CC BY
10
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И
ГЕОМЕХАНИКА II. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
■ М. С. Плаксин // M.S. Plaksin plaksinabk.ru
I канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Институт угля Федерального исследовательского центра угля и угле-химии Сибирского отделения Российской академии наук (ИУ ФИЦ УУХ СО РАН); Россия, 650065, г. Кемерово, проспект Ленинградский, 10 candidate of technical sciences, Russian Academy of Sciences Siberian Branch Federal Research Center of Coal Chemistry Institute of Coal (IU FIC UUKh SB RAsS Russia, 650065, Kemerovo, Leningradski Avenue, 10.
УДК 622.831.322
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ГИДРОРАЗРЫВА УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
TECHNOLOGICAL FEATURES OF A COAL SEAM HYDRAULIC FRACTURING DURING DE-VELOPMENT OPENING HEADING IN ORDER TO REDUCE GAS DYNAMIC PHENOMENA MANIFESTATION PROBABILITY
Вероятность проявления газодинамических явлений и в частности внезапных выбросов при проведении подготовительных выработок является основным препятствием повышения темпов отработки угольных пластов средней и высокой газоносности. «Классические» методы по снижению газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок приводят к продолжительным остановкам забоев. Указывается, что причиной низких скоростей подвигания подготовительных забоев является вероятность формирования фронта высокого газового давления в непосредственной близости от поверхности забоя. В качестве метода по ускорению реализации газового потенциала в виде выделения метана из призабойной зоны пласта в атмосферу выработки с целью снижения газодинамической опасности рекомендуется использовать нагнетание воды в угольный пласт в режиме гидроразрыва. Представлено устройство для выполнения направленного гидроразрыва через шпуры при проведении подготовительной выработки.
Gas-dynamic phenomena manifestation probability and, in particular, sudden outbursts during development opening heading is the main obstacle to increasing the medium and high gas content coal seam mining rate. "Classic" methods to reduce the gas-dynamic hazard during development opening heading lead to long stoppages in face advance. It is indicated that the reason for the low advance rates of develop-ment faces is the probability of a high gas pressure front formation in the immediate vicinity of the face surface. As a method to accelerate gas potential realization in the form of methane emission from the face area into the opening atmosphere in order to reduce the gas dynamic hazard, it is recommended to use water injection into the coal seam in the hydraulic fracturing mode. A device for performing direc-tional hydraulic fracturing through boreholes during development opening heading is presented.
Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ, ГАЗОНОСНОСТЬ,
МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ
Key words: COAL SEAM, DEVELOPMENT OPENINGS, GAS CONTENT, HIGH METHANE INFLOW, GAS-DYNAMIC HAZARD
Введение
Производительность угольных шахт напрямую зависит от темпов подвига-ния подготовительных и очистных забоев. Наблюдаемый в последние десятилетия рост производительности очистных забоев привел к необходимости повышения объемов проведения подготовительных выработок. Проблемы, связанные с вероятностью возникновения опасных газодинамических явлений, в частности внезапных выбросов угля и газа, являются главным препятствием на пути повышения темпов подвигания подготовительных забоев.
При проведении подготовительных выработок в качестве метода контроля газодинамической опасности используется метод текущего прогноза, а в качестве мер по снижению газовой и газодинамической опасности применяется бурение барьерных и (или) веера разгрузочно-де-газационных скважин. К основному недостатку применения барьерных скважин можно отнести их малую эффективность вследствие низкой продуктивности дегазационных скважин в целом [1]. К основному недостатку применения веера разгрузочно-дегазационных скважин можно отнести негативное влияние, оказываемое на продолжительность рабочего цикла. Более того, в качестве одной из основных рекомендаций по безопасному проведению выработок по высокогазоносным пластам является ограничение тем-
пов их подвигания. Таким образом, разработка новых мероприятий по снижению газодинамической опасности угольного пласта при проведении подготовительных выработок позволит увеличить темпы проведения выработок по высокогазоносным пластам без «ущерба» для безопасности.
Опасность проявления внезапных выбросов угля и газа связана с распределением газового давления в призабойной части угольного пласта близ забойной плоскости [2] (Рис. 1), т.е. на выбросоопасных участках пласта наблюдается «концентрация» высокого газового давления в непо-средственной близости от забоя. Снижение газового потенциала угольного пласта в при-забойной зоне позволит обезопасить процесс проведения подготовительной выработки. Задача осложняется тем, что только по мере снижения механических напряжений при подвигании забоя активизируется процесс газоистощения, который «значительно» распределен во времени вследствие особенностей фильтрационно-диффузионного движения потока газа к обнаженной поверхности пласта.
Наиболее эффективной была бы мера по планомерной и предварительной механической разгрузке угольного пласта с целью его дегазации по трассе проведения выработки, но в отличие от очистных работ [3,4] заблаговременный доступ к этой части отрабатываемого пласта
Рисунок 1. Схема распределения газового давления Р впереди забоя выработки по длине x на опасном (1) и неопасном (2) по внезапным выбросам участках пластов [2] Figure 1. Scheme of gas pressure distribution P in front of the opening face along the length x at hazardous (1) and non-hazardous (2) for sudden outbursts seam sections [2]
0,OS
V, curVcyT 0,04
0,02
u
4 — S
4 — —
20
40
60
30
100
120
Т. сут
160
сухой уголь
угсль, уалаж-енный без давле
ния
Рисунок 2. Изменение скорости газоотдачи из проб угля Figure 2. Change in the gas emission rate from coal samples
непосредственно до проведения подготовительной выработки существенно ограничен. Возможным решением по снижению газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок - создание магистральных каналов («газоотводов») с применением воды, способствующих свободной миграции газа из приза-бойной части.
Влияние воды на газокинетические свойства угля
В [5,6] с целью повышения газопроницаемости призабойной части пласта и предотвращения внезапных выбросов угля и газа предложены схемы проведения регулируемого гидроотжима при проведении подготовительных выработок. Регулируемый гидроотжим заключается в бурении шпуров в забой подготовительной выработки, создание зародышевой щели у
забоя каждого шпура, выполнении герметизации шпуров, нагнетание жидкости в загерметизированную область шпура. Контроль эффективности процесса гидроотжима осуществляется по изменению метанообильности выработки во время его выполнения.
Вода, нагнетаемая под высоким давлением в пласт, приводит, с одной стороны, к развитию системы трещин и раскрытию пор (механическое разрушение угля), а с другой стороны - к купированию этих пор и блокировке метана в угле (капиллярный запирающий эффект в микропорах) [7].
На рисунке 2 отражено насколько жидкость блокирует процесс десорбции газа из пробы увлажненного угля [8]. Скорость газовыделения из сухого угля даже на начальном этапе более чем в 4 раза превышает газовыделение из влажного угля, далее отношение скоростей
1 ЭТАП 2 ЭТАП
V - p
/ Q
I 1
t. мин
Рисунок 3. Изменение давления подаваемой жидкости и ее расхода в результате выполнения высоконапорного
увлажнения пласта с элементами гидроразрыва [19] Figure 3. Change in the supplied fluid pressure and its flow rate as a result of the seam high-pressure wetting with
hydraulic fracturing elements [19]
только увеличивается. Срок «активного» газоистощения из сухого угля более чем в 2 раза превышает газовыделение из влажного угля [8].
На рисунке 3 представлен график изменения давления подаваемой воды и ее расхода при высоконапорном увлажнении пласта с элементами гидроразрыва в классическом представлении при выполнении дегазационных мероприятий по выемочному столбу. В результате выполнения процесса высоконапорной подачи воды в пласт на первом этапе создается сеть магистральных трещин, что приводит к формированию в трещинах градиента давления свободного газа и способствует фильтрационному потоку к обнаженной поверхности угольного пласта. На втором этапе происходит вскрытие закрытых микротрещин и закупоривания микропор (т.е. режим нагнетания переходит преимущественно к режиму фильтрации воды), что приводит к снижению газовыделения. Таким образом, чтобы повысить эффективность дегазации с учетом особенностей проведения подготовительной выработки, необходимо свести к минимуму второй этап.
Разработка мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности.
Рекомендуемые к применению схемы гидроразрыва угольного пласта через дегазационные скважины указаны в нормативном документе [9], но там же отмечено: «Условия применения и параметры гидроразрыва пластов должны
быть согласованы с научно-исследовательской организацией, разработавшей способ», что указывает на малоизученность данного направления [10].
Интенсифицировать процесс газоистощения призабойной части пласта с целью снижения газодинамической опасности, кроме ука-заного гидроотжима [5], возможно также путем проведения с неснижаемым опережением по-интервального ориентированного гидроразрыва пласта через шпуры (рис.4). Представленная схема проведения гидроразрыва (рис.4) рекомендуется для пластов, состоящих в своей основе из углей преимущественно с ненарушенной или брекчевидной текстурой. Если пласт представлен в значительной мере землянисто-зерни-стым или землистой структурой угля [9], то количество шпуров для выполнения гидроразрыва необходимо увеличивать.
В качестве количественного контроля эффективности выполняемых мероприятий необходимо, как в случае с выполнением гидроотжима, использовать сравнительный анализ объема выделившегося газа из призабойной зоны пласта по данным фактической метанообильности выработки и газового потенциала угольного пласта в призабойной зоне:
Г=Х д,х,тв,$), где Х - газоносность пласта, м3/т; Н - глубина угольного пласта, м; х - размер зоны пониженных напряжений, впереди забоя выработки, м;
Рисунок 4. Схема применения мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительной выработки: 1 - скважины барьерной дегазации; 2 - регулируемый гидроотжим; 3 - поперечный гидроразрыв; 4 - продольный гидроразрыв; 5 - скважина (шпур)
для выполнения гидроразрыва; 6 - датчик метана. Figure 4. Scheme of measure application to reduce gas and gas-dynamic hazards during development opening heading:
1 - barrier degassing boreholes; 2 - adjustable hydropressure; 3 - transverse hydraulic fracturing; 4 - longitudinal hydraulic fracturing; 5 - well (borehole)
for hydraulic fracturing; 6 - methane sensor.
Таблица 1. Технические характеристики пакера манжетного механического Table 1. Technical characteristics of the mechanical sleeve packer
Диаметр устройства, мм 40
Длина максимальная, мм 1235
Допускаемое давление нагнетания, МПа до 30
Длина уплотнительных элементов, мм 2*20
Число уплотнительных элементов 2
Максимальный диаметр герметизирующих манжет, мм 92
Масса, кг до 28
Условия применения:
Диаметр шпура, мм 42-44
Производительность насосной установки, л/мин 35-60
тв - вынимаемая мощность пласта, м; - площадь поперечного сечения выработки, м2.
Гидроразрыв при проведении подготовительных выработок для достижения максимального эффекта необходимо выполнять серией с поперечным расположением трещин гидроразрыва по длине шпура. Согласно [11] для поперечного направления создаваемой трещины, необходимо выполнение двух условий: использование концентратора напряжений; длина камеры нагнетания воды должна соответствовать размеру меньше двух диаметров шпура. С учетом обоих условий, гидроразрыв через шпуры возможно осуществить с помощью устройства «Пакер манжетный механический», разработанного в ИУ СО РАН (рис. 5). Основные технические характеристики пакера представлены в таблице 1.
Общий процесс проведения мероприятия по выполнению ориентированного гидроразрыва пласта через шпуры следующий (рисунок 4):
1. Бурение шпура. 2. Доставка пакера
Рисунок 5. Пакер манжетный механический (ИУ СО РАН)
Figure 5. Mechanical sleeve packer (IU SB RAS)
до забоя шпура .3. Проведение гидроразрыва угольного пласта. Контроль давления и расхода жидкости. 4. Повторение операции 1-3 после добуривания шпура. 5. Осуществление изолированного отвода газа из шпура с применением дегазационного става (по необходимости).
В качестве заключения приведем основные отличительные характеристики гидроразрыва, выполненного в призабойную часть проводимой подготовительной выработки с целью снижения газодинамической опасности от гидроразрыва, выполняемого в тело выемочного столба с целью достижения дегазационного эффекта.
1. Временной фактор. Основной задачей гидроразрыва, выполняемого при проведении подготовительной выработки, является достижение эффекта в максимально возможные сроки, с этой целью необходимо минимизировать этап фильтрации воды в пласте при выполнении гидроразрыва, чтобы не допустить блокировки водой метана в микропорах угля.
2. Направленность. Гидроразрыв, выполняемый в призабойную часть угольного пласта для достижения максимального эффекта, необходимо выполнять в поперечном направлении, что позволит значительно повысить удельную поверхность обнажения пласта водой в его при-забойной части и скорее достичь максимального эффекта по снижению газодинамической опасности. Кроме того, неравномерность «гидрообработки» способна увеличить вероятность проявления газодинамического явления.
3. Газовый контроль. Контроль эффективности гидроразрыва при проведении подготовительной выработки осуществляется на основании оценки величины снижения газового потенциала призабойной части пласта, выполненного с применением данных о метанообиль-
г
А
ности выработки. Вывод:
Представлены и обоснованы основные
подготовительной выработки по высокогазоносным угольным пластам с целью снижения газодинамической опасности.
технологические особенности выполнения гидроразрыва угольного пласта при проведении
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Родин РИ. Эффективность дегазации шахт Кузбасса / РИ. Родин // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово. - 2011. - № 2. - С. 116-119.
2. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. - М: Недра, 1979. - 296 с.
3. Козырева Е.Н. Необходимость применения пластовой дегазации по уточненной газоносности пласта (на примере лавы № 449 Шахты «Чертинская-Коксовая») / Е.Н Козырева, М.В. Шинкевич, С.Р. Смирнов, В.Ф. Исам-бетов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово, 2018, № 1. - С. 14 - 19.
4. Козырева, Е.Н. Некоторые особенности управления метанообильностью высокопроизводительного выемочного участка / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, Н.Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. - № 9. - С. 322-325.
5. Полевщиков, ГЯ. Руководство по применению безопасного и контролируемого способа интенсивной дегазации призабойной части пласта для предотвращения внезапных выбросов угля и газа с использованием эффекта гидроотжима и аппаратуры контроля метана (регулируемый гидроотжим) / Г.Я. Полевщиков, Е.С.Розанцев, В.И.Лохов, и др.. - Кемерово: ВостНИИ, 1987. - 16 с.
6. Полевщиков, Гя. Схемы и технология прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок комбайнами на выбросоопасных мощных и средней мощности пластах / ГЯ.Полевщиков, В.С.Зыков, В.А.Рудаков - Кемерово: ВостНИИ, 1989. - 45 с.
7. 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". М.: Недра. - 1965. - С.7 - 64.
8. Хашин, В.Н. Увлажнение угольных пластов на шахтах Прокопьевского месторождения Кузбасса // Сборник трудов всесоюзного научно-технического совещания по методам нагнетания воды в угольные пласты, состоявшегося в гор. Кемерово 3-4 июля 1963 г., М., Недра, 1965. - С.122-129.
9. Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Выпуск 22. - Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. - 250 с.
10. Клишин, В.Н. Разупрочнение угольного пласта, в качестве метода интенсификации выделения метана / В.Н. Клишин, Д.И. Кокоулин, Б. Кубанычбек, K.M. Дурнин // Уголь. - 2010. - № 4. - С. 40 - 42.
11. El Rabaa, W. Experimental study of hydraulic fracture geometry initiated from horizontal wells / SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, October 1989.
REFERENCES
1. Rodin, R.I. (2011). Effektivnost' degazatsii shakht Kuzbassa [Degassing efficiency of Kuzbass mines]. Vestnik nauch-nogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 2, 116-119 [in Russian].
2. Chernov, O.I., & Puzyrev, V.N. (1979). Prognoz vnezapnykh vybrosov uglya i gaza [Sudden coal and gas outburst forecast]. Moscow: Nedra [in Russian].
3. Kozyreva, Ye.N., Shinkevich, M.V., Smirnov, S.R., & Isambetov, V.F. (2018). Neobkhodimost' primeneniya plastovoy degazatsii po utochnennoy gazonosnosti plasta (na primere lavy № 449 Shakhty «Chertinskaya-Koksovaya») [The need to use seam degassing according to the seam verified gas content (on the example of No. 449 longwall of the Chertinskaya-Koksovaya Mine)]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 14-19 [in Russian].
4. Kozyreva, Ye.N., Shinkevich, M.V., & Nazarov, N.Yu. (2011). Nekotoryye osobennosti upravleniya metanoobil'nost'yu vysokoproizvoditel'nogo vyyemochnogo uchastka [Some features of man-aging the high methane inflow of a highperformance coal extraction section]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, 9, 322-325 [in Russian].
5. Polevshchikov, G.Ya., Rozantsev, Ye.S., Lokhov, V.I., et al. (1987). Rukovodstvo po primeneniyu bezopasnogo i kon-troliruyemogo sposoba intensivnoy degazatsii prizaboynoy chasti plasta dlya predotvrashcheniya vnezapnykh vybrosov uglya i gaza s ispol'zovaniyem effekta gidrootzhima i apparatury kontrolya metana (reguliruyemyy gidrootzhim) [Guidance on the use of a safe and controlled method of intensive degassing of the seam face area to prevent sudden outbursts of coal and gas using the effect of hydropressing and methane control equipment (adjustable hydropres-sure)]. Kemerovo: VostNII [in Russian].
6. Polevshchikov, G.Ya., Zykov, V.S., & Rudakov, V.A. (1989). Skhemy i tekhnologiya prognoza i predotvrashcheniya vnezapnykh vybrosov uglya i gaza pri provedenii podgotovitel'nykh vyrabotok kombaynami na vybrosoopasnykh moshchnykh i sredney moshchnosti plastakh [Schemes and technology for forecasting and preventing sudden outbursts of coal and gas during development opening heading by combines in outburstprone thick and medium-sized seams]. Kemero-vo: VostNII [in Russian].
7. Chernov, O.I. (1965). Razvitiye metoda kompleksnoy bor'by s ugol'noy pyl'yu, gornymi udarami, gazovydeleniyami, vnezapnymi vybrosami uglya i gaza i endogennymi pozharami v ugol'nykh shakhtakh [Development of a method for the integrated control of coal dust, rock bursts, gas emissions, sudden outbursts of coal and gas, and endogenous
fires in coal mines]. Collection "Water infusion into coal seams", 7-64. Moscow: Nedra [in Russian].
8. Khashin, V.N. (1965). Uvlazhneniye ugol'nykh plastov na shakhtakh Prokop'yevskogo mestorozhdeniya Kuzbassa [Humidification of coal seams in the mines of the Prokopyevsk deposit in Kuzbass]. Proceedings from: All-Union Scientific and Technical Conference on Methods for Injecting Water into Coal Seams (pp. 122-129). Moscow: Nedra [in Russian].
9. Instruktsiya po degazatsii ugol'nykh shakht. Seriya 05. Vypusk 22 [Instructions for the degassing of coal mines. Series 05. Issue 22]. - Closed Joint-Stock Company "Scientific and Technical Center for Research on Industrial Safety Problems", 2012 [in Russian].
10. Klishin, V.N., Kokoulin, D.I., Kubanychbek, B., & Durnin, K.M. (2010). Razuprochneniye ugol'nogo plasta, v kachestve metoda intensifikatsii vydeleniya metana [Softening of the coal seam as a method of intensifying the release of methane]. Ugol - Coal, 4, 40-42 [in Russian].
11. El Rabaa, W. (1989). Experimental study of hydraulic fracture geometry initiated from horizontal wells. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, October 1989 [in English].
ГОРНЫЙ
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МУЗЕЙ И НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА
ГРУППА КОМПАНИЙ «ВОСТЭКО И ГОРНЫЙ-ЦОТ» НАО -НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ» КУЗБАССКИЙ ТЕХНОПАРК
щ
ГОРНЫЙ
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МУЗЕЙ КЕМЕРОВО
:. а*. s
