его напряженным состоянием за счет изменения физико-механических свойств, а также повышения глубины дегазации. Проведенные исследования показали, что обобщенной характеристикой газодинамического и напряженного состояния угольных пластов может служить их проницаемость.

Поскольку угольные пласты отличаются низкой проницаемостью, необходимым условием извлечения метана из неразгруженных угольных пластов является искусственное ее увеличение. Базовым воздействием является гидрорасчленение угольных пластов. Сущность гидрорасчленения угольных пластов как способа дегазации заключается в закачке рабочей жидкости в пласт с расходом, превышающим естественную приемистость пласта, и вследствие этого в многократном повышении проницаемости пласта за счет раскрытия и расширения естественных пластовых трещин, объединение их в единую гидравлическую систему, ориентированную к скважине [1], по которой после удаления воды происходит транспортировка газа из пласта.

Проницаемость угленосной толщи можно повысить путем нагнетания в нее под давлением воды, которая раскрывает естественные трещины пласта. Однако, для достижения эффективного съема газа, этого бывает недостаточно. Как известно в угле кроме его углеродной составляющей присутствует и минеральная составляющая, которая в большинстве случаев состоит из двуокиси кремния, карбонатов и различных соединений оксидов металлов и определяет его зольность. Дополнительно повысить проницаемость угленосного массива возможно путем растворения минеральной составляющей угля, а для пород - путем растворения связующего породного цемента [2, 3, 4].

Для улучшения проникающей способности рабочей жидкости в мелкие поры и трещины эффективно применение в качестве рабочих агентов расчленения помимо воды водных растворов поверхностно-(ПАВ) и химически-активных (ХАВ) веществ и др. Растворы ПАВ применяются для обеспечения лучшего проникновения рабочей жидкости в поры и трещины. В качестве ПАВ используются смачиватели ДБ, ДС-10, сульфонол и др. Рабочая концентрация ПАВ - 0,010,025%. Растворы ХАВ (соляная кислота и др.), воздействуя на минеральную составляющую угля, растворяют ее, повышая проницаемость и газоотдачу пласта. Водные растворы соляной кислоты 2-4% концентрации применяют на пластах с содержанием карбонатов не менее 0,3%.

В Московском государственном горном университете были проведены исследования по применению в качестве рабочих агентов гидрорасчленения - комплексонов.

Началом промышленного производства комплексонов можно считать 1930 г., когда германская фирма «Farber Industry» выпусти-

ла на мировой рынок два комплексона, предназначенных для умягчения воды. В последующие годы расширяется применение комплексонов в различных областях науки и техники, их начинают использовать в большой химии. В настоящее время основными областями, применяющими комплексоны, являются: теплоэнергетика (отмывка и предупреждение отложения неорганических солей в теплоэнергетических и водооборотных системах); нефте- и газодобыча (ингибирование солеотложения при добыче и транспортировке нефти и газа, регулирование реологических свойств буровых растворов); строительство (регулирование сроков схватывания цемента, гипса и строительных материалов на их основе); сельское хозяйство (микроудобрения, кормовые добавки в животноводстве); лекарственные препараты; стабилизация пищевых продуктов и др. Эффективным способом борьбы против минеральных отложений является использование химических реагентов, препятствующих кристаллизации малорастворимых солей. Наибольшей эффективностью при этом обладают реагенты, сочетающие свойства синтетических поверхностно-активных веществ со свойствами хелатных соединений, имеющих в своем составе группировки, характерные для стабилизаторов солей жесткости. Этим требования удовлетворяют органические форфорсодержащие соединения, относящиеся к классу комплексонов. Применение их в количествах, значительно меньших стеохимических (1-5 г/м3 обрабатываемых водных растворов), позволяет практически полностью предотвратить образование отложений в различных технологических системах.

Фосфорсодержащие комплексоны препятствуют зародышеоб-разованию в пересыщенных растворах и способны эффективно тормозить процесс роста кристаллов. Установлено, что высокая ингибирующая способность фосфорсодержащих комплексонов связана с блокированием только активных центров кристаллов. Это приводит к малым расходам комплексона и применяется очень широко.

Фосфорорганические соединения проявляют предпочтительное комплексообразование с катионами малого атомного радиуса ^е, Ge, Ве и др.); пониженное комплексообразование со щелочноземельными металлами; способность к образованию устойчивых комплексов в кислой области рН и являются одновременно и поверхностно- и хи-мически-активными веществами.

С точки зрения биологических свойств аминоалкилфосфоновые кислоты могут рассматриваться как фосфорные аналоги аминокарбоновых кислот, входящих в состав растительных и животных организмов и обладают бактерицидными свойствами, т.е. являются абсолютно безвредными и нетоксичными.

Реакция нитрилотриметилфосфоновой кислоты (НТФ) с трехвалентным железом ^е3+) имеет следующий вид:

Feъ+ + Н61, рН<4 > Fe3Н (НЬ)2 рН=4+6 >

Fe3Н3Ь I рН>6 > Fe2 (ОН ) (НЬ) I, где Н 6 Ь - НТФ СН 2 РО32-Ь = N - СН 2 РО32-

\ 2 3

СН 2 РО32-

Аналогичная реакция с кальцием (Са2) имеет следующий вид:

Са2+ + Н6 Ь рН <5 >[Са(НЬ)]3- рН=5+6 > Са5 (НЬ)2 I.

Таким образом, водные растворы комплексонов (типа НТФ и ИСБ-М) можно применять на угольных пластах с высоким содержанием в минеральной части угля пирита, халькопирита, сидерита и др. Проведенные исследования в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах для углей марок «ОС», «Ж», «Т» и «А» показали, что рабочие концентрации растворов НТФ и ИСБ-М составляют 1-5% и 510%, соответственно.

В настоящее время работы по заблаговременному извлечению метана из неразгруженных от горного давления угольных пластов проводятся в Кузнецком угольном бассейне. Одним из объектов заблаговременной дегазационной подготовки является пласт 52 шахты «Котинская», имеющий пологое моноклинальное залегание с падением в западном направлении под углами на горизонте +0 м 3-9°. Глубина залегания пласта 52 в районе лавы 5209 составляет 300 м.

Пласт 52 имеет распространение на всем шахтном поле, является одним из наиболее мощных пластов шахты, предназначен к отработке в первую очередь, площадь пласта в границах подсчета 5834 тыс. м2. Мощность пласта изменяется от 3,93 до 5,19 м (средняя - 4,54 м). Строение пласта от простого до сложного из 5-6 па-

чек, особенно сложное строение приурочено к центральной части поля, а в самом пласте наиболее сложным строением обладает его нижняя часть, где маломощные угольные пачки иногда замещаются углистыми породами. Зольность колеблется от 3,2% до 13,6%, при средней - 6,7%. Расстояние до вышележащего пласта 53, мощностью от 0,69 до 1,5 м (средняя - 1,2 м), составляет 40 м, до нижележащего - 51, мощностью от 1,45 до 2,36 (средняя 2 м), составляет 33 м. Пласт опасен по внезапным выбросам с глубины 350 м, опасен по взрывам угольной пыли, опасен по горным ударам с глубины 180 м, склонен к самовозгоранию.

Угли пластов в границах подсчета запасов отнесены к длиннопламенным подгруппы длиннопламенные газовые витринитовые (ДГВ). Коэффициент пористости угля 6,4% (от 1 до 11,5%) при среднеквадратичном отклонении 2,1. В границах шахты мощность зоны газового выветривания изменяется от 100 до 140 м, а поверхность метановой зоны прослеживается на отметках от +175 до + 200 м. Метаноносность угольных пластов на горизонте + 200 изменяется от 1-2 до 5,5 м3/т.с.б.м, на горизонте +100 - от 7 до 8,5 м3/т.с.б.м, на горизонте ± 0 - от 12 до 12,5 м3/т.с.б.м. На рассматриваемых участках прогнозная газоносность - 14-16 м3/т.с.б.м, что требует дегазации разрабатываемого пласта для обеспечения высоких нагрузок. Коллекторские свойства углевмещающих пород: общая пористость - до 10,08%, открытая пористость - до 9,24%, газопроницаемость - до 0,01 мД.

Содержание микрокомпонентов в угольном пласте изменяется в следующих пределах:

> витринит от 71 до 85,5%, при средней величине 80,3%;

> семивитринит от 0,5 до 3,8%, при средней величине 1,4%;

> фюзинит от 7 до 15,5%, при средней величине 10,6 %;

> лейптинит от 2 до 8%, при средней величине 4,2 %

^ отражательная способность 0,67 %.

Влага аналитическая угля пласта 52 изменяется от 2,4 до 5,4 % при среднем значении 3,7 %. Выход летучих - 41,2% (38,2-43,5%). Содержание серы - 0,22% (0,21-0,23%). Плотность угля -1,3-103кг/м3.

Химический состав золы угля пласта 52 весьма изменчив, по средним значениям изменяется (в процентах):

• кремнезем от 31,4 до 34,3 (средн. 33);

• глинозем от 25,6 до 27,6 (средн. 26,4);

Оксиды:

• железа от 9,7 до 12,2 (средн. 10,9);

• кальция от 7,7 до 11,2 (средн. 9,6);

• калия от 0,6 до 1 (средн. 0,77);

• магния от 4,27 до 5,47 (средн. 4,92);

• серы от 6,1 до 8,4 (средн. 7,3);

• фосфора от 2 до 2,1 (средн. 2,07);

• натрия от 1 до 1,3 (средн. 1,17);

• титана от 1,1 до 1,4 (средн. 1,24).

В представленном химическом анализе золы угля пл. 52 содержится большое количество оксидов железа, кальция и магния. Поэтому считаем целесообразным для повышения проницаемости пласта в качестве рабочего агента гидрорасчленения использовать ранее исследованные комплексоны, позволяющие переводить в растворимые комплексные соединения оксиды кальция, железа и магния, а также осуществить подбор новых комплексонов.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра, 1979. - 272 С.

2. Королева В.Н. Роль проницаемости угольного пласта в изменении его газодинамического и напряженного состояния, пути ее повышения //Препринт. — М.: МГИ, ИАЦГН, 1992. — С. 19.

3. Королева В.Н. Пути повышения коллекторских свойств угленосной толщи и управление ее состоянием //Сб.: Проблемы комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых. — М.: МГИ, вып.2, 1992. — С. 279—285.

4. Королева В.Н. Извлечение и утилизация шахтного метана - М.: Изд-во

МГГУ, 2004. - 284 с. ЕШ '

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

Королева В.Н., Захарова А.А. -

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru