CC BY
28
Оригинальная статья
УДК 622.232.72:534.232:622.411.33 © М.В. Павленко, Н.Г. Барнов, Д.А. Кузиев, К.Н. Кенжабаев, М.В. Монзоев, 2020
Вибрационное воздействие через скважины и технология дегазационной подготовки низкопроницаемого угольного пласта
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-1-36-40
ПАВЛЕНКО М.В.
Канд. техн. наук, доцент кафедры БЭГП Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
БАРНОВ Н.Г.
Канд. техн. наук, доцент кафедры ФизГео Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
КУЗИЕВ Д.А.
Канд. техн. наук, доцент кафедры ГОТиМ Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
КЕНЖАБАЕВ К.Н.
Студент кафедры ГОТиМ Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
МОНЗОЕВ М.В.
Студент кафедры ГОТиМ Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
Необходимость подготовки угольного пласта к безопасной отработке усиливается сформулированными в последние годы требованиями комплексного использования угольных месторождений (добыча угольного метана), а также предотвращением массового поступления угольного метана в атмосферу земли для уменьшения парникового эффекта. В связи с необходимостью дополнительного повышения проницаемости угольного массива и значительной интенсификации выделения метана из пласта стоит задача разработки эффективного комплексного способа воздействия на угленосную толщу. Разработка комплексной технологии подготовки угольных пластов к эффективной отработке на основе предварительного активного воздействия на массив, а также совершенствование процесса де-
газации газонасыщенного угольного массива для интенсивной его отработки являются актуальной научной проблемой. Решение этой проблемы вносит значительный, существенный вклад в дальнейшее развитие теории динамических воздействий на угольный пласт на основе волновых резонансных явлений.
Ключевые слова: вибровоздействие на пласт, газонасыщенный угольный массив, трещинообразование, метаноотдача, низкопроницаемый, дегазация, технология.
Для цитирования: Вибрационное воздействие через скважины и технология дегазационной подготовки низкопроницаемого угольного пласта / М.В. Павленко, Н.Г. Барнов, Д.А. Кузиев и др. // Уголь. 2020. № 1. С. 36-40. 001: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-1-36-40.
ВВЕДЕНИЕ
Технология очистных работ как основа горного производства должна непрерывно совершенствоваться. Решение данной научной задачи было достигнуто путем создания нового комплексного способа дегазации угольного пласта, обеспечивающего максимальное извлечение метана.
На достигнутых глубинах ведения горных работ (10001500 м) заметно снижение производительности очистного забоя из-за высокого метановыделения из очистных и подготовительных выработок. В настоящее время, чтобы решить проблему увеличения нагрузки на очистной забой, т.е. увеличения рентабельности шахты в результате повышения интенсивности выемки угля на метаноносных пластах, необходимо решить проблему обеспечения метановой безопасности. То есть, чтобы решить проблему повышения интенсивности выемки высокопроизводительными комплексами, нужно обеспечить снятие газового барьера в очистном забое.
Существующие мероприятия по подготовке угольных пластов к безопасной и эффективной выемке не всегда способны выполнить свою задачу. При выполнении комплекса воздействий на стадии подготовительных работ необходимо с полной надежностью поддерживать условия, обеспечивающие минимально допустимое содержание метана в горных выработках.
Радиус влияния комплексного воздействия (ГРП + ВВВ)
Р Р
Приращение области воздействия за счет ВВВ
ill I
1
/
/ /
\ Радтйус влияния \
\ Л^ Лл^
ч£----- \4----С- " \ ^
N \ \ X N \ """X"
\Г/ Г IV
Hi ° / ° ///
/Л V /V /Л
А/
У, А
А
Рис.1. Технология
комплексного
воздействия
на угольный пласт
при панельном
способе подготовки
пласта
Fig.1. Technology of complex impact on the coal seam in the panel method of formation preparation
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Совершенствование технологии выемки, применение производительного оборудования заставили искать способ повышения нагрузки на лаву со снижением «газового барьера».
Задача повышения нагрузки на лаву заключается в следующем:
- снизить концентрацию метана до безопасной величины в исходящей струе из лавы до регламентируемой Правилами безопасности величины;
- снизить концентрацию метана в подготовительной выработке.
Для решения этой задачи предлагается использовать разработанный комплексный метод вибровоздействия на угольный газонасыщенный массив с целью увеличения его трещиноватости для интенсификации газовыделения и последующего удаления метана средствами дегазации для снижения его концентрации в атмосфере выработок. Это воздействие в комплексе с гидрорасчленением позволяет увеличить нагрузку на забой по газовому фактору и обеспечить безопасность ведения горных работ [1, 2, 3, 4, 5].
Указанные соображения привели к признанию считать вибрационное воздействие обязательным элементом комплексного воздействия для обеспечения трещиноватости и фильтрационных течений в угольных блоках угольных пластов [1, 6, 7, 8].
На рис. 1 представлена технологическая схема комплексного воздействия на угольный пласт при панельном способе подготовки пласта, при выполнении гидровоздействия через скважины с поверхности на начальном этапе воздействия с последующим вибрационным воздействием.
На основании ранее проведенных исследований на шахтных полях рекомендовано выполнять гидровоздействие с установленными параметрами давления в пределах Р = 25-23 МПа и темпом нагнетания q = 25-45 л/с с учетом проведенных работ через скважину с поверхности. При этом значения радиусов большой и малой осей эллипса принимают в пределах 70-140 м в направлении основной системы трещин.
Эти рекомендации лежат в основе технического решения по обеспечению подготовки угольного пласта к эффективной отработке в условиях залегания низкопроницаемых газоносных пластов, определяемого на основе полученных результатов применяемых способов, что позволяет оперативно управлять остаточной газоносностью угольного массива [8, 9].
Результаты вибрационного воздействия на угольный массив, полученные в ходе проведения заблаговременной его обработки, позволяют рекомендовать данный метод для повышения качества и эффективности горных работ. Скважины целесообразно закладывать с учетом проведения подготовительных выработок.
Способ вибровоздействия позволяет в условиях отработки низкопроницаемого массива интенсифицировать газоотдачу в 3-5 раз и довести коэффициент эффективности дегазации до 60-70% [9, 10, 11].
Разработана комплексная схема заблаговременной дегазации пластов тонких и средней мощности с использованием скважин вибровоздействия (рис. 2,3). Дегазацию угольного пласта следует проводить в комплексном режиме (гидрорасчление + вибровоздействие). Для обеспечения конкурентной способности шахт производительность механизированного комплекса на пластах мощностью 1,8-2,5 м должна быть не менее 5-10 тыс. т в сутки. При такой интенсивности возрастает вероятность увеличения дебита метана в шахтную атмосферу и повышения концентрации метана в шахтном воздухе, что снижает безопасность ведения горных работ.
В проекте подготовки запасов угля для эффективной и интенсивной выемки выделяются зоны с наибольшей природной газоносностью, характеризующейся уровнем свыше 40-48 м3/т. Выявленные участки с повышенным уровнем газоносности обрабатываются по предложенной схеме с целью увеличения добычи угля на этих участках
Технологическая схема комплексной подготовки газоносного угольного пласта является обобщающей с применением рекомендованных параметров воздействия, определяющего в конечном итоге безопасность и эффективность ведения горных работ. Поэтому в общем виде
ттврамгтри у Едлзм. Значения
1 Диаметр скважины » 50-70
2 Расстояние между скважинами - 10-15
г Глубина скважин - 100-120
4 Глубина перебуриваиия скважин « 10-12
5 Частота воздействия Гц 25-35
6 Продолжшедьность воздействий час 1,1-2,2
7 Мощность пласта м 1,5-2,5
8 Угол падения пласта 4>ад 8-25
9 Количество агрегатов Шт. 2-4
Полевой транспортный штрек
Рис. 2. Технологическая схема заблаговременной подготовки угольного массива с использованием вибровоздействия Fig. 2. Technological scheme of advance preparation using vibration effect on the array
Разрез no 1-1
-1 Скважины ГРП ~|
Рис. 3. Разрез участка лавы с использованием вибровоздействия по линии 1-1 (рис. 2) Fig. 3. Section of the drift using vibration action along the line 1-1 (Fig. 2)
77/ЗШ~ТТ7~7
множества возможных вариантов технологической схемы комплексного воздействия формируется окончательная схема воздействия на угольный массив путем изменения отдельных ее элементов. Применение вибрационного воздействия, имеющего малую энергоемкость, на заключительной стадии с позиции экономичности позволяет обеспечить в конечном итоге снятие газового барьера, приводит к увеличению нагрузки на лаву и отказу от увеличения затрат на вентиляцию.
С применением вибрационного воздействия снижается необходимость применения дегазации выработанного пространства и пластов-спутников в качестве вспомогательного способа для уменьшения концентрации метана.
При этом на различных пластах интенсивность газовыделения различна, что определяется режимом ведения горных работ, газоносностью угольного массива. Поэтому в данной обстановке необходимо добиться таких условий, чтобы снизить максимально поступление метана в горную выработку.
Проектируя меры комплексного воздействия на газонасыщенный угольный пласт, целесообразно увязывать технологические решения с характером ведения горных работ (подготовительные и очистные работы, дегазационные работы и другие вспомогательные работы).
Вибровоздействие на угольный пласт осуществляется с целью создания значительной степени трещинова-тости и направлено на последующее создание дополнительных систем трещин и выравнивание контура гидрообработки [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Под технологической схемой комплексного воздействия следует понимать совокупность процессов и их последовательность выполнения, позволяющие осуществлять воздействия в определенном порядке, дополняя друг друга и развивая их от стадии к стадии, осуществлять основные производственные процессы и вспомогательные процессы, направленные на выполнение дегазации. Методоло-
гии конструирования технологических схем подготовки шахтного поля базируются на комплексном чередовании активного воздействия на пласт в виде ГРП + ВВВ и являются приоритетной альтернативой при заблаговременной подготовке газоносного массива к интенсивной разработке на основе учета последовательности и видов активных воздействий, использования скважин заблаговременной дегазации для вибрационного воздействия на заключительной стадии.
Повышение газоотдачи угольных пластов в процессе вибровоздействия через скважины, пробуренные по газоносным угольным пластам с поверхности, имеет целью дальнейшее искусственное создание значительной сети ветвящихся трещин в пласте и в прилегающей зоне пласта влияния скважины и, в конечном счете, повышение интенсивности газоотдачи пласта и глубины его дегазации. Искусственно созданная в угольном массиве пласта сеть трещин увеличивает метаноотдачу из высокогазоносного угольного пласта и снижает появления ситуаций возникновения высокой газоносности угольного массива при подходе очистного забоя к обработанному участку пласта.
Список литературы
1. Yang L. A mixed element method for the desorption-diffusion-seepage model of gas flow in deformable coalbed methane reservoirs // Mathematical Problems in Engineering. 2014. Vol. 2014. P. 1-10. URL: http://www.hindawi.com/ journals/mpe/2014/735931 (дата обращения: 15.12.2019).
2. An improved model of gas flow in coal based on the effect of penetration and diffusion / J.P. Wei, H.L. Wang, D.K. Wang, B.H. Yao // Journal of China University of Mining & Technology. 2016. Vol. 45. N 5. P. 873-878.
3. Effect of protective coal seam mining and gas extraction on gas transport in a coal seam / B. Yao, Q. Ma, J. Wei et al // International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Vol. 26. N 4. P. 637-643.
4. Rock burst monitoring by integrated microseismic and electromagnetic radiation methods / X.L. Li, E.Y. Wang, Z.H.
Li et al // Rock Mechanics & Rock Engineering. 2016. Vol. 49. N 11. P. 4393-4406.
5. Jia P., Tang C.A., Zhang Y.B. Numerical stady on zonal disintegration of rock mass around deep underground openings / Harmonising Rock Engineering and the Environment: proceedings of the 12th ISRM International Congress on Rock Mechanics. Florida: CRC Press, 2012. P. 179-180.
6. Павленко М.В. Обоснование технологии подготовки газоносного угольного пласта на базе комплексного воздействия // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2018. № 3. С. 91-97. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-91-97.
7. Разработка и совершенствование технологий пластовой дегазации для эффективной и безопасной отработки угольных пластов / С.В. Сластунов, Е.П. Ютяев, Е.В. Маза-ник, А.П. Садов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2018. № ^специальный выпуск № 49). С. 13-22.
8. Дегазация угольных пластов на основе циклического гидродинамического воздействия / Г.И. Коршунов, А.С. Серегин, А.П. Садов, И.А. Комиссаров // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), отдельный выпуск № 3 «Промышленная безопасность». 2014. С. 29-35.
9. Дегазация угольных пластов с использованием наземных сейсмоисточников / М.В. Павленко, С.В. Гурьев, Г.П. Лопухов, А.А. Юров // Известия Вузов УГГУ. № 1. 2015. С. 42-46.
10. Pavlenko M.V., Barnov N.G. Internal and external causes of treshinoobrazovaniya, signs of deformation of the coal seam in the area of vibration exposure / 25rd International Conference Engineering Mechanics 2019/ Svratka. Czech Republic, 2019. P. 241-244.
11. Панишко А.И., Розгон В.Д., Павленко М.В. Исследование процесса метаноотдачи из угольного массива при вибровоздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 1999. № 8. С. 46-47.
UNDERGROUND MINING
Original Paper
UDC 622.232.72:534.232:622.411.33 © M.V. Pavlenko, N.G. Barnov, D.A. Kuziev, K.N. Kenzhabaev, M.V. Monzoev, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 1, pp. 36-40 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-1-36-40
Title
vibration impact through wells and the technology of degassing
OF THE PREPARATION OF LOW-PERMEABILITY COAL SEAM Authors
Pavlenko M.V.', Barnov N.G.', Kuziev D.A.', Kenzhabaev K.N.1, Monzoev M.V.'
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
Authors' Information
Pavlenko M.V., PhD (Engineering), Associate Professor
of department of Mining Institute, e-mail: [email protected]
Barnov N.G., PhD (Engineering), Associate Professor of department
of Mining Institute, e-mail: [email protected]
Kuziev D.A., PhD (Engineering), Associate Professor of department
of Mining Institute
Kenzhabaev K.N., student of department of Mining institute Monzoev M.V., student of department of Mining institute
Abstract
The need to prepare the coal seam for safe mining is reinforced by the requirements formulated in recent years for the integrated use of coal deposits (coal methane production), as well as to prevent the mass flow of coal methane into the earth's atmosphere to reduce the greenhouse effect. In connection with the need to further increase the permeability of the coal mass and a significant intensification of the methane release from the reservoir, the task is to develop an effective integrated method of influence on the coal-bearing thickness. Therefore, the development of a comprehensive technology for the preparation of coal seams for effective mining on the basis of the preliminary
active impact on the array, as well as improving the process of degassing the gas-saturated coal mass for intensive mining is an urgent scientific problem, the solution of which makes a significant, significant contribution to the further development of the theory of dynamic effects on the coal seam on the basis of wave resonance phenomena.
Keywords
Vibration effect on the formation, Gas-saturated coal massif, Crack formation, Methane recovery, Low permeability, Degassing, Technology.
References
1. Yang L. A mixed element method for the desorption-diffusion-seepage model of gas flow in deformable coalbed methane reservoirs. Mathematical Problems in Engineering, 2014, Vol. 2014, pp. 1-10. Available at: http://www. hindawi.com/journals/mpe/2014/735931 (accessed 15.12.2019).
2. Wei J.P., Wang H.L., Wang D.K. & Yao B.H. An improved model of gas flow in coal based on the effect of penetration and diffusion. Journal of China University of Mining & Technology, 2016, Vol. 45, No. 5, pp. 873-878.
3. Yao B., Ma Q., Wei J. et al Effect of protective coal seam mining and gas extraction on gas transport in a coal seam. International Journal of Mining Science and Technology, 2016, Vol. 26, No. 4, pp. 637-643.
4. Li X.L., Wang E.Y., Li Z.H. et al Rock burst monitoring by integrated mi-croseismic and electromagnetic radiation methods. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, Vol. 49, No. 11, pp. 4393-4406.
5. Jia P., Tang C.A. & Zhang Y.B. Numerical stady on zonal disintegration of rock mass around deep underground openings. Harmonising Rock Engineering and the Environment: proceedings of the 12th ISRM International Congress on Rock Mechanics. Florida, CRC Press, 2012, pp. 179-180.
6. Pavlenko M.V. Obosnovaniye tekhnologii podgotovki gazonosnogo ugol'nogo plasta na baze kompleksnogo vozdeystviya [Justification of the technology for the preparation of a gas-bearing coal seam based on integrated exposure]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) -Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2018, No. 3, pp. 91-97. (In Russ.). DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-91-97.
7. Slastunov S.V., Yutyayev E.P., Mazanik E.V. & Sadov A.P. Razrabotka i soversh-enstvovaniye tekhnologiy plastovoy degazatsii dlya effektivnoy i bezopasnoy
otrabotki ugol'nykh plastov [Development and improvement of reservoir degassing technologies for efficient and safe mining of coal seams]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2018, No. 11 (special issue 49), pp. 13-22. (In Russ.).
8. Korshunov G.I., Seregin A.S., Sadov A.P. & Komissarov I.A. Degazatsiya ugol'nykh plastov na osnove tsiklicheskogo gidrodinamicheskogo vozdeystviya [Degassing of coal seams based on cyclic hydrodynamic effects]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2014, Separate issue No. 3, pp. 29-35. (In Russ.).
9. Pavlenko M.V., Guryev S.V., Lopukhov G.P. & Yurov A.A. Degazatsiya ugol'nykh plastov s ispol'zovaniyem nazemnykh seysmoistochnikov [Coal seam degassing using surface seismic sources]. Izvestiya VuzovUGGU, 2015, No. 1, pp. 42-46. (In Russ.).
10. Pavlenko M.V. & Barnov N.G. Nternal and external causes of treshino-obrazovaniya, signs of deformation of the coal seam in the area of vibration exposure. 25rd International Conference Engineering Mechanics 2019. Svratka, Czech Republic, 2019, pp. 241-244.
11. Panishko A.I., Rozgon V.D. & Pavlenko M.V. Issledovaniye protsessa meta-nootdachi iz ugol'nogo massiva pri vibrovozdeystvii [Study of the process of methane recovery from a coal mass during vibration exposure]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 1999, No. 8, pp. 46-47. (In Russ.).
For citation
Pavlenko M.V., Barnov N.G., Kuziev D.A., Kenzhabaev K.N. & Monzoev M.V. Vibration impact through wells and the technology of degassing of the preparation of low-permeability coal seam. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 1, pp. 36-40. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-1-36-40.
Paper info
Received September 16,2019 Reviewed November 11,2019 Accepted December 2,2019
В СКОЛКОВО обсудили перспективы потребления угля в мире
В Центре энергетики Московской школы управления «СКОЛКОВО» в середине декабря 2019 г. состоялось мероприятие «Второй Угольный диалог», организованное Минэнерго России при поддержке помощника руководителя Администрации Президента Российской Федерации Кирилла Молодцо-ва. В нем приняли участие директор Центра энергетики Татьяна Митрова, директор Департамента угольной и торфяной промышленности Министерства энергетики Российской Федерации Сергей Мочальников, заместитель председателя Комитета Государственной Думы по энергетике Дмитрий Исламов, представители Аналитического центра при Правительстве Российской Федерации, Института исследования проблем железнодорожного транспорта, крупных компаний. АО «СУЭК» представлял заместитель генерального директора - директор по логистике Денис Илатовский.
Говоря о ходе реализации долгосрочной программы развития РЖД, в которой заложены параметры роста отгрузки в дальневосточном направлении, Денис Илатовский отметил: «Есть еще фактор технологических действий: пока нет инфраструктурных решений, пока еще мы не можем увеличить в 2 раза погрузку и перевозку на Восток, есть целый ряд идей у компании РЖД, которые, мы надеемся, будут решены в ближайшее время, такие
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
как сокращение межпоездного интервала, увеличение веса поезда, внедрение интервального движения, оптимизация пассажирского движения в самых узких местах БАМа или Транссиба, еще целый ряд технических новинок, которые ОАО «РЖД» планирует внедрять, а мы с нетерпением ждем и делаем, что можем. Например, мы инвестируем в инновационные вагоны, которые позволяют увеличивать вес поезда, вывозить больше груза в единицу проездной способности, так что все стараемся работать на одну задачу», - комментирует ситуацию заместитель генерального директора - директор по логистике АО «СУЭК».
«Угольный диалог» проводится в рамках Энергетического клуба бизнес-школы «СКОЛКОВО». Цель данной инициативы - обеспечить регулярное взаимодействие между компаниями, работающими в ТЭК, органами государственной власти и экспертным сообществом для обсуждения стратегических перспектив развития российской угольной отрасли. В серии стратегических сессий по развитию топливно-энергетического комплекса России за круглым столом собираются лидеры угольного бизнеса, представители государственной власти, ведущие российские и зарубежные эксперты, чтобы обсудить пути развития российской угольной отрасли, риски для шахтерских предприятий.
