CC BY
47
ренции «Ресурсовоспроизведение, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» и VII международной экологической конференции студентов и молодых ученых. Также НИРС, выполненные на кафедре геологии участвовали в конкурсе на звание «АДЪЮНКТ РАЕН» и были удостоены звания «АДЪЮНКТ РАЕН» (Евдокимова Е.) и «Диплома участника» (Кандалинцева О.).
Спектр тем, интересующих молодых ученых, достаточно широк. Здесь и ресурсосберегающие технологии при добыче и обработке природного камня, и рекультивация земель с
применением сапропелей, и природоохранные технологии нейтрализации отходов нефтепереработки, и водоохранные технологии формирования гидроотвалов и техногенных массивов.
Из всего, что было сказано ранее, можно сделать вывод о все более возрастающих темпах развития молодежной науки и качественного повышения ее уровня. Молодежь становится все более грамотной и профессионально подготовленной. И это особенно важно в современной жизни, когда совокупное влияние целого ряда негативных факторов ставит весь мир на грань выживания.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Щекина М.В. - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет. Евдокимова Е.С. - Московский государственный горный университет.
--------------------------------------- © Г.В. Орлов, А.В. Катаев,
2004
УДК 622.241
Г.В. Орлов, А.В. Катаев
О ВЛИЯНИИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СКВАЖИННОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Семинар № 1
Скважинные методы разработки твердых полезных ископаемых основаны на переводе их в подвижное состояние на месте залегания посредством осуществления тепловых, массообменных, химических и других процессов с последующей выдачей полезных компонентов из недр на земную поверхность через скважины. Горный массив, в котором осуществляются геотехнологические процессы, характеризуется совокупностью целого ряда параметров, отражающих геологическое строение, гидрогеологические условия, физические и химические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород, происходящие в массиве
геомеханические процессы. Всю эту совокупность условий и определяющих их параметров характеризуют термином физико-
геологическая обстановка.
Совокупность горной среды, физических или химических процессов добычи и средств их реализации определяют как геотехнологи-ческую систему. Это понятие в полной мере отвечает представлению о системах вообще, состоящих из взаимосвязанных частей и представляющих собой замкнутое целое. Свойства полезных ископаемых, определяющих их способность переходить в подвижное состояние с помощью растворения, выщелачивания, горе-
ния, плавления и т.д., называют геотехнологи-ческими свойствами. Под влиянием рабочих агентов полезное ископаемое образует продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ и др.), обладающие свойством подвижности и содержащие в своем составе полезные компоненты. Перевод полезного ископаемого в подвижное состояние при скважинных методах осуществляют путем физического, химического, физико-химического или микробиологического воздействия. В качестве рабочих агентов используют химические (вода, растворы кислот, щелочей и др.), термические (вода- теплоноситель, горячий газ), термохимические (воздух, кислород), механические (сжатый воздух, высоконапорная вода) и др.
Промышленное применение нашли следующие физико-химические методы: подземное выщелачивание цветных, редких и радио -активных металлов, подземное растворение каменной и калийных солей, подземная выплавка самородной серы, подземная газификация каменных и бурых углей. Общая схема скважинных методов включает вскрытие, подготовку и добычу полезного ископаемого. Вскрытыми считаются запасы на площади залежи (пласта), разбуренной скважинами и опробованной в объеме, необходимом для решения вопросов технологии их эксплуатации. Подготовленными к отработке являются запасы, подвергнутые дополнительным воздействиям для создания условий их эксплуатации. К эксплуатируемым относятся запасы, в пределах которых происходит извлечение полезного ископаемого, движение рабочих и продуктивных флюидов.
Условно геотехнологический процесс добычи разделяют на три операции: подвод рабочего агента к полезному ископаемому, перевод его в подвижное состояние и отвод продуктивных флюидов. Характер протекания геотехнологических процессов при скважинной добыче зависит от многих свойств полезных ископаемых и вмещающих пород. Наиболее важными являются те свойства, на использовании которых строится сама технология. Для каждого скважинного метода разработки существует свой перечень факторов, определяющих техническую возможность и экономическую целесообразность его применения в конкретных горногеологических условиях.
По степени влияния различают факторы: решающие, главные и второстепенные. Решающие факторы определяют принципиаль-
ную возможность применения метода добычи. Так, например, минеральный состав полезного ископаемого определяет возможность применения метода выщелачивания, а структура, текстура руды и мощность серной залежи - метода подземной выплавки серы. От главных факторов зависят технико-экономические показатели эксплуатации месторождения. Второстепенные факторы не влияют непосредственно на экономику, если они учтены при выборе системы разработки и технологических параметров.
Определение рациональных параметров системы разработки, конструкции добычных скважин, режимов геотехнологических процессов возможно только на основе комплексного анализа параметров и свойств залежи (пласта) с учетом геологических, гидрогеологических, технологических и экономических факторов. Одной из важнейших задач является выяснение степени влияния каждого фактора на конкретный геотехнологический метод и нахождение их качественной и количественной оценки. Это, в свою очередь, обеспечит возможность установления корреляционных связей между факторами и экономическими показателями отработки месторождения.
Из всех скважинных методов добычи полезных ископаемых наиболее полно изучена подземная газификации углей. Подземная газификация углей (ПГУ) - это сложный физикохимический процесс, протекание и показатели которого зависят от ряда горно-геологических, гидрогеологических и технологических факторов. Как показали исследования ВНИИПодзем-газа к их числу следует отнести: мощность, строение, угол падения, трещиноватость и обводненность угольного пласта ; зольность и состав угля ; физико-механические свойства вмещающих угольный пласт пород, их мощность ; проявления горного давления; технологическую схему и конструкцию подземного газогенератора; интенсивность подачи дутья, его состав и другие факторы.
Горные породы при подземной газификации выполняют роль стенок, ограничивающих область движения дутьевых и газовых потоков и поддерживающих герметичность подземного газогенератора. Физико-механические свойства и характер сдвижения пород непосредственной кровли угольного пласта и заполнения ими вы-газованного пространства влияют не только на формирование этих потоков, но и предопределяют потери тепла, дутья, газа и угля в подзем-
ном газогенераторе. Особенности сдвижения вышележащих слоев горных пород в значительной степени определяют срок службы технологических скважин, являющихся основным конструктивным элементом подземного газогенератора. В процессе выгазовывания угольного пласта под воздействием сдвижения горных пород обсадные колонны скважин деформируются и преждевременно выходят из строя. Это приводит к нарушению технологического процесса и требует бурения скважин - дублеров.
В процессе газообразования в подземном газогенераторе существенную роль играет вода, поступающая в огневой забой различными путями. Основным источником обводнения подземных газогенераторов являются подземные воды, которые могут поступать на реакционную поверхность угольного пласта и в выга-зованное пространство как из самого угольного пласта, так и вмещающих пород.
Геологическими факторами, влияющими на процесс образования начальных каналов газификации на буроугольных месторождениях, являются: кливаж в угольном пласте, мощность пласта и его строение, проницаемость вмещающих пород, пористость и зольность угля. Мощность угольного пласта оказывает влияние на расход дутья при создании сбоечных каналов фильтрационной сбойкой .С увеличением мощности пласта отмечается возрастание расхода сбоечного дутья. Сложное строение угольного пласта в отдельных случаях приводит к непреднамеренному формированию сбоечных каналов по породным прослоям, расположенным между пачками угля и обладающими большей проницаемостью по сравнению с последними.
До настоящего времени при анализе факторов, влияющих на процесс ПГУ, использовали парные зависимости между выходными параметрами и отдельными факторами (например, теплота сгорания полученного газа и мощность угольного пласта или зольность угля). В то же время процесс ПГУ, с точки зрения системного анализа, представляет собой функционирование сложной системы, в которой различные факторы воздействуют не только на выходные параметры, но и друг на друга. Это приводит к формированию подсистем, объединяющих отдельные факторы в группы. Природные факторы обладают большой изменчивостью, поэтому при подземной газификации угольных пластов в аналогичных горно-геологических условиях с
одинаковыми технологическими режимами получаются неодинаковые выходные параметры, т.е. наблюдается статистическое распределение результатов процесса. С целью установления степени влияния различных факторов на эффективность процесса подземной газификации буроугольных пластов были применены методы многомерного статистического анализа.
Для анализа процесса ПГУ по 6 промышленным газогенераторам Ангренской, Подмосковной и Шатской станций «Подземгаз» были отобраны различные характеристики, отражающие технологию газификации, геологическое строение и гидрогеологические особенности участков, объемы выгазованного угля. По отдельным газогенераторам характеристики отбирались по технологическим журналам на все периоды работы газогенератора с восстановлением участков газификации. В связи с отсутствием величин водопритоков в подземные газогенераторы гидрогеологические признаки включали: расстояние от кровли угольного пласта до почвы первого водоносного горизонта, его мощность, а также мощность водоупора. Перечень признаков, из которых была сформирована матрица исходных данных размером 45*31 (где 45 - количество наблюдений по станциям, 31 - число признаков), приведен ниже: 1 - время с начала отработки, квартал; 2 -длина созданных за квартал каналов газификации, м; 3 - удельный расход сбоечного дутья, тыс. м3/пог. м; 4 - скорость сбойки, м/сут; 5 -средняя длина сбоечного канала, м; 6 - количество дутья на газификацию низкого давления, тыс. м3; 7 - количество дутья на газификацию среднего давления, тыс. м3; 8 - количество выработанного газа, млн. м3; 9 - теплота сгорания газа, МДж/м3; 10 - содержание углерода в газе, %; 11 - содержание водорода в газе, %; 12 - количество выгазованного угля, тыс. т; 13 - количество работающих скважин на конец квартала, шт.; 14 - период работы скважин на дутье, сут.; 15 - период работы скважин на газоотво-де, сут.; 16 - количество вышедших из строя скважин, шт.; 17 - суммарная длина каналов газификации, м; 18 - глубина залегания пласта, м;
19 - мощность породного прослоя между верхней и нижней пачками угольного пласта, м; 20 - мощность верхней пачки угольного пласта, м; 21 - мощность нижней пачки угольного пласта, м; 22 - мощность непосредственной кровли пласта, м; 23 - расстояние от кровли угольного пласта до почвы известняка, м; 24 - суммарная мощность известняка, м; 25 - суммарная мощ-
ность глин и каолинов, м; 2б - расстояние от кровли угольного пласта до первого водоносного слоя песчаника, м; 2? - мощность слоя песчаника, м; 2S - интенсивность дутья через одну скважину, тыс. м3/сут; 29 - объем подготовки угля за рассматриваемый период, тыс. м3; 30 - коэффициент освоения (12/29); ЗІ - интенсивность газоотвода через одну скважину, тыс. м3/сут.
Каждый признак исходной матрицы нормировался по дисперсии в отклонениях от среднего и проверялся на подчинение нормальному закону распределения. На первом этапе выделение подсистем осуществлялось по алгоритмам группировки на основе евклидова расстояния и кофенетического коэффициента корреляции. Дендрограмма, построенная по кофенетическому коэффициенту корреляции, позволила выделить пять групп факторов, которые были идентифицированы как технология газификации (1), геологические особенности строения вмещающих пород (2), фактор объема полученного газа и сгазифицированного угля
(3), качество угля и структура угольного пласта
(4), гидрогеологические условия залегания пласта (5). По дендрограмме трудно оценить вклад каждой выделенной подсистемы в процесс ПГУ. Такую оценку позволяет произвести факторный анализ процесса, выполненный на втором этапе. Результатом анализа является формирование новых факторов. Под фактором понимается совокупность присущих только одному ему связанных исходных признаков, оказывающих влияние на процесс газификации.
Первоначально расчеты позволили выделить шесть основных факторов с суммарным вкладом в общую дисперсию 78,3 %. По факторам эта дисперсия распределяется следующим образом: первый фактор- 30 %, второй -
20 %, третий - 10 %, четвертый- 8 %, пятый и шестой- по 5 %. Последующие факторы несут меньшую нагрузку и здесь не приводятся. Анализируя матрицу факторных нагрузок, можно дать следующую интерпретацию факторов. На первый фактор наибольшие нагрузки несут следующие параметры: объемы выгазованного угля (92 %) и выработанного газа (90 %) за рассматриваемый период, время работы сква-
жин на дутье (81 %) и газоотводе (74 %), объемы дутья низкого (77 %) и среднего (55 %) давления, количество работающих скважин (60 %) и суммарная длина каналов (55 %) на конец рассматриваемого периода, количество вышедших из строя скважин (54 %). Все эти параметры характеризуют технологию процесса, поэтому первый фактор определен как технологический. Наибольшие нагрузки второго фактора имеют: глубина залегания угольного пласта (70 %), мощность глин и каолинов (64 %), расстояние от кровли угольного пласта до известняков (61 %), мощность угольного пласта (54 %), содержание углерода в газе (68 %). За исключением последнего, перечисленные признаки характеризуют геологическое строение анализируемых участков. В тоже время, содержание углерода в полученном газе зависит от его содержания в газифицируемом угле. В результате такой сложной связи этот признак и появился в ряду геологических показателей. Таким образом, второй фактор можно уверенно интерпретировать как фактор, отражающий геологические особенности участков газификации.
Наибольшие нагрузки третьего фактора составляют: время отработки с начала газификации (36 %), теплота сгорания газа (33 %), объем подготовленного угля (26 %), суммарная мощность известняков (25 %), средняя длина сбоечного канала (22 %) и скорость сбойки (21 %). Такое разнообразие «весомых» признаков и малый вклад остальных характеристик не позволяет однозначно интерпретировать этот фактор. Четвертый фактор содержит следующие признаки с наибольшими нагрузками: расстояние от кровли угольного пласта до первого водоносного слоя песчаника (77 %) и мощность этого слоя (30 %), мощность непосредственной кровли угольного пласта (71 %). Остальные признаки имеют факторные нагрузки на 1-2 порядка меньше. Выше было отмечено, что перечисленными признаками учитываются особенности гидрогеологических условий участков газификации, следовательно, четвертый фактор их и отражает. Остальные факторы несут в себе немного информации, что отражается малыми вкладами признаков и интерпретировать их сложно.
№ признака Факторные нагрузки, доли ед. Факторные нагрузки после вращения, доли ед.
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
2 0,8 -0,2 -0,2 -0,2 0,3 0,3 -0,4 0,0 0,0 0,8
5 0,5 -0,3 -0,4 0,0 0,2 0,1 -0,4 0,0 0,3 0,6
6 0,8 0,5 -0,3 0,2 -0,2 0,9 0,0 -0,1 0,0 0,2
7 0,8 0,0 0,0 0,0 0,3 0,5 -0,1 0,1 -0,1 0,7
12 0,9 0,4 0,0 0,1 0,0 0,8 -0,1 -0,1 0,0 0,5
13 0,8 0,0 0,0 -0,1 0,4 0,4 -0,2 0,0 -0,1 0,8
14 0,9 0,3 -0,1 0,1 0,2 0,7 0,0 0,0 0,0 0,6
15 0,7 0,6 -0,1 0,2 -0,2 0,9 0,1 -0,1 0,0 0,2
16 0,7 0,4 0,3 0,2 -0,1 0,8 0,1 0,2 -0,1 0,2
17 0,7 0,4 0,1 0,1 -0,4 0,9 -0,1 -0,1 -0,1 0,0
18 0,5 0,8 0,0 0,1 0,3 0,0 0,9 -0,1 -0,1 -0,2
19 0,0 -0,4 0,6 0,5 0,3 0,1 -0,1 0,9 0,0 0,0
20 0,5 0,5 -0,4 -0,2 0,3 0,3 0,7 -0,5 0,0 0,0
21 0,1 -0,5 0,5 0,4 0,3 0,1 -0,2 0,9 0,0 0,0
22 0,0 0,3 0,5 -0,7 0,4 0,1 0,1 -0,1 -0,9 0,1
23 0,6 0,7 0,0 0,2 0,2 0,1 0,9 -0,1 0,0 -0,3
24 0,5 0,6 0,2 0,4 0,0 0,1 0,8 0,1 0,1 -0,4
25 0,3 0,8 0,1 -0,1 0,2 0,1 0,8 -0,2 -0,3 -0,1
26 0,1 0,2 0,7 -0,6 0,0 0,1 0,0 0,1 -0,9 -0,1
X Накоплен. 7,0 36,7 4,2 59,0 1,9 69,1 1,7 78,1 1,1 84,1
вклады, %
Необходимо отметить, что предложенная интерпретация носит предварительный характер, поскольку наблюдается явная перегрузка факторов признаками. В самом деле, количество выработанного газа тесно связано с объемом выгазованного угля (г =0,98, где г - коэффициент парной корреляции), с объемом поданного дутья низкого (г=0,91) и среднего (г = 0,77) давления, а теплота сгорания газа - с содержанием в газе водорода (г = 0,84) и углерода (г = 0,74). Вместе с тем некоторые признаки неинформативны.
Исключим из исходной совокупности те признаки, суммарный вклад которых в первые шесть факторов не превышает 60 % . Результаты повторного расчета с удалением неинформативных и части взаимокоррелируемых признаков приведены в таблице.
После пересчета количество факторов сократилось до пяти, а их суммарный вклад в общую дисперсию признаков увеличился до 84 %. Причем на первый фактор приходится 37 % общей дисперсии, на второй - 22 %, на третий - 10 %, на четвертый - 9 и на пятый -6 %. Для облегчения интерпретации матрицы
факторных нагрузок используется процедура вращения факторных осей. Основная цель его состоит в выборе оптимального положения осей таким образом, чтобы каждая из них содержала небольшое число признаков с максимальными факторными нагрузками. В результате вращения факторов увеличивается вес связанных между собой признаков. После вращения матрица факторных нагрузок примет вид, приведенный в таблице.
Первый фактор оправдал свое название и включает в себя технологические признаки: работу скважин на дутье и газоотводе, объем поданного на газификацию дутья, объем выга-зованного угля, подготовленность участка к газификации. Второй фактор в основном состоит из геологических признаков и его интерпретация остается прежней. Максимальные нагрузки третьего фактора имеют: мощность прослоя и мощность нижней и верхней пачек угля. Первоначально в этот фактор входили скорость сбойки и теплота сгорания газа. Нашими исследованиями в условиях Ангренского буроугольного месторождения, а также исследованиями И.В. Королева, В.Г. Валенцова в усло-
виях Подмосковного бассейна установлено, что скорость воздушно-филь-трационой сбойки тесно связана с определенными видами трещиноватости угольного пласта, его структурой. Эти же признаки влияют и на теплоту сгорания получаемого газа. Очевидно, третий фактор можно идентифицировать как фактор, отражающий физико-механическое состояние
угольного пласта, его строение. Четвертый фактор также не изменил своей интерпретации. Максимальные нагрузки этого фактора имеют те же гидрогеологические характеристики. Наибольшие нагрузки пятого фактора составляют: длина созданных за квартал каналов газификации, количество работающих на конец периода скважин, средняя длина сбоечного канала. Большие нагрузки имеет объем дутья, поданного на газификацию, но он тесно связан
с количеством работающих на конец периода скважин. Перечисленные признаки позволяют интерпретировать пятый фактор как фактор подготовленности участка угольного пласта к газификации.
Каждый фактор несет в себе информацию об основных слагающих его признаков. Через значения основных признаков были выражены значения главных компонент и на основе дисперсионного анализа определена степень их влияния на теплоту сгорания газа. В результате было установлено, что теплота сгорания газа ПГУ определяется геологическими параметрами - на 25 %, гидрогеологическими условиями газификации - на 17 %, технологией выгазовывания - на 34 % и состоянием угольного пласта - на 10 %.
1. Аренс В.Ж., Гайдин АМ. Геолого-гидро-геологические основы геотехнологических методов добычи полезных ископаемых. - М.: Недра, 1978, 215 с.
2. Научные труды ВНИИПодземгаза. Выпуск 1. - М.: Госгортехиздат, 1960.
3. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ, пер. с англ., М., 1963
4. Шеффе Г. Дисперсионный анализ, пер. с англ., М., 1963
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Крамер Г. Математические методы статистики, пер. с англ., 2 изд., М.,1975
6. Орлов Г.В., Катаев А.В. Определение трещиноватости угольного пласта при подземной газификации углей. Геол., методы поисков и разведки м-ний тверд. горюч. ископаемых. Отеч. произв. опыт: Экспресс-информация / ВНИИ экон. минер. сырья и геол.-развед. работ (ВИЭМС). - 1988. - Вып. 9. - С. 1-5, ил.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------
Орлов Геннадий Васильевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
Катаев Анатолий Вениаминович - доцент, кандидат технических наук, Пермский государственный технический университет.
