CC BY
45
К 70-, юиио КАФЕДРЫ
«аэрология : и охрана : труда» :
^ М.В. Чурадзе, 2000
УДК 622.831.322
М.В. Чурадзе
СПОСОБЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ ДЛЯ БОРЬБЫ С ВНЕЗАПНЫМИ ВЫБРОСАМИ УГЛЯ И ГАЗА
тг
|Х настоящему времени разработан ряд способов гидравлического воздействия на угольный пласт, различающихся по технологии, параметрам и режимам нагнетания. С точки зрения воздействия воды на угольный пласт способы могут быть подразделены на три группы:
• нагнетание воды в пласт без нарушения его целостности (обычное и микрокапиллярное увлажнение);
• насыщение массива водой на пределе упругих деформаций угля (гидрорыхление, внутримассивный гидроразрыв, гидрорасчленение);
• нагнетание воды в массив с нарушением его целостности (гидроотжим призабойной зоны пласта).
Увлажнение угольного массива без нарушения его сплошности, предложенное ВостНИИ в качестве комплексного метода борьбы с опасными и вредными явлениями в шахтах, применяется, в основном, в районах, где угольные пласты разрабатываются на небольших глубинах (300-400 м) и имеют повышенную фильтрационную способность (Кузнец-кий и Карагандинский бассейны, отдельные участки Воркутинского месторождения) [1]. Сущность этого метода заключается в изменении механических, фильтрационных и газодинамических свойств массива за счет его увлажнения путем нагнетания воды в специальном режиме, при котором в каждый момент количество воды, поступающей в массив, соответствует фильтрационной способности пласта, а развиваемое давление не деформи-
рует среду (низконапорное увлажнение).
Микрокапиллярное увлажнение осуществляется в аналогичном режиме. Процесс гидрообработки отличается длительностью в расчете на использование законов самодвижения жидкости. Результаты исследований ДПИ [2] показывают, что в условиях Донбасса такое нагнетание воды в угольные пласты не приводит к равномерному насыщению и существенному увеличению влаги в них, т.к. фильтрация жидкости в массиве происходит по крупным порам и в первую очередь - по трещинам. В настоящее время применяют нагнетание воды в угольный массив с добавками поверхностно-актив-ных веществ (ПАВ) и полимеров для повышения равномерности влагонасыщения и направленного изменения физикомеханических свойств угля при низконапорном нагнетании [3].
Первые экспериментальные работы по изучению изменений свойства выбросоопасных угольных пластов в связи с нагнетанием воды на пределе упругих деформаций были проведены МакНИИ [4, 5]. Установлено, что в результате нагнетания воды через скважины, пробуренные со стороны забоя выработки, в угольном массиве происходит трещинообразование и перераспределение напряжений, падение давления газа, что приводит к снижению степени выбросоопасности пласта. Выявленные закономерности изменения давления газа, газовыде-ления, распространение воды и др. позволили авторам [5] следующим
образом представить механизм воздействия на угольный пласт воды, нагнетаемой вне зоны влияния горных работ. Проникая под давлением в пласт, вода постепенно вытесняет газ, который удаляется через имеющиеся, а также вновь образуемые водой мелкие трещины, вызывающие увеличение водопроницаемости пласта и уменьшение его упругих свойств. Расширение пор и трещин при нагнетании может настолько увеличить фильтрационную способность пласта, что основная часть свободного газа после увлажнения выйдет через открытые трещины, т.е. перераспределение напряжений, вызванное нагнетанием воды, приводит к дегазации пласта.
Используя указанные предпосылки для условий Донбасса был разработан и промышленно испытан способ предотвращения выбросов в очистных забоях с помощью нагнетания воды в угольные пласты через глубокие скважины [6]. Отличительная особенность способа заключалась в том, что режим увлажнения должен быть таким, чтобы нагнетание воды после равномерного увлажнения массива по всей мощности приводило к увеличению фильтрационных характеристик пласта и к последующему возрастанию газовыделения из скважин. При широком внедрении способа был выявлен ряд его недостатков, в основном технического и технологического характера. Поэтому высоконапорное нагнетание воды через длинные скважины в настоящее время практически не применяется.
Гидрорасчленение и последующая дегазация пласта осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности, с целью раскрытия и расширения естественных трещин и насыщения массива жидкостью, что должно привести к увеличению проницаемости пласта и в результате - к снижению пластового давления, газоносности и повышении пластических свойств угля [7].
Все приведенные выше методы гидравлического воздействия на пласт предназначены для обработки угольного массива на больших площадях и являются региональными способами предотвращения выбросов угля и газа.
Известно, однако, что выбросо-опасность угольных пластов имеет узколокальный (зональный) характер. Анализ опыта разработки выбросоопасных пластов Донбасса показывает, что площадь зон, в которых зарегистрированы выбросы, не превышает 1-2 % от общей площади разработки. Поэтому большое распространение получили локальные способы борьбы с выбросами, осуществляемые непосредственно из забоев выработок [8]. К ним, в частности, относили гидроразрыв, гидроразмыв, гидроотжим и гидрорыхление угольного пласта (МакНИИ).
Однако, гидроразрыв угольного пласта, сущность которого заключается в создании новых и расширении имеющихся трещин в массиве, имеет тот недостаток, что процесс его неуправляем и в обработанной зоне остаются участки, куда вода вообще не поступает [9].
Внутримассивный гидроразмыв пласта - нагнетание воды в одну скважину и отвод угольной пульпы через другую - разгружает пласт и обеспечивает более равномерное увлажнение угля [10]. Но способ не получил распространения в связи с большими техническими трудностями его осуществления.
Гидроотжим угольного пласта представляет собой высоконапорное нагнетание воды в призабойную, неразгруженную часть массива через шпуры длиной 3-5 м, что приводит к интенсивному разрушению краевой части пласта, сопровождающемуся отжимом угля [3]. Способ может быть рекомендован для таких условий, где из-за повышенной напряженности краевой части пласта возникают трудности в бурении скважин. Однако, именно в таких условиях процесс гидроотжима может сопровождаться выбросами и другими газодинамическими явлениями.
Работами, выполненными Мак-НИИ в последние годы, установлено, что эффективным способом предотвращения выбросов угля и газа является высоконапорное нагнетание воды (гидрорыхление) из забоев горных выработок. В настоящее время этот способ является одним из самых распространенных на шахтах Донбасса. По состоянию на 01.07.99 г. этот способ применялся в 85 очистных и 105 подгото-
вительных забоях выбросоопасных пластов Донецкого бассейна.
На первых этапах исследований (60-е годы) нагнетание воды осуществляли через скважины длиной 1020 м с глубиной герметизации 5-15 м, расположенные на расстоянии 10-15 м друг от друга или в кутках уступов (ниш). Было установлено, что вода при нагнетании распространяется неравномерно как по мощности, так и по элементам залегания пласта. Преимущественное распространение воды имеет место по кливажным трещинам, по отдельным пачкам угля, по контактам между пачками и между пластом и вмещающими породами. На отдельных шахтопластах вода в массив вообще не поступает из-за ухода ее в породы почвы и кровли. Достигнутый при нагнетании воды прирост влаги, как правило, не соответствует количеству закачанной в пласт воды и уменьшается по истечении времени, прошедшего с момента окончания нагнетания, а также по мере подвигания забоя.
В настоящее время параметры способа принимаются в соответствии с действующей «Инструкцией...»^]. При практическом применении нагнетания воды в пласт важное значение с точки зрения эффективности гидрообработки массива имеет правильный выбор параметров нагнетания: геометрии расположения скважин, их длины и глубины герметизации, режимов подачи воды в пласт, в частности, давления нагнетания и количества рабочей жидкости.
Обращает на себе внимание то обстоятельство, что большинство выбросов угля и газа [11], имевших место при выполненных параметрах гидрорыхления, произошло на больших глубинах (800 м и более). Объясняется это по-видимому тем, что применяемые в настоящее время параметры и технология гидрорыхления разработаны на основании исследований, выполненных на глубинах 500-800 м. Экстраполяция их на более глубокие горизонты неправомочна, поскольку свойства и состояние угольных пластов с глубиной разработки изменяются, что в свою очередь приводит к несоответствию применяемых параметров гидрорыхления конкретным горно-геологи-ческим условиям. В 80-е
годы МакНИИ разработан инженерный метод (номограмма) для расчета параметров гидрорыхления на больших глубинах[12], но этот метод не нашел практического применения из-за сложности определения основных параметров способа.
Опыт применения гидрорыхления в очистных выработках шахт Донбасса на глубине ведения горных работ 1000...1200 м показывает, что с увеличением глубины разработки свойства и состояние угольных пластов изменяются, что в свою очередь приводит к несоответствию применяемых расчетных параметров гидрорыхления конкретным горно-геологическим условиям. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выполнить работы по экспериментальному определению оптимального режима нагнетания воды (расхода и давления) для эффективного гидрорыхления угольного массива. Такие работы выполнены при ведении очистных работ в условиях усобо-выбросоопасного пласта hg в пределах шахтного поля (т^к. глубина разработки пласта hg более 1000 м) Государственного открытого акционерного общества (ГОАО) "Шахта им. А.А. Скочинского" ГХК "Донуголь". Исследования проводились в двух лавах - в 1-й западной лаве уклонного поля центральной панели (УПЦП) и 8-й восточной лаве бремсбергового поля восточной панели (БПВП).
Гидрорыхление в лавах выполнялось последовательно участками в специально выделенную смену. При ежесуточном подвигании каждого очистного забоя на 1,2 м в течение месяца производится в среднем 4.5 полных циклов гидрорыхления по всей длине лав. Оценка газодинамического состояния призабойной части пласта до и после гидрорыхления производилось путем измерения величины зоны разгрузки, определяемой по динамике начальной скорости газовыделения при поинтервальном бурении нагнетательных скважин и контрольных шпуров, располагаемых между нагнетательными скважинами. Величина зоны разгрузки определялась согласно Инструкции [3].
Для гидрорыхления пласта герметизация скважин осуществлялась
на глубину 6,0 м рукавным герметизатором типа "Таурус" длиной 5,0 м с удлинителем. В процессе нагнетания регистрировалось изменение давления и расхода воды по манометру и счетчику-расходомеру, установленных на насосе. Кроме того, в процессе бурения скважин и нагнетания воды производилась запись на магнитофонную ленту возникающих при этом акустических сигналов в соответствии с требованиями Руководства [13], по которым также определялась величина зоны разгрузки и продолжительность активного процесса гидрорыхления.
Анализ выполненных исследований в указанных лавах показал, что при большой величине зоны разгрузки (в пределах 4,0 м), начальное давление нагнетания может быть значительно меньше требуемой величины 0,75 ?Н, вследствие повышенной водопроницаемости пласта в этой зоне, что следует рассматривать как объективную реаль-
ность, но и при этом нагнетание должно продолжаться в обычном порядке до появления признаков законченности процесса гидрорыхления.
На основании результатов экспериментальных работ для выполнения гидрорыхления в лавах 1-й западной УПЦП и 8-й восточной БПВП были сделаны следующие выводы.
1. Начальное давление нагнетания воды (Рн), включая потери напора за счет гидросопротивления нагнетательной магистрали и герметизатора скважин, принимать не менее величины 0,75 уН, которое с учетом глубины отработки лав Н = 1175...1245 м и объемного веса пород у = 2,4...2.5 т/м3, приведенных к соответствующим размерностям, составляет 21,7...22,6 МПа.
В тех случаях, когда при номинальной производительности насосной установки вода в пласт поступает, но максимальное давление на-
гнетания не достигает величины 0,75 уН, нагнетание должно продолжаться в обычном порядке до снижения давления не менее чем на 30 % от максимального и подачи в скважину расчетного количества воды.
2. Установленный экспериментально фактически необходимый удельный расход воды на тонну угля в зоне гидрообработки пласта через одну скважину составляет 10.11 л/т и должен приниматься при расчете количества воды, нагнетаемой в каждую скважину.
Применение этих рекомендаций позволило наряду с повышением надежности способа и обеспечением безопасной отработки лав / особовыбросоопасного пласта hg в условиях ГОАО "Шахта им. А.А. Скочинского", повысить техникоэкономические показатели за счет уменьшения затрат времени и труда на выполнение гидрорыхления.
1. Чернов О.И. Развитие метода комплексной борьбы с угольной пылью, горными ударами, газовыделениями, внезапными выбросами угля и газа и эндогенными пожарами в угольных шахтах. Сб. "Нагнетание воды в угольные пласты", "Недра", 1965, с. 7-64.
2. Аршава В.Г., Медведев Б.И., Морозов И.Ф., Тарасенко В.К. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах и их предупреждение. "Техшка", 1971.
3. "Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа". М.-1979, 191с.
4. Кричевский Р.М. Возможность предотвращения внезапных выбросов путем предварительного увлажнения угольного массива. Сб. "Нагнетание воды в угольные пласты", "Недра", 1965, с. 135-157.
5. Бобров И.В., Бельская Н.Р., Кригман Р.И., Островский СМ. Механизм воздействия нагнетания воды на выбросоопасный угольный пласт. ФТПРПИ, № 4, Новосибирск, 1966, с. 3-18.
6. Временное руководство по борьбе с внезапными выбросами угля и газа путем предварительного нагнетания воды в угольные пласты через глубокие скважины в условиях Донецкого бассейна. МакНИИ, 1967.
7. Ножкин Н.В., Громов В.А., Васючков Ю.Ф., Ярунин СА. Влияние гидравлического расчленения на выбросоопасность уголь-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ного пласта. Сб. "Внезапные выбросы в угольных шахтах", "Недра", 1970, с. 366-380.
8. Божко В.Л., Симонов А.А. Внезапные выбросы угля и газа и борьба с ними на шахтах Донбасса. "Уголь Украины", 1974, № 9, с. 2-6.
9. Бобров И.В. Способы безопасного проведения подготовительных выработок на пластах, опасных по выбросам. Госгортехиздат, 1961.
10. Кульбачный А.Н. Результаты применения гидроразмыва для предупреждения выбросов угля и газа. Сб. "Нагнетание воды в угольные пласты", "Недра", 1965.
11. Статистические данные о внезапных выбросах угля, породы и газа. Фонды МакНИИ.
12. Балинченко И.И., Горягин Л.Ф., Резниченко А.И. Инженерный метод определения параметров гидрорыхления угольного пласта. - Сб. "Способы безопасного ведения взрывных работ и борьбы с выбросами" в угольных шахтах". МакНИИ, 1983, с. 46-49.
13. "Руководство по применению на шахтах Донбасса способа оперативного управления процессом гидрорыхления пласта по параметрам акустического сигнала", Макеевка, 1993, 9 с.
