CC BY
32
© Г.И. Коршунов, A.C. Серегин, А.П. Садов, И.А. Комиссаров, 2014
УДК 622.831.325.3
Г.И. Коршунов, А.С. Серегин, А.П. Садов, И.А. Комиссаров
ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Рассмотрен способ увеличения проницаемости призабойной зоны на основе гидроударного воздействия, создаваемого на устье скважины. Ключевые слова: дегазация, гидравлический удар, проницаемость, разрушение пород.
Увеличение глубины ведения горных работ на угольных шахтах приводит к росту газоносности разрабатываемых пластов. Метан, выделяющийся в горные выработки, является сдерживающим фактором интенсивной угледобычи и опасным производственным фактором. Применяемые методы предварительной и текущей дегазации, призванные снизить метаноносность, недостаточно эффективны по причине низкой проницаемости разрабатываемых пластов угля. В настоящее время вопрос метанобезопасности решается за счет предварительной дегазации, но из-за высоких темпов под-вигания очистных забоев отсутствует достаточное количество времени на извлечение метана из разрабатываемого угольного пласта. Следствием этого являются частые вспышки и взрывы метана на угольных шахтах. Так, за последние 10 лет в угольной промышленности России погибли 465 человек, из них 85 % - от вспышек и взрывов метана [1].
Постоянное увеличение глубины ведения горных работ на угольных шахтах России приводит к росту газоносности разрабатываемых пластов и пластов спутников. При современном уровне добычи угля, возможности средств вентиляции и применяемых средств дегазации в основном исчерпаны и не позволяют обеспечить необходимый уровень безопасности ведения горных работ. Для обеспечения безопасной угледобычи высокопроизводительными очистными забоями необходимо эффективная дегазация разрабатываемого пласта и пластов-спутников.
Основной преградой перед эффективным извлечением метана из угольных пластов является низкая проницаемость не разгруженного от горного давления угля. Наиболее эффективным способом увеличения проницаемости угольного пласта является его подработка или надработка. При приближении горных работ из-за изменения напряженного состояния массива, в угле раскрываются трещины, что приводит к десорбции метана. При этом недостаточное время работы дегазационных скважин, пробуренных из горных выработок, не позволяет извлекать значительное количество метана.
Другим способом изменения проницаемости угля является гидровоздействие в режиме гидрорасчленения, применяющееся при заблаговременной дегазации угольных пластов. Однако, в настоящее время заблаговременная дегазация угольных пластов в России не нашла широкого применения из-за длительных сроков извлечения метана и высокой стоимости работ по интенсификации метанопритоков в скважины. Эффективность гидрорасчленения зависит от качества вскрытия угольного пласта и проницаемости прискважинной зоны пласта [5].
Другой подход к увеличению проницаемости прискважинной зоны пласта заключается в применении гидродинамического воздействия через скважины с поверхности. Согласно [2] при бурении скважин в прискважинной зоне образуется сеть концентрических и радиальных трещин, образующих фильтрационную систему, достаточную для транспортирования газа из массива в скважину. Однако, применяемый для бурения, раствор заполняет фильтрационные каналы, создавая устойчивые коль-матационные образования, что блокирует движение газа. Наиболее эффективными способом восстановления дебета скважины можно считать пневмогидродинамическое [2] и циклическое гидродинамическое воздействие [3]. Для решения данной проблемы предлагается применение импульсной гидродинамической обработки в режиме обратной фильтрации. Создание режима обратной фильтрации обеспечивается выпуском газа, находящегося в скважине при раскачке скважинной жидкости. Однако наличие воздушной прослойки в скважине значительно уменьшает жесткость удара, что, соответственно, ограничивает радиус влияния проводимого воздействия.
Одним из способов гидравлической обработки пласта является режим обратного гидравлического удара [4]. В этом слу-
чае гидравлические удары создаются за счет энергии упругой деформации, запасенной в обрабатываемом пласте на этапе обработки в режиме гидрорасчленения. Количество гидроударов и их мощность ограничивается количеством энергии, запасенной в пласте.
Для сокращения времени, необходимого для эффективного освоения скважин при проведении заблаговременной дегазации и увеличения равномерности обработки угольного массива, можно применить циклическое импульсное гидродинамическое воздействие в режиме прямого гидравлического удара [7, 8]. По сравнению с другими способами, обработка скважин циклическим импульсным гидродинамическим воздействием в режиме прямого гидравлического удара может быть проведена без применения спускоподъемных работ, дорогостоящей техники при этом используется только модифицированная устьевая обвязка и насосный агрегат.
Технология циклического импульсного гидродинамического воздействия в режиме прямого гидравлического удара лишена недостатков, описанных выше способов. Технология основана на эффекте гидравлического удара, создаваемого на устье скважины. Гидравлический удар вызывает переменные напряжения в призабойной зоне пласта, создающие условия для усталостного роста сети трещин, покрывающих площадь вокруг скважины. Регулирование длины создаваемых трещин в этом случае происходит за счет изменения амплитуды перепадов давления, количества циклов приложения, вязкости рабочей жидкости. Для создания гидравлического удара необходимо резкое изменение скорости движения потока рабочей жидкости.
При накоплении достаточной энергии в гидроаккумуляторе (находится на устье скважины) производится перевод устьевого оборудования в режим «подача». Под давлением жидкость из гидроаккумулятора движется в скважину, где происходит столкновение с покоящейся скважинной жидкостью. Резкое изменение скорости движения жидкости приводит к забросу давления вследствие возникновения гидравлического удара. На устье скважины формируются два фронта повышенного давления, один из которых движется к зумпфу (фронт Б), другой — к гидроаккумулятору (фронт А) см. рис. 1. За фронтами волн растет зона повышенного давления.
При достижении фронтом А гидроаккумулятора, жидкость под действием повышенного давления, созданного гидравлическим ударом, изливается в гидроаккумулятор. Процесс формирует волну разгрузки, фронт которой движется вслед за фронтом Б к зумпфу. В результате образуется зона повышенного давления, ограниченная с одной стороны фронтом Б, с другой стороны — фронтом волны разряжения.
Область повышенного давления создает напряжения в угольном пласте. Время действия повышенного давления жидкости на обрабатываемый пласт определяется величиной зоны повышенного давления. После отражения волны повышенного давления от зумпфа происходит наложение волн, с двукратным увеличением давления [6]. После отражения от зумпфа фронта ударной волны и «встречи» с фронтом волны разряжения обе волны продолжают движение к устью.
Рис. 1. Схема гидравлического удара в заполненной скважине
При превышении предела упругости в угле развиваются пластические деформации. Процесс протекает с накоплением локальных микроразрушений и увеличением поперечных деформаций. Как правило, пластическая деформация прирастает в плоскости максимальной нагруженности, которая не всегда совпадает с плоскостью максимальных напряжений. В трещиноватом блочном массиве пластические деформации протекают по плоскостям раздела или с образованием новых плоскостей скольжения [9].
Таким образом, применяемые способы повышения газовой проницаемости при заблаговременной дегазации на угольных бассейнах России не обеспечивают ожидаемых дебитов и равномерности обработки. Кроме того, требуют значительных материально-трудовых и энергетических затрат.
Выводы
1. Применение циклического гидродинамического воздействия в режиме прямого гидравлического удара позволяет повысить газовую проницаемость прискважинной зоны пласта.
2. Циклическое гидродинамическое воздействие по схеме прямого гидравлического удара позволяет увеличить проницаемость прискважинной зоны пласта за счет роста трещин, вызванного усталостным разрушением.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбунов А.Ю. Совершенствование контрольно-надзорной деятельности в горнодобывающих отраслях промышленности // Безопасность Труда в Промышленности. -2012 №12 с.16—18
2. Применение пневмогидродинамического воздействия на углепородный массив через поверхностные дегазационные скважины для добычи метана угольных месторождений / П.Е. Филимонов, Б.В. Бокий, И.А. Ефремов, В.В. Чередников, К.К. Софийский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 87. — С. 34-40.
3. Научное открытие № 123. Закономерность разрушения пористых газонасыщенных тел при циклическом гидродинамическом воздействии / К. К. Софийский, Е. Г. Барадулин, Э. И. Мучник [и др.] // Научные открытия: Сборник кратких описаний. - 1999. - Выпуск 2. - М. — Санкт-Петербург. -2000.- С. 36 - 38
4. Пат. № 2298650 Способ гидравлической обработки пласта, Пучков Ё.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.
5. Ножкин H.B. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., «Недра», 1979. 271.с
6. Жуковский Н.Е. Гидравлика. Полное собрание сочинений. Том VII. 1937. 146 с.
7. Коршунов Г.И., Серегин A.C., Шипулин A.B. Увеличение газовой проницаемости угля путем импульсно-волнового воздействия через скважины» // Газовая промышленность 672/2012, с.46-47, М. 2012
8. Коршунов Г.И., Пальцев А.И., Серегин A.C., Шипулин A.B. Создание блочно-трещиноватой структуры в угольном пласте при гидродинамическом воздействии с помощью импульсно-волнового воздействия // ГИАБ №4, С.109-113, М. 2012
9. Оловянный А.Г. Некоторые задачи механики массивов горных пород / ФГУП «Межотраслевой научный центр» ВНИМИ; ООО «Стресс» СПб, 2003, 234 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Коршунов Геннадий Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected],
Серегин Александр Сергеевич — кандидат технических наук, ассистент кафедры, [email protected],
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Садов Анатолий Петрович — директор «Управления по дегазации и утилизации метана» ОАО «СУЭК-Кузбасс»,
Комиссаров Игорь Анатольевич — заместитель главного инженера по технологии ОАО «СУЭК-Кузбасс» ПЕ «Управление дегазации и утилизации метана».
THE DEGASIFICATION OF COAL SEAMS BASED ON CYCLIC HYDRODYNAMIC INFLUENCE
Korshunov G.I., Doctor of Technical Sciences, Professor, the head-blowing Department, [email protected],
Seregin AS., Candidate of Technical Sciences, Assistant, [email protected], National University of mineral resources «Mining»,
Sadov A.P., Director of Management on decontamination and utilize of methane JSC «SUEK-Kuzbass»,
Komissarov I.A., Deputy chief engineer on the technology of open society «SUEK-Kuzbas» PE Management of degassing methane recovery and utilization.
We consider a method of increasing the permeability zones on the basis of a hydropercussion influence generated at the wellhead. The constant increase in the depth of mining operations and increase melanonota require the use of additional methods of intensifying the flow rate of methane from unloaded coal layer during its preliminary degassing. The safe development of high-intensity gas-bearing coal beds are not possible without efficient degassing
mined seam. The developed technology of pulse-wave processing of coal seam allowing pumped into the reservoir fluid portions identify certain volume with adjustable pressure and flow that allows you to create a network of cracks taking into account geological and physical-ski properties for a particular site of a coal seam.
Key words: degasification, hydraulic hammer, permeability, rock failure.
REFERENCES
1. Gorbunov A.Ju. Sovershenstvovanie kontrolno-nadzornoj dejatel'nosti v gornodoby-vajushhih otrasljah promyshlennosti (Improvement of control and supervision activities in the mining industries) // Bezopasnost' Truda v Promyshlennosti. 2012, No. 12, p.16—18
2. Filimonov P.E., Bokij B.V., Efremov I.A., Cherednikov V.V., Sofijskij K.K. Prime-nenie pnevmogidrodinamicheskogo vozdejstvija na ugleporodnyj massiv cherez poverhnost-nye degazacionnye skvazhiny dlja dobychi metana ugol'nyh mestorozhdenij (Application pneumavibradynamic impact on surrounding coal array through the surface degassing wells for extracting methane from coal deposits). Geotehnicheskaja mehanika: Mezhved. sb. nauch. tr. Dnepropetrovsk: IGTM NANU, 2010, Vip. 87, pp. 34-40.
3. Sofijskij K.K., Baradulin E.G., Je. I. Muchnik Nauchnoe otkrytie No 123. Zakono-mernost' razrushenija poristyh gazonasyshhennyh tel pri ciklicheskom gidrodinamicheskom vozdejstvii (Scientific discovery № 123. The pattern of destruction gas saturated porous bodies circular hydrodynamic effects). Nauchnye otkrytija: Sbornik kratkih opisanij. 1999, Vy-pusk 2, Moscow, Sankt-Peterburg, 2000, pp. 36-38
4. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S. Pat. No 2298650 Sposob gidravlicheskoj obrabotki plasta.
5. Nozhkin N.V. Zablagovremennaja degazacija ugol'nyh mestorozhdenij Preliminary degassing of coal deposits). Moscow, Nedra, 1979, 271 p.
6. Zhukovskij N.E. Gidravlika. Polnoe sobranie sochinenij (Hydraulics. Complete works). Tom VII. 1937. 146 p.
7. Korshunov G.I., Seregin A.S., Shipulin A.V. Uvelicheniegazovojpronicaemosti uglja putem impul'sno-volnovogo vozdejstvija cherez skvazhiny» (The increase of the gas permeability of coal by pulsed-wave effects through wells). Gazovaja promyshlennost' 672/2012, pp.46-47, Moscow. 2012.
8. Korshunov G.I., Pal'cev A.I., Seregin A.S., Shipulin A.V. Sozdanie blochno-treshhinovatoj struktury v ugol'nom plaste pri gidrodinamicheskom vozdejstvii s pomoshhju impul'sno-volnovogo vozdejstvija (Creating a block-fractured structure in the coal seam for hydrodynamic influence of pulse-wave effects). GIAB No. 4, 2012, pp.109-113.
9. Olovjannyj A.G. Nekotorye zadachi mehaniki massivov gornyh porod (Some problems of mechanics of rocks) / FGUP «Mezhotraslevoj nauchnyj centr» VNIMI; OOO «Stress» SPb, 2003, 234 p.
