Дегазаций, добыча и использование метана в Карагандинском бассейне Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97”

МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97

СЕМИНАР 1 " ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

B.А. Садчиков,

к.т.н., (КазНИИБгп)

C.К.Баймухаметов,

д.т.н., (ИСПАТ-КАРМЕТ)

Б.А.Абдрахманов, к.т.н., (КазНИИБГП)

А.И.Швец,

к.т.н., (“Спецшахтомонтаждегазация”)

ПЕГАЗАЦИЯ, ПОБЫЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАНА В К АР АГАН ПИНСКОМ БАССЕЙНЕ

Карагандинский бассейн считается одним из самых газообильных бассейнов мира. Впервые метан в горных выработках шахт Карагандинского бассейна появился в начале 40-х годов. Борьба с газом в этот период осуществлялась только с помощью принудительной вентиляции. Но в дальнейшем, с углублением шахт и ростом их газоо-бильности начали возникать трудности с проветриванием горных выработок, и потребовалось изыскание принципиально новых способов борьбы с газом. Первые исследования по добыче метана из угольного пласта “Феликс” в условиях подработки его лавой по пласту “Замечательный” относятся к 1951-52 гг., которые завершились положительными результатами. Но специалистов по дегазации в бассейне все большее внимание привлекал мощный пласт “Верхняя Марианна”, поскольку он в то время являлся самым продуктивным по добыче угля, и горные выработки по нему отличались высокой газообильностью.

В конце 1995 г. на 8 горизонте бывшей шахты № 20 по восстанию было пробурено 30 скважин, и 14 февраля 1956 г. газ из этих скважин выдан на поверхность при естественном истечении в количестве 15 тыс. м3 в сутки. Этот день по

предложению Е.И.Преображенской считается началом промышленной дегазации и добычи газа в Карагандинском бассейне. В декабре этого же года впервые в Карагандинском бассейне переведена котельная шахты № 20 на газовое топливо.

Высокая газоотдача из разрабатываемого пласта предопределила необходимость экстренного распространения полученного опыта на другие шахты, и уже в 1957 г. каптаж газа применялся на шахтах №№ 20, 3 им. Кирова, 3-бис. При этом добываемый из угольных пластов газ полностью сжигался в котельных установках шахт.

Следует отметить, что развитие дегазации в бассейне происходило быстрыми темпами. Если в 1956 г. с дегазацией работала одна шахта, то уже в 1960 г. их количество увеличилось до 13, а в 1980 г. - достигло 20. В 1982 г. из 26 действующих шахт дегазация применялась на 25 шахтах. Из года в год в бассейне рос объем извлекаемого метана средствами дегазации, и за 1991 г. общее количество добытого газа составило 210,4 млн. м3. При этом ежегодный объем буровых работ составлял 700-800 км скважин, а прокладка газопровода 150200 км. За 40 лет освоения дегазации в

бассейне испытаны и применяются более 30 различных способов и схем дегазации.

В зависимости от источников газо-выделения и объекта дегазации различают следующие способы: предварительную дегазацию разрабатываемых угольных пластов (пластовую дегазацию), дегазацию сближенных (смежных) угольных пластов -спутников и вмещающих пород и дегазацию выработанного пространства. В первый период освоения дегазации в Карагандинском бассейне основное количество извлеченного метана приходилось на пластовые скважины, буримые для целей предварительного каптажа газа из разрабатываемых пластов. С освоением в бассейне дегазации спутников и выработанного пространства подземными и поверхностными скважинами удельный вес этих способов в общем объеме извлеченного метана начал возрастать, и к настоящему времени распределение метана составило: предварительная дегазация - 30 %, дегазация спутников и выработанного пространства подземными скважинами - 40 % и вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности, - 30 %.

При природной газоносности угольных пластов 18-20 м3/т осуществление предварительной дегазации угольных пластов за 6-12 мес. работы скважин позволяет извлечь 4-8 м3 метана с 1 т запасов угля. Каптаж такого количества газа обеспечивает снижение газообильности лав на 30-50 %. Уменьшение газоносности разрабатываемого угольного массива и вследствие этого снижение величины газового давления в пласте уменьшает его газодинамическую активность. Этим объясняется полное отсутствие внезапных выбросов угля и газа в очистных выработках, хотя в бассейне насчитывается 25 шахтопластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Наибольшей продуктивностью отличаются скважины, пробуренные по восстанию пласта. Их дебит примерно в два раза превышает дебит горизонтальных сква-

жин и в 3 раза дебит нисходящих скважин.

Проведенными исследованиями и практикой ведения дегазационных работ установлена тенденция к снижению продуктивности скважин с глубиной залегания пластов. Так, например, если на глубине 200 м от поверхности начальное удельное газовыделение из пласта к12 составляет 6,75, то на глубине 600 м оно уже не превышает 0,60 м3/сут. м. Снижение продуктивности дегазационных сква-ин по мере увеличения глубины объясняется понижением газопроницаемости угольных пластов в связи с возрастанием горного давления. С другой стороны, чем на большей глубине производятся горные работы, тем больше газа содержится в угольных пластах, а следовательно, тем больше его выделяется в горные выработки. Таким образом, непрерывный рост газообильности горных выработок, с одной стороны, и снижение продуктивности пластовых дегазационных скважин с глубиной, с другой стороны, приводят к необходимости изыскания способов повышения продуктивности дегазационных скважин.

В целях интенсификации процесса газоотдачи из угольных пластов в газодренажные скважины в Карагандинском бассейне испытывались различные способы воздействия на угольный массив: торпедирование, обработка раствором соляной кислоты, гидроимпульсное воздействие, гидроразрыв из подземных выработок, гидрорасчленение с поверхности и др. В настоящем докладе коротко остановимся на тех способах, которые, по нашему мнению, заслуживают не только научный, но и практический интерес с точки зрения повышения эффективности дегазации и увеличения объемов добываемого газа.

Сущность гидроразрыва из подземных выработок заключается в том, что по угольному массиву при пластовой подготовке и на пласт при полевой подготовке бурят скважины, предназначен-

ные для гидроразрыва угольного массива. Устья скважин герметизируют цельнотянутыми трубами. При темпе подачи жидкости 30-40 м3/ч и общем расходе 100200 м3 радиус гидроразрыва составляет 40-50 м. В результате закачки насосом 9МГР-61 воды в угольный массив с темпом, в несколько раз превышающим приемистость пласта, раскрываются естественные трещины, что приводит к увеличению фильтрационных свойств пласта, а, следовательно, и к повышению продуктивности дегазационных скважин, буримых в обработанной зоне, в 2-3 раза. Внедрение этого способа проведено на 12 шахтопластах мощностью от 1,4 до 8,4 м на Промышленном, Саранском участках и в Шерубай-Нуринском и Тентекском районах. На основании исследований и испытаний разработаны формулы и методика расчета числа скважин для очистных и подготовительных выработок.

В последние годы КазНИИБГП разработан и опробован способ поинтер-вального гидроразрыва угольного массива через пластовые скважины, сущность которого заключается в том, что рабочая жидкость под высоким давлением подается в любую заданную зону скважины, загерметизированную предварительно с помощью двух спаренных гидрозатворов типа ГАС-60 или Таурус-60. В процессе гидроразрыва используется облегченное гидравлическое оборудование. За счет поинтервального гидроразрыва увеличивается продуктивность скважин по дебиту метана в 4-6 раз.

Институтами КазНИИБГП, МГИ и КНИУИ на шахтах им. 50-летия Октябрьской революции, им. Костенко, “Саранская”, “Сокурская” опробован и внедрен способ дегазации пласта к,2 с помощью пластовых скважин, пробуренных в зоне гидрорасчленения пласта с поверхности. Проведенными наблюдениями установлено, что благодаря гидрорасчленению происходит увеличение дебита метана из пластовых скважин в 36 раз.

Далее остановимся на каптаже газа из подрабатываемых, надрабатываемых сближенных пластов и выработанных пространств, поскольку на эти источники газовыделения приходится в настоящее время около 70 % всего добываемого газа средствами дегазации. Наиболее эффективным методом каптажа газа из указанных источников является отсос с помощью вертикальных скважин, буримых с поверхности. Первая вертикальная скважина с поверхности была пробурена в 1962 г. на бывшей шахте № 38. Этот метод в различные годы применялся на 20 шахтах. В настоящее время, несмотря на большую глубину (около 600 м), этот метод успешно используется на шахтах Карагандинского бассейна. По опыту Караганды дегазация вертикальными скважинами получила распространение на шахтах Кузнецкого, Донецкого, Челябинского и других бассейнов.

Следует отметить, что вертикальные скважины, пробуренные с поверхности можно использовать не только для дегазации работающей лавы, но и с целью добычи газа из выработанных пространств отработанных лав для его утилизации. По такому методу добывали метан для использования в качестве топлива в котельных шахт им. Костенко и “Кировская”.

В последние годы на ряде шахт “Стахановская”, им. Т.Кузембаева, “Абайская”, “Саранская”, “Сокурская” применяется восходящий порядок отработки пластов (снизу вверх). При такой последовательности выемки пластов подрабатываются пласты, которые представляют наибольшую опасность по газовому фактору. Извлечение метана из подрабатываемых пластов осуществляется различными способами: вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности, подземными скважинами и с помощью газодренажных выработок. Суммарное количество извлекаемого метана средствами дегазации из подработанных пластов, как правило, составляло 20-25

м3/мин, а в лаве 2Ъ-к10-Ю на шахте им. Калинина достигало 50 м3/мин. Проведенными исследованиями установлено, что во время подработки угольных пластов из них извлекается 80-92 % газа от природной газоносности, и они становятся не опасными по внезапным выбросам угля и газа.

При каптаже газа из подрабатываемых пластов извлекаемая газовая смесь, как правило, богата содержанием метана (70-80 %). Благодаря значительному дебиту и высокой конценрации метана, подрабатываемые пласты являются надежным источником добычи метана для его промышленного использования, о чем свидетельствует практический опыт на шахтах “Стахановская”, “Саранская”, “Сокурская”, им. Т.Кузембаева. Добываемый метан из подрабатываемых пластов используется в шахтных котельных для подогрева воды и в форкамерах для подогрева воздуха, поступающего в шахту для проветривания.

Благодаря применению эффективных способов дегазации были созданы благоприятные условия по газовому фактору для ритмичной работы шахт Карагандинского бассейна, который долгие годы считался одним из самых высокопроизводительных бассейнов бывшего СССР.

Начиная с 1992 г., к сожалению, наблюдалась тенденция к снижению объ-

© В.А.Садчиков, С.К

емов выполняемых дегазационных работ, связанная в основном с уменьшением добычи угля в бассейне. В настоящее время спад добычи угля приостановлен, и в дальнейшем должен начаться процесс ее наращивания, в основном за счет концентрации горных работ и увеличения производительности добычных участков. Расчеты показывают, что для обеспечения нагрузок на лавы порядка 2000-3000 и более т/сут потребуется применение таких способов дегазации, которые обеспечивали бы снижение газообильности горных выработок на 70-80 %. Поэтому роль дегазации в технологическом процессе угледобычи подземным способом в дальнейшем должна повышаться.

Следует также отметить, что общие ресурсы метана в угольных пластах Карагандинского бассейна до глубины 1500 м исчисляются 3-3,5 трлн. м3 и представляют определенный интерес с точки зрения энергетики Республики Казахстан.

Мы считаем, что комплексную проблему высокоэффективной борьбы с газом в шахтах средствами дегазации и широкомасштабного использования метана, как показывает сорокалетний опыт каптажа газа в Карагандинском бассейне можно будет успешно решить при дальнейшем тесном сотрудничестве производственных и научных организаций.

.Баймухаметов, Б.А.Абдрахманов, И.А.Швец