CC BY
39
© C.B. Сластунов, Г.П. Ермак, 2015
УДК 622:063.543:622.411.33 C.B. Сластунов, Г.П. Ермак
ДЕГАЗАЦИОННАЯ ПОДГОТОВКА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ К ИНТЕНСИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКЕ. ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ*
Основные проблемы эффективной дегазации угольных шахт при высокоинтенсивной отработке газоносных угольных пластов. Ограничения на нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Заблаговременная, предварительная и текущая пластовая дегазация. Отсутствие достоверной фактической информации об основных свойствах и параметрах состояния уг-легазоносного массива (газоносности, газопроницаемости, пластовому давлению, сорбционным характеристикам угля и некоторым другим) делаем невозможным корректно определить предельно допустимую нагрузку на очистной забой по газовому фактору, обоснованно выбрать способы дегазации, оценить их фактическую эффективность, что крайне негативно сказывается на безопасности ведения горных работ.
Ключевые слова:углегазоносныймассива, допустимые нагрузки, выбор технологии пластовой дегазации.
Настоящая статья посвящена рассмотрению проблемы эффективной дегазации угольных шахт при высокоинтенсивной отработке газоносных угольных пластов. Для ряда шахт России и СНГ ряд последних разработок в виде технических предложений и техно-рабочих проектов, выполненных МГГУ, а в последний период и НМСУ «Горный», заключаются в рекомендации в ближайшей перспективе применении заблаговременной дегазации шахтных полей и выемочных участков с использованием скважин, пробуренных с поверхности, и реализуемого через них гидрорасчленения пласта различными инженерными воздействиями как неизбежного этапа дегазационной подготовки газоносных угольных пластов к
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобнауки РФ в рамках Государственного задания № 2014/97, НИР 1190.
ционной подготовки газоносных угольных пластов к интенсивной и безопасной разработке.
На многих угольных шахтах, ведущих в настоящее время интенсивную отработку газоносных угольных пластов, применяется целый комплекс мероприятий по дегазации углегазо-носногомассива.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 0,3-0,4, что далеко не всегда может обеспечить дегазация, осуществляемая из горных выработок на стадии подготовки и отработки выемочного участка.
Эффективность подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 10-20%, что подтверждает многолетний представительный опыт работ в Карагандинском бассейне, являющимся 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, главным образом, низкой эффективностью дегазации низкопроницаемого, неразгруженного от горного давления, угольного пласта. Ключевым моментом эффективности любых схем пластовой 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 внутри блоков (по закону Дарси). Скорость протекания этих процессов существенным образом зависит от величин газопроницаемости угольного пласта К и коэффициента диффузии Э, а также пластового давления Рпли сорбционных характеристик угля.
В угольном пласте до 90—98 % всего угольного метана находится в сорбированной (связанном) состоянии. Перевод его в свободное состояние и процесс миграции к скважине весьма длителен, требует значительных временных и энергетических затрат для существенного целенаправленного изменения состояния и свойств углегазонасыщенного массива.
Существенно большие возможности в части преодоления временного и энергетического барьеров имеют региональные технологии, в частности, технология заблаговременной дегазации угольных пластов скважинами с поверхностисгидрорасч-ленением (гидроразрывом) пластов, характеризующаяся существенным повышением проницаемости последних, а также большим потенциальным резервом времени для обеспечения требуемой эффективности пластовой дегазации.
Представляет интерес методология выбора основных технологических схем и параметров пластовой дегазации в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Важным фактором, влияющим на выбор технологии пластовой дегазации являетсяожидаемая эффективность дегазации на базе газодинамических исследований объекта пластовой дегазации — конкретного угольного пласта или его участка. Это связано с тем, что в настоящее время работами рядом специалистов(Каркашадзе Г. Г., Коликов К. С., Ютяев Е.П.,Мазаник Е.В., Ёупий М.Г., Никитин С.Г.,Стефлюк Ю.М., ПолчинА.И.и некоторых др.), с участием авторов настоящей статьи, разработаны и апробированы современные математические модели и получены аналитические зависимости для определения дебитов пластовых скважин и оценкигазоотда-чи 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, фактическая газоносность угля и некоторые другие. Ни один из этих параметров до последнего времени на шахтах России достоверно экспериментально не определялся как в процессе ведения горных работ, так и в соответствующих лабораториях. Нами совместно со специалистами ОАО «СУЭК -Кузбасс» и Угольного департамента АО «АрселорМиттал Те-миртау» (Караганда) разработана современная методика про-
ведения комплекса газодинамических исследований на объектах применения пластовой дегазации, позволяющая объективно решать два ключевых вопроса: получать достоверный прогноз предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору и обосновано проектировать процесс дегазации с получением корректной оценки ее ожидаемой эффективности [1].
Вышеназванная методика предусматривает определение в лабораторных условиях газоносности угля по отобранным по соответствующей технологии кусочкам угля в процессе бурения дегазационных пластовых скважин, а также основных сорбционных характеристик угля (констант Ёенгмюра) и коэффициента диффузии. Кроме этого, в натурных условиях в шахтепредусматривается определение на стадии бурения скважин пластового давления (по кривой роста давления в закрытой и загерметизированной скважине) и коэффициента газопроницаемости угольного пласта (по динамике нарастания пластового давления).
В настоящее время с сожалением можно резюмировать следующее.
Первое: для подлежащих разработке объектов (шахтных полей, выемочных участков) дегазация проектируется в условиях отсутствия ключевой исходной горно-геологической информации, в частности, газоносности угольных пластов. Этот показатель, определяемый на стадии ведения геологоразведочных работ, может иметь ошибку до 30%. Практика уточнения этого показателя в лабораторных условияхна основе исследования отобранных в шахте кернов или угольной мелочи в настоящее время нет. Обеспечение нормативного нижнего предела газоносности угольного пласта в 13 м3/т с.б.м. [2,3] в такой ситуации является чистой проформой, т.к. проектирование дегазации носит недостоверный характер.
Второе: полностью отсутствует реальная оценка эффективности применения предварительной пластовой дегазации, осуществляемой в настоящее время на ряде шахт из подготовительных выработок. Мы имеем только прогнозную, или расчетную эффективность, выполненную в проекте. Отсутствует корректировка проектной величины предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору.
Создается парадоксальная ситуация: недостоверный прогноз газообильности горных выработок и необоснованные проектные решения по пластовой дегазации при невозможности корректировки их ввиду полного отсутствия данных об эффективности проводимых дегазационных работ.
В соответствие с разработанной методикой выбора технологии пластовой дегазации можно обоснованно определять целесообразность применения всех известных технологических решений по пластовой дегазации. В тех случаях, когда необходимое снижение газоносности составляют 3-4 м3/т и более, обосновано 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 [4, 5].
Необходимо отметить, что ЗДП является также в определенной степени способом снижения выбросоопасности угольных пластов. Известно, что порядка 80% энергии, реализуемой при выбросе угля и газа, приходится на свободный и сорбированный газ.
Известна мировая практика (Австралия, США и др.) ограничения допустимой газоносности выбросоопасных угольных пластов, подлежащих подземной разработке, на уровне 8-9 м3/т [6, 7].
Дополнительным резервом повышения эффективности пластовой дегазации является применение всего комплекса работ - скважины с поверхности и подземные скважины из подготовительных выработок, пробуренные в зону искусственно повышенной вследствие ГРПтрещиноватости пласта.
В настоящее время технология ЗДП применяется для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности, особо выбросоопасного пласта Д6 шахт им. Ленина и «Казахстанская». На шахте им. Ленина съем метана в зонах ЗДП составил 6 — 9 м3/т, а на шахте «Казахстанская» — 5 — 7 м3/т, что существенно больше возможного снижения газоносности при применении подземной пластовой дегазации из подготовительных выработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сластунов C.B., Ермак Г. П. Обоснование выбора и эффективная реализация способов дегазации при интенсивной отработке газоносных угольных пластов - ключевой вопрос обеспечения метанобезопасности угольных шахт. М., «Уголь», № 1, 2013
2. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006).М., ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007.
3. Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Документы по-безопасности, надзоргной и разрешительной деятельности в угольной промышленности. Выпуск 22. Москва, ЗАО НТЦ ПБ, 2012
4. Пучков П.А., Сластунов C.B., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГГУ, 2002. — 383 с.
5. Пучков Л.А., Сластунов C.B., Логинов А.К., Ютяев Е.П., Мазаник Е.В. Предпосылки промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе. М., ГИАБ, тематическое приложение БЕЗОПАСНОСТЬ,отдельный выпуск № 6, 2008.
6. А. Сагафи, Д. Дж. Уильямс Безопасная разработка в условиях вы-бросоопасности и точность измерения газоносности. Центр CSIRO, Отдел Энергетических технологий, почт.ящик 136, NorthRede, NSW 1670, Australia,a.sagafi@det.csiro.au, d.williams@det.csiro.au
7. Лама Р.Д. Безопасные пороговые значения газоносности против выбросов при разработке пластов Були. - Межд. Симпозиум по управлению и контролю высоких эмиссий газа и выбросов в подземных угольных шахтах. -Австралия, С. 175-189, 1995. S2H
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Сластунов Сергей Викторович — доктор технических наук, профессор, профессор Горного института НИТУ «МИСиС», slastunovsv@mail.ru, Ермак Геннадий Павлович — начальник Управления по надзору в угольной промышленности Ростехнадзора, кандидат технических наук, g.ermak@gosnadzor.ru.
UDC 622:063.543:622.411.33
DEGASSING PREPARATION COAL SEAMS TO INTENSIVE AND SAFE WORKING. PROBLEM SAND СМАЧИВАЕМОСТИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ SOLUTIONS
Slastunov Sergey Viktorovich, doctor of technical Sciences, Professor, Professor of Mining Institute NITU «MISIS», slastunovsv@mail.ru, Russia,
Ermak Gennady Pavlovich, head of Department for supervision in the coal industry RTN, doctor of Sciences,g.ermak@gosnadzor.ru, Russia.
The main challenges for effective decontamination of coal mines mining of high-intensity gas-bearing coal beds. Restrictions on loading on a breakage face to gas factor. An early, preliminary and current produced gas. The lack of reliable factual information about the basic properties and parameters of the state pleasoning array (gas, gas permeability, gas pressure, sorption characteristics of coal and some others) make it impossible to correctly determine the maximum permissible load on the longwall face on the gas factor is reasonable to choose decontamination methods, to assess their actual effectiveness, which negatively affects the safety of mining operations.
Key words:the allowable load,longwallface, the choice of technology degassing.
REFERENCES
1. Slastunov S.V., Ermak G.P. Obosnovanie vybora i jeffektivnaja realizacija spo-sobov degazacii pri intensivnoj otrabotke gazonosnyh ugol'nyh plastov kljuchevoj vopros obespechenija metanobezopasnosti ugol'nyh shaht (Rationale for the selection and effective implementation of decontamination methods for intensive testing of gas-bearing coal seams is the key issue of providing coal-pit methane safety). Moscow, «Ugol'», No 1, 2013.
2. Metodicheskie rekomendacii o porjadke degazacii ugol'nyh shaht (RD-15-09-2006) (Methodological recommendations on the procedure of coal mines(RD-15-09-2006)). Moscow, OAO «NTC «Promyshlennaja bezopasnost'», 2007.
3. Instrukcija po degazacii ugol'nyh shaht (Instructions for underground coal mines). Serija 05. Dokumenty pobezopasnosti, nadzorgnoj i razreshitel'noj dejatel'nosti v ugol'noj promyshlennosti. Vypusk 22. Moscow, ZAO NTC PB, 2012.
4. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Kolikov K.S. Izvlechenie metana iz ugol'nyh plastov (Extraction of methane from coal seams). Moscow, izd-vo MGGU, 2002. 383 p.
5. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Loginov A.K., Jutjaev E.P., Mazanik E.V. Predpo-sylki promyshlennoj aprobacii tehnologii zablagovremennoj degazacionnoj podgotovki vy-sokogazonosnyh ugol'nyh plastov v Kuzbasse (The reconditions of industrial application of the technology advance degasification training coal seams in Kuzbass). Moscow, GIAB, te-maticheskoe prilozhenie BEZOPASNOST'',otdel'nyj vypusk No 6, 2008.
6. A. Sagafi, D. Dzh. Uil'jams Bezopasnaja razrabotka v uslovijah vybrosoopasnosti i toch-nost' izmerenija gazonosnosti (Safe development in the conditions of the outburst and the accuracy of the measurement gas). Centr CSIRO, Otdel Jenergeticheskih tehnologij, pocht.jashhik 136, NorthRede, NSW 1670, Australia,a.sagafi@det.csiro.au, d.williams@det.csiro.au
7. Lama R.D. Bezopasnye porogovye znachenija gazonosnosti protiv vybrosov pri raz-rabotke plastov Buli (Safe threshold gas against emissions from the reservoir Boules). Mezhd. Simpozium po upravleniju i kontrolju vysokih jemissij gaza i vybrosov v podzemnyh ugol'nyh shahtah. Avstralija, pp. 175-189, 1995.
