Рейтинг@Mail.ru
Угольный портал
Главная Подземные разработки Обоснование выбора и эффективная реализация способов дегазации при интенсивной отработке газоносных угольных пластов — ключевой вопрос обеспечения метанобезопасности угольных шахт
Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl+Enter
Главное меню
Полезное
Виртуальные выставки
Онлайн тестирование
В это трудное время Вы можете оказать помощь в развитии портала
$10000   30%   $3000
Updated:  10/11/2014
$  
Работает на Donate-Amoney
$10000   30%   $3000
Updated:  10/11/2014
Стоимость:
 UAH - ₴
Работает на Donate-Amoney
$10000   30%   $3000
Updated:  10/11/2014
Работает на Donate-Amoney
Доска объявлений
Активность форума

 Онлайн тестирование по ОТ на Угольном портале

Обоснование выбора и эффективная реализация способов дегазации при интенсивной отработке газоносных угольных пластов — ключевой вопрос обеспечения метанобезопасности угольных шахт Печать E-mail
Автор: Gimli   
31.01.2016 10:59

(Материал предоставлен нашим информационным партнером, журналом Уголь)

Для угольной отрасли России, разраба­тывающей угольные пласты при постоян­ном углублении горных работ и повыше­нии их природной газоносности, крайне актуальным является устранение отрица­тельного влияния «газового фактора» на основе обоснованного выбора и эффек­тивной реализации способов дегазации угольных пластов при их интенсивной отработке.

Контактная информация — e-mail: svs@msmu. ru

СЛАСТУНОВ Сергей Викторович

Заведующий кафедрой МГГУ, доктор техн. наук, профессор

ЕРМАК Геннадий Павлович

Начальник управления по надзору в угольной промышленности Ростехнадзора России, канд. техн. наук

Планируемые нагрузки на ряде шахт Кузбасса уже в настоящее время достиг­ли 20-30 тыс. т/сут., производительность очистных забоев на многих шахтах лими­тирована по газовому фактору. Без кар­динального снижения газообильности горных выработок, и в первую очередь газоносности разрабатываемого пласта, обеспечить такую нагрузку не представ­ляется возможным.

Достигнутая в настоящее время эффек­тивность комплексной дегазации в значи­тельной мере обусловлена эффективной дегазацией выработанного пространства. В то же время с ростом нагрузки на очис­тной забой резко возрастает вклад мета­на, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Так, для условий ряда шахт даже при эффек­тивности комплексной дегазации 75-80 % для современных нагрузок на очистной забой требуется применение пластовой дегазации с эффективностью не менее 0,2-0,4, что далеко не всегда может обес­печить дегазация, осуществляемая из горных выработок на стадии подготовки и отработки выемочного участка.

Дальнейшее совершенствование де­газации в условиях постоянного роста нагрузок на очистной забой свыше оп­ределенного уровня для ряда горно-гео­логических и горнотехнических условий

возможно только на базе региональной дегазационной подготовки, в частности путем заблаговременного извлечения метана из угольного пласта скважинами с поверхности и существенного снижения газоносности последнего до начала веде­ния основных горных работ.

Мировой опыт подтверждает целесо­образность и обоснованность подобного подхода. На многих газообильных шахтах США применяется дегазация с повер­хности с использованием технологии гидроразрыва, при этом следует особо отметить, что до начала ведения горных работ из угольных пластов извлекается до 70 % газа (шахты «Буханап», «Кумберленд» и ряд других).

Анализ мирового опыта дегазационных работ в высокоразвитых угледобывающих странах мира показывает, что там зако­нодательно и (или) нормативно реально и жестко лимитируется уровень газо­носности разрабатываемого угольного пласта (особенно выбросоопасного), при которой могут вестись горные работы по добыче угля. Например, в Австралии уже на стадии разработки концепции разра­ботки месторождения по добыче угля на стадии предпроектной подготовки кон­кретно предопределяется обязательное снижение газоносности выбросоопасного угольного пласта как минимум до 8 куб. м/т. При этом не допускаются никакие обоснования, позволяющие обойти это ограничение. Одному из авторов на­стоящей статьи это хорошо известно из его практического участия в разработке концепции безопасного ведения горных работ на шахтном поле «Бельведер» в Брисбене в ноябре 2011 г.

К сожалению, в РФ ситуация принци­пиально другая. В настоящее время действует последнее постановление Правительства РФ от 25.04.2011 № 315, где, в частности, указывается следующее: «Дегазация угольного пласта обязательна, когда природная метаноносность пласта превышает 13 куб. м/т сухой беззольной массы, и работами по вентиляции невоз­можно обеспечить содержание метана в исходящей струе очистной горной выра­ботки в размере менее 1 процента». При такой формулировке всегда остается воз­можность вести горные работы на пластах с практически любой газоносностью, что и фактически имеет место на шахтах России. Последствия такого подхода очевидны. В лучшем случае это вынужденные останов­ки комбайна при фиксации критических концентраций для проветривания лавы, в худшем — аварийная ситуация с возмож­ным катастрофическим результатом.

Эффективность подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 15-20 %, что подтверж­дает представительный многолетний опыт работ в Карагандинском бассейне как наиболее развитом в плане применения способов пластовой дегазации, а также опытом последних работ в Кузбассе.

Этот показатель вполне объективно обусловлен ограниченным временем на дегазацию угольного пласта из подзем­ных выработок, связанным в ряде случа­ев с недостаточным опережением фронта очистных работ подготовительными рабо­тами и низкой эффективностью дегазации низкопроницаемого, не разгруженного от горного давления угольного пласта. Клю­чевым моментом эффективности любых схе м пла сто вой дегазации является харак­тер газопереноса в блочно-трещиноватой структуре угольного пласта. Схематично этот процесс можно представить в качест­ве комбинации движения газа по законам диффузии внутри блоков (в частности по закону Фика) и вязкого течения по филь­трующим порам и трещинам по закону Дарси. Скорость протекания этих про­цессов существенным образом зависит от величин газопроницаемости угольного пласта К и коэффициента диффузии О, а также пластового давления Рпл и, с уче­том того факта, что основная масса газа находится в сорбционном объеме, сорб­ционных характеристик угля (в частности коэффициентов Ленгмюра).

В угольном пласте до 90-98 % всего угольного метана находится в сорбиро­ванном состоянии. Перевод его в сво­бодное состояние и процесс миграции к скважине весьма длителен, требует зна­чительных временных и энергетических затрат для существенного изменения со­стояния и свойств углегазонасыщенного массива.

Существует энергетический барьер, заключающийся в существенных энерге­тических затратах на активацию метана (табл. 1). В табл. 1 приводятся известные ориентировочные значения этой величи­ны [1 и др.].

Таблица 1

Энергия активации форм связи метана с углем

I Форма связи метана с углем 1

Вид переноса в угле 1

Энергия активации, кДж/моль 1

Свободная

Вязкое течение

2

Сорбированная

Диффузия по поверхности

17-21

Растворенная

Молекулярная диффузия

170-200

Газокристаллическая

Диффузия в кристаллах

300-400

 

Энергетический барьер предопределя­ет энергетические затраты, которые не­обходимо понести в процессе дегазации угольного пласта, в частности на бурение скважины (с образованием зоны дезинтег­рации вокруг последней), на повышение проницаемости угольного пласта в зоне влияния скважины (в основном, за счет трещинообразования), десорбцию метана в этой зоне и перенос его в низкопрони­цаемом коллекторе к скважине и далее на поверхность. При проведении пласто­вой дегазации из подземных выработок без активных воздействий на углегазо­носную толщу эти затраты минимальны, но и достигаемый эффект по снижению газоносности ограничен. В принципе, он может быть несколько повышен путем проведения активных воздействий (на­пример поинтервальный гидроразрыв, газо-гидроимпульсное воздействие и др.), однако эти локальные технологии крайне редко применяются ввиду оперативной сложности их реализации в стесненных подземных условиях, большой вероят­ности прорывов воды в горные выработ­ки, сложности герметизации скважин и, основное, недостатка времени на доста­точно кропотливую и масштабную работу непосредственно на месте основных гор­ных работ. Как правило, времени хватает только на бурение подземных пластовых скважин и более или менее их удовлетво­рительную эксплуатацию (профилактика, ремонт, замеры дебитов и концентраций, ликвидация утечек, слив воды и др.). Су­щественно большие возможности в части преодоления временного и энергетичес­кого барьеров имеют региональные тех­нологии, в частности технология забла­говременной дегазации угольных пластов скважинами с поверхности с гидрорас­членением (гидроразрывом) пластов и существенным повышением его прони­цаемости, а также большим потенциаль­ным резервом времени для обеспечения требуемой глубины дегазации.

В настоящее время разработана мето­дика выбора основных технологических схем пластовой дегазации в различных горно-геологических и горнотехнических условиях, которая предусматривает для выбора состава и параметров комплекс­ной технологической схемы следующее.

Наличие и величина «газового барь­ера» для каждого выемочного участка конкретного шахтного поля должна оп­ределяться аналитическими расчетами на базе математического моделирова­ния газовыделения в очистной забой из всех источников поступления [2 и др.] с учетом основных свойств и характерис­тик угольных пластов, о которых будет сказано ниже. Например, для условий шахты «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» подобным подходом получена табл.2, из которой можно видеть, что при планируе­мой нагрузке, например 10 тыс. т/сут. (см. соответствующий столбец в табл. 2), при расчетном газовыделении из пласта 4 куб. м/мин требуемая эффективность пласто­вой дегазации составляет 0,135 и впол­не обоснованно можно рекомендовать использование технологии подземной пластовой дегазации из подготовитель­ных выработок (установленная эффектив­ность этого способа составляет 0,1 -0,2). При газовыделении из пласта 5 куб. м/мин требуемая эффективность дегазации уже составляет 0,31, и еще можно рекомен­довать предварительную пластовую де­газацию из подземных выработок, но уже в усиленном варианте (например пере­крещивающиеся скважины или использо­вание какого-либо интенсифицирующего воздействия — поинтервального гидро­разрыва и др.). При газовыделении из пласта 6 куб. м/мин требуемая эффектив­ность дегазации составляет 0,42 и обос­нованным будет являться использование заблаговременнлой дегазации скважина­ми с поверхности с гидрорасчленением угольного пласта (установленная факти­ческая эффективность этого способа в Карагандинском угольном бассейне и на ряде шахт Донбасса составляет 0,3-0,5). При газовыделении из пласта 7 куб. м/мин и более требуется более сложная тех­нология (например гидрорасчленение пласта с уменьшенной сеткой заложения скважин, гидрорасчленение пласта в ре­жиме кавитации, пневмогидровоздейс­твие через скважины с поверхности и др. [3,4]). Далее по возрастающей требуемой эффективности способа дегазации может рекомендоваться комплексная дегазация, включающая в себя кроме заблаговремен­ной дегазации скважинами с поверхности применение еще и подземной пластовой дегазации из подземных выработок с бу­рением скважин в зоны повышенной тре­щиноватости (зону гидрорасчленения).

Резерв времени определяет выбор раз­новидности пластовой дегазации, пред­варительную (резерв времени более трех месяцев) и передовую (из зоны разгрузки пласта при подходе лавы) из подземных выработок, предварительную (резерв времени менее трех лет) или заблагов­ременную (резерв времени три и более лет) скважинами с поверхности.

Таблица 2

Определение требуемой эффективности пластовой дегазации

Газовыделение из пласта,

| Коэффициент дегазации при нагрузках на лаву А, т/сут. |

куб. м/мин.

5000

1 10000

15000 1

20000 1

25000

1 30000 1

35000 1

1

-

-

-

-

-

-

0,01

2

-

-

-

0,135

0,31

0,425

0,5

3

-

-

0,23

0,42

0,54

0,62

0,67

4

-

0,135

0,425

0,57

0,66

0,71

0,75

5

-

0,31

0,54

0,65

0,72

0,77

0,8

6

-

0,42

0,62

0,71

0,77

0,81

0,83

7

0,01

0,51

0,67

0,75

0,8

0,84

0,86

8

0,14

0,57

0,71

0,78

0,83

0,86

0,88

Важным фактором, влияющим на выбор технологии пластовой дегазации являет­ся ожидаемая эффективность дегазации на базе газодинамических исследований объекта пластовой дегазации — конкрет­ного угольного пласта или его участка. Это связано с тем, что в настоящее время работами многих специалистов (Ю. Ф. Ва- сючков, Г. Г. Каркашадзе, К. С. Коликов, Е.В. Мазаник, М. Г. Лупий, Ю. М. Стефлюк, А. И. Полчин, Ю. М. Иванов, М. А. Волков с участием авторов настоящей статьи и некоторых др.) разработаны современ­ные математические модели и получены аналитические зависимости для опреде­ления дебитов пластовых скважин и га- зоотдачи угольных пластов, однако эти зависимости включают в себя такие не­обходимые газокинетические и фильтра­ционные параметры, показатели свойств и состояния угольных пластов, как плас­товое давление, проницаемость пласта, коэффициент диффузии, сорбционные характеристики и некоторые другие. Ни один из этих параметров до последнего времени достоверно не определялся ни в шахте при ведении горных работ, ни в соответствующих лабораториях — как в России, так и в Казахстане. Нет инфор­мации о проведении подобных работ и на шахтах Украины. В позитивном плане можно лишь упомянуть эксперименталь­ные работы в этом направлении, которые были проведены австралийской компа­нией «Сигра» под руководством Йена Грея по заказу Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» в 2010 г. на шахте им. Ленина в Карагандинском угольном бассейне, а также приобрете­ние названным департаментом лаборато­рии по определению указанных характе­ристик у фирмы DMT для развития этих работ силами Управления «Спецшахто- монтаждегазация» на шахтах бассейна, и становление аналогичной лаборатории в ОАО «СУЭК-Кузбасс». Совершенно оче­видно, что формирование подобных ла­бораторий и структур, способных вести указанные исследования на шахтах, — необходимый этап в решении проблем метанобезопасности подземной угледо­бычи. Эффективно функционирующим аналогом такой структуры может являть­ся упомянутая выше компания «Сигра», имеющая положительный опыт работы в Австралии и некоторых других угледобы­вающих странах мира.

Нами совместно с вышеназванными специалистами ОАО «СУЭК-Кузбасс» и Угольного департамента АО «Арселор­Миттал Темиртау» разработана совре­менная методика проведения комплекса газодинамических исследований на объ­ектах применения пластовой дегазации, позволяющая объективно решать два ос­новных вопроса: получать достоверный прогноз предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору и обоснованно проектировать процесс де­газации с получением корректной оценки ее ожидаемой эффективности.

Вышеназванная методика предусмат­ривает определение в лабораторных ус­ловиях газоносности угля по отобранным кусочкам угля в процессе бурения дегаза­ционных пластовых скважин, основных сорбционных характеристик угля (конс­тант Ленгмюра) по изотермам сорбции тех же измельченных образцов угля и коэффициента диффузии. Кроме этого, в натурных условиях в шахте необходимо на стадии бурения пластовых скважин оп­ределять пластовое давление (по кривой роста давления в закрытой и загермети­зированной по отработанной технологии скважине) и по динамике нарастания дав­ления коэффициент газопроницаемости угольного пласта.

Необходимо отметить, что в настоящее время отсутствие на шахтах этой инфор­мации ставит под сомнение как оценку предельно допустимых нагрузок на очис­тные забои на всех без исключения высо­когазоносных объектах угледобычи, так и реальную эффективность достигаемого эффекта от применяемой пластовой де­газации. Не представляется возможным определить, что реально необходимо было обеспечить на стадии дегазации и что фактически было достигнуто при применении пластовой дегазации. Таким образом, необходимо констатировать, что в настоящее время абсолютно необосно­ванно ведется проектирование дегазаци­онных работ и совершенно недостоверно оцениваются их результаты. Угледобыча ведется произвольно с учетом отправной информацию по так называемым лавам- аналогам, которые в большинстве случаев таковыми не являются ввиду многообра­зия факторов работы, а также сущест­венной анизотропии и неоднородности углегазоносного массива. В этом заключа­ется одна из основополагающих причин отсутствия надежной метанобезопаснос- ти подземных горных работ.

В соответствии с разработанной ме­тодикой выбора технологии пластовой дегазации можно обоснованно опреде­лять область применения всех извест­ных технологических решений и в тех случаях, когда необходимое снижение газоносности составляют 3-4 куб. м/т и более обоснованно рекомендовать к применению заблаговременную дегаза­ционную подготовку (ЗДП) шахтных полей к безопасной и интенсивной отработке на базе гидрорасчленения угольных пластов скважинами с поверхности в той или иной модификации.

Работы по этому научному направле­нию были впервые в мировой практике начаты и развивались в Карагандинском угольном бассейне по инициативе акад. А. А. Скочинского под руководством гор­ного инженера Н. В. Ножкина с 1962 г. [5]. С 1967 г. работы велись также на шахтах Донбасса. За истекший период были про­ведены опытно-промышленные работы более, чем на 20 шахтных полях и полу­чены в целом положительные результаты [6,7 и др.]:

—      снижение газоносности угольных пластов до50 %(нарядешахт на 8-10 куб.м/т;

—      максимально достигнутые дебиты составили 3,5—4,8 куб. м/мин (шахты № 22, «Саранская»);

—      средний дебит — 0,3-0,7 куб. м/мин;

—      дебит метана после разгрузки уголь­ных пластов в процессе выемки первых рабочих пластов (подработка, надработ- ка) на втором этапе эксплуатации скважин ГРП по извлечению метана из выработан­ного пространства — 3-10 куб. м/мин.;

—      срок службы скважин — 7—10 лет;

—      эффективный радиус воздействия — 120-150 м;

—      концентрация метана в извлекаемом газе — 95-99 %;

—      снижение газообильности горных выработок — до 70-80 %.

Необходимо отметить, что ЗДП является также в определенной степени способом снижения выбросоопасности угольных пластов, однако не дает 100 %-ной га­рантии предотвращения выбросов, осо­бенно в зоне тектонических нарушений и пограничных (периферийных) облас­тях. Вследствие этого, зоны ЗДП во всех случаях проходятся со всем комплексом противовыбросных мероприятий.

Дополнительным резервом повыше­ния эффективности заблаговременной дегазации является применение всего комплекса работ — скважины с поверх­ности и подземные скважины из подго­товительных выработок, пробуренные в зону искусственно повышенной трещи­новатости пласта.

К основным выводам можно отнести следующее.

Обоснованы методика выбора техно­логии дегазации и методические реко­мендации по выбору рациональных тех­нологических схем пластовой дегазации угольных пла сто в, в частности для условий интенсивной отработки ряда газоносных выбросоопасных пластов Карагандинско­го угольного бассейна и Кузбасса (на при­мере ряда шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

Разработанная методика эксперимен­тального определения основных свойств и состояния углегазоносного массива, подлежащего интенсивной отработке, позволяет корректно и обоснованно определять предельно допустимые на­грузки на очистной забой по газовому фактору, выбирать и научно обоснованно рекомендовать для каждого перспектив­ного шахтного поля и выемочного участка необходимую технологию пластовой де­газации, которая обеспечит достижение с учетом газового фактора стратегических показателей по нагрузкам на очистные за­бои в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Высокоинтенсивная безопасная раз­работка газоносных угольных пластов невозможна без обеспечения глубокой дегазации разрабатываемых пластов. Заблаговременная дегазационная под­готовка угольных пластов к безопасной и эффективной разработке скважинами с поверхности может обеспечивать не­обходимую эффективность по снижению газообильности горных выработок при применении данной технологии за 3-5 лет до начала ведения горных работ в зонах интенсивной дегазации.

Доказана целесообразность и обосно­ванность применения технологии ЗДП для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности выбросоопасного пласта Д6 шахт им. Ленина и «Казахстанская». На шахте им. Ленина съем метана в зонах ЗДП на ряде скважин составил 6-9 куб. м/ т, а на шахте «Казахстанская» — 5-7 куб. м/т, что существенно больше возмож­ных съемов при применении подземной пластовой дегазации из подготовитель­ных выработок.

Список литературы

  1. Васючков Ю. Ф. Физико-химические при­нципы дегазации угольных пластов. Вестник ХХ!. Горно-металлургическая секция РАЕН. М.: «Интермет Инжениринг», 2007.
  2. Сластунов С. В., Каркашадзе Г. Г., Коли- ков К. С. Обоснование допустимой нагруз­ки на очистной забой по газовому факто­ру. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2009», ИД ООО «Роликс», 2009.
  3. Сластунов С. В. Заблаговременная де­газация и добыча метана из угольных мес­торождений. М., изд-во МГГУ, 1996.—441 с.
  4. Пучков Л. А., Сластунов С. В., Коликов К. С. Извлечение метана из угольных плас­тов. М., изд-во МГГУ, 2002. — 383 с.
  5. Ножкин Н. В. Заблаговременная де­газация угольных месторождений. — М.: Недра, 1979, — 271 с.
  6. Ржевский В. В., Братченко Б. Ф., Бурча- ков А. С., Ножкин Н. В. Управление свойс­твами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. — М.: Недра, 1984, — 327 с.

7. Баймухаметов С. К. Проблемы разра­ботки высокогазоносных угольных плас­тов. Караганда, 2006.-204 с.

журнал Уголь

 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Активность сообщества
2 дней назад
0662001181 установил(а) новый аватар. 11:14
2 недель назад
Iron установил(а) новый аватар. Апр 13
1 месяц назад
ИнтерУгольТрейд1 установил(а) новый аватар. Мар 13
6 месяцев назад
uacoal Уголь от производителя. АШ, АС, АМ, АО, АКО, АК, Г, ДГ, Т. Окт 20
 
Рейтинг@Mail.ru