CC BY
28
--© C.B. Сластунов, Е.П. Ютяев,
Е.В. Мазаник, М.Г. Лупий, 2014
УДК 622.8(043.3)
С.В. Сластунов, Е.П. Ютяев, Е.В. Мазаник, М.Г. Лупий
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ НА ВЫЕМОЧНОМ УЧАСТКЕ ПРИ ДЕГАЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ К ИНТЕНСИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ РАЗРАБОТКЕ*
Рассмотрен вопрос совершенствования системы метанобезопасности в части дегазационной подготовки разрабатываемых газоносных угольных пластов, для чего решаются следующие принципиальные вопросы:
— выявление наличия «газового барьера» и его масштаб, то есть наличие целесообразности и необходимости проведения пластовой (заблаговременной, предварительной, текущей) дегазации;
— обоснование методологии выбора основных технологических схем по управлению газовыделением при дегазационной подготовке угольных пластов;
— научное обоснование методологических подходов к оценке метаноизв-лекаемости из неразгруженных от горного давления угольных пластов через дегазационные скважины;
— обоснование и разработка конкретной, адекватной горно-геологическим и горнотехническим условиям технологической схемы пластовой дегазации. Ключевые слова: шахтный метан, безопасность угледобычи, пластовая дегазация, предельно допустимые нагрузки на очистной забой по газовому фактору.
Л ля совершенствования системы метанобезопасности в части дегазационной подготовки разрабатываемых газоносных угольных пластов следует решить следующие принципиальные вопросы:
• выявить наличие «газового барьера» и его масштаб, то есть наличие целесообразности и необходимости проведения пластовой (заблаговременной, предварительной, текущей) дегазации;
• обосновать методологию выбора основных технологических схем по управлению газовыделением при дегазационной подготовке угольных пластов;
* Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (Госзадание МГГУ на 2014 г., тема ИЗОС-1027ДС).
• научно обосновать методологические подходы к оценке метаноизвдекаемости из неразгруженных от горного давления угольных пластов через дегазационные скважины;
• обосновать и разработать конкретную, адекватную горногеологическим и горнотехническим условиям технологическую схему пластовой дегазации.
На основе исследований [1-5] были разработаны методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем управления газовыделением при обоснованном применении заблаговременной или предварительной дегазационной подготовки запасов угля, которые предусматривают выполнение двух основных этапов.
На первом этапе решаются три вопроса:
Первый вопрос. Определяется целесообразность проведения дегазационных работ. Основным моментом тут является определение ограничений на нагрузку на очистной забой по газовому фактору с использованием нормативных документов с уточнением на базе последних научных исследований процессов метановыделения из разрабатываемых угольных пластов и других источников газовыделения в очистной забой при высокопроизводительной добыче угля.
Этот вопрос принципиально важный. В действующих нормативных руководствах по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания очистных забоев угольных шахт, рекомендованы расчетные формулы, при обосновании которых реализован эмпирический подход, основанный на имевшемся в 70-х годах прошлого века производственном опыте разработки угольных пластов в различных угольных бассейнах СССР. Описанные в руководствах формулы не учитывают фундаментальные физические процессы, происходящие при интенсивной добыче угля (более 5 тыс. т/сут) и которые в настоящее время не могут описываться зависимостями со старыми эмпирическими коэффициентами или на основании ранее установленных номограмм. Притоки метана в очистной забой зависят от глубины разработки, физико-механических свойств массива, таких как проницаемость, пористость угольного пласта и вмещающих пород, распределение горного давления и др., а также газокинетических характеристик, пластового давления метана, сорбционных свойств разрабатываемых угольных пластов. По этой причине действующие нормативные ру-
ководства по расчету безопасной нагрузки на очистной забой по газовому фактору отражают реальные условия весьма приближенно и часто с недопустимо большой ошибкой.
Большой практический интерес представляет получение расчетных зависимостей, учитывающих фильтрационные, геомеханические и газокинетические процессы в породном массиве и описывающие допустимую нагрузку на очистной забой в зависимости от указанных выше характеристик и свойств массива, которая будет обеспечивать безопасную и высокопроизводительную работа добычного участка шахты. Современная фундаментальная наука накопила множество теоретических разработок и программ компьютерного моделирования, способных дать решение этой весьма актуальной для горной практики задачи. Наши технологические решения и рекомендации базируются на таком подходе. Исходные моменты такого подхода постановочно изложены ниже.
Принципиальная схема очистного забоя в системе разработки угольного пласта длинными столбами показана на рис.1. В очистной забой метан поступает из различных источников, включая угольный забой, породы кровли, почвы, отбитый уголь и выработанное пространство. Воздух через вентиляционный штрек 2 направляют в очистную выработку 1 и далее в откаточный штрек 3. Добычу угля производят комбайном 4: на прямом ходе — отбойка угля, на обратном — зачистка угольного забоя перед очередным циклом заходки.
Фильтрация метана из угольного пласта происходит под давлением свободного газа, заключенного в каналах пласта. В нетронутом угольном пласте на большом удалении от свободной поверхности забоя реализуется пластовое давление, значение которого в газоносных пластах может достигать 4 МПа и
1 4
Рис. 1. Схема к расчету нагрузки на очистной забой по газовому фактору: 1 — очистная выработка (лава); 2 — вентиляционный штрек; 3 — откаточный штрек; 4 — очистной комбайн; Q — расход воздуха на входе в очистную выработку, м3/мин
более. Высокие пластовые давления с учетом проницаемости угля являются главными причинами взрывоопасных притоков метана в очистной забой.
Теоретически процесс фильтрации газа в трещиновато-пористой среде в изотермических условиях описывается широко известным и часто используемым дифференциальным уравнением, отражающим линейный закон фильтрации Дарси, закон сохранения массы и уравнение состояния газа и являющимся основой для разработанного метода определения предельно допустимых нагрузок на очистной забой по газовому фактору:
д д
тр + (1 - ш) - аЬр
- С1У
—р дгаСр
= 0
1 + ар _
где ш — пористость; к — проницаемость; ц и р — вязкость и плотность газа; р — давление; а и Ь — эмпирические константы в изотерме Ёенгмюра.
Творческим коллективом МГГУ и ОАО «СУЭК — Кузбасс» при участии Управления по надзору в угольной промышленности Ростехнадзора России разработана аналитически - экспериментальная методика расчета предельно допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору на базе фундаментальных законов, описывающих процессы сорбции и массопе-реноса газа из всех источников его поступления в очистной забой. Методика предусматривает экспериментальное определение всех входящих в приведенное выше уравнение непосредственно в шахте и в лабораторных условиях основных характеристик углегазоносного массива, таких как газопроницаемость угольных пластов и пластовое давление метана в них, эмпирические константы в изотерме Ёенгмюра, а также природную газоносность угольного пласта.
Второй вопрос. Определяется уровень метаноизвлекаемо-сти из разрабатываемого угольного пласта, то есть прогнозируется возможный дебит метана из дегазационных скважин, и определяются потенциальные возможности по снижению газовыделения в очистной забой из разрабатываемого пласта после его дегазации. Этот вопрос подробно нами изложен в работе [4].
Третий вопрос. Определяется резерв времени, имеющийся в запасе на проведение дегазации подлежащего разработке
угольного пласта. Эффективность большинства схем дегазации зависит от времени, отпущенного на извлечение метана из соответствующего источника его поступления в горные выработки. Этим фактором предопределяется ограниченная эффективность оперативных (текущих) технологий дегазации, применяемых совместно с ведением основных горных работ. Известно, что при применении пластовой дегазации из подготовительных выработок максимальный удельный съем во многом ограничен именно по фактору времени: опережение подготовительными работами очистных редко превышает 6 месяцев, а значительно часто этот период существенно меньше.
Известно [1], что заблаговременная дегазационная подготовка неразгруженного от горного давления пласта (ЗДП) эффективно применяется при сроках на дегазацию 3-5 и более лет. При сроке заблаговременности менее 1-3 лет речь может идти о предварительной пластовой дегазации (ППД) [5]. Необходимо отметить, что такое временное деление упомянутых способов пластовой дегазации достаточно условно и не имеет принципиального значения. Более важно здесь то, что при наличие резерва времени на дегазацию более 3-5 лет можно эффективно применять известную технологию гидрорасчленения угольных пластов через скважины с поверхности (ГРП), достигая основной эффект по снижению газовыделения в горные выработки за счет заблаговременного извлечения метана из пластов на поверхность. При меньших сроках в определенных горно-геологических условиях (в основном при больших глубинах залегания угольных пластов и низкой природной газопроницаемости) этот эффект может быть недостаточным и необходимым требованием будет применение комплексной схемы дегазации, включающей в себя необходимость использования последующей пластовой дегазации из подготовительных выработок в зонах ГРП. Из мировой и отечественной практике [1] известно, что в этих случаях дебит подземных пластовых скважин может быть в 5-10 раз выше, чем при отсутствии заблаговременных воздействий с поверхности по увеличению природной газопроницаемости массива.
На втором этапе исходя из трех изложенных факторов необходимо научное обоснование конструирования общей технологической схемы пластовой дегазации, предусматривающей применение основной (базовой) технологии (например,
при обоснованном применении заблаговременной дегазации, гидрорасчленение угольных пластов с последующим извлечением метана на поверхность, либо гидрорасчленение угольного пласта без освоения скважин), либо ее усиление вспомогательными (повышающими эффективность основной схемы) и дополнительными (интенсифирующими газовыделения из неблагоприятно функционирующих скважин) видами активного воздействия на неразгруженный угольный пласт через скважины с поверхности.
Для шахты «Котинская» (первый из рассмотренных ранее вариантов возможного внедрения работ по ЗДП в Кузбассе) при первоначальной плановой нагрузке на лаву в 20000 т/сут возникали ограничения по газу в 1,5 раза. При задаче обеспечения нагрузки в 30000 т/сут ограничения нагрузки по газовому фактору возрастали еще в большей степени.
В связи с ограниченным резервом времени на дегазацию и первым опытом работ по ЗДП на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» разработанными перспективными техническими рекомендациями предусматривалась в виде первых поисковых постановочных работ поэтапная дегазация пласта 52, включающая, в случае необходимости (при недостаточном извлечении метана на поверхность через скважины с поверхности) применение гидратации пласта и последующее гидровоздействие в режиме фильтрации. Дополнительная схема могла быть определена в дальнейшем по результатам диагностики скважин.
В качестве базовой технологии пластовой дегазации была рекомендована технологическая схема ЗДП с последующей гидратацией пласта. Для этого после ГРП ведется освоение скважин с извлечением воды и газа на поверхность, а за 3-6 месяцев до подхода горных работ к зоне дегазации скважина перестает осваиваться и в пласт периодически (не реже 1 раза в неделю) подается вода для поддержания столба воды в скважине для более полного увлажнения углегазоносного массива за счет сил самодвижения воды (например, капиллярных сил) и блокирования оставшегося в пласте метана в мельчайших порах и трещинах угля.
ЗДП обоснованно может применяться в тех случаях, когда требуемая эффективность пластовой дегазации для снятия «газового барьера» составляет 0,3-0,4 и более. В тех случаях, когда эта величина находится на уровне 0,2 и ниже, проблему
пластовой дегазации может решить пластовая дегазация, осуществляемая из подземных подготовительных выработок в традиционном исполнении (ППД) без применения мероприятий по повышению газоотдачи угольных пластов [5], что вполне удовлетворительно применялось на шахтах им. Кирова и «Ко-тинская» в последние годы.
При этом необходимо учитывать эффективный срок функционирования скважин ППД, который, как правило, не превышает 3-4 месяцев, что нагладно можно видеть из экспериментальных данных, приведенных на рис.2.
Исследованная динамика изменения газовыделения из пластовых скважин, пробуренных по пласту «Болдыревский» из подготовительных выработок показывает, что существенное изменение дебита (с примерно 3,5 ^ 14 м3/мин (в среднем 5 м3/мин) до 2 м3/мин) происходит в первые 3 месяца эксплуатации скважин, затем дебит стабилизируется на некоем фоновом уровне. Подобная динамика подтверждает тот факт, что увеличение срока эксплуатации подземных дегазационных скважин не может кардинально решить задачу существенного повышения эффективности дегазации, так как основной съем метана осуществляется в первые 3-4 месяца извлечения газа.
135 13
_ 10.5
°о I ; ; д 5 б э 8 Время, мес
Рис. 2. Динамика изменения дебита подземных пластовых скважин во времени
В тех случаях, когда требуемая эффективность пластовой дегазации выше 0,2 ППД должна применяться в вариантах, предусматривающих интенсификацию газовыделения из скважин на основе применения активных воздействий. В этом направлении необходим отметить перспективы применения различного рода пневмовоздействия (автореверсивное пневмовоз-действие, циклическое пневмовоздействие), разработанных и апробированных коллективом исследователей МГГУ совместно со специалистами шахты им. Кирова и ОАО «СУЭК-Кузбасс» [2-4, 6].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Сластунов C.B., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГГУ, 2002, 383 с. (монография).
2. Пучков Л.А., Сластунов C.B. (МГГУ), Логинов А.К., Ютяев ЕП, Мазаник E.B. (ОАО «СУЭК-Кузбасс»), Предпосылки промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе. М., ГИАБ, тематическое приложение БЕЗОПАСНОСТЬ, отдельный выпуск №6, 2008.
3. Пучков Л.А., Сластунов C.B., Логинов А.К., Ютяев Е.П. Принципиальные технологические решения для промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе. Научно-технический журнал «Наука и Техника в газовой промышленности», №3(39), 2009.
4. Каркашадзе Г.Г., Сластунов C.B., Ютяев Е.П. Оценка поитенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов. — М., ГИАБ, № 11, ОВ -Метан, 2009.
5. Рубан А.Д., Артемьев B.E., Забурдяев B.C, Захаров B.H., Логинов А.К., Ютяев Е.П. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов. М., Изд. «Горная книга», 210, 500 с.
6. Сластунов CB., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С, Ермак Г.П. Аналитическая методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Журнал ФТПРПИ, № б, 2013. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой, Горный институт НИТУ «МИСиС», [email protected], Ютяев Евгений Петрович — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУЭК-Кузбасс»,
Мазаник Евгений Васильевич — кандидат технических наук, заместитель генерального директора ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Лупий Михаил Григорьевич — кандидат технических наук, директор шахты «Талдинская-Западная» ОАО «СУЭК-Кузбасс».
SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR THE MANAGEMENT OF GAS-ALLOCATION ON THE EXCAVATION SITE AT COAL PREPARATION COAL BEDS FOR INTENSIVE AND SAFE DEVELOPMENT
Slastunov S. V., Professor, Doctor of Technical Sciences, the head-blowing Department, Mining Institute of the «MISIS», [email protected],
Utaev E.P., Candidate of Technical Sciences, General Director of tor JSC «SUEK-Kuzbass», Mazanik E. V., Candidate of Technical Sciences, Deputy GE-General Director of JSC «SUEK-Kuzbas»,
Lupiy M.G., Candidate of Technical Sciences, Director of mine «Taldinskaya-Zapadnaya», JSC «SUEK-Kuzbas».
The article discusses the issue of improving the system of metanobezopasnosti in part degassing preparation of the developed gas-bearing coal seams, which solves the following fundamental issues:
- identification «gas barrier» and its scale, as is a useful-shaped and the need for formation (early, pretrial, current) degassing;
- substantiation of the methodology for selection of the basic technological schemes for management of gassing at coal preparation coal seams;
- scientific substantiation of methodological approaches to the assessment methanesul-fonate of unloaded from rock pressure coal seams through degasification wells;
- substantiation and development of specific, adequate geological and mining-technical conditions of the technological scheme of formation of degassing.
Key words: coal mine methane, the safety of coal output, produced degassing, the maximum permissible load on the longwall face on gas factor.
REFERENCES
1. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Kolikov K.S. Izvlechenie metana iz ugolnyh plastov. (Methane extraction from coal layers). Moscow, izd-vo MGGU, 2002, 383 p. (monografija).
2. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Loginov A.K., Jutjaev E.P., Mazanik E.V. Predposylki promyshlennoj aprobacii tehnologii zablagovremennoj degazacionnoj podgotovki vysokoga-zonosnyh ugol'nyh plastov v Kuzbasse (Prerequisites industrial testing technologies advance degasification training high gas-bearing coal layers in Kuzbas). Moscow, GIAB, te-maticheskoe prilozhenie bezopasnost', otdel'nyj vypusk No. 6, 2008.
3. Puchkov L.A., Slastunov S.V., Loginov A.K., Jutjaev E.P. Principial'nye tehnolo-gicheskie reshenija dlja promyshlennoj aprobacii tehnologii zablagovremennoj degazacionnoj podgotovki vysokogazonosnyh ugolnyh plastov v Kuzbasse (The fundamental technological solutions for industrial testing technologies advance degasification training high gas-bearing coal layers in Kuzbas). Nauchno-tehnicheskij zhurnal «Nauka i Tehnika v gazovoj pro-myshlennosti», No.3 (39), 2009.
4. Karkashadze G.G., Slastunov S.V., Jutjaev E.P. Ocenka poitencial'nogo urovnja izvlekaemosti metana iz ugol'nyh plastov (Assessment potencialnogo level extracted methane from coal beds). Moscow, GIAB, No. 11, OV-Metan, 2009.
5. Ruban A.D., Artem'ev V.B., Zaburdjaev V.S., Zaharov V.N., Loginov A.K., Jutjaev E.P. Podgotovka i razrabotka vysokogazonosnyh ugolnyh plastov (Training and development vysokogazonosnyh coal seams). Moscow, Izd. «Gornaja kniga», 210, 500 s.
6. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S, Ermak G.P. Analiticheskaja meto-dika rascheta dopustimoj nagruzki na ochistnoj zaboj po gazovomu faktoru (The analytical method of calculation of permissible load on the longwall face on gas factor). Zhurnal FTPRPI, No. 6, 2013.
