CC BY
63
д,_____________
---------- © К.С. Кашапов, М.В. Шмидт,
2007
УДК 622.411.33:533.17
К.С. Кашапов, М.В. Шмидт
ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ ОСОБОВЫБРОСООПАСНОГО ПЛАСТА Д6 НА ШАХТАХ КАРАГАНДИНСКОГО БАССЕЙНА
~П Карагандинском угольном бассейне на полях шахт им.
X-# Ленина и «Казахстанская» УД АО «Миттал Стил Темиртау» угольный пласт д6 с глубины 320 м от поверхности - отнесен к особовыбросоопасным. Защитных пластов этот пласт не имеет. Его мощность изменяется в диапазоне 5-7 м. Пласт имеет сложное строение и может быть разделен на два слоя. Уголь верхнего слоя крепостью 0,5-0,7 сухой, на разлом хрупкий. Уголь нижнего слоя мощностью 1,0-2,0 м сажистый, крепостью от 0,2 до 0,4, жирный не смачиваемый. Начальная скорость газоотдачи угля нижнего слоя плата д6 значительно выше, чем верхнего слоя. Среднее значение начальной скорости газоотдачи наиболее выбросоопасных перемятых пачек нижнего слоя пласта д6 составляет 20, а максимальное -до 28 условных единиц. Прочностные свойства угля (коэффициент крепости и прочность угля) нижнего слоя примерно в 1,5 раза ниже, а коэффициент изменчивости прочности угля нижнего слоя в 5 раз выше, чем верхнего слоя. Низкие прочностные свойства и высокая начальная скорость газоотдачи угля нижнего слоя этого пласта обуславливает его повышенную опасность в отношении газодинамических явлений. Природная газоносность пласта д6 изменяется в пределах 16-18 м3/т, а коэффициент газопроницаемости изменяется с глубиной от 0,0060 до 0,0033 мД. Кроме того, этот пласт отличается высоким содержанием свободного газа в разгруженном от горного давления состоянии.
Особенности пласта д6 обуславливают повышенные требования к обеспечению метанобезопасности его отработки. Одним из эффективных способов обеспечения безопасности ведения горных работ в условиях повышенной метаноносности и выбросоопасно-
сти угольных пластов является их заблаговременная дегазационная подготовка (ЗДП).
Этот способ подготовки особовыбросоопасных пластов был апробирован в 1982-1983 годы на восточном крыле поля шахты им. Ленина, где было произведено гидрорасчленение пласта д6 через 14 скважин Вскрытие пласта осуществлялось перфорацией обсадной колонны. Расчленение пласта произведено водой с добавками поверхностно-активных и химически-активных веществ. Темп закачки рабочей жидкости составлял 80 - 90 л/с, а солянокислотного раствора 30-40 л/с. Освоение этих скважин осуществлялось в течение 8 лет путем откачки рабочей жидкости станками-качалками и извлечения метана из зон обработки. При этом на восточном крыле поля шахты им. Ленина на глубинах 370-450 м осуществлена заблаговременная дегазационная подготовка порядка 5 млн. тонн угольных запасов, из которых извлечено около 20 млн. м3 метана, и созданы предпосылки для безопасной подготовки и отработки лав 301-д6-1В - 306-д6-1В. Результаты оценки фактической эффективности этой подготовки проводились при ведении горных работ (табл. 1) и послужили основой для возобновления планомерных работ по ЗДП на шахтах УД АО «Миттал Стил Темиртау».
При этом в октябре 1996 года на поле шахты им. Ленина на глубине 490 м была проведена гидропневмообработка пласта д6 через скважину №15. Схема вскрытия пласта - кавернообразование без перекрытия пласта обсадной колонной Схема обработки - циклическое гидро-пневмовоздействие с использованием геоэнергии. При обработке в пласт было подано 4232 м3 воды с темпом 80 л/с. Давление на устье скважины составляло 14 МПа. Реализация геоэнергии проведена после закачки порций воды путем резкого сброса давления на устье скважины, что обеспечило са-моподдерживающееся разрушение угля. Циклические выбросы угля и газа на скважине № 15 после завершения обработки пласта наблюдались в течение месяца. С декабря 1996 года освоение скважины велось с откачкой рабочей жидкости станком качалкой с погружным насосом и с извлечением метана в режиме са-моистечения. Дополнительно в процессе освоения на скважине №15 была проведена пневмообработка сжатым воздухом, при которой в пласт было закачано 224 тыс. м3 воздуха с темпом 8 м3
/мин. Такая технологическая схема ЗДП обеспечила возможность извлечения за 6 лет из зоны обработки
этой скважины 1790 тыс. м3 метана, или 9,0 м3 газа на тонну обработанных запасов угля.
Дальнейшее совершенствование технологии ЗДП на глубинах залегания пласта 570-630 м на поле шахты им. Ленина велось с 1998 по 2000 годы. При этом на скважинах ГРП №16-22 отрабатывались различные варианты технологических схем ЗДП. За основу была взята базовая технология гидрорасчленения обсаженного пласта с вскрытием обсадной колонны перфорационными отверстиями (скв. № 16,19,20). На остальных скважинах применена усовершенствованная технология с кавернообразованием без перекрытия пласта обсадной колонной. Вынос угольной мелочи на поверхность при кавернообразовании составлял от 0,5 до 2,5 тонн. На скважине № 18 после кавернообразования было произведено гидровоздействие, на скважинах № 17,21,22 - циклическое гидропневмовоздействие с использованием геоэнергии. При этом механизм выноса угольного штыба на поверхность на этих скважинах был реализован только частично. В частности, на скважине № 17 было осуществлено 5 последовательных циклов нагнетания воды в объеме 6 м3 при темпе 6-12 л/с, при давлении 8,5-10,0 МПа со сбросом давления после каждого из циклов. При этих параметрах не удалось спровоцировать выброс угля и газа из скважины. Аналогичные результаты были получены на первоначальном воздействии через скважину №22. После этого было принято решение совместить пневмогидродинамическое воздействие с условиями, обеспечивающими самоподдерживающее разрушение угля. В скважину закачали около 1000 м3 воды с темпом до 75 л/с при давлении на устье 11,5 МПа. В процессе сброса давлению в скважину произошел выброс угля в объеме 4,5 т.
Освоение этих скважин ГРП№ 16-22 велось с откачкой рабочей жидкости станками качалками СК-5, СК-6 с погружными насосами и извлечением метана в режиме самоистечения. При этом из зон обработки каждой из скважин извлечено от 150 до 600 м3 (5-13 %) закачанной воды и от 260 до 500 тыс. м3 метана, или от 1,3 до 2.6 м3 газа на тонну обработанных запасов угля. Кроме пониженной проницаемости пласта д6 на этом участке шахтного поля, одной из причин низкого уровня газоотдачи пласта при извлечении
метана с глубины до 630 м на отдельных скважинах поля шахты им. Ленина явилась отработка рациональной технологии воздействия с применением многочисленных вариантов обработки особовыбросоопасного пласта д6.
К 2003 году дебит метана на скважинах ГРП №16-22 составлял 0,02-0,10 м3/мин. и эти скважины в соответствии с программой испытаний технологий заблаговременной дегазационной подготовки выбросоопасного пласта д6 были переведены на освоение в режиме фильтрации рабочей жидкости в пласт. При этом в каждую из скважин дополнительно было закачано по 1500 м воды, и в последующем (в течение двух лет) в них ежемесячно заливалась вода с заполнением до устья. Процесс влагонасыщения массива сопровождался расходом воды на скважинах в объеме 10-20 л/сутки. Однако степень увлажнения массива определяется не этим расходом, а предварительным объемом рабочей жидкости (1500 м3), закачанной в каждую из этих скважин. Доливка воды обеспечивала создание постоянного гидростатического давления столба воды на пласт, которое составляет 6,0-6,5 МПа. Давление газа в пласте, замеренное на поле шахты им. Ленина достигает 3,0 МПа. Этому давлению соответствуют колебания падения уровня жидкости в скважинах. Таким образом, действие избыточного давления до 3,0 МПа обеспечивает переток воды из трешиновато-пористой структуры массива в микропоры угольного вещества.
При таком варианте заблаговременная дегазационная подготовка проводится в два этапа. На первом этапе, даже на участках пласта с пониженной проницаемостью и с низким содержанием свободного газа, достигается снижение газоносности угольного пласта на 2-3 м3/т, а на втором - увеличение остаточной газоносности угля с 4 до 6-8 м3/т. Таким образом, суммарное снижение газо-выделения при разрушении добываемого угля составит 5-7 м3/т при общей эффективности заблаговременного воздействия до 60 %.
Этот способ двух этапной обработки пласта с его дополнительной обработкой в режиме фильтрации может быть также рекомендован, когда дебит из скважины незначителен, а оставшийся до ведения горных работ в зоне воздействия период составляет более 3 лет. Этого временного интервала достаточно для эффективной блокировки метана в порах и трещинах пласта.
С учетом накопленного опыта в настоящее время работы по заблаговременной дегазационной подготовке особовыбросоопасно-
го пласта д6 ведутся на поле шахты «Казахстанская». Основной целью этих работ является извлечение метана на уровне 4-6 м3/т обработанных запасов для обеспечения безопасных условий ведения подготовительных и очистных горных работ на глубинах 700750 м. Кроме того скважины ЗДП закладываются с учетом возможности их использования при очистных горных работах для извлечения метана из куполов обрушения выработанного пространства лав. Программа работ по ЗДП на поле этой шахты предусматривает дегазацию около 7 млн. тонн угольных запасов для подготовки к безопасной выемке лав 301-д6-З - 306-д6-З, отработка которых будет вестись с 2011 года. При этом общее количество скважин ЗДП на западном крыле шахтного поля составит 33 штуки.
В настоящее время пробурено, обработано и осваиваются 18 скважин заблаговременной дегазационной подготовки. Параметры обработки пласта д6 в приведены в табл. 2.
При обработке пласта д6 на поле шахты «Казахстанская» в период с 2000 по 2006 годы были внедрены усовершенствованные варианты технологических схем заблаговременной дегазационной подготовки:
- на скважинах № 23 и 24, осуществлено пневмогидровоздействие;
- на скважинах № 31,32,33, 35,36,37 - гидровоздействие;
- на скважинах №25,26,27,29,38- гидродинамическое воздействие с использованием эффекта самоподдерживающегося разрушения угля;
- на скважине №28- пневмогидровоздействие с выдержкой рабочей жидкости;
- на скв. № 30 - воздействие с использованием вспенивающихся веществ, а на скв. №41 -пневмогидравлическое воздействие с использованием эффекта аэрации рабочей жидкости;
- на скв. № 34 и 40 гидровоздействие с использованием гидроудара.
Результаты анализ эффективности различных технологий воздействия на угольный пласт д6 приведены на рис. 1 и в табл. 3.
266
267
268
В соответствии с проведенным анализом для пласта д6 наиболее эффективны технологии гидродинамического воздействия с использованием эффекта самоподдерживающегося разрушения угля, пневмогидровоздействия с выдержкой рабочей жидкости и воздействия с использованием вспенивающихся веществ. Вместе с тем нужно отметить, что по двум последним технологическим схемам обработано только по одной скважине ЗДП. Анализ технологии гидровоздействия с использованием гидроудара показал, что ее эффективность находится на уровне технологии обычного гидровоздействия. Однако технология гидровоздействия с использованием гидроудара была применена на глубинах залегания пласта д6, возросших до 700750 м.
Опыт ЗДП на полях шахт им. Ленина и «Казахстанская» УД АО «Миттал Стил Темиртау» позволяет сделать следующие выводы:
В условиях Карагандинского бассейна разработаны эффективные технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных и выбросоопасных угольных пластов, залегающих на глубинах до 750 м. Этот способ дегазация позволяет надежно обеспечить безопасность ведения горных работ. Максимально достигнутый объем извлечения метана из зоны обработки одной скважины по пласту д6 за период 6-8 лет составляет до 2 млн. м3 (скважины ГРП №6 и 15). При этом съем метана достигает 9-10 м3 на тонну обработанных запасов, что составляет до 85 % от разности между природной и остаточной газоносностью угля.
Средний съем метана из скважины ЗДП за период 6-8 лет равен 5-6 м3 на тонну обработанных запасов, что составляет около 50 % от разности между природной и остаточной газоносностью угля.
Основное отличие в динамике дебита газа из скважин ГРП при различных технологических схемах ЗДП наблюдается в первоначальный период освоения (1-3 годы работы станка-качалки). В последующий период освоения дебит метана стабилизируется на уровне 0,15-0,20 м3/мин.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Кашапов К. С. - кандидат технических наук,
Шмидт М.В.
УД АО «Миттал Стил Темиртау».
© Л.Н. Кашпар, С.Е. Германова,
269
