CC BY
32
■ И.О. Анопочкин // I.O.
Anopochkin anopochkin_io@metholding.com
ассистент кафедры аэрологии, охраны труда и природы ФГБОУ ВО "КузГТУ" Assistant Lecturer at the Department of Aerology, Labor Protection and Nature Protection, FGBOU VO "KuzGTU", Kenerovo, Vesenniaia St., 28
Р.Д. Козлов / R.D. Kozlov romakozlov752@gmail.com
студент кафедры горных машин и комплексов ФГБОУ ВО "КузГТУ" student of the Department of Mining Machines and Complexes, FGBOU VO "KuzGTU", Kenerovo, Vesenniaia St., 28
УДК 621.3;622.817
ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННО- ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
COAL SEAM ADVANCED DEGASSING BY THE PLASMA-PULSE IMPACT METHOD
В статье рассматривается заблаговременная дегазация угольных пластов методом плазменно-импульсного воздействия. Данный метод применяется на одной из самых метаноопасных шахт Кемерововской области. Технология плазменно импульсного воздействия увеличивает проницаемость в угольных пластах за счёт создания микротрещиноватости в радиусе вокруг скважин не менее 250 м, что подтверждено лабораторными испытаниями, сейсмическими исследованиями с последующим построением 3D модели, а также практикой применения. Стоит отметить, что дебит метана из одной скважины при стимулировании гидроразрывом составляет - 0,5 м3/мин, с радиусом ее воздействия - 160м А дебит метана из одной скважины при плазменно-импульсном воздействии составляет - 2,4 м3/мин, с радиусом ее воздействия - 250м. Повышенная природная газоносность угля в пределах шахтных полей зачастую приводит к значительному снижению скорости проходки горных выработок, что сильно влияет на объемы добычи и экономические показатели угледобывающих предприятий. При проведении заблаговременной дегазации в дополнении с применением метода плазменно импульсного воздействия, дегазация проводится через скважины, пробуренные с поверхности в будущих куполах обрушения, которые используются для традиционной купольной дегазации. Данный метод воздействия позволяет улучшить не только экономические показатели, но и позволит решать экологические задачи в современных условиях.
The article discusses the coal seam early degassing by plasma-pulse impact method. This method is applied on the one of the most methane hazardous mines example in the Kemerovo region. Pulsed plasma technology increases the permeability in coal seams due to the creation of micro-fractures in a radius around the wells of at least 250 m, which is confirmed by laboratory tests, seismic studies followed by the construction of a 3D model, as well as practical application. It should be noted that the flow rate of methane from one borehole when stimulated by hydraulic fracturing is 0.5 m3 / min, with a radius of its impact - 160 m And the flow rate of methane from one well under plasma impulse impact is 2.4 m3 / min, with a radius of its impact - 250 m. The increased natural gas content of coal within the mine fields often leads to a significant decrease in the speed of sinking of mine workings, which greatly affects the production volumes and economic performance of coal mining enterprises. In advance degassing, in addition to using the plasma pulse method, degassing is carried out through wells drilled from the surface in future collapse domes, which are used for traditional dome degassing. This method of influence allows to improve not only economic indicators, but also will allow to solve ecological problems in modern conditions.
Ключевые слова: МЕТОД ПЛАЗМЕННО-ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, КАВИТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС, ДЕБИТ МЕТАНА, ТРАДИЦИОННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ, ГИДРОРАЗРЫВ, ГАЗОНОСНОСТЬ Key words: METHOD, PLASMA-PULSE IMPACT, CAVITATION PROCESS, METHANE INFLOW, TRADITIONAL DEGASSING, HYDRAULIC RAPTURE, GAS CONTENT
Подземная разработка угольных месторождений в мире в большинстве случаев обусловлена повышенным содержанием газа метана в угольных
пластах, а также осложняется газодинамическими явлениями. Для эффективности дегазации потребуется стимуляция пробуренных скважин методом гидроразрыва пласта.
научно-технический журнал №2-2021
вестник
Одним из примеров метаноопасных шахт в Кемеровской области является опасная по внезапным выбросам угля и газа «Шахта им. С.Д. Тихова», входящая в состав Промышленно-металлургического холдинга.
С глубины 310 метров от земной поверхности разрабатываемый пласт 23 является опасным по внезапным выбросам угля и газа.
В рамках разработанного ЗАО «Углеме-тан Сервис» дополнения к проекту дегазации в части заблаговременной дегазации в условиях ООО «Шахта им. С.Д. Тихова» предусмотрено бурение скважин с поверхности в количестве 174 штук. В настоящее время в соответствии с техническими решениями проекта заблаговременной дегазации отбурено 4 скважины с поверхности общей длинной 1725м.
Для эффективной заблаговременной дегазации угольного пласта требуется стимуляция пробуренных скважин. Проектом предусмотрена стимуляция скважин методом гидроразрыва пласта. Дебит метановоздушной смеси за счет самоистечения из каждой скважины составляет 0,5 м3/мин.
Для увеличения дебита метановоздушной смеси из скважин и уменьшения газоносности разрабатываемого пласта в 2014 году рассмотрен инновационный проект «Технология и методология предварительной дегазации угольных пластов с целью обеспечения безопасной работы шахтеров и извлечения метана в промышленных масштабах», который прошёл экспертизу и получил государственную поддержку, а также признан соответствующим требованиям Федерального Закона РФ от 28.09.2010 № 244-ФЗ «Об инновационном центре «Сколково».
С 2014 года применяемая технология плазменно-импульсного воздействия на угольные пласты получила практическое применение.
Наиболее эффективным является применение данной технологии на угольные пласты с высокой природной газоносностью (>15м3/т) из-за необходимости выполнения длительного комплекса мероприятий традиционной дегазации: пластовой, купольной, барьерной, осуществляемой на угольных шахтах, где средствами вентиляции невозможно обеспечить содержание метана в воздухе в пределах норм безопасности в соответствии с Федеральными законами.
Газ на большой площади переводится из сорбированного и растворенного в угле в свободное состояние по всей мощности пласта и в результате инициируемых плазменно - импульсным воздействием растягивающих и сжимающих напряжений сам начинает инициировать
ударные волны за счет кавитационных процессов.
Источник колебаний выделяет значительное количество энергии с высокой температурой (25000 - 28000 °С) за короткий промежуток времени (50-53 мкс), формирует ударную волну с избыточным давлением, многократно превышающим пластовое.
В результате воздействия все природные трещины и закрытые поры соединяются в единую фильтрационную сеть, что позволяет заблаговременно отбирать газ через скважины, пробуренные с дневной поверхности в запланированные купола обрушения или через специально пробуренные скважины при отсутствии купольной дегазации. Это в итоге, позволяет более эффективно снижать высокую природную газоносность угольных пластов и ускорить запуск лавы в эксплуатацию, а также увеличить-скорость проходки в зоне высокой газоносности.
Технология плазменно-импульсного воздействия увеличивает проницаемость в угольных пластах за счёт создания микротрещинова-тости в радиусе вокруг скважин не менее 250 м, что подтверждено лабораторными испытаниями, сейсмическими исследованиями с последующим построением 3D модели, а также практикой применения.
В практическом применении данный способ можно рассмотреть на примере одной из шахт Кузбасса. Так, в период с октября 2014г. по октябрь 2016г. были проведены научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по заблаговременной дегазации угольных пластов в контуре двух лав 4 скважинами с поверхности, пробуренными в будущих куполах обрушения на шахте «Ерунаковская^Ш» ООО «ЕвразХол-динг».
На данной шахте в настоящий момент успешно продолжается промышленное внедрение заблаговременной дегазации угольных пластов вертикальными скважинами с поверхности с применением технологии плазменно-импульс-ного воздействия.
К настоящему времени все скважины последовательно выведены на режим стабильного дебита метана и за 18 месяцев эксплуатации извлечено более 5 млн. м3 метана, концентрацией 97%. По результатам работы скважин заблаговременной дегазации до 2021г. ожидается снижение природной газоносности угольных пластов - с 24,0 до 12,0 м3/тонну;
Стоит отметить, что дебит метана из одной скважины при стимулировании гидроразрывом составляет - 0,5 м3/мин, с радиусом ее воз-
^^^ научно-технический журнал №2-2021
7о вестник
действия - 160м
А дебит метана из одной скважины при плазменно-импульсном воздействии составляет - 2,4 м3/мин, с радиусом ее воздействия - 250м.
Повышенная природная газоносность угля в пределах шахтного поля зачастую приводит к значительному снижению скорости проходки, что сильно влияет на объемы добычи и экономические показатели шахт.
При принятии решения на проведение работ по заблаговременной дегазации с применением плазменно импульсного воздействия, необходимо учитывать, что плазменно-импульс-ное воздействие проводится через скважины, пробуренные с поверхности в будущих куполах обрушения, которые используются для традиционной купольной дегазации.
Экономический эффект от работ по заблаговременной дегазации, предусматривающий данную технологию, заключается в:
• увеличении скорости проходки и сокращении сроков подготовки лавы;
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• снижении расходов на предварительную дегазацию;
• повышении уровня безопасности ведения горных работ;
• увеличении нагрузки на лаву и ускорении ведения горных работ в угольных пластах с высокой природной газоносностью;
• возможности эффективной утилизации добытого метана.
Данные проекты позволят не только улучшить экономические показатели, но и решить экологические задачи в современных условиях.
Таким образом, на текущий момент технология плазменно-импульсного воздействия не имеет аналогов по эффективности. Понимание и готовность внедрения инновационных технологий дегазации при добыче угля, несомненно, обеспечит конкурентные преимущества во всех направлениях: суточных объёмах добычи, снижении себестоимости добычи и повышении безопасности труда.
1. Максютин, А.В. Комплексная технология плазменно-импульсного и физико-химического воздействий на продуктивный пласт для интенсификации добычи нефти на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами [Текст] / А.В. Максютин // диссертация и автореферат. - 2009.
2. Георезонанс. Исследование микротрещиноватости углей, вызванной ПИВ методом рентгеновской томографии. [Электронный ресурс]. URL: http: // http://georez.ru/technology/articles/the-study-of-coal-microcracks-caused-by-ppt-by-means-of-x-ray-tomography-xrt/ (дата обращения: 16.03.2021).
3. Лукьянов В.Г. Исследование и совершенствование технологии разведки и дегазации угольных месторождений Кузбасса методом бурения многофункциональных скважин // Диссертация -2017- [Электронный ресурс]. URL: http://earchive.tpu.rU/bitstream/11683/46901/1/dis00232.pdf (дата обращения: 20.03.2021).
4. Каркашадзе Г.Г. Обоснование и разработка метода дегазации угольного пласта на основе циклического газодинамического воздействия // Диссертация - Москва 2017- [Электронный ресурс]. URL: https://misis.ru/files/2766/ hautiev-disser.pdf (дата обращения 28.03.2021).
REFERENCES
1. Maksiutin, A.V. (2009). Kompleksnaya tekhnologiya plazmenno-impul'snogo i fiziko-khimicheskogo vozdeystviy na produktivnyy plast dlya intensifikatsii dobychi nefti na mestorozhdeniyakh s trudnoizvlekayemymi zapasami [Integrated technology of plasma-pulse and physicochemical impacts on a productive seam for intensifying oil production in fields with hard-to-extract reserves]. Candidate's {Doctor's} thesis and extended abstract [in Russian].
2. Georezonans. Issledovaniye mikrotreshchinovatosti ugley, vyzvannoy PIV metodom rentgenovskoy tomografii [Geo-resonance. X-ray tomography investigation of coal microcrasks caused by PPI]. Retrieved from: http: // http://georez. ru/technology/articles/the-study-of-coal-microcracks-caused-by-ppt-by-means-of-x-ray-tomography-xrt/ [in Russian].
3. Lukianov, V.G. (2017). Issledovaniye i sovershenstvovaniye tekhnologii razvedki i degazatsii ugol'nykh mestorozh-deniy Kuzbassa metodom bureniya mnogofunktsional'nykh skvazhin [Research and improvement of Kuzbass coal deposits' exploration and degassing technology by drilling multifunctional boreholes]. Candidate's {Doctor's} thesis. Retrieved from: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/46901/1/dis00232.pdf [in Russian].
4. Karkashadze, G.G. (2017). Obosnovaniye i razrabotka metoda degazatsii ugol'nogo plasta na osnove tsiklicheskogo gazodinamicheskogo vozdeystviya [Coal seam degassing method based on cyclic gas-dynamic action justification and development]. Candidate's {Doctor's} thesis. Moscow. Retrieved from: https://misis.ru/files/2766/hautiev-disser. pdf [in Russian].
