CC BY
36
© С.В. Сластунов, Ю.Ф. Васючков, А.К. Логинов, 2007
УДК 622.3:658.657
С.В. Сластунов, Ю. Ф. Васючков, А.К. Логинов
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА МЕТАНОДОБЫВАЕМОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА КОНКРЕТНЫХ ШАХТНЫХ ПОЛЯХ (НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ «КОМСОМОЛЬСКАЯ» ВОРКУТИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ)
Методика оценки метанодобываемости из угольных пластов изложена в работе [1]. Для того чтобы провести расчеты (оценку) метанодобываемости нужно выбрать конкретный угольный пласт и конкретные горно-геологические условия.
На поле шахты «Комсомольская» выбран пласт «Тройной» в зоне скважин гидрорасчленения № 1-3, пробуренные с поверхности в 2000-2001 гг. Исходные данные получены частично от основных производителей опытно-экспериментальных работ (к.т.н. Шилов А.А.-ответственный исполнитель НИОКР МГГУ, к.т.н. Агарков А.В. - начальник экспедиции «Печоруглеразведка», руководитель научно-производственных работ), частично - по эмпирическим зависимостям изменения пористости от давления газа в пласте и связи газопроницаемости пласта с его пористостью на данной глубине Нср = 1000 м.
Данные величин Н, Уг, И, х приняты по фактическим материалам. Давление метана на данной глубине посчитано исходя из данных геологических отчетов по шахте «Комсомольская» по формуле:
~ (нср - н г,)
в + Рг д.
(1)
где кзат - коэффициент учитывающий затухание степени нарастания газового давления с глубиной; Нгд. - глубина фактического из-
мерения газового давления, м; Рг.д. - газовое давление на глубине Нгд., МПа; В - ступень нарастания газового давления в условиях Воркутинского угольного месторождения, В = 125 м/МПа. Принимая кзат =0,85, Нср = 1000 м, Нгд. = =570 м и Ргд. = 4,13 МПа, для поля шахты. «Комсомольская» получаем Рпл = 6,43 МПа.
Пористость угля на глубине Нср определить практически невозможно, так как эта величина определяется в лабораторных условиях, а следовательно - в разгруженном состоянии образцов угля. Поэтому нами решено в первом приближении использовать эмпирические зависимости изменения пористости и водопроницаемости в зависимости от нагрузки на образец угля (горного давления) [2] при 10 < о < 30:
т = т0 + с(Аа -10) (2)
и
кв = к0 + с(Аа-10) (3)
где Аа = а - Рг; о - горное давление на данной глубине а = g -р- Н -10-6 МПа; Рг - газовое давление на той же глубине (см.выше), g = 9,81 м/с2; р - плотность налегающих пород р = 2500 кг/м3; Н = глубина залегания пласта, м. Для пласта «Тройной»; о = 9,81 -2500-1000-10-6 = 24,5 МПа, До = 24,5-6,43 = 18,07 МПа.
Подставляя До получаем для угля пласта «Тройной»: т = 0,042 - 0,0003 (18,07 -10) = 0,0395 (3,95 %). (4)
Для расчета потерь на фильтрацию в стенки угольных блоков
[2] для определения действующей газоотдающей поверхности трещин гидрорасчленения в угольном пласте необходимо знать величину водопроницаемости угольных блоков внутри массива. Воспользуемся формулой (3): для пласта «Тройной» -кв = 0,005 - 0,0002 (18,07 - 10) = 0,0033 дарси (5)
В таблице приведены исходные горно-геологические и газовые характеристики пласта «Тройного».
Оценку метанодобываемости из угольного пласта «Тройной» произведем на основе Методики оценки метанодобываемости из угольных месторождений [1].
Объем закачки рабочей жидкости
Vщ =п - Я ,2 - И - т , (6)
общ эф 5 V '
где Яэф - эффективный средневзвешенный (по всем системам трещин) радиус влияния скважины гидрорасчленения, м; И - геологическая мощность угольных пачек пласта, м; т - пористость на глубине Нср. При Яэф = 100 м
Исходные горно-геологические и газовые характеристики угольного пласта для расчета метанодобываемости из них.
№№ п/п Характеристика Единица измерения Пласт «Тройной»
1 Индекс пласта - И 14+13+12
2 Глубина залегания расчетной зоны, Нср м 1000
3 Мощность пласта, И м 2,5
4 Мощность угольных пачек м 2,40
5 Выход летучих, Уг % 31,8
6 Метаноносность угля в зоне, х м3/т.с.б. 33,0
7 Давление метана в пласте, Рг МПа 6,43
8 Пористость угля на глубине Нср, т 3,95
9 Проницаемость угольных блоков по воде на глубине Цр, к0в мдарси (1мдарси=10-15м2) 3,3
для пласта «Тройной»:
Vобщ = 3,14-1002-2,4-0,03 95=29 76 ~2980м3. (7)
Начальная скорость газоотдачи угля в массиве Например, для пласта Е5 (ш. «Капитальная»), как было установлено в параллельном расчете для другого объекта (численное значение приводиться для ориентира):
00 = Ах(0.0004 - V"2 +0,16 = 0.7 -12(0,0004 - 33,42 +0,16) =
3 2 (8)
= 5,09м / м сут
где Д - коэффициент осушения пласта; х - метаноносность угля, м3/т; Уг - летучих, %.
В нашем же случае, для угля пласта «Тройного»:
00 = 0,7 - 33(0,0004 - 31,82 + 0,16) = 13,04 м3/м2сут (9)
Объем жидкости, отфильтровавшейся в пласт при гидрорасчленении пласта
Vф = 4,56 к-^рР ]Г , (10)
/Л-у1ПХ 1
где к - коэффициент проницаемости угля для воды, м2; к - мощность пласта, м; Ар = Рр - Рг; рр - давление гидрорасчленения угольного пласта, Па; Яэф- радиус распространения трещин данной системы, м; п - число раскрываемых систем трещин при гидрорас -членениии пласта; ТН - время нагнетания рабочей жидкости в пласт, с; ц - вязкость воды, Па с; х - пьезопроводность угольного пласта:
к
х =-------------- или при т0в = 0 упрощенно -
М- (™в ж +вуг ) к
х = —Г (11)
М-вуг
где вуг - коэффициент объемной упругости угля, вуг = 5 • 10-9 Па -1.
Для пласта "Тройной" объем отфильтровавшейся рабочей жидкости равен:
, =^_____________3-80/42571 = 9593~96и м3
Ф
= 4,56-3,3-10 -2,40(39,2-6,43)-Ю6 3-8^л/4257Г = 959,3~960 м3 (12)
3,14-3,3-10-15
1,8-10-
V 0,0018 - 5 -10-9
Давление гидрорасчленения в рассчитывается в соответствии с [3] с коэффициентом 1,6 от горного давления.
Объем рабочей жидкости, ушедшей на раскрытие трещин расчленения составляет Для пласта "Тройной":
УТр = 2980 - 960 = 2020 м3 (13)
Газоотдающая поверхность трещин составляет
V 2-2740 2
5 = 2^^ = 2 2740 = 548000 м2 (14)
газ 0,001 0.01
у пласта "Тройной":
5 = 2-2020 = 404000 м2 (15)
газ 0.01
Прогнозная метанодобываемость скважины через одиночную скважину составляет:
М = а - О -г , (16)
скв *^м.с. экс 5 V '
где а - коэффициент, учитывающий снижение степени интенсивности извлечения метана через одиночную скважину, а = 0,7; Qм.с. -начальный дебит одиночной скважины, питающейся метаном из трещин гидрорасчленения (м3/сут):
О = 2-5 -вп (17)
*^м.с. газ 0 V '
где 1;экс - время эксплуатации скважины, сут.
Подставляя значения 8газ, 00 и принимая 1;экс =365сут, получаем годовую метанодобываемость скважины гидрорасчленения для пласта "Тройной":
Мске = а - 2- -00 -гккс = 0,7-2-404000м2 -13,04м3/м2сут -365 =
(18)
= 7375424 = 7,37 млн.м
Оценка метанодобываемости по пластам "Тройному" и "Четвертому" на поле шахты "Комсомольская"
Исходные данные по пласту "Четвертому"
Ь = 15 м, Уг = 31,9 %, х = 35 м3/т, Рг = 6,8 МПа, т = 2,9 %, к = 2,0 мдарси, Н = 1020 м.
Расчетные данные: Ргрп = 40,0 МПа;
Ар = Ргрп - Рг = 40 - 8,4 = 31,6 МПа;
Уф = 743 м3; Уобщ. = 1055 м3; Тн = 15071 с;
Утр = 1055 - 743 = 312 м3; 8газ = 2 • Утр/0,01 = 62400 м2 По пласту "Четвертому"
00 = 0,5 • 35(0,0004 (31,9)2 + 0,16) = 9,92 м3/м2 сут Q0м.пл. = 624000 • 9,92 = 0,619 млн. м3/пл.сут Для пласта "Тройной"
Q0м.пл. = 4004000 • 13,04 = 5252 тыс. м3/пл.сут XQ = 0,2(5,252 + 0,619) • 365 = 0,43 млрд.м3/г Выполненный расчет является методологическим примеров для определения потенциального уровня метанодобываемости всех участков проектируемой шахты «Воркута». Конкретные данные по метанодобываемости позволят выбрать оптимальную схему заблаговременной дегазационной подготовки угольных пластов скважинами с поверхности там, где возникнет необходимость достижения проектных нагрузок на очистные забои в планируемые сроки с использованием глубокой дегазации непосредственно угольного пласта для снятия ограничений на нагрузки на очистные забои по газовому фактору.
Действующие угледобывающие шахты «Северная», «Ворку-тинская», «Заполярная» и «Комсомольская», объединение которых предусмотрено для доработки запасов месторождения, разрабатывают свиту из 4 пологих пластов, залегающих в виде синклинали -Воркутской мульды.
Для проветривания 10 очистных и 35 подготовительных забоев в шахты подается около 100 тыс. м3 воздуха в минуту. В схеме проветривания шахт участвуют 22 вертикальных ствола, из которых 8 оборудованы вентиляторами главного проветривания. Каждая из шахт содержит собственные комплексы погрузки и административно-бытового хозяйства.
Горно-геологические условия разработки проектируемой объединенной шахты «Воркута» являются особо сложными: размеры шахтного поля - примерно 7,0х17,2 км; глубина разработки - 7001000 м; пласты не склонны к самовозгоранию, опасны по взрывчатости пыли,
Все 4 шахты, объединяемые в одну, разрабатывают пласты угля, опасные по взрыву пыли, пласты «Мощный» и «Тройной» являются опасными по внезапным выбросам угля и газа, а пласт «Пятый» по экспертной оценке НЦ ВостНИИ отнесен к опасным на полях шахт «Воркутинская» и «Комсомольская». И только пласт «Четвертый» не является опасным по внезапным выбросам угля и газа.
Для дегазации угольных пластов и выработанных пространств на действующих в настоящее время шахтах используются 6 ваку-ум-насосных станций.
Производительность очистных забоев лимитирована по фактору вентиляции. Существующие на шахтах вентиляционные сети, их протяженность и состояние обуславливают крайне неэффективное использование подаваемого в шахту воздуха. К очистным и подготовительным забоям подается лишь 30 - 35 % общего объема подаваемого воздуха. В результате производительность очистных забоев вдвое - втрое ниже технических возможностей оборудования. С развитием горных работ ситуация имеет тенденцию к ухудшению.
В современных условиях даже расчетная максимальная нагрузка на лаву не превышает 1500-1600 т/сут. Планируемая нагрузка составляет 3000-3300 т/сут, прогнозное газовыделение разрабатываемого пласта достигает 6,5-8,5 м3/т. Без кардинального снижения газообильности горных выработок и в первую очередь разра-
батываемого пласта обеспечить такую нагрузку не представляется возможным. В качестве альтернативы рассматриваются варианты подготовки с помощью парных (и даже трех) выработок и заблаговременная дегазационная подготовка [2,34-6]. Следует отметить, что в сложных климатических условиях Воркутинского месторождения повышенный интерес представляет не только традиционная схема заблаговременной дегазационной подготовки с продолжительным освоением скважин, но возможно в большей степени комплексная дегазация (предусматривающая использование пластовой дегазации в зонах гидрорасчленения) и гидрорасчленение угольных пластов без освоения скважин (в этом случае снижение газовыде-ления обеспечивается блокированием метана в угольном пласте).
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васючков Ю.Ф. Оценка угольного месторождения для добычи метана. ГИАБ, 2004. - №8
2. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. - М.: Недра, 1986. - С. 132.
3. Временное руководство по дегазации шахтных полей Карагандинского бассейна с гидравлическим расчленением свит угольных пластов. - М.: МГИ,
1975. - С. 45.
4. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра, 1979. - 271 с.
5. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: изд-во МГГУ, 1996. - 441 с.
6. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: изд-во МГГУ, 2002. 383 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Сластунов С.В.— профессор, доктор технических наук,
Васючков Ю.Ф. - профессор, доктор технических наук,
Московский государственный горный университет.
Логинов А.К. - кандидат технических наук, ОАО «Воркутауголь».
