CC BY
52
© С.В. Сластунов, К.С. Коликов, Е.В. Мазаник, М.Г. Лупий, 2009
УДК 622.831
С.В. Сластунов, К.С. Коликов, Е.В. Мазаник,
М.Г. Лупий
РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ ШАХТЫ «КОТИНСКАЯ»
ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»
В условиях высокопроизводительной отработки запасов угля даже на шахтах III категории газовыделение из разрабатываемого пласта является сдерживающим фактором. Представлены основные технические решения по заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов для условий шахты «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Ключевые слова: газообильность шахт, гидрорасчленение, цементация за-трубного пространства.
Углубление и интенсификация горных работ сопровождается ростом газообильности шахт, что приводит к повышенным затратам, снижению производительности труда, недоиспользованию основных производственных фондов. Возникает необходимость проведения инженерной дегазации угленосной толщи в целом по месторождению или отдельных шахтных полей.
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 для подготовки и отработки его запасов.
По самому характеру задачи дегазация должна входить в комплекс подготовки месторождения к разработке наряду с геологоразведкой, осушением и др.
Основные технологические требования к дегазации сформулированы следующим образом:
1) глубокая равномерная дегазация угленосной толщи по всему шахтному полю;
2) разделение во времени и пространстве горных и дегазационных работ со значительным опережением последних;
3) обеспечение безопасности горных работ;
4) экономическая состоятельность.
При подземной разработке угольных месторождений главные опасности и вредности возникают в результате газовыделений, выбросов, пылеобразования, самовозгорания, тепловыделений.
Скважина с дневной поверхности является таким объектом, с помощью которого можно бороться с основными опасностями и вредностями в шахте. Для этого необходимо определить источник последних и свойства угленосной толщи.
Для обеспечения высокой эффективности работ в смысле охвата из одной скважины большого участка шахтного поля первая гидравлическая обработка толщи проводится в режиме гидрорасчленения. После освоения скважин и принудительного извлечения метана рационально использовать основное сооружение - скважину, комплексно, для углубления дегазации угленосной толщи и предотвращения других опасностей и вредностей.
Учитывая большую разнородность источников газовыделения и разнообразие горно-геологических условий, а также сложность свойств угленосной толщи, заблаговременная дегазация может быть осуществлена через скважины с поверхности и включать в себя комплекс инженерных (активных) воздействий на неразгруженную от горного давления угленосную толщу, таких как: гидрорасчленение, являющееся базовым видом воздействия; пневмогидровоздействие в различных режимах (пневмооттеснение рабочей жидкости, пневмотепловое воздействие); циклическое гидрорасчленение с использованием газообразного азота; циклическое пневмогидровоздействие с использованием эффекта самоподдер-живающегося разрушения угля; физико-химическое воздействие на угольные пласты растворами полимеров и мономеров; гидрорасчленение с использованием эффекта гидроудара; воздействие с использованием вспенивающихся веществ.
Технико-экономическая эффективность заблаговременной дегазационной подготовки подтверждается опытом работ, проведенных на ряде шахт Донецкого и Карагандинского угольных бассейнов, где при освоении скважин ГРП была продемонстрирована возможность снижения газоносности угольных пластов на 6-9 м3/т запасов.
С учетом плана развития горных работ и предполагаемых сроков отработки лавы 5209 пласта 52 шахтой «Котинская» - 2011-
2013 гг., проектом предусматривается бурение скважин гидрорасчленения пласта и их последующее освоение с откачкой воды и газа.
Проектом предусматривается бурение десяти скважин (ГРП №1-№10), вскрытие очистным забоем ближайшей зоны гидрообработки предполагается в I кв. 2012 г.
Для оценки эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов угля лавы 5209 (пласт 52) скважинами с поверхности проектом предусматривается зона сравнения протяженность которой, составляет примерно 900 м по выемочному столбу от разрезной печи. В проекте представлена схема размещения скважин ГРП по длине выемочного столба лавы 5209 пласта 52, отработка которого намечена на 2011-2013 гг.
Глубина залегания пласта на участке исследований по геологоразведочным данным составляет 300 м от поверхности.
Скважина бурится под рабочую колонну 114 мм с обсадкой до уровня, на 10-15 м ниже почвы пласта 52 цельнотянутыми трубами, соответствующими ГОСТу 632-34. Конструкция скважины определяется количеством пересекаемых водоносных горизонтов.
Цементация затрубного пространства производится методом Перкинса цементом марки 500-700. Для точного определения глубины залегания и мощности пласта 52 сразу же после окончания бурения еще до обсадки скважины выполняются следующие геофизические работы: гамма-каротаж (ГК), КС, в масштабе 1:200, 1:50. Кроме того, проводятся работы по инклинометрии скважины.
После обсадки и цементации затрубного пространства через 712 дней, скважина промывается и проверяется на герметичность (опрессовывается).
Опрессовка до давления 23-25 МПа производится нагнетанием воды насосным агрегатом ЦА (или аналогичным оборудованием) через специальную устьевую головку с выдержкой давления в течение 30 минут. Колонна считается выдержавшей испытания, если за этот период давление снизилось не более чем на 0,5 МПа.
Технология воздействия предусматривает следующую последовательность операций:
- промывка скважины;
- перфорация пласта;
- гидрорасчленение пласта;
- промывка скважины после падения давления на устье скважины;
- спуск глубинного насоса, откачка рабочей жидкости и газа.
Во время промывки вода подается по снаряду с темпом 16-18 л/с при одновременной работе одного - двух агрегатов УН-1630/700. Ещё один агрегат находится в резерве. Взвешенные остатки выносятся по затрубному пространству скважины на поверхность и сбрасываются в отстойник. Промывка производится до прекращения выноса взвешенных остатков и появления на изливе скважины чистой воды.
Исходя из величины мощности пласта 52 - 4,6 м, на скважинах ГРП по выемочному столбу лавы 5209 шахты «Котинская» предполагается применение технологии вскрытия пласта путем прорезания перфорационных отверстий в обсадной колонне с использованием гидропескоструйного перфоратора с четырьмя насадками на четырех уровнях установки перфоратора. Первый рез - уровень установки перфоратора - 0,5 м выше почвы пласта, каждый следующий рез на 1 м выше.
Вскрытие пласта производят при одновременной работе двух агрегатов. По прекращении выноса угля подачу воды прекращают, перфоратор поднимают в положение на 1,5 м выше почвы пласта и операции повторяют.
На сбросе контролируется наличие, объем и размер выносимого угля. В проекте представлено количество и расположение резов для условий лавы 5209.
По окончании гидропескоструйной перфорации, скважину промывают. В конце промывки жидкость не должна содержать песка и частиц угля.
После промывки на устье скважины монтируется устьевая арматура для гидрорасчленения пласта.
Расчленение пласта производится при одновременной работе 7-8 агрегатов типа УН-1-630/700. Эти дизельные агрегаты способны развивать рабочее давление до 70 МПа. При этом темп подачи воды одним агрегатом регулируется в диапазоне от 6 до 22 л/с.
В проекте представлена схема расстановки оборудования при гидрорасчленении пластов. Для проведения работ по гидрорасчленению пласта 52 8-9 агрегатов УН-1-630/700 (1 агрегат в резерве) через специальную арматуру высокого давления соединяются с блоком манифольда 1БМ-700. Блок 1БМ-700 оснащен 6 обратными
клапанами, через которые под давлением подается вода от отдельных агрегатов. В манифольдном блоке эти каналы соединяются и по двум высоконапорным трубам подаются на устьевую арматуру скважины 2АУ-700. Расход рабочей жидкости контролируется по технической характеристике агрегатов. Рабочее давление определяется по манометру, устанавливаемому на устье скважины.
Основными параметрами при проведении гидрорасчленения являются темп и объем закачки рабочей жидкости, радиус воздействия и давление нагнетания. При наличии слабопроницаемых пород в кровле и почве зоны гидрорасчленения представляют собой эллипсы с большой полуосью RI и малой R2. При этом эллипсы сориентированы большой полуосью по направлению главной системы естественных трещин, а эффективный радиус активного воздействия равен:
причем R2 = 0,7 R1.
Для условий проведения заблаговременной дегазационной подготовки лавы 5209 пласта 52 эффективный радиус гидрообработки принимается Rэф = 150 м. Соответственно, большая и малая полуоси зоны гидрообработки составят: Rl = 179 м, R2 = 125 м.
Реальный радиус влияния скважин ГРП будет уточняться при работе лавы 5209 в зоне гидрообработки. Проектом определены основные параметры воздействия на угольный пласт: объем рабочей жидкости, максимальный темп закачки, выход на режим обработки.
1. Объем закачки рабочей жидкости:
Qр.ж. ^Шэф^кф^кс ,
где R -эффективный радиус воздействия; h - мощность угольного пласта; кф - коэффициент, учитывающий потери жидкости на фильтрацию; кс - коэффициент, учитывающий потери жидкости при сбросе давления; тэф - эффективная (фильтрующая) пористость пласта.
2. Максимальный темп закачки рабочей жидкости, исходя из горно-геологических условий подвергаемых гидрорасчленению пластов, рассчитывается по формуле [2]:
2-ж-L•h • л ■\fm-K~-~АР
тах
где Ь - заданная протяжённость трещин; к - мощность пласта; Пср
- среднее число трещин расчленения; т - пористость; К - проницаемость; АР - перепад давления вдоль трещин; ц - вязкость закачиваемой жидкости; t - время гидрорасчленения.
Максимальный темп нагнетания рабочей жидкости составляет
- 100 л/с.
В начале процесса гидрорасчленения производится вывод агрегатов на рабочий режим. Данный этап является одним из определяющих эффективность гидрообработки. Разработана планограмма вывода на рабочий режим в каждом из цикле.
В процессе гидравлического воздействия происходит существенное влагонасыщение трещин угольного пласта, приводящее к снижению фазовой проницаемости для метана, поэтому необходимо извлечение рабочей жидкости. Освоение скважины начинается после снижения давления на устье и промывки скважины.
Ввиду наличия запаса по времени до начала отработки лавы 5209 (отработка в 2012-2013 гг.), проектом предусматривается освоение скважин ГРП (№1-№10) путем откачки рабочей жидкости и газа метана из пласта 52.
Наиболее эффективным является освоение скважин при помощи глубинных насосов с приводом от станков-качалок.
Устье скважины оснащается оголовком и производится монтаж станка-качалки. Скважина оснащается арматурой с диафрагмой для замера дебита извлекаемого газа и горелкой для факельного сжигания метана.
На начальной стадии освоения скважины глубинный насос для предотвращения его зашламовывания устанавливают выше кровли пласта 52. При установившемся режиме извлечения воды и отсутствии динамического режима ее истечения, глубинный насос опускают ниже.
В течение первых 6 месяцев освоения режим работы станка-качалки (СК) круглосуточный. Затем, в зависимости от фактического водопритока в скважину уточняются параметры циклического режима работы станка-качалки.
При периодическом режиме работы станков-качалок замеры дебита газа осуществляются перед пуском СК и через час после остановки. Следует отметить, что по опыту работ в Карагандинском бассейне, при гидрорасчленении пластов выход скважины на
максимальный дебит метана длится от 6 до 9 месяцев с начала освоения. Весь комплекс работ, связанный с бурением и опрессовкой скважин, проведением геофизических исследований в скважинах, вскрытием и гидрообработкой угольного пласта, а также с последующим освоением скважин выполняется специализированными организациями, имеющими опыт ведения аналогичных работ.
Авторский надзор за выполнением работ по воздействию на угольные пласты ведет МГГУ. Работы по гидрорасчленению угольных пластов связаны с закачкой большого количества воды и поэтому могут выполняться только в теплое время года - по сентябрь включительно. Запланированное направление отработки лавы 5209 предопределяет последовательность бурения и обработки скважин ГРП, предусмотренных проектом. В проекте представлен график ведения работ по обработке скважин ГРП. На всех скважинах по завершению работ по перфорации и гидрорасчленению пласта 52 составляется акт выполненных работ.
Освоение скважин подразумевает откачку воды и газа с помощью глубинных насосов и станков-качалок. С учетом предполагаемых сроков отработки лавы 5209, этот период времени оценивается, как недостаточно продолжительный (3 года). Проведенный прогноз метаноизвлекаемости по пласту 52 показывает предполагаемый съем за 2,5 года эксплуатации скважин 4-6 м3/т.
Работы по освоению скважин прекращаются за 2 месяца до подработки скважины очистным комбайном.
Основной целью заблаговременной дегазационной подготовки пласта 52 на поле шахты Котинская является обеспечение безопасных условий отработки пласта.
Обработка и освоение комплекса скважин ЗДП на этом шахтном поле обеспечивает заблаговременное извлечение метана из угольных запасов, подготавливаемых для безопасной отработки в 2012-2013 гг. лавой 5209.
В перспективе предусмотрено использование скважин гидрорасчленения для дегазации выработанного пространства, что создает предпосылки качественного обеспечения безопасности работы очистных забоев по газовому фактору.
Разработан аналогичный проект на заблаговременную дегазационную подготовку пласта 52 на участке лавы 5208.0тличительной особенностью технологии в данном случае
является то, что возможный срок освоения и эксплуатации скважин может составлять не более двух лет, что делает практически невозможным существенное снижение природной газоносности пласта 52 за этот незначительный период времени. В связи с этим технологическая схема не предусматривает стадий освоения и эксплуатации скважин. Эффект по снижению газообильности горных выработок предполагается достигать за счет повышения остаточной газоносности угольного пласта на 3,5 - 5,0 м3 /т вследствие блокирования метана водой в порах и трещинах, гатш
SlastunovS. V., KolikovK.S., JutjaevE.P., LupyM.G.
DEVELOPMENT OF THE BASIC TECHNICAL DECISIONS OF PRELIMINARY DEGASSING PREPARATIONS OF HIGH GAS-BEARING COAL LAYERS IN "KOTINSKY" MINE OF "SUEK-KUZBASS" PUBLIC CORPORATION CONDITIONS
High-capacity coal mining, even at mines of III category gas emission from the seam being worked is a hindrance. Here we have presented the main technical solutions for advanced degassing preparation with gas bearing coal seams under conditions of "Kotinskaia mine OAO SUEK-Kuzbass”.
Key words: mines gas fullness, hydro dismemberment, hole clearance cementation.
— Коротко об авторах ------------------------------
Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук, Коликов К.С. - доктор технических наук,
Мазаник Е.В., Лупий М.Г. -
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
