CC BY
40
УДК 622.411.33:533.17
Л.В. Савенко, Е.А. Дерновая
К ВОПРОСУ ОБ УПРАВЛЕНИИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ЕГО ГИДРООБРАБОТКЕ
ТЪо время бурного развития угольной отрасли был накоплен
-Я-М опыт и создана теоретическая основа знания по угольным месторождениям. Начало было положено с гидрорасчленения угольных пластов (ГРП) в Карагандинском угольном бассейне и продолжено в Донбассе.
История создания российской школы заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей отчитывается начиная с 50-х годов прошлого столетия.
Гидрорасчленение угольных пластов проводилось по двум вариантам: с откачкой (ГРП-1) и без откачки (ГРП-2) воды и газа после окончания собственно гидрорасчленения (гидроразрыва) пласта.
При ГРП-1, если он проведен технологически правильно, удается извлечь из угля часть газа (не более 20 % его запасов в зоне ГРП). Он может быть использован, например, для заправки автомобилей.
Но первый способ весьма трудоемок из-за сложности откачки воды, дорог, если откаченный метан не используется, а главное - не обеспечивает надежное снижение газовыделения и запыленности при работе добычного комбайна.
Основой ГРП-2 является глубокое блокирование метана водой (в переходных и микропорах угля) при их длительном (не менее месяца) взаимодействии в системе «вода - уголь - газ».
Сказанное обусловлено тем, что достигаемый при ГРП эффект зависит от соотношения двух основных факторов:
- трещинообразование, которое повышает площадь десорбции метана, т.е. приводит к увеличению газоотдачи пласта;
- блокирование метана рабочей жидкостью в порах угля, которое приводит к снижению газового потока из пласта.
В связи с этим снижение газообильности выработок при методе гидрорасчленения может быть достигнуто двояко:
- при ГРП-1 - повышение газоотдачи пласта (в скважину или в оконтуривающие выработки) и уменьшение за счет этого его газоносности к моменту отработки.
- при ГРП-2 - снижение газоотдачи пласта за счет глубокого блокирования метана рабочей жидкостью в порах угля.
Содержание этапов ГРП в зависимости от принятого варианта метода следующее.
Собственно расчленение. Оно является необходимым элементом при обоих вариантах и происходит при темпе подачи жидкости в пласт, превышающем его естественную приемистость. При этом вокруг скважины раскрывается сеть трещин, имеющих с ней гидравлическую связь.
Этот процесс продолжается от минут до нескольких десятков минут в зависимости от принятого режима введения насосных агрегатов в работу и прекращается как только фильтрация жидкости в массив через раскрывшиеся трещины сравняется с темпом ее подачи в пласт через скважину (обычно в пределах 100 л/сек). Поэтому радиус ГРП прямо пропорционален темпу закачки жидкости и обратно пропорционален фильтрующей способности пласта. Остальные влияющие факторы имеют подчиненное значение. Следовательно, для увеличения размеров зоны ГРП необходимо: повышать темп подачи жидкости, иметь в первый период в качестве рабочей плохо отфильтровывающуюся в данный уголь жидкость.
Период насыщения пласта жидкостью. При применении ГРП-1 он должен отсутствовать (в идеале), чтобы не допустить блокирования метана в порах угля и снижения за счет этого его активной десорбции со всей поверхности раскрывшихся трещин. Поскольку жидкость все же неизбежно попадает в пласт в ходе собственно гидрорасчленения, на первом этапе надо применять в качестве рабочей не только плохо фильтрующуюся, но и плохо смачивающую уголь жидкость.
При ГРП-2 этот этап занимает несколько часов или десятков часов. Его продолжительность определяется необходимостью подать в зону ГРП рабочую жидкость в количестве 20-30 л/т угля для перекрытия всех транспортных каналов. При ее достаточном количестве идет не выжимание метана из пор, открытых с одной стороны из-за нехватки жидкости, а сжатие метана водой со всех сторон с последующим блокированием за счет действия капиллярных сил.
Надежное блокирование достигается при проникновении жидкости в поры порядка 103 А (ангстрем равен 10-8 см). Следовательно, для повышения капиллярного давления и глубокого блокирования метана на втором этапе надо применять жидкость с максимальной для данного угля удельной поверхностной энергией, например, водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Эксплуатация скважины. Третий этап процесса зависит от второго. Если принято ГРП-1, то жидкость как можно скорее удаляется из пласта и обеспечивается выход газа через скважину на поверхность (сначала под собственным напором, а затем, если необходимо, с вакуумированием). Необходимое время дегазации пласта - несколько лет, а желательно - вплоть до начала отработки участка (во избежание повторного заполнения зоны метаном, пришедшим в нее из необработанной части пласта).
При ГРП-2 жидкость выдерживается в контакте с углем под напором ее столба в скважине до нескольких месяцев (для антрацита - до года), т.е. период времени, необходимый для ее глубокого проникновения в поры. Это время заранее определяется при лабораторном исследовании.
Таким образом, управляя процессом ГРП, можно достичь желаемого результата.
Повышение газоотдачи пласта (ГРП-1) достигается за счет:
- большого темпа подачи рабочей жидкости (образуются одна или несколько трещин в большом радиусе);
- малого ее количества (чтоб она не могла перекрыть все транспортные пути истечения газа из блоков угля и чтоб ее можно было быстро удалить из зоны ГРП);
- подбора рабочей жидкости слабо фильтрующейся в уголь (чтобы увеличить радиус зоны гидрообработки);
- подбора рабочей жидкости, плохо смачивающей уголь и потому медленно внедряющейся в его поры (чтобы за время, прошедшее между окончанием ГРП и удалением жидкости, она не успела заблокировать метан);
- быстрейшего удаления жидкости из пласта (для той же цели).
При ГРП-1 газ должен извлекаться из зоны в течение минимум
2-3 лет. В противном случае за счет обнажения при работе выемочной машины большого количества трещин, образовавшихся при ГРП и постепенно заполнявшихся метаном, газоотдача пласта в ра-
бочую смену превышает таковую вне зоны ГРП, хотя при отсутствии работ газоотдача снижена.
Не следует применять ГРП-1 через геологоразведочные скважины, так как со временем зона вновь заполняется метаном, притекающим с ее периферии, если его откачка прекращена.
Снижение газоотдачи пласта (ГРП-2) достигается за счет:
- столь же большого трещинообразования (что позволяет подать жидкость в удаленные части пласта и обеспечить проникновение ее в ходе собственно ГРП в пределах зоны в поры размером вплоть до 104,5 А). Граница механического воздействия ГРП на пласт четко прослеживается при ртутной порометрии;
- подачи в пласт большого количества жидкости из расчета заполнения не менее фильтрующего объема (чтобы все транспортные каналы были перекрыты, и метан не выжимался жидкостью в более крупные поры при ее самодвижении, а сжимался со всех сторон до равенства его давления капиллярному давлению жидкости в соответствующих порах);
- применение для собственно гидрорасчленения (гидроразрыва) плохо фильтрующейся жидкости (для увеличения зоны влияния ГРП). На рис. 1 и 2 показана динамика изменения газовыделения в лаве и концентрации метана в зоне и вне зоны гидровоздействия;
- немедленный переход после гидроразрыва на жидкость хорошо смачивающую уголь (для возможности быстрого блокирования метана даже в тот период, когда жидкость еще находится в сравнительно крупных порах);
- сохранение столба жидкости в скважине (для создания подпора, восполняющего уход воды во все более мелкие поры);
- выдержки пласта в контакте с рабочей жидкостью (для глубокого блокирования метана) в течение времени, необходимого для входа воды в поры менее 103 А, как правило, несколько месяцев. Более точно это время для конкретной пары
Изменение газовыделения в лаве
І ,м3/мин
9 -------
$ -------
7
З
й
50 ЮС 150 200 250 300 350 Ш Ш 500
Расстояние от скважины
Рис. 1. Абсолютная газообильность лав пл. кв3 шахты "Бераль 1 - 10 вост., 2 -11 вост.
Газовая обстановка в лаве
Время
Рис. 2. Съемка в 17 южн. лаве пл. 16 (шахта им. Менжинского) в 5 м выше комбайна: 1 - в зоне ГРП; 2 - вне зоны ГРП
«уголь-жидкость» определяется заранее на основе лабораторных испытаний методом ЭПР (электоро-парамагнитного резонанаса).
Возможность и целесообразность проведения ГРП-2 через геологоразведочные скважины определяется физической сущностью процессов блокирования газа водой. Эта возможность подтверждена при исследовании эффективности ГРП через почти 10 лет после его осуществления [1, 2].
Снижение пылеобразования при работе выемочных машин и запыленности выработок [3] достигается за счет:
- снижения крепости угля (уменьшается его измельчение комбайном);
- принудительной подачи воды в пласт под давлением 80-250 атм (смачивается поверхность всех трещин, как имеющихся в угле, так и раскрывшихся при ГРП);
- длительного пребывания угля в контакте с водой (при ГРП-2), находящейся под давлением ее столба в скважине (жидкость внедряется в переходные и микропоры угля и смачивает их поверхность; при длительном контакте "вода-уголь" изменяются также свойства угля и орошение во время добычи протекает более эффективно, чем без ГРП). Изменение запыленности воздуха в лаве и воздействие пыли на организм человека в зоне и вне зоны ГРП показаны на рис. 3 и 4.
Эффективность ГРП по снижению запыленности повышается при применении для нагнетания шахтной воды, имеющей большее сродство с соответствующим углем, и при добавлении к воде ПАВ в оптимальной концентрации (также определяется заранее при лабораторных исследованиях).
Снижение выбросоопасности пласта [4] достигается за счет следующего:
- сам процесс гидрорасчленения приводит к уравниванию напряжений в различных частях пласта за счет трещинообразования (динамика развития микротрещиноватости пласта и изменение расстояния между трещинами в зависимости от расстояния до скважины ГРП показана на рис. 5-8). Благодаря этому происходит активный отвод газа из зоны готовящегося выброса и он не развивается;
- уменьшается крепость. За счет этого увеличивается отжим угля за цикл, что приводит к повышению проницаемости
Изменение пылевой обстановки
П,
2200
іо м> бй т т но на ко т гоо т но К, м
Рис. 3. Запыленность воздуха в 5 м выше комбайна в лавах пл. кв3 шахты "Бе-раль ": 1 - 10 вост. без орошения; 2 - 10 вост. с орошением; 3 - 11 вост.
Изменение пылевой обстановки
О,
Рис. 4. Количество пыли, оседающей на фильтре респиратора: 1 - в зоне ГРП; 2 - вне зоны ГРП (пл. т3 шахты им. Дзержинского)
Рис. б. Микротрещиноватость угля в зоне ГРП (?2 м от скв. № 1042)
Рис. 8. Расстояние между макротрещинами в зоне ГРП (пл. 12в шахты "Хру-стальская")
призабойной зоны. Изменение прочностных характеристик и производительности комбайна показана на рис. 9-11 [5];
- увеличивается квазипластичность пласта. За счет этого не происходит накопления упругой энергии;
- уменьшается скорость газовыделения из микроблоков угля (благодаря блокированию метана). За счет этого выделение свободного газа в зоне зарождающегося выброса невелико и метан успевает спокойно выйти в выработку через уголь, имеющий после ГРП повышенную газопроницаемость.
В связи со всем вышесказанным, на данном этапе развития техники рекомендуется ГРП-2 по следующим причинам.
1. ГРП-1 в чистом виде не был осуществлен ни на одной шахте из-за сложности удаления воды.
2. При необходимости обрабатывать не только рабочие пласты, но и их спутники, время взаимодействия воды с углем неизбежно увеличивается, а следовательно, осуществление ГРП-1 в чистом виде вообще невозможно.
3. При ГРП-1 не решается вопрос борьбы с пылью; необходимо повторное гидровоздействие перед отработкой участка.
4. При ГРП-1 велики затраты средств на удаление воды. Они превышают затраты на само ГРП.
5. При отсутствии или плохом блокировании даже после длительного истечения метана его количество, собирающееся в виде свободного газа в многочисленных после ГРП трещинах, столь велико, что при нарушении целостности массива в период работы комбайна газовый поток из угля превышает таковой до ГРП, несмотря на его снижение в ремонтные смены. Т.е. снижение газовыделения из скважины еще не гарантирует при ГРП-1 повышение безопасности работ.
Таким образом, ГРП-1 целесообразно применять только в следующих случаях: не ставится задача борьбы с пылью; требуется извлечение метана из пласта для его промышленного использования; нельзя подобрать рабочую жидкость, обеспечивающую глубокое блокирование метана в данном угле (пока в этом плане есть затруднения только с антрацитами).
Глубина шпура
Рис. 9. Коэффициент крепости по глубине шпура на различным расстояниях от скважины ГРП
Апср, кг/см
90 120 150 ПО И, м
Расстояние от скважины
Рис. 10. Сопротивляемость угля резанию
т т т 200 К.м Расстояние от скважины
Рис. 11. Мощность, потребляемая комбайном: 1 - максимальные значения; 2 -минимальные значения; 3 - средние значения
ГРП-2 свободен от указанных недостатков. При подаче в пласт необходимого количества жидкости и обеспечении блокирования метана (методики определения необходимых параметров процесса разработаны) обеспечиваются положительные эффекты по снижению газообильности, запыленности и, видимо, выбросоопасности.
Равномерное распределение рабочей жидкости в пределах зоны ГРП и ее небольшое удельное количество (20-30 л/т), а также доказанная при исследованиях большая способность к гидрорасчленению угля, а не пород, предотвращают нарушение целостности почвы или кровли пласта.
Длительность сохранения эффекта блокирования метана позволяет при ГРП-2 применять для гидрорасчленения геологоразведочные скважины [4].
Теоретические и экспериментальные исследования, в том числе непосредственно на шахтах показали, что ГРП-2:
- технологичен (гидроразрыв - технология, широко применяемая в нефтяной и газовой промышленности);
- прост (в пласт после разрыва надо только подать воду в количестве 30 л/т запасов угля в зоне ГРП);
- не требует в дальнейшем никаких дополнительных работ (глубокое внедрение воды в поры угля вплоть до микропор и надежное блокирование в них метана происходят под действием естественных капиллярных сил);
- дешев (радиус зоны влияния одной скважины равен 150 -200 м, а потому затраты на ГРП даже при бурении в Донбассе специальных скважин глубиной порядка 1000 м были сопоставимы с обычными затратами шахт на борьбу с газом и пылью, а на выбросоопасных пластах - в несколько раз меньше);
- обеспечивает долговременное сохранение эффекта блокирования (имеется опыт отработки пласта через 9,5 лет после ГРП, а лабораторные исследования показывают, что только при нагреве угля до 140°С удается извлечь из него вошедшую в микропоры воду, да и то не всю);
- обеспечивает:
1) снижение всех газовых показателей, как в лаве, так и в штреке более чем на 70 %, что предотвращает взрывы газа метана в этих выработках;
2) обработку в режиме ГРП не только рабочего пласта, но и его пластов-спутников, что предотвращает взрывы газа на шахте вообще;
3) снижение запыленности воздуха в лаве даже без орошения на 90 % и более, что предотвращает взрывы пыли и существенно улучшает условия труда;
4) снижение прочностных характеристик пласта на 40 %, что облегчает работу комбайна, уменьшает энергоемкость добычи угля, улучшает его сортность;
5) повышение энергетической ценности и улучшение коксуемости угля за счет сохранения в нем газа;
- обеспечивает не только прямой экономический эффект, обусловленный отказом шахты от дегазации спутников и пласта из подземных выработок, но и гораздо более весомый косвенный эф-
фект, вызванный неизбежным повышением производительности труда при работе в безопасных и комфортных условиях;
- имеет перспективу дальнейшего улучшения показателей:
1) ГРП можно проводить через геологоразведочные скважины, поскольку длительность сохранения эффекта блокирования метана доказана как при шахтных, так и при разнообразных лабораторных исследованиях, а это резко снизит стоимость работ (на бурение специальных скважин приходится 80 % всех затрат на ГРП);
2) при проведении ГРП на всем поле шахты может быть получен большой экономический эффект за счет уменьшения подаваемого в нее воздуха для разбавления метана;
3) подача в пласт не воды, а водных растворов ПАВ значительно улучшает смачиваемость угля и повышает капиллярное давление. Поэтому перспективны поиски новых ПАВ, в том числе для антрацитов;
4) имеется целый ряд лабораторных и шахтных исследований, свидетельствующих о том, что ГРП-2 является также надежным методом предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Во всяком случае, ни в одной из зон ГРП их не было, в том числе на выбросоопасных пластах Донбасса.
В свое время МУП СССР был издан Приказ, требовавший закладывать расходы на ГРП в проекты строящихся и реконструируемых шахт. Сейчас, по нашему мнению, должна быть хотя бы создана специализированная организация для осуществления ГРП на шахтах на договорных началах. Это позволит не закрывать шахты, а обеспечить их объективно безопасную эксплуатацию. Для начала работ нужно иметь бригаду (желательно с опытом проведения гидроразрыва), оснащенную передвижными насосными агрегатами; иметь легкий разборный трубопровод для подачи воды к месту стоянки агрегатов (это желательно, но не обязательно, шахта и сама может проложить временный трубопровод).
Что касается затрат, это - стоимость бурения и обсадки скважины (если бурится специально, а не используется геологоразведочная); стоимость работы насосных агрегатов; стоимость работы каротажной установки (только на период поиска пласта, т.е. кратковременно); стоимость подачи воды к скважине; стоимость ПАВ или других добавок к воде.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савенко Л.В., Дородников А.Г., Будзило Е.А. Влияние фактора времени на эффективность гидрорасчленения пласта. «Техника безопасности, охраны труда и горноспасательное дело». Издательство ЦНИЭИуголь. № 4, 1974 г.
2. Савенко Л. В. К вопросу об определении остаточной газоностности подвергнутых гидрообработке углей. Доклад на I Всесоюзном семинаре по адсорбции и пористости ископаемых углей и пород. 1975 г.
3. Савенко Л.В., Давиденко В.А., Пережилов А.Е. Исследование пылевыделе-ния из угля в зоне гидрорасчленения пласта. «Техника безопасности, охраны труда и горноспасательное дело». Издательство ЦНИЭИуголь. № 2, 1976 г.
4. Савенко Л.В., Ножкин Н.В., Конарев В.В. Снижение выбросоопасности угольных пластов при их гидрорасчленении. «Уголь Украины». Издательство Техника. № 3, 1977 г.
5. Савенко Л.В., Дородников А.Г., Будзило Е.А. Влияние гидрорасчленения на механические характеристики пласта и производительность комбайна. Техника безопасности, охраны труда и горноспасательное дело. Издательство ЦНИЭИ-уголь. № 4, 1974 г.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Савенко Л.В., Дерновая Е.А. - Московский государственный горный университет.
© Г.Г. Каркашадзе, Ю.В. Харин,
2007
