СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
METHOD OF DEGASSING COAL BED

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для подготовки угольных пластов к отработке в условиях высокой их газоносности с целью интенсификации процесса дегазации и снижения газообильности горных выработок, борьбы с внезапными выбросами газа и угля, уменьшения вероятности возникновения взрывов газа и угольной пыли.
Известен способ разработки залежи газа, который может быть использован при добыче метана из угольных пластов, обеспечивающий повышение величин извлечения метана из угольного пласта при его промысловой добыче.
Способ предусматривает переход газа из связанного состояния твердого раствора в свободное газообразное состояние в пласте за счет воздействия на пласт колебаниями излучателя электромагнитного типа, размещенного в скважине.
Воздействие колебаниями осуществляют в пять этапов. На первом этапе воздействуют частотой 2-25 МГц на суперсорбционные частицы угольного вещества. На втором этапе воздействуют частотой 0,7 МГц на сорбционные частицы угля. На третьем - с частотой 10-100 МГц для воздействия на макропоры угля. На четвертом - с частотой 1 ГГц для воздействия на мезопоры. На пятом - с частотой 88 ГГц для воздействия на микропоры угля [1].
Недостатком этого способа является длительность времени дегазации, поскольку воздействие колебаниями осуществляют в пять этапов. При промысловой добыче метана преимущественно используют скважины, пробуренные с поверхности. Для повышения извлечения метана эти скважины требуют тщательной очистки от постоянно прибывающих подземных вод, на что также требуются дополнительные затраты времени.
Известен способ предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок, который может быть использован при добыче угля, извлечении метана и обеспечении безопасных условий труда шахтеров.
Способ заключается в воздействии на резонансную частоту горного массива с помощью специального устройства, которое опускается в скважину с водой, при этом скважина пробурена в почву выработки. С помощью различной степени погружения устройства в скважину меняется частота воздействия на массив [2].
Недостатком этого способа является слабое энергетическое воздействие на массив, тем более, в условиях быстрого подвигания очистной выработки при высокой нагрузке на забой, разрабатывающей опасные по газу и пыли угольные пласты, особенно в условиях глубокого залегания от земной поверхности, где проницаемость угля и газоотдача очень низкие и, естественно, низкая эффективность дегазации. Более того, трудно определить резонансную частоту горного массива в процессе погружения устройства в скважину, поскольку горный массив неоднороден.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату для целей повышения нагрузки на очистной забой и скорости проведения подготовительных выработок при отработке высокогазоносных угольных пластов подземным способом является способ дегазации угольного пласта, включающий проходку горных выработок, проведение пластовых скважин в контуре выемочного участка и нисходящих скважин за контуры будущих выработок, герметизацию скважины/скважин, нагнетание жидкости в пласт через скважины за пределами зоны разгрузки пласта поэтапно, сначала в статическом, а затем в импульсном режиме, раскрытие трещин в угольном пласте и подключение скважины/скважин к дегазационному трубопроводу [3].
Этому способу присущи следующие недостатки. Использование в качестве рабочей жидкости энерговыделяющей системы, при транспортировании которой необходимо сопровождение милицейского наряда. На одно воздействие требуются значительные материальные расходы. Использование этой системы не позволяет удалять газ метан из макропор, содержание в которых достигает 30%.
Способ направлен на расширение и умножение трещин.
В трещинах сорбционный объем метана находится в пределах 16-18%, в макропорах - 27-30%, остальной, значительно больший (более половины), объем метана содержится в микропорах.
Большинство взрывов метанопылевоздушных смесей в угольных шахтах происходит при содержании микрокомпонента группы фюзинита в угольных пластах от 13 до 32% с выходом летучих веществ 12÷38%. Сорбционная метаноемкость с повышенным содержанием фюзинита повышается, а витринита - снижается.
Угли, обогащенные фюзинитом, содержат большое количество метана. Эти угли в процессе разрушения с большим количеством пылевидных фракций обладают самой высокой кинетикой газоотдачи во всем метаморфическом ряду углей, что обусловлено наличием у фюзинита большого количества макро- и микропор.
Целью изобретения является повышение безопасности подземных работ за счет более полного удаления газа из макро- и микропор и сокращения времени дегазации в выработках с высокой нагрузкой, особенно в условиях глубокого залегания угольных пластов от земной поверхности, где интенсивность газовыделения очень низкая.
Согласно изобретению эта задача решается тем, что в способе дегазации угольного пласта, включающем проходку горных выработок, проведение пластовых скважин в контуре выемочного участка и нисходящих скважин за контуры будущих выработок, герметизацию скважин, нагнетание и подпитку жидкости в пласт через скважины за пределами зоны разгрузки пласта поэтапно, сначала в статическом, а затем импульсном режимах, раскрытие трещин в угольном пласте и подключение скважин к дегазационному трубопроводу, в скважину вводят виброволновой генератор, в статическом режиме раскрытие трещин каменных углей в зависимости от их крепости производят при давлении 3-5 МПа, антрацитов - 5-8 МПа, после чего нагнетание жидкости осуществляют в циклично-импульсном режиме под давлением, обеспечивающим проникновение ударных волн в межпоровое пространство и раскрытие макро- и микропор. Нагнетание жидкости в циклично-импульсном режиме воздействия на пласты с выходом летучих веществ 15-40% производят под давлением 8-10 МПа, а с выходом летучих веществ менее 15% и более 40% под давлением 10-12 МПа, при этом на пластах с выходом летучих веществ 12-38% и содержанием микрокомпонента группы фюзинита 13-32% производят под давлением 9-10 МПа.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено распределение пор в зависимости от степени метаморфизма углей (выхода летучих веществ); на фиг.2, 3 показаны принципиальные схемы расположения нисходящих скважин и парных откаточной и вышележащей (параллельной) выработок, а также горизонтальных дегазационных скважин соответственно в процессе проходки горных выработок.
Способ осуществляется следующим образом.
3
3
3
Объем макропор (фиг.1, 1(•)) имеет наибольшее значение для слабометаморфизованных углей. Для каменных углей марок Д и Г составляет в среднем 0,06-0,03 м/т, для углей марки ОС снижается до 0,016 м/т с выходом летучих веществ 12-20%. При дальнейшем повышении степени метаморфизма углей объем макропор в средних значениях вновь увеличивается, достигая 0,029 м/т для антрацитов.
daf
Если для углей марок Д и Г объем макропор превосходит объем микропор (фиг.1, 2(+)), то для углей марок от Г до Ж (V 40-21%) эти объемы примерно равновелики, а для более метаморфизованных углей объем микропор превосходит объем макропор в 1,5-2,0 раза.
В процессе проходки выработки 1, т.е. в самом начале нарезки первого или очередного выемочного поля (фиг.2), проводят пластовые нисходящие скважины 2 за контуры будущей/будущих откаточной 3 и вышележащей (параллельной) 4 выработок (в зависимости от технологической схемы разработки пласта - выемочного поля).
С момента подключения нисходящих скважин 2 к трубопроводу 5 с воздействием на поры в циклично-импульсном режиме приступают к очередным этапам обработки массива, которые заключаются в следующем.
Перед началом проходки выработок 3' и 4' проводят горизонтальные скважины 6, число которых зависит от газоносности пласта, например три скважины, две из которых проходят по продольной оси выработок, а третья - между ними (фиг.3); либо три скважины, оконтуривающие выработки, или пять скважин, являющиеся комбинацией предыдущей схемы. Очередность бурения этих горизонтальных скважин - снизу вверх. В этом случае интенсифицируются процессы осушения и дегазации пласта на выемочном поле и впереди проходимых выработок за счет удаления жидкости (воды) по скважинам. Затем скважины 6 подключают к дегазационному трубопроводу 5, предварительно введя в скважину или в обсадную трубу виброволновой генератор, и воздействуют на макро- и микропоры.
Для увеличения коэффициента дегазации и снижения газообильности при проходке откаточной и параллельной выработок 3 и 4 вне зоны влияния горизонтальных скважин 6 (по их длине) проводят передовые дегазационные скважины 7 (фиг.3). Эти передовые скважины, как и горизонтальные скважины 6, способствуют удалению воды из дегазируемого массива и интенсификации процесса дегазации (скважины 6 - нижележащего выемочного поля, а скважины 7 - вышележащего). Таким образом, скважины, как горизонтальные, так и передовые, расположены с возможностью удаления притоков воды.
Раскрытие трещин каменных углей производят при давлении 5-8 МПа, антрацитов - 8-10 МПа. При отработке «слабых» углей с коэффициентом крепости 0,4-1,0 (по М.М.Протодьяконову) возможно раскрытие трещин в статическом режиме и импульсное (не цикличное) воздействие на поры с помощью виброволнового генератора. При отработке крепких углей с f=1,0-2,0 нагнетание и подпитку жидкости в пласт осуществляют в циклично-импульсном режиме, необходимом для раскрытия макро- и микропор. В процессе циклично-импульсного воздействия цикличность будет зависеть от свойств угольного массива и горнотехнических условий разработки пласта.
Нагнетание жидкости в циклично-импульсном режиме воздействия на пласты с выходом летучих веществ 15-40% производят под давлением 8-10 МПа, а с выходом летучих веществ менее 15% и более 40% под давлением 10-12 МПа, при этом на пластах с выходом летучих веществ 12-38% и содержанием микрокомпонента группы фюзинита 13-32% производят под давлением 9-10 МПа.
Внедрение способа позволит увеличить коэффициент дегазации на больших глубинах с 0,1-0,15 до 0,45-0,5 и даже выше, поскольку в макро- и микропорах сорбционный объем метана находится в пределах 27-29% и 53-56% соответственно, в то время как в трещинах - 16-18%.
Источники информации
7
1. Патент РФ №2239054 С1, МПК Е21В 43/16. «Способ разработки залежи газа», 2004 г., Бюл. №30.
2. Патент РФ №2131517, 6 Е21F 5/00. «Способ предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок», 1999 г., Бюл. №16.
3. Патент РФ №2166637, С2 7 Е21F 7/00. «Способ подготовки угольных пластов к отработке», 2001 г., Бюл. №13 (прототип).