Обоснование технологии снижения газовыделения угольных пластов на основе повышения их остаточной газоносности при увлажнении Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев, 2008

К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ОСТАТОЧНОЙ ГАЗОНОСНОСТИ ПРИ УВЛАЖНЕНИИ

ТЪо время опытно-промышленных испытаний заблаговре-

Х-#менной дегазационной подготовки использовалось две технологические схемы: с откачкой (ГРП-1) и без откачки (ГРП-2) воды и газа после окончания собственно гидрорасчленения пласта.

Одним из основных недостатков традиционной технологии заблаговременной дегазационной подготовки с извлечением рабочей жидкости является необходимость долгосрочных вложений.

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».

В связи с этим снижение газообильности выработок 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.

Надежное блокирование достигается при проникновении жидкости в поры порядка 10 А объем закачки при этом достигает 2030 л/т. Для повышения капиллярного давления и глубокого блокирования метана целесообразно применять жидкость с максимальной для данного угля удельной поверхностной энергией, например, водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1, 2].

При ГРП-2 жидкость выдерживается в контакте с углем под напором ее столба в скважине до нескольких месяцев, т.е. период времени, необходимый для ее глубокого проникновения в поры. Более точно это время для конкретной пары «уголь-жидкость» опреде-

321

ляется заранее на основе лабораторных испытаний методом ЭПР (электоро-парамагнитного резонанса).

При подаче в пласт необходимого количества жидкости и обеспечении блокирования метана обеспечиваются положительные эффекты по снижению газообильности, запыленности и выбросо-опасности.

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.

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);

- относительно дешев;

- 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) [3];

- позволяет принципиально сократить срок дегазационной подготовки с 5-7 лет до 1-1,5 года по сравнению с заблаговременной дегазацией угольного пласта;

- по опыту ранее проведенных работ в Донбассе (и в несколько меньшей степени, в Карагандинском угольном бассейне) 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;

322

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, существенно уменьшает энергоемкость добычи угля, улучшает его сортность;

- обеспечивает не только прямой экономический эффект, обусловленный отказом шахты от дегазации спутников и пласта из подземных выработок, но и косвенный эффект, вызванный неизбежным повышением производительности труда при работе в безопасных и более комфортных условиях;

- имеет перспективу дальнейшего улучшения показателей:

• ГРП-2 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 до 60 % всех затрат на ГРП);

• при проведении ГРП на всем поле шахты может быть получен большой экономический эффект за счет существенного увеличения нагрузок на очистной забой (существенное снижение газообильности горных выработок, снижение «газового барьера»;

• подача в пласт не воды, а водных растворов ПАВ значительно улучшает смачиваемость угля и повышает капиллярное давление. Поэтому перспективны поиски новых ПАВ;

• имеется целый ряд лабораторных и шахтных исследований, свидетельствующих о том, что ГРП, выполненное по данному способу, является также надежным методом предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Ни в одной из зон ГРП их не было, в том числе на особо выбросоопасных пластах Донбасса.

Основной целью дегазационной подготовки угольного пласта без извлечения рабочей жидкости и газа является предотвращение выбросоопасности и снижение газовыделения из угольного пласта за счет блокирования метана в поровом объеме угля.

323

Технология воздействия предусматривает следующую после -довательность операций:

- вскрытие угольного пласта после цементации и опрессовки, которое осуществляется разбуриванием скважины максимально возможным диаметром с перебуриванием пласта на 10-15 м;

- промывка скважины;

- перфорация пласта;

- гидрорасчленение пласта;

- увлажнение пласта.

Принципиальное отличие от традиционно применяемой в Карагандинском бассейне технологии заблаговременной дегазации заключается в отсутствии этапа освоения скважин, что обеспечивает возможность кардинального сокращения периода времени между гидрообработкой и отработкой угольного пласта.

При этом после гидрорасчленения проводится длительное (в течение 0,5-1 года) насыщение массива рабочей жидкостью за счет давления на пласт ее столба в скважине. Режим фильтрации характеризуется нагнетанием рабочей жидкости без механического нарушения созданной структуры пласта.

Процесс влагонасыщения массива сопровождается расходом воды на скважинах в объеме 10-20 л/сутки, а степень увлажнения массива определяется объемом рабочей жидкости закачанной при расчленении.

Доливка воды производится еженедельно до устья скважины и обеспечивает создание постоянного гидростатического давления столба воды на пласт, которое для условий залегания пласта d6 на западном крыле ш. «Казахстанская» будет составлять 5,3-6,8 МПа, что обеспечивает переток воды из трешиновато-пористой структуры массива в микропоры угольного вещества. Оценка технологии ГРП-2 осуществлена с учетом перечня технологических операций, рассматриваемой технологии и уровня затрат на заблаговременную дегазационную подготовку в 2007 г.

Следует отметить, что при реализации данной технологии упрощается воздействие на угольный пласт за счет исключения ка-вернообразования и пневмообработки.

Объем закачки рабочей жидкости по рекомендуемым параметрам технологии ГРП-2:

0р.ж.(2) = § р.ж^ГРП^)'^ (1)

324

где g р.ж.(ТРп-2) - удельный объем жидкости, закачиваемой в пласт, 0,03 м3/т; Ъ - запасы угля в области влияния скважин ГРП-2;

Таблица 1

Затраты на заблаговременную дегазационную подготовку

Элементы затрат Затраты по скважине, у.е.

ГРП-26 ГРП-31 ГРП-47 ГРП-46

Бурение и оборудование 17730 27907 40270 40270

скважины

Прокладка водовода 3100 5500 8750 8750

*Кабельная линия 1150 1800 2140 2140

Кавернообразование 3370 2000 2130 2130

Расчленение пласта 13300 8011 4300 8990

Освоение коллектора 12000 12000 — 18300

Итого 52650 57218 57590 80580

Таблица 2

Структура затрат на расчленение пласта

Виды затрат Затраты по скважине, у.е.

ГРП-29 ГРП-30 ГРП-31

Заработная плата 650 500 3020

Материалы 1680 9270* 1320

Электроэнергия 20 80 2180

Амортизация 670 450 1320

Итого: 3020 10300 7840

При подготовке угольного пласта по технологии ГРП-2 проектный объем закачки рабочей жидкости несколько превышает объем закачки при реализации технологии ГРП-1. Превышение объема закачки рабочей жидкости на 15-20 % по сравнению с традиционной технологией незначительно увеличит затраты на непосредственно гидрообработку, однако это компенсируется исключением кавернообразо-вания и пневмообработки.

Характерная структура затрат, а так же их величина для отдельных скважин гидрорасчленения приведены в табл.1 и 2.

По перечню выполненных работ наиболее близка данной технологии скважина № 47. В среднем стоимость заблаговременной дегазационной подготовки в условиях Карагандинского угольного бассейна при глубинах скважин 500-550 метров по технологии ГРП-2 оценивается в 55000-56000 у.е.

Целесообразность применения данной технологии определяется на основе сопоставления затрат на её реализацию и возможных экономических эффектов по результатам ведения горных работ.

325

Наиболее жесткие условия будут в том случае, когда экономический эффект определяется только повышением нагрузки на очистной забой. В этих условиях интерес представляет необходимый уровень повышения нагрузки, который обеспечивает окупаемость затрат на дегазационную подготовку по технологии ГРП-2. Экономический эффект от повышения нагрузки на очистной забой определен по формуле (2)

Э = [0,1 +0,7(к -1,1)] у*п,. Сд Д1с N / 100, (2)

где к - коэффициент роста нагрузки на очистной забой; у*п.з. -удельный вес условно постоянных расходов по звеньям, обслуживающих очистной забой в общешахтной себестоимости 1 тонны угля, %; Д1с - суточная нагрузка на лаву до внедрения; N - количество дней на отработку данного участка.

Исходя из этого коэффициент роста нагрузки на очистной забой, обеспечивающий окупаемость затрат на дегазационную подготовку определяется по формуле:

к = 143-Э/(у*п.з. Сд + 0,96 (3)

С учетом того, что минимальный срок между гидрообработкой и очистными работами составляет один год, примем минимальный экономический эффект равным 15 % при затратах на реализацию технологии 60000 у.е. При доле условно постоянных расходов в 50 % , себестоимости 1 т угля 18 у.е. и приходящихся на одну запасах в 234000 т коэффициент роста нагрузки обеспечивающий окупаемость затрат составит 12 %.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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. Изд-во ЦНИЭИуголь. № 4, 1974 г.

2. Савенко Л.В., Ножкин Н.В., Конарев В.В. Снижение выбросоопасности угольных пластов при их гидрорасчленении. //Уголь Украины. Изд-во «Техника». № 3, 1977 г.

3. Савенко Л.В., Дородников А.Г., Будзило Е.А. Влияние фактора времени на эффективность гидрорасчленения пласта. //Техника безопасности, охраны труда и горноспасательное дело. Изд-во ЦНИЭИуголь. № 4, 1974 г. и'.'-'а

— Коротко об авторах -

Коликов К. С. - доктор технических наук, Московский государственный горный университет,

Бобнев Ю.Н. - кандидат технических наук, УД АО «АрселорМиттал Темиртау».