Аэродинамические критерии эффективности извлечения метана из выработанных пространств действующих шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------- © Н.О. Каледина, И.М. Аношина,

2004

УДК 622.23:622.411.33

Н.О. Каледина, И.М. Аношина

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ*

Семинар № 5

~П угольных месторождениях, в отличие

-Я-М от месторождений природного газа, основное количество метана находится в сорбированном (связанном) состоянии, фактически, образуя с углистым веществом твердые растворы. В свободном состоянии находится не более 3-6 % от общего его объема. При изменении напряженно-деформированного состояния массива (вследствие его разгрузки от горностатического давления в процессе выемки угольных пластов) изменяется и динамическое равновесие в системе метан-уголь, что приводит к высвобождению определенного количества газа и выделению его в атмосферу шахты. Ведение горных работ в период эксплуатации шахты приводит к разгрузке углепородного массива и увеличению метаноотдачи из углесодержащих газонасыщенных пород. В

природном (неразгруженном горными

работами) состоянии угольные пласты имеют слишком низкую газопроницаемость, поэтому самостоятельная добыча метана без увязки ее с добычей угля является технически сложной энергоемкой задачей, решение которой требует достаточно высоких затрат, предварительных исследований и значительных сроков на реализацию таких проектов. Тем не менее, для повышения эффективности и, главное, безопасности угледобычи, что, в свою очередь, неизбежно повышает интенсивность десорбции метана из разгружаемого массива, - методы заблаговременной дегазации экономически оправданы даже при отсутствии промыслового значения извлекаемого метана.

Учитывая исключительно высокую ценность метана как экологически чистого топлива, а также его влияние на парниковый эффект, извлечение его в целях промышленного ис-пользовапия имеет важнейшее значение. Для

этого следует использовать имеющиеся знания

о закономерностях его выделения в процессе отработки угольных (а точнее - углегазовых) месторождений. Обобщение результатов исследований особенностей процессов десорбции метана из угля и переноса его вентиляционными потоками в системе «горные выработки -выработанные пространства - дегазационные скважины» [1] позволяет обосновать требования к технологии промысловой добычи шахтного метана на разных стадиях освоения угольных месторождений.

Эффективность извлечения метана из углегазовой толщи пород определяется рядом природных (горно-геологических) факторов: природная метаноносность, мощность угольных пластов, угол падения, глубина ведения работ, химический и структурный состав угля, физико-механические, газодинамические и фильтрационные свойства угля и вмещающих пород, - и технологических (горно-технических): скорость подвигания очистного забоя, геометрические размеры участка, система разработки, порядок отработки пластов, схемы вентиляции и дегазации.

В течение своего срока службы, по мере подвигания очистного забоя, дегазационные скважины функционируют в зонах с различным напряженным состоянием, и для каждой из них существует своя, индивидуальная зависимость дебита метана от горного давления.

Объемы газовыделения из неразгруженного пласта в скважины зависят от величины природной газопроницаемости и времени функционирования скважин, убывая по экспоненциальной зависимости (1). При прочих равных условиях эти два фактора являются определяющими в оценке эффективности работы каждой скважины.

^Исследования проводятся при финансовой поддержке Минобразования РФ: грант ТО 2-04.1-3509 106

q = q0 е ^, м3/м2-сут, (1)

где q — газовыделение с 1 м2 поверхности скважины, м3/м2-сут; q0 — начальное удельное газовыделение, м3/м2-сут; [} — коэффициент, характеризующий фильтрационные свойства пластов; Г — время дегазации, сут.

При переходе скважин в область разгрузки происходит расширение зоны влияния каждой из них, в результате чего может иметь место взаимоналожение этих зон, что способствует более полной дегазации пласта. В под- и над-работанной толще в зависимости от величины смещений, возникающих в результате выемки разрабатываемого пласта, происходит экспоненциальное увеличение пористости и газопроницаемости. Газовое давление в период сдвижения пород под влиянием горных работ уменьшается по параболической зависимости.

По мере отхода лавы процессы сдвижения затухают и стабилизируются. Слеживание и уплотнение пород приводит к уменьшению пористости и проницаемости выработанных пространств. Газопритоки в выработки и скважины постепенно истощаются. Однако выработанные пространства остаются огромными коллекторами, главным образом, свободного метана, десорбированного из разгруженного угленосного массива.

Извлечение газа из выработанных пространств действующих и отработанных участков имеет свои особенности, связанные определяющим влиянием аэродинамической связи зоны обрушений с оконтуривающими их горными выработками [1].

Таким образом, в связи с изменением напряженно-деформированного состояния горного массива в процессе отработки месторождения, определяющего условия десорбции метана (т.е. газодинамические и фильтрационные свойства угольных пластов), на разных стадиях освоения месторождения предъявляются различные требования к технологии извлечения метана.

В природном состоянии, соответствующем стадии проектирования и строительства шахты, неразгруженные пласты обладают крайне низкой газопроницаемостью и газоотдачей. В связи с чем, для рентабельной добычи метана необходимо воздействие на массив с целью повышения этих показателей. Эффективность извлечения метана при прочих равных условиях на данном этапе определяется площадью обработки массива (количеством скважин),

равномерностью его обработки, степенью вакуумирования скважин и временем их функционирования.

На стадии эксплуатации шахты, в процессе разгрузки горного массива газопроницаемость пластов и вмещающих пород существенно возрастает, что приводит к повышению газоотда-чи на всей площади подработки в границах зоны полных сдвижений. Поэтому дополнительное воздействие на массив не требуется. Источниками извлечения метана являются разрабатываемые пласты, сближенные пласты (спутники) и собственно выработанные пространства действующих участков. Специфическая особенность последних состоит в том, что эффективность извлечения метана из них определяется аэродинамическим режимом выемочного участка, а также то, что метан аккумулируется в свободном состоянии, сохраняясь в зонах обрушения и после отработки выемочных полей. После закрытия шахт обширные зоны обрушения - старые выработанные пространства значительных объемов, заполненные метаном в свободном состоянии, также становятся объектом извлечения значительных объемов газа [2].

Обязательным условием при попутной добыче метана является достижение заданного коэффициента дегазации горных выработок, обеспечивающего метанобезопасность горных работ. Это условие может быть выражено следующим образом:

Rm6 = RM Ry ^ min (2)

где Rm6 - риск аварии, связанной с загазирова-нием горных выработок; Rm - вероятность зага-зирования горной выработки; Ry - ожидаемый ущерб от загазирования выработки.

Таким образом, минимизация риска аварий, связанных с загазированием горных выработок, является целевой функцией при аэродинамическом управлении метано-воздушными потоками в шахтных вентиляционно-дегазационных системах. Условия, накладываемые требованиями безопасности и требованиями потребителя к кондициям извлекаемой смеси, являются критериальными ограничениями при разработке технологических схем извлечения метана из угленосного массива, в т.ч. из выработанных пространств как специфического источника метановыделения.

В частности, в соответствии с требованиями газового режима должно выполняться условие:

№ п/п Потребитель газа Расход газа, м3/мин Концентрация метана, %

1. Бытовое использование свыше 15 свыше 80

2. Шахтные котельные свыше 15 свыше 25

3. «КАТЕРПИЛЛАР» (дизель-электрический агрегат) свыше 5 40-60

4. Газовый заправщик свыше 1,5 свыше 60

5. Дизель-генератор с газосборным коллектором или на скважине свыше 5 свыше 8

С1 < едоп (3)

где С1 - концентрация метана в любой точке сети горных выработок, %; Сдоп - допустимая концентрация метана в 1-й горной выработке, %.

Для обеспечения потребительских свойств извлекаемых для промышленного использования метановоздушных смесей необходимо получить стабильные дебиты газа на выходе из дегазационной сети при поддержании требуемых концентраций. Последние зависят от потребителя (табл. 1). Эти ограничения могут быть выражены следующим образом:

Скон (4)

где Ц - концентрация метана на ]-том выходе из дегазационной системы, %; Скон - кондиционная концентрация метана на выходе из дегазационной системы, %;

1 дег j — !кОН (5)

где 1дегj - дебит метана на]-том выходе из дегазационной системы, м3/мин; 1кон - требуемый дебит метана для промышленного использова-

ния, м3/мин.

Исследования распределения концентраций метана в объеме выработанного пространства, а также в отсасываемой метано-воздушной смеси от аэродинамических параметров [1] показали, что определяющим фактором, при прочих равных условиях, является режим проветривания, который количественно может быть оценен интегральным числом Рейнольдса (Яе*) для пористых сред. Интегральное число Рейнольдса определяется следующим образом:

1 ХЛ„ / N . . , (6)

Яе’

(X -Хо)• Ь

где X, х0, Ь - геометрические размеры выработанного пространства; х, у - координаты.

Проведенные исследования показали, что Яе*, отражающее отношение сил инерции к силам вязкости в фильтрационном потоке уте-

Схема к определению диапазона оптимальных режимов вентиляции участка в добычные смены

чек, может быть определено через отношение квадратичного и линейного сопротивлений выработанного пространства [3].

Установлена экспоненциальная зависимость убывания концентраций и дебитов метана с увеличением интенсивности проветривания (с ростом Re*):

С = С0 exp (-A Re*) (7)

I = I0 exp (-B Re*) (8)

где A, В - коэффициенты, зависящие от схемы вентиляции выемочного участка, определяемые индивидуально для каждого участка в зависимости от конкретных горно-геологических и горно-технических условий.

С учетом указанных зависимостей, можно определить для каждого участка область аэродинамических режимов, удовлетворяющих условиям (2)-(5), т. е. обеспечивающих эффективное извлечение метана из выработанного пространства (рисунок).

Выводы:

1. При системном решении проблем угольного метана (энергетической, экологической и промышленной безопасности) для обеспечения возможности включения шахтного метана в топливно-энергетический баланс, прогноз и проектирование добычи метана из шахтных полей должно производиться с учетом особен-

1. Пучков Л.А., Каледина НО. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. - М: Изд-во МГГУ, 1995.

2. R. Helmig. Multiphase Flow and Transport Processes in the Subsurfase: a contribution to the modeling of

ностей его извлечения на разных стадиях освоения месторождений.

2. Наибольшие объемы выделения и извлечения метана из угольных пластов достигаются в период ведения горных работ: при этом с увеличением интенсивности добычи угля возрастают объемы выделения газа без дополнительной обработки пластов, что делает попутную добычу метана экономически целесообразной при промышленном его использовании.

3. Важнейшим объектом дегазации в период ведения горных работ и после их окончания являются выработанные пространства, аккумулирующие значительные объемы метана в свободном состоянии. Основная особенность этого источника выделения газа в вентиляционнодегазационные системы шахт - наличие аэродинамической связи с горными выработками, оконтуривающими зоны обрушения, что позволяет управлять метано-воздушными потоками путем перераспределения аэродинамических параметров в вентиляционной сети.

4. На основе исследований распределения параметров фильтрационных потоков в выработанных пространствах, предложены аэродинамические критерии эффективности извлечения метана, определяющие условия извлечения кондиционных метано-воздушных смесей из выработанных пространств действующих газообильных угольных шахт.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

hydrosystems. Berli, New York, London, Milan, Paris and others: Springer, 1997.

3. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. - М: Изд-во МГГУ, 1993.

— Коротко об авторах

Каледина Нина Олеговна - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Аэрология и охрана труда», Аношина ИМ. - аспирантка,

Московский государственный горный университет.

© И. В. Баклашов, К. С. Коликов, М.В. Шмидт, 2004