CC BY
18
УДК 622.2
БОТ: 10.46689/2218-5194-2021-3-1-271 -279
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ НА ЗАВЕРШАЮЩЕЙ СТАДИИ ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Е.Н. Есина
Предложена комбинированная скважинная геотехнология при разработке угольных месторождений, сочетающая скважинную гидродобычу и подземную газификацию угольных пластов, что обеспечивает полноту и комплексность освоения георесурсов. Показано, что эффективная комбинация скважинных способов освоения угольных пластов возможна при создании комплексного геомеханического обеспечения, позволяющего обосновать рациональные параметры пространственно-временной взаимосвязи гидродобычи и подземной газификации угля, получать достоверную информацию о характере деформирования налегающей толщи пород, обеспечивать равномерный управляемый характер оседания земной поверхности и полноту извлечения полезных ископаемых. Определены основные принципы геомеханического обеспечения скважинной геотехнологии, обеспечивающие безопасную и эффективную доработку запасов угольных месторождений на завершающей стадии.
Ключевые слова: угольные месторождения, комбинированная геотехнология, скважинная гидродобыча, подземная газификация угля, завершающая стадия освоения, геомеханическое обеспечение.
Усложнение горно-геологических и горнотехнических условий освоения месторождений полезных ископаемых, истощения минерально-сырьевой базы угольной отрасли, требования комплексности и снижения экологической нагрузки на окружающую среду определяют необходимость обоснования условий эффективного применения инновационных ресурсосберегающих геотехнологий [1 - 5]. При этом значительная часть угольных месторождений находится на завершающей стадии их освоения. Согласно «Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 года» перспективными направлениями являются обоснование и разработка инновационных технологий освоения угольных месторождений с целью получения продуктов повышенной энергетической ценности, расширение использования местных сырьевых баз с целью комплексной модернизации объектов местного теплового хозяйства [6]. С учетом оценки значительного количественного и качественного ресурса запасов угля разработка инновационных энергоэффективных технологий комплексного освоения угольных месторождений является весьма актуальной, что позволит обеспечить социально-экономическую самодостаточность ряда моногородов России. В то же время анализ мирового опыта и результатов выполненных исследований свидетельствует, что месторождения полезных ископаемых даже на завершающем этапе разработки ба-
лансовых запасов имеют значительные остаточные георесурсы, которые могут быть эффективно вовлечены в промышленное использование. Это трудноизвлекаемые запасы на больших глубинах, на удаленных участках месторождения, запасы в различного рода охранных, барьерных, несущих и предохранительных целиках, в зонах обрушения.
Перспективным направлением освоения угольных месторождений являются скважинные геотехнологии, исключающие непосредственное присутствие людей в местах залегания полезного ископаемого. На завершающей стадии освоения угольных месторождения важное значение приобретает комбинирование различных физико-технических геотехнологий, предусматривающих перевод твердого полезного ископаемого в пределах продуктивной толщи в подвижное состояние [7 - 8].
Известным методом является подземная газификация на месте залегания угольных пластов с выдачей газообразных продуктов на земную поверхность [9]. Основными стадиями процесса подземной газификации являются бурение с поверхности Земли на угольный пласт скважин для подвода реагента и отвода газа, создание гидравлической связи между скважинами по угольному пласту, розжиг угольного пласта и ведение самого процесса газификации посредством подачи дутья в одни скважины и отвода газа - по другим скважинам [10].
Основными достижениями практической реализации технологии ПГУ считается работа пяти станций «Подземгаз»: Южно-Абинской в Кузнецком бассейне и Ангренской в Узбекистане, успешно функционирующих в течение уже нескольких десятилетий, а также Лисичанской в Донецком бассейне, Подмосковной и Шатской в Подмосковном бассейне, прекративших свою работу в разное время и по разным причинам.
В результате многочисленных научных исследований, технических разработок, полевых экспериментов, опытно-промышленных работ освоена технология создания первоначальных каналов газификации путем перемещения в нетронутом угольном пласте очага горения навстречу окислителю [11 - 14]. Определены оптимальные режимы фильтрационной сбойки для различных горно-геологических условий залегания угольных пластов. Разработана технология создания первоначальных каналов газификации путем разрыва угольного пласта. Создана методика расчета оптимальных гидродинамических режимов в газогенераторе для заданных горно-геологических условий на участке газификации.
Следует отметить, что при газификации угля на глубоких горизонтах усиленное проявление горных факторов, отрицательно сказывающихся на шахтной разработке глубокозалегающих пластов (увеличение горного давления, температуры, уменьшение влажности пород, увеличение плотности вмещающих пород), оказывает положительное влияние на технологический процесс газификации в части уменьшения утечек газа и дутья,
улучшения кинетики газообразования, степени использования промышленных запасов угля и повышения химического эффекта процесса.
Однако из-за сложности управления огневым забоем, наличия несгораемых пропластков происходят достаточно большие потери полезного ископаемого, остаются неизвлекаемые целики угля в недрах, достигающие 60 % от общего объема запасов.
Известен метод скважинной гидродобычи угля, заключающийся во вскрытии угольного пласта скважинами с земной поверхности и использовании гидравлической энергии для разрушения горных пород в призабой-ной зоне, приготовления пульпы и для выдачи разрушенного материала на поверхность [15].
В целом проведенные опытные и опытно-промышленные работы по скважинной гидродобыче угля (США, Канада, Россия) показали положительные конкурентоспособные результаты применяемой технологии и оборудования [16 - 17].
Однако опыт скважинной гидродобычи угля, выполненные научные исследования и проектные решения выявили ряд проблем взаимосвязи и согласованности смежных технологических процессов:
- механическое разрушение угольного пласта в обводненном массиве;
- ограничение радиуса воздействия струи гидромонитора в водной
среде;
- необходимость предотвращения неуправляемого перетока пульпы и обеспечение устойчивости кровли выработанного пространства;
- искривление скважин при попадании их в зону активных деформаций
- обсадка скважин и их герметизация;
- осложнение гидроподъема при отработке месторождений в условиях значительных водопритоков, залегающих на больших глубинах [18].
Кроме того, недостатком данного способа являются потери значительной части полезного ископаемого в целиках, поскольку при слиянии выработанных пространств добыча прекращается. Возобновление работ сопряжено с существенными дополнительными затратами.
Перспективным является комбинированная скважинная технология, предусматривающая сочетание скважинной гидродобычи и подземной газификации угля, основанная на модульном принципе вовлечения участков угольного пласта в отработку.
На этапе скважинной гидродобычи угля основными геомеханическими задачами являются:
- обеспечение устойчивости образовавшихся полостей;
- прогноз устойчивости и трещиноватости вышележащей толщи;
- контроль состояния обсаженной скважины.
На основании исследования физико-механических свойств массива горных пород, трещиноватости, наличия разрывных нарушений, его напряженно-деформированного состояния устанавливаются оптимальные параметры сетки элементов горнотехнических конструкций, параметры сетки скважин.
При этом параметры системы разработки выбираются таким образом, чтобы процесс сдвижения не нарушал целостность образованных в процессе гидродобычи полостей и обсаженных скважин. С учетом выполненной оценки геомеханического состояния определяется оптимальный порядок выгазовывания участков угольного пласта (рисунок).
Схема отработки угольного пласта комбинированной скважинной геотехнологией
На следующем этапе из ряда скважин, предназначенных для дегазации, откачивается вода. В подготовленном газогенераторе осуществляется процесс газификации. На данном этапе основными геомеханическими задачами являются:
- контроль состояния скважин для своевременного обнаружения признаков аварийного разрушения их конструкций;
- контроль полноты отработки участка угольного пласта;
- мониторинг деформаций земной поверхности и конструкций скважин;
- обеспечение своевременной ликвидации скважин для предотвращения обрушения кровли.
Управление процессом выгазовывания осуществляется на основе оценки геомеханического состояния массива путем выбора параметров и режима дутья.
Для предотвращения провалов на земной поверхности и управления деформационными процессами возможно заполнение выработанного пространства пульпой и хвостами обогащения через выведенные из эксплуа-
тации скважины. Процесс повторяется последовательно на смежных модульных участках.
Последовательное управление режимами выгазовывания угольного пласта, отработка участков по модульному принципу обеспечивают полноту отработки запасов.
Кроме того, при освоении месторождений полезных ископаемых, подверженных газо- и геодинамическим явлениям, актуальной задачей является их безопасное освоение, в том числе с применением заблаговременной скважинной дегазации.
Применение заблаговременной скважинной дегазации метанонос-ных угольных пластов позволяет одновременно решить несколько задач:
- до начала добычных работ снизить на 40....60 % объём метана, содержащегося в угольных месторождениях, которые в перспективе будут разрабатываться подземным способом, и тем самым предотвратить опасные выделения метана в горные выработки из частично дегазированных угольных пластов, и, в конечном счёте, существенно повысить безопасность горных работ;
- сократить на 40.50 % выделения метана в шахтах при ведении горных работ в зонах дегазирующего влияния дегазационных скважин;
- повысить экономическую эффективность подземной разработки метаноносных угольных пластов;
- получить пригодный для использования в промышленности и быту углеводородный газ.
С применением дегазационных скважин, пробуренных с поверхности, создают защищенную зону, в пределах которой снижается давление газа в пластах, уменьшается газоносность угля, повышается его газопроницаемость. В дальнейшем данные подзащитные участки угольных пластов, попавшие в защищенную зону, разрабатывают подземным способом или предложенным скважинным без применения дорогостоящих и не всегда достаточно эффективных противовыбросных локальных мероприятий.
Очевидными преимуществами предлагаемой комбинированной геотехнологии являются:
- отсутствие рисков несчастных случаев со смертельным исходом вследствие отсутствия внезапных выбросов и взрыва угля, угольной пыли и шахтного метана;
- отказ от строительства угольных разрезов и шахт, что влечет высокие экологические показатели;
- снижение капитальных затрат;
- отсутствие неконтролируемых выбросов метана в атмосферу ввиду герметичной увязки процессов скважинной добычи в недрах и поверхностного передела продуктов разработки угольных пластов;
- возможность «обратной закачки» хвостов обогащения угля и отходов бурения скважин в отработанное пространство угольных пластов;
- отсутствие крупнотоннажных твердых отходов производства, размещаемых на поверхности.
Широкое внедрение скважинных способов освоения месторождений полезных ископаемых сдерживается отсутствием комплексного геомеханического обеспечения этих геотехнологий [19].
Отличительная особенность скважинной геотехнологии - дистан-ционность выемки полезного ископаемого без возможности визуальных наблюдений за развитием деформационных процессов непосредственно в зоне ведения добычных работ и непосредственного контроля параметров выработанного пространства. Это определяет необходимость создания принципов получения оперативной информации о характере и параметрах геомеханических процессов, происходящих в толще горных пород на основе мониторинга земной поверхности. Неравномерное ведение скважин-ной добычи угля и стихийное формирование в недрах неотработанных целиков позволяют обеспечить процессы плавного оседания кровли и влекут неравномерные непрогнозируемые деформации земной поверхности.
Развитие методологии геомеханического обеспечения комбинированной скважинной геотехнологии с установлением особенностей формирования и развития выработанного пространства является актуальной научно-технической проблемой, решение которой базируется на выборе рациональных параметров горнотехнических систем, позволяющих качественно управлять геотехнологическими процессами, что в целом обеспечивает безопасную и эффективную доработку запасов угольных месторождений на завершающей стадии.
Список литературы
1. Каплунов Д.Р. Теоретические основы проектирования освоения недр: становление и развитие // Горный журнал. 2014. №7. С. 49-53.
2. Развитие ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения месторождений полезных ископаемых. М.: ИПКОН РАН, 2012. 276 с.
3. Трубецкой К.Н., Соколов Э.М. Новые технологии добычи угля в Подмосковном бассейне // Маркшейдерский вестник. 2008. № 6 (68). С. 2223.
4. Анализ минерально-сырьевой базы перспективных угольных бассейнов и месторождений России / Ю.Н. Линник, В.Ю. Линник, А.Б. Жа-бин, А.В. Поляков // Уголь. 2019. №4. С. 26-29.
5. Комплексное освоение угольных и техногенных месторождений Подмосковного угольного бассейна / Д.Р. Каплунов, Н.М. Качурин, Г.В Фридлендер., М.П. Ганин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С. 113-123.
6. Долгосрочная программа развития угольной промышленности на период до 2030 г. // Министерство энергетики РФ [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1846 (дата обращения: 03.05.2021)
7. Каплунов Д.Р., Рубан А.Д., Рыльникова М.В. Комплексное освоение недр комбинированными геотехнологиями. М.: ООО «НИИЦ «Недра-XXI», 2010. 303 с.
8. Физико-химическая технология / В.Ж. Аренс [и др.]. М.: Горная книга, 2010. 574 с.
9. Griazev M.V., Kachurin N.M., Spirin V.I. Energy-efficient technologies of integrated coal and mining waste development in the Moscow Coal Basin in the context of secure and sustainable supply of row materials in Central Russia // Eurasian Mining. 2016. № 2. P. 15-19.
10. Martin Grabner, Bernd Meyer. Performance and exergy analysis of the current developments in coal gasification technology // Fuel. 2014. No 116. P. 910-920.
11. Ganesh R. Kale, Bhaskar D. Kulkarni, Ranjit N. Chavan Combined gasification of lignite coal: Thermodynamic and application study // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014. No 45. P. 163-173.
12. Prabu V., Jayanti S. Underground coal-air gasification based solid oxide fuel cell system // Applied Energy. 2012. No 94. P. 406-414.
13. Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine «Barbara» / M. Wiatowski [etc.] // Fuel. 2012. No 99. P. 170-179.
14. Krzysztof Kapusta, Krzysztof Stanczyk Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite // Fuel. 2011. No 90. P. 1927-1934.
15. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых / В.Ж. Аренс [и др.]. М.: Изд-во «Горная книга», 2007. 295 с.
16. Разработка угольных пластов с попутной добычей метана / В.А. Сухоруков, В.Н. Фрянов, В.В. Сухоруков, Е.Б. Шенгере // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. №10. С. 29-34.
17. Машковцев Г.А., Тигунов Л.П., Быховский Л.З. Перспективы применения в России геотехнологических способов добычи твердых полезных ископаемых // Вестник РАЕН. 2013. Т. 13. № 5. С. 26-31.
18. Мельник В.В. Аналитические исследования эрлифтного подъёма пульпы при скважинной гидравлической технологии добычи угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 1. С. 45-48.
19. Трубецкой К.Н., Иофис М.А., Есина Е.Н. Особенности геомеханического обеспечения освоения месторождений, склонных к газодинамическим явлениям // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2015. №3. С. 64-71.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecologytsu _ tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, доц., galina stasamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Есина Екатерина Николаевна, канд. техн. наук, доц., esina555@list.ru, Россия, Москва, Российский университет дружбы народов
GEOMECHANICAL SUPPORT OF COMBINED GEOTECHNOLOGYAT THE FINAL STAGE OF THE mAL DEPOSITS DEVELOPMENT
N.M. Kachurin, G. V. Stas, E.N. Esina
A combined borehole geotechnology in the development of coal deposits, combining borehole hydro-mining and underground gasification of coal seams, is proposed. This ensures the completeness and complexity of the development of geo-resources. It is shown that an effective combination of downhole methods for the development of coal seams is possible when creating an integrated geomechanical support. This makes it possible to substantiate the rational parameters of the spatio-temporal relationship between hydro-mining and underground gasification of coal, to obtain reliable information on the nature of the deformation of the overlying rock mass, to ensure a uniform controlled nature of subsidence of the earth's surface and the completeness of mineral extraction. The basic principles of geomechanical support of borehole geotechnology, which ensure safe and efficient development of coal deposits at the final stage, have been determined.
Key words: coal deposits, combined geotechnology, borehole hydro-mining, underground coal gasification, final stage of development, geomechanical support.
Kachurin Nikolai Mihailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, ecologytsu _tula@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, docent, galina stasamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Esina Ekaterina Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, esi-na555@list.ru, Russia, Moscow, Peoples' Friendship University of Russia
Reference
1. Kaplunov D. R. Theoretical foundations of designing the development of mineral resources: formation and development // Mining Journal. 2014. No. 7. pp. 49-53.
2. Development of resource-saving and resource-reproducing geo-technologies for integrated development of mineral deposits. Moscow: IPKON RAS, 2012. 276 p.
3. Trubetskoy K. N., Sokolov E. M. New technologies of coal mining in the Moscow region basin // Surveyor's Bulletin. 2008. No. 6 (68). pp. 22-23.
4. Analysis of the mineral resource base of promising coal basins and deposits in Russia / Yu. N. Linnik, V. Yu. Linnik, A. B. Zhabin, A.V. Polyakov // Coal. 2019. No. 4. pp. 26-29.
5. Complex development of coal and technogenic deposits of the coal basin near Moscow / D. R. Kaplunov, N. M. Kachurin, G. V. Friedlander, M. P. Ganin // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2019. Issue 4. pp. 113-123.
6. Long-term program for the development of the coal industry for the period up to 2030 // Ministry of Energy of the Russian Federation. [Electronic resource]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1846 (accessed: 03.05.2021)
7. Kaplunov D. R., Ruban A.D., Rylnikova M. V. Complex development of mineral resources by combined geotechnologies. Moscow: LLC NIITS "Nedra-XXI", 2010. 303 p.
8. Physico-chemical technology / V. Zh. Arens [et al.]. Moscow: Gornaya kniga, 2010. 574 p.
9. Griazev M.V., Kachurin N.M., Spirin V.I. Energy-efficient technolo-gies of integrated coal and mining waste development in the Moscow Coal Ba-sin in the context of secure and sustainable supply of row materials in Central Russia // Eurasian Mining. 2016. № 2. P. 15-19.
10. Martin Grabner, Bernd Meyer. Performance and exergy analysis of the current developments in coal gasification technology // Fuel. 2014. No 116. P. 910-920.
11. Ganesh R. Kale, Bhaskar D. Kulkarni, Ranjit N. Chavan Combined gasification of lignite coal: Thermodynamic and application study // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014. No 45. P. 163-173.
12. Prabu V., Jayanti S. Underground coal-air gasification based solid oxide fuel cell system // Applied Energy. 2012. No 94. P. 406-414.
13. Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine «Barbara» / M. Wiatowski [etc.] // Fuel. 2012. No 99. P. 170-179.
14. Krzysztof Kapusta, Krzysztof Stanczyk Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite // Fuel. 2011. No. 90. P. 1927-1934.
15. Borehole hydraulic extraction of minerals / V. Zh. Arens [et al.]. Moscow: Gornaya Kniga Publishing House. 2007. 295 p.
16. Development of coal seams with associated methane production / V. A. Sukho-rukov, V. N. Fryanov, V. V. Sukhorukov, E. B. Shengere / / Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2011. No. 10. pp. 29-34.
17. Mashkovtsev G. A., Tigunov L. P., L. Z. Bykhov application Prospects in Russia geotechnological methods of mining solid in helpful minerals // Bulletin of the Academy of natural Sciences. 2013. Vol. 13. No. 5. P. 26-31.
18. Melnik V. V. Analytical study of air-lift lifting-EMA pulp in borehole hydraulic mining technology / coal/ Mining information-analytical Bulletin. 2002. No. 1. pp. 45-48.
19. Trubetskoy K. N., Iofis M. A., Esina E. N. Features of geomechanical support for the development of deposits prone to gas-dynamic phenomena // Physico-technical problems of mineral resources development. 2015. No. 3. pp. 64-71.
