CC BY
76
____________________________________ © С.В. Сластунов, К.С. Коликов,
К.С. Кашапов, Н.Н. Грознов, М.В. Шмидт, 2009
УДК 622.831
С.В. Сластунов, К.С. Коликов, К.С. Кашапов,
Н.Н. Грознов, М.В. Шмидт
ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ В КАРАГАНДИНСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ
Рассмотрен опыт применения заблаговременной дегазации угольных пластов в карагандинском бассейне. Представлены результаты работ по совершенствованию технологии гидродинамического воздействия на угольные пласты, выполненные на поле шахты «Казахстанская». Анализ эффективности различных технологий воздействия по извлечению метана показал, что даже при глубинах залегания пласта 500-700 м съём метана составляет 5-6 м3/т, что обеспечивает необходимую интенсивность горных работ.
Ключевые слова: дегазация угольных пластов, гидрорасчленения, угольные пласты, метанобезопасность.
Т} аботы по данному направлению были начаты в Донецком
-МГ и Карагандинском бассейнах в 1961 г. по инициативе горного инженера, профессора Н.В. Ножкина и под руководством академика А.А. Скочинского. За время испытаний, опытнопромышленной апробации и внедрения этого способа только в Карагандинском бассейне было обработано более 55 млн. т запасов угля через 158 скважин на 11 шахтных полях. К настоящему времени в зонах гидрорасчленения добыто более 25 млн. т угля.
В ходе работ выполнялся комплекс исследований, целью которого являлось:
• установление механизма процесса гидрорасчленения;
• отработка технологии активного воздействия на пласт и освоения скважин;
• определение эффективности способа по снижению газоносности и выбросоопасности угольных пластов, газообильности очистных и подготовительных выработок;
• оценка изменения физико-механических свойств угля, газодинамического и напряженно-деформированного состояния массива, пластового давления;
• установление закономерностей газовыделения от времени и оценки возможного объема извлечения метана;
• разработка способов интенсификации газовыделения и методов диагностики скважин.
В зависимости от условий проведения гидрорасчленение использовалось по двум схемам: комплексной и заблаговременной дегазации угольных пластов. Основная часть скважин использована на действующих горизонтах шахт по первой схеме - комплексной дегазации. Гидродинамическое воздействие в этом случае применяется для повышения проницаемости пластов с последующим извлечением метана через скважины гидрорасчленения и пластовые скважины. Срок освоения и эксплуатации скважин расчленения по этой схеме не превышает 1,5 лет, снижение газоносности с учетом пластовых скважин достигает 8-10 м3/т. В ходе испытаний установлено, что данный способ является эффективным средством снижения газообильности очистных забоев при их высокопроизводительной работе. Достигнуто снижение абсолютной газообильно-сти на 37-70%. Продуктивность пластовых скважин в зонах комплексной дегазации возросла в 2-7 раз.
При заблаговременной дегазационной подготовке срок эксплуатации скважин должен составлять не менее 4-5 лет. Этому критерию соответствует всего пять участков на трех шахтных полях: на восточном крыле, юго-западном крыле, глубоких горизонтах шахты "Сокурская", на восточном крыле шахты им. Ленина и на западном крыле шахты «Казахстанская», где было пробурено и обработано соответственно 3, 3, 16, 14 и 25 скважин.
Одним из основных препятствий на пути широкого использования данного способа являлось отсутствие корректной оценки влияния заблаговременной дегазации как регионального мероприятия на технологию ведения горных работ, которое стало возможно только после проведения подготовительных и очистных работ на восточном крыле шахты им. Ленина, где размер обработанного участка составил около 500 м по падению пласта d6 и 1500 м по простиранию. Анализ газообильности горных выработок в зонах заблаговременной дегазации позволил выделить следующие особенности:
• газоносность пласта увеличивается от скважины к периферийной части, оставаясь ниже природной;
• при пересечении крупных систем трещин возможно кратковременное повышение газовыделения в подготовительные выработки.
С углублением горных работ данному способу, как и другим способам дегазации, присуща тенденция снижения эффективности.
К другим его недостаткам следует отнести:
- необходимость значительных долгосрочных вложений для его реализации;
- недостаточна стабильность результатов при его применении в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Все это требует совершенствования технологии заблаговременной дегазационной подготовки по всем направлениям, начиная от непосредственно воздействия и интенсификации газовыделения, заканчивая режимами эксплуатации скважин на всех стадиях.
Шахты Карагандинского бассейна разрабатывают угольные пласты весьма газообильные по метану и склонные к внезапным выбросам угля и газа. Добыча одной тонны угля сопровождается выделением в горные выработки шахт от 30 до 45 м3 метана, поэтому особое внимание в процессе угледобычи уделяется вопросам снижения до безопасных значений содержания метана в районах ведения горных работ и его утилизации. Достигнутая за последние годы небывалая для Карагандинского бассейна нагрузка на очистные забои, порядка 5-7 и более тыс. тонн в сутки, позволила организовать в угольном департаменте работу по схеме шахта - лава. Сегодня на каждой шахте работают лавы с миллионной нагрузкой.
Вместе с тем, концентрация горных работ привела к росту в 2-5 раз абсолютной газообильности выемочных участков достигающей 100-150 м3/мин. Для обеспечения нагрузок на уровне 5000-8000 т/сут при газоносности угольных пластов более 20 м3/т в современных горнотехнических условиях эффективность дегазации добычного участка должна составлять не менее 8085%, а разрабатываемого пласта 40-50%.
Особое внимание уделяется заблаговременной дегазационной подготовке особо выбросоопасного пласта d6 в Шахтинском регионе. Работы по этому направлению ведутся в постоянном научнопроизводственном сотрудничестве с Московским государственным горным университетом.
Фактически в этом случае реализуется концепция метанобезо-пасности, технологической основой которой является заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов. Заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов через скважины с поверхности является первой стадией разработки угольных месторождений, целью которой является снижение газоносности угольного пласта и обеспечение безопасных условий ведения горных работ.
Сведения о развитии заблаговременной дегазационной подготовки в Карагандинском бассейне представлены в табл. 1.
Работы по совершенствованию технологии гидродинамического воздействия выполнялись при обработке пласта d6 на поле шахты «Казахстанская» в период с 2000 по 2007 годы МГГУ (см. табл. 2). В этот период были испытаны следующие технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки:
- на скважинах № 23, 24, 42 - пневмогидровоздействие;
- на скважинах № 25,26,27,29,38, 47 - гидродинамическое воздействие с использованием эффекта самоподдерживающегося разрушения угля;
- на скважине № 28,46 поэтапное пневмогидровоздействие с выдержкой рабочей жидкости;
- на скв. № 30 - воздействие с использованием вспенивающихся веществ, а на скв. №41 -пневмогидравлическое воздействие с использованием эффекта аэрации рабочей жидкости;
- на скв. № 34 и 40 гидровоздействие с использованием гидроудара.
Результаты анализа эффективности различных технологий воздействия на угольный пласт d6 приведены на рис. 1-3.
При анализе была исключена скважина ГРП № 32, процесс гидровоздействия на которой имел существенные отличия, а динамика освоения этой скважины отличалась повышенной интенсивностью.
Обобщенные результаты анализа эффективности различных технологий воздействия на угольный пласт d6 приведены в табл. 2.
и
Заблаговременная дегазационная подготовка угольных запасов на шахтах Карагандинского бассейна
Количество Срок Съем метана
№ Шахта Период проведения работ Скважин ГРП Пластоопе раций освое- ния, лет Всего, 3 млн. м На тонну обработанных запасов, м3/т
1 Им. Калинина 1970-1974 9 18 Извлечение метана на поверхность не велось. В
2 Чурубай -Нуринская 1983 3 4 зонах ГРП бурились пластовые скважины, эффективность которых была увеличена в 1,8-2,5 раза
3 Карагандинская 1979-1980 2 2
4 Им.50летия Окт. Революции 1980-1982 8 8 4 7,5 3,40
5 Саранская 1973-1988 18 29 6 14,2 4,80
6 Стахановская 1985-1988 4 4 2 1,7 1,38
7 Им. Костенко 1967-1980 41 51 3 24,9 2,90
8 Сокурская 1977-1982 7 22 4 10,2 3,35
1987-1990 16 58 2 2,1 0,14
9 Им. Ленина 1983-1990 14 14 8 18,2 6,0-9,0
1996-2004* 8 8 3 4,2 4-6
10 Шахтинская 2005-2006* 3 6 1,5 0,2 -
11 Казахстанская 2000-Н.В.* 25 25 8-10** 12,5** 6-8**
ИТОГО 158 249 95,7
* - работы в Угольном департаменте АО «АрселорМиттал Темиртау»
** - освоение скважин продолжается
Дебит
Рис. 1. Динамика дебита метана: А) - при гидровоздействии; Б) - при пневмогидровоздействии
Д)
Рис. 2. Динамика дебита метана.: С) - при гидровоздействии; Д) - ГРП №30 (воздействие с использованием вспенивающихся веществ); ГРП №28 (пневмогидровоздействие с выдержкой рабочей жидкости)
Рис. 3. Усредненная динамика дебита метана.: 1 - при гидровоздействии; 2 - при пневмогидровоздействии; 3 - при гидродинамическом воздействия с использованием эффекта самоподдерживающегося разрушения угля; 4 - при пневмогидровоздействии с выдержкой рабочей жидкости; 5 - при воздействии с использованием вспенивающихся веществ
Таблица 2
Сравнительный анализ эффективности различных технологий воздействия
№ п/п Технология ЗДП К-во сква- Показатели эффективности извлечения метана
жин Фактический съем метана за 5 лет 3 освоения, тыс. м Средний съем за 5 лет освоения, м3/т
1 Г идровоздействие 5 600 3,0
со Пневмогидровоздействие Гидродинамическое воздействие с использованием 2 760 3,8
4 эффекта самоподдерживающегося разрушения угля Пневмогидровоздействие с 4 910 4,5
5 выдержкой рабочей жидкости Воздействие с использова- 1 1000 5,0
нием вспенивающихся веществ 1 1100 5,5
В соответствии с проведенным анализом для пласта d6 наиболее эффективны технологии гидродинамического воздействия с использованием эффекта самоподдерживающегося разрушения угля, пневмогидровоздействия с выдержкой рабочей жидкости и воздействия с использованием вспенивающихся веществ. Вместе с тем нужно отметить, что по двум последним технологическим схемам обработано только по одной скважине ЗДП. Анализ технологии гидровоздействия с использованием гидроудара показал, что ее эффективность находится на уровне технологии обычного гидровоздействия. Однако технология гидровоздействия с использованием гидроудара была применена на глубинах залегания пласта d6, возросших с 500-550 до 700 метров.
В настоящее время основными направлениями исследований являются: технология гидрообработки без извлечения рабочей жидкости и повышение эффективности освоения скважин.
В соответствии с «Программой заблаговременной дегазации угольных пластов на полях шахт УД АО «Миттал Стил Темиртау» на 2007-2020 г.г.» общее количество скважин ЗДП на западном крыле шахтного поля «Казахстанской» составит 33 штуки. Участок, подготавливаемый заблаговременной дегазацией через 33 скважины, имеет длину по простиранию 1200 м и по падению пла-
ста - 1500 м. Обрабатываемые запасы угля составляют 14 млн т. Проектный съем метана заблаговременной дегазацией составляет 4-6 м3/т. \ят
Slastunov S. V., Kolikov K.S., Kashapov K.S.,
Groznov N.N., Schmidt M. V.
EXPERIENCE AND PROSPECTS OF TIMELY DEGASSING IN THE KARAGANDA COAL BASIN
We have considered the results of advanced coal seams degassing in Karaganda basin. Here, also are presented the results of hydrodynamic coal seam treatment technology improvement from mine field “Kazachstanskaia”. The effectiveness analysis of various technologies used to recover methane has shown that even with the depth of seam occurrence 500-700m the recovery rate is 5-6 m3/t. the fact ensures the required efficiency of mining operations.
Key words: coal seams degassing, hydro dismemberment, coal seams, methane safety.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук,
Коликое К. С. - доктор технических наук,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
Кашапое К.С., Грозное Н.Н., Шмидт М.В. - УД АО «АрселорМиттал
Темиртау».
А
