Управление газодинамическим состоянием углепородного массива через скважины сложного профиля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

К 70-летию КАФЕДРЫ

«аэрология . и . охрана . труда» . .

і

С.А. Ярунин, А.С. Лукаш,

..... Ю.Г. Анпилогов, В.В. Конарев, 2000

УДК 622.4:622:533.6

С.А. Ярунин, А.С. Лукаш,

Ю.Г. Анпилогов, В.В. Конарев

УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ

М ировой опыт отработки таких бассейнов, Кузнецкий, Донецкий, Рурский, Кампинский и др. свидетельствует о том, что с глубиной существенно ухудшаются горногеологические условия ведения работ на угольных шахтах.

Переход горных работ на угольных шахтах на большие глубины приводит к росту негативных последствий горного давления, усложнению форм газодинамических явлений, увеличению в газовом балансе выемочных участков доли газовыделения из мощных слоев песчаника.

Выделение метана в горные выработки при подземной разработке угля является одним из основных сдерживающих факторов интенсификации горных работ, лимитирующих применение высокопроизводительной техники. Опыт разработки высокогазоносных угольных пластов показывает, что без применения дегазации углепородного массива темпы проведения выработок и нагрузки на очистной забой настолько малы, что не обеспечивают рентабельного применения новой техники и технологии.

Для выбора эффективного способа снижения газообиль-ности горных выработок необходимо в каждом конкретном случае учитывать условия формирования структуры газового баланса и величину газоносности всех коллекторов, участвующих в газовыделении. До сих пор дегазация большинства шахт направлена на извлечения газа через подземные скважины, пробуренные на пласты-спутники, вмещающих пород, в связи с чем эффективность дегазации на шахтах часто не достигает желаемого результата.

Недостаточная эффективность и технологичность, традиционных способов подземной дегазации приводят к возрастанию разрыва между потенциальными возможностями прогрессивной технологии, механизации и организации подземных горных работ и фактическими показателями.

При дегазации скважинами, пробуренными на сближенные пласты, газ поступает из последних после подработки в течение весьма ограниченного срока. Увеличить длительность дегазации можно, если располагать скважины в поддерживаемых вентиляционных штреках или специально проведенных выработках, охрана и поддержание которых на больших глубинах весьма дороги. С ростом глубины разработки эффективность дегазации сближенных пластов через наземные скважины не превышает 50 % и имеет тенденцию к дальнейшему снижению.

В настоящее время все большее применение начал получать способ дегазации углепородного массива через скважины, пробуренные с поверхности (пассивные и активные формы), так как подземная дегазация не полностью обеспечивает требуемый съем газа, является весьма трудоемкой и зачастую препятствует выполнению основных технологических операций по добыче угля.

Эффективность использования вертикальных скважин, пробуренных с поверхности для дегазации подрабатываемого массива, резко снижается с глубиной.

Так, одним из существенных недостатков вертикальных дегазационных скважин является высокая вероятность их срезания при подработке. Ликвидировать или хотя бы ограничить эти негативные явления можно путем перехода на бурение наклонных скважин, но за пределами зоны полного сдвижения пород. Это может осуществляться в двух направлениях: проводкой рабочей части ствола скважины непосредственно за границей зоны полных сдвижений боковых пород и 'проводкой се по касательной к направлению перемещения разрушенных блоков.

При проведении рабочего ствола наклонной скважины в зоне полных сдвижений пород по касательной к направлению смещения блоков в случае разрыва обсадной колонны ось скважины смещается в продольном направлении, при этом смещение ствола скважины относительно оси может реализоваться только для скважин, пробуренных D породах с одно родными физико-механическими свойствами, когда характер разрушения их на отдельные блоки будет идентичен. Значительные фактические отличия прочностных свойств смещающихся пород дает предпосылку к непрогнозируемому смещению ствола скважины в любом направлении, т. е. сохранность рабочего участка ствола наклонной скважины ставится под сомнение.

Во втором случае за счет размещения ствола наклонной скважины в не подверженной разрушающим деформациям части массива последний сохраняется практически для всех типов пород. Особенностью такой скважины является размещение ее наклонной части в непосредственной близости от границы зоны полного сдвижения, но в пределах зоны разгрузки. Забой наклонной скважины останавливается на границе зоны обрушения, т. е. скважина не добуривается до разрабатываемого пласта только на (4^6) т, где т - мощность пласта, и перебуривает практически все газовые коллекторы, формирующие газовыделение на участке.

Применение наклонных скважин для дегазации подработанного массива тем больше повышает дебит, чем выше аэродинамическое сопротивление системы газоотводящих трещин в зоне разгрузки.

Наклонная скважина состоит из трех частей: вертикальном, криволинейной и наклонной. Конфигурация наклонной скважины определяется направлением ее наклонной части а полную длину скважины можно определить по формулам: а) наклонная часть скважины направлена в сторону падения пласта (рис. 1):

Ai, -H-(-‘^i'W'Pi +a)+ — cosa-R1tg(45-0,5<p, -0,5a) +

1 ^ cosa ) 2

+ xRi(9°-ф, -a) + 180

~- Si

5m

cosa 1) cos(<p, +a) sin^,

-R,tg(45 - 0,5^ - 0,5a)

cosy

(1)

б) наклонная часть скважины направлена в сторону восстания:

Ln2 - H-S2tg(ф2 -a)R2tg(45 - 0,5ф2 + 0,5a) +

nR2 (90 -ф 2 +а)

180

5т

у(ф 2 - а)

ектная мощность - 1,8 млн. т в год.

Шахтой разрабатываются пласты т3, I, k I из которых склонны к газодинамическим явлениям. Она я сверхвы-сококатегорннной по газу и опасной но взрывчатости пыли.

Основным спосооом дегазации на шахте им. А.Ф. Засядько является съем газа из сближенных пластов и пропла-стков, через скважины пробуренные из подземных горных выработок. Как правило, дегазационные скважины при дегазации участков, отрабатывающих пласт т3, бурятся из вентиляционных штреков на сближенный угольный пласт т4 и песчаник т£т4 с интервалом через 25 м и в сторону выработанного пространства вышележащего отработанного столба через 50 м. В погашенной вслед за лавой части вентиляционного штрека оставляется дегазационный газопровод с присоединенными к нему скважинами. Эффективность дегазации находится в пределах 0,4—0,5, чего недостаточно в момент резкого возрастания газовыделения для обеспечения плановой нагрузки на лаву. Концентрация метана в газовой смеси составляет 28 30 %, что вызывает трудности с его утилизацией.

В 1988—1989 гг. шахтой было пробурено с поверхности пять вертикальных скважин для дегазации подработанного массива. Одна из скважин № 209 бурилась на песчаник та$т4, остальные (№ 210, 211, 213, 219)—на песчаник т4£т4 (рис. 2 и 3).

Из пяти скважин четыре оказались срезанными при подработке и газ через них не поступал совсем. Скважина № 213 работала в течение 562 суток после ее подработки, через нее было извлечено только 511 тыс. м3 газовой смеси с концентрацией метана 96 %. Стало очевидно, что при традиционной технологии сооружения наземных дегазационных скважин в условиях больших глубин их эффективность весьма низка.

2 -a; sinф2

—R2tg (45 - 0,5ф 2 + 0,5a)

,м.

cos у

(2)

где Н - глубина залегания разрабатываемого пласта м; I -длина лавы, м; а - угол падения пласта, град; R - радиус кривизны скважины, м; т - мощность отрабатываемого угольного пласта, м; у- азимут направления скважины относительно выработанного пространства по восстанию -падению, град; S-ÍU S2 - расстояние от проекции верхней границы очистного забоя до вертикальной части скважины по нормали, м; (р1 и (р2- утлы полных сдвижений на разрезе вкрест простирания, град.

Для проведения экспериментальных исследований по применению наклонных скважин с целью дегазации углепородного массива была выбрала шахты им. А.Ф. Засядько ПО «Донецкуголь».

Шахта им.А.Ф.Засядько расположена в центральной части Донецко-Макеевского горнопромышленного района, территориально находится в г. Донецке. Шахта сдана и эксплуатацию в 1959 г. и реконструирована в 1975 г. Промышленные запасы - 98,9 млн. т. Производственная и проРис. 1. Схема для определения параметров бурения наклонной скважины

l

, м;

1

1) только с подземной дегазацией подрабатываемых пластов-спутников и пород;

2) комбинацией вертикальных скважин с подземными дегазационными скважинами;

3) комбинацией наклонных скважин с подземными дегаза-

'шіхини^; ии і

ахты им. А.Ф. Зас

ис. 3. Выкопиров] ахты им. А.Ф. Зас

ис. 4. Газообилы ахте им. А.Ф.Зас5

- 11 западной лавы; >і; 4 - 10 восточной л газовыделения из скв

а иЗитанаГшрныдерибоктгауваспз ядько ||1нит'с>амод|ы|й^.|{|)!ы пласта

Шэ1 - Jy, ; 2 - Jд ; 3 - Jисх.; 4 - створ сква-а №Лla2№a29орнытхорабвтжmIa]с№£ 4Ш3 ядько (западное крыло)

ость участков лав пласта ш3 на дько

11 восточной лавы; 3 - 10 западной лавы; 5 - скв. №213; 7, 8 - место подработки №213; 9, 10 - то же из скв. №229

Экспериментальный участок для строительства наклонных скважин на поле шахты им. А.Ф. Засядько был выбран в районе 11 и 12 лав пласта т3, работающих на глубине 1030— 1160 м. На первом этапе были заложены три наклонные скважины на западном крыле поля (скв. № 229, 241 и 249), а затем еще две на восточном крыле (скв. № 264 и 284). Фактические параметры бурения наклонных скважин представлены в табл. 1.

Газовыделение из наклонных скважин начиналось внезапно 'после отхода лавы от створа скважины на 50—75 м, т. е. после посадки основной кровли. В начальный период дебит газа из наклонных скважин составлял от 15,5 до 29,6 м3/мин.

Учитывая высокие дебиты и концентрации газовой смеси наклонных скважин, большой срок их эксплуатации данные скважины можно отнести в разряд метанодобывающих.

Переход створа скважины очистным забоем выполнялся с осуществлением специальных мероприятий. Суть этой технологии заключается но временном перекрытии нижнего участка ствола скважины, обеспечивающим ликвидацию внезапного поступления воды из скважины после ее подработки с после дующим открытием.

Исследования газообилыюсти очистных забоев рис. 4 для оценки эффективности наклонных скважин производились в лавах шахты им. А.Ф. Засядько по пласту т3 со следующими схемами дегазации:

ционными скважинами.

При ведении наблюдений учитывалось влияние изменения схемы проветривания по мере отработки участков.

При исследовании газовыле-ления в 11-й западной лаве рис. 5 было выделено пять зон по мере отработки столба длиной 1480 м (табл. 3).

Анализ средних величин газовыделения из подрабатываемого массива jпм показывает, что до подработки скважины № 229 jпм =20,48 м3/мин, а после ее подработки

jпм =15,84 м3/мин. Из этого следует, что эффективность

дегазации подрабатываемого массива направленной скважиной № 229 составила:

К дм —

J пм — J п

100

J пм

средних

— (20,48 -15,84)100 — 23%

20,48 %

Анализ средних величин газовыделения из 'подрабатываемого массива в интервалах, где осуществлялось совместное воздействие дегазации скважинами № 229

и № 241, jпм =13,71 м3/мин.

К дм —

100

— (20,48 -13,71)100 — 33%

20,48 %

Эффективность дегазации подрабатываемого массива совместно скважинами № 229, 241 и 249 при составила Установлено, что эффективность дегазации через вертикальные скважины (скв. № 213) составила 5,2 %.

Применение наклонных скважин позволило значительно повысить эффективность дегазации участка, что обеспечило стабильную работу очистных забоев даже при первой посадке основной кровли. По опыту отработки определено рациональное расстояние между наклонными скважинами, которое составляет около 400 м.

Выводы

По результатам научно-обоснованных технологических решений по управлению газодинамическим состоянием массива горных пород через скважины сложного профиля можно сделать следующие выводы:

1. Значительное повышение эффективности дегазации подработанного газовыбросоопасного массива скважинами с 'поверхности и

управляемости 'процессами активного воздействия на неразгруженный .массив на глубоких горизонтах может быть достигнуто за счет усложнения профиля скважин и размещения их рабочей части с учетом геомеханических и фильтрационных процессов.

2. Данная технология обеспечивает безаварийность работы скважины в течение отработки двух смежных выемоч-

ных полей, увеличение дебитов метана в 4—5 раз и дополнительное снижение газообилыюсги участка на 23-53 % по сравнению с традиционными вертикальными скважинами.

3. Высокие дебиты и концентрация метана в газовой смеси и стабильность работы наклонных скважин позволяют отнести их к метанодобывающим.

/

7

Ярунин Сергей Александрович — доктор технических наук, декан факультета разработки месторождений и подземного строительства, Московский государственный горный университет.

Лукаш А.С. — доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Анпилогов Ю.Г. — кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.

Конарев В.В. — кандидат технических наук, МакНИИ.

...................................................................